给水用二氧化氯发生器消毒的探讨

第24卷第3期V ol.24N o.32003青岛建筑工程学院学报Journ al of Qin gdao Instituteof Arch itecture and Engin eering 给水用二氧化氯发生器消毒的探讨X于崇涛1,徐效军2,刘莉娜2,李金成3,王永仪2(1.青岛市自来水集团有限公司,青岛266002; 2.青岛海晟环保技术有限公司,青岛266042;3.青岛建筑工程学院环境工程系,青岛266033)摘　要:对应用于给水消毒中的二氧化氯发生器的制备工艺、控制方式、运行管理等进行了探讨,认为目前一些水厂在二氧化氯发生器的使用上仍存在着一些误区,结合在青岛平度兴平水厂中应用二氧化氯器进行总结,旨在促进二氧化氯在我国水厂的推广使用.关键词:二氧化氯发生器,给水消毒,应用探讨中图分类号:T U991.25氯气作为一种成熟的消毒剂已有百余年的应用历史,但近年来由于源水水质的恶化,氯化消毒所引发的环境健康问题已逐渐引起人们的重视.为解决这一问题,自20世纪70年代以后,氯化消毒的替代品研究逐渐深入,二氧化氯就是其中首选的替代物之一.鉴于二氧化氯独特的消毒优势,目前欧洲已有数千家水厂采用二氧化氯作为消毒剂,美国也有400余家水厂采用二氧化氯作为消毒剂.我国饮水处理厂在二氧化氯的应用方面起步较晚,发展也较慢.从20世纪90年代以后,二氧化氯发生器才开始在一些中小型水厂中得到应用.目前为解决水厂氯消毒所带来的一些问题,二氧化氯发生器的应用已逐渐引起人们的关注,一些新建水厂已开始直接选用二氧化氯发生器取代加氯机,另外一些存在氯消毒问题的老水厂也在考虑采用二氧化氯替代氯气进行工艺改造.笔者结合目前实际情况,对二氧化氯发生器在我国水厂中应用的问题进行探讨.1　二氧化氯制取工艺的探讨二氧化氯性质活泼,不易贮存和运输,目前国内外饮水使用二氧化氯均采用现场制备的方式,这种能现场制备二氧化氯的装置称之为二氧化氯发生器.通常水厂使用的二氧化氯发生器均采用化学反应原理进行二氧化氯的制备,根据采用原料的不同,可分为氯酸钠工艺和亚氯酸钠工艺[1].1.1　氯酸钠工艺采用氯酸钠和盐酸为原料进行二氧化氯的制备,其反应式如下:NaClO3+2HCl=ClO2+1/2Cl2+NaCl+H2O由上式可以看出,在二氧化氯产生的同时,还有约占二氧化氯产量一半的氯气产生,实验结果同时表明,本工艺中二氧化氯的有效转化率一般只有50%左右,并且受到反应温度和盐酸浓度的影响.要提高二氧化氯的转化率,必需保持较高的反应温度(约70℃)和加大盐酸的反应过剩量,但这同时又会导致氯气产率的提高,使反应产物中氯气的含量增大.该矛盾在稳定态二氧化氯的大规模工业化生产过程中,可以通过多级加温,空气逆向逐级吹脱的方式来富集二氧化氯而得到解决,但小型二氧化氯设备(小于10kg/ h),则很难解决.由于氯气的大量存在,严格讲已经失去了二氧化氯投加的最基本的意义,即降低水中三氯甲烷的含量.并且由于氯酸钠的转化率在实际运行中通常不足50%,这使得当投加量较高时,水中剩余的ClO-3的浓度较高.正是以上诸多原因,在国外有关二氧化氯应用方面的资料中,还未有采用氯酸钠工艺的报道.X收稿日期:2003-03-21在我国,目前以氯酸钠工艺为基础的二氧化氯发生器仍是市场上的主导产品之一,并在许多水厂中得以运行.其主要是由于以下两方面的原因.(1)我国对应用于水厂的二氧化氯发生器,从设备选型、产品检验、设计规范到处理水质,都还没有统一的国家标准.二氧化氯的使用仍不规范,多数使用二氧化氯的水厂,在设备检验和出水检测上仍使用与氯气相同的指标,如有效氯、余氯等.(2)由于我国经济总体发展水平还比较低,运行成本仍是目前水厂工艺选型的主要制约因素.以制取1kgClO 2来计,亚氯酸钠法的成本约为30元,氯酸钠法约20元,相差近1倍,这也是氯酸钠法得以广泛使用的主要原因之一.对二氧化氯发生器的应用评价标准,最终将会以处理水的水质标准为依据.氯酸钠工艺由于其本身的工艺缺陷,在应用上会受到很大的限制.1.2　亚氯酸钠工艺亚氯酸钠工艺通常采用以下两种反应原理制备二氧化氯. (1)5NaClO 2+4HCl=4ClO 2+5NaCl+2H 2O (2)2NaClO 2+Cl 2=2ClO 2+2NaCl反应式(1)是一个自氧化还原反应,亚氯酸钠既是氧化剂又是还原剂,盐酸是酸化剂.理论上有20%的亚氯酸钠被还原成NaCl ,如果以亚氯酸钠转化为二氧化氯为有效转化来计,其最高有效转化率只有80%,但从产物中二氧化氯的实际收率来看,通常可以达到95%以上.