自來水廠采用次氯酸鈉替代液氯消毒效果研究

漆文光

(廣州市花都自來水有限公司，廣東廣州510800)

廣州是一個特大型城市，供水量逐年遞增。液氯作為消毒劑，其每天儲存與使用的量高達數十噸，若發生泄漏，易對環境造成污染，給所處地區的安全帶來了嚴峻壓力和社會風險。尋求液氯消毒替代品，從源頭上消除液氯所帶來的安全風險非常必要。次氯酸鈉與液氯均為含氯消毒劑，消毒副產物類型基本一致，不存在液氯跑、泄、漏、毒等隱患，操作安全，使用方便，易于儲存，是液氯很好的替代品。次氯酸鈉雖然也具有揮發性，會從水中自然釋放、散逸出少量氯氣，但濃度較低，與氯氣相比，安全性高。

1 次氯酸鈉替代液氯消毒改造

A水廠和B水廠均為廣州市花都區的主力水廠，生產規模分別為12×104和20×104m3/d，生產工藝均為“生物預處理—網格反應池—斜管/平流沉淀池—V型濾池”。為了消除水廠重大危險源，創造安全穩定的營商環境，2個水廠積極實施了次氯酸鈉替代液氯消毒工藝改造。改造前，兩個水廠均采用傳統的液氯消毒工藝，液氯投加以濾后為主、反應前為輔，投加量約為2～3 mg/L。

為保證水廠正常生產，對消毒系統的改造遵循“邊生產邊改造”的原則，在廠區空置氨庫內建設次氯酸鈉投加設施，在確保安全生產的前提下，逐步置換原有的液氯消毒投加系統。采用塑料罐儲存次氯酸鈉，儲存罐高2.47 m，直徑為2.15 m，每個罐的儲存量約為9 t，占地面積約為5 m2。配備超聲波液位計，安裝耐腐蝕隔膜計量泵、控制器等設備，新鋪設PPR投加管道至前、后投加點，采用壓力投加方式，不消耗水量。

A水廠、B水廠均于2017年3月開始推進液氯消毒工藝改造，分別自2017年4月和5月開始改用次氯酸鈉消毒，總投資約為82萬元。

2 次氯酸鈉消毒系統的運行效果

2.1 消毒效果分析與評價

采用次氯酸鈉消毒后，系統已穩定運行2年多，出廠水水質與液氯消毒時并無顯著變化。出廠水水質穩定，106項水質指標全部達到《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)要求。

2.1.1 改造前后的消毒效果

根據A、B水廠2017年5—9月與改造前2016年同期的相關檢測數據，出廠水中均未檢出總大腸菌群和耐熱大腸菌群。改造后，A水廠出廠水游離氯為0.37～1.55 mg/L，平均值為0.85 mg/L；B水廠出廠水游離氯為0.31～1.41 mg/L，平均值為0.91 mg/L。改造前后，A水廠出廠水總氯平均值分別為0.96和1.04 mg/L，菌落總數平均值均為3 CFU/mL；B水廠出廠水總氯平均值分別為1.05和1.08 mg/L，菌落總數平均值分別為2和1 CFU/mL。2個水廠改造前后的余氯和菌落總數基本控制在同一水平，如圖1和圖2所示。

在使用次氯酸鈉的初期，由于次氯酸鈉投加與控制經驗不足，當月出廠水總氯和游離氯含量略有下降，菌落總數略有上升，但仍較低且處于安全水平。經過1個月的運行，出廠水總氯和菌落總數已能保持在較為穩定的范圍。因此，A、B水廠改用次氯酸鈉消毒后，在保持總氯同等水平的條件下，消毒效果與液氯相當，出廠水微生物指標均能滿足標準要求，微生物安全性得到保障。

圖1 A水廠改造前后的出廠水總氯和菌落總數Fig.1 Total chlorine and colony number of treated water of waterworks A before and after renovation

圖2 B水廠改造前后的出廠水總氯和菌落總數Fig.2 Total chlorine and colony number of treated water of waterworks B before and after renovation

2.1.2 改造后的管網水質

A、 B水廠采用次氯酸鈉消毒并穩定運行后，于2017年6月委托第三方檢測機構對水質進行檢測。結果表明，2個水廠采用次氯酸鈉的消毒效果顯著，對確保管網水質并無影響，可滿足消毒要求。出廠水、管網水和末梢水中均未檢出總大腸菌群、耐熱大腸菌群、大腸埃希氏菌。游離氯和總氯均可達標，菌落總數偶有檢出，見表1。

表1 次氯酸鈉的消毒效果Tab.1 Disinfection effect of sodium hypochlorite

2.2 消毒副產物分析與評價

2.2.1 出廠水消毒副產物的變化

根據每月對出廠水消毒副產物的檢測結果，A水廠和B水廠2017年5—9月(改造后)與2016年同期(改造前)消毒副產物生成情況見表2。

表2 改造前后消毒副產物生成情況Tab.2 Generation of disinfection by-products before and after renovation mg·L-1

