自来水厂采用次氯酸钠替代液氯消毒效果研究

漆文光

(广州市花都自来水有限公司，广东广州510800)

广州是一个特大型城市，供水量逐年递增。液氯作为消毒剂，其每天储存与使用的量高达数十吨，若发生泄漏，易对环境造成污染，给所处地区的安全带来了严峻压力和社会风险。寻求液氯消毒替代品，从源头上消除液氯所带来的安全风险非常必要。次氯酸钠与液氯均为含氯消毒剂，消毒副产物类型基本一致，不存在液氯跑、泄、漏、毒等隐患，操作安全，使用方便，易于储存，是液氯很好的替代品。次氯酸钠虽然也具有挥发性，会从水中自然释放、散逸出少量氯气，但浓度较低，与氯气相比，安全性高。

1 次氯酸钠替代液氯消毒改造

A水厂和B水厂均为广州市花都区的主力水厂，生产规模分别为12×104和20×104m3/d，生产工艺均为“生物预处理—网格反应池—斜管/平流沉淀池—V型滤池”。为了消除水厂重大危险源，创造安全稳定的营商环境，2个水厂积极实施了次氯酸钠替代液氯消毒工艺改造。改造前，两个水厂均采用传统的液氯消毒工艺，液氯投加以滤后为主、反应前为辅，投加量约为2～3 mg/L。

为保证水厂正常生产，对消毒系统的改造遵循“边生产边改造”的原则，在厂区空置氨库内建设次氯酸钠投加设施，在确保安全生产的前提下，逐步置换原有的液氯消毒投加系统。采用塑料罐储存次氯酸钠，储存罐高2.47 m，直径为2.15 m，每个罐的储存量约为9 t，占地面积约为5 m2。配备超声波液位计，安装耐腐蚀隔膜计量泵、控制器等设备，新铺设PPR投加管道至前、后投加点，采用压力投加方式，不消耗水量。

A水厂、B水厂均于2017年3月开始推进液氯消毒工艺改造，分别自2017年4月和5月开始改用次氯酸钠消毒，总投资约为82万元。

2 次氯酸钠消毒系统的运行效果

2.1 消毒效果分析与评价

采用次氯酸钠消毒后，系统已稳定运行2年多，出厂水水质与液氯消毒时并无显著变化。出厂水水质稳定，106项水质指标全部达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求。

2.1.1 改造前后的消毒效果

根据A、B水厂2017年5—9月与改造前2016年同期的相关检测数据，出厂水中均未检出总大肠菌群和耐热大肠菌群。改造后，A水厂出厂水游离氯为0.37～1.55 mg/L，平均值为0.85 mg/L；B水厂出厂水游离氯为0.31～1.41 mg/L，平均值为0.91 mg/L。改造前后，A水厂出厂水总氯平均值分别为0.96和1.04 mg/L，菌落总数平均值均为3 CFU/mL；B水厂出厂水总氯平均值分别为1.05和1.08 mg/L，菌落总数平均值分别为2和1 CFU/mL。2个水厂改造前后的余氯和菌落总数基本控制在同一水平，如图1和图2所示。

在使用次氯酸钠的初期，由于次氯酸钠投加与控制经验不足，当月出厂水总氯和游离氯含量略有下降，菌落总数略有上升，但仍较低且处于安全水平。经过1个月的运行，出厂水总氯和菌落总数已能保持在较为稳定的范围。因此，A、B水厂改用次氯酸钠消毒后，在保持总氯同等水平的条件下，消毒效果与液氯相当，出厂水微生物指标均能满足标准要求，微生物安全性得到保障。

图1 A水厂改造前后的出厂水总氯和菌落总数Fig.1 Total chlorine and colony number of treated water of waterworks A before and after renovation

图2 B水厂改造前后的出厂水总氯和菌落总数Fig.2 Total chlorine and colony number of treated water of waterworks B before and after renovation

2.1.2 改造后的管网水质

A、 B水厂采用次氯酸钠消毒并稳定运行后，于2017年6月委托第三方检测机构对水质进行检测。结果表明，2个水厂采用次氯酸钠的消毒效果显著，对确保管网水质并无影响，可满足消毒要求。出厂水、管网水和末梢水中均未检出总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌。游离氯和总氯均可达标，菌落总数偶有检出，见表1。

表1 次氯酸钠的消毒效果Tab.1 Disinfection effect of sodium hypochlorite

2.2 消毒副产物分析与评价

2.2.1 出厂水消毒副产物的变化

根据每月对出厂水消毒副产物的检测结果，A水厂和B水厂2017年5—9月(改造后)与2016年同期(改造前)消毒副产物生成情况见表2。

表2 改造前后消毒副产物生成情况Tab.2 Generation of disinfection by-products before and after renovation mg·L-1

