古田縣自來水廠次氯酸鈉替代液氯消毒系統改造

王亞丹

（福州城建設計研究院有限公司，福建 福州 350001）

消毒是飲用水處理工藝必不可少的組成部分，城鎮自來水廠消毒通常采用氯氣、二氧化氯、臭氧、次氯酸鈉等化學消毒法，其中液氯具有消毒性能佳，成本較低的特點，一直是水處理中廣泛使用的消毒劑[1]，但是液氯是劇毒危險化學品，存在重大安全隱患。我國對液氯的采購、運輸、存儲和使用都有非常嚴格的管制。根據福建省住房和城鄉建設廳發布的關于在城市供水行業推廣使用次氯酸鈉消毒劑的通知，為提高城市供水行業生產安全，在我省城市供水行業推廣使用次氯酸鈉消毒劑。福建省寧德市古田縣自來水廠采用液氯消毒，對該廠消毒系統的改造存在較大的必要性和緊迫性。

1 工程概況

福建省寧德市古田縣自來水廠設計總規模為5 萬m3/d，分兩期建設，一期工程規模為2 萬m3/d，二期擴建規模為3 萬m3/d。水廠現采用“機械混合池+反應沉淀池+無閥濾池”的水處理工藝。加氯消毒系統采用投加液氯消毒，加氯點為前加氯、濾后加氯和出廠補氯，根據水廠的生產統計數據分析，水廠平時總加氯量約為3 mg/L。

2 次氯酸鈉消毒方式的選擇

2.1 消毒原理

次氯酸鈉的主要反應方程式如下：

次氯酸鈉與水接觸后，水解作用生產次氯酸，次氯酸進一步分解生產新生態氧。新生態氧[O]具有極強的氧化性，可使細菌和病毒的蛋白質變性，起到殺菌和消毒的作用[2]。次氯酸是很小的中性分子，不帶電荷，會很快吸附于細菌、病毒外殼，并可滲透細胞壁進入到細胞內部，通過氧化作用與蛋白、核酸、酶等發生反應，從而起到殺菌和消毒作用[3]。

2.2 消毒方式比選

目前水廠主流的次氯酸鈉投加系統主要分為“外購成品次氯酸鈉溶液投加”與“次氯酸鈉發生器現場制備投加”兩種。成品次氯酸鈉溶液有效氯濃度為8%～10%，次氯酸鈉發生器現場制備有效氯濃度為0.8%。

從以下幾方面對兩種方式進行綜合分析。

（1）原料的采購、運輸和儲存：次氯酸鈉發生器現場制備采用的原料僅為食用鹽，采購、運輸和儲存均安全方便，腐蝕性低；成品次氯酸鈉屬于危險化學品，批量采購與運輸需要經公安部門審批。原料腐蝕性強，在運輸、儲存、保管上均需要專用工具及設施和人員來保障，稍有不慎極易發生安全事故。

（2）對操作人員的危害：次氯酸鈉發生器現場制備有效氯濃度為0.8%，低濃度原料對操作人員幾乎無害；成品次氯酸鈉溶液有效氯濃度為8%～10%，高濃度原料屬于有毒有害化工產品，具有強烈的刺激性，接觸后主要引起眼睛和呼吸道刺激，長期接觸可導致慢性支氣管炎，對人體危害大。

（3）消毒劑穩定性及消毒后水中的殘留副產物：0.8%的低濃度次氯酸鈉溶液不易分解，消毒后水中殘留副產物少；8%～10%的高濃度次氯酸鈉溶液非常不穩定，易降解，溫度越高降解越快，導致商品損耗、成本加大，且長期儲存會導致氯酸鹽超標，致癌物較多，被污染后的水源長期飲用對人體健康有害。

綜上分析，寧德市古田縣自來水廠最終采用了次氯酸鈉發生器現場制備的投加方式。

3 次氯酸鈉發生器現場制備系統概況

3.1 工作原理

自來水經過軟水器去除鈣鎂鐵錳離子后的軟化水，分二路進入鹽池形成飽和鹽水，以及飽和鹽水的稀釋用水。飽和鹽水通過計量泵從鹽飽和器中抽出，通過流量計計量，與稀釋水配成3%濃度鹽水進入電解槽。在電解槽內，鹽水溶液作為良好的導電介質，傳遞正負極之間的電流。在電解槽的正極，電解產生氯氣Cl2，同時在負極產生NaOH 和氫氣H2。然后氯氣繼續與NaOH 反應產生次氯酸鈉NaClO。NaClO 溶液與氫氣一起進入溶液儲存罐。送風機用于稀釋、去除氫氣。NaClO 溶液通過計量泵投加，現場余氯分析儀檢測水中的余氯。主反應過程可用以下方程式表示：NaCl+H2O=NaClO+H2。

