海滄水廠制水消毒設備更新技術方法探討

謝成元

（廈門市政水務集團有限公司，福建 廈門 361000）

1 項目背景

氯氣是一種具有強烈刺激性及特殊臭味的氣體，其有很強的氧化能力，在6～7 個大氣壓條件下可轉變成液態氯，在有水氣的情況下具有高度的腐蝕性。液氯消毒是傳統的消毒工藝，成本較低，但是氯瓶屬于高壓容器，而且氯氣屬于?；?，當氯瓶發生泄漏時必須迅速采取應急堵漏措施，阻止水氣進入投加設備的管道、閥門等，目前沒有較為有效的方法處理含水氣蒸的氯氣。氯氣一旦發生泄露就會造成環境污染，水廠的氯庫屬重大危險源，容易引起安全事故。自2017 年以來，福建省政府部門多次發文鼓勵用次氯酸鈉溶液代替液氯消毒。

次氯酸鈉是一種強堿弱酸鹽，一種非天然存在的強氧化劑，一種能完全溶解于水的液體，是高效、安全的強力殺菌劑，殺菌能力與氯氣相當。與氯氣相比次氯酸鈉不會在反應過程中產生附產物，且沒有劇毒，不會對操作人員造成直接傷害。經綜合考慮，優先選用次氯酸鈉作為凈水消毒劑。

次氯酸鈉溶液作為一種消毒藥劑，具有很好的水親和性，可與水任意比例互溶，消毒效果與氯氣相當且不存在液氯帶來的安全隱患。同時次氯酸鈉溶液易于存儲，通過計量泵投加，操作安全，使用方便，投加準確，不存在跑氣泄漏的風險，對環境無毒害，管道中安裝有計量設備電磁流量計，能夠給自動化提供可靠、穩定、連續的信號，因此可以在任意工作狀況下投加。

在之前，海滄水廠20 萬t/d 自來水工藝主要采用液氯消毒，設備有1 t 的儲氣瓶、緩沖罐（壓力容器）、真空主調節器、漏氯報警裝置、真空加氯機（配轉子流量計）、投加點水射器、恒壓泵等。因設備故障率高，安裝維護難度大，進口備品備件昂貴，后改為次氯酸鈉溶液投加系統消毒，采購的次氯酸鈉溶液有效氯濃度≥10%，經過稀釋后有效氯濃度降低至5%～8%，再經過投加系統投加消毒自來水[1]。

2 海滄水廠次氯酸鈉溶液消毒設備系統參數選型要點

改造前，海滄水廠（日供水量接近20 萬t）采用液氯消毒。改造后，采用次氯酸鈉溶液消毒。

次氯酸鈉溶液消毒系統主要包含以下3 個部分：卸料系統、存儲系統、投加系統。

2.1 卸料系統

卸料系統包含的設備有：快速接頭、卸料總閥、沖洗水閥、磁力泵[聚偏二氟乙烯（DVDF）泵頭]、稀釋系統、空管保護系統。

槽車軟管通過快速接頭接進卸料管道，次氯酸鈉原液通過磁力泵輸送至稀釋系統，在與清水混合后經過管道混合器進入儲液罐，卸料完成后空管保護系統自動停止磁力泵，避免泵空轉，此時可手動開啟沖洗水閥，將卸料管道中剩余的次氯酸鈉沖入儲液罐，關閉卸料總閥，等待下一次卸料[2]。磁力泵工作原理和結構特點如下。

（1）磁力泵由電機、外磁總成、內磁總成、葉輪（與內磁總成一體）、泵軸、泵殼、隔離套等組成。

（2）電機帶動外磁總成進行旋轉（軸連接），外磁總成通過磁力耦合帶動內磁總成旋轉，進而帶動葉輪（PVDF）旋轉，對位于葉片間的流體做功；流體在離心力的作用下，從葉輪中心被甩向泵殼，當流體到達葉輪外周時，已經具有高流速特性。外磁總成與內磁總成由PVDF 材質的隔離套隔開。

（3）各葉片間被甩出的液體聚集在泵殼（PVDF）流道中，這些液體的流速在泵殼內有所降低，部分流體的動能轉化為靜壓能，最終以一定的壓力和流速流出水泵。因此，泵殼的作用一方面用于匯集液體，另一方面在此完成液體能量轉換。

