二氧化氯应用于污水处理厂的安全性设计探讨

李伟波　吴斌

摘 要：以污水处理厂的应用为例，介绍了二氧化氯的化学特性、二氧化氯消毒剂的制备原理及过程，举例说明实际生产过程中发生的危险事故及事故原因，分析了二氧化氯制备、投加过程中存在的爆炸危险性因素、形成原因及对策，对工艺、电气等专业的某些防爆要求的必要性做了探讨，并给出了具体的安全性设计建议。

关键词：污水处理；二氧化氯；消毒；安全性设计；防爆

在城市污水处理过程中，为杀灭水体中的病原菌及其他致病生物体，在污水排放水体或者回用之前进行消毒操作重要且必要。目前，国内污水处理厂常用的消毒方式包括紫外线消毒法、臭氧消毒法、液氯消毒法及二氧化氯消毒法等[1]。其中，二氧化氯能渗透到细胞内部与相应的酶反应，使之迅速失活，抑制细胞内蛋白质的合成，从而达到将微生物（细菌、病毒和藻类）灭活的目的，具有接触时间短、消毒速度快、有效降低消毒副产物（DBPs）产生量、持续性好及对土建要求低等特点，尽管受到投资成本高、技术水平要求严格等限制，该方法仍在中小型污水处理厂中广泛应用。但是，二氧化氯具有强氧化性、不稳定，对受热、撞击、摩擦等相当敏感，极易分解产生爆炸，在污水处理厂的制备和投加车间设计中应重点考虑安全性设计。

1 二氧化氯制备原理及过程

二氧化氯熔点-59℃、沸点11℃，常态下是一种黄绿色气体，空气中体积浓度超过10%[2]或溶液中质量浓度超过10%时便有爆炸危险[3]。尽管二氧化氯极易溶于水且其水溶液相对安全，但却极不稳定，不易储存，因此工业生产过程中均采用现场制备、现场投加的方式加以应用。

目前，化学法制备二氧化氯的方法有多种，根据生产原料以及产物的不同大致可将发生器分为纯二氧化氯发生器（以亚氯酸钠+盐酸或者氯酸钠+双氧水+硫酸为原料）以及复合二氧化氯发生器（氯酸钠+盐酸）。相比于前者，复合二氧化氯发生器反应产生的二氧化氯纯度较低，并伴随氯气的产生；从经济上考虑，该类型比较适合于市政污水、中水等处理后对水中消毒副产物要求不高的水处理系统的消毒。

虑复合二氧化氯发生方法，该法制备二氧化氯的化学方程式如下：

通过与水充分接触后，大部分气体溶于水中形成溶液。二氧化氯溶于水后，基本不与水发生化学反应，也不以二聚或多聚状态存在。

氯气与水反应后形成盐酸和次氯酸，该反应为可逆反应，因此会有部分氯气以气体形式存在。

二氧化氯制备投加系统应采用包括原料调制供应、二氧化氯发生、投加的成套设备等，通常污水处理厂制备二氧化氯的工艺流程如图1所示：

2 二氧化氯制备投加的危险性分析

二氧化氯制备过程中，产物包括氯气和二氧化氯。与二氧化氯一样，氯气为有毒气体，也会对人体造成伤害，且具有腐蚀性，如果发生泄漏将造成严重后果。田为成等研究表明，即使在常压环境下，当二氧化氯气体发生泄漏并与空气混合时，仍会存在爆炸危险性[4]。因此，除了要求“二氧化氯制备、贮备、投加设备及管道、管配件必须有良好的密封性和耐腐蚀性”之外，应考虑在车间内较低位置设置检测泄漏和报警的仪表，并采取相应的通风措施。

根据生产经验，二氧化氯的制备过程对压力、温度等参数较敏感。据报道，2008年9月，北京大兴一化工厂发生爆炸，造成两死三伤，事故原因疑为工人操作二氧化氯发生器时反应釜压力过大所致。因此，工艺流程中宜采取较低的压力和温度，将易燃、易爆物质限制在密闭容器内。

