次氯酸钠消毒系统及其自控系统的改造与应用

梁翡珏，黄健辉，张伟杰，谭汝健

(佛山市禅城区供水有限公司，广东 佛山 528000)

1 工程概况

近几年国内水厂消毒逐步从液氯消毒向次氯酸钠消毒转变，为寻找符合城市发展变化和实际需求的消毒方式，佛山市紫洞水厂将液氯消毒系统改造为次氯酸钠消毒系统。紫洞水厂设计供水规模为15×104m3/d，原有消毒系统为液氯消毒系统，加氯系统共设有4个投加点，见表1。

表1 水厂投加点和投加量设置Tab.1 Dosing sites and dosage setting of the waterworks

工程采用浓度由10%稀释到5%以下的成品次氯酸钠代替现有液氯，最大投氯量2.5 mg/L不变，各投加点设计投加量不变。

次氯酸钠消毒系统主要包括进药系统、储存系统、投加系统和自控系统，按照进料、储存、投加依次运行，同时由自控系统对整个过程按指令进行控制。

图1 次氯酸钠消毒系统工艺流程 Fig.1 Process flow of sodium hypochlorite disinfection system

2 次氯酸钠自控系统设计

次氯酸钠自控系统需实现水厂消毒系统自动投加功能，与原有液氯消毒系统相比，需进一步提高生产工艺的安全性并提升智能化程度。系统具备二级控制功能，用户可上位机远程操作和现场触摸屏就地操作，减少人机接触性操作，提高生产安全性。

2.1 系统选型

为统一操作系统和方便系统改造，次氯酸钠控制PLC设备需接入水厂现有控制系统，通讯方式及设备选型需与现有控制设备保持一致。采用Schneider PLC，通过工业以太网交换机接入现有控制系统，上位机采用现有的自动化组态软件，与现场设备组成整个次氯酸钠自控系统。

2.2 PLC站和上位机配置

改造采用Schneider Modicon M340(高性能BMX P342020)自动化平台的处理器，内部用户RAM总容量为4 MB，带有1个用于以太网Modbus/TCP(10/100Mbit/s)网络的RJ45连接器、1个用于Modbus串行链路或字符模式链路的RJ45连接器(RS 232C/RS 485，双线非隔离)以及1个编程终端的微型USB接口。配备型号为CPS 2000的电源模块，最大功率为20 W。32通道离散量输入模块4个(DDI 3202K)，点数为128点；32通道离散量输出模块2个(DDO 3202K)，点数为64点；8通道模拟量输入模块3个(AMI 0810)，点数为72点；8通道模拟量输出模块1个(AM0 0802)，点数为24点。

中控室现有2台PC机作为自控系统的上位机，配置Microsoft Windows XP专业版系统，Intel奔腾双核E5300处理器，主频率为2.6 GHz。次氯酸钠消毒系统通过Modbus接入水厂的工业以太网，上位机的组态软件为Vijeo Citect工程管理器，以3D立体模型的方式展示次氯酸钠消毒系统，该操作界面能监测设备的状态，以窗口形式显示设备的各项参数，用户可通过参数的设置调整生产工艺，该组态软件还具备数据采集、历史数据趋势曲线绘制、故障报警的功能，提升水厂智能化管理水平。

3 次氯酸钠自控系统结构

3.1 系统结构

次氯酸钠消毒系统主要由进药系统、软水系统和投加系统三部分组成，运行按照卸药、配药、储存、投加的工艺流程依次进行。整个过程由PLC指令进行控制，现场配备了电磁流量计、磁翻板液位计、光脉冲流量计、电动阀、软水器、计量泵、卸药泵、储液罐等设备，实现消毒工艺自动化。

3.2 进药系统

进药系统主要由卸药泵、电磁流量计、储罐、磁翻板液位计、电动阀及其管道组成。由于受到危险化学品储存监管的限制，水厂将对外购买10%浓度的次氯酸钠溶液，配送至厂区后马上进行卸药、稀释(次氯酸钠浓度<5%)、储存，因此需要采用配药工艺。该系统有3种配药方式，分别是流量计自动配药方式、液位自动配药方式和手动配药方式。

