次氯酸鈉消毒系統(tǒng)及其自控系統(tǒng)的改造與應(yīng)用

梁翡玨，黃健輝，張偉杰，譚汝健

(佛山市禪城區(qū)供水有限公司，廣東 佛山 528000)

1 工程概況

近幾年國內(nèi)水廠消毒逐步從液氯消毒向次氯酸鈉消毒轉(zhuǎn)變，為尋找符合城市發(fā)展變化和實(shí)際需求的消毒方式，佛山市紫洞水廠將液氯消毒系統(tǒng)改造為次氯酸鈉消毒系統(tǒng)。紫洞水廠設(shè)計(jì)供水規(guī)模為15×104m3/d，原有消毒系統(tǒng)為液氯消毒系統(tǒng)，加氯系統(tǒng)共設(shè)有4個(gè)投加點(diǎn)，見表1。

表1 水廠投加點(diǎn)和投加量設(shè)置Tab.1 Dosing sites and dosage setting of the waterworks

工程采用濃度由10%稀釋到5%以下的成品次氯酸鈉代替現(xiàn)有液氯，最大投氯量2.5 mg/L不變，各投加點(diǎn)設(shè)計(jì)投加量不變。

次氯酸鈉消毒系統(tǒng)主要包括進(jìn)藥系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)、投加系統(tǒng)和自控系統(tǒng)，按照進(jìn)料、儲(chǔ)存、投加依次運(yùn)行，同時(shí)由自控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)過程按指令進(jìn)行控制。

圖1 次氯酸鈉消毒系統(tǒng)工藝流程 Fig.1 Process flow of sodium hypochlorite disinfection system

2 次氯酸鈉自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

次氯酸鈉自控系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)水廠消毒系統(tǒng)自動(dòng)投加功能，與原有液氯消毒系統(tǒng)相比，需進(jìn)一步提高生產(chǎn)工藝的安全性并提升智能化程度。系統(tǒng)具備二級(jí)控制功能，用戶可上位機(jī)遠(yuǎn)程操作和現(xiàn)場觸摸屏就地操作，減少人機(jī)接觸性操作，提高生產(chǎn)安全性。

2.1 系統(tǒng)選型

為統(tǒng)一操作系統(tǒng)和方便系統(tǒng)改造，次氯酸鈉控制PLC設(shè)備需接入水廠現(xiàn)有控制系統(tǒng)，通訊方式及設(shè)備選型需與現(xiàn)有控制設(shè)備保持一致。采用Schneider PLC，通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接入現(xiàn)有控制系統(tǒng)，上位機(jī)采用現(xiàn)有的自動(dòng)化組態(tài)軟件，與現(xiàn)場設(shè)備組成整個(gè)次氯酸鈉自控系統(tǒng)。

2.2 PLC站和上位機(jī)配置

改造采用Schneider Modicon M340(高性能BMX P342020)自動(dòng)化平臺(tái)的處理器，內(nèi)部用戶RAM總?cè)萘繛? MB，帶有1個(gè)用于以太網(wǎng)Modbus/TCP(10/100Mbit/s)網(wǎng)絡(luò)的RJ45連接器、1個(gè)用于Modbus串行鏈路或字符模式鏈路的RJ45連接器(RS 232C/RS 485，雙線非隔離)以及1個(gè)編程終端的微型USB接口。配備型號(hào)為CPS 2000的電源模塊，最大功率為20 W。32通道離散量輸入模塊4個(gè)(DDI 3202K)，點(diǎn)數(shù)為128點(diǎn)；32通道離散量輸出模塊2個(gè)(DDO 3202K)，點(diǎn)數(shù)為64點(diǎn)；8通道模擬量輸入模塊3個(gè)(AMI 0810)，點(diǎn)數(shù)為72點(diǎn)；8通道模擬量輸出模塊1個(gè)(AM0 0802)，點(diǎn)數(shù)為24點(diǎn)。

中控室現(xiàn)有2臺(tái)PC機(jī)作為自控系統(tǒng)的上位機(jī)，配置Microsoft Windows XP專業(yè)版系統(tǒng)，Intel奔騰雙核E5300處理器，主頻率為2.6 GHz。次氯酸鈉消毒系統(tǒng)通過Modbus接入水廠的工業(yè)以太網(wǎng)，上位機(jī)的組態(tài)軟件為Vijeo Citect工程管理器，以3D立體模型的方式展示次氯酸鈉消毒系統(tǒng)，該操作界面能監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)，以窗口形式顯示設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)，用戶可通過參數(shù)的設(shè)置調(diào)整生產(chǎn)工藝，該組態(tài)軟件還具備數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線繪制、故障報(bào)警的功能，提升水廠智能化管理水平。

