次氯酸钠代替液氯消毒对饮用水处理的评估研究

[导读] 摘要：以次氯酸钠代替液氯消毒是未来饮用水消毒的重要发展方向。

扬州大学  江苏扬州 
        摘要：以次氯酸钠代替液氯消毒是未来饮用水消毒的重要发展方向。研究发现，在生产应用上，次氯酸钠消毒不仅在制取工艺、投药准确性、安全性及成本方面比液氯消毒有一定优势，在饮用水水质处理效果上，两者的微生物消毒效果基本相同，但次氯酸钠消毒出水中的CODMn含量更低；在供水管网中pH更高，有利于阻止颗粒铝的析出，从而避免铝超标现象的发生。因此，采用次氯酸钠替代液氯消毒，能取得更好的出水水质，综合其它方面，在水厂得到越来越广泛的应用。
        关键词：液氯；次氯酸钠；水质处理
        1 引言
        一般水厂的常用净水工艺分别为：混凝、沉淀、过滤、消毒。其中消毒工艺在整个净水过程中起着非常关键的作用。19世纪90年代，氯消毒剂首次应用在英国的水设施，它能够杀灭饮用水中的病原体，消除异味和色度，氧化铁和锰离子，强化混凝沉淀和过滤作用，防止混凝池和沉淀池中藻类的生长，并且防止管网中病原体的再生。因此，被誉为“20世纪最成功的公共安全措施”[1]。目前氯消毒技术已广泛应用于世界各水厂，大大降低了人们因饮水而引起介水传染病的机率。液氯消毒成本较低，消毒能力强且作用持久，是经济有效的消毒技术，但由于液氯本身的毒性及其在运输、存储、使用方面的不安全性，消毒副产物对人体健康有危害，自来水厂纷纷寻求更安全的消毒方式来替代液氯消毒。
        次氯酸钠是一种广谱杀菌灭藻的强氧化剂[2]，杀菌效率同氯相当；它与水的亲和性很好，能与水任意比互溶，避免了像氯、臭氧、二氧化氯等药剂可能发生的跑、泄、漏、毒等安全隐患；并且易于储存、使用，没有残留，对人体无毒无害，是安全理想的化学消毒方法。
        近年我国不断提高饮用水水质要求，更加重视对水处理过程的安全生产,公安机关监管液氯使用非常严格，已有许多家大中型水厂在有关安全部门的要求下将液氯消毒系统改造为次氯酸钠消毒系统，次氯酸钠消毒技术在国内得到越来越广泛的应用。本文将从制取工艺、投药准确性、安全性及成本等方面综合比较两种消毒剂性能，并着重分析两者在水质处理效果方面的差异，分析次氯酸钠代替液氯消毒的优越性。
        2 消毒原理
        氯的分子式为Cl2 ，在常温常压下为黄绿色气体，经压缩成液体后存储于钢瓶中，又称液氯。氯气与水反应如下：
        Cl2 H2O＝ HClO HCl ；HClO → HCl [O]
        次氯酸钠分子式为NaClO ，有较强的漂白作用，性质不稳定，受潮湿和光、热的影响易丧失有效成分，一般采用次氯酸钠发生器现场制取和使用。次氯酸钠与水的水解反应如下：
        NaClO H2O＝ HClO NaOH  ；HClO → HCl [O]
        两种消毒剂都是主要通过中性的次氯酸消毒。次氯酸能够进入细胞内部，是一种强效氧化剂，可以通过氧化细胞内部的蛋白质，破坏细菌赖以生存的酶，从而使病原微生物失活致死[3]。
        3 生产应用
        两种消毒剂的使用在实际净水厂中，通过制取工艺、投药准确性、安全性及成本等方面分析比较各自的优劣势。
        3.1制取工艺
        液氯消毒是将液氯通过加氯机投加到所需处理的水体中，目前国内常用加氯系统为真空式加氯系统。加氯系统分为氯源提供系统、气体计量投加系统，监测及安全保护系统三个部分。其工艺流程为：氯瓶（带电子秤）—过滤器—自动切换器—减压阀—真空调节阀—加氯机—水射器—加氯点。其中液氯钢瓶存在一定的安全隐患。
        次氯酸钠消毒是通过次氯酸钠发生器电解低浓度盐水生成次氯酸钠溶液，再将其稀释后通过加注泵投加至加注点[4]。盐溶液在无隔膜电解槽中，电解稀的氯化钠水溶液，槽内阳极产生氯气，阴极产生氢氧化钠和氢气。两种产物立即接触并反应生成次氯酸钠溶液，反应方程式如下：
        阳极反应：2Cl- → Cl2 ↑ 2e
        阴极反应：2e 2Na 2H2O →2NaOH H2 ↑
        极间的化学反应：Cl2 2OH- →ClO- Cl- H2O ; ClO- → Cl- [O]
        总反应：NaCl H2O → NaClO H2 ↑
        3.2投药准确性
        氯气溶解度低，需过量投加，过量系数达1.4，且氯气瓶压力不断变化，投加量难以控制，存在投加计量不够准确的问题[5]。而次氯酸钠与水亲和性好，能与水任意比互溶，可以在任意环境工作状况下投加，准确控制加氯量。
        3.3安全性
        氯气剧毒，有强烈腐蚀性，运输存储不安全，极易造成泄漏和爆炸事故，气态投药，安全性差。近年来，国内不少地方都发生了液氯钢瓶泄漏、爆炸事故。尽管有关部门已经制定了一整套严密安全的管理制度和安全应急处理措施，但仍不能避免氯气泄漏、扩散对生命健康造成的危害，对环境造成的污染和破坏[6]。
        次氯酸钠发生器制取的次氯酸钠消毒液液态投加，是一种安全的化学消毒方法，随产随用，操作安全，对环境无毒害，使用方便，无需外购和储存，不存在氯气泄漏的风险。
        3.4成本
        从消毒剂本身价格看，液氯消毒剂成本较低，一般市面价格为4.9元/Kg有效氯，而次氯酸钠消毒剂成本稍高，市面价格为3.7～5元/Kg有效氯。
        从生产应用中水厂的设备、维修及能耗看，水厂采用液氯加氯系统和次氯酸钠加氯系统的常规工艺流程分别见图 1和图 2。
 
