十年經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，次氯酸鈉在水處理中的應(yīng)用！

時(shí)間變成水 2020-09-30

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次氯酸鈉廣泛運(yùn)用于給水、排水工程及其它領(lǐng)域之中，可以進(jìn)行消毒、漂白、助凝、抑制絲狀菌、洗膜等等，作為一篇科普+專業(yè)類文章，本文從次鈉的自身性質(zhì)及作用機(jī)理談起，方方面面討論一下次鈉。

一、次氯酸鈉的性質(zhì)

次氯酸鈉是一種無機(jī)物，分子式為NaClO，在沒有作為廣泛的水類消毒劑之前，廣泛用于漂白、消毒中，近幾年來，隨著氯氣及二氧化氯的弊端漸露，采用次鈉消毒大有取代了氯氣及二氧化氯消毒趨勢(shì)，成為水處理消毒的主流消毒工藝。

次氯酸鈉消毒液一般成微黃色液體，顏色和二氧化氯溶液差不多，溶液隨著次鈉濃度的增加，黃色漸深，一般含量在13%的濃度達(dá)到極限，再高會(huì)有不少結(jié)晶析出，次鈉屬于強(qiáng)堿弱酸鹽，見光、遇熱均容易分解，生成氯化鈉和氧氣，此外次鈉屬于?；罚?%以上溶液），但等級(jí)不高，在《危險(xiǎn)化學(xué)品名錄（2015版）》中：次氯酸鈉溶液[含有效氯＞5%]的危險(xiǎn)貨物編號(hào)是：83501；別名：漂白水；UN號(hào)：1791；CAS號(hào)：7681-52-9。

二、次氯酸鈉的作用

1、消毒作用

消毒作用是次鈉的最主要的作用之一，作為氯類消毒劑，其消毒機(jī)理和氯氣基本相同，主流認(rèn)為有以下兩種：

其一是次氯酸鈉在水中水解成次氯酸：

NaC1O+H2O=NaOH+HC1O

HClO =HCl+{O}

而后次氯酸分解生成新生態(tài)氧，生態(tài)氧的極強(qiáng)氧化性使菌體和病毒的蛋白質(zhì)變性，從而使病源微生物致死;

其二是認(rèn)為次氯酸不僅可與細(xì)胞壁發(fā)生作用，且因分子小，不帶電荷所以可以侵入細(xì)胞內(nèi)與蛋白質(zhì)發(fā)生氧化作用，破壞其磷酸脫氫酶，使得其糖代謝失調(diào)死亡：

R-NH-R+HC1O=RNC+H2O

個(gè)人認(rèn)為，兩種反應(yīng)應(yīng)該都有作用。

在作為給水消毒劑的時(shí)候，一般后加氯投加量可以在2mg/l有效氯左右，而前加氯視原水特點(diǎn)而定，前后加氯量最好進(jìn)行小試實(shí)驗(yàn)，如果遇到水中有氨氮的時(shí)候，會(huì)發(fā)生折點(diǎn)加氯效應(yīng)，更應(yīng)該進(jìn)行小試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行投加。

次鈉的投加點(diǎn)可以有多個(gè)，一般設(shè)置在配水井、出水跌落井、消毒專用混合井等利于次鈉混合的地方，接觸時(shí)間不得小于30分鐘，但一些廠將次鈉投加點(diǎn)設(shè)置在濾池進(jìn)水端，認(rèn)為定量投加可以有利于濾砂的反洗，我個(gè)人是不推薦的，因?yàn)榇吴c的投加將破壞濾砂的生物作用，削弱濾砂的過濾效果，且影響后續(xù)投加的計(jì)量計(jì)算。

在作為污水的消毒劑的時(shí)候，投加量一般是自來水消毒的3~7倍，實(shí)際投加量也應(yīng)以小試實(shí)驗(yàn)作為指導(dǎo)；投加點(diǎn)一般設(shè)置在總出水點(diǎn)，如深床濾池出水處，生物濾池出水處，也可以設(shè)置在二沉池的出水處，并設(shè)置專門的清水池容納消毒后的水體，現(xiàn)階段，次鈉消毒多用在有深度處理的水廠，而沒有深度處理的水廠由于執(zhí)行排放標(biāo)準(zhǔn)較低，較少使用。

