古田縣自來水廠次氯酸鈉替代液氯消毒系統(tǒng)改造

王亞丹

（福州城建設(shè)計研究院有限公司，福建 福州 350001）

消毒是飲用水處理工藝必不可少的組成部分，城鎮(zhèn)自來水廠消毒通常采用氯氣、二氧化氯、臭氧、次氯酸鈉等化學(xué)消毒法，其中液氯具有消毒性能佳，成本較低的特點，一直是水處理中廣泛使用的消毒劑[1]，但是液氯是劇毒危險化學(xué)品，存在重大安全隱患。我國對液氯的采購、運輸、存儲和使用都有非常嚴(yán)格的管制。根據(jù)福建省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳發(fā)布的關(guān)于在城市供水行業(yè)推廣使用次氯酸鈉消毒劑的通知，為提高城市供水行業(yè)生產(chǎn)安全，在我省城市供水行業(yè)推廣使用次氯酸鈉消毒劑。福建省寧德市古田縣自來水廠采用液氯消毒，對該廠消毒系統(tǒng)的改造存在較大的必要性和緊迫性。

1 工程概況

福建省寧德市古田縣自來水廠設(shè)計總規(guī)模為5 萬m3/d，分兩期建設(shè)，一期工程規(guī)模為2 萬m3/d，二期擴建規(guī)模為3 萬m3/d。水廠現(xiàn)采用“機械混合池+反應(yīng)沉淀池+無閥濾池”的水處理工藝。加氯消毒系統(tǒng)采用投加液氯消毒，加氯點為前加氯、濾后加氯和出廠補氯，根據(jù)水廠的生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，水廠平時總加氯量約為3 mg/L。

2 次氯酸鈉消毒方式的選擇

2.1 消毒原理

次氯酸鈉的主要反應(yīng)方程式如下：

次氯酸鈉與水接觸后，水解作用生產(chǎn)次氯酸，次氯酸進一步分解生產(chǎn)新生態(tài)氧。新生態(tài)氧[O]具有極強的氧化性，可使細(xì)菌和病毒的蛋白質(zhì)變性，起到殺菌和消毒的作用[2]。次氯酸是很小的中性分子，不帶電荷，會很快吸附于細(xì)菌、病毒外殼，并可滲透細(xì)胞壁進入到細(xì)胞內(nèi)部，通過氧化作用與蛋白、核酸、酶等發(fā)生反應(yīng)，從而起到殺菌和消毒作用[3]。

2.2 消毒方式比選

目前水廠主流的次氯酸鈉投加系統(tǒng)主要分為“外購成品次氯酸鈉溶液投加”與“次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場制備投加”兩種。成品次氯酸鈉溶液有效氯濃度為8%～10%，次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場制備有效氯濃度為0.8%。

從以下幾方面對兩種方式進行綜合分析。

（1）原料的采購、運輸和儲存：次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場制備采用的原料僅為食用鹽，采購、運輸和儲存均安全方便，腐蝕性低；成品次氯酸鈉屬于危險化學(xué)品，批量采購與運輸需要經(jīng)公安部門審批。原料腐蝕性強，在運輸、儲存、保管上均需要專用工具及設(shè)施和人員來保障，稍有不慎極易發(fā)生安全事故。

（2）對操作人員的危害：次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場制備有效氯濃度為0.8%，低濃度原料對操作人員幾乎無害；成品次氯酸鈉溶液有效氯濃度為8%～10%，高濃度原料屬于有毒有害化工產(chǎn)品，具有強烈的刺激性，接觸后主要引起眼睛和呼吸道刺激，長期接觸可導(dǎo)致慢性支氣管炎，對人體危害大。

（3）消毒劑穩(wěn)定性及消毒后水中的殘留副產(chǎn)物：0.8%的低濃度次氯酸鈉溶液不易分解，消毒后水中殘留副產(chǎn)物少；8%～10%的高濃度次氯酸鈉溶液非常不穩(wěn)定，易降解，溫度越高降解越快，導(dǎo)致商品損耗、成本加大，且長期儲存會導(dǎo)致氯酸鹽超標(biāo)，致癌物較多，被污染后的水源長期飲用對人體健康有害。

綜上分析，寧德市古田縣自來水廠最終采用了次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場制備的投加方式。

