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 給水用二氧化氯發(fā)生器消毒的探討- 水行業(yè)資訊，水工業(yè)市場二氧化氯發(fā)生器,給水消毒

The Discussion of Chlorine Dioxide Reactor Applied to the Disinfection of Feedwater System
Wang yongyu¹ Li jincheng²
（1.Qingdao Haisheng Environmental technology Co.Ltd; 2.Department of environmental Engineering, Qingdao Architectural Engineering College, 266000）

 Abstract this paper discussed the manufactured craft, the manipulative mode and the operative management of chlorine dioxide reactor which was applied to the disinfection of feedwater system. Some errors of the application of the chlorine dioxide reactor were point out in this thesis. This paper gave some advice for reasonable application of chlorine dioxide reactor in order to promote the use of chlorine dioxide in our country.
 Keyword chlorine dioxide reactor, disinfection of feedwater, discussion of application

 氯氣作為一種成熟的消毒劑已有百年的應(yīng)用歷史，但近年來由于源水水質(zhì)的惡化，氯化消毒所引發(fā)的環(huán)境健康問題以逐漸引起人們的重視。為解決這一問題，自七十年代以后，氯化消毒的替代品研究逐漸深入，二氧化氯就是其中*的替代物之一。鑒于二氧化氯*的消毒優(yōu)勢，目前歐洲已有數(shù)千家水廠采用二氧化氯作為消毒劑，美國也有400余家水廠在消毒工藝中增加了二氧化氯。我國飲水處理廠在二氧化氯的應(yīng)用方面，起步較晚，發(fā)展也較慢，從九十年代以后，二氧化氯發(fā)生器才開始在一些中小型水廠中加以應(yīng)用。目前為改善水廠氯消毒所帶來的一些問題，二氧化氯發(fā)生器的應(yīng)用已逐漸引起人們的關(guān)注，一些新建水廠已開始直接選用二氧化氯發(fā)生器取代加氯機(jī)，另外一些存在氯消毒問題的老水廠也在考慮用二氧化氯對氯氣進(jìn)行改造。本文在這種趨勢下對二氧化氯發(fā)生器在我國水廠中應(yīng)用的問題進(jìn)行探討。

