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自來水廠次氯酸鈉投加系統(tǒng)介紹與常見問題探討

發(fā)布時間:2020-06-22 17:00:03

 

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(yīng)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(xué)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(xué)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(yīng),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(dāng)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,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(biāo)注的位置是在設(shè)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(xué)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(zhǔn)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(yīng)適合小流量應(yīng)用。如果流量計口徑過大,在小流量應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)定時必須考慮到次氯酸鈉的特殊化學(xué)形式,選擇合適的工況條件進行設(shè)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?xí)?00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(shè)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(dāng)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(dǎo)致管道堵塞,所以會習(xí)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)致晶體析出。

筆者的觀點是建議將背壓閥的安裝點應(yīng)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(yīng)式如下:

NaClO + H2O = HClO + NaOH

其中反應(yīng)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(yīng)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。

下圖為次氯酸鈉加注點示意圖:

   

     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(xí)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(dǎo)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(shè)計階段,需要預(yù)先考慮系統(tǒng)整體排氣點的設(shè)置與布置。只有合理布置排氣點,才能保證投加量的準(zhǔn)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(xí)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(shè)中占有的比例較低,可以適當(dāng)考慮備用管線的設(shè)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(yīng)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(shè)初期的綜合考慮,細致設(shè)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(yīng)用前景。



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