薛苗苗

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200092)

液氯消毒具有經(jīng)濟(jì)有效，使用方便，效果好的特點(diǎn)，一直是水處理中廣泛使用的消毒劑。但隨著近年來(lái)各地對(duì)易爆危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸和儲(chǔ)存管控力度的日益強(qiáng)化，對(duì)液氯的運(yùn)輸和儲(chǔ)存等條件上的限制，給水廠生產(chǎn)管理帶來(lái)了諸多困難，而次氯酸鈉的運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用更為安全，消毒效果與氯氣相當(dāng)，同時(shí)有利于降低水廠出廠水消毒副產(chǎn)物含量[1]。目前國(guó)內(nèi)不少大中城市，如北京、上海、深圳、杭州等地的供水企業(yè)均己逐步采用次氯酸鈉替代液氯進(jìn)行消毒。本文以安徽某水廠為例，通過(guò)對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)行管理、生產(chǎn)成本等多因素的綜合分析，確定采用現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉作為水廠消毒劑，并作為示范工程為后續(xù)水廠加氯系統(tǒng)改造提供借鑒。

1 工程概況

安徽省某水廠一期工程規(guī)模為10萬(wàn)m3/d，于1993年建成投產(chǎn)，由于出廠水穩(wěn)定性差，現(xiàn)已停運(yùn)；二期工程規(guī)模為15萬(wàn)m3/d，于2012年建成投產(chǎn)，水源取自長(zhǎng)江，采用折板絮凝反應(yīng)池、平流沉淀池、V型濾池的常規(guī)處理工藝，出廠水水質(zhì)符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)標(biāo)準(zhǔn)的要求。目前夏季高峰期日水廠已處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，基于原址拆除一期工程進(jìn)行改擴(kuò)建，改擴(kuò)建后總規(guī)模為30萬(wàn)m3/d。水廠現(xiàn)狀采用液氯消毒，改擴(kuò)建后將消毒方式改為次氯酸鈉消毒。水廠的工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Operation

2 次氯酸鈉獲取方式的選擇

水廠消毒用次氯酸鈉的來(lái)源主要有兩種，一種是購(gòu)買商品次氯酸鈉溶液，有效氯為10%，稀釋至5%儲(chǔ)存后投加，另外一種是現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉，有效氯為0.8%。

商品次氯酸鈉是氯堿工業(yè)的副產(chǎn)品，有效氯為10%，屬于化學(xué)危險(xiǎn)品，具有較強(qiáng)腐蝕性，在運(yùn)輸和使用也受到日益嚴(yán)厲的監(jiān)管。研究表明，商品次氯酸鈉在較高溫度和較長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)，可能發(fā)生分解反應(yīng)和歧化反應(yīng)，導(dǎo)致有效氯濃度不斷降低，歧化反應(yīng)還會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有危害的氯酸鹽等副產(chǎn)物[2]。運(yùn)輸距離的遠(yuǎn)近，對(duì)使用成本的影響較大，需要當(dāng)?shù)赜蟹€(wěn)定的貨源。

現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉一般為電解法，原料為食鹽，通過(guò)次氯酸鈉發(fā)生器將食鹽水電解生成次氯酸溶液。目前，次氯酸鈉現(xiàn)場(chǎng)制備技術(shù)已較為成熟，電極使用壽命可達(dá)5年以上，制備的次氯酸鈉有效氯在0.8%～1.0%，比較穩(wěn)定，可以邊制備邊投加，其原料運(yùn)輸、藥劑儲(chǔ)存等的危險(xiǎn)性均很小，成本主要是一次性設(shè)備投資、食鹽和電能。

對(duì)商品次氯酸鈉溶液和現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉的主要運(yùn)行成本進(jìn)行對(duì)比分析如表1所示。

表1 運(yùn)行成本對(duì)比Tab.1 Comparison of Operation Costs

因此，通過(guò)對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)行管理、生產(chǎn)成本等多因素的綜合分析，確定采用現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉作為本工程消毒劑。

