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淺談二氧化氯消毒在水處理行業中的應用!

2016-09-18   閱讀:5425

水處理常用的消毒劑種類有次氯酸類、二氧化氯、臭氧、紫外線輻射等。消毒通常是傳統飲用水處理工藝關鍵一步,從而保證了水質的安全可靠。加入到水中消毒劑可以從根本上消除或是抑制傳播水生疾病的病菌,就目前來說,氯氣(Cl2)以及次氯酸鹽(ClO-)是給水處理工業當中最常見的消毒劑。由于認識到加氯消毒副產品的危害,現在研究人員越來越多的把目光投向了其他的替代消毒劑。主要從水處理替代消毒劑二氧化氯(ClO2)的制造,氧化方式,消毒效率以及副產物等方面進行論述。

  一、二氧化氯(ClO2)消毒

  1、簡介

  二氧化氯是一種含氯的中性化合物,由于其在化學反應中的單電子轉移能力,二氧化氯通常在水消毒的過程中被用作高效率的氧化劑,氧化還原反應后的產物為亞氯酸根離子(ClO2-)。亞氯酸鹽與亞氯酸根離子之間的電離平衡常數相對較小,這也與次氯酸(HOCl)與其共軛堿對之間的電離平衡關系有著很大的不同,次氯酸的電離平衡反應多發生在中性的PH范圍內,這就決定了在飲用水的應用范圍內,水中的主要成分還是次氯酸根離子(ClO-)。根據Werdehoff和Singer的研究,在使用二氧化氯進行給水消毒的過程中,大約有50%到70%的二氧化氯被轉化成亞氯酸根離子(ClO2-),還有30%左右的ClO2被轉化成氯酸根離子(ClO3-)或氯離子(Cl-)。

  由于其超強的氧化能力,二氧化氯通常被用作初級或是二級消毒劑,并在對水中的氣、味控制;含氯消毒副產品的消除;鐵、錳離子的氧化,顏色調節以及硫化物和酚類物質的去處方面有著廣泛的應用。作為一種應用水處理中的替代消毒劑,二氧化氯對于病毒,細菌等微生物的抑制能力要超出氯氣和氯氨類消毒劑。

  2、二氧化氯的制取

  因為二氧化氯具有較強的膨脹性并且在壓力下容易發生爆炸,因此二氧化氯不可以被壓縮或是簡單的以氣態的形式儲存。通常的情況下,二氧化氯多數是在現場制取。在給水消毒的應用過程中,二氧化氯可以通過利用亞氯酸鹽(如NaClO2)分別與氯氣(Cl2)、次氯酸(HOCl)或是鹽酸(HCl)直接反應而生成二氧化氯。具體的反應過程如下所列:

  (1)直接與鹽酸的反應:反應一般發生在較低的PH值范圍內,并且反應速率較低。

  (2)亞氯酸鹽與氯氣的反應:這是在水處理應用中最為常見的制取二氧化氯的方式。反應包括了兩個階段:第一,通過向水中通入過量的氯氣來生成次氯酸(HOCl)和鹽酸(HCl);第二,次氯酸與亞氯酸鈉反應生成二氧化氯。為了提高亞氯酸鹽的使用率,通常需要向水中同入過量的氯氣,以生成足夠反應的次氯酸。在反應中,由于次氯酸的生成,從而降低了水的PH值,這將更加有利于反應的正常進行。通過這種方式來制取二氧化氯的反應速率要比前一種方式來的快,但比較下面所介紹的第三種方法來說就相對較慢了。

  (3)氯氣直接與亞氯酸鹽反應:此類反應多發生在中性的PH值環境下,而且反應速率相對較快。

  3、通過氧化反應去除水中的鐵、錳離子

  鐵離子(Fe2+)和錳離子(Mn2+)是水中最為常見的兩種金屬離子,因此在飲用水處理的過程中,通常要采用一些特殊的方法來對水中的鐵、錳離子加以去除。其中最常見的方法就是通過加入強氧化劑來與鐵、錳離子反應,從而生成沉淀物,再通過后續處理,例如沉淀和過濾加以去除。而由于二氧化氯具有很強的氧化性,因此在給水處理中被用來作為氧化劑來去除水中過量的鐵、錳離子。

  為了能夠生成氫氧化鐵沉淀(Fe(OH)3),通??刂品磻l生在堿性環境下,與1.0mg/l的鐵離子反應需要1.2mg/L的二氧化氯。

  在實際的給水消毒應用過程中,特別是在高濃度的鐵、錳離子原水處理中,二氧化氯的用量還要考慮到消毒副產物的生成、氯酸根離子(ClO3-)和亞氯酸根離子(ClO2-)的濃度等因素,因此在實際應用中,二氧化氯的用量應控制在0.07~2.0mg/L的范圍內,一般不超過1.0mg/L。

  4、水中天然有機物的去除

  從在水中的濃度以及活性的角度來說,天然有機物是地表水和地下水中的一種重要成分。存在于水中的天然有機物,影響微量金屬和親水有機化合物的流動性以及在一定范圍內的膠狀顆粒的聚合速度。同時,對于微生物和依靠本身特性例如分子重量,分子組成和官能團進行反應的物質來說,天然有機物也是有機碳的來源。

