無隔膜次氯酸鈉發(fā)生器消毒設(shè)備對(duì)比研究

李曉琴++李心橋3

摘 要：本文通過鹽水濃度、電流密度、鹽水流量三因素試驗(yàn)，對(duì)無隔膜次氯酸鈉發(fā)生器消毒設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比研究，并總結(jié)了發(fā)生器運(yùn)行中的操作要點(diǎn)和運(yùn)行維護(hù)要點(diǎn)。結(jié)果表明雙極性電極次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效果明顯好于單極性電極，建議水廠消毒盡可能采用雙極性電極次氯酸鈉發(fā)生器。

關(guān)鍵詞：次氯酸鈉發(fā)生器；運(yùn)行效果；運(yùn)行維護(hù)

生活飲用水必須消毒，每個(gè)水廠都應(yīng)該有消毒設(shè)施，以滅活水中的致病微生物，控制介水傳染病的爆發(fā)和傳播。《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）以強(qiáng)制性條文規(guī)定“生活飲用水中不得含有病原微生物”，“生活飲用水應(yīng)經(jīng)消毒處理”。《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50013-2006）以強(qiáng)制性條文規(guī)定“生活飲用水必須消毒”。消毒是生活飲用水處理工藝中不可缺少的組成部分，是保障農(nóng)村飲用水安全必須的措施。

氯消毒是國內(nèi)外研究最成熟的消毒技術(shù)，飲用水的氯消毒能夠防止水傳播疾病危害，被譽(yù)為“20世紀(jì)最成功的公共安全措施”[1]，具有價(jià)格低、投加簡單、操作管理簡便等優(yōu)點(diǎn)。次氯酸鈉屬于氯消毒的一種，是一種高效、廣譜、安全的強(qiáng)力滅菌、殺病毒藥劑[2]。次氯酸鈉發(fā)生器具有原料便宜、采購與使用方便，可以在任意環(huán)境工作狀況下投加，適宜在農(nóng)村中小型供水工程中推廣的優(yōu)點(diǎn)。然而，目前市場上的發(fā)生器由于電極類型、材料、設(shè)備規(guī)格、發(fā)生工藝等不同，設(shè)備性能參差不齊。為了研究無隔膜次氯酸鈉發(fā)生器消毒設(shè)備的現(xiàn)狀，本文選擇了市場上具有一定生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)實(shí)力的生產(chǎn)廠家，對(duì)其次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行狀況進(jìn)行驗(yàn)證性和對(duì)比研究。

一、無隔膜次氯酸鈉發(fā)生器

無隔膜次氯酸鈉發(fā)生器根據(jù)使用用途分為衛(wèi)生消毒和環(huán)境保護(hù)兩大類。衛(wèi)生消毒可以用于環(huán)境保護(hù)，環(huán)境保護(hù)不得用于衛(wèi)生消毒。衛(wèi)生消毒類指用于飲水消毒，衛(wèi)生器具及餐具消毒，蔬菜、水果、食品消毒等與人體健康直接有關(guān)的次氯酸鈉發(fā)生器。環(huán)境保護(hù)類指用于工業(yè)廢水處理，醫(yī)院污水處理以及其他一切使用次氯酸鈉溶液的工業(yè)部門等與人體健康無直接關(guān)系的次氯酸鈉發(fā)生器[3]。

次氯酸鈉發(fā)生器由四個(gè)基本部分組成：鹽水調(diào)配裝置、電解槽、電解電源、儲(chǔ)液箱[4-6]。鹽水調(diào)配裝置是供給電解槽所需要的一定濃度食鹽水的裝置。電解槽是次氯酸鈉發(fā)生器的關(guān)鍵設(shè)備，生成次氯酸鈉溶液的電解反應(yīng)和溶液反應(yīng)均在其內(nèi)完成，電解槽一般由槽體、陽極、陰極三部分組成。按電解槽的形狀可分為管狀電解槽和板狀電解槽兩大類。管狀電解槽截面一般為圓形，使用圓管狀陽極和陰極，該方式結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，但單槽產(chǎn)量低；板狀電解槽，一般槽體為長方體，平板狀陽極和陰極平行放置[4]。電極是電解過程中，電流進(jìn)入或離開電解液的導(dǎo)體，電解過程就是在電極相界面上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，電極分為陽極和陰極。電解槽按極板聯(lián)接電源方式分單極性和雙極性兩種，目前國外大型次氯酸鈉發(fā)生器的電極結(jié)構(gòu)多為雙極性電極，如意大利DENORA PERMELEC的SEACLOR電解海水制氯系統(tǒng)[7]。按運(yùn)行方式分為連續(xù)式和間歇式兩大類。電解電源是給電解槽提供直流電流和直流電壓的裝置。儲(chǔ)液箱用來存儲(chǔ)成品次氯酸鈉溶液[8]。