3 設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮的問(wèn)題和解決方案

3.1 設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮的問(wèn)題

次氯酸鈉現(xiàn)場(chǎng)制備技術(shù)已經(jīng)較為成熟，如何保證次氯酸鈉車間生產(chǎn)管理方便和安全運(yùn)行穩(wěn)定是設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮的，例如以下幾點(diǎn)。

(1)食鹽為室內(nèi)袋裝堆放儲(chǔ)存，容易導(dǎo)致食鹽吸潮結(jié)塊；溶鹽過(guò)程采用人工操作，袋裝食鹽通過(guò)設(shè)置的吊車和破包機(jī)倒入溶鹽池溶解，食鹽中的氯離子對(duì)金屬具有強(qiáng)烈的腐蝕性，溶鹽池的防腐層和室內(nèi)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后容易老化和銹蝕。

(2)設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要考慮次氯酸鈉發(fā)生器的備用，還要考慮極端情況下設(shè)備均無(wú)法運(yùn)行或初期調(diào)試運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定時(shí)的應(yīng)急處理方案。

(3)次氯酸鈉管路發(fā)生事故或儲(chǔ)罐出現(xiàn)溢流等時(shí)情況時(shí)，廢液對(duì)室內(nèi)設(shè)備和室外管道具有腐蝕性，應(yīng)設(shè)置廢液的臨時(shí)儲(chǔ)存和外運(yùn)設(shè)施。

(4)根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013—2018)[3]次氯酸鈉發(fā)生器所在的建筑屋頂不得有吊頂，梁頂無(wú)通氣孔的下翻梁，吊頂和下翻梁容易積聚可能泄出的氫氣和阻斷積聚的氫氣流向通風(fēng)設(shè)備，對(duì)于在原有建筑物內(nèi)的進(jìn)行次氯酸鈉現(xiàn)場(chǎng)制備系統(tǒng)的改造項(xiàng)目應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

3.2 解決方案

(1)優(yōu)化鹽水調(diào)配系統(tǒng)，溶鹽池設(shè)置于次氯酸鈉制備車間外，選用耐腐蝕的成品碳鋼骨架復(fù)合內(nèi)襯塑地埋式存鹽罐，施工方便、壽命長(zhǎng)，避免高濃度的鹽對(duì)室內(nèi)設(shè)備的腐蝕。取消袋裝食鹽的吊裝和拆包過(guò)程，增加儲(chǔ)存時(shí)間，減少工作人員直接接觸食鹽次數(shù)。

(2)系統(tǒng)兼容商品次氯酸鈉儲(chǔ)存和投加的功能。

(3)增加次氯酸鈉廢液收集系統(tǒng)，儲(chǔ)罐四周設(shè)置事故緩沖墻、室外設(shè)置廢液收集池，避免廢液對(duì)室內(nèi)設(shè)備和室外管道的腐蝕。

(4)優(yōu)化車間排氫設(shè)計(jì)，車間梁中部位置通氣孔，增設(shè)制備車間屋頂通氣孔，及時(shí)排放屋頂可能聚集的氫氣，提高安全性。

4 工程設(shè)計(jì)方案

4.1 系統(tǒng)介紹

次氯酸鈉現(xiàn)場(chǎng)制備系統(tǒng)主要由軟水器、地埋式儲(chǔ)鹽罐、稀鹽水調(diào)配箱、次氯酸鈉發(fā)生器、成品儲(chǔ)液箱、投加泵組及其管配件系統(tǒng)組成。其工作原理為：自來(lái)水經(jīng)過(guò)軟化器去除水中的鈣、鎂離子后，分別提供給次氯酸鈉發(fā)生器和鹽水調(diào)配系統(tǒng)；食鹽投放至地埋式儲(chǔ)鹽罐經(jīng)溶解后至稀鹽水調(diào)配箱，精準(zhǔn)配比形成3%稀鹽水進(jìn)入次氯酸鈉發(fā)生器內(nèi)電解槽，經(jīng)直流電電場(chǎng)作用電解生成次氯酸鈉溶液和氫氣，成品次氯酸鈉儲(chǔ)存至儲(chǔ)液箱，經(jīng)投加泵組至各加氯點(diǎn)[4]，過(guò)程產(chǎn)生的氫氣由排氫系統(tǒng)排至室外，制備間設(shè)置8～12次/h的高位機(jī)械通風(fēng)設(shè)備和多重監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保障車間的安全。

