本發(fā)明提出的方法是酸堿平衡曝氣工藝的核心技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于普遍采用暫時(shí)硬度高的地下水作為水源的地區(qū)，減少水垢的產(chǎn)生，對于解決水垢對居民生活和身體健康存在潛在影響，以及減少鍋爐使用時(shí)水垢沉積等問題具有重要意義。

（1）本發(fā)明立足于酸堿平衡曝氣工藝，以去除產(chǎn)生水垢的必需的兩類反應(yīng)物之一的堿度為目標(biāo)，通過向水中投加酸類阻垢劑降低pH生成二氧化碳，通過曝氣氣泡增強(qiáng)擾動(dòng)增強(qiáng)二氧化碳向空氣傳質(zhì)過程，達(dá)到降低堿度，提高pH，控制燒水水垢的產(chǎn)生。經(jīng)測定，通過本方法處理后的水的暫時(shí)硬度基本降為0，且pH均呈堿性；

（2）發(fā)明人還設(shè)計(jì)了完成上述方法的裝置，該裝置主要包括部分連通的酸調(diào)反應(yīng)區(qū)和曝氣區(qū)，酸與待處理水先在酸調(diào)反應(yīng)區(qū)進(jìn)行反應(yīng)，再到達(dá)曝氣區(qū)將反應(yīng)后的CO2通過吹脫的方式排放到空氣中，處理后的水再進(jìn)行排出使用，整個(gè)過程可連續(xù)進(jìn)行水硬度的處理，且僅需5～20min的曝氣時(shí)間就能完成CO2氣體的吹脫，效率高，效果好；

（3）為了配合本發(fā)明的去除水硬度方法，以酸堿平衡曝氣工藝為基礎(chǔ)，將阻垢藥劑配置，投加，混合，過濾，反應(yīng)，曝氣，鼓風(fēng)等工藝段和單元，整合為藥劑投加模塊、混合過濾模塊和反應(yīng)曝氣模塊和鼓風(fēng)模塊，研制集成一體的水垢去除裝置。集成化設(shè)備選取先進(jìn)的智能控制程序及裝置，實(shí)現(xiàn)觸控及遠(yuǎn)程控制，降低了工作人員的操作難度與工作強(qiáng)度，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)更加可靠、準(zhǔn)確。

（4）本發(fā)明的酸調(diào)反應(yīng)區(qū)還設(shè)置攪拌裝置，曝氣池的底部設(shè)置多個(gè)曝氣盤，且待處理水由酸調(diào)反應(yīng)區(qū)的頂部流入，處理后的水由曝氣區(qū)的頂部流出，使新加入的待處理水與酸由酸調(diào)反應(yīng)區(qū)頂部到底部進(jìn)行充分反應(yīng)后，再由底部的隔板缺口處進(jìn)入曝氣區(qū)，通過曝氣區(qū)的氣流將CO2氣體吹脫，同時(shí)氣流將吹脫后的水流推到曝氣區(qū)的頂部進(jìn)行排除，整個(gè)過程高效連續(xù)；

（5）本發(fā)明的裝置操作簡單、管理方便、可程序化，工藝簡單、反應(yīng)池?cái)?shù)量較少、基建費(fèi)用低廉；化學(xué)試劑屬于常見藥劑，易購買、易配制，投加量小、運(yùn)行費(fèi)用少，僅僅是酸調(diào)反應(yīng)和曝氣兩個(gè)主要步驟，因此其運(yùn)行費(fèi)用低于其他的目標(biāo)處理工藝。

生活飲用水水質(zhì)提升、高垢水處理。

本發(fā)明提出的去除水硬度方法及其裝置已經(jīng)經(jīng)歷理論研究和實(shí)驗(yàn)室小試研究，驗(yàn)證了工藝原理的正確性。本方法主要通過控制水中游離的碳酸氫根和溶解的二氧化碳，而傳統(tǒng)方法主要是去除水中的鈣鎂離子。為了降低水中游離的碳酸氫根和溶解的二氧化碳，可通過加酸將碳酸氫根轉(zhuǎn)化為二氧化碳，通過曝氣將過多的二氧化碳從水中脫除，脫除二氧化碳可同時(shí)達(dá)到提高水中pH，實(shí)現(xiàn)水垢去除。

（1）本發(fā)明提出的方法及裝置以蒲城縣的袁家坡原水為研究對象，在秋、冬、春、夏四個(gè)季節(jié)共進(jìn)行了150天的現(xiàn)場試驗(yàn)，由國家水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)西安監(jiān)測站完成了8份原水和處理水的水質(zhì)監(jiān)測報(bào)告，水質(zhì)全部合格。本方法能有效改善地下水結(jié)垢情況，對口感影響不大。試驗(yàn)初步驗(yàn)證了該方法處理蒲城地下水的可行性和可靠性，優(yōu)化確定了酸堿平衡工藝的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)。

