海滄水廠制水消毒設(shè)備更新技術(shù)方法探討

謝成元

（廈門市政水務(wù)集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361000）

1 項(xiàng)目背景

氯氣是一種具有強(qiáng)烈刺激性及特殊臭味的氣體，其有很強(qiáng)的氧化能力，在6～7 個(gè)大氣壓條件下可轉(zhuǎn)變成液態(tài)氯，在有水氣的情況下具有高度的腐蝕性。液氯消毒是傳統(tǒng)的消毒工藝，成本較低，但是氯瓶屬于高壓容器，而且氯氣屬于危化品，當(dāng)氯瓶發(fā)生泄漏時(shí)必須迅速采取應(yīng)急堵漏措施，阻止水氣進(jìn)入投加設(shè)備的管道、閥門等，目前沒有較為有效的方法處理含水氣蒸的氯氣。氯氣一旦發(fā)生泄露就會(huì)造成環(huán)境污染，水廠的氯庫屬重大危險(xiǎn)源，容易引起安全事故。自2017 年以來，福建省政府部門多次發(fā)文鼓勵(lì)用次氯酸鈉溶液代替液氯消毒。

次氯酸鈉是一種強(qiáng)堿弱酸鹽，一種非天然存在的強(qiáng)氧化劑，一種能完全溶解于水的液體，是高效、安全的強(qiáng)力殺菌劑，殺菌能力與氯氣相當(dāng)。與氯氣相比次氯酸鈉不會(huì)在反應(yīng)過程中產(chǎn)生附產(chǎn)物，且沒有劇毒，不會(huì)對(duì)操作人員造成直接傷害。經(jīng)綜合考慮，優(yōu)先選用次氯酸鈉作為凈水消毒劑。

次氯酸鈉溶液作為一種消毒藥劑，具有很好的水親和性，可與水任意比例互溶，消毒效果與氯氣相當(dāng)且不存在液氯帶來的安全隱患。同時(shí)次氯酸鈉溶液易于存儲(chǔ)，通過計(jì)量泵投加，操作安全，使用方便，投加準(zhǔn)確，不存在跑氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)環(huán)境無毒害，管道中安裝有計(jì)量設(shè)備電磁流量計(jì)，能夠給自動(dòng)化提供可靠、穩(wěn)定、連續(xù)的信號(hào)，因此可以在任意工作狀況下投加。

在之前，海滄水廠20 萬t/d 自來水工藝主要采用液氯消毒，設(shè)備有1 t 的儲(chǔ)氣瓶、緩沖罐（壓力容器）、真空主調(diào)節(jié)器、漏氯報(bào)警裝置、真空加氯機(jī)（配轉(zhuǎn)子流量計(jì)）、投加點(diǎn)水射器、恒壓泵等。因設(shè)備故障率高，安裝維護(hù)難度大，進(jìn)口備品備件昂貴，后改為次氯酸鈉溶液投加系統(tǒng)消毒，采購的次氯酸鈉溶液有效氯濃度≥10%，經(jīng)過稀釋后有效氯濃度降低至5%～8%，再經(jīng)過投加系統(tǒng)投加消毒自來水[1]。

2 海滄水廠次氯酸鈉溶液消毒設(shè)備系統(tǒng)參數(shù)選型要點(diǎn)

改造前，海滄水廠（日供水量接近20 萬t）采用液氯消毒。改造后，采用次氯酸鈉溶液消毒。

次氯酸鈉溶液消毒系統(tǒng)主要包含以下3 個(gè)部分：卸料系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、投加系統(tǒng)。

2.1 卸料系統(tǒng)

卸料系統(tǒng)包含的設(shè)備有：快速接頭、卸料總閥、沖洗水閥、磁力泵[聚偏二氟乙烯（DVDF）泵頭]、稀釋系統(tǒng)、空管保護(hù)系統(tǒng)。

槽車軟管通過快速接頭接進(jìn)卸料管道，次氯酸鈉原液通過磁力泵輸送至稀釋系統(tǒng)，在與清水混合后經(jīng)過管道混合器進(jìn)入儲(chǔ)液罐，卸料完成后空管保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)停止磁力泵，避免泵空轉(zhuǎn)，此時(shí)可手動(dòng)開啟沖洗水閥，將卸料管道中剩余的次氯酸鈉沖入儲(chǔ)液罐，關(guān)閉卸料總閥，等待下一次卸料[2]。磁力泵工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。

