南北方水廠(chǎng)典型現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉應(yīng)用對(duì)比

李 曉，楊 力，紀(jì)海霞，王洪剛，王怡人，楊至瑜

(1. 北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082；2. 中規(guī)院〈北京〉規(guī)劃設(shè)計(jì)公司，北京 100044)

1 現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉的優(yōu)勢(shì)

消毒是飲用水處理中滅活水中絕大部分病原體，使水中微生物存在水平滿(mǎn)足人類(lèi)健康要求的技術(shù)[1]。目前，給水廠(chǎng)采用的消毒技術(shù)有液氯、二氧化氯等。以上幾種消毒劑存在較大安全隱患，而次氯酸鈉消毒技術(shù)是一種公認(rèn)較為安全的消毒技術(shù)，在北京、上海、江蘇等城市自來(lái)水廠(chǎng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。目前，次氯酸鈉生產(chǎn)主要有氯堿廠(chǎng)制造及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)兩種方式。氯堿制備：需要在低溫環(huán)境下通過(guò)氯氣對(duì)氫氧化鈉或碳酸鈉溶液等液堿進(jìn)行氧化，即次氯酸鈉是氯堿生產(chǎn)過(guò)程中用于平衡氯氣的有效副產(chǎn)品[2]?，F(xiàn)場(chǎng)制備法：利用水、電、鹽等原材料，通過(guò)電解的方式制備[3]，兩者對(duì)比如表1所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉的原理

現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉分為有隔膜法和無(wú)隔膜法，國(guó)內(nèi)采用較多的方法是無(wú)隔膜法。首先，自來(lái)水經(jīng)軟化器軟化，去除水中的鈣鎂離子，成為軟化水后，進(jìn)入溶鹽器，與食鹽混合成為30%的飽和食鹽水。而后，經(jīng)鹽水泵將飽和食鹽水與稀釋水混合至濃度為3%的食鹽水，進(jìn)入電解槽。食鹽水在電解槽內(nèi)經(jīng)直流電作用，在陽(yáng)極電解形成氯氣，陰極電解形成氫氧化鈉和氫氣。電解產(chǎn)物立即反應(yīng)生成次氯酸鈉溶液[5]，總反應(yīng)方程為：NaCI+H2O→NaOCI+H2，在該反應(yīng)式中，生成1 g NaOCI等于生成0.952 g有效氯。系統(tǒng)中主要組件包括軟水器、溶鹽器、水冷卻器/加熱器、整流器、電解槽、脫氫儲(chǔ)罐或儲(chǔ)池及氫稀釋風(fēng)機(jī)等，其工藝流程如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉工藝流程Fig.1 Process of Sodium Hypochlorite On-Site Preparation

3 現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉技術(shù)存在問(wèn)題及解決措施

由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉的應(yīng)用越來(lái)越普遍，該技術(shù)在應(yīng)用中存在的防火、防爆、有效氯衰減、電極結(jié)構(gòu)等問(wèn)題必須得到重視和解決。

3.1 防火防爆問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

電解次氯酸鈉的副產(chǎn)物氫氣為易燃易爆氣體，爆炸下限為4%，并收錄于危險(xiǎn)化學(xué)品名錄。因此，電解次氯酸鈉現(xiàn)場(chǎng)制備具有一定的危險(xiǎn)性。根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)[6]表3.1.1，爆炸下限小于10%的氣體生產(chǎn)災(zāi)性危險(xiǎn)分類(lèi)級(jí)別為甲類(lèi)。同時(shí)，根據(jù)條文解釋3.1.1中的表1，電解水或電解食鹽廠(chǎng)房生產(chǎn)的火災(zāi)危險(xiǎn)性類(lèi)別為甲類(lèi)。故電解食鹽水制取次氯酸鈉廠(chǎng)房為甲類(lèi)，需滿(mǎn)足甲類(lèi)防火要求。

按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)中3.6.1要求，有爆炸危險(xiǎn)的甲乙類(lèi)廠(chǎng)房宜獨(dú)立設(shè)置，并采用敞開(kāi)或半敞開(kāi)式，并根據(jù)3.6.4，氫氣的泄壓比≥0.25 m2/m3。實(shí)際設(shè)計(jì)中難以滿(mǎn)足3.6中技術(shù)要求。故需采取相應(yīng)措施降低氫氣爆炸危險(xiǎn)性，具體措施有：優(yōu)化儲(chǔ)罐頂部結(jié)構(gòu)形狀，采用無(wú)吊頂、有通氣孔的下翻梁、無(wú)下翻梁等措施，避免氫氣聚集；使用場(chǎng)所靜電接地，采用應(yīng)急強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)或采用邊制備邊稀釋氫氣濃度的發(fā)生器等措施；采用低進(jìn)高排的通風(fēng)措施，保證8～12次/h的換氣次數(shù)；同時(shí),請(qǐng)安監(jiān)部門(mén)進(jìn)行相應(yīng)報(bào)告,以便工程順利驗(yàn)收。