（4）液體吸上原理。葉輪通過高速旋轉，將葉輪中心的液體以很高的速度甩出，葉輪中心產生負壓，此時在一定的壓差條件下，低位槽中的液體被不斷壓入葉輪。

磁力泵在啟動前殼內存在較多氣體，泵啟動后葉輪中心氣體被甩出時在該處形成的負壓不足，泵內外壓差過小，導致槽內液體無法被壓入葉輪，因此泵在啟動前需要先向泵殼內灌入液體，將氣體排出。在泵吸入管路的入口處裝設止回閥（底閥），可防止泵殼內的液體因重力倒流回低位槽內，如果泵頂標高低于槽內液面，則泵啟動時可無須灌泵[3]。

（5）外磁總成和內磁總成之間通過隔離套隔離，利用磁力耦合傳遞動力，取消了機械密封，杜絕了滴漏問題，不會污染使用場地。

（6）泵的過流部分采用PVDF 材料制造，可用于任意濃度的酸、堿、強氧化劑等腐蝕介質的輸送。

2.2 存儲系統

次氯酸鈉原液在光照或受熱的情況下易分解，因此儲液區應設置在室內保持通風良好的區域（隔熱）。儲液罐應采用深色或黑色（避光），且需要配置排氣口、出藥口、排空口、溢流口、超聲波液位計、人工檢查孔及可視的磁翻板液位計或透明管液位計。

儲液罐應采用一體成型聚乙烯或高密度聚乙烯材質、法蘭等與罐體一體成型，避免變形開裂；罐下半部至少有兩根冷軋鋼帶捆扎，避免罐體變形過大。20 t 加厚聚乙烯儲液罐（直徑為2700 mm，高4000 mm）在滿罐與空罐時直徑可相差2～4 cm。

出藥口后端出藥管道應避免剛性固定，留下活動空間，或使用柔性管連接，以防儲液罐開裂。

2.3 投加系統

氯氣消毒時采用玻璃管流量計來調節加氯量，調節精度不足，誤差較大。而次氯酸鈉原液是液體，可采用高精度的計量泵投加，尤其是采用數字式計量泵投加，誤差值可控制在1%～2%，高精度的數字泵可以確保藥劑的精確投加[4]。

投加系統由隔膜計量泵、阻尼器、安全閥、背壓閥、壓力表、Y 型過濾器以及投加管道組成。

2.3.1 隔膜計量泵

隔膜計量泵具有3 個功能：動力驅動、液體輸送、調節控制。其中，動力驅動裝置由機械連桿系統帶動流體輸送隔膜進行往復運動。隔膜計量泵主要分為機械隔膜計量泵、液壓隔膜泵、數字計量泵等。

（1）機械隔膜計量泵。機械隔膜計量泵由三相電機驅動，通過泵體內的傳動齒輪驅動凸輪，帶動連桿機構推動隔膜往復運動，沖程長度可由調節器調節，同時還可通過變頻電機調節流量?？烧{節范圍基本在30%～100%，投加精度為±2%。由于是機械直接驅動，會導致隔膜受力集中，隔膜容易破損。

（2）液壓隔膜泵。液壓隔膜泵與機械隔膜計量泵類似，但是其主要通過液壓油推動隔膜運動，由于液壓油可以均勻地推動隔膜，克服了機械隔膜泵隔膜受力集中、隔膜容易破損的缺點，整個生命周期幾乎無須更換，投加精度也有所提高，一般可到±1%，但液壓油過多或過少都會對投加精度產生影響。

（3）數字計量泵。數字計量泵采用泵體內置直流電機驅動，力矩穩定，泵內結構簡單，泵體自帶液晶顯示屏及操作按鈕，精度可達到±1.5%，調節比為1:800。同時其采用雙隔膜，當外層隔膜破裂時內層隔膜可防止藥劑進入泵體內部。

數字計量泵本身設有可讀的液晶面板，通過顯示屏可以直接讀取顯示的流量（單位為mL/h 或L/h），脈沖或批量投加。友好的界面顯示便于操作泵，能通過菜單來使用標準控制功能，包括脈沖、模擬量、定時、批投加、排氣控制以及標定等功能。

數字計量泵滿足在不外接變頻器或電動沖程長度調節裝置的情況下實現流量自動調節。通過接受外部的4～20 mA 控制信號，數字計量泵能夠在固定吸入速度的情況下，借助自動調節電機的轉速來調節排出速度，實現自動調節投加過程，確保最佳的調節效果。

在不同背壓和吸水水頭變化的情況下，加注泵的精度都應優于額定能力的1.5%。數字計量泵采用寬幅供電電源，自動適配（100-240VAC-50/60 Hz）；采用無刷電機或變頻電機驅動技術和微處理器，保證低脈沖工況下藥劑的準確投加。經過背壓閥后，流量曲線需呈線性變化，調節范圍在0%～100%。

