一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的设备及方法

摘要

本发明属于水处理技术领域，提供了一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的设备及方法，包括：储液罐、减压阀、气体流量计、直行程电动调节阀、水射器、pH在线监测仪表、中央处理器、储存器、信号输入/输出端口和显示器；储液罐储存纯二氧化碳，减压阀将储液罐中的二氧化碳气体恢复至常压状态，气体流量计监测二氧化碳气体流量，直行程电动调节阀调节投加的二氧化碳气体流量，二氧化碳通过水射器投加；pH在线监测仪表对水质pH进行连续监测；中央处理器与储存器、信号输入/输出端口、显示器、pH在线监测仪、直行程电动调节阀相连。本发明无需制备混凝剂、工艺简单、生产周期短、成本低、更加纯净、高pH原水环境下降低了残余铝浓度。

说明书

技术领域

本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的设备及方法。

背景技术

临床医学和环境医学研究表明：摄入过量的铝会干扰人体大脑的记忆功能，导致老年痴呆症；铝在骨骼中积累，会致骨软化；过量的铝还会引起消化功能紊乱，妨碍磷、钙代谢，引起多种疾病。从健康、安全、卫生、可行等角度出发，世界各国对饮用水中的铝浓度均做出了严格的要求。例如，世界卫生组织（WHO）规定饮用水中的铝浓度≤0.20mg/L。美国、英国、德国、比利时等国家对水中铝浓度限制更加严格，规定水中铝浓度≤0.05mg/L。我国2006年修订的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）中规定铝的标准限值为0.2mg/L。

铝作为地壳中含量最多的金属元素之一，可与水中物质发生物理化学反应，生成不同形态的含铝化合物。天然水体中，铝基本上以悬浮颗粒态存在，溶解态的铝含量极少。天然水体中颗粒态、溶解态的含铝化合物随水厂原水进入到整个水处理系统中。研究表明，水中残余铝主要来源于铝盐混凝剂的使用，且水中残余铝主要以溶解态铝为主，外加极少量的颗粒态铝。在应对由于混凝剂使用不当造成的出厂水残余铝浓度偏高的风险时，常用的方法是使用铁盐混凝剂代替铝盐混凝剂、采用铁铝复合型混凝剂、投加助凝剂改善混凝条件、采用碱化度较高的高分子混凝剂等；此外，控制混凝沉淀出水浊度、沉淀池出水pH也是控制水中残余铝浓度的重要手段。

目前主要存在三种混凝剂，分别为：（1）以水玻璃、氯化镁或硫酸镁、硫酸铝或氯化铝、铝酸钠聚合而成的混凝剂，混凝搅拌反应后出水总铝浓度接近0.1mg/L，满足生活饮用水卫生标准；但是该混凝剂存在制备工艺复杂、对制备反应条件要求严格，所用生产原料组分较多，成本较高的问题。（2）以高聚聚硫氯化铝作为混凝剂，使用该方法合成的低残余铝混凝剂，用量与传统聚合氯化铝相比，混凝剂投加量减少20%以上，但其制备过程中要在室温条件下陈化5天才能获得稳定的高聚聚硫氯化铝，生产周期长，不利于商业化生产，适用性不好。（3）以高碱化度聚合多离子复合作为混凝剂，可以有效降低混凝剂投加量，节约了水处理成本；但是所用原水的pH要求非常高，必须在6.9-7.8之间。由于氢氧化铝是典型的两性氢氧化物，pH=7.5时，氢氧化铝以稳定的沉淀物形态存在。当pH<7.5和pH>7.5时，Al(OH)₃沉淀水解生成铝离子和偏铝酸根离子，导致水中残余铝浓度升高。当水厂进厂原水pH>8.0时，该混凝剂也无法解决出厂水残余铝浓度偏高的问题。

因此，水处理技术领域急需一种无需制备混凝剂、工艺简单、生产周期短、成本低，降低高pH原水中残余铝含量，适用性强的高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的设备及方法。

