水廠次氯酸鈉投加系統(tǒng)改造及優(yōu)化

錢(qián) 斌，汪晉舟，張江濤，袁可心，孫倩雯

(無(wú)錫市水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇無(wú)錫 214000)

隨著我國(guó)生活飲用水處理工藝的不斷發(fā)展，自來(lái)水消毒技術(shù)也逐漸成熟。與原有的液氯消毒相比，NaClO消毒技術(shù)在儲(chǔ)存和使用的過(guò)程中安全隱患較小，而且操作維護(hù)更為便捷[1]。此外，研究表明NaClO消毒技術(shù)有利于減少水體中消毒副產(chǎn)物的生成[2]，NaClO是目前較為理想的消毒劑。因此，近年來(lái)NaClO消毒技術(shù)已在城市自來(lái)水生產(chǎn)領(lǐng)域中得到廣泛運(yùn)用[3-4]。然而，也有諸多學(xué)者提出NaClO消毒工藝依然存在技術(shù)瓶頸，譬如加藥管道易堵塞、結(jié)垢物較多、氧化性較弱、不穩(wěn)定易分解、出水余氯較低[5-6]。

W市Z水廠NaClO投加系統(tǒng)已投運(yùn)5年，生產(chǎn)運(yùn)行中暴露出一些問(wèn)題。本文以Z水廠為例，通過(guò)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況，對(duì)其進(jìn)行原理分析，提出合理性建議進(jìn)行優(yōu)化改造，從而提高NaClO投加的安全可靠性，保障出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，為后續(xù)水廠加藥系統(tǒng)的改造提供一定的參考價(jià)值。

1 項(xiàng)目背景

W市Z水廠始建于1986年，總體設(shè)計(jì)規(guī)模為60萬(wàn)m3/d，于2011年增設(shè)了60萬(wàn) m3/d規(guī)模的深度處理工藝和15萬(wàn)m3/d規(guī)模的超濾膜工藝。水廠共有兩期，每期設(shè)計(jì)規(guī)模為30萬(wàn)m3/d，且每期各有2組生產(chǎn)管線。Z水廠在2016年7月進(jìn)行了技改工程，將原有的氯氣消毒更改為NaClO消毒，現(xiàn)水廠工藝流程如圖1所示。

圖1 Z水廠現(xiàn)有工藝流程Fig.1 Flow Chart of Existing Process of Z WTP

為緩解NaClO衰減速率，水廠選用有效氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%左右的NaClO溶液為原料進(jìn)行儲(chǔ)備，采用高密度聚乙烯(HDPE)加強(qiáng)筋儲(chǔ)罐進(jìn)行儲(chǔ)存，并在外層增設(shè)316L不銹鋼加強(qiáng)護(hù)板，形成雙層保護(hù)，防止NaClO泄露。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要既可以原液投加，也可以按比例稀釋后投加。并采用機(jī)械計(jì)量泵作為投加設(shè)備。根據(jù)工藝需求，Z水廠共有5處NaClO投加點(diǎn)，每處都有著不同的作用。

(1)沉淀前加氯。起助凝、降解有機(jī)物及去除異味等作用。加氯量為0～0.40 mg/L，出水余氯質(zhì)量濃度≤0.05 mg/L。

(2)砂濾前加氯。對(duì)濾料顆粒表面的污染物進(jìn)行氧化分解，有效地保障了砂濾池的凈化效果。加氯量為0～0.60 mg/L，出水余氯質(zhì)量濃度≤0.05 mg/L。

(3)炭濾前加氯。當(dāng)炭濾池中微生物大量繁殖、出現(xiàn)大型微生物堵塞或穿透濾層時(shí)，適當(dāng)投加起殺菌消毒作用。加氯量為0～0.10 mg/L，出水余氯質(zhì)量濃度≤0.05 mg/L。

(4)炭濾后加氯。主要是消毒作用，確保出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。加氯量為1.20～1.80 mg/L，出水余氯質(zhì)量濃度為0.60～0.90 mg/L。

(5)集水井補(bǔ)加氯。當(dāng)出廠水流量發(fā)生變化，余氯有波動(dòng)時(shí)，可進(jìn)行微調(diào)使余氯達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。出水余氯質(zhì)量濃度為0.60～0.90 mg/L。

