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中国科技核心期刊《净水技术》关注我国供排水和工业水处理生产一线的实际问题，打造一线生产技术人员实战经验的分享平台。本栏目内容主要选自发表于《净水技术》“供排水企业运行及管理成果专栏”的原创论文，经通俗化删减改编，供同行交流参考。
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作情况，对其进行原理分析，提出合理性建议来优化改造，来提升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。
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。
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，使用高密度聚乙烯(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。根据相关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，每处都有不一样的作用。
(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。当出厂水流量发生明显的变化，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。
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。
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。
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。
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，能够更好的降低水体的pH；NaClO水解后会形成NaOH，增加水体的pH。
由此推测，在稀释配药过程中，NaClO易分解且溶液呈微碱性，在Ca2+和CO2存在的情况下会形成CaCO3结晶物，并附着在管壁或贮槽中，这与许谦等的结论相同。
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，没办法做到精准投加。改造前NaClO投加管路如图4所示。
Z水厂靠近主城区，目前采用的投加装置是机械计量泵。随着使用年数的限制的增加，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作时的状态下，机械计量泵易出现流量不均甚至断流等问题。
由上文可知，Z水厂管道结垢的最终的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；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，但是其处理成本相比来说较高，通常用于纯水制造和海水淡化；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，延长设备常规使用的寿命；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，目前已大范围的应用于锅炉水软化、盐水精制等多个领域。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有着非常明显的技术优势和经济优势。
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，优化控制管理系统提高投加精度；周徐权等针对长距离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。Z水厂针对现有投加设备正常运行情况，拟从管道改造、加药泵选型两方面开展优化改造工作。
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。在正常使用的过程中可利用钠型阳离子交换树脂去除水中Ca2+、Mg2+，以此来降低稀释水硬度。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。水质软化和树脂再生过程如式(3)～式(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。
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。
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，还能够最终靠厂区自用水冲洗管道，清理管道附着物并排放至废水管道。能轻松实现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。
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)，通过实际生产情况相对来说比较，对比数字计量泵和机械计量泵的运行效果。
选用原水和软化水分别稀释NaClO浓液并静置，NaClO稀释液的变动情况如图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。
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明显地增长的趋势，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大大降低水质硬度，极大地抑制了CaCO3结晶物的形成。
整套软水装置的常规使用的寿命为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常规使用的寿命，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。
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%。
经研究，机械计量泵的结构最简单，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，能够最终靠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，计量冲程的维持的时间可持续延长。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，数字计量泵简单易操作，无需调节冲程和频率，还能够准确的通过外部模拟信号进行计量，更加有助于智能化改造。
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动情况，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比较小，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。
试验根据结果得出，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动情况。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的因素的干扰，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，优化加药控制管理系统，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。由此可见，为减少消毒副产物的生产，能大大的提升设备的投加精度，确保出水水质平稳。
Z水厂NaClO投加系统改造完成后，对出厂水的各项水质指标进行持续跟踪，具体检测结果如表2所示。虽然一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三氯甲烷略微波动，但是出水水质符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的有关要求。另外，运行过程中无管道堵塞现象发生，NaClO投加系统运行正常。
(1)对于NaClO结垢物以CaCO3为主的水厂，离子交换树脂技术对水质的软化效果较好，且运行稳定、成本较低，利用软水稀释NaClO会抑制结垢物的生成。
(2)采用软水稀释NaClO和管道定期冲洗的方式，可有效解决CaCO3结晶问题；新增备用管道后，NaClO投加系统的安全备用系数有所提升。
(3)数字计量泵投加精度较高，出水余氯波动较小，但受到人的因素干扰，数字计量泵的优势并未完全体现。可进一步引入AI算法，对水体水质变化和计量泵运行参数形成闭环分析管理，创建智能加药模式。
(4)国内水务行业正面临现代化建设和智能化转型。建议以NaClO消毒原理和水源地水质特性参考为依据，指导自来水厂加氯车间技改工作，确保智慧化加药系统运行稳定可靠，减少后期设备维护工作，达到无人值守的目标。
[通信作者] 钱斌(1993— )，男，硕士，研究方向为饮用水净化处理，E-mail：。
本文原标题为《水厂次氯酸钠投加系统改造及优化》，发表在《净水技术》2022年第9期“清时捷供排水企业运行及管理成果专栏”，欢迎水业学者、科研与技术人员参考引用，文献引用格式如下：
