二氧化氯應(yīng)用于水廠消毒的探討

更新時(shí)間：2007-12-03 13:08 來源：作者: 閱讀：1419

氯消毒一直是給水處理工藝中必不可少的一個(gè)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(duì)氯消毒的安全性產(chǎn)生了懷疑。歐、美等國從20世紀(jì)70年代開始對(duì)替代氯消毒的其他消毒劑進(jìn)行了深入研究,認(rèn)為二氧化氯是其中性價(jià)比最優(yōu)的一種。

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。

1　二氧化氯與氯氣的合理選擇

1.1　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。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(diǎn)。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。

1.2　二氧化氯的最佳使用條件

任何一種消毒劑都有其最佳的使用條件。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(shí)踐,筆者認(rèn)為二氧化氯應(yīng)主要應(yīng)用于以下4種情況:

①　受有機(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)。例如我國北方某城市,以黃河水為水源,在冬季枯水期用氯消毒時(shí),水廠出水中常含有一種較強(qiáng)的氯酚氣味,并且水的口感變差;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。上海自來水公司在對(duì)黃浦江和長江水源的工藝研究中也得出二氧化氯與有機(jī)物不生成鹵代烴,與氯消毒相比,水中氯仿含量可降低45%～62%,可以大大消除三氯甲烷等副產(chǎn)物的產(chǎn)生量。

②　藻類、真菌造成的含色、嗅、味的水源對(duì)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(huì)引起水質(zhì)色度增高并含有異味。對(duì)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。據(jù)資料報(bào)道,比利時(shí)Yyvoir水廠和Taifer水廠采用二氧化氯來控制水中由于放線菌大量滋生而產(chǎn)生霉味(mustyodor)和泥炭味(peaty),具有明顯的效果。山東濱州某縣級(jí)水廠的水源為水庫蓄積的黃河水,在夏季常產(chǎn)生大量的藻類,使水體顏色呈棕色,并有一種刺激性氣味,細(xì)菌指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)。采用二氧化氯消毒后,出水水質(zhì)無嗅、無味,各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

③　pH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(huì)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(gè)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。

④　較高鐵、錳含量的地下水源實(shí)驗(yàn)證實(shí),二氧化氯對(duì)水中鐵、錳的去除效果要好于氯氣,尤其是對(duì)水中錳的去除效果更佳。但在水廠中單獨(dú)使用二氧化氯進(jìn)行鐵、錳的去除還未見報(bào)道。

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(duì)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)合工藝據(jù)報(bào)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。則更具有推廣價(jià)值。

2　二氧化氯的制取工藝

二氧化氯性質(zhì)活潑,不易貯存和運(yùn)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。

2.1　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:　

NaClO₃+2HCl=ClO₂+1/2Cl₂+NaCl+H₂O

該工藝最大的缺點(diǎn)是在二氧化氯產(chǎn)生的同時(shí)還有約占二氧化氯產(chǎn)量一半的氯氣發(fā)生。實(shí)驗(yàn)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(shí)又會(huì)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(shí)際運(yùn)行中通常不足50%,這使得在投加量較高時(shí),大量未反應(yīng)的氯酸鈉進(jìn)入水中,水中剩余的ClO^-3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(bào)道。

2.2　亞氯酸鈉工藝

氯酸鈉工藝主要有以下兩種:

①　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(diǎn)。國外的小型二氧化氯發(fā)生器常采用此反應(yīng)原理,如德國的Prominent、美國的F&P公司都有相應(yīng)的產(chǎn)品,我國采用亞氯酸鈉產(chǎn)生二氧化氯的發(fā)生器也都以此工藝為基礎(chǔ)。從水廠的應(yīng)用實(shí)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(gè)5×104t的水廠為例,當(dāng)二氧化氯的投加量為1mg/L時(shí),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(chǔ)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。

②　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(bào)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(jí)左右的小水廠,二氧化氯的需要量一般在300～1000g/h上下。對(duì)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(huì)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(duì)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(yùn)行成本,并且避免了濃鹽酸在儲(chǔ)存、輸送及投加過程中對(duì)操作環(huán)境的影響,更容易提高設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化程度。

其次,該工藝可以根據(jù)實(shí)際需要單獨(dú)投加氯氣,或單獨(dú)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(duì)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(shí)水質(zhì)較好,這時(shí)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(shí),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(duì)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(shí)用價(jià)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(shí)間保存而不發(fā)生歧化反應(yīng),因此可以通過中間儲(chǔ)存箱實(shí)現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備設(shè)置多個(gè)投加點(diǎn)。

3　自動(dòng)化控制問題

二氧化氯是通過兩種藥劑的現(xiàn)場反應(yīng)來制取,要想準(zhǔn)確投加,必須對(duì)兩種藥劑進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量和配比才能實(shí)現(xiàn)。否則,會(huì)因?yàn)榕浔炔划?dāng)而引起二氧化氯產(chǎn)率降低,副產(chǎn)物比率增加,降低消毒效果。嚴(yán)重時(shí),會(huì)出現(xiàn)單藥劑投加而完全失去消毒效果并污染水質(zhì)。

從國外的應(yīng)用來看,二氧化氯發(fā)生器的運(yùn)行都采用自動(dòng)化控制,通常包括工藝自動(dòng)化和設(shè)備運(yùn)行自動(dòng)化。其中工藝自動(dòng)化是指通過外部信號(hào)(如處理水流量、剩余二氧化氯濃度等)對(duì)投藥量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),以求達(dá)到最適宜的投加量。而設(shè)備運(yùn)行自動(dòng)化是指關(guān)于設(shè)備本身正常運(yùn)行的自動(dòng)化控制,比如兩種藥劑的自動(dòng)配比、故障自動(dòng)報(bào)警及事故自動(dòng)處理等。

目前,我國二氧化氯發(fā)生器在水廠中應(yīng)用的自動(dòng)化程度還較低,一些中、小型水廠的二氧化氯發(fā)生器的運(yùn)行還完全采用手動(dòng)標(biāo)定兩種藥液滴數(shù)來計(jì)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(jì)量、現(xiàn)場反應(yīng)、定量投加于一體的消毒設(shè)備,其自動(dòng)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(shí),應(yīng)重視設(shè)備本身自動(dòng)化的程度,結(jié)合具體水源的特點(diǎn)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。