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自来水厂次氯酸钠投加系统介绍与常见问题探讨

发布时间:2017-04-26 17:25:52

 

氯气消毒曾经是自来水厂普遍采用的消毒方式。但是,液氯在运输、储存和操作过程中的潜在不安全性,使寻找和替代氯气消毒的新消毒方式逐渐得到推广。次氯酸钠消毒就是新消毒方式之一。在此,笔者就次氯酸钠消毒系统在水厂中的应用与大家进行探讨和交流。

次氯酸钠消毒原理

次氯酸钠投入水中会迅速水解并发生分解,其中的次氯酸根会与水中氢离子结合形成次氯酸,钠离子与氢氧离子结合成为氢氧化钠。

NaClO + H2O = HClO + NaOH

其中次氯酸也会进一步分解,从而形成盐酸和新鲜的氧原子。

HClO = HCl +【O】

次氯酸本身具有一定的杀菌功效,会吸附在细菌或病毒的表面,通过渗透细胞壁进入细胞内部,通过强烈的氧化作用改变细菌或病毒内部的蛋白质,从而起到杀菌和消毒作用。

次氯酸钠的分解

一般自来水厂使用的次氯酸钠溶液是出厂原液,溶液浓度为10%左右,其化学性质不稳定。在运输、储存和使用过程中,次氯酸钠会发生分解。在浓度、温度和压力不同的条件下,次氯酸钠发生分解的速度会不同。浓度越高、温度越高、压力越低,次氯酸钠分解越快,反之越慢。

次氯酸钠化学性质不稳定,光照受热后会自身分解:

2NaClO = 2NaCl + O2

同时,次氯酸钠水解产生的次氯酸也会发生分解:

2HClO = 2HCl +O2

分解产生的盐酸还会和次氯酸发生反应,产生氯气

HClO +HCl = H2O +Cl2

次氯酸钠产生的气体会与液体混合在一起进入消毒投加系统。当气体积聚到一定量以后,系统内的气体会直接对系统的工作性能、控制参数产生影响,改变整个系统的控制结果,甚至可能影响水厂的出厂水质。

次氯酸钠投加系统的流程

通常,次氯酸钠投加系统由储存槽,计量泵投加系统和原水加注点组成。以下是次氯酸钠投加系统的流程图。


     
次氯酸钠投加系统的排气

在流程图中已红色标注的位置是在设计过程中必须加以考虑的排气点。

次氯酸钠在储存过程中会受光照、受热的影响,以及自身化学性质的不稳定,在储罐中发生分解。分解产生的气体与液体混合在一起进入投加系统的管线中,会直接影响计量泵投加精度,流量计的准确检测和其他附件的正常工作。所以,必须在系统中增加排气点。

1.进口管路的排气

在投加系统的进口管路中,需要在计量泵的进口前增加排气点,目的是保证尽可能少的气体进入计量泵内部,保证计量泵的投加精度。排放方式可以有以下三种:

第一种排气方式是联通立管自动排气方式:效果最好,投入较小,后期人力消耗最少的方式。但是有些水厂认为管线布置长,外观不够美观

第二种排气方式是稳压筒手动排气方式:稳压筒进行气体和液体的置换,效果较好,投入最小,但是需要后期人力定期排气,并且在不同季节的排气周期会不同

第三种排气方式是稳压筒自动排气方式:稳压筒进行气体和液体的置换,效果较好,但是投入较大。需要采用液位开关与电磁阀结合,做到自动排气。

2.出口管路流量计排气

出口管线中所用的电磁流量计必须与投加流量适配。通常次氯酸钠的日常投加量均较小,所以流量计的通流截面应适合小流量应用。如果流量计口径过大,在小流量应用时产生的偏差也会较大,同时传感器腔室内也较容易积聚气体,影响检测结果。

流量计垂直安装的方式是最适合于次氯酸钠应用的,在液体通过流量计时,液体中混杂的气泡会向上移动,停留在流量计传感器腔室内的机会比较少,所以气泡对流量计测量的影响会很小。

对于流量计水平安装方式,除了在流量计下游需要增加“拱门”保证流量计充满以外,也需要在流量计的上游增加“拱门”,目的是将液体中混杂的气泡尽可能积聚到管路的高点,减少气泡对流量计检测的影响。同时,为了尽可能减少气泡进入流量计,所以需要在流量计上游的高点处增加排气点,减少液体中气体的含量。

流量计的设置也需要加以注意。流量计可以适用于各种不同介质和工况条件。在设定时必须考虑到次氯酸钠的特殊化学形式,选择合适的工况条件进行设置。

3.背压阀安装

通常,自来水厂加药泵房与药剂投加点的距离均比较远,一般会在100米以上,甚至会有300米左右的距离,所以,背压阀的安装位置非常重要。如果背压阀位置距离泵较近,背压阀下游的液体流速均依赖背压阀设定压力与投加点之间的压差。如果压差较小,那么流速就会较慢;管线距离越长,末端流速越慢。当管径较大,投加量较小时,液体就不能充满管道,带来的后果是在管道中积聚气体,影响系统正常工作。

