水厂次氯酸钠消毒剂现场制备系统设计方案

薛苗苗

(上海市政工程设计研究总院〈集团〉有限公司，上海 200092)

液氯消毒具有经济有效，使用方便，效果好的特点，一直是水处理中广泛使用的消毒剂。但随着近年来各地对易爆危险化学品运输和储存管控力度的日益强化，对液氯的运输和储存等条件上的限制，给水厂生产管理带来了诸多困难，而次氯酸钠的运输、储存和使用更为安全，消毒效果与氯气相当，同时有利于降低水厂出厂水消毒副产物含量[1]。目前国内不少大中城市，如北京、上海、深圳、杭州等地的供水企业均己逐步采用次氯酸钠替代液氯进行消毒。本文以安徽某水厂为例，通过对安全风险、运行管理、生产成本等多因素的综合分析，确定采用现场制备次氯酸钠作为水厂消毒剂，并作为示范工程为后续水厂加氯系统改造提供借鉴。

1 工程概况

安徽省某水厂一期工程规模为10万m3/d，于1993年建成投产，由于出厂水稳定性差，现已停运；二期工程规模为15万m3/d，于2012年建成投产，水源取自长江，采用折板絮凝反应池、平流沉淀池、V型滤池的常规处理工艺，出厂水水质符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)标准的要求。目前夏季高峰期日水厂已处于满负荷运行状态，基于原址拆除一期工程进行改扩建，改扩建后总规模为30万m3/d。水厂现状采用液氯消毒，改扩建后将消毒方式改为次氯酸钠消毒。水厂的工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图Fig.1 Flow Chart of Operation

2 次氯酸钠获取方式的选择

水厂消毒用次氯酸钠的来源主要有两种，一种是购买商品次氯酸钠溶液，有效氯为10%，稀释至5%储存后投加，另外一种是现场制备次氯酸钠，有效氯为0.8%。

商品次氯酸钠是氯碱工业的副产品，有效氯为10%，属于化学危险品，具有较强腐蚀性，在运输和使用也受到日益严厉的监管。研究表明，商品次氯酸钠在较高温度和较长时间储存时，可能发生分解反应和歧化反应，导致有效氯浓度不断降低，歧化反应还会产生对人体有危害的氯酸盐等副产物[2]。运输距离的远近，对使用成本的影响较大，需要当地有稳定的货源。

现场制备次氯酸钠一般为电解法，原料为食盐，通过次氯酸钠发生器将食盐水电解生成次氯酸溶液。目前，次氯酸钠现场制备技术已较为成熟，电极使用寿命可达5年以上，制备的次氯酸钠有效氯在0.8%～1.0%，比较稳定，可以边制备边投加，其原料运输、药剂储存等的危险性均很小，成本主要是一次性设备投资、食盐和电能。

对商品次氯酸钠溶液和现场制备次氯酸钠的主要运行成本进行对比分析如表1所示。

表1 运行成本对比Tab.1 Comparison of Operation Costs

因此，通过对安全风险、运行管理、生产成本等多因素的综合分析，确定采用现场制备次氯酸钠作为本工程消毒剂。

3 设计过程中重点考虑的问题和解决方案

3.1 设计过程中重点考虑的问题

次氯酸钠现场制备技术已经较为成熟，如何保证次氯酸钠车间生产管理方便和安全运行稳定是设计过程中应重点考虑的，例如以下几点。

(1)食盐为室内袋装堆放储存，容易导致食盐吸潮结块；溶盐过程采用人工操作，袋装食盐通过设置的吊车和破包机倒入溶盐池溶解，食盐中的氯离子对金属具有强烈的腐蚀性，溶盐池的防腐层和室内设备长时间运行后容易老化和锈蚀。

(2)设计过程中不仅要考虑次氯酸钠发生器的备用，还要考虑极端情况下设备均无法运行或初期调试运行过程中设备运行不稳定时的应急处理方案。

(3)次氯酸钠管路发生事故或储罐出现溢流等时情况时，废液对室内设备和室外管道具有腐蚀性，应设置废液的临时储存和外运设施。

(4)根据《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)[3]次氯酸钠发生器所在的建筑屋顶不得有吊顶，梁顶无通气孔的下翻梁，吊顶和下翻梁容易积聚可能泄出的氢气和阻断积聚的氢气流向通风设备，对于在原有建筑物内的进行次氯酸钠现场制备系统的改造项目应重点关注。

3.2 解决方案

(1)优化盐水调配系统，溶盐池设置于次氯酸钠制备车间外，选用耐腐蚀的成品碳钢骨架复合内衬塑地埋式存盐罐，施工方便、寿命长，避免高浓度的盐对室内设备的腐蚀。取消袋装食盐的吊装和拆包过程，增加储存时间，减少工作人员直接接触食盐次数。

(2)系统兼容商品次氯酸钠储存和投加的功能。

(3)增加次氯酸钠废液收集系统，储罐四周设置事故缓冲墙、室外设置废液收集池，避免废液对室内设备和室外管道的腐蚀。

(4)优化车间排氢设计，车间梁中部位置通气孔，增设制备车间屋顶通气孔，及时排放屋顶可能聚集的氢气，提高安全性。

4 工程设计方案

4.1 系统介绍

次氯酸钠现场制备系统主要由软水器、地埋式储盐罐、稀盐水调配箱、次氯酸钠发生器、成品储液箱、投加泵组及其管配件系统组成。其工作原理为：自来水经过软化器去除水中的钙、镁离子后，分别提供给次氯酸钠发生器和盐水调配系统；食盐投放至地埋式储盐罐经溶解后至稀盐水调配箱，精准配比形成3%稀盐水进入次氯酸钠发生器内电解槽，经直流电电场作用电解生成次氯酸钠溶液和氢气，成品次氯酸钠储存至储液箱，经投加泵组至各加氯点[4]，过程产生的氢气由排氢系统排至室外，制备间设置8～12次/h的高位机械通风设备和多重监测系统，保障车间的安全。

