南北方水廠典型現場制備次氯酸鈉應用對比

李 曉，楊 力，紀海霞，王洪剛，王怡人，楊至瑜

(1. 北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082；2. 中規院〈北京〉規劃設計公司，北京 100044)

1 現場制備次氯酸鈉的優勢

消毒是飲用水處理中滅活水中絕大部分病原體，使水中微生物存在水平滿足人類健康要求的技術[1]。目前，給水廠采用的消毒技術有液氯、二氧化氯等。以上幾種消毒劑存在較大安全隱患，而次氯酸鈉消毒技術是一種公認較為安全的消毒技術，在北京、上海、江蘇等城市自來水廠中得到越來越多的應用。目前，次氯酸鈉生產主要有氯堿廠制造及現場生產兩種方式。氯堿制備：需要在低溫環境下通過氯氣對氫氧化鈉或碳酸鈉溶液等液堿進行氧化，即次氯酸鈉是氯堿生產過程中用于平衡氯氣的有效副產品[2]。現場制備法：利用水、電、鹽等原材料，通過電解的方式制備[3]，兩者對比如表1所示。

2 現場制備次氯酸鈉的原理

現場制備次氯酸鈉分為有隔膜法和無隔膜法，國內采用較多的方法是無隔膜法。首先，自來水經軟化器軟化，去除水中的鈣鎂離子，成為軟化水后，進入溶鹽器，與食鹽混合成為30%的飽和食鹽水。而后，經鹽水泵將飽和食鹽水與稀釋水混合至濃度為3%的食鹽水，進入電解槽。食鹽水在電解槽內經直流電作用，在陽極電解形成氯氣，陰極電解形成氫氧化鈉和氫氣。電解產物立即反應生成次氯酸鈉溶液[5]，總反應方程為：NaCI+H2O→NaOCI+H2，在該反應式中，生成1 g NaOCI等于生成0.952 g有效氯。系統中主要組件包括軟水器、溶鹽器、水冷卻器/加熱器、整流器、電解槽、脫氫儲罐或儲池及氫稀釋風機等，其工藝流程如圖1所示。

圖1 現場制備次氯酸鈉工藝流程Fig.1 Process of Sodium Hypochlorite On-Site Preparation

3 現場制備次氯酸鈉技術存在問題及解決措施

由于國內現場制備次氯酸鈉的應用越來越普遍，該技術在應用中存在的防火、防爆、有效氯衰減、電極結構等問題必須得到重視和解決。

3.1 防火防爆問題及應對措施

電解次氯酸鈉的副產物氫氣為易燃易爆氣體，爆炸下限為4%，并收錄于危險化學品名錄。因此，電解次氯酸鈉現場制備具有一定的危險性。根據《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)[6]表3.1.1，爆炸下限小于10%的氣體生產災性危險分類級別為甲類。同時，根據條文解釋3.1.1中的表1，電解水或電解食鹽廠房生產的火災危險性類別為甲類。故電解食鹽水制取次氯酸鈉廠房為甲類，需滿足甲類防火要求。

按照《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)中3.6.1要求，有爆炸危險的甲乙類廠房宜獨立設置，并采用敞開或半敞開式，并根據3.6.4，氫氣的泄壓比≥0.25 m2/m3。實際設計中難以滿足3.6中技術要求。故需采取相應措施降低氫氣爆炸危險性，具體措施有：優化儲罐頂部結構形狀，采用無吊頂、有通氣孔的下翻梁、無下翻梁等措施，避免氫氣聚集；使用場所靜電接地，采用應急強制通風系統或采用邊制備邊稀釋氫氣濃度的發生器等措施；采用低進高排的通風措施，保證8～12次/h的換氣次數；同時,請安監部門進行相應報告,以便工程順利驗收。

3.2 有效氯衰減問題及應對措施

因此，為了降低次氯酸鈉的分解速率及藥劑中氯酸鈉及亞氯酸鈉含量，建議藥劑儲存容器采用PE、聚乙烯材質或者聚四氟乙烯內襯材質，且儲罐避免陽光直射，儲存間通風良好。在運行期間，降低次氯酸鈉溶液的使用周期，并控制軟化水水溫，將電解發生溫度控制在合適區間，并優先采用符合《食用鹽》(GB 5461—2000)[8]國家標準中不加碘一級精制鹽作為原料，以降低出水溴酸鹽含量。