圖1 蒲城供水站試驗(yàn)展示

（2）具體穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)效果研究如下：秋季穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果，表明穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)出水水垢穩(wěn)定在7.22 mg/L左右，堿度穩(wěn)定在131.27 mg/L左右，pH值穩(wěn)定在7.49左右，沸后濁度可由7.0 NTU降低至0.5 NTU以下；冬季穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果，表明穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)水垢穩(wěn)定在8.32mg/L左右，堿度穩(wěn)定在124.47mg/L左右，pH值穩(wěn)定在7.69左右，沸后濁度可由7.5 NTU左右降低至0.5 NTU以下；春季穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果，表明穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)水垢穩(wěn)定在7.96 mg/L左右，堿度穩(wěn)定在121.82 mg/L左右，pH值穩(wěn)定在7.57左右，沸后濁度可由7.5 NTU降低至0.80 NTU左右。

（3）為確保長時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定，在夏季進(jìn)行為期一周的連續(xù)性試驗(yàn)。結(jié)果表明，穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)水垢穩(wěn)定在9.14 mg/L左右，堿度穩(wěn)定在117.78 mg/L左右，pH值穩(wěn)定在7.54左右。沸后濁度可保持在0.80 NTU以下。

（4）飲用水的口感是一個(gè)綜合性指標(biāo)，異常的口感也是水受到污染的一種信號(hào)。撇開每個(gè)人的主觀感受差異，總的來說，口感主要受制于水中各種離子的含量及其綜合作用，同時(shí)與有機(jī)溶質(zhì)含量和種類、消毒劑種類和消毒方式等亦存在一定的相關(guān)性，比較復(fù)雜。采用酸堿平衡法對袁家坡及魏家地下水進(jìn)行處理，對口感的影響是必須考慮的因素。抽取500個(gè)人（其中包括當(dāng)?shù)?、外地居民、專家學(xué)者）飲用處理后的水，反饋結(jié)果表明，酸堿平衡法對袁家坡及魏家的地下水口感影響不大。

（5）本發(fā)明提出的方法及裝置也展開拓展研究。西安市灞橋水廠（原第二水廠）供水以地下井水為水源，用戶普遍反映用水存有大量水垢，而質(zhì)疑供水水質(zhì)安全性。西安市灞橋水廠為提高居民安全感和放心地使用自來水，也提出了供水結(jié)垢技術(shù)和工程項(xiàng)目需求，在本發(fā)明研究基礎(chǔ)上，為確保供水水垢去除工程項(xiàng)目的可行性和可靠性，開展了地下水實(shí)施結(jié)垢去除工藝試驗(yàn)項(xiàng)目。試驗(yàn)現(xiàn)場位于西安市灞橋水廠，設(shè)計(jì)、加工和安裝了水垢處理試驗(yàn)裝置，處理規(guī)模均為20 m3/d。并于2019年7月完成該地項(xiàng)目可行性報(bào)告，并順利通過評審。

此外，為進(jìn)一步優(yōu)化本發(fā)明提出的方法及裝置，目前團(tuán)隊(duì)在原有基礎(chǔ)上納入離子交換法，進(jìn)一步完善此工藝。水垢去除設(shè)備一方面引入PLC自控系統(tǒng)，操作上更加便捷，運(yùn)行更加簡單，借此實(shí)現(xiàn)非專業(yè)人員在接受一段時(shí)間學(xué)習(xí)后就可以輕松做好設(shè)備的日常運(yùn)行，降低設(shè)備的運(yùn)行成本。另一方面，團(tuán)隊(duì)根據(jù)部分地區(qū)濁度偏高的情況，在新型水垢去除設(shè)備后設(shè)置配套的過濾模塊，做到群用戶小型可移動(dòng)終端水質(zhì)提升完整設(shè)備組。

圖2 中試曝氣裝置

目前團(tuán)隊(duì)以酸堿平衡曝氣控制水垢作為核心技術(shù)，已發(fā)明系列去除水中暫時(shí)硬度的裝置，主要涵蓋分體式、一體化、智能化、功能化（濁垢同除）四個(gè)方向，并根據(jù)市場需求設(shè)計(jì)20～500m3六款適合不同市場需求下的不同日處理水量裝置。