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，以炭濾后加氯為主要消毒方式。

2 問(wèn)題分析與改造方案

2.1 存在主要問(wèn)題

Z水廠NaClO投加系統(tǒng)已使用5年，隨著投運(yùn)時(shí)間的增加，逐漸暴露出一些瓶頸和不足。

(1)NaClO投加管道結(jié)垢

起初結(jié)垢物呈片狀附著在管壁上，但當(dāng)結(jié)垢物逐漸增多，受到水力沖刷的影響，結(jié)垢物開(kāi)始從管壁脫離并聚集在變徑管和彎管處，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管道堵塞，如圖2所示。

圖2 管道堵塞Fig.2 Pipe Scaling and Blockage

通過(guò)電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)檢測(cè)出結(jié)垢物中Ca2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.76%，Mg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32%。由圖3可知，結(jié)垢物在2θ為29.34°、35.86°、39.32°、43.04°等位置附近出現(xiàn)特征衍射峰，對(duì)照PDF標(biāo)準(zhǔn)卡卡片(PDF No：41-1475，05-0586)可知，結(jié)垢物以CaCO3峰值比較明顯。

圖3 結(jié)垢物的XRD譜Fig.3 XRD Pattern of Scalant

NaClO和液氯的水解反應(yīng)如式(1)～式(2)。NaClO消毒和液氯消毒的機(jī)理基本相似，最終都是通過(guò)生成HClO達(dá)到氧化消毒的效果。然而，液氯水解后會(huì)形成HCl，可以降低水體的pH；NaClO水解后會(huì)形成NaOH，增加水體的pH。

Cl2+H2O=HCl+HClO

(1)

NaClO+H2O=HClO+NaOH

(2)

(2)投加管道備用系數(shù)較低，且管道無(wú)法沖洗

Z水廠所有投加管道均只有1根，無(wú)備用管道，只有砂濾前投加管道和炭濾后投加管道可相互切換。當(dāng)夏季水質(zhì)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，砂濾前加氯和炭濾后加氯要同時(shí)使用，在檢修管路時(shí)無(wú)備用管道，僅依靠集水井補(bǔ)加維持出水余氯，無(wú)法做到精準(zhǔn)投加。改造前NaClO投加管路如圖4所示。

圖4 改造前的NaClO投加管道示意圖(單組)Fig.4 Schematic Diagram of NaClO Dosing Pipeline before Reconstruction (Single Group)

(3)出廠水量時(shí)變化系數(shù)較大，平穩(wěn)加氯難度較高

Z水廠靠近主城區(qū)，目前采用的投加裝置是機(jī)械計(jì)量泵。隨著使用年限的增加，投加管路流量計(jì)逐漸失效，導(dǎo)致現(xiàn)有設(shè)備的投加精度較低。此外，有學(xué)者指出在低流量運(yùn)行狀態(tài)下，機(jī)械計(jì)量泵易出現(xiàn)流量不均甚至斷流等問(wèn)題[7]。

2.2 改造思路研究

(1)降低水體硬度

由上文可知，Z水廠管道結(jié)垢的根本原因在于稀釋水體中Ca2+、Mg2+含量偏高。針對(duì)水體軟化問(wèn)題，目前普遍采用投加藥劑法、電化學(xué)法、離子交換樹(shù)脂法、膜工藝等技術(shù)。雖然通過(guò)投加復(fù)合藥劑可以把Ca2+、Mg2+轉(zhuǎn)化為沉淀物，但需添設(shè)固液分離裝置才能獲取軟化水[8]；電滲析法通過(guò)外加電場(chǎng)，利用離子交換膜完成離子去除工作，但是其處理成本相對(duì)較高，一般用于純水制造和海水淡化[9]；反滲透膜處理工藝脫鹽效果明顯、工藝較為完善，但在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)生成濃水，需要定期清洗膜組，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命[10]；離子交換樹(shù)脂法具有運(yùn)行穩(wěn)定、處理效率高、工藝成熟等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于鍋爐水軟化、鹽水精制等多個(gè)領(lǐng)域[11]。Z水廠從占地空間、運(yùn)維方式和基建成本等角度考慮，認(rèn)為離子交換樹(shù)脂法具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