3.3 電極結垢及應對措施

電極是現場制備次氯酸鈉設備的核心部件，而當軟化水質量不合格造成電解液硬度偏高時，電解會出現結垢現象。結垢的電極會導致電解槽直流電壓升高，從而降低電解器的電解效率，造成能耗升高及產能下降。因此，需采取維護措施，防止或清除結垢情況：對軟水器出水硬度進行每周檢測，確保硬度小于10 mg/L，當出水硬度超過100 mg/L時，需采取更換或再生樹脂等方法對軟化器進行維護；每月對電極結垢顯現進行檢測，若結垢嚴重應采取酸洗措施。酸洗采用無氟化物的鹽酸清洗，鹽酸濃度稀釋至7%～9%為最佳，也可以采用30%～40%的檸檬酸進行酸洗，清洗時間需適當延長。

4 相關工程案例分析

4.1 長春某供水工程次氯酸鈉制備間

4.1.1 設計規模

長春市某供水工程次氯酸鈉制備間土建按A廠50萬m3/d和B廠22萬m3/d一次建成，設備按六廠25萬m3/d和三廠22萬m3/d分期安裝。A廠最大投加量為4 mg/L，其中主加氯量為3 mg/L，補氯量為1 mg/L。B廠僅考慮預加氯，最大投加量為3 mg/L。該工程次氯酸鈉制備間按功能共分為設備間、配電室及投加間。其中，制備間包括食鹽儲存區、溶鹽池、軟水系統、冷熱水一體系統、次氯酸鈉發生器及脫氣區。其中，脫氣區主要依靠脫氫罐進行脫氫，脫氫罐設排氫管向室外上方進行排氣。投加間包括成品次氯酸鈉儲存池及投加泵組。制備間內排氣采用下進風上排風的換氣方式。為了考慮系統運行的靈活性，次氯酸鈉儲池亦為10%次氯酸鈉商品藥劑預留接入條件，如圖2所示。

圖2 長春某供水工程次氯酸鈉制備間平面圖Fig.2 Sodium Hypochlorite On-Site Preparation Workshop Plan of a WTP in Changchun

4.1.2 設計要點

(1)次氯酸鈉發生系統

主要由次氯酸鈉發生器、整流器組成。配水模塊配比至稀鹽水后通過管道進入電解槽。整流器在電解槽兩端加載合適的直流電流，將稀鹽水電解，產生約為0.8%的次氯酸鈉溶液，并伴隨有氫氣產生。次氯酸鈉發生器近期共設置3臺，其中，45 kg/h 2臺(1用1備)，30 kg/h 1臺(1用)。

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(2)軟水制備系統及冷熱水一體系統

自來水進水經過軟水器，發生離子交換反應，去除了水中的鈣、鎂硬度。一部分軟化水為次氯酸鈉發生器提供稀釋水，另一部分進入溶鹽箱，軟水器處理水量為Q=11 m3/h。長春冬季水溫較低，僅為4 ℃。為提高制氯效率，降低亞氯酸鹽及氯酸鹽副產物的生成，故配置冷熱水一體機3臺，其中75 kW的2臺、55 kW的1臺。

(3)次氯酸鈉排氫系統

次氯酸鈉排氫系統主要包括脫氫存儲罐排氫及制備間應急事故排氫。電解生成的次氯酸鈉溶液和部分氫氣進入脫氫儲存罐，脫氫儲存罐通過風機將儲存罐中的氫氣以及電解裝置生成的氫氣稀釋到安全濃度，排放到室外。操作環境中的氫氣濃度通過氣體檢測儀檢測并設置報警濃度，一旦操作環境中的氫氣濃度高于報警濃度，系統立即停機，并與強排風機聯鎖運行，將室內氫氣強排至室外。成品次氯酸鈉儲存池內設置通氣管，將池內腐蝕性揮發氣體及殘存氫氣排至室外。

(4)成品次氯酸鈉儲存系統

成品次氯酸鈉儲存池共分為2座，累計有效容積為105 m3，最高負荷時可提供0.8%制備次氯酸鈉溶液使用9.6 h。儲存池同時為10%次氯酸鈉商品藥劑提供進藥接口，最高負荷時可使用5 d。

4.2 湛江某供水工程次氯酸鈉制備間

4.2.1 設計規模

湛江某供水工程次氯酸鈉制備間土建規模為50萬m3/d，設備安裝規模為25萬m3/d。根據項目情況，消毒投加量按預加氯1 mg/L、主加氯3 mg/L、補氯1 mg/L考慮，有效氯量為1 250 kg/d。近期配置2套55 kg/h次氯酸鈉發生器設備，一用一備。儲罐、鹽罐、電控等部分按遠期50萬m3/d配置。

