水務行業(yè)消毒投加系統(tǒng)的分析研究

謝艷 盧利利

摘要：對現(xiàn)有水務行業(yè)的自來水廠的不同消毒方法及其對應的投加系統(tǒng)進行分析研究，同時形成一種現(xiàn)場制備次氯酸鈉投加系統(tǒng)的技術(shù)方案，通過在自來水的實際應用情況分析進行驗證。

Abstract： This paper analyzes and researches the different disinfection methods and corresponding dosing systems of the existing waterworks， and at the same time forms a technical solution for the on-site preparation of sodium hypochlorite dosing system， which is carried out by analyzing the actual application of tap water verification.

關(guān)鍵詞：自來水;消毒;次氯酸鈉;投加系統(tǒng)

Key words： water;disinfection;sodium hypochlorite;dosing system

中圖分類號：TU991.25 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）30-0203-02

0 ?引言

消毒處理在給水處理中是保證生活飲用水的安全重要且必不可少的工藝環(huán)節(jié)，能消除水中有害微生物對人的致病作用以防止傳播疾病。因為消毒處理并不能夠?qū)⑺械乃形⑸锶繗?，所以消毒處理是在達到飲用水水質(zhì)微生物學標準的條件之下，將飲用水所導致的水介傳染病的風險降到最低，并達到可接受的水平。當前最為常用的是采用液氯消毒。

雖液氯消毒是采用氯消毒中最經(jīng)濟的選擇也最為廣泛應用，氯氣是一種強擴散性和強刺激性的有毒氣體，在我國其泄漏的安全事故時有發(fā)生，其運輸、管理和存管的安全性問題不可忽視。例如2005年京滬高速路一輛載有幾十噸液氯罐車發(fā)生交通事故導致液氯大面積泄漏，造成多人死亡、百人中毒入院。當前許多居民區(qū)離自來水廠越來越近，居民的生命財產(chǎn)安全受到威脅的可能性越來越大。此外，氣體同水體的溶解性相比溶液而言較低，氯瓶氣壓不斷變化導致其投加計量不精確;氯消毒結(jié)合有機物可能會產(chǎn)生對人健康有害的消毒副產(chǎn)物（三鹵甲烷等）。在國外美國、日本、德國等對其使用有嚴格的限制，主要將其應用于污水處理領(lǐng)域。隨著人們對水質(zhì)要求的不斷提高，對消毒方式有了更高要求：過程中盡可能減少副產(chǎn)物產(chǎn)生;符合最新頒布的安全及環(huán)保規(guī)程;系統(tǒng)具有更強的安全可靠性。綜上所述：取消液氯主張越來越多，積極尋找更安全更優(yōu)越的消毒方法和消毒劑，已成為水務工作者的重要任務之一。

1 ?消毒方法分析

1.1 消毒技術(shù)比較與成本分析

自來水廠常用的消毒技術(shù)（氯氣、臭氧和紫外線、次氯酸鈉等）：就消毒效果而言，上述幾種方式除紫外線（會出現(xiàn)重復污染）一般外其余都很好;產(chǎn)生副產(chǎn)物的方式有液氯、臭氧;運行管理存在安全風險的有二氧化氯、液氯、臭氧，其中二氧化氯、液氯方式的原材料又屬于化學危險品;無持續(xù)消毒作用的只有紫外線。根據(jù)調(diào)研并進行相關(guān)分析可知各消毒方式原材料運行成本從低到高為液氯、現(xiàn)場制備1%次氯酸鈉溶液、10%次氯酸鈉成品、二氧化氯，其中現(xiàn)場制備1%次氯酸鈉溶液方式略小于液氯。

綜上分析：從消毒設(shè)備發(fā)展趨勢看，需選擇一種更好的無毒無污染的方式。從消毒效果臭氧和次氯酸鈉都很好，臭氧滅菌快速性更好，但次氯酸鈉在水中具有更強穩(wěn)定性能充分保障水質(zhì)達標。在設(shè)備所占面積方面兩者相差無幾。從投資到運維方面，次氯酸鈉的投資成本少得多，設(shè)備運行更加穩(wěn)定，相對耗電少、管理維修更方便。綜合來看次氯酸鈉更有優(yōu)勢，用其來代替液氯越來越得到行業(yè)的認可。

