海沧水厂制水消毒设备更新技术方法探讨

谢成元

（厦门市政水务集团有限公司，福建 厦门 361000）

1 项目背景

氯气是一种具有强烈刺激性及特殊臭味的气体，其有很强的氧化能力，在6～7 个大气压条件下可转变成液态氯，在有水气的情况下具有高度的腐蚀性。液氯消毒是传统的消毒工艺，成本较低，但是氯瓶属于高压容器，而且氯气属于危化品，当氯瓶发生泄漏时必须迅速采取应急堵漏措施，阻止水气进入投加设备的管道、阀门等，目前没有较为有效的方法处理含水气蒸的氯气。氯气一旦发生泄露就会造成环境污染，水厂的氯库属重大危险源，容易引起安全事故。自2017 年以来，福建省政府部门多次发文鼓励用次氯酸钠溶液代替液氯消毒。

次氯酸钠是一种强碱弱酸盐，一种非天然存在的强氧化剂，一种能完全溶解于水的液体，是高效、安全的强力杀菌剂，杀菌能力与氯气相当。与氯气相比次氯酸钠不会在反应过程中产生附产物，且没有剧毒，不会对操作人员造成直接伤害。经综合考虑，优先选用次氯酸钠作为净水消毒剂。

次氯酸钠溶液作为一种消毒药剂，具有很好的水亲和性，可与水任意比例互溶，消毒效果与氯气相当且不存在液氯带来的安全隐患。同时次氯酸钠溶液易于存储，通过计量泵投加，操作安全，使用方便，投加准确，不存在跑气泄漏的风险，对环境无毒害，管道中安装有计量设备电磁流量计，能够给自动化提供可靠、稳定、连续的信号，因此可以在任意工作状况下投加。

在之前，海沧水厂20 万t/d 自来水工艺主要采用液氯消毒，设备有1 t 的储气瓶、缓冲罐（压力容器）、真空主调节器、漏氯报警装置、真空加氯机（配转子流量计）、投加点水射器、恒压泵等。因设备故障率高，安装维护难度大，进口备品备件昂贵，后改为次氯酸钠溶液投加系统消毒，采购的次氯酸钠溶液有效氯浓度≥10%，经过稀释后有效氯浓度降低至5%～8%，再经过投加系统投加消毒自来水[1]。

2 海沧水厂次氯酸钠溶液消毒设备系统参数选型要点

改造前，海沧水厂（日供水量接近20 万t）采用液氯消毒。改造后，采用次氯酸钠溶液消毒。

次氯酸钠溶液消毒系统主要包含以下3 个部分：卸料系统、存储系统、投加系统。

2.1 卸料系统

卸料系统包含的设备有：快速接头、卸料总阀、冲洗水阀、磁力泵[聚偏二氟乙烯（DVDF）泵头]、稀释系统、空管保护系统。

槽车软管通过快速接头接进卸料管道，次氯酸钠原液通过磁力泵输送至稀释系统，在与清水混合后经过管道混合器进入储液罐，卸料完成后空管保护系统自动停止磁力泵，避免泵空转，此时可手动开启冲洗水阀，将卸料管道中剩余的次氯酸钠冲入储液罐，关闭卸料总阀，等待下一次卸料[2]。磁力泵工作原理和结构特点如下。

（1）磁力泵由电机、外磁总成、内磁总成、叶轮（与内磁总成一体）、泵轴、泵壳、隔离套等组成。

（2）电机带动外磁总成进行旋转（轴连接），外磁总成通过磁力耦合带动内磁总成旋转，进而带动叶轮（PVDF）旋转，对位于叶片间的流体做功；流体在离心力的作用下，从叶轮中心被甩向泵壳，当流体到达叶轮外周时，已经具有高流速特性。外磁总成与内磁总成由PVDF 材质的隔离套隔开。

（3）各叶片间被甩出的液体聚集在泵壳（PVDF）流道中，这些液体的流速在泵壳内有所降低，部分流体的动能转化为静压能，最终以一定的压力和流速流出水泵。因此，泵壳的作用一方面用于汇集液体，另一方面在此完成液体能量转换。

