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二氧化氯发生器在生活饮用水中的应用

点击数:16022018-02-05 11:01:32 来源: 重庆/贵州/四川农村饮水一体化净水设备_污水处理设备-重庆航正科技有限公司

  二氧化氯的应用于饮用水不产生“三致物质”,被世界卫生组织定为AI级的安全消毒剂,是氯气消毒的替代品。二氧化氯发生器在目前我国的饮用水处理中正逐步得到应用,是饮用水消毒剂的发展方向。
饮用水消毒的目的是杀灭水中对人体健康有害的绝大部分病原微生物,包菌、病毒、原生动物的胞囊等,以防止通过饮用水传播疾病。目前常用的饮用水消毒方法有氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒、紫外线消毒等<1>。其中氯消毒应用历史最久,使用也最为广泛,但对于受到有机物污染的水体,加氯消毒可以产生对人体有害的卤代消毒副产物,如三氯甲烷、卤乙酸等物质。臭氧的消毒能力高于氯,不产生氯代有机物,处理后水的口感好,但臭氧因自身分解速度过快,对管网无剩余保护,采用臭氧消毒的水厂还需在出厂水中投加二氧化氯作为剩余保护剂。此外臭氧不稳定,使用时需现场制备,设备复杂、使用不便、费用过高。二氧化氯消毒从20世纪70~80年代以来在欧洲得以应用。其优点是消毒能力高于或等于游离氯,不产生氯代有机物,消毒副产物生成量小,具有剩余保护作用,是一种优良的消毒杀菌剂,欧美等发达国家早已将二氧化氯代替氯气广泛应用于饮水处理和食品的杀菌、保鲜等方面,以避免氯气在自来水消毒杀菌过程中产生的致癌作用。
  随着我国经济的发展,人民生活水平的提高,一方面,人们对饮用水质的要求越来越高,另一方面,在发展经济的同时,造成的环境污染问题也日趋严重,特别是我国的水环境状况仍在恶化,主要河流有机物污染普遍,主要湖泊富营养化严重,而我国目前绝大多数水厂还沿用传统的混合、絮凝、沉淀、过滤、氯消毒水处理工艺,氯消毒对去除水中的有机物效果不理想,还会生成20多种副产物,包括三氯甲烷、卤乙酸等致癌物质,已引起人们的强烈关注和无限忧虑,随着欧美国家在水厂和其它行业广泛应用二氧化氯和国内对其在消毒方面的研究的加深,二氧化氯正逐步成为氯消毒的替代品。
由于二氧化氯具有不易储存、运输的特点,大量使用二氧化氯的场所必须现场制备、现场使用才安全,所以就产生了二氧化氯发生器。我国应用二氧化氯发生器消毒也有十多年的时间了,近年来,国内的主要二氧化氯发生器生产厂家通过改进二氧化氯发生器的生产工艺和技术,使制取二氧化氯的成本大幅度降低,技术指标和性能达到国外先进水平,使二氧化氯发生器得到广泛的应用。
一、二氧化氯的特性及杀菌机理
二氧化氯(CLO2)熔点-59℃,沸点11℃,是自然界中以单体游离原子团存在的少数化合物之一,常温下为黄绿色或橘红色气体,外观及气味酷似氯气,CLO2气体易溶于水,形成黄绿色的溶液,二氧化氯在水中的溶解度约为氯气的5倍,其杀菌能力是现有氯化消毒剂的3-5倍,在水中能氧化降解多种有机污染物而不产生致癌有毒的卤代有机物,可杀灭各种传染性病菌和病毒,能有效去除水中的色素,嗅味、异味等有害物质,消毒杀菌效果不受水中PH值和氨氮的影响,在使用过程中安全、无毒,对环境和水体不产生二次污染,因而二氧化氯是国际上公认的新一代广谱杀菌消毒剂,为世界各国广泛应用,世界卫生组织(WHO)将其定为AI级安全消毒剂<2>。
二氧化氯在水中的氧化还原电位高达1.5V,属极强氧化剂,能迅速氧化,破坏病毒衣壳上蛋白质中的酪氨酸,抑制病毒的特异性吸附,阻止其对宿生细胞的感染。CLO2与细菌及其它微生物蛋白质中的部分氨基酸发生氧化还原反应,使其氨基酸分解破坏,进而控制微生物蛋白质合成,最终导致细菌死亡,在已知的氨基酸中芳香族和含硫类氨基酸最易受到CLO2氧化破坏,氨基酸与CLO2反应顺序为:酪氨酸>色氨酸>半胱氨酸>蛋氨酸。
