幾種氯化消毒劑在凈水廠中的應(yīng)用

林少云

在凈水廠的生產(chǎn)過(guò)程中，消毒是必不可少的一道工序和環(huán)節(jié)，可去除水中的細(xì)菌、病毒和藻類，控制輸水管道中病菌的生長(zhǎng)，防止病菌傳播，提高供水安全性。常見(jiàn)的凈水廠消毒技術(shù)有氯化消毒、紫外消毒和臭氧消毒。筆者針對(duì)氯化消毒中常用的液氯、次氯酸鈉和二氧化氯三種消毒劑在凈水廠的應(yīng)用的原理、工藝特點(diǎn)和投加制備系統(tǒng)等展開(kāi)討論和比較，為行業(yè)應(yīng)用提供參考。

一、液氯消毒

液氯消毒是當(dāng)前國(guó)內(nèi)凈水廠最常見(jiàn)的一種消毒工藝。凈水廠采購(gòu)液化后的氯氣瓶，使用時(shí)通過(guò)過(guò)濾及蒸發(fā)裝置轉(zhuǎn)化為氯氣進(jìn)行投加。

（一）液氯消毒原理

液氯的消毒原理是將氯氣溶于水后，和水發(fā)生反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的次氯酸，可進(jìn)行消毒，化學(xué)反應(yīng)方程式為：Cl2+H2O=H++Cl-+HOCl。

（二）液氯消毒的特點(diǎn)

優(yōu)勢(shì)：①技術(shù)成熟。②設(shè)備簡(jiǎn)單。③運(yùn)行成本低，約為3．5元/千噸。④殺菌持續(xù)效果好。

劣勢(shì)：①劇毒，需要嚴(yán)密的安全管理制度和應(yīng)急處理設(shè)施。②產(chǎn)生具有“三致”作用的副產(chǎn)物。

（三）液氯消毒系統(tǒng)

凈水廠中液氯消毒一般采用真空投加，投加系統(tǒng)的設(shè)備為：氯瓶→繞性銅管→歧管組件→過(guò)濾及蒸發(fā)裝置→真空調(diào)節(jié)器及自動(dòng)切換裝置→加氯機(jī)→水射器→投加點(diǎn)加注頭，液氯投加工藝圖如圖1所示。

圖1 液氯消毒系統(tǒng)示意圖

① 氯瓶。氯瓶是液氯存儲(chǔ)設(shè)備，通常分為0．5噸和1噸兩種，常溫下壓力為0．5～0．6MPa。氯瓶出口分為氣相和液相，可分別引出氣態(tài)和液態(tài)氯氣。常溫下每個(gè)1噸氯瓶蒸發(fā)量不超過(guò)10kg/h，因此在使用氣態(tài)氯氣時(shí)，應(yīng)根據(jù)投加量增加系統(tǒng)所掛氯瓶數(shù)量。但氯瓶數(shù)量增多，會(huì)導(dǎo)致正壓管道上的壓力增大，易造成真空調(diào)節(jié)器超壓泄漏。因此，通常每組氯瓶數(shù)量不超過(guò)5個(gè)為宜，并在歧管上加裝減壓閥，使真空調(diào)節(jié)器壓力保持在0．3MPa左右。

當(dāng)每組5個(gè)氯瓶無(wú)法滿足使用要求時(shí)，則可通過(guò)氯瓶液相出口引出液氯，經(jīng)過(guò)繞性銅管和歧管進(jìn)入氯氣專用蒸發(fā)器進(jìn)行氣化，同時(shí)配備防爆缸。在繞性銅管與氯瓶角閥連接處，增加一套軛鉗，以防止更換氯瓶時(shí)銅管中的正壓氯氣（液相投加時(shí)是液氯）溢出，發(fā)生危險(xiǎn)。

