两级次氯酸钠消毒在长距离原水输送中的系统选择及设计

刘占会， 郭冬艳， 魏 旭

(1.徐州金石工程技术咨询有限公司，江苏徐州221111；2.徐州市环境监测中心，江苏徐州220006；3.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉430061)

长期运行的长距离输水管道的管壁上会附着并生长多种微生物，形成生物膜，造成水体的污染和水流动阻力的增加[1]。此外，湖泊水体中可能存在的贝类幼体进入输水管道内，并附着在管道内壁上，随着其生长变大，造成管道输送能力的下降[2]。根据国内原水输水管水生生物、微生物孳生抑制的经验，投加氯予以抑制甚至灭活水生生物、微生物及贝类是目前应用最广泛的方法[3]。采用次氯酸钠代替液氯的氧化作用，可进一步减少消毒副产物(DBPs)的产生[4]，其运输、储存与投加操作比液氯更为简单、方便和安全[5]。

1 工程概况

徐州市某原水输送工程取水规模30×104m3/d，沿途向3个水厂输送原水，输送规模分别为5×104、10×104、15×104m3/d，总输送距离63 km，如图1所示。原水水质综合评价为Ⅲ类，主要污染因子是高锰酸盐指数和硫酸盐，原水藻类高，优势种类为绿藻。针对高锰酸盐指数含量较高条件下的微污染水，水厂设计时采用生物预处理+常规处理+臭氧-活性炭吸附深度处理工艺。为应对藻类大规模爆发等重大污染事件，在取水泵站设置高锰酸钾和粉末活性炭投加设施，系应急投加。为应对微生物及贝类在输水管道内的孳生，在取水泵站和加压泵站设置次氯酸钠投加设施，系常规投加。

图1 工程概化图Fig.1 General graph of the project

2 系统选择

2.1 消毒方式

采用次氯酸钠消毒时，可购买商品次氯酸钠溶液或通过次氯酸钠发生器电解食盐水现场制取。用于现场制备的次氯酸钠发生器利用钛阳极电解食盐水产生次氯酸钠，反应方程式为：NaCl+H2O→NaClO+H2。在现场制备次氯酸钠过程中有氢气产生，氢气的爆炸极限为体积浓度的4.0%～75.6%，其火灾危险性为甲类[6]，因此需采取措施将氢气浓度控制在1%以下，使其不具有可燃性。此外，次氯酸钠发生器还存在电极结垢、食盐水需每日配置等问题。

商品次氯酸钠溶液有效氯浓度为10%，一般由供应商采用槽罐车运送至水厂或泵站，储存于储液罐中。与现场制备次氯酸钠相比，投加商品液系统简单，前期投入低。但10%次氯酸钠溶液属于危险化学品，运输安全性差[7]。商品次氯酸钠溶液中的有效氯易受日光、温度的影响而分解，有效氯浓度会随时间的推移而降低。

综合以上分析，结合工程周边次氯酸钠货源充足、保证率高的情况，本工程采用商品次氯酸钠溶液投加。

2.2 投加位置

次氯酸钠一般投加在地表水的取水口，可控制微生物及贝类在输水管道内的生长繁殖， 还起到一定的消毒杀菌效果，使水厂出水水质得以明显改善。但次氯酸钠投加量过大会造成毒性较大的副产物三卤甲烷(THMs)生成，影响水质安全[8]。次氯酸钠投加时既要考虑输水距离及运行时间，又要考虑投加浓度的影响。本工程取水规模分期及原水在管道中的运行时间见表1。

表1 取水规模和运行时间Tab.1 Scale of water intaking and operation time

由表1可知，从取水泵站到水厂3，原水在管道中的运行时间最短为15 h，最长达到63 h。为了使次氯酸钠投加浓度不致过高，并且保证原水管线末端有一定的余氯量，本工程在取水泵站和加压泵站同时建设次氯酸钠投加设施。在取水泵站，次氯酸钠投加至吸水井前端。在加压泵站，次氯酸钠投加至调节池进水管。

3 加氯设计

3.1 设计要点

3.1.1投加量

在取水泵站、加压泵站内设置加氯间，为避免产生副产物，平均投加量按2.0 mg/L(有效氯1.0 mg/L)为宜，最大投加量3.0 mg/L(有效氯1.5 mg/L)。

3.1.2储液罐容积

考虑到有效氯浓度的维持受环境温度影响较大，储液罐容积按最大加注量的5 d用量确定。

3.1.3投加浓度

投加商品次氯酸钠溶液，有效氯浓度10%。

3.2 设备参数及选型

3.2.1计量泵

计量泵是最常用的投加计量设备，一般采用隔膜计量泵。本工程选用数字式投加隔膜计量泵，流量可在0到最大额定流量之间任意调节，安全性能高，计量输送精确，调节直观清晰。计量泵流量计算公式如下：

