二氧化氯應(yīng)用于污水處理廠的安全性設(shè)計(jì)探討

李偉波　吳斌

摘 要：以污水處理廠的應(yīng)用為例，介紹了二氧化氯的化學(xué)特性、二氧化氯消毒劑的制備原理及過程，舉例說明實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)生的危險(xiǎn)事故及事故原因，分析了二氧化氯制備、投加過程中存在的爆炸危險(xiǎn)性因素、形成原因及對(duì)策，對(duì)工藝、電氣等專業(yè)的某些防爆要求的必要性做了探討，并給出了具體的安全性設(shè)計(jì)建議。

關(guān)鍵詞：污水處理；二氧化氯；消毒；安全性設(shè)計(jì)；防爆

在城市污水處理過程中，為殺滅水體中的病原菌及其他致病生物體，在污水排放水體或者回用之前進(jìn)行消毒操作重要且必要。目前，國(guó)內(nèi)污水處理廠常用的消毒方式包括紫外線消毒法、臭氧消毒法、液氯消毒法及二氧化氯消毒法等[1]。其中，二氧化氯能滲透到細(xì)胞內(nèi)部與相應(yīng)的酶反應(yīng)，使之迅速失活，抑制細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成，從而達(dá)到將微生物（細(xì)菌、病毒和藻類）滅活的目的，具有接觸時(shí)間短、消毒速度快、有效降低消毒副產(chǎn)物（DBPs）產(chǎn)生量、持續(xù)性好及對(duì)土建要求低等特點(diǎn)，盡管受到投資成本高、技術(shù)水平要求嚴(yán)格等限制，該方法仍在中小型污水處理廠中廣泛應(yīng)用。但是，二氧化氯具有強(qiáng)氧化性、不穩(wěn)定，對(duì)受熱、撞擊、摩擦等相當(dāng)敏感，極易分解產(chǎn)生爆炸，在污水處理廠的制備和投加車間設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮安全性設(shè)計(jì)。

1 二氧化氯制備原理及過程

二氧化氯熔點(diǎn)-59℃、沸點(diǎn)11℃，常態(tài)下是一種黃綠色氣體，空氣中體積濃度超過10%[2]或溶液中質(zhì)量濃度超過10%時(shí)便有爆炸危險(xiǎn)[3]。盡管二氧化氯極易溶于水且其水溶液相對(duì)安全，但卻極不穩(wěn)定，不易儲(chǔ)存，因此工業(yè)生產(chǎn)過程中均采用現(xiàn)場(chǎng)制備、現(xiàn)場(chǎng)投加的方式加以應(yīng)用。

目前，化學(xué)法制備二氧化氯的方法有多種，根據(jù)生產(chǎn)原料以及產(chǎn)物的不同大致可將發(fā)生器分為純二氧化氯發(fā)生器（以亞氯酸鈉+鹽酸或者氯酸鈉+雙氧水+硫酸為原料）以及復(fù)合二氧化氯發(fā)生器（氯酸鈉+鹽酸）。相比于前者，復(fù)合二氧化氯發(fā)生器反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化氯純度較低，并伴隨氯氣的產(chǎn)生；從經(jīng)濟(jì)上考慮，該類型比較適合于市政污水、中水等處理后對(duì)水中消毒副產(chǎn)物要求不高的水處理系統(tǒng)的消毒。

慮復(fù)合二氧化氯發(fā)生方法，該法制備二氧化氯的化學(xué)方程式如下：

通過與水充分接觸后，大部分氣體溶于水中形成溶液。二氧化氯溶于水后，基本不與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不以二聚或多聚狀態(tài)存在。

氯氣與水反應(yīng)后形成鹽酸和次氯酸，該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，因此會(huì)有部分氯氣以氣體形式存在。

二氧化氯制備投加系統(tǒng)應(yīng)采用包括原料調(diào)制供應(yīng)、二氧化氯發(fā)生、投加的成套設(shè)備等，通常污水處理廠制備二氧化氯的工藝流程如圖1所示：

