對二氧化氯衰減因素的一點探索

李 瑞,彭建和,豐 順

(1.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院,安徽 合肥 230088;2.水利水資源安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230088;3.安徽省建筑工程監(jiān)督檢測站,安徽 合肥 230088)

0 引言

農村飲水安全工程是改善和提高農民生活質量,促進農村經(jīng)濟與社會發(fā)展的重要民生工程,農村飲用水水質的優(yōu)劣切實關系到農民群眾的身體健康。飲用水消毒是農村飲水安全工程凈化工藝中必不可少的環(huán)節(jié),我省農村飲水集中式供水工程中大部分使用二氧化氯消毒,飲用水中消毒劑濃度直接影響了水質達標與否,研究飲用水中消毒劑濃度的衰減,可指導農村飲水安全工程消毒工藝運行,進而提高飲用水的合格率。

二氧化氯不穩(wěn)定,溶于水時形成以二氧化氯為主,同時含有氯離子、氯酸根離子、亞氯酸根離子的溶液。二氧化氯的衰減主要由自身衰減、管壁影響衰減和傳輸過程中衰減三個部分,本實驗在靜水試驗裝置中完成,裝置長度較短,傳輸過程中衰減不予以考慮。本次研究主要從環(huán)境因素和管材材質兩個方面出發(fā)開展消毒劑衰減因素識別,環(huán)境因素包括光照強度、pH 值、溫度、消毒劑初始濃度;管材材質包括鑄鐵管、鋼管、PVC管三種不同材質。

1 二氧化氯衰減環(huán)境因素識別

1.1 光照對二氧化氯衰減的影響分析

本次實驗配置濃度為10.15 mg/L的二氧化氯溶液,分別敞口放置在陽光直射的室外、無遮光措施的室內和完全遮光的室內,用照度計測定光照度,每隔一段時間取樣測定下水中二氧化氯的濃度,實驗結果見圖1～圖3。

圖1 陽光直射的室外二氧化氯濃度衰減 圖2 無遮光措施的室內二氧化氯濃度衰減

三種不同光照強度下,二氧化氯隨著時間推移都出現(xiàn)了明顯的衰減。在初始濃度均為10.15 mg/L,放置時間為20 min,陽光直射的室外二氧化氯衰減率為89.2%;無遮光措施的室內二氧化氯衰減率為11.1%;完全遮光的室內二氧化氯衰減率為5.8%。從圖中二氧化氯濃度衰減曲線趨勢可以判斷殘余率與放置時間大致呈冪指數(shù)關系。濃度較高時衰減速率較快,隨著濃度降低,衰減速率也逐漸降低。光照強度越大,二氧化氯溶液衰減越快。

圖3 完全遮光的室內二氧化氯濃度衰減

1.2 pH對二氧化氯衰減的影響分析

本次實驗配置1.54 mg/L二氧化氯溶液,采用 0.1 mol/L鹽酸和0.1 mol /L 氫氧化鈉分別將溶液pH調至5.01,7.03,9.04,每隔一段時間取樣檢測水中二氧化氯的濃度,實驗結果見圖4。

圖4 不同pH條件下二氧化氯濃度衰減 圖5 不同溫度條件下二氧化氯濃度衰減

三種不同pH條件下,二氧化氯隨著時間推移出現(xiàn)了明顯的衰減現(xiàn)象。pH=5.01的條件下,二氧化氯衰減較慢,因為在酸性條件下,二氧化氯自身分解反應受到抑制,降低了衰減速率。pH=7.03的條件下,隨著二氧化氯衰減,溶液中氯酸根和亞氯酸根濃度不斷升高,降低了溶液pH,衰減速率隨著時間推移不斷減緩。pH=9.04的條件下,堿性環(huán)境下會促進二氧化氯發(fā)生歧化反應,生成氯酸鹽和氯離子,pH值越高,反應越快。由結果可以得出,pH值增大,二氧化氯衰減速率增大。由此,我們應該在實際工作中考慮到二氧化氯作為預氧化劑投加處理原水時,絮凝步驟使用的助凝劑如石灰、有機絮凝劑需要注意投加量,避免影響二氧化氯預處理的效果。

1.3 溫度對二氧化氯衰減的影響分析

配置1.96 mg/L二氧化氯溶液,分別放置于10℃、20℃和30℃環(huán)境中,每隔一段時間取樣檢測水中二氧化氯的濃度,實驗結果見圖5。

三種不同溫度條件下,二氧化氯隨著時間推移出現(xiàn)了明顯的衰減現(xiàn)象。二氧化氯的衰減速率受溫度的影響,隨著溫度升高,衰減速率逐漸增大。因為在高溫條件下,二氧化氯會發(fā)生歧化反應,生成大量的氯酸根和亞氯酸根,從而加劇了二氧化氯的濃度衰減。

在水廠運行過程中,6-9月份溫度較高的季節(jié)微生物生長繁殖較快,二氧化氯需要增加相應的投加量,以保證消毒和滅菌效果,但是這也可能會導致消毒劑副產物濃度上升,需要進一步開展相應的研究。

1.4 初始二氧化氯濃度對其衰減的影響分析

分別配置1.57 mg/L、2.11 mg/L和3.36 mg/L的二氧化氯溶液,分別在5 min、10 min、30 min、60 min、120 min、180 min和240 min時測定二氧化氯剩余濃度,實驗結果見圖6。