二氧化氯性質(zhì)活潑，不易貯存和運(yùn)輸，目前國內(nèi)外飲水使用二氧化氯都采用現(xiàn)場制備的方式，能現(xiàn)場制備二氧化氯的裝置叫做二氧化氯發(fā)生器。通常水廠使用的二氧化氯發(fā)生器都采用化學(xué)反應(yīng)的原理進(jìn)行制備，根據(jù)采用原料的不同，可分為亞氯酸鈉工藝和氯酸鈉工藝。
1.1 氯酸鈉工藝
  采用氯酸鈉和鹽酸為原料進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)式如下：
 NaClO₃ + 2HCl = ClO₂ + 1/2Cl₂ + NaCl + H₂O
 由上式可以看出，在二氧化氯產(chǎn)生的同時還有約占二氧化氯產(chǎn)量一半的氯氣發(fā)生，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本工藝中二氧化氯的有效轉(zhuǎn)化率一般只有50%左右，并且受到反應(yīng)溫度和鹽酸濃度的影響。要提高二氧化氯的轉(zhuǎn)化率，必需保持較高的反應(yīng)溫度（約70^OC）和加大鹽酸的過剩量，但這同時又會導(dǎo)致氯氣產(chǎn)率的提高，使反應(yīng)產(chǎn)物中氯氣的含量增大。這個矛盾在穩(wěn)定態(tài)二氧化氯的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)上，可以通過多級加溫，空氣逆向逐級吹脫的方式來富集二氧化氯，但在水廠應(yīng)用的小型二氧化氯設(shè)備（小于10kg/h）上，則很難解決。
  由于氯氣的大量存在，嚴(yán)格講已經(jīng)失去了二氧化氯投加的基本的意義，即降低水中三氯甲烷的含量。并且由于氯酸鈉的轉(zhuǎn)化率在實(shí)際運(yùn)行中通常不足50%，這使得當(dāng)投加量較高時，水中剩余的ClO₃^— 的濃度較高。正是以上諸多原因，在國外有關(guān)水廠二氧化氯應(yīng)用的資料中，還未有上述氯酸鈉工藝的報道。
  在我國，目前以氯酸鈉工藝為基礎(chǔ)的二氧化氯發(fā)生器仍是市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品之一，并在許多水廠中得以運(yùn)行。其主要是由于以下兩方面的原因。
 1） 我國對應(yīng)用于水廠的二氧化氯發(fā)生器，從設(shè)備選型、產(chǎn)品檢驗(yàn)、設(shè)計規(guī)范到處理水質(zhì)，都還沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)。對二氧化氯的使用仍不規(guī)范。多數(shù)使用二氧化氯的水廠，在設(shè)備檢驗(yàn)和出水檢測上仍使用與氯氣相同的指標(biāo)，如有效氯、余氯等。
 2） 由于我國經(jīng)濟(jì)總體水平還處于發(fā)展中國家的水平，運(yùn)行成本仍是目前水廠工藝選型的主要制約因素。以制取1kgClO₂來計，亞氯酸鈉法的成本約為30元，氯酸鈉法約20元。相差近1倍。這也是氯酸鈉法得以廣泛使用的主要原因之一。
  對二氧化氯發(fā)生器的應(yīng)用評價標(biāo)準(zhǔn)，終將會以處理水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。氯酸鈉工藝由于其本身的工藝缺陷，在應(yīng)用上會受到很大的限制。
1.2 亞氯酸鈉工藝
  亞氯酸鈉工藝常見的反應(yīng)原理有以下兩種：
 1） 5NaClO₂ + 4HCl = 4ClO₂ +5NaCl +2H₂O
 2） 2NaClO₂ + Cl₂ = 2ClO₂ + 2NaCl
 反應(yīng)式1是一個自氧化還原反應(yīng)，亞氯酸鈉既是氧化劑又是還原劑，鹽酸是酸化劑。因此，理論上有20%的亞氯酸鈉被還原成NaCl，如果以亞氯酸鈉轉(zhuǎn)化為二氧化氯為有效轉(zhuǎn)化來計，其高有效轉(zhuǎn)化率只有80%。但從產(chǎn)物中二氧化氯的實(shí)際收率來看，通常可以達(dá)到95%以上。反應(yīng)式2中氯氣作為還原劑參與反應(yīng)，使亞氯酸鈉的有效轉(zhuǎn)化率理論上可達(dá)到，在產(chǎn)物中，二氧化氯純度同樣可達(dá)到95%以上。
 一． 亞氯酸鈉加鹽酸工藝
  該工藝具有工藝簡單，不需要加溫，設(shè)備容易操作及維護(hù)，產(chǎn)物中二氧化氯純度高等優(yōu)點(diǎn)。是國外小型二氧化氯發(fā)生器常用的反應(yīng)原理。如德國的Prominent、ALLDOS美國的F&P公司都有相應(yīng)的產(chǎn)品，我國采用亞氯酸鈉產(chǎn)生二氧化氯的發(fā)生器也都以此工藝為基礎(chǔ)。
  從水廠的應(yīng)用實(shí)踐來看，本工藝主要存在以下的不足。
 1） 為達(dá)到95%的高產(chǎn)率，鹽酸應(yīng)過量。使出口藥液的pH值小于1。
 2） 由于鹽酸的需要量大，以一個5萬t的水廠為例，當(dāng)二氧化氯的投加量為1ppm時，鹽酸（濃度為25%）的日消耗量為300kg。因此，對中型以上的水廠采用此工藝，鹽酸的儲備需占用一定的空間。
 二．亞氯酸鈉加氯氣工藝
  工藝流程見下圖：
  據(jù)國外資料顯示，國外水廠中以此工藝為基礎(chǔ)的發(fā)生器的應(yīng)用約占70%。而國產(chǎn)設(shè)備在水廠中的應(yīng)用還未見報道，這主要是由于以下兩方面的原因：
 1） 我國目前二氧化氯的應(yīng)用仍主要集中在中小型水廠，尤其是縣級左右的小水廠，二氧化氯的需要量一般在300-1000g/h上下。對這部分水廠，操作簡單，使用安全是選擇二氧化氯的主要因素，而該工藝所含有的加氯系統(tǒng)無疑會增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，加大設(shè)備投資和管理水平，因此對中小型水廠來說，該工藝并無優(yōu)勢。
  國外二氧化氯廠商多數(shù)也是加氯機(jī)的生產(chǎn)商，因此在設(shè)備配套和系統(tǒng)集成上比較容易。