3 次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場制備系統(tǒng)概況

3.1 工作原理

自來水經(jīng)過軟水器去除鈣鎂鐵錳離子后的軟化水，分二路進入鹽池形成飽和鹽水，以及飽和鹽水的稀釋用水。飽和鹽水通過計量泵從鹽飽和器中抽出，通過流量計計量，與稀釋水配成3%濃度鹽水進入電解槽。在電解槽內(nèi)，鹽水溶液作為良好的導(dǎo)電介質(zhì)，傳遞正負(fù)極之間的電流。在電解槽的正極，電解產(chǎn)生氯氣Cl2，同時在負(fù)極產(chǎn)生NaOH 和氫氣H2。然后氯氣繼續(xù)與NaOH 反應(yīng)產(chǎn)生次氯酸鈉NaClO。NaClO 溶液與氫氣一起進入溶液儲存罐。送風(fēng)機用于稀釋、去除氫氣。NaClO 溶液通過計量泵投加，現(xiàn)場余氯分析儀檢測水中的余氯。主反應(yīng)過程可用以下方程式表示：NaCl+H2O=NaClO+H2。

3.2 工藝流程

次氯酸鈉發(fā)生器系統(tǒng)是通過現(xiàn)場電解飽和食鹽水生成濃度為0.8%有效氯的次氯酸鈉溶液，該系統(tǒng)主要由軟化水罐、溶鹽罐、電解發(fā)生器、次氯酸鈉溶液儲液罐、電流整流控制柜及PLC 控制器、酸洗設(shè)備等主要部件組成，全過程只消耗水、鹽和電。噸水的處理成本不超過0.03 元/t。中間產(chǎn)物沒有危險氯氣，無須負(fù)壓系統(tǒng)，無須水射器。

次氯酸鈉發(fā)生器系統(tǒng)是一個全自動、模塊化在線次氯酸鈉發(fā)生器，它把鹽水罐、次氯酸鈉溶液儲液罐、軟化水裝置、鹽水泵、風(fēng)機、電解室及自動控制箱等其他主要設(shè)備按照模塊化設(shè)計，可以根據(jù)場地的不同按需布置，在出廠運輸前已完成內(nèi)部管路連接，電路接線和檢測，特別適合改造項目?，F(xiàn)場安裝只需將設(shè)備、電源和管線連接即可，安裝快速，簡單，安全可靠，維護簡便。

（1）制備軟化水：在電解槽中，如果參加電解的水的硬度超過設(shè)備規(guī)定的含量，電解槽運行一段時間后，在電極的表面會積聚一層鈣化物，它不僅影響電解的效果，增大單位產(chǎn)能的耗電量，使運行成本加大，更重要的是它將縮短電極的使用壽命，因此需要配置軟水器，給電解系統(tǒng)提供軟化水。

（2）制備飽和鹽水：將規(guī)定要求的食鹽加入到溶鹽罐或鹽池中，加水進行溶解，為保證溶液為飽和鹽水，溶鹽罐或鹽池中必須總保持有未溶解的固體食鹽。

（3）制備次氯酸鈉溶液：制備好的飽和鹽水通過隔膜計量泵定量地送到電解室內(nèi)，與此同時軟化稀釋水也同時輸送到電解室內(nèi)，通過電解室的正負(fù)電極電解出濃度0.8%的次氯酸鈉溶液，同時產(chǎn)生少部分氫氣的混合溶液并被輸送至次氯酸鈉溶液儲存罐中。獨特的電解室設(shè)計，采用鍍鈦的DSA 電極，有極強的防腐能力；電解效率高，可節(jié)約食鹽和用電量，每生產(chǎn)1 kg 有效氯需要消耗4.2 kW 電能及3.0 kg 鹽。系統(tǒng)生成的次氯酸鈉溶液濃度為0.8%，可最大程度減少腐蝕和降解。

（4）次氯酸鈉溶液儲備及氫氣排出：制備好的次氯酸鈉溶液儲備在儲液罐內(nèi)，儲液罐中裝有液位開關(guān)來控制液位的高低。由鼓風(fēng)機將罐內(nèi)的副產(chǎn)物氫氣吹出到室外空氣中，將氫氣濃度降至安全濃度以內(nèi)。氫氣是易燃易爆氣體，必須嚴(yán)格監(jiān)控，氫氣監(jiān)測裝置用于監(jiān)測發(fā)生器房間內(nèi)的氫氣含量，并可設(shè)置高限值，當(dāng)氣體濃度達到設(shè)定值時，儀表發(fā)出報警信號，并停止發(fā)生器運行。

4 改造工程設(shè)計

4.1 工藝參數(shù)