② 真空調(diào)節(jié)器及自動(dòng)切換裝置。真空調(diào)節(jié)器一般由正壓腔、真空腔和排放腔組成。正壓腔與真空腔之間配備一個(gè)錐閥，并由彈簧預(yù)緊。通過(guò)水射器產(chǎn)生的真空度來(lái)驅(qū)動(dòng)膜片，自動(dòng)調(diào)節(jié)錐閥的開(kāi)度控制氯氣的通過(guò)量。當(dāng)錐閥故障或真空調(diào)節(jié)器進(jìn)口壓力過(guò)大時(shí)，氯氣通過(guò)安全閥進(jìn)入排放腔泄壓，保證后續(xù)PVC管道及加氯機(jī)等設(shè)備安全。氯氣經(jīng)過(guò)真空調(diào)節(jié)器后，管道由正壓變?yōu)樨?fù)壓，因此管道從金屬管道變?yōu)镻VC管道。由于氯氣具有腐蝕性，正壓金屬管道建議采用低碳鋼或銅，杜絕使用不銹鋼等合金材料。

自動(dòng)切換裝置可配置在真空調(diào)節(jié)器前后，通過(guò)電接點(diǎn)壓力表感應(yīng)管路上的壓力來(lái)控制電動(dòng)球閥開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，以保證氯瓶使用完時(shí)還處于正壓狀態(tài)。當(dāng)自動(dòng)切換裝置配置在真空調(diào)節(jié)器前，為正壓切換方式，采用該切換方式，預(yù)備組氯瓶歧管上的電動(dòng)球閥處于關(guān)閉狀態(tài)，正壓氯氣未作用于真空調(diào)節(jié)器錐閥上，不會(huì)導(dǎo)致錐閥泄露，造成真空調(diào)節(jié)器漏氯，運(yùn)行可靠。但是該方式安裝維護(hù)復(fù)雜，成本較高，也有凈水廠將自動(dòng)切換裝置安裝于真空調(diào)節(jié)器后的PVC管路上，采用負(fù)壓切換。

③ 加氯機(jī)。一般大中型凈水廠采用的是柜式加氯機(jī)，主要由流量調(diào)節(jié)閥、差壓調(diào)節(jié)器和刻度轉(zhuǎn)子流量計(jì)等部件組成。流量調(diào)節(jié)閥內(nèi)配有V型槽閥，內(nèi)設(shè)有V型槽閥塞，通過(guò)伺服電機(jī)或手動(dòng)調(diào)節(jié)控制閥塞在上下動(dòng)作形成特定孔徑以對(duì)應(yīng)投加量。差壓調(diào)節(jié)器采用的是隔膜、錐閥及彈簧結(jié)構(gòu)，通過(guò)隔膜驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)錐閥大小來(lái)補(bǔ)償由于水射器真空度變化對(duì)投加量產(chǎn)生的影響?？潭绒D(zhuǎn)子流量計(jì)用于計(jì)量顯示投加量。

加氯機(jī)的自動(dòng)控制器分為流量比例控制和復(fù)合環(huán)路控制，對(duì)應(yīng)凈水廠前加氯和后加氯。流量比例控制器根據(jù)進(jìn)水流量，通過(guò)加氯機(jī)流量調(diào)節(jié)閥伺服電機(jī)調(diào)節(jié)氯氣投加量。復(fù)合環(huán)控制器可接收濾后水流量計(jì)信號(hào)和余氯信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)雙回路控制。

加氯機(jī)投加量輸出一般是通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度信號(hào)輸出，由于使用一段時(shí)間后開(kāi)度調(diào)節(jié)閥會(huì)出現(xiàn)磨損，因此開(kāi)度輸出信號(hào)一般與刻度轉(zhuǎn)子流量計(jì)顯示值偏差較大，因此現(xiàn)有部分加氯機(jī)生產(chǎn)廠家在刻度轉(zhuǎn)子流量計(jì)后加裝浮子掃描儀進(jìn)行投加量輸出。

④ 水射器。水射器設(shè)有防回水功能，防止壓力水進(jìn)入加氯系統(tǒng)造成損壞。水射器正常工作需保證進(jìn)出口存在0．25mpa的壓力差，因此，水射器出口水頭損失要小，一般大中型凈水廠采用遙裝，即水射器安裝位置位于投加點(diǎn)附近。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉投加系統(tǒng)示意圖

二、次氯酸鈉消毒

次氯酸鈉是一種高效、廣譜、安全的消毒。研究表明次氯酸鈉消毒比液氯消毒更安全，有利于降低水中消毒副產(chǎn)物的生成水平，也可消除用氯產(chǎn)生的安全隱患，因此，凈水廠采用次氯酸鈉替代液氯逐漸成為一種趨勢(shì)。凈水廠中使用次氯酸鈉消毒一般采用成品次氯酸納投加和電解食鹽水制備次氯酸鈉投加兩種形式。