3.2 工藝流程

次氯酸鈉發生器系統是通過現場電解飽和食鹽水生成濃度為0.8%有效氯的次氯酸鈉溶液，該系統主要由軟化水罐、溶鹽罐、電解發生器、次氯酸鈉溶液儲液罐、電流整流控制柜及PLC 控制器、酸洗設備等主要部件組成，全過程只消耗水、鹽和電。噸水的處理成本不超過0.03 元/t。中間產物沒有危險氯氣，無須負壓系統，無須水射器。

次氯酸鈉發生器系統是一個全自動、模塊化在線次氯酸鈉發生器，它把鹽水罐、次氯酸鈉溶液儲液罐、軟化水裝置、鹽水泵、風機、電解室及自動控制箱等其他主要設備按照模塊化設計，可以根據場地的不同按需布置，在出廠運輸前已完成內部管路連接，電路接線和檢測，特別適合改造項目。現場安裝只需將設備、電源和管線連接即可，安裝快速，簡單，安全可靠，維護簡便。

（1）制備軟化水：在電解槽中，如果參加電解的水的硬度超過設備規定的含量，電解槽運行一段時間后，在電極的表面會積聚一層鈣化物，它不僅影響電解的效果，增大單位產能的耗電量，使運行成本加大，更重要的是它將縮短電極的使用壽命，因此需要配置軟水器，給電解系統提供軟化水。

（2）制備飽和鹽水：將規定要求的食鹽加入到溶鹽罐或鹽池中，加水進行溶解，為保證溶液為飽和鹽水，溶鹽罐或鹽池中必須總保持有未溶解的固體食鹽。

（3）制備次氯酸鈉溶液：制備好的飽和鹽水通過隔膜計量泵定量地送到電解室內，與此同時軟化稀釋水也同時輸送到電解室內，通過電解室的正負電極電解出濃度0.8%的次氯酸鈉溶液，同時產生少部分氫氣的混合溶液并被輸送至次氯酸鈉溶液儲存罐中。獨特的電解室設計，采用鍍鈦的DSA 電極，有極強的防腐能力；電解效率高，可節約食鹽和用電量，每生產1 kg 有效氯需要消耗4.2 kW 電能及3.0 kg 鹽。系統生成的次氯酸鈉溶液濃度為0.8%，可最大程度減少腐蝕和降解。

（4）次氯酸鈉溶液儲備及氫氣排出：制備好的次氯酸鈉溶液儲備在儲液罐內，儲液罐中裝有液位開關來控制液位的高低。由鼓風機將罐內的副產物氫氣吹出到室外空氣中，將氫氣濃度降至安全濃度以內。氫氣是易燃易爆氣體，必須嚴格監控，氫氣監測裝置用于監測發生器房間內的氫氣含量，并可設置高限值，當氣體濃度達到設定值時，儀表發出報警信號，并停止發生器運行。

4 改造工程設計

4.1 工藝參數

寧德市古田縣自來水廠液氯消毒系統改造為次氯酸鈉發生器現場制備投加系統，保持廠區現狀加氯點位置不變以及加氯量不變，設置前加氯點1 處，投加點位于機械攪拌混合池進水管道處，最大投加量為0.5 mg/L；設置后加氯點2 處，投加點分別位于一期清水池進水管處和二期清水池進水管處，最大投加量為2 mg/L。

設置補氯點3 處，分別位于DN800、DN600 和DN300 出水管處，最大投加量為0.5 mg/L。水廠設計總規模為5 萬m3/d，分兩期建設，一期工程規模為2萬m3/d，二期擴建規模為3 萬m3/d。

4.2 主要設施

寧德市古田縣自來水廠現狀實際運行最大規模為2.7 萬m3/d，總計加氯量為3 mg/L。最高日供水量分別為：DN800 出水管為1.6 萬m3/d，DN600 出水管為0.8 萬m3/d，DN300 出水管為0.3 萬m3/d。設置2 臺次氯酸鈉發生器，1 用1 備，每臺額定產氯量為5 kg/h。次氯酸鈉發生器為撬裝一體化裝置，包含電解單元，鹽水輸送泵，流量計，溫度計，液位計，閥門等部件。電解單元陰極采用純鈦基材制作，陽極采用純鈦基材+DSA貴金屬氧化物涂層，電解槽結構采用管板，機架材質為碳鋼噴塑，功率為32 kW，鹽耗為3 kg/kg 氯氣，電耗為4.2 kW/kg 氯氣，生成的次氯酸鈉溶液濃度為0.8%±0.05%，次氯酸鈉溶液pH 值為9~9.5，在滿足鹽和水質要求的情況下酸洗周期為大于等于60 d。次氯酸鈉發生器采用高頻型恒流電氣開關電源作為電解電源，由于采用高頻整流技術，交直流轉換效率達到95%以上，發熱量很低，運行穩定，體積小。

