水厂次氯酸钠投加系统改造及优化

2022-09-09汪晋舟张江涛袁可心孙倩雯

净水技术 2022年9期

钱斌，汪晋舟，张江涛，袁可心，孙倩雯

(无锡市水务集团有限公司，江苏无锡 214000)

随着我国生活饮用水处理工艺的不断发展，自来水消毒技术也逐渐成熟。与原有的液氯消毒相比，NaClO消毒技术在储存和使用的过程中安全隐患较小，而且操作维护更为便捷[1]。此外，研究表明NaClO消毒技术有利于减少水体中消毒副产物的生成[2]，NaClO是目前较为理想的消毒剂。因此，近年来NaClO消毒技术已在城市自来水生产领域中得到广泛运用[3-4]。然而，也有诸多学者提出NaClO消毒工艺依然存在技术瓶颈，譬如加药管道易堵塞、结垢物较多、氧化性较弱、不稳定易分解、出水余氯较低[5-6]。

W市Z水厂NaClO投加系统已投运5年，生产运行中暴露出一些问题。本文以Z水厂为例，通过结合实际生产运行情况，对其进行原理分析，提出合理性建议进行优化改造，从而提高NaClO投加的安全可靠性，保障出水水质达标，为后续水厂加药系统的改造提供一定的参考价值。

1 项目背景

W市Z水厂始建于1986年，总体设计规模为60万m3/d，于2011年增设了60万 m3/d规模的深度处理工艺和15万m3/d规模的超滤膜工艺。水厂共有两期，每期设计规模为30万m3/d，且每期各有2组生产管线。Z水厂在2016年7月进行了技改工程，将原有的氯气消毒更改为NaClO消毒，现水厂工艺流程如图1所示。

图1 Z水厂现有工艺流程Fig.1 Flow Chart of Existing Process of Z WTP

为缓解NaClO衰减速率，水厂选用有效氯质量分数为11%左右的NaClO溶液为原料进行储备，采用高密度聚乙烯(HDPE)加强筋储罐进行储存，并在外层增设316L不锈钢加强护板，形成双层保护，防止NaClO泄露。根据生产实际需要既可以原液投加，也可以按比例稀释后投加。并采用机械计量泵作为投加设备。根据工艺需求，Z水厂共有5处NaClO投加点，每处都有着不同的作用。

(1)沉淀前加氯。起助凝、降解有机物及去除异味等作用。加氯量为0～0.40 mg/L，出水余氯质量浓度≤0.05 mg/L。

(2)砂滤前加氯。对滤料颗粒表面的污染物进行氧化分解，有效地保障了砂滤池的净化效果。加氯量为0～0.60 mg/L，出水余氯质量浓度≤0.05 mg/L。

(3)炭滤前加氯。当炭滤池中微生物大量繁殖、出现大型微生物堵塞或穿透滤层时，适当投加起杀菌消毒作用。加氯量为0～0.10 mg/L，出水余氯质量浓度≤0.05 mg/L。

(4)炭滤后加氯。主要是消毒作用，确保出水水质达到国标要求。加氯量为1.20～1.80 mg/L，出水余氯质量浓度为0.60～0.90 mg/L。

(5)集水井补加氯。当出厂水流量发生变化，余氯有波动时，可进行微调使余氯达到水质标准。出水余氯质量浓度为0.60～0.90 mg/L。

在实际生产运行中，以炭滤后加氯为主要消毒方式。

2 问题分析与改造方案

2.1 存在主要问题

Z水厂NaClO投加系统已使用5年，随着投运时间的增加，逐渐暴露出一些瓶颈和不足。

(1)NaClO投加管道结垢

起初结垢物呈片状附着在管壁上，但当结垢物逐渐增多，受到水力冲刷的影响，结垢物开始从管壁脱离并聚集在变径管和弯管处，严重时会导致管道堵塞，如图2所示。

图2 管道堵塞Fig.2 Pipe Scaling and Blockage

通过电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)检测出结垢物中Ca2+质量分数为38.76%，Mg2+质量分数为0.32%。由图3可知，结垢物在2θ为29.34°、35.86°、39.32°、43.04°等位置附近出现特征衍射峰，对照PDF标准卡卡片(PDF No：41-1475，05-0586)可知，结垢物以CaCO3峰值比较明显。

图3 结垢物的XRD谱Fig.3 XRD Pattern of Scalant

NaClO和液氯的水解反应如式(1)～式(2)。NaClO消毒和液氯消毒的机理基本相似，最终都是通过生成HClO达到氧化消毒的效果。然而，液氯水解后会形成HCl，可以降低水体的pH；NaClO水解后会形成NaOH，增加水体的pH。

Cl2+H2O=HCl+HClO

(1)