次氯酸鈉制備間按功能分為鹽水制備間、氯投加間、氯發生器間、配電室及成品次鈉存儲池。其中，氯發生器間包括軟水制備系統、次氯酸鈉發生器，氯投加間包括投加泵組及緩沖罐，成品次氯酸鈉儲池包括排氫風機及次氯酸鈉提升泵組。該系統脫氫采用室外儲池的鼓風機鼓入空氣，將氫氣通過儲池排出的形式。另，為了避免室外儲池受氣溫影響加速次氯酸鈉分解，儲池采用全地埋的布置形式，全部儲液位于地面線以下。而其室內采用下進風、上排風的換氣方式。次氯酸鈉制備間平面如圖3所示。

圖3 湛江某供水工程次氯酸鈉制備間平面圖Fig.3 Sodium Hypochlorite On-Site Preparation Workshop Plan of a WTP in Zhangjiang

4.2.2 設計要點

(1)次氯酸鈉發生系統

共配置2套55 kg/h次氯酸鈉發生器，1用1備，同時為遠期預留1臺機位，單套功率為36 kW，其他部分與長春工程相似。

(2)軟水制備系統

系統設置2臺軟水器，并分別配置了2臺軟水罐，每座軟水罐2.0 m3，軟水系統采用樹脂軟化系統，為發生器提供稀釋用水及溶鹽用水。湛江冬季水溫較高，故未采取軟水加熱設備。

(3)次氯酸鈉儲存及排氫系統

與長春項目不同，該項目將次氯酸鈉儲存及排氫系統融合為一個系統，即成品次氯酸鈉儲池有儲存成品藥劑功能，并設有排氫功能。因湛江地區冬季幾乎無冰凍可能，為了防止氫氣泄露對制備間造成影響，將儲池設于室外。另，為避免溫度過高造成次氯酸鈉分解速度加快，有效氯含量降低，儲池采用全地下形式。儲池共設2座，采用混凝土結構并設內襯防腐，單池有效容積為150 m3，可提供10%有效氯的商品次氯酸鈉使用12 d和0.8%在線制備成品次鈉使用1 d。為了避免氫氣聚集，每座儲池上設置排氫風機2組，1用1備，單組參數為Q=3 300 m3/h，風壓為1 000 Pa，功率為0.55 kW。氯發生器間設置機械排放與送風軸流風機，其中送風機靠下布置，排放機靠上布置，并與氫氣報警儀聯鎖開啟。

4.3 對比分析

長春和湛江兩地直線距離約為2 900 km，可作為我國寒冷地區和溫暖地區的典型代表。因此，對比分析兩地在線次氯酸鈉消毒工藝設置的區別具有一定意義。由表2可知，由于位于南北方的兩地氣溫相差較大，采用次氯酸鈉現場制備消毒在脫氫方式、藥劑存儲、功耗及建筑面積上存在差異。

5 結論

(1)當前次氯酸鈉現場制備主要問題為防火防爆、有效氯衰減及副產物、電極結垢等問題。由于難以滿足建筑防火規范中的防爆要求，制備間內應采取設備防爆、設備脫氫措施及強制排氫等一系列措施，并需盡量取得安監部門認證；采取避光、降溫、縮短儲存時間、控制軟化水溫等措施，可降低次氯酸鈉藥劑中的副產物含量；對電極及軟化水系統定期檢測管養，可防止或清除結垢現象。

表2 次氯酸鈉制備間工藝參數對比Tab.2 Comparison of Technological Parameters of NaOCl Preparation in Workshop

(2)南北方地區氣候等方面差異較大，現場制備次氯酸鈉系統的設置也有所不同。

①系統能耗不同：長春項目冬季需對制備水加熱，故與湛江項目相比，設備能耗較高。

②儲池布置形式不同：長春成品藥劑儲池需考慮冬季防凍，采取室內設置，因此系統建筑面積較大；湛江冬季氣溫較高，不需考慮防凍，故湛江成品儲池置于室外。

③脫氫形式不同：由于儲池位置不同，湛江項目具備室外脫氫的條件，采用儲池與脫氫系統結合的脫氫方式，該脫氫方式相對經濟；而長春項目因儲池設置于室內，采用脫氫儲罐的方式，氫氣通過脫氫管直接高排至室外。