（1）磁力泵由電機(jī)、外磁總成、內(nèi)磁總成、葉輪（與內(nèi)磁總成一體）、泵軸、泵殼、隔離套等組成。

（2）電機(jī)帶動(dòng)外磁總成進(jìn)行旋轉(zhuǎn)（軸連接），外磁總成通過磁力耦合帶動(dòng)內(nèi)磁總成旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)葉輪（PVDF）旋轉(zhuǎn)，對(duì)位于葉片間的流體做功；流體在離心力的作用下，從葉輪中心被甩向泵殼，當(dāng)流體到達(dá)葉輪外周時(shí)，已經(jīng)具有高流速特性。外磁總成與內(nèi)磁總成由PVDF 材質(zhì)的隔離套隔開。

（3）各葉片間被甩出的液體聚集在泵殼（PVDF）流道中，這些液體的流速在泵殼內(nèi)有所降低，部分流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，最終以一定的壓力和流速流出水泵。因此，泵殼的作用一方面用于匯集液體，另一方面在此完成液體能量轉(zhuǎn)換。

（4）液體吸上原理。葉輪通過高速旋轉(zhuǎn)，將葉輪中心的液體以很高的速度甩出，葉輪中心產(chǎn)生負(fù)壓，此時(shí)在一定的壓差條件下，低位槽中的液體被不斷壓入葉輪。

磁力泵在啟動(dòng)前殼內(nèi)存在較多氣體，泵啟動(dòng)后葉輪中心氣體被甩出時(shí)在該處形成的負(fù)壓不足，泵內(nèi)外壓差過小，導(dǎo)致槽內(nèi)液體無法被壓入葉輪，因此泵在啟動(dòng)前需要先向泵殼內(nèi)灌入液體，將氣體排出。在泵吸入管路的入口處裝設(shè)止回閥（底閥），可防止泵殼內(nèi)的液體因重力倒流回低位槽內(nèi)，如果泵頂標(biāo)高低于槽內(nèi)液面，則泵啟動(dòng)時(shí)可無須灌泵[3]。

（5）外磁總成和內(nèi)磁總成之間通過隔離套隔離，利用磁力耦合傳遞動(dòng)力，取消了機(jī)械密封，杜絕了滴漏問題，不會(huì)污染使用場(chǎng)地。

（6）泵的過流部分采用PVDF 材料制造，可用于任意濃度的酸、堿、強(qiáng)氧化劑等腐蝕介質(zhì)的輸送。

2.2 存儲(chǔ)系統(tǒng)

次氯酸鈉原液在光照或受熱的情況下易分解，因此儲(chǔ)液區(qū)應(yīng)設(shè)置在室內(nèi)保持通風(fēng)良好的區(qū)域（隔熱）。儲(chǔ)液罐應(yīng)采用深色或黑色（避光），且需要配置排氣口、出藥口、排空口、溢流口、超聲波液位計(jì)、人工檢查孔及可視的磁翻板液位計(jì)或透明管液位計(jì)。

儲(chǔ)液罐應(yīng)采用一體成型聚乙烯或高密度聚乙烯材質(zhì)、法蘭等與罐體一體成型，避免變形開裂；罐下半部至少有兩根冷軋鋼帶捆扎，避免罐體變形過大。20 t 加厚聚乙烯儲(chǔ)液罐（直徑為2700 mm，高4000 mm）在滿罐與空罐時(shí)直徑可相差2～4 cm。

出藥口后端出藥管道應(yīng)避免剛性固定，留下活動(dòng)空間，或使用柔性管連接，以防儲(chǔ)液罐開裂。

2.3 投加系統(tǒng)

氯氣消毒時(shí)采用玻璃管流量計(jì)來調(diào)節(jié)加氯量，調(diào)節(jié)精度不足，誤差較大。而次氯酸鈉原液是液體，可采用高精度的計(jì)量泵投加，尤其是采用數(shù)字式計(jì)量泵投加，誤差值可控制在1%～2%，高精度的數(shù)字泵可以確保藥劑的精確投加[4]。

投加系統(tǒng)由隔膜計(jì)量泵、阻尼器、安全閥、背壓閥、壓力表、Y 型過濾器以及投加管道組成。

2.3.1 隔膜計(jì)量泵

隔膜計(jì)量泵具有3 個(gè)功能：動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、液體輸送、調(diào)節(jié)控制。其中，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置由機(jī)械連桿系統(tǒng)帶動(dòng)流體輸送隔膜進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。隔膜計(jì)量泵主要分為機(jī)械隔膜計(jì)量泵、液壓隔膜泵、數(shù)字計(jì)量泵等。