由表2可知，2座水厂改造前后出厂水四氯化碳、三氯甲烷均满足《生活饮用水卫生标准》要求(四氯化碳≤0.002mg/L、三氯甲烷≤0.06mg/L)。与改造前相比，改造后出厂水的三氯甲烷平均值略有增加，但仍处于较安全水平，消毒副产物并无显著上升趋势。

2.2.2 管网水消毒副产物的变化

综合2017年6月第三方检测机构对出厂水、管网水、末梢水和用户终端水的消毒副产物的全面检测结果可知，采用次氯酸钠消毒后，各种消毒副产物均可稳定达标，多数指标远低于标准限值，如表3所示。其中，三氯甲烷、三氯乙醛的生成水平与投加液氯时相当，基本保持在标准限值的50%以下，但三氯乙醛偶尔接近限值的70%，应当予以关注。

表3 改造后出厂水、管网水与龙头水的消毒副产物Tab.3 Disinfection by-products of treated water, pipe network water and tap water after renovation mg·L-1

三氯乙醛会随投氯量、停留时间和水温而变化[1]，投加量越大生成量越多，反应停留时间约为24 h时的三氯乙醛浓度达到峰值，在继续延长停留时间后会略有下降。水温升高对三氯乙醛的生成也有促进作用，故三氯乙醛夏季含量高，冬季含量低。应避免次氯酸钠的过量投加，确保出厂水余氯处于较低水平，以利于三氯乙醛的有效控制。根据2018—2019年的水质分析结果，三氯乙醛基本保持在0.001 mg/L左右的较低水平。

可见，采用次氯酸钠消毒产生的消毒副产物与使用液氯时并无显著差异，从出厂水到用户终端均可稳定达标。但仍应关注氯化消毒副产物的变化，控制好次氯酸钠投加量，尽量减少反应池前投加量，及时排放管网末梢水，多方面防范水质风险。

3 次氯酸钠原品带入化学物风险分析

3.1 氯化物和钠离子的影响

根据次氯酸钠的制备工艺和容易发生的化学反应，次氯酸钠原品中除NaClO外，还会带入NaCl、NaClO3、NaOH等化学物质。因次氯酸钠原品带入氯化物和钠的含量很小，与上年同期使用液氯时相比，改用次氯酸钠消毒后出厂水氯化物含量、钠含量变化不大，见表4。氯化物含量基本在20 mg/L以下，钠含量始终在30 mg/L以下，均远小于Na≤200 mg/L、NaCl≤250 mg/L的标准限值要求。

表4 出厂水钠和氯化物含量Tab.4 Content of sodium and chloride in treated water mg·L-1

3.2 氯酸盐的影响

根据第三方机构的水质检测结果，从A、B水厂的出厂水到用户终端，NaClO3含量均未超过0.07 mg/L，远小于0.7 mg/L的标准限值。随着水温的升高和储存时间的延长，次氯酸钠会逐渐分解，氯酸盐升高[2]。在水温达到35～50 ℃且储存7 d后，氯酸盐含量才会接近限值水平。管网水温度通常在10～20 ℃且管网水每天更新，因此，管网水中的氯酸盐均处于较低水平，次氯酸钠原品带入的氯酸盐未对水质造成影响。

3.3 游离碱(NaOH)的影响

根据次氯酸钠制备工艺可知，次氯酸钠原品中会残留少量NaOH，导致出厂水pH值升高。根据对次氯酸钠供货产品的连续检测结果，游离碱含量一般为0.3%～0.6%，控制在国标0.1%～1%范围内。

2个水厂的原水pH值通常为6.6～6.9，采用次氯酸钠消毒的出厂水pH值基本稳定在7.1～7.2，与使用液氯消毒时处于同一水平。次氯酸钠消毒不会引起pH值过高的现象，带入的少量游离碱还有利于节省石灰或烧碱的投加量。

4 次氯酸钠产品质量与供货保障

4.1 产品质量

每批次次氯酸钠送到水厂后，卸货前水厂均进行抽样检测。检测结果显示，次氯酸钠原品中铁、重金属和砷均小于检测限，有效氯含量基本能达到10%的要求。

由于次氯酸钠稳定性不强，随着时间推移、气温变化、运输与储存条件改变等，有效氯会出现不同程度的衰减。根据试验结果，次氯酸钠的有效氯含量每天自然衰减约为0.1%～0.2%，满足《次氯酸钠》(GB 19106—2013)关于储存衰减的规定。根据生产经验可知，从入库、储存、管道输送到投加点的过程中，亦会出现类似情况。只要衰减幅度不大，并不影响正常投加使用，也不会对水质造成影响。

