水廠次氯酸鈉消毒劑現場制備系統設計方案

薛苗苗

(上海市政工程設計研究總院〈集團〉有限公司，上海 200092)

液氯消毒具有經濟有效，使用方便，效果好的特點，一直是水處理中廣泛使用的消毒劑。但隨著近年來各地對易爆危險化學品運輸和儲存管控力度的日益強化，對液氯的運輸和儲存等條件上的限制，給水廠生產管理帶來了諸多困難，而次氯酸鈉的運輸、儲存和使用更為安全，消毒效果與氯氣相當，同時有利于降低水廠出廠水消毒副產物含量[1]。目前國內不少大中城市，如北京、上海、深圳、杭州等地的供水企業均己逐步采用次氯酸鈉替代液氯進行消毒。本文以安徽某水廠為例，通過對安全風險、運行管理、生產成本等多因素的綜合分析，確定采用現場制備次氯酸鈉作為水廠消毒劑，并作為示范工程為后續水廠加氯系統改造提供借鑒。

1 工程概況

安徽省某水廠一期工程規模為10萬m3/d，于1993年建成投產，由于出廠水穩定性差，現已停運；二期工程規模為15萬m3/d，于2012年建成投產，水源取自長江，采用折板絮凝反應池、平流沉淀池、V型濾池的常規處理工藝，出廠水水質符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)標準的要求。目前夏季高峰期日水廠已處于滿負荷運行狀態，基于原址拆除一期工程進行改擴建，改擴建后總規模為30萬m3/d。水廠現狀采用液氯消毒，改擴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源主要有兩種，一種是購買商品次氯酸鈉溶液，有效氯為10%，稀釋至5%儲存后投加，另外一種是現場制備次氯酸鈉，有效氯為0.8%。

商品次氯酸鈉是氯堿工業的副產品，有效氯為10%，屬于化學危險品，具有較強腐蝕性，在運輸和使用也受到日益嚴厲的監管。研究表明，商品次氯酸鈉在較高溫度和較長時間儲存時，可能發生分解反應和歧化反應，導致有效氯濃度不斷降低，歧化反應還會產生對人體有危害的氯酸鹽等副產物[2]。運輸距離的遠近，對使用成本的影響較大，需要當地有穩定的貨源。

現場制備次氯酸鈉一般為電解法，原料為食鹽，通過次氯酸鈉發生器將食鹽水電解生成次氯酸溶液。目前，次氯酸鈉現場制備技術已較為成熟，電極使用壽命可達5年以上，制備的次氯酸鈉有效氯在0.8%～1.0%，比較穩定，可以邊制備邊投加，其原料運輸、藥劑儲存等的危險性均很小，成本主要是一次性設備投資、食鹽和電能。

對商品次氯酸鈉溶液和現場制備次氯酸鈉的主要運行成本進行對比分析如表1所示。

表1 運行成本對比Tab.1 Comparison of Operation Costs

因此，通過對安全風險、運行管理、生產成本等多因素的綜合分析，確定采用現場制備次氯酸鈉作為本工程消毒劑。

3 設計過程中重點考慮的問題和解決方案

3.1 設計過程中重點考慮的問題

次氯酸鈉現場制備技術已經較為成熟，如何保證次氯酸鈉車間生產管理方便和安全運行穩定是設計過程中應重點考慮的，例如以下幾點。

(1)食鹽為室內袋裝堆放儲存，容易導致食鹽吸潮結塊；溶鹽過程采用人工操作，袋裝食鹽通過設置的吊車和破包機倒入溶鹽池溶解，食鹽中的氯離子對金屬具有強烈的腐蝕性，溶鹽池的防腐層和室內設備長時間運行后容易老化和銹蝕。

(2)設計過程中不僅要考慮次氯酸鈉發生器的備用，還要考慮極端情況下設備均無法運行或初期調試運行過程中設備運行不穩定時的應急處理方案。

(3)次氯酸鈉管路發生事故或儲罐出現溢流等時情況時，廢液對室內設備和室外管道具有腐蝕性，應設置廢液的臨時儲存和外運設施。

(4)根據《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)[3]次氯酸鈉發生器所在的建筑屋頂不得有吊頂，梁頂無通氣孔的下翻梁，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設備，對于在原有建筑物內的進行次氯酸鈉現場制備系統的改造項目應重點關注。

3.2 解決方案

(1)優化鹽水調配系統，溶鹽池設置于次氯酸鈉制備車間外，選用耐腐蝕的成品碳鋼骨架復合內襯塑地埋式存鹽罐，施工方便、壽命長，避免高濃度的鹽對室內設備的腐蝕。取消袋裝食鹽的吊裝和拆包過程，增加儲存時間，減少工作人員直接接觸食鹽次數。

(2)系統兼容商品次氯酸鈉儲存和投加的功能。

(3)增加次氯酸鈉廢液收集系統，儲罐四周設置事故緩沖墻、室外設置廢液收集池，避免廢液對室內設備和室外管道的腐蝕。

(4)優化車間排氫設計，車間梁中部位置通氣孔，增設制備車間屋頂通氣孔，及時排放屋頂可能聚集的氫氣，提高安全性。

4 工程設計方案

4.1 系統介紹

次氯酸鈉現場制備系統主要由軟水器、地埋式儲鹽罐、稀鹽水調配箱、次氯酸鈉發生器、成品儲液箱、投加泵組及其管配件系統組成。其工作原理為：自來水經過軟化器去除水中的鈣、鎂離子后，分別提供給次氯酸鈉發生器和鹽水調配系統；食鹽投放至地埋式儲鹽罐經溶解后至稀鹽水調配箱，精準配比形成3%稀鹽水進入次氯酸鈉發生器內電解槽，經直流電電場作用電解生成次氯酸鈉溶液和氫氣，成品次氯酸鈉儲存至儲液箱，經投加泵組至各加氯點[4]，過程產生的氫氣由排氫系統排至室外，制備間設置8～12次/h的高位機械通風設備和多重監測系統，保障車間的安全。

