消毒是水厂净水处理中必不可少的工艺环节,关系到饮用水的微生物安全。厦门市集美天马水厂为一座建设年代较久的老水厂,采用液氯消毒。由于液氯属于剧毒物,存在采购手续繁琐和运输、储存、使用过程中的安全保障问题,给生产带来诸多不便,因此对该厂液氯消毒系统进行技术改造存在现实必要性和紧迫性。

厦门市集美天马水厂位于集美北部工业区内,设计总规模12万m³/d,分两期建设,每期规模6万m³/d。一期工程建成于1995年,采用的净水工艺为:管式静态混合器—栅条絮凝池—斜管沉淀池—V型滤池—液氯消毒;二期工程建成于2012年,采用的净水工艺为:管式静态混合器—竖向折板絮凝池—平流沉淀池—V型滤池—液氯消毒。根据水源状况及运行需要,水厂目前共设有7处加氯点,分别是:一期(前加氯、滤前加氯、滤后加氯)、二期(前加氯、滤前加氯、滤后加氯)、出厂补氯。根据水厂生产统计数据分析,全厂平时总的加氯量约为3 mg/L。

目前水厂采用次氯酸钠消毒有2种方式,一种是从氯碱厂采购有效氯10%～12%的商品次氯酸钠原液,另外一种是通过电解食盐水现场制备有效氯为0.8%左右的产品次氯酸钠溶液。从技术上看,使用工厂生产的商品次氯酸钠原液,主要存在以下问题:①运输的安全风险,高浓度的商品次氯酸钠原液属于危化品,运输会被严格管制;②商品次氯酸钠原液是氯碱厂生产的一种副产物,成分较复杂,存在品质不达标的风险,需要从源头采取严格的检验措施;③高浓度的次氯酸钠原液易降解,浓度和环境温度越高降解越快,会造成商品损耗、成本加大。而采用电解法现场制备产品次氯酸钠溶液,生产的原料为食盐和水,运输及储存均不存在安全问题;产品次氯酸钠溶液通过严格控制电解过程获得,将产生副产物的几率降到最低;现场制备的产品次氯酸钠溶液浓度低,常温下不存在快速降解的风险,浓度稳定,可保证良好的消毒效果。

对液氯、商品次氯酸钠原液和现场制备产品次氯酸钠溶液3种消毒方式进行经济分析,计算各消毒方式的运行总成本。总成本包括投资成本、原材料费、电费、水费、人工费、维护费等,其中一次性投资成本考虑资金的收益,按等额本息法进行测算,见式(1)。

$A=\frac{i(1+i){}^n}{(1+i){}^n-1}\times {\rm P}(1)$

式中 A——投资成本,万元/年;

i ——内部收益率,取5%;

N ——使用年限,取20年;

P ——设备(设施)一次性总投资,万元。

成本分析见表1,一次性投资成本现场制备最高,商品次氯酸钠最低;原材料费商品次氯酸钠最高,液氯最低;电费现场制备最高,商品次氯酸钠最低;水费液氯最高,商品次氯酸钠最低;人工费基本持平;维护费液氯最高,商品次氯酸钠最低;合计总成本和单位成本商品次氯酸钠最高,液氯最低;现场制备虽一次性投资成本和运行电费较高,但长期运行总成本和单位成本相比商品次氯酸钠更低。

为减少消毒副产物、方便生产和消除液氯带来的安全风险,对厦门市集美天马水厂原液氯消毒系统进行技术改造。综合技术和经济的比较分析,消毒改造选择次氯酸钠消毒系统,并采用电解法现场制备产品次氯酸钠溶液的方式。

水厂现场制备使用电解法直接电解食盐水生成次氯酸钠,电解食盐水会同时生成氯气、氢气和氢氧化钠,产生的氯气立即与氢氧化钠溶液反应,最终生成产品次氯酸钠溶液和氢气。次氯酸钠再发生可逆反应,生成次氯酸,即有效的消毒剂。反应式如下:

2NaCl+2H₂O=2NaOH+Cl₂+H₂

Cl₂+2NaOH=NaCl+NaClO+H₂O

NaClO+H₂O=NaOH+HClO

电解产生的产品次氯酸钠溶液有效氯约为8 g/L(0.8%),pH在8.5～9.5。该浓度的次氯酸钠溶液常温下半衰期为数月,适合储存;将这种溶液投加到水中,pH无需修正。

电解法现场制备次氯酸钠系统可分为原料制备部分、原料进料部分、产品制备部分、产品储存部分、产品投加部分以及系统控制部分。

原料制备部分包括软水器和溶盐罐(池)。软水器的主要功能是将自来水中的钙、镁、铁、锰等离子去除使水软化,以保证后续电解反应的顺利进行和保护电解槽的电极。软化水分2路,一路进入溶盐罐(池)中用于溶解食盐,另一路作为饱和食盐水的

