消毒环节是水厂制水工艺中的重中之重，其作用是消除水体中的致病微生物的致病作用确保饮用水的安全卫生。在饮用水消毒剂发展过程中，存在着多种消毒方式，目前水厂常用的消毒方法有液氯、次氯酸钠、二氧化氯、紫外线消毒等。特别是液氯因其具备消毒效果好、价格低廉、使用方便等特性，在各地水厂广泛应用。但液氯有剧烈刺激作用、腐蚀性和剧毒，属于二级危险化学品，水厂建设的氯库也会被辨识为重大危险源，在生产、运输、储存、使用过程中存在诸多安全风险，是相关部门的重点管控对象。而次氯酸钠消毒机理与液氯相似，运输、储存和使用过程中安全风险较小，消毒作用持久、投加安全可靠，投加设备更加简单，安全设备一次性投入和投加设备维护成本较低，目前次氯酸钠在水厂升级改造和新建水厂中应用已经成为一种趋势[1-3]。同时，人工手动加氯控制难以保证实时性、准确性及稳定性，随着生活水平的不断提高，人们对水质的要求也越来越高，高效、低成本、可靠稳定的自动加氯系统成为智慧水务和水工业高质量发展的重要组成部分[4]。

文章详细阐述了西南地区某自来水厂次氯酸钠投加系统优化改造。该项目首先对系统硬件部分进行改造，实现成品次氯酸钠溶液的稳定储存，后续针对生产控制要求，基于数据分析和PLC控制的理论基础，开发了一套自动加氯控制系统，系统自动计算和调节次氯酸钠溶液投加量，实现了次氯酸钠投加的自动控制。经长时间生产实践，证实该系统稳定可行，为其他水厂的改造提供了一定参考[5]。

1、项目背景

西南地区某自来水厂建成投产于2019年，设计水量规模为2.5万m3/d。该厂采用常规处理+超滤深度处理工艺，消毒剂选用符合《次氯酸钠》(GB19106—2013)A型Ⅱ标准中有效氯>10%的成品次氯酸钠溶液。全厂共设3处次氯酸钠投加点，包括沉淀前加氯、滤前中加氯和超滤后加氯，出厂水采用余氯值为控制指标。厂内设有专用的次氯酸钠投加间，主要设备包括2台10m3黑色圆柱形PE储液罐、4台隔膜计量泵(以下简称计量泵)和2台卸料泵，运行人员根据计算预估加氯量并调节计量泵的频率进行加氯，经过多次修正使水体余氯值达到预期水平。

2、问题分析

在未进行优化改造前，某自来水厂次氯酸钠系统在使用过程中暴露出一些不足。

1)溶液有效氯分布不均匀，生产控制难度高。

目前制水生产中使用的成品次氯酸钠溶液有效氯均在10%以上，然而，这种溶液并不稳定，高浓度次氯酸钠易分解，特别是在高温且不避光的环境下衰减速度更快。根据前期实际检测情况，有效氯10%的次氯酸钠溶液在不完全避光的储液罐中存放30d后通常会逐步衰减至7%左右，无形中增加了制水成本。

另外，在加水稀释过程中，自用水水量及水压较小，无法实现溶液均匀混合。由于次氯酸钠储液罐设计中缺少混合搅拌设备，稀释后会出现有效氯分布不均匀的现象，导致过程水、出厂水余氯值波动很大，增加了操作频率和生产控制难度。吕竹等人在此前柳东水厂试验的研究中也发现，储液罐没有搅拌设备稀释时，会造成溶液分层。储液罐中次氯酸钠的上下层有效氯浓度差别较大，在使用上层浓度较小的溶液时，投加量是下层的10倍，不利于投加量调整和余氯控制[6]。

2)隔膜泵长期未处于最佳工况，且调整频繁。

因水厂原水水质较好，需氯量较小，次氯酸钠溶液浓度较高的情况下，计量泵的运行频率会远低于20Hz, 而计量泵适宜的的频率使用范围是20Hz～50Hz, 长时间在低频状态运行容易发热，影响设备使用寿命，且长期在低流量状态下运行易出现流量不稳定、管道结晶甚至断流等问题。而在进水流量变化较大时，需要频繁调整计量泵频率，也会导致余氯波动幅度大，不利于控制。

