次氯酸鈉發生器系統在龍巖水廠的應用

賴加鵬

(龍巖水發自來水有限責任公司，福建 龍巖 364000)

消毒工藝在整個制水過程中具有非常重要的作用。龍巖市自來水一直以來均采用氯化消毒的方式，現有的飲用水消毒劑有液氯、二氧化氯和次氯酸鈉三種。其中二氧化氯(ClO2)是一種具有很強的氧化性并且高效的消毒劑，但相比氯氣來說，刺激性更大，毒性更強，毒性甚至達到了氯氣的近 40 倍[1]。但由于二氧化氯的易爆性，對廠房要求較高，在國內使用占比較低；液氯的成本低及技術成熟，仍是國內大多數凈水廠的首選，但液氯的劇毒性在運輸和儲存當中有諸多不便之處和安全隱患；次氯酸鈉的消毒效果被公認為與液氯相當[2]，殺菌原理主要是通過水解形成次氯酸，然后進一步分解，產生新生態氧[O]，其強烈的氧化性可將病菌的蛋白質變性，最終導致病菌死亡[3]。安全性較高，從發展角度看，雖然液氯消毒占比較大，但次氯酸鈉消毒代替液氯消毒已經成為大趨勢。

基于龍巖市飲用水消毒的現狀，本文分析對比了兩個自來水廠由二氧化氯和液氯消毒工藝改為次氯酸鈉消毒工藝后自來水廠實際運行情況，將從次氯酸鈉有效氯含量衰減情況、次氯酸鈉消毒效果、次氯酸鈉對水質pH的影響及次氯酸鈉消毒產生的消毒副產物等方面綜合分析，為龍巖市自來水廠的消毒工藝選擇提供技術參考。

1 項目情況

1.1 項目改造原由

福建省辦公廳印發的《提升城市供水水質三年行動方案》[4]，2018年底前市、縣供水廠要加裝藥劑自動投加設備，已列入近期整體改造或準備關停的，可結合老舊供水廠整改同步推進，新建、改造水廠應采用技術先進、抗沖擊負荷能力強的工藝，推廣使用次氯酸鈉等消毒劑。我市響應省辦公廳要求對我市城區自來水廠進行改造升級。

1.2 項目概況

我市城區自來水以地下水和地表水為水源，其中水廠A以地下水為水源水，供水規模大概為1×104m3/d；水廠B以地表水為水源水，供水規模大概為5×104m3/d。2018年10月開始率先將水廠A消毒工藝由二氧化氯改為次氯酸鈉溶液消毒，水廠B消毒工藝由液氯消毒改為次氯酸鈉溶液消毒。

1.3 項目改造后工藝情況

改造后次氯酸鈉加氯系統工藝流程見圖1。

圖1 自動加氯消毒系統流程圖

次氯酸鈉發生器其工作原理：氯化鈉溶液在一定的電極作用下，在電解槽內發生一系列電化學反應，最終生成次氯酸鈉溶液，化學反應過程可概括如下：

陽極反應：2NaCl→2Na++Cl2+2e-

陰極反應：2H2O+2e-→ H2+2OH-

極間反應：2NaOH+Cl2→NaClO+NaCl+H2O

總反應： NaCl+H2O→NaClO+H2↑

生成次氯酸鈉的過程同時產生相當量的氫氣。在工藝設計中，采用離心風機鼓入新風與生成的氫氣混合，在排出管道前稀釋至氫氣爆炸下限的 25%以下(即1%濃度以下)，保證系統的安全性。

整個過程中，需要人工操作的僅是原料食用鹽的投加工作( 一般溶鹽池設計一次加鹽可連續使用 10 d 以上) ，系統可以不間斷連續運行，也可以根據用氯量需求變化，自動調整工作時間以及發生器的運行臺數，無需像原來消毒工藝，需要人工調節加氯量，也需要儲存一定量的消毒劑成品在廠房，有一定安全隱患。

2 試驗過程

通過次氯酸鈉發生器現場制備有效氯濃度0.8%的次氯酸鈉溶液，溶液通過隔膜計量泵投加至指定點。投加點位于消毒接觸池進水端，補投加點位于清水池出水管，目前投入運行已有一年多，在此期間內定期跟蹤檢測次氯酸鈉溶液在儲罐中的有效氯含量，每天監測出廠水和管網水游離余氯、微生物、pH等水質指標，并對消毒副產物指標情況進行檢測，記錄數據并作結果分析。

3 檢測方法

根據GB 19106-2013《次氯酸鈉》[5]的要求測定次氯酸鈉溶液的有效氯含量。根據 GB/T 5750-2006《生活飲用水標準檢驗方法》[6]，檢測如下指標：游離余氯、pH、菌落總數、三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷、三溴甲烷、三鹵甲烷總量、氯酸鹽、亞氯酸鹽等，具體檢測方法見表1。

