二氧化氯消毒劑發生器在炳坑水廠的應用
水是生命之源，但水在給人類提供最基本的物質保障的同時，也給人類帶來許多危害。聯合國環境署的報告指出，人類的疾病中80%與細菌感染有關，而其中60%以上是通過飲用水傳播的。水中存在大量的病原微生物，其存活時間短的只有幾個小時，長的可達數年，因此飲用水必須進行適當的消毒處理。
目前常用的消毒劑主要有氯、過氧化氫、臭氧、二氧化氯、氯胺、次氯酸鈉、高錳酸鉀等，也可采用紫外線消毒。從世界范圍來看，氯氣、二氧化氯、臭氧消毒效率較高，是可供選擇的三種主要消毒劑，其中使用氯氣消毒的成本最低。我國絕大多數水廠采用氯氣消毒，水質、水溫、pH值、菌種、接觸時間、投加量均會影響氯氣的消毒效果，投加量不足時不能保證消毒效果，過多時又會造成二次污染。近年來的研究表明，氯氣消毒會產生三鹵甲烷類化合物，而三鹵甲烷類化合物已被確認與直腸、結腸等消化系統癌癥有關。特別需要指出的是，氯氣存在較大的安全隱患。今年重慶發生的氯氣泄漏事件，就造成人民生命財產的重大損失。
二氧化氯具有獨特的殺菌、除臭效果，可抑制三鹵甲烷等有害物質的形成，是目前國際上公認的氯系消毒劑理想的更新換代產品，至少有2000多家水廠采用二氧化氯來消毒。現在，美國、英國、澳大利亞、日本等國均頒布了相應標準，明確可以使用二氧化氯來對飲用水進行消毒，到2010年，一些歐美國家將采用二氧化氯來進行消毒，同時停止使用氯氣來進行飲用水的消毒。
人們在19世紀初就發現二氧化氯氣體在殺菌消毒方面具有獨特的功效，但由于二氧化氯氣體揮發性大，刺激性強，穩定性差，危險易爆，使用很不方便。20世紀70年代，人們開發了穩定的二氧化氯溶液，完全消除了二氧化氯的幾大缺點，使其得到廣泛的應用。目前可采用多種方法來制備二氧化氯。亞氯酸鈉酸化法的利用已有50多年的歷史，其反應原理為：5NaClO2+4HCl =4ClO2 +5NaCl+2H2O，其原料亞氯酸鈉價格較貴。電解氯化鈉溶液生成二氧化氯的效率極低，實際上利用價值不大。氯酸鈉還原法的原理是硫酸和甲醇使氯酸鈉還原成二氧化氯，該法生成二氧化氯的效率較高，但由于采用的還原劑是揮發性極強且有毒的甲醇，使制備的二氧化氯中混入有毒有機物，不能投加到飲用水中。也可以采用二氧化氯發生器來制備二氧化氯。圖1是深圳市龍崗區自來水有限公司炳坑水廠所使用的二氧化氯消毒劑發生器的示意圖，它由供料系統、反應系統、溫控系統、吸收系統、安全系統和殘液自動處理系統組成，其工作原理為：含氯無機鹽水溶液與酸性活性劑在負壓條件下經供料系統定量輸送到反應系統中，在一定溫度下經過負壓爆氣反應產生二氧化氯與氯氣的混合氣體，經吸收系統吸收后制成一定濃度的二氧化氯協同消毒液，再通入到待處理的水中。
在二氧化氯消毒劑發生器中，發生化學反應：2NaClO3+4HCl=2ClO2+Cl2+2NaCl+ 2H2O，產物為二氧化氯和氯氣的混合物。氯氣在水中形成次氯酸，次氯酸不穩定，易分解生成新生態氧，新生態氧能使細胞中的磷酸丙糖去氫酶中的巰基被氧化而破壞，喪失破壞葡萄糖的功能，引起細菌死亡，從而達到消毒的目的。
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二氧化氯在常溫下為帶有淺綠色的黃色氣體，遇電火花、陽光直射、加熱至60oC時均極易發生爆炸。二氧化氯易溶于水，其水溶液在暗處和中性條件下可穩定保存。二氧化氯與微生物接觸時，對細胞壁有很強的吸附與穿透能力，能有效地氧化細胞內含巰基的酶，使微生物蛋白質中的氨基酸氧化分解，導致氨基酸鏈斷裂，蛋白質失去功能，從而導致微生物的死亡。二氧化氯的強氧化性使其具有高殺菌能力，能殺死細菌、芽孢、藻類，能有效地消滅大腸桿菌、脊髓灰質炎病毒、軍團病毒等。二氧化氯的氧化性是有選擇地與無機物、有機物進行反應，在相同的投加量下，二氧化氯的消毒能力遠遠大于氯氣，而在出水中的殘留量卻要低很多。二氧化氯在較廣的pH值范圍(6~10)內殺菌性能基本保持不變，且持續消毒能力較強。