因此，次氯酸钠供货产品质量总体上比较稳定，不存在重金属等有害物质超标问题。对于有效氯衰减问题，可通过缩短供货周期并加强储存环境遮光与温度控制等措施来降低。

4.2 供货保障

通过调研可知，在广东省范围内有多家次氯酸钠生产厂家，年生产能力均达到数十万吨，且运输距离在1～2 h内，可有效保障水厂的生产需要。

5 运行管理与安全风险分析

5.1 运行管理

液氯卸货及储存条件较高，需要起吊设备，操作人员必须取得特种设备操作资格证，且操作程序严格，流程较复杂。改为次氯酸钠后，设备和操作比较简单，维护管理相对较容易。次氯酸钠卸货时，直接通过管道和泵转入储罐即可，对操作人员没有特殊资格要求。次氯酸钠仍采用自动化投加，无需增加操作人员。主要设备为计量泵，比采用液氯时的投氯机简单，造价低，维修与操作较容易，维护与更换成本较低，工作及时性更强。

5.2 安全风险分析

浓度大于5%的次氯酸钠属于一般危化品，常温常压储存，性能较稳定，安全性高于液氯，可以在一般环境工作条件下投加。虽然次氯酸钠也具有一定的挥发性，当温度略高时，会从水中自然释放，散逸出极微量的氯气味道，但浓度很低，泄漏后的扩散范围很小，不易构成安全威胁。需要注意的是，次氯酸钠也属于危化品，具有较强的腐蚀性，在运输、保存和使用过程中必须做好相应的防护措施。

6 运行成本分析

改为次氯酸钠消毒会影响水的pH值，并使投加设备发生变化，运行成本的分析综合考虑了液氯、次氯酸钠、石灰、烧碱、投加耗水量和用电量。由于次氯酸钠浓度只有10%，投加量远高于液氯，但石灰和烧碱的投加量有所降低，可节省部分自用水量和用电量。根据2个水厂改造前后综合投加量的变化，估算运行成本的变化如表5所示。表中成本均以2017年原材料单价计算，电费以0.7元/kW·h计，用水成本按水资源费和自来水单价合计。

表5 液氯与次氯酸钠投加成本对比Tab.5 Comparison of cost between dosing liquid chlorine and sodium hypochlorite 元·m-3

单从液氯与次氯酸钠原材料的成本分析，次氯酸钠比液氯增加约0.016元/m3。但综合其他成本的变化情况，次氯酸钠的消毒成本只是略有增加，仅为0.001元/m3左右。因此，采用次氯酸钠替代液氯消毒的运行成本并未显著增加。

7 结语

① 采用次氯酸钠替代液氯消毒工艺改造实施后，在消毒效果、消毒副产物控制、安全管理、运行成本等方面均取得了良好的效果，出厂水106项水质指标稳定达到标准要求。

② 2年多来的运行结果表明，改造前后的消毒效果相当，无显著性差异。出厂水余氯可稳定保持在原有水平，基本在0.8～1.2 mg/L之间，出厂水、管网水和末梢水的余氯、微生物指标均可稳定达标，菌落总数平均保持在5 CFU/mL以下，总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌均未检出，微生物安全性可以得到保障。三氯甲烷、三氯乙醛的含量基本控制在标准限值的50%以下，各种消毒副产物均可稳定达标。次氯酸钠原品带入的NaCl、NaClO3、NaOH含量均较低，对供水水质影响甚微。

③ 次氯酸钠(浓度﹥5%)属于一般危化品，常温常压储存，性能较稳定，安全性比液氯高；装卸、投加设备及流程简单，设备造价和维护管理成本较低，并且从根本上消除了液氯这一重大危险源。次氯酸钠产品质量较好，不存在重金属等有害物质超标问题，且货源充足，便于运输，可有效保障供货的安全性。有效氯随储存时间及温度变化的自然衰减对水质无影响，可通过加强遮光和温控措施、先检后用以及缩短送货周期等措施，保障供货质量和投加控制的安全稳定。

④ 从原材料消耗来看，液氯、次氯酸钠的原材料成本平均分别为0.009和0.025元/m3。改为次氯酸钠消毒后，原材料成本增加约0.016元/m3，但节约了自用水量和电耗，降低了石灰和烧碱的投加量，吨水总运行成本仅提高约0.001元/m3。