3.2 有效氯衰減問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

因此，為了降低次氯酸鈉的分解速率及藥劑中氯酸鈉及亞氯酸鈉含量，建議藥劑儲(chǔ)存容器采用PE、聚乙烯材質(zhì)或者聚四氟乙烯內(nèi)襯材質(zhì)，且儲(chǔ)罐避免陽(yáng)光直射，儲(chǔ)存間通風(fēng)良好。在運(yùn)行期間，降低次氯酸鈉溶液的使用周期，并控制軟化水水溫，將電解發(fā)生溫度控制在合適區(qū)間，并優(yōu)先采用符合《食用鹽》(GB 5461—2000)[8]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中不加碘一級(jí)精制鹽作為原料，以降低出水溴酸鹽含量。

3.3 電極結(jié)垢及應(yīng)對(duì)措施

電極是現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉設(shè)備的核心部件，而當(dāng)軟化水質(zhì)量不合格造成電解液硬度偏高時(shí)，電解會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。結(jié)垢的電極會(huì)導(dǎo)致電解槽直流電壓升高，從而降低電解器的電解效率，造成能耗升高及產(chǎn)能下降。因此，需采取維護(hù)措施，防止或清除結(jié)垢情況：對(duì)軟水器出水硬度進(jìn)行每周檢測(cè)，確保硬度小于10 mg/L，當(dāng)出水硬度超過(guò)100 mg/L時(shí)，需采取更換或再生樹(shù)脂等方法對(duì)軟化器進(jìn)行維護(hù)；每月對(duì)電極結(jié)垢顯現(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)，若結(jié)垢嚴(yán)重應(yīng)采取酸洗措施。酸洗采用無(wú)氟化物的鹽酸清洗，鹽酸濃度稀釋至7%～9%為最佳，也可以采用30%～40%的檸檬酸進(jìn)行酸洗，清洗時(shí)間需適當(dāng)延長(zhǎng)。

4 相關(guān)工程案例分析

4.1 長(zhǎng)春某供水工程次氯酸鈉制備間

4.1.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

長(zhǎng)春市某供水工程次氯酸鈉制備間土建按A廠(chǎng)50萬(wàn)m3/d和B廠(chǎng)22萬(wàn)m3/d一次建成，設(shè)備按六廠(chǎng)25萬(wàn)m3/d和三廠(chǎng)22萬(wàn)m3/d分期安裝。A廠(chǎng)最大投加量為4 mg/L，其中主加氯量為3 mg/L，補(bǔ)氯量為1 mg/L。B廠(chǎng)僅考慮預(yù)加氯，最大投加量為3 mg/L。該工程次氯酸鈉制備間按功能共分為設(shè)備間、配電室及投加間。其中，制備間包括食鹽儲(chǔ)存區(qū)、溶鹽池、軟水系統(tǒng)、冷熱水一體系統(tǒng)、次氯酸鈉發(fā)生器及脫氣區(qū)。其中，脫氣區(qū)主要依靠脫氫罐進(jìn)行脫氫，脫氫罐設(shè)排氫管向室外上方進(jìn)行排氣。投加間包括成品次氯酸鈉儲(chǔ)存池及投加泵組。制備間內(nèi)排氣采用下進(jìn)風(fēng)上排風(fēng)的換氣方式。為了考慮系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，次氯酸鈉儲(chǔ)池亦為10%次氯酸鈉商品藥劑預(yù)留接入條件，如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)春某供水工程次氯酸鈉制備間平面圖Fig.2 Sodium Hypochlorite On-Site Preparation Workshop Plan of a WTP in Changchun

4.1.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)次氯酸鈉發(fā)生系統(tǒng)

主要由次氯酸鈉發(fā)生器、整流器組成。配水模塊配比至稀鹽水后通過(guò)管道進(jìn)入電解槽。整流器在電解槽兩端加載合適的直流電流，將稀鹽水電解，產(chǎn)生約為0.8%的次氯酸鈉溶液，并伴隨有氫氣產(chǎn)生。次氯酸鈉發(fā)生器近期共設(shè)置3臺(tái)，其中，45 kg/h 2臺(tái)(1用1備)，30 kg/h 1臺(tái)(1用)。