NaClO+H2O=HClO+NaOH

(2)

(2)投加管道备用系数较低，且管道无法冲洗

Z水厂所有投加管道均只有1根，无备用管道，只有砂滤前投加管道和炭滤后投加管道可相互切换。当夏季水质发生波动时，砂滤前加氯和炭滤后加氯要同时使用，在检修管路时无备用管道，仅依靠集水井补加维持出水余氯，无法做到精准投加。改造前NaClO投加管路如图4所示。

图4 改造前的NaClO投加管道示意图(单组)Fig.4 Schematic Diagram of NaClO Dosing Pipeline before Reconstruction (Single Group)

(3)出厂水量时变化系数较大，平稳加氯难度较高

Z水厂靠近主城区，目前采用的投加装置是机械计量泵。随着使用年限的增加，投加管路流量计逐渐失效，导致现有设备的投加精度较低。此外，有学者指出在低流量运行状态下，机械计量泵易出现流量不均甚至断流等问题[7]。

2.2 改造思路研究

(1)降低水体硬度

由上文可知，Z水厂管道结垢的根本原因在于稀释水体中Ca2+、Mg2+含量偏高。针对水体软化问题，目前普遍采用投加药剂法、电化学法、离子交换树脂法、膜工艺等技术。虽然通过投加复合药剂可以把Ca2+、Mg2+转化为沉淀物，但需添设固液分离装置才能获取软化水[8]；电渗析法通过外加电场，利用离子交换膜完成离子去除工作，但是其处理成本相对较高，一般用于纯水制造和海水淡化[9]；反渗透膜处理工艺脱盐效果明显、工艺较为完善，但在运行过程中会生成浓水，需要定期清洗膜组，延长设备使用寿命[10]；离子交换树脂法具有运行稳定、处理效率高、工艺成熟等特点，目前已广泛应用于锅炉水软化、盐水精制等多个领域[11]。Z水厂从占地空间、运维方式和基建成本等角度考虑，认为离子交换树脂法具有明显的技术优势和经济优势。

(2)保持平稳加氯

为提高NaClO投加系统的运行稳定性，已有诸多学者开展了相关的技术改造工作。譬如：邵志昌等[7]在水厂加药系统技术改造中对重要投加点铺设双管路，并在投加点处增设流量计，优化控制系统提高投加精度；周徐权等[6]针对长距离NaClO投加波动的问题，提出后NaClO投加方式，通过就地增加一套投加系统，缩短投加距离，并改造PLC系统实现远程控制，提高投加流量的稳定性。另外，有学者指出市场上推广的数字计量泵自带流量控制模块，不仅提高了投加精度，还可以直接对加药量进行监测和调整[12]。Z水厂针对现有投加设备运行情况，拟从管道改造、加药泵选型两方面开展优化改造工作。

2.3 具体改造方案

2.3.1 增设软水装置

当然，这种意识所形成的思维与在其指导下的行为，亦同样适于君臣关系与臣民关系。因为这其中亦具有权力上的构成与瓦解的关系。

本次改造采用软水装置对稀释水进行软化，整套设备设计产能为20 m3/h，并配置专用盐水箱。在正常使用过程中可利用钠型阳离子交换树脂去除水中Ca2+、Mg2+，从而降低稀释水硬度。另外，吸附Ca2+、Mg2+饱和后的树脂可通过NaCl溶液进行再生，重新恢复其离子交换能力[13]。水质软化和树脂再生过程如式(3)～式(6)。

2RNa+Ca2+=R2Ca+2Na+

(3)

2RNa+Mg2+=R2Mg+2Na+

(4)

R2Ca+2NaCl=2RNa+CaCl2

(5)

R2Mg+2NaCl=2RNa+MgCl2

(6)

整套软水装置包含立式玻璃钢储罐、盐水箱、离子交换树脂、控制器及配套管路阀门。树脂再生过程中的工作状态依次为运行→反洗→吸盐→补水→正洗→返回运行。

2.3.2 管道改造

在原有投加管道的基础上，在炭滤后加氯点增设1根备用管，并在投加点处增设排空管。改造后的NaClO投加管道如图5所示。

图5 改造后的NaClO投加管道(单组)Fig.5 Schematic Diagram of NaClO Dosing Pipeline after Reconstruction(Single Group)

改造后，当原有管道堵塞或检修时，在不改变NaClO正常投加的前提下，可利用备用管进行投加。另外，还可以通过厂区自用水冲洗管道，清理管道附着物并排放至废水管道。可以实现1用1备和管道冲洗的功能，有效缓解NaClO结垢和管道堵塞问题。

2.3.3 加药泵重新选型

现将1组炭滤后的机械计量泵(最大设计流量为160 L/h，最大压力为0.5 MPa)更换为数字计量泵(最大设计流量为375 L/h，最大压力为1 MPa)，通过实际生产情况比较，对比数字计量泵和机械计量泵的运行效果。

