一种跌水诱导结晶软化组合配套系统及使用方法与流程

1.本发明涉及水处理工程技术领域,尤其涉及一种跌水诱导结晶软化组合配套系统及使用方法。


背景技术：

2.饮用水硬度超标对于城镇居民生活有重要影响，在医学上研究表明高硬度水可引起人类某些疾病，例如高硬度水可引起腹泻和消化不良以及胃肠道功能紊乱等症结。同时，高硬度会造成饮用水试饮性不佳，虽然能够通过将水煮开，使得高硬度水产生沉淀物及水垢等物质，但是民众长时间饮用这样的水也会产生不安情绪及抱怨心理，也会对身体健康产生负面影响。寻求更高效安全的办法去除水体硬度势在必行。
3.近年来国内外水处理中软化方法主要有如下几种：以离子交换原理为基础的离子交换软化法，以电渗析原理为基础的膜软化法，以溶度积为原理的药剂软化法或沉淀软化法。其中化学结晶循环造粒法就是沉淀软化法的改良，向水中投入晶种和碱性药剂(氢氧化钠、碳酸钠)，使水中的钙、镁离子发生化学反应生成沉淀晶体，附着在晶种表面，随着沉淀物不断附着，晶粒慢慢长大，最终形成大颗粒的沉淀沉在水底排出。化学结晶循环造粒法以其高效、占地面积小和无废物产生的优点符合当今社会发展要求所需，具有广阔应用发展前景。另外针对水中的铁、锰等硬度，也可以用曝气氧化的方法，使其沉淀析出。
4.现在的水处理软化法多是单处理工艺，针对钙镁硬度和铁锰硬度一般不同时去除，少有同时利用跌水曝气法和化学结晶循环造粒法同时去除钙镁铁锰硬度。此外现有结晶软化池多用水泵加压的方式为晶粒层提供动力维持流化状态，耗电量较大，不够集约。若考虑利用高度差产生的压力来维持晶粒层的流化状态，但却无法完成晶粒层的初始流化，这是因为完成初始流化所需要的水压大于维持流化状态所需要的压力。


技术实现要素：

5.本发明就是为了克服上述现有技术存在的缺点，提供一种跌水诱导结晶软化组合配套系统。本发明的跌水诱导结晶软化组合系统通过跌水曝气和化学结晶循环造粒，使水中的铁、锰、钙、镁等硬度离子结晶析出，从而降低水的硬度。本发明的诱晶软化池能利用高度差产生的水头使诱晶接触池能够维持流化状态，既不会逐渐停滞，也不会水压过大，造成晶粒流失，初始流化所需要的压力比稳定流化时所需要的压力大，因此在高度差能刚好满足诱晶池中的结晶流化状态时所需要的压力时，此时的诱晶池无法自启动使池底部的晶粒开始流化，利用原有水头和水泵联合作用产生足够大的压力将底部结晶冲起，完成初始流化之后关停水泵，利用原有水头维持晶粒的流化状态。
6.本发明还提供一种跌水诱导结晶软化组合配套系统的使用方法。本发明通过采用跌水诱导结晶软化组合工艺启动方式及配套系统，使水中的硬度离子能够结晶析出，达到除硬的目的，在保持处理效果的同时，降低处理成本。
7.一种跌水诱导结晶软化组合配套系统，包括跌水曝气装置、诱晶池，所述诱晶池包
括下部的诱导结晶沉淀池，所述跌水曝气装置包括多个高度依次降低的水池，水流从最高位置的第一水池进入，依次向后面低位置的水池溢流而出，低位置的水池通过进水管路与进水通道的上端部连通，进水通道的下端部与诱导结晶沉淀池底部连通，所述进水管路包括自流管路、加压管路，所述自流管路不设泵，自流管路上设有自流管路开关阀门，加压管路上设有加压水泵，加压管路上设有加压管路开关阀门。
8.所述加压管路前段设有吸水喇叭口，加压管路和自流管路在渐扩管处接到进水通道的同一根管路上，进水通道的管路末端通往诱晶池底部，加压管路在诱晶池启动时开启使用，此时自流管路不开启使用，完成启动之后关闭加压管路的阀门，使用自流管路维持流化。
9.一种跌水诱导结晶软化组合配套系统的使用方法，包括以下步骤:
10.1)诱晶池启动时，关闭自流管路的开关阀门，打开加压管路的开关阀门，启动加压管路的加压水泵，水自吸水喇叭口经加压水泵注入原有管路，增压水流从进水通道的管路末端将诱晶池的晶粒冲起，晶粒层在水流作用下完成初始流化，晶粒层膨胀后由晶粒层膨胀前的晶面位置达到晶粒层膨胀后的晶面位置；
