地下水因其供水条件稳定、水质相对良好的优点, 历来作为郊县及乡村地区生活用水的重要水源^[1]。地下水在作为生活饮用水的时候, 存在烧开后易结水垢的问题, 不但感官上难以接受, 而且可能存在很多潜在的危害^[2]。

　　 饮用水水垢主要是指水中的钙镁离子在烧水过程中与碳酸根离子形成不溶于水的碳酸盐饱和后析出的沉淀物。地下水总硬度在300～450 mg/L, 虽然符合《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749—2006) 中对总硬度的规定要求, 但由于碳酸氢根离子的存在, 导致此类饮用水在烧开后产生水垢^[3,4]。为解决对饮用水水垢问题的担忧^[5,6], 需要研发适用于小型供水系统的去除水垢设备, 进而推动饮用水由卫生到健康的发展。

　　 国内外目前去除水垢的方法主要分为两种:一种是降低水中硬度的软化法, 如石灰法、膜法等, 虽然这些方法能够达到去除水垢的目的, 但存在钙镁离子流失、运行费用高、工艺复杂的缺点;另一种是针对碳酸氢根离子的处理方法, 称之为酸碱平衡曝气法, 这种方法虽然解决了传统软化法的短板, 但酸类阻垢剂的存在难以解决饮用水总硬度过高以及向出水中引入大量阴离子的问题。

　　 针对现有技术的不足, 本试验在酸碱平衡曝气法的基础上, 采用氢型离子交换树脂替代原有的酸类阻垢剂, 控制水中碳酸氢根离子浓度以解决烧开后水垢问题, 同时借助曝气工艺使出水pH接近原水。此外, 自动化水垢去除设备采用先进PLC自动化控制系统, 借此提高设备运行的稳定可靠。为验证设备运行效果、成本及稳定性, 试验选取陕西某地下水水厂和工业园饮用水对设备进行试验研究, 根据不同原水情况调试设备运行参数。

　　 选取陕西某地下水水厂及工业园为试验地区。该水厂和工业园自来水烧开后冷却至室温后结垢现象比较严重、用户投诉比较多。具体水质特征见表1。

　　 根据表1水质情况可知, 水厂和工业园用水点自来水的总硬度和浊度虽然在《生活饮用水卫生标准》规定范围内, 但是沸后浊度超过9 NTU时, 烧开后水质较浑浊, 含有较多水垢, 超过了《生活饮用水卫生标准》规定的1 NTU浊度限值, 居民对此有着生理和心理上的不适, 影响了居民的正常饮用。

　　 自动化水垢去除设备是在酸碱平衡曝气工艺的基础上, 采用氢型离子交换树脂, 一方面一定比例的待处理水流经树脂罐消耗钙镁离子, 以此解决饮用水硬度偏高的问题;另一方面经树脂置换出的氢离子与水中的碳酸氢根离子转化成水和二氧化碳, 使后者的浓度不足以与水中钙镁离子结合产生水垢。此外, 曝气吹脱工艺可以将酸碱平衡反应过程中产生的大量二氧化碳吹脱至设备外, 使出水的pH接近原水。

　　 设备整体尺寸为1.6 m×1.15 m×1.35 m, 如图1所示。功能区分为氢离子置换单元、水力混合单元、PLC自动化控制单元以及鼓风曝气单元。其中, 氢离子置换单元为6个容积为28 L的玻璃钢缠绕的PPR材质罐, 高1.05 m, 采用手动、电动多种控制阀门;水力混合单元采用管径为25 mm的静态混合器;鼓风部分选用电磁式空气泵向水中鼓入空气, 曝气部分采用长柄滤头方式以保证布水布气均匀, 曝气区尺寸为0.7 m×0.7 m×0.65 m, 保证设备有足够的水力停留时间;出水因由4个指型堰汇入集水槽重力流出, 故管径大于进水管径。

　　 此外, 本设备单独配备PLC自动控制系统, 设备流程及触控显示如图2。PLC电路控制柜尺寸为0.5 m×0.2 m×0.6 m, PLC自控系统配置见表2。

　　 其中, 自动控制方案中共涉及到12个DI点 (信号输入反馈) , 12个DO点 (信号输出控制) , 6个AI点 (信号输入反馈) 及2个AO点 (信号输出控制) , 电子部件均采用直流24 V安全电压, 确保运行过程中的安全。

　　 设备在正常工作时, 如图3所示, 原水由进水口流入, 经电动调节阀调节后一定比例待处理水进入氢型离子交换树脂罐置换出氢离子, 这部分处理水与另一管路的未处理水汇合后经静态混合器充分混合, 进入鼓风曝气单元将水中的二氧化碳吹脱至空气中, 最后由集水槽汇入集水池重力流出。

