二氧化氯在給水處理中的應(yīng)用
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，一方面，人們對(duì)水質(zhì)的要求越來(lái)越高，另一方面，發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，造成的環(huán)境污染問(wèn)題也日趨嚴(yán)重。特別是我國(guó)的水環(huán)境狀況仍在惡化，中國(guó)的主要河流有機(jī)污染普遍，主要湖泊富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重（1999年環(huán)境狀況公報(bào)）。而我國(guó)目前絕大多數(shù)水廠還是沿用傳統(tǒng)的混合、絮凝、沉淀、過(guò)濾、氯消毒水處理工藝，氯消毒對(duì)去除水中的有機(jī)物效果不理想，還會(huì)生成20多種副產(chǎn)物，包括三鹵甲烷THMs等致癌物質(zhì)。有一些凈水廠為此增加了深度處理構(gòu)筑物（活性炭吸附技術(shù)）或預(yù)處理構(gòu)筑物（生物預(yù)處理）等，但大都有投資高，占地大的缺點(diǎn)。隨著歐美國(guó)家在水廠和其他行業(yè)廣泛使用二氧化氯和國(guó)內(nèi)對(duì)其在消毒方面的認(rèn)識(shí)和研究的加深，二氧化氯正逐步成為氯消毒的替代物。
一、 二氧化氯的物理性質(zhì)
二氧化氯（ClO2）氣體是具有和氯相似的刺激性氣體，易溶于水，它的溶解度是氯氣的5倍。二氧化氯水溶液的顏色隨濃度的增加由黃綠色轉(zhuǎn)成橙色。它在水中是純粹的溶解狀態(tài)，不與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以它的消毒作用受水的pH值影響極小。二氧化氯易揮發(fā)，其液態(tài)和氣態(tài)極不穩(wěn)定，溫度升高、曝光或與有機(jī)質(zhì)接觸均會(huì)發(fā)生爆炸，故通，F(xiàn)場(chǎng)制備，即時(shí)使用，存放于陰涼避光處。二氧化氯溶液濃度在10g/L以下時(shí)，基本沒(méi)有爆炸危險(xiǎn)。一般水廠所用二氧化氯很少超過(guò)4g/L，加注量基本為0.1～5mg/L。
二、 二氧化氯的消毒機(jī)理
1、二氧化氯與無(wú)機(jī)物的反應(yīng)：
二氧化氯可將水中溶解的還原態(tài)鐵、錳氧化，對(duì)去除鐵、錳很有效。反應(yīng)式如下：
2ClO2+5Mn2++6H2O→5MnO2+2Cl-+12H+ （1）
ClO2+5Fe(HCO3)2+3H2O→5Fe(OH)3+10CO2 + Cl-+H+ （2）
2、 二氧化氯與有機(jī)物的反應(yīng)：
二氧化氯與有機(jī)物的反應(yīng)較復(fù)雜，主要發(fā)生氧化反應(yīng)，其產(chǎn)物主要有酸、醇、環(huán)氧化物等。二氧化氯與酚反應(yīng)不會(huì)生成有異味的氯酚。二氧化氯與腐植酸反應(yīng)，不會(huì)生成三鹵甲烷THMs等有機(jī)鹵代物。
3、據(jù)有關(guān)專家研究，二氧化氯對(duì)細(xì)菌的細(xì)胞壁有較強(qiáng)的吸附和穿透能力，從而有效破壞細(xì)菌內(nèi)含巰基的酶，可快速控制微生物蛋白質(zhì)的合成，故二氧化氯對(duì)細(xì)菌、病毒等有很強(qiáng)的滅活能力。二氧化氯不與氨反應(yīng)，故氨氮含量高的水采用二氧化氯消毒仍可保持其全部殺菌能力。這些細(xì)菌除一般細(xì)菌外，還有包括大腸桿菌、異細(xì)菌、鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌、脊髓灰質(zhì)炎菌病毒、肝炎病毒、蘭伯氏賈第蟲胞囊、尖刺賈第蟲胞囊等。
4、二氧化氯與常用消毒劑的比較
飲用水消毒劑作為水質(zhì)控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其效果令人關(guān)注，尋找一種廣譜殺菌能力、消毒性能持久、副產(chǎn)物特別是有毒副產(chǎn)物較少、使用安全、方便的消毒劑是有關(guān)研究人員的共同目標(biāo)。目前，常用飲用水消毒劑有三種：氯、臭氧、二氧化氯。下面對(duì)它們的性能及副產(chǎn)物作一大致的比較：
Cl2
使用方便，易于存貯，運(yùn)輸方便，綜合成本低，操作管理簡(jiǎn)單，水中溶解度高
受pH值及氨的影響大，殺菌速度一般
O3
強(qiáng)氧化劑，殺菌能力強(qiáng)、速度快，pH值及氨的影響小
水中易分解，不能保持殺菌消毒的持久性；成本高，電耗大，設(shè)備操作運(yùn)行復(fù)雜
羰基化合物（其中有毒醛類物質(zhì)有甲醛、乙醛、乙二醛、甲基乙二醛）、含氧酸類、羰酸類；有溴離子存在時(shí)，會(huì)生成溴酸鹽、溴仿等可疑致癌物
ClO2
強(qiáng)氧化劑，殺菌能力強(qiáng)、消毒性久，pH值及氨的影響小，資金投入不高
不易貯存、運(yùn)輸
元毒的含氧基（-COOH）產(chǎn)物、醌支鏈酸，不會(huì)生成THMs
從上表可以看出，二氧化氯的優(yōu)勢(shì)明顯（特別適合于受有機(jī)物污染的水源），不但氧化能力、殺菌能力強(qiáng)，受pH值和氨的影響小，而且不會(huì)生成致癌物和可疑致癌物，飲用水中投加少量二氧化氯還能有效抑制THMs的生成。
