飲用水處理中的替代消毒劑—二氧化氯
前 言
在過(guò)去的幾年中，由于水質(zhì)的惡化以及適于飲用的水源的減少，人們迫切需要先進(jìn)、可靠的，價(jià)格合理的技術(shù)用以保障日常需要所需的水源。“先進(jìn)”旨在降低對(duì)人體健康的直接和間接的危害。“可靠”是指技術(shù)的可應(yīng)用性，即使是在非理想的應(yīng)用條件下。
在能夠使水適于飲用及消費(fèi)的所有化學(xué)及物理過(guò)程中，消毒階段已被廣泛研究。在完整的飲用水處理過(guò)程中，消毒處理已被證明是至關(guān)重要重要的。進(jìn)行消毒處理并不單單是針對(duì)未經(jīng)處理的水中細(xì)菌，而且是由于水極易導(dǎo)致霍亂、傷寒等非常危險(xiǎn)的疾病的傳播。由于以上原因，世界衛(wèi)生組織（WHO）于1993年建議應(yīng)有一種“有效的消毒方法并永遠(yuǎn)不會(huì)危機(jī)人們的安全”，并應(yīng)考慮該方法的費(fèi)用及化學(xué)副產(chǎn)物等所有問(wèn)題。
在水的消毒處理中，對(duì)于優(yōu)化使用傳統(tǒng)的化學(xué)物質(zhì)（主要是氯化物）以及尋找合適的替代物質(zhì)，人們以作了大量努力。本文將對(duì)二氧化氯在消毒處理中已確立的使用方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，將對(duì)其它一些消毒劑和二氧化氯進(jìn)行對(duì)比研究。
1. 二氧化氯的化學(xué)特性及主要應(yīng)用
二氧化氯在室溫下呈橙黃色，比空氣重。
二氧化氯極易溶于水(14 g/L at 25 °C)且不發(fā)生水解。在很大的pH 值范圍內(nèi)(6～10)，二氧化氯在水中以溶解氣體的形式存在。因此，二氧化氯在水中的存活壽命很長(zhǎng)，在被處理的水中，二氧化氯一直持續(xù)、穩(wěn)定的起著作用。通常，實(shí)驗(yàn)用的二氧化氯在低溫及避光的條件下，貯于密閉的玻璃容器中是十分穩(wěn)定的。
對(duì)于二氧化氯的化學(xué)反應(yīng)性，二氧化氯的主要性質(zhì)如下：
· 不和氨反應(yīng)；
· 對(duì)有機(jī)腐殖質(zhì)（主要是腐殖酸和富里酸）不產(chǎn)生氯化作用，因此，生成的可被活性碳吸附的鹵化有機(jī)物（A.O.X.）和三鹵甲烷類(lèi)物質(zhì)（T.H.M.）幾乎可忽略不計(jì)；
· 對(duì)苯酚類(lèi)化合物有破壞作用；
· 能氧化鐵離子和錳離子；
· 不能氧化溴離子；
· 其活性不依賴于pH值。
在飲用水的消毒處理中，可被活性碳吸附的鹵化有機(jī)物（A.O.X.）和三鹵甲烷類(lèi)物質(zhì)（T.H.M.）是用來(lái)評(píng)估鹵化副產(chǎn)物的控制參數(shù)。鹵化有機(jī)化合物被認(rèn)為對(duì)人體健康具有潛在的毒性，長(zhǎng)期使用含該物質(zhì)的應(yīng)用水具有致癌作用。
三鹵甲烷的出現(xiàn)可作為其它氯副產(chǎn)物存在的指示物。控制飲用水中主要的四種三鹵甲烷類(lèi)物質(zhì)可以幫助降低其它不清楚氯副產(chǎn)品的水平。事實(shí)上，IARC已經(jīng)將三鹵甲烷分類(lèi)到有可能致癌的2B組。
在歐盟最近的提議中也涉及到飲用水水質(zhì)，并設(shè)定下面的限值：
三鹵甲烷 40 mg/L
二氯二氟甲烷 15 mg/L
二氧化氯不是一種氯的尿酸鹽，而是一種強(qiáng)氧化劑。通常通過(guò)以下反應(yīng)，它的最終產(chǎn)物為氯離子(Cl-)和亞氯酸根離子(ClO2-)。
ClO2 + 4 H+ + 5e-→ Cl- + 2H2O(Eo = 1,51V)
ClO2 + e-→ClO2-(Eo = 0,95 V)
