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1、2010 二氧化氯与水处理技术研讨会论文集 73 自来水厂二氧化氯安全消毒工艺设计 李新杰*1，于文敦1，黄志明2，乔海东2 （1 南京理工大学化工学院，南京 210094；2 上海康城科贸实业公司，上海 200000） 摘摘 要：要：针对自来水厂净水工艺特点和消毒技术现状，就二氧化氯应用于自来水消毒的使用条件、投加方 式、安全控制、设备选型、投加浓度等工艺参数进行了讨论。通过分析消毒系统可能出现的二氧化氯泄漏、 断料和系统过压等安全隐患，提出了系统安全运行的保证措施。另外对二氧化氯投加量设计及出厂水余量 的检测方法进行了探讨，对二氧化氯的消毒成本也进行了估算，供自来水厂参考。 关键词：关键词
2、：自来水；二氧化氯；安全消毒；工艺设计 Technological Design of Safety Chlorine Dioxide Disinfection for Drinking Water in Country LI Xin-jie1, YU Wen-dun1，HUANG Zhi-ming2，QIAO Hai-dong2 (1 Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094, China; 2 Shanghai Kangcheng Technology and Trade Co., Ltd., Shanghai
3、200000, China) Abstract: Matched with the water treatment process and the current disinfection situation of rural area waterworks, the technical parameters such as application condition, throwing method, safety control, equipment choice and the ClO2 dosage in sanitizing process are discussed. The sy
4、stem insurance measure are suggested to solve the safety shoal such as leak of ClO2, lack of raw materials, and overpressure of system occurred possibly in disinfection process. In addition, the dosage and the testing method of ClO2 in drinking water are presented, and the disinfecting cost with ClO
5、2 is estimated for waterworks to consult. Keywords: rural area drinking water; chlorine dioxide; security disinfection; process design 针对我国饮用水源水的污染现状，2006 版的生活饮用水卫生标准 2对饮用水的各类指 标均作出了新的要求。控制项目由原来的 35 项增加值 106 项。其中，微生物指标由 2 项增 至 6 项， 增加了大肠埃希氏菌、 耐热大肠菌、 贾第鞭毛虫和隐孢子虫， 修订了总大肠菌群数； 饮用水消毒剂由一种增至 4 种，增加了一氯胺、臭氧、二