圖6 不同初始濃度條件下二氧化氯濃度衰減 圖7 不同管材材質中二氧化氯濃度衰減

三種不同初始濃度下,二氧化氯都有明顯的衰減現(xiàn)象。前60 min內二氧化氯基本呈指數(shù)衰減,衰減較快,至60 min時基本衰減到初始濃度的50%左右,隨著時間推移,衰減速率逐漸降低。二氧化氯自身分解、歧化主要發(fā)生在與水接觸的初期,在初始濃度較大時易生成不同的化合物,而后反應速度減緩。

2 二氧化氯衰減管材材質因素識別

配置0.84 mg/L二氧化氯溶液,相同條件下分別放置于鑄鐵管、鋼管、PVC管制作的靜水裝置中,每隔一段時間取樣,檢測水中二氧化氯的濃度,實驗結果見圖7。

鑄鐵管、鋼管、PVC管三種不同管材中的二氧化氯隨著時間推移,均出現(xiàn)了明顯的衰減現(xiàn)象。在前30 min內,鑄鐵管中的二氧化氯衰減最快,衰減率為67.8%;不銹鋼管衰減率為49.6%;PVC管中二氧化氯衰減率為30.1%。PVC材質無導電性,性質比較穩(wěn)定,無法形成腐蝕型微電池體系,避免了電化學形式的腐蝕;不銹鋼材質在加工過程中形成的鈍化層在使用過程中容易被破壞,形成小孔、凹坑或點蝕,造成沉積物附著;鑄鐵材質管壁更容易發(fā)生腐蝕引起管壁處衛(wèi)生狀態(tài)惡化,加速消毒劑在管壁處消耗。在管網(wǎng)實際運行中,使用鑄鐵和不銹鋼材質管道,容易在長期使用后出現(xiàn)銹蝕、管垢沉積和生物膜沉積,因此優(yōu)先使用二氧化氯衰減速率更低的PVC管。

3 SPSS軟件分析關鍵因素

以二氧化氯衰減濃度為主要變量,通過SPSS分析其與二氧化氯初始濃度、光照強度、pH、溫度和不同管材間的相關關系,篩選出二氧化氯衰減最相關的因素。

通過SPSS軟件對影響因素進行篩選計算,二氧化氯衰減與管材材質呈極顯著相關,其中鑄鐵管相關系數(shù)最大(0.987),PVC管相關系數(shù)最小(0.941)。與光照強度、pH、溫度和二氧化氯初始濃度呈顯著相關(圖8)。

本研究以農村飲水工程中消毒劑二氧化氯為主要研究對象,在不同的管材材質、光照溫度、pH值和初始濃度等影響因子條件下,開展大量正交試驗,擬合二氧化氯衰減的動力學模型,采用SPSS軟件和多元統(tǒng)計分析法對數(shù)據(jù)進行聚類分析、因子分析及多元逐步回歸分析,將多個變量通過降維轉化為個別綜合變量,識別出管材材質是影響二氧化氯衰減的最重要指標,鑄鐵材質中的二氧化氯衰減最快,不銹鋼材質其次,PVC中的二氧化氯衰減最慢;其次分別是光照強度、pH、溫度和二氧化氯初始濃度。光照強度越大,二氧化氯溶液衰減越快,二氧化氯殘余率與放置時間大致呈冪指數(shù)關系。pH值越大,二氧化氯衰減速率越快。二氧化氯的衰減速率受溫度的影響,隨著溫度升高,衰減速率逐漸增大。水中二氧化氯的初始濃度越大,衰減速率越慢。

圖8 SPSS軟件分析結果

4 結語

從近幾年開展的安徽省農村飲水工程水質抽檢工作結果來看,大部分農飲水廠仍處于粗放式管理階段,農村飲水仍然存在大量消毒劑余量不合格的情況。因此根據(jù)以上研究結果,本文擬對二氧化氯消毒劑在水廠消毒運行中提出以下建議:二氧化氯作為預氧化劑投加在陽光直射的自然環(huán)境下投加時,需要在理論投加量基礎上增加約90%;在有遮陽設施的自然環(huán)境下投加時,需要在理論投加量基礎上增加約10%;在夜間無照明措施投加時,需要額外增加約5%的理論投加量?？紤]到增加投加量會加大消毒劑副產物超標的風險,建議在避光條件下投加二氧化氯。二氧化氯作為預氧化劑投加處理原水時,絮凝步驟使用的助凝劑如石灰、有機絮凝劑需要注意投加量,避免影響二氧化氯預處理的效果。在水廠運行過程中,6-9月份溫度較高的季節(jié)微生物生長繁殖較快,二氧化氯需要增加相應的投加量,以保證消毒和滅菌效果。管網(wǎng)實際運行中,使用鑄鐵和不銹鋼材質管道,容易在長期使用后出現(xiàn)銹蝕、管垢沉積和生物膜沉積,優(yōu)先選用二氧化氯衰減速率更低的PVC管。建議消毒劑采用次氯酸鈉和二氧化氯聯(lián)合使用,可以降低消毒劑的衰減速率,提高消毒劑在管網(wǎng)中的滅菌時間和消毒劑濃度,同時還可以降低水中消毒副產物三鹵甲烷等有害物質的含量。