        图 1 液氯加氯系统工艺流程
 
        图 2 次氯酸钠加氯系统工艺流程
        从图1和图2可以看出[7]，液氯消毒设备较多，应该使用蒸发器来加快液氯的汽化过程，并且，需要使用增压泵和水射器提供大量压力水来加注消毒剂，加注工艺、设备及管道非常复杂，涉及较多的设备，如钢瓶、起重机械、蒸发器、加氯机、通风系统以及配套的泄漏报警和吸收装置，因此电耗较多，维修费用大，也给生产运行带来一定的隐患。不过设备使用寿命长，一般能大于20年。整个液氯消毒系统还包含对氯气的使用、管理及运输的成本。而次氯酸钠消毒工艺与之相比设备相对简单，少了钢瓶、蒸发器、加氯机等设备，维修费用少，使用寿命大于20年，可以节约压力水和电量。
        4 水质处理
        4.1高锰酸盐指数
        高锰酸盐指数主要是反应水体受到有机物和无机物污染程度的综合指标[8]。模拟水厂混凝、沉淀、过滤、消毒一套净水工艺，分别采用液氯消毒和次氯酸钠消毒，控制其他条件一致，对比发现液氯消毒的出水CODMn含量在1.27mg/L～1.95mg/L之间，次氯酸钠消毒的出水CODMn含量在0.95mg/L～1.52mg/L之间，次氯酸钠消毒出水的CODMn含量更低，水质更好。实际上高锰酸盐指数是一个条件性指标，结果受很多因素的影响，它和样品的采集、执行过程、测定水样的酸碱度、加热过程和加热时间有很大关系[9]。两种消毒剂消毒出水的pH有细微差距，氯气溶于水产生酸性的HCl，次氯酸钠与水的水解反应产生碱性的NaOH，酸碱度不同引起CODMn含量的不同，饮用水pH指标限值为6.5～8.5，在此范围内水中酸度越高，CODMn值越大，因此液氯消毒出水的CODMn更高。
        4.2管网中的铝
        饮用水中铝的主要来源是水厂投加的铝盐类混凝剂，由于过量的铝会对人体健康造成危害，因此许多国家都在饮用水卫生标准中对铝进行了限定。铝在供水管网中的形态以两性氢氧化物为主，pH值对它的水解和溶解有着重要影响[10]。北京市某水厂研究发现，从出厂水到龙头所有环节的pH范围在7.03～8.12之间，此pH下溶解铝的理论计算值在58～710?g/L，pH在7～8的小幅改变就可以引起水肿溶解铝和颗粒铝较大幅度的浓度变化。颗粒态铝和溶解态铝随着pH的升高降低相互转化。供水管网中的铝沉积来源于沉淀溶解平衡过程的长期积累，而颗粒态铝析出是导致铝超标的主要原因。次氯酸钠消毒出水的pH高于液氯出水的pH，随着pH升高，溶解态铝变多，颗粒态