饮用水硬度超标在我国一些地区比较普遍。《生活饮用水卫生标准》规定饮用水的硬度不得超过450 mg/L（以CaCO3计）。陕西某县供水工程的水源以“380” 奥陶纪石灰岩裂隙地下水为主，其总硬度含量为300~400mg/L，而暂时硬度在50~60mg/L 左右，导致普遍存在煮沸后出现大量沉淀或漂浮物，不仅在感官上难以接受，而且对生活产生诸多不便，居民普遍质疑县城供水水质安全性。从结垢原理出发，采用酸碱平衡法实现了对地下水中暂时硬度的有效去除，改善了用水器结垢，对口感影响也不大。同时，该工艺操作简单，维护方便。卢金锁（1977- ），甘肃会宁人,博士，教授, 研究方向为水源保护与水质微污染控制。目前，常用的地下水软化方法虽然在一定程度上能降低其硬度，但在实际应用中存在运行费用高、系统管理复杂等问题。对于欠发达地区，实施此类项目存在一定难度。而许多地区总硬度不超标，但暂时硬度形成的水垢是该地区供水面临的主要问题。酸碱平衡法从结垢形成原理出发，控制水中碳酸氢根离子以改善结垢现象，同时利用曝气技术使出水pH与原水接近。1、地下水水质特征试验期间该地区地下水水质情况见表1。地下水的总硬度基本上在380~420mg / L之间，虽然未超过《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）的总硬度限值，但因暂时硬度较高（47~64mg/L），加热使用过程中易生成大量结垢物质，因此考虑以暂时硬度为主要去除对象。表1 地下水水质指标 | 总硬度/mg/L | 暂时硬度/mg/L | 碱度/mg/L | pH | 浊度/NTU |
数值 | 380~ 420 | 47- 64 | 233~ 265 | 7.57~ 7.63 | 0~0.20 |
2、工艺流程水垢的生成主要受水中钙、镁离子浓度及碳酸氢根浓度影响，这三者的浓度越低，沉淀及漂浮物产生的越少。因此控制水垢可从两个角度入手，一是控制水中的钙、镁离子，二是控制水中碳酸氢根离子。基于后者去除水垢的原理，提出一种去除暂时硬度的酸碱平衡法，通过投加盐酸，使碳酸氢根转化为二氧化碳和水，减少与与钙、镁离子结合生成碳酸钙和氢氧化镁的可能；与此同时，由于加酸会使原水pH降低，利用曝气使水中游离的二氧化碳加快脱出，提高出水的pH。
设计工艺流程见图1。考虑工艺经济性及稳定性，处理目标为改善原水结垢，同时pH尽量提升至原水pH值左右。图1 工艺流程3、中试装置中试装置如图2所示。加药罐体积为40L；搅拌反应池尺寸为0.5×0.5×1.2m，内设一搅拌器，外设一静态混合器；曝气池尺寸为1.6×0.5×1.2m，内设盘式曝气器进行曝气。加酸时配置为1mol/L盐酸进行投加。图2 中试装置装置的进水取自该地区水厂，经静态混合器与加药混合后进入搅拌混合池，曝气后出水。中试的目的在于：验证工艺运行效果，对结垢及口感的影响；优化运行条件和参数，降低能耗，为工程提供设计参数和运行依据。4、对硬度的去除效果经过装置处理后，出水的暂时硬度及碱度含量显著下降（见表2），出水结垢现象较原水有较大改善，此时暂时硬度降低至8mg/L以下，出水pH值接近原水；抽取500人（其中包括当地、外地居民、专家学者）饮用处理后的水，反馈结果表明，酸碱平衡法对地下水口感影响不大。表2 装置进、出水水质项目 | 暂时硬度/mg/L | 碱度/mg/L | pH |
原水1 | 58.07 | 257.89 | 7.61 |
出水1 | 6.19 | 139.52 | 7.50 |
原水2 | 57.27 | 264.88 | 7.60 |
出水2 | 7.38 | 140.19 | 7.51 |