4 試驗結果與分析

4.1 次氯酸鈉溶液有效氯含量衰減實驗

次氯酸鈉具有不穩定性，在受熱或光照條件下易分解。隨著儲存天數的增加，次氯酸鈉溶液有效氯含量會下降[7]。對此，對儲存罐內的次氯酸鈉溶液有效氯含量進行了五次7日衰減實驗。

表1 檢測指標及檢測方法

由圖2可知，次氯酸鈉溶液有效氯含量隨著儲存時間的增加而幾乎沒有降低，次氯酸鈉發生器現制的次氯酸鈉溶液有效氯的含量為0.83%，儲存7天后有效氯含量是0.81%，有效氯含量一直在0.8%以上。對次氯酸鈉溶液的消毒性能和穩定性沒有影響。

圖2 次氯酸鈉有效氯含量7日衰減圖

4.2 次氯酸鈉消毒水中游離余氯含量實驗

2020年1月-2020年12月，對水廠A、水廠B的出廠水，及分別對應的城區管網點1、管網點2的管網末梢水，各進行300次游離余氯常規水質檢測，其游離余氯檢測結果如表2所示。

表2 出廠水及管網末梢水游離余氯檢測結果

根據GB/T 5749-2006《生活飲用水標衛生標準》[8]要求游離余氯出廠水余量≥0.30 mg/L且≤4 mg/L，管網末梢水余量≥0.05 mg/L，由表2可知采用次氯酸鈉作為消毒劑出廠水及管網末梢水的游離余氯指標均能滿足標準要求。實現基于原水流量的比例投加，且通過生產過程的精細管理和維護，能夠保證次氯酸鈉溶液的精確穩定投加，從而確保出廠水余氯達標，保證了飲用水消毒效果。

4.3 次氯酸鈉溶液消毒效果試驗

2020年1月-2020年12月，對水廠B水源水、出廠水及對應的城區管網點末梢水進行300次游離余氯及菌落總數等常規水質檢測，以觀察投加次氯酸鈉溶液后的消毒效果，其檢測平均值(n=300)結果如表3所示。

表3 次氯酸鈉溶液消毒試驗

從表3可知，次氯酸鈉溶液對受微生物污染的水源水有明顯的消毒殺菌作用。該水廠在使用次氯酸鈉消毒期間，出廠水、管網和管網末梢水中均未檢出耐熱大腸菌、總大腸菌、細菌等微生物，說明次氯酸鈉溶液的消毒殺菌作用顯著。

4.4 次氯酸鈉對出廠水pH的影響

水廠B所取的水源水pH值常年較低，一般在6.8～7.0。水源水經混凝、沉淀、過濾、臭氧活性炭深度處理、消毒等工藝的處理后，pH值進一步降低，在6.5～6.7之間，呈弱酸性。為了避免對輸水管道和設備造成腐蝕，提高管網的穩定性，一般在投加消毒劑后投加氫氧化鈉溶液，提高出水pH值[9]，以控制出廠水pH值處于7.1～7.3的內控范圍。該水廠使用的NaOH溶液有效濃度為33%，改造前后同期NaOH溶液使用量見圖3。

圖3 改造前后NaOH溶液單位投加量對比圖

結果表明，B水廠在完成次氯酸鈉消毒工藝代替液氯的改造工作后，同期NaOH溶液的使用量減少了42%～48%，平均減少46%，大大降低了生產成本。

4.5 消毒副產物比較

4.5.1 水廠A改造前后消毒副產物比較

改造前12個月里在月初和月尾檢測二氧化氯消毒工藝的水廠A水樣，一共24次，二氧化氯平均值為0.24 mg/L，并檢測水樣中消毒副產物。改造后12個月里在月初和月尾檢測次氯酸鈉消毒工藝的水廠A水樣，一共24次，水樣游離余氯平均值為0.53 mg/L，并檢測水樣中消毒副產物。根據GB/T 5749-2006《生活飲用水衛生標準》的限值評價檢測結果，見表4。

表4 二氧化氯、次氯酸鈉消毒副產物指標檢測 單位：mg/L

*注：檢測平均值(n=24)

結果表明,兩種方法消毒產生的消毒副產物總體都處于較低水平,主要消毒副產物指標均在標準限值范圍內，并處于較低的水平。因為二氧化氯制備技術不成熟導致二氧化氯產品純度不足、生產成本相對較高，并且采用二氧化氯消毒會帶來氯酸鹽和亞氯酸鹽無機消毒副產物的控制問題[10]。

4.5.2 水廠B改造前后消毒副產物比較

改造前12個月里在月初和月尾檢測液氯消毒工藝的水廠B水樣，一共24次，余氯平均值為0.56 mg/L，并檢測水樣中消毒副產物。改造后12個月里在月初和月尾檢測次氯酸鈉消毒工藝的水廠B水樣，一共24次，水樣游離余氯平均值為0.51 mg/L，并檢測水樣中消毒副產物。根據GB/T 5749-2006《生活飲用水衛生標準》的限值評價檢測結果見表5。

