二氧化氯在自來(lái)水消毒中的應(yīng)用

楊海珊

摘 要：主要針對(duì)二氧化氯在自來(lái)水消毒中的應(yīng)用展開了探討，對(duì)二氧化氯的特性、消毒原理和優(yōu)點(diǎn)作了說(shuō)明，詳細(xì)闡述了二氧化氯的制備方法，并分析了二氧化氯在水廠應(yīng)用中自動(dòng)化控制的問(wèn)題，以期能為有關(guān)方面提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：二氧化氯；自來(lái)水消毒；氯酸鈉法；亞氯酸鈉法

中圖分類號(hào)：TU991.25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.096

二氧化氯消毒在凈化自來(lái)水中已得到了廣泛的使用，但在使用過(guò)程中卻存在著一定的問(wèn)題，影響著二氧化氯的實(shí)際應(yīng)用。因此，我們需要認(rèn)真了解二氧化氯的全方位特點(diǎn)，采取有效的措施做好自來(lái)水的消毒工作?；诖?，本文就二氧化氯在自來(lái)水消毒中的應(yīng)用進(jìn)行探討，相信對(duì)有關(guān)方面有一定的幫助。

1 二氧化氯的特性、消毒原理和優(yōu)點(diǎn)

1.1 二氧化氯的特性

在常溫常壓下，二氧化氯是一種帶有辛辣氣味的黃綠色刺激性氣體，易溶于水，易揮發(fā)。ClO2是很強(qiáng)的氧化劑，其氧化能力約為氯的2.5倍，漂白能力約為氯的2.63倍，與水中雜質(zhì)的反應(yīng)速度也比氯快。

1.2 二氧化氯的消毒原理

二氧化氯與水中的有機(jī)物主要發(fā)生氧化還原反應(yīng)，其產(chǎn)物主要有酸、醇、環(huán)氧化物等無(wú)毒的以含羧基為主的產(chǎn)物。研究認(rèn)為，投加二氧化氯后能減少三鹵甲烷的生成。由于二氧化氯的擴(kuò)散速度比氯快，滲透能力比氯強(qiáng)，對(duì)細(xì)菌的細(xì)胞壁有較強(qiáng)的吸附和穿透能力，因此能滲透到細(xì)胞內(nèi)部，有效地氧化細(xì)菌內(nèi)含巰基的酶，使微生物蛋白質(zhì)中的氨基酸和核酸氧化分解，導(dǎo)致氨基酸鏈斷裂，蛋白質(zhì)合成被抑制、破壞并失去功能。在氨基酸中，芳香族和含硫氨基酸最容易被二氧化氯破壞。微生物被殺滅以后，其殘留的細(xì)胞結(jié)構(gòu)也會(huì)被二氧化氯分解。

1.3 二氧化氯消毒的優(yōu)點(diǎn)

運(yùn)用二氧化氯消毒具有以下多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①殺菌能力強(qiáng)，消毒快而耐久；②能有效控制色度和臭味，高效地消滅和控制原生動(dòng)物、藻類、真菌和生物膜；③應(yīng)用pH范圍廣，殺菌性能基本保持不變；④適用的水質(zhì)范圍廣，不與氨發(fā)生反應(yīng)；⑤氧化有機(jī)物能力強(qiáng)，能有效去除水中的酚類及亞硝酸等有害物質(zhì)；⑥消毒副產(chǎn)物少。

2 二氧化氯的制備

ClO2的制備方法可以分為化學(xué)法、電解法和穩(wěn)定性二氧化氯活化法3大類。目前，自來(lái)水凈化中均采用化學(xué)反應(yīng)的原理制備。根據(jù)采用的原料不同，國(guó)內(nèi)主要有氯酸鈉法和亞氯酸鈉法2種。

2.1 氯酸鈉法

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.

由上式可以看出，在二氧化氯產(chǎn)生的同時(shí)還有約占二氧化氯產(chǎn)量一半的氯氣產(chǎn)生。本工藝中，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，必須保持一定的反應(yīng)溫度（約70 ℃）和加大鹽酸的富余量。由于副反應(yīng)的存在，Cl2的產(chǎn)率提高，使反應(yīng)物中Cl2的含量增大，甚至超過(guò)ClO2的含量，產(chǎn)出物變成以Cl2為主。這個(gè)矛盾在穩(wěn)定態(tài)二氧化氯的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)中，可以通過(guò)多級(jí)加溫、空氣逆向逐級(jí)吹脫的方式來(lái)富集二氧化氯，但在水廠應(yīng)用的小型二氧化氯設(shè)備上，則很難解決。

2.2 亞氯酸鈉法

亞氯酸鈉工藝主要有2種，即亞氯酸鈉加氯氣工藝和亞氯酸鈉加鹽酸工藝。

2.2.1 亞氯酸鈉加氯氣工藝

該工藝合成反應(yīng)有2個(gè)階段，分別為氯氣溶于水生成次氯酸，次氯酸與亞氯酸鈉反應(yīng)生成二氧化氯。反應(yīng)式如下：

2NaClO2+Cl2=2ClO2+2NaCl.

