一種自動(dòng)排氣裝置在自來水廠次氯酸鈉投加管線中的應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TU991

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著飲用水安全標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)升級(jí)，次氯酸鈉憑借消毒性能穩(wěn)定、副產(chǎn)物可控等顯著優(yōu)勢(shì)，在自來水廠消毒工藝中得到廣泛應(yīng)用，成為保障公共用水安全的核心技術(shù)手段。然而，大規(guī)模的應(yīng)用導(dǎo)致次氯酸鈉投加系統(tǒng)的運(yùn)行問題逐漸暴露，其中管線氣體積聚已成為制約工藝效能的關(guān)鍵因素。氣體不僅干擾計(jì)量設(shè)備正常運(yùn)行，導(dǎo)致投加量失準(zhǔn)，嚴(yán)重影響消毒效果，威脅供水安全，還會(huì)引發(fā)氣蝕現(xiàn)象，加速投加泵等設(shè)備損耗，大幅增加運(yùn)維成本，甚至干擾水廠連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。因此，解決排氣技術(shù)難題，對(duì)保障次氯酸鈉投加系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行與供水安全具有重要意義。

現(xiàn)有次氯酸鈉投加管線排氣技術(shù)存在明顯局限性，普遍面臨排氣效率低、工況適應(yīng)性差等問題，難以滿足不同水廠在復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下的精準(zhǔn)控制需求。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本研究結(jié)合新建及改造水廠的工程實(shí)踐，深入剖析現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，提出一種次氯酸鈉投加管線排氣裝置。通過優(yōu)化排氣裝置設(shè)計(jì)與智能控制策略，實(shí)現(xiàn)氣體的高效快速排出，為提升水廠運(yùn)行效能、保障供水安全提供切實(shí)可行的技術(shù)解決方案。

1水廠中次氯酸鈉的應(yīng)用

傳統(tǒng)的自來水廠大多采用氯氣消毒方式，但氯氣是劇毒危化品，對(duì)運(yùn)輸、存儲(chǔ)和使用均有嚴(yán)格要求，使用方需耗費(fèi)大量的人力、物力，完成重大危險(xiǎn)源的建檔、應(yīng)對(duì)監(jiān)管單位的例行巡檢、開展泄漏氯氣的搶險(xiǎn)演練和維護(hù)吸收氯氣裝置等工作[1]。

近年來，為提高城市供水行業(yè)生產(chǎn)安全，降低水廠運(yùn)維成本，次氯酸鈉因消毒效果突出、具有易于存儲(chǔ)、安全風(fēng)險(xiǎn)小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各大水廠[2]。

1.1 次氯酸鈉的特性

次氯酸鈉具有刺激性氣味，易溶于水，溶液為無色或淡黃色液體，俗稱漂白水，溶液具有強(qiáng)氧化性，會(huì)對(duì)人體皮膚造成傷害。 10% 的次氯酸鈉溶液不穩(wěn)定，在光照和高溫的作用下會(huì)迅速分解，有效氯濃度會(huì)隨著溫度的升高而降低，一般稀釋至 5% 以下存儲(chǔ)。

1.2 消毒原理

次氯酸鈉和氯氣具有相同的消毒原理，均是與水混合后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成次氯酸[3]。其中部分次氯酸水解后還會(huì)進(jìn)一步分解，形成鹽酸和氧氣，化學(xué)方程式分別為：

NaClO+H₂O=HClO+NaOH

2HClO=2HCl+O₂↑

次氯酸鈉具有強(qiáng)氧化性，能使細(xì)菌和病毒的蛋白質(zhì)變性，從而殺死水中的細(xì)菌、病毒等微生物，確保自來水的微生物指標(biāo)符合國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，保障飲用水安全。

在自來水的輸送過程中，次氯酸鈉分解產(chǎn)生的次氯酸等物質(zhì)能夠持續(xù)存在于水中，對(duì)可能滋生的細(xì)菌等微生物起到持續(xù)的抑制和殺滅作用，防止自來水在管網(wǎng)輸送過程中受到二次污染。

2 次氯酸鈉投加系統(tǒng)

2.1 投加系統(tǒng)工藝

次氯酸鈉的投加系統(tǒng)由配藥系統(tǒng)和投加系統(tǒng)兩部分組成。配藥系統(tǒng)一般由軟水系統(tǒng)、卸料泵、液位計(jì)、電動(dòng)閥等設(shè)備組成，主要負(fù)責(zé)稀釋次氯酸鈉溶液。投加系統(tǒng)由磁力泵組、閥流模組等設(shè)備組成，主要負(fù)責(zé)將制備好的溶液準(zhǔn)確地投至投加點(diǎn)。

自來水廠規(guī)模、工藝、參數(shù)等存在差異，投加點(diǎn)的組成會(huì)存在區(qū)別。投加系統(tǒng)如圖1所示。

圖1次氯酸鈉投加系統(tǒng)示意圖

2.2 存在的問題

通過對(duì)諸多新建及技術(shù)改造水廠項(xiàng)目的維保回訪，發(fā)現(xiàn)消毒系統(tǒng)投人運(yùn)行初期，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，投加管道及設(shè)備均會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕滲漏、結(jié)晶堵塞、氣阻卡滯等故障，給生產(chǎn)帶來安全隱患。圖2為次氯酸鈉管道結(jié)垢情況。