11.2)然后打开自流管路的开关阀门，同时关闭加压管路的加压水泵和开关阀门，使进水通过自流管路进入诱晶池，自管路末端流出，晶粒层在高差产生的水压下维持流化状态。
12.所述步骤1)，为使诱晶池中晶粒能够顺利完成初始流化状态，利用跌水曝气装置与诱晶池下部的高差产生的压力和水泵联合作用将诱晶池底部结晶冲起，等晶粒完成流化后关停水泵，利用原有水头维持流化状态，晶粒完成初始流化状态所需要的冲洗强度；
13.在晶粒层完成初始流化的过程中晶粒层因部分或全部悬浮于上升水流中而产生晶粒层的膨胀，晶粒层的膨胀率用膨胀后晶粒层的体积和膨胀之前的晶粒层的体积来表示，即
[0014][0015]
其中，e为晶粒层的膨胀率，％，v0为冲洗前的体积，m3，v为完成初始流化时的体积，m3。
[0016]
所述诱晶池当中，投加的诱晶粒是石英砂，晶粒层的冲洗计算公式为：
[0017][0018]
式中，
[0019]
其中，q为晶粒层的冲洗强度，单位l/(s
·
㎡
)；ρ为晶粒的密度，单位kg/m3，ρ0为水的密度，单位kg/m3，d为晶粒的粒径，单位m，μ为水的动力粘滞系数，μ＝1
×
10
‑3n
·
s/m2，e为晶粒层的膨胀率，单位％，m0是晶粒层膨胀前的孔隙度，单位％。
[0020]
底部管出流的流量和压强：
[0021]
当用水对诱晶池底部进行冲刷时，经晶粒层单位面积上流过的冲洗水流量，称为冲洗强度，冲洗强度用下式表示：
[0022]
q＝q/a,
[0023]
其中q的单位为l/(s
·
㎡
)，q为晶粒层的反冲洗水流量，l/s；a为晶粒层的平面面积，
㎡
。
[0024]
所述晶粒层的膨胀率用体积变化表示，同样的晶粒层平面面积a采用与膨胀后体积相同、厚度相同的四棱柱的底面积表示，
[0025]
则需要的冲洗水量q＝q*a，
[0026]
根据求出池底部管口的水流速v，m/s,其中d为管的直径，m；
[0027]
由动量定理f*t＝m*v，
[0028]
f＝p*π(d/2)2,m＝ρ*v*π(d/2)2*t，得出
[0029]
p＝ρv2，
[0030]
其中，其中f是力，单位是n,m是质量，单位是kg，p是压强，单位是pa,d是管径，单位为m,ρ是水的密度,单位kg/m3，v是水流速度，单位m/s，t为时间，单位为s，推出底部管道出口压强p，换算成水头h
末
，单位为m。
[0031]
水头损失的计算：
[0032]
利用管道流速v，求出管道沿程水头损失hf和管道局部水头损失hj，单位为m。
[0033]
管道沿程水头损失hf：液体在流动的过程中，在流动的方向、壁面的粗糙程度、过流断面的形状和面积均不变的均匀流段上产生的流动阻力为沿程阻力，沿程阻力的影响造成流体流动过程中能量的损失或水头损失，沿程阻力均匀地分布在整个均匀流段上，与管段的长度成正比；
[0034]
管道局部水头损失hj：液体在流动的过程中，另一类阻力发生在流动边界有急变的流域中，能量的损失主要集中在该流域及附近流域，这种集中发生的能量损失或阻力称之为局部阻力，局部阻力造成的水头损失称之为局部水头损失，在管道的进出口、变截面管道、管道的连接处，发生局部水头损失；
[0035]
根据以上计算，算出加压管路中加压泵扬程为h＝hf+hj+h
末
‑
h
高差
；
[0036]
完成初始流化状态所需要的总压力h
总
＝h+h
高差
，在泵的扬程达到h时，在诱晶池中的晶粒层达到完成初始流化状态所需要的冲洗强度q。
[0037]
本发明的有益效果是：
[0038]
1.本发明通过跌水曝气和化学结晶循环造粒，使水中的铁、锰、钙、镁等硬度离子结晶析出，同时去除水中的铁锰钙镁硬度，降低水的硬度，解决了现有技术的水处理软化法采用单处理工艺，对钙镁硬度和铁锰硬度一般同时去除，缺水同时利用跌水曝气法和化学结晶循环造粒法同时去除钙镁铁锰硬度的问题。利用增压水泵完成晶粒层的初始流化，同时充分利用跌水曝气池和诱导结晶池的高度差维持流化状态，提高处理效果，降低处理成本。