上述问题导致人工控制难度较高，需要专人时刻关注水质数据并频繁调节计量泵频率来管控生产，这也要求运行人员必须具备较强的应对能力。

3、优化改造方案设计、改造实施及效果评估

3.1 改造阀门、管道，实现成品次氯酸钠溶液的稳定储存

有效氯浓度5%以下的次氯酸钠溶液衰减速度很慢，且不属于危险化学品，为满足生产控制需求同时鉴于安全考虑，每次上料后将次氯酸钠溶液有效氯稀释至5%以下储存和使用，以减缓有效氯在储存过程中的衰减。然而，现有自用水水量、水压较小，且储液罐没有混合搅拌相关的设备，导致在加水稀释过程中无法实现均匀混合，出现有效氯分布不均匀的现象。

为解决这个问题，通过在现有管线和卸料泵上增设阀门和连通管，可以使罐体内溶液形成上进下出的流态，以实现溶液的内循环，且卸料泵流量较大，溶液从罐体上端流入时会造成较大的水力扰动，有利于成品次氯酸钠溶液和自用水的均匀混合。卸料泵额定流量20m3/h, 储液罐容积10m3,理论上30min即可完全循环一次。改造方式：将次氯酸钠储液罐的放空管和卸料管通过阀7处的管道连通，同时在放空管上安装阀8,在卸料管上安装阀9。改造前后示意图见图1。

图1 改造前、后对比图

该项改造完成后，每批次10%的成品次氯酸钠溶液到货时，均可通过液位计记录储液罐上料前后液位，再加入相应液位的自用水混合稀释至5%以下储存待用。化验人员实测储液罐各层溶液的有效氯基本与计算一致，该方法有效可行。

3.2 搭建次氯酸钠投加自动控制系统，提高控制精度降低生产成本

自动控制系统由基于施耐德公司的M580 PLC、自动化组态软件Intouch的PC机、次氯酸钠投加系统相关设备和现场控制柜组成。PC机主要配置：Intel(R)Core(TM) i7-8700CPU,RAM为8GB,硬盘为1TB,安装WIN10 64位操作系统。次氯酸钠投加系统的主要设备有：储液罐、液位仪、计量泵、流量计等。

使用施耐德M580 PLC的Unity Pro软件和Wonderware Intouch作为开发平台，实现投药子站和原水子站的通信，实时采集进水流量、氨氮和过程水余氯值等数据到Intouch上位机软件中，为系统提供数据来源。再基于PLC控制的理论基础，以水体的余氯值为控制核心，编写了一套逻辑程序，能够及时根据生产控制所需余氯值进行系统自动计算和调节次氯酸钠溶液投加量，并控制计量泵调整频率。以此实现加氯环节自动控制。

自动加氯控制系统根据加氯位置分为前、中、后加氯三种方式，包含4台计量泵(1#-4#),后加氯1#和2#互为备用，中加氯2#和3#互为备用，前加氯3#和4#互为备用，不同的两个加氯点不能同时使用同一台计量泵。

3.2.1 前加氯

在水处理过程中，消毒时在水中的加氯量分为两部分，即需氯量和余氯。需氯量是用于灭活水中的微生物、氧化有机物和还原性物质等，所消耗的氯量。余氯是为了抑制水中残余微生物再度繁殖，水体中尚需维持少量的氯。在前加氯中我们分别将其定义为起始需氯量和加氯量。

起始需氯量根据化验室日检数据确定，加氯量根据实际生产控制需求设定，以满足消毒的要求。

1)当原水无氨氮时：

前加氯会按照所设定的起始需氯量及加氯量随进水流量波动情况实时调节计量泵的频率。

投药控制子站实时读取原水子站上的进水流量。每当进水流量波动范围超过10m3/h, 系统就会根据设定的起始需氯量及加氯量重新计算投加流量，从而调节计量泵频率。计算公式为：