　　 此外, 设备配备的PLC自动控制系统在运行过程中可以做到智能切换特定工况。当某一树脂罐中的氢型离子交换树脂失效后会自动关闭当前树脂罐的电动开关阀停止进水, 同时开启下一个树脂罐阀门进水, 直至最后一个树脂罐内的离子交换树脂失效, 设备进行再生与反洗, 然后复位工作。树脂罐以出水pH确定罐内交换树脂是否失效, 以此完成系统自动运行, 降低人力成本, 进而提高设备运行的稳定性与可靠性。

　　 设备其他关键部件:调节阀为西门子SAX61.03阀体及配套电动调节执行器 (型号为VVF42.25-6.3) ;开关阀为QQ93103D-20电动球阀 (五线带反馈) ;流量计为AMTLD-25电磁流量计;pH检测装置为SIN-PH2.0 pH在线监测仪;鼓风机为 ACO-009 电磁式空气泵;设备额定处理水量为20 m³/d, 电磁流量计量程为0.176～26.5 m³/h, 空气泵的调节范围是 0～10 m³/h。

　　 浊度:HACH 2100 N实验室台式浊度仪;pH:SIN-PH2.0 pH在线监测仪与HACH HQ11 d pH计配合使用;总硬度:EDTA滴定法;碱度:酸碱滴定法。此外, 因试验区域水样pH均小于8.4, 水样中碳酸盐碱度基本为零, 故而在检测水中碱度时只分析重碳酸碱度。

　　 同一处理水量下处理水与未处理水混合比的不同, 意味着氢型离子交换树脂的置换量的不同。因此理论上处理水与未处理水混合比对试验水样的出水碱度、硬度、pH以及沸后浊度有着很大的影响。以陕西某地下水水厂出水为试验水样, 探讨处理水与未处理水混合比从1∶5至1∶9时的出水碱度、硬度、pH以及沸后浊度的变化情况, 试验结果见图4、图5。

　　 从图4可以看出, 出水碱度和硬度并未完全去除, 而是根据酸碱平衡曝气工艺将出水碱度降低至165 mg/L以下, 保证出水中大部分的钙镁离子等对人体有益的离子不流失。由图5可知, 设备处理出水结垢情况较原水有着明显改善。但当处理水与未处理水混合比为1∶9时, 出水沸后浊度仍超过1 NTU, 不符合我们的初衷;混合比1∶8和1∶7时, 虽然沸后浊度低于1 NTU, 但上层存在一定程度上的微量漂浮物。因此, 综合沸后浊度 (烧开后水垢去除情况) 及出水pH等水质指标, 处理水量为20 m³/d的最佳混合比1∶6较为合适。

　　 此外, 本试验模拟用水高低峰 (或不考虑储水设施) 情况, 将设备处理水量在15～25 m³/d进行试验, 发现用水低峰 (15～18 m³/d) 即处理水量降低时, 处理水与未处理水混合比1∶7就可达到出水烧开后不产生水垢;在用水高峰期 (22～25 m³/d) 时, 处理水与未处理水混合比为1∶5才可以保证用户正常用水。通过分析:日处理量少, 即流量小时, 待处理水中钙镁离子就能与树脂充分接触, 单位体积原水置换的氢离子多;相反, 流量大, 钙镁离子置换不彻底, 单位体积待处理水置换的氢离子量较少。因此日处理量 (又可认为是曝气区水力停留时间) 也是影响处理水与原水混合比的一大因素。

　　 水中的碳酸氢根与树脂置换出的氢离子充分混合反应生成大量二氧化碳, 需要对其进行曝气吹脱, 进而提高最终出水的pH。本试验以陕西某地下水厂供水为水样, 在处理量20 m³/d、不同混合比的情况下探讨气水比从5∶1至9∶1时设备出水pH的变化情况, 结果如图6。

　　 由图6可知, 随着曝气量的增加, 设备最终出水pH也一直在增加, pH在气水比7∶1后的增加趋势基本变缓, 这说明了曝气量对pH的增加作用是有一定限度的。这一现象符合酸碱平衡曝气工艺的前期研究。因此, 针对此地下水厂水源, 考虑到设备运行成本、出水pH指标与原水比较等因素, 笔者认为设备运行时的气水比选择7∶1比较适宜。

　　 为检验设备长时间连续运行效果的稳定及PLC自动控制系统的承载能力, 试验在水厂选取48 h的连续运行结果。根据上述试验设备运行参数, 连续性运行试验调整运行参数为:设备日处理量20 m³/d、处理水与未处理水混合比为1∶6、气水比7∶1。并且, 每隔2 h观测1次PLC触控屏相应指标, 每隔4 h取样检测出水碱度、硬度以及沸后浊度等指标, 试验完毕后导出PLC运行数据。

