芬顿药剂储罐区设计要点

刘臻臻，解 林，江双双，田伟汉，田宝凤

（南京神克隆科技有限公司，江苏南京 211100）

2015年，国家出台《水污染防治行动计划》。2019年，各部委出台《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019—2021年）》[1]，受大环境影响，我国关键省市、流域相继出台了更严格的污水地方排放标准。大多城镇污水处理厂，尤其是含工业废水的污水处理厂为满足排放要求，需要提标升级。随着工业、产业有机合成领域的发展，人工合成的复杂成键成环有机物种类越来越多[2]。芬顿氧化通过催化剂Fe2+催化H2O2产生HO·HO·迅速无选择氧化污水中的难生物降解有机物。以芬顿、类芬顿工艺为核心的污水提标工程，需要用到硫酸、液碱、双氧水三种液体药剂，大型污水处理厂使用的药剂量相当可观。

浓硫酸、液碱、双氧水是重要的商品，广泛用于化学化工、机械加工、纺织印染、医药、造纸等领域，几乎所有的工业都直接或间接地使用硫酸[3]。芬顿药剂浓硫酸质量分数为98%，液碱质量分数32%，双氧水质量分数27.5%。化学特性如下：98酸SO3/H2O的摩尔比约0.903，相对密度1.826 9，比水重接近一倍[4]。浓硫酸具有强烈的腐蚀性和吸水性，遇水反应激烈，沸腾放热。液碱与酸发生中和反应并放热。双氧水是助燃性强氧化剂。双氧水本身不燃，但与可燃物接触会放出大量热和氧气导致燃爆。

污水厂芬顿罐区的设计应依据国家法律、法规、标准及业主要求，熟悉化工标准，对一般的市政设计院提出了更高的要求。根据浓硫酸、液碱、双氧水的特点，对芬顿罐区的设计要点和安全等问题做了如下总结。

1 材质选择

芬顿罐区浓硫酸、液碱、双氧水三种药剂是常温储存，且蒸汽压力较低，采用固定顶罐，不需要设置浮顶。同时挥发性不大，不需要充氮保护。为防止外界杂质进入，硫酸、双氧水罐顶排气设置呼吸阀。储罐材质要考虑一定的腐蚀裕量。

铁和钢对浓硫酸有良好的抵抗力，浓度越高，钢铁的抵抗力越好。90%以上的硫酸储罐常采用碳钢材质，浓硫酸的强氧化性可以使金属钝化，致密的金属氧化物薄膜使浓硫酸和储罐隔绝开，因此碳钢储罐不会被腐蚀。但是浓硫酸吸入空气中的水蒸气后，腐蚀性因浓度变低极大增加，设备的使用寿命缩短[5]。常温氢氧化钠溶液和浓硫酸对钢铁的表面化学作用一样，不锈钢对液碱可耐至80℃。考虑经济性，优选碳钢材质。双氧水遇金属易分解并发生剧烈反应，储罐通常使用钝化的不锈钢[3]。奥氏体不锈钢中的元素Cr易形成氧化物钝化膜、Ni和Mo提高了不锈钢的抗腐蚀能力。双氧水储罐材质一般选用316L或以上。

2 芬顿罐区设计标准

市政污水处理厂以建/构筑物为主，一般参照《建筑设计防火规范》GB 50016—2014（2018版）（后称《建规》）[6]、《石油化工企业设计防火规范》GB 50160—2008（后称《石化规》）[7]，主要针对工艺装置，处理石油化工类的污水处理厂特别需要参考。常用的芬顿罐区设计标准还有《储罐区防火堤设计规范》GB 50351—2014[8]、《化工装置设备布置设计规定》HG/T 20546—2009[9]。另外双氧水罐区还应参考《易制爆危险化学品储存场所治安防范要求》GA 1511—2018[10]。

3 芬顿罐区设计要点

3.1 防火等级

根据《易制毒化学品管理条例》（2018年9月18日修正版，国办函[2021]58号补充），98%硫酸属于第三类易制毒化学品。根据《高毒物品目录》（2003版），芬顿罐区的化学品不涉及高毒物品。根据《易制爆危险化学品名录（2017年版）》，27.5%双氧水属于易制爆危险化学品。