通常二氧化氯需要現(xiàn)場(chǎng)制備，它是通過(guò)一種特殊稱為“發(fā)生器”的設(shè)備來(lái)制備的。在這個(gè)設(shè)備中，應(yīng)用次氯酸鈉通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生最終產(chǎn)物—二氧化氯。其生產(chǎn)原理如下：
1. 2NaClO2 + Cl2→ 2NaCl + 2ClO2
2. NaClO + Hcl → HClO + NaCl
HClO + Hcl + 2NaClO2→ 2ClO2 + 2NaCl + H2O
3. 5NaClO2 + 4Hcl → 4ClO2 + 5NaCl + 2H2O
最后一種方式是飲用水處理中最常用而且是最好的方法。其主要原因是：該方法能確保最大效率轉(zhuǎn)化為二氧化氯，而且能盡可能限制副產(chǎn)物的生成。
二氧化氯是能夠殺滅細(xì)菌、病毒、藻類(lèi)、真菌，強(qiáng)效的抗生物劑。其殺毒能力主要是由于ClO2能夠通過(guò)細(xì)胞壁，并與細(xì)胞內(nèi)主要的氨基酸反應(yīng)。
二氧化氯具有上面這么多優(yōu)點(diǎn)，因此常年被廣泛應(yīng)用于下面領(lǐng)域：
· 飲用水處理；
· 工業(yè)冷卻水系統(tǒng)的防垢處理；
· 造紙行業(yè)中脫粘處理；
· 食品業(yè)和飲料業(yè)的消毒；
近年來(lái)，該種產(chǎn)品主要在法國(guó)和意大利增長(zhǎng)很快。在這份報(bào)告中，我們著重對(duì)ClO2應(yīng)用于飲用水處理中進(jìn)行了研究。在歐洲國(guó)家，隨著人們對(duì)傳統(tǒng)的氯消毒法帶來(lái)的副產(chǎn)物可能對(duì)人體健康產(chǎn)生影響的認(rèn)識(shí)不斷提高，以及標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)格，使得利用二氧化氯替代氯氣和次氯酸鈉作為消毒的劑的應(yīng)用成為了大的趨勢(shì)。
2. 用二氧化氯處理飲用水
在將原水（主要是地表水）處理變?yōu)轱嬘盟^(guò)程中，二氧化氯可以作為氧化劑和消毒劑。
對(duì)于這種水的常規(guī)處理，其主要處理過(guò)程為：預(yù)氧化處理、澄清（加入無(wú)機(jī)混凝劑，鐵或鋁鹽）、過(guò)濾（用砂濾或活性炭）、消毒處理。二氧化氯作為氧化劑，可應(yīng)用于在混凝/絮凝前的預(yù)氧化處理中。這樣做的主要優(yōu)點(diǎn)如下：
· 可氧化鐵離子和錳離子并且能更好地去除它們相關(guān)的難溶解性的氫氧化物；
· 使懸浮物和膠體脫穩(wěn)，因此在澄清處理過(guò)程中有絮狀體有更好的沉降性能；
· 能夠去除能引起惡臭的有機(jī)物（例如苯酚），使水感官性變好；
在該處理過(guò)程中，正常的二氧化氯劑量范圍是0.5～2 mg/L，處理時(shí)間為15～30分鐘。第二個(gè)更高的作用是處理是控制藻類(lèi)在其它處理階段的增長(zhǎng)，這可以確保最終處理過(guò)程中的殺毒效果。
二氧化氯作為消毒劑應(yīng)可用于過(guò)濾后的消毒處理過(guò)程中，其劑量范圍為0.2～0.4mg/L。該劑量可以確保有效和持久地消除出水中微生物（細(xì)菌、病毒等）。其主要的優(yōu)點(diǎn)是：
· 生成的有機(jī)和無(wú)機(jī)的鹵化物副產(chǎn)物的可能性很。
· 能確保在配水管網(wǎng)（如管道或貯水池）中長(zhǎng)期有效性，因而可避免微生物的再次生成；
與其它氯化合物相同，二氧化氯的需求量應(yīng)當(dāng)初步評(píng)估。它對(duì)幫助確定不同情況下的水二氧化氯的使用量十分有益。該量指得是與原水反應(yīng)5～60分鐘的二氧化氯總量。它的值對(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和進(jìn)一步確定現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用量是有很大幫助的，但該量也是隨著水質(zhì)的變化而在不斷變化。
