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二氧化氯在水處理中的應用

來源: 時間:2011-05-18 16:44:22 次數:

      隨著我國經濟的發展,人民生活水平的提高,一方面,人們對水質的要求越來越高,另一方面,發展經濟的同時,造成的環境污染問題也日趨嚴重。特別是我 國的水環境狀況仍在惡化,中國的主要河流有機污染普遍,主要湖泊富營養化嚴重(1999年環境狀況公報)。而我國目前絕大多數水廠還是沿用傳統的混合、絮 凝、沉淀、過濾、氯消毒水處理工藝,氯消毒對去除水中的有機物效果不理想,還會生成20多種副產物,包括三鹵甲烷THMs等致癌物質。有一些凈水廠為此增 加了深度處理構筑物(活性炭吸附技術)或預處理構筑物(生物預處理)等,但大都有投資高,占地大的缺點。隨著歐美在水廠和其他行業廣泛使用二氧化氯和 國內對其在消毒方面的認識和研究的加深,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
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 的溶解度是的5倍。二氧化氯水溶液的顏色隨濃度的增加由黃綠色轉成橙色。它在水中是純粹的溶解狀態,不與水發生化學反應,所以它的消毒作用受水的pH 值影響極小。二氧化氯易揮發,其液態和氣態極不穩定,溫度升高、曝光或與有機質接觸均會發生,故通?,F場制備,即時使用,存放于陰涼避光處。二氧化氯 溶液濃度在10g/L以下時,基本沒有危險。一般水廠所用二氧化氯很少超過4g/L,加注量基本為0.1~5mg/L。


二、 二氧化氯的消毒機理
1、二氧化氯與無機物的反應:
二氧化氯可將水中溶解的還原態鐵、錳氧化,對去除鐵、錳很有效。反應式如下:
2ClO2+5Mn2++6H2O→5MnO2+2Cl-+12H+ (1)
ClO2+5Fe(HCO3)2+3H2O→5Fe(OH)3+10CO2 + Cl-+H+ (2)
2、 二氧化氯與有機物的反應:
二氧化氯與有機物的反應較復雜,主要發生氧化反應,其產物主要有酸、醇、環氧化物等。二氧化氯與酚反應不會生成有異味的氯酚。二氧化氯與腐植酸反應,不會生成三鹵甲烷THMs等有機鹵代物。
3、 據有關專家研究,二氧化氯對細菌的細胞壁有較強的吸附和穿透能力,從而有效破壞細菌內含巰基的酶,可快速控制微生物蛋白質的合成,故二氧化氯對細菌、病毒 等有很強的滅活能力。二氧化氯不與氨反應,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。這些細菌除一般細菌外,還有包括大腸桿菌、異細菌、 鐵細菌、硫酸鹽還原菌、脊髓灰質炎菌病毒、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 作為水質控制的一個重要環節,其效果令人關注,尋找一種廣譜殺菌能力、消毒性能持久、副產物特別是有毒副產物較少、使用安全、方便的消毒劑是有關研究人員 的共同目標。目前,常用飲用水消毒劑有三種:氯、臭氧、二氧化氯。下面對它們的性能及副產物作一大致的比較:

三種常用飲用水消毒劑的比較

性能
副產物

優點
     缺點
三鹵甲烷(致癌物)、鹵代丙烯腈、鹵代酮、鹵代醋酸、三氯硝基甲烷、氯化氰、甲醛、乙醛

Cl2
使用方便,易于存貯,運輸方便,綜合成本低,操作管理簡單,水中溶解度高
受pH值及氨的影響大,殺菌速度一般

O3
強氧化劑,殺菌能力強、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,設備操作運行復雜
羰基化合物(其中有毒醛類物質有甲醛、乙醛、乙二醛、甲基乙二醛)、含氧酸類、羰酸類;有溴離子存在時,會生成溴酸鹽、溴仿等可疑致癌物

ClO2
強氧化劑,殺菌能力強、消毒性久,pH值及氨的影響小,資金投入不高
不易貯存、運輸
元毒的含氧基(-COOH)產物、醌支鏈酸,不會生成THMs


從上表可以看出,二氧化氯的優勢明顯(特別適合于受有機物污染的水源),不但氧化能力、殺菌能力強,受pH值和氨的影響小,而且不會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,反應式如下:
Cl2+2NaClO2→2ClO2+2NaCl (3)
5NaClO2+4HCl→4ClO2+5NaCl+2H2O (4)
<1>、 依據(3)式制取ClO2時,理論上1mol氯和2mol亞氯酸鈉反應可生成2mol二氧化氯。但實際應用時,為了加快反應速度,氯投加量往往超過化學計 量的理論值,這樣,產品中就會含有部分自由氯Cl2 。作為污染水的消毒劑,多余的自由氯存在就有可能產生THMs 。若自由氯過多,ClO2還可能被氧化成ClO-3而降低殺菌能力。另外,該法的還需用加氯機投加,運行復雜,占地面積大。
<2>、依據(4)式制取ClO2時,要注意兩種反應物(NaClO2和HCl)的濃度控制,濃度過高,化合時會發生。這種制取方法不存在自由氯,不會產生THMs 。有些廠家已利用此法研制開發出了高純二氧化氯發生器。
2、氯酸鈉-甲醇法(R8法):
在酸性條件下用甲醇還原氯酸鈉產生二氧化氯,氣體經冷卻后以水吸收制得二氧化氯溶液。反應式如下:
30NaClO3+20H2SO4+7CH3OH→30ClO2+23H2O +10Na3H(SO4)2+6HCOOH+CO2 (5)
用該法制取二氧化氯時,關鍵是甲醇要較長時間的連續滴加,并使二氧化氯溶液在吸收塔中不斷循環吸收,從而提高二氧化氯轉化率。目前,國內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用情況
自從1944年,美國NIAGARA FALLS水廠為控制水中由于藻類繁殖與酚污染所產生的氣味,率先使用二氧化氯獲得成功后,歐美數百家水廠都相繼開始用二氧化氯作為消毒劑,進行消 毒、除臭、除味、除鐵、錳、控制鹵代烴的形成。包括德國斯圖加特來格朗水廠、科隆WAHNBACH水廠、意大利佛羅倫薩ANCONEIIA水廠、法國巴黎 ORLY水廠等等,運行效果良好。國內上海、深圳、重慶等許多城市的一些水廠也在近幾年開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生的氯酚臭味問題,又使各項水質指標合格率達。今年,廈門水司也計劃在上里水廠進行二氧化氯消 毒的試點,以解決源水中大量的藻類和有機物與氯反應所產生的氯仿嚴重超標問題,待取得成功經驗后,再在其它水廠推廣。


五、 上里水廠二氧化氯消毒工程方案

上里水庫庫容100萬m3,上里水廠日供水量 5000m3/d。由于該水庫匯水區域內有牲畜養殖廠,其污水直接排放到庫內,導致水庫水氮磷含量高,水體呈富營養化狀態,且含有較多的有機物腐殖質和藻 類。目前,上里水廠的消毒方式仍為氯消毒,加氯量大,達4.5Kg/dam3,使出水氯仿含量超過200μg/L,為國標(GB5749-85)的3.4 倍,強制性行業標準(CJ94-1999)的6.7倍。為了保證各項水質指標達標,廈門市自來水公司對上里水廠消毒方式的改造提上議事日程,計劃下半年實 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,以氧化有機物、腐殖質,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末端的余氯要求。

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