6、氧化氯；在增加指标项目的同时， 对指标的值的限定也更为严格。以微生物为例，总大肠菌群数、大肠埃希氏菌、耐热大肠菌 （均以 CFU/100ml 计）不的检出，贾第鞭毛虫和隐孢子虫均1 个/10L。这在侧面反映了饮 用水微生物污染的严重性以及防治微生物污染的迫切性。 在这种情况下自来水厂不采取有效 的消毒手段，是无法确保出厂水和管网末梢水微生物达标的。 鉴于处理大水量时的经济性、 可操作性及消毒效果， 绝大多数自来水厂均采用化学法进 行消毒。以往液氯及其衍生物（次氯酸钠、漂白粉等）是最常用的化学消毒剂，但随着水体 中有机污染物的增多， 氯由于消毒可能会产生三氯甲烷致癌物及液氯泄漏等安全隐患越来越
7、多地受到人们的指责。而且液氯在采购、运输、储存、使用中对安全管理要求很高，这对于 在规模较小、 安全配套设施不完善以及事故应急能力相对较弱的中小型自来水厂是不太适合 的。臭氧虽然消毒效果好、二次污染小，但由于其消毒效果的维持时间短、投资大、使用成 本较高以及难于进行大流量水体消毒等原因， 并不适合在自来水厂使用。 二氧化氯除了具备 臭氧消毒的优点外，还有在水中的停留时间长、制备方便、产率高、产量大、成本较低、操 作较为安全、易于控制、原料易得等优点，因此到越来越受到自来水厂的欢迎。根据不完全 的统计，目前全国已有超过 5000 家以上的自来水厂采用二氧化氯消毒。 自来水厂采用二氧化氯消毒，一般
8、采用二氧化氯发生器现场发生和投加。目前，绝大多 数水处理用二氧化氯发生器均采用化学法反应原理， 即采用两种或两种以上的化学原料通过 反应器反应生成二氧化氯。 由于市场上二氧化氯发生器的品牌很多， 每个品牌的产品在规格 型号、结构原理、安装及操控方式等方面也不尽相同。对于自来水厂来说，如何根据本厂的 水处理工艺选择合适的消毒设备及安全有效地的投加工艺是确保自来水高效、 经济、 安全消 毒的前提。 *作者简介：李新杰(1966-), 男，副教授，主要研究方向：水处理技术与产品研究开发；2010 二氧化氯与水处理技术研讨会论文集 74 1 饮用水消毒二氧化氯的制取方法 目前国内可用于饮用水消毒的二氧
9、化氯发生器主要采用两种化学反应方法3-5，即氯酸 钠法和亚氯酸钠法。氯酸钠法多采用 R56的反应机理，即： 2NaClO3+4HCl2ClO2+Cl2+2NaCl+2H2O （1） 亚氯酸钠法多采用亚氯酸钠加盐酸的反应机理6，即： 5NaClO2+4HCl4ClO2+5NaCl+2H2O （2） 氯酸钠法特点是原料易得、价格低，反应产物是 ClO2 、Cl2分别占 70%、30%左右的 的混合物。其设备结构简单，一次性投资较小，ClO2发生成本大约在 0.0100.015 元/克。 亚氯酸钠法的优点是原料转化率高7（理论转化率为100%） ， 可以制得95纯度的ClO2。 该法在国外饮水消毒中
10、占 70%，国外采用亚氯酸钠氯化、酸化工艺。由于又要引入氯，国 内很少采用，多采用式（2）反应应工艺。亚氯酸钠法的主要缺点是原料不易采购且价格较 高，产气成本在 0.05 元/克左右，是氯酸钠法的 45 倍。另外，亚氯酸钠法不可避免地会产 生 ClO2-残留，使得消毒后水体中 ClO2-含量很那达到 GB5749-2006 的要求。鉴于上述原因， 目前自来水厂采用亚氯酸钠法二氧化氯发生器的并不多。 但产物中 ClO2的纯度较高的优点， 使得亚氯酸钠法也有一定的应用前景。 目前，国内用于饮用水消毒的二氧化氯发生器一般采用单级反应，其工艺流程如图 1 所示。这种工艺的特点是结构简单、操作维护方便、
11、制作成本低、易于推广。 2 二氧化氯投加点的选择 根据水源的不同，自来水厂有不同的制水工艺。为了便于投加并达到有效的消毒效果， 二氧化氯的投加点也应相应的变化。 2.1 地下水消毒的投加点选择 我国北方地区尤其是农村多以地下水为水源。 由于地下水水质较好， 一般水厂通过深井 泵取水后直接或经简单消毒后供给用户。对于管道直接供出的地下水可采用泵后加药的方 式，如图 2 所示。对于有清水池的加药点可选在清水池的进水口，如图 3 所示。不建议采用 泵前投加方式，这对深井泵有腐蚀作用，影响其使用寿命。 ClO21 2 334 56稀释水 至 投 加点图 1 二氧化氯制备工艺流程 1氯酸钠罐 2盐酸罐