3.2.1流量计自动配药方式

流量计自动配药方式通过进药流量计和进水流量计的反馈数据控制相关阀门，根据药水比和软水预设值同时进行卸药和进软水，系统会累计进药、进水的流量，当流量分别达到设定值L1、L2时关闭相应的阀门。此方式能使次氯酸钠原液与软水混合更充分。

3.2.2液位自动配药方式

液位自动配药方式则是通过每个储罐的磁翻板液位计来监测液位变化，系统按照先进水后进液的顺序来打开进软水和进药的阀门，当软水水位达到设定值H1时停止进水，然后按照药水比自动控制进药量，总液位到达设定值H2后停止进药，完成配药。

3.2.3手动配药方式

手动配药方式是工作人员手动选择储罐和开启相应阀门进药进水，调节设定值控制进药量和进水量。

3.3 软水系统

软水系统是一套由工厂提供的自动化软化硬水装置，利用出厂水压力带动整个软化硬水工艺。采用钠离子交换树脂将水中的钙、镁离子置换出去，软水设备流出后则变为软水。树脂吸附一定量的钙、镁离子后，软水系统自动再生，通过饱和盐水浸泡恢复树脂的软化能力，并排出废液。将软水系统故障报警信号、软水处理量等信号接入自控系统中，实行监测管理。

3.4 投加系统

投加系统由计量泵、光脉冲流量计、电动阀、排气阀、管道及其配件组成，拥有自动切换储罐、自动投加、计量泵保护等功能。投加系统将根据储罐配液顺序投入使用，采用先配先用的原则，以免出现溶液存放时间过长导致有效氯浓度降低的现象。计量泵的自动投加功能是基于原水流量按设定比例进行，同时根据实际投加流量作为反馈量，通过预先建立的数学模型进行投加量调节，采用PID控制调节，使投加更加精准，投加系统的流程见图2。

图2 次氯酸钠投加系统工艺流程Fig.2 Process flow of sodium hypochlorite feeding system

4 效果分析

4.1 系统运行可靠性

次氯酸钠消毒系统在运行过程中出现了一些问题，主要是由次氯酸钠自身特性导致的。

次氯酸钠稳定性较差，在光照和温度升高的条件下易分解产气，产生管道积气问题，进而影响计量泵和排气阀等设备的稳定运行，日常运行中系统需定期排气来解决此类问题。

次氯酸钠易与水中钙镁离子发生结晶反应，可能导致不常启动的手动阀或投加插入管发生结晶现象。针对前一问题，需要定期开关手动阀并加强软水硬度的检测，防止软水硬度过大；将插入管由迎水方向改为背水方向，即可改善其结晶现象。

次氯酸钠具有腐蚀性，易导致设备、管件被腐蚀，需将与次氯酸钠溶液接触的设备、管件均更换成抗腐蚀材质。

次氯酸钠消毒系统整体运行可靠性较强，在充分应对次氯酸钠特性进行维护的前提下，系统能通过远程控制精准投加，使运行人员的操作便利性得以提高，达到提质增效的目的。

4.2 水厂整体安全性

消毒系统改造后，大大降低了水厂的安全风险。在存储安全性和政府监管方面，厂内储存的次氯酸钠有效氯浓度小于5%，不属于危险化学品，无需进行安全风险评级和危险化学品安全监管；在采购、运输安全性方面，无需申办液氯剧毒购买证，运输证亦由次氯酸钠供应商办理；在安全评价和投入方面，无需安全评价和氯库安全标准化改造，安全投入大为减少。

4.3 系统消毒效果

4.3.1出厂水余氯和管网水末梢余氯

在使用次氯酸钠溶液期间(2021年1—7月)，按《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)[1]要求定期对出厂水、管网水余氯指标进行了持续性监测，并与液氯消毒同期(2020年1—7月)余氯水平进行对比，结果见表2。

