次氯酸鈉發(fā)生器系統(tǒng)在龍巖水廠的應(yīng)用

賴加鵬

(龍巖水發(fā)自來水有限責(zé)任公司，福建 龍巖 364000)

消毒工藝在整個制水過程中具有非常重要的作用。龍巖市自來水一直以來均采用氯化消毒的方式，現(xiàn)有的飲用水消毒劑有液氯、二氧化氯和次氯酸鈉三種。其中二氧化氯(ClO2)是一種具有很強(qiáng)的氧化性并且高效的消毒劑，但相比氯氣來說，刺激性更大，毒性更強(qiáng)，毒性甚至達(dá)到了氯氣的近 40 倍[1]。但由于二氧化氯的易爆性，對廠房要求較高，在國內(nèi)使用占比較低；液氯的成本低及技術(shù)成熟，仍是國內(nèi)大多數(shù)凈水廠的首選，但液氯的劇毒性在運(yùn)輸和儲存當(dāng)中有諸多不便之處和安全隱患；次氯酸鈉的消毒效果被公認(rèn)為與液氯相當(dāng)[2]，殺菌原理主要是通過水解形成次氯酸，然后進(jìn)一步分解，產(chǎn)生新生態(tài)氧[O]，其強(qiáng)烈的氧化性可將病菌的蛋白質(zhì)變性，最終導(dǎo)致病菌死亡[3]。安全性較高，從發(fā)展角度看，雖然液氯消毒占比較大，但次氯酸鈉消毒代替液氯消毒已經(jīng)成為大趨勢。

基于龍巖市飲用水消毒的現(xiàn)狀，本文分析對比了兩個自來水廠由二氧化氯和液氯消毒工藝改為次氯酸鈉消毒工藝后自來水廠實(shí)際運(yùn)行情況，將從次氯酸鈉有效氯含量衰減情況、次氯酸鈉消毒效果、次氯酸鈉對水質(zhì)pH的影響及次氯酸鈉消毒產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物等方面綜合分析，為龍巖市自來水廠的消毒工藝選擇提供技術(shù)參考。

1 項目情況

1.1 項目改造原由

福建省辦公廳印發(fā)的《提升城市供水水質(zhì)三年行動方案》[4]，2018年底前市、縣供水廠要加裝藥劑自動投加設(shè)備，已列入近期整體改造或準(zhǔn)備關(guān)停的，可結(jié)合老舊供水廠整改同步推進(jìn)，新建、改造水廠應(yīng)采用技術(shù)先進(jìn)、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)的工藝，推廣使用次氯酸鈉等消毒劑。我市響應(yīng)省辦公廳要求對我市城區(qū)自來水廠進(jìn)行改造升級。

1.2 項目概況

我市城區(qū)自來水以地下水和地表水為水源，其中水廠A以地下水為水源水，供水規(guī)模大概為1×104m3/d；水廠B以地表水為水源水，供水規(guī)模大概為5×104m3/d。2018年10月開始率先將水廠A消毒工藝由二氧化氯改為次氯酸鈉溶液消毒，水廠B消毒工藝由液氯消毒改為次氯酸鈉溶液消毒。

1.3 項目改造后工藝情況

改造后次氯酸鈉加氯系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 自動加氯消毒系統(tǒng)流程圖

次氯酸鈉發(fā)生器其工作原理：氯化鈉溶液在一定的電極作用下，在電解槽內(nèi)發(fā)生一系列電化學(xué)反應(yīng)，最終生成次氯酸鈉溶液，化學(xué)反應(yīng)過程可概括如下：

陽極反應(yīng)：2NaCl→2Na++Cl2+2e-

陰極反應(yīng)：2H2O+2e-→ H2+2OH-

極間反應(yīng)：2NaOH+Cl2→NaClO+NaCl+H2O

總反應(yīng)： NaCl+H2O→NaClO+H2↑

生成次氯酸鈉的過程同時產(chǎn)生相當(dāng)量的氫氣。在工藝設(shè)計中，采用離心風(fēng)機(jī)鼓入新風(fēng)與生成的氫氣混合，在排出管道前稀釋至氫氣爆炸下限的 25%以下(即1%濃度以下)，保證系統(tǒng)的安全性。

