对二氧化氯衰减因素的一点探索

李 瑞,彭建和,丰 顺

(1.安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院,安徽 合肥 230088;2.水利水资源安徽省重点实验室,安徽 合肥 230088;3.安徽省建筑工程监督检测站,安徽 合肥 230088)

0 引言

农村饮水安全工程是改善和提高农民生活质量,促进农村经济与社会发展的重要民生工程,农村饮用水水质的优劣切实关系到农民群众的身体健康。饮用水消毒是农村饮水安全工程净化工艺中必不可少的环节,我省农村饮水集中式供水工程中大部分使用二氧化氯消毒,饮用水中消毒剂浓度直接影响了水质达标与否,研究饮用水中消毒剂浓度的衰减,可指导农村饮水安全工程消毒工艺运行,进而提高饮用水的合格率。

二氧化氯不稳定,溶于水时形成以二氧化氯为主,同时含有氯离子、氯酸根离子、亚氯酸根离子的溶液。二氧化氯的衰减主要由自身衰减、管壁影响衰减和传输过程中衰减三个部分,本实验在静水试验装置中完成,装置长度较短,传输过程中衰减不予以考虑。本次研究主要从环境因素和管材材质两个方面出发开展消毒剂衰减因素识别,环境因素包括光照强度、pH 值、温度、消毒剂初始浓度;管材材质包括铸铁管、钢管、PVC管三种不同材质。

1 二氧化氯衰减环境因素识别

1.1 光照对二氧化氯衰减的影响分析

本次实验配置浓度为10.15 mg/L的二氧化氯溶液,分别敞口放置在阳光直射的室外、无遮光措施的室内和完全遮光的室内,用照度计测定光照度,每隔一段时间取样测定下水中二氧化氯的浓度,实验结果见图1～图3。

图1 阳光直射的室外二氧化氯浓度衰减 图2 无遮光措施的室内二氧化氯浓度衰减

三种不同光照强度下,二氧化氯随着时间推移都出现了明显的衰减。在初始浓度均为10.15 mg/L,放置时间为20 min,阳光直射的室外二氧化氯衰减率为89.2%;无遮光措施的室内二氧化氯衰减率为11.1%;完全遮光的室内二氧化氯衰减率为5.8%。从图中二氧化氯浓度衰减曲线趋势可以判断残余率与放置时间大致呈幂指数关系。浓度较高时衰减速率较快,随着浓度降低,衰减速率也逐渐降低。光照强度越大,二氧化氯溶液衰减越快。

图3 完全遮光的室内二氧化氯浓度衰减

1.2 pH对二氧化氯衰减的影响分析

本次实验配置1.54 mg/L二氧化氯溶液,采用 0.1 mol/L盐酸和0.1 mol /L 氢氧化钠分别将溶液pH调至5.01,7.03,9.04,每隔一段时间取样检测水中二氧化氯的浓度,实验结果见图4。

图4 不同pH条件下二氧化氯浓度衰减 图5 不同温度条件下二氧化氯浓度衰减

三种不同pH条件下,二氧化氯随着时间推移出现了明显的衰减现象。pH=5.01的条件下,二氧化氯衰减较慢,因为在酸性条件下,二氧化氯自身分解反应受到抑制,降低了衰减速率。pH=7.03的条件下,随着二氧化氯衰减,溶液中氯酸根和亚氯酸根浓度不断升高,降低了溶液pH,衰减速率随着时间推移不断减缓。pH=9.04的条件下,碱性环境下会促进二氧化氯发生歧化反应,生成氯酸盐和氯离子,pH值越高,反应越快。由结果可以得出,pH值增大,二氧化氯衰减速率增大。由此,我们应该在实际工作中考虑到二氧化氯作为预氧化剂投加处理原水时,絮凝步骤使用的助凝剂如石灰、有机絮凝剂需要注意投加量,避免影响二氧化氯预处理的效果。

1.3 温度对二氧化氯衰减的影响分析

配置1.96 mg/L二氧化氯溶液,分别放置于10℃、20℃和30℃环境中,每隔一段时间取样检测水中二氧化氯的浓度,实验结果见图5。

三种不同温度条件下,二氧化氯随着时间推移出现了明显的衰减现象。二氧化氯的衰减速率受温度的影响,随着温度升高,衰减速率逐渐增大。因为在高温条件下,二氧化氯会发生歧化反应,生成大量的氯酸根和亚氯酸根,从而加剧了二氧化氯的浓度衰减。

在水厂运行过程中,6-9月份温度较高的季节微生物生长繁殖较快,二氧化氯需要增加相应的投加量,以保证消毒和灭菌效果,但是这也可能会导致消毒剂副产物浓度上升,需要进一步开展相应的研究。

1.4 初始二氧化氯浓度对其衰减的影响分析

分别配置1.57 mg/L、2.11 mg/L和3.36 mg/L的二氧化氯溶液,分别在5 min、10 min、30 min、60 min、120 min、180 min和240 min时测定二氧化氯剩余浓度,实验结果见图6。

