次氯酸鈉消毒系統及其自控系統的改造與應用

梁翡玨，黃健輝，張偉杰，譚汝健

(佛山市禪城區供水有限公司，廣東 佛山 528000)

1 工程概況

近幾年國內水廠消毒逐步從液氯消毒向次氯酸鈉消毒轉變，為尋找符合城市發展變化和實際需求的消毒方式，佛山市紫洞水廠將液氯消毒系統改造為次氯酸鈉消毒系統。紫洞水廠設計供水規模為15×104m3/d，原有消毒系統為液氯消毒系統，加氯系統共設有4個投加點，見表1。

表1 水廠投加點和投加量設置Tab.1 Dosing sites and dosage setting of the waterworks

工程采用濃度由10%稀釋到5%以下的成品次氯酸鈉代替現有液氯，最大投氯量2.5 mg/L不變，各投加點設計投加量不變。

次氯酸鈉消毒系統主要包括進藥系統、儲存系統、投加系統和自控系統，按照進料、儲存、投加依次運行，同時由自控系統對整個過程按指令進行控制。

圖1 次氯酸鈉消毒系統工藝流程 Fig.1 Process flow of sodium hypochlorite disinfection system

2 次氯酸鈉自控系統設計

次氯酸鈉自控系統需實現水廠消毒系統自動投加功能，與原有液氯消毒系統相比，需進一步提高生產工藝的安全性并提升智能化程度。系統具備二級控制功能，用戶可上位機遠程操作和現場觸摸屏就地操作，減少人機接觸性操作，提高生產安全性。

2.1 系統選型

為統一操作系統和方便系統改造，次氯酸鈉控制PLC設備需接入水廠現有控制系統，通訊方式及設備選型需與現有控制設備保持一致。采用Schneider PLC，通過工業以太網交換機接入現有控制系統，上位機采用現有的自動化組態軟件，與現場設備組成整個次氯酸鈉自控系統。

2.2 PLC站和上位機配置

改造采用Schneider Modicon M340(高性能BMX P342020)自動化平臺的處理器，內部用戶RAM總容量為4 MB，帶有1個用于以太網Modbus/TCP(10/100Mbit/s)網絡的RJ45連接器、1個用于Modbus串行鏈路或字符模式鏈路的RJ45連接器(RS 232C/RS 485，雙線非隔離)以及1個編程終端的微型USB接口。配備型號為CPS 2000的電源模塊，最大功率為20 W。32通道離散量輸入模塊4個(DDI 3202K)，點數為128點；32通道離散量輸出模塊2個(DDO 3202K)，點數為64點；8通道模擬量輸入模塊3個(AMI 0810)，點數為72點；8通道模擬量輸出模塊1個(AM0 0802)，點數為24點。

中控室現有2臺PC機作為自控系統的上位機，配置Microsoft Windows XP專業版系統，Intel奔騰雙核E5300處理器，主頻率為2.6 GHz。次氯酸鈉消毒系統通過Modbus接入水廠的工業以太網，上位機的組態軟件為Vijeo Citect工程管理器，以3D立體模型的方式展示次氯酸鈉消毒系統，該操作界面能監測設備的狀態，以窗口形式顯示設備的各項參數，用戶可通過參數的設置調整生產工藝，該組態軟件還具備數據采集、歷史數據趨勢曲線繪制、故障報警的功能，提升水廠智能化管理水平。

3 次氯酸鈉自控系統結構

3.1 系統結構

次氯酸鈉消毒系統主要由進藥系統、軟水系統和投加系統三部分組成，運行按照卸藥、配藥、儲存、投加的工藝流程依次進行。整個過程由PLC指令進行控制，現場配備了電磁流量計、磁翻板液位計、光脈沖流量計、電動閥、軟水器、計量泵、卸藥泵、儲液罐等設備，實現消毒工藝自動化。

3.2 進藥系統

進藥系統主要由卸藥泵、電磁流量計、儲罐、磁翻板液位計、電動閥及其管道組成。由于受到危險化學品儲存監管的限制，水廠將對外購買10%濃度的次氯酸鈉溶液，配送至廠區后馬上進行卸藥、稀釋(次氯酸鈉濃度<5%)、儲存，因此需要采用配藥工藝。該系統有3種配藥方式，分別是流量計自動配藥方式、液位自動配藥方式和手動配藥方式。

