二氧化氯應用于污水處理廠的安全性設計探討

李偉波　吳斌

摘 要：以污水處理廠的應用為例，介紹了二氧化氯的化學特性、二氧化氯消毒劑的制備原理及過程，舉例說明實際生產過程中發(fā)生的危險事故及事故原因，分析了二氧化氯制備、投加過程中存在的爆炸危險性因素、形成原因及對策，對工藝、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計建議。

關鍵詞：污水處理；二氧化氯；消毒；安全性設計；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行消毒操作重要且必要。目前，國內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胞內部與相應的酶反應，使之迅速失活，抑制細胞內蛋白質的合成，從而達到將微生物（細菌、病毒和藻類）滅活的目的，具有接觸時間短、消毒速度快、有效降低消毒副產物（DBPs）產生量、持續(xù)性好及對土建要求低等特點，盡管受到投資成本高、技術水平要求嚴格等限制，該方法仍在中小型污水處理廠中廣泛應用。但是，二氧化氯具有強氧化性、不穩(wěn)定，對受熱、撞擊、摩擦等相當敏感，極易分解產生爆炸，在污水處理廠的制備和投加車間設計中應重點考慮安全性設計。

1 二氧化氯制備原理及過程

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

目前，化學法制備二氧化氯的方法有多種，根據(jù)生產原料以及產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）以及復合二氧化氯發(fā)生器（氯酸鈉+鹽酸）。相比于前者，復合二氧化氯發(fā)生器反應產生的二氧化氯純度較低，并伴隨氯氣的產生；從經濟上考慮，該類型比較適合于市政污水、中水等處理后對水中消毒副產物要求不高的水處理系統(tǒng)的消毒。

慮復合二氧化氯發(fā)生方法，該法制備二氧化氯的化學方程式如下：

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)生化學反應，也不以二聚或多聚狀態(tài)存在。

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

二氧化氯制備投加系統(tǒng)應采用包括原料調制供應、二氧化氯發(fā)生、投加的成套設備等，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性分析

二氧化氯制備過程中，產物包括氯氣和二氧化氯。與二氧化氯一樣，氯氣為有毒氣體，也會對人體造成傷害，且具有腐蝕性，如果發(fā)生泄漏將造成嚴重后果。田為成等研究表明，即使在常壓環(huán)境下，當二氧化氯氣體發(fā)生泄漏并與空氣混合時，仍會存在爆炸危險性[4]。因此，除了要求“二氧化氯制備、貯備、投加設備及管道、管配件必須有良好的密封性和耐腐蝕性”之外，應考慮在車間內較低位置設置檢測泄漏和報警的儀表，并采取相應的通風措施。

根據(jù)生產經驗，二氧化氯的制備過程對壓力、溫度等參數(shù)較敏感。據(jù)報道，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)生器時反應釜壓力過大所致。因此，工藝流程中宜采取較低的壓力和溫度，將易燃、易爆物質限制在密閉容器內。

此外，據(jù)張兆坤等總結，在二氧化氯制備過程中即使不存在光、熱源及電火花，沒有其他有機物和催化劑的條件下，振動也可能引起爆炸[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含量，因為在濃度低于爆炸下限時，造成爆炸發(fā)生的所有外部因素都不起作用。

3 對工藝設備專業(yè)安全性設計要求

下面從工藝設計角度進行安全性分析，主要分為儲藥間和加氯間兩部分。

3.1 儲藥間

3.1.1 房間布置及防止泄漏措施

參考《室外排水設計規(guī)范》（GB50014-2006）和《室外給水設計規(guī)范》（GB50013-2006），消毒設施和有關建筑物的設計應符合以下要求：

（1）氯酸鈉和鹽酸、氯氣等嚴禁相互接觸，必須分別貯存在分類的庫房內。

（2）鹽酸庫房內應設置酸泄漏的收集槽，并采用耐酸材料。

（3）氯酸鈉庫房室內應備有快速沖洗設施。

此外，參考相關資料[6]，在貯藥罐周邊也可設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。泄漏的化學藥品必須處理達標之后才能排入下水道。

3.1.2 原料及相關要求

原料選用應符合國家相關標準。實際使用過程中，一般儲藥罐內鹽酸溶液和氯酸鈉溶液濃度均達30%以上。

氯酸鈉應儲存在陰涼、通風、干燥的庫房內，注意防潮。嚴防粉末散落在地上。運輸過程中要防雨淋和日曬，裝卸時要輕拿輕放，防止摩擦，嚴禁撞擊。

鹽酸有毒，腐蝕性極強。操作空間通風應良好，操作人員工作時要穿耐酸工作服，帶橡皮手套，以保護皮膚；若操作空間較小，通風較差時，操作人員應帶防護口罩，以保護呼吸器官不損害。

