多步联合去除水中硬度的方法及其处理装置与流程

本发明涉及一种水处理技术，确切地说是从水中去除钙离子和镁离子，提供一种多步联合去除水中硬度的方法及其处理装置。

背景技术：

硬度是一项重要水质指标，通常以水中的钙离子、镁离子等含量来表征。实际生活中，饮用硬水会造成肠胃功能紊乱，甚至诱使心血管、神经、泌尿系统病变等。工业生产中，硬度过高可能会降低产品的品质，或者形成水垢堵塞管道等，影响正常生产或引起爆炸。因此，去除水中的钙离子与镁离子意义重大。

水中的硬度离子通常采用化学沉淀、离子交换、膜分离和电化学等方法去除。离子交换法受树脂交换容量的影响，对进水的含盐量有严格要求，而且树脂价格较高且产生需进一步处理的再生废液；电化学法耗电量较大，适用于高含盐量的饮用水处理；纳滤/反渗透虽然能够高效去除水中的硬度，然而其高能耗限制了技术的应用推广，化学沉淀-微滤/超滤技术存在膜污染严重、难以实现工程化等缺陷。

石灰-苏打沉淀软化法工艺简单、沉淀率高，适用于不同要求的软化处理，但是其产泥量大、静沉时间长，导致构筑物体积较大、污泥处置费用高。新型化学沉淀法如基于尿素水解的微生物催化caco3沉淀法，利用co2溶于水产生co3^2-，使其与mg²⁺、ca²⁺形成沉淀等，虽然可以较好的去除水中的硬度，但是工程上应用较为困难，限制了其发展。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提出了适合工程化应用的造粒沉淀-混凝/膜分离联用技术，形成沉降性好的大粒径颗粒物，有效克服了石灰-苏打沉淀软化法静沉时间长、产泥量大的缺点，而混凝能够使小粒径颗粒物的加速沉降，并减缓膜污染，硬度去除率高、运行费用低，环境和社会效应显著。

本发明的技术方案如下：多步联合去除废水中硬度的方法，包括如下步骤：

1)造粒：向造粒搅拌池内一次性投加碳酸钙晶种，在造粒搅拌池排空前，不再投加晶种；同时投加沉淀剂碳酸钠，搅拌使之与原水充分反应15-20min；

2)沉淀：经造粒反应后，沉淀10-15min，随后上清液进入膜分离池；

3)混凝/膜分离：向膜分离池投加铁盐混凝剂进行混凝，在曝气搅拌作用下继续反应生成颗粒物，经中空纤维膜过滤后，加盐酸中和后出水。

本发明所述步骤1)中原水中钙离子的浓度为32-40mg/l，硬度为130-140mg/l。

本发明所述步骤1)中碳酸钙晶种投加量为400-1000mg/l，碳酸钠的投加量为1000mg/l。

本发明所述步骤1)中搅拌强度为420-550s^-1。

本发明所述步骤3)中铁盐混凝剂为三氯化铁，其投加量(以fe³⁺计)为3.5mg/l。

本发明所述步骤2)中膜分离池停留时间为30±5min。

本发明的第二个技术方案是多步联合去除废水中硬度的方法的处理装置，包括原水进料管，所述原水进料管经进水泵连接至造粒搅拌池上部的进水口，造粒搅拌池的上清液管道经中间提升泵连接膜分离池上部的进水口，膜分离池内部的中空纤维膜经出水管与出水泵连接；沉淀剂投加泵通过加药管连接造粒搅拌池上部的进药口；混凝剂投加泵通过加药管连接膜分离池上部的进药口；造粒搅拌池装有搅拌器；鼓风机连接膜分离池底部的空气管；盐酸投加泵通过加药管及管道混合器连接膜分离池出水管；在造粒搅拌池和膜分离池均安装液位计。

本发明所述造粒搅拌池及膜分离池两者均由圆柱和圆锥两部分构成。

本发明所述造粒搅拌池锥角为116°，其中圆柱和圆锥部分的积比为12:1。

本发明所述膜分离池锥角为112°，其中圆柱和圆锥部分的积比为16:1。

本发明所述中空纤维膜为微滤膜或超滤膜。

本发明的有益效果在于：

1、本发明能够显著提水中硬度(钙、镁离子)的去除效果，减少污泥量，出水浊度稳定。

基于该方法的反应器可以根据需要设计成固定式或移动式装置，设计规模也可以灵活选取，适用范围不仅限于水处理，可根据需要拓展至工业废水处理，环境和社会效应显著。2、本发明向造粒搅拌池投加碳酸钙晶种和碳酸钠沉淀剂，与原水充分反应，使新生成的碳酸钙不断在投加的碳酸钙晶种表面沉积，形成大粒径密实的晶体颗粒快速沉淀到造粒搅拌池底部，去除大部分的钙、镁离子；未沉淀的小粒径晶体颗粒随上清液进入膜分离池，并与铁盐的水解产物反应，形成尺寸的絮体颗粒物，经中空纤维超滤膜分离后进一步去除钙、镁离子，使出水的硬度大幅度降低。