表2 液氯与次氯酸钠消毒余氯对比Tab.2 Comparison of residual chlorine by liquid chlorine and of sodium hypochlorite disinfection mg·L-1

从图3、图4可以看出，改造后出厂水余氯波动较改造前小，稳定性明显提高；在出厂水余氯平均值更低的情况下，管网水末梢余氯比改造前略有升高。由此可知，使用次氯酸钠消毒后的出厂水和管网水的水质稳定性均有所提高。

图3 液氯消毒出厂水余氯平均值Fig.3 Average value of residual chlorine in treated water by liquid chlorine disinfection

图4 次氯酸钠消毒出厂水余氯平均值Fig.4 Average value of residual chlorine in treated water by sodium hypochlorite disinfection

4.3.2检测指标

(1)次氯酸钠

对购买的各批次10%次氯酸钠溶液进行检测，其有效氯、游离碱、铁、重金属、砷等5项指标均符合《次氯酸钠》(GB 19106—2013)[2]限值要求，见表3。

表3 次氯酸钠检测结果Tab.3 Test results of sodium hypochlorite %

(2)出厂水和管网水水质

使用次氯酸钠溶液期间，对药剂和水质进行持续性监测。水厂出厂水和管网水全部水质常规指标检测结果均在《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)[1]限值内，均无异常，总大肠菌群和耐热大肠菌群均未检出，菌落总数偶有检出但都小于10 CFU/mL，色度均小于5度，无异臭、异味，无肉眼可见物。但毒理指标例如三氯甲烷、氯酸盐等检测值偶有升高，应引起关注，见表4。

表4 出厂水和管网水水质Tab.4 Quality of treated water and pipeline network water

4.4 综合运行成本

水厂近3年原水水质情况相差不大，改造完成后，2021年2—7月次氯酸钠折算平均氯耗为1.34 mg/L，较2020年1.42 mg/L同期下降4.63%，较2019年同期1.26 mg/L上升6.95%，见图5。其中因2021年1月因未采用前加氯，故氯耗均采用2—7月的平均值进行比较。

图5 2019—2021年氯耗对比Fig.5 Comparison of chlorine consumption from 2019 to 2021

改造后，按水厂年处理水量计算，将次氯酸钠药耗折算成有效氯，每千吨水氯耗成本提高了3.27元，比液氯消毒增加约50.08%，见表6。但其他成本(包括安全投入、安全标准化改造、维修成本和人力成本)各个项目均有所降低，下降52.54%。比较水厂消毒系统的综合运行成本(包括氯耗成本和其他成本)得出，总体上千吨水综合运行成本下降约8.72元，降低了29.72%。

4.5 次氯酸钠有效氯衰减情况

从表6可知，使用不同有效氯浓度的次氯酸钠时，5%以下次氯酸钠与10%次氯酸钠(12—2月的平均气温为17℃)的日衰减率相差不大，5%以下次氯酸钠的日衰减率相对更小；使用5%以下次氯酸钠(3—5月平均气温为26℃，6—7月平均气温为30℃)时，温度越高，日衰减率越高，次氯酸钠溶液的衰减越明显。

表5 液氯与次氯酸钠消毒运行成本对比Tab.5 Comparison of operating costs between liquid chlorine and sodium hypochlorite disinfection

表6 不同浓度次氯酸钠溶液有效氯衰减情况Tab.6 Attenuation of effective chlorine in sodium hypochlorite solutions with different concentrations %

5 结语

① 水厂采用次氯酸钠消毒系统替换液氯消毒系统，运行期间各方面情况良好，稳定性高。利用PLC实现自动精确配药、投加，上位机通过组态软件Vijeo Citect进行人机交互、监测管理，日后可通过升级自动水冲系统和在线水质仪表进一步提高系统的稳定性。

② 更换消毒剂后，降低了水厂的安全风险和采购、运输等风险。

③ 出厂水和管网水水质常规指标均符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求，水质稳定性有所提高。

④ 将液氯消毒系统改造为次氯酸钠消毒系统，无需投入液氯防漏防扩散等安全技术改造费用，综合运行成本降低。