独家经验公开！更经济、更安全的水厂加药系统优化改造方法

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行情况，对其进行原理分析，提出合理性建议进行优化改造，从而提高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m 3 /d ，于2011年增设了60万 m 3 /d规模的深度处理工艺和15万m 3 /d规模的超滤膜工艺。水厂共有两期，每期设计规模为30万m 3 /d，且每期各有2组生产管线。Z水厂在2016年7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。

(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。

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。

(1)NaClO投加管道结垢

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。

图2 管道堵塞

通过电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)检测出结垢物中Ca 2+ 质量分数为38.76%，Mg 2+ 质量分数为0.32%。由图3可知，结垢物在2 θ 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CaCO 3 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，可以降低水体的pH；NaClO水解后会形成NaOH，增加水体的pH。

(1)

NaClO+H 2 O=HClO+NaOH

(2)

由此推测，在稀释配药过程中，NaClO易分解且溶液呈微碱性，在Ca 2+ 和CO 2 存在的情况下会形成CaCO 3 结晶物，并附着在管壁或贮槽中，这与许谦等的结论相同。

(2)投加管道备用系数较低，且管道无法冲洗

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，无法做到精准投加。改造前NaClO投加管路如图4所示。

(3)出厂水量时变化系数较大，平稳加氯难度较高

Z水厂靠近主城区，目前采用的投加装置是机械计量泵。随着使用年限的增加，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行状态下，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水厂管道结垢的根本原因在于稀释水体中Ca 2+ 、Mg 2+ 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Ca 2+ 、Mg 2+ 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，但是其处理成本相对较高，一般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，延长设备使用寿命；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，目前已广泛应用于锅炉水软化、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 离子交换树脂法具有明显的技术优势和经济优势 。

(2)保持平稳加氯

2.3.1 增设软水装置

2RNa+Ca 2+ =R 2 Ca+2Na +

(3)

2RNa+Mg 2+ = R 2 Mg+2Na +

(4)

R 2 Ca+2NaCl=2RNa+CaCl 2

(5)

R 2 Mg+2NaCl=2RNa+MgCl 2

(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。

2.3.2 管道改造

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，还可以通过厂区自用水冲洗管道，清理管道附着物并排放至废水管道。 可以实现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 。

2.3.3 加药泵重新选型

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显著增长的趋势，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有效降低水质硬度，极大地抑制了CaCO 3 结晶物的形成 。

整套软水装置的使用寿命为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使用寿命，Z水厂选用不含Ca 2+ 、Mg 2+ 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/m 3 。

表1 软水装置运行成本分析

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%。

表2 改造后出水的水质指标

(1) 对于NaClO结垢物以CaCO 3 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CaCO 3 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，但受到人为因素干扰，数字计量泵的优势并未完全体现。 可进一步引入人工智能算法，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。