3 次氯酸鈉自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

次氯酸鈉消毒系統(tǒng)主要由進(jìn)藥系統(tǒng)、軟水系統(tǒng)和投加系統(tǒng)三部分組成，運(yùn)行按照卸藥、配藥、儲(chǔ)存、投加的工藝流程依次進(jìn)行。整個(gè)過程由PLC指令進(jìn)行控制，現(xiàn)場配備了電磁流量計(jì)、磁翻板液位計(jì)、光脈沖流量計(jì)、電動(dòng)閥、軟水器、計(jì)量泵、卸藥泵、儲(chǔ)液罐等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)消毒工藝自動(dòng)化。

3.2 進(jìn)藥系統(tǒng)

進(jìn)藥系統(tǒng)主要由卸藥泵、電磁流量計(jì)、儲(chǔ)罐、磁翻板液位計(jì)、電動(dòng)閥及其管道組成。由于受到危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存監(jiān)管的限制，水廠將對(duì)外購買10%濃度的次氯酸鈉溶液，配送至廠區(qū)后馬上進(jìn)行卸藥、稀釋(次氯酸鈉濃度<5%)、儲(chǔ)存，因此需要采用配藥工藝。該系統(tǒng)有3種配藥方式，分別是流量計(jì)自動(dòng)配藥方式、液位自動(dòng)配藥方式和手動(dòng)配藥方式。

3.2.1流量計(jì)自動(dòng)配藥方式

流量計(jì)自動(dòng)配藥方式通過進(jìn)藥流量計(jì)和進(jìn)水流量計(jì)的反饋數(shù)據(jù)控制相關(guān)閥門，根據(jù)藥水比和軟水預(yù)設(shè)值同時(shí)進(jìn)行卸藥和進(jìn)軟水，系統(tǒng)會(huì)累計(jì)進(jìn)藥、進(jìn)水的流量，當(dāng)流量分別達(dá)到設(shè)定值L1、L2時(shí)關(guān)閉相應(yīng)的閥門。此方式能使次氯酸鈉原液與軟水混合更充分。

3.2.2液位自動(dòng)配藥方式

液位自動(dòng)配藥方式則是通過每個(gè)儲(chǔ)罐的磁翻板液位計(jì)來監(jiān)測(cè)液位變化，系統(tǒng)按照先進(jìn)水后進(jìn)液的順序來打開進(jìn)軟水和進(jìn)藥的閥門，當(dāng)軟水水位達(dá)到設(shè)定值H1時(shí)停止進(jìn)水，然后按照藥水比自動(dòng)控制進(jìn)藥量，總液位到達(dá)設(shè)定值H2后停止進(jìn)藥，完成配藥。

3.2.3手動(dòng)配藥方式

手動(dòng)配藥方式是工作人員手動(dòng)選擇儲(chǔ)罐和開啟相應(yīng)閥門進(jìn)藥進(jìn)水，調(diào)節(jié)設(shè)定值控制進(jìn)藥量和進(jìn)水量。

3.3 軟水系統(tǒng)

軟水系統(tǒng)是一套由工廠提供的自動(dòng)化軟化硬水裝置，利用出廠水壓力帶動(dòng)整個(gè)軟化硬水工藝。采用鈉離子交換樹脂將水中的鈣、鎂離子置換出去，軟水設(shè)備流出后則變?yōu)檐浰?。樹脂吸附一定量的鈣、鎂離子后，軟水系統(tǒng)自動(dòng)再生，通過飽和鹽水浸泡恢復(fù)樹脂的軟化能力，并排出廢液。將軟水系統(tǒng)故障報(bào)警信號(hào)、軟水處理量等信號(hào)接入自控系統(tǒng)中，實(shí)行監(jiān)測(cè)管理。

3.4 投加系統(tǒng)

