水务行业消毒投加系统的分析研究

谢艳 卢利利

摘要：对现有水务行业的自来水厂的不同消毒方法及其对应的投加系统进行分析研究，同时形成一种现场制备次氯酸钠投加系统的技术方案，通过在自来水的实际应用情况分析进行验证。

Abstract： This paper analyzes and researches the different disinfection methods and corresponding dosing systems of the existing waterworks， and at the same time forms a technical solution for the on-site preparation of sodium hypochlorite dosing system， which is carried out by analyzing the actual application of tap water verification.

关键词：自来水;消毒;次氯酸钠;投加系统

Key words： water;disinfection;sodium hypochlorite;dosing system

中图分类号：TU991.25                                  文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）30-0203-02

0  引言

消毒处理在给水处理中是保证生活饮用水的安全重要且必不可少的工艺环节，能消除水中有害微生物对人的致病作用以防止传播疾病。因为消毒处理并不能够将水中的所有微生物全部杀灭，所以消毒处理是在达到饮用水水质微生物学标准的条件之下，将饮用水所导致的水介传染病的风险降到最低，并达到可接受的水平。当前最为常用的是采用液氯消毒。

虽液氯消毒是采用氯消毒中最经济的选择也最为广泛应用，氯气是一种强扩散性和强刺激性的有毒气体，在我国其泄漏的安全事故时有发生，其运输、管理和存管的安全性問题不可忽视。例如2005年京沪高速路一辆载有几十吨液氯罐车发生交通事故导致液氯大面积泄漏，造成多人死亡、百人中毒入院。当前许多居民区离自来水厂越来越近，居民的生命财产安全受到威胁的可能性越来越大。此外，气体同水体的溶解性相比溶液而言较低，氯瓶气压不断变化导致其投加计量不精确;氯消毒结合有机物可能会产生对人健康有害的消毒副产物（三卤甲烷等）。在国外美国、日本、德国等对其使用有严格的限制，主要将其应用于污水处理领域。随着人们对水质要求的不断提高，对消毒方式有了更高要求：过程中尽可能减少副产物产生;符合最新颁布的安全及环保规程;系统具有更强的安全可靠性。综上所述：取消液氯主张越来越多，积极寻找更安全更优越的消毒方法和消毒剂，已成为水务工作者的重要任务之一。

1  消毒方法分析

1.1 消毒技术比较与成本分析

自来水厂常用的消毒技术（氯气、臭氧和紫外线、次氯酸钠等）：就消毒效果而言，上述几种方式除紫外线（会出现重复污染）一般外其余都很好;产生副产物的方式有液氯、臭氧;运行管理存在安全风险的有二氧化氯、液氯、臭氧，其中二氧化氯、液氯方式的原材料又属于化学危险品;无持续消毒作用的只有紫外线。根据调研并进行相关分析可知各消毒方式原材料运行成本从低到高为液氯、现场制备1%次氯酸钠溶液、10%次氯酸钠成品、二氧化氯，其中现场制备1%次氯酸钠溶液方式略小于液氯。

综上分析：从消毒设备发展趋势看，需选择一种更好的无毒无污染的方式。从消毒效果臭氧和次氯酸钠都很好，臭氧灭菌快速性更好，但次氯酸钠在水中具有更强稳定性能充分保障水质达标。在设备所占面积方面两者相差无几。从投资到运维方面，次氯酸钠的投资成本少得多，设备运行更加稳定，相对耗电少、管理维修更方便。综合来看次氯酸钠更有优势，用其来代替液氯越来越得到行业的认可。

1.2 次氯酸钠溶液消毒方式分析研究

次氯酸钠溶液溶于水，稳定性差于氯气。其强氧化性几乎和氯气相同，有轻微腐蚀性，与氯气的消毒机理完全一致，即NaClO+H2O→HClO+NaOH。主要通过很小的中性分子次氯酸易扩散到带负电细菌表面，通过细菌壁进入菌内部，再通过氧化作用破坏细菌的酶系统，从而使细菌死亡。

其国内外使用现状：美国大多数水厂消毒方式由氯气转化为次氯酸钠溶液。采用现场制备方式的主要有俄罗斯、德国、法国、新加坡、日本等;在国内也有部分规模应用。

国内次氯酸钠溶液来源主要有：成品和采用电解方式实现现场制备。①成品：从生产厂商如氯碱厂购买，一般浓度约为10%;②现场制备：利用水、电、盐配比形成低浓度盐水进而再通过电解方式分解以实现其现场制备，一般有效氯为0.7～1%左右。

成品溶液特点：有工业和食品级，给水行业要求使用的是食品级10%溶液。生产、制取工艺要求高;对运输卫生要求很高;由于具有腐蚀性在操作时需注意安全并按指导手册执行。其浓度越高越易受pH、温度及光照因素影响进而导致浓度衰减越快，使其不可长期贮存，不能精确控制投药量。同时，在《危险化学品名目录》中规定次氯酸钠溶液[含有效氯>5%]为危险化学品;在《危险化学品安全管理条例》、《工作场所安全使用化学品规定》等相关规定要求，针对它的安全使用生产、储存、运输装卸等方面均作了相应规定，增加相应费用。

