二氧化氯在自来水消毒中的应用

杨海珊

摘 要：主要针对二氧化氯在自来水消毒中的应用展开了探讨，对二氧化氯的特性、消毒原理和优点作了说明，详细阐述了二氧化氯的制备方法，并分析了二氧化氯在水厂应用中自动化控制的问题，以期能为有关方面提供参考和借鉴。

关键词：二氧化氯；自来水消毒；氯酸钠法；亚氯酸钠法

中图分类号：TU991.25 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.096

二氧化氯消毒在净化自来水中已得到了广泛的使用，但在使用过程中却存在着一定的问题，影响着二氧化氯的实际应用。因此，我们需要认真了解二氧化氯的全方位特点，采取有效的措施做好自来水的消毒工作。基于此，本文就二氧化氯在自来水消毒中的应用进行探讨，相信对有关方面有一定的帮助。

1 二氧化氯的特性、消毒原理和优点

1.1 二氧化氯的特性

在常温常压下，二氧化氯是一种带有辛辣气味的黄绿色刺激性气体，易溶于水，易挥发。ClO2是很强的氧化剂，其氧化能力约为氯的2.5倍，漂白能力约为氯的2.63倍，与水中杂质的反应速度也比氯快。

1.2 二氧化氯的消毒原理

二氧化氯与水中的有机物主要发生氧化还原反应，其产物主要有酸、醇、环氧化物等无毒的以含羧基为主的产物。研究认为，投加二氧化氯后能减少三卤甲烷的生成。由于二氧化氯的扩散速度比氯快，渗透能力比氯强，对细菌的细胞壁有较强的吸附和穿透能力，因此能渗透到细胞内部，有效地氧化细菌内含巯基的酶，使微生物蛋白质中的氨基酸和核酸氧化分解，导致氨基酸链断裂，蛋白质合成被抑制、破坏并失去功能。在氨基酸中，芳香族和含硫氨基酸最容易被二氧化氯破坏。微生物被杀灭以后，其残留的细胞结构也会被二氧化氯分解。

1.3 二氧化氯消毒的优点

运用二氧化氯消毒具有以下多个优点：①杀菌能力强，消毒快而耐久；②能有效控制色度和臭味，高效地消灭和控制原生动物、藻类、真菌和生物膜；③应用pH范围广，杀菌性能基本保持不变；④适用的水质范围广，不与氨发生反应；⑤氧化有机物能力强，能有效去除水中的酚类及亚硝酸等有害物质；⑥消毒副产物少。

2 二氧化氯的制备

ClO2的制备方法可以分为化学法、电解法和稳定性二氧化氯活化法3大类。目前，自来水净化中均采用化学反应的原理制备。根据采用的原料不同，国内主要有氯酸钠法和亚氯酸钠法2种。

2.1 氯酸钠法

氯酸钠工艺采用氯酸钠和盐酸为原料进行反应，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。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，必须保持一定的反应温度（约70 ℃）和加大盐酸的富余量。由于副反应的存在，Cl2的产率提高，使反应物中Cl2的含量增大，甚至超过ClO2的含量，产出物变成以Cl2为主。这个矛盾在稳定态二氧化氯的工业化大规模生产中，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，但在水厂应用的小型二氧化氯设备上，则很难解决。

2.2 亚氯酸钠法

亚氯酸钠工艺主要有2种，即亚氯酸钠加氯气工艺和亚氯酸钠加盐酸工艺。

2.2.1 亚氯酸钠加氯气工艺

该工艺合成反应有2个阶段，分别为氯气溶于水生成次氯酸，次氯酸与亚氯酸钠反应生成二氧化氯。反应式如下：

2NaClO2+Cl2=2ClO2+2NaCl.

2.2.2 亚氯酸钠加盐酸工艺

本单位采用化学氧化法，以亚氯酸钠加盐酸为原料制取。制取方法：首先在2个溶液槽中分别配制一定质量分数的盐酸和亚氯酸钠溶液，亚氯酸钠溶液的质量分数为7.5%，盐酸与水混合后的质量分数为10%.配制溶液时，需佩戴防毒面具和橡胶手套，避免2种药剂相互接触，将配制好的2种药剂分别经过连接管线加入各自的贮药罐，经相应的进口计量泵准确计量后打入ClO2发生器。约反应20 min后，便形成ClO2溶液，由出口管道投加到工艺消毒点。与水接触的时间为15～30 min，出厂水中游离的余氯不少于0.1 mg/L。夏季应增加投加量，使出厂水中游离的余氯到达0.3 mg/L。管网末梢水中的余量不少0.02 mg/L。此外，还应根据净化构筑物净化水的数量，四季各不相同进行投加。经消毒，最终达到《生活自来水卫生标准》（GB 5749—2006）。

2.2.3 亚氯酸钠加盐酸制取

亚氯酸钠加盐酸制取，反应式如下：

5NaClO2+4HCl=4ClO2+5NaCl+2H2O.

