自来水厂中次氯酸钠消毒的应用分析

张君君

(北票市自来水有限公司，辽宁 朝阳 122100)

传统的自来水厂大多选用氯气消毒方式，但在氯气使用、贮存、运输和生产过程中不可避免地会有泄漏风险，故作为危险化学品被重点监管。近年来，我国因液氯泄漏而造成人员伤亡的事故时有发生。由于具有能降低全过程风险、投加设备简单和持续消毒效果好等优势，10%次氯酸钠溶液正逐渐替代液氯消毒被广泛应用[1-3]。2020年，北票市自来水有限公司开始使用次氯酸钠消毒，相比于液氯消毒具有更加稳定可靠的消毒效果。因此，结合工程实践优化次氯酸钠的施工安全、设备选型和工艺设计等，可为城市自来水厂中次氯酸钠的推广应用提供参考依据。

1 次氯酸钠的消毒原理

1.1 化学特性

自来水厂使用的次氯酸钠溶液的重金属和游离碱含量不超过国标值，有效氯≥10%并且符合GB 19106-2018要求，自来水厂运营必须取得食品卫生许可证。由于化学性质活泼，在运输和储存时次氯酸钠会分解，压力、温度和浓度不同情况下的分解速度也明显不同，分解速度与温度、浓度正相关，而与压力负相关[4-5]。

光照受热后，由于化学性质不稳定次氯酸钠发生分解，因水解生成的次氯酸还会进一步分解。此外，次氯酸与分解产生的盐酸反应生成氯气，这些气体与液体混合后进入投加系统，气体积聚到一定量后会影响系统的性能和参数，从而使得整个系统的控制效果发生改变，甚至对出厂水水质造成较大影响。

1.2 消毒原理

投入水中后次氯酸钠会快速发生水解，从而生成次氯酸，这些很小的中性分子会快速吸附于病毒或细菌表面并渗入细胞内部，病毒或细菌内部的蛋白质受强烈氧化作用而发生改变，从而达到消毒杀菌的目的。

2 次氯酸钠的投加设计

2.1 投加系统设计

投加系统主要包括计量泵、原水加注点和储存槽等构成，详细流程如图1所示。

图1 投加系统流程

2.2 投加点设计

一般地，自来水厂中的次氯酸钠消毒有管网、滤前和滤后3种加氯设计方式，从而保证管网水质和混凝土沉淀效果，达到充分消除大肠杆菌、细菌和杀灭清水池细菌的作用。结合管线距离、净水设备和原水水质等因素，可以适当调整水厂加投点情况。

2.3 管道选择

经长期运行管道内会出现结晶或结垢，并且很难用清水冲洗管道内结垢，一般选用稀酸。因此，为延缓结垢的影响通常会选用较大口径的管道。实际上，结垢水分与次氯酸钠反应生成的NaOH。若选用的管径较大，投加量较小时无法充满管道，此时溶液流速较慢次氯酸钠的反应时间和停留时间均较长，水解生成的NaOH有一定黏度，NaOH会吸附在管道表面且很难被流速较慢的液体冲刷掉，长期以往附着物就变成了结垢。温度越低越易形成结垢，这是由于低温条件下的NaOH更易饱和，从而析出晶体。

针对以上问题，应选择接近投加点的位置作为背压阀的安装点，并且管径应考虑投加量大小合理确定，一般不宜过大，这主要体现在：

①管道内保持充填压力，有利于减少积气和分解；②适当的管径能够及时带走液体中混杂的气泡，加快管道内液体的流速，有效防止气阻的形成；③合适的管径能够产生较快水流，对结垢形成一定的冲刷作用，大大推迟结垢的产生时间；④合理的管径有助于提高保温层厚度，有效控制NaOH的析出和结垢形成。

2.4 密封件选用

对于强碱性的次氯酸钠，应考虑碱性和氧化性要求合理选用密封件，而大多数用户选用的是氟橡胶。相比于其它材质氟橡胶的耐腐能力虽然较强，但遇次氯酸后仍然会出现腐蚀，最终产生渗漏。部分用户或厂商也会选用纯四氟包覆的密封圈，虽然其耐腐能力优于氟橡胶，但弹性不足，长期受压后四氟材料会产生退让，并且这种退让不能有效被内部的橡胶密封圈补偿，由此以来也会形成泄漏或渗漏。结合实践经验和相关化工手册，乙丙橡胶EPDM耐次氯酸钠腐蚀的效果较为显著。

2.5 排气设计

管道内的液体与次氯酸钠会分解生成气体，对剂量计的精准监测、计量泵的投加精度和其它附件的正常运行造成直接影响。因此，有必要将排气点增设至系统内。

1)进口管路排气的排气。在投加系统进口管路计量泵的进口前需要安设排气点，主要作用是最大程度地减少气体进入计量泵，从而确保系统的投加精度，比较常见的排气方式有连通立管自动排气、稳压筒的自动排气和手动排气3种。