2.2.2 亞氯酸鈉加鹽酸工藝

本單位采用化學(xué)氧化法，以亞氯酸鈉加鹽酸為原料制取。制取方法：首先在2個(gè)溶液槽中分別配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽酸和亞氯酸鈉溶液，亞氯酸鈉溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%，鹽酸與水混合后的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%.配制溶液時(shí)，需佩戴防毒面具和橡膠手套，避免2種藥劑相互接觸，將配制好的2種藥劑分別經(jīng)過(guò)連接管線加入各自的貯藥罐，經(jīng)相應(yīng)的進(jìn)口計(jì)量泵準(zhǔn)確計(jì)量后打入ClO2發(fā)生器。約反應(yīng)20 min后，便形成ClO2溶液，由出口管道投加到工藝消毒點(diǎn)。與水接觸的時(shí)間為15～30 min，出廠水中游離的余氯不少于0.1 mg/L。夏季應(yīng)增加投加量，使出廠水中游離的余氯到達(dá)0.3 mg/L。管網(wǎng)末梢水中的余量不少0.02 mg/L。此外，還應(yīng)根據(jù)凈化構(gòu)筑物凈化水的數(shù)量，四季各不相同進(jìn)行投加。經(jīng)消毒，最終達(dá)到《生活自來(lái)水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）。

2.2.3 亞氯酸鈉加鹽酸制取

亞氯酸鈉加鹽酸制取，反應(yīng)式如下：

5NaClO2+4HCl=4ClO2+5NaCl+2H2O.

亞氯酸鈉既是氧化劑又是還原劑，鹽酸是酸化劑，因此，理論上有20%的亞氯酸被還原成氯化鈉（NaCl）。如果以亞氯酸鈉轉(zhuǎn)化為二氧化氯為有效轉(zhuǎn)化來(lái)計(jì)，其最高有效轉(zhuǎn)化率只有80%.但從產(chǎn)物中二氧化氯的實(shí)際產(chǎn)率來(lái)看，通常可以達(dá)到95%以上。

該工藝具有工藝簡(jiǎn)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等優(yōu)點(diǎn)，并且ClO2余量能在管網(wǎng)中保持很長(zhǎng)時(shí)間，消毒效果受水的pH值影響極小，還能有效地去除或降低水的色、嗅及鐵、錳等物質(zhì)。不過(guò)，作為消毒劑，一般ClO2投量約在1.0～2.0 mg/L范圍內(nèi)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生副作用，但作為氧化劑，ClO2投加量變化較大，應(yīng)注意水中剩余ClO2和ClO2-的副作用。

3 有害副產(chǎn)物的生成抑制和消除

二氧化氯凈化自來(lái)水時(shí)，產(chǎn)生的有機(jī)副產(chǎn)物很少，主要集中在對(duì)無(wú)機(jī)副產(chǎn)物的抑制和消除上。雖然二氧化氯的制備方法有很多，但都不能產(chǎn)生100%純的二氧化氯，都不可避免地會(huì)產(chǎn)生亞氯酸鹽和氯酸鹽等副產(chǎn)物。而且二氧化氯凈化水的過(guò)程中，也會(huì)有50%～70%轉(zhuǎn)化為亞氯酸鹽。亞氯酸鹽和氯酸鹽對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生不利影響。二氧化氯的制備方法、發(fā)生裝置都在不斷改進(jìn)，二氧化氯的純度也越來(lái)越高。這樣既提高了二氧化氯的殺菌率和三氯甲烷類化合物的去除率，又降低了亞氯酸鹽及氯酸鹽的生成量，從而減少了有害副產(chǎn)物的量。