由表2可知，2座水廠改造前后出廠水四氯化碳、三氯甲烷均滿足《生活飲用水衛生標準》要求(四氯化碳≤0.002mg/L、三氯甲烷≤0.06mg/L)。與改造前相比，改造后出廠水的三氯甲烷平均值略有增加，但仍處于較安全水平，消毒副產物并無顯著上升趨勢。

2.2.2 管網水消毒副產物的變化

綜合2017年6月第三方檢測機構對出廠水、管網水、末梢水和用戶終端水的消毒副產物的全面檢測結果可知，采用次氯酸鈉消毒后，各種消毒副產物均可穩定達標，多數指標遠低于標準限值，如表3所示。其中，三氯甲烷、三氯乙醛的生成水平與投加液氯時相當，基本保持在標準限值的50%以下，但三氯乙醛偶爾接近限值的70%，應當予以關注。

表3 改造后出廠水、管網水與龍頭水的消毒副產物Tab.3 Disinfection by-products of treated water, pipe network water and tap water after renovation mg·L-1

三氯乙醛會隨投氯量、停留時間和水溫而變化[1]，投加量越大生成量越多，反應停留時間約為24 h時的三氯乙醛濃度達到峰值，在繼續延長停留時間后會略有下降。水溫升高對三氯乙醛的生成也有促進作用，故三氯乙醛夏季含量高，冬季含量低。應避免次氯酸鈉的過量投加，確保出廠水余氯處于較低水平，以利于三氯乙醛的有效控制。根據2018—2019年的水質分析結果，三氯乙醛基本保持在0.001 mg/L左右的較低水平。

可見，采用次氯酸鈉消毒產生的消毒副產物與使用液氯時并無顯著差異，從出廠水到用戶終端均可穩定達標。但仍應關注氯化消毒副產物的變化，控制好次氯酸鈉投加量，盡量減少反應池前投加量，及時排放管網末梢水，多方面防范水質風險。

3 次氯酸鈉原品帶入化學物風險分析

3.1 氯化物和鈉離子的影響

根據次氯酸鈉的制備工藝和容易發生的化學反應，次氯酸鈉原品中除NaClO外，還會帶入NaCl、NaClO3、NaOH等化學物質。因次氯酸鈉原品帶入氯化物和鈉的含量很小，與上年同期使用液氯時相比，改用次氯酸鈉消毒后出廠水氯化物含量、鈉含量變化不大，見表4。氯化物含量基本在20 mg/L以下，鈉含量始終在30 mg/L以下，均遠小于Na≤200 mg/L、NaCl≤250 mg/L的標準限值要求。

表4 出廠水鈉和氯化物含量Tab.4 Content of sodium and chloride in treated water mg·L-1

3.2 氯酸鹽的影響

根據第三方機構的水質檢測結果，從A、B水廠的出廠水到用戶終端，NaClO3含量均未超過0.07 mg/L，遠小于0.7 mg/L的標準限值。隨著水溫的升高和儲存時間的延長，次氯酸鈉會逐漸分解，氯酸鹽升高[2]。在水溫達到35～50 ℃且儲存7 d后，氯酸鹽含量才會接近限值水平。管網水溫度通常在10～20 ℃且管網水每天更新，因此，管網水中的氯酸鹽均處于較低水平，次氯酸鈉原品帶入的氯酸鹽未對水質造成影響。

3.3 游離堿(NaOH)的影響

根據次氯酸鈉制備工藝可知，次氯酸鈉原品中會殘留少量NaOH，導致出廠水pH值升高。根據對次氯酸鈉供貨產品的連續檢測結果，游離堿含量一般為0.3%～0.6%，控制在國標0.1%～1%范圍內。

2個水廠的原水pH值通常為6.6～6.9，采用次氯酸鈉消毒的出廠水pH值基本穩定在7.1～7.2，與使用液氯消毒時處于同一水平。次氯酸鈉消毒不會引起pH值過高的現象，帶入的少量游離堿還有利于節省石灰或燒堿的投加量。

4 次氯酸鈉產品質量與供貨保障

4.1 產品質量

每批次次氯酸鈉送到水廠后，卸貨前水廠均進行抽樣檢測。檢測結果顯示，次氯酸鈉原品中鐵、重金屬和砷均小于檢測限，有效氯含量基本能達到10%的要求。

由于次氯酸鈉穩定性不強，隨著時間推移、氣溫變化、運輸與儲存條件改變等，有效氯會出現不同程度的衰減。根據試驗結果，次氯酸鈉的有效氯含量每天自然衰減約為0.1%～0.2%，滿足《次氯酸鈉》(GB 19106—2013)關于儲存衰減的規定。根據生產經驗可知，從入庫、儲存、管道輸送到投加點的過程中，亦會出現類似情況。只要衰減幅度不大，并不影響正常投加使用，也不會對水質造成影響。