酸儲罐周圍應做成耐酸地面，且應有不小于1%的排水坡度。

3.1.3 其他相關要求

原料的泄漏池、室內排水溝必須單獨設置，嚴禁共用，排水溝蓋板采用防腐材質（如PVC）。冬季室內溫度不應低于10℃，原料儲存環(huán)境溫度不低于0℃，在北方地區(qū)應設置采暖設施。

3.2 加氯間

加氯間需設置成單獨房間，與儲藥間之間不能相通（含室內排水）。

3.2.1 二氧化氯發(fā)生器的選用

目前，為保證原料轉化率，復合二氧化氯發(fā)生器設置有恒定的加熱裝置，從安全性和可靠性角度考慮，推薦采用負壓反應工藝防爆設備，反應系統(tǒng)應選用耐溫、耐腐、高壽命的材質；同時，應設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）缺藥報警與自動停機功能：當鹽酸與氯酸鈉的任一種藥劑缺藥時，可發(fā)生報警信號，并自動停止所有計量泵的運行，避免單藥劑投加造成的水質污染。

（2）缺水報警功能：在無動力水時，可發(fā)出報警信號，自動停機。

（3）為避免消毒劑的過量與欠量投加，設備可以根據(jù)水量或者處理后出水余氯值的變化自動調節(jié)發(fā)生量，也可根據(jù)流量與余氯值組成復合環(huán)控制。設置余氯在線檢測儀可檢測水中的余氯量，同時發(fā)出信號調節(jié)計量泵的輸出頻率來調節(jié)計量泵的投加量，從而實現(xiàn)設備的產量調節(jié)，使出水中維持恒定的余氯濃度。

（4）就地實現(xiàn)手動/自動轉換。

3.2.2 通風設計

須采用防爆通風機，由于二氧化氯和氯氣密度比空氣大，須滿足規(guī)定的房間換風要求，風機高度應設置在低處，以防止有毒氣體積聚。

3.2.3 附屬設施的工藝要求

管線沿工藝管架敷設時應敷設在爆炸和火災危險性較小的一側；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 對電氣、照明專業(yè)安全性設計要求

由于二氧化氯是強氧化劑，作為防爆環(huán)境電力裝置設計標準的《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》GB50058-92在此并不適用。但為了提高安全性，可以通過對車間環(huán)境及爆炸發(fā)生誘因的分析，提出具體的安全性設計建議。

根據(jù)相關資料顯示，電火花不會引起氯氣爆炸，但可能會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]，其反應方程式如下：

氣體二氧化氯遇光和熱會分解成氯氣和氧氣，光照會促進分解，電火花加熱也會加速分解，引起二氧化氯爆炸。二氧化氯和氯氣比重均重于空氣，當出現(xiàn)部分泄漏氣體時通常會積聚在距室內地坪1.5米以下的范圍內，而電氣設備控制裝置的安裝高度一般在1.5米，照明開關在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應盡量減少現(xiàn)場控制裝置的設置，優(yōu)先采用在就近的控制室集中控制的形式；當需要現(xiàn)場控制通風及照明設備時，應將風機和照明開關應設在室外；同時，在距室內地坪1.5米以下范圍內應避免出現(xiàn)電纜轉接頭，用于電纜保護的穿線管應做嚴密封堵。

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

5 對自控專業(yè)的安全性設計要求

二氧化氯制備投加系統(tǒng)通常采用兩級控制，即分控站集中自動控制與現(xiàn)場就地控制。自動控制系統(tǒng)的結構形式如圖3所示：

對于有現(xiàn)場控制要求的二氧化氯發(fā)生器成套設備，應采用現(xiàn)場控制箱（應為防爆控制箱）就地控制與遠程PLC自動控制相結合的形式。對于計量泵、卸酸泵、化料器、酸霧吸收器等設備，為減少故障及危險源，可不設現(xiàn)場控制裝置，而采用控制室內集中監(jiān)測設備運行狀態(tài)并根據(jù)工藝流程自動控制設備開停。

為滿足通風的要求，軸流風機應能實現(xiàn)手、自動控制的轉換。手動時可實現(xiàn)每小時換氣8～12次的要求進行控制；自動控制時，將軸流風機與漏氯檢測報警儀聯(lián)動，通過漏氯報警儀檢測到的泄漏氣體濃度值控制軸流風機的運行。

6 結束語

二氧化氯制備投加過程中存在的爆炸可能性主要為化學反應引起的分解爆炸，直接原因可以是光照、熱源、振動或制備過程中壓力、溫度等參數(shù)的不合理等，受生產工藝、設備的影響較大，應予以重視；在發(fā)生泄漏且氣體積聚達到一定濃度時，電氣設備及線路中產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，應根據(jù)實際條件做好二氧化氯制備投加車間的安全性設計。

參考文獻

[1]張慧芬，胡靜文，羅婷.幾種國內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.2008.

[3]黃君禮.新型水處理劑--二氧化氯技術及其應用[M].化學工業(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)設計。