(2)保持平穩(wěn)加氯

為提高NaClO投加系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，已有諸多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)的技術(shù)改造工作。譬如：邵志昌等[7]在水廠加藥系統(tǒng)技術(shù)改造中對(duì)重要投加點(diǎn)鋪設(shè)雙管路，并在投加點(diǎn)處增設(shè)流量計(jì)，優(yōu)化控制系統(tǒng)提高投加精度；周徐權(quán)等[6]針對(duì)長(zhǎng)距離NaClO投加波動(dòng)的問(wèn)題，提出后NaClO投加方式，通過(guò)就地增加一套投加系統(tǒng)，縮短投加距離，并改造PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，提高投加流量的穩(wěn)定性。另外，有學(xué)者指出市場(chǎng)上推廣的數(shù)字計(jì)量泵自帶流量控制模塊，不僅提高了投加精度，還可以直接對(duì)加藥量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整[12]。Z水廠針對(duì)現(xiàn)有投加設(shè)備運(yùn)行情況，擬從管道改造、加藥泵選型兩方面開(kāi)展優(yōu)化改造工作。

2.3 具體改造方案

2.3.1 增設(shè)軟水裝置

當(dāng)然，這種意識(shí)所形成的思維與在其指導(dǎo)下的行為，亦同樣適于君臣關(guān)系與臣民關(guān)系。 因?yàn)檫@其中亦具有權(quán)力上的構(gòu)成與瓦解的關(guān)系。

本次改造采用軟水裝置對(duì)稀釋水進(jìn)行軟化，整套設(shè)備設(shè)計(jì)產(chǎn)能為20 m3/h，并配置專用鹽水箱。在正常使用過(guò)程中可利用鈉型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂去除水中Ca2+、Mg2+，從而降低稀釋水硬度。另外，吸附Ca2+、Mg2+飽和后的樹(shù)脂可通過(guò)NaCl溶液進(jìn)行再生，重新恢復(fù)其離子交換能力[13]。水質(zhì)軟化和樹(shù)脂再生過(guò)程如式(3)～式(6)。

2RNa+Ca2+=R2Ca+2Na+

(3)

2RNa+Mg2+=R2Mg+2Na+

(4)

R2Ca+2NaCl=2RNa+CaCl2

(5)

R2Mg+2NaCl=2RNa+MgCl2

(6)

整套軟水裝置包含立式玻璃鋼儲(chǔ)罐、鹽水箱、離子交換樹(shù)脂、控制器及配套管路閥門(mén)。樹(shù)脂再生過(guò)程中的工作狀態(tài)依次為運(yùn)行→反洗→吸鹽→補(bǔ)水→正洗→返回運(yùn)行。

2.3.2 管道改造

在原有投加管道的基礎(chǔ)上，在炭濾后加氯點(diǎn)增設(shè)1根備用管，并在投加點(diǎn)處增設(shè)排空管。改造后的NaClO投加管道如圖5所示。

圖5 改造后的NaClO投加管道(單組)Fig.5 Schematic Diagram of NaClO Dosing Pipeline after Reconstruction(Single Group)

改造后，當(dāng)原有管道堵塞或檢修時(shí)，在不改變NaClO正常投加的前提下，可利用備用管進(jìn)行投加。另外，還可以通過(guò)廠區(qū)自用水沖洗管道，清理管道附著物并排放至廢水管道?？梢詫?shí)現(xiàn)1用1備和管道沖洗的功能，有效緩解NaClO結(jié)垢和管道堵塞問(wèn)題。

2.3.3 加藥泵重新選型

現(xiàn)將1組炭濾后的機(jī)械計(jì)量泵(最大設(shè)計(jì)流量為160 L/h，最大壓力為0.5 MPa)更換為數(shù)字計(jì)量泵(最大設(shè)計(jì)流量為375 L/h，最大壓力為1 MPa)，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)情況比較，對(duì)比數(shù)字計(jì)量泵和機(jī)械計(jì)量泵的運(yùn)行效果。

3 改造效果

3.1 軟水裝置運(yùn)行情況

選用原水和軟化水分別稀釋NaClO濃液并靜置，NaClO稀釋液的變化情況如圖6所示。原水稀釋NaClO后，會(huì)生成絮狀沉積物，且分布較為均勻，自然風(fēng)干后有白色結(jié)晶物形成；而軟化水稀釋NaClO后，水體清澈透明，自然風(fēng)干后燒杯底部較為干凈，無(wú)結(jié)晶物生成。