人物傳記不同于一般的寫(xiě)人敘事文章。人物傳記寫(xiě)人，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①按時(shí)間節(jié)點(diǎn)書(shū)寫(xiě)，展示人物人生軌跡；②突出重要事件詳細(xì)寫(xiě)，突顯人物精神風(fēng)貌；③文章語(yǔ)言樸實(shí)真摯。針對(duì)人物傳記的特點(diǎn)，通?？梢圆扇∵@樣的教學(xué)策略：概括人物主要經(jīng)歷——品析人物精神風(fēng)貌——探尋傳記寫(xiě)作特點(diǎn)

(2)軟水制備系統(tǒng)及冷熱水一體系統(tǒng)

自來(lái)水進(jìn)水經(jīng)過(guò)軟水器，發(fā)生離子交換反應(yīng)，去除了水中的鈣、鎂硬度。一部分軟化水為次氯酸鈉發(fā)生器提供稀釋水，另一部分進(jìn)入溶鹽箱，軟水器處理水量為Q=11 m3/h。長(zhǎng)春冬季水溫較低，僅為4 ℃。為提高制氯效率，降低亞氯酸鹽及氯酸鹽副產(chǎn)物的生成，故配置冷熱水一體機(jī)3臺(tái)，其中75 kW的2臺(tái)、55 kW的1臺(tái)。

(3)次氯酸鈉排氫系統(tǒng)

次氯酸鈉排氫系統(tǒng)主要包括脫氫存儲(chǔ)罐排氫及制備間應(yīng)急事故排氫。電解生成的次氯酸鈉溶液和部分氫氣進(jìn)入脫氫儲(chǔ)存罐，脫氫儲(chǔ)存罐通過(guò)風(fēng)機(jī)將儲(chǔ)存罐中的氫氣以及電解裝置生成的氫氣稀釋到安全濃度，排放到室外。操作環(huán)境中的氫氣濃度通過(guò)氣體檢測(cè)儀檢測(cè)并設(shè)置報(bào)警濃度，一旦操作環(huán)境中的氫氣濃度高于報(bào)警濃度，系統(tǒng)立即停機(jī)，并與強(qiáng)排風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖運(yùn)行，將室內(nèi)氫氣強(qiáng)排至室外。成品次氯酸鈉儲(chǔ)存池內(nèi)設(shè)置通氣管，將池內(nèi)腐蝕性揮發(fā)氣體及殘存氫氣排至室外。

(4)成品次氯酸鈉儲(chǔ)存系統(tǒng)

成品次氯酸鈉儲(chǔ)存池共分為2座，累計(jì)有效容積為105 m3，最高負(fù)荷時(shí)可提供0.8%制備次氯酸鈉溶液使用9.6 h。儲(chǔ)存池同時(shí)為10%次氯酸鈉商品藥劑提供進(jìn)藥接口，最高負(fù)荷時(shí)可使用5 d。

4.2 湛江某供水工程次氯酸鈉制備間

4.2.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

湛江某供水工程次氯酸鈉制備間土建規(guī)模為50萬(wàn)m3/d，設(shè)備安裝規(guī)模為25萬(wàn)m3/d。根據(jù)項(xiàng)目情況，消毒投加量按預(yù)加氯1 mg/L、主加氯3 mg/L、補(bǔ)氯1 mg/L考慮，有效氯量為1 250 kg/d。近期配置2套55 kg/h次氯酸鈉發(fā)生器設(shè)備，一用一備。儲(chǔ)罐、鹽罐、電控等部分按遠(yuǎn)期50萬(wàn)m3/d配置。

次氯酸鈉制備間按功能分為鹽水制備間、氯投加間、氯發(fā)生器間、配電室及成品次鈉存儲(chǔ)池。其中，氯發(fā)生器間包括軟水制備系統(tǒng)、次氯酸鈉發(fā)生器，氯投加間包括投加泵組及緩沖罐，成品次氯酸鈉儲(chǔ)池包括排氫風(fēng)機(jī)及次氯酸鈉提升泵組。該系統(tǒng)脫氫采用室外儲(chǔ)池的鼓風(fēng)機(jī)鼓入空氣，將氫氣通過(guò)儲(chǔ)池排出的形式。另，為了避免室外儲(chǔ)池受氣溫影響加速次氯酸鈉分解，儲(chǔ)池采用全地埋的布置形式，全部?jī)?chǔ)液位于地面線(xiàn)以下。而其室內(nèi)采用下進(jìn)風(fēng)、上排風(fēng)的換氣方式。次氯酸鈉制備間平面如圖3所示。

圖3 湛江某供水工程次氯酸鈉制備間平面圖Fig.3 Sodium Hypochlorite On-Site Preparation Workshop Plan of a WTP in Zhangjiang

4.2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)次氯酸鈉發(fā)生系統(tǒng)

共配置2套55 kg/h次氯酸鈉發(fā)生器，1用1備，同時(shí)為遠(yuǎn)期預(yù)留1臺(tái)機(jī)位，單套功率為36 kW，其他部分與長(zhǎng)春工程相似。

