現(xiàn)場制取次氯酸鈉代替氯氣在水廠消毒中的應(yīng)用

左安飛

(遵義市匯泓供水有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563000)

消毒在自來水生產(chǎn)中是非常關(guān)鍵的一步，常規(guī)自來水處理工藝有絮凝、沉淀、過濾、消毒等，當(dāng)水源水質(zhì)滿足《生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中一級水源水時，地表水可僅經(jīng)簡易處理(如過濾)、消毒即可供飲用[1]，可見水源水質(zhì)好的水體作為飲用水源時，消毒也是必不可少的。現(xiàn)自來水生產(chǎn)常用的消毒劑有Cl2、O3、Cl2O2、NaClO等。從成本及管理上看，臭氧消毒的電耗大，設(shè)備維護成本高，二氧化氯消毒的原材料鹽酸屬于管制類危險化學(xué)品，采購程序復(fù)雜，儲存環(huán)境所需防護措施多，生產(chǎn)成本遠高于氯氣和次氯酸鈉。比較而言，氯氣和次氯酸鈉是比較經(jīng)濟合理、便于管理的消毒劑。

1 概況

以南方某自來水廠為例，該水廠設(shè)計最大生產(chǎn)量3.3萬m3/d，現(xiàn)在每日生產(chǎn)量約1萬m3。源水取自30公里外水庫，經(jīng)管道輸送至該廠，流經(jīng)絮凝池(絮凝、前加氯氧化)→斜管沉淀池(沉淀)→V型砂濾池(過濾)→清水池(消毒)→二泵房→市政管網(wǎng)→用戶。從2018年6月到2019年2月使用復(fù)合二氧化氯發(fā)生器制取以氯氣為主的消毒劑用于生產(chǎn)消毒，該設(shè)備為現(xiàn)場電解飽和食鹽水制取Cl2、Cl2O2、H2O2、O3等復(fù)合型消毒氣體的消毒設(shè)備，設(shè)備制取產(chǎn)品以Cl2為主。從2019年2月開始，該水廠消毒設(shè)備改造，改用次氯酸鈉發(fā)生器為現(xiàn)場電解稀鹽水制取次氯酸鈉進行消毒。

2 氯氣、次氯酸鈉消毒原理

氯氣消毒通過與水反應(yīng)生成次氯酸，次氯酸為很小的中性分子，能擴散到帶負電荷的細菌表面，并通過細菌的細胞壁穿透到細菌內(nèi)部，氧化破壞細菌酶系統(tǒng)使細菌代謝停止死亡[2]。次氯酸鈉消毒通過自身水解成次氯酸，同樣以次氯酸進行消毒。

3 復(fù)合二氧化氯發(fā)生器與次氯酸鈉發(fā)生器介紹

3.1 復(fù)合二氧化氯發(fā)生器

主要由直流電源箱(控制面板)、發(fā)生器主機、溶鹽箱、軟水器組成。發(fā)生器主機上分陰極室和陽極室，兩室之間用電解隔膜分割開，水不能通過電解隔膜。電解時將溶鹽箱中飽和食鹽水通過循環(huán)泵輸送至陽極室進行電解，在陰極室產(chǎn)生NaOH和H2，在陽極室產(chǎn)生Cl2、Cl2O2、H2O2、O3，Cl2約占所產(chǎn)出氣體的90%，是主要消毒劑。消毒氣體通過水射器溶解在自來水中后投加到水體中。

3.2 次氯酸鈉發(fā)生器

由電源控制柜(帶PLC)、濃鹽罐、發(fā)生器主機、次氯酸鈉罐、計量泵、軟水機組成。通過直流電源將3%的稀鹽水電解，電解液收集在次氯酸鈉罐體中通過計量泵投加至水體。該套設(shè)備通過電解稀鹽水產(chǎn)生Cl2和NaOH，后Cl2和NaOH反應(yīng)生成次氯酸鈉溶液，電解過程產(chǎn)生的H2通過風(fēng)機稀釋后排出。

3.3 次氯酸鈉發(fā)生器與復(fù)合二氧化氯發(fā)生器優(yōu)缺點對比

3.3.1 可操作性

次氯酸鈉發(fā)生器較復(fù)合二氧化氯發(fā)生器自動化程度高，需人工手動操作少，僅加鹽和調(diào)整計量泵流量便能維持設(shè)備的正常運行，保證自來水消毒的濃度穩(wěn)定。

3.3.2 使用安全性

現(xiàn)場制取氯氣屬于劇毒危險化學(xué)品，設(shè)備漏氯氣風(fēng)險高，亦因自來水壓力不足時嚴重漏氯。同時補鹽時均有氯氣泄漏，對設(shè)備及附屬設(shè)施的腐蝕較大，對生產(chǎn)人員的自身安全帶來了較高的風(fēng)險。

現(xiàn)場制取次氯酸鈉溶液有效氯濃度0.5%(<5%)，不屬于危險化學(xué)品，對設(shè)備及附屬設(shè)施不存在大面積腐蝕；僅產(chǎn)生氫氣，屬于易燃易爆氣體，設(shè)備通過排氫風(fēng)機稀釋后排放，同時帶有兩個氫氣報警儀，在房間內(nèi)氫氣濃度到達限值即報警同時停發(fā)生器，安全性較高。

3.3.3 設(shè)備維護

現(xiàn)場制取氯氣發(fā)生器設(shè)備所需零配件采購難，可替代性低，更換成本偏高；設(shè)備電解室在更換電解隔膜時需強拆后再熱熔，更換維修復(fù)雜；電解隔膜易損壞，僅使用一個月更換了兩次電解隔膜，更換成本高。