①连通立管自动排气：这种方式的成本低、效果好且人力消耗低，但由于管线长，所以外观美观性整体较差；②稳压筒自动排气：这种方式的效果好、液体与气体可有效置换，但必须结合电磁阀与液位开关才能实现自动排气，并且资金投入大；③稳压筒手动排气：这种方式的投入最小、效果较好、液体与气体能够有效置换，但各季节的排气周期不同且后期需要人力定期排气。

2)出口管路流量计的排气。次氯酸钠的投加流量应与电磁流量计匹配，一般自来水厂的投加量较小，这种小流量的实际情况要与流量计的过流界面适应。将大口径流量计应用于小流量时，既会导致计量结果出现较大偏差，还会使得腔室内出现气体积聚，对测量结果造成影响。目前，流量计主要有垂直安装、水平安装两种方式，如图2所示。

1)水平安装：采用这种方式时需要在流量计的上游和下游增设“拱门”，在保证流量计充满的情况下尽可能地将溶液中所混杂的气泡积聚到管路高点，从而降低流量计检测受气泡的影响。此外，为减少流量计和液体中的气泡混入量，通常将排气点增设于流量计的上游高点处。

2)垂直安装：这种方式比较适合次氯酸钠系统，混杂的气泡随液体通过流量计后向上移动，这大大降低了气泡进入传感器腔室内的概率，流量计计量受气泡的影响也耕地。

另外，还需要注意流量计的设置，确保其适用于各种工况和介质条件。一般地，应结合具体的工况条件和次氯酸钠的化学形式合理设置流量计。

2.6 加注点形式

投加系统的加注口处会有结垢的生成，而加注口位置、形式在很大程度上决定了结垢的形成量，具体如下：

①次氯酸钠的直接加入，则原水管道的中心位置应作为加注口，这是因为中心处的流速最快、流阻最小，次氯酸钠进入管道中心后会以最快的速度流入系统，大大减小了停留在加注口的时间较短。②设计小于45°的切口作为加注口形状，这种形状可以有效防止结垢堵塞加注口。③方向向背，加注口处可以形成负压，在负压作用下原水经过时会带走次氯酸钠，从而减少结垢的形成。

2.7 背压阀安装设计

药剂投加点与加药泵之间距离较远，一般超过100m甚至达到300m。因此，必须合理确定背压阀安装位置。若泵的位置距离背压阀较近则下游液体的流速取决于投加点与背压阀设定压力的压差，压差较小则流速会变慢，管线越长则末端的流速也越慢。投加量较小而管径较大时液体无法充满管道，从而导致气体积聚于管道内，对系统的正常运行造成影响。所以，投注点应尽量接近背压阀的安装点。

2.8 消毒效果与投加影响

2020年，北票市自来水有限公司开始使用次氯酸钠消毒，传统的液氯消毒逐渐被完全替代，1-3月改造前出厂水余氯、浊度、单耗和液氯的平均加投量0.75mg/L、0.16NTU、41.85元/104m3和22.68kg/104m3，4-12月改造后分别为0.80mg/L、0.13NTU、170.28元/104m3、261.52kg/104m3，如图3所示。

图3 水厂改造前、后的药剂成本对比

考虑到有效率只有10%的实际情况，为达到相同的消毒效果需要增大次氯酸钠投加量约90%，虽然其综合成本较液氯提高了147.6元/104m3，但消毒效果较好、设备故障率低且安全生产系数较高。

3 次氯酸钠投加系统的优化

1)设计阶段：排气点的合理布置是实现精准投加的关键，必须结合排气点的整体布置情况合理设计。

2)配备电磁流量计：结合小流量的使用要求和自控要求应选用电磁流量计，并且后续使用直接与流量计的安装方式相关，为达到最佳的效果宜选用垂直安装的方式。

3)确定管径：考虑到管线距离一般较长和次氯酸钠易形成结垢的问题，水厂通常选用较大管径，但这并不能彻底解决问题。因此，为保证液体流速建议选用较小管径。小管径既可以减少管内气体的积聚，保证能够充满管道，还能够加快液体流速发挥一定的冲刷作用。在系统整体建设中PVC管线成本所占比例较低，可以合理选用备用管线以实现在系统冲刷时的及时切换。

4)管线冲洗：投加过程中次氯酸钠会形成NaOH结构物，经不断积累结垢物会影响投加系统的运行，因此必须进行管线重新。一般选用醋酸或盐酸等酸性溶液作为冲洗介质，且醋酸的冲洗效果不如盐酸。

5)次氯酸钠的储存：水厂通常选用经环氧防腐处理的地下储液池，从而降低对环境的影响以及会发消耗。另外，在投加泵区域建议设置材料安全数据表和清水应急处置区，现场安设应急处置池组组和沙桶。

4 结 论

实践表明，次氯酸钠是一种行之有效的消毒方法，在城市自来水厂中实际应用意义重大，具有一定推广应用价值。另外，为保证次氯酸钠投加系统的长效云顶运行建议初期就综合考虑、合理施工和科学设计。