CLO2能较好地杀灭细菌、病毒,却不会对动、植物机体产生损伤,原因在于细菌细胞与人体、植物截然不同,细菌属原核细胞生物,其绝大多数酶系统分布于细胞膜近表面,易受攻击;而动植物多属真核细胞生物,其酶系统多深入到细胞里的细胞器中得到保护,因此,CLO2不易与其接触,不易受到伤害。此外,高等动、植物(包括人类)机体在受到外来物侵害时会自动产生抵抗外来物质的保护系统(如抗氧化系统等),从而完全保证机体不受CLO2等伤害,生物界对CLO2的敏感顺序为:非细胞病毒>单细胞原核生物(细菌)>单细胞真核生物>多细胞真核生物>高等动、植物。
所以,二氧化氯在消毒的同时,不会对人类、动、植物产生危害。
二、二氧化氯消毒剂同其它消毒剂的性能的比较
  饮用水消毒剂作为水质控制的一个重要环节,其效果令人关注,用有效性和稳定性来评价饮用水消毒剂的有效程度时,各类消毒剂的排列顺序为<3>:
有效性:臭氧>二氧化氯>液氯>氯胺
稳定性:氯胺>二氧化氯>液氯>臭氧
作为一种饮用水消毒剂,不但其杀菌能力要好,消毒性能要持久,而且其副产物还要少,不产生有毒物质,使用安全稳定也是很重要的。目前,常用的饮用水消毒剂有氯、臭氧、二氧化氯,下面对其性能及副产物作一比较,其结果且下表<4>:
 
 三、            二氧化氯发生器的反应原理
目前国内的高纯型二氧化氯发生器以化学法为主,化学法中又分为亚氯酸盐法和氯酸盐法。
3.1、亚氯酸盐法
一般用(CL2)或盐酸(HCL)与亚氯酸钠(NaCLO2)反应,其反应式如下<5>:
CL2+2NaCLO2          2CLO2+2NaCL                 (1)
5NaCLO2+4HCL          4CLO2+5NaCL+2H2O           (2)
依据(1)式制取CLO2的发生器,理论上1mol氯和2mol亚氯酸钠反应可生成2mol二氧化氯,但实际应用时,为加快反应速度,氯投加量往往超过化学计量的理论值,这样,产品中就会含有部分自由氯CL2,也会产生THMS,并且要使用氯气为原料,还是不安全和方便,因而以该法为原理的发生器在国内应用较少。
依据反应(2)式制取CLO2的发生器,要注意两种反应物(NaCLO2和HCL)的浓度控制,浓度过高,化合时有发生爆炸的危险,这种方法不存在自由氯,不会产生THMS,国内以亚氯酸钠为原料的发生器,大多以此原理制造,但消毒成本较高,用量大的用户无法接受。
3.2、氯酸盐法
目前常用的两种方法是:
      以氯酸钠和硫酸加还原剂的反应:
2NaCLO3 + 2H2SO4+H2O2          2CLO2+ 2 H2O + 2NaHSO4  +O2    (3)
以氯酸钠和盐酸的反应:
NaClO2+2HCl4 = ClO2+1/2Cl2 +NaCl+H2O        (4)
依据反应(3)式为原理的发生器,其消毒液中几乎不含有氯气,因而使水体不产生致癌物质,加之氯酸钠比亚氯酸钠的价格低,因而生产成本较亚氯酸钠法低得多,是目前国内高纯型发生器的主要反应原理之一。但国内能生产此类发生器的厂家不多,并且由于各个厂家的技术开发能力的差别,其发生器的技术性能相差较大。
依据反应(4)式为原理的发生器,目前在国内占主导地位,生产的厂家较多,但由于各个厂家的技术差别大,其发生器的技术性能相差很大。
四、            二氧化氯发生器的应用
4.1、用于饮用水处理的二氧化氯发生器的要求
