兩級次氯酸鈉消毒在長距離原水輸送中的系統(tǒng)選擇及設(shè)計

劉占會， 郭冬艷， 魏 旭

(1.徐州金石工程技術(shù)咨詢有限公司，江蘇徐州221111；2.徐州市環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇徐州220006；3.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北武漢430061)

長期運行的長距離輸水管道的管壁上會附著并生長多種微生物，形成生物膜，造成水體的污染和水流動阻力的增加[1]。此外，湖泊水體中可能存在的貝類幼體進入輸水管道內(nèi)，并附著在管道內(nèi)壁上，隨著其生長變大，造成管道輸送能力的下降[2]。根據(jù)國內(nèi)原水輸水管水生生物、微生物孳生抑制的經(jīng)驗，投加氯予以抑制甚至滅活水生生物、微生物及貝類是目前應(yīng)用最廣泛的方法[3]。采用次氯酸鈉代替液氯的氧化作用，可進一步減少消毒副產(chǎn)物(DBPs)的產(chǎn)生[4]，其運輸、儲存與投加操作比液氯更為簡單、方便和安全[5]。

1 工程概況

徐州市某原水輸送工程取水規(guī)模30×104m3/d，沿途向3個水廠輸送原水，輸送規(guī)模分別為5×104、10×104、15×104m3/d，總輸送距離63 km，如圖1所示。原水水質(zhì)綜合評價為Ⅲ類，主要污染因子是高錳酸鹽指數(shù)和硫酸鹽，原水藻類高，優(yōu)勢種類為綠藻。針對高錳酸鹽指數(shù)含量較高條件下的微污染水，水廠設(shè)計時采用生物預(yù)處理+常規(guī)處理+臭氧-活性炭吸附深度處理工藝。為應(yīng)對藻類大規(guī)模爆發(fā)等重大污染事件，在取水泵站設(shè)置高錳酸鉀和粉末活性炭投加設(shè)施，系應(yīng)急投加。為應(yīng)對微生物及貝類在輸水管道內(nèi)的孳生，在取水泵站和加壓泵站設(shè)置次氯酸鈉投加設(shè)施，系常規(guī)投加。

圖1 工程概化圖Fig.1 General graph of the project

2 系統(tǒng)選擇

2.1 消毒方式

采用次氯酸鈉消毒時，可購買商品次氯酸鈉溶液或通過次氯酸鈉發(fā)生器電解食鹽水現(xiàn)場制取。用于現(xiàn)場制備的次氯酸鈉發(fā)生器利用鈦陽極電解食鹽水產(chǎn)生次氯酸鈉，反應(yīng)方程式為：NaCl+H2O→NaClO+H2。在現(xiàn)場制備次氯酸鈉過程中有氫氣產(chǎn)生，氫氣的爆炸極限為體積濃度的4.0%～75.6%，其火災(zāi)危險性為甲類[6]，因此需采取措施將氫氣濃度控制在1%以下，使其不具有可燃性。此外，次氯酸鈉發(fā)生器還存在電極結(jié)垢、食鹽水需每日配置等問題。

商品次氯酸鈉溶液有效氯濃度為10%，一般由供應(yīng)商采用槽罐車運送至水廠或泵站，儲存于儲液罐中。與現(xiàn)場制備次氯酸鈉相比，投加商品液系統(tǒng)簡單，前期投入低。但10%次氯酸鈉溶液屬于危險化學品，運輸安全性差[7]。商品次氯酸鈉溶液中的有效氯易受日光、溫度的影響而分解，有效氯濃度會隨時間的推移而降低。

綜合以上分析，結(jié)合工程周邊次氯酸鈉貨源充足、保證率高的情況，本工程采用商品次氯酸鈉溶液投加。

2.2 投加位置

次氯酸鈉一般投加在地表水的取水口，可控制微生物及貝類在輸水管道內(nèi)的生長繁殖， 還起到一定的消毒殺菌效果，使水廠出水水質(zhì)得以明顯改善。但次氯酸鈉投加量過大會造成毒性較大的副產(chǎn)物三鹵甲烷(THMs)生成，影響水質(zhì)安全[8]。次氯酸鈉投加時既要考慮輸水距離及運行時間，又要考慮投加濃度的影響。本工程取水規(guī)模分期及原水在管道中的運行時間見表1。

表1 取水規(guī)模和運行時間Tab.1 Scale of water intaking and operation time

由表1可知，從取水泵站到水廠3，原水在管道中的運行時間最短為15 h，最長達到63 h。為了使次氯酸鈉投加濃度不致過高，并且保證原水管線末端有一定的余氯量，本工程在取水泵站和加壓泵站同時建設(shè)次氯酸鈉投加設(shè)施。在取水泵站，次氯酸鈉投加至吸水井前端。在加壓泵站，次氯酸鈉投加至調(diào)節(jié)池進水管。

3 加氯設(shè)計

3.1 設(shè)計要點

3.1.1投加量

在取水泵站、加壓泵站內(nèi)設(shè)置加氯間，為避免產(chǎn)生副產(chǎn)物，平均投加量按2.0 mg/L(有效氯1.0 mg/L)為宜，最大投加量3.0 mg/L(有效氯1.5 mg/L)。