1.2 次氯酸鈉溶液消毒方式分析研究

次氯酸鈉溶液溶于水，穩(wěn)定性差于氯氣。其強氧化性幾乎和氯氣相同，有輕微腐蝕性，與氯氣的消毒機理完全一致，即NaClO+H2O→HClO+NaOH。主要通過很小的中性分子次氯酸易擴散到帶負電細菌表面，通過細菌壁進入菌內(nèi)部，再通過氧化作用破壞細菌的酶系統(tǒng)，從而使細菌死亡。

其國內(nèi)外使用現(xiàn)狀：美國大多數(shù)水廠消毒方式由氯氣轉(zhuǎn)化為次氯酸鈉溶液。采用現(xiàn)場制備方式的主要有俄羅斯、德國、法國、新加坡、日本等;在國內(nèi)也有部分規(guī)模應用。

國內(nèi)次氯酸鈉溶液來源主要有：成品和采用電解方式實現(xiàn)現(xiàn)場制備。①成品：從生產(chǎn)廠商如氯堿廠購買，一般濃度約為10%;②現(xiàn)場制備：利用水、電、鹽配比形成低濃度鹽水進而再通過電解方式分解以實現(xiàn)其現(xiàn)場制備，一般有效氯為0.7～1%左右。

成品溶液特點：有工業(yè)和食品級，給水行業(yè)要求使用的是食品級10%溶液。生產(chǎn)、制取工藝要求高;對運輸衛(wèi)生要求很高;由于具有腐蝕性在操作時需注意安全并按指導手冊執(zhí)行。其濃度越高越易受pH、溫度及光照因素影響進而導致濃度衰減越快，使其不可長期貯存，不能精確控制投藥量。同時，在《危險化學品名目錄》中規(guī)定次氯酸鈉溶液[含有效氯>5%]為危險化學品;在《危險化學品安全管理條例》、《工作場所安全使用化學品規(guī)定》等相關(guān)規(guī)定要求，針對它的安全使用生產(chǎn)、儲存、運輸裝卸等方面均作了相應規(guī)定，增加相應費用。

現(xiàn)場制備溶液主要是利用水、食鹽溶解配比形成低濃度鹽水后再通過次氯酸鈉發(fā)生裝置電解后生成0.7～1%的溶液，最后通過計量泵將其投加。其特點：根據(jù)相關(guān)規(guī)定可知采用現(xiàn)場制備的溶液是安全品;其制備原料采用水與食鹽，并結(jié)合電解方法，保證了其純度、副產(chǎn)物極少;相對于成品方式，其設(shè)備一次性投入成本稍高與運行成本低;不易衰減可長期保存;相對于成品其濃度更低且穩(wěn)定性高更便于實現(xiàn)精確投加;其制備工藝安全簡單、運行管理方便。

由上述可知：相對于成品溶液而言，采用現(xiàn)場制備方式消毒的劣勢在于設(shè)備一次性投資成本高，但投資成本收回在2～3年通過其大大減少的運行費用，故綜合考慮選擇現(xiàn)場制備方式更為合理。

2 ?現(xiàn)場制備次氯酸鈉投加系統(tǒng)技術(shù)

2.1 現(xiàn)場制備次氯酸鈉投加系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要有幾部分組成，詳見圖1：其中換熱部分根據(jù)實際情況和次氯酸鈉發(fā)生器規(guī)格配置。其流程如下：水進入軟水制備部分，以降低水硬度和減少電極結(jié)垢;軟化水進入儲物體溶解精制鹽，成為飽和鹽水經(jīng)計量泵與水精確配比混合使其濃度為3%，進入次氯發(fā)生器部分電解槽;隨后溶液在直流電作用下被電解生成有效氯含量0.7～1%的次氯酸鈉溶液;將生成溶液儲存;通過計量投加泵與PLC實現(xiàn)自動計量投加。同時將該過程中產(chǎn)生的氫氣安全地排放到大氣中。