另外使用电热水壶分别加热原水及出水90次，可以发现，加热出水的电热水壶结垢情况相比原水有明显改善。图3 原水与处理水煮沸效果对比（左原水，右处理水）图4 电热水壶结垢情况（左原水，右出水）5、最佳药剂投量、反应时间及气水比5.1 投药量
药剂投加量对暂时硬度有显著影响。暂时硬度去除率随加酸量的增加而增大。在6种投加量下，对暂时硬度的去除率为81.1%~95.7%，有效改善结垢现象（见表3）。结合暂时硬度去除需求，加酸量可以选取0.14‰、0.15‰、0.16‰，而考虑到对出水pH值的控制、经济性以及硬度去除效果的稳定性等因素，药剂投加量宜选取0.14‰。表3 投药量与暂时硬度和沸后肉眼可见物关系加酸量/‰ | 暂时硬度/mg/L | 沸后肉眼可见物 |
0.11 | 10.58 | 上层漂浮 |
0.12 | 8.18 | 上层漂浮 |
0.13 | 6.59 | 较少 |
0.14 | 4.39 | 较少 |
0.15 | 3.79 | 较少 |
0.16 | 2.39 | 较少 |
5.2 反应时间
在药剂投加量为0.14‰、反应气水比为1:6时，不同曝气吹脱池反应时间时对暂时硬度的去除效果及出水pH的变化见图5。pH值随反应时间的增加而增大。反应时间为11.5min是效果显著，出水pH值稳定在7.50左右。可以认为，当反应时间延长至一定时间时，水中的二氧化碳与大气中的二氧化碳基本达到平衡，此时增加反应时间对二氧化碳的吹脱，乃至pH值的提高作用不大，即曝气不能使出水pH值无限提高。反应时间对暂时硬度和碱度的变化没有显著的关系。图5 反应时间对出水水质的影响
5.3 气水比设置曝气吹脱池主要是用于提高因加药而降低出水的pH。采用最佳投药量，检测原水、方案1（反应气水比6: 1、反应时间11.5min）出水、方案2(反应气水比9: 1、反应时间7min)出水的暂时硬度、碱度、pH等指标，结果如图6所示。图6 两种方案试验结果方案1的出水暂时硬度在7mg/L左右，方案2的出水暂时硬度在5mg/L左右。可以认为，酸碱平衡法能有效去除原水中的暂时硬度；方案1和方案2去除暂时硬度的差异不大，可见投药量是去除暂时硬度的决定性因素，气水比与反应时间对暂时硬度的影响不显著。
方案1、2出水的pH均在7.49左右。由前文可知，反应气水比及反应时间对出水pH有显著的影响，气水比越大，出水pH越高；反应时间越短，出水pH越低。方案2反应时间虽较方案1短，但其气水比较大，从而方案1和方案2出水pH均可达到7.49左右。
经后续的烧水实验发现，两种方案出水均能有效改善结垢现象，口感与原水均无明显区别。综上，两种处理方案可达到相同的处理效果，但各有优劣。实际工程中，方案1占地面积大，能耗较小；方案2占地面积小，能耗大。而作为水厂除垢项目，能耗大小更需考虑，故确定采用方案1，方案2或可成为设备制造提供依据。6、结论酸碱平衡法可以较好地去除该地区地下水的暂时硬度，改善结垢现象。当投加量为0.14‰浓盐酸、反应气水比1:6、反应时间11.5min时可取得较好效果，暂时硬度降至8mg/L以下，且处理出水的硬度、碱度、pH 值等指标均满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）的要求，可确保后续供水的安全性，同时能有效改善用水器结垢，对口感影响不大。根据“酸碱平衡法对地下水暂时硬度的去除”一文整理，作者是西安建筑科技的大学的华家、卢金锁、闫涛，全文将于近期发表在《中国给水排水》杂志上。
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