芬頓藥劑儲罐區(qū)設(shè)計要點(diǎn)

劉臻臻，解 林，江雙雙，田偉漢，田寶鳳

（南京神克隆科技有限公司，江蘇南京 211100）

2015年，國家出臺《水污染防治行動計劃》。2019年，各部委出臺《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案（2019—2021年）》[1]，受大環(huán)境影響，我國關(guān)鍵省市、流域相繼出臺了更嚴(yán)格的污水地方排放標(biāo)準(zhǔn)。大多城鎮(zhèn)污水處理廠，尤其是含工業(yè)廢水的污水處理廠為滿足排放要求，需要提標(biāo)升級。隨著工業(yè)、產(chǎn)業(yè)有機(jī)合成領(lǐng)域的發(fā)展，人工合成的復(fù)雜成鍵成環(huán)有機(jī)物種類越來越多[2]。芬頓氧化通過催化劑Fe2+催化H2O2產(chǎn)生HO·HO·迅速無選擇氧化污水中的難生物降解有機(jī)物。以芬頓、類芬頓工藝為核心的污水提標(biāo)工程，需要用到硫酸、液堿、雙氧水三種液體藥劑，大型污水處理廠使用的藥劑量相當(dāng)可觀。

濃硫酸、液堿、雙氧水是重要的商品，廣泛用于化學(xué)化工、機(jī)械加工、紡織印染、醫(yī)藥、造紙等領(lǐng)域，幾乎所有的工業(yè)都直接或間接地使用硫酸[3]。芬頓藥劑濃硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%，液堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)32%，雙氧水質(zhì)量分?jǐn)?shù)27.5%。化學(xué)特性如下：98酸SO3/H2O的摩爾比約0.903，相對密度1.826 9，比水重接近一倍[4]。濃硫酸具有強(qiáng)烈的腐蝕性和吸水性，遇水反應(yīng)激烈，沸騰放熱。液堿與酸發(fā)生中和反應(yīng)并放熱。雙氧水是助燃性強(qiáng)氧化劑。雙氧水本身不燃，但與可燃物接觸會放出大量熱和氧氣導(dǎo)致燃爆。

污水廠芬頓罐區(qū)的設(shè)計應(yīng)依據(jù)國家法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)及業(yè)主要求，熟悉化工標(biāo)準(zhǔn)，對一般的市政設(shè)計院提出了更高的要求。根據(jù)濃硫酸、液堿、雙氧水的特點(diǎn)，對芬頓罐區(qū)的設(shè)計要點(diǎn)和安全等問題做了如下總結(jié)。

1 材質(zhì)選擇

芬頓罐區(qū)濃硫酸、液堿、雙氧水三種藥劑是常溫儲存，且蒸汽壓力較低，采用固定頂罐，不需要設(shè)置浮頂。同時揮發(fā)性不大，不需要充氮保護(hù)。為防止外界雜質(zhì)進(jìn)入，硫酸、雙氧水罐頂排氣設(shè)置呼吸閥。儲罐材質(zhì)要考慮一定的腐蝕裕量。

鐵和鋼對濃硫酸有良好的抵抗力，濃度越高，鋼鐵的抵抗力越好。90%以上的硫酸儲罐常采用碳鋼材質(zhì)，濃硫酸的強(qiáng)氧化性可以使金屬鈍化，致密的金屬氧化物薄膜使?jié)饬蛩岷蛢薷艚^開，因此碳鋼儲罐不會被腐蝕。但是濃硫酸吸入空氣中的水蒸氣后，腐蝕性因濃度變低極大增加，設(shè)備的使用壽命縮短[5]。常溫氫氧化鈉溶液和濃硫酸對鋼鐵的表面化學(xué)作用一樣，不銹鋼對液堿可耐至80℃。考慮經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)選碳鋼材質(zhì)。雙氧水遇金屬易分解并發(fā)生劇烈反應(yīng)，儲罐通常使用鈍化的不銹鋼[3]。奧氏體不銹鋼中的元素Cr易形成氧化物鈍化膜、Ni和Mo提高了不銹鋼的抗腐蝕能力。雙氧水儲罐材質(zhì)一般選用316L或以上。