式中：f为计量泵频率，Hz;c0为起始需氯量，mg/L;c为加氯量，mg/L;Q为进水流量，m3/h; 5%为次氯酸钠溶液有效氯浓度；ρ为次氯酸钠溶液密度，1000g/L;k为计量泵频率系数，为实测值，即次氯酸钠溶液投加量与计量泵频率对应关系，L/(Hz·h),k值与计量泵的额定流量、冲程等相关。

2) 当原水氨氮≥0.2mg/L时：前加氯会将氨氮值考虑进计算中。

当氨氮值波动范围超过0.05mg/L或进水流量波动范围超过10m3/h, 系统就会根据氨氮值、设定的起始需氯量、加氯量和进水流量重新计算投加流量，从而调节计量泵频率。计算公式为：

式中：f为计量泵频率，Hz;N为氨氮值，mg/L;系数7.6为折点加氯时氯与氨氮的理论倍数比；c0为起始需氯量，mg/L;c为加氯量，mg/L;Q为进水流量，m3/h; 5%为次氯酸钠溶液有效氯浓度；ρ为次氯酸钠溶液密度，1000g/L;k为计量泵频率系数，为实测值，即次氯酸钠溶液投加量与计量泵频率对应关系，L/(Hz·h),k值与计量泵的额定流量、冲程等相关。

3.2.2 后加氯

后加氯采取目标跟踪算法，实现超滤后取样点余氯值稳定在余氯设定值±0.05mg/L内。

由于超滤后取样点余氯仪读取余氯延迟原因，程序设定每10分钟取一次超滤后取样点余氯值，与后加氯余氯设定值对比，若相差在±0.05mg/L范围内，则计量泵频率不作改变，若不在此范围内，则根据差值进行调整计量泵频率。

后加氯算法设定如下：

1)|超滤后取样点余氯值-后加氯余氯设定值|≤0.05mg/L时，计量泵频率不变。

2)超滤后取样点余氯值-后加氯余氯设定值>0.05mg/L时，当前计量泵频率=对比前计量泵频率-(|超滤后取样点余氯值-后加氯余氯设定值|)/后加氯计量泵余氯频率系数

3)超滤后取样点余氯值-后加氯余氯设定值<-0.05mg/L时，当前计量泵频率=对比前计量泵频率+(|超滤后取样点余氯值-后加氯余氯设定值|)/后加氯计量泵余氯频率系数

后加氯计量泵余氯频率系数，为实测值，含义为在特定进水流量区间内，计量泵每1Hz加入的有效氯量，mg/(L·Hz)。

3.2.3 中加氯

中加氯与后加氯控制原理基本相同，计量泵会根据中加氯余氯设定值调节计量泵频率，使滤后水余氯值稳定在余氯设定值±0.05mg/L内。

后加氯、中加氯计量泵余氯频率系数为实测值，与进水流量和计量泵的额定流量、冲程等相关，不同的水厂应结合自身生产需求和设备情况测试。该水厂设计水量规模为2.5万m3/d, 清水池有效容积为1.2万m3,进水流量常态在500-1100m3/h范围内，早晚高峰可通过清水池调节，为保证测试精准，从250m3/h开始以50m3/h为一个测试区间，实测系数见表1。

表1后加氯、中加氯计量泵余氯频率系数

3.3 优化改造后运行效果

次氯酸钠优化改造是保证水质的关键，该水厂通过2020年4月进行的技改工程，改变了次氯酸钠溶液的储存、使用方式，实现了成品次氯酸钠溶液与自用水的均匀混合，消除了有效氯分层的弊端。随后研发自动控制系统，经过一段时间的试运行，于2021年6月成功使用系统自动控制完全替代人工手动控制，实现了加氯量随进水量、氨氮值、余氯值等因素的自适应动态调节，出厂水余氯值稳定控制在设定数值的±0.05mg/L范围内，并持续运行3年未出现任何异常。该水厂因供水性质、供水区域、供水量的变化，前期出厂水余氯目标值为0.5mg/L,为手动控制，后期出厂水余氯目标值调整为0.65mg/L,并实现自动控制。通过出厂水余氯仪采集的数据，绘制系统改造前、后出厂水余氯情况如图4所示。