(2)軟水制備系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)軟水器，并分別配置了2臺(tái)軟水罐，每座軟水罐2.0 m3，軟水系統(tǒng)采用樹(shù)脂軟化系統(tǒng)，為發(fā)生器提供稀釋用水及溶鹽用水。湛江冬季水溫較高，故未采取軟水加熱設(shè)備。

(3)次氯酸鈉儲(chǔ)存及排氫系統(tǒng)

與長(zhǎng)春項(xiàng)目不同，該項(xiàng)目將次氯酸鈉儲(chǔ)存及排氫系統(tǒng)融合為一個(gè)系統(tǒng)，即成品次氯酸鈉儲(chǔ)池有儲(chǔ)存成品藥劑功能，并設(shè)有排氫功能。因湛江地區(qū)冬季幾乎無(wú)冰凍可能，為了防止氫氣泄露對(duì)制備間造成影響，將儲(chǔ)池設(shè)于室外。另，為避免溫度過(guò)高造成次氯酸鈉分解速度加快，有效氯含量降低，儲(chǔ)池采用全地下形式。儲(chǔ)池共設(shè)2座，采用混凝土結(jié)構(gòu)并設(shè)內(nèi)襯防腐，單池有效容積為150 m3，可提供10%有效氯的商品次氯酸鈉使用12 d和0.8%在線(xiàn)制備成品次鈉使用1 d。為了避免氫氣聚集，每座儲(chǔ)池上設(shè)置排氫風(fēng)機(jī)2組，1用1備，單組參數(shù)為Q=3 300 m3/h，風(fēng)壓為1 000 Pa，功率為0.55 kW。氯發(fā)生器間設(shè)置機(jī)械排放與送風(fēng)軸流風(fēng)機(jī)，其中送風(fēng)機(jī)靠下布置，排放機(jī)靠上布置，并與氫氣報(bào)警儀聯(lián)鎖開(kāi)啟。

4.3 對(duì)比分析

長(zhǎng)春和湛江兩地直線(xiàn)距離約為2 900 km，可作為我國(guó)寒冷地區(qū)和溫暖地區(qū)的典型代表。因此，對(duì)比分析兩地在線(xiàn)次氯酸鈉消毒工藝設(shè)置的區(qū)別具有一定意義。由表2可知，由于位于南北方的兩地氣溫相差較大，采用次氯酸鈉現(xiàn)場(chǎng)制備消毒在脫氫方式、藥劑存儲(chǔ)、功耗及建筑面積上存在差異。

5 結(jié)論

(1)當(dāng)前次氯酸鈉現(xiàn)場(chǎng)制備主要問(wèn)題為防火防爆、有效氯衰減及副產(chǎn)物、電極結(jié)垢等問(wèn)題。由于難以滿(mǎn)足建筑防火規(guī)范中的防爆要求，制備間內(nèi)應(yīng)采取設(shè)備防爆、設(shè)備脫氫措施及強(qiáng)制排氫等一系列措施，并需盡量取得安監(jiān)部門(mén)認(rèn)證；采取避光、降溫、縮短儲(chǔ)存時(shí)間、控制軟化水溫等措施，可降低次氯酸鈉藥劑中的副產(chǎn)物含量；對(duì)電極及軟化水系統(tǒng)定期檢測(cè)管養(yǎng)，可防止或清除結(jié)垢現(xiàn)象。

表2 次氯酸鈉制備間工藝參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of Technological Parameters of NaOCl Preparation in Workshop

(2)南北方地區(qū)氣候等方面差異較大，現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉系統(tǒng)的設(shè)置也有所不同。

①系統(tǒng)能耗不同：長(zhǎng)春項(xiàng)目冬季需對(duì)制備水加熱，故與湛江項(xiàng)目相比，設(shè)備能耗較高。

②儲(chǔ)池布置形式不同：長(zhǎng)春成品藥劑儲(chǔ)池需考慮冬季防凍，采取室內(nèi)設(shè)置，因此系統(tǒng)建筑面積較大；湛江冬季氣溫較高，不需考慮防凍，故湛江成品儲(chǔ)池置于室外。

③脫氫形式不同：由于儲(chǔ)池位置不同，湛江項(xiàng)目具備室外脫氫的條件，采用儲(chǔ)池與脫氫系統(tǒng)結(jié)合的脫氫方式，該脫氫方式相對(duì)經(jīng)濟(jì)；而長(zhǎng)春項(xiàng)目因儲(chǔ)池設(shè)置于室內(nèi)，采用脫氫儲(chǔ)罐的方式，氫氣通過(guò)脫氫管直接高排至室外。