4.2 設(shè)計(jì)參數(shù)與系統(tǒng)布局

4.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

次氯酸鈉制備車間設(shè)計(jì)規(guī)模為30萬(wàn)m3/d，次氯酸鈉投加點(diǎn)在保留現(xiàn)狀二期前、后加氯和補(bǔ)加氯點(diǎn)的前提下，增加本期加氯點(diǎn)。前加氯1.0 mg/L，后加氯2.0 mg/L，補(bǔ)加氯1.0 mg/L，最大加氯量為3 mg/L，平均加氯量為1.8～2.0 mg/L，每日最大需氯量為900 kg/d。選用次氯酸鈉發(fā)生器1套，分4組，每組由獨(dú)立的15 kg/h次氯酸鈉發(fā)生器單元組成，可互為備用。

4.2.2 系統(tǒng)布局

本工程水廠用地條件有限，次氯酸鈉制備車間采用集約化布置，具有占地面積小、管理方便的特點(diǎn)，包括室外儲(chǔ)鹽溶鹽池、配電控制室、加氯間(含稀鹽水調(diào)配箱、次氯酸鈉發(fā)生器、成品儲(chǔ)罐和投加系統(tǒng))。

4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.3.1 軟化水系統(tǒng)

自來(lái)水經(jīng)過(guò)軟化器去除水中的鈣、鎂離子形成軟化水，一部分進(jìn)入地埋式儲(chǔ)鹽罐和稀鹽水調(diào)配箱，一部分進(jìn)入次氯酸鈉發(fā)生器提供稀釋水，系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)軟水器，單臺(tái)軟水器產(chǎn)水量為22 m3/h， 出水硬度≤0.03 mmol/L。

4.3.2 鹽水調(diào)配系統(tǒng)

鹽水調(diào)配系統(tǒng)包括溶鹽系統(tǒng)和稀鹽水調(diào)配系統(tǒng)。在次氯酸鈉制備車間外設(shè)置2個(gè)地埋式存鹽罐，材質(zhì)為碳鋼骨架復(fù)合內(nèi)襯塑，同時(shí)具有存鹽和溶鹽功能，總存鹽量為40 t，可滿足10 d用鹽量。每個(gè)存鹽罐有自動(dòng)進(jìn)水裝置、在線高、低鹽位計(jì)、超聲波液位計(jì)、鹽水提升泵、出鹽管道等。濃鹽水由提升泵至精確稀鹽水調(diào)配箱，設(shè)稀鹽水調(diào)配箱1套，分2格，產(chǎn)量為20 m3/h，稀鹽水調(diào)配箱內(nèi)設(shè)置攪拌器、在線鹽水濃度及電導(dǎo)率儀，精確配比形成3%稀鹽水進(jìn)入電解槽進(jìn)行電解。稀鹽水調(diào)配池體積大于1 h發(fā)生器進(jìn)水量，保障電解槽進(jìn)鹽用計(jì)量泵最小連續(xù)工作1 h，不頻發(fā)啟停。

4.3.3 次氯酸鈉制備系統(tǒng)

次氯酸鈉發(fā)生器采用集成布置方式，包括進(jìn)鹽泵、整流器、次氯酸鈉發(fā)生器、冷卻水換熱器、成品次氯酸鈉調(diào)節(jié)池、稀氫風(fēng)機(jī)及配套的儀表、控制柜等設(shè)備，配比后的3%鹽水進(jìn)入電解槽后進(jìn)行電解產(chǎn)生次氯酸鈉溶液。

選用次氯酸鈉發(fā)生器1套，有效產(chǎn)氯量為60 kg/h，由4個(gè)獨(dú)立的15 kg/h次氯發(fā)生器單元組成，可互為備用。產(chǎn)生的次氯酸鈉成品濃度為0.8%～1.0%，功率為320 kW，鹽耗量為180 kg/h。