2 二氧化氯制備投加的危險(xiǎn)性分析

二氧化氯制備過程中，產(chǎn)物包括氯氣和二氧化氯。與二氧化氯一樣，氯氣為有毒氣體，也會(huì)對(duì)人體造成傷害，且具有腐蝕性，如果發(fā)生泄漏將造成嚴(yán)重后果。田為成等研究表明，即使在常壓環(huán)境下，當(dāng)二氧化氯氣體發(fā)生泄漏并與空氣混合時(shí)，仍會(huì)存在爆炸危險(xiǎn)性[4]。因此，除了要求“二氧化氯制備、貯備、投加設(shè)備及管道、管配件必須有良好的密封性和耐腐蝕性”之外，應(yīng)考慮在車間內(nèi)較低位置設(shè)置檢測(cè)泄漏和報(bào)警的儀表，并采取相應(yīng)的通風(fēng)措施。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，二氧化氯的制備過程對(duì)壓力、溫度等參數(shù)較敏感。據(jù)報(bào)道，2008年9月，北京大興一化工廠發(fā)生爆炸，造成兩死三傷，事故原因疑為工人操作二氧化氯發(fā)生器時(shí)反應(yīng)釜壓力過大所致。因此，工藝流程中宜采取較低的壓力和溫度，將易燃、易爆物質(zhì)限制在密閉容器內(nèi)。

此外，據(jù)張兆坤等總結(jié)，在二氧化氯制備過程中即使不存在光、熱源及電火花，沒有其他有機(jī)物和催化劑的條件下，振動(dòng)也可能引起爆炸[5]。

為有效防止爆炸發(fā)生，在避免光源直接照射及高壓、振動(dòng)的條件下，最有效的方法是降低二氧化氯氣體濃度或溶液中溶質(zhì)含量，因?yàn)樵跐舛鹊陀诒ㄏ孪迺r(shí)，造成爆炸發(fā)生的所有外部因素都不起作用。

3 對(duì)工藝設(shè)備專業(yè)安全性設(shè)計(jì)要求

下面從工藝設(shè)計(jì)角度進(jìn)行安全性分析，主要分為儲(chǔ)藥間和加氯間兩部分。

3.1 儲(chǔ)藥間

3.1.1 房間布置及防止泄漏措施

參考《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014-2006）和《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50013-2006），消毒設(shè)施和有關(guān)建筑物的設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下要求：

（1）氯酸鈉和鹽酸、氯氣等嚴(yán)禁相互接觸，必須分別貯存在分類的庫(kù)房?jī)?nèi)。

（2）鹽酸庫(kù)房?jī)?nèi)應(yīng)設(shè)置酸泄漏的收集槽，并采用耐酸材料。

（3）氯酸鈉庫(kù)房室內(nèi)應(yīng)備有快速?zèng)_洗設(shè)施。

此外，參考相關(guān)資料[6]，在貯藥罐周邊也可設(shè)置圍堰以防止有害液體泄漏，具體布置如圖2所示，推薦的尺寸關(guān)系為：H=B+C。圍堰所圍體積V=100%罐體體積+10%的安全貯量。泄漏的化學(xué)藥品必須處理達(dá)標(biāo)之后才能排入下水道。

3.1.2 原料及相關(guān)要求

原料選用應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際使用過程中，一般儲(chǔ)藥罐內(nèi)鹽酸溶液和氯酸鈉溶液濃度均達(dá)30%以上。

氯酸鈉應(yīng)儲(chǔ)存在陰涼、通風(fēng)、干燥的庫(kù)房?jī)?nèi)，注意防潮。嚴(yán)防粉末散落在地上。運(yùn)輸過程中要防雨淋和日曬，裝卸時(shí)要輕拿輕放，防止摩擦，嚴(yán)禁撞擊。

鹽酸有毒，腐蝕性極強(qiáng)。操作空間通風(fēng)應(yīng)良好，操作人員工作時(shí)要穿耐酸工作服，帶橡皮手套，以保護(hù)皮膚；若操作空間較小，通風(fēng)較差時(shí)，操作人員應(yīng)帶防護(hù)口罩，以保護(hù)呼吸器官不損害。