稀释用水。溶盐罐(池)的作用是在室温条件下,将固体食盐自然溶解制备成饱和食盐水溶液,并储存作为电解反应的原料。

原料进料部分的主体是计量泵及配套附件构成的装置,作用是将制备好的饱和食盐水溶液输送到电解槽,完成原料的补给。

产品制备部分主要包括整流器和电解槽。整流器的作用是将交流电源整流成稳定可靠的直流电源,并持续不断地供给电解槽。电解槽利用整流器提供的直流电源,将经过稀释配制的食盐水溶液,电解生成次氯酸钠溶液和氢气,从而获得需要的产品。通常将产品制备部分的主要设备进行集成,安装在一个钢制框架内,统称次氯酸钠发生器,包括电解槽、饱和食盐水进水组件、稀释水进水组件、混合液组件以及控制器等,是整个系统的核心组件。

产品储存部分主要包括脱气产品罐和储液罐(池)。电解生成的产品次氯酸钠溶液和氢气先进入脱气产品罐,其内置的风机将罐中和系统管路中的氢气稀释到安全浓度后,排放到室外,完成脱氢;脱气产品罐中的次氯酸钠溶液再通过转液泵输送到储液罐(池)进行储存,保证足够天数的用量储备。

产品投加部分的主要设备是计量泵及配套附件,主要功能是将制备好的产品次氯酸钠溶液定量投加到水体中,完成加氯。

系统控制部分提供整个系统自动运行的联机控制、信号处理以及同上位机的交互,保证系统自动、安全、可靠运行。

电解法现场制备次氯酸钠系统的具体工作流程是:从厂区自用给水管接水进入软水器,一路软水进入溶盐罐(池),将固体食盐溶解制备成饱和食盐水溶液;进料泵抽取饱和食盐水溶液,与另一路软水混合稀释后,进入发生器电解槽;电解槽在整流器提供的直流电源的作用下,电解食盐水溶液生成产品次氯酸钠溶液和氢气;生成的次氯酸钠溶液和氢气先进入脱气产品罐,通过内置风机进行脱氢;脱气产品罐中的次氯酸钠溶液再通过转液泵输送到储液罐(池)储存,并通过计量泵,将次氯酸钠溶液投加到所需点。系统工作流程见图1。

液氯消毒系统改造为现场制备次氯酸钠消毒系统,有效氯投加量不变,按照水厂设计规模12万m³/d,总加氯量3 mg/L计,次氯酸钠发生器的制备能力需15 kg有效氯/h。根据电解反应式,食盐消耗量约3.5 kg/kg有效氯,总盐耗为52.5 kg/h(1 260 kg/d)。现场制备的产品次氯酸钠溶液有效氯约0.8%,溶液总投加量为1 875 L/h(45 m³/d)。

常温下,制备的饱和食盐水约26.5%,密度约1.33 g/cm³,稀释后电解的食盐水约3%。水量消耗主要用于溶解制备饱和食盐水和电解食盐水的稀释用水,根据制备和稀释食盐水的浓度要求,计算耗水量合计约125 L/kg有效氯,总水耗为1 875 L/h(45 m³/d),与总的产品溶液投加量吻合。

用于食盐的堆放储存,食盐储备量按保证20 d的用量考虑,需25 200 kg。

根据系统总的耗水量,软水器需供水流量为1 875 L/h,考虑一定的安全系数,选用软水器规格为产水量3 m³/h、进水压力(3～5)×10⁵Pa,2台,1用1备。软水器罐体为玻璃钢树脂罐,阀头为多路控制阀,自动运行、反洗、再生。

设计采用溶盐池,按照每24 h添加一次食盐的频率,溶盐池的制备能力需1 260 kg,根据饱和食盐水的浓度及密度计算,溶盐池的容积需3.6 m³。设计溶盐池平面净尺寸2.2 m×2.2 m,深度2.4 m,有效水深2.1 m,有效容积10.2 m³,制备1次可保证约3 d的原料用量。

根据电解食盐消耗量、饱和食盐水的浓度和密度,计算盐水泵的流量需198 L/h,同样考虑必要的安全系数,选用盐水泵规格为流量300 L/h、压力4×10⁵Pa,2台,1用1备。

根据水厂总的加氯投加量,选用制备能力为15 kg有效氯/h的次氯酸钠发生器2套,1用1备。整流器配套设置2台,互为备用,选用规格为:实际输出直流660 A,电压75 V,效率95%,总功率55 kW。