4.3.4 次氯酸鈉儲(chǔ)存和廢液收集系統(tǒng)

次氯酸鈉儲(chǔ)存采用8個(gè)成品PE罐，單個(gè)有效容積為25 m3，共計(jì)200 m3，儲(chǔ)存時(shí)間為42 h。每個(gè)儲(chǔ)罐設(shè)置進(jìn)水、出水、放空、溢流和排氫口。增設(shè)外購(gòu)商品次氯酸鈉儲(chǔ)存系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)輸卸料泵2臺(tái)，控制柜、閥門、管路及配件等，保證在水廠次氯酸鈉發(fā)生器調(diào)試運(yùn)行或者遇到極端情況次氯酸鈉發(fā)生器故障無(wú)法馬上修復(fù)時(shí)，可以將系統(tǒng)切換至商品次氯酸鈉投加系統(tǒng)。在儲(chǔ)罐四周設(shè)置事故緩沖墻，高度為0.8 m，次氯酸鈉廢液臨時(shí)收集后排至室外廢液收集池后由專業(yè)公司進(jìn)行處理。

4.3.5 次氯酸鈉投加系統(tǒng)

設(shè)置投加泵9臺(tái)，包括前加氯3臺(tái)，2用1備，加注點(diǎn)位于2根原水管道上；后加氯3臺(tái)，2用1備，加注點(diǎn)位于現(xiàn)狀和新建濾池出水總管；補(bǔ)加氯3臺(tái)，2用1備，加注點(diǎn)位于現(xiàn)狀吸水井和新建吸水井進(jìn)水管道上。每臺(tái)投加系統(tǒng)包括壓力釋放閥、防脈沖器、背壓閥、Y型過(guò)濾器及管道、閥門、支架等。系統(tǒng)兼容商品次氯酸鈉投加系統(tǒng)的功能，預(yù)留接入商品次氯酸鈉投加系統(tǒng)的管路。

4.3.6 次氯酸鈉排氫系統(tǒng)

排氫系統(tǒng)包括過(guò)程排氫和儲(chǔ)罐排氫，發(fā)生器設(shè)2臺(tái)稀氫風(fēng)機(jī)，將發(fā)生器工作過(guò)程中和次氯酸鈉調(diào)節(jié)池內(nèi)的氫氣及時(shí)排至室外。每個(gè)儲(chǔ)罐設(shè)2臺(tái)稀氫風(fēng)機(jī)，Q=2 000 m3/h，在儲(chǔ)罐頂部設(shè)置進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)口，對(duì)進(jìn)入儲(chǔ)罐的氫氣通過(guò)屋頂排放管排至室外。

發(fā)生器間設(shè)計(jì)過(guò)程中還要考慮意外泄露到室內(nèi)氫氣的排放，在車間屋頂設(shè)置通氣管，及時(shí)排放屋頂聚集的氫氣，加氯間設(shè)置氫氣報(bào)警系統(tǒng)和高位通風(fēng)的機(jī)械風(fēng)機(jī)，每小時(shí)換氣8～12次，一旦發(fā)生氫氣報(bào)警時(shí)同步開(kāi)啟室內(nèi)風(fēng)機(jī)，強(qiáng)制排風(fēng)將室內(nèi)氫氣濃度降低至爆炸極限以下。

4.3.7 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括次氯酸鈉發(fā)生器可編制控制器及人機(jī)界面、次氯酸鈉加注間控制系統(tǒng)和投加控制系統(tǒng)，并通過(guò)廠級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)與中控室上位系統(tǒng)通訊，接受水廠中控室下達(dá)的控制指令、工藝參數(shù)的制定，判斷其正確性、可行性后加以執(zhí)行。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)方案通過(guò)對(duì)次氯酸鈉現(xiàn)場(chǎng)制備系統(tǒng)中的鹽水調(diào)配系統(tǒng)、儲(chǔ)存和投加系統(tǒng)、廢液收集系統(tǒng)、車間排氫系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得水廠的日常運(yùn)行管理更加安全、可靠、便捷，以期對(duì)類似工程設(shè)計(jì)時(shí)提供參考意義。