水厂次氯酸钠替代液氯消毒工艺的研究

水厂次氯酸钠替代液氯消毒工艺的研究

熊正龙 刘国伟 秦仕元 周婕毓 李婕 田熳

（江苏禹策市政工程设计咨询有限公司，南京 210036）

摘 要：自来水厂消毒工艺是保障供水安全的关键环节。随着危险化学品管控日趋严格，自来水厂使用液氯受到的限制越来越多，管理成本大幅提高，次氯酸钠代替液氯消毒已经成为趋势。本文重点对次氯酸钠和液氯的优缺点进行了比较，并对次氯酸钠消毒工艺的作用原理、运行特点及运行成本等进行了全面分析，并提出了使用建议。

关键词：自来水厂、消毒方式、次氯酸钠、液氯

1 前言

消毒是防止水媒疾病、保障饮用水生物安全最为重要的手段之一，也是保障饮用水安全的关键环节。饮用水消毒工艺主要有氯消毒（液氯、次氯酸钠）、二氧化氯、臭氧和紫外线等，液氯仍是目前最常用的消毒工艺。

表1 几种消毒工艺的优缺点比较

每种消毒剂都有利弊，按照消毒效果大致可排列为：O3≥Cl2＞HOCl＞OCl-＞NHCl＞NH2Cl。

2 液氯消毒工艺分析

液氯作为消毒剂应用至今已有100多年历史。由于具有余氯的持续消毒作用，价格较低，操作简便，投量较为精准，长期以来液氯一直是世界各国广泛采用的消毒剂。

氯消毒一般认为主要通过HClO起作用，当氯或次氯酸加入到水中时会先水解，形成HClO、ClO-等物质，由于HClO为分子量很小的电中性分子，比较容易渗透到带负电的细菌表面，穿过细胞壁进入细胞内部，从而破坏细菌酶系统而导致细菌死亡。

1970年代，研究发现氯消毒后的水中检测出三卤甲烷等消毒副产物，分析原因主要是由于次氯酸与水中腐殖酸、富里酸、藻类等天然有机物以及溴化物等无机物发生了取代、加成、消去、氧化等系列化学反应而生成的，三卤甲烷、卤乙酸等有致癌风险，碱性条件容易促进消毒副产物的生成。

根据《危险化学品重大危险源辨识》（GB18218），液氯存储和使用超过一定量时即属于重大危险源，其运输、存储、使用均需严格按照《危险化学品安全管理条例》执行。氯气的使用需要办理购买、运输、存储、使用审批手续，水厂在安全方面花费的人力、物力、精力极大。液氯在使用过程中存在以下弊端：

（1）氯气是危险化学品，是一种剧毒气体，扩散性强，吸入过量氯气会对人体造成极大损害，一旦发生泄漏可能造成重大人身安全事故；其生产、运输、储存、使用等各个环节需安全审批，以满足环保、应急管理等行政部门监管要求；存储氯气的钢瓶属于高压容器，有潜在安全威胁，需按安全规定管理使用氯库和加氯间。

（2）液氯消毒方法易产生如三卤甲烷等致癌、致畸变的消毒副产物，对人体健康、鱼类等水生生物产生毒副作用，原水含酚时容易产生氯酚味。

（3）运行管理过程中，需要配备相应的安全应急设施，以防氯气泄漏时能够及时有效应对和处置，同时需要经常进行漏氯演练。

液氯属于危险化学品，在生产、运输、储存及使用等各环节中存在诸多不便和安全隐患。随着国家经济社会快速发展和人民生活水平日益提高，安全与健康越来越受到关注，国家对危险化学品，特别是重大危险源的管控越来越严格，多次发文强调对危险化学品及重大危险源的强化管理。水厂使用液氯受到的限制越来越多，不仅在运输过程中受到各项限制，而且在储备和使用过程中的安全要求也与日俱增，液氯的管理成本大幅提高。近年来，各地供水企业积极寻找更为可靠、安全的消毒方式，其中，次氯酸钠替代液氯已逐渐成为共识和趋势。