附图说明

图1为本发明的试验装置流程图。

图中：1-进水泵；2-碳酸钠投加泵；3-碳酸钠储液罐；4-造粒搅拌池；5-搅拌器；6-中间提升泵；7-氯化铁投加泵；8-氯化铁储液罐；9-膜分离池；10-中空纤维膜；11-鼓风机；12-出水泵；13-盐酸投加泵；14-盐酸储液罐；15-管道静态混合器；16-液位计。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此实施例限定本发明的保护范围。

本发明实例的装置见附图1。造粒搅拌池为不锈钢，底部为椎体，锥角116°，高度300mm；上部为圆柱体膜分离池为不锈钢，底部为椎体，锥角116°，高度400mm；上部为圆柱体装有4个中空纤维膜组件，材质为聚偏氟乙烯，公称孔径为0.22μm，总过滤面积为50m²。装置采用可编程控制器(plc)控制、全自动运行，采用通用技术编程。装置每天连续运行24h，流量为0.63-0.84m³/h，膜分离器采用持续曝气间歇出水方式，在每10分钟的循环中，出水8分钟，空曝气2分钟。

具体操作过程如下为：装置启动时，向造粒搅拌池4中一次性投加提前制备的碳酸钙晶种。在plc控制下，进水泵1抽取原水进入造粒搅拌池4，同时碳酸钠投加泵2将碳酸钠储药罐3中的碳酸钠加入造粒搅拌池4，搅拌器5连续搅拌，使水、晶种与碳酸钠充分混合并反应；静置沉淀一定时间后，大粒径颗粒物沉淀到造粒搅拌池4的底部，未沉淀的小粒径颗粒物随上清液经过中间提升泵6进入膜分离池9；氯化铁投加泵7将氯化铁储药罐8中的氯化铁加入膜分离池9，与上清液中的小颗粒反应形成大颗粒，经中空纤维膜10分离、出水泵12抽吸后出水，同时盐酸投加泵13将盐酸储药罐14中的盐酸通过管道静态混合器15中和膜分离池9出水的ph值，使之满足《生活饮用水卫生标准》(gb5749-2006)的要求。鼓风机11向膜分离池9连续曝气，以减缓中空纤维膜的污染。液位计16用于控制进水泵1、中间提升泵6和出水泵12的启停。

实施例一

装置的流量为0.63m³/h，造粒搅拌池搅拌强度g值为556s^-1，膜分离池停留时间为35min，原水钙离子浓度为36mg/l，总硬度(以caco3计)为140mg/l。实验启动时向造粒搅拌池投加1000mg/l提前制备的碳酸钙晶种，实验中碳酸钠投加量为1000mg/l，氯化铁投加量(以fe³⁺计)为3.5mg/l，搅拌20min，静沉15min，出水钙离子浓度平均值为0.91mg/l，去除率为97.5％；总硬度平均值为22.03mg/l，去除率为84.3％。

实施例二

装置的流量为0.84m³/h，造粒搅拌池搅拌强度g值为556s^-1，膜分离池停留时间为30min，原水钙离子浓度为32mg/l，硬度(以caco3计)为130mg/l。实验启动时向造粒搅拌池投加500mg/l提前制备的碳酸钙晶种，实验中碳酸钠投加量为1000mg/l，氯化铁投加量(以fe³⁺计)为3.5mg/l，搅拌15min，静沉10min，出水钙离子浓度平均值为1.14mg/l，去除率为96.5％；总硬度平均值为23.07mg/l，去除率为82.3％。实验结束后，晶体颗粒平均值由32.42μm增大至142.00μm。

实施例三

装置的流量为0.63m³/h，造粒搅拌池搅拌强度g值为416s^-1，膜分离池停留时间为35min，原水钙离子浓度为40mg/l，硬度(以caco3计)为140mg/l。实验启动时向造粒搅拌池投加400mg/l提前制备的碳酸钙晶种，实验中碳酸钠投加量为1000mg/l，氯化铁投加量(以fe³⁺计)为3.5mg/l，搅拌20min，静沉15min，出水钙离子浓度平均值为1.16mg/l，去除率为97.1％；总硬度平均值为21.20mg/l，去除率为84.9％。

实施例四

装置的流量为0.84m³/h，造粒搅拌池搅拌强度g值为416s^-1，膜分离池停留时间为30min，原水钙离子浓度为34mg/l，硬度(以caco3计)为130mg/l。实验启动时向造粒搅拌池投加400mg/l提前制备的碳酸钙晶种，实验中碳酸钠投加量为1000mg/l，氯化铁投加量(以fe³⁺计)为3.5mg/l，搅拌15min，静沉10min，出水钙离子浓度平均值为1.07mg/l，去除率为96.9％；总硬度平均值为22.15mg/l，去除率为83.0％。实验结束后，晶体颗粒由32.66μm增大至128.19μm。