(1)

式中：Q为计量泵流量，L/h；Q0为原水输送流量，m3/h；c为投加浓度，mg/L；ρ为商品次氯酸钠密度，kg/m3；w为商品次氯酸钠有效氯浓度，一般取10%(质量浓度)；n为计量泵工作台数。

取水泵站设置3台隔膜计量泵，2用1备，单泵参数为：流量375 L/h，扬程30 m，功率1.5 kW。加压泵站设置3台隔膜计量泵，2用1备，单泵参数为：流量375 L/h，扬程30 m，功率1.5 kW。由于次氯酸钠溶液呈碱性，泵头及隔膜材质须具有极好的耐腐蚀性。

3.2.2储液罐

与储液池相比，储液罐占地面积小，搬运灵活，无需考虑池体防腐。储液罐一般采用耐腐性的塑料材质，整体一次成型，无焊接缝，抗冲击，抗老化，重量轻，本工程采用PE材质储液罐。

取水泵站设置2个次氯酸钠储液罐，单罐有效容积为15 m3，尺寸为φ2.8 m×3.3 m。加压泵站设置2个次氯酸钠储液罐，单罐有效容积为10 m3，尺寸为φ2.3 m×3.0 m。

3.2.3卸料泵

槽罐车卸料时，卸料泵将商品次氯酸钠溶液输送至储液罐内，具有较高的强度，较好的耐腐性等。

取水泵站设置2台卸料泵，1用1备，单泵参数为：流量20 m3/h，扬程20 m，功率2.2 kW。加压泵站设置2台卸料泵，1用1备，单泵参数为：流量20 m3/h，扬程20 m，功率2.2 kW。

3.3 投加系统

次氯酸钠投加系统由卸料泵、储液罐、过滤器、计量泵、安全阀、脉冲阻尼器、压力表、背压阀等基本部件组成，如图2所示。过滤器过滤溶液中的杂质，保证计量泵安全和正常运行，脉冲阻尼器将计量泵输出的脉冲流转化成稳定的连续流，背压阀使计量泵保持一定的输出压力，当投加压力过高时安全阀可自动将溶液释放回流至储液罐。供应商用槽罐车运送商品次氯酸钠溶液至泵站后，由卸料泵将商品次氯酸钠溶液输送至储液罐，再经计量泵投加至投加点。投加管路为PVC管，具有耐次氯酸钠腐蚀性。

图2 NaClO投加示意Fig.2 Schematic diagram of NaClO dosing

3.4 加氯间布置

加氯间应布置在靠近投加点的位置。以加压泵站加氯间为例，其平面尺寸为10.5 m×8.0 m，净高为5.7 m。计量泵安装在撬架上，储液罐安装在隔液池内。隔液池平面尺寸为7.6 m×3.8 m，深0.75 m。隔液池设置集水坑，集水坑平面尺寸为0.6 m×0.6 m，深0.6 m。集水坑设置放空管，排至室外漏液池。漏液池平面尺寸为3.0 m×2.3 m，深1.6 m。加氯间布置见图3、图4。

图3 加氯间平面Fig.3 Plan of chlorination room

图4 加氯间剖面Fig.4 Section of chlorination room

3.5 防腐、通风和安全保护

3.5.1防腐

考虑到环氧防腐会与次氯酸钠发生反应，混凝土池壁及环氧树脂会逐渐侵蚀和剥落[9]，加氯间隔液池池壁及地面采用耐碱水泥砂浆和耐碱瓷砖，瓷砖规格不大于0.3 m×0.3 m；内墙面采用耐碱水泥砂浆。

3.5.2通风

次氯酸钠溶液存在微量的溶液分解和挥发气体，为改善室内环境空气质量，设置机械通风，每小时换气8～12次。加氯间安装2台低位轴流风机，单台流量为2 208 m3/h，功率为0.06 kW。

3.5.3安全保护

加氯间出入口设置洗眼器，为操作人员提供不慎接触到次氯酸钠溶液后的应急自救设施。

4 结语

次氯酸钠消毒因投加方便、运行安全、消毒效果好且持久、消毒副产物低等优点，已在原水输送和净水处理中得到越来越多的应用。在取水泵站、加压泵站同时设置次氯酸钠投加设施，既可使长距离原水管线全程保有一定的余氯量，控制微生物和贝类的孳生，又避免了因投加浓度过高而产生副产物。原水管线两级投加商品次氯酸钠溶液，操作简单，管理灵活，对类似工程有借鉴意义。