飲用水處理中的替代消毒劑—二氧化氯
前 言
在過去的幾年中，由于水質的惡化以及適于飲用的水源的減少，人們迫切需要先進、可靠的，價格合理的技術用以保障日常需要所需的水源。“先進”旨在降低對人體健康的直接和間接的危害。“可靠”是指技術的可應用性，即使是在非理想的應用條件下。
在能夠使水適于飲用及消費的所有化學及物理過程中，消毒階段已被廣泛研究。在完整的飲用水處理過程中，消毒處理已被證明是至關重要重要的。進行消毒處理并不單單是針對未經處理的水中細菌，而且是由于水極易導致霍亂、傷寒等非常危險的疾病的傳播。由于以上原因，世界衛生組織（WHO）于1993年建議應有一種“有效的消毒方法并永遠不會危機人們的安全”，并應考慮該方法的費用及化學副產物等所有問題。
在水的消毒處理中，對于優化使用傳統的化學物質（主要是氯化物）以及尋找合適的替代物質，人們以作了大量努力。本文將對二氧化氯在消毒處理中已確立的使用方法進行實驗研究。同時，將對其它一些消毒劑和二氧化氯進行對比研究。
1. 二氧化氯的化學特性及主要應用
二氧化氯在室溫下呈橙黃色，比空氣重。
二氧化氯極易溶于水(14 g/L at 25 °C)且不發生水解。在很大的pH 值范圍內(6～10)，二氧化氯在水中以溶解氣體的形式存在。因此，二氧化氯在水中的存活壽命很長，在被處理的水中，二氧化氯一直持續、穩定的起著作用。通常，實驗用的二氧化氯在低溫及避光的條件下，貯于密閉的玻璃容器中是十分穩定的。
對于二氧化氯的化學反應性，二氧化氯的主要性質如下：
· 不和氨反應；
· 對有機腐殖質（主要是腐殖酸和富里酸）不產生氯化作用，因此，生成的可被活性碳吸附的鹵化有機物（A.O.X.）和三鹵甲烷類物質（T.H.M.）幾乎可忽略不計；
· 對苯酚類化合物有破壞作用；
· 能氧化鐵離子和錳離子；
· 不能氧化溴離子；
· 其活性不依賴于pH值。
在飲用水的消毒處理中，可被活性碳吸附的鹵化有機物（A.O.X.）和三鹵甲烷類物質（T.H.M.）是用來評估鹵化副產物的控制參數。鹵化有機化合物被認為對人體健康具有潛在的毒性，長期使用含該物質的應用水具有致癌作用。
三鹵甲烷的出現可作為其它氯副產物存在的指示物。控制飲用水中主要的四種三鹵甲烷類物質可以幫助降低其它不清楚氯副產品的水平。事實上，IARC已經將三鹵甲烷分類到有可能致癌的2B組。
在歐盟最近的提議中也涉及到飲用水水質，并設定下面的限值：
三鹵甲烷 40 mg/L
二氯二氟甲烷 15 mg/L
二氧化氯不是一種氯的尿酸鹽，而是一種強氧化劑。通常通過以下反應，它的最終產物為氯離子(Cl-)和亞氯酸根離子(ClO2-)。
ClO2 + 4 H+ + 5e-→ Cl- + 2H2O(Eo = 1,51V)
ClO2 + e-→ClO2-(Eo = 0,95 V)
通常二氧化氯需要現場制備，它是通過一種特殊稱為“發生器”的設備來制備的。在這個設備中，應用次氯酸鈉通過化學反應產生最終產物—二氧化氯。其生產原理如下：
1. 2NaClO2 + Cl2→ 2NaCl + 2ClO2
2. NaClO + Hcl → HClO + NaCl
HClO + Hcl + 2NaClO2→ 2ClO2 + 2NaCl + H2O
3. 5NaClO2 + 4Hcl → 4ClO2 + 5NaCl + 2H2O
最后一種方式是飲用水處理中最常用而且是最好的方法。其主要原因是：該方法能確保最大效率轉化為二氧化氯，而且能盡可能限制副產物的生成。
二氧化氯是能夠殺滅細菌、病毒、藻類、真菌，強效的抗生物劑。其殺毒能力主要是由于ClO2能夠通過細胞壁，并與細胞內主要的氨基酸反應。
二氧化氯具有上面這么多優點，因此常年被廣泛應用于下面領域：
· 飲用水處理；
· 工業冷卻水系統的防垢處理；
· 造紙行業中脫粘處理；
· 食品業和飲料業的消毒；
近年來，該種產品主要在法國和意大利增長很快。在這份報告中，我們著重對ClO2應用于飲用水處理中進行了研究。在歐洲國家，隨著人們對傳統的氯消毒法帶來的副產物可能對人體健康產生影響的認識不斷提高，以及標準的不斷嚴格，使得利用二氧化氯替代氯氣和次氯酸鈉作為消毒的劑的應用成為了大的趨勢。
2. 用二氧化氯處理飲用水
在將原水（主要是地表水）處理變為飲用水過程中，二氧化氯可以作為氧化劑和消毒劑。