   而對國內(nèi)二氧化氯生產(chǎn)廠商則還不具有這方面的優(yōu)勢。因此在這方面的開發(fā)還比較落后。
 2） 但從二氧化氯在水廠尤其是大中型水廠進(jìn)行推廣使用的前景來看，此工藝則具有非常大的應(yīng)用優(yōu)勢。
  首先，從反應(yīng)式2可以看出，用氯氣取代鹽酸，提高了亞氯酸鈉的有效轉(zhuǎn)化率，降低了運(yùn)行成本。并且，避免了濃鹽酸在儲存、輸送及投加過程中對操作環(huán)境的影響。更容易實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的自動化程度。
 其次，本工藝可以根據(jù)實(shí)際需要單獨(dú)投加氯氣，或單獨(dú)產(chǎn)生二氧化氯。能大限度的適應(yīng)水廠水源水質(zhì)的變化要求。對一些水廠，尤其是以地表水為水源的水廠，通常水質(zhì)隨季節(jié)的變化而變化，當(dāng)處于豐水期時水質(zhì)較好，這時采用氯氣消毒即可達(dá)到處理要求，而在枯水期或由于其他原因造成的水質(zhì)變差時，再使用二氧化氯進(jìn)行消毒，可取得佳的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
 第三，隨著我國標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的健全，二氧化氯在我國大型水廠的應(yīng)用必將得到推廣。但對已建有氯氣消毒的水廠來說，就存在著是設(shè)備改造還是設(shè)備更新的問題。本工藝可以在原有的設(shè)備基礎(chǔ)上，增加一些簡單的設(shè)施就可達(dá)到以上二氧化氯和氯氣靈活使用的目的，因此，具有很大的使用價值。
  另外，采用此工藝生成的二氧化氯產(chǎn)物的pH值接近中性。可以較長時間保存，而不發(fā)生歧化反應(yīng)，可以通過中間儲存箱實(shí)現(xiàn)一臺設(shè)備，多個投加點(diǎn)的復(fù)雜情況。如圖所示。
  從以上對二氧化氯發(fā)生器的分析比較中可以看出，我國現(xiàn)在在二氧化氯的應(yīng)用上還存在著很多問題。對二氧化氯發(fā)生裝置的認(rèn)識和評價還不完善，對作為評價基礎(chǔ)的指標(biāo)體系還未建成。