圖6 稀釋效果對(duì)比Fig.6 Comparison of Dilution Effects

Z水廠選用自用水對(duì)NaClO濃液進(jìn)行稀釋，稀釋水日均用量約為5 000 L/d。近年來(lái)，太湖水源硬度已呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)的趨勢(shì)[14]，Z水廠自用水中的水質(zhì)硬度在80～140 mg/L。軟水裝置接入水廠加藥系統(tǒng)后，其實(shí)際軟化效果如圖7所示。軟水裝置已穩(wěn)定運(yùn)行135 d，經(jīng)軟水裝置處理后，出水硬度均在10 mg/L以下。因此，整套軟水裝置軟化效果較好，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中出水硬度較為穩(wěn)定。綜上，離子交換樹(shù)脂軟化法可以有效降低水質(zhì)硬度，極大地抑制了CaCO3結(jié)晶物的形成。

圖7 軟水裝置運(yùn)行時(shí)硬度變化Fig.7 Hardness Changes under Water Softener Plant Operation

整套軟水裝置的使用壽命為10 年，其中每隔5年更換1次鈉型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。為提高離子交換樹(shù)脂的使用壽命，Z水廠選用不含Ca2+、Mg2+且純度較高的軟水鹽配置再生液。軟水裝置的運(yùn)行成本分析如表1所示。設(shè)備的資產(chǎn)折算約為0.9萬(wàn)元/a，耗材費(fèi)約為0.6萬(wàn)元/a。根據(jù)往年數(shù)據(jù)估算，添加軟水裝置后，Z水廠制水成本約增加0.000 15元/m3。

表1 軟水裝置運(yùn)行成本分析Tab.1 Operation Costs Analysis of Water Softener Plant

3.2 數(shù)字計(jì)量泵和機(jī)械計(jì)量泵對(duì)比

為貼合生產(chǎn)實(shí)際，選取水廠目前常用的NaClO投加流量，采用人工測(cè)量的方法，對(duì)數(shù)字計(jì)量泵和機(jī)械計(jì)量泵進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)比結(jié)果如圖8所示。結(jié)果顯示，數(shù)字計(jì)量泵在設(shè)定流量為10～100 L/h時(shí)，流量輸出較為均勻，而且精準(zhǔn)度較高。機(jī)械計(jì)量泵流量波動(dòng)相對(duì)較大，在10 L/h的工況下，機(jī)械計(jì)量泵投加流量波動(dòng)已遠(yuǎn)大于5%。

圖8 兩種泵的流量測(cè)試對(duì)比Fig.8 Comparison of Flow Test of Different Pumps

經(jīng)研究，機(jī)械計(jì)量泵的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，利用電機(jī)帶動(dòng)頂桿運(yùn)轉(zhuǎn)，促使隔膜前后撓曲變形，達(dá)到液體輸送的目的，可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)沖程長(zhǎng)度或使用變頻器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式控制出液流量。而數(shù)字計(jì)量泵的工作原理是使用異步電機(jī)調(diào)節(jié)沖程長(zhǎng)度或頻率，吸入行程時(shí)的速度保持穩(wěn)定，計(jì)量沖程的持續(xù)時(shí)間可持續(xù)延長(zhǎng)。數(shù)字計(jì)量泵以全沖程長(zhǎng)度運(yùn)行，精準(zhǔn)度較高，另外，在實(shí)際調(diào)整流量過(guò)程中，數(shù)字計(jì)量泵操作簡(jiǎn)單，無(wú)需調(diào)節(jié)沖程和頻率，還可以根據(jù)外部模擬信號(hào)進(jìn)行計(jì)量，更有利于智能化改造。