发明内容

本发明提供了一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的设备及方法，技术方案如下：

一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的设备，包括：二氧化碳投加控制单元、pH在线监测单元和数据储存及控制单元，并且数据储存及控制单元与二氧化碳投加控制单元、pH在线监测单元相连接；

二氧化碳投加控制单元，包括储液罐、减压阀、气体流量计、直行程电动调节阀和水射器；并且储液罐通过管道与水射器相连接，在管道上依次设置有减压阀、气体流量计、直行程电动调节阀，直行程电动调节阀与数据存储及控制单元相连接，水射器与外置高pH原水管道相连接；

pH在线监测单元，包括2台及2台以上的pH在线监测仪表，分别安装在进厂原水管道、与进厂原水管道相连接的沉淀池出口管道上，多台pH在线监测仪均与数据存储及控制单元相连接；

数据储存及控制单元，包括中央处理器、储存器、信号输入/输出端口和显示器，并且中央处理器分别与储存器、信号输入/输出端口、显示器、2台pH在线监测仪、直行程电动调节阀相连接。

优选的，在上述的一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的设备中，pH在线监测仪为2台时，1台安装在进厂原水管道上，另一台安装在与进厂原水管道相连接的混凝沉淀池出口管道上，均与中央处理器相连接。

优选的，在上述的一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的设备中，直行程电动调节阀的阀芯为针形阀芯。

一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的方法，其中，包括如下步骤：

步骤一，通过安装在水厂的进厂原水管道、沉淀池出口管道处的2台pH在线监测仪表检测原水和混凝沉淀出水的pH值；

步骤二，当进厂原水pH>7.8时，安装在进水口处的pH在线监测仪表将检测到的原水pH值传递给中央处理器，中央处理器根据实测的原水pH值，计算得出需要向高pH原水管道内投加的二氧化碳气体量，将混凝沉淀出水pH控制在标准值范围内；

步骤三，打开储液罐释放纯二氧化碳液体，通过减压阀将储液罐中的纯二氧化碳液体恢复至常压状态，转化为二氧化碳气体；

步骤四，通过气体流量计监测二氧化碳气体的瞬时流量、累积流量，并将数据转送至中央处理器；

步骤五，中央处理器将步骤二中计算得出的二氧化碳气体投加量传递给直行程电动调节阀，直行程电动调节阀根据步骤二中计算的二氧化碳气体投加量以及步骤四中检测二氧化碳气体的瞬时流量进行初步调节后，通过水射器向高pH原水管道中投加纯二氧化碳气体；

步骤六，安装于混凝沉淀出口的在线pH监测仪表对沉淀池出水pH进行连续监测，并将检测到的出水pH数据传输至中央处理器；

步骤七，中央处理器根据步骤六中沉淀池出口在线pH监测仪表所测pH值，控制直行程电动调节阀开启度，对二氧化碳投加量进行实时调节；

步骤八，原水pH值、出水pH值、二氧化碳气体流量、直行程电动调节阀开启度的数据信息通过储存器进行存储，以便中央处理器进行数据调用和运算；数据信息通过显示器进行实时显示，便于查看和调节；当显示的出水pH满足中央处理器预设的pH标准值且进厂原水pH<7.8时，关闭二氧化碳投加控制单元，无需对原水进行调节；否则重复步骤二至八，直至符合要求为止；

步骤九，向进厂原水管道内通入硫酸铝混凝剂，取样测量残余铝浓度；

步骤十，根据步骤九测得的残余铝浓度能够得出通入纯二氧化碳对原水进行调节pH值后，能够有效的降低残余铝浓度的结论。

优选的，在一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的方法中，还包括：步骤十一，当工作人员需要向中央处理器输入信号或者输出数据信息时，通过信号输入/输出端口将对应命令传递给中央处理器，中央处理器从储存器内调取数据并通过信号输入/输出端口输出。