脱气产品罐起产品脱氢、调节、中转的作用,每套次氯酸钠发生器配套设置1个脱气产品罐,共2个,每个容积3 m³,罐体为HDPE材质。其配套风机风量为900 m³/h,转液泵规格为:Q=15 m³/h,H=15 m。

按照水厂加氯量要求,每天需消耗的产品次氯酸钠溶液量为45 m³。根据场地条件,设置2个储液罐,每个容积30 m³,罐体为HDPE材质一体成型。

根据改造需要,同时考虑增加溶液储备容积,在厂区选择一块空地建设1座钢筋混凝土结构储液池,改造时作为临时储存商品次氯酸钠原液使用,改造完成后则用于储存产品次氯酸钠溶液。储液池分2格,每格平面净尺寸7.0 m×7.0 m,深度1.8 m,有效水深1.5 m,总有效容积147 m³,可保证约3 d的用量。

另为保证投加泵的吸水安全,在泵前端设置1座钢筋混凝土结构吸水井。吸水井分2格,每格平面净尺寸2.0 m×1.0 m,深度2.0 m,有效水深1.7 m。

水厂加氯点较多,共有7处。为使运行管理方便又简化操作程序,设计采用1台投加泵对应1个投加点的方式。根据投加要求,共设置9台投加泵,其中滤后加氯单独设置备用泵,其他两两互为备用。投加泵采用数字隔膜计量泵,配套安全阀、脉冲阻尼器、背压阀、电磁流量计等构成一个完整、可靠的投加系统。计量泵技术参数为:Q=0～940 L/h,H=4×10⁵Pa,N=0.24 kW,吸程4 m,调节比1∶800,精度±1%。

根据加氯点数量需7根投加管,另从安全考虑,2个滤后加氯点各设置1根备用管,共9根投加管。投加管采用DN20的PVC-U管,压力等级1.0 MPa,沿管沟进行布设。

现场制备次氯酸钠消毒系统充分利用水厂现状加药间的可用空间,因地制宜进行改造布置,其中氯库、漏氯吸收间将原液氯消毒系统拆除后可全部利用,原矾库改加液体矾液后腾出的多余空间也可使用。系统布置如下:

(1)现状氯库平面净尺寸11.5 m×8.7 m,主要布置食盐堆场、软水器、溶盐池、盐水泵等。食盐堆场布置在氯库东南角,占地5.0 m×2.0 m,堆放高度1.5 m,可储存约27 t的食盐,保证20 d的用量。2台软水器靠西南侧墙壁布置,水源就近从厂区自用给水管接管,出水管分2路,一路接溶盐池进水管,另一路接次氯酸钠发生器稀释水管,管径均采用DN50。溶盐池布置在氯库西南角,占地2.6 m×2.6 m,采用半地下式,地下深1.8 m,地上高出室内地面0.6 m;内壁采用花岗岩贴面、环氧树脂勾缝防腐;池中布置软化水进水管、盐水过滤装置、盐水管、溢流管、超声波液位仪等;进水管设置自动进水装置,根据液位自动控制进水;盐水管与进水管之间设连通管和阀门,方便对盐水管道进行冲洗;购置吨包食盐,配置投盐料斗和破包装置,采用电动吊车进行投放。

(2)现状漏氯吸收间平面净尺寸11.6 m×5.7 m,主要布置电气柜、整流器、次氯酸钠发生器、脱气产品罐等。设计将原车间隔成2间,东侧车间布置1台MCC配电柜、1台PLC控制柜、2台整流器,西侧车间布置2套次氯酸钠发生器、2个脱气产品罐。整流器与次氯酸钠发生器之间预埋ϕ80电缆套管用于敷设电缆,次氯酸钠发生器与脱气产品罐之间架设DN65的PVC-U管进行连接。操作环境中的氢气浓度通过氢气检测仪进行检测,布设在车间屋顶最上部,一旦操作环境中的氢气浓度高于危险报警浓度,系统即停机,保证安全。此外在车间北侧外墙最高处设置2台防爆轴流风机进行通风换气,风机性能参数为:Q=3 600 m³/h,H=10 mmHg,N=0.6 kW,可保证制备车间每小时20次的换气频率。

(3)由于室内空间不足,设计将2个容积30 m³的储液罐放置在加药间北侧的室外空地上,基础占地9.0 m×5.0 m,高度超出地面0.3 m,采用C25混凝土基础。储液池则就近布置在加药间西侧的空地上,占地14.7 m×7.5 m,采用半地下式,地面下埋深0.5 m,地面上露出高度1.3 m。吸水井靠近投加泵,布置在加药间矾库北侧的空地上,占地4.6 m×1.4 m,同样为半地下式,地面下埋深0.7 m,地面上露出高度1.3 m。储液池、吸水井内壁均采用花岗岩贴面、环氧树脂勾缝防腐。为避免阳光直射,储液罐(池)、吸水井上部均加设轻质彩钢板遮阳棚。脱气产品罐、储液罐、储液池、吸水井之间的连通管道均采用DN100的PVC-U管,中间设置切换阀门,管道统一放置在500(700)mm×500 mm室外管沟中。

