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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(chǎng)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(lái)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(wèn)題以逐漸引起人們的重視。為解決這一問(wèn)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(shì)，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(guó)也有400余家水廠在消毒工藝中增加了二氧化氯。我國(guó)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(kāi)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(lái)的一些問(wèn)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(kāi)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(wèn)題的老水廠也在考慮用二氧化氯對(duì)氯氣進(jìn)行改造。本文在這種趨勢(shì)下對(duì)二氧化氯發(fā)生器在我國(guó)水廠中應(yīng)用的問(wèn)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(guó)內(nèi)外飲水使用二氧化氯都采用現(xiàn)場(chǎng)制備的方式，能現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(guò)剩量，但這同時(shí)又會(huì)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(gè)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(guò)多級(jí)加溫，空氣逆向逐級(jí)吹脫的方式來(lái)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(shí)，水中剩余的ClO₃^— 的濃度較高。正是以上諸多原因，在國(guó)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(bào)道。
  在我國(guó)，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(chǎng)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(guó)對(duì)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(jì)規(guī)范到處理水質(zhì)，都還沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)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(cè)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(guó)經(jīng)濟(jì)總體水平還處于發(fā)展中國(guó)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(lái)計(jì)，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(duì)二氧化氯發(fā)生器的應(yīng)用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，終將會(huì)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(huì)受到很大的限制。
1.2 亞氯酸鈉工藝
  亞氯酸鈉工藝常見(jiàn)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(gè)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(lái)計(jì)，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(lái)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(jiǎn)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(guó)外小型二氧化氯發(fā)生器常用的反應(yīng)原理。如德國(guó)的Prominent、ALLDOS美國(guó)的F&P公司都有相應(yīng)的產(chǎn)品，我國(guó)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(lái)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(guò)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(gè)5萬(wàn)t的水廠為例，當(dāng)二氧化氯的投加量為1ppm時(shí)，鹽酸（濃度為25%）的日消耗量為300kg。因此，對(duì)中型以上的水廠采用此工藝，鹽酸的儲(chǔ)備需占用一定的空間。
 二．亞氯酸鈉加氯氣工藝
  工藝流程見(jiàn)下圖：
  據(jù)國(guó)外資料顯示，國(guó)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(guó)產(chǎn)設(shè)備在水廠中的應(yīng)用還未見(jiàn)報(bào)道，這主要是由于以下兩方面的原因：
 1） 我國(guó)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(jí)左右的小水廠，二氧化氯的需要量一般在300-1000g/h上下。對(duì)這部分水廠，操作簡(jiǎn)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(wú)疑會(huì)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(duì)中小型水廠來(lái)說(shuō)，該工藝并無(wú)優(yōu)勢(shì)。
  國(guó)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(duì)國(guó)內(nèi)二氧化氯生產(chǎn)廠商則還不具有這方面的優(yōu)勢(shì)。因此在這方面的開(kāi)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(lái)看，此工藝則具有非常大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
  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(chǔ)存、輸送及投加過(guò)程中對(duì)操作環(huán)境的影響。更容易實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)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(duì)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(shí)水質(zhì)較好，這時(shí)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(shí)，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(guó)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的健全，二氧化氯在我國(guó)大型水廠的應(yīng)用必將得到推廣。但對(duì)已建有氯氣消毒的水廠來(lái)說(shuō)，就存在著是設(shè)備改造還是設(shè)備更新的問(wèn)題。本工藝可以在原有的設(shè)備基礎(chǔ)上，增加一些簡(jiǎn)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(jià)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?？梢暂^長(zhǎng)時(shí)間保存，而不發(fā)生歧化反應(yīng)，可以通過(guò)中間儲(chǔ)存箱實(shí)現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備，多個(gè)投加點(diǎn)的復(fù)雜情況。如圖所示。
  從以上對(duì)二氧化氯發(fā)生器的分析比較中可以看出，我國(guó)現(xiàn)在在二氧化氯的應(yīng)用上還存在著很多問(wèn)題。對(duì)二氧化氯發(fā)生裝置的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)還不完善，對(duì)作為評(píng)價(jià)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(dòng)化程度的高低只會(huì)影響量的準(zhǔn)確與否。而二氧化氯則是通過(guò)兩種藥劑的現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)來(lái)制取，要想準(zhǔn)確投加，必須對(duì)兩種藥劑進(jìn)行計(jì)量、準(zhǔn)確配比才能實(shí)現(xiàn)。否則，會(huì)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)單藥劑投加而*失去消毒效果并污染水質(zhì)。
  從國(guó)外的應(yīng)用來(lái)看，二氧化氯發(fā)生器的運(yùn)行都采用自動(dòng)化控制。通常可分為工藝自動(dòng)化控制和設(shè)備運(yùn)行自動(dòng)化控制。這兩者通過(guò)一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)完成。其中工藝自動(dòng)化是指通過(guò)外部信號(hào)（如處理水流量、剩余二氧化氯濃度等）對(duì)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(dòng)化是指關(guān)于設(shè)備本身正常運(yùn)行的自動(dòng)化控制，包括兩種藥劑的自動(dòng)配比、故障自動(dòng)報(bào)警及事故自動(dòng)處理等。
  我國(guó)目前二氧化氯發(fā)生器在水廠中應(yīng)用的自動(dòng)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(dòng)標(biāo)定兩種藥液滴數(shù)來(lái)計(jì)量，*無(wú)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(jì)量、現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)，定量投加于一體的消毒設(shè)備。設(shè)備的自動(dòng)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(guó)水廠推廣二氧化氯應(yīng)用時(shí)，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(dòng)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(shí)，二氧化氯和其他消毒劑的聯(lián)合使用往往會(huì)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(shí)，投加點(diǎn)應(yīng)在過(guò)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(duì)一些污染嚴(yán)重的水源，單獨(dú)采用二氧化氯消毒，會(huì)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(shí)，要滿(mǎn)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(huì)取得佳的處理效果。常見(jiàn)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(duì)某些污染較重的水源具有較大的推廣價(jià)值，這個(gè)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(shí)投加，不僅可以通過(guò)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(guò)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(lái)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(cè)簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低。

1） 應(yīng)建立對(duì)二氧化氯發(fā)生器性能的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范二氧化氯發(fā)生器的產(chǎn)品市場(chǎng)。
 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(duì)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)