（一）次氯酸鈉消毒原理

次氯酸鈉消毒原理與液氯相似，是次氯酸根與水反應(yīng)生成氫氧根和次氯酸，次氯酸即有效的消毒劑，反應(yīng)方程式如下：ClO-+H2O=OH-+HClO

（二）次氯酸鈉消毒特點(diǎn)

優(yōu)勢(shì)：① 安全、方便。② 消毒效果持續(xù)性好。

劣勢(shì)：① 運(yùn)行成本高，約為液氯消毒的3～4倍。廈門(mén)某凈水廠，次氯酸鈉消毒成本達(dá)到12．43元/千噸，約為液氯消毒的3．6倍。② 成品次氯酸鈉儲(chǔ)存時(shí)間短，運(yùn)輸量大。

（三）成品次氯酸鈉投加系統(tǒng)

成品次氯酸鈉一般向氯堿廠直接采購(gòu)食品級(jí)的次氯酸鈉溶液，用泵直接投加。這種投加方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、操作方便、使用安全可靠。成本次氯酸溶液有效氯含量為10%，隨著儲(chǔ)存時(shí)間延長(zhǎng)，有效氯會(huì)衰減，副產(chǎn)物氯酸鹽會(huì)增多。因此，一般凈水廠儲(chǔ)量以30天用量為宜。投加方式一般有計(jì)量泵投加和恒壓電動(dòng)投加兩種。

① 計(jì)量泵投加。在投加點(diǎn)直接用計(jì)量泵進(jìn)行投加。當(dāng)凈水廠未滿負(fù)荷生產(chǎn)且水質(zhì)較好時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)流量微小的情況；當(dāng)水質(zhì)劣化時(shí)，需大流量投加，對(duì)計(jì)量泵投加的準(zhǔn)確性要求較高，應(yīng)盡量選用調(diào)節(jié)比較大的數(shù)字計(jì)量泵。這種投加方式結(jié)構(gòu)直觀簡(jiǎn)單，安裝操作方便，自控系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資小，廣泛運(yùn)用于各凈水廠。

② 恒壓電動(dòng)投加。是采用大流量的耐腐蝕離心泵與電動(dòng)調(diào)流錐閥相配合，通過(guò)離心泵加壓、調(diào)流閥泄壓的方式將藥液干管保持在一個(gè)恒定的壓力，再通過(guò)一臺(tái)電動(dòng)調(diào)流錐閥對(duì)應(yīng)一個(gè)投加點(diǎn)進(jìn)行加藥，實(shí)現(xiàn)線性投加。這種投加方式由于控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，設(shè)備投入大，隨著數(shù)字計(jì)量泵技術(shù)的成熟，現(xiàn)在應(yīng)用較少。

（四）現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉投加系統(tǒng)

電解食鹽水制備次氯酸鈉溶液是采用無(wú)膜電解法，用水將食鹽稀釋至3%左右（不同設(shè)備生產(chǎn)廠家可能有所區(qū)別）進(jìn)行電解，產(chǎn)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(xué)原料無(wú)危險(xiǎn)性，容易儲(chǔ)備，制備的次氯酸鈉溶液為新鮮藥劑，不易揮發(fā)，消毒效果好。

投加系統(tǒng)包括原料（食鹽）存儲(chǔ)部分、原料喂料部分、制備部分、產(chǎn)物存儲(chǔ)、投加部分及控制部分，系統(tǒng)示意圖如圖2所示。該系統(tǒng)中溶鹽罐需保證罐中鹽液始終處于飽和狀態(tài)，因此系統(tǒng)工作時(shí)罐底必須保持一定厚度的未溶解食鹽并定期進(jìn)行曝氣或采用回流泵進(jìn)行攪動(dòng)。

三、二氧化氯消毒

二氧化氯是一種新興的消毒劑，因其具有高效、安全、無(wú)毒等特點(diǎn)，逐步成為凈水廠消毒技術(shù)的第一選擇。

（一）二氧化氯消毒原理及標(biāo)準(zhǔn)

二氧化氯在水中通常以分子形態(tài)存在，能進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)部，氧化酶、DNA或RNA，影響細(xì)菌的生理機(jī)制、迅速死亡。

