二氧化氯在自來水消毒中的應用

楊海珊

摘 要：主要針對二氧化氯在自來水消毒中的應用展開了探討，對二氧化氯的特性、消毒原理和優點作了說明，詳細闡述了二氧化氯的制備方法，并分析了二氧化氯在水廠應用中自動化控制的問題，以期能為有關方面提供參考和借鑒。

關鍵詞：二氧化氯；自來水消毒；氯酸鈉法；亞氯酸鈉法

中圖分類號：TU991.25 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.096

二氧化氯消毒在凈化自來水中已得到了廣泛的使用，但在使用過程中卻存在著一定的問題，影響著二氧化氯的實際應用。因此，我們需要認真了解二氧化氯的全方位特點，采取有效的措施做好自來水的消毒工作。基于此，本文就二氧化氯在自來水消毒中的應用進行探討，相信對有關方面有一定的幫助。

1 二氧化氯的特性、消毒原理和優點

1.1 二氧化氯的特性

在常溫常壓下，二氧化氯是一種帶有辛辣氣味的黃綠色刺激性氣體，易溶于水，易揮發。ClO2是很強的氧化劑，其氧化能力約為氯的2.5倍，漂白能力約為氯的2.63倍，與水中雜質的反應速度也比氯快。

1.2 二氧化氯的消毒原理

二氧化氯與水中的有機物主要發生氧化還原反應，其產物主要有酸、醇、環氧化物等無毒的以含羧基為主的產物。研究認為，投加二氧化氯后能減少三鹵甲烷的生成。由于二氧化氯的擴散速度比氯快，滲透能力比氯強，對細菌的細胞壁有較強的吸附和穿透能力，因此能滲透到細胞內部，有效地氧化細菌內含巰基的酶，使微生物蛋白質中的氨基酸和核酸氧化分解，導致氨基酸鏈斷裂，蛋白質合成被抑制、破壞并失去功能。在氨基酸中，芳香族和含硫氨基酸最容易被二氧化氯破壞。微生物被殺滅以后，其殘留的細胞結構也會被二氧化氯分解。

1.3 二氧化氯消毒的優點

運用二氧化氯消毒具有以下多個優點：①殺菌能力強，消毒快而耐久；②能有效控制色度和臭味，高效地消滅和控制原生動物、藻類、真菌和生物膜；③應用pH范圍廣，殺菌性能基本保持不變；④適用的水質范圍廣，不與氨發生反應；⑤氧化有機物能力強，能有效去除水中的酚類及亞硝酸等有害物質；⑥消毒副產物少。

2 二氧化氯的制備

ClO2的制備方法可以分為化學法、電解法和穩定性二氧化氯活化法3大類。目前，自來水凈化中均采用化學反應的原理制備。根據采用的原料不同，國內主要有氯酸鈉法和亞氯酸鈉法2種。

2.1 氯酸鈉法

氯酸鈉工藝采用氯酸鈉和鹽酸為原料進行反應，反應式如下：

NaClO3+2HCl=ClO2+1/2Cl2+NaCl+H2O.

由上式可以看出，在二氧化氯產生的同時還有約占二氧化氯產量一半的氯氣產生。本工藝中，二氧化氯的有效轉化率一般只有50%左右，并且受到反應溫度和鹽酸濃度的影響，必須保持一定的反應溫度（約70 ℃）和加大鹽酸的富余量。由于副反應的存在，Cl2的產率提高，使反應物中Cl2的含量增大，甚至超過ClO2的含量，產出物變成以Cl2為主。這個矛盾在穩定態二氧化氯的工業化大規模生產中，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，但在水廠應用的小型二氧化氯設備上，則很難解決。

2.2 亞氯酸鈉法

亞氯酸鈉工藝主要有2種，即亞氯酸鈉加氯氣工藝和亞氯酸鈉加鹽酸工藝。

2.2.1 亞氯酸鈉加氯氣工藝

該工藝合成反應有2個階段，分別為氯氣溶于水生成次氯酸，次氯酸與亞氯酸鈉反應生成二氧化氯。反應式如下：

2NaClO2+Cl2=2ClO2+2NaCl.

2.2.2 亞氯酸鈉加鹽酸工藝

本單位采用化學氧化法，以亞氯酸鈉加鹽酸為原料制取。制取方法：首先在2個溶液槽中分別配制一定質量分數的鹽酸和亞氯酸鈉溶液，亞氯酸鈉溶液的質量分數為7.5%，鹽酸與水混合后的質量分數為10%.配制溶液時，需佩戴防毒面具和橡膠手套，避免2種藥劑相互接觸，將配制好的2種藥劑分別經過連接管線加入各自的貯藥罐，經相應的進口計量泵準確計量后打入ClO2發生器。約反應20 min后，便形成ClO2溶液，由出口管道投加到工藝消毒點。與水接觸的時間為15～30 min，出廠水中游離的余氯不少于0.1 mg/L。夏季應增加投加量，使出廠水中游離的余氯到達0.3 mg/L。管網末梢水中的余量不少0.02 mg/L。此外，還應根據凈化構筑物凈化水的數量，四季各不相同進行投加。經消毒，最終達到《生活自來水衛生標準》（GB 5749—2006）。

2.2.3 亞氯酸鈉加鹽酸制取

亞氯酸鈉加鹽酸制取，反應式如下：

5NaClO2+4HCl=4ClO2+5NaCl+2H2O.