圖一次鈉的加注

由于次鈉也是屬于氯類消毒劑，其消毒機(jī)理也和氯氣一樣，所以副產(chǎn)物基本也和氯氣一樣，主要會(huì)產(chǎn)生一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三鹵甲烷、三溴甲烷等等，產(chǎn)生計(jì)量和投加量成正比例關(guān)系，但是值得注意的是，次鈉產(chǎn)生這些消毒副產(chǎn)物的量要比氯氣要少得多，所以相對(duì)氯氣來水，次鈉消毒又是較為安全的，需要主要的是，次鈉消毒還會(huì)產(chǎn)生二氧化氯消毒特有的消毒副產(chǎn)物，氯酸鹽及亞氯酸鹽，主要原因其實(shí)和次鈉本身沒有太大關(guān)系，主要還是由于久置后分解反應(yīng)和歧化反應(yīng)產(chǎn)生，其產(chǎn)生機(jī)理為：

分解反應(yīng)：2NaC1O=2NaC1+O2

歧化反應(yīng)：3NaC1O=2NaC1+NaC1O3

反應(yīng)過程中實(shí)際上氯酸鹽是亞氯酸鹽進(jìn)一步氧化得到，這里就不多論述了。

影響消毒效果的主要有PH、水溫、接觸時(shí)間、濁度、加氯量幾項(xiàng)，加氯量很好理解，投加量越大消毒效果越好，但給水中需要考慮出水的性狀及副產(chǎn)物，所以投加量不宜過大，而渾濁度也好理解，水中雜質(zhì)越多，消耗的加氯量越大，所以投加點(diǎn)一般放在濾后的原因就在于此。而PH主要影響的是次鈉水解后生成次氯酸的多少，一般PH越高效果越差，一般不宜超過7.5，接觸時(shí)間前文已有論述，此處不再論述；水溫主要體現(xiàn)在影響余氯的損耗上，水溫越高余氯的損耗速度越快，但水溫越高殺毒效果也越好，此項(xiàng)一般不需特別調(diào)整，大部分地區(qū)的常溫即可。

2、氧化助凝、除藻及除鐵錳的作用

氯類消毒劑由于強(qiáng)氧化性，幾乎都有助凝的作用，助凝作用在給水中用的較多，在污水中使用的較少。含藻類原水是我國(guó)常見的原水類型，藻類本身及其代謝產(chǎn)物帶負(fù)電荷不容易被混凝去除，同時(shí)也會(huì)于水中的金屬離子絡(luò)合穿透濾池影響出水水質(zhì)，而且藻類吸附力極強(qiáng)，會(huì)粘附在濾池表面影響過濾效果，縮短濾池壽命，而加氯對(duì)藻類有抑制和滅除作用，從而改善后期混凝效果。從實(shí)際上來看，無論是氯氣還是次鈉，對(duì)藻類的去除效果還是比較有限的，比臭氧及高錳酸鉀要弱，而且由于投加量有限制，所以在高藻類的地區(qū)建議還是以高錳酸鉀或者臭氧結(jié)合氣浮去除藻類。次鈉還有一個(gè)作用就是氧化鐵錳類物質(zhì)起到后去絮凝沉淀去除的作用，但是實(shí)際上和藻類一樣，次鈉氧化鐵錳的能力很弱，而且對(duì)PH的要求比較高，比他哥們二氧化氯要弱很多，所以在錳鐵超標(biāo)的地方建議采用高錳酸鉀預(yù)氧化去除鐵錳。

3、脫色及漂白的作用

次鈉的脫色作用主要是由于其有氧化性的作用，一般需要和混凝沉淀合用，次鈉的脫色作用主要也是展現(xiàn)在對(duì)有色物質(zhì)的氧化上，比如對(duì)將水中鐵從二價(jià)氧化為三價(jià)，然后通過混凝將三價(jià)鐵沉淀下來，完成水體脫色，或者將水體中一些帶顏色的有機(jī)物氧化后混凝沉淀下來，起到脫色的作用。

而次鈉的漂白作用還是比較強(qiáng)的，筆者有幸在安裝次鈉設(shè)備的時(shí)候黃色襯衣被碰到，結(jié)果一大塊變成了不倫不類的黃白色，其基本作用機(jī)理很簡(jiǎn)單：

HClO =HCl+{O}

其中的新生態(tài)氧氣，具有很強(qiáng)的氧化性，能將不少有機(jī)染料發(fā)生作用，起到漂白的作用。

三、次鈉的制備

工業(yè)上大規(guī)模制取次氯酸鈉的化學(xué)反應(yīng)為：

Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO +H2O

其成品次鈉有效氯含量在10%-13%，成品次鈉遵循中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):次氯酸鈉(GB 19106-2013)要求，次鈉本身分為A等品和B等品兩大類，A和B下面又各自分為3小類，A型主要用于消毒、殺菌等作用，B等品主要是工業(yè)作用，兩者主要區(qū)別在于是否對(duì)重金屬含量存在要求。

