水廠次氯酸鈉投加系統改造及優化

錢 斌，汪晉舟，張江濤，袁可心，孫倩雯

(無錫市水務集團有限公司，江蘇無錫 214000)

隨著我國生活飲用水處理工藝的不斷發展，自來水消毒技術也逐漸成熟。與原有的液氯消毒相比，NaClO消毒技術在儲存和使用的過程中安全隱患較小，而且操作維護更為便捷[1]。此外，研究表明NaClO消毒技術有利于減少水體中消毒副產物的生成[2]，NaClO是目前較為理想的消毒劑。因此，近年來NaClO消毒技術已在城市自來水生產領域中得到廣泛運用[3-4]。然而，也有諸多學者提出NaClO消毒工藝依然存在技術瓶頸，譬如加藥管道易堵塞、結垢物較多、氧化性較弱、不穩定易分解、出水余氯較低[5-6]。

W市Z水廠NaClO投加系統已投運5年，生產運行中暴露出一些問題。本文以Z水廠為例，通過結合實際生產運行情況，對其進行原理分析，提出合理性建議進行優化改造，從而提高NaClO投加的安全可靠性，保障出水水質達標，為后續水廠加藥系統的改造提供一定的參考價值。

1 項目背景

W市Z水廠始建于1986年，總體設計規模為60萬m3/d，于2011年增設了60萬 m3/d規模的深度處理工藝和15萬m3/d規模的超濾膜工藝。水廠共有兩期，每期設計規模為30萬m3/d，且每期各有2組生產管線。Z水廠在2016年7月進行了技改工程，將原有的氯氣消毒更改為NaClO消毒，現水廠工藝流程如圖1所示。

圖1 Z水廠現有工藝流程Fig.1 Flow Chart of Existing Process of Z WTP

為緩解NaClO衰減速率，水廠選用有效氯質量分數為11%左右的NaClO溶液為原料進行儲備，采用高密度聚乙烯(HDPE)加強筋儲罐進行儲存，并在外層增設316L不銹鋼加強護板，形成雙層保護，防止NaClO泄露。根據生產實際需要既可以原液投加，也可以按比例稀釋后投加。并采用機械計量泵作為投加設備。根據工藝需求，Z水廠共有5處NaClO投加點，每處都有著不同的作用。

(1)沉淀前加氯。起助凝、降解有機物及去除異味等作用。加氯量為0～0.40 mg/L，出水余氯質量濃度≤0.05 mg/L。

(2)砂濾前加氯。對濾料顆粒表面的污染物進行氧化分解，有效地保障了砂濾池的凈化效果。加氯量為0～0.60 mg/L，出水余氯質量濃度≤0.05 mg/L。

(3)炭濾前加氯。當炭濾池中微生物大量繁殖、出現大型微生物堵塞或穿透濾層時，適當投加起殺菌消毒作用。加氯量為0～0.10 mg/L，出水余氯質量濃度≤0.05 mg/L。

(4)炭濾后加氯。主要是消毒作用，確保出水水質達到國標要求。加氯量為1.20～1.80 mg/L，出水余氯質量濃度為0.60～0.90 mg/L。

(5)集水井補加氯。當出廠水流量發生變化，余氯有波動時，可進行微調使余氯達到水質標準。出水余氯質量濃度為0.60～0.90 mg/L。

在實際生產運行中，以炭濾后加氯為主要消毒方式。

2 問題分析與改造方案

2.1 存在主要問題

Z水廠NaClO投加系統已使用5年，隨著投運時間的增加，逐漸暴露出一些瓶頸和不足。

(1)NaClO投加管道結垢

起初結垢物呈片狀附著在管壁上，但當結垢物逐漸增多，受到水力沖刷的影響，結垢物開始從管壁脫離并聚集在變徑管和彎管處，嚴重時會導致管道堵塞，如圖2所示。

圖2 管道堵塞Fig.2 Pipe Scaling and Blockage

通過電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-OES)檢測出結垢物中Ca2+質量分數為38.76%，Mg2+質量分數為0.32%。由圖3可知，結垢物在2θ為29.34°、35.86°、39.32°、43.04°等位置附近出現特征衍射峰，對照PDF標準卡卡片(PDF No：41-1475，05-0586)可知，結垢物以CaCO3峰值比較明顯。