為驗(yàn)證數(shù)字計(jì)量泵在真實(shí)生產(chǎn)中的實(shí)用性，Z水廠選用常用的NaClO稀液投加方式(有效氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%)進(jìn)行加氯對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)追蹤清水庫(kù)余氯變化情況，比較數(shù)字計(jì)量泵和機(jī)械計(jì)量泵的投加效果，具體結(jié)果如圖9所示。數(shù)字計(jì)量泵投加的清水庫(kù)出水余氯標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較小，出水余氯較為穩(wěn)定，運(yùn)行較好。經(jīng)分析，Z水廠靠近主城區(qū)，城市管網(wǎng)調(diào)壓效果明顯，出廠水的時(shí)變化系數(shù)較大。結(jié)合上述分析，數(shù)字計(jì)量泵的量程比較大，且出液較為均勻，在夜間低流量的工況下加氯更為平穩(wěn)。

圖9 兩種泵的投加效果對(duì)比Fig.9 Comparison of Dosing Effects of Different Pumps

試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然數(shù)字計(jì)量泵出水穩(wěn)定，但兩者的藥耗卻無(wú)明顯差異。數(shù)字計(jì)量泵氯耗(1.63 mg/L)≈機(jī)械計(jì)量泵氯耗(1.67 mg/L)。經(jīng)分析，Z水廠以炭濾后NaClO投加為主要消毒方式，但僅能在清水庫(kù)出水口處檢測(cè)水體余氯變化情況。NaClO投加反饋時(shí)間為1.5～3.5 h，由于加藥反饋滯后，職工多以經(jīng)驗(yàn)值和氯耗試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行投加作業(yè)。目前的加藥方式受到人為因素的干擾，無(wú)法即時(shí)精準(zhǔn)地核算出實(shí)際加藥量，因此，在本次對(duì)比試驗(yàn)中，兩種泵的加藥量無(wú)明顯差異。建議后期改進(jìn)加藥方式，通過(guò)添加數(shù)學(xué)分析模型、多變量智能算法等方式，優(yōu)化加藥控制系統(tǒng)，形成全自動(dòng)NaClO投加方式。

此外，當(dāng)出水余氯顯著增高后，消毒副產(chǎn)物中的二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷、三溴甲烷、三鹵甲烷濃度均有所上升[15]。由此可見(jiàn)，為減少消毒副產(chǎn)物的生產(chǎn)，可以提高設(shè)備的投加精度，確保出水水質(zhì)平穩(wěn)。

3.3 改造后水質(zhì)變化情況

Z水廠NaClO投加系統(tǒng)改造完成后，對(duì)出廠水的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行持續(xù)跟蹤，具體檢測(cè)結(jié)果如表2所示。雖然一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三氯甲烷略微波動(dòng)，但是出水水質(zhì)符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的相關(guān)要求。另外，運(yùn)行過(guò)程中無(wú)管道堵塞現(xiàn)象發(fā)生，NaClO投加系統(tǒng)運(yùn)行正常。

表2 改造后出水的水質(zhì)指標(biāo)Tab.2 Water Quality Indices of Treated Water after Reconstruction

4 結(jié)論與建議

(1)對(duì)于NaClO結(jié)垢物以CaCO3為主的水廠，離子交換樹(shù)脂技術(shù)對(duì)水質(zhì)的軟化效果較好，且運(yùn)行穩(wěn)定、成本較低，利用軟水稀釋NaClO會(huì)抑制結(jié)垢物的生成。

(2)采用軟水稀釋NaClO和管道定期沖洗的方式，可有效解決CaCO3結(jié)晶問(wèn)題；新增備用管道后，NaClO投加系統(tǒng)的安全備用系數(shù)有所提升。

(3)數(shù)字計(jì)量泵投加精度較高，出水余氯波動(dòng)較小，但受到人為因素干擾，數(shù)字計(jì)量泵的優(yōu)勢(shì)并未完全體現(xiàn)。可進(jìn)一步引入人工智能算法，對(duì)水體水質(zhì)變化和計(jì)量泵運(yùn)行參數(shù)形成閉環(huán)分析管理，創(chuàng)建智能加藥模式。

(4)國(guó)內(nèi)水務(wù)行業(yè)正面臨現(xiàn)代化建設(shè)和智能化轉(zhuǎn)型。建議以NaClO消毒原理和水源地水質(zhì)特性參考為依據(jù)，指導(dǎo)自來(lái)水廠加氯車間技改工作，確保智慧化加藥系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，減少后期設(shè)備維護(hù)工作，達(dá)到無(wú)人值守的目標(biāo)。