一种适合高硬度高碱度饮用水水质的处理方法

技术领域

本发明涉及一种用于饮用水处理方法，特别涉及一种适合高硬度高碱度饮用水水质的处理方法，针对烧水出现明显水垢现象的饮用水深度处理，可以去除水中结垢类物质，改善饮用水口感、观感和提高饮用水的安全性，获得更高品质的饮用水，属于环保水处理技术领域。

背景技术

对于生活饮用水的水质要求，可分为卫生、安全和健康三个阶段。现在正处于水质安全阶段，健康饮水的理念正在萌芽和发展中。

近年来，国家对于饮用水标准的要求不断提高，人们不仅仅满足于饮用水的安全卫生，还要求有更好的口感和营养。健康的水，是在去除水中有毒、有害污染物的基础上，保留水源水中天然的对人体有益的营养物质，安全又健康，即为高品质。然而，随着现代工农业和城市化的快速发展，水源水有机污染的加剧，已对饮用水安全构成了严重威胁。

水是生命之源，饮用水的质量与人类的健康息息相关，饮用水安全主要分为化学安全性和微生物安全性，其中首先需要保证的就是微生物安全性。

传统消毒工艺，通过强氧化剂(主要为氯)杀灭水中致病微生物，但是，通过降低出厂水中有机物含量，是限制管网中细菌生长的主要手段；虽然提高水中有效氯含量，也可以在一定程度上控制细菌的生长，但是并不能杜绝；而且，加氯量增加后，消毒副产物也会大大增加，这无疑降低了饮用水的安全性。

因此，充分降低水中有机物含量，既可以减少氯的投加量，又可以减少消毒副产物，并且可以较好的保证在管网中的水质安全。

水中无机盐离子过高过多，对人体亦有害，因此，不仅要降低出厂饮用水中的有机物含量，保证生物安全性；也要充分降低饮用水中的超标无机盐离子，如硫酸盐、硬度、重金属等等，保障饮用水安全。

关于水垢或水碱现象：当人们用自来水烧开水时，产生的白色沉淀和水中漂浮的白沫，这些白色沉淀和白沫能够积累在水壶底部和周围，长时间下来，会让水壶看起来像是涂了一层白色的壳。这些白色的沉淀，就是所谓的水垢，或者是水碱，主要成分为碳酸钙和碳酸镁等物质，这些水垢会导致热水器、锅炉、烧水壶受热不均，降低传热效率，且不易清洗，还会引起百姓对自来水水质的担忧。水垢和水中钙离子与镁离子的含量有关，水垢大，说明水中钙离子与镁离子含量高，同时，水中也存在着一定量碳酸氢根和氢氧根，即碱度高，水垢的形成主要是由于水温升高时，水中pH值上升，水中的钙镁离子容易与水中水解的碳酸根生成碳酸钙和碳酸镁，从而结垢。

近年来，随着人们对水质及安全健康更加关注，饮用水中的微污染有机物以及经消毒工艺处理产生的消毒副产物，也给饮用水安全造成了威肋，面对上述问题，膜过滤技术有很好的深度处理效果优势，膜过滤技术逐渐发展成为第三代净水技术，目前，广泛应用于水处理领域的膜过滤技术主要包括微滤、超滤、纳滤和反渗透。

膜过滤技术中的纳滤和反渗透主要用来去除有机污染物和盐离子，超(微)滤通常作为前者的预处理，降低水中的悬浮物和细菌微生物等污染物。其中，反渗透膜过滤技术的运行压力大、能耗高，产水率比纳滤低，回收率通常只有75％-80％。纳滤截留分子量介于超滤膜与反渗透膜之间，能有效去除水中大多数的有害物质，包括多环芳烃和消毒副产物，同时，保留适量有益人体健康的矿物质元素，压力介于超滤膜与反渗透之间，产水通量大于反渗透，纳滤更适合于饮用水的处理。

对于低盐、低硬度的微污染物饮用水，膜过滤技术有很好的处理效果和较高的回收率，然而，对于高硬度和高碱度等产生水垢的饮用水，则需要通过较高浓度的阻垢剂才能维护纳滤或反渗透的高回收率运行，相较于常规饮用水水质所需要的压力和能耗较高，在选用低压纳滤时，则产水仍会有明显的水垢生成，而选用高脱盐纳滤或反渗透，则能耗较高，不利于系统运行。