优选的，在一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的方法中，步骤二中的中央处理器预设的pH标准值为7.2-7.8。

优选的，在上述一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的方法中，步骤九中的残余铝浓度测定方法采用电感耦合等离子体质谱法。

本发明的有益效果：

1、本发明通过向高pH原水中投加二氧化碳进而对水体pH进行调控，避免了投加硫酸、盐酸等液态强酸给水厂生产设备造成的腐蚀，以及对原水造成的污染；通过与硫酸铝混凝剂混合作用，使铝以氢氧化物沉淀滤除，更加纯净、环保。混凝剂选用简单，无需制备，节约生产成本、维修成本、降低出厂水中残余铝含量。

2、本发明采用水射器向原水投加二氧化碳调节pH值，与曝气投加相比，能够使二氧化碳气体与水充分反应，提高了二氧化碳气体使用效率。

3、本发明通过位于原水管道、沉淀池出口管道上安装的在线pH监测仪表对二氧化碳投加量进行即时检测和反馈，进而控制水射器出口二氧化碳气体投加量；调节过程完全由中央处理器控制，调节效果稳定可靠。

4、本发明通过在气体流量计和水射器之间设置直行程电动调节阀对二氧化碳投加量进行初调节，与后期通过中央处理器控制直行程电动调节阀对二氧化碳投加量进行实时调节相结合，多次反复调节，使二氧化碳的投加量更加精确，pH调节更加精确，实验过程更加科学、严谨。

5、本发明通过向高pH的原水中投加二氧化碳进而对水体pH进行调控，由于二氧化碳能够溶解于水，生成碳酸，调节了原水pH；避免了高pH条件下氢氧化铝沉淀溶解造成的水中残余铝偏高的风险，使水中残余铝浓度稳定控制在0.1mg/L以下，远低于国家标准0.2mg/L，保证了饮用水安全。

6、本发明通过向高pH的原水中投加二氧化碳进而对水体pH进行调控，对水体化学稳定性维持具有积极作用。根据拉森比率的定义，拉森系数LR=([Cl^-]+[SO₄^2-]/[HCO₃^-])，LR值越小，水的腐蚀性越小，二氧化碳溶解于水中生成碳酸，碳酸水解生成的碳酸氢根离子对于缓解腐蚀起着重要作用，对自来水输送过程中保持管网水质化学稳定性具有积极的作用，投加了盐酸或硫酸将严重影响水体化学稳定性，提高了水的电导率，使水体呈腐蚀性。

7、本发明通过向高pH的原水中投加二氧化碳进而对水体pH进行调控，保护水厂生产设备、便于管理。由于二氧化碳溶解于水生成的碳酸是弱酸，不会给水厂生产设备造成化学腐蚀和热腐蚀，与硫酸、盐酸相比，二氧化碳气体安全稳定，不支持燃烧，便于水厂生产管理和药剂安全管控。

8、本发明通过向高pH的原水中投加二氧化碳进而对水体pH进行调控，从人体健康的角度，二氧化碳溶解生成的弱酸性碳酸、碳酸盐对人体无危害，而人体摄入硫酸根离子过多，会导致腹泻、脱水和胃肠道功能紊乱。

9、本发明针对水厂现有的水源水质，采用二氧化碳控制残余铝的方法，不需更换长期使用且与水厂工艺相匹配的混凝剂，对现有水厂的生产工艺影响最小，设备是在原有设备上进行改进，节约成本，维修方便。

10、本发明将混凝沉淀后水体pH控制在7.5左右，能够使出厂水中的铝浓度满足国家《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006的要求，解决了高pH进厂原水混凝沉淀处理过程中溶解的铝浓度偏高甚至超标的问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

图1是本发明一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的设备的结构示意图。

图2是本发明一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的方法的流程图。

其中，图1至图2中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

二氧化碳投加控制单元1；储液罐11；减压阀12；气体流量计13；直行程电动调节阀14；水射器15；pH在线监测单元2；2台pH在线监测仪表21、22；数据储存及控制单元3；中央处理器31、储存器32；显示器33；信号输入/输出端口34。

