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        古田縣自來水廠次氯酸鈉替代液氯消毒系統(tǒng)改造

        2022-06-07 06:30:30王亞丹
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年16期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        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(yùn)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(kuò)建規(guī)模為3 萬m3/d。水廠現(xiàn)采用“機(jī)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(bǔ)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(jìn)一步分解生產(chǎn)新生態(tài)氧。新生態(tài)氧[O]具有極強(qiáng)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(jìn)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(jìn)行綜合分析。

        (1)原料的采購、運(yùn)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(yùn)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(yùn)輸需要經(jīng)公安部門審批。原料腐蝕性強(qiáng),在運(yùn)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入溶液儲存罐。送風(fēng)機(jī)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(jī)、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(yùn)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。現(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(hù)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(yùn)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(yùn)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(jìn)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(dú)特的電解室設(shè)計,采用鍍鈦的DSA 電極,有極強(qiáng)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(jī)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(dá)到設(shè)定值時,儀表發(fā)出報警信號,并停止發(fā)生器運(yùn)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(jī)械攪拌混合池進(jìn)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(jìn)水管處和二期清水池進(jìn)水管處,最大投加量為2 mg/L。

        設(shè)置補(bǔ)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(kuò)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(yùn)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(jī)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(dá)到95%以上,發(fā)熱量很低,運(yùn)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(jī)、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(jìn)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(jī)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??諝庀♂尩闹魉惋L(fēng)機(jī)和1 個備用的送風(fēng)機(jī)提供儲罐內(nèi)的強(qiáng)制通風(fēng),風(fēng)壓開關(guān)監(jiān)測送風(fēng)機(jī)的操作。如果監(jiān)測到氣流減少,備用送風(fēng)機(jī)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(jī)延時停機(jī),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(yùn)行。

        次氯酸鈉溶液采用計量泵進(jìn)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(jìn)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(bǔ)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(bǔ)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(jī)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(jìn)行監(jiān)測和控制,確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行,在自動模式下,PLC 可自動啟動和停止系統(tǒng)運(yùn)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(jī)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括鹽度監(jiān)測、溫度監(jiān)測、運(yùn)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(jìn)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(jī)。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(jī)。運(yùn)行時間監(jiān)測是指系統(tǒng)自動累計電解運(yùn)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(dá)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(dá)設(shè)定值時,系統(tǒng)自動切換主機(jī)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(yùn)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(yùn)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。

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