目前,城镇自来水厂消毒通常采用氯气、二氧化氯、臭氧、次氯酸钠等化学消毒法,其中氯气消毒因其价格低,持续消毒能力强而被广泛采用。但氯气消毒存在的安全风险日益受到关注。次氯酸钠消毒具有广谱高效的消毒效果,其消毒能力与氯相近,产品形态为低浓度液态,不属于危险品范畴,避免了氯气、二氧化氯等消毒工艺存在的有毒气体泄漏、危险品运输等安全隐患,因此在自来水厂中逐步得到应用推广。

　　 岱山地处海岛,交通不便,从2013年起岱山水厂实施5万m³/d的深度水处理改造工程,原有的加矾加氯设施需重新拆除改造。以此为契机,经方案比较论证,确定把原有的氯气消毒改造成电解盐水现场制备次氯酸钠消毒系统。

　　 岱山小高亭水厂深度处理改造工程采用常规处理及臭氧+活性炭深度处理工艺,并把原有的氯气消毒改造成电解盐水现场制备次氯酸钠消毒系统,制备原料要求:软化水1 m³/h,硬度≤10 mg/L(以CaCO₃计),盐为GB 5461-2000一级以上,固体不容物含量≤0.1%,NaCl>98.5%。次氯酸钠制备系统选用3台国内品牌次氯酸钠发生器,单台每小时产量4kg Cl₂,2用1备。次氯酸钠有效氯含量1%±0.2%,产量400L/h,每天96kg Cl₂。单套装置的规格产量设计应满足水厂日常供水需要的2倍以上,保证水厂运行库存储备在7天左右,充分考虑氢气排放,确保安全。

　　 次氯酸钠发生器是整个系统的关键设备,其原理是3%盐水在直流电场作用下电解生成次氯酸钠溶液。 氢气的爆炸极限为4% ~75.6% (体积分数),因此设计了大风量防爆风机,每小时风量在360m³以上,将氢气浓度稀释到1%以下,使其不具有可燃性。同时在室内高点设可燃气体报警仪,当氢气浓度高于2%时,输出报警,通过PLC控制系统停止运行。次氯酸钠制备车间应严格禁烟及使用明火,杜绝安全隐患。

　　 发生器电解槽的结构形式为膜板式。有效氯0.8%~1.2%,电极寿命大于5年,电极材质为高质量钛合金+ 贵金属氧化物涂层,酸洗周期12 个月(与水质盐质相关),有效氯产量4kg/h,盐效率≥90%,直流电效率≥85%,交流电耗4.0~4.5kW·h/kg Cl₂,单位盐耗3.0~3.5kg/kg Cl₂。

　　 电解槽的电压效率通常在60%左右,通过提高进水电导率可以提高电解槽的电压效率。在盐水浓度一定的情况下,通过提高进水温度可以提高电导率,进而可以提高电压效率,降低能耗。同时次氯酸钠温度越高,越不稳定,衰减速度越快。因此,通过在电解槽出水增加1台钛合金板式换热器,将出液温度从40 ℃降低至30 ℃左右,同时将进水温度从25 ℃提高至35 ℃(电导率提高20%),可将电解槽电压从82V降低至78V,电压效率提升5%,产量提高20%,也降低了次氯酸钠成品的温度,增加了次氯酸钠成品的稳定性。

　　 (1)原料食盐的含量控制为3%~3.5%。

　　 (2)出水温度控制在45 ℃以内,防止容器变形。

　　 (3)进水压力控制在0.05 MPa,防止电极渗漏。

　　 (4)根据液位自动开停机,现场有触摸屏可监控设置系统各参数。

　　 (5)氢气浓度报警,低流量报警,水箱低液位报警,温度报警,自动停机。

　　 本工程选用的次氯酸钠制备系统的工艺较为简单、便于操作,流程主要有以下几步(见图1):首先从厂区内接入自来水流过软水器,降低硬度到10mg/L以下(以CaCO₃计),以减少电极结垢,延长清洗间隔;其次,将固态盐直接倒入1t软化水水槽容器内(1用1备),水槽底部40cm左右高处设有滤网层,只要滤网层上层存有固态盐,软化水通过固态盐层,就会生成浓盐溶液。 经多次检测,浓盐溶液的浓度稳定在25%左右,这样省去了固态盐搅拌溶解的设施。经过稀释的盐溶液流经电解槽,电解槽使用整流器提供的直流电流,将经过稀释的盐溶液电解为次氯酸钠溶液(1% 左右)。该过程中产生的唯一副产品氢气经过稀释排放到大气中。同时,次氯酸钠溶液进入储罐,并通过计量泵进入水厂的消毒系统。