 自从美国率先在饮用水中使用二氧化氯发生器获得成功后,欧美等国家的主要水厂都相继使用二氧化氯作为饮用水消毒剂,进行消毒、除臭、除蚀、除味、除铁、锰,控制卤代物的生成,国外的二氧化氯发生器普遍采用亚氯酸钠为原料,其产生的消毒气体中二氧化氯较高,但生产成本也高。我国从90年代初开始使用由二氧化氯发生器产生的CLO2用于饮用水消毒,目前国内北京、上海、山东、河南、河北、广东、浙江、江苏、四川、重庆、云南、贵州、海南、广西、陕西、湖北、湖南等省市的很多水厂都已换成二氧化氯发生器作为消毒设备,使用效果较好,重庆市早在1999年就制定了相应的二氧化氯消毒的地方标准,国家新的饮用水消毒规范中也将二氧化氯列入其中,可见其消毒的可靠性已被人们接受,现在国内生产二氧化氯发生器的厂家也较多,但由于其技术差距较大,因而产品的性能相差也较大,用于饮用水的二氧化氯发生器,一要原料转化率高,使消毒成本低;二要二氧化氯纯度高,才能起到不产生消毒副产物的作用;三要稳定可靠,确保饮用水消毒的稳定性和连续性;四要有残液自动分离装置,以防止未反应原料和反应副产物进入水体造成二次污染。正在制定的《二氧化氯消毒剂发生器安全与卫生标准》将在以上的四个方面有较高要求,防止劣质产品进入饮用水行业使用,对于饮用水消毒将起到安全保障作用。
4.2发生器在饮用水处理中的运行控制
4,2,1、发生器的运行工艺
氯酸钠与水按一定加入化料器溶解,制备好的氯酸钠混合溶液抽吸至原料罐中的氯酸钠储罐备用。浓硫酸经硫酸稀释器变为规定浓度的稀硫酸到储罐(盐酸外购回来后卸到盐酸罐中)备用,用泵或水射器抽吸至原料罐中备用。氯酸钠计量泵和稀硫酸(盐酸)计量泵根据控制设置分别将氯酸钠溶液和稀硫酸(盐酸)按比例送至二氧化氯发生器。原料在发生器内,经反应器进行充分反应生成二氧化氯,水射器产生负压并吸收二氧化氯形成消毒液至投加点,残液分离器自动分离排放残液,防止残液对饮用水体的污染。
4.2.2、控制原理
PLC可编程控制器根据用户设定的投加量和流量检测仪表测量的流量信号进行运算处理。通过控制计量泵的运行频率,实时调节两种原料(氯酸钠和酸)的加入量,控制二氧化氯消毒剂的产量。以满足水处理的需要。与此同时,在线余氯传感器将出厂水的余氯量检测值反馈给PLC可编程控制器,控制系统根据出厂水余氯设置目标值进行PID闭环运算处理,修正每吨水的消毒液投加量,从而实现流量比例控制和余氯反馈PID闭环控制相结合的控制方式,以满足水量及水质变化时对消毒剂投加量的不同需求。操作人员仅需保证原料罐中有足够的原料和动力水有足够流量及压力,设备就会自动按需投加消毒剂,使水中余氯量保持在设定目标值附近。让出厂水达到国家饮用水的消毒标准。
4.2.3、二氧化氯投加量的自动控制过程
消毒剂投加量控制过程采用流量比例控制和余氯反馈PID闭环控制相结合的控制方式运行:
消毒剂总投加量(或消毒剂发生器的产量)=待消毒水流量×单位投加量
其中待消毒水流量值直接由流量计检测提供,有了这个参数就可使系统对流量变化作出快速响应,可以有效避免震荡。另一个重要参数就是单位投加量,整个控制过程都是围绕确定单位投加量这个中心任务来进行的,而待消毒水的单位投加量是根据出厂水余氯的控制目标值及水质耗消毒剂量来确定的。PLC控制系统根据余氯传感器反馈回的清水池中余氯量的检测值,让其与设定的出厂水余氯目标值相比较。再通过PID控制运算方式处理,实时改变待消毒水单位投加量的大小,从而达到将出厂水余氯值控制在目标值允许范围之内。保证出厂水达到国家饮用水的消毒标准。
4.3、 二氧化氯发生器应用于生活给水处理的一般投加工艺流程图如下:
二氧化氯作为新型消毒剂,具有很多的优势,是国际卫生组织推荐的AI级安全消毒剂,其应用领域也越来越广阔,早在“九五“期间建设部就将二氧化氯列入替代氯系消毒剂的推广应用研究之列,现在全国各地的自来水处理、工业给水处理、冷却水处理、工业废水处理、生活污水、医疗废水等各行业都在应用二氧化氯发生器,随着人们对二氧化氯认识的加深,其应用领域还将进一步扩大,对于饮用水行业来说,使用高纯度、高性能的二氧化氯发生器是确保饮水安全和人们健康的需要,也是社会发展的必然趋势,因此,高性能发生器将在自来水消毒行业得到广泛的应用,其前景十分广阔。
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