圖3 結垢物的XRD譜Fig.3 XRD Pattern of Scalant

NaClO和液氯的水解反應如式(1)～式(2)。NaClO消毒和液氯消毒的機理基本相似，最終都是通過生成HClO達到氧化消毒的效果。然而，液氯水解后會形成HCl，可以降低水體的pH；NaClO水解后會形成NaOH，增加水體的pH。

Cl2+H2O=HCl+HClO

(1)

NaClO+H2O=HClO+NaOH

(2)

(2)投加管道備用系數較低，且管道無法沖洗

Z水廠所有投加管道均只有1根，無備用管道，只有砂濾前投加管道和炭濾后投加管道可相互切換。當夏季水質發生波動時，砂濾前加氯和炭濾后加氯要同時使用，在檢修管路時無備用管道，僅依靠集水井補加維持出水余氯，無法做到精準投加。改造前NaClO投加管路如圖4所示。

圖4 改造前的NaClO投加管道示意圖(單組)Fig.4 Schematic Diagram of NaClO Dosing Pipeline before Reconstruction (Single Group)

(3)出廠水量時變化系數較大，平穩加氯難度較高

Z水廠靠近主城區，目前采用的投加裝置是機械計量泵。隨著使用年限的增加，投加管路流量計逐漸失效，導致現有設備的投加精度較低。此外，有學者指出在低流量運行狀態下，機械計量泵易出現流量不均甚至斷流等問題[7]。

2.2 改造思路研究

(1)降低水體硬度

由上文可知，Z水廠管道結垢的根本原因在于稀釋水體中Ca2+、Mg2+含量偏高。針對水體軟化問題，目前普遍采用投加藥劑法、電化學法、離子交換樹脂法、膜工藝等技術。雖然通過投加復合藥劑可以把Ca2+、Mg2+轉化為沉淀物，但需添設固液分離裝置才能獲取軟化水[8]；電滲析法通過外加電場，利用離子交換膜完成離子去除工作，但是其處理成本相對較高，一般用于純水制造和海水淡化[9]；反滲透膜處理工藝脫鹽效果明顯、工藝較為完善，但在運行過程中會生成濃水，需要定期清洗膜組，延長設備使用壽命[10]；離子交換樹脂法具有運行穩定、處理效率高、工藝成熟等特點，目前已廣泛應用于鍋爐水軟化、鹽水精制等多個領域[11]。Z水廠從占地空間、運維方式和基建成本等角度考慮，認為離子交換樹脂法具有明顯的技術優勢和經濟優勢。

(2)保持平穩加氯

為提高NaClO投加系統的運行穩定性，已有諸多學者開展了相關的技術改造工作。譬如：邵志昌等[7]在水廠加藥系統技術改造中對重要投加點鋪設雙管路，并在投加點處增設流量計，優化控制系統提高投加精度；周徐權等[6]針對長距離NaClO投加波動的問題，提出后NaClO投加方式，通過就地增加一套投加系統，縮短投加距離，并改造PLC系統實現遠程控制，提高投加流量的穩定性。另外，有學者指出市場上推廣的數字計量泵自帶流量控制模塊，不僅提高了投加精度，還可以直接對加藥量進行監測和調整[12]。Z水廠針對現有投加設備運行情況，擬從管道改造、加藥泵選型兩方面開展優化改造工作。

2.3 具體改造方案

2.3.1 增設軟水裝置

當然，這種意識所形成的思維與在其指導下的行為，亦同樣適于君臣關系與臣民關系。 因為這其中亦具有權力上的構成與瓦解的關系。

本次改造采用軟水裝置對稀釋水進行軟化，整套設備設計產能為20 m3/h，并配置專用鹽水箱。在正常使用過程中可利用鈉型陽離子交換樹脂去除水中Ca2+、Mg2+，從而降低稀釋水硬度。另外，吸附Ca2+、Mg2+飽和后的樹脂可通過NaCl溶液進行再生，重新恢復其離子交換能力[13]。水質軟化和樹脂再生過程如式(3)～式(6)。