投加系統(tǒng)由計(jì)量泵、光脈沖流量計(jì)、電動(dòng)閥、排氣閥、管道及其配件組成，擁有自動(dòng)切換儲(chǔ)罐、自動(dòng)投加、計(jì)量泵保護(hù)等功能。投加系統(tǒng)將根據(jù)儲(chǔ)罐配液順序投入使用，采用先配先用的原則，以免出現(xiàn)溶液存放時(shí)間過長導(dǎo)致有效氯濃度降低的現(xiàn)象。計(jì)量泵的自動(dòng)投加功能是基于原水流量按設(shè)定比例進(jìn)行，同時(shí)根據(jù)實(shí)際投加流量作為反饋量，通過預(yù)先建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行投加量調(diào)節(jié)，采用PID控制調(diào)節(jié)，使投加更加精準(zhǔn)，投加系統(tǒng)的流程見圖2。

圖2 次氯酸鈉投加系統(tǒng)工藝流程Fig.2 Process flow of sodium hypochlorite feeding system

4 效果分析

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行可靠性

次氯酸鈉消毒系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了一些問題，主要是由次氯酸鈉自身特性導(dǎo)致的。

次氯酸鈉穩(wěn)定性較差，在光照和溫度升高的條件下易分解產(chǎn)氣，產(chǎn)生管道積氣問題，進(jìn)而影響計(jì)量泵和排氣閥等設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，日常運(yùn)行中系統(tǒng)需定期排氣來解決此類問題。

次氯酸鈉易與水中鈣鎂離子發(fā)生結(jié)晶反應(yīng)，可能導(dǎo)致不常啟動(dòng)的手動(dòng)閥或投加插入管發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象。針對(duì)前一問題，需要定期開關(guān)手動(dòng)閥并加強(qiáng)軟水硬度的檢測(cè)，防止軟水硬度過大；將插入管由迎水方向改為背水方向，即可改善其結(jié)晶現(xiàn)象。

次氯酸鈉具有腐蝕性，易導(dǎo)致設(shè)備、管件被腐蝕，需將與次氯酸鈉溶液接觸的設(shè)備、管件均更換成抗腐蝕材質(zhì)。

次氯酸鈉消毒系統(tǒng)整體運(yùn)行可靠性較強(qiáng)，在充分應(yīng)對(duì)次氯酸鈉特性進(jìn)行維護(hù)的前提下，系統(tǒng)能通過遠(yuǎn)程控制精準(zhǔn)投加，使運(yùn)行人員的操作便利性得以提高，達(dá)到提質(zhì)增效的目的。

4.2 水廠整體安全性

消毒系統(tǒng)改造后，大大降低了水廠的安全風(fēng)險(xiǎn)。在存儲(chǔ)安全性和政府監(jiān)管方面，廠內(nèi)儲(chǔ)存的次氯酸鈉有效氯濃度小于5%，不屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，無需進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)和危險(xiǎn)化學(xué)品安全監(jiān)管；在采購、運(yùn)輸安全性方面，無需申辦液氯劇毒購買證，運(yùn)輸證亦由次氯酸鈉供應(yīng)商辦理；在安全評(píng)價(jià)和投入方面，無需安全評(píng)價(jià)和氯庫安全標(biāo)準(zhǔn)化改造，安全投入大為減少。

4.3 系統(tǒng)消毒效果

4.3.1出廠水余氯和管網(wǎng)水末梢余氯

在使用次氯酸鈉溶液期間(2021年1—7月)，按《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)[1]要求定期對(duì)出廠水、管網(wǎng)水余氯指標(biāo)進(jìn)行了持續(xù)性監(jiān)測(cè)，并與液氯消毒同期(2020年1—7月)余氯水平進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2。

表2 液氯與次氯酸鈉消毒余氯對(duì)比Tab.2 Comparison of residual chlorine by liquid chlorine and of sodium hypochlorite disinfection mg·L-1

從圖3、圖4可以看出，改造后出廠水余氯波動(dòng)較改造前小，穩(wěn)定性明顯提高；在出廠水余氯平均值更低的情況下，管網(wǎng)水末梢余氯比改造前略有升高。由此可知，使用次氯酸鈉消毒后的出廠水和管網(wǎng)水的水質(zhì)穩(wěn)定性均有所提高。

圖3 液氯消毒出廠水余氯平均值Fig.3 Average value of residual chlorine in treated water by liquid chlorine disinfection

