芬頓藥劑儲罐區設計要點

劉臻臻，解 林，江雙雙，田偉漢，田寶鳳

（南京神克隆科技有限公司，江蘇南京 211100）

2015年，國家出臺《水污染防治行動計劃》。2019年，各部委出臺《城鎮污水處理提質增效三年行動方案（2019—2021年）》[1]，受大環境影響，我國關鍵省市、流域相繼出臺了更嚴格的污水地方排放標準。大多城鎮污水處理廠，尤其是含工業廢水的污水處理廠為滿足排放要求，需要提標升級。隨著工業、產業有機合成領域的發展，人工合成的復雜成鍵成環有機物種類越來越多[2]。芬頓氧化通過催化劑Fe2+催化H2O2產生HO·HO·迅速無選擇氧化污水中的難生物降解有機物。以芬頓、類芬頓工藝為核心的污水提標工程，需要用到硫酸、液堿、雙氧水三種液體藥劑，大型污水處理廠使用的藥劑量相當可觀。

濃硫酸、液堿、雙氧水是重要的商品，廣泛用于化學化工、機械加工、紡織印染、醫藥、造紙等領域，幾乎所有的工業都直接或間接地使用硫酸[3]。芬頓藥劑濃硫酸質量分數為98%，液堿質量分數32%，雙氧水質量分數27.5%。化學特性如下：98酸SO3/H2O的摩爾比約0.903，相對密度1.826 9，比水重接近一倍[4]。濃硫酸具有強烈的腐蝕性和吸水性，遇水反應激烈，沸騰放熱。液堿與酸發生中和反應并放熱。雙氧水是助燃性強氧化劑。雙氧水本身不燃，但與可燃物接觸會放出大量熱和氧氣導致燃爆。

污水廠芬頓罐區的設計應依據國家法律、法規、標準及業主要求，熟悉化工標準，對一般的市政設計院提出了更高的要求。根據濃硫酸、液堿、雙氧水的特點，對芬頓罐區的設計要點和安全等問題做了如下總結。

1 材質選擇

芬頓罐區濃硫酸、液堿、雙氧水三種藥劑是常溫儲存，且蒸汽壓力較低，采用固定頂罐，不需要設置浮頂。同時揮發性不大，不需要充氮保護。為防止外界雜質進入，硫酸、雙氧水罐頂排氣設置呼吸閥。儲罐材質要考慮一定的腐蝕裕量。

鐵和鋼對濃硫酸有良好的抵抗力，濃度越高，鋼鐵的抵抗力越好。90%以上的硫酸儲罐常采用碳鋼材質，濃硫酸的強氧化性可以使金屬鈍化，致密的金屬氧化物薄膜使濃硫酸和儲罐隔絕開，因此碳鋼儲罐不會被腐蝕。但是濃硫酸吸入空氣中的水蒸氣后，腐蝕性因濃度變低極大增加，設備的使用壽命縮短[5]。常溫氫氧化鈉溶液和濃硫酸對鋼鐵的表面化學作用一樣，不銹鋼對液堿可耐至80℃。考慮經濟性，優選碳鋼材質。雙氧水遇金屬易分解并發生劇烈反應，儲罐通常使用鈍化的不銹鋼[3]。奧氏體不銹鋼中的元素Cr易形成氧化物鈍化膜、Ni和Mo提高了不銹鋼的抗腐蝕能力。雙氧水儲罐材質一般選用316L或以上。

2 芬頓罐區設計標準

市政污水處理廠以建/構筑物為主，一般參照《建筑設計防火規范》GB 50016—2014（2018版）（后稱《建規》）[6]、《石油化工企業設計防火規范》GB 50160—2008（后稱《石化規》）[7]，主要針對工藝裝置，處理石油化工類的污水處理廠特別需要參考。常用的芬頓罐區設計標準還有《儲罐區防火堤設計規范》GB 50351—2014[8]、《化工裝置設備布置設計規定》HG/T 20546—2009[9]。另外雙氧水罐區還應參考《易制爆危險化學品儲存場所治安防范要求》GA 1511—2018[10]。

3 芬頓罐區設計要點

3.1 防火等級

根據《易制毒化學品管理條例》（2018年9月18日修正版，國辦函[2021]58號補充），98%硫酸屬于第三類易制毒化學品。根據《高毒物品目錄》（2003版），芬頓罐區的化學品不涉及高毒物品。根據《易制爆危險化學品名錄（2017年版）》，27.5%雙氧水屬于易制爆危險化學品。