與投加氯氣不同，氯氣投加只是單一藥劑的定量投加，自動化程度的高低只會影響量的準(zhǔn)確與否。而二氧化氯則是通過兩種藥劑的現(xiàn)場反應(yīng)來制取，要想準(zhǔn)確投加，必須對兩種藥劑進(jìn)行計量、準(zhǔn)確配比才能實(shí)現(xiàn)。否則，會因?yàn)榕浔炔划?dāng)而引起二氧化氯產(chǎn)率降低，副產(chǎn)物比率增加。降低消毒效果。嚴(yán)重時，會出現(xiàn)單藥劑投加而*失去消毒效果并污染水質(zhì)。
  從國外的應(yīng)用來看，二氧化氯發(fā)生器的運(yùn)行都采用自動化控制。通?？煞譃楣に囎詣踊刂坪驮O(shè)備運(yùn)行自動化控制。這兩者通過一個控制系統(tǒng)來完成。其中工藝自動化是指通過外部信號（如處理水流量、剩余二氧化氯濃度等）對投藥量進(jìn)行控制，以求達(dá)到適的投加量。而設(shè)備運(yùn)行自動化是指關(guān)于設(shè)備本身正常運(yùn)行的自動化控制，包括兩種藥劑的自動配比、故障自動報警及事故自動處理等。
  我國目前二氧化氯發(fā)生器在水廠中應(yīng)用的自動化程度還較低，一些中小型水廠的二氧化氯發(fā)生器的運(yùn)行還*采用手動標(biāo)定兩種藥液滴數(shù)來計量，*無法控制二氧化氯的產(chǎn)量和投加量。二氧化氯發(fā)生器是集物料計量、現(xiàn)場反應(yīng)，定量投加于一體的消毒設(shè)備。設(shè)備的自動化程度直接關(guān)系到二氧化氯在產(chǎn)物中的產(chǎn)率，以及消毒水中副產(chǎn)物的殘留濃度。因此，筆者認(rèn)為，在我國水廠推廣二氧化氯應(yīng)用時，應(yīng)改變以往片面重視設(shè)備投資的觀點(diǎn)，應(yīng)重視設(shè)備本身自動化的程度，結(jié)合具體水源的特點(diǎn)選用合理的控制方式，才能取得佳的處理效果和經(jīng)濟(jì)效益。

 所謂的二氧化氯使用方式，主要是指二氧化氯的投加點(diǎn)和投加量。二氧化氯作為強(qiáng)氧化劑和消毒劑，其性能要高于氯氣。因此，二氧化氯可以作為水廠的單一消毒劑。但當(dāng)考慮到不同消毒劑的特性及經(jīng)濟(jì)因素時，二氧化氯和其他消毒劑的聯(lián)合使用往往會取得更佳的處理效果和更低的處理成本。
  一般二氧化氯作為單一消毒劑時，投加點(diǎn)應(yīng)在過濾之后，并應(yīng)在進(jìn)入清水池前保證與原水的充分混合。投加量一般應(yīng)控制在2ppm之內(nèi)。對一些污染嚴(yán)重的水源，單獨(dú)采用二氧化氯消毒，會使投加量上升至3-5ppm，如在寧夏某水廠的應(yīng)用實(shí)踐表明，單獨(dú)使用二氧化氯消毒時，要滿足出水衛(wèi)生指標(biāo)合格的投加量平均為4.1ppm。這一方面增加了水廠的制水成本，另外也大大增加了消毒后出水中剩余亞氯酸根的含量。因此在這種情況下，采用兩種消毒劑聯(lián)合投加會取得佳的處理效果。常見的這種組合消毒工藝如下圖所示。

 作者認(rèn)為圖中工藝流程對某些污染較重的水源具有較大的推廣價值，這個工藝具有以下兩大優(yōu)點(diǎn)。一是二氧化氯在混凝前與混凝劑同時投加，不僅可以通過氧化作用去除水中能產(chǎn)生三鹵甲烷前體物（如腐殖酸和黃腐酸等等），還可以改善膠體顆粒帶電性能，從而達(dá)到助凝作用。使沉淀、過濾的處理效率得到提高。預(yù)氧化投加二氧化氯的量一般控制在0.5-1.0ppm。二是濾后投加氯氣作為消毒劑，用來控制水中的細(xì)菌學(xué)指標(biāo)。氯氣的投加量可以降低，不僅大程度減少了水中三鹵甲烷的形成量，也可保證水中余氯持續(xù)的殺菌活力，操作檢測簡單，運(yùn)行費(fèi)用低。

1） 應(yīng)建立對二氧化氯發(fā)生器性能的綜合評價標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范二氧化氯發(fā)生器的產(chǎn)品市場。
 2） 應(yīng)制定適合于二氧化氯消毒的水質(zhì)檢驗(yàn)指標(biāo)，降低二氧化氯發(fā)生器在使用中產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物水平。
 3） 對大型水廠（尤其以地表水為水源的水廠），應(yīng)大力推廣以氯氣+亞氯酸鈉工藝為主的二氧化氯制備技術(shù)。
化學(xué)法二氧化氯發(fā)生器消毒系統(tǒng)