寧德市古田縣自來水廠液氯消毒系統(tǒng)改造為次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場制備投加系統(tǒng)，保持廠區(qū)現(xiàn)狀加氯點位置不變以及加氯量不變，設(shè)置前加氯點1 處，投加點位于機械攪拌混合池進水管道處，最大投加量為0.5 mg/L；設(shè)置后加氯點2 處，投加點分別位于一期清水池進水管處和二期清水池進水管處，最大投加量為2 mg/L。

設(shè)置補氯點3 處，分別位于DN800、DN600 和DN300 出水管處，最大投加量為0.5 mg/L。水廠設(shè)計總規(guī)模為5 萬m3/d，分兩期建設(shè)，一期工程規(guī)模為2萬m3/d，二期擴建規(guī)模為3 萬m3/d。

4.2 主要設(shè)施

寧德市古田縣自來水廠現(xiàn)狀實際運行最大規(guī)模為2.7 萬m3/d，總計加氯量為3 mg/L。最高日供水量分別為：DN800 出水管為1.6 萬m3/d，DN600 出水管為0.8 萬m3/d，DN300 出水管為0.3 萬m3/d。設(shè)置2 臺次氯酸鈉發(fā)生器，1 用1 備，每臺額定產(chǎn)氯量為5 kg/h。次氯酸鈉發(fā)生器為撬裝一體化裝置，包含電解單元，鹽水輸送泵，流量計，溫度計，液位計，閥門等部件。電解單元陰極采用純鈦基材制作，陽極采用純鈦基材+DSA貴金屬氧化物涂層，電解槽結(jié)構(gòu)采用管板，機架材質(zhì)為碳鋼噴塑，功率為32 kW，鹽耗為3 kg/kg 氯氣，電耗為4.2 kW/kg 氯氣，生成的次氯酸鈉溶液濃度為0.8%±0.05%，次氯酸鈉溶液pH 值為9~9.5，在滿足鹽和水質(zhì)要求的情況下酸洗周期為大于等于60 d。次氯酸鈉發(fā)生器采用高頻型恒流電氣開關(guān)電源作為電解電源，由于采用高頻整流技術(shù)，交直流轉(zhuǎn)換效率達到95%以上，發(fā)熱量很低，運行穩(wěn)定，體積小。

在加氯間東南側(cè)空地建設(shè)1 座地下式溶鹽池，設(shè)計溶鹽池尺寸為5 m×3 m×2.5 m（H），容積滿足15 d的需鹽量，溶鹽池分兩格，一格為濕鹽槽，一格為飽和鹽水槽，濕鹽槽頂部設(shè)置加鹽口。加氯間內(nèi)設(shè)置飽和鹽水自吸泵組、凈鹽桶、軟化水裝置、酸洗桶、次氯酸鈉發(fā)生器主機、次氯酸鈉存儲桶及投加泵組等。飽和鹽水自吸泵將溶鹽池飽和鹽水槽內(nèi)的飽和鹽水提升至凈鹽桶內(nèi)，凈鹽桶容積V=800 L，采用食品級PE 材料。根據(jù)系統(tǒng)耗水量，考慮一定安全系數(shù)，設(shè)置2 臺軟水器，產(chǎn)水量為4~6 m3/h，1 用1 備；軟水罐1 個，容積V=500 L，采用食品級PE 材料；軟水泵2 臺，每臺規(guī)格為3 m3/h。飽和鹽水通過計量泵從凈鹽桶中抽出，與軟化水配成3%濃度的鹽水進入發(fā)生器電解室，通過電解室的正負(fù)電極電解出濃度0.8%的次氯酸鈉溶液，并被輸送至次氯酸鈉溶液儲存罐中。設(shè)置2 個次氯酸鈉溶液儲存罐，單個儲罐容積V=5 000 L，可儲存8 h 的制備量，儲罐采用食品級PE 材料，儲罐配液位計，根據(jù)液位高低控制系統(tǒng)以維持連續(xù)的次氯酸鈉供應(yīng)，平時正常工作時，采用兩罐交替使用。在制備過程中會有少量的氫氣產(chǎn)生，氫氣會從電極單元頂部的放空管安全地排放出去。鼓風(fēng)機可以把這少量的氫氣稀釋為100∶1，可以降低氫氣濃度低于可燃下限的1/4。空氣稀釋的主送風(fēng)機和1 個備用的送風(fēng)機提供儲罐內(nèi)的強制通風(fēng)，風(fēng)壓開關(guān)監(jiān)測送風(fēng)機的操作。如果監(jiān)測到氣流減少，備用送風(fēng)機就會被激活，或者使發(fā)生器停止工作。發(fā)生器停止工作后，風(fēng)機延時停機，以保證氫氣全部排出。安裝氫氣泄漏報警儀1 套，用于連續(xù)測量、指示和傳送空氣中氫氣含量，安裝3 個探頭，發(fā)生器房間頂裝2 個探頭，次氯酸鈉儲存罐間頂裝1 個探頭。當(dāng)車間內(nèi)氫氣濃度大于設(shè)定值時，發(fā)出警報及停止系統(tǒng)運行。