3 次氯酸钠消毒工艺

近年来，全国诸多供水企业已纷纷开始改用更为安全的次氯酸钠作为消毒剂，次氯酸钠消毒原理与液氯类似，具有很强的杀菌灭藻作用，同时与液氯相比，安全性大大增强，而且易分解、无残留，采用次氯酸钠消毒工艺已经开始在大部分省份使用，替代以投加液氯为主的传统消毒工艺。

（一）原理及特点

次氯酸钠与液氯同属于氯消毒，消毒原理和效果与液氯基本相同。次氯酸钠是一种高效、广谱、安全的强力灭菌、杀病毒药剂，与水亲和性较好，能与水进行任意比例的互溶，使用安全、操作方便、投加准确，是替代液氯消毒的理想消毒剂。次氯酸钠一般是通过三种途径实现消毒：一是通过水中产生的具有强氧化性的次氯酸根，作用于微生物蛋白质，使其失活，阻碍细胞代谢；二是穿过细胞壁进入到细菌内部，破坏核酸等，抑制细菌的生长繁殖；三是依靠产生出的氯离子，改变细胞的渗透压，使细胞失活。次氯酸钠消毒原理与氯消毒大体相似，同样会生成致癌风险的消毒副产物。

相比气态消毒剂，液态的次氯酸钠更容易管理，能够明显减少储存、运输和使用过程中的不安全隐患。与液氯消毒相比，次氯酸钠消毒具有显著的安全优势：无需像液氯那样使用高压氯瓶，次氯酸钠液态低浓度投加，安全性好，不存在泄漏危害人体生命安全等问题。有研究表明，次氯酸钠消毒时出厂水中二氯乙酸、三卤甲烷低于液氯消毒，而三氯乙酸、四氯化碳基本相当，总体来说，次氯酸钠消毒副产物量低于液氯消毒。从安全角度考虑，将液氯消毒改造为次氯酸钠消毒具有更大的社会效益，次氯酸钠消毒的优势正逐渐显现出来。

次氯酸钠消毒有两种使用方式，一种是直接购买有效氯浓度10%的商品次氯酸钠溶液，厂家根据水厂用量送货上门，安全风险小，经简单稀释处理后就能直接使用，操作方便，使用量大时整体运输和使用成本不高；另一种是通过次氯酸钠发生器电解食盐水现场制备次氯酸钠溶液，次氯酸钠用量由水厂根据需要自行生产，生产原料简单易得，与商品次氯酸钠相比，能够有效减缓次氯酸钠的降解，不存在储存和运输上的隐患，随制随用，同时显著降低运输成本。目前国内水厂次氯酸钠消毒以商品次氯酸钠为主，尤其是大型水厂，而次氯酸钠发生器电解法近年来得到不少中小型水厂的青睐。

1、商品次氯酸钠溶液：属于氯碱化工工艺中间产物，浓度10%商品次氯酸钠溶液依旧属于危险化学品范畴（《危险化学品名录》中规定：次氯酸钠有效氯浓度>5%，即为危险化学品）；实际运行中，商品次氯酸钠溶液存在易衰减、易结晶等问题；10%的次氯酸钠溶液含氯酸盐副产物偏高，在实际投运中存在着副产物超标的风险，在使用过程中一般需要将其稀释到5%左右。相关技术标准规范要求：以次氯酸钠为消毒剂时，除应关注相应消毒副产物外，还应关注氯酸盐和亚氯酸盐，并要求至少每月检测1次，若氯酸盐和亚氯酸盐检出浓度超过《生活饮用水卫生标准》（GB5749）中限制的50%时，应加密跟踪检测。

