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，實驗結(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)化率在實際運行中通常不足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、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)物中二氧化氯的實際收率來看，通?？梢赃_(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。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。更容易實現(xiàn)設(shè)備運行的自動化程度。
 其次，本工藝可以根據(jù)實際需要單獨投加氯氣，或單獨產(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現(xiàn)一臺設(shè)備，多個投加點的復(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)確配比才能實現(xiàn)。否則，會因為配比不當(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)生器的運行都采用自動化控制。通常可分為工藝自動化控制和設(shè)備運行自動化控制。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)備運行自動化是指關(guān)于設(shè)備本身正常運行的自動化控制，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，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)用實踐表明，單獨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。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，運行費用低。

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)。