自來水廠次氯酸鈉投加系統(tǒng)介紹
氯氣消毒曾經(jīng)是自來水廠普遍采用的消毒方式。但是，液氯在運輸、儲存和操作過程中的潛在不安全性，使尋找和替代氯氣消毒的新消毒方式逐漸得到推廣。次氯酸鈉消毒就是新消毒方式之一。在此，筆者就次氯酸鈉消毒系統(tǒng)在水廠中的應用與大家進行探討和交流。
次氯酸鈉消毒原理
次氯酸鈉投入水中會迅速水解并發(fā)生分解，其中的次氯酸根會與水中氫離子結(jié)合形成次氯酸，鈉離子與氫氧離子結(jié)合成為氫氧化鈉。
NaClO + H2O = HClO + NaOH
其中次氯酸也會進一步分解，從而形成鹽酸和新鮮的氧原子。
HClO = HCl +【O】
次氯酸本身具有一定的殺菌功效，會吸附在細菌或病毒的表面，通過滲透細胞壁進入細胞內(nèi)部，通過強烈的氧化作用改變細菌或病毒內(nèi)部的蛋白質(zhì)，從而起到殺菌和消毒作用。
次氯酸鈉的分解
一般自來水廠使用的次氯酸鈉溶液是出廠原液，溶液濃度為10%左右，其化學性質(zhì)不穩(wěn)定。在運輸、儲存和使用過程中，次氯酸鈉會發(fā)生分解。在濃度、溫度和壓力不同的條件下，次氯酸鈉發(fā)生分解的速度會不同。濃度越高、溫度越高、壓力越低，次氯酸鈉分解越快，反之越慢。
次氯酸鈉化學性質(zhì)不穩(wěn)定，光照受熱后會自身分解：
2NaClO = 2NaCl + O2
同時，次氯酸鈉水解產(chǎn)生的次氯酸也會發(fā)生分解：
2HClO = 2HCl +O2
分解產(chǎn)生的鹽酸還會和次氯酸發(fā)生反應，產(chǎn)生氯氣
HClO +HCl = H2O +Cl2
次氯酸鈉產(chǎn)生的氣體會與液體混合在一起進入消毒投加系統(tǒng)。當氣體積聚到一定量以后，系統(tǒng)內(nèi)的氣體會直接對系統(tǒng)的工作性能、控制參數(shù)產(chǎn)生影響，改變整個系統(tǒng)的控制結(jié)果，甚至可能影響水廠的出廠水質(zhì)。
次氯酸鈉投加系統(tǒng)的流程
通常，次氯酸鈉投加系統(tǒng)由儲存槽，米頓羅計量泵投加系統(tǒng)和原水加注點組成。以下是次氯酸鈉投加系統(tǒng)的流程圖。
次氯酸鈉投加系統(tǒng)的排氣
在流程圖中已紅色標注的位置是在設計過程中必須加以考慮的排氣點。
次氯酸鈉在儲存過程中會受光照、受熱的影響，以及自身化學性質(zhì)的不穩(wěn)定，在儲罐中發(fā)生分解。分解產(chǎn)生的氣體與液體混合在一起進入投加系統(tǒng)的管線中，會直接影響計量泵投加精度，流量計的準確檢測和其他附件的正常工作。所以，必須在系統(tǒng)中增加排氣點。
1.進口管路的排氣
在投加系統(tǒng)的進口管路中，需要在計量泵的進口前增加排氣點，目的是保證盡可能少的氣體進入計量泵內(nèi)部，保證計量泵的投加精度。排放方式可以有以下三種：
第一種排氣方式是聯(lián)通立管自動排氣方式：效果最好，投入較小，后期人力消耗最少的方式。但是有些水廠認為管線布置長，外觀不夠美觀
第二種排氣方式是穩(wěn)壓筒手動排氣方式：穩(wěn)壓筒進行氣體和液體的置換，效果較好，投入最小，但是需要后期人力定期排氣，并且在不同季節(jié)的排氣周期會不同。
第三種排氣方式是穩(wěn)壓筒自動排氣方式：穩(wěn)壓筒進行氣體和液體的置換，效果較好，但是投入較大。需要采用液位開關(guān)與電磁閥結(jié)合，做到自動排氣。