此外，据张兆坤等总结，在二氧化氯制备过程中即使不存在光、热源及电火花，没有其他有机物和催化剂的条件下，振动也可能引起爆炸[5]。

为有效防止爆炸发生，在避免光源直接照射及高压、振动的条件下，最有效的方法是降低二氧化氯气体浓度或溶液中溶质含量，因为在浓度低于爆炸下限时，造成爆炸发生的所有外部因素都不起作用。

3 对工艺设备专业安全性设计要求

下面从工艺设计角度进行安全性分析，主要分为储药间和加氯间两部分。

3.1 储药间

3.1.1 房间布置及防止泄漏措施

参考《室外排水设计规范》（GB50014-2006）和《室外给水设计规范》（GB50013-2006），消毒设施和有关建筑物的设计应符合以下要求：

（1）氯酸钠和盐酸、氯气等严禁相互接触，必须分别贮存在分类的库房内。

（2）盐酸库房内应设置酸泄漏的收集槽，并采用耐酸材料。

（3）氯酸钠库房室内应备有快速冲洗设施。

此外，参考相关资料[6]，在贮药罐周边也可设置围堰以防止有害液体泄漏，具体布置如图2所示，推荐的尺寸关系为：H=B+C。围堰所围体积V=100%罐体体积+10%的安全贮量。泄漏的化学药品必须处理达标之后才能排入下水道。

3.1.2 原料及相关要求

原料选用应符合国家相关标准。实际使用过程中，一般储药罐内盐酸溶液和氯酸钠溶液浓度均达30%以上。

氯酸钠应储存在阴凉、通风、干燥的库房内，注意防潮。严防粉末散落在地上。运输过程中要防雨淋和日晒，装卸时要轻拿轻放，防止摩擦，严禁撞击。

盐酸有毒，腐蚀性极强。操作空间通风应良好，操作人员工作时要穿耐酸工作服，带橡皮手套，以保护皮肤；若操作空间较小，通风较差时，操作人员应带防护口罩，以保护呼吸器官不损害。

酸储罐周围应做成耐酸地面，且应有不小于1%的排水坡度。

3.1.3 其他相关要求

原料的泄漏池、室内排水沟必须单独设置，严禁共用，排水沟盖板采用防腐材质（如PVC）。冬季室内温度不应低于10℃，原料储存环境温度不低于0℃，在北方地区应设置采暖设施。

3.2 加氯间

加氯间需设置成单独房间，与储药间之间不能相通（含室内排水）。

3.2.1 二氧化氯发生器的选用

目前，为保证原料转化率，复合二氧化氯发生器设置有恒定的加热装置，从安全性和可靠性角度考虑，推荐采用负压反应工艺防爆设备，反应系统应选用耐温、耐腐、高寿命的材质；同时，应设置防爆型排气管将多余混合气体外排。

二氧化氯发生器需具备的功能：

（1）缺药报警与自动停机功能：当盐酸与氯酸钠的任一种药剂缺药时，可发生报警信号，并自动停止所有计量泵的运行，避免单药剂投加造成的水质污染。

（2）缺水报警功能：在无动力水时，可发出报警信号，自动停机。

（3）为避免消毒剂的过量与欠量投加，设备可以根据水量或者处理后出水余氯值的变化自动调节发生量，也可根据流量与余氯值组成复合环控制。设置余氯在线检测仪可检测水中的余氯量，同时发出信号调节计量泵的输出频率来调节计量泵的投加量，从而实现设备的产量调节，使出水中维持恒定的余氯浓度。