反應(yīng)原理：

5NaClO2+4HCl=4ClO2+5NaCl+2H2O

2NaClO2+4HCl=2ClO2↑ +2NaCl+Cl2↑ +2H2O

使用原料：一類使用原料：亞氯酸鈉（工業(yè)一級(jí)品，含量≥85%）、工業(yè)合成鹽酸（濃度≥31%）、氯酸鈉（工業(yè)一級(jí)品，含量≥99%）、過(guò)氧化氫（工業(yè)合格品，含量≥27．5%）、次氯酸鈉10%；二類使用原料：氯酸鈉（工業(yè)一級(jí)品，含量≥99%）和工業(yè)合成鹽酸（濃度≥31%）。

參照標(biāo)準(zhǔn)：穩(wěn)定性二氧化氯溶液應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T20783-2006)要求。

（二） 二氧化氯消毒特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：① 消毒消果好、效率高、持續(xù)性好，特別是針對(duì)高藻類水，能去除土腥味，適當(dāng)降低鐵、錳的含量。② 安全，制備原料為低濃度的A、B溶液，在混合前均為安全的溶液。③ 消毒過(guò)程不產(chǎn)生“三致效應(yīng)”，基本不與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。④ 投加工藝簡(jiǎn)，僅需控制投加泵，程序易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投加。

缺點(diǎn)：① 成本高，二氧化氯含量執(zhí)行國(guó)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)1．0mg/L時(shí)，噸水成本約為0．03～0．04元，二氧化氯含量排放標(biāo)準(zhǔn)為 1．5mg/L 時(shí)，噸水成本約為 0．04～0．08元。② 亞氯酸鹽含量較高，易出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

圖3 二氧化氯投加控制界面圖

（三）二氧化氯消毒系統(tǒng)

二氧化氯消毒系統(tǒng)主要包括：A液儲(chǔ)罐、B液儲(chǔ)罐，A液投加泵及流量計(jì)、B液投加泵及流量計(jì)、投加活化器、轉(zhuǎn)子流量計(jì)及二氧化氯在線儀表組成。在應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

① 確保廠家提供的A液和B液品質(zhì)穩(wěn)定，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收，要求A液廠家必須將A液進(jìn)行沉淀過(guò)濾后供貨，否則易造成管道結(jié)晶，影響流量和投加效果。

② 通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)A液（2%二氧化氯）和B液（稀鹽酸4～6%），按1∶1進(jìn)入活化器，進(jìn)行激活。

③ 二氧化氯對(duì)管網(wǎng)、池體具有氧化作用，調(diào)試前期易造成濁度升高，二氧化氯濃度提升慢，以及亞氯酸鹽偏高等問(wèn)題，調(diào)試周期長(zhǎng)。

④ 規(guī)范操作便攜式二氧化氯測(cè)定儀，降低測(cè)量偏差范圍，建議在混合效果良好的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并定期標(biāo)定，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

⑤ 二氧化氯的氧化性強(qiáng)、反應(yīng)速度快，建議多設(shè)置投加點(diǎn)，如進(jìn)水處投加，有利于藻類、錳等處理；在清水池處后增加補(bǔ)加點(diǎn)，用于補(bǔ)充水中二氧化氯量，確保出廠水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。一般進(jìn)水二氧化氯投加點(diǎn)設(shè)計(jì)投加量約為80mg/L，濾后二氧化氯量投加在50mg/L，補(bǔ)加點(diǎn)投加量約為15mg/L。

⑥ 建議增加亞氯酸鹽的在線監(jiān)測(cè)儀表，利于控制水質(zhì)。

液氯、次氯酸鈉和二氧化氯消毒劑從安全性、經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)操作便捷性等角度，各有利弊，凈水廠需根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮和應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展情況，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)氯化消毒技術(shù)還是國(guó)內(nèi)多數(shù)凈水廠的主要選擇，但是消毒技術(shù)的研究和發(fā)展還有很多空間：① 對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行深入研究，關(guān)注和跟蹤不同消毒劑副產(chǎn)物及其他新風(fēng)險(xiǎn)。② 優(yōu)化現(xiàn)有消毒技術(shù)，進(jìn)行幾種消毒劑的串聯(lián)應(yīng)用，趨利避害。③ 隨著科技水平的提高，開(kāi)發(fā)新型、高效、安全、經(jīng)濟(jì)的消毒劑。