专利展播∣⼀种去除⽔硬度⽅法及其装置（暂时硬度）专利权⼈：西安建筑科技⼤学
发明⼈：卢⾦锁黄传昊崔红军苏俊峰吴东升史经新王峰慧华家
专利号：ZL201510740367.1
授权时间：2018年06⽉01⽇
01
发明创新点
本发明提出的⽅法是酸碱平衡曝⽓⼯艺的核⼼技术，可以⼴泛应⽤于普遍采⽤暂时硬度⾼的地
下⽔作为⽔源的地区，减少⽔垢的产⽣，对于解决⽔垢对居民⽣活和⾝体健康存在潜在影响，
以及减少锅炉使⽤时⽔垢沉积等问题具有重要意义。
（1）本发明⽴⾜于酸碱平衡曝⽓⼯艺，以去除产⽣⽔垢的必需的两类反应物之⼀的碱度为⽬
标，通过向⽔中投加酸类阻垢剂降低pH⽣成⼆氧化碳，通过曝⽓⽓泡增强扰动增强⼆氧化碳向
空⽓传质过程，达到降低碱度，提⾼pH，控制烧⽔⽔垢的产⽣。经测定，通过本⽅法处理后的
⽔的暂时硬度基本降为0，且pH均呈碱性；
（2）发明⼈还设计了完成上述⽅法的装置，该装置主要包括部分连通的酸调反应区和曝⽓区，
酸与待处理⽔先在酸调反应区进⾏反应，再到达曝⽓区将反应后的CO2通过吹脱的⽅式排放到
空⽓中，处理后的⽔再进⾏排出使⽤，整个过程可连续进⾏⽔硬度的处理，且仅需5～20min的
曝⽓时间就能完成CO2⽓体的吹脱，效率⾼，效果好；
（3）为了配合本发明的去除⽔硬度⽅法，以酸碱平衡曝⽓⼯艺为基础，将阻垢药剂配置，投
加，混合，过滤，反应，曝⽓，⿎风等⼯艺段和单元，整合为药剂投加模块、混合过滤模块和
换到千般恨
反应曝⽓模块和⿎风模块，研制集成⼀体的⽔垢去除装置。集成化设备选取先进的智能控制程
威迪文钢笔序及装置，实现触控及远程控制，降低了⼯作⼈员的操作难度与⼯作强度，设备运转更加可
靠、准确。
（4）本发明的酸调反应区还设置搅拌装置，曝⽓池的底部设置多个曝⽓盘，且待处理⽔由酸调
反应区的顶部流⼊，处理后的⽔由曝⽓区的顶部流出，使新加⼊的待处理⽔与酸由酸调反应区
顶部到底部进⾏充分反应后，再由底部的隔板缺⼝处进⼊曝⽓区，通过曝⽓区的⽓流将CO2⽓
体吹脱，同时⽓流将吹脱后的⽔流推到曝⽓区的顶部进⾏排除，整个过程⾼效连续；
（5）本发明的装置操作简单、管理⽅便、可程序化，⼯艺简单、反应池数量较少、基建费⽤低
廉；化学试剂属于常见药剂，易购买、易配制，投加量⼩、运⾏费⽤少，仅仅是酸调反应和曝
⽓两个主要步骤，因此其运⾏费⽤低于其他的⽬标处理⼯艺。
02
应⽤领域和范围
⽣活饮⽤⽔⽔质提升、⾼垢⽔处理。
03
实施效果
本发明提出的去除⽔硬度⽅法及其装置已经经历理论研究和实验室⼩试研究，验证了⼯艺原理
的正确性。本⽅法主要通过控制⽔中游离的碳酸氢根和溶解的⼆氧化碳，⽽传统⽅法主要是去
除⽔中的钙镁离⼦。为了降低⽔中游离的碳酸氢根和溶解的⼆氧化碳，可通过加酸将碳酸氢根
转化为⼆氧化碳，通过曝⽓将过多的⼆氧化碳从⽔中脱除，脱除⼆氧化碳可同时达到提⾼⽔中
pH，实现⽔垢去除。
（1）本发明提出的⽅法及装置以蒲城县的袁家坡原⽔为研究对象，在秋、冬、春、夏四个季节
共进⾏了150天的现场试验，由国家⽔质监测⽹西安监测站完成了8份原⽔和处理⽔的⽔质监测
报告，⽔质全部合格。本⽅法能有效改善地下⽔结垢情况，对⼝感影响不⼤。试验初步验证了