（4）就地实现手动/自动转换。

3.2.2 通风设计

须采用防爆通风机，由于二氧化氯和氯气密度比空气大，须满足规定的房间换风要求，风机高度应设置在低处，以防止有毒气体积聚。

3.2.3 附属设施的工艺要求

管线沿工艺管架敷设时应敷设在爆炸和火灾危险性较小的一侧；管道与管配件必须有良好的密封性和耐腐蚀性，以防泄漏。

4 对电气、照明专业安全性设计要求

由于二氧化氯是强氧化剂，作为防爆环境电力装置设计标准的《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058-92在此并不适用。但为了提高安全性，可以通过对车间环境及爆炸发生诱因的分析，提出具体的安全性设计建议。

根据相关资料显示，电火花不会引起氯气爆炸，但可能会引起二氧化氯气体的爆炸。二氧化氯气体的爆炸属于分解爆炸[2]，其反应方程式如下：

气体二氧化氯遇光和热会分解成氯气和氧气，光照会促进分解，电火花加热也会加速分解，引起二氧化氯爆炸。二氧化氯和氯气比重均重于空气，当出现部分泄漏气体时通常会积聚在距室内地坪1.5米以下的范围内，而电气设备控制装置的安装高度一般在1.5米，照明开关在1.3米，因此由电气原因引起混合气体爆炸的可能性不能排除。为了提高安全性，在二氧化氯制备车间内应尽量减少现场控制装置的设置，优先采用在就近的控制室集中控制的形式；当需要现场控制通风及照明设备时，应将风机和照明开关应设在室外；同时，在距室内地坪1.5米以下范围内应避免出现电缆转接头，用于电缆保护的穿线管应做严密封堵。

由于照明灯具的安装高度相对较高，通常在2米以上，因此对防爆、防腐方面不需要特殊考虑。

5 对自控专业的安全性设计要求

二氧化氯制备投加系统通常采用两级控制，即分控站集中自动控制与现场就地控制。自动控制系统的结构形式如图3所示：

对于有现场控制要求的二氧化氯发生器成套设备，应采用现场控制箱（应为防爆控制箱）就地控制与远程PLC自动控制相结合的形式。对于计量泵、卸酸泵、化料器、酸雾吸收器等设备，为减少故障及危险源，可不设现场控制装置，而采用控制室内集中监测设备运行状态并根据工艺流程自动控制设备开停。

为满足通风的要求，轴流风机应能实现手、自动控制的转换。手动时可实现每小时换气8～12次的要求进行控制；自动控制时，将轴流风机与漏氯检测报警仪联动，通过漏氯报警仪检测到的泄漏气体浓度值控制轴流风机的运行。

6 结束语

二氧化氯制备投加过程中存在的爆炸可能性主要为化学反应引起的分解爆炸，直接原因可以是光照、热源、振动或制备过程中压力、温度等参数的不合理等，受生产工艺、设备的影响较大，应予以重视；在发生泄漏且气体积聚达到一定浓度时，电气设备及线路中产生的火花也可能引起二氧化氯及其与空气的混合气体发生爆炸，应根据实际条件做好二氧化氯制备投加车间的安全性设计。

参考文献

[1]张慧芬，胡静文，罗婷.几种国内污水处理厂消毒工艺的比较.[J].山西建筑，2010，36（34）：194-196.

[2]王秀丽.气体二氧化氯的爆炸特性研究[D].太原：中北大学.2008.

[3]黄君礼.新型水处理剂--二氧化氯技术及其应用[M].化学工业出版社.2002.05.

[4]田为成，殷铭，王德明.六次二氧化氯气体爆炸事故简介[J].环保与安全，2002，（4）：32-33.

[5]张兆坤，栾淑卿，田为成.一起二氧化氯发生器爆炸事故分析[J].氯碱工业，2005，（10）：32.

[6]Mackenzie L.Davis. Water and Wastewater Engineering：Design Principles and Practice [M].2010.

作者简介：李伟波（1984-），男，山东潍坊人，硕士，工程师，主要从事市政工程供配电及自控系统设计。