二氧化氯消毒技術在貴州農村水廠中的應用
摘要:二氧化氯是一種優良安全的消毒劑。結合二氧化氯消毒在貴州農村水廠的應用情況,介紹二氧化氯消毒技術的原理和特點、設備選型、制取方法、投加與控制等方面的內容,指出了二氧化氯消毒是現階段農村水廠比較適合的消毒方式。
關鍵詞:二氧化氯;消毒技術;農村水廠;應用
消毒是給水處理工藝中的重要組成部分,它是保證用戶安全用水必不可少的措施之一。以往液氯及其衍生物(次氯酸鈉、漂白粉等)是最常用的化學消毒劑,但隨著水體中有機污染物的增多,氯消毒會產生三氯甲烷致癌物及液氯泄漏等安全隱患問題越來越多地受到人們的指責。而且液氯在采購、運輸、儲存、使用中對安全管理要求很高,這對于在規模上遠小于城市自來水廠、管理水平不高、事故應急能力相對較弱的農村水廠是不太適合的。臭氧雖然消毒效果好、二次污染小并且能夠有效改善水的嗅和色度,但由于其一次性投資大、使用成本和維護成本較高等原因也不適宜農村水廠使用。二氧化氯除了具備臭氧消毒的優點外,還有在水中的停留時間長、制備方便、產率高、產量大、成本較低、操作較為安全、易于控制、原料易得等優點,越來越多地受到農村小型水廠的歡迎。根據不完全的統計,目前全國已有超過2000家以上的農村水廠采用二氧化氯消毒。
世界銀行貸款第四期中國農村供水與環境衛生項目在貴州省的修文、開陽、息烽、畢節、金沙、黔西、威寧、納雍、正安9個縣(市)共修建了88座農村水廠,解決568個村80.71萬農民的飲水解困和飲水安全問題。通過對其中4個縣已建成10座水廠的調研,所有水廠的消毒方式均采用了二氧化氯消毒。
1 二氧化氯消毒技術
1.1 二氧化氯的消毒機理
二氧化氯(ClO2)常溫下是一種黃綠色的氣體,具有與氯氣、臭氧類似的刺激性氣味,液態或氣態二氧化氯都不穩定,易揮發,易爆炸,易溶于水形成黃綠色溶液,在20℃的水中溶解度為107.9g/L,溶解度是氯氣的5倍,溫度升高時,溶解度略有下降。
二氧化氯在水溶液中的氧化還原電位高達115V,其ClO2分子結構外層存在一個未成對電子,成為活潑自由基,具有很強的氧化作用,通過強氧化性殺滅微生物。其殺菌作用主要是通過滲入細菌及其他微生物細胞內,與細菌及其他微生物蛋白質中的部分氨基酸發生氧化還原反應,使氨基酸分解破壞,進而控制微生物蛋白質合成,最終導致細菌被殺死。同時,ClO2對細胞壁有較好的吸附和透過性能,可有效地氧化細胞內含硫基的酶。除對一般細菌有殺滅作用外,對芽孢、病毒、藻類、鐵細菌、硫酸鹽還原菌和真菌等均有很好的殺滅作用。
1.2 二氧化氯的制取
農村自來水廠采用二氧化氯消毒,由于二氧化氯性質不穩定,一般采用專用裝置(二氧化氯發生器)現場發生和投加。目前,絕大多數水處理用二氧化氯發生器均采用化學法反應原理,即采用2種或2種以上的化學原料通過反應器反應生成二氧化氯。根據采用原料的不同,可分為氯酸鈉法和亞氯酸鈉法。
氯酸鈉法采用氯酸鈉加鹽酸的反應機理,即:
2NaClO3+4HCl→2ClO2+Cl2+2NaCl+2H2O (1)
亞氯酸鈉法多采用亞氯酸鈉加鹽酸的反應機理,即:
5NaClO2+4HCl→4ClO2+5NaCl+2H2O (2)
氯酸鈉法特點是原料易得、價格低,反應產物是ClO2、Cl2分別占70%、30%左右的的混合物。其設備結構簡單,一次性投資較小,ClO2發生成本大約為0.01～0.015元/g。
亞氯酸鈉法的優點是原料轉化率高(理論轉化率為100%),可以制得95%純度的ClO2。該法在國外飲水消毒中占70%。亞氯酸鈉法的主要缺點是設備較貴,原料不易采購且價格較高,產氣成本在0.05元/g以上,是氯酸鈉法的4～5倍。由于成本原因,在目前條件下農村水廠采用亞氯酸鈉法二氧化氯發生器的不多。但產物中ClO2的純度較高的優點,使得亞氯酸鈉法也有一定的應用前景。