芬顿罐区涉及的主要化学品的火灾危险类别具体分类如表1所示。

表1 芬顿药剂火灾危险类别

3.2 管口布置

芬顿药剂储罐的接口一般包括：人孔、进料口、出料口、溢流口、排污口、排气口、溢流口、现场（远传）液位接口。储罐顶部排气口安装呼吸阀。双氧水药剂储罐还包括泄压人孔、现场（远传）温度接口，可选配置紧急卸料口、紧急注水口[11]。液位计口应尽量靠近储罐的中心位置，并且与进料口保持一定的距离，这样可以提高仪表的精确度。

3.3 平面布置

芬顿罐区一般布置在室外地面以上，并设置防火堤。双氧水罐区围堰内容不小于其内部储罐的容积[6]。防火堤、防护墙一般为钢混闭合结构。如果三种储罐相邻布置，每个隔堤区域布置一种药剂。围堰内储罐数量在2个以上时，应在防火堤的相对方位上设置两组以上人行台阶或坡道，隔堤均应设置人行台阶。

双氧水作为乙类火灾危险类别一般不与液碱储罐同组布置[12]。药剂储罐的容量最好不要大于《危险化学品重大危险源辨识》（GB 18218—2018）重大危险源辨识物质储存单元的临界量。

储罐间的间距应符合《建规》4.2.2要求，≥0.75D。双氧水储罐25m半径内没有架空电力线。不大于1 000m3的液体储罐与其泵房、装卸鹤管的防火间距≥11.25m。卸料泵区和加药泵区根据总图情况既可以布置在同一区域，也可以分开布置。防火堤内侧基脚线至立式储罐外壁水平距离大于等于罐壁高度的一半，防火堤外侧基脚线至相邻建筑的距离≥10m。

防火堤内的排水排液可以通往事故池，围堰内的地面应坡向排水沟，排水沟应坡向集水坑，且坡度不小于3%。防火堤、隔堤内壁、排水沟、集水坑应进行耐酸碱防腐处理。加药泵区、卸药泵区贴耐酸碱瓷砖。

3.4 泵和管道布置

泵的选型一方面根据污水处理厂工艺参数，一方面应符合硫酸、液碱、双氧水的化学特性[12]。卸料泵一般选用化工泵。加药泵根据流量可选择磁力泵、机械隔膜计量泵，并要求变频。

芬顿罐区和泵房配管要求集中布置或者对称布置，这样可以预留检修通道便于巡检操作，同时预留20%左右的位置给仪表电缆和电气电缆[13]。储罐的出口安装金属软管，金属软管兼具柔性和刚性，预防储罐基础和管道的不均匀沉降，或地震时对储罐造成撕裂破坏。管架上的管道可以通过弯头改变走向来吸收管道的热膨胀，或通过在储罐上设置膨胀口、在管道上设置补偿器以满足需要。

进出储罐的管道尽量减少出现交叉，避免气象平衡管道产生U形弯造成液封[14]。芬顿罐区管道安装完成后进行焊缝致密性检查，加药单元管线、设备、仪器仪表等全方位包裹防护。穿越芬顿罐区的管道、电缆宜从防火堤上部跨越或从地面以下穿过。必须从防火堤中穿过的，应预埋刚性防水套管并采用不燃烧材料封堵。

3.5 事故池

芬顿罐区附近可设置事故应急池，用于储药罐体泄漏时临时存液，防止危化品流散。药剂储罐区、加药泵区、卸药泵区设置地沟收集事故排放废水，废水沿地面抹灰坡度高差流入四周的排水沟，再通过预埋管流至事故应急收集池，然后泵送至污水厂前端调节池或其他处理设施。防火堤内的雨水或事故液通过阀门自动切换导流，雨水经雨水管、窨井排入外部环境。

3.6 仪表自动化

为了实现硫酸、液碱、双氧水储罐的在线监测和时时控制。储罐上应设置液位传感器、磁翻板液位计。双氧水储罐上还应设温度传感器，一般＜100m3的储罐设置1个即可。卸药泵出口、加药泵出口、卸料罐气象平衡管道应设电动阀门。