12、3计量泵 4反应器 5混合器/水射器 6调节阀 ClO2 出厂水 水泵 深井 图 2 深井直供水二氧化氯投加点 ClO2 出厂水 清水池 水泵 深井 图 3 带清水池深井水二氧化氯投加2010 二氧化氯与水处理技术研讨会论文集 75 2.2 地表水消毒的投加点选择 以地表水为水源的自来水厂其处理工艺流程一般为：混凝沉淀、过滤、消毒、出 水。这样的工艺，二氧化氯投加点一般选在清水池的进水口或进水管道上。若原水铁锰含量 较高，也可通过分配器将一部分二氧化氯加至混凝池中，经预氧化将 Fe2+转换为 Fe3+，将 Mn2+ 转化为 Mn4+，然后通过混凝沉淀去除。如图 4 所示。 3 二氧化氯投加工艺
13、设计 3.1 负压式投加工艺 负压投加是指用一定压力的水通过文丘里射流器所产生的负压将二氧化氯发生器产生的 二氧化氯溶液抽出并输送至待处理的水中。这种投加方式由于采用负压吸收和输送二氧化 氯，可以降低二氧化氯挥发、泄漏的几率，并且在不增加其他安全装置的情况下提高了操作 安全性。但是负压式投加的前提条件第一必须有压力水,第二必须有清水池或敞开式不带压 的待处理水。工艺流程见图 5。 负压投加的主要工艺参数如下： （1）压力水压力/MPa：0.150.30; （2）压力水流量 Qp/(L.h-1)：Qp=1000G，式中 G 为发生器二氧化氯的产量，kg/h。 根据经验，在该参数下，可以保证水射器
14、有充分的负压，并可防止二氧化氯由于原液过 浓而挥发损失和对操作人员的刺激。 3.2 正压式投加工艺 正压投加是指将二氧化氯发生器产生的二氧化氯溶液在一定压力下投加到带压管道、 高 位水池等带压水体中的加药方式。 正压投加一般要求二氧化氯设备必须具有进料计量泵、 耐 压反应器、耐压投加管道、安全泄压阀等专用部件和装置，有时根据现场情况也可能需要增混凝剂 出厂水 源水 过滤池 清水池 混凝沉淀池一级泵站二氧化氯 分配器图 4 地表水消毒二氧化氯投加图 5 负压式投加工艺原理1-氯酸钠罐 2-盐酸罐 3-二氧化氯发生器 4-计量泵或流量计 5-压力表 6-球阀 7-文丘里水射器 出厂水 清水池243
15、4 1 5 6 7 压力水 ClO2消毒液2010 二氧化氯与水处理技术研讨会论文集 76 压泵。正压投加工艺流程见图 6 所示。 正压投加必须考虑系统的压力平衡及系统的耐压性问题。 这是关系到设备是否能够正常 运行以及运行是否安全的前提。一般情况下，发生器管道、反应器、计量泵、各种管件仪表 的耐压值不应低于待处理水的压力，水体压力过高时可采用增压泵加药。 正压投加的主要工艺参数为： （1）稀释水压力/MPa：0.100.20; （2）稀释水流量 Qd/(L.h-1)：Qd=1000G，式中 G 为发生器二氧化氯的产量，kg/h； （3）增压泵额定压力: 大于待处理水的压力； （4）安全泄压阀
16、额定压力：大于计量泵的额定压力，小于加药系统的最大承压。 4 二氧化氯消毒系统安全控制措施 二氧化氯消毒系统存在的主要安全和故障隐患有：盐酸泄漏、二氧化氯泄漏、断料、系 统过压、投加量不够或过大等。 盐酸的泄漏主要由于储槽或供料管道的阀门、 活节、 计量泵接头松动或损坏等原因造成。 安全措施是除采用质量较高的管头管件外， 应将盐酸储槽安放在消毒间外边， 有条件的可装 酸雾吸收装置。二氧化氯消毒系统安全控制原理见图 7 所示。 二氧化氯泄漏多在投加管道上出现， 主要是由高浓度二氧化氯腐蚀密封圈或药液压力过 大导致管道破裂而造成。 防止措施是采用稀释投加法和加装安全泄压阀。 有条件的单位可配 备漏氯监测仪随时监控环境中二氧化氯的浓度。另外加药间的必须安装通风装置。 计量泵本身故障和料槽缺料将会导致反应器断料。 管道堵塞或待处理水体
