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酸碱平衡法对处理地下水暂时硬度的去除

发布时间:2016-07-25 08:56

目前,常用的地下水软化方法虽然在一定程度上能降低其硬度,但在实际应用中存在运行费用高、系统管理复杂等问题。对于欠发达地区,实施此类项目存在一定难度。而许多地区总硬度不超标,但暂时硬度形成的水垢是该地区供水面临的主要问题。酸碱平衡法从结垢形成原理出发,控制水中碳酸氢根离子以改善结垢现象,同时利用曝气技术使出水pH与原水接近。
1、地下水水质特征
试验期间该地区地下水水质情况见表1。地下水的总硬度基本上在380~420mg / L之间,虽然未超过《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的总硬度限值,但因暂时硬度较高(47~64mg/L),加热使用过程中易生成大量结垢物质,因此考虑以暂时硬度为主要去除对象。
2、工艺流程
水垢的生成主要受水中钙、镁离子浓度及碳酸氢根浓度影响,这三者的浓度越低,沉淀及漂浮物产生的越少。因此控制水垢可从两个角度入手,一是控制水中的钙、镁离子,二是控制水中碳酸氢根离子。基于后者去除水垢的原理,提出一种去除暂时硬度的酸碱平衡法,通过投加盐酸,使碳酸氢根转化为二氧化碳和水,减少与与钙、镁离子结合生成碳酸钙和氢氧化镁的可能;与此同时,由于加酸会使原水pH降低,利用曝气使水中游离的二氧化碳加快脱出,提高出水的pH。
考虑工艺经济性及稳定性,处理目标为改善原水结垢,同时pH尽量提升至原水pH值左右。
3、中试装置
加药罐体积为40L;搅拌反应池尺寸为0.5×0.5×1.2m,内设一搅拌器,外设一静态混合器;曝气池尺寸为1.6×0.5×1.2m,内设盘式曝气器进行曝气。加酸时配置为1mol/L盐酸进行投加。
装置的进水取自该地区水厂,经静态混合器与加药混合后进入搅拌混合池,曝气后出水。中试的目的在于:验证工艺运行效果,对结垢及口感的影响;优化运行条件和参数,降低能耗,为工程提供设计参数和运行依据。
4、对硬度的去除效果
经过装置处理后,出水的暂时硬度及碱度含量显著下降,出水结垢现象较原水有较大改善,此时暂时硬度降低至8mg/L以下,出水pH值接近原水;抽取500人(其中包括当地、外地居民、专家学者)饮用处理后的水,反馈结果表明,酸碱平衡法对地下水口感影响不大。
另外使用电热水壶分别加热原水及出水90次,可以发现,加热出水的电热水壶结垢情况相比原水有明显改善。
5、最佳药剂投量、反应时间及气水比
5.1     投药量
药剂投加量对暂时硬度有显著影响。暂时硬度去除率随加酸量的增加而增大。在6种投加量下,对暂时硬度的去除率为81.1%~95.7%,有效改善结垢现象(见表3)。结合暂时硬度去除需求,加酸量可以选取0.14‰、0.15‰、0.16‰,而考虑到对出水pH值的控制、经济性以及硬度去除效果的稳定性等因素,药剂投加量宜选取0.14‰。
5.2     反应时间
在药剂投加量为0.14‰、反应气水比为1:6时,不同曝气吹脱池反应时间时对暂时硬度的去除效果及出水pH的变化见图5。pH值随反应时间的增加而增大。反应时间为11.5min是效果显著,出水pH值稳定在7.50左右。可以认为,当反应时间延长至一定时间时,水中的二氧化碳与大气中的二氧化碳基本达到平衡,此时增加反应时间对二氧化碳的吹脱,乃至pH值的提高作用不大,即曝气不能使出水pH值无限提高。反应时间对暂时硬度和碱度的变化没有显著的关系。
5.3    气水比
设置曝气吹脱池主要是用于提高因加药而降低出水的pH。采用最佳投药量,检测原水、方案1(反应气水比6: 1、反应时间11.5min)出水、方案2(反应气水比9: 1、反应时间7min)出水的暂时硬度、碱度、pH等指标。
方案1的出水暂时硬度在7mg/L左右,方案2的出水暂时硬度在5mg/L左右。可以认为,酸碱平衡法能有效去除原水中的暂时硬度;方案1和方案2去除暂时硬度的差异不大,可见投药量是去除暂时硬度的决定性因素,气水比与反应时间对暂时硬度的影响不显著。
方案1、2出水的pH均在7.49左右。由前文可知,反应气水比及反应时间对出水pH有显著的影响,气水比越大,出水pH越高;反应时间越短,出水pH越低。方案2反应时间虽较方案1短,但其气水比较大,从而方案1和方案2出水pH均可达到7.49左右。
经后续的烧水实验发现,两种方案出水均能有效改善结垢现象,口感与原水均无明显区别。综上,两种处理方案可达到相同的处理效果,但各有优劣。实际工程中,方案1占地面积大,能耗较小;方案2占地面积小,能耗大。而作为水厂除垢项目,能耗大小更需考虑,故确定采用方案1,方案2或可成为设备制造提供依据。
6、结论
酸碱平衡法可以较好地去除该地区地下水的暂时硬度,改善结垢现象。当投加量为0.14‰浓盐酸、反应气水比1:6、反应时间11.5min时可取得较好效果,暂时硬度降至8mg/L以下,且处理出水的硬度、碱度、pH 值等指标均满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的要求,可确保后续供水的安全性,同时能有效改善用水器结垢,对口感影响不大。

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