2 二氧化氯在貴州農村水廠中的應用情況
2.1 對已建10座農村水廠的資料統計
通過對貴州省的開陽縣、息烽縣、黔西縣和正安縣共10座已建成的農村水廠的調研,水廠的有關設計資料見表1。
2.2 二氧化氯的制備
在調查的10座水廠的資料統計上,所有的水廠均采用了二氧化氯的消毒方式,以氯酸鈉、鹽酸為原料的復合型二氧化氯發生器現場制取,產物為以二氧化氯為主、氯氣為輔的混合氣體,二氧化氯含量占70%以上。復合二氧化氯發生器主要由供料系統、反應系統、溫控系統、吸收系統、安全系統組成。其化學反應如下:
2NaClO3+4HCl→2ClO2+Cl2+2NaCl+2H2O
該反應的最佳溫度為70。C,反應器采用耐溫、耐腐蝕材料制造。反應生成的二氧化氯和氯氣混合氣體通過水射器投加到被處理水中。
2.3 二氧化氯的投加與控制
《生活飲用水衛生標準》GB5749-2006規定,用二氧化氯消毒時出廠水限值為0.8mg/L,出廠水余量不低于0.1mg/L,管網末梢水中的余量不低于0.02mg/L。要達到出廠水二氧化氯余量的指標要求,投加量應高于指標值。具體投加量應根據不同水廠的水質通過實驗而定。貴州山區供水用戶較分散、管網較長,為了延長二氧化氯在管網中的持續消毒時間,一般以地表水為水源的自來水廠有效氯投加量為1.0～2.0mg/L,地下水為0.5～1.0mg/L。
加氯點選在清水池進水口處并能保證消毒氣體在水中分散均勻的地方,一般復合二氧化氯發生器運行時可實現自動控制,根據清水池進水流量信號或清水池出水的余氯探測信號自動控制發生器進料計量泵的流量,調節發生器的產量,其工藝如圖1。
2.4 復合二氧化氯發生器的選取
復合二氧化氯發生器產量以有效氯含量計,其型號與每小時產量一致,選用時根據待處理水的水量和耗氯量確定型號。如華特H908-100A型指的就是二氧化氯發生能力為100g/h。因此,只要知道處理水量、加藥濃度就可確定二氧化氯發生器的規格型號或發生能力。計算方法如下:
B=CQ/T (3)
式中:B為所選設備的產量,g/h;C為二氧化氯的投加濃度,mg/L或g/m3;Q為水廠的設計水量,m3/d;T為運行時間,h/d。
以息烽溫泉水廠為例,水廠設計規模1000m3/d,二氧化氯投加量為1.5mg/L,每天運行16h,代入(3)式計算得B為93.75g/h,故選二氧化氯發生能力為100g/h的華特H908-100A型發生器。
由于市場上二氧化氯發生器的品牌很多,每個品牌的產品在規格型號、結構原理、安裝及操控方式等方面也不盡相同。對于農村水廠來說,應根據本廠的水處理工藝選擇合適的消毒設備及安全有效的投加工藝是確保自來水高效、經濟、安全消毒的前提。
2.5 二氧化氯的消毒效果
10座水廠現已投產運行,當地衛生部門多次檢測數據表明,采用復合二氧化氯發生器生成的二氧化氯和氯氣混合氣體消毒效果明顯,消毒后水的有機污染指標、細菌總數和大腸菌群均符合國家生活飲用水衛生標準。
3 結語
二氧化氯作為一種很有前途的消毒劑,其工藝簡單、易于操作、原料易購易存、設備占地少、運行安全,而且成本適中、消毒效果好等特點,比較適合現階段分散的、中小規模的農村水廠。隨著二氧化氯發生器生產技術的日趨成熟、產品的日臻完善,以及飲用水消毒技術安全性研究的進一步深人和發展,二氧化氯在農村水廠中的使用將會越來越好。
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