酸儲(chǔ)罐周圍應(yīng)做成耐酸地面，且應(yīng)有不小于1%的排水坡度。

3.1.3 其他相關(guān)要求

原料的泄漏池、室內(nèi)排水溝必須單獨(dú)設(shè)置，嚴(yán)禁共用，排水溝蓋板采用防腐材質(zhì)（如PVC）。冬季室內(nèi)溫度不應(yīng)低于10℃，原料儲(chǔ)存環(huán)境溫度不低于0℃，在北方地區(qū)應(yīng)設(shè)置采暖設(shè)施。

3.2 加氯間

加氯間需設(shè)置成單獨(dú)房間，與儲(chǔ)藥間之間不能相通（含室內(nèi)排水）。

3.2.1 二氧化氯發(fā)生器的選用

目前，為保證原料轉(zhuǎn)化率，復(fù)合二氧化氯發(fā)生器設(shè)置有恒定的加熱裝置，從安全性和可靠性角度考慮，推薦采用負(fù)壓反應(yīng)工藝防爆設(shè)備，反應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)選用耐溫、耐腐、高壽命的材質(zhì)；同時(shí)，應(yīng)設(shè)置防爆型排氣管將多余混合氣體外排。

二氧化氯發(fā)生器需具備的功能：

（1）缺藥報(bào)警與自動(dòng)停機(jī)功能：當(dāng)鹽酸與氯酸鈉的任一種藥劑缺藥時(shí)，可發(fā)生報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)停止所有計(jì)量泵的運(yùn)行，避免單藥劑投加造成的水質(zhì)污染。

（2）缺水報(bào)警功能：在無動(dòng)力水時(shí)，可發(fā)出報(bào)警信號(hào)，自動(dòng)停機(jī)。

（3）為避免消毒劑的過量與欠量投加，設(shè)備可以根據(jù)水量或者處理后出水余氯值的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)生量，也可根據(jù)流量與余氯值組成復(fù)合環(huán)控制。設(shè)置余氯在線檢測(cè)儀可檢測(cè)水中的余氯量，同時(shí)發(fā)出信號(hào)調(diào)節(jié)計(jì)量泵的輸出頻率來調(diào)節(jié)計(jì)量泵的投加量，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的產(chǎn)量調(diào)節(jié)，使出水中維持恒定的余氯濃度。

（4）就地實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

3.2.2 通風(fēng)設(shè)計(jì)

須采用防爆通風(fēng)機(jī)，由于二氧化氯和氯氣密度比空氣大，須滿足規(guī)定的房間換風(fēng)要求，風(fēng)機(jī)高度應(yīng)設(shè)置在低處，以防止有毒氣體積聚。

3.2.3 附屬設(shè)施的工藝要求

管線沿工藝管架敷設(shè)時(shí)應(yīng)敷設(shè)在爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)性較小的一側(cè)；管道與管配件必須有良好的密封性和耐腐蝕性，以防泄漏。

4 對(duì)電氣、照明專業(yè)安全性設(shè)計(jì)要求

由于二氧化氯是強(qiáng)氧化劑，作為防爆環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50058-92在此并不適用。但為了提高安全性，可以通過對(duì)車間環(huán)境及爆炸發(fā)生誘因的分析，提出具體的安全性設(shè)計(jì)建議。

根據(jù)相關(guān)資料顯示，電火花不會(huì)引起氯氣爆炸，但可能會(huì)引起二氧化氯氣體的爆炸。二氧化氯氣體的爆炸屬于分解爆炸[2]，其反應(yīng)方程式如下：