　　 采用本地海水日晒盐作为原料,配制饱和食盐水含量为25%,稀释后实际生产为3%。设定电解电压80V,产量450L/h,系统通电后其电流迅速下降(见表1)。

　　 表1为使用高硬度盐时的电解电流与运行时间、有效氯的关系,经化验,次氯酸钠产出有效氯含量当电流低于150A时,无法满足设计要求。原因是设备厂家采用的是国标GB 5461-2000精制盐,而第一次调试采用本岛生产的未经精制处理的日晒盐,在配制成3.5%稀盐水后硬度达到4 000mg/L。

　　 试验中发现,食盐水的硬度对电极有极大的影响,采用未经软化处理的海水日晒盐生产时,电极很快结垢,造成电压升高,电流效率下降,电解槽失效。

　　 第二次调试选择硬度在10 mg/L以下的江西食用矿盐。

　　 盐水含量固定3% 时电解电流与运行时间、有效氯的关系见表2。

　　 经过分析,次氯酸钠发生器对原料的要求是需符合国标GB 5461-2000的食盐,因此本项目选择硬度在10mg/L以下的江西食用矿盐。

　　 结合厂家提供的数据表明,次氯酸钠发生器进水含盐量在3% ~4%,综合效率较高,含盐量低于3%时,电耗较大,高于4%时,盐耗较大。

　　 在实际生产中设定食盐含量3%、电压80V、电流达到180 A的情况下进行的单机试生产情况见表3。

　　 从表3可见系统生产情况符合工程招标技术文件规定要求,生产每kg有效氯所需盐耗和电耗平均值分别为3.31kg和4.33kW·h。

　　 次氯酸钠溶液是强氧化剂,化学性质极不稳定,这是由ClO^-的结构决定的,次氯酸钠的分解反应十分复杂,这些反应都会直接或间接地消耗次氯酸钠,主要表现在见光分解和热分解,以及在酸性环境下的分解反应:

　　 (1)次氯酸钠见光分解(特别是紫外线)

　　 若在日光下晒20h左右,则90% 的有效氯被分解。

　　 (2)热分解

　　 (3)酸分解

　　 当pH小于等于7时分解反应剧烈进行。

　　 从表4 可知常温常压避光环境下,添加少量NaOH(100mg/L)作为稳定剂后,pH提高至10左右,次氯酸钠稳定性明显增强衰减速度减慢。

　　 又进行了添加不同量的NaOH,在不同pH下的衰减试验见表5。

　　 从表5 数据可以看出加入100 mg/L NaOH作为稳定剂后,pH提高至10 左右稳定性要比pH提高到11 左右的稳定性要差些,但实际生产中,次氯酸钠的最长保存时间为7 天,其衰减速度也在0.1 左右,仍能满足生产所需的浓度。加入1 000 mg/L NaOH作为稳定剂pH提高到11 左右的次氯酸钠7 天后的衰减速度在0.04左右,但所需投加的NaOH溶液要大幅增加。因此我们在生产中选择添加100 mg/L NaOH作为稳定剂,这样更为经济,其按100 mg/L稳定剂投加量计算,每生产1 000t有效氯含量为1%次氯酸钠,需要10% NaOH溶液1t,增加成本很低。

　　 岱山小高亭水厂水源以宁波姚江海底管道输送为主,本地水库水源为辅,原水水质波动较大。设计加氯点为前加氯3 个点,活性炭后加氯1个点,后置滤池后1 个点,出厂水补氯1 个点,设计加氯量为2 mg/L,实际加氯量约为1.3 mg/L。

　　 加氯点距分流到各清水池的三通的距离以及加氯点到取样点的距离均需在10倍管径以上,才能保证加氯后取样的均匀、稳定。以后置滤池滤后加氯点为例,选择了加氯点投加距离分流到各清水池的管道三通15m左右,加氯量设定为1.3mg/L,滤后总氯波动为1.15~1.3mg/L,较为稳定。

　　 次氯酸钠投加系统由PLC控制系统、计量泵和投加管路、总氯检测仪表3 部分组成,其控制原理为:前加氯量采用原水流量比例开环控制,后加氯量采用原水流量+滤后总氯复合环控制,补氯量采用出厂水总氯闭环控制。