(4)原矾库腾出的多余空间位于加药间西北角,平面净尺寸9.0 m×2.8 m,沿长度方向布置9台投加泵和1台MCC配电柜。投加泵采用一体化撬装,支架长6.5 m,平行于北侧墙壁布置,泵进出水管均采用DN20的PVC-U管,从北侧外墙穿孔进出,与室外管道连接。系统平面布置见图2。

配电系统需要满足改造后的现场制备次氯酸钠消毒系统的配电要求,此外根据实际使用情况需对年限较久的原加药间配电系统一并进行更新改造,电气设计整体统一考虑。根据设备参数,1套次氯酸钠发生器负荷容量约60 kW(整流器总功率55 kW,其他设备合计小于5 kW,总计按60 kW计算),加药间配电系统实际运行负荷约30 kW,考虑10 kW余量,总功率按100 kW设计。相关电气参数为:电流I=170 A,电阻R=0.03 Ω(20 ℃),电压降ΔU=5.1 V。

根据水厂配电系统布局,电源从送水泵房配电柜接线,采用双回路供电,每路电源均须满足用电负荷要求,采用2根YJV 3×120+2×70电缆,每根长度约220 m,电缆沿厂区电缆沟铺设,过路采用预埋套管的方式通过。

配电系统共设置5台电气柜,其中2台进线柜,2台配电柜,1台母联柜。正常运行时,母联开关断开,2个进线开关闭合,当其中一路电源故障时,故障回路进线开关断开,母联开关闭合,2个进线开关、母联开关通过电气互锁,避免3个开关同时闭合。

水厂消毒改造实施需遵循两条原则:一是必须保证消毒系统切换到新系统之前,不能影响水厂的正常运行;二是应保持对现有建筑物的结构安全不产生重大影响,充分利用现有的建筑空间,实现新旧消毒系统的无缝对接。

消毒改造实施简要步骤如下:①建设储液池、吸水井、室外管沟,连接溶液管路;②腾空矾库可用空间,安装投加泵,连接投加管路;③购置商品次氯酸钠原液存入储液池中,启动投加泵进行调试;④待原液投加系统稳定后,停止液氯投加,改投商品次氯酸钠原液;⑤拆除氯库和漏氯吸收间内的设备,施工溶盐池、设备基础、管沟等土建工程;⑥安装次氯酸钠制备系统的全套设备,进行管线连接、电缆连接等安装工作;⑦制备系统安装完成检查无误后,进行单机调试、系统调试,开始试运行;⑧待试运行稳定后,切断商品原液投加,正式启动现场制备系统;⑨改造完成记录相关运行数据,开始正常运行。

采用现场制备次氯酸钠替代液氯,作为净水处理的预氧化剂和消毒剂,其有效成分和作用机理与液氯基本相同,余氯分析检测指标也保持不变,技术上可无缝衔接,经济上也相对合理。根据消毒改造工程实施运行后对出厂水水质的检测结果,水中微生物指标及消毒剂指标均达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)的要求。经过生产实践检验,改造工程基本符合设计预期,但需要进一步说明的是:

(1)水厂加氯投加量存在高峰或低谷的变化,制备系统是按照平均投加量、而非最大投加量确定制备能力,可以保证系统高效运行,同时节省设备造价。作为水厂净水处理的重要环节,必须保证各种工况条件下的消毒需要,对于高峰期间或极端水质情况下加氯量大幅增加的情况,通过调用储液罐(池)储备的溶液和开启备用投加设备,来保证加氯投加需要。

(2)电解槽是现场制备次氯酸钠系统的核心设备,电极的使用寿命和维护便利是选择设备时需要重点关注的问题。此外电解过程为一个放热过程,进水温度较高时,应考虑换热装置控制电解槽的温度,保证出水温度不高于40 ℃,以降低次氯酸钠溶液的降解速度,减少产品副产物的产生。

(3)投加泵的选用也至关重要。由于在改造或生产过程中,存在商品次氯酸钠原液和产品次氯酸钠溶液交替投加的情况,这两种溶液浓度相差10多倍,投加泵需要适应不同浓度溶液的精确投加要求。设计选用先进的数字隔膜计量泵,其调节范围广、精度高,可满足溶液浓度大幅变化的投加需要。