2RNa+Ca2+=R2Ca+2Na+

(3)

2RNa+Mg2+=R2Mg+2Na+

(4)

R2Ca+2NaCl=2RNa+CaCl2

(5)

R2Mg+2NaCl=2RNa+MgCl2

(6)

整套軟水裝置包含立式玻璃鋼儲罐、鹽水箱、離子交換樹脂、控制器及配套管路閥門。樹脂再生過程中的工作狀態依次為運行→反洗→吸鹽→補水→正洗→返回運行。

2.3.2 管道改造

在原有投加管道的基礎上，在炭濾后加氯點增設1根備用管，并在投加點處增設排空管。改造后的NaClO投加管道如圖5所示。

圖5 改造后的NaClO投加管道(單組)Fig.5 Schematic Diagram of NaClO Dosing Pipeline after Reconstruction(Single Group)

改造后，當原有管道堵塞或檢修時，在不改變NaClO正常投加的前提下，可利用備用管進行投加。另外，還可以通過廠區自用水沖洗管道，清理管道附著物并排放至廢水管道。可以實現1用1備和管道沖洗的功能，有效緩解NaClO結垢和管道堵塞問題。

2.3.3 加藥泵重新選型

現將1組炭濾后的機械計量泵(最大設計流量為160 L/h，最大壓力為0.5 MPa)更換為數字計量泵(最大設計流量為375 L/h，最大壓力為1 MPa)，通過實際生產情況比較，對比數字計量泵和機械計量泵的運行效果。

3 改造效果

3.1 軟水裝置運行情況

選用原水和軟化水分別稀釋NaClO濃液并靜置，NaClO稀釋液的變化情況如圖6所示。原水稀釋NaClO后，會生成絮狀沉積物，且分布較為均勻，自然風干后有白色結晶物形成；而軟化水稀釋NaClO后，水體清澈透明，自然風干后燒杯底部較為干凈，無結晶物生成。

圖6 稀釋效果對比Fig.6 Comparison of Dilution Effects

Z水廠選用自用水對NaClO濃液進行稀釋，稀釋水日均用量約為5 000 L/d。近年來，太湖水源硬度已呈現顯著增長的趨勢[14]，Z水廠自用水中的水質硬度在80～140 mg/L。軟水裝置接入水廠加藥系統后，其實際軟化效果如圖7所示。軟水裝置已穩定運行135 d，經軟水裝置處理后，出水硬度均在10 mg/L以下。因此，整套軟水裝置軟化效果較好，在實際生產運行中出水硬度較為穩定。綜上，離子交換樹脂軟化法可以有效降低水質硬度，極大地抑制了CaCO3結晶物的形成。

圖7 軟水裝置運行時硬度變化Fig.7 Hardness Changes under Water Softener Plant Operation

整套軟水裝置的使用壽命為10 年，其中每隔5年更換1次鈉型陽離子交換樹脂。為提高離子交換樹脂的使用壽命，Z水廠選用不含Ca2+、Mg2+且純度較高的軟水鹽配置再生液。軟水裝置的運行成本分析如表1所示。設備的資產折算約為0.9萬元/a，耗材費約為0.6萬元/a。根據往年數據估算，添加軟水裝置后，Z水廠制水成本約增加0.000 15元/m3。

表1 軟水裝置運行成本分析Tab.1 Operation Costs Analysis of Water Softener Plant

3.2 數字計量泵和機械計量泵對比

為貼合生產實際，選取水廠目前常用的NaClO投加流量，采用人工測量的方法，對數字計量泵和機械計量泵進行性能測試，對比結果如圖8所示。結果顯示，數字計量泵在設定流量為10～100 L/h時，流量輸出較為均勻，而且精準度較高。機械計量泵流量波動相對較大，在10 L/h的工況下，機械計量泵投加流量波動已遠大于5%。