芬頓罐區涉及的主要化學品的火災危險類別具體分類如表1所示。

表1 芬頓藥劑火災危險類別

3.2 管口布置

芬頓藥劑儲罐的接口一般包括：人孔、進料口、出料口、溢流口、排污口、排氣口、溢流口、現場（遠傳）液位接口。儲罐頂部排氣口安裝呼吸閥。雙氧水藥劑儲罐還包括泄壓人孔、現場（遠傳）溫度接口，可選配置緊急卸料口、緊急注水口[11]。液位計口應盡量靠近儲罐的中心位置，并且與進料口保持一定的距離，這樣可以提高儀表的精確度。

3.3 平面布置

芬頓罐區一般布置在室外地面以上，并設置防火堤。雙氧水罐區圍堰內容不小于其內部儲罐的容積[6]。防火堤、防護墻一般為鋼混閉合結構。如果三種儲罐相鄰布置，每個隔堤區域布置一種藥劑。圍堰內儲罐數量在2個以上時，應在防火堤的相對方位上設置兩組以上人行臺階或坡道，隔堤均應設置人行臺階。

雙氧水作為乙類火災危險類別一般不與液堿儲罐同組布置[12]。藥劑儲罐的容量最好不要大于《危險化學品重大危險源辨識》（GB 18218—2018）重大危險源辨識物質儲存單元的臨界量。

儲罐間的間距應符合《建規》4.2.2要求，≥0.75D。雙氧水儲罐25m半徑內沒有架空電力線。不大于1 000m3的液體儲罐與其泵房、裝卸鶴管的防火間距≥11.25m。卸料泵區和加藥泵區根據總圖情況既可以布置在同一區域，也可以分開布置。防火堤內側基腳線至立式儲罐外壁水平距離大于等于罐壁高度的一半，防火堤外側基腳線至相鄰建筑的距離≥10m。

防火堤內的排水排液可以通往事故池，圍堰內的地面應坡向排水溝，排水溝應坡向集水坑，且坡度不小于3%。防火堤、隔堤內壁、排水溝、集水坑應進行耐酸堿防腐處理。加藥泵區、卸藥泵區貼耐酸堿瓷磚。

3.4 泵和管道布置

泵的選型一方面根據污水處理廠工藝參數，一方面應符合硫酸、液堿、雙氧水的化學特性[12]。卸料泵一般選用化工泵。加藥泵根據流量可選擇磁力泵、機械隔膜計量泵，并要求變頻。

芬頓罐區和泵房配管要求集中布置或者對稱布置，這樣可以預留檢修通道便于巡檢操作，同時預留20%左右的位置給儀表電纜和電氣電纜[13]。儲罐的出口安裝金屬軟管，金屬軟管兼具柔性和剛性，預防儲罐基礎和管道的不均勻沉降，或地震時對儲罐造成撕裂破壞。管架上的管道可以通過彎頭改變走向來吸收管道的熱膨脹，或通過在儲罐上設置膨脹口、在管道上設置補償器以滿足需要。

進出儲罐的管道盡量減少出現交叉，避免氣象平衡管道產生U形彎造成液封[14]。芬頓罐區管道安裝完成后進行焊縫致密性檢查，加藥單元管線、設備、儀器儀表等全方位包裹防護。穿越芬頓罐區的管道、電纜宜從防火堤上部跨越或從地面以下穿過。必須從防火堤中穿過的，應預埋剛性防水套管并采用不燃燒材料封堵。

3.5 事故池

芬頓罐區附近可設置事故應急池，用于儲藥罐體泄漏時臨時存液，防止危化品流散。藥劑儲罐區、加藥泵區、卸藥泵區設置地溝收集事故排放廢水，廢水沿地面抹灰坡度高差流入四周的排水溝，再通過預埋管流至事故應急收集池，然后泵送至污水廠前端調節池或其他處理設施。防火堤內的雨水或事故液通過閥門自動切換導流，雨水經雨水管、窨井排入外部環境。

3.6 儀表自動化

為了實現硫酸、液堿、雙氧水儲罐的在線監測和時時控制。儲罐上應設置液位傳感器、磁翻板液位計。雙氧水儲罐上還應設溫度傳感器，一般＜100m3的儲罐設置1個即可。卸藥泵出口、加藥泵出口、卸料罐氣象平衡管道應設電動閥門。

