兩級次氯酸鈉消毒在長距離原水輸送中的系統選擇及設計

劉占會， 郭冬艷， 魏 旭

(1.徐州金石工程技術咨詢有限公司，江蘇徐州221111；2.徐州市環境監測中心，江蘇徐州220006；3.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢430061)

長期運行的長距離輸水管道的管壁上會附著并生長多種微生物，形成生物膜，造成水體的污染和水流動阻力的增加[1]。此外，湖泊水體中可能存在的貝類幼體進入輸水管道內，并附著在管道內壁上，隨著其生長變大，造成管道輸送能力的下降[2]。根據國內原水輸水管水生生物、微生物孳生抑制的經驗，投加氯予以抑制甚至滅活水生生物、微生物及貝類是目前應用最廣泛的方法[3]。采用次氯酸鈉代替液氯的氧化作用，可進一步減少消毒副產物(DBPs)的產生[4]，其運輸、儲存與投加操作比液氯更為簡單、方便和安全[5]。

1 工程概況

徐州市某原水輸送工程取水規模30×104m3/d，沿途向3個水廠輸送原水，輸送規模分別為5×104、10×104、15×104m3/d，總輸送距離63 km，如圖1所示。原水水質綜合評價為Ⅲ類，主要污染因子是高錳酸鹽指數和硫酸鹽，原水藻類高，優勢種類為綠藻。針對高錳酸鹽指數含量較高條件下的微污染水，水廠設計時采用生物預處理+常規處理+臭氧-活性炭吸附深度處理工藝。為應對藻類大規模爆發等重大污染事件，在取水泵站設置高錳酸鉀和粉末活性炭投加設施，系應急投加。為應對微生物及貝類在輸水管道內的孳生，在取水泵站和加壓泵站設置次氯酸鈉投加設施，系常規投加。

圖1 工程概化圖Fig.1 General graph of the project

2 系統選擇

2.1 消毒方式

采用次氯酸鈉消毒時，可購買商品次氯酸鈉溶液或通過次氯酸鈉發生器電解食鹽水現場制取。用于現場制備的次氯酸鈉發生器利用鈦陽極電解食鹽水產生次氯酸鈉，反應方程式為：NaCl+H2O→NaClO+H2。在現場制備次氯酸鈉過程中有氫氣產生，氫氣的爆炸極限為體積濃度的4.0%～75.6%，其火災危險性為甲類[6]，因此需采取措施將氫氣濃度控制在1%以下，使其不具有可燃性。此外，次氯酸鈉發生器還存在電極結垢、食鹽水需每日配置等問題。

商品次氯酸鈉溶液有效氯濃度為10%，一般由供應商采用槽罐車運送至水廠或泵站，儲存于儲液罐中。與現場制備次氯酸鈉相比，投加商品液系統簡單，前期投入低。但10%次氯酸鈉溶液屬于危險化學品，運輸安全性差[7]。商品次氯酸鈉溶液中的有效氯易受日光、溫度的影響而分解，有效氯濃度會隨時間的推移而降低。

綜合以上分析，結合工程周邊次氯酸鈉貨源充足、保證率高的情況，本工程采用商品次氯酸鈉溶液投加。

2.2 投加位置

次氯酸鈉一般投加在地表水的取水口，可控制微生物及貝類在輸水管道內的生長繁殖， 還起到一定的消毒殺菌效果，使水廠出水水質得以明顯改善。但次氯酸鈉投加量過大會造成毒性較大的副產物三鹵甲烷(THMs)生成，影響水質安全[8]。次氯酸鈉投加時既要考慮輸水距離及運行時間，又要考慮投加濃度的影響。本工程取水規模分期及原水在管道中的運行時間見表1。

表1 取水規模和運行時間Tab.1 Scale of water intaking and operation time

由表1可知，從取水泵站到水廠3，原水在管道中的運行時間最短為15 h，最長達到63 h。為了使次氯酸鈉投加濃度不致過高，并且保證原水管線末端有一定的余氯量，本工程在取水泵站和加壓泵站同時建設次氯酸鈉投加設施。在取水泵站，次氯酸鈉投加至吸水井前端。在加壓泵站，次氯酸鈉投加至調節池進水管。

3 加氯設計

3.1 設計要點

3.1.1投加量

在取水泵站、加壓泵站內設置加氯間，為避免產生副產物，平均投加量按2.0 mg/L(有效氯1.0 mg/L)為宜，最大投加量3.0 mg/L(有效氯1.5 mg/L)。

3.1.2儲液罐容積

考慮到有效氯濃度的維持受環境溫度影響較大，儲液罐容積按最大加注量的5 d用量確定。

3.1.3投加濃度

投加商品次氯酸鈉溶液，有效氯濃度10%。

3.2 設備參數及選型

3.2.1計量泵

計量泵是最常用的投加計量設備，一般采用隔膜計量泵。本工程選用數字式投加隔膜計量泵，流量可在0到最大額定流量之間任意調節，安全性能高，計量輸送精確，調節直觀清晰。計量泵流量計算公式如下：