（4）液体吸上原理。叶轮通过高速旋转，将叶轮中心的液体以很高的速度甩出，叶轮中心产生负压，此时在一定的压差条件下，低位槽中的液体被不断压入叶轮。

磁力泵在启动前壳内存在较多气体，泵启动后叶轮中心气体被甩出时在该处形成的负压不足，泵内外压差过小，导致槽内液体无法被压入叶轮，因此泵在启动前需要先向泵壳内灌入液体，将气体排出。在泵吸入管路的入口处装设止回阀（底阀），可防止泵壳内的液体因重力倒流回低位槽内，如果泵顶标高低于槽内液面，则泵启动时可无须灌泵[3]。

（5）外磁总成和内磁总成之间通过隔离套隔离，利用磁力耦合传递动力，取消了机械密封，杜绝了滴漏问题，不会污染使用场地。

（6）泵的过流部分采用PVDF 材料制造，可用于任意浓度的酸、碱、强氧化剂等腐蚀介质的输送。

2.2 存储系统

次氯酸钠原液在光照或受热的情况下易分解，因此储液区应设置在室内保持通风良好的区域（隔热）。储液罐应采用深色或黑色（避光），且需要配置排气口、出药口、排空口、溢流口、超声波液位计、人工检查孔及可视的磁翻板液位计或透明管液位计。

储液罐应采用一体成型聚乙烯或高密度聚乙烯材质、法兰等与罐体一体成型，避免变形开裂；罐下半部至少有两根冷轧钢带捆扎，避免罐体变形过大。20 t 加厚聚乙烯储液罐（直径为2700 mm，高4000 mm）在满罐与空罐时直径可相差2～4 cm。

出药口后端出药管道应避免刚性固定，留下活动空间，或使用柔性管连接，以防储液罐开裂。

2.3 投加系统

氯气消毒时采用玻璃管流量计来调节加氯量，调节精度不足，误差较大。而次氯酸钠原液是液体，可采用高精度的计量泵投加，尤其是采用数字式计量泵投加，误差值可控制在1%～2%，高精度的数字泵可以确保药剂的精确投加[4]。

投加系统由隔膜计量泵、阻尼器、安全阀、背压阀、压力表、Y 型过滤器以及投加管道组成。

2.3.1 隔膜计量泵

隔膜计量泵具有3 个功能：动力驱动、液体输送、调节控制。其中，动力驱动装置由机械连杆系统带动流体输送隔膜进行往复运动。隔膜计量泵主要分为机械隔膜计量泵、液压隔膜泵、数字计量泵等。

（1）机械隔膜计量泵。机械隔膜计量泵由三相电机驱动，通过泵体内的传动齿轮驱动凸轮，带动连杆机构推动隔膜往复运动，冲程长度可由调节器调节，同时还可通过变频电机调节流量。可调节范围基本在30%～100%，投加精度为±2%。由于是机械直接驱动，会导致隔膜受力集中，隔膜容易破损。

（2）液压隔膜泵。液压隔膜泵与机械隔膜计量泵类似，但是其主要通过液压油推动隔膜运动，由于液压油可以均匀地推动隔膜，克服了机械隔膜泵隔膜受力集中、隔膜容易破损的缺点，整个生命周期几乎无须更换，投加精度也有所提高，一般可到±1%，但液压油过多或过少都会对投加精度产生影响。

（3）数字计量泵。数字计量泵采用泵体内置直流电机驱动，力矩稳定，泵内结构简单，泵体自带液晶显示屏及操作按钮，精度可达到±1.5%，调节比为1:800。同时其采用双隔膜，当外层隔膜破裂时内层隔膜可防止药剂进入泵体内部。

数字计量泵本身设有可读的液晶面板，通过显示屏可以直接读取显示的流量（单位为mL/h 或L/h），脉冲或批量投加。友好的界面显示便于操作泵，能通过菜单来使用标准控制功能，包括脉冲、模拟量、定时、批投加、排气控制以及标定等功能。

数字计量泵满足在不外接变频器或电动冲程长度调节装置的情况下实现流量自动调节。通过接受外部的4～20 mA 控制信号，数字计量泵能够在固定吸入速度的情况下，借助自动调节电机的转速来调节排出速度，实现自动调节投加过程，确保最佳的调节效果。

在不同背压和吸水水头变化的情况下，加注泵的精度都应优于额定能力的1.5%。数字计量泵采用宽幅供电电源，自动适配（100-240VAC-50/60 Hz）；采用无刷电机或变频电机驱动技术和微处理器，保证低脉冲工况下药剂的准确投加。经过背压阀后，流量曲线需呈线性变化，调节范围在0%～100%。