3 改造效果

3.1 软水装置运行情况

选用原水和软化水分别稀释NaClO浓液并静置，NaClO稀释液的变化情况如图6所示。原水稀释NaClO后，会生成絮状沉积物，且分布较为均匀，自然风干后有白色结晶物形成；而软化水稀释NaClO后，水体清澈透明，自然风干后烧杯底部较为干净，无结晶物生成。

图6 稀释效果对比Fig.6 Comparison of Dilution Effects

Z水厂选用自用水对NaClO浓液进行稀释，稀释水日均用量约为5 000 L/d。近年来，太湖水源硬度已呈现显著增长的趋势[14]，Z水厂自用水中的水质硬度在80～140 mg/L。软水装置接入水厂加药系统后，其实际软化效果如图7所示。软水装置已稳定运行135 d，经软水装置处理后，出水硬度均在10 mg/L以下。因此，整套软水装置软化效果较好，在实际生产运行中出水硬度较为稳定。综上，离子交换树脂软化法可以有效降低水质硬度，极大地抑制了CaCO3结晶物的形成。

图7 软水装置运行时硬度变化Fig.7 Hardness Changes under Water Softener Plant Operation

整套软水装置的使用寿命为10 年，其中每隔5年更换1次钠型阳离子交换树脂。为提高离子交换树脂的使用寿命，Z水厂选用不含Ca2+、Mg2+且纯度较高的软水盐配置再生液。软水装置的运行成本分析如表1所示。设备的资产折算约为0.9万元/a，耗材费约为0.6万元/a。根据往年数据估算，添加软水装置后，Z水厂制水成本约增加0.000 15元/m3。

表1 软水装置运行成本分析Tab.1 Operation Costs Analysis of Water Softener Plant

3.2 数字计量泵和机械计量泵对比

为贴合生产实际，选取水厂目前常用的NaClO投加流量，采用人工测量的方法，对数字计量泵和机械计量泵进行性能测试，对比结果如图8所示。结果显示，数字计量泵在设定流量为10～100 L/h时，流量输出较为均匀，而且精准度较高。机械计量泵流量波动相对较大，在10 L/h的工况下，机械计量泵投加流量波动已远大于5%。

图8 两种泵的流量测试对比Fig.8 Comparison of Flow Test of Different Pumps

经研究，机械计量泵的结构比较简单，利用电机带动顶杆运转，促使隔膜前后挠曲变形，达到液体输送的目的，可以通过手动调节冲程长度或使用变频器改变电机转速的方式控制出液流量。而数字计量泵的工作原理是使用异步电机调节冲程长度或频率，吸入行程时的速度保持稳定，计量冲程的持续时间可持续延长。数字计量泵以全冲程长度运行，精准度较高，另外，在实际调整流量过程中，数字计量泵操作简单，无需调节冲程和频率，还可以根据外部模拟信号进行计量，更有利于智能化改造。

为验证数字计量泵在真实生产中的实用性，Z水厂选用常用的NaClO稀液投加方式(有效氯质量分数为5%)进行加氯对比试验。通过追踪清水库余氯变化情况，比较数字计量泵和机械计量泵的投加效果，具体结果如图9所示。数字计量泵投加的清水库出水余氯标准差相对较小，出水余氯较为稳定，运行较好。经分析，Z水厂靠近主城区，城市管网调压效果明显，出厂水的时变化系数较大。结合上述分析，数字计量泵的量程比较大，且出液较为均匀，在夜间低流量的工况下加氯更为平稳。

图9 两种泵的投加效果对比Fig.9 Comparison of Dosing Effects of Different Pumps

试验结果表明，虽然数字计量泵出水稳定，但两者的药耗却无明显差异。数字计量泵氯耗(1.63 mg/L)≈机械计量泵氯耗(1.67 mg/L)。经分析，Z水厂以炭滤后NaClO投加为主要消毒方式，但仅能在清水库出水口处检测水体余氯变化情况。NaClO投加反馈时间为1.5～3.5 h，由于加药反馈滞后，职工多以经验值和氯耗试验结果进行投加作业。目前的加药方式受到人为因素的干扰，无法即时精准地核算出实际加药量，因此，在本次对比试验中，两种泵的加药量无明显差异。建议后期改进加药方式，通过添加数学分析模型、多变量智能算法等方式，优化加药控制系统，形成全自动NaClO投加方式。

此外，当出水余氯显著增高后，消毒副产物中的二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷、三溴甲烷、三卤甲烷浓度均有所上升[15]。由此可见，为减少消毒副产物的生产，可以提高设备的投加精度，确保出水水质平稳。