2、次氯酸钠发生器电解法：技术比较成熟，实现全自动运行，维护管理比较简单，药剂安全，易于购买、运输、存储，主要原材料为原料盐或专用消毒盐，不属于危险化学品系列，其产物为有效氯浓度0.8～1%的次氯酸钠溶液，同样不属于危险化学品。现场制备的次氯酸钠溶液比较稳定，现产现用，有效氯降解缓慢，副产物更易控制。主要问题有：一次投资比较大，电极成本比较高，对配电系统要求高，设备维护工作量大，药耗能耗比较高。次氯酸钠发生器会产生少量氢气，为避免氢气发生泄漏情况，发生器制备车间配备氢气探头和各类传感器监测设备生产状况，设置机械排风、机械送风，迄今为止，水厂未出现次氯酸钠发生器氢气燃爆问题的报道。

次氯酸钠消毒工艺使用时间还不长，运行经验积累还不足，加之各地水厂技术人员操作水平层次不齐，依然存在一定的安全隐患；另外，从近年来次氯酸钠使用实践来看，与液氯相比，三卤甲烷的产生量并没有明显减少，同时又增加了氯酸盐和亚氯酸盐问题，需要在使用过程中加密跟踪监测和摸索经验，充分发挥优势，减少风险。

（二）成本分析

商品次氯酸钠运行成本主要来自药液购买和运输费用，次氯酸钠发生器运行成本主要为电耗和盐耗。根据运行经验，商品次氯酸钠溶液运行成本为6~7元/kg有效氯，次氯酸钠发生器电解法运行成本为4~5元/kg有效氯，液氯消毒运行成本为3.5-4.5元/kg有效氯。液氯消毒与次氯酸钠发生器电解法的运行成本类似，某水厂运行数据显示，商品次氯酸钠消毒比液氯消毒运行成本高出约40%。因此，在水厂进行消毒方式改造时，可以选择如下策略：大型水厂采用商品次氯酸钠消毒法，中小型水厂采用次氯酸钠发生器电解法。

江苏苏北某水厂设计规模10万立方米/日，采用液氯消毒，平均有效氯投加量为3mg/L（包含：前加氯、后加氯投加点共3个），因安全原因决定将液氯改为次氯酸钠消毒，对次氯酸钠消毒的两种方式的运行成本进行了测算，根据分析，选用次氯酸钠发生器电解法，设备虽然一次性投资较高，但运行成本低，设备投用7.7年后一次性设备投资可以回收。在设备15年寿命周期内，能为水厂节约390万元运行费用。2022年将液氯消毒改为次氯酸钠发生器电解法。

表2 商品次氯酸钠溶液和次氯酸钠发生器电解法运行成本分析表

4 结论

（1）液氯在运输、管储和使用管理中存在不少安全隐患，加之国家对危险化学品管控日趋严格，显著增加了液氯消毒工艺的运行管理成本，对水厂液氯消毒工艺进行改造是必要和迫切的。

（2）次氯酸钠消毒方式具有消毒效果好、安全风险小、运行成本增加不明显等特点，近年来得到广泛应用，分为商品次氯酸钠溶液和次氯酸钠发生器电解法两种方式，以商品次氯酸钠消毒为主，尤其是大型水厂采用居多，次氯酸钠发生器电解法受到不少中小型水厂的青睐。

（3）次氯酸钠总体运行成本要高于液氯，但安全性要远高于液氯，选用次氯酸钠替代液氯，从消毒原理、运行成本、处理效果以及实际应用等方面是可行的和推荐的。

（4）由于次氯酸钠消毒使用时间不长，潜在的风险目前还不够清晰，运行不当也会有消毒副产物超标风险，因此需要加强对水厂技术人员的业务培训和安全教育，同时加强次氯酸钠和水质监测，排除风险，保障水质安全。

5 参考文献

[1]DB32/T 4400-2022.《饮用水次氯酸钠消毒技术规程》[S].

[2]严敏，谭章荣，李忆.自来水厂技术管理[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3]牟怀燕.城镇自来水厂消毒剂的发展现状与研究[J].山东化工,2022,51(8): 99-102-103,106.

作者简介：熊正龙（1985-），男，硕士，高级工程师

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