在負載運行時，數字計量泵的噪聲應低于70 dB（A），且無異常振動，無泄漏。

由于調解比例大（1:800），精度高，海滄水廠數字計量泵可適用于水質波動大的極端情況，經濟效益顯著，對自動化的精確控制具有良好的支持。

2.3.2 安全閥（溢流閥）

安全閥是壓力容器或管路上的一種自動釋放壓力裝置。當系統壓力超過設定安全壓力時，安全閥會自動打開，排除液體，釋放系統壓力，防止系統壓力過大造成設備損壞；當系統壓力降低到設定安全壓力以下時，安全閥將自動關閉。

在泵的出口側安裝安全閥，可有效避免因泵和其他原因產生的過壓對管路系統造成的傷害，保證系統安全運行。

2.3.3 背壓閥（壓力保持閥）

在投加系統沒有背壓、背壓不穩定或者投加點位置比泵低時，背壓閥可用于維持計量泵投加流量的穩定。背壓閥的壓力大小可通過閥體上帶彈簧的調節螺冒進行調節。在泵的出口側安裝背壓閥，可對泵產生恒定的背壓，保證計量泵加藥系統進料量的準確性，防止超壓；與脈沖阻尼器一同使用可消除進料液的脈沖，增加進料的平穩性。

2.3.4 脈沖阻尼器

脈沖阻尼器，又叫脈動緩沖器，常用于消除管路的脈動，是計量泵必備的附件之一。脈動阻尼器不僅能夠平滑由柱塞泵、隔膜泵等容積泵引起的管路脈動現象，還可以消除系統的水錘現象。脈沖阻尼器通過耐腐蝕的隔膜將氣體與管路中的液體隔離開，借助能量平衡的方式減少精密計量泵藥液輸出的脈沖，使精密計量泵藥液輸出均勻，形成近似線性的流體特性，增加進料的平穩性，并消除因脈沖可能引起的振動對計量泵和系統造成的傷害[5]。

2.3.5 Y 型過濾器

Y 型過濾器是常安裝于輸送介質的管道系統，用來過濾去除介質中的雜質，從而保護管道系統設備的正常使用，通常安裝在減壓閥、泄壓閥、定水位閥或其他設備的進口端。

3 海滄水廠次氯酸鈉消毒系統設備調試注意事項

3.1 藥液投加前準備

操作人員必須經過崗前培訓，熟悉投加藥劑的理化性質和設備性能，嚴格操作規程。操作人員在投加藥液時應做好個人防護，佩戴化學安全防護眼鏡，穿防腐蝕工作服，戴橡膠手套。依次檢查次氯酸鈉儲液桶密封情況、次氯酸鈉儲液桶液位指示位置、Y 型過濾器是否存在阻塞現象。

3.2 藥液投加操作步驟

（1）打開進液閥門，使投加前管道內液體充足（有排氣管路打開排氣閥，無排氣管路打開投加泵上排氣閥和進、出口閥），檢查進液管路有無滲漏。

（2）依次打開投加泵至投加點管路上的閥門。

（3）啟動投加泵，選擇適當的投加量進行投加。

（4）檢查投加泵和投加管路附件工作狀態是否正常，如保證壓力表指示正常，投加泵運行平穩、無異響，管網接口無滲漏，管路震動幅度不大等。

3.3 藥液投加量控制和調整

（1）濾后加氯量控制。根據清水池耗氧量情況、清水池水位、水溫、濾后水余氯、出廠水余氯（依據原水、管網末梢水質，一般控制在 0.6～1.0 mg/L）、pH、接觸時間及以往經驗控制濾后氯的投加量；氯與水的有效接觸時間應大于30 min。

（2）反應池加氯量控制。根據原水、沉淀池出口水質、藻含量及以往經驗確定反應池氯的投加量；應盡量不在或少在反應池加氯。

（3）余氯反饋。每1 h 監測出廠水、沉淀池質控點余氯指標，數據反饋至制水崗位，操作人員據此合理調整次氯酸鈉溶液投加量，以滿足生產要求。

4 海滄水廠次氯酸鈉溶液消毒系統經濟測算及實施結論

經數年的運行統計，以千噸水消毒氯耗為15 kg計算，次氯酸鈉溶液消毒綜合成本為6.5 元/千噸水；而改造之前的液氯投加系統綜合成本為6.4 元/千噸水。在成本相近的情況下，水處理車間從重大危險源轉化成低風險源，免去漏氯吸收裝置一套、中和塔一座約80 萬元，每年節約安防設備投入約25 萬元；運行故障率低，無須大量進口備品備件，可充分應用可編程邏輯控制器實現水廠消毒系統的自動控制，無人值守，安全可靠，既保障生產又能保護周邊環境，是水廠消毒工藝的一項優選擇。