在饮用水领域，目前并没有特别针对除水垢的技术，因此，开发一种适合高硬度高碱度饮用水水质的处理装置及方法，去除其中的水垢物质、解决烧水结垢问题和降低水中有机污染物，改善用水安全和提高健康饮用水品质，就成为该技术领域亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种适合高硬度高碱度饮用水水质的处理装置，解决高硬度、高碱度饮用水烧水结垢问题和降低有机污染物，生产更高品质的健康安全饮用水。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种适合高硬度高碱度饮用水水质的处理装置，其特征在于：包括石灰混凝进水泵、石灰混凝装置、超滤进水箱、超滤装置、超滤进水泵、纳滤进水箱、纳滤进水泵、保安过滤器、纳滤装置；石灰混凝进水泵与石灰混凝装置相连接，石灰混凝装置与超滤进水箱相连接，超滤进水箱通过管道及超滤进水泵与超滤装置相连接，超滤装置与纳滤进水箱通过管道连接，纳滤进水箱通过管道与纳滤进水泵相连接，纳滤进水泵通过管道与保安过滤器相连接，保安过滤器通过管道与纳滤装置相连接。

优选地，所述石灰混凝装置还设有石灰混合器，前后设置手阀。

优选地，所述石灰混凝装置设置3个区域，分别为快速混合区、慢速混合区和沉淀区，慢速混合区的底部设有管道与沉淀区连通。

优选地，所述石灰混凝装置还设有石灰加药装置，包括石灰加药搅拌加药装置、混凝剂搅拌加药装置和盐酸/硫酸加药装置。

优选地，所述石灰混凝装置的快速混合区的底部设置有快速搅拌器，搅拌器转速为100-200rpm。

优选地，所述快速混合区的顶部水面以下30-40cm处设置有聚合氯化铝(PAC)投加点，水从快速混合区的顶部自流，进入慢速混合区，进行搅拌反应。

优选地，所述慢速混合区也设置有搅拌器，搅拌速度为30-50rpm，反应时间约10min。

优选地，所述慢速混合区的底部出水流入沉淀区，沉淀区设置有斜管，沉淀停留时间为1.5-2小时。

优选地，所述石灰混凝装置的产水经超滤装置(超滤膜)后，获得浊度<0.1NTU的产水。

优选地，所述超滤装置选择外压式超滤，膜材料为PVDF中空纤维超滤。

优选地，所述超滤装置运行通量60-80LMH，采用全量过滤方式运行，回收率>93％。

优选地，所述超滤装置运行40-120分钟后，进行反洗，运行5-15天，进行1次加次氯酸钠反洗。

优选地，所述保安过滤器的滤芯为过滤精度5um的线绕滤芯。

优选地，所述纳滤装置为一级三段，每段安装6-7支纳滤膜，具体可根据生产水量调整。

优选地，所述纳滤装置的纳滤膜选择低压高脱盐纳滤膜，膜材料为聚酰胺复合材料，运行压力0.3-0.7MPa。

本发明的另一目的是提供一种适合高硬度高碱度饮用水水质的处理方法，深度去除结垢物质及有机污染物，使饮用水更加安全健康，同时降低膜运行的能耗和提高稳定运行时的膜回收率至88-90％。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种适合高硬度高碱度饮用水水质的处理方法，包括如下步骤：

(1)石灰除垢：进水通过石灰混合器投加石灰，控制加石灰混合处的pH值为10-10.5，进入快速混合区，加入混凝剂PAC，与石灰等悬浮物进行混凝反应，经过10-20min反应；进入到慢速混合区，再通过中心管进入沉淀区，进行沉淀；

(2)超滤：采用外压式超滤，截留水中悬浮物和细菌病毒；

(3)纳滤除硬降垢及去除水中有机污染物：选用低压高脱盐聚酰胺复合纳滤膜，水最先进入纳滤一段产水，剩下的一段浓水，进入二段过滤产水，二段浓水进入三段过滤产水，得到88-90％的高品质产水。

优选地，步骤(1)中，混凝反应后，降低水中20％总硬度和50-70％的总碱度。

优选地，步骤(1)中，控制出水浊度<5NTU，最终出水的pH值为6.8-7.5。

优选地，步骤(2)中，出水浊度<0.1NTU，保障纳滤的进水SDI值<3。

优选地，步骤(2)中，超滤膜组件为PVDF中空纤维超滤膜组件。

优选地，步骤(2)中，采用全量过滤运行模式，运行通量为60-80LMH。

优选地，步骤(2)中，采用周期性反洗及化学加药反洗。

优选地，步骤(2)中，反洗周期为40-120min，化学加药反洗周期为5-15天。

优选地，步骤(2)中，反洗过程包括气洗及水洗。

优选地，步骤(2)中，在化学加药反洗中，反洗加药药剂选择次氯酸钠。

本发明的适合高硬度高碱度饮用水水质的处理后，脱盐率>90％，对于引起结垢类物质的如Ca和Mg去除率>95％，对于水中碱度的去除率也>80％，对水中有机物去除率达到75％以上，使产水水质得到显著改善。