  通過進一步對天然有機化合物成分的研究,它們被分成以下幾部分:腐殖質酸(HA);非水溶性酸性物質(HOA);非水溶性堿性物質(HOB);非水溶性中性物質(HON);水溶性酸性物質(HIA);水溶性堿性物質(HIB);水溶性中性物質(HIN)。在大多數的情況下,飲用水中的天然有機物的主要成分是非水溶性酸性物質,約占54%,腐殖質酸和非水溶性中性物質分別占19%和12%。通常情況下,天然水體中非水溶性堿性物質的含量微乎其微,另外水溶性物質的比例也相對較小,大約占總的有機物的15%左右。

  根據以往的試驗數據,經過二氧化氯的氧化作用,HA,HON和HIB在水中所占的比例明顯減少,而對于HOA來說,去除量不會超過9%。HIA的成分會少許增加,而HIN的成分會有明顯的增加。二氧化氯打碎大分子量的有機物質使其變成小分子量的物質,從而使非生物降解的有機物轉變成可生物降解的有機物??缮锝到獾挠袡C物成分會在后續的水處理過程中增加水中微生物的增長。

  5、周圍環境的影響以及消毒效率

  研究表明周圍的環境因素,例如溫度,水質,PH值也會對二氧化氯的消毒效率產生影響。PH對于消毒效率的影響取決于受抑制的對象。與加氯消毒相比較,二氧化氯對于病原體的抑制能力要相對較弱。同加氯消毒一樣,二氧化氯的消毒能力隨著溫度的降低而減弱。某些研究表明當水溫從20°C下降到10°C時,二氧化氯對于似隱孢菌(Cryptosporidium)的抑制能力會下降40%左右。原水的水質,例如水里的懸浮顆粒和病原體的聚集體的數量對于消毒能力都有著重要的影響。實驗表明,通過向水中加入斑脫土來調節原水的濁度,當濁度從5NTU上升到17NTU時,原水中的病原體的抗抑制能力從11%升高到25%。早在1944年二氧化氯就已經被用作飲用水處理的消毒劑,多年來大量的研究工作以及試驗數據顯示二氧化氯對于水中大腸桿菌具有很強的抑制能力,在5分鐘的接觸時間內要強于同等濃度下的氯氣,而當接觸時間延長到30分鐘時,二氧化氯對于細菌的殺滅能力就要稍低于氯氣。在較高的PH范圍內,二氧化氯的消毒能力要明顯優于氯氣。

  6、二氧化氯的消毒副產物

  在原水中大量存在的無機生物物質將與二氧化氯發生反應。在配水管網中氯離子和亞氯酸根離子是二氧化氯降解后的主要產物。如上所述,在正常的水處理過程中大約有50%~70%的二氧化氯通過氧化還原反應被轉化成亞氯酸根離子,30%被轉換成氯酸根離子和氯離子。

  另外亞氯酸根離子和氯酸根離子的分配比例受PH值和日照的影響。在較高的PH值范圍內,二氧化氯被分解成亞氯酸根離子和氯酸根離子。

  通常來說,含有二氧化氯的原水在日光的照射下,水中氯酸鹽的濃度增加。研究表明,當二氧化氯作為消毒劑在水處理的過程中并不產生三鹵甲烷(THMs)等有害的副產品,但會產生少量的有機消毒副產品,關于這些有機副產品的成因和種類并沒有得到足夠的研究,但是大多數的研究表明水中天然有機物質的存在并與二氧化氯反應是導致大量醛類和羧酸類有機副產品生成的主要原因。因此當用二氧化氯做消毒劑時,對于水中天然有機物的去除就顯得額外重要。

  二、二氧化氯消毒的優缺點

  1、優點

  (1)二氧化氯對于水中病毒,隱孢菌等微生物的抑制作用要強于氯氣。

  (2)二氧化氯可以氧化掉水中的鐵離子(Fe2+),錳離子(Mn2+)和硫化物。

  (3)二氧化氯可以增強水的凈化過程。

  (4)二氧化氯可以有效控制水中的酚類化合以及由于藻類和腐敗的植物所產生的氣味。

  (5)不會生成鹵化副產物。

  (6)二氧化氯易于制取。

  (7)生物特性不受水中PH值的影響。

  (8)二氧化氯可以保持一定的殘留量。

  2、缺點

  (1)二氧化氯在消毒過程中會生成亞氯酸鹽和氯酸鹽副產物。

  (2)過多的加藥量將會產生鹵化副產物。

  (3)較高的設備以及操作費用。

  (4)二氧化氯氣體是易燃氣體,因此必須在現場制取。

  (5)二氧化氯不穩定,在日照下會分解。

  作為很有前途的替代消毒劑,二氧化氯(ClO2)逐漸受到人們的重視,隨著人們對其特性和在水中的反應機制的進一步的研究,我相信它將在水處理工業中得到更廣泛的應用。


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