2 芬頓罐區(qū)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

市政污水處理廠以建/構(gòu)筑物為主，一般參照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB 50016—2014（2018版）（后稱《建規(guī)》）[6]、《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》GB 50160—2008（后稱《石化規(guī)》）[7]，主要針對工藝裝置，處理石油化工類的污水處理廠特別需要參考。常用的芬頓罐區(qū)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)還有《儲罐區(qū)防火堤設(shè)計規(guī)范》GB 50351—2014[8]、《化工裝置設(shè)備布置設(shè)計規(guī)定》HG/T 20546—2009[9]。另外雙氧水罐區(qū)還應(yīng)參考《易制爆危險化學(xué)品儲存場所治安防范要求》GA 1511—2018[10]。

3 芬頓罐區(qū)設(shè)計要點(diǎn)

3.1 防火等級

根據(jù)《易制毒化學(xué)品管理條例》（2018年9月18日修正版，國辦函[2021]58號補(bǔ)充），98%硫酸屬于第三類易制毒化學(xué)品。根據(jù)《高毒物品目錄》（2003版），芬頓罐區(qū)的化學(xué)品不涉及高毒物品。根據(jù)《易制爆危險化學(xué)品名錄（2017年版）》，27.5%雙氧水屬于易制爆危險化學(xué)品。

芬頓罐區(qū)涉及的主要化學(xué)品的火災(zāi)危險類別具體分類如表1所示。

表1 芬頓藥劑火災(zāi)危險類別

3.2 管口布置

芬頓藥劑儲罐的接口一般包括：人孔、進(jìn)料口、出料口、溢流口、排污口、排氣口、溢流口、現(xiàn)場（遠(yuǎn)傳）液位接口。儲罐頂部排氣口安裝呼吸閥。雙氧水藥劑儲罐還包括泄壓人孔、現(xiàn)場（遠(yuǎn)傳）溫度接口，可選配置緊急卸料口、緊急注水口[11]。液位計口應(yīng)盡量靠近儲罐的中心位置，并且與進(jìn)料口保持一定的距離，這樣可以提高儀表的精確度。

3.3 平面布置

芬頓罐區(qū)一般布置在室外地面以上，并設(shè)置防火堤。雙氧水罐區(qū)圍堰內(nèi)容不小于其內(nèi)部儲罐的容積[6]。防火堤、防護(hù)墻一般為鋼混閉合結(jié)構(gòu)。如果三種儲罐相鄰布置，每個隔堤區(qū)域布置一種藥劑。圍堰內(nèi)儲罐數(shù)量在2個以上時，應(yīng)在防火堤的相對方位上設(shè)置兩組以上人行臺階或坡道，隔堤均應(yīng)設(shè)置人行臺階。

雙氧水作為乙類火災(zāi)危險類別一般不與液堿儲罐同組布置[12]。藥劑儲罐的容量最好不要大于《危險化學(xué)品重大危險源辨識》（GB 18218—2018）重大危險源辨識物質(zhì)儲存單元的臨界量。

儲罐間的間距應(yīng)符合《建規(guī)》4.2.2要求，≥0.75D。雙氧水儲罐25m半徑內(nèi)沒有架空電力線。不大于1 000m3的液體儲罐與其泵房、裝卸鶴管的防火間距≥11.25m。卸料泵區(qū)和加藥泵區(qū)根據(jù)總圖情況既可以布置在同一區(qū)域，也可以分開布置。防火堤內(nèi)側(cè)基腳線至立式儲罐外壁水平距離大于等于罐壁高度的一半，防火堤外側(cè)基腳線至相鄰建筑的距離≥10m。

防火堤內(nèi)的排水排液可以通往事故池，圍堰內(nèi)的地面應(yīng)坡向排水溝，排水溝應(yīng)坡向集水坑，且坡度不小于3%。防火堤、隔堤內(nèi)壁、排水溝、集水坑應(yīng)進(jìn)行耐酸堿防腐處理。加藥泵區(qū)、卸藥泵區(qū)貼耐酸堿瓷磚。

3.4 泵和管道布置

泵的選型一方面根據(jù)污水處理廠工藝參數(shù)，一方面應(yīng)符合硫酸、液堿、雙氧水的化學(xué)特性[12]。卸料泵一般選用化工泵。加藥泵根據(jù)流量可選擇磁力泵、機(jī)械隔膜計量泵，并要求變頻。

