本发明涉及一种高硬生活饮用水软化装置及方法，属于给水处理技术领域。
背景技术：
硬度大的生活饮用水由于存在煮沸后口感差、易生成水垢皂垢、降低洗涤效果和皮肤不适等问题，因此一直受到民众诟病和抱怨。针对水质高硬度问题，国内外现有除硬工艺主要为药剂软化法、离子交换法、膜软化法等，但是均存在一定的局限性。例如，药剂软化法虽然成本低，但是出水水质不稳定、产生泥渣量较多，而且管理较繁杂；离子交换软化法不仅对预处理要求严格，费用也较高，而且出水盐度增大不适用于生活饮用；膜软化工艺虽然出水水质好，但是建造和运行费用高昂。出于经济成本、技术水平和标准要求等方面的考虑，目前我国硬水软化处理主要针对工业用水。针对城镇集中式供水和农村小规模供水模式下的生活饮用水除硬技术还没有在经济上适当、在技术上成熟的方案。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提供一种出水水质稳定性好、产生泥渣量小且除硬效果好的高硬生活饮用水软化装置及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高硬生活饮用水软化装置，其特征在于：它包括液固流化床反应器，在所述液固流化床反应器的底部设置有进水口和进药口，在所述液固流化床反应器的底部填充有诱晶材料，所述诱晶材料的顶面高于进水口和进药口，在所述液固流化床反应器的顶部设置有出水口，所述进水口通过管路连接用于盛放待软化原水的储水装置，所述进药口通过管路连接用于盛放软化药剂的罐体，在位于所述储水装置与所述进水口之间的管路上以及位于所述罐体与所述进药口之间的管路上均设置有泵。
所述诱晶材料包括第一层石英砂和第二层石英砂；所述第一层石英砂的粒径大于所述第二层石英砂的粒径，所述第一层石英砂设置在所述液固流化床反应器内的底部，所述第二层石英砂位于所述第一层石英砂的顶部；所述第一层石英砂和所述第二层石英砂的粒径均在0.2～1毫米之间。
所述出水口设置成齿形堰板或环形集水槽；所述出水口通过管路连接砂石过滤器。
在所述液固流化床反应器上部的外壁上上下间隔设置有多个取样口，在所述液固流化床反应器、所述储水装置和所述罐体的底部设置有排空口，在所述罐体的顶部设置有用于加软化药剂或加水的开口。
在所述进水口上间隔设置有多个进水喷头，所述进药口上位于所述进水喷头的上方。
所述软化药剂为氢氧化钠、碳酸钠或氢氧化钙。
在位于所述罐体与所述进药口之间的管路内设置有用于清除软化药剂内杂质的Y型过滤器；在位于所述储水装置与所述进水口之间管路上的所述泵为离心泵，另一所述泵为计量泵，所述计量泵设置在所述罐体的顶部；在位于所述罐体与所述进药口之间的管路上间隔设置有压力表和止回阀；在位于所述储水装置与所述进水口之间的管路上间隔设置有压力表、止回阀和电磁流量计。
一种高硬生活饮用水软化方法，其特征在于，它包括以下步骤：1)利用位于储水装置与进水口之间管路上的泵将储水装置内待软化的原水泵入液固流化床反应器的底部，同时利用位于罐体与进药口之间管路上的另一泵将罐体内的软化药剂泵入液固流化床反应器的底部，使原水和软化药剂在液固流化床反应器的底部混合；2)通过水流上推力使诱晶材料流化后沿液固流化床反应器上升，位于流化床区域内的原水中的致硬离子在诱晶材料表面上沉淀结晶，后附着在诱晶材料表面；3)位于液固流化床反应器上部澄清后的水经出水口流出。
在所述步骤2)中，通过水力条件中的水压力和/或水流速调控液固流化床反应器内的流化床状态，液固流化床反应器内流化床体的膨胀率在200～250％之间。
液固流化床反应器内原水碱度小于原水硬度的一半时，在罐体内添加用于提高液固流化床反应器内原水碱度的碳酸钠。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明装置设置了液固流化床反应器，在液固流化床反应器的底部填充有诱晶材料，诱晶材料的顶面高于进水口和进药口，能够实现集软化药剂、原水和诱晶材料混合、结晶、沉淀反应为一体，本发明出水水质稳定性好、产生泥渣量小且除硬效果好，并且适用于大规模处理。2、本发明诱晶材料包括第一层石英砂和第二层石英砂，第一层石英砂的粒径大于第二层石英砂的粒径，第一层石英砂设置在液固流化床反应器内的底部，第二层石英砂位于第一层石英砂的顶部，通过水流上推力能够使诱晶材料快速地流化后沿液固流化床反应器上升，反应时间快。