現(xiàn)場制取次氯酸鈉設(shè)備所需零配件采購容易，更換成本低，且保養(yǎng)維護方便，使用壽命長。

4 成本分析

4.1 鹽消耗

鹽采購價750元/噸，兩種設(shè)備均以未加碘鹽作為原料電解制取消毒劑，根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，復(fù)合二氧化氯發(fā)生器每產(chǎn)生1 kg有效氯耗鹽4.7 kg，鹽成本3.53元/kg·有效氯。次氯酸鈉發(fā)生器生產(chǎn)1 kg有效氯耗鹽11 kg，鹽成本8.25元/kg·有效氯。

4.2 電耗

復(fù)合二氧化氯發(fā)生器持續(xù)電解，每小時耗電量約9 kW，按工業(yè)電價0.64元/kW·h計算，每小時電費5.76元，產(chǎn)生1 kg有效氯電費成本24元。

次氯酸鈉發(fā)生器每天運行約6小時，平均每小時耗電量約4 kW，按工業(yè)電價0.64元/kW·h計算，每小時電費2.56元。產(chǎn)生1 kg有效氯電費成本7.6元。

綜合用鹽及電費成本，復(fù)合二氧化氯發(fā)生器每產(chǎn)生1 kg有效氯成本27.53元，次氯酸鈉發(fā)生器每產(chǎn)生1 kg有效氯15.85元。則次氯酸鈉發(fā)生器每產(chǎn)生1 kg有效氯成本低11.68元。

5 對pH值的影響

改造前現(xiàn)場制取氯氣消毒對pH值的影響如圖1所示，氯氣消毒對pH值基本無影響，在廠內(nèi)工藝生產(chǎn)線pH值無較為明顯變化。

圖1 氯氣消毒進出廠水pH值變化Fig.1 pH value change of inlet and outlet water by Cl2 disinfection

改造后現(xiàn)場制取次氯酸鈉消毒對pH值的影響如圖2所示，從3個月進出水pH值變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計可看出，出廠水pH值均高于進廠水，pH值在廠內(nèi)工藝生產(chǎn)線呈現(xiàn)上升趨勢。從圖1和圖2對比可得出，pH值上升是將氯氣消毒改為次氯酸鈉消毒后產(chǎn)生的，可看出次氯酸鈉消毒對水體pH值有升高作用。從圖3看出進出水pH值相差0.05到0.25，在投加次氯酸鈉消毒后水體pH值上升約0.1。

圖2 NaClO消毒進出廠水pH值變化Fig.2 pH value change of inlet and outlet water by NaClO disinfection

圖3 NaClO消毒進出水pH差值變化Fig.3 Variation of pH value difference between inlet and outlet water by NaClO disinfection

6 需氯量對比

根據(jù)2018年9月和10月氯氣作為消毒劑繪制出濾后水余氯和出水余氯變化情況如圖4，得出需氯量如圖5。從圖4和圖5可以看出，氯氣消毒時需氯量大，需氯量在0.25 mg/L左右。

圖4 氯氣消毒余氯變化Fig.4 Change of residual chlorine by Cl2 disinfection

圖5 氯氣消毒需氯量變化Fig.5 Change of chlorine requirement by Cl2 disinfection

同時繪制2019年9月和10月以次氯酸鈉作為消毒劑濾后水余氯和出水余氯變化情況如圖6，得出需氯量如圖7。從圖中變化情況可以得出次氯酸鈉對水體消毒需氯量小，需氯量在0.06 mg/L左右。

圖6 次氯酸鈉消毒余氯變化Fig.6 Change of residual chlorine by NaClO disinfection

圖7 次氯酸鈉消毒需氯量變化Fig.7 Change of chlorine requirement by NaClO disinfection

該自來水廠全年水質(zhì)較為穩(wěn)定，濁度波動基本在3NTU以內(nèi)。結(jié)合氯氣和次氯酸鈉消毒實際情況，在投加消毒劑時，因氯氣僅部分溶解于水體且不穩(wěn)定，在工藝生產(chǎn)線有部分溢出，所以氯氣的需氯量遠高于次氯酸鈉。為保證出水余氯濃度達標(biāo)，投加氯氣所需投加量需高于次氯酸鈉投加量，則采用次氯酸鈉消毒減少了消毒劑用量，更為經(jīng)濟有效。

7 結(jié)論

目前次氯酸鈉消毒工藝已不間斷運行快一年了，設(shè)備改造后次氯酸鈉消毒對消毒劑濃度控制簡

單便捷，大大提高了對出水余氯的可控性。整套設(shè)備的故障率低，對環(huán)境空間無氯氣直接排放，設(shè)備安全系數(shù)高，自動化程度高，操作控制簡單方便，檢修維護作業(yè)量不大。能有效保證水廠的消毒安全，同時也能防止水廠的生產(chǎn)安全隱患問題。

綜合用鹽及電耗成本，使用現(xiàn)場電解次氯酸鈉消毒降低了生產(chǎn)成本，每產(chǎn)生1 kg有效氯比復(fù)合二氧化氯發(fā)生器制取消毒劑節(jié)約了11.68元。

次氯酸鈉消毒對水體pH值有上升作用，源水pH值較高水質(zhì)不適宜用該消毒方法，對pH值較低、需升高pH值水質(zhì)，使用次氯酸鈉消毒能略微調(diào)節(jié)pH值。

次氯酸鈉消毒液投入水體后比氯氣溢出量小，感官刺激性小，氯味較氯氣消毒明顯減弱，口感有所提高。同時從需氯量對比可得出，投加次氯酸鈉消毒可減少消毒劑的用量，節(jié)約了消毒劑成本。