　　 由于小高亭水厂改造工程已投入运行,经臭氧—活性炭深度水处理工艺处理后水质相对较好,省去了滤前氯投加系统,实际生产滤后加氯量为1.2~1.5kg/10³m³,设定投加量为1.25kg/10³m³。

　　 夏季随着温度的提高,清水池的耗氯量有所增加,因此,为保证出厂水总氯的稳定,在夏季11点至18点期间需相应增加加氯量0.1mg/L。

　　 在次氯酸钠试运行时,原有的氯气投加系统仍处于备用状态,为此对两种消毒剂的投加效果进行了多次对比试验。

　　 从表6可知同样出厂水余氯含量,使用氯气要比使用次氯酸钠溶液消耗相对多些,说明氯气在投加于水中时未能全部溶解,需要考虑一定的过量系数,投加同样量时,次氯酸钠与水的亲和力好,效果比投加氯气要好。

　　 在出厂水相同余氯0.9 mg/L时,对几个管网点的游离余氯进行检测(见表7)。

　　 表7中可知次氯酸钠消毒的管网余氯衰减要比氯气消毒游离余氯衰减略慢,主要是次氯酸钠在水中的水解要比氯气慢,且呈碱性,更具有持续的消毒能力。

　　 在用氯气作为消毒剂时,一般管网游离余氯在0.8mg/L以上时就会在自来水中产生氯臭味。由于岱山海岛供水管网路线较长,为确保末梢管网的游离余氯,会将出厂水的余氯控制在0.8~1.0mg/L,夏季甚至更高,因此常有用户反映自来水中有氯臭味。并且在水中易产生不利于人体健康的副产物。

　　 次氯酸钠消毒液在水中不会产生游离态氯分子,所以,在消毒过程中一般难以发生因存在分子氯而引发的氯代化合反应,因此大大减少了消毒副产物的产生和在自来水中产生氯臭味,使供水水质的化学安全性更有保障,并且不会与水反应形成对金属管道构成严重腐蚀的物质。

　　 在将消毒剂改为次氯酸钠后,出厂水的余氯仍控制在0.8~1.0mg/L,经过对附近用户的采样和调查,氯臭味这一现象基本得到消除。

　　 表8是按货运到岱山的实际价格进行的成本分析。由表8可知现场制备的1% 次氯酸钠产品成本略高于液氯(在不考虑利用谷电生产时),但比使用10%次氯酸钠成品溶液和二氧化氯要低得多。

　　 本工程的设计加氯量为2mg/L,目前,实际加氯量为1.2~1.25 mg/L。出厂水余氯控制在0.8~1.0mg/L。考虑到今后滤前投加和出厂水补充投加,投加量按1.5mg/L测算。

　　 次氯酸钠发生器系统每生产1kg的有效次氯酸钠需平均耗盐3.31kg,电耗4.33kW·h。盐到岱山价为1 100元/t,水厂电价:峰值0.94元/ (kW·h),谷值0.45 元/ (kW·h),实际平均电价0.71 元/(kW·h)。

　　 按平均电价测算成本为每生产1kg的有效次氯酸钠6.71元。按1.5mg/L投加,测算自来水生产成本为0.01元/m³。

　　 如果考虑为节省成本在夜间生产,每生产1kg的有效次氯酸钠5.59元。测算自来水生产成本为0.008 4元/m³。

　　 液氯到岱山的实际价格在5 050元/t,在使用氯气作为消毒剂时实际加氯量为1.3~1.35mg/L,测算自来水生产成本为0.008 1元/m³。

　　 从上分析,如果在夜间谷电时生产次氯酸钠则投加运行成本和在同样消毒效果时使用氯气的成本基本一样。

　　 岱山小高亭水厂5 万m³/d改造工程,投资总概算为1.17亿元,现场制备次氯酸钠系统投资成本中标价为177 万元。 如果使用液氯,一般初期投资成本在60万元左右,是次氯酸钠系统投资的1/3左右。次氯酸钠系统单位投资成本要比使用液氯高。

　　 综上,采用液氯消毒运行成本较低,但安全投入大,危险品运输成本高,且存在安全隐患。采用次氯酸钠发生器前期投资较大,但便于管理,品质稳定,副产物少,无原料供应风险,使用安全,无需更换在线余氯检测仪表,运行成本较低,投加系统仅需计量泵,能耗较低,运行维护较方便,设备故障率低,能有效解决水厂运行的安全隐患,同时避免了危险品运输。 岱山地处海岛,交通不便,选择电解盐水制备次氯酸钠消毒系统更为适用。