因此，次氯酸鈉供貨產品質量總體上比較穩定，不存在重金屬等有害物質超標問題。對于有效氯衰減問題，可通過縮短供貨周期并加強儲存環境遮光與溫度控制等措施來降低。

4.2 供貨保障

通過調研可知，在廣東省范圍內有多家次氯酸鈉生產廠家，年生產能力均達到數十萬噸，且運輸距離在1～2 h內，可有效保障水廠的生產需要。

5 運行管理與安全風險分析

5.1 運行管理

液氯卸貨及儲存條件較高，需要起吊設備，操作人員必須取得特種設備操作資格證，且操作程序嚴格，流程較復雜。改為次氯酸鈉后，設備和操作比較簡單，維護管理相對較容易。次氯酸鈉卸貨時，直接通過管道和泵轉入儲罐即可，對操作人員沒有特殊資格要求。次氯酸鈉仍采用自動化投加，無需增加操作人員。主要設備為計量泵，比采用液氯時的投氯機簡單，造價低，維修與操作較容易，維護與更換成本較低，工作及時性更強。

5.2 安全風險分析

濃度大于5%的次氯酸鈉屬于一般危化品，常溫常壓儲存，性能較穩定，安全性高于液氯，可以在一般環境工作條件下投加。雖然次氯酸鈉也具有一定的揮發性，當溫度略高時，會從水中自然釋放，散逸出極微量的氯氣味道，但濃度很低，泄漏后的擴散范圍很小，不易構成安全威脅。需要注意的是，次氯酸鈉也屬于危化品，具有較強的腐蝕性，在運輸、保存和使用過程中必須做好相應的防護措施。

6 運行成本分析

改為次氯酸鈉消毒會影響水的pH值，并使投加設備發生變化，運行成本的分析綜合考慮了液氯、次氯酸鈉、石灰、燒堿、投加耗水量和用電量。由于次氯酸鈉濃度只有10%，投加量遠高于液氯，但石灰和燒堿的投加量有所降低，可節省部分自用水量和用電量。根據2個水廠改造前后綜合投加量的變化，估算運行成本的變化如表5所示。表中成本均以2017年原材料單價計算，電費以0.7元/kW·h計，用水成本按水資源費和自來水單價合計。

表5 液氯與次氯酸鈉投加成本對比Tab.5 Comparison of cost between dosing liquid chlorine and sodium hypochlorite 元·m-3

單從液氯與次氯酸鈉原材料的成本分析，次氯酸鈉比液氯增加約0.016元/m3。但綜合其他成本的變化情況，次氯酸鈉的消毒成本只是略有增加，僅為0.001元/m3左右。因此，采用次氯酸鈉替代液氯消毒的運行成本并未顯著增加。

7 結語

① 采用次氯酸鈉替代液氯消毒工藝改造實施后，在消毒效果、消毒副產物控制、安全管理、運行成本等方面均取得了良好的效果，出廠水106項水質指標穩定達到標準要求。

② 2年多來的運行結果表明，改造前后的消毒效果相當，無顯著性差異。出廠水余氯可穩定保持在原有水平，基本在0.8～1.2 mg/L之間，出廠水、管網水和末梢水的余氯、微生物指標均可穩定達標，菌落總數平均保持在5 CFU/mL以下，總大腸菌群、耐熱大腸菌群、大腸埃希氏菌均未檢出，微生物安全性可以得到保障。三氯甲烷、三氯乙醛的含量基本控制在標準限值的50%以下，各種消毒副產物均可穩定達標。次氯酸鈉原品帶入的NaCl、NaClO3、NaOH含量均較低，對供水水質影響甚微。

③ 次氯酸鈉(濃度﹥5%)屬于一般危化品，常溫常壓儲存，性能較穩定，安全性比液氯高；裝卸、投加設備及流程簡單，設備造價和維護管理成本較低，并且從根本上消除了液氯這一重大危險源。次氯酸鈉產品質量較好，不存在重金屬等有害物質超標問題，且貨源充足，便于運輸，可有效保障供貨的安全性。有效氯隨儲存時間及溫度變化的自然衰減對水質無影響，可通過加強遮光和溫控措施、先檢后用以及縮短送貨周期等措施，保障供貨質量和投加控制的安全穩定。

④ 從原材料消耗來看，液氯、次氯酸鈉的原材料成本平均分別為0.009和0.025元/m3。改為次氯酸鈉消毒后，原材料成本增加約0.016元/m3，但節約了自用水量和電耗，降低了石灰和燒堿的投加量，噸水總運行成本僅提高約0.001元/m3。