具体实施方式

为了使本发明技术实现的措施、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

图1是本发明一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的设备的结构示意图。

如图1所示，一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的设备，包括：二氧化碳投加控制单元1、pH在线监测单元2和数据储存及控制单元3，并且数据储存及控制单元3与二氧化碳投加控制单元1、pH在线监测单元2相连接；二氧化碳投加控制单元1，包括储液罐11、减压阀12、气体流量计13、直行程电动调节阀14和水射器15；储液罐11通过管道与水射器15相连接，在管道上依次设置有减压阀12、气体流量计13、直行程电动调节阀14，直行程电动调节阀14与数据存储及控制单元3相连接，水射器15与外置高pH原水管道相连接；pH在线监测单元2由pH在线监测仪表21、22组成，21安装在进厂原水管道上，22安装在与进厂原水管道相连接的混凝沉淀池出口管道上，均与数据存储及控制单元3相连接；数据储存及控制单元3，包括中央处理器31、储存器32、信号输入/输出端口34和显示器33，并且中央处理器31分别与储存器32、信号输入/输出端口34、显示器33、2台pH在线监测仪21、22、直行程电动调节阀14相连接。

本实施例中的直行程电动调节阀的阀芯为针形阀芯。

图2是本发明一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的方法的流程图。

如图2所示，一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的方法，包括如下步骤：

一种高pH原水处理过程中控制残余铝浓度的方法，包括如下步骤：

步骤一，通过安装在水厂的进厂原水管道、沉淀池出口管道处的2台pH在线监测仪表21、22检测原水和混凝沉淀出水的pH值；

步骤二，当进厂原水pH>7.8时，安装在进水口处的pH在线监测仪表21将检测到的原水pH值传递给中央处理器31，中央处理器31根据实测的原水pH值，计算得出需要向进厂原水管道内投加的二氧化碳气体量，将混凝沉淀出水pH控制在标准值范围内；

步骤三，打开储液罐11释放纯二氧化碳液体，通过减压阀12将储液罐11中的纯二氧化碳液体恢复至常压状态，转化为二氧化碳气体；

步骤四，通过气体流量计13监测二氧化碳气体的瞬时流量、累积流量，并将数据转送至中央处理器31；

步骤五，中央处理器31将步骤二中计算得出的二氧化碳气体投加量传递给直行程电动调节阀14，直行程电动调节阀14根据步骤二中计算的二氧化碳气体投加量以及步骤四中检测二氧化碳气体的瞬时流量进行初步调节后，通过水射器15向高pH原水管道中投加纯二氧化碳气体；

步骤六，安装于混凝沉淀出口的在线pH监测仪表22对沉淀池出水pH进行连续监测，并将检测到的出水pH数据传输至中央处理器31；

步骤七，中央处理器31根据步骤六中沉淀池出口在线pH监测仪表22所测pH值，控制直行程电动调节阀14开启度，对二氧化碳投加量进行实时调节；

步骤八，原水pH值、出水pH值、二氧化碳气体流量、直行程电动调节阀开启度的数据信息通过储存器32进行存储，以便中央处理器31进行数据调用和运算；数据信息通过显示器33进行实时显示，便于查看和调节；当显示的出水pH满足中央处理器31预设的pH标准值且进厂原水pH<7.8时，关闭二氧化碳投加控制单元1，无需对原水进行调节；否则重复步骤二至八，直至符合要求为止；

步骤九，向进厂原水管道内通入硫酸铝混凝剂，取样测量残余铝浓度；

步骤十，根据步骤九测得的残余铝浓度能够得出通入纯二氧化碳对原水进行调节pH值后，能够有效的降低残余铝浓度的结论。

本实施例还包括：步骤十一，当工作人员需要向中央处理器31输入信号或者输出数据信息时，通过信号输入/输出端口34将对应命令传递给中央处理器31，中央处理器31从储存器32内调取数据并通过信号输入/输出端口34输出。