整個過程中，需要人工操作的僅是原料食用鹽的投加工作( 一般溶鹽池設(shè)計一次加鹽可連續(xù)使用 10 d 以上) ，系統(tǒng)可以不間斷連續(xù)運(yùn)行，也可以根據(jù)用氯量需求變化，自動調(diào)整工作時間以及發(fā)生器的運(yùn)行臺數(shù)，無需像原來消毒工藝，需要人工調(diào)節(jié)加氯量，也需要儲存一定量的消毒劑成品在廠房，有一定安全隱患。

2 試驗(yàn)過程

通過次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場制備有效氯濃度0.8%的次氯酸鈉溶液，溶液通過隔膜計量泵投加至指定點(diǎn)。投加點(diǎn)位于消毒接觸池進(jìn)水端，補(bǔ)投加點(diǎn)位于清水池出水管，目前投入運(yùn)行已有一年多，在此期間內(nèi)定期跟蹤檢測次氯酸鈉溶液在儲罐中的有效氯含量，每天監(jiān)測出廠水和管網(wǎng)水游離余氯、微生物、pH等水質(zhì)指標(biāo)，并對消毒副產(chǎn)物指標(biāo)情況進(jìn)行檢測，記錄數(shù)據(jù)并作結(jié)果分析。

3 檢測方法

根據(jù)GB 19106-2013《次氯酸鈉》[5]的要求測定次氯酸鈉溶液的有效氯含量。根據(jù) GB/T 5750-2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》[6]，檢測如下指標(biāo)：游離余氯、pH、菌落總數(shù)、三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷、三溴甲烷、三鹵甲烷總量、氯酸鹽、亞氯酸鹽等，具體檢測方法見表1。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 次氯酸鈉溶液有效氯含量衰減實(shí)驗(yàn)

次氯酸鈉具有不穩(wěn)定性，在受熱或光照條件下易分解。隨著儲存天數(shù)的增加，次氯酸鈉溶液有效氯含量會下降[7]。對此，對儲存罐內(nèi)的次氯酸鈉溶液有效氯含量進(jìn)行了五次7日衰減實(shí)驗(yàn)。

表1 檢測指標(biāo)及檢測方法

由圖2可知，次氯酸鈉溶液有效氯含量隨著儲存時間的增加而幾乎沒有降低，次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)制的次氯酸鈉溶液有效氯的含量為0.83%，儲存7天后有效氯含量是0.81%，有效氯含量一直在0.8%以上。對次氯酸鈉溶液的消毒性能和穩(wěn)定性沒有影響。

圖2 次氯酸鈉有效氯含量7日衰減圖

4.2 次氯酸鈉消毒水中游離余氯含量實(shí)驗(yàn)

2020年1月-2020年12月，對水廠A、水廠B的出廠水，及分別對應(yīng)的城區(qū)管網(wǎng)點(diǎn)1、管網(wǎng)點(diǎn)2的管網(wǎng)末梢水，各進(jìn)行300次游離余氯常規(guī)水質(zhì)檢測，其游離余氯檢測結(jié)果如表2所示。

表2 出廠水及管網(wǎng)末梢水游離余氯檢測結(jié)果

根據(jù)GB/T 5749-2006《生活飲用水標(biāo)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[8]要求游離余氯出廠水余量≥0.30 mg/L且≤4 mg/L，管網(wǎng)末梢水余量≥0.05 mg/L，由表2可知采用次氯酸鈉作為消毒劑出廠水及管網(wǎng)末梢水的游離余氯指標(biāo)均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)現(xiàn)基于原水流量的比例投加，且通過生產(chǎn)過程的精細(xì)管理和維護(hù)，能夠保證次氯酸鈉溶液的精確穩(wěn)定投加，從而確保出廠水余氯達(dá)標(biāo)，保證了飲用水消毒效果。

4.3 次氯酸鈉溶液消毒效果試驗(yàn)

2020年1月-2020年12月，對水廠B水源水、出廠水及對應(yīng)的城區(qū)管網(wǎng)點(diǎn)末梢水進(jìn)行300次游離余氯及菌落總數(shù)等常規(guī)水質(zhì)檢測，以觀察投加次氯酸鈉溶液后的消毒效果，其檢測平均值(n=300)結(jié)果如表3所示。

表3 次氯酸鈉溶液消毒試驗(yàn)