4.2 设计参数与系统布局

4.2.1 设计参数

次氯酸钠制备车间设计规模为30万m3/d，次氯酸钠投加点在保留现状二期前、后加氯和补加氯点的前提下，增加本期加氯点。前加氯1.0 mg/L，后加氯2.0 mg/L，补加氯1.0 mg/L，最大加氯量为3 mg/L，平均加氯量为1.8～2.0 mg/L，每日最大需氯量为900 kg/d。选用次氯酸钠发生器1套，分4组，每组由独立的15 kg/h次氯酸钠发生器单元组成，可互为备用。

4.2.2 系统布局

本工程水厂用地条件有限，次氯酸钠制备车间采用集约化布置，具有占地面积小、管理方便的特点，包括室外储盐溶盐池、配电控制室、加氯间(含稀盐水调配箱、次氯酸钠发生器、成品储罐和投加系统)。

4.3 系统设计方案

4.3.1 软化水系统

自来水经过软化器去除水中的钙、镁离子形成软化水，一部分进入地埋式储盐罐和稀盐水调配箱，一部分进入次氯酸钠发生器提供稀释水，系统设置两台软水器，单台软水器产水量为22 m3/h， 出水硬度≤0.03 mmol/L。

4.3.2 盐水调配系统

盐水调配系统包括溶盐系统和稀盐水调配系统。在次氯酸钠制备车间外设置2个地埋式存盐罐，材质为碳钢骨架复合内衬塑，同时具有存盐和溶盐功能，总存盐量为40 t，可满足10 d用盐量。每个存盐罐有自动进水装置、在线高、低盐位计、超声波液位计、盐水提升泵、出盐管道等。浓盐水由提升泵至精确稀盐水调配箱，设稀盐水调配箱1套，分2格，产量为20 m3/h，稀盐水调配箱内设置搅拌器、在线盐水浓度及电导率仪，精确配比形成3%稀盐水进入电解槽进行电解。稀盐水调配池体积大于1 h发生器进水量，保障电解槽进盐用计量泵最小连续工作1 h，不频发启停。

4.3.3 次氯酸钠制备系统

次氯酸钠发生器采用集成布置方式，包括进盐泵、整流器、次氯酸钠发生器、冷却水换热器、成品次氯酸钠调节池、稀氢风机及配套的仪表、控制柜等设备，配比后的3%盐水进入电解槽后进行电解产生次氯酸钠溶液。

选用次氯酸钠发生器1套，有效产氯量为60 kg/h，由4个独立的15 kg/h次氯发生器单元组成，可互为备用。产生的次氯酸钠成品浓度为0.8%～1.0%，功率为320 kW，盐耗量为180 kg/h。

4.3.4 次氯酸钠储存和废液收集系统

次氯酸钠储存采用8个成品PE罐，单个有效容积为25 m3，共计200 m3，储存时间为42 h。每个储罐设置进水、出水、放空、溢流和排氢口。增设外购商品次氯酸钠储存系统，包括转输卸料泵2台，控制柜、阀门、管路及配件等，保证在水厂次氯酸钠发生器调试运行或者遇到极端情况次氯酸钠发生器故障无法马上修复时，可以将系统切换至商品次氯酸钠投加系统。在储罐四周设置事故缓冲墙，高度为0.8 m，次氯酸钠废液临时收集后排至室外废液收集池后由专业公司进行处理。

4.3.5 次氯酸钠投加系统

设置投加泵9台，包括前加氯3台，2用1备，加注点位于2根原水管道上；后加氯3台，2用1备，加注点位于现状和新建滤池出水总管；补加氯3台，2用1备，加注点位于现状吸水井和新建吸水井进水管道上。每台投加系统包括压力释放阀、防脉冲器、背压阀、Y型过滤器及管道、阀门、支架等。系统兼容商品次氯酸钠投加系统的功能，预留接入商品次氯酸钠投加系统的管路。

4.3.6 次氯酸钠排氢系统

排氢系统包括过程排氢和储罐排氢，发生器设2台稀氢风机，将发生器工作过程中和次氯酸钠调节池内的氢气及时排至室外。每个储罐设2台稀氢风机，Q=2 000 m3/h，在储罐顶部设置进风和出风口，对进入储罐的氢气通过屋顶排放管排至室外。

发生器间设计过程中还要考虑意外泄露到室内氢气的排放，在车间屋顶设置通气管，及时排放屋顶聚集的氢气，加氯间设置氢气报警系统和高位通风的机械风机，每小时换气8～12次，一旦发生氢气报警时同步开启室内风机，强制排风将室内氢气浓度降低至爆炸极限以下。

4.3.7 控制系统

控制系统包括次氯酸钠发生器可编制控制器及人机界面、次氯酸钠加注间控制系统和投加控制系统，并通过厂级工业以太网与中控室上位系统通讯，接受水厂中控室下达的控制指令、工艺参数的制定，判断其正确性、可行性后加以执行。

5 结论

设计方案通过对次氯酸钠现场制备系统中的盐水调配系统、储存和投加系统、废液收集系统、车间排氢系统进行优化设计，使得水厂的日常运行管理更加安全、可靠、便捷，以期对类似工程设计时提供参考意义。