图6 不同初始浓度条件下二氧化氯浓度衰减 图7 不同管材材质中二氧化氯浓度衰减

三种不同初始浓度下,二氧化氯都有明显的衰减现象。前60 min内二氧化氯基本呈指数衰减,衰减较快,至60 min时基本衰减到初始浓度的50%左右,随着时间推移,衰减速率逐渐降低。二氧化氯自身分解、歧化主要发生在与水接触的初期,在初始浓度较大时易生成不同的化合物,而后反应速度减缓。

2 二氧化氯衰减管材材质因素识别

配置0.84 mg/L二氧化氯溶液,相同条件下分别放置于铸铁管、钢管、PVC管制作的静水装置中,每隔一段时间取样,检测水中二氧化氯的浓度,实验结果见图7。

铸铁管、钢管、PVC管三种不同管材中的二氧化氯随着时间推移,均出现了明显的衰减现象。在前30 min内,铸铁管中的二氧化氯衰减最快,衰减率为67.8%;不锈钢管衰减率为49.6%;PVC管中二氧化氯衰减率为30.1%。PVC材质无导电性,性质比较稳定,无法形成腐蚀型微电池体系,避免了电化学形式的腐蚀;不锈钢材质在加工过程中形成的钝化层在使用过程中容易被破坏,形成小孔、凹坑或点蚀,造成沉积物附着;铸铁材质管壁更容易发生腐蚀引起管壁处卫生状态恶化,加速消毒剂在管壁处消耗。在管网实际运行中,使用铸铁和不锈钢材质管道,容易在长期使用后出现锈蚀、管垢沉积和生物膜沉积,因此优先使用二氧化氯衰减速率更低的PVC管。

3 SPSS软件分析关键因素

以二氧化氯衰减浓度为主要变量,通过SPSS分析其与二氧化氯初始浓度、光照强度、pH、温度和不同管材间的相关关系,筛选出二氧化氯衰减最相关的因素。

通过SPSS软件对影响因素进行筛选计算,二氧化氯衰减与管材材质呈极显著相关,其中铸铁管相关系数最大(0.987),PVC管相关系数最小(0.941)。与光照强度、pH、温度和二氧化氯初始浓度呈显著相关(图8)。

本研究以农村饮水工程中消毒剂二氧化氯为主要研究对象,在不同的管材材质、光照温度、pH值和初始浓度等影响因子条件下,开展大量正交试验,拟合二氧化氯衰减的动力学模型,采用SPSS软件和多元统计分析法对数据进行聚类分析、因子分析及多元逐步回归分析,将多个变量通过降维转化为个别综合变量,识别出管材材质是影响二氧化氯衰减的最重要指标,铸铁材质中的二氧化氯衰减最快,不锈钢材质其次,PVC中的二氧化氯衰减最慢;其次分别是光照强度、pH、温度和二氧化氯初始浓度。光照强度越大,二氧化氯溶液衰减越快,二氧化氯残余率与放置时间大致呈幂指数关系。pH值越大,二氧化氯衰减速率越快。二氧化氯的衰减速率受温度的影响,随着温度升高,衰减速率逐渐增大。水中二氧化氯的初始浓度越大,衰减速率越慢。

图8 SPSS软件分析结果

4 结语

从近几年开展的安徽省农村饮水工程水质抽检工作结果来看,大部分农饮水厂仍处于粗放式管理阶段,农村饮水仍然存在大量消毒剂余量不合格的情况。因此根据以上研究结果,本文拟对二氧化氯消毒剂在水厂消毒运行中提出以下建议:二氧化氯作为预氧化剂投加在阳光直射的自然环境下投加时,需要在理论投加量基础上增加约90%;在有遮阳设施的自然环境下投加时,需要在理论投加量基础上增加约10%;在夜间无照明措施投加时,需要额外增加约5%的理论投加量。考虑到增加投加量会加大消毒剂副产物超标的风险,建议在避光条件下投加二氧化氯。二氧化氯作为预氧化剂投加处理原水时,絮凝步骤使用的助凝剂如石灰、有机絮凝剂需要注意投加量,避免影响二氧化氯预处理的效果。在水厂运行过程中,6-9月份温度较高的季节微生物生长繁殖较快,二氧化氯需要增加相应的投加量,以保证消毒和灭菌效果。管网实际运行中,使用铸铁和不锈钢材质管道,容易在长期使用后出现锈蚀、管垢沉积和生物膜沉积,优先选用二氧化氯衰减速率更低的PVC管。建议消毒剂采用次氯酸钠和二氧化氯联合使用,可以降低消毒剂的衰减速率,提高消毒剂在管网中的灭菌时间和消毒剂浓度,同时还可以降低水中消毒副产物三卤甲烷等有害物质的含量。