图2手动、自动控制出厂水余氯对比

对比出厂水余氯情况可以看出，手动控制出厂水余氯目标值为0.5mg/L时，出厂水余氯最低为0.42mg/L,最高0.63mg/L,最多偏离目标值26%。优化改造后的自动控制系统可以根据进水流量、原水水质等因素自适应调节加氯量，以保证出厂水余氯值稳定，极大提升了调节的及时性和精准性，出厂水余氯可以基本稳定在目标值0.65mg/L左右，可见自动控制系统能显著稳定出厂水水质。

分析改造前、后的生产控制要求及报表数据，可以发现自动控制系统在实现出厂水余氯精准控制的基础上，次氯酸钠溶液的损耗也明显得到降低。

改造后的次氯酸钠溶液损耗(以有效氯10%计)较改造前降低了5.76kg/km3,按设计水量2.5万m3/d计算，每年可节约次氯酸钠溶液采购成本5.76kg/km3×25km3/d×365/1000×600元/t=31536元。

分析改造前的损耗主要原因有：采购到厂的成品次氯酸钠溶液放置在储液罐中存在有效氯衰减；水质、水量波动时加氯量调整不及时，造成出厂水余氯时常偏离目标值。

4、应用分析及展望

水厂次氯酸钠投加系统优化改造后，使得投加量更稳定可靠、控制精准、反馈及时、操作简单，基本解决了次氯酸钠溶液储存过程中有效氯易衰减的问题，消除了进水流量波动对加氯控制的影响，提高了水质的稳定性，并实现加氯控制环节无人值守，每年可节约人工及制水材料成本近30万元。这一改造确保供水安全可靠，极大提升运行人员工作效率，具有很好的实用性。

当前国内水务行业正处于数字化转型的关键阶段。针对不同水厂的生产特点，只需调整相关参数设置和控制目标，即可推广到其他水厂，这将使得加氯环节变得简单、稳定、可靠、灵活，并最终实现少人、无人值守的目标。

5、结 论

1)采用次氯酸钠消毒工艺代替液氯，在根源上杜绝了使用液氯消毒的安全隐患，减少了水厂运营管理的风险和投入，具有良好的社会效益。

2)改造储液罐区管道并利用卸料泵即可实现次氯酸钠溶液在罐体内循环，可以在不新增混合搅拌设备的情况下，将储液罐内的次氯酸钠溶液稀释混合均匀，消除有效氯分布分层现象，减少有效氯衰减，节约制水材料成本。

3)通过次氯酸钠投加自动控制系统进行自适应修正运算，可以减小出厂水余氯的波动，使其控制在设定范围内。这种方法可以让水体水质变化、进水流量变化与计量泵参数调控形成闭环分析管理，从而建立智能加氯模式，实现加氯环节的自动化和无人值守，确保供水的安全可靠，具有很好的实用性、推广性和经济效益。

参考文献:

[1]胡小芳,刘清华,张晓娜,等.南方某五间水厂消毒系统改造总结[J].城镇供水,2022,(03):12-16.

[2]丛孙丽,姜哲宇.基于PLC和Intouch的次氯酸钠加氯系统设计[J].给水排水,2021,57(05):135-139.

[3]彭一恒,章红,刘卫斌.基于数据分析的自来水厂参数自适应次氯酸钠投加算法[J].自动化与信息工程,2020,41(05):26-32.

[4]孙亚全,宋子明,司徒菲.次氯酸钠消毒在自来水厂中的应用[J].工业用水与废水,2019,50(01):5-7.

[5]王立彪.次氯酸钠消毒技术在自来水厂中的应用[J].给水排水,2018,54(11):45-49.

文章来源:田茹,姚恒帆,王国栋,等.自来水厂次氯酸钠投加系统的优化改造及应用分析[J].黑龙江水利科技,2024,52(11):109-112+162.