(1)

式中：Q為計量泵流量，L/h；Q0為原水輸送流量，m3/h；c為投加濃度，mg/L；ρ為商品次氯酸鈉密度，kg/m3；w為商品次氯酸鈉有效氯濃度，一般取10%(質量濃度)；n為計量泵工作臺數。

取水泵站設置3臺隔膜計量泵，2用1備，單泵參數為：流量375 L/h，揚程30 m，功率1.5 kW。加壓泵站設置3臺隔膜計量泵，2用1備，單泵參數為：流量375 L/h，揚程30 m，功率1.5 kW。由于次氯酸鈉溶液呈堿性，泵頭及隔膜材質須具有極好的耐腐蝕性。

3.2.2儲液罐

與儲液池相比，儲液罐占地面積小，搬運靈活，無需考慮池體防腐。儲液罐一般采用耐腐性的塑料材質，整體一次成型，無焊接縫，抗沖擊，抗老化，重量輕，本工程采用PE材質儲液罐。

取水泵站設置2個次氯酸鈉儲液罐，單罐有效容積為15 m3，尺寸為φ2.8 m×3.3 m。加壓泵站設置2個次氯酸鈉儲液罐，單罐有效容積為10 m3，尺寸為φ2.3 m×3.0 m。

3.2.3卸料泵

槽罐車卸料時，卸料泵將商品次氯酸鈉溶液輸送至儲液罐內，具有較高的強度，較好的耐腐性等。

取水泵站設置2臺卸料泵，1用1備，單泵參數為：流量20 m3/h，揚程20 m，功率2.2 kW。加壓泵站設置2臺卸料泵，1用1備，單泵參數為：流量20 m3/h，揚程20 m，功率2.2 kW。

3.3 投加系統

次氯酸鈉投加系統由卸料泵、儲液罐、過濾器、計量泵、安全閥、脈沖阻尼器、壓力表、背壓閥等基本部件組成，如圖2所示。過濾器過濾溶液中的雜質，保證計量泵安全和正常運行，脈沖阻尼器將計量泵輸出的脈沖流轉化成穩定的連續流，背壓閥使計量泵保持一定的輸出壓力，當投加壓力過高時安全閥可自動將溶液釋放回流至儲液罐。供應商用槽罐車運送商品次氯酸鈉溶液至泵站后，由卸料泵將商品次氯酸鈉溶液輸送至儲液罐，再經計量泵投加至投加點。投加管路為PVC管，具有耐次氯酸鈉腐蝕性。

圖2 NaClO投加示意Fig.2 Schematic diagram of NaClO dosing

3.4 加氯間布置

加氯間應布置在靠近投加點的位置。以加壓泵站加氯間為例，其平面尺寸為10.5 m×8.0 m，凈高為5.7 m。計量泵安裝在撬架上，儲液罐安裝在隔液池內。隔液池平面尺寸為7.6 m×3.8 m，深0.75 m。隔液池設置集水坑，集水坑平面尺寸為0.6 m×0.6 m，深0.6 m。集水坑設置放空管，排至室外漏液池。漏液池平面尺寸為3.0 m×2.3 m，深1.6 m。加氯間布置見圖3、圖4。

圖3 加氯間平面Fig.3 Plan of chlorination room

圖4 加氯間剖面Fig.4 Section of chlorination room

3.5 防腐、通風和安全保護

3.5.1防腐

考慮到環氧防腐會與次氯酸鈉發生反應，混凝土池壁及環氧樹脂會逐漸侵蝕和剝落[9]，加氯間隔液池池壁及地面采用耐堿水泥砂漿和耐堿瓷磚，瓷磚規格不大于0.3 m×0.3 m；內墻面采用耐堿水泥砂漿。

3.5.2通風

次氯酸鈉溶液存在微量的溶液分解和揮發氣體，為改善室內環境空氣質量，設置機械通風，每小時換氣8～12次。加氯間安裝2臺低位軸流風機，單臺流量為2 208 m3/h，功率為0.06 kW。

3.5.3安全保護

加氯間出入口設置洗眼器，為操作人員提供不慎接觸到次氯酸鈉溶液后的應急自救設施。

4 結語

次氯酸鈉消毒因投加方便、運行安全、消毒效果好且持久、消毒副產物低等優點，已在原水輸送和凈水處理中得到越來越多的應用。在取水泵站、加壓泵站同時設置次氯酸鈉投加設施，既可使長距離原水管線全程保有一定的余氯量，控制微生物和貝類的孳生，又避免了因投加濃度過高而產生副產物。原水管線兩級投加商品次氯酸鈉溶液，操作簡單，管理靈活，對類似工程有借鑒意義。