3、本发明第一层石英砂和第二层石英砂的粒径均在0.2～1毫米之间，以便于在液固流化床反应器形成对原水进行除硬的稳定的流化床，进一步提高除硬效果。4、本发明出水口设置成齿形堰板或环形集水槽，能够降低出水口的流速，从而保证颗粒沉降效果。5、本发明出水口通过管路连接砂石过滤器，能够降低出水浊度。6本发明方法通过水力条件中的水压力和/或水流速调控液固流化床反应器内的流化床状态，保证液固流化床反应器内流化床体的膨胀率在200～250％之间，以强化原水中致硬离子在诱晶材料表面上的沉淀。7、本发明原水在液固流化床反应器内停留的时间为1～2分钟，停留时间短，能够降本增效。8本发明液固流化床反应器内原水碱度小于原水硬度的一半时，可以在罐体内添加用于提高液固流化床反应器内原水碱度的碳酸钠，本发明使用方便，可以连续运行。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提出的高硬生活饮用水软化装置，它包括垂直布置的液固流化床反应器1，在液固流化床反应器1的底部设置有进水口和进药口。在液固流化床反应器1的底部填充有诱晶材料，诱晶材料的顶面高于进水口和进药口。在液固流化床反应器1的顶部设置有出水口11。其中，进水口通过管路连接用于盛放待软化原水的储水装置2，进药口通过管路连接用于盛放软化药剂的罐体3。在位于储水装置2与进水口之间的管路上以及位于罐体3与进药口之间的管路上均连接泵4。
上述实施例中，诱晶材料包括第一层石英砂和第二层石英砂，其中，第一层石英砂的粒径大于第二层石英砂的粒径，第一层石英砂设置在液固流化床反应器1内的底部，第二层石英砂位于第一层石英砂的顶部，通过水流上推力能够使诱晶材料快速地流化后沿液固流化床反应器上升。诱晶材料还可以为石榴石砂和金刚砂。
上述实施例中，第一层石英砂和第二层石英砂的粒径均在0.2～1毫米之间，以便于在液固流化床反应器1形成对原水进行除硬的稳定的流化床。
上述实施例中，出水口11设置成齿形堰板或环形集水槽，能够降低出水口11的流速，从而保证颗粒沉降效果。
上述实施例中，出水口11通过管路连接砂石过滤器5，能够降低出水浊度。
上述实施例中，在进水口上间隔设置有多个进水喷头12，可以进行反冲洗。其中，进药口位于各进水喷头12的上方。
上述实施例中，在液固流化床反应器1、储水装置2和罐体3的底部均设置有排空口6。在罐体3的顶部设置有用于加软化药剂或加水的开口31。
上述实施例中，在液固流化床反应器1上部的外壁上上下间隔设置有多个取样口13。
上述实施例中，在位于罐体3与进药口之间的管路内设置有用于清除软化药剂内杂质的Y型过滤器10。
上述实施例中，在位于储水装置2与进水口之间管路上的泵4为离心泵。另一泵4为计量泵，可以设置在罐体3的顶部。
上述实施例中，在位于罐体3与进药口之间的管路上还间隔设置有压力表7和止回阀8。
上述实施例中，在位于储水装置2与进水口之间的管路上还间隔设置有压力表7、止回阀8和电磁流量计9。
上述实施例中，软化药剂为氢氧化钠、碳酸钠或氢氧化钙。
上述实施例中，储水装置2为PE(聚乙烯)储水罐。罐体3为PE搅拌罐。
上述实施例中，液固流化床反应器1为Amsterdam(阿姆斯特丹)型反应器。
在上述装置的基础上，本发明提出的高硬生活饮用水软化方法，它包括以下步骤：
1)利用位于储水装置2与进水口之间管路上的泵4将储水装置2内待软化的原水泵入液固流化床反应器1的底部，同时利用位于罐体3与进药口之间管路上的另一泵4将罐体3内的软化药剂泵入液固流化床反应器1的底部，使原水和软化药剂在液固流化床反应器1的底部混合；
2)通过水流上推力使诱晶材料流化后沿液固流化床反应器1上升，位于流化床区域内的原水中的致硬离子在诱晶材料表面上沉淀结晶，后附着在诱晶材料表面；
3)位于液固流化床反应器1上部澄清后的水经出水口11流出。
上述实施例中，在进行软化处理前，可以用去离子水清洗诱晶材料，当出水浊度和进水浊度接近时停止。
上述实施例中，原水在液固流化床反应器1内停留的时间为1～2分钟。
上述实施例中，在步骤2)中，通过水力条件中的水压力和/或水流速调控液固流化床反应器1内的流化床状态，保证液固流化床反应器1内流化床体的膨胀率在200～250％之间，以便于强化原水中致硬离子在诱晶材料表面上的沉淀。