近幾年來，電解次鈉發(fā)展迅猛，已經(jīng)趨于成熟，實(shí)際上電解次鈉并不是近幾年才出現(xiàn)的，但是之前技術(shù)一直不算成熟，基本停留在陽(yáng)離子隔膜法制取的辦法之上，雖然隔膜法制取的次鈉純度高，但是相應(yīng)的昂貴的但不耐用的隔膜阻礙了電解次鈉的運(yùn)用，還有一個(gè)阻礙的因素就是電極，早些年的電極涂料及壽命比較差，技術(shù)并不成熟。但，電解次鈉經(jīng)過十幾年的發(fā)展，當(dāng)初的技術(shù)瓶頸均已突破，加上本身原料來源簡(jiǎn)單，濃度低基本不存在成品次鈉的腐蝕、結(jié)垢、衰減的溫度，所里越來越多的污水廠及水廠選用了電解次鈉消毒。

水處理行業(yè)一般使用的是電解稀食鹽水的辦法制取次氯酸鈉，其工作原理為：

NaCl + H2O → NaClO + H2↑

電極反應(yīng)：

陽(yáng)極：2Cl- - 2e → Cl2

陰極：2H+ + 2e → H2

溶液反應(yīng)：2NaOH + Cl2 → NaCl + NaClO + H2O

電解法制取的次氯酸鈉濃度一般為0.6%-0.9%，一套次氯酸鈉發(fā)生器一般包括：溶鹽系統(tǒng)、軟水系統(tǒng)、溶液配比系統(tǒng)、電解系統(tǒng)、儲(chǔ)藥及投加系統(tǒng)、排氫系統(tǒng)、酸洗系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及PLC系統(tǒng)。

①溶鹽系統(tǒng)。溶鹽系統(tǒng)即為將工業(yè)級(jí)精鹽配置成飽和食鹽水的系統(tǒng)，主要由溶鹽罐（食品級(jí)PE材質(zhì)）及計(jì)量泵組成，溶鹽罐預(yù)先將軟化水注入溶鹽罐中，然后由人工將鹽按照設(shè)計(jì)的比例倒入溶鹽罐制成飽和食鹽水,根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):次氯酸鈉發(fā)生器GB 12176-90標(biāo)準(zhǔn)。

②軟水系統(tǒng)。由于一般水體中均含有相當(dāng)濃度的鈣鎂離子，為防止鈣鎂離子在之后的流程中產(chǎn)生沉淀所以對(duì)飽和食鹽水進(jìn)行軟化處理，主要就是將溶鹽罐中的飽和食鹽水通入軟水器中進(jìn)行軟化，去除鈣鎂離子，軟水器中，軟水器中去除鈣鎂離子的主要“樹脂?！?，該物質(zhì)與水的鈣鎂離子進(jìn)行離子交換達(dá)到軟化水的目的。軟水器需要定期反沖洗，反沖洗時(shí)間一般為一周，反沖洗歷時(shí)一般為半小時(shí)，“樹脂?！眽勖s為三年。

③溶液配比系統(tǒng)。溶液配比系統(tǒng)即為將軟化后的飽和食鹽水配比成濃度約為2.5%-4%的稀食鹽水，系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，通過PLC按一定比例將軟化水注入飽和食鹽水中。

④電解系統(tǒng)。電解系統(tǒng)為電解法制取次氯酸鈉的核心系統(tǒng)，電解系統(tǒng)又由電解槽、電極、整流系統(tǒng)、及循環(huán)冷卻系統(tǒng)組成，電解槽一般采用有機(jī)玻璃或耐腐蝕材料制成如下圖：

圖四電解槽

而電極而位于電解槽的中心位置，電極如下圖：

圖五電極

一般電極采用純鈦制作，壽命約4-6年，在電解過程中需控制電解溫度在40度以下。

⑤排氫系統(tǒng)。由于電解法制取次氯酸鈉無可避免的會(huì)產(chǎn)生氫氣，氫氣為易燃易爆氣體，氫氣的爆燃點(diǎn)為4%，所以對(duì)氫氣一般的處理方法為稀釋及強(qiáng)排，簡(jiǎn)單的說就是根據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣量設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)，將所產(chǎn)生的氫氣稀釋并排出室外，進(jìn)入大氣。

⑥酸洗系統(tǒng)。雖然使用了軟化系統(tǒng)，但是電解槽使用久之后無可避免的會(huì)結(jié)垢附著與電極之上，此時(shí)需要對(duì)電極進(jìn)行酸洗，酸洗由PLC控制，采用檸檬酸進(jìn)行酸洗，一般半年一次。