亚氯酸钠既是氧化剂又是还原剂，盐酸是酸化剂，因此，理论上有20%的亚氯酸被还原成氯化钠（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产率来看，通常可以达到95%以上。

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，并且ClO2余量能在管网中保持很长时间，消毒效果受水的pH值影响极小，还能有效地去除或降低水的色、嗅及铁、锰等物质。不过，作为消毒剂，一般ClO2投量约在1.0～2.0 mg/L范围内时不会产生副作用，但作为氧化剂，ClO2投加量变化较大，应注意水中剩余ClO2和ClO2-的副作用。

3 有害副产物的生成抑制和消除

二氧化氯净化自来水时，产生的有机副产物很少，主要集中在对无机副产物的抑制和消除上。虽然二氧化氯的制备方法有很多，但都不能产生100%纯的二氧化氯，都不可避免地会产生亚氯酸盐和氯酸盐等副产物。而且二氧化氯净化水的过程中，也会有50%～70%转化为亚氯酸盐。亚氯酸盐和氯酸盐对人体会产生不利影响。二氧化氯的制备方法、发生装置都在不断改进，二氧化氯的纯度也越来越高。这样既提高了二氧化氯的杀菌率和三氯甲烷类化合物的去除率，又降低了亚氯酸盐及氯酸盐的生成量，从而减少了有害副产物的量。

为了最大限度地减少副产物量，应该做好以下几方面工作：①采用先进的二氧化氯发生方法和设计优良的发生器，尽量减少发生器产物中的副产物产量，控制发生原料的流失。如果采用亚氯酸钠与氯反应发生法，一般应采用较高浓度的原料进行反应，并控制投加氯气的量，氯气控制发生原料的流失。如果采用亚氯酸钠与氯反应发生法，一般应采用较高浓度的原料进行反应，并控制投加氯气的量。氯气稍过量投加，以便亚氯酸钠反应完全，同时又不至于影响产物二氧化氯的纯度；氯气的量如果控制不好，就容易引发副反应而生成氯酸根离子。如果采用氯酸钠法，同样要设法提高反应原料的转化率，探求反应的最佳浓度、酸度、温度、压力，设法使反应残液经分离后，未反应的氯酸根能循环使用而不是直接进入水体，以减少水体中氯酸根离子的含量。②要做好水源保护工作，提高二氧化氯应用工序之前处理工艺的效率，最大限度地降低水体与二氧化氯发生反应物质的浓度，从而减少二氧化氯的投加量以及有机和无机副产物的生成量。③在二氧化氯应用工艺阶段，注意适量投加二氧化氯，在满足氧化和消毒要求的情况下，尽量减少二氧化氯的残余量，并且不要使二氧化氯暴露在阳光下而光解，同时注意水体的pH等条件，充分发挥二氧化氯的氧化能力。④当水体中产生的副产物浓度依然较高时，必须采用一定的处理工艺将之去除。对于亚氯酸盐，由于其具有氧化性，在一定条件下它们很容易氧化还原性物质而自身被还原为氯离子，因而易于消除。而对于氯酸盐，目前则缺乏有效的去除方法。不过，一般氯酸盐的产生量远小于亚氯酸盐，其毒性也远比亚氯酸盐弱。氯酸盐的控制主要采用的是发生器控制技术。对于亚氯酸盐发生法，将氯和浓亚氯酸钠在真空条件下反应，其二氧化氯产率可以超过95%，氯酸盐的形成很少；对于氯酸盐发生法，主要控制反应的pH为酸性，所产生的二氧化氯中也很少有氯酸盐。另外，注意使用时不要暴露在日光下。

4 二氧化氯—氯混合消毒

研究证明，二氧化氯—氯混合消毒剂可大大降低副产物ClO2-的生成量，生成的ClO2-为ClO2投量的40%左右。采用2种消毒剂联合投加会取得最佳的处理效果。常见的组合消毒工艺如下图所示。

图1所示的工艺流程对某些污染较重的水源具有较大的推广价值。该工艺具有以下2个优点：①二氧化氯在混凝前与混凝剂同时投加，不仅可以通过氧化作用去除水中产生的三卤甲烷前体物，还可以改善胶体颗粒的带电性能，从而起到助凝作用，并使沉淀、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氯气预氧化剂量的30%～50%.②滤后投加氯气作为消毒剂，用来控制水中的细菌学指标。氯气的投加量可以适当减少。这样，不仅可以最大限度地减少水中三卤甲烷的形成量，还可以保证水中余氯持续的杀菌活力，操作检测简单，运行费用低。

5 结束语

综上所述，二氧化氯在自来水消毒中有着广泛的应用，但是其容易与水中的一些有机物质发生反应，产生对人体有害的三氯甲烷及氯苯等有机氯化物。因此，为了能有效地对自来水进行消毒，就需要更进一步采取有效措施做好相应的工作。

参考文献

[1]王建蓉，马铃，周智勇，等.自来水二氧化氯消毒存在的问题[J].西南给排水，2014（03）.

[2]张海龙.自来水消毒中二氧化氯的应用研究[J].科技创新导报，2013（26）.

〔编辑：刘晓芳〕