（1）機(jī)械隔膜計(jì)量泵。機(jī)械隔膜計(jì)量泵由三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過泵體內(nèi)的傳動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)凸輪，帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)隔膜往復(fù)運(yùn)動(dòng)，沖程長度可由調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，同時(shí)還可通過變頻電機(jī)調(diào)節(jié)流量?？烧{(diào)節(jié)范圍基本在30%～100%，投加精度為±2%。由于是機(jī)械直接驅(qū)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致隔膜受力集中，隔膜容易破損。

（2）液壓隔膜泵。液壓隔膜泵與機(jī)械隔膜計(jì)量泵類似，但是其主要通過液壓油推動(dòng)隔膜運(yùn)動(dòng)，由于液壓油可以均勻地推動(dòng)隔膜，克服了機(jī)械隔膜泵隔膜受力集中、隔膜容易破損的缺點(diǎn)，整個(gè)生命周期幾乎無須更換，投加精度也有所提高，一般可到±1%，但液壓油過多或過少都會(huì)對(duì)投加精度產(chǎn)生影響。

（3）數(shù)字計(jì)量泵。數(shù)字計(jì)量泵采用泵體內(nèi)置直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，力矩穩(wěn)定，泵內(nèi)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，泵體自帶液晶顯示屏及操作按鈕，精度可達(dá)到±1.5%，調(diào)節(jié)比為1:800。同時(shí)其采用雙隔膜，當(dāng)外層隔膜破裂時(shí)內(nèi)層隔膜可防止藥劑進(jìn)入泵體內(nèi)部。

數(shù)字計(jì)量泵本身設(shè)有可讀的液晶面板，通過顯示屏可以直接讀取顯示的流量（單位為mL/h 或L/h），脈沖或批量投加。友好的界面顯示便于操作泵，能通過菜單來使用標(biāo)準(zhǔn)控制功能，包括脈沖、模擬量、定時(shí)、批投加、排氣控制以及標(biāo)定等功能。

數(shù)字計(jì)量泵滿足在不外接變頻器或電動(dòng)沖程長度調(diào)節(jié)裝置的情況下實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過接受外部的4～20 mA 控制信號(hào)，數(shù)字計(jì)量泵能夠在固定吸入速度的情況下，借助自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)排出速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)投加過程，確保最佳的調(diào)節(jié)效果。

在不同背壓和吸水水頭變化的情況下，加注泵的精度都應(yīng)優(yōu)于額定能力的1.5%。數(shù)字計(jì)量泵采用寬幅供電電源，自動(dòng)適配（100-240VAC-50/60 Hz）；采用無刷電機(jī)或變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和微處理器，保證低脈沖工況下藥劑的準(zhǔn)確投加。經(jīng)過背壓閥后，流量曲線需呈線性變化，調(diào)節(jié)范圍在0%～100%。

在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，數(shù)字計(jì)量泵的噪聲應(yīng)低于70 dB（A），且無異常振動(dòng)，無泄漏。

由于調(diào)解比例大（1:800），精度高，海滄水廠數(shù)字計(jì)量泵可適用于水質(zhì)波動(dòng)大的極端情況，經(jīng)濟(jì)效益顯著，對(duì)自動(dòng)化的精確控制具有良好的支持。

2.3.2 安全閥（溢流閥）

安全閥是壓力容器或管路上的一種自動(dòng)釋放壓力裝置。當(dāng)系統(tǒng)壓力超過設(shè)定安全壓力時(shí)，安全閥會(huì)自動(dòng)打開，排除液體，釋放系統(tǒng)壓力，防止系統(tǒng)壓力過大造成設(shè)備損壞；當(dāng)系統(tǒng)壓力降低到設(shè)定安全壓力以下時(shí)，安全閥將自動(dòng)關(guān)閉。

在泵的出口側(cè)安裝安全閥，可有效避免因泵和其他原因產(chǎn)生的過壓對(duì)管路系統(tǒng)造成的傷害，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2.3.3 背壓閥（壓力保持閥）

在投加系統(tǒng)沒有背壓、背壓不穩(wěn)定或者投加點(diǎn)位置比泵低時(shí)，背壓閥可用于維持計(jì)量泵投加流量的穩(wěn)定。背壓閥的壓力大小可通過閥體上帶彈簧的調(diào)節(jié)螺冒進(jìn)行調(diào)節(jié)。在泵的出口側(cè)安裝背壓閥，可對(duì)泵產(chǎn)生恒定的背壓，保證計(jì)量泵加藥系統(tǒng)進(jìn)料量的準(zhǔn)確性，防止超壓；與脈沖阻尼器一同使用可消除進(jìn)料液的脈沖，增加進(jìn)料的平穩(wěn)性。