表5 液氯-次氯酸鈉消毒副產物指標檢測 單位：mg/L

*注：檢測平均值(n=24)

結果表明,兩種方法消毒產生的消毒副產物總體都處于較低水平,主要消毒副產物指標均在標準限值范圍內。但因為在使用液氯消毒后, 往往會產生鹵化有機物等消毒副產物, 可能對人體健康產生損害。因此次氯酸鈉消毒劑更適用于龍巖市自來水廠。

4.6 消毒原理比較

液氯的消毒原理是將氯氣溶于水后，和水發生反應生成具有強氧化性的次氯酸，可進行消毒，化學反應為 ：Cl2+H2O→HCl+HOCl。反應生成鹽酸會對金屬管道造成腐蝕。

二氧化氯的消毒原理是將二氧化氯溶于水后，和水發生反應生成具有強氧化性的亞氯酸和氯酸，可進行消毒，化學反應為 ：2ClO2+H2O→HClO2+HClO3。消毒能力比較強，但帶來氯酸鹽和亞氯酸鹽無機消毒副產物。

次氯酸鈉的消毒原理是將次氯酸鈉溶于水后，和水發生反應生成具有強氧化性的次氯酸，可進行消毒，化學反應為 ：NaClO+H2O→HClO+NaOH。反應沒有生成鹽酸，而是生成氫氧化鈉，對于B水廠原水是弱酸性，有利于提高它的pH。

4.7 制取工藝比較

液氯的制取工藝是自來水廠采購液化后的氯氣瓶，使用時通過過濾及蒸發裝置轉化為氯氣。液氯在運輸、儲存和使用過程中存在著諸多安全隱患和管理不便，國家對液氯的安全管理也越來越嚴格。

二氧化氯的制取工藝是A液(2%二氧化氯)和B液(5%鹽酸)按1:1進入活化器激活。鹽酸(易制毒-3)，根據《危險化學品安全管理條例》[11]《易制毒化學品管理條例》[12]受公安部門管制，購買和儲存需要公安局報備，存在諸多不便。

次氯酸鈉的制取工藝是電解食鹽水制備次氯酸鈉溶液，是采用無膜電解法，用水將食鹽稀釋進行電解，產生約為0.8%的次氯酸鈉溶液。該方法采用的原料是食鹽、水和電，化學原料無危險性，容易儲備，制備的次氯酸鈉溶液為新鮮藥劑，不易揮發，消毒效果好。

4.8 消毒成本比較

水廠運行一年過程中，按藥劑費、運費、電費等計算，液氯消毒運行成本低，余氯按含量年平均0.56 mg/L，噸水成本約為 0.003元；二氧化氯消毒運行成本高，二氧化氯按含量年平均0.24 mg/L 時，噸水成本約為 0.02元；次氯酸鈉消毒運行成本只比液氯稍微高點，噸水成本約為 0.005元。

5 結論

(1)采用次氯酸鈉消毒工藝代替二氧化氯消毒工藝和液氯消毒工藝，無需擔心二氧化氯或液氯泄漏危險，較為安全。次氯酸鈉消毒工藝自動監控自動投加，節省人工，管理簡便，在根源上杜絕了使用二氧化氯或液氯消毒時的安全隱患，減少了水廠運營管理的風險和投入。

(2)次氯酸鈉發生器現制的次氯酸鈉溶液有效氯含量在使用周期內幾乎不會下降，它生產出的次氯酸鈉液體比較穩定、單一, 也容易保存, 不含制氯廠出品的那些復雜甚至有害的成分。對消毒效果與投加后水中游離余氯的穩定性并無影響。

(3)次氯酸鈉溶液的消毒效果好，可確保出廠水和管網末梢水的微生物安全。

(4)次氯酸鈉溶液本身的弱堿性使其在調節弱酸性水的pH值上存在一定優勢，投加次氯酸鈉溶液消毒可以提高出廠水pH值，從而使氫氧化鈉溶液的使用量大幅下降，減少了生產成本。

(5)在消毒副產物方面，次氯酸鈉發生器所生產的消毒液中不象氯氣、二氧化氯等消毒劑在水中產生游離分子氯, 所以, 一般難以形成因存在分子氯而發生氯代化合反應, 生成不利于人體健康的有毒有害物質。

(6)次氯酸鈉不會像氯氣同水反應會最后形成鹽酸那樣, 對金屬管道構成嚴重腐蝕。

(7)制取工藝方面，次氯酸鈉發生器系統原料無危險性，購買和儲存方便，制取操作簡便。

(8)運行成本而言, 采用次氯酸鈉消毒的運行成本費用是很低的, 僅比氯氣高一些。

因此次氯酸鈉發生器系統消毒工藝更適用于龍巖市自來水廠。