根据化学品储存使用的安全要求和操作规程，设置储罐高高液位控制回路，储罐高高液位且罐进口阀门打开，卸料泵运行时，连锁关闭相应卸料泵，关闭卸料泵出口电动阀门。设置储罐低低液位控制回路，储罐低低液位且罐出口阀门打开，加药泵运行时，联锁关闭相应投药泵、关闭投药泵出口电动阀。双氧水储罐温度传感器和喷淋水电磁阀连锁，夏季暴晒或异常情况超温时，说明过氧化氢开始分解，立刻打开电磁阀，喷出大量冷水给储罐降温。

芬顿罐区自动化保证加药过程的安全控制。自动化程度高则可以实现芬顿罐区设备运行状态实时监测、远程控制、过程数据存储、分析、报警、打印报表等功能。通过设定自动安全连锁，异常状态报警、控制泵启停、泵的变频和加药量、pH设置连锁回路。根据工艺参数确定双氧水的投加比例，根据污水要调节的pH确定硫酸、液碱投加比例，比如启动泵投加浓硫酸时，对pH的调整采取分步降低的办法，初始浓硫酸加药量应由小慢慢增大，而不是由大慢慢变小。加药泵初始启动时考虑小流量控制，双氧水罐区的电气设施采用防爆型。

4 安全对策

浓硫酸、液碱储罐应相邻布置，发生泄漏事故时可临时切换泵区管路，用液碱（浓硫酸）来中和浓硫酸（液碱），以降低化学品危害。储罐区应配套洗眼器，洗眼器的保护半径为15m，芬顿罐区一般需要2个。罐区除配置常规灭火器外，双氧水储罐还应设置遮阳措施或冷水喷淋降温系统，喷淋强度可取6L/（m2·min）[15]。双氧水的分解温度为50℃，超温时分解反应剧烈，喷淋的同时可以打开注水口，大量清水同时流向罐体内部、冲刷罐体外部，迅速降低储罐中双氧水的浓度和温度。

芬顿罐区应设置安全警示标牌。操作过程（卸药、加药等）应严格遵守规程，在整个卸药、加药作业过程中，操作人员都必须穿戴好防护用品，严禁吸烟，使用明火。如不慎接触液体药剂，依暴露程度按规程紧急处理，及时就医。

大型污水处理厂的芬顿药剂投加量大，芬顿罐区的卸料操作频繁。卸料时先确认阀门、泵等设备都可安全工作，双氧水、液碱泵的冷却水都开启，焊接处、法兰盘连接处都无泄漏现象。接好卸料鹤管，保持鹤管呈自然弯曲状态，在接口下方留好废液桶防止有药剂滴漏，开启卸料罐的空气连通阀门，再打开货车卸料阀门和卸料罐进口阀门，观察鹤管连接是否紧密，如果发现漏气或者药剂滴漏，必须重新加固接口的连接直到上述现象消失。待卸料罐装满之后，关闭排空阀，开泵卸料，注意观察泵的运行情况，出现问题例如有异常声响立即关泵停止卸料作业。卸料时押运员和送货员必须在场，并有车间人员加强监督。待卸料鹤管开始抖动，卸料罐翻板液位计开始下降时，慢慢调小出口阀门保持翻板液位计稳定或缓慢下降（注意不能关得太小，最好不要低于开度的1/4），待翻板液位计接近40时，关泵（在翻板液位计低于35时必须关泵），打开卸料罐上的空气连通阀，严禁在泵未关时关闭卸料罐进口阀门和车辆卸料阀门。提升卸料鹤管使管内的药剂流入卸料罐，关闭卸料罐进口阀门，打开车辆卸料卡口，结束卸料作业。由于滴漏跑冒等现象产生的所有外泄药剂必须得到妥善处理，废液桶内不得有药剂残留。

双氧水储罐区还应符合《易制爆危险化学品储存场所治安防范要求》（GA 1511—2018）规定的露天式存放场所防范要求。设置实体防范措施、视频监控设施、入侵报警系统、出入口控制系统、防破坏设施等防范设施。

5 结束语

芬顿药剂罐区作为污水处理厂芬顿、类芬顿法提标工艺中的一个单体，对设计人员有着较高的要求。对芬顿罐区的材质选择、设计标准、设计要点等进行分析总结，但是仍不能做到细节无遗漏，比如设计人员要结合工程的实地情况布置罐区周围厂内道路等，使芬顿罐区设计更加标准化与经济化，同时提升安全性和可靠性。