该⽅法处理蒲城地下⽔的可⾏性和可靠性，优化确定了酸碱平衡⼯艺的设计和运⾏参数。
图1 蒲城供⽔站试验展⽰
（2）具体稳定运⾏试验效果研究如下：秋季稳定试验结果，表明稳定运⾏试验出⽔⽔垢稳定在7.22 mg/L左右，碱度稳定在131.27 mg/L左右，pH值稳定在7.49左右，沸后浊度可由7.0 NTU降低⾄0.5 NTU以下；冬季稳定运⾏试验结果，表明稳定运⾏试验⽔垢稳定在8.32mg/L左右，碱度稳定在124.47mg/L左右，pH值稳定在7.69左右，沸后浊度可由7.5 NTU左右降低⾄0.5 NTU以下；春季稳定试验结果，表明稳定运⾏试验⽔垢稳定在7.96 mg/L左右，碱度稳定在121.82 mg/L 左右，pH值稳定在7.57左右，沸后浊度可由7.5 NTU降低⾄0.80 NTU左右。
（3）为确保长时间运⾏的稳定，在夏季进⾏为期⼀周的连续性试验。结果表明，稳定运⾏试验⽔垢稳定在9.14 mg/L左右，碱度稳定在117.78 mg/L左右，pH值稳定在7.54左右。沸后浊度可保持在0.80 NTU以下。
（4）饮⽤⽔的⼝感是⼀个综合性指标，异常的⼝感也是⽔受到污染的⼀种信号。撇开每个⼈的主观感受差异，总的来说，⼝感主要受制于⽔中各种离⼦的含量及其综合作⽤，同时与有机溶质含量和种类、消毒剂种类和消毒⽅式等亦存在⼀定的相关性，⽐较复杂。采⽤酸碱平衡法对袁家坡及魏家地下⽔进⾏处理，对⼝感的影响是必须考虑的因素。抽取500个⼈（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，酸碱平衡法对袁家坡及魏家的地下⽔⼝感影响不⼤。
（5）本发明提出的⽅法及装置也展开拓展研究。西安市灞桥⽔⼚（原第⼆⽔⼚）供⽔以地下井⽔为⽔源，⽤户普遍反映⽤⽔存有⼤量⽔垢，⽽质疑供⽔⽔质安全性。西安市灞桥⽔⼚为提⾼居民安全感和放⼼地使⽤⾃来⽔，也提出了供⽔结垢技术和⼯程项⽬需求，在本发明研究基础上，为确保供⽔⽔垢去除⼯程项⽬的可⾏性和可靠性，开展了地下⽔实施结垢去除⼯艺试验项⽬。试验现场位于西安市灞桥⽔⼚，设计、加⼯和安装了⽔垢处理试验装置，处理规模均为20 m3/d。并于2019年7⽉完成该地项⽬可⾏性报告，并顺利通过评审。
此外，为进⼀步优化本发明提出的⽅法及装置，⽬前团队在原有基础上纳⼊离⼦交换法，进⼀步完善
此⼯艺。⽔垢去除设备⼀⽅⾯引⼊PLC⾃控系统，操作上更加便捷，运⾏更加简单，借此实现⾮专业⼈员在接受⼀段时间学习后就可以轻松做好设备的⽇常运⾏，降低设备的运⾏成本。另⼀⽅⾯，团队根据部分地区浊度偏⾼的情况，在新型⽔垢去除设备后设置配套的过滤模块，做到⽤户⼩型可移动终端⽔质提升完整设备组。
谢彬彬
图2 中试曝⽓装置
04
产业化及市场应⽤情况
⽬前团队以酸碱平衡曝⽓控制⽔垢作为核⼼技术，已发明系列去除⽔中暂时硬度的装置，主要涵盖分体式、⼀体化、智能化、功能化（浊垢同除）四个⽅向，并根据市场需求设计20～
500m3六款适合不同市场需求下的不同⽇处理⽔量装置。