2.出口管路流量計排氣
出口管線中所用的電磁流量計必須與投加流量適配。通常次氯酸鈉的日常投加量均較小，所以流量計的通流截面應適合小流量應用。如果流量計口徑過大，在小流量應用時產(chǎn)生的偏差也會較大，同時傳感器腔室內(nèi)也較容易積聚氣體，影響檢測結(jié)果。
流量計垂直安裝的方式是最適合于次氯酸鈉應用的，在液體通過流量計時，液體中混雜的氣泡會向上移動，停留在流量計傳感器腔室內(nèi)的機會比較少，所以氣泡對流量計測量的影響會很小。
對于流量計水平安裝方式，除了在流量計下游需要增加“拱門”保證流量計充滿以外，也需要在流量計的上游增加“拱門”，目的是將液體中混雜的氣泡盡可能積聚到管路的高點，減少氣泡對流量計檢測的影響。同時，為了盡可能減少氣泡進入流量計，所以需要在流量計上游的高點處增加排氣點，減少液體中氣體的含量。
流量計的設置也需要加以注意。流量計可以適用于各種不同介質(zhì)和工況條件。在設定時必須考慮到次氯酸鈉的特殊化學形式，選擇合適的工況條件進行設置。
3.背壓閥安裝
通常，自來水廠加藥泵房與藥劑投加點的距離均比較遠，一般會在100米以上，甚至會有300米左右的距離，所以，背壓閥的安裝位置非常重要。如果背壓閥位置距離泵較近，背壓閥下游的液體流速均依賴背壓閥設定壓力與投加點之間的壓差。如果壓差較小，那么流速就會較慢；管線距離越長，末端流速越慢。當管徑較大，投加量較小時，液體就不能充滿管道，帶來的后果是在管道中積聚氣體，影響系統(tǒng)正常工作。
4.管道的選擇
我們均知道次氯酸鈉會在管道內(nèi)結(jié)晶或結(jié)垢，導致管道堵塞，所以會習慣采用較大口徑的管道，延緩結(jié)垢的影響。管道內(nèi)的結(jié)垢無法用清水沖洗，必須用酸進行沖洗。事實上，結(jié)垢的形成是次氯酸鈉與管道中水分或水蒸汽水解反應產(chǎn)生的NaOH。如果采用較大管徑的管道，次氯酸鈉的投加量較小不能充滿管道。此時，次氯酸鈉的流速較慢，在管道內(nèi)停留時間較長，有充分的時間與水分反應產(chǎn)生NaOH，NaOH比重較重且有一定粘度，較容易附著在管道表面，液體較慢的流速也不能對附著的NaOH形成沖刷作用，隨著時間積累，該附著物就形成了結(jié)垢。環(huán)境溫度越低，結(jié)垢越容易形成。原因是NaOH在低溫下容易形成過飽和，導致晶體析出。
筆者的觀點是建議將背壓閥的安裝點應放到遠端，接近投加點位置。同時，計量泵出口管路的管徑不可過大，依據(jù)實際投加量確定合適的管徑。如此做的好處有以下幾點：
1）保證管道充滿并保持一定壓力，可以減少次氯酸鈉的分解量，減少管道內(nèi)積氣；
2）合適的管徑可以提高液體在管道內(nèi)的流速，也可以將液體中混雜的氣泡及時帶走，不要停留在管道內(nèi)形成氣阻；
3）合適的管徑可以提高液體在管道內(nèi)的流速，形成較高流速，對管道內(nèi)的結(jié)垢產(chǎn)生沖刷，延緩結(jié)垢的增加；
4）合適的管徑便于增加保溫層，可以降低NaOH的晶體析出和結(jié)垢增加。
5.加注點形式
次氯酸鈉投加系統(tǒng)的加注點是直接與過程原水接觸的，在次氯酸鈉與原水接觸的過程中會發(fā)生水解，水解反應式如下：
NaClO + H2O = HClO + NaOH