本实施例的步骤二中的中央处理器31预设的pH标准值为7.2-7.8。

本实施例的步骤九中的残余铝浓度测定方法采用电感耦合等离子体质谱法。

为了验证本发明能够有效的降低残余铝浓度的结论，下面结合具体的实验室操作方法予以说明，包括如下步骤：

步骤一，选用pH＞7.8的实验原水，根据生活饮用水标准检验方法金属指标GB5750.6-2006，测定原水中的铝浓度；

步骤二，分别量取等体积的原水装入2个烧杯中，标记为标样一和标样二；

步骤三，向标样一中通入纯二氧化碳气体，将标样一中的原水pH值调至7.2-7.8之间；

步骤四，向标样一和标样二中分别加入相同质量的硫酸铝混凝剂；

步骤五，将步骤四的溶液以250-400rpm搅拌速度搅拌20-60s，100-250rpm搅拌速度下搅拌2-10min，20-100rpm搅拌速度下搅拌2-10min，静置10-60min后取上清液测量浊度；

步骤六，浊度满足要求时，采用0.3-0.6μm滤膜对标样一和标样二进行过滤，过滤后测量标样一和标样二上清液的铝浓度，即为残余铝含量；

步骤七，将标样一和标样二的残余铝浓度进行比较，标样一的残余铝浓度低于铝的标准限值为0.2mg/L，而标样二的残余铝浓度大于标样一的残余铝浓度，得出通入纯二氧化碳对原水进行调节pH值后，能够有效的降低残余铝浓度的结论。

下面结合具体实施例对本发明的实验操作方法进行具体说明：

实施例1：

首先，选取南方某水库原水为实验原水，进厂原水浊度为2.32NTU，水温21.2℃，总铝0.23mg/L，pH=8.974，混凝剂选用硫酸铝，其中Al₂O₃含量为7.8%；

然后，根据生活饮用水标准检验方法金属指标GB5750.6-2006，采用电感耦合等离子体质谱法测定水中铝浓度；

然后，分别量取等体积的原水装入2个烧杯中，标记为标样一和标样二；

然后，向标样一中通入纯二氧化碳气体，通过进口和出口处的流量计，控制二氧化碳投加量，直至将原水pH值由8.974调节至7.524，此时，二氧化碳投加量为79mg/L。

然后，分别取1000ml标样一和标样二的水加入烧杯中，加入15mg/L硫酸铝混凝剂，以300rpm搅拌速度搅拌30s，200rpm搅拌速度下搅拌3min，50rpm搅拌速度下搅拌5min，静置30min，取上清液测定浊度后，用0.45μm滤膜过滤上清液，进而采用电感耦合等离子体质谱法测定上清液的铝浓度，即为残余铝含量。

最后得出试验结果，标样一的混凝沉淀出水残余铝浓度为0.08mg/L；标样二的残余铝浓度为0.24mg/L，标样一的残余铝浓度明显优于标样二。

实施例2：

首先，选取南方某水库原水为实验原水，进厂原水浊度为2.60NTU，水温16.3℃，总铝0.11mg/L，pH=8.271，混凝剂选用硫酸铝，其中Al₂O₃含量为7.8%；

然后，根据生活饮用水标准检验方法金属指标GB5750.6-2006，采用电感耦合等离子体质谱法测定水中铝浓度；

然后，分别量取等体积的原水装入2个烧杯中，标记为标样一和标样二；

然后，向标样一中通入纯二氧化碳气体，通过进口和出口处的流量计，控制二氧化碳投加量，直至将原水pH值由8.271调节至7.320，此时，二氧化碳投加量为79mg/L。