本发明提出的⽅法及装置已在陕西省蒲城县城乡供⽔总站、西安⽔务（集团）有限责任公司、济宁中⼭公⽤⽔公司等完成了现场验证性中试试验。并实施了⼤中型地下⽔⼚的⼯程项⽬建设前期⼯作；本发明提出的⽅法核⼼技术已列为济南市⽔务局村镇饮⽤⽔⽔质提升改造项⽬备选技术⽬录；浊垢同除技术正在与铜川新区⽔⼚开展现场验证性中试试验，为规模扩建⽅案。
刘小锋朱墨05
技术优势
（1）本发明⽴⾜于酸碱平衡曝⽓⼯艺，以去除产⽣⽔垢的必需的两类反应物之⼀的碱度为⽬标，通过向⽔中投加酸类阻垢剂降低pH⽣成⼆氧化碳，通过曝⽓⽓泡增强扰动增强⼆氧化碳向空⽓传质过程，达到降低碱度，提⾼pH，控制烧⽔⽔垢的产⽣。经测定，通过本⽅法处理后的⽔的暂时硬度基本降为0，且pH均呈碱性。
李馨巧
（2）发明⼈还设计了完成上述⽅法的装置，该装置主要包括部分连通的酸调反应区和曝⽓区，酸与待处理⽔先在酸调反应区进⾏反应，再到达曝⽓区将反应后的CO2通过吹脱的⽅式排放到空⽓中，处理后的⽔再进⾏排出使⽤，整个过程可连续进⾏⽔硬度的处理，且仅需5～20min的曝⽓时间就能完成CO2⽓体的吹脱，效率⾼，效果好。
（3）本发明的酸调反应区还设置搅拌装置，曝⽓池的底部设置多个曝⽓盘，且待处理⽔由酸调反应区的顶部流⼊，处理后的⽔由曝⽓区的顶部流出，使新加⼊的待处理⽔与酸由酸调反应区顶部到底部进⾏充分反应后，再由底部的隔板缺⼝处进⼊曝⽓区，通过曝⽓区的⽓流将CO2⽓体吹脱，同时⽓流将吹脱后的⽔流推到曝⽓区的顶部进⾏排除，整个过程⾼效连续。
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专利运⽤及保护
团队以本发明为基础，共申请相关专利12项（9项已授权，3项在实审）。⼀⽅⾯涵盖本发明提及的⽅法相关范围研究，另⼀⽅⾯也在此基础上展开智能化、功能化（浊垢同除）新的技术创新。
能源与环境系统工程07
效益分析
本发明直接经济效益运⾏成本较低，吨⽔处理成本为0.3～0.4元，⽽⽯灰软化法为1.3元，传统离⼦交换法为2.1元，膜滤法为1.6元，对于供⽔企业来说具有良好的经济效益。对于设备⽣产和供应⼚，初步估计，满⾜150⼈⽤⽔的单台装置，⽣产成本可为4～10万元左右，与市场现售的15～20万元的供⽔设备来⽐，具有良好的收益。
从健康⾓度出发，本发明提出的⽅法及装置在运⾏过程中能够保障去除⽔垢及暂时硬度的同时，⽔中钙镁等矿物离⼦不流失，满⾜⼈体对饮⽤⽔中钙镁离⼦摄⼊的需求。
08
应⽤前景
当今⽔处理⼯艺的设备化、⼩型化和集成化是⽔处理技术发展的主要趋势之⼀，其中以地下⽔为饮⽤⽔⽔源的⽔处理技术由于较少涉及⽣物过程、适⽤性和易于实现⾃动控制等技术优势，其设备化研究开发和应⽤更具可⾏性。本发明由于突出的技术优势，具有处理效率明显、运⾏稳定和易于⼩型化、集成化、⾃动控制，占地⾯积⼩，操作简单灵活、成本较低的特点，具有明显的技术优势和市场优势，能够更好的适应市场需求，解决饮⽤⽔⽔垢的难题。
09
获奖情况
2017年，获第三届“互联⽹+”⼤学⽣创新创业⼤赛省级⾦奖；
2018年，获第四届“互联⽹+”⼤学⽣创新创业⼤赛省级银奖（智能化⽅向装置）；2018年，获⾸届“互联⽹+”⽔务环境创新创业⼤赛总决赛⾦奖。