[0039]
2.本发明的诱晶软化池能利用高度差产生的水头使诱晶接触池能够维持流化状态，既不会逐渐停滞，也不会水压过大、造成晶粒流失，初始流化所需要的压力比稳定流化时所需要的压力大，因此在高度差能刚好满足诱晶池中的结晶流化状态时所需要的压力时，此时的诱晶池无法自启动使池底部的晶粒开始流化，利用原有水头和水泵联合作用产生足够大的压力将底部结晶冲起，完成初始流化之后关停水泵，利用原有水头维持晶粒的
流化状态，在保持处理效果的同时，降低处理成本。
[0040]
3.发明通过采用跌水诱导结晶软化组合工艺的公式模型，能够比较精确地模拟实际的使用状态，在保持处理效果、使水中的硬度离子能够结晶析出，达到除硬的目的的同时，降低处理成本，增加经济效益。解决了现有结晶软化池多用水泵加压的方式为晶粒层提供动力维持流化状态，耗电量较大，不够集约的问题；以及现有技术中，由于完成初始流化所需要的水压大于维持流化状态所需要的压力，利用高度差产生的压力来维持晶粒层的流化状态、无法完成晶粒层的初始流化的问题。
附图说明
[0041]
图1为本发明带加压水泵的跌水诱导结晶软化组合工艺示意图一；
[0042]
图2为晶粒层的有效底面积等价图；
[0043]
图3为图2的晶粒层的有效底面积等价图。
[0044]
图中，1.吸水喇叭口，2.闸阀，3.加压水泵，4.加压管路开关阀门，5.渐扩管，6.自流管路开关阀门，7.晶粒层膨胀后的晶面位置，8.晶粒层膨胀前的晶面位置，9.管路末端。
具体实施方式
[0045]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0046]
如图1
‑
3所示，一种跌水诱导结晶软化组合配套系统，包括跌水曝气装置、诱晶池，诱晶池包括下部的诱导结晶沉淀池，所述跌水曝气装置包括多个高度依次降低的水池，水流从最高位置的第一水池进入，依次向后面低位置的水池溢流而出，低位置的水池通过进水管路与进水通道的上端部连通，进水通道的下端部与诱导结晶沉淀池底部连通，所述进水管路包括自流管路、加压管路，所述自流管路不设泵，自流管路上设有自流管路开关阀门6，加压管路上设有加压水泵3，加压管路上设有加压管路开关阀门4。
[0047]
所述加压管路前段设有吸水喇叭口1，加压管路和自流管路在渐扩管5处接到进水通道的同一根管路上，进水通道的管路末端9通往诱晶池底部，加压管路在诱晶池启动时使用，此时自流管路不使用，完成启动之后关闭加压管路的阀门，使用自流管路维持流化。
[0048]
一种跌水诱导结晶软化组合配套系统的使用方法，包括以下步骤:
[0049]
1)诱晶池启动前，晶粒层的晶面位置如图中晶粒层膨胀前的晶面位置8所示高度，诱晶池启动时，关闭自流管路的开关阀门，打开加压管路的开关阀门，启动加压管路的加压水泵，水自吸水喇叭口1经加压水泵3注入原有管路，增压水流从管路末端9将诱晶池的晶粒冲起，晶粒层在水流作用下完成初始流化，晶粒层膨胀后由晶粒层膨胀前的晶面位置8达到晶粒层膨胀后的晶面位置7；
[0050]
2)然后打开自流管路的开关阀门，同时关闭加压管路的加压水泵3和开关阀门，使进水通过自流管路进入诱晶池，自管路末端9流出，晶粒层在高差产生的水压下维持流化状态。
[0051]
所述步骤1)，为使诱晶池中晶粒能够顺利完成初始流化状态，利用跌水曝气装置与诱晶池下部的高差产生的压力和水泵联合作用将诱晶池底部结晶冲起，等晶粒完成流化
后关停水泵，利用原有水头维持流化状态，晶粒完成初始流化状态所需要的冲洗强度，通过一下步骤得到：
[0052]
诱晶池中晶粒的大小是逐渐变化的，水中钙离子不断结晶析出，在晶粒表面结晶生成的碳酸钙是轻质碳酸钙，空隙大，堆积密度小，使得晶粒整体相对密度变小。晶粒体积逐渐增大，密度逐渐减小，受到的浮力逐渐增大，更容易被水冲起。故第一次启动时所需要的压力是最大的。