為了最大限度地減少副產(chǎn)物量，應(yīng)該做好以下幾方面工作：①采用先進(jìn)的二氧化氯發(fā)生方法和設(shè)計(jì)優(yōu)良的發(fā)生器，盡量減少發(fā)生器產(chǎn)物中的副產(chǎn)物產(chǎn)量，控制發(fā)生原料的流失。如果采用亞氯酸鈉與氯反應(yīng)發(fā)生法，一般應(yīng)采用較高濃度的原料進(jìn)行反應(yīng)，并控制投加氯氣的量，氯氣控制發(fā)生原料的流失。如果采用亞氯酸鈉與氯反應(yīng)發(fā)生法，一般應(yīng)采用較高濃度的原料進(jìn)行反應(yīng)，并控制投加氯氣的量。氯氣稍過(guò)量投加，以便亞氯酸鈉反應(yīng)完全，同時(shí)又不至于影響產(chǎn)物二氧化氯的純度；氯氣的量如果控制不好，就容易引發(fā)副反應(yīng)而生成氯酸根離子。如果采用氯酸鈉法，同樣要設(shè)法提高反應(yīng)原料的轉(zhuǎn)化率，探求反應(yīng)的最佳濃度、酸度、溫度、壓力，設(shè)法使反應(yīng)殘液經(jīng)分離后，未反應(yīng)的氯酸根能循環(huán)使用而不是直接進(jìn)入水體，以減少水體中氯酸根離子的含量。②要做好水源保護(hù)工作，提高二氧化氯應(yīng)用工序之前處理工藝的效率，最大限度地降低水體與二氧化氯發(fā)生反應(yīng)物質(zhì)的濃度，從而減少二氧化氯的投加量以及有機(jī)和無(wú)機(jī)副產(chǎn)物的生成量。③在二氧化氯應(yīng)用工藝階段，注意適量投加二氧化氯，在滿足氧化和消毒要求的情況下，盡量減少二氧化氯的殘余量，并且不要使二氧化氯暴露在陽(yáng)光下而光解，同時(shí)注意水體的pH等條件，充分發(fā)揮二氧化氯的氧化能力。④當(dāng)水體中產(chǎn)生的副產(chǎn)物濃度依然較高時(shí)，必須采用一定的處理工藝將之去除。對(duì)于亞氯酸鹽，由于其具有氧化性，在一定條件下它們很容易氧化還原性物質(zhì)而自身被還原為氯離子，因而易于消除。而對(duì)于氯酸鹽，目前則缺乏有效的去除方法。不過(guò)，一般氯酸鹽的產(chǎn)生量遠(yuǎn)小于亞氯酸鹽，其毒性也遠(yuǎn)比亞氯酸鹽弱。氯酸鹽的控制主要采用的是發(fā)生器控制技術(shù)。對(duì)于亞氯酸鹽發(fā)生法，將氯和濃亞氯酸鈉在真空條件下反應(yīng)，其二氧化氯產(chǎn)率可以超過(guò)95%，氯酸鹽的形成很少；對(duì)于氯酸鹽發(fā)生法，主要控制反應(yīng)的pH為酸性，所產(chǎn)生的二氧化氯中也很少有氯酸鹽。另外，注意使用時(shí)不要暴露在日光下。

4 二氧化氯—氯混合消毒

研究證明，二氧化氯—氯混合消毒劑可大大降低副產(chǎn)物ClO2-的生成量，生成的ClO2-為ClO2投量的40%左右。采用2種消毒劑聯(lián)合投加會(huì)取得最佳的處理效果。常見(jiàn)的組合消毒工藝如下圖所示。

圖1所示的工藝流程對(duì)某些污染較重的水源具有較大的推廣價(jià)值。該工藝具有以下2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①二氧化氯在混凝前與混凝劑同時(shí)投加，不僅可以通過(guò)氧化作用去除水中產(chǎn)生的三鹵甲烷前體物，還可以改善膠體顆粒的帶電性能，從而起到助凝作用，并使沉淀、過(guò)濾的處理效率得到提高。預(yù)氧化投加二氧化氯的量一般控制在氯氣預(yù)氧化劑量的30%～50%.②濾后投加氯氣作為消毒劑，用來(lái)控制水中的細(xì)菌學(xué)指標(biāo)。氯氣的投加量可以適當(dāng)減少。這樣，不僅可以最大限度地減少水中三鹵甲烷的形成量，還可以保證水中余氯持續(xù)的殺菌活力，操作檢測(cè)簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，二氧化氯在自來(lái)水消毒中有著廣泛的應(yīng)用，但是其容易與水中的一些有機(jī)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生對(duì)人體有害的三氯甲烷及氯苯等有機(jī)氯化物。因此，為了能有效地對(duì)自來(lái)水進(jìn)行消毒，就需要更進(jìn)一步采取有效措施做好相應(yīng)的工作。

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〔編輯：劉曉芳〕