對于這種水的常規處理，其主要處理過程為：預氧化處理、澄清（加入無機混凝劑，鐵或鋁鹽）、過濾（用砂濾或活性炭）、消毒處理。二氧化氯作為氧化劑，可應用于在混凝/絮凝前的預氧化處理中。這樣做的主要優點如下：
· 可氧化鐵離子和錳離子并且能更好地去除它們相關的難溶解性的氫氧化物；
· 使懸浮物和膠體脫穩，因此在澄清處理過程中有絮狀體有更好的沉降性能；
· 能夠去除能引起惡臭的有機物（例如苯酚），使水感官性變好；
在該處理過程中，正常的二氧化氯劑量范圍是0.5～2 mg/L，處理時間為15～30分鐘。第二個更高的作用是處理是控制藻類在其它處理階段的增長，這可以確保最終處理過程中的殺毒效果。
二氧化氯作為消毒劑應可用于過濾后的消毒處理過程中，其劑量范圍為0.2～0.4mg/L。該劑量可以確保有效和持久地消除出水中微生物（細菌、病毒等）。其主要的優點是：
· 生成的有機和無機的鹵化物副產物的可能性很小；
· 能確保在配水管網（如管道或貯水池）中長期有效性，因而可避免微生物的再次生成；
與其它氯化合物相同，二氧化氯的需求量應當初步評估。它對幫助確定不同情況下的水二氧化氯的使用量十分有益。該量指得是與原水反應5～60分鐘的二氧化氯總量。它的值對進行實驗室測試和進一步確定現場實際使用量是有很大幫助的，但該量也是隨著水質的變化而在不斷變化。
通過某些參考的細菌的去除率和形成致癌的副產物的測定，可以用來證實二氧化氯處理水的效果。這些指標的確定均是采用“水和廢水檢測的標準分析方法（19版，1995）”中的方法分析，在下面我們列出了兩個實驗室測試的結果。
下表表示的是在接觸時間為15分鐘，用次氯酸鈉和二氧化氯進行地表水最后消毒處理的結果比較（地表水為人工水庫水；pH=8.8；二氧化氯劑量=0.57mg/L）。其中二氧化氯的劑量的選擇考慮了處理過程中的使用量和處理后的殘余量。
結果顯示：二氧化氯處理后不僅殺菌效率較好，而且生成A.O.X.和T.H.M.的量很少；兩種化學藥劑對T.O.C處理沒有效果。
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例2 比較次氯酸鈉和二氧化氯應用于預氧化處理地表水的結果（地表水為河流水庫水；pH=7.9；二氧化氯劑量=2.05mg/L）。這些結果證明了應用二氧化氯處理水能夠減少80%A.O.X和75%T.H.M的生成，這相當于殺菌的效率水平。
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3. 與其它消毒劑的價/性比
應用歐洲使用二氧化氯進行飲用水處理的經驗，我們進行了二氧化氯與其它消毒劑（例如氯氣、次氯酸鈉、臭氧）的價/性比的比較。這也是為什么二氧化氯在這方面能夠作為主要的替代品的原因。
在通常使用狀況下，它們的比較標準的制定是很復雜的。在下表中綜合考慮了特殊的藥劑使用設備（包括相關維護）的價格、產品的價格以及處理過程中有利和不利之處。
事實上，比較還與很多其它特殊的條件有關（例如原水水質、管網大小、當地的法規和產品的關稅等，還有這些化學品的自身的特點）。這些因素中有時還僅有一種選擇可能。
技術方面
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價格方面
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使用這些消毒劑處理操作的安全問題也應當考慮到。例如在意大利，前些年對使用氯氣使用有非常嚴格的的規定。
4. 結論
二氧化氯的化學性質使得它能夠合適應用于飲用水的預氧化處理和最終消毒處理的階段。
它能夠應用于各種領域，并能替代傳統的氯氣和次氯酸鈉。而且可很好地控制處理水中微生物的水平。
二氧化氯之所以能在歐洲廣泛使用主要原因是：用其消毒，產生致癌性有機的副產物的可能性特別小。
使用二氧化氯的進行處理的價格與其它消毒劑是可比的。就目前市場上的設備來講，它的應用不需要特殊的技術，應用特別方便。
二氧化氯發生的有著很大的應用范圍，因此可應用于小社區和大型管網水處理過程之中，能建立起一個可靠、靈活的系統。
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