二、試驗(yàn)裝置與方法

（一）試驗(yàn)裝置

Cq1-4.2，陽極為管式單極性電極，直徑為21.6mm，長330mm；陰極材料為不銹鋼，內(nèi)徑為30mm；陰陽極間距為4.2mm；冷卻方式是陰極外部自來水循環(huán)冷卻。

Tjb-7.5，陽極為板式單極性電極，長70mm，寬30mm；陰極為不銹鋼材料；陰陽極間距為7.5mm；冷卻方式是陰極外部自來水循環(huán)冷卻。

Bb-3.0和Bt-3.0，發(fā)生器陰極分別采用管式不銹鋼和鈦材料，設(shè)備陽極材料、設(shè)備結(jié)構(gòu)、陰陽極間距等其他因素均相同。發(fā)生器陽極為管式單極性電極，鈦材料涂覆釕金屬涂層，直徑36mm，長361mm；陰極內(nèi)徑為42mm，長300mm；陰陽極間距為3.0mm；冷卻方式是陽極內(nèi)部和陰極外部雙重自來水循環(huán)冷卻。

Sh-0.8，發(fā)生器陽極和陰極均為鈦材料，陽極為板式雙極性電極，鈦材料涂覆釕金屬涂層；陰陽極間距為0.8mm；無冷卻方式。

（二）試驗(yàn)方法

試驗(yàn)因素為電流密度、鹽水濃度、鹽水流量，因素水平的選擇主要依據(jù)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行工況和以往次氯酸鈉發(fā)生器理論研究基礎(chǔ)確定，試驗(yàn)指標(biāo)包括有效氯濃度、交流電耗、鹽耗和運(yùn)行成本。試驗(yàn)方案見表。

（三）指標(biāo)測定與計(jì)算方法

電解次氯酸鈉發(fā)生器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括交流電耗、鹽耗、運(yùn)行成本、電流效率、直流電耗等，運(yùn)行成本是交流電耗和鹽耗的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。交流電耗、鹽耗按照《次氯酸鈉發(fā)生器》（GB12176-1990）中的指標(biāo)計(jì)算方法計(jì)算。運(yùn)行成本根據(jù)北京當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)和鹽價(jià)錢進(jìn)行計(jì)算，單位為元/kg。

有效氯濃度采用英國百靈達(dá)公司的便攜式快速測氯儀器測定（0-10mg/L），鹽水濃度采用波美計(jì)測定（0-100g/L）。

三、結(jié)果與分析

在試驗(yàn)結(jié)果中，選取設(shè)備的最佳運(yùn)行狀況指標(biāo)進(jìn)行分析，包括有效氯濃度最高、交流電耗最低、鹽耗最低和運(yùn)行成本最低。按照《次氯酸鈉發(fā)生器》（GB12176-90）中技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及質(zhì)量分等表的規(guī)定對(duì)發(fā)生器進(jìn)行評(píng)價(jià)。技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及質(zhì)量分等如表所示[3]。設(shè)備實(shí)際運(yùn)行和試驗(yàn)過程中，交流電耗與鹽耗這兩項(xiàng)指標(biāo)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不容易滿足質(zhì)量等級(jí)表中的規(guī)定，而其他幾個(gè)指標(biāo)基本能滿足質(zhì)量等級(jí)表中的規(guī)定，因此本文主要考察交流電耗和鹽耗指標(biāo)。

由表3-2，對(duì)照《次氯酸鈉發(fā)生器》（GB12176）標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)運(yùn)行狀況指標(biāo)交流電耗最低時(shí)，各設(shè)備均能達(dá)到合格品（C級(jí)）的要求，即交流電耗≤10kW·h/kg，鹽耗≤6.5kg/kg；當(dāng)運(yùn)行狀況指標(biāo)鹽耗最低時(shí)，交流電耗比較高，設(shè)備大多不能滿足合格品要求（交流電耗>10kW·h/kg）；當(dāng)運(yùn)行狀況指標(biāo)運(yùn)行成本最低時(shí)，設(shè)備卻不一定能達(dá)到合格品的要求（交流電耗>10kW·h/kg）。本文建議在確定設(shè)備最佳電解參數(shù)時(shí)，要綜合考慮運(yùn)行成本和標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的質(zhì)量等級(jí)條件來確定。