现场制备溶液主要是利用水、食盐溶解配比形成低浓度盐水后再通过次氯酸钠发生装置电解后生成0.7～1%的溶液，最后通过计量泵将其投加。其特点：根据相关规定可知采用现场制备的溶液是安全品;其制备原料采用水与食盐，并结合电解方法，保证了其纯度、副产物极少;相对于成品方式，其设备一次性投入成本稍高与运行成本低;不易衰减可长期保存;相对于成品其浓度更低且稳定性高更便于实现精确投加;其制备工艺安全简单、运行管理方便。

由上述可知：相对于成品溶液而言，采用现场制备方式消毒的劣势在于设备一次性投资成本高，但投资成本收回在2～3年通过其大大减少的运行费用，故综合考虑选择现场制备方式更为合理。

2  现场制备次氯酸钠投加系统技术

2.1 现场制备次氯酸钠投加系统组成

该系统主要有几部分组成，详见图1：其中换热部分根据实际情况和次氯酸钠发生器规格配置。其流程如下：水进入软水制备部分，以降低水硬度和减少电极结垢;软化水进入储物体溶解精制盐，成为饱和盐水经计量泵与水精确配比混合使其浓度为3%，进入次氯发生器部分电解槽;随后溶液在直流电作用下被电解生成有效氯含量0.7～1%的次氯酸钠溶液;将生成溶液储存;通过计量投加泵与PLC实现自动计量投加。同时将该过程中产生的氢气安全地排放到大气中。

2.2 设计依据

每个NaClO分子与Cl2分子所发生的电荷转移数相同，由于NaClO的分子量约是Cl2的1.05倍，则1gCl2相当于1.05gNaClO。

设定：水厂投氯量为A（单位mg/L，一般为1～3）;其水量为B（单位：万吨/天）;次氯酸钠发生器现场制备的NaClO溶液浓度约为N（一般为0.7～1%）。

则：NaClO投加量X（单位kg/h）=A*B*10000/1000/24*1.05=0.4375AB;根据X选择相应氯产量的次氯酸钠发生器。

则NaClO溶液的投加量Y（单位为L/h）为：Y=X÷N，根据Y选择相应量程的投加计量泵。

由于其溶液浓度较低，电解过程耗水量可忽略，次氯酸钠溶液投加量约可等同于软水使用量，可根据Y值，预留一定余量，选择相应的软水器和储存装置。

根据次氯酸钠发生器調研情况，生成1kg有效氯约需要4kg食盐，根据以上公式可知：NaClO的投加量X=0.4375AB，则所需的盐量约为：1.75AB，单位都为kg/h。根据次氯酸钠发生器工艺流程，电解3%的盐水得到最后的NaClO溶液，而3%的盐水是由饱和盐水和软化水配比;则所需饱和盐水量约为：5.84AB，所需软化水量约为：52.5AB，单位都为kg/h;根据这两个值可选择相应量程的浓盐水和软水计量泵。

2.3 存储方式比较

主要阐述整个系统需存储的物质是采用罐体或者修建池体储存的可行性分析。

通过对系统中需存储的物质的相应特性分析和结合《中华人民共和国国家标准GB19106-2013次氯酸钠》可知：

①软化水和饱和盐水存储方式选择：采用罐体和修建池体都可行，选择方案主要考虑场地面积、标高及投资费用等，不需考虑防腐措施等。

②次氯酸钠溶液的存储方式选择：采用罐体和修建池体都可行，选择方案时主要需考虑场地面积、标高、防腐密闭措施及投资费用等。罐体可采取防腐材质来实现，可选的防腐材质主要有PE、PVDF等;修建池体则需在内表面加对水质无影响防腐材质。

3  结论

根据上述进行设计现场制备次氯酸钠投加系统应用于某水厂。在该水厂的设备投资成本：氯投加量2mg/L，水厂规模为3万吨/天，产氯量3kg/h（一用一备）的投资成本大约为100万，产氯量1kg/h的投资成本约为33万。在该水厂的此系统运行成本：浓度0.8%溶液以折合成有效氯计算;根据该水厂运行数据即盐价格为0.55元/kg、电费为0.66元/kWh、水费2元/m3，每kgcl的盐耗4kg、电耗5kWh、水耗0.11m3，则运行成本为0.55*4+0.66*5+0.11*2=5.72（单位：元/kgcl，即1kg有效氯的运行成本）。

综上采用现场制备次氯酸钠投加系统是运行、消毒效果良好和经济可行的。

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作者简介：谢艳（1988-），女，重庆人，硕士研究生，电气工程师，研究方向为电气及自动化、仪器仪表、机电等。