氯氣和二氧化氯具有協同強化消毒作用，其殺菌能力大大高于純二氧化氯和氯氣。ClO2在水中主要發生兩步反應：ClO2+e =ClO2-，ClO2-+2H2O+4e =Cl-+4OH-；Cl2在水中主要發生兩個反應：Cl2+H2O=HOCl+ HCl，HOCl=H++OCl-。混合消毒劑的消毒效果是所有產物共同作用的結果，因此不必單獨考慮消毒液中每種產物的濃度，可以改用總有效氯來表述。從反應式2NaClO3+4HCl= 2ClO2+Cl2+2NaCl+ 2H2O可知，每生產1克有效氯需消耗氯酸鈉0.65克、鹽酸1.30克。
根據《中華人民共和國傳染病防治法》和《城市供水條例》的有關規定，生活飲用水處理后必須達到《中華人民工和國生活飲用水標準》的規定標準，方可進入生活飲用水管網。生活飲用水的細菌學控制指標為：細菌總數?100個/mL、總大腸菌群?3個/L、游離余氯：與水接觸30min不低于0.3ppm，管網末梢水不低于0.05ppm。莫興康等采用二氧化氯對不同水質的原水進行了消毒效果研究，結果表明在保證適當的二氧化氯加入量的前提下，二氧化氯對各種水質的源水均有很好的消毒效果，可以有效地殺滅水中的細菌、大腸桿菌和其它細菌，其投加量的確定取決于水質和控制指標。投加到水中的二氧化氯包括三個部分，一部分作為氧化劑消耗，一部分作為消毒劑起作用后消耗，一部分作為剩余量持續使用。
炳坑水廠所用的源水主要是炳坑水庫蓄水和東江水，東江水的水質變化較小，炳坑水庫水為地表水，水中有機物的含量較高，其水質變化比較大。取不同水質的源水，改變有效氯的投加量，觀察其消毒效果，結果見表1。從表1可以看出，二氧化氯消毒液具有很高的殺菌能力，在控制適當的投加量的前提下，各種源水經二氧化氯消毒液消毒處理后，其出水中細菌總數均小于100個/mL，總大腸桿菌群均小于3個/L，完全滿足飲用水的指標要求。
表1 二氧化氯消毒液消毒效果 有效氯投加量(mg/L) 檢測項目 檢測結果 源水 出廠水 0.6 細菌 370 <1 大腸桿菌 230 <3 2.0 細菌 4000 <1 大腸桿菌 2300 <3 0.8 細菌 800 <1 大腸桿菌 230 <3 1.6 細菌 570 <1 大腸桿菌 2300 <3 3.0 細菌 5000 <1 大腸桿菌 2300 <3 1.2 細菌 230 <1 大腸桿菌 2300 <3 有效氯含量(mg/L) 持續消毒不同時間后出廠水樣中的細菌總數(個/mL) 12h 24h 48h 60h 72h 96h 120h 0.1 不可計數 不可計數 不可計數 不可計數 不可計數 不可計數 不可計數 0.3 15 不可計數 不可計數 不可計數 不可計數 不可計數 不可計數 0.4 0 0 0 4 6 60 不可計數 0.6 0 0 0 0 3 19 120 0.8 0 0 0 0 1 16 68 1.0 0 0 0 0 0 11 29 1.2 0 0 0 0 0 6 19 1.4 0 0 0 0 0 3 13
備注：細菌：個/mL；大腸桿菌：個/L
