试议二氧化氯与臭氧在水处理中的应用
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摘要:为了满足人们对水质的不断要求,二氧化氯和臭氧是今后水处理中的主要应用方向。本文对二氧化氯和臭氧消毒机理、氧化消毒特性及经济性等方面进行介绍分析。
Abstract: In order to satisfy the constant demands on water quality, chlorine dioxide and ozone water treatment are the main application directions in the future. In this paper, the mechanism of chlorine dioxide and ozone disinfection, oxidation and disinfection and features are introduced and analyzed.
关键词:二氧化氯;臭氧;消毒;饮用水处理
Key words: chlorine dioxide;ozone;disinfection;drinking water treatment
中图分类号:TU991文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)09-0246-01
1二氧化氯(ClO2)
1.1 二氧化氯的氧化消毒特性。ClO2是较强的氧化剂,氧化水中有机物具有选择性。①ClO2氧化能力强,其氧化能力是氯的2.5倍,能迅速杀灭水中的病原菌、病毒和藻类(包括芽孢、病毒和蠕虫等)。②与氯不同, ClO2消毒性能不受pH值影响。这主要是因为氯消毒靠次氯酸杀菌而二氧化氯则靠自身杀菌。③ClO2不与氨或氯胺反应,在含氨高的水中也可以发挥很好的杀菌作用,而使用氯消毒则会受到很大影响。④ClO2随水温升高灭活能力加大,从而弥补了因水温升高ClO2在水中溶解度的下降。⑤ClO2的残余量能在管网中持续很长时间,故对病毒、细菌的灭活效果比臭氧和氯更有效。⑥ClO2具有较强的脱色、去味及除铁、锰效果。⑦ClO2消毒只是有选择的与某些有机物进行氧化反应将起降解为含氧基团为主的产物。不产生氯化有机物,所需投加量小,约为氯投加量的40%不受水中氨氮的影响。因此,采用ClO2代替氯消毒,可使水中三氯甲烷生成量减少90%。
1.2 二氧化氯的制备及经济性比较。ClO2的制备方法有化学反应法、电解食盐法、离子交换法等。其中化学法和电解法在生产上应用较多。
①化学法。化学反应制取ClO2的方法有:a.盐酸与亚氯酸钠反应:5NaClO2+4HCl=5NaCl+4ClO2+2H2O;b.盐酸与氯酸钠反应: NaClO3+2HCl=NaCl+ClO2+H2O;c.液气混合反应:2NaClO2+Cl2=2NaCl+2ClO2。
目前,一般谈到的化学法制取ClO2指方法a。这种方法生产规模较小,设备简单,便于实现自动化操作,适于水处理中生产应用;但碰到的问题同样是NaClO2价格昂贵,且该法ClO2的理论产率只有80%。为此,有公司研制出使用NaClO2和H2SO4反应制取ClO2的二氧化氯发生器。
②电解法。电解NaCl溶液生产ClO2以食盐为原料,采用隔膜电解工艺,在阳极室注入饱和食盐水,阴极室加入自来水,接通电源后使离子定向迁移,从而在阳极室及中性电极周围产生ClO2、O3、H2O、Cl2等混合气体。生产中可以通过降低电解温度,控制盐水流量,增加阳极室ClO2含量等方法提高ClO2产率。产生的混合气体ClO2仅占10%左右,除了O3、H2O2外,大部分是氯气。这就无法避免液氯消毒的缺点。同时ClO2含量也难以精确计算,设备复杂,易损坏部件价格昂贵,运行维护困难。但目前国内仍多用此法。
2臭氧(O3)
2.1 臭氧的氧化消毒特性。①O3作为高效的无二次污染的氧化剂,是常用氧化剂中氧化能力最强的(O3>ClO2>Cl2>NH2Cl),其氧化能力是氯的2倍。②O3消毒受pH值、水温及水中含氨量影响较小,但也有一定的选择性。③O3去除微生物、水草、藻类等有机物产生的嗅、味,效果良好,脱色能力比Cl2和ClO2更为有效和迅速。④投加O3能改变小粒径颗粒表面电荷的性质和大小,使带电的小颗粒聚集;同时O3氧化溶解性有机物的过程中,还存在“徽絮凝作用”,对提高混凝效果有一定作用。⑤O3消毒效果好,剂量小,作用快,不产生三氯甲烷等有害物质,同时还可使水具有较好的感官指标。⑥O3能将水中不易降解的大分子有机物氯化分解为小分子有机物,并向水中充氧使水中溶解氧增加,为后续处理(特别是生物处理)提供了更好的条件。但从经济上考虑, O3投加量不可能太高,所以氧化并不彻底,如果后续工艺处理不当,也会产生三氯甲烷等有害物质。⑦在水处理过程中,应尽量不要生成新的三氯甲烷物质,因为三氯甲烷一且形成, O3也很难将其氧化去除。
2.2 臭氧的制备及经济性分析。生产O3的方法有无声放电法、放射法、紫外线法、电解法等。在实际净水厂应用中都采用无声放电法。
使氧气(O2)转变O3,首先需要有很大的能量将O-O键裂解为氧原子。无声放电就是利用高速电子来轰击氧气,使其分解成氧原子: O2=2O。
离解后的氧原子有些合成臭氧:3O=O3
有些重新合成为氧气,有些则和氧气合成为O3:O+O2=O3
上述反应都是可逆的,生成的O3也会分解成为氧原子活氧气。所以,通过放电区域的氧气中只有一部分能够变成O3,因此生产出来的O3通常指含一定浓度O3的空气,称为臭氧化空气,并非纯臭氧气。
根据目前的技术水平, O3的生产原料分为空气、纯氧气、液氧三种。
采用液氧一般适用于中小规模(臭氧量50kg/h的规模。利用干燥空气制取O3获得的臭氧浓度一般在1%～3%;而利用纯氧或液氧生产的臭氧浓度可达10%左右,而且空气制取O3的电耗约为另外两种方法的2倍。
3结论
3.1 ClO2和O3都是高效的氧化消毒剂,其氧化消毒能力受pH值及水中氨氮的影响均较小,消毒都不会产生三氯甲烷,是液氯消毒的理想替代产品。
3.2 ClO2和O3具有更高的稳定性,同时又比氯具有更强的消毒能力;但氧化能力比O3差。但用臭氧消毒时,为了维持管网中的持续消毒能力,需要采用氯、氯胺、二氧化氯等作为辅助消毒剂。
3.3 为避免生成三氯甲烷难以去除,在原水腐殖质、藻类、酚含量高的水厂,建议使用ClO2或O3进行预处理。
3.4 水处理中采用O3要比采用ClO2成本略高,但从水质来讲,采用臭氧-活性炭工艺要比采用ClO2好。就经济水平而言,这两种改进水质的方法都是可以接受的,各水厂可以根据具体情况采用相应的措施。
3.5 由于ClO2和O3氧化能力都很强,并都具有毒性和腐蚀性.在使用中要注意安全防护措施。
参考文献:
[1]梁光.城市污水再生水二氧化氯消毒研究[D].西安:西安建筑科技大学,2008.