淺談水廠水質(zhì)消毒
氯消毒一直是給水處理工藝中必不可少的一個環(huán)節(jié)，但隨著水源污染的加劇及水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的提高，發(fā)現(xiàn)某些源水經(jīng)氯氣消毒后，在其出水中檢測出了三氯甲烷等多種致癌或可誘發(fā)癌變的有機(jī)物，這使人們對氯消毒的安全性產(chǎn)生了懷疑。
目前，二氧化氯已在歐美數(shù)千家水廠得到應(yīng)用，而我國在這方面起步和發(fā)展較慢，從20世紀(jì)90年代以后才開始在一些中、小型水廠中加以應(yīng)用。從二氧化氯本身的優(yōu)勢以及在解決由水源污染而造成的水質(zhì)問題上所具的作用來看，二氧化氯在我國飲用水處理中的應(yīng)用已逐漸引起了人們的重視，二氧化氯作為水廠的常規(guī)可選消毒劑在我國的推廣也是必然的趨勢。
二氧化氯與氯氣的合理選擇
二氧化氯與氯氣的比較
氯氣作為一種成熟的消毒劑已有百年的應(yīng)用歷史，但近年來由于源水水質(zhì)的惡化，氯消毒所引發(fā)的環(huán)境健康問題越來越引起人們的重視，氯消毒替代品的研究也越來越深入。在可選的新型消毒劑中，二氧化氯由于其高效、易得且具有持續(xù)的殺菌效果而成為首選的替代物之一。
可以看出，二氧化氯作為消毒劑的綜合指標(biāo)要高于氯氣，但二氧化氯也存在著相應(yīng)的不足和缺點。因此，二氧化氯工藝的選擇必須考慮它的最佳使用條件，才能取得良好的處理效果和經(jīng)濟(jì)效益。
二氧化氯的最佳使用條件
在我國，二氧化氯在水廠中的應(yīng)用仍處于探索階段，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還未建立，因此在消毒工藝的選擇上仍存在盲目的行為。根據(jù)二氧化氯所具有的特性及在一些水廠的應(yīng)用實踐，筆者認(rèn)為二氧化氯應(yīng)主要應(yīng)用于以下4種情況：
、偈苡袡C(jī)物污染的地表水源。由于工業(yè)污染的加速，地表水源水質(zhì)不斷惡化，再加上有些地表河流的年徑流量變化較大，造成枯水期水源中各種有機(jī)物、酚類、硫化物的指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)。當(dāng)采用了二氧化氯進(jìn)行消毒后，水中氣味和口感得到明顯改善。
、谠孱悺⒄婢斐傻暮、嗅、味的水源。對一些以湖泊、水庫為水源的水廠，水體富營養(yǎng)化而引起的藻類過量繁殖，以及部分藻類和植物腐爛后所導(dǎo)致的放線菌大量滋生，都會引起水質(zhì)色度增高并含有異味。對這類水源采用二氧化氯作為消毒劑，或作為可選擇的消毒劑，則比氯氣具有更大的優(yōu)勢。采用二氧化氯消毒后，出水水質(zhì)無嗅、無味，各項指標(biāo)都達(dá)到了國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
、踦H值和氨氮含量較高的水源。與氯不同，二氧化氯在水中以分子形式存在，即使在稀溶液中也不發(fā)生水解，因此其消毒效率不像氯氣那樣隨pH值的變化而變化。另外，二氧化氯不與氨氮反應(yīng)生成低效率的氯胺，在高氨氮含量的條件下仍保持較高的殺菌效率。我國很多水源中氨氮值常常偏高，如果用氯氣進(jìn)行消毒，氯氣的投加量會加大，投氯量的增大又導(dǎo)致出水中氯化副產(chǎn)物THMS的急劇增加，形成一個很難解決的矛盾，而二氧化氯則是解決這一矛盾的最佳選擇。
、茌^高鐵、錳含量的地下水源。實驗證實，二氧化氯對水中鐵、錳的去除效果要好于氯氣，尤其是對水中錳的去除效果更佳。
綜上所述，二氧化氯與氯氣的優(yōu)化選擇應(yīng)根據(jù)源水水質(zhì)及處理要求而定。對一些污染較重的源水，采用二氧化氯作為濾前預(yù)氧化劑，而出水仍用氯氣消毒的聯(lián)合工藝則更具有推廣價值。據(jù)報道，這種工藝可使三鹵甲烷(THMS)的生成量減少50%～70%，而且處理成本較低。
二氧化氯的制取工藝
二氧化氯性質(zhì)活潑，不易貯存和運輸，因此都采用現(xiàn)場制備的方式。通常水廠使用的二氧化氯發(fā)生器都采用化學(xué)反應(yīng)的原理進(jìn)行制備，根據(jù)采用原料的不同，可分為氯酸鈉工藝和亞氯酸鈉工藝。
氯酸鈉工藝
采用氯酸鈉和鹽酸為原料進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)式如下：
2NaClO3+4HCl＝2ClO2+Cl2+2NaCl+2H2O
該工藝最大的缺點是在二氧化氯產(chǎn)生的同時還有約占二氧化氯產(chǎn)量一半的氯氣發(fā)生。實驗結(jié)果表明，二氧化氯的有效轉(zhuǎn)化率一般只有50%左右，并且受到反應(yīng)溫度和鹽酸濃度的影響。要提高二氧化氯的轉(zhuǎn)化率，必需保持較高的反應(yīng)溫度(約70℃)和加大鹽酸的過剩量，但這同時又會導(dǎo)致副產(chǎn)物氯氣產(chǎn)率的提高，使反應(yīng)產(chǎn)物中氯氣的含量增大。