3.2.1流量計自動配藥方式

流量計自動配藥方式通過進藥流量計和進水流量計的反饋數據控制相關閥門，根據藥水比和軟水預設值同時進行卸藥和進軟水，系統會累計進藥、進水的流量，當流量分別達到設定值L1、L2時關閉相應的閥門。此方式能使次氯酸鈉原液與軟水混合更充分。

3.2.2液位自動配藥方式

液位自動配藥方式則是通過每個儲罐的磁翻板液位計來監測液位變化，系統按照先進水后進液的順序來打開進軟水和進藥的閥門，當軟水水位達到設定值H1時停止進水，然后按照藥水比自動控制進藥量，總液位到達設定值H2后停止進藥，完成配藥。

3.2.3手動配藥方式

手動配藥方式是工作人員手動選擇儲罐和開啟相應閥門進藥進水，調節設定值控制進藥量和進水量。

3.3 軟水系統

軟水系統是一套由工廠提供的自動化軟化硬水裝置，利用出廠水壓力帶動整個軟化硬水工藝。采用鈉離子交換樹脂將水中的鈣、鎂離子置換出去，軟水設備流出后則變為軟水。樹脂吸附一定量的鈣、鎂離子后，軟水系統自動再生，通過飽和鹽水浸泡恢復樹脂的軟化能力，并排出廢液。將軟水系統故障報警信號、軟水處理量等信號接入自控系統中，實行監測管理。

3.4 投加系統

投加系統由計量泵、光脈沖流量計、電動閥、排氣閥、管道及其配件組成，擁有自動切換儲罐、自動投加、計量泵保護等功能。投加系統將根據儲罐配液順序投入使用，采用先配先用的原則，以免出現溶液存放時間過長導致有效氯濃度降低的現象。計量泵的自動投加功能是基于原水流量按設定比例進行，同時根據實際投加流量作為反饋量，通過預先建立的數學模型進行投加量調節，采用PID控制調節，使投加更加精準，投加系統的流程見圖2。

圖2 次氯酸鈉投加系統工藝流程Fig.2 Process flow of sodium hypochlorite feeding system

4 效果分析

4.1 系統運行可靠性

次氯酸鈉消毒系統在運行過程中出現了一些問題，主要是由次氯酸鈉自身特性導致的。

次氯酸鈉穩定性較差，在光照和溫度升高的條件下易分解產氣，產生管道積氣問題，進而影響計量泵和排氣閥等設備的穩定運行，日常運行中系統需定期排氣來解決此類問題。

次氯酸鈉易與水中鈣鎂離子發生結晶反應，可能導致不常啟動的手動閥或投加插入管發生結晶現象。針對前一問題，需要定期開關手動閥并加強軟水硬度的檢測，防止軟水硬度過大；將插入管由迎水方向改為背水方向，即可改善其結晶現象。

次氯酸鈉具有腐蝕性，易導致設備、管件被腐蝕，需將與次氯酸鈉溶液接觸的設備、管件均更換成抗腐蝕材質。

次氯酸鈉消毒系統整體運行可靠性較強，在充分應對次氯酸鈉特性進行維護的前提下，系統能通過遠程控制精準投加，使運行人員的操作便利性得以提高，達到提質增效的目的。

4.2 水廠整體安全性

消毒系統改造后，大大降低了水廠的安全風險。在存儲安全性和政府監管方面，廠內儲存的次氯酸鈉有效氯濃度小于5%，不屬于危險化學品，無需進行安全風險評級和危險化學品安全監管；在采購、運輸安全性方面，無需申辦液氯劇毒購買證，運輸證亦由次氯酸鈉供應商辦理；在安全評價和投入方面，無需安全評價和氯庫安全標準化改造，安全投入大為減少。

4.3 系統消毒效果

4.3.1出廠水余氯和管網水末梢余氯

在使用次氯酸鈉溶液期間(2021年1—7月)，按《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)[1]要求定期對出廠水、管網水余氯指標進行了持續性監測，并與液氯消毒同期(2020年1—7月)余氯水平進行對比，結果見表2。