反应式(2)中氯气作为还原剂参与反应,使亚氯酸钠的有效转化率理论上可达到100%,在产物中,二氧化氯纯度同样可达到95%以上.1.2.1　亚氯酸钠加盐酸工艺　该工艺具有工艺简单、不需要加温、设备容易操作及维护、产物中二氧化氯纯度高等优点,是国外小型二氧化氯发生器常用的反应方式.如德国的Pro minent 、ALLDOS,美国的F&P 公司都有相应的产品,我国采用亚氯酸钠产生二氧化氯的发生器也都以此为基础.从水厂的应用实践来看,本工艺主要存在以下的不足:(1)为达到95%的高产率,盐酸应过量,使出口药液的pH 值小于1;(2)由于盐酸的需要量大,以一个5万t 的水厂为例,当二氧化氯的投加量为1mg /L 时,盐酸(浓度为25%)的日消耗量为300kg.因此,对中型以上的水厂采用此工艺,盐酸的储备需占用一定的空间.1.2.2　亚氯酸钠加氯气工艺　工艺流程如图1所示.图1　亚氯酸钠加氯气生产二氧化氯工艺据国外资料显示,国外水厂中以此工艺为基础的发生器的应用约占70%.而国产设备在水厂中的应用还未见报道,这是由于(1)国内目前二氧化氯的应用仍主要集中在中小型水厂,尤其是市县级的小水厂,二氧化氯的投加量一般在300～1000g /h 左右.对这部分水厂,采用二氧化氯消毒主要考虑其操作简单、使用安全.而亚氯酸钠加氯气工艺所含有的加氯系统无疑会增加系统的复杂程度,加大设备投资和管理水平,因此对中小型水厂亚氯酸钠加氯气工艺并无优势;(2)国外二氧化氯生产厂商大多数同时生产加氯机,因此在设备配套和系统集成上比较容易实现.而对国内二氧化氯生产厂商则还不具有这方面的优势,所以在这方面的开发还比较落后.但从二氧化氯在水厂尤其是大中型水厂进行推广使用的前景来看,此工艺则具有非常大的应用优势.首先,从反应式(2)可以看出,用氯气取代盐酸,提高了亚氯酸钠的有效转化率,降低了运行成本.并且,避免了浓盐酸在储存、输送及投加过程中对操作环境的影响,更容易实现设备运行的自动化程度;其次,本工艺可以根据实际需要单独投加氯气,或单独产生二氧化氯,能最大限度的适应水厂水源水质的变化要求.对一些水厂,尤其是以地表水为水源的水厂,通常水质随季节的变化而变化,当处于丰水期时水质较好,这时采用氯气消毒即可达到处理要求.而在枯水期或由于其他原因造成的水质变差时,再使用二氧化氯进行54青岛建筑工程学院学报第24卷消毒,可取得最佳的经济和环境效益[2];第三,随着我国相应标准和规范的健全,二氧化氯在我国大型水厂的应用必将得到推广.但对已建有氯气消毒的水厂来说,就存在着进行设备改造或进行设备更新的问题.本工艺可以在原有设备基础上,增加一些简单的设施就可达到上述二氧化氯和氯气兼顾灵活应用的目的,因此,具有很大的应用价值.另外,采用此工艺生成的二氧化氯产物的pH 值接近中性.可以较长时间保存,而且不会发生歧化反应,可以通过中间储存箱实现一台设备多点加药的应用要求.从以上对二氧化氯发生器的分析比较中可以看出,目前我国现在在二氧化氯的应用上还存在着诸多问题.对二氧化氯发生装置的认识还不够,作为评价基础的指标体系还未建成.2　二氧化氯在水厂应用中自动化控制的探讨与投加氯气不同,氯气投加只是单一药剂的定量投加,自动化程度的高低只会影响量的准确与否.而二氧化氯则是通过两种药剂的现场反应来制取,要实现准确投加,必须对两种药剂进行精确计量、准确配比.否则,会因为配比不当而引起二氧化氯产率降低,副产物比率增加,影响消毒效果,严重时会导致单药剂投加而完全失去消毒作用并污染水质.从国外的应用来看,二氧化氯发生器的运行均采用自动化控制,通常可分为工艺自动化控制和设备运行自动化控制,两者可通过一套控制系统来实现.其中工艺自动化是指通过外部信号(如处理水流量、剩余二氧化氯浓度等)对投药量进行控制,以求达到最适的投加量;而设备运行自动化是指设备本身正常运行的自动化控制,包括两种药剂的自动配比、故障自动报警及事故自动处理等[3].我国目前二氧化氯发生器在水厂中应用的自动化程度还较低,一些中小型水厂的二氧化氯发生器的运行还完全采用手动标定药液进行计量,无法有效控制二氧化氯的产量和投加量.二氧化氯发生器是集物料计量、现场反应、定量投加于一体的消毒设备.设备的自动化程度直接关系到二氧化氯的产率,以及消毒水中副产物的残留浓度.因此,笔者认为,在我国水厂进行二氧化氯应用推广时,应改变以往片面重视设备投资的观点,应重视设备自动化控制的水平,结合具体水源的特点选用合理的控制方式,才能取得最佳的处理效果和经济效益.3　二氧化氯使用方式的探讨所谓的二氧化氯使用方式,主要是指二氧化氯的投加点和投加量.二氧化氯作为强氧化剂和消毒剂,其性能指标要高于氯气,因此,二氧化氯可以作为水厂的单一消毒剂.