2.2 設(shè)計依據(jù)

每個NaClO分子與Cl2分子所發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移數(shù)相同，由于NaClO的分子量約是Cl2的1.05倍，則1gCl2相當于1.05gNaClO。

設(shè)定：水廠投氯量為A（單位mg/L，一般為1～3）;其水量為B（單位：萬噸/天）;次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場制備的NaClO溶液濃度約為N（一般為0.7～1%）。

則：NaClO投加量X（單位kg/h）=A*B*10000/1000/24*1.05=0.4375AB;根據(jù)X選擇相應氯產(chǎn)量的次氯酸鈉發(fā)生器。

則NaClO溶液的投加量Y（單位為L/h）為：Y=X÷N，根據(jù)Y選擇相應量程的投加計量泵。

由于其溶液濃度較低，電解過程耗水量可忽略，次氯酸鈉溶液投加量約可等同于軟水使用量，可根據(jù)Y值，預留一定余量，選擇相應的軟水器和儲存裝置。

根據(jù)次氯酸鈉發(fā)生器調(diào)研情況，生成1kg有效氯約需要4kg食鹽，根據(jù)以上公式可知：NaClO的投加量X=0.4375AB，則所需的鹽量約為：1.75AB，單位都為kg/h。根據(jù)次氯酸鈉發(fā)生器工藝流程，電解3%的鹽水得到最后的NaClO溶液，而3%的鹽水是由飽和鹽水和軟化水配比;則所需飽和鹽水量約為：5.84AB，所需軟化水量約為：52.5AB，單位都為kg/h;根據(jù)這兩個值可選擇相應量程的濃鹽水和軟水計量泵。

2.3 存儲方式比較

主要闡述整個系統(tǒng)需存儲的物質(zhì)是采用罐體或者修建池體儲存的可行性分析。

通過對系統(tǒng)中需存儲的物質(zhì)的相應特性分析和結(jié)合《中華人民共和國國家標準GB19106-2013次氯酸鈉》可知：

①軟化水和飽和鹽水存儲方式選擇：采用罐體和修建池體都可行，選擇方案主要考慮場地面積、標高及投資費用等，不需考慮防腐措施等。

②次氯酸鈉溶液的存儲方式選擇：采用罐體和修建池體都可行，選擇方案時主要需考慮場地面積、標高、防腐密閉措施及投資費用等。罐體可采取防腐材質(zhì)來實現(xiàn)，可選的防腐材質(zhì)主要有PE、PVDF等;修建池體則需在內(nèi)表面加對水質(zhì)無影響防腐材質(zhì)。

3 ?結(jié)論

根據(jù)上述進行設(shè)計現(xiàn)場制備次氯酸鈉投加系統(tǒng)應用于某水廠。在該水廠的設(shè)備投資成本：氯投加量2mg/L，水廠規(guī)模為3萬噸/天，產(chǎn)氯量3kg/h（一用一備）的投資成本大約為100萬，產(chǎn)氯量1kg/h的投資成本約為33萬。在該水廠的此系統(tǒng)運行成本：濃度0.8%溶液以折合成有效氯計算;根據(jù)該水廠運行數(shù)據(jù)即鹽價格為0.55元/kg、電費為0.66元/kWh、水費2元/m3，每kgcl的鹽耗4kg、電耗5kWh、水耗0.11m3，則運行成本為0.55*4+0.66*5+0.11*2=5.72（單位：元/kgcl，即1kg有效氯的運行成本）。

綜上采用現(xiàn)場制備次氯酸鈉投加系統(tǒng)是運行、消毒效果良好和經(jīng)濟可行的。

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作者簡介：謝艷（1988-），女，重慶人，碩士研究生，電氣工程師，研究方向為電氣及自動化、儀器儀表、機電等。