通過(guò)某些參考的細(xì)菌的去除率和形成致癌的副產(chǎn)物的測(cè)定，可以用來(lái)證實(shí)二氧化氯處理水的效果。這些指標(biāo)的確定均是采用“水和廢水檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)分析方法（19版，1995）”中的方法分析，在下面我們列出了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的結(jié)果。
下表表示的是在接觸時(shí)間為15分鐘，用次氯酸鈉和二氧化氯進(jìn)行地表水最后消毒處理的結(jié)果比較（地表水為人工水庫(kù)水；pH=8.8；二氧化氯劑量=0.57mg/L）。其中二氧化氯的劑量的選擇考慮了處理過(guò)程中的使用量和處理后的殘余量。
結(jié)果顯示：二氧化氯處理后不僅殺菌效率較好，而且生成A.O.X.和T.H.M.的量很少；兩種化學(xué)藥劑對(duì)T.O.C處理沒(méi)有效果。
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例2 比較次氯酸鈉和二氧化氯應(yīng)用于預(yù)氧化處理地表水的結(jié)果（地表水為河流水庫(kù)水；pH=7.9；二氧化氯劑量=2.05mg/L）。這些結(jié)果證明了應(yīng)用二氧化氯處理水能夠減少80%A.O.X和75%T.H.M的生成，這相當(dāng)于殺菌的效率水平。
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3. 與其它消毒劑的價(jià)/性比
應(yīng)用歐洲使用二氧化氯進(jìn)行飲用水處理的經(jīng)驗(yàn)，我們進(jìn)行了二氧化氯與其它消毒劑（例如氯氣、次氯酸鈉、臭氧）的價(jià)/性比的比較。這也是為什么二氧化氯在這方面能夠作為主要的替代品的原因。
在通常使用狀況下，它們的比較標(biāo)準(zhǔn)的制定是很復(fù)雜的。在下表中綜合考慮了特殊的藥劑使用設(shè)備（包括相關(guān)維護(hù)）的價(jià)格、產(chǎn)品的價(jià)格以及處理過(guò)程中有利和不利之處。
事實(shí)上，比較還與很多其它特殊的條件有關(guān)（例如原水水質(zhì)、管網(wǎng)大小、當(dāng)?shù)氐姆ㄒ?guī)和產(chǎn)品的關(guān)稅等，還有這些化學(xué)品的自身的特點(diǎn)）。這些因素中有時(shí)還僅有一種選擇可能。
技術(shù)方面
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價(jià)格方面
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使用這些消毒劑處理操作的安全問(wèn)題也應(yīng)當(dāng)考慮到。例如在意大利，前些年對(duì)使用氯氣使用有非常嚴(yán)格的的規(guī)定。
4. 結(jié)論
二氧化氯的化學(xué)性質(zhì)使得它能夠合適應(yīng)用于飲用水的預(yù)氧化處理和最終消毒處理的階段。
它能夠應(yīng)用于各種領(lǐng)域，并能替代傳統(tǒng)的氯氣和次氯酸鈉。而且可很好地控制處理水中微生物的水平。
二氧化氯之所以能在歐洲廣泛使用主要原因是：用其消毒，產(chǎn)生致癌性有機(jī)的副產(chǎn)物的可能性特別小。
使用二氧化氯的進(jìn)行處理的價(jià)格與其它消毒劑是可比的。就目前市場(chǎng)上的設(shè)備來(lái)講，它的應(yīng)用不需要特殊的技術(shù)，應(yīng)用特別方便。
二氧化氯發(fā)生的有著很大的應(yīng)用范圍，因此可應(yīng)用于小社區(qū)和大型管網(wǎng)水處理過(guò)程之中，能建立起一個(gè)可靠、靈活的系統(tǒng)。
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