芬頓罐區(qū)和泵房配管要求集中布置或者對稱布置，這樣可以預(yù)留檢修通道便于巡檢操作，同時預(yù)留20%左右的位置給儀表電纜和電氣電纜[13]。儲罐的出口安裝金屬軟管，金屬軟管兼具柔性和剛性，預(yù)防儲罐基礎(chǔ)和管道的不均勻沉降，或地震時對儲罐造成撕裂破壞。管架上的管道可以通過彎頭改變走向來吸收管道的熱膨脹，或通過在儲罐上設(shè)置膨脹口、在管道上設(shè)置補(bǔ)償器以滿足需要。

進(jìn)出儲罐的管道盡量減少出現(xiàn)交叉，避免氣象平衡管道產(chǎn)生U形彎造成液封[14]。芬頓罐區(qū)管道安裝完成后進(jìn)行焊縫致密性檢查，加藥單元管線、設(shè)備、儀器儀表等全方位包裹防護(hù)。穿越芬頓罐區(qū)的管道、電纜宜從防火堤上部跨越或從地面以下穿過。必須從防火堤中穿過的，應(yīng)預(yù)埋剛性防水套管并采用不燃燒材料封堵。

3.5 事故池

芬頓罐區(qū)附近可設(shè)置事故應(yīng)急池，用于儲藥罐體泄漏時臨時存液，防止危化品流散。藥劑儲罐區(qū)、加藥泵區(qū)、卸藥泵區(qū)設(shè)置地溝收集事故排放廢水，廢水沿地面抹灰坡度高差流入四周的排水溝，再通過預(yù)埋管流至事故應(yīng)急收集池，然后泵送至污水廠前端調(diào)節(jié)池或其他處理設(shè)施。防火堤內(nèi)的雨水或事故液通過閥門自動切換導(dǎo)流，雨水經(jīng)雨水管、窨井排入外部環(huán)境。

3.6 儀表自動化

為了實現(xiàn)硫酸、液堿、雙氧水儲罐的在線監(jiān)測和時時控制。儲罐上應(yīng)設(shè)置液位傳感器、磁翻板液位計。雙氧水儲罐上還應(yīng)設(shè)溫度傳感器，一般＜100m3的儲罐設(shè)置1個即可。卸藥泵出口、加藥泵出口、卸料罐氣象平衡管道應(yīng)設(shè)電動閥門。

根據(jù)化學(xué)品儲存使用的安全要求和操作規(guī)程，設(shè)置儲罐高高液位控制回路，儲罐高高液位且罐進(jìn)口閥門打開，卸料泵運(yùn)行時，連鎖關(guān)閉相應(yīng)卸料泵，關(guān)閉卸料泵出口電動閥門。設(shè)置儲罐低低液位控制回路，儲罐低低液位且罐出口閥門打開，加藥泵運(yùn)行時，聯(lián)鎖關(guān)閉相應(yīng)投藥泵、關(guān)閉投藥泵出口電動閥。雙氧水儲罐溫度傳感器和噴淋水電磁閥連鎖，夏季暴曬或異常情況超溫時，說明過氧化氫開始分解，立刻打開電磁閥，噴出大量冷水給儲罐降溫。

芬頓罐區(qū)自動化保證加藥過程的安全控制。自動化程度高則可以實現(xiàn)芬頓罐區(qū)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實時監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、過程數(shù)據(jù)存儲、分析、報警、打印報表等功能。通過設(shè)定自動安全連鎖，異常狀態(tài)報警、控制泵啟停、泵的變頻和加藥量、pH設(shè)置連鎖回路。根據(jù)工藝參數(shù)確定雙氧水的投加比例，根據(jù)污水要調(diào)節(jié)的pH確定硫酸、液堿投加比例，比如啟動泵投加濃硫酸時，對pH的調(diào)整采取分步降低的辦法，初始濃硫酸加藥量應(yīng)由小慢慢增大，而不是由大慢慢變小。加藥泵初始啟動時考慮小流量控制，雙氧水罐區(qū)的電氣設(shè)施采用防爆型。

