基于诱晶原理的除硬度装置的构建及应用效能分析

雷声杨

(中电建生态环境集团有限公司，广东 深圳 518107)

水资源问题是关系到人类前途和命运的关键问题，是人类赖以生存和社会发展的重要物质资源[1]。我国水资源稀缺，地下水作为我国重要的供水来源，而全国大部分地下水供水地区受到了不同程度的污染，其中总硬度超标严重。药剂软化法因其成本较低，是我国目前除硬度的主要技术，但由于其处理后出水浊度难以控制，严重影响了居民饮用的感官感受。诱导沉淀结晶软化技术被广泛应用于国外水厂，且能够较好地解决出水浊度问题[2]。本文基于诱导沉淀结晶原理，开发地下水除硬度高效固液分离装置，解决目前国内药剂软化法除硬度技术存在的问题，从而在国内进一步推广应用。

1 诱导沉淀结晶软化技术

诱导沉淀结晶技术是新型的化学沉淀技术，其特点是在沉淀反应体系中加入粒状固体物质以促进沉淀结晶、沉降迅速进行，使工艺时间大大缩短，从而克服了传统化学沉淀法的缺陷[3]。固相杂质加速晶核出现的作用实际上为诱导作用，将所用的固相物质统称为诱晶材料。该技术已在水质软化及工业废水处理等领域得到应用[4]。

诱导沉淀结晶技术的主要方式有流化床结晶、诱垢载体沉积式除垢和结晶沉淀—膜滤技术，其中流化床结晶法应用最多。流化床结晶中使用的反应器叫流化床结晶器( Fluidized bed crystallizers，简称：FBCS或FBC)，也叫粒丸反应器( Pellet reactor)、流化床反应器( Fluidized bed reactor,简称：FBR)[5-6]。其技术核心是在反应器底部填充适当的粒状诱晶材料(一般为砂粒)，将水泵入反应器底部以使诱晶材料处于流化态，通过加入沉淀剂使去除对象在诱晶材料上沉淀结晶，随着沉淀结晶诱晶材料不断增长、变重，逐渐沉到反应器底部，定期排出一定大颗粒的诱晶载体同时补充新的诱晶载体保持反应器连续运行，排出的诱晶载体含水率低，不需脱水、干化处理[7-9]。

在结晶软化工艺中，诱晶载体和软化剂的选择非常重要。作为诱晶载体的材料很多，如石英砂、膨润土、硅酸盐、天然植物、金属工业下脚料、合成材料下脚料等均可作为诱晶载体[10]。常用的软化剂有Ca(OH)2、NaOH和Na2CO3，软化剂的选择主要由原水水质、运行成本以及操作的难易程度决定。

诱导沉淀结晶软化法与沉淀软化法的基本作用原理相同，但工艺条件存在显著差异，是一种新型的化学沉淀技术。其特点是在反应体系中使用大量诱晶载体，促进工艺过程快速进行。结晶软化工艺在水处理领域最早即用于水的软化，其理论依据是结晶学中的诱导成核原理。在结晶反应器中装填适量的诱晶载体，再投加某些化学药剂于原水中，使溶液中的碳酸平衡向生成CO32-的方向移动，水中CO32-和Ca2+以晶种为核心，在诱晶载体表面结晶析出，最后形成CaCO3晶粒，从而达到软化水质的目的[11]。

与传统的化学沉淀法相比，诱导沉淀结晶工艺无需絮凝、沉淀等单元，具有占地面积小、反应快、去除率高不易产生二次污染等优点。在实际工业应用中具有广阔的前景。

2 高效固液分离装置的构建

2.1 传统药剂软化法的缺陷

药剂软化法由于具有原理简单、应用方便、不需复杂设备、废水产率低、处理费用相对较低等优点而受到广泛关注。然而，在药剂软化过程中存在反应速度较慢且反应程度进行不彻底等问题，如要达到较高的硬度去除效果需要投加较高剂量的软化药剂。实际应用结果也表明，现有的除硬度药剂具有与地下水水质处理需求针对性不强、去除效能较差、处理费用尚需进一步降低等方面的问题。且在处理过程中会产生大量的废渣，易对环境造成污染。

2.2 诱晶软化法的进一步优化

基于药剂软化法而发展出的诱导沉淀结晶软化法有效解决了传统药剂软化法所存在的基本问题，在国外获得了大量的应用，并取得了较好的应用效果，然而目前尚没有在国内成功应用的案例。结合结晶软化法在国外的应用情况以及国内水厂对饮用水除硬度技术的需求，需要在技术引进过程中重点针对以下几个方面进行优化。

2.2.1 针对结晶软化法所用的软化药剂(除硬度药剂)需进行进一步的优化

国外的应用结果表明，使用一定时间后需要更换诱晶材料以确保硬度去除效果，这无疑会造成运行的中断，同时增加处理成本、增加操作工序，对于其推广应用造成一定的影响。此外，结晶软化单元的出水需要进行进一步处理以确保出水水质。因此，结合软化药剂的投加方式，需要考虑针对软化药剂进行复配形成新的软化药剂，以达到确保连续运行、提升处理水质的目的。

2.2.2 结晶软化法的应用条件和技术参数需要有针对性的优化

针对我国典型高硬度地下水的基本水质特征，合理控制处理出水水质目标，可以有效地降低处理成本、简化操作程序、确保出水水质安全。因此，需要针对结晶软化法的基本应用条件和技术参数进行优化。

2.2.3 结晶软化法在实际应用中的应用装置形式需要进行进一步的改进

结晶软化法在国外应用的案例多采用结晶软化装置加后续过滤处理的方式，设备占地面积大、操作复杂，不适用于目前国内部分地区水厂人员较低的操作管理水平。因此，需要结合国内水厂实际状况，开发占地面积小、操作管理方便的新型、高效处理装置。

