自來水廠中次氯酸鈉消毒的應用分析

張君君

(北票市自來水有限公司，遼寧 朝陽 122100)

傳統的自來水廠大多選用氯氣消毒方式，但在氯氣使用、貯存、運輸和生產過程中不可避免地會有泄漏風險，故作為危險化學品被重點監管。近年來，我國因液氯泄漏而造成人員傷亡的事故時有發生。由于具有能降低全過程風險、投加設備簡單和持續消毒效果好等優勢，10%次氯酸鈉溶液正逐漸替代液氯消毒被廣泛應用[1-3]。2020年，北票市自來水有限公司開始使用次氯酸鈉消毒，相比于液氯消毒具有更加穩定可靠的消毒效果。因此，結合工程實踐優化次氯酸鈉的施工安全、設備選型和工藝設計等，可為城市自來水廠中次氯酸鈉的推廣應用提供參考依據。

1 次氯酸鈉的消毒原理

1.1 化學特性

自來水廠使用的次氯酸鈉溶液的重金屬和游離堿含量不超過國標值，有效氯≥10%并且符合GB 19106-2018要求，自來水廠運營必須取得食品衛生許可證。由于化學性質活潑，在運輸和儲存時次氯酸鈉會分解，壓力、溫度和濃度不同情況下的分解速度也明顯不同，分解速度與溫度、濃度正相關，而與壓力負相關[4-5]。

光照受熱后，由于化學性質不穩定次氯酸鈉發生分解，因水解生成的次氯酸還會進一步分解。此外，次氯酸與分解產生的鹽酸反應生成氯氣，這些氣體與液體混合后進入投加系統，氣體積聚到一定量后會影響系統的性能和參數，從而使得整個系統的控制效果發生改變，甚至對出廠水水質造成較大影響。

1.2 消毒原理

投入水中后次氯酸鈉會快速發生水解，從而生成次氯酸，這些很小的中性分子會快速吸附于病毒或細菌表面并滲入細胞內部，病毒或細菌內部的蛋白質受強烈氧化作用而發生改變，從而達到消毒殺菌的目的。

2 次氯酸鈉的投加設計

2.1 投加系統設計

投加系統主要包括計量泵、原水加注點和儲存槽等構成，詳細流程如圖1所示。

圖1 投加系統流程

2.2 投加點設計

一般地，自來水廠中的次氯酸鈉消毒有管網、濾前和濾后3種加氯設計方式，從而保證管網水質和混凝土沉淀效果，達到充分消除大腸桿菌、細菌和殺滅清水池細菌的作用。結合管線距離、凈水設備和原水水質等因素，可以適當調整水廠加投點情況。

2.3 管道選擇

經長期運行管道內會出現結晶或結垢，并且很難用清水沖洗管道內結垢，一般選用稀酸。因此，為延緩結垢的影響通常會選用較大口徑的管道。實際上，結垢水分與次氯酸鈉反應生成的NaOH。若選用的管徑較大，投加量較小時無法充滿管道，此時溶液流速較慢次氯酸鈉的反應時間和停留時間均較長，水解生成的NaOH有一定黏度，NaOH會吸附在管道表面且很難被流速較慢的液體沖刷掉，長期以往附著物就變成了結垢。溫度越低越易形成結垢，這是由于低溫條件下的NaOH更易飽和，從而析出晶體。

針對以上問題，應選擇接近投加點的位置作為背壓閥的安裝點，并且管徑應考慮投加量大小合理確定，一般不宜過大，這主要體現在：

①管道內保持充填壓力，有利于減少積氣和分解；②適當的管徑能夠及時帶走液體中混雜的氣泡，加快管道內液體的流速，有效防止氣阻的形成；③合適的管徑能夠產生較快水流，對結垢形成一定的沖刷作用，大大推遲結垢的產生時間；④合理的管徑有助于提高保溫層厚度，有效控制NaOH的析出和結垢形成。

2.4 密封件選用

對于強堿性的次氯酸鈉，應考慮堿性和氧化性要求合理選用密封件，而大多數用戶選用的是氟橡膠。相比于其它材質氟橡膠的耐腐能力雖然較強，但遇次氯酸后仍然會出現腐蝕，最終產生滲漏。部分用戶或廠商也會選用純四氟包覆的密封圈，雖然其耐腐能力優于氟橡膠，但彈性不足，長期受壓后四氟材料會產生退讓，并且這種退讓不能有效被內部的橡膠密封圈補償，由此以來也會形成泄漏或滲漏。結合實踐經驗和相關化工手冊，乙丙橡膠EPDM耐次氯酸鈉腐蝕的效果較為顯著。

2.5 排氣設計

管道內的液體與次氯酸鈉會分解生成氣體，對劑量計的精準監測、計量泵的投加精度和其它附件的正常運行造成直接影響。因此，有必要將排氣點增設至系統內。

1)進口管路排氣的排氣。在投加系統進口管路計量泵的進口前需要安設排氣點，主要作用是最大程度地減少氣體進入計量泵，從而確保系統的投加精度，比較常見的排氣方式有連通立管自動排氣、穩壓筒的自動排氣和手動排氣3種。