4 安全對策

濃硫酸、液堿儲罐應(yīng)相鄰布置，發(fā)生泄漏事故時可臨時切換泵區(qū)管路，用液堿（濃硫酸）來中和濃硫酸（液堿），以降低化學(xué)品危害。儲罐區(qū)應(yīng)配套洗眼器，洗眼器的保護(hù)半徑為15m，芬頓罐區(qū)一般需要2個。罐區(qū)除配置常規(guī)滅火器外，雙氧水儲罐還應(yīng)設(shè)置遮陽措施或冷水噴淋降溫系統(tǒng)，噴淋強(qiáng)度可取6L/（m2·min）[15]。雙氧水的分解溫度為50℃，超溫時分解反應(yīng)劇烈，噴淋的同時可以打開注水口，大量清水同時流向罐體內(nèi)部、沖刷罐體外部，迅速降低儲罐中雙氧水的濃度和溫度。

芬頓罐區(qū)應(yīng)設(shè)置安全警示標(biāo)牌。操作過程（卸藥、加藥等）應(yīng)嚴(yán)格遵守規(guī)程，在整個卸藥、加藥作業(yè)過程中，操作人員都必須穿戴好防護(hù)用品，嚴(yán)禁吸煙，使用明火。如不慎接觸液體藥劑，依暴露程度按規(guī)程緊急處理，及時就醫(yī)。

大型污水處理廠的芬頓藥劑投加量大，芬頓罐區(qū)的卸料操作頻繁。卸料時先確認(rèn)閥門、泵等設(shè)備都可安全工作，雙氧水、液堿泵的冷卻水都開啟，焊接處、法蘭盤連接處都無泄漏現(xiàn)象。接好卸料鶴管，保持鶴管呈自然彎曲狀態(tài)，在接口下方留好廢液桶防止有藥劑滴漏，開啟卸料罐的空氣連通閥門，再打開貨車卸料閥門和卸料罐進(jìn)口閥門，觀察鶴管連接是否緊密，如果發(fā)現(xiàn)漏氣或者藥劑滴漏，必須重新加固接口的連接直到上述現(xiàn)象消失。待卸料罐裝滿之后，關(guān)閉排空閥，開泵卸料，注意觀察泵的運(yùn)行情況，出現(xiàn)問題例如有異常聲響立即關(guān)泵停止卸料作業(yè)。卸料時押運(yùn)員和送貨員必須在場，并有車間人員加強(qiáng)監(jiān)督。待卸料鶴管開始抖動，卸料罐翻板液位計開始下降時，慢慢調(diào)小出口閥門保持翻板液位計穩(wěn)定或緩慢下降（注意不能關(guān)得太小，最好不要低于開度的1/4），待翻板液位計接近40時，關(guān)泵（在翻板液位計低于35時必須關(guān)泵），打開卸料罐上的空氣連通閥，嚴(yán)禁在泵未關(guān)時關(guān)閉卸料罐進(jìn)口閥門和車輛卸料閥門。提升卸料鶴管使管內(nèi)的藥劑流入卸料罐，關(guān)閉卸料罐進(jìn)口閥門，打開車輛卸料卡口，結(jié)束卸料作業(yè)。由于滴漏跑冒等現(xiàn)象產(chǎn)生的所有外泄藥劑必須得到妥善處理，廢液桶內(nèi)不得有藥劑殘留。

雙氧水儲罐區(qū)還應(yīng)符合《易制爆危險化學(xué)品儲存場所治安防范要求》（GA 1511—2018）規(guī)定的露天式存放場所防范要求。設(shè)置實體防范措施、視頻監(jiān)控設(shè)施、入侵報警系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、防破壞設(shè)施等防范設(shè)施。

5 結(jié)束語

芬頓藥劑罐區(qū)作為污水處理廠芬頓、類芬頓法提標(biāo)工藝中的一個單體，對設(shè)計人員有著較高的要求。對芬頓罐區(qū)的材質(zhì)選擇、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計要點(diǎn)等進(jìn)行分析總結(jié)，但是仍不能做到細(xì)節(jié)無遺漏，比如設(shè)計人員要結(jié)合工程的實地情況布置罐區(qū)周圍廠內(nèi)道路等，使芬頓罐區(qū)設(shè)計更加標(biāo)準(zhǔn)化與經(jīng)濟(jì)化，同時提升安全性和可靠性。