在加氯間東南側空地建設1 座地下式溶鹽池，設計溶鹽池尺寸為5 m×3 m×2.5 m（H），容積滿足15 d的需鹽量，溶鹽池分兩格，一格為濕鹽槽，一格為飽和鹽水槽，濕鹽槽頂部設置加鹽口。加氯間內設置飽和鹽水自吸泵組、凈鹽桶、軟化水裝置、酸洗桶、次氯酸鈉發生器主機、次氯酸鈉存儲桶及投加泵組等。飽和鹽水自吸泵將溶鹽池飽和鹽水槽內的飽和鹽水提升至凈鹽桶內，凈鹽桶容積V=800 L，采用食品級PE 材料。根據系統耗水量，考慮一定安全系數，設置2 臺軟水器，產水量為4~6 m3/h，1 用1 備；軟水罐1 個，容積V=500 L，采用食品級PE 材料；軟水泵2 臺，每臺規格為3 m3/h。飽和鹽水通過計量泵從凈鹽桶中抽出，與軟化水配成3%濃度的鹽水進入發生器電解室，通過電解室的正負電極電解出濃度0.8%的次氯酸鈉溶液，并被輸送至次氯酸鈉溶液儲存罐中。設置2 個次氯酸鈉溶液儲存罐，單個儲罐容積V=5 000 L，可儲存8 h 的制備量，儲罐采用食品級PE 材料，儲罐配液位計，根據液位高低控制系統以維持連續的次氯酸鈉供應，平時正常工作時，采用兩罐交替使用。在制備過程中會有少量的氫氣產生，氫氣會從電極單元頂部的放空管安全地排放出去。鼓風機可以把這少量的氫氣稀釋為100∶1，可以降低氫氣濃度低于可燃下限的1/4。空氣稀釋的主送風機和1 個備用的送風機提供儲罐內的強制通風，風壓開關監測送風機的操作。如果監測到氣流減少，備用送風機就會被激活，或者使發生器停止工作。發生器停止工作后，風機延時停機，以保證氫氣全部排出。安裝氫氣泄漏報警儀1 套，用于連續測量、指示和傳送空氣中氫氣含量，安裝3 個探頭，發生器房間頂裝2 個探頭，次氯酸鈉儲存罐間頂裝1 個探頭。當車間內氫氣濃度大于設定值時，發出警報及停止系統運行。

次氯酸鈉溶液采用計量泵進行計量投加，投加后使用在線余氯儀表對水體中的余氯值進行在線監測，并把檢測值反饋給系統，系統根據這個數值可以自動調整計量泵的投加量，實現檢測+反饋+自動調整的閉環控制投氯方式。水廠共有加氯點6 處，采用1 臺投加泵對應1 個投加點的方式設置投加泵。前加氯點設置投加泵2 臺，1 用1 備，單臺投加泵參數為Q=140 L/h，H=4 bar；后加氯點設置投加泵3 臺，2 用1 備，單臺投加泵參數為Q=310 L/h，H=4 bar；DN800 出水 管和DN600 出水管的補氯點設置投加泵3 臺，2 用1 備，單臺投加泵參數為：Q=90 L/h，H=4 bar；DN300 出水管的補氯點設置投加泵2 臺，1 用1 備，單臺投加泵參數為Q=15 L/h，H=4 bar。投加泵采用機械隔膜計量泵，配套球閥、安全閥、背壓閥、脈沖阻尼器、電磁流量計及配套投加管路等。

系統工作流程如圖1 所示，平面布置如圖2 所示。采用PLC 控制系統對整個工藝過程的各重要參數進行監測和控制，確保系統可靠運行，在自動模式下，PLC 可自動啟動和停止系統運行，使次氯酸鈉溶液儲存罐保持適當液位。控制面板為觸摸屏界面，可為水廠工作人員提供方便、簡潔的操作。主機監測系統主要包括鹽度監測、溫度監測、運行時間監測和自動酸洗控制等。鹽度監測主要是使用電導率儀表對稀釋后的鹽水進行在線電導率監測，當稀釋鹽水配比出現故障或者溶鹽池加鹽不及時導致鹽水濃度不夠時，系統自動發出報警并停機。溫度監測是指電解液和電極板的溫度均有實時監測，當電解液或電極板的溫度超高時，系統自動發出報警信號并停機。運行時間監測是指系統自動累計電解運行時間，并根據溶鹽池的體積，自動對溶鹽池內鹽量監控，當累計時間達到后，系統自動提醒工作人員往溶鹽池內添加鹽，并發出缺鹽報警。自動酸洗控制是指系統自動監測電解槽的槽電壓和累計電解工作時間，當槽電壓超過設定電壓值或者累計電解工作時間到達設定值時，系統自動切換主機至自動酸洗裝置，并啟動酸洗，酸洗結束后，系統自動啟動沖洗，使得電解槽不殘留鹽酸。

圖1 系統工藝流程圖

圖2 系統平面布置圖

5 結束語

寧德市古田縣自來水廠于2020 年12 月完成加氯系統的改造，1 年來的運行數據表明，改造后的出廠水和管網水的微生物指標和余氯均滿足GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》的要求。中小型水廠使用電解食鹽法現場制備次氯酸鈉在消毒效果、原料采購和儲存、水廠安全運行等方面均具有較大的優勢。該工程實施后很大程度地提高了水廠消毒系統安全性，基本消除了原有液氯消毒系統存在的弊端。