由于氯氣的大量存在，嚴(yán)格講已經(jīng)失去了二氧化氯投加的最基本的意義，即降低水中三氯甲烷的含量。并且由于氯酸鈉的轉(zhuǎn)化率在實際運行中通常不足50%，這使得在投加量較高時，大量未反應(yīng)的氯酸鈉進(jìn)入水中，水中剩余的ClO3-的濃度較高，造成二次污染。正是由于以上諸多原因，在國外有關(guān)水廠二氧化氯應(yīng)用的資料中，還未有上述氯酸鈉工藝的報道。
亞氯酸鈉工藝
亞氯酸鈉工藝主要有以下兩種：
亞氯酸鈉加鹽酸工藝
反應(yīng)原理為：5NaClO2+4HCl＝4ClO2+5NaCl+2H2O
該工藝具有工藝簡單、不需要加溫、設(shè)備容易操作及維護(hù)、產(chǎn)物中二氧化氯純度高達(dá)95%以上等優(yōu)點。
從水廠的應(yīng)用實踐來看，該工藝主要存在的問題有，a由于其屬自氧化還原反應(yīng)，故理論上有20%的亞氯酸鈉被還原成NaCl，使其最高有效轉(zhuǎn)化率只有80%，造成成本加大。b由于鹽酸的需要量大，以一個5×104 t的水廠為例，當(dāng)二氧化氯的投加量為1mg/L時，鹽酸(濃度為25%)的消耗量為300kg/d。因此，中型以上的水廠采用此工藝制取二氧化氯，鹽酸的儲備需占用較大的空間。一般，采用此工藝的發(fā)生器應(yīng)主要用于5×104t以下規(guī)模的水廠。
亞氯酸鈉加氯氣工藝
反應(yīng)式為：2NaClO2+Cl2＝2ClO2+2NaCl
國外水廠中尤其是大型水廠以此工藝為基礎(chǔ)的發(fā)生器約占70%，而這方面的國產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用還未見報道，這主要是由于我國目前二氧化氯的應(yīng)用仍主要集中在中、小型水廠，尤其是縣級左右的小水廠，二氧化氯的需要量一般在300～1000 g/h上下。對這部分水廠而言，操作簡單、使用安全是選擇二氧化氯設(shè)備的主要因素，而工藝中所含有的加氯系統(tǒng)無疑會增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，加大設(shè)備投資和管理難度，因此對中、小型水廠并無優(yōu)勢。
但從二氧化氯在水廠尤其是大、中型水廠進(jìn)行推廣使用的前景來看，作者認(rèn)為此工藝具有非常大的優(yōu)勢。
首先，從反應(yīng)式中可以看出，用氯氣取代鹽酸，提高了亞氯酸鈉的有效轉(zhuǎn)化率，降低了運行成本，并且避免了濃鹽酸在儲存、輸送及投加過程中對操作環(huán)境的影響，更容易提高設(shè)備運行的自動化程度。
其次，該工藝可以根據(jù)實際需要單獨投加氯氣，或單獨產(chǎn)生二氧化氯，能最大限度地適應(yīng)水廠源水水質(zhì)的變化要求。對一些水廠，尤其是以地表水為水源的水廠，通常水質(zhì)隨季節(jié)的變化而變化，當(dāng)處于豐水期時水質(zhì)較好，這時采用氯氣消毒即可達(dá)到處理要求；而在枯水期或由于其他原因造成的水質(zhì)變差時，再使用二氧化氯進(jìn)行消毒，或者二氧化氯和氯氣的聯(lián)合使用，可取得最佳的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
第三，隨著我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的逐步健全，二氧化氯在我國大型水廠的應(yīng)用必將得到推廣。但對已建有氯氣消毒的水廠來說，就存在著是設(shè)備改造還是設(shè)備更新的問題。本工藝可以在原有的設(shè)備基礎(chǔ)上，增加一些簡單的設(shè)施就可達(dá)到靈活使用二者的目的，因此具有很大的實用價值。
第四，采用此工藝生成的二氧化氯的pH值接近中性，可以較長時間保存而不發(fā)生歧化反應(yīng)，因此可以通過中間儲存箱實現(xiàn)一臺設(shè)備設(shè)置多個投加點。
目前，我國二氧化氯發(fā)生器在水廠中應(yīng)用的自動化程度還較低，一些中、小型水廠的二氧化氯發(fā)生器的運行還完全采用手動標(biāo)定兩種藥液滴數(shù)來計量，完全無法控制二氧化氯的產(chǎn)量和投加量。二氧化氯發(fā)生器是集物料計量、現(xiàn)場反應(yīng)、定量投加于一體的消毒設(shè)備，其自動化程度直接關(guān)系到二氧化氯的產(chǎn)率以及消毒水中副產(chǎn)物的殘留濃度。筆者認(rèn)為，在我國水廠推廣應(yīng)用二氧化氯時，應(yīng)重視設(shè)備本身自動化的程度，結(jié)合具體水源的特點選用合理的控制方式，才能取得最佳的處理效果和經(jīng)濟(jì)效益。
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