圖2次氯酸鈉管道結(jié)垢

2.3 原因分析

結(jié)晶及結(jié)垢的產(chǎn)生主要和次氯酸鈉的化學(xué)特性相關(guān)。在實(shí)際場(chǎng)景中，水廠處理的源水、空氣中的水蒸氣會(huì)與次氯酸鈉發(fā)生一系列復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，具體反應(yīng)過程如下：

首先，次氯酸鈉（NaCIO）與水（ H₂O ）反應(yīng)生成次氯酸（HCIO）和氫氧化鈉（NaOH），化學(xué)方程式如式（1）。其次，次氯酸鈉會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，生成氯化鈉（NaC1）和氧氣（ （O₂） ），化學(xué)方程式為：

2NaClO?2NaCl+O₂↑

另外，式（1）反應(yīng)生成的 ΔNaOH 會(huì)與空氣中的二氧化碳（ CO₂ ）反應(yīng)，生成碳酸鈉（ Na₂CO₃ ）和水（ H₂O ），化學(xué)方程式為：

2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O

源水中含有 Ca²⁺，Mg²⁺ ，會(huì)與消毒系統(tǒng)投加管線中的碳酸根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)方程式為：

Ca²⁺+CO₃^2-=CaCO₃

Mg²⁺+CO₃^2-=MgCO₃

根據(jù)以上化學(xué)反應(yīng)可以得出，設(shè)備連接處因滲漏產(chǎn)生的結(jié)晶，主要是由次氯酸鈉自身分解形成的，其主要成分是NaCl。而管道內(nèi)壁及加注口產(chǎn)生的結(jié)垢，主要是由次氯酸鈉發(fā)生水解形成的，其主要成分是 CaCO₃ 和 MgCO₃ 。

氣阻的產(chǎn)生主要和次氯酸鈉的物理特性相關(guān)，因?yàn)榇温人徕c受光照和溫度的影響會(huì)發(fā)生分解。其溶液濃度和存儲(chǔ)條件決定了次氯酸鈉分解的速度，當(dāng)溶液濃度高且存儲(chǔ)條件為高溫、低壓時(shí)，其分解速度快，反之則較慢[4]。次氯酸鈉水解形成的次氯酸，還會(huì)再次分解形成鹽酸和氧氣，化學(xué)方程式如式（1）、式（2）所示。

最后，水解產(chǎn)生的次氯酸還會(huì)與分解產(chǎn)生的鹽酸發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生氯氣，化學(xué)方程式如下所示：

HClO+HCl=H₂O+Cl₂↑

次氯酸鈉經(jīng)各種復(fù)雜反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，在投加過程中隨藥劑進(jìn)入投加管道。管道中聚集過多氣體，將導(dǎo)致設(shè)備穩(wěn)定性降低甚至出現(xiàn)故障，直接影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3 解決措施

結(jié)合多年對(duì)水廠智能加藥消毒系統(tǒng)的維保經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)水廠投加次氯酸鈉而產(chǎn)生結(jié)垢、排氣、腐蝕等問題，從材料的選擇、自動(dòng)排氣裝置兩方面提出改進(jìn)措施。

3.1 材料的選擇

次氯酸鈉是一種堿性強(qiáng)氧化劑，根據(jù)化工手冊(cè)及施工現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況可知，三元乙丙橡膠 （EPDM）材質(zhì)的密封件能有效地抵抗對(duì)次氯酸鈉投加管線的腐蝕，保證設(shè)備的良好運(yùn)行[5]。

傳統(tǒng)的PVC管材質(zhì)地較脆、管壁較薄，采用耐腐蝕性更好的UPVC化工管材，防止管材被腐蝕滲漏。

3.2 自動(dòng)排氣裝置

3.2.1 原理

為解決次氯酸鈉投加管線排氣問題，研制一種自動(dòng)排氣裝置，該裝置由藥劑管道、罐體、連接管、排氣管、第一電動(dòng)球閥、第二電動(dòng)球閥、液位開關(guān)、可編程（PLC）控制柜、儲(chǔ)氣罐、投加泵組成，如圖3所示。

圖3自動(dòng)排氣裝置工藝

當(dāng)高液位開關(guān)感應(yīng)到罐體內(nèi)液位到達(dá)高液位時(shí)，PLC控制柜收到高液位信號(hào)，判斷罐體內(nèi)氣體較少，為正常狀態(tài)；當(dāng)?shù)鸵何婚_關(guān)感應(yīng)到罐體內(nèi)液位到達(dá)低液位時(shí)，PLC控制柜收到低液位信號(hào)，判斷罐體氣體較多，需要進(jìn)行自動(dòng)排氣。