根據化學品儲存使用的安全要求和操作規程，設置儲罐高高液位控制回路，儲罐高高液位且罐進口閥門打開，卸料泵運行時，連鎖關閉相應卸料泵，關閉卸料泵出口電動閥門。設置儲罐低低液位控制回路，儲罐低低液位且罐出口閥門打開，加藥泵運行時，聯鎖關閉相應投藥泵、關閉投藥泵出口電動閥。雙氧水儲罐溫度傳感器和噴淋水電磁閥連鎖，夏季暴曬或異常情況超溫時，說明過氧化氫開始分解，立刻打開電磁閥，噴出大量冷水給儲罐降溫。

芬頓罐區自動化保證加藥過程的安全控制。自動化程度高則可以實現芬頓罐區設備運行狀態實時監測、遠程控制、過程數據存儲、分析、報警、打印報表等功能。通過設定自動安全連鎖，異常狀態報警、控制泵啟停、泵的變頻和加藥量、pH設置連鎖回路。根據工藝參數確定雙氧水的投加比例，根據污水要調節的pH確定硫酸、液堿投加比例，比如啟動泵投加濃硫酸時，對pH的調整采取分步降低的辦法，初始濃硫酸加藥量應由小慢慢增大，而不是由大慢慢變小。加藥泵初始啟動時考慮小流量控制，雙氧水罐區的電氣設施采用防爆型。

4 安全對策

濃硫酸、液堿儲罐應相鄰布置，發生泄漏事故時可臨時切換泵區管路，用液堿（濃硫酸）來中和濃硫酸（液堿），以降低化學品危害。儲罐區應配套洗眼器，洗眼器的保護半徑為15m，芬頓罐區一般需要2個。罐區除配置常規滅火器外，雙氧水儲罐還應設置遮陽措施或冷水噴淋降溫系統，噴淋強度可取6L/（m2·min）[15]。雙氧水的分解溫度為50℃，超溫時分解反應劇烈，噴淋的同時可以打開注水口，大量清水同時流向罐體內部、沖刷罐體外部，迅速降低儲罐中雙氧水的濃度和溫度。

芬頓罐區應設置安全警示標牌。操作過程（卸藥、加藥等）應嚴格遵守規程，在整個卸藥、加藥作業過程中，操作人員都必須穿戴好防護用品，嚴禁吸煙，使用明火。如不慎接觸液體藥劑，依暴露程度按規程緊急處理，及時就醫。

大型污水處理廠的芬頓藥劑投加量大，芬頓罐區的卸料操作頻繁。卸料時先確認閥門、泵等設備都可安全工作，雙氧水、液堿泵的冷卻水都開啟，焊接處、法蘭盤連接處都無泄漏現象。接好卸料鶴管，保持鶴管呈自然彎曲狀態，在接口下方留好廢液桶防止有藥劑滴漏，開啟卸料罐的空氣連通閥門，再打開貨車卸料閥門和卸料罐進口閥門，觀察鶴管連接是否緊密，如果發現漏氣或者藥劑滴漏，必須重新加固接口的連接直到上述現象消失。待卸料罐裝滿之后，關閉排空閥，開泵卸料，注意觀察泵的運行情況，出現問題例如有異常聲響立即關泵停止卸料作業。卸料時押運員和送貨員必須在場，并有車間人員加強監督。待卸料鶴管開始抖動，卸料罐翻板液位計開始下降時，慢慢調小出口閥門保持翻板液位計穩定或緩慢下降（注意不能關得太小，最好不要低于開度的1/4），待翻板液位計接近40時，關泵（在翻板液位計低于35時必須關泵），打開卸料罐上的空氣連通閥，嚴禁在泵未關時關閉卸料罐進口閥門和車輛卸料閥門。提升卸料鶴管使管內的藥劑流入卸料罐，關閉卸料罐進口閥門，打開車輛卸料卡口，結束卸料作業。由于滴漏跑冒等現象產生的所有外泄藥劑必須得到妥善處理，廢液桶內不得有藥劑殘留。

雙氧水儲罐區還應符合《易制爆危險化學品儲存場所治安防范要求》（GA 1511—2018）規定的露天式存放場所防范要求。設置實體防范措施、視頻監控設施、入侵報警系統、出入口控制系統、防破壞設施等防范設施。

5 結束語

芬頓藥劑罐區作為污水處理廠芬頓、類芬頓法提標工藝中的一個單體，對設計人員有著較高的要求。對芬頓罐區的材質選擇、設計標準、設計要點等進行分析總結，但是仍不能做到細節無遺漏，比如設計人員要結合工程的實地情況布置罐區周圍廠內道路等，使芬頓罐區設計更加標準化與經濟化，同時提升安全性和可靠性。