從表3可知，次氯酸鈉溶液對受微生物污染的水源水有明顯的消毒殺菌作用。該水廠在使用次氯酸鈉消毒期間，出廠水、管網(wǎng)和管網(wǎng)末梢水中均未檢出耐熱大腸菌、總大腸菌、細(xì)菌等微生物，說明次氯酸鈉溶液的消毒殺菌作用顯著。

4.4 次氯酸鈉對出廠水pH的影響

水廠B所取的水源水pH值常年較低，一般在6.8～7.0。水源水經(jīng)混凝、沉淀、過濾、臭氧活性炭深度處理、消毒等工藝的處理后，pH值進(jìn)一步降低，在6.5～6.7之間，呈弱酸性。為了避免對輸水管道和設(shè)備造成腐蝕，提高管網(wǎng)的穩(wěn)定性，一般在投加消毒劑后投加氫氧化鈉溶液，提高出水pH值[9]，以控制出廠水pH值處于7.1～7.3的內(nèi)控范圍。該水廠使用的NaOH溶液有效濃度為33%，改造前后同期NaOH溶液使用量見圖3。

圖3 改造前后NaOH溶液單位投加量對比圖

結(jié)果表明，B水廠在完成次氯酸鈉消毒工藝代替液氯的改造工作后，同期NaOH溶液的使用量減少了42%～48%，平均減少46%，大大降低了生產(chǎn)成本。

4.5 消毒副產(chǎn)物比較

4.5.1 水廠A改造前后消毒副產(chǎn)物比較

改造前12個月里在月初和月尾檢測二氧化氯消毒工藝的水廠A水樣，一共24次，二氧化氯平均值為0.24 mg/L，并檢測水樣中消毒副產(chǎn)物。改造后12個月里在月初和月尾檢測次氯酸鈉消毒工藝的水廠A水樣，一共24次，水樣游離余氯平均值為0.53 mg/L，并檢測水樣中消毒副產(chǎn)物。根據(jù)GB/T 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的限值評價檢測結(jié)果，見表4。

表4 二氧化氯、次氯酸鈉消毒副產(chǎn)物指標(biāo)檢測 單位：mg/L

*注：檢測平均值(n=24)

結(jié)果表明,兩種方法消毒產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物總體都處于較低水平,主要消毒副產(chǎn)物指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)，并處于較低的水平。因?yàn)槎趸戎苽浼夹g(shù)不成熟導(dǎo)致二氧化氯產(chǎn)品純度不足、生產(chǎn)成本相對較高，并且采用二氧化氯消毒會帶來氯酸鹽和亞氯酸鹽無機(jī)消毒副產(chǎn)物的控制問題[10]。

4.5.2 水廠B改造前后消毒副產(chǎn)物比較

改造前12個月里在月初和月尾檢測液氯消毒工藝的水廠B水樣，一共24次，余氯平均值為0.56 mg/L，并檢測水樣中消毒副產(chǎn)物。改造后12個月里在月初和月尾檢測次氯酸鈉消毒工藝的水廠B水樣，一共24次，水樣游離余氯平均值為0.51 mg/L，并檢測水樣中消毒副產(chǎn)物。根據(jù)GB/T 5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的限值評價檢測結(jié)果見表5。

表5 液氯-次氯酸鈉消毒副產(chǎn)物指標(biāo)檢測 單位：mg/L

*注：檢測平均值(n=24)

結(jié)果表明,兩種方法消毒產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物總體都處于較低水平,主要消毒副產(chǎn)物指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)。但因?yàn)樵谑褂靡郝认竞? 往往會產(chǎn)生鹵化有機(jī)物等消毒副產(chǎn)物, 可能對人體健康產(chǎn)生損害。因此次氯酸鈉消毒劑更適用于龍巖市自來水廠。

4.6 消毒原理比較

液氯的消毒原理是將氯氣溶于水后，和水發(fā)生反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的次氯酸，可進(jìn)行消毒，化學(xué)反應(yīng)為 ：Cl2+H2O→HCl+HOCl。反應(yīng)生成鹽酸會對金屬管道造成腐蝕。

二氧化氯的消毒原理是將二氧化氯溶于水后，和水發(fā)生反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的亞氯酸和氯酸，可進(jìn)行消毒，化學(xué)反應(yīng)為 ：2ClO2+H2O→HClO2+HClO3。消毒能力比較強(qiáng)，但帶來氯酸鹽和亞氯酸鹽無機(jī)消毒副產(chǎn)物。