運(yùn)行成本最低時(shí)，有效氯濃度最高10.26g/L，最低6.10g/L，平均7.15g/L；交流電耗最高12.64kW·h/kg，最低6.78kW·h/kg，平均9.74kW·h/kg；鹽耗最高4.10kg/kg，最低2.88kg/kg，平均3.63kg/kg；運(yùn)行成本最高10.55元/kg，最低6.90元/kg，平均9.35元/kg。若按照每方水投加1g有效氯計(jì)算，水廠消毒運(yùn)行成本最高為0.01元/m3，最低為0.007元/m3，平均為0.009元/m3。

同時(shí)由試驗(yàn)可知，Sh-0.8設(shè)備運(yùn)行運(yùn)行成本均低于其他設(shè)備的運(yùn)行成本，且有效氯濃度比較高，因此，雙極性電極性能好于單極性電極。

四、無隔膜次氯酸鈉發(fā)生器使用注意事項(xiàng)

無隔膜次氯酸鈉發(fā)生器性能固然重要，然而實(shí)際運(yùn)行中的適當(dāng)操作與運(yùn)行維護(hù)對(duì)于發(fā)生器的使用至關(guān)重要，直接影響消毒效果和出廠水水質(zhì)合格率。通過對(duì)發(fā)生器的以上試驗(yàn)與研究，筆者在次氯酸鈉發(fā)生器技術(shù)研究與使用該裝置過程中，總結(jié)了發(fā)生器使用注意事項(xiàng)，可供運(yùn)行操作時(shí)參考。

（一）開啟電解次氯酸鈉消毒裝置時(shí)，應(yīng)首先打開進(jìn)鹽泵，待電解槽裝滿鹽水后，再打開電解電源。

（二）每次打開電解電源時(shí)，應(yīng)將調(diào)壓器從低電流慢慢調(diào)節(jié)至工作電流，進(jìn)行電解，避免突然過高電流造成短路現(xiàn)象。

（三）陰極材料為不銹鋼的電解次氯酸鈉發(fā)生器，次氯酸鈉溶液儲(chǔ)液箱應(yīng)設(shè)置放空口，每次發(fā)生器停機(jī)后均應(yīng)打開放空閥，放空次氯酸鈉溶液，最好用自來水或鹽水再進(jìn)行沖洗。次氯酸鈉溶液應(yīng)在10min內(nèi)全部排除。

（四）電解過程中有少量氫氣和氯氣逸出，為保證安全，應(yīng)加排風(fēng)扇，保持室內(nèi)通風(fēng)，用戶須經(jīng)常檢查氫氣排放管道是否暢通。

（五）電解過程中，如發(fā)現(xiàn)電壓突然升高或者進(jìn)鹽水流量突然下降當(dāng)調(diào)節(jié)不起作用時(shí)，應(yīng)盡快清洗電解槽。

（六）在維修拆卸時(shí)，電解直流電壓的正負(fù)極千萬不要接反，否則損壞電極，次氯酸鈉溶液為黑色。應(yīng)陽極接正，陰極接負(fù)。

（七）經(jīng)常察看儲(chǔ)液池（罐、桶）的液位，以及計(jì)量泵的工作狀況。

（八）電解時(shí)，冷卻水不能中斷，一旦冷卻水中斷會(huì)使電解槽溫度升高而影響NaClO的產(chǎn)率，甚至影響電極壽命。

（九）陽極失效后，可保留鈦基體，送回原生產(chǎn)廠家重新涂覆再用。

五、結(jié)論

次氯酸鈉發(fā)生器具有原料易得、運(yùn)行維護(hù)方便、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，適宜在中小型農(nóng)村供水工程中使用。目前，市場上無隔膜電解次氯酸鈉發(fā)生器性能參次不齊，使用中最好選擇雙極性電極的次氯酸鈉發(fā)生器。

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基金項(xiàng)目：青海省重大科技專項(xiàng)“農(nóng)村牧區(qū)供水鞏固提升關(guān)鍵技術(shù)集成推廣”。

作者簡介：

李曉琴（1982-），女，中國水利水電科學(xué)研究院水利所工程師，從事村鎮(zhèn)飲水消毒、信息化集成技術(shù)研究。