本发明的适合高硬度高碱度饮用水水质的处理装置的脱盐率>90％，对于引起结垢类物质的如Ca和Mg的去除率>95％，对于总碱度及碳酸氢根的去除率>80％，对水中有机物去除率达到75％以上，使产水水质得到显著改善。在配合阻垢剂投加情况下，本发明的适合高硬度高碱度饮用水水质的处理装置的回收率达到88-90％。

有益效果：

经过本发明的适合高硬度高碱度饮用水水质的处理装置和方法，可以解决高硬度、高碱度的自来水烧水结垢问题，并且显著改善自来水水质，得到更加安全健康卫生的饮用水，满足且优于生活饮用水(GB5749-2022)标准。

本发明的优势在于：1)针对高硬度、高碱度易烧水结垢的饮用水水质，采用本系统工艺，前端石灰混凝降低了硬度和碱度，使得后端纳滤运行压力及降垢风险降低，具有更高的回收率，更低能耗；2)更短的工艺流程，在石灰混凝后直接进入超滤，减少了传统水处理在混凝后的介质过滤(如砂滤)，投资更省和更经济；3)有石灰混凝及超滤作为纳滤的预处理，纳滤运行更加稳定，相比反渗透运行压力更低，水中有机物、硬度、碱度等都得到高效去除，解决烧水明显结垢的问题，获得了更好更优地产品水质。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步描述，但本发明的实施方式不限于此。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释发明，并非为了限定本发明专利。

附图说明

图1为本发明的适合高硬度高碱度饮用水水质的处理装置的结构示意图。

主要附图标记说明：

1石灰混凝进水泵 2石灰混凝装置

3超滤进水箱 4超滤进水泵

5超滤装置 6纳滤进水箱

7纳滤进水泵 8保安过滤器

9纳滤装置

具体实施方式

下面具体实施例中的零部件等，如无特殊说明，均为常规的零部件，除非特别说明，本发明专利所用零部件均可通过市售获得。

实施例1

如图1所示，为本发明的适合高硬度高碱度饮用水水质的处理装置的结构示意图；其中，1为石灰混凝进水泵，2为石灰混凝装置，3为超滤进水箱，4为超滤装置，5为超滤进水泵，6为纳滤进水箱，7为纳滤进水泵，8为保安过滤器，9为纳滤装置；本发明的适合高硬度高碱度饮用水水质的处理装置包括石灰混凝进水泵1、石灰混凝装置2、超滤进水箱3、超滤装置4、超滤进水泵5、纳滤进水箱6、纳滤进水泵7、保安过滤器8、纳滤装置9；待处理的高硬度高碱度饮用水通过石灰混凝进水泵1进入石灰混凝装置2进行处理，石灰混凝装置2与超滤进水箱3相连接，超滤进水箱3通过管道及超滤进水泵4与超滤装置5相连接，超滤装置5与纳滤进水箱6通过管道连接，纳滤进水箱6通过管道与纳滤进水泵7相连接，纳滤进水泵7通过管道与保安过滤器8相连接，保安过滤器8通过管道与纳滤装置9相连接；

石灰混凝装置2设置3个区域，分别为快速混合区、慢速混合区和沉淀区，慢速混合区的底部设有管道与沉淀区连通；

石灰混凝装置2还设有石灰加药装置，包括石灰加药搅拌加药装置、混凝剂搅拌加药装置和盐酸/硫酸加药装置；

石灰混凝装置3的快速混合区的底部设置有快速搅拌器，搅拌器转速为100-200rpm；

在快速混合区的顶部水面以下30-40cm处设置有聚合氯化铝(PAC)投加点，水从快速混合区的顶部自流，进入慢速混合区，进行搅拌反应；

在慢速混合区也设置有搅拌器，搅拌速度为30-50rpm，反应时间约10min；

慢速混合区的底部出水流入沉淀区，沉淀区设置有斜管，沉淀停留时间为1.5-2小时；

石灰通过石灰混合器加入，与源水混合，石灰混合器设置2个，一备一用，前后设置手阀，便于切换和检修；

石灰混凝装置的产水经超滤装置(超滤膜)后，获得浊度<0.1NTU的产水；

超滤装置选择外压式超滤，膜材料为PVDF中空纤维超滤；

超滤运行通量60-80LMH，采用全量过滤方式运行，回收率>93％；

超滤运行40-120分钟后，进行反洗，运行5-15天，进行1次加次氯酸钠反洗；

保安过滤器8的滤芯为过滤精度5um的线绕滤芯；

纳滤装置9为一级三段，每段安装6-7支纳滤膜，具体可根据生产水量调整；

纳滤膜选择低压高脱盐纳滤膜，膜材料为聚酰胺复合材料，运行压力0.3-0.7MPa。

本发明的另一目的是提供一种适合高硬度高碱度饮用水水质的处理方法，深度去除结垢物质及有机污染物，使饮用水更加安全健康，同时降低膜运行的能耗和提高稳定运行时的膜回收率至88-90％。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种适合高硬度高碱度饮用水水质的处理方法，包括如下步骤：