[0053]
在晶粒层完成初始流化的过程中晶粒层因部分或全部悬浮于上升水流中而产生使晶粒层体积增大的现象，即晶粒层的膨胀，用膨胀后晶粒层的体积和膨胀之前的晶粒层的体积来表示膨胀率，即
[0054][0055]
其中，e为晶粒层的膨胀率，v0为冲洗前的体积，v为完成初始流化时的体积。
[0056]
在此诱晶池当中，投加的诱晶粒是石英砂，晶粒层的冲洗计算公式为：
[0057][0058]
其中，
[0059]
其中，q为晶粒层的冲洗强度，单位l/(s
·
㎡
)；ρ为晶粒的密度，单位kg/m3，为水的密度，单位kg/m3，d为晶粒的粒径，单位m，μ为水的动力粘滞系数，μ＝1
×
10
‑3n
·
s/m2，e为晶粒层的膨胀率，单位％，m0是晶粒层膨胀前的孔隙度，单位％。
[0060]
底部管出流的流量和压强：
[0061]
当用水对诱晶池底部进行冲刷时，经晶粒层单位面积上流过的冲洗水流量，称为冲洗强度，冲洗强度用下式表示：
[0062]
q＝q/a,
[0063]
其中q为晶粒层的冲洗强度，l/(s
·
㎡
)；q为晶粒层的反冲洗水流量，l/s；a为晶粒层的平面面积，
㎡
。
[0064]
该诱晶池的底部体积并不是简单的柱体，晶粒层的膨胀率用体积变化表示，同样的晶粒层平面面积a采用与膨胀后体积相同、厚度相同的四棱柱的底面积表示。
[0065]
则需要的冲洗水量q＝q*a，
[0066]
根据可以求出池底部管口的水流速v,其中d为管的直径。
[0067]
由动量定理f*t＝m*v，
[0068]
f＝p*π(d/2)2,m＝ρ*v*π(d/2)2*t，得出
[0069]
p＝ρv2，
[0070]
其中，p是压强，单位是pa,d是管径，单位为m,ρ是水的密度,单位kg/m3，v是水流速度，单位m/s，t为时间，单位为s，推出底部管道出口压强p，换算成水头h
末
，单位为m。
[0071]
水头损失的计算：
[0072]
再利用管道流速v，求出管道沿程水头损失hf和管道局部水头损失hj。
[0073]
管道沿程水头损失hf：液体在流动的过程中，在流动的方向、壁面的粗糙程度、过流断面的形状和面积均不变的均匀流段上产生的流动阻力称之为沿程阻力，或称为摩擦阻力。沿程阻力的影响造成流体流动过程中能量的损失或水头损失，沿程阻力均匀地分布在整个均匀流段上，与管段的长度成正比。
[0074]
管道局部水头损失hj：液体在流动的过程中，另一类阻力是发生在流动边界有急变的流域中，能量的损失主要集中在该流域及附近流域，这种集中发生的能量损失或阻力称之为局部阻力或局部损失，由局部阻力造成的水头损失称之为局部水头损失。通常在管道的进出口、变截面管道、管道的连接处等部位，都会发生局部水头损失。
[0075]
根据以上计算，可以算出加压管路中加压泵扬程为h＝hf+hj+h
末
‑
h
高差
；
[0076]
完成初始流化状态所需要的总压力h
总
＝h+h
高差
。目的是充分利用原有高差，节约能源。即在泵的扬程达到h时，就可以在诱晶池中的晶粒层达到完成初始流化状态所需要的冲洗强度q。
[0077]
本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中的“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接连接，也可以是通过中间部件间接连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。
[0078]
以上所述为本发明的优选实施方式，具体实施例的说明仅用于更好的理解本发明的思想。对于本技术领域的普通技术人员来说，依照本发明原理还可以做出若干改进或者同等替换，这些改进或同等替换也视为落在本发明的保护范围。