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%的亞氯酸被還原成氯化鈉（NaCl）。如果以亞氯酸鈉轉化為二氧化氯為有效轉化來計，其最高有效轉化率只有80%.但從產物中二氧化氯的實際產率來看，通常可以達到95%以上。

該工藝具有工藝簡單，不需要加溫，設備容易操作及維護，產物中二氧化氯純度高等優點，并且ClO2余量能在管網中保持很長時間，消毒效果受水的pH值影響極小，還能有效地去除或降低水的色、嗅及鐵、錳等物質。不過，作為消毒劑，一般ClO2投量約在1.0～2.0 mg/L范圍內時不會產生副作用，但作為氧化劑，ClO2投加量變化較大，應注意水中剩余ClO2和ClO2-的副作用。

3 有害副產物的生成抑制和消除

二氧化氯凈化自來水時，產生的有機副產物很少，主要集中在對無機副產物的抑制和消除上。雖然二氧化氯的制備方法有很多，但都不能產生100%純的二氧化氯，都不可避免地會產生亞氯酸鹽和氯酸鹽等副產物。而且二氧化氯凈化水的過程中，也會有50%～70%轉化為亞氯酸鹽。亞氯酸鹽和氯酸鹽對人體會產生不利影響。二氧化氯的制備方法、發生裝置都在不斷改進，二氧化氯的純度也越來越高。這樣既提高了二氧化氯的殺菌率和三氯甲烷類化合物的去除率，又降低了亞氯酸鹽及氯酸鹽的生成量，從而減少了有害副產物的量。

為了最大限度地減少副產物量，應該做好以下幾方面工作：①采用先進的二氧化氯發生方法和設計優良的發生器，盡量減少發生器產物中的副產物產量，控制發生原料的流失。如果采用亞氯酸鈉與氯反應發生法，一般應采用較高濃度的原料進行反應，并控制投加氯氣的量，氯氣控制發生原料的流失。如果采用亞氯酸鈉與氯反應發生法，一般應采用較高濃度的原料進行反應，并控制投加氯氣的量。氯氣稍過量投加，以便亞氯酸鈉反應完全，同時又不至于影響產物二氧化氯的純度；氯氣的量如果控制不好，就容易引發副反應而生成氯酸根離子。如果采用氯酸鈉法，同樣要設法提高反應原料的轉化率，探求反應的最佳濃度、酸度、溫度、壓力，設法使反應殘液經分離后，未反應的氯酸根能循環使用而不是直接進入水體，以減少水體中氯酸根離子的含量。②要做好水源保護工作，提高二氧化氯應用工序之前處理工藝的效率，最大限度地降低水體與二氧化氯發生反應物質的濃度，從而減少二氧化氯的投加量以及有機和無機副產物的生成量。③在二氧化氯應用工藝階段，注意適量投加二氧化氯，在滿足氧化和消毒要求的情況下，盡量減少二氧化氯的殘余量，并且不要使二氧化氯暴露在陽光下而光解，同時注意水體的pH等條件，充分發揮二氧化氯的氧化能力。④當水體中產生的副產物濃度依然較高時，必須采用一定的處理工藝將之去除。對于亞氯酸鹽，由于其具有氧化性，在一定條件下它們很容易氧化還原性物質而自身被還原為氯離子，因而易于消除。而對于氯酸鹽，目前則缺乏有效的去除方法。不過，一般氯酸鹽的產生量遠小于亞氯酸鹽，其毒性也遠比亞氯酸鹽弱。氯酸鹽的控制主要采用的是發生器控制技術。對于亞氯酸鹽發生法，將氯和濃亞氯酸鈉在真空條件下反應，其二氧化氯產率可以超過95%，氯酸鹽的形成很少；對于氯酸鹽發生法，主要控制反應的pH為酸性，所產生的二氧化氯中也很少有氯酸鹽。另外，注意使用時不要暴露在日光下。

4 二氧化氯—氯混合消毒

研究證明，二氧化氯—氯混合消毒劑可大大降低副產物ClO2-的生成量，生成的ClO2-為ClO2投量的40%左右。采用2種消毒劑聯合投加會取得最佳的處理效果。常見的組合消毒工藝如下圖所示。

圖1所示的工藝流程對某些污染較重的水源具有較大的推廣價值。該工藝具有以下2個優點：①二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產生的三鹵甲烷前體物，還可以改善膠體顆粒的帶電性能，從而起到助凝作用，并使沉淀、過濾的處理效率得到提高。預氧化投加二氧化氯的量一般控制在氯氣預氧化劑量的30%～50%.②濾后投加氯氣作為消毒劑，用來控制水中的細菌學指標。氯氣的投加量可以適當減少。這樣，不僅可以最大限度地減少水中三鹵甲烷的形成量，還可以保證水中余氯持續的殺菌活力，操作檢測簡單，運行費用低。

5 結束語

綜上所述，二氧化氯在自來水消毒中有著廣泛的應用，但是其容易與水中的一些有機物質發生反應，產生對人體有害的三氯甲烷及氯苯等有機氯化物。因此，為了能有效地對自來水進行消毒，就需要更進一步采取有效措施做好相應的工作。

參考文獻

[1]王建蓉，馬鈴，周智勇，等.自來水二氧化氯消毒存在的問題[J].西南給排水，2014（03）.

[2]張海龍.自來水消毒中二氧化氯的應用研究[J].科技創新導報，2013（26）.

〔編輯：劉曉芳〕