在负载运行时，数字计量泵的噪声应低于70 dB（A），且无异常振动，无泄漏。

由于调解比例大（1:800），精度高，海沧水厂数字计量泵可适用于水质波动大的极端情况，经济效益显著，对自动化的精确控制具有良好的支持。

2.3.2 安全阀（溢流阀）

安全阀是压力容器或管路上的一种自动释放压力装置。当系统压力超过设定安全压力时，安全阀会自动打开，排除液体，释放系统压力，防止系统压力过大造成设备损坏；当系统压力降低到设定安全压力以下时，安全阀将自动关闭。

在泵的出口侧安装安全阀，可有效避免因泵和其他原因产生的过压对管路系统造成的伤害，保证系统安全运行。

2.3.3 背压阀（压力保持阀）

在投加系统没有背压、背压不稳定或者投加点位置比泵低时，背压阀可用于维持计量泵投加流量的稳定。背压阀的压力大小可通过阀体上带弹簧的调节螺冒进行调节。在泵的出口侧安装背压阀，可对泵产生恒定的背压，保证计量泵加药系统进料量的准确性，防止超压；与脉冲阻尼器一同使用可消除进料液的脉冲，增加进料的平稳性。

2.3.4 脉冲阻尼器

脉冲阻尼器，又叫脉动缓冲器，常用于消除管路的脉动，是计量泵必备的附件之一。脉动阻尼器不仅能够平滑由柱塞泵、隔膜泵等容积泵引起的管路脉动现象，还可以消除系统的水锤现象。脉冲阻尼器通过耐腐蚀的隔膜将气体与管路中的液体隔离开，借助能量平衡的方式减少精密计量泵药液输出的脉冲，使精密计量泵药液输出均匀，形成近似线性的流体特性，增加进料的平稳性，并消除因脉冲可能引起的振动对计量泵和系统造成的伤害[5]。

2.3.5 Y 型过滤器

Y 型过滤器是常安装于输送介质的管道系统，用来过滤去除介质中的杂质，从而保护管道系统设备的正常使用，通常安装在减压阀、泄压阀、定水位阀或其他设备的进口端。

3 海沧水厂次氯酸钠消毒系统设备调试注意事项

3.1 药液投加前准备

操作人员必须经过岗前培训，熟悉投加药剂的理化性质和设备性能，严格操作规程。操作人员在投加药液时应做好个人防护，佩戴化学安全防护眼镜，穿防腐蚀工作服，戴橡胶手套。依次检查次氯酸钠储液桶密封情况、次氯酸钠储液桶液位指示位置、Y 型过滤器是否存在阻塞现象。

3.2 药液投加操作步骤

（1）打开进液阀门，使投加前管道内液体充足（有排气管路打开排气阀，无排气管路打开投加泵上排气阀和进、出口阀），检查进液管路有无渗漏。

（2）依次打开投加泵至投加点管路上的阀门。

（3）启动投加泵，选择适当的投加量进行投加。

（4）检查投加泵和投加管路附件工作状态是否正常，如保证压力表指示正常，投加泵运行平稳、无异响，管网接口无渗漏，管路震动幅度不大等。

3.3 药液投加量控制和调整

（1）滤后加氯量控制。根据清水池耗氧量情况、清水池水位、水温、滤后水余氯、出厂水余氯（依据原水、管网末梢水质，一般控制在 0.6～1.0 mg/L）、pH、接触时间及以往经验控制滤后氯的投加量；氯与水的有效接触时间应大于30 min。

（2）反应池加氯量控制。根据原水、沉淀池出口水质、藻含量及以往经验确定反应池氯的投加量；应尽量不在或少在反应池加氯。

（3）余氯反馈。每1 h 监测出厂水、沉淀池质控点余氯指标，数据反馈至制水岗位，操作人员据此合理调整次氯酸钠溶液投加量，以满足生产要求。

4 海沧水厂次氯酸钠溶液消毒系统经济测算及实施结论

经数年的运行统计，以千吨水消毒氯耗为15 kg计算，次氯酸钠溶液消毒综合成本为6.5 元/千吨水；而改造之前的液氯投加系统综合成本为6.4 元/千吨水。在成本相近的情况下，水处理车间从重大危险源转化成低风险源，免去漏氯吸收装置一套、中和塔一座约80 万元，每年节约安防设备投入约25 万元；运行故障率低，无须大量进口备品备件，可充分应用可编程逻辑控制器实现水厂消毒系统的自动控制，无人值守，安全可靠，既保障生产又能保护周边环境，是水厂消毒工艺的一项优选择。