根據國外資料介紹，在管網中無剩余二氧化氯存在時，有細菌繁殖。因此美國用二氧化氯消毒的水廠的出場水中一般要有小于0.5mg/L的剩余二氧化氯。張瑞冬等的研究結果表明，當純凈水中二氧化氯的含量為0.3~0.5mg/L時，即使在空氣中敞口存在4天，其細菌總數<10個/mL。采用二氧化氯消毒劑發生器來進行消毒時，出廠水中含有多種具有消毒作用的物質，消毒效果則是所有物質共同作用的結果，因此無必要單獨測定出廠水中每種物質的含量，而改用剩余總有效氯來表述，剩余總有效氯的含量則可以采用QYJ-II型便攜式二氧化氯-余氯比色器通過DPD比色法來測定。為了測定二氧化氯消毒液對管網水的持續消毒能力，在室溫條件下研究了不同剩余總有效氯含量的出廠水中細菌總數隨時間變化的情況。實驗時，將出廠水置于敞口容器中，調節剩余總有效氯含量，靜置不同的時間，觀察水樣中的細菌總數，表2為二氧化氯消毒液對管網水的持續消毒結果，從表2可以看出，當出廠水中剩余總有效氯含量在0.6~0.8mg/L時，即使在空氣中敞口存在4天，其細菌總數仍符合《生活飲用水標準》的要求，說明二氧化氯消毒液的持續消毒能力很強，完全可以在相當長的時間內抑制供水管網中細菌生長，這一點對于長距離的供水系統非常重要。在實際操作中，根據不同季節及水質變化的具體情況，將剩余總有效氯的含量控制在如下范圍內：出廠水最低值為0.6~0.8 mg/L，最高值為1.2~1.4mg/L；管網水最低為0.2mg/L。在此條件下，就能充分保證持續消毒效果。
表2 二氧化氯消毒液持續消毒能力實驗結果
采用二氧化氯消毒液發生器來消毒時，需要同時消耗氯酸鈉和鹽酸，其中氯酸鈉的市場價為7.80元/kg，鹽酸的市場價為1.25元/kg。不同水質條件下，每噸水消耗的氯酸鈉和鹽酸的量各不相同，因而其消毒成本也各不相同，表3列出了2003年度炳坑水廠每個月的平均消毒成本。
三年多時間的使用經驗表明，炳坑水廠使用的二氧化氯消毒劑發生器具有一系列優點：結構合理，可靠性強，故障率低，使用壽命長；體積小，重量輕，安裝容易，操作簡單，工人勞動強度低；既可在消毒現場現制，也可制備消毒原液，原液在蔭涼處避光保存，其有效期長達半個月；制取的二氧化氯和氯氣的混合消毒液具有協同強化消毒作用，殺菌能力大大高于純二氧化氯和氯氣，消毒效果明顯、穩定，處理后的出廠水細菌總數、總大腸菌群等指標完全符合國家生活飲用水衛生指標；在運行過程中基本上不需維護，維護費用低；設備投資少，運行費用低，適合于水廠長期使用，值得推廣應用。
表3 炳坑水廠2003年度消毒成本
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月份 |
氯酸鈉用量(g/m3) |
鹽酸用量(g/m3) |
總消毒成本(元/ |
|
1 |
0.592 |
1.832 |
6.91 |
|
2 |
0.490 |
1.880 |
6.17 |
|
3 |
0.545 |
4.216 |
9.52 |
|
4 |
0.909 |
2.528 |
10.25 |
|
5 |
1.090 |
3.992 |
13.49 |
|
6 |
0.896 |
3.288 |
11.10 |
|
7 |
0.621 |
2.512 |
7.98 |
|
8 |
1.181 |
3.336 |
13.38 |
|
9 |
0.821 |
3.120 |
10.30 |
|
10 |
0.722 |
2.848 |
9.19 |
|
11 |
0.487 |
2.192 |
6.54 |
|
12 |
0.588 |
1.768 |
6.80 |
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