①連通立管自動排氣：這種方式的成本低、效果好且人力消耗低，但由于管線長，所以外觀美觀性整體較差；②穩壓筒自動排氣：這種方式的效果好、液體與氣體可有效置換，但必須結合電磁閥與液位開關才能實現自動排氣，并且資金投入大；③穩壓筒手動排氣：這種方式的投入最小、效果較好、液體與氣體能夠有效置換，但各季節的排氣周期不同且后期需要人力定期排氣。

2)出口管路流量計的排氣。次氯酸鈉的投加流量應與電磁流量計匹配，一般自來水廠的投加量較小，這種小流量的實際情況要與流量計的過流界面適應。將大口徑流量計應用于小流量時，既會導致計量結果出現較大偏差，還會使得腔室內出現氣體積聚，對測量結果造成影響。目前，流量計主要有垂直安裝、水平安裝兩種方式，如圖2所示。

1)水平安裝：采用這種方式時需要在流量計的上游和下游增設“拱門”，在保證流量計充滿的情況下盡可能地將溶液中所混雜的氣泡積聚到管路高點，從而降低流量計檢測受氣泡的影響。此外，為減少流量計和液體中的氣泡混入量，通常將排氣點增設于流量計的上游高點處。

2)垂直安裝：這種方式比較適合次氯酸鈉系統，混雜的氣泡隨液體通過流量計后向上移動，這大大降低了氣泡進入傳感器腔室內的概率，流量計計量受氣泡的影響也耕地。

另外，還需要注意流量計的設置，確保其適用于各種工況和介質條件。一般地，應結合具體的工況條件和次氯酸鈉的化學形式合理設置流量計。

2.6 加注點形式

投加系統的加注口處會有結垢的生成，而加注口位置、形式在很大程度上決定了結垢的形成量，具體如下：

①次氯酸鈉的直接加入，則原水管道的中心位置應作為加注口，這是因為中心處的流速最快、流阻最小，次氯酸鈉進入管道中心后會以最快的速度流入系統，大大減小了停留在加注口的時間較短。②設計小于45°的切口作為加注口形狀，這種形狀可以有效防止結垢堵塞加注口。③方向向背，加注口處可以形成負壓，在負壓作用下原水經過時會帶走次氯酸鈉，從而減少結垢的形成。

2.7 背壓閥安裝設計

藥劑投加點與加藥泵之間距離較遠，一般超過100m甚至達到300m。因此，必須合理確定背壓閥安裝位置。若泵的位置距離背壓閥較近則下游液體的流速取決于投加點與背壓閥設定壓力的壓差，壓差較小則流速會變慢，管線越長則末端的流速也越慢。投加量較小而管徑較大時液體無法充滿管道，從而導致氣體積聚于管道內，對系統的正常運行造成影響。所以，投注點應盡量接近背壓閥的安裝點。

2.8 消毒效果與投加影響

2020年，北票市自來水有限公司開始使用次氯酸鈉消毒，傳統的液氯消毒逐漸被完全替代，1-3月改造前出廠水余氯、濁度、單耗和液氯的平均加投量0.75mg/L、0.16NTU、41.85元/104m3和22.68kg/104m3，4-12月改造后分別為0.80mg/L、0.13NTU、170.28元/104m3、261.52kg/104m3，如圖3所示。

圖3 水廠改造前、后的藥劑成本對比

考慮到有效率只有10%的實際情況，為達到相同的消毒效果需要增大次氯酸鈉投加量約90%，雖然其綜合成本較液氯提高了147.6元/104m3，但消毒效果較好、設備故障率低且安全生產系數較高。

3 次氯酸鈉投加系統的優化

1)設計階段：排氣點的合理布置是實現精準投加的關鍵，必須結合排氣點的整體布置情況合理設計。

2)配備電磁流量計：結合小流量的使用要求和自控要求應選用電磁流量計，并且后續使用直接與流量計的安裝方式相關，為達到最佳的效果宜選用垂直安裝的方式。

3)確定管徑：考慮到管線距離一般較長和次氯酸鈉易形成結垢的問題，水廠通常選用較大管徑，但這并不能徹底解決問題。因此，為保證液體流速建議選用較小管徑。小管徑既可以減少管內氣體的積聚，保證能夠充滿管道，還能夠加快液體流速發揮一定的沖刷作用。在系統整體建設中PVC管線成本所占比例較低，可以合理選用備用管線以實現在系統沖刷時的及時切換。

4)管線沖洗：投加過程中次氯酸鈉會形成NaOH結構物，經不斷積累結垢物會影響投加系統的運行，因此必須進行管線重新。一般選用醋酸或鹽酸等酸性溶液作為沖洗介質，且醋酸的沖洗效果不如鹽酸。

5)次氯酸鈉的儲存：水廠通常選用經環氧防腐處理的地下儲液池，從而降低對環境的影響以及會發消耗。另外，在投加泵區域建議設置材料安全數據表和清水應急處置區，現場安設應急處置池組組和沙桶。

4 結 論

實踐表明，次氯酸鈉是一種行之有效的消毒方法，在城市自來水廠中實際應用意義重大，具有一定推廣應用價值。另外，為保證次氯酸鈉投加系統的長效云頂運行建議初期就綜合考慮、合理施工和科學設計。