4.管道的选择

我们均知道次氯酸钠会在管道内结晶或结垢,导致管道堵塞,所以会习惯采用较大口径的管道,延缓结垢的影响。管道内的结垢无法用清水冲洗,必须用酸进行冲洗。事实上,结垢的形成是次氯酸钠与管道中水分或水蒸汽水解反应产生的NaOH。如果采用较大管径的管道,次氯酸钠的投加量较小不能充满管道。此时,次氯酸钠的流速较慢,在管道内停留时间较长,有充分的时间与水分反应产生NaOH,NaOH比重较重且有一定粘度,较容易附着在管道表面,液体较慢的流速也不能对附着的NaOH形成冲刷作用,随着时间积累,该附着物就形成了结垢。环境温度越低,结垢越容易形成。原因是NaOH在低温下容易形成过饱和,导致晶体析出。

笔者的观点是建议将背压阀的安装点应放到远端,接近投加点位置。同时,计量泵出口管路的管径不可过大,依据实际投加量确定合适的管径。如此做的好处有以下几点:

1)保证管道充满并保持一定压力,可以减少次氯酸钠的分解量,减少管道内积气

2)合适的管径可以提高液体在管道内的流速,也可以将液体中混杂的气泡及时带走,不要停留在管道内形成气阻

3)合适的管径可以提高液体在管道内的流速,形成较高流速,对管道内的结垢产生冲刷,延缓结垢的增加

4)合适的管径便于增加保温层,可以降低NaOH的晶体析出和结垢增加

5.加注点形式

次氯酸钠投加系统的加注点是直接与过程原水接触的,在次氯酸钠与原水接触的过程中会发生水解,水解反应式如下:

NaClO + H2O = HClO + NaOH

其中反应产生的NaOH会在加注口发生结垢。如何减少结垢的发生,与加注口的位置以及加注口的形式有直接关系。

1)  如果次氯酸钠是直接加入原水管道中,加注口的位置必须在原水管道的中心位置。原水在管道流动过程中,管道中心的流阻最小,流速最快,所以次氯酸钠在管道中心进入后,会以最快速度进入系统,在加注口停留时间最短。

2)  加注口的形状是小于450的切口。该切口形状不利于结垢形成和结垢堵塞加注口。

3)  加注口切口方向应该背向原水流动方向。该方向有利于在切口位置形成负压,原水在经过加注口时由于负压作用将次氯酸钠带走,不利于在加注口形成结垢。该原理类似于汽车天窗的作用,利用负压对车厢内进行换气。

下图为次氯酸钠加注点示意图:

   

     6.次氯酸钠投加系统密封件选用

次氯酸钠是碱性的强氧化剂,所以在选用管件密封材料是必须兼顾碱性和氧化性两方面的要求。部分用户会按照习惯选用VITON(氟橡胶)密封件。氟橡胶的耐腐能力确实是强于大部分的材质,但是对于次氯酸钠溶液,氟橡胶不是最佳选择。长期与次氯酸钠接触后,氟橡胶会出现腐蚀,导致渗漏或泄漏。

也有一些厂商或用户采用纯四氟包覆的密封圈。四氟包覆密封圈的耐腐能力要好于氟橡胶,但是四氟包覆密封圈缺乏弹性,并且四氟材料在长期受压以后会出现退让,内部的橡胶密封圈不能有效补偿四氟材料的退让,那么该类密封圈也会产生渗漏或泄漏。

根据相关化工手册和长期使用验证,EPDM(乙丙橡胶)是可以对次氯酸钠产生有效的耐腐作用。


     
针对次氯酸钠投加系统的建议:

1.在次氯酸钠投加系统设计阶段,需要预先考虑系统整体排气点的设置与布置。只有合理布置排气点,才能保证投加量的准确。

2.为了配合自控的要求,电磁流量计的选用已经成为必然。流量计的选用必须考虑小流量使用的要求。同时流量计的安装方式对后续使用会产生直接影响。综合使用效果来看,垂直安装方式是效果最好的方式之一。

3.管径的确定:由于次氯酸钠投加系统的管线距离都较长,考虑到次氯酸钠在管线中的结垢问题,一般会习惯采用较大管径,但是较大管径不能最终解决问题。笔者的建议是采用较小管径保证液体的流速。小管径管道可以保证管道充满,减少管内气体产生,流速增加可以提高液体对结垢物的冲刷。由于PVC管线成本在整体系统建设中占有的比例较低,可以适当考虑备用管线的设置,用于在系统冲洗阶段的切换。

4.管线冲洗:次氯酸钠在投加过程中会在管线中产生结垢,此结垢物为NaOH。结构物累积后会对投加系统产生影响,所以需要考虑管线冲洗。冲洗介质应为酸性溶液,一般会选用盐酸或醋酸。从冲洗效果看,盐酸的效果要好于醋酸。

次氯酸钠投加消毒是有效替换液氯消毒的消毒方法。建设初期的综合考虑,细致设计和合理施工才能保证次氯酸钠投加系统的长期稳定使用的保证。次氯酸钠是一种安全有效的消毒剂,在自来水厂的会有较好的应用前景。


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