圖8 兩種泵的流量測試對比Fig.8 Comparison of Flow Test of Different Pumps

經研究，機械計量泵的結構比較簡單，利用電機帶動頂桿運轉，促使隔膜前后撓曲變形，達到液體輸送的目的，可以通過手動調節沖程長度或使用變頻器改變電機轉速的方式控制出液流量。而數字計量泵的工作原理是使用異步電機調節沖程長度或頻率，吸入行程時的速度保持穩定，計量沖程的持續時間可持續延長。數字計量泵以全沖程長度運行，精準度較高，另外，在實際調整流量過程中，數字計量泵操作簡單，無需調節沖程和頻率，還可以根據外部模擬信號進行計量，更有利于智能化改造。

為驗證數字計量泵在真實生產中的實用性，Z水廠選用常用的NaClO稀液投加方式(有效氯質量分數為5%)進行加氯對比試驗。通過追蹤清水庫余氯變化情況，比較數字計量泵和機械計量泵的投加效果，具體結果如圖9所示。數字計量泵投加的清水庫出水余氯標準差相對較小，出水余氯較為穩定，運行較好。經分析，Z水廠靠近主城區，城市管網調壓效果明顯，出廠水的時變化系數較大。結合上述分析，數字計量泵的量程比較大，且出液較為均勻，在夜間低流量的工況下加氯更為平穩。

圖9 兩種泵的投加效果對比Fig.9 Comparison of Dosing Effects of Different Pumps

試驗結果表明，雖然數字計量泵出水穩定，但兩者的藥耗卻無明顯差異。數字計量泵氯耗(1.63 mg/L)≈機械計量泵氯耗(1.67 mg/L)。經分析，Z水廠以炭濾后NaClO投加為主要消毒方式，但僅能在清水庫出水口處檢測水體余氯變化情況。NaClO投加反饋時間為1.5～3.5 h，由于加藥反饋滯后，職工多以經驗值和氯耗試驗結果進行投加作業。目前的加藥方式受到人為因素的干擾，無法即時精準地核算出實際加藥量，因此，在本次對比試驗中，兩種泵的加藥量無明顯差異。建議后期改進加藥方式，通過添加數學分析模型、多變量智能算法等方式，優化加藥控制系統，形成全自動NaClO投加方式。

此外，當出水余氯顯著增高后，消毒副產物中的二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷、三溴甲烷、三鹵甲烷濃度均有所上升[15]。由此可見，為減少消毒副產物的生產，可以提高設備的投加精度，確保出水水質平穩。

3.3 改造后水質變化情況

Z水廠NaClO投加系統改造完成后，對出廠水的各項水質指標進行持續跟蹤，具體檢測結果如表2所示。雖然一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三氯甲烷略微波動，但是出水水質符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的相關要求。另外，運行過程中無管道堵塞現象發生，NaClO投加系統運行正常。

表2 改造后出水的水質指標Tab.2 Water Quality Indices of Treated Water after Reconstruction

4 結論與建議

(1)對于NaClO結垢物以CaCO3為主的水廠，離子交換樹脂技術對水質的軟化效果較好，且運行穩定、成本較低，利用軟水稀釋NaClO會抑制結垢物的生成。

(2)采用軟水稀釋NaClO和管道定期沖洗的方式，可有效解決CaCO3結晶問題；新增備用管道后，NaClO投加系統的安全備用系數有所提升。

(3)數字計量泵投加精度較高，出水余氯波動較小，但受到人為因素干擾，數字計量泵的優勢并未完全體現。可進一步引入人工智能算法，對水體水質變化和計量泵運行參數形成閉環分析管理，創建智能加藥模式。

(4)國內水務行業正面臨現代化建設和智能化轉型。建議以NaClO消毒原理和水源地水質特性參考為依據，指導自來水廠加氯車間技改工作，確保智慧化加藥系統運行穩定可靠，減少后期設備維護工作，達到無人值守的目標。