圖4 次氯酸鈉消毒出廠水余氯平均值Fig.4 Average value of residual chlorine in treated water by sodium hypochlorite disinfection

4.3.2檢測(cè)指標(biāo)

(1)次氯酸鈉

對(duì)購買的各批次10%次氯酸鈉溶液進(jìn)行檢測(cè)，其有效氯、游離堿、鐵、重金屬、砷等5項(xiàng)指標(biāo)均符合《次氯酸鈉》(GB 19106—2013)[2]限值要求，見表3。

表3 次氯酸鈉檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Test results of sodium hypochlorite %

(2)出廠水和管網(wǎng)水水質(zhì)

使用次氯酸鈉溶液期間，對(duì)藥劑和水質(zhì)進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)測(cè)。水廠出廠水和管網(wǎng)水全部水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果均在《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)[1]限值內(nèi)，均無異常，總大腸菌群和耐熱大腸菌群均未檢出，菌落總數(shù)偶有檢出但都小于10 CFU/mL，色度均小于5度，無異臭、異味，無肉眼可見物。但毒理指標(biāo)例如三氯甲烷、氯酸鹽等檢測(cè)值偶有升高，應(yīng)引起關(guān)注，見表4。

表4 出廠水和管網(wǎng)水水質(zhì)Tab.4 Quality of treated water and pipeline network water

4.4 綜合運(yùn)行成本

水廠近3年原水水質(zhì)情況相差不大，改造完成后，2021年2—7月次氯酸鈉折算平均氯耗為1.34 mg/L，較2020年1.42 mg/L同期下降4.63%，較2019年同期1.26 mg/L上升6.95%，見圖5。其中因2021年1月因未采用前加氯，故氯耗均采用2—7月的平均值進(jìn)行比較。

圖5 2019—2021年氯耗對(duì)比Fig.5 Comparison of chlorine consumption from 2019 to 2021

改造后，按水廠年處理水量計(jì)算，將次氯酸鈉藥耗折算成有效氯，每千噸水氯耗成本提高了3.27元，比液氯消毒增加約50.08%，見表6。但其他成本(包括安全投入、安全標(biāo)準(zhǔn)化改造、維修成本和人力成本)各個(gè)項(xiàng)目均有所降低，下降52.54%。比較水廠消毒系統(tǒng)的綜合運(yùn)行成本(包括氯耗成本和其他成本)得出，總體上千噸水綜合運(yùn)行成本下降約8.72元，降低了29.72%。

4.5 次氯酸鈉有效氯衰減情況

從表6可知，使用不同有效氯濃度的次氯酸鈉時(shí)，5%以下次氯酸鈉與10%次氯酸鈉(12—2月的平均氣溫為17℃)的日衰減率相差不大，5%以下次氯酸鈉的日衰減率相對(duì)更??；使用5%以下次氯酸鈉(3—5月平均氣溫為26℃，6—7月平均氣溫為30℃)時(shí)，溫度越高，日衰減率越高，次氯酸鈉溶液的衰減越明顯。

表5 液氯與次氯酸鈉消毒運(yùn)行成本對(duì)比Tab.5 Comparison of operating costs between liquid chlorine and sodium hypochlorite disinfection

表6 不同濃度次氯酸鈉溶液有效氯衰減情況Tab.6 Attenuation of effective chlorine in sodium hypochlorite solutions with different concentrations %

5 結(jié)語

① 水廠采用次氯酸鈉消毒系統(tǒng)替換液氯消毒系統(tǒng)，運(yùn)行期間各方面情況良好，穩(wěn)定性高。利用PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確配藥、投加，上位機(jī)通過組態(tài)軟件Vijeo Citect進(jìn)行人機(jī)交互、監(jiān)測(cè)管理，日后可通過升級(jí)自動(dòng)水沖系統(tǒng)和在線水質(zhì)儀表進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

② 更換消毒劑后，降低了水廠的安全風(fēng)險(xiǎn)和采購、運(yùn)輸?shù)蕊L(fēng)險(xiǎn)。

③ 出廠水和管網(wǎng)水水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)均符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求，水質(zhì)穩(wěn)定性有所提高。

④ 將液氯消毒系統(tǒng)改造為次氯酸鈉消毒系統(tǒng)，無需投入液氯防漏防擴(kuò)散等安全技術(shù)改造費(fèi)用，綜合運(yùn)行成本降低。