次氯酸鈉的消毒原理是將次氯酸鈉溶于水后，和水發(fā)生反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的次氯酸，可進(jìn)行消毒，化學(xué)反應(yīng)為 ：NaClO+H2O→HClO+NaOH。反應(yīng)沒有生成鹽酸，而是生成氫氧化鈉，對于B水廠原水是弱酸性，有利于提高它的pH。

4.7 制取工藝比較

液氯的制取工藝是自來水廠采購液化后的氯氣瓶，使用時通過過濾及蒸發(fā)裝置轉(zhuǎn)化為氯氣。液氯在運(yùn)輸、儲存和使用過程中存在著諸多安全隱患和管理不便，國家對液氯的安全管理也越來越嚴(yán)格。

二氧化氯的制取工藝是A液(2%二氧化氯)和B液(5%鹽酸)按1:1進(jìn)入活化器激活。鹽酸(易制毒-3)，根據(jù)《危險化學(xué)品安全管理條例》[11]《易制毒化學(xué)品管理條例》[12]受公安部門管制，購買和儲存需要公安局報備，存在諸多不便。

次氯酸鈉的制取工藝是電解食鹽水制備次氯酸鈉溶液，是采用無膜電解法，用水將食鹽稀釋進(jìn)行電解，產(chǎn)生約為0.8%的次氯酸鈉溶液。該方法采用的原料是食鹽、水和電，化學(xué)原料無危險性，容易儲備，制備的次氯酸鈉溶液為新鮮藥劑，不易揮發(fā)，消毒效果好。

4.8 消毒成本比較

水廠運(yùn)行一年過程中，按藥劑費(fèi)、運(yùn)費(fèi)、電費(fèi)等計算，液氯消毒運(yùn)行成本低，余氯按含量年平均0.56 mg/L，噸水成本約為 0.003元；二氧化氯消毒運(yùn)行成本高，二氧化氯按含量年平均0.24 mg/L 時，噸水成本約為 0.02元；次氯酸鈉消毒運(yùn)行成本只比液氯稍微高點(diǎn)，噸水成本約為 0.005元。

5 結(jié)論

(1)采用次氯酸鈉消毒工藝代替二氧化氯消毒工藝和液氯消毒工藝，無需擔(dān)心二氧化氯或液氯泄漏危險，較為安全。次氯酸鈉消毒工藝自動監(jiān)控自動投加，節(jié)省人工，管理簡便，在根源上杜絕了使用二氧化氯或液氯消毒時的安全隱患，減少了水廠運(yùn)營管理的風(fēng)險和投入。

(2)次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)制的次氯酸鈉溶液有效氯含量在使用周期內(nèi)幾乎不會下降，它生產(chǎn)出的次氯酸鈉液體比較穩(wěn)定、單一, 也容易保存, 不含制氯廠出品的那些復(fù)雜甚至有害的成分。對消毒效果與投加后水中游離余氯的穩(wěn)定性并無影響。

(3)次氯酸鈉溶液的消毒效果好，可確保出廠水和管網(wǎng)末梢水的微生物安全。

(4)次氯酸鈉溶液本身的弱堿性使其在調(diào)節(jié)弱酸性水的pH值上存在一定優(yōu)勢，投加次氯酸鈉溶液消毒可以提高出廠水pH值，從而使氫氧化鈉溶液的使用量大幅下降，減少了生產(chǎn)成本。

(5)在消毒副產(chǎn)物方面，次氯酸鈉發(fā)生器所生產(chǎn)的消毒液中不象氯氣、二氧化氯等消毒劑在水中產(chǎn)生游離分子氯, 所以, 一般難以形成因存在分子氯而發(fā)生氯代化合反應(yīng), 生成不利于人體健康的有毒有害物質(zhì)。

(6)次氯酸鈉不會像氯氣同水反應(yīng)會最后形成鹽酸那樣, 對金屬管道構(gòu)成嚴(yán)重腐蝕。

(7)制取工藝方面，次氯酸鈉發(fā)生器系統(tǒng)原料無危險性，購買和儲存方便，制取操作簡便。

(8)運(yùn)行成本而言, 采用次氯酸鈉消毒的運(yùn)行成本費(fèi)用是很低的, 僅比氯氣高一些。

因此次氯酸鈉發(fā)生器系統(tǒng)消毒工藝更適用于龍巖市自來水廠。