表2 液氯與次氯酸鈉消毒余氯對比Tab.2 Comparison of residual chlorine by liquid chlorine and of sodium hypochlorite disinfection mg·L-1

從圖3、圖4可以看出，改造后出廠水余氯波動較改造前小，穩定性明顯提高；在出廠水余氯平均值更低的情況下，管網水末梢余氯比改造前略有升高。由此可知，使用次氯酸鈉消毒后的出廠水和管網水的水質穩定性均有所提高。

圖3 液氯消毒出廠水余氯平均值Fig.3 Average value of residual chlorine in treated water by liquid chlorine disinfection

圖4 次氯酸鈉消毒出廠水余氯平均值Fig.4 Average value of residual chlorine in treated water by sodium hypochlorite disinfection

4.3.2檢測指標

(1)次氯酸鈉

對購買的各批次10%次氯酸鈉溶液進行檢測，其有效氯、游離堿、鐵、重金屬、砷等5項指標均符合《次氯酸鈉》(GB 19106—2013)[2]限值要求，見表3。

表3 次氯酸鈉檢測結果Tab.3 Test results of sodium hypochlorite %

(2)出廠水和管網水水質

使用次氯酸鈉溶液期間，對藥劑和水質進行持續性監測。水廠出廠水和管網水全部水質常規指標檢測結果均在《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)[1]限值內，均無異常，總大腸菌群和耐熱大腸菌群均未檢出，菌落總數偶有檢出但都小于10 CFU/mL，色度均小于5度，無異臭、異味，無肉眼可見物。但毒理指標例如三氯甲烷、氯酸鹽等檢測值偶有升高，應引起關注，見表4。

表4 出廠水和管網水水質Tab.4 Quality of treated water and pipeline network water

4.4 綜合運行成本

水廠近3年原水水質情況相差不大，改造完成后，2021年2—7月次氯酸鈉折算平均氯耗為1.34 mg/L，較2020年1.42 mg/L同期下降4.63%，較2019年同期1.26 mg/L上升6.95%，見圖5。其中因2021年1月因未采用前加氯，故氯耗均采用2—7月的平均值進行比較。

圖5 2019—2021年氯耗對比Fig.5 Comparison of chlorine consumption from 2019 to 2021

改造后，按水廠年處理水量計算，將次氯酸鈉藥耗折算成有效氯，每千噸水氯耗成本提高了3.27元，比液氯消毒增加約50.08%，見表6。但其他成本(包括安全投入、安全標準化改造、維修成本和人力成本)各個項目均有所降低，下降52.54%。比較水廠消毒系統的綜合運行成本(包括氯耗成本和其他成本)得出，總體上千噸水綜合運行成本下降約8.72元，降低了29.72%。

4.5 次氯酸鈉有效氯衰減情況

從表6可知，使用不同有效氯濃度的次氯酸鈉時，5%以下次氯酸鈉與10%次氯酸鈉(12—2月的平均氣溫為17℃)的日衰減率相差不大，5%以下次氯酸鈉的日衰減率相對更?。皇褂?%以下次氯酸鈉(3—5月平均氣溫為26℃，6—7月平均氣溫為30℃)時，溫度越高，日衰減率越高，次氯酸鈉溶液的衰減越明顯。

表5 液氯與次氯酸鈉消毒運行成本對比Tab.5 Comparison of operating costs between liquid chlorine and sodium hypochlorite disinfection

表6 不同濃度次氯酸鈉溶液有效氯衰減情況Tab.6 Attenuation of effective chlorine in sodium hypochlorite solutions with different concentrations %

5 結語

① 水廠采用次氯酸鈉消毒系統替換液氯消毒系統，運行期間各方面情況良好，穩定性高。利用PLC實現自動精確配藥、投加，上位機通過組態軟件Vijeo Citect進行人機交互、監測管理，日后可通過升級自動水沖系統和在線水質儀表進一步提高系統的穩定性。

② 更換消毒劑后，降低了水廠的安全風險和采購、運輸等風險。

③ 出廠水和管網水水質常規指標均符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)要求，水質穩定性有所提高。

④ 將液氯消毒系統改造為次氯酸鈉消毒系統，無需投入液氯防漏防擴散等安全技術改造費用，綜合運行成本降低。