但当考虑到不同消毒剂的特性及经济因素时,二氧化氯和其他消毒剂的联合使用往往会取得更佳的处理效果和更低的处理成本.图2　组合消毒工艺流程一般二氧化氯作为单一消毒剂时,投加点应在过滤之后,并在进入清水池前保证与原水的充分混合.投加量一般应控制在2mg /L 之内,但对一些污染严重的水源,单独采用二氧化氯消毒,会使投加量上升至3～5mg /L,增加了水厂的制水成本,另外也大大增加了消毒后出水中剩余亚氯酸根的含量,因此在这种情况下,采用两种消毒剂联合投加会取得最佳的处理效果.青岛平度兴平水厂是平度自来水公司于2000年兴建的一期工程4万t 水厂.水厂采取的处理工艺如图2所示.该水厂消毒系统已正常投入运行一年时间.结合现场运行情况,该工艺主要具有以下两大优点:一是二氧化氯在混合前与混凝剂同时投加,不仅可以通过氧化作用去除水中能产生三卤甲烷前体物(如腐殖酸和黄腐酸等等),还可以改善胶体颗粒带电性能,从而达到助凝作用,使沉淀、过滤的处理效率得到提高,预氧化投加二氧化氯的量一般控制在0.5～1.0mg /L;二是滤后投加氯气作为消毒剂,用来控制水中的细菌指标.氯气的投加量可以降低,不仅最大程度减少了水中三卤甲烷的形成量,也可保证水中余氯持续的杀菌活力,操作检测简单,运行费用低.55第3期于崇涛等:给水用二氧化氯发生器消毒的探讨56青岛建筑工程学院学报第24卷4　合理使用二氧化氯发生器的几点建议(1)应制定对二氧化氯发生器的综合评价标准,规范二氧化氯发生器产品市场.(2)应制定适合于二氧化氯消毒的水质检验指标,降低二氧化氯发生器在使用中产生的消毒副产物水平.(3)对中、大型水厂(尤其以地表水为水源的水厂),应大力推广以(氯气+亚氯酸钠)工艺为主的二氧化氯制备技术和(氯气+二氧化氯)组合消毒工艺.参　考　文　献[1]　黄君礼.新型消毒剂二氧化氯处理饮用水的研究.环境科学丛刊,1992(13):53-58[2]　黄君礼.二氧化氯在饮用水消毒中的应用前景.环境科学进展,1993(15):50-55[3]　任庆伟等.二氧化氯协同消毒再现自动控制系统的研究与应用.环境科学进展,1999,7(3):127-130The Discussion of Chlorine Dioxide Reactor Applied tothe Disinfections of Feed Water SystemYu Chong-tao1,Xu Xiao-jun2,Liu Li-na2,Li Jin-cheng3,Wang Yo ng-yi2(1.Qing dao T a p W ater Gr oup Co m.,L td.,Q ing dao266002; 2.Q ing dao Env ir onment T echnolog y Co m.,Lt d.,Q ing dao266042; 3.Q ingdao I nstitute of A r chitecture and Eng ineering,Qing dao266033)Abstract:T his paper discussed the manufactur ing craft,the m anipulative m ode and the operative management o f chlorine dio xide r eacto r w hich w as applied to the disinfections of feed w ater sy stem.. Some m isunder standing s of the application of the chlorine diox ide r eacto r w ere po inted out.Based on the application of chlorine diox ide reactor at Qingdao Xinping Water Plant,this paper gave som e advice fo r the appropriate application of chlo rine diox ide reactor in order to pr omote the use of chlor ine dioxide in our country.Key words:Chlorine diox ide reactor,disinfections of feed w ater,discussio n of application.作者简介:于崇涛,男,33岁,工程师。