上述实施例中，液固流化床反应器1内原水碱度小于原水硬度的一半时，可以在罐体3内添加用于提高液固流化床反应器1内原水碱度的碳酸钠。
实施例1
实验室模拟配水，使用CaCl2·2H2O(二水氯化钙)配制成总硬度(以CaCO3(碳酸钙)计)为330毫克/升的CaCl2溶液。配水碱度极低，因此使用碳酸钠作为软化药剂。碳酸钠溶液的配制：分别配制1％、2％、3％、5％的碳酸钠溶液。在进行软化处理前，用去离子水清洗石英砂，当出水浊度和进水浊度接近时停止。通过调整入水流量，使反应器内石英砂的流化。发现当入水流量为48升/小时时，石英砂的流化高度可以达到115厘米时，调节计量泵4的进软化药剂量使进软化药剂量为2.75毫摩尔/分钟碳酸钠，开始计时。固定时间间隔，从液固流化床反应器1不同高度的取样口13取样。连续运行24小时，出水稳定后每小时取样。分别检测水质总硬度、浊度、pH指标，发现反应出水九分钟后，出水硬度稳定在40毫克/升左右，浊度也稳定在1NTU(浊度单位)左右。硬度的去除率达到90％以上。
实施例2
实验室模拟配水总硬度(以CaCO3(碳酸钙)计)350毫克/升，总碱度以CaCO3(碳酸钙)计)250毫克/升，分别用CaCl2·2H2O(二水氯化钙)和NaHCO3(碳酸氢钠)配制。软化药剂为氢氧化钙乳浊液，配水每小时进水48升。调节计量泵4，使其进药量为1.5毫摩尔/分钟、1.8毫摩尔/分钟、2.0毫摩尔/分钟、2.3毫摩尔/分钟、2.5毫摩尔/分钟、2.8毫摩尔/分钟、3.0毫摩尔/分钟、3.2毫摩尔/分钟的一系列流化床除硬实验。整体操作和实施例1基本相同。研究发现，随软化药剂的投加量的增加，出水浊度逐渐增加，硬度随软化药剂投加量的增加而降低最后稳定在120毫克/升。硬度去除率达到67％，但用氢氧化钙处理之后的出水浊度很高，后续必须接续使用过滤处理。具体还得根据水质情况、综合运营成本来考虑选择何种工艺。
实施例3
实验室模拟配水总硬度(以CaCO3(碳酸钙)计)515毫克/升，镁硬度(以CaCO3(碳酸钙)计)70毫克/升，总碱度(以CaCO3(碳酸钙)计)235毫克/升。使用药剂为氢氧化钠。处理水量为48升/小时，相应流化床高度为115厘米。调节计量泵4控制每分钟进药量，1.88毫摩尔/分钟、2.44毫摩尔/分钟、3.008毫摩尔/分钟、3.76毫摩尔/分钟、4.512毫摩尔/分钟、5.076毫摩尔/分钟、5.64毫摩尔/分钟、6.768毫摩尔/分钟，进行了一系列不同进药量的流化床除硬实验。每三分钟取样，直到出水口11出水硬度稳定，之后每小时取样，再分别从液固流化床反应器1不同高度的取样口13取样。取样分析水质硬度，连续运行24小时。测定出水硬度、碱度、PH、浊度，发现9分钟时出水硬度即基本稳定，不同进药流量对应的出水总硬度分别为260毫克/升、195毫克/升、171毫克/升、150毫克/升、123毫克/升、81.8毫克/升、55毫克/升、17.16毫克/升、8.38毫克/升。对应的稳定出水后浊度分别为1.7NTU、2.56NTU、2.93NTU、3.32NTU、3.95NTU、4.5NTU、8.53NTU、9.85NTU、13.5NTU。出水pH随投入软化药剂药量增加而升高，最高达到pH为11.9。对于不同软化药剂投加量的液固流化床反应器1除硬实验，出水硬度均在高度55厘米左右出水稳定。这与实施例1、2所得到的规律一致。
实施例4
实验室模拟配水总硬度(以CaCO3(碳酸钙)计)450毫克/升，暂时硬度(以CaCO3(碳酸钙)计)130毫克/升，具体的通过称取CaCl2·2H2O、NaHCO3配制而成。通过投加氢氧化钠和碳酸钠混合药剂，具体操作和实施例1相同，调节进水泵控制每小时进水48升，调节进药泵控制每分钟进药氢氧化钠1.5毫摩尔、碳酸钠1.8毫摩尔。同实施例1相同不同时间段取样，待出水稳定之后不同高度取样，分析样品发现硬度降低非常明显，在45毫克/升左右，浊度在2-3NTU左右，但出水pH较高，达到11.5左右。出水稳定高度和上述实施例相同均在55厘米处。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。