次氯酸鈉溶液采用計量泵進行計量投加，投加后使用在線余氯儀表對水體中的余氯值進行在線監(jiān)測，并把檢測值反饋給系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)這個數(shù)值可以自動調(diào)整計量泵的投加量，實現(xiàn)檢測+反饋+自動調(diào)整的閉環(huán)控制投氯方式。水廠共有加氯點6 處，采用1 臺投加泵對應(yīng)1 個投加點的方式設(shè)置投加泵。前加氯點設(shè)置投加泵2 臺，1 用1 備，單臺投加泵參數(shù)為Q=140 L/h，H=4 bar；后加氯點設(shè)置投加泵3 臺，2 用1 備，單臺投加泵參數(shù)為Q=310 L/h，H=4 bar；DN800 出水 管和DN600 出水管的補氯點設(shè)置投加泵3 臺，2 用1 備，單臺投加泵參數(shù)為：Q=90 L/h，H=4 bar；DN300 出水管的補氯點設(shè)置投加泵2 臺，1 用1 備，單臺投加泵參數(shù)為Q=15 L/h，H=4 bar。投加泵采用機械隔膜計量泵，配套球閥、安全閥、背壓閥、脈沖阻尼器、電磁流量計及配套投加管路等。

系統(tǒng)工作流程如圖1 所示，平面布置如圖2 所示。采用PLC 控制系統(tǒng)對整個工藝過程的各重要參數(shù)進行監(jiān)測和控制，確保系統(tǒng)可靠運行，在自動模式下，PLC 可自動啟動和停止系統(tǒng)運行，使次氯酸鈉溶液儲存罐保持適當(dāng)液位?？刂泼姘鍨橛|摸屏界面，可為水廠工作人員提供方便、簡潔的操作。主機監(jiān)測系統(tǒng)主要包括鹽度監(jiān)測、溫度監(jiān)測、運行時間監(jiān)測和自動酸洗控制等。鹽度監(jiān)測主要是使用電導(dǎo)率儀表對稀釋后的鹽水進行在線電導(dǎo)率監(jiān)測，當(dāng)稀釋鹽水配比出現(xiàn)故障或者溶鹽池加鹽不及時導(dǎo)致鹽水濃度不夠時，系統(tǒng)自動發(fā)出報警并停機。溫度監(jiān)測是指電解液和電極板的溫度均有實時監(jiān)測，當(dāng)電解液或電極板的溫度超高時，系統(tǒng)自動發(fā)出報警信號并停機。運行時間監(jiān)測是指系統(tǒng)自動累計電解運行時間，并根據(jù)溶鹽池的體積，自動對溶鹽池內(nèi)鹽量監(jiān)控，當(dāng)累計時間達到后，系統(tǒng)自動提醒工作人員往溶鹽池內(nèi)添加鹽，并發(fā)出缺鹽報警。自動酸洗控制是指系統(tǒng)自動監(jiān)測電解槽的槽電壓和累計電解工作時間，當(dāng)槽電壓超過設(shè)定電壓值或者累計電解工作時間到達設(shè)定值時，系統(tǒng)自動切換主機至自動酸洗裝置，并啟動酸洗，酸洗結(jié)束后，系統(tǒng)自動啟動沖洗，使得電解槽不殘留鹽酸。

圖1 系統(tǒng)工藝流程圖

圖2 系統(tǒng)平面布置圖

5 結(jié)束語

寧德市古田縣自來水廠于2020 年12 月完成加氯系統(tǒng)的改造，1 年來的運行數(shù)據(jù)表明，改造后的出廠水和管網(wǎng)水的微生物指標(biāo)和余氯均滿足GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求。中小型水廠使用電解食鹽法現(xiàn)場制備次氯酸鈉在消毒效果、原料采購和儲存、水廠安全運行等方面均具有較大的優(yōu)勢。該工程實施后很大程度地提高了水廠消毒系統(tǒng)安全性，基本消除了原有液氯消毒系統(tǒng)存在的弊端。