　　 由图7可以发现, 设备出水浊度低于原水浊度, 说明设备具有一定的过滤效果, 出水水质优于原水;且沸后浊度低于0.45 NTU, 基本稳定在0.30～0.40 NTU。且出水烧开后无水垢和漂浮物产生, 感官性状良好, 符合试验预期效果。

　　 根据图8, 出水pH在7.38以上, 基本接近原水pH (误差在0.2左右) , 碱度稳定在145～150 mg/L。此外, 设备连续性运行过程中, PLC系统及电子元件工况正常, 实现了系统程序自动跳转, 在一定程度上降低了设备运行成本和运行人员的管理难度。出水水质也符合《生活饮用水卫生标准》, 烧开后口感良好、无异味。

　　 为进一步探究设备对高硬度饮用水的处理效果, 试验选取陕西某工业园区用水点进行试验。此工业园用水点饮用水硬度为420～430 mg/L, 碱度220～230 mg/L, 均高于水厂的相应指标。试验采取运行参数为:进水量为20.0 m³/d, 处理水与未处理水混合比为1∶5, 气水比7∶1, 具体试验结果如图9所示。

　　 根据图9, 为达到出水烧开后无水垢, 出水碱度控制在155 mg/L以下, 此时出水硬度也能降至365 mg/L以下。可以发现, 设备对于高硬度饮用水在去除水垢的同时, 对降低硬度有很好的效果。这一创新解决了原有技术中的酸类阻垢剂不能降低某些饮用水的硬度偏高乃至硬度超标的问题。

　　 为提高设备运行过程中的便捷性与稳定性, 降低设备在运行成本与操作难度, 试验设备采用PLC控制系统, 建立系统自动控制方案, 结构如图10。在PLC控制系统下设备可以实现非专业人员在接受简单的培训即可操控设备的目的, 最终能达到无人值夜。

　　 在整个试验过程中, 设备进行PLC自动控制系统运行调试, 根据实际工况适当调整系统中的输入输出信号, 保证信号传输准确性及时效性, 提高设备运行的稳定性。其中, 在连续性运行试验中, 树脂罐共失效2个, 即系统自行跳转开关阀2次。跳转过程中, 处理水与原水混合比轻微波动, 运行2 h后趋于稳定。经过多次试验表明, 该水厂水质下氢型离子交换树脂的失效pH设置在2.65～2.75。而且经过试验研究, 电动开关阀的反应时间设置为15～20 s为宜。

　　 针对该地下水厂覆盖的用水居民区反应的烧水后水垢多、影响口感等问题, 在酸碱平衡曝气工艺基础上研发出经济性较高的自动化水垢去除设备, 旨在低成本的解决以地下水为水源的饮用水水垢及硬度偏高问题。以试验水厂水源覆盖的社区用户为例进行运行成本预算, 可以计算出, 设备运行成本在0.3～0.4元/m³ (含设备运行时的电费) 。然而, 目前市面上使用的常规方法运行成本为:石灰法1.33元/m³, 膜法1.05～1.68元/m³, 传统离子交换法1.79元/m³。而且, 自动化水垢去除设备在运行过程中, 不仅可以在去除水垢过程中不提高其他阴离子浓度, 还可以在保证大部分钙镁离子不流失的前提下解决饮用水硬度高的问题。综合比较, 酸碱平衡曝气法的运行成本更低, 自动化水垢去除设备更具推广意义。

　　 根据上述试验结果表明, 自动化水垢去除设备通过直接提供氢离子改进了原方法加酸引入阴离子的弊端, 同时能有效解决饮用水硬度偏高的问题。设备在合适的运行工况下连续性运行出水碱度、浊度、pH等水质指标变化幅度小, 烧开后无水垢产生, 沸后浊度控制在0.5 NTU以内, 无异味, 水质检测结果满足我国《生活饮用水卫生标准》, 运行结果稳定可靠。

　　 此外, 在保证设备曝气区水力停留时间和气水比相同的情况下, 设备最终出水碱度、pH以及浊度都随着处理水与未处理水混合比的增加而降低, 开水感官性状却能随之提高。经过长时间在陕西某地下水水厂的调试参数试验后, 设备在该地区正常运行时处理水与原水混合比调整为1∶6, 气水比控制在7∶1。在此工况下, 设备最终的出水浊度在0.2 NTU以下, 低于原水浊度, 沸后浊度也不超过0.5 NTU;pH在7.38以上, 接近原水。

　　 在对试验水厂及工业园区的用水居民区的供水情况进行调查后, 根据设备在水厂试验结果估算出可用于小型供水系统自动化水垢去除设备运行成本为 0.3～0.4元/m³, 远低于膜法和石灰法等传统方法的运行成本, 因此对改善居民饮用水水质健康具有深远意义。