其中反應產(chǎn)生的NaOH會在加注口發(fā)生結(jié)垢。如何減少結(jié)垢的發(fā)生，與加注口的位置以及加注口的形式有直接關(guān)系。
1） 如果次氯酸鈉是直接加入原水管道中，加注口的位置必須在原水管道的中心位置。原水在管道流動過程中，管道中心的流阻最小，流速最快，所以次氯酸鈉在管道中心進入后，會以最快速度進入系統(tǒng)，在加注口停留時間最短。
2） 加注口的形狀是小于450的切口。該切口形狀不利于結(jié)垢形成和結(jié)垢堵塞加注口。
3） 加注口切口方向應該背向原水流動方向。該方向有利于在切口位置形成負壓，原水在經(jīng)過加注口時由于負壓作用將次氯酸鈉帶走，不利于在加注口形成結(jié)垢。該原理類似于汽車天窗的作用，利用負壓對車廂內(nèi)進行換氣。
6.次氯酸鈉投加系統(tǒng)密封件選用
次氯酸鈉是堿性的強氧化劑，所以在選用管件密封材料是必須兼顧堿性和氧化性兩方面的要求。部分用戶會按照習慣選用VITON（氟橡膠）密封件。氟橡膠的耐腐能力確實是強于大部分的材質(zhì)，但是對于次氯酸鈉溶液，氟橡膠不是最佳選擇。長期與次氯酸鈉接觸后，氟橡膠會出現(xiàn)腐蝕，導致滲漏或泄漏。
也有一些廠商或用戶采用純四氟包覆的密封圈。四氟包覆密封圈的耐腐能力要好于氟橡膠，但是四氟包覆密封圈缺乏彈性，并且四氟材料在長期受壓以后會出現(xiàn)退讓，內(nèi)部的橡膠密封圈不能有效補償四氟材料的退讓，那么該類密封圈也會產(chǎn)生滲漏或泄漏。
根據(jù)相關(guān)化工手冊和長期使用驗證，EPDM（乙丙橡膠）是可以對次氯酸鈉產(chǎn)生有效的耐腐作用。
針對次氯酸鈉投加系統(tǒng)的建議：
1.在次氯酸鈉投加系統(tǒng)設計階段，需要預先考慮系統(tǒng)整體排氣點的設置與布置。只有合理布置排氣點，才能保證投加量的準確。
2.為了配合自控的要求，電磁流量計的選用已經(jīng)成為必然。流量計的選用必須考慮小流量使用的要求。同時流量計的安裝方式對后續(xù)使用會產(chǎn)生直接影響。綜合使用效果來看，垂直安裝方式是效果最好的方式之一。
3.管徑的確定：由于次氯酸鈉投加系統(tǒng)的管線距離都較長，考慮到次氯酸鈉在管線中的結(jié)垢問題，一般會習慣采用較大管徑，但是較大管徑不能最終解決問題。筆者的建議是采用較小管徑保證液體的流速。小管徑管道可以保證管道充滿，減少管內(nèi)氣體產(chǎn)生，流速增加可以提高液體對結(jié)垢物的沖刷。由于PVC管線成本在整體系統(tǒng)建設中占有的比例較低，可以適當考慮備用管線的設置，用于在系統(tǒng)沖洗階段的切換。
4.管線沖洗：次氯酸鈉在投加過程中會在管線中產(chǎn)生結(jié)垢，此結(jié)垢物為NaOH。結(jié)構(gòu)物累積后會對投加系統(tǒng)產(chǎn)生影響，所以需要考慮管線沖洗。沖洗介質(zhì)應為酸性溶液，一般會選用鹽酸或醋酸。從沖洗效果看，鹽酸的效果要好于醋酸。
次氯酸鈉投加消毒是有效替換液氯消毒的消毒方法。建設初期的綜合考慮，細致設計和合理施工才能保證次氯酸鈉投加系統(tǒng)的長期穩(wěn)定使用的保證。次氯酸鈉是一種安全有效的消毒劑，在自來水廠的會有較好的應用前景。
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