3.1.2儲液罐容積

考慮到有效氯濃度的維持受環(huán)境溫度影響較大，儲液罐容積按最大加注量的5 d用量確定。

3.1.3投加濃度

投加商品次氯酸鈉溶液，有效氯濃度10%。

3.2 設(shè)備參數(shù)及選型

3.2.1計量泵

計量泵是最常用的投加計量設(shè)備，一般采用隔膜計量泵。本工程選用數(shù)字式投加隔膜計量泵，流量可在0到最大額定流量之間任意調(diào)節(jié)，安全性能高，計量輸送精確，調(diào)節(jié)直觀清晰。計量泵流量計算公式如下：

(1)

式中：Q為計量泵流量，L/h；Q0為原水輸送流量，m3/h；c為投加濃度，mg/L；ρ為商品次氯酸鈉密度，kg/m3；w為商品次氯酸鈉有效氯濃度，一般取10%(質(zhì)量濃度)；n為計量泵工作臺數(shù)。

取水泵站設(shè)置3臺隔膜計量泵，2用1備，單泵參數(shù)為：流量375 L/h，揚程30 m，功率1.5 kW。加壓泵站設(shè)置3臺隔膜計量泵，2用1備，單泵參數(shù)為：流量375 L/h，揚程30 m，功率1.5 kW。由于次氯酸鈉溶液呈堿性，泵頭及隔膜材質(zhì)須具有極好的耐腐蝕性。

3.2.2儲液罐

與儲液池相比，儲液罐占地面積小，搬運靈活，無需考慮池體防腐。儲液罐一般采用耐腐性的塑料材質(zhì)，整體一次成型，無焊接縫，抗沖擊，抗老化，重量輕，本工程采用PE材質(zhì)儲液罐。

取水泵站設(shè)置2個次氯酸鈉儲液罐，單罐有效容積為15 m3，尺寸為φ2.8 m×3.3 m。加壓泵站設(shè)置2個次氯酸鈉儲液罐，單罐有效容積為10 m3，尺寸為φ2.3 m×3.0 m。

3.2.3卸料泵

槽罐車卸料時，卸料泵將商品次氯酸鈉溶液輸送至儲液罐內(nèi)，具有較高的強度，較好的耐腐性等。

取水泵站設(shè)置2臺卸料泵，1用1備，單泵參數(shù)為：流量20 m3/h，揚程20 m，功率2.2 kW。加壓泵站設(shè)置2臺卸料泵，1用1備，單泵參數(shù)為：流量20 m3/h，揚程20 m，功率2.2 kW。

3.3 投加系統(tǒng)

次氯酸鈉投加系統(tǒng)由卸料泵、儲液罐、過濾器、計量泵、安全閥、脈沖阻尼器、壓力表、背壓閥等基本部件組成，如圖2所示。過濾器過濾溶液中的雜質(zhì)，保證計量泵安全和正常運行，脈沖阻尼器將計量泵輸出的脈沖流轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的連續(xù)流，背壓閥使計量泵保持一定的輸出壓力，當投加壓力過高時安全閥可自動將溶液釋放回流至儲液罐。供應(yīng)商用槽罐車運送商品次氯酸鈉溶液至泵站后，由卸料泵將商品次氯酸鈉溶液輸送至儲液罐，再經(jīng)計量泵投加至投加點。投加管路為PVC管，具有耐次氯酸鈉腐蝕性。

圖2 NaClO投加示意Fig.2 Schematic diagram of NaClO dosing

3.4 加氯間布置

加氯間應(yīng)布置在靠近投加點的位置。以加壓泵站加氯間為例，其平面尺寸為10.5 m×8.0 m，凈高為5.7 m。計量泵安裝在撬架上，儲液罐安裝在隔液池內(nèi)。隔液池平面尺寸為7.6 m×3.8 m，深0.75 m。隔液池設(shè)置集水坑，集水坑平面尺寸為0.6 m×0.6 m，深0.6 m。集水坑設(shè)置放空管，排至室外漏液池。漏液池平面尺寸為3.0 m×2.3 m，深1.6 m。加氯間布置見圖3、圖4。

圖3 加氯間平面Fig.3 Plan of chlorination room

圖4 加氯間剖面Fig.4 Section of chlorination room

3.5 防腐、通風和安全保護

3.5.1防腐

考慮到環(huán)氧防腐會與次氯酸鈉發(fā)生反應(yīng)，混凝土池壁及環(huán)氧樹脂會逐漸侵蝕和剝落[9]，加氯間隔液池池壁及地面采用耐堿水泥砂漿和耐堿瓷磚，瓷磚規(guī)格不大于0.3 m×0.3 m；內(nèi)墻面采用耐堿水泥砂漿。

3.5.2通風

次氯酸鈉溶液存在微量的溶液分解和揮發(fā)氣體，為改善室內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量，設(shè)置機械通風，每小時換氣8～12次。加氯間安裝2臺低位軸流風機，單臺流量為2 208 m3/h，功率為0.06 kW。

3.5.3安全保護

加氯間出入口設(shè)置洗眼器，為操作人員提供不慎接觸到次氯酸鈉溶液后的應(yīng)急自救設(shè)施。

4 結(jié)語

次氯酸鈉消毒因投加方便、運行安全、消毒效果好且持久、消毒副產(chǎn)物低等優(yōu)點，已在原水輸送和凈水處理中得到越來越多的應(yīng)用。在取水泵站、加壓泵站同時設(shè)置次氯酸鈉投加設(shè)施，既可使長距離原水管線全程保有一定的余氯量，控制微生物和貝類的孳生，又避免了因投加濃度過高而產(chǎn)生副產(chǎn)物。原水管線兩級投加商品次氯酸鈉溶液，操作簡單，管理靈活，對類似工程有借鑒意義。