第一電動(dòng)球閥為常開狀態(tài)，排氣時(shí)表示不影響正常的次氯酸鈉投加，先關(guān)閉第一電動(dòng)球閥，待第一電動(dòng)球閥處于全關(guān)狀態(tài)后，開啟第二電動(dòng)球閥，進(jìn)行卸壓，持續(xù)10s后關(guān)閉第二電動(dòng)球閥，再開啟第一電動(dòng)球閥。

系統(tǒng)檢測(cè)罐體內(nèi)液位是否到達(dá)高液位，如未到達(dá)，繼續(xù)上述步驟循環(huán)進(jìn)行，直至罐體內(nèi)空氣排盡，罐體內(nèi)液位到達(dá)高液位后，PLC控制柜收到反饋，自動(dòng)排氣程序停止，此時(shí)還是保持第一電動(dòng)球閥常開，讓其對(duì)藥劑管道內(nèi)的氣體進(jìn)行氣液交換，保證管路內(nèi)部無較多氣體。

3.2.2 應(yīng)用案例

將前文提出的排氣裝置應(yīng)用于蔡甸某自來水廠的日常生產(chǎn)運(yùn)作。

通過對(duì)該水廠投加系統(tǒng)流量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析可知，在未安裝排氣裝置時(shí)，次氯酸鈉的投加流量波動(dòng)幅度較大，可達(dá) 20L 左右。而在水廠次氯酸鈉投加系統(tǒng)加裝自動(dòng)排氣裝置后，該問題得到顯著改善，投加流量的波動(dòng)范圍縮小至僅3L左右。由此可見，該排氣裝置有效保障了投加系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，大幅提升了投加精度，極大地提高了水廠投加系統(tǒng)的工作效能與穩(wěn)定性。安裝排氣裝置前后的投加系統(tǒng)流量曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4未安裝排氣裝置時(shí)流量投加曲線

圖5安裝排氣裝置后流量投加曲線

隨著排氣問題的有效解決，氣體積聚導(dǎo)致的設(shè)備故障大幅減少，投加泵等設(shè)備不再頻繁遭受氣蝕的侵害，設(shè)備維修頻次明顯降低。不僅節(jié)省了大量用于設(shè)備維修的人力、物力和財(cái)力，降低了維護(hù)成本，還使得整個(gè)自來水廠的生產(chǎn)運(yùn)營能夠更加順暢、高效地進(jìn)行，可靠性大大增強(qiáng)。

4結(jié)束語

通過針對(duì)性設(shè)計(jì)自動(dòng)排氣裝置，能夠有效排出管線內(nèi)的氣體，顯著降低管線內(nèi)氣體含量。安裝排氣裝置后，氣體積聚導(dǎo)致的投加泵氣蝕損壞、投加量不穩(wěn)定等問題得到了有效解決。同時(shí)，減少了氣體問題引發(fā)的設(shè)備維修頻次，降低了維護(hù)成本，提高了整個(gè)自來水廠生產(chǎn)運(yùn)營的效率與可靠性。

本文提出的自動(dòng)排氣裝置在自來水廠次氯酸鈉投加管線中具有顯著的應(yīng)用價(jià)值，可為相關(guān)行業(yè)在保障供水安全、優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)營等方面提供有益的參考與借鑒。然而，研究過程中也發(fā)現(xiàn)該排氣裝置在某些特殊工況下可能存在一定的適應(yīng)性問題，需進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉清華，巢猛.南方城市水廠次氯酸鈉代替液氯和投堿工藝的可行性研究[J].給水排水，2015，51（12）：26-29.

[2]張晶.關(guān)于城市自來水供水水廠消毒劑次氯酸鈉溶液的研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42（5）：84-85.

題及解決方案[J].城鎮(zhèn)供水，2018（6）：12-15.

[3]羅瑩，蔣菱，許謙，等.次氯酸鈉投加系統(tǒng)管道排氣及結(jié)垢問題的處理[J].凈水技術(shù)，2019，38（6）：25-29.

[5]曹勤，胡興利，黃曉斌，等.次氯酸鈉消毒在自來水廠中的應(yīng)用及優(yōu)化[J].中國給水排水，2016，32（15）：91-94，98.

[4]張賢，虞力.淺談次氯酸鈉投加系統(tǒng)常見問

Application of an Automatic Air Venting Device in Sodium Hypochlorite DosingPipelines at Water Treatment Plants

ZHAOFei，ZHOUJi，CHENGGuohe，WEICheng，DAIXiao （Wuhan Changjiang Kechuang Technology Development Co.，Ltd.，Wuhan ，China）

Abstract：Sodium hypochlorite has gained increasing adoption in sterilization process of water treatment plants， significantlyenhancing drinking watersafety，but its long-termapplication also leading topronouncedscaling issues indosing pipelines.Based onengineering practices from newlyconstructedandretroftted water plants，this study introducesanair venting deviceforsodium hypochlorite dosing systems.We systematicall presenttheair-elimination techniqueandits treatment measures.Ourresearch is expected toofferareference forsimilar water treatment plant to enhance operational efficiency and safety.

Key words：sodium hypochlorite；exhaust method；water treatment plant；dosing pipeline