2.3 高效固液分离装置设计

根据地下水除硬度工艺的基本工艺单元组成，除硬度设备应该具备加药混合单元、沉淀物析出单元、诱晶及固液分离单元、过滤单元以及反冲洗、废水废渣处置等5个主要的组成单元，其中沉淀物析出、诱晶及固液分离和过滤单元等3个部分是装置的主体处理组成部分。为降低装置的占地面积，增加集约化程度，充分结合3部分的基本性能要求和工艺特点，形成了一体式除硬度装置，其基本装置构型如图1所示。

图1 高效固液分离装置结构示意图

装置高效固液分离单元整合了沉淀物析出单元、诱晶强化除硬度单元的基本功能，并结合了颗粒物强化分离装置而组成，是总硬度去除的主体场所。同时高效分离诱晶除硬度过程中所形成的颗粒物，确保装置出水浑浊度在5 NTU以内，为后续过滤单元的运行创造条件。主要由四部分组成：进水及药剂混合区(沉淀物析出区)、造粒流化床结晶区、初步分离区和斜管沉淀分离区。

3 高效固液分离装置的处理效能

利用优化后的高效固液分离装置进行连续性试验，运行方式为连续进水，进水量为40 m3/h。运行参数为：软化药剂(NaOH)投加量为100 mg/L，混凝剂(FeCl3)投加量5 mg/L，诱晶材料采用0.1～0.2 mm的石英砂颗粒，除硬度反应停留时间为10 min，沉淀区停留时间30 min，滤速为6 m/h，运行周期24 h。工艺连续运行2个月，运行效果如下所示。

3.1 总硬度

运行时间段内，高效固液分离装置对总硬度的去除效果如图2所示。

图2 高效固液分离装置硬度去除效果

由图2可看出，工艺对原水中的总硬度具有较好的控制效果，原水与药剂经过混合后进入高效固液分离单元，高效固液分离装置出水的总硬度已降低至300 mg/L左右，大部分原水中的硬度在本阶段已经基本去除；经过石英砂过滤单元过滤后，滤后水的总硬度含量可降低至250～270 mg/L之间。在整个运行期间内，装置运行效果稳定，各单元出水中的总硬度出水保持在特定数值区间内，显著降低了地下水中的高硬度对居民日常用水的影响。

3.2 pH

地下水除硬度装置连续运行时间段内，装置各单元进出水中的pH值变化情况如图3所示。可以看出，地下水原水pH基本在7.2～7.3左右，高效固液分离单元出水的pH值升高至8.3左右，经过过滤之后pH值降低至8.2左右。地下水除硬度装置出水的pH值稳定在8.1～8.3范围内，满足我国现行生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)的限值要求(6.5～8.5)，不需要再进行加酸回调。

图3 高效固液分离装置出水pH值的变化情况

3.3 浑浊度

装置连续运行时间段内，出水中浑浊度的变化情况如图4所示。可以看出，加药混合后水的浑浊度显著增加，可增加至90 NTU左右，主要是所加药剂与水中的碳酸氢根反应生成大量的沉淀物所导致；经过高效固液分离单元后的出水浑浊度可控制在1.0～4.0 NTU的范围内，对颗粒物的去除率达到90%以上；经过过滤单元处理后浑浊度则可降低至0.5 NTU以内，满足现行生活饮用水卫生标准限值要求(1 NTU)。

图4 高效固液分离装置出水浑浊度的控制效果

3.4 其他水质指标

除了上述水质参数外，针对装置进出水进行了其它主要水质参数的测定，结果见表1。

表1 高效固液分离装置进出水主要水质指标检测结果

由表1可以看出，除总硬度、pH值、浑浊度及铝等指标外，针对装置出水所检测的主要相关水质指标均满足现行生活饮用水卫生标准的限值要求。

综上，高效固液分离硬度处理装置适合我国国内大部分硬度偏高且以地下水为饮用水源的地区，其处理效果较好，运行稳定，技术相对较成熟，处理成本相对于其他水软化工艺较低，可以进一步在国内进一步研究推广。

4 成本分析

4.1 建设成本

按5 000 m3/d处理规模计，装置费用(含混合器、计量泵及搅拌装置)：130.0万元；石英砂滤料：5万元；连接管道及反冲洗水泵、风机：8万元；场地硬化及厂房搭建：7万元；合计：150万元，吨水建设成本约为300元/(m3/d)。建设成本低于目前常规工艺水厂建设的基本造价费用。

4.2 运行成本

针对优化的除硬度工艺的运行参数，进行了运行成本分析。药剂费：复合药剂价格3 000元/吨，投加量80～100 mg/L；则每吨水的药剂成本为：故药剂费为：0.24～0.30元/m3；

动力费用：生产性实验装置(1 000 m3/d)运行系统中含有的机电设备详见表2。

表2 高效固液分离装置主要机电设备情况

动力费：耗电量为102.2度/d，单位处理水量所耗电0.102度/吨，每度电约0.8元，故处理每吨水动力费是0.081 6元。故处理每吨水的单位运行成本不超过0.4元。

5 结语

(1)基于诱晶软化原理，构建了适合国内地下水硬度去除的高效固液分离装置；

(2)高效固液分离硬度处理装置装置对原水中硬度的去除率高达50%，pH值稳定在8.1～8.3范围内，装置滤后出水浑浊度可降至0.5 NTU以内，其他各项指标均能满足现行生活饮用水卫生标准的限值要求；

(3)高效固液分离硬度处理装置处理效果较好，运行稳定，技术相对较成熟，处理成本较低，可以在国内进一步研究推广。