四、次鈉的存儲(chǔ)與投加

近幾年來，隨著給水、排水工程的蓬勃發(fā)展，一些地區(qū)為生產(chǎn)次鈉自建化工城，制造有涉水許可證的成品次鈉，大部分地區(qū)依然還是遵循采用國(guó)標(biāo)(GB 19106-2013)要求的次鈉，使用成品次鈉好處很多，最大的優(yōu)點(diǎn)就是不用擔(dān)心“在自己廠里又建一個(gè)迷你化工廠的問題”，而且成品次鈉一次性投資省，后期維護(hù)成本低，在擁有穩(wěn)定的貨源的和較低的運(yùn)費(fèi)的基礎(chǔ)上是首選。

值得注意的是，成品次鈉需要注意2個(gè)問題：

1、衰減及存儲(chǔ)

一般來說次鈉濃度越高衰減越快，根據(jù)作者自身的一些研究，成品次鈉衰減的罪魁禍?zhǔn)子?個(gè)，一個(gè)是紫外線，一個(gè)是溫度，一般來說在遮光的室溫條件下10%成品次鈉衰減到5%在120天左右，再往下衰減速度陡然變慢，所以不少文章認(rèn)為稀釋成5%存放是可以的，實(shí)際上由于10%次鈉的稀釋需要軟水，而不少地區(qū)的自來水的硬度均在100以上，稀釋的時(shí)候會(huì)大量結(jié)垢，而水軟化需要上設(shè)備，所以一般建議10%成品次鈉在保存在7日左右用完，在短期用完還有一個(gè)好處就是可以減少氯酸鹽個(gè)亞氯酸鹽的產(chǎn)生。次鈉有腐蝕性和易分解性，所以在存儲(chǔ)中盡量采用遮光及耐腐蝕的材料保存，PE桶是個(gè)不錯(cuò)的選擇，在采用PE桶的時(shí)候，可以留有一個(gè)出氣的通道，預(yù)防積氣。

圖二管道結(jié)垢

2、成品次鈉宜采用單獨(dú)投加

成品次鈉宜采用單獨(dú)投加而不要想二氧化氯那樣利用廠用水帶至投加點(diǎn)，因?yàn)檫@樣會(huì)使管道迅速結(jié)垢，反應(yīng)機(jī)理為：

NaClO有見光或遇熱分解的特性，在NaClO生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、投加的過程中，NaClO溶液分解，生成 NaOH 、NaC1和Na2CO3 等雜質(zhì)；反應(yīng)方程式如式(1)、(2)、(3)所示：

(1) NaClO+H20=HClO+NaOH

(2) 2NaClO=2NaCl+02

(3) 2NaOH+CO2=Na2CO3+H20

其中的CO32-及OH-隨著NaClO溶液的投加進(jìn)入加藥管道，CO32-及OH-與壓力水中的Mg2+及Ca2+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生CaCO3沉淀。反應(yīng)方程式如式(4)、(5)、(6)所示：

（4）OH-+HCO3- —H20+CO32-

（5）Ca2++CO32-—CaCO3

（6）Mg2++CO32-—MgCO3

所以投加的時(shí)候盡量采用原液投加，管道可以盡量采用CPVC或者UPVC管道，這些管道抗腐蝕能力均不錯(cuò)。

圖三 PE桶

五、對(duì)采用次鈉來去除氨氮的看法

次鈉用來降低氨氮的化學(xué)反應(yīng)式為：

2NH3+3NaClO→N2↑+3H2O+3NaCl

實(shí)際上在常溫及中性的PH中，投加適量的次鈉溶液反應(yīng)基本上會(huì)進(jìn)行至三步，第三步也是自來水上常用的氯氨消毒法的一般原理，而要進(jìn)行到第五步反應(yīng)需要較為合適的PH、溫度的支持及大量投加次鈉來支持，根據(jù)相關(guān)研究，有效氯投加量（以Cl2計(jì)）與氨氮的量的比值在1.5:1的情況下能達(dá)到去除氨氮的最大效率，實(shí)際上，由于污水中的雜質(zhì)較多，渾濁度較高，大量的雜質(zhì)嚴(yán)重耗費(fèi)了次氯，所以一般次鈉投加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止1.5:1。在氨氮超標(biāo)不高的情況下，采用次鈉投加去除氨氮，是可行的，但是一旦遇到超標(biāo)嚴(yán)重，采用次鈉來去除，成本太高，還帶來大量副產(chǎn)物，并不實(shí)用。

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