(1)石灰除垢：进水通过石灰混合器投加石灰，控制加石灰混合处的pH值为10-10.5，进入快速混合区，加入混凝剂PAC，与石灰等悬浮物进行混凝反应，经过10-20min反应后，降低水中约20％总硬度和50-70％的总碱度，从而降低烧水结垢以及纳滤浓水结垢的风险；进入到慢速混合区，再通过中心管进入沉淀区，进行沉淀，并控制出水浊度<5NTU，最终出水加酸，控制pH值在6.8-7.5；

(2)超滤：采用外压式超滤，截留水中悬浮物和细菌病毒，出水浊度<0.1NTU，保障纳滤的进水SDI值<3；膜组件选用PVDF中空纤维超滤膜组件；

采用全量过滤运行模式，运行通量为60-80LMH；

采用周期性反洗及化学加药反洗，来维持超滤的稳定运行，反洗周期为40-120min，化学加药反洗周期为5-15天，反洗过程包括气洗及水洗，而在化学加药反洗中，主要反洗加药药剂选择次氯酸钠；

(3)纳滤除硬降垢及去除水中有机污染物：选用低压高脱盐聚酰胺复合纳滤膜，水最先进入纳滤一段产水，剩下的一段浓水，进入二段过滤产水，二段浓水进入三段过滤产水，由于前端有石灰混凝及超滤作为纳滤预处理保障，纳滤经一级三段处理后，得到88-90％的高品质产水。

本发明的适合高硬度高碱度饮用水水质的处理后，脱盐率>90％，对于引起结垢类物质的如Ca和Mg去除率>95％，对于水中碱度的去除率也>80％，对水中有机物去除率达到75％以上，使产水水质得到显著改善。

本发明的适合高硬度高碱度饮用水水质的处理装置的脱盐率>90％，对于引起结垢类物质的如Ca和Mg的去除率>95％，对于总碱度及碳酸氢根的去除率>80％，对水中有机物去除率达到75％以上，使产水水质得到显著改善。在配合阻垢剂投加情况下，本发明的适合高硬度高碱度饮用水水质的处理装置的回收率达到88-90％。

应用实施例1

江苏某水厂采用的水源具有高硬度和高碱度特点，经传统混凝、沉淀、过滤处理，外供用户后，烧水出现白色结垢物质，影响观感和口感，影响到热水器及换热器的长期使用，特别是对于外供饮料企业生产的自来水，由于高硬度和高碱度等原因，需要深度处理改善水质，因此采用本发明的装置进行深度处理。

总进水量15m

表1

由表1可知，经本发明的适合高硬度高碱度饮用水水质的处理装置处理后，电导由1070us/cm降至85us/cm，脱盐率达到92％，总硬度及总碱度的去除分别达到96％和91％，代表有机污染物的CODmn指数去除率也达到87％以上，纳滤产水，烧水也不再出现水垢，水质显著提高，可以供饮料企业直接使用。

应用实施例2

某自来水厂的进水，硬度与碱度较高，且水源水中的pH为8.0-8.5，且水源水中悬浮物较多，浊度高达10NTU，外供饮用水烧水，出现明显白色结垢物质，使热水表面变得混浊，引起居民使用的担忧；该水厂对传统饮用水处理工艺进行升级改造的中试试验，采用本发明工艺进行深度处理，并将超滤产水与纳滤产水1：1勾兑。

用本发明的适合高硬度高碱度饮用水水质的处理装置进行测试：

进水量为12m

表2

由表2可以看出，经过本发明的适合高硬度高碱度饮用水水质的处理装置对来水处理后，纳滤产水的总脱盐率、总硬度去除率和总碱去除率均>90％，并且对CODmn的去除率也高达80％以上，产水水质得到了明显的提高；即使与超滤产水1：1勾兑后，仍然可以保证勾兑后的出水烧水不产生结垢，解决了水中高硬度和高碱度引起的结垢问题，获得了更安全健康的饮用水水质。

本发明的优势在于：针对高硬度烧水易结垢的饮用水水质，前端石灰混凝降低了硬度和碱度，使得后端纳滤运行压力及降垢风险降低，具有更高的回收率，更低能耗；更短的工艺流程，在石灰混凝后直接进入超滤，减少了传统水处理在混凝后的介质过滤，投资更省和更经济；有石灰混凝及超滤作为纳滤的预处理，纳滤运行更加稳定，压力更低，水中有机物、硬度、碱度等都得到高效去除，解决烧水明显结垢的问题，获得了更好更优地产品水质。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。