4.2 設計參數與系統布局

4.2.1 設計參數

次氯酸鈉制備車間設計規模為30萬m3/d，次氯酸鈉投加點在保留現狀二期前、后加氯和補加氯點的前提下，增加本期加氯點。前加氯1.0 mg/L，后加氯2.0 mg/L，補加氯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。選用次氯酸鈉發生器1套，分4組，每組由獨立的15 kg/h次氯酸鈉發生器單元組成，可互為備用。

4.2.2 系統布局

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，包括室外儲鹽溶鹽池、配電控制室、加氯間(含稀鹽水調配箱、次氯酸鈉發生器、成品儲罐和投加系統)。

4.3 系統設計方案

4.3.1 軟化水系統

自來水經過軟化器去除水中的鈣、鎂離子形成軟化水，一部分進入地埋式儲鹽罐和稀鹽水調配箱，一部分進入次氯酸鈉發生器提供稀釋水，系統設置兩臺軟水器，單臺軟水器產水量為22 m3/h， 出水硬度≤0.03 mmol/L。

4.3.2 鹽水調配系統

鹽水調配系統包括溶鹽系統和稀鹽水調配系統。在次氯酸鈉制備車間外設置2個地埋式存鹽罐，材質為碳鋼骨架復合內襯塑，同時具有存鹽和溶鹽功能，總存鹽量為40 t，可滿足10 d用鹽量。每個存鹽罐有自動進水裝置、在線高、低鹽位計、超聲波液位計、鹽水提升泵、出鹽管道等。濃鹽水由提升泵至精確稀鹽水調配箱，設稀鹽水調配箱1套，分2格，產量為20 m3/h，稀鹽水調配箱內設置攪拌器、在線鹽水濃度及電導率儀，精確配比形成3%稀鹽水進入電解槽進行電解。稀鹽水調配池體積大于1 h發生器進水量，保障電解槽進鹽用計量泵最小連續工作1 h，不頻發啟停。

4.3.3 次氯酸鈉制備系統

次氯酸鈉發生器采用集成布置方式，包括進鹽泵、整流器、次氯酸鈉發生器、冷卻水換熱器、成品次氯酸鈉調節池、稀氫風機及配套的儀表、控制柜等設備，配比后的3%鹽水進入電解槽后進行電解產生次氯酸鈉溶液。

選用次氯酸鈉發生器1套，有效產氯量為60 kg/h，由4個獨立的15 kg/h次氯發生器單元組成，可互為備用。產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 次氯酸鈉儲存和廢液收集系統

次氯酸鈉儲存采用8個成品PE罐，單個有效容積為25 m3，共計200 m3，儲存時間為42 h。每個儲罐設置進水、出水、放空、溢流和排氫口。增設外購商品次氯酸鈉儲存系統，包括轉輸卸料泵2臺，控制柜、閥門、管路及配件等，保證在水廠次氯酸鈉發生器調試運行或者遇到極端情況次氯酸鈉發生器故障無法馬上修復時，可以將系統切換至商品次氯酸鈉投加系統。在儲罐四周設置事故緩沖墻，高度為0.8 m，次氯酸鈉廢液臨時收集后排至室外廢液收集池后由專業公司進行處理。

4.3.5 次氯酸鈉投加系統

設置投加泵9臺，包括前加氯3臺，2用1備，加注點位于2根原水管道上；后加氯3臺，2用1備，加注點位于現狀和新建濾池出水總管；補加氯3臺，2用1備，加注點位于現狀吸水井和新建吸水井進水管道上。每臺投加系統包括壓力釋放閥、防脈沖器、背壓閥、Y型過濾器及管道、閥門、支架等。系統兼容商品次氯酸鈉投加系統的功能，預留接入商品次氯酸鈉投加系統的管路。

4.3.6 次氯酸鈉排氫系統

排氫系統包括過程排氫和儲罐排氫，發生器設2臺稀氫風機，將發生器工作過程中和次氯酸鈉調節池內的氫氣及時排至室外。每個儲罐設2臺稀氫風機，Q=2 000 m3/h，在儲罐頂部設置進風和出風口，對進入儲罐的氫氣通過屋頂排放管排至室外。

發生器間設計過程中還要考慮意外泄露到室內氫氣的排放，在車間屋頂設置通氣管，及時排放屋頂聚集的氫氣，加氯間設置氫氣報警系統和高位通風的機械風機，每小時換氣8～12次，一旦發生氫氣報警時同步開啟室內風機，強制排風將室內氫氣濃度降低至爆炸極限以下。

4.3.7 控制系統

控制系統包括次氯酸鈉發生器可編制控制器及人機界面、次氯酸鈉加注間控制系統和投加控制系統，并通過廠級工業以太網與中控室上位系統通訊，接受水廠中控室下達的控制指令、工藝參數的制定，判斷其正確性、可行性后加以執行。

5 結論

設計方案通過對次氯酸鈉現場制備系統中的鹽水調配系統、儲存和投加系統、廢液收集系統、車間排氫系統進行優化設計，使得水廠的日常運行管理更加安全、可靠、便捷，以期對類似工程設計時提供參考意義。