然后，分别取1000ml标样一和标样二的水加入烧杯中，加入加入15mg/L硫酸铝混凝剂，以300rpm搅拌速度搅拌30s，200rpm搅拌速度下搅拌3min，50rpm搅拌速度下搅拌5min，静置30min，取上清液测定浊度后，用0.45μm滤膜过滤上清液，进而采用电感耦合等离子体质谱法测定上清液的铝浓度，即为残余铝含量。

最后得出试验结果，标样一的混凝沉淀出水残余铝浓度为0.08mg/L；标样二的残余铝浓度为0.16mg/L，标样一的残余铝浓度明显优于标样二。

本发明通过向高pH原水中投加二氧化碳进而对水体pH进行调控，避免了投加硫酸、盐酸等液态强酸给水厂生产设备造成的腐蚀，以及对原水造成的污染；通过与硫酸铝混凝剂混合作用，使铝以氢氧化物沉淀滤除，更加纯净、环保。混凝剂选用简单，无需制备，节约生产成本、维修成本、降低出厂水中残余铝含量。

本发明采用水射器向原水中投加二氧化碳调节pH值，与曝气投加相比，能够使二氧化碳气体与水充分反应，提高了二氧化碳气体使用效率。

本发明通过位于高pH原水管道、沉淀池出口管道上安装在线pH监测仪表对二氧化碳投加量进行即时检测和反馈，进而控制水射器出口二氧化碳气体投加量；调节过程完全由中央处理器控制，调节效果稳定可靠。

本发明通过在气体流量计和水射器之间设置直行程电动调节阀对二氧化碳投加量进行初调节，与后期通过中央处理器控制直行程电动调节阀对二氧化碳投加量进行实时调节相结合，多次反复调节，使二氧化碳的投加量更加精确，pH调节更加精确，实验过程更加科学、严谨。

本发明通过向高pH的原水中投加二氧化碳进而对水体pH进行调控，由于二氧化碳能够溶解于水，生成碳酸，调节了原水pH；避免了高pH条件下氢氧化铝沉淀溶解造成的水中残余铝偏高的风险，使水中残余铝浓度稳定控制在0.1mg/L以下，远低于国家标准0.2mg/L，保证了饮用水安全。

本发明通过向高pH的原水中投加二氧化碳进而对水体pH进行调控，对水体化学稳定性维持具有积极作用。根据拉森比率的定义，拉森系数LR=([Cl^-]+[SO₄^2-]/[HCO₃^-])，LR值越小，水的腐蚀性越小，二氧化碳溶解于水中生成碳酸，碳酸水解生成的碳酸氢根离子对于缓解腐蚀起着重要作用，对自来水输送过程中保持管网水质化学稳定性具有积极的作用，投加了盐酸或硫酸将严重影响水体化学稳定性，提高了水的电导率，使水体呈腐蚀性。

本发明通过向高pH的原水中投加二氧化碳进而对水体pH进行调控，保护水厂生产设备、便于管理。由于二氧化碳溶解于水生成的碳酸是弱酸，不会给水厂生产设备造成化学腐蚀和热腐蚀，与硫酸、盐酸相比，二氧化碳气体安全稳定，不支持燃烧，便于水厂生产管理和药剂安全管控。

本发明通过向高pH的原水中投加二氧化碳进而对水体pH进行调控，从人体健康的角度，二氧化碳溶解生成的弱酸性碳酸、碳酸盐对人体无危害，而人体摄入硫酸根离子过多，会导致腹泻、脱水和胃肠道功能紊乱。

本发明针对水厂现有的水源水质，采用二氧化碳控制残余铝的方法，不需更换长期使用且与水厂工艺相匹配的混凝剂，对现有水厂的生产工艺影响最小，设备是在原有设备上进行改进，节约成本，维修方便。

本发明将混凝沉淀后水体pH控制在7.5左右，能够使出厂水中的铝浓度满足国家《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006的要求，解决了高pH进厂原水混凝沉淀处理过程中溶解的铝浓度偏高甚至超标的问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。