本發(fā)明提出的方法及裝置已在陜西省蒲城縣城鄉(xiāng)供水總站、西安水務(wù)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、濟(jì)寧中山公用水公司等完成了現(xiàn)場驗(yàn)證性中試試驗(yàn)。并實(shí)施了大中型地下水廠的工程項(xiàng)目建設(shè)前期工作；本發(fā)明提出的方法核心技術(shù)已列為濟(jì)南市水務(wù)局村鎮(zhèn)飲用水水質(zhì)提升改造項(xiàng)目備選技術(shù)目錄；濁垢同除技術(shù)正在與銅川新區(qū)水廠開展現(xiàn)場驗(yàn)證性中試試驗(yàn)，為規(guī)模擴(kuò)建方案。

（1）本發(fā)明立足于酸堿平衡曝氣工藝，以去除產(chǎn)生水垢的必需的兩類反應(yīng)物之一的堿度為目標(biāo)，通過向水中投加酸類阻垢劑降低pH生成二氧化碳，通過曝氣氣泡增強(qiáng)擾動(dòng)增強(qiáng)二氧化碳向空氣傳質(zhì)過程，達(dá)到降低堿度，提高pH，控制燒水水垢的產(chǎn)生。經(jīng)測定，通過本方法處理后的水的暫時(shí)硬度基本降為0，且pH均呈堿性。

（2）發(fā)明人還設(shè)計(jì)了完成上述方法的裝置，該裝置主要包括部分連通的酸調(diào)反應(yīng)區(qū)和曝氣區(qū)，酸與待處理水先在酸調(diào)反應(yīng)區(qū)進(jìn)行反應(yīng)，再到達(dá)曝氣區(qū)將反應(yīng)后的CO2通過吹脫的方式排放到空氣中，處理后的水再進(jìn)行排出使用，整個(gè)過程可連續(xù)進(jìn)行水硬度的處理，且僅需5～20min的曝氣時(shí)間就能完成CO2氣體的吹脫，效率高，效果好。

（3）本發(fā)明的酸調(diào)反應(yīng)區(qū)還設(shè)置攪拌裝置，曝氣池的底部設(shè)置多個(gè)曝氣盤，且待處理水由酸調(diào)反應(yīng)區(qū)的頂部流入，處理后的水由曝氣區(qū)的頂部流出，使新加入的待處理水與酸由酸調(diào)反應(yīng)區(qū)頂部到底部進(jìn)行充分反應(yīng)后，再由底部的隔板缺口處進(jìn)入曝氣區(qū)，通過曝氣區(qū)的氣流將CO2氣體吹脫，同時(shí)氣流將吹脫后的水流推到曝氣區(qū)的頂部進(jìn)行排除，整個(gè)過程高效連續(xù)。

團(tuán)隊(duì)以本發(fā)明為基礎(chǔ)，共申請相關(guān)專利12項(xiàng)（9項(xiàng)已授權(quán)，3項(xiàng)在實(shí)審）。一方面涵蓋本發(fā)明提及的方法相關(guān)范圍研究，另一方面也在此基礎(chǔ)上展開智能化、功能化（濁垢同除）新的技術(shù)創(chuàng)新。

本發(fā)明直接經(jīng)濟(jì)效益運(yùn)行成本較低，噸水處理成本為0.3～0.4元，而石灰軟化法為1.3元，傳統(tǒng)離子交換法為2.1元，膜濾法為1.6元，對于供水企業(yè)來說具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。對于設(shè)備生產(chǎn)和供應(yīng)廠，初步估計(jì)，滿足150人用水的單臺(tái)裝置，生產(chǎn)成本可為4～10萬元左右，與市場現(xiàn)售的15～20萬元的供水設(shè)備來比，具有良好的收益。

從健康角度出發(fā)，本發(fā)明提出的方法及裝置在運(yùn)行過程中能夠保障去除水垢及暫時(shí)硬度的同時(shí)，水中鈣鎂等礦物離子不流失，滿足人體對飲用水中鈣鎂離子攝入的需求。

當(dāng)今水處理工藝的設(shè)備化、小型化和集成化是水處理技術(shù)發(fā)展的主要趨勢之一，其中以地下水為飲用水水源的水處理技術(shù)由于較少涉及生物過程、適用性和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等技術(shù)優(yōu)勢，其設(shè)備化研究開發(fā)和應(yīng)用更具可行性。本發(fā)明由于突出的技術(shù)優(yōu)勢，具有處理效率明顯、運(yùn)行穩(wěn)定和易于小型化、集成化、自動(dòng)控制，占地面積小，操作簡單靈活、成本較低的特點(diǎn)，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和市場優(yōu)勢，能夠更好的適應(yīng)市場需求，解決飲用水水垢的難題。

2017年，獲第三屆“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽省級金獎(jiǎng)；

2018年，獲第四屆“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽省級銀獎(jiǎng)（智能化方向裝置）；

2018年，獲首屆“互聯(lián)網(wǎng)+”水務(wù)環(huán)境創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽總決賽金獎(jiǎng)。