2.3.4 脈沖阻尼器

脈沖阻尼器，又叫脈動(dòng)緩沖器，常用于消除管路的脈動(dòng)，是計(jì)量泵必備的附件之一。脈動(dòng)阻尼器不僅能夠平滑由柱塞泵、隔膜泵等容積泵引起的管路脈動(dòng)現(xiàn)象，還可以消除系統(tǒng)的水錘現(xiàn)象。脈沖阻尼器通過耐腐蝕的隔膜將氣體與管路中的液體隔離開，借助能量平衡的方式減少精密計(jì)量泵藥液輸出的脈沖，使精密計(jì)量泵藥液輸出均勻，形成近似線性的流體特性，增加進(jìn)料的平穩(wěn)性，并消除因脈沖可能引起的振動(dòng)對(duì)計(jì)量泵和系統(tǒng)造成的傷害[5]。

2.3.5 Y 型過濾器

Y 型過濾器是常安裝于輸送介質(zhì)的管道系統(tǒng)，用來過濾去除介質(zhì)中的雜質(zhì)，從而保護(hù)管道系統(tǒng)設(shè)備的正常使用，通常安裝在減壓閥、泄壓閥、定水位閥或其他設(shè)備的進(jìn)口端。

3 海滄水廠次氯酸鈉消毒系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試注意事項(xiàng)

3.1 藥液投加前準(zhǔn)備

操作人員必須經(jīng)過崗前培訓(xùn)，熟悉投加藥劑的理化性質(zhì)和設(shè)備性能，嚴(yán)格操作規(guī)程。操作人員在投加藥液時(shí)應(yīng)做好個(gè)人防護(hù)，佩戴化學(xué)安全防護(hù)眼鏡，穿防腐蝕工作服，戴橡膠手套。依次檢查次氯酸鈉儲(chǔ)液桶密封情況、次氯酸鈉儲(chǔ)液桶液位指示位置、Y 型過濾器是否存在阻塞現(xiàn)象。

3.2 藥液投加操作步驟

（1）打開進(jìn)液閥門，使投加前管道內(nèi)液體充足（有排氣管路打開排氣閥，無排氣管路打開投加泵上排氣閥和進(jìn)、出口閥），檢查進(jìn)液管路有無滲漏。

（2）依次打開投加泵至投加點(diǎn)管路上的閥門。

（3）啟動(dòng)投加泵，選擇適當(dāng)?shù)耐都恿窟M(jìn)行投加。

（4）檢查投加泵和投加管路附件工作狀態(tài)是否正常，如保證壓力表指示正常，投加泵運(yùn)行平穩(wěn)、無異響，管網(wǎng)接口無滲漏，管路震動(dòng)幅度不大等。

3.3 藥液投加量控制和調(diào)整

（1）濾后加氯量控制。根據(jù)清水池耗氧量情況、清水池水位、水溫、濾后水余氯、出廠水余氯（依據(jù)原水、管網(wǎng)末梢水質(zhì)，一般控制在 0.6～1.0 mg/L）、pH、接觸時(shí)間及以往經(jīng)驗(yàn)控制濾后氯的投加量；氯與水的有效接觸時(shí)間應(yīng)大于30 min。

（2）反應(yīng)池加氯量控制。根據(jù)原水、沉淀池出口水質(zhì)、藻含量及以往經(jīng)驗(yàn)確定反應(yīng)池氯的投加量；應(yīng)盡量不在或少在反應(yīng)池加氯。

（3）余氯反饋。每1 h 監(jiān)測(cè)出廠水、沉淀池質(zhì)控點(diǎn)余氯指標(biāo)，數(shù)據(jù)反饋至制水崗位，操作人員據(jù)此合理調(diào)整次氯酸鈉溶液投加量，以滿足生產(chǎn)要求。

4 海滄水廠次氯酸鈉溶液消毒系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)測(cè)算及實(shí)施結(jié)論

經(jīng)數(shù)年的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，以千噸水消毒氯耗為15 kg計(jì)算，次氯酸鈉溶液消毒綜合成本為6.5 元/千噸水；而改造之前的液氯投加系統(tǒng)綜合成本為6.4 元/千噸水。在成本相近的情況下，水處理車間從重大危險(xiǎn)源轉(zhuǎn)化成低風(fēng)險(xiǎn)源，免去漏氯吸收裝置一套、中和塔一座約80 萬元，每年節(jié)約安防設(shè)備投入約25 萬元；運(yùn)行故障率低，無須大量進(jìn)口備品備件，可充分應(yīng)用可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)水廠消毒系統(tǒng)的自動(dòng)控制，無人值守，安全可靠，既保障生產(chǎn)又能保護(hù)周邊環(huán)境，是水廠消毒工藝的一項(xiàng)優(yōu)選擇。