三、 二氧化氯制取方法
目前常用化學(xué)方法制取ClO2 。
1、亞氯酸鹽法：
一般用氯（Cl2）或鹽酸（HCl）與亞氯酸鈉（NaClO2）制取，反應(yīng)式如下：
Cl2+2NaClO2→2ClO2+2NaCl （3）
5NaClO2+4HCl→4ClO2+5NaCl+2H2O （4）
<1>、依據(jù)（3）式制取ClO2時(shí)，理論上1mol氯和2mol亞氯酸鈉反應(yīng)可生成2mol二氧化氯。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了加快反應(yīng)速度，氯投加量往往超過(guò)化學(xué)計(jì)量的理論值，這樣，產(chǎn)品中就會(huì)含有部分自由氯Cl2 。作為污染水的消毒劑，多余的自由氯存在就有可能產(chǎn)生THMs 。若自由氯過(guò)多，ClO2還可能被氧化成ClO-3而降低殺菌能力。另外，該法的氯氣還需用加氯機(jī)投加，運(yùn)行復(fù)雜，占地面積大。
<2>、依據(jù)（4）式制取ClO2時(shí)，要注意兩種反應(yīng)物（NaClO2和HCl）的濃度控制，濃度過(guò)高，化合時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸。這種制取方法不存在自由氯，不會(huì)產(chǎn)生THMs 。有些廠家已利用此法研制開(kāi)發(fā)出了高純二氧化氯發(fā)生器。
2、氯酸鈉-甲醇法（R8法）：
在酸性條件下用甲醇還原氯酸鈉產(chǎn)生二氧化氯，氣體經(jīng)冷卻后以水吸收制得二氧化氯溶液。反應(yīng)式如下：
30NaClO3+20H2SO4+7CH3OH→30ClO2+23H2O +10Na3H(SO4)2+6HCOOH+CO2 （5）
用該法制取二氧化氯時(shí)，關(guān)鍵是甲醇要較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)滴加，并使二氧化氯溶液在吸收塔中不斷循環(huán)吸收，從而提高二氧化氯轉(zhuǎn)化率。目前，國(guó)內(nèi)已有一些廠家利用此法制取二氧化氯。
四、二氧化氯在給水處理中的應(yīng)用情況
自從1944年，美國(guó)NIAGARA FALLS水廠為控制水中由于藻類繁殖與酚污染所產(chǎn)生的氣味，率先使用二氧化氯獲得成功后，歐美國(guó)家數(shù)百家水廠都相繼開(kāi)始用二氧化氯作為消毒劑，進(jìn)行消毒、除臭、除味、除鐵、錳、控制鹵代烴的形成。包括德國(guó)斯圖加特來(lái)格朗水廠、科隆WAHNBACH水廠、意大利佛羅倫薩ANCONEIIA水廠、法國(guó)巴黎ORLY水廠等等，運(yùn)行效果良好。國(guó)內(nèi)上海、深圳、重慶等許多城市的一些水廠也在近幾年開(kāi)始試行以二氧化氯或二氧化氯-液氯組合消毒，其中蕪湖市供水總公司在這方面取得了顯著的效果，他們以ClO2-Cl2組合投加法（2% ClO2 2.5～3.0g/m3，Cl2 1.0～1.5g/m3），既解決了由于氯消毒而產(chǎn)生的氯酚臭味問(wèn)題，又使各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)合格率達(dá)100%。今年，廈門水司也計(jì)劃在上里水廠進(jìn)行二氧化氯消毒的試點(diǎn)，以解決源水中大量的藻類和有機(jī)物與氯反應(yīng)所產(chǎn)生的氯仿嚴(yán)重超標(biāo)問(wèn)題，待取得成功經(jīng)驗(yàn)后，再在其它水廠推廣。
五、 上里水廠二氧化氯消毒工程方案
上里水庫(kù)庫(kù)容100萬(wàn)m3，上里水廠日供水量5000m3/d。由于該水庫(kù)匯水區(qū)域內(nèi)有牲畜養(yǎng)殖廠，其污水直接排放到庫(kù)內(nèi),導(dǎo)致水庫(kù)水氮磷含量高，水體呈富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，且含有較多的有機(jī)物腐殖質(zhì)和藻類。目前，上里水廠的消毒方式仍為氯消毒，加氯量大，達(dá)4.5Kg/dam3，使出水氯仿含量超過(guò)200μg/L，為國(guó)標(biāo)（GB5749-85）的3.4倍，強(qiáng)制性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（CJ94-1999）的6.7倍。為了保證各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)，廈門市自來(lái)水公司對(duì)上里水廠消毒方式的改造提上議事日程，計(jì)劃下半年實(shí)施。具體方案如下：
1. 消毒方式：采用二氧化氯-液氯組合消毒法，氯前投加二氧化氯，以氧化有機(jī)物、腐殖質(zhì)，去除藻類，氯后投加少量液氯，保證氯后水游離性余氯及管網(wǎng)末端的余氯要求。
2. 加注量：上里水廠日供水量5000m3/d，最大時(shí)供水量為208m3/h
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