氣體二氧化氯遇光和熱會(huì)分解成氯氣和氧氣，光照會(huì)促進(jìn)分解，電火花加熱也會(huì)加速分解，引起二氧化氯爆炸。二氧化氯和氯氣比重均重于空氣，當(dāng)出現(xiàn)部分泄漏氣體時(shí)通常會(huì)積聚在距室內(nèi)地坪1.5米以下的范圍內(nèi)，而電氣設(shè)備控制裝置的安裝高度一般在1.5米，照明開關(guān)在1.3米，因此由電氣原因引起混合氣體爆炸的可能性不能排除。為了提高安全性，在二氧化氯制備車間內(nèi)應(yīng)盡量減少現(xiàn)場(chǎng)控制裝置的設(shè)置，優(yōu)先采用在就近的控制室集中控制的形式；當(dāng)需要現(xiàn)場(chǎng)控制通風(fēng)及照明設(shè)備時(shí)，應(yīng)將風(fēng)機(jī)和照明開關(guān)應(yīng)設(shè)在室外；同時(shí)，在距室內(nèi)地坪1.5米以下范圍內(nèi)應(yīng)避免出現(xiàn)電纜轉(zhuǎn)接頭，用于電纜保護(hù)的穿線管應(yīng)做嚴(yán)密封堵。

由于照明燈具的安裝高度相對(duì)較高，通常在2米以上，因此對(duì)防爆、防腐方面不需要特殊考慮。

5 對(duì)自控專業(yè)的安全性設(shè)計(jì)要求

二氧化氯制備投加系統(tǒng)通常采用兩級(jí)控制，即分控站集中自動(dòng)控制與現(xiàn)場(chǎng)就地控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示：

對(duì)于有現(xiàn)場(chǎng)控制要求的二氧化氯發(fā)生器成套設(shè)備，應(yīng)采用現(xiàn)場(chǎng)控制箱（應(yīng)為防爆控制箱）就地控制與遠(yuǎn)程PLC自動(dòng)控制相結(jié)合的形式。對(duì)于計(jì)量泵、卸酸泵、化料器、酸霧吸收器等設(shè)備，為減少故障及危險(xiǎn)源，可不設(shè)現(xiàn)場(chǎng)控制裝置，而采用控制室內(nèi)集中監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并根據(jù)工藝流程自動(dòng)控制設(shè)備開停。

為滿足通風(fēng)的要求，軸流風(fēng)機(jī)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)手、自動(dòng)控制的轉(zhuǎn)換。手動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)每小時(shí)換氣8～12次的要求進(jìn)行控制；自動(dòng)控制時(shí)，將軸流風(fēng)機(jī)與漏氯檢測(cè)報(bào)警儀聯(lián)動(dòng)，通過漏氯報(bào)警儀檢測(cè)到的泄漏氣體濃度值控制軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。

6 結(jié)束語

二氧化氯制備投加過程中存在的爆炸可能性主要為化學(xué)反應(yīng)引起的分解爆炸，直接原因可以是光照、熱源、振動(dòng)或制備過程中壓力、溫度等參數(shù)的不合理等，受生產(chǎn)工藝、設(shè)備的影響較大，應(yīng)予以重視；在發(fā)生泄漏且氣體積聚達(dá)到一定濃度時(shí)，電氣設(shè)備及線路中產(chǎn)生的火花也可能引起二氧化氯及其與空氣的混合氣體發(fā)生爆炸，應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件做好二氧化氯制備投加車間的安全性設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]張慧芬，胡靜文，羅婷.幾種國(guó)內(nèi)污水處理廠消毒工藝的比較.[J].山西建筑，2010，36（34）：194-196.

[2]王秀麗.氣體二氧化氯的爆炸特性研究[D].太原：中北大學(xué).2008.

[3]黃君禮.新型水處理劑--二氧化氯技術(shù)及其應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2002.05.

[4]田為成，殷銘，王德明.六次二氧化氯氣體爆炸事故簡(jiǎn)介[J].環(huán)保與安全，2002，（4）：32-33.

[5]張兆坤，欒淑卿，田為成.一起二氧化氯發(fā)生器爆炸事故分析[J].氯堿工業(yè)，2005，（10）：32.

[6]Mackenzie L.Davis. Water and Wastewater Engineering：Design Principles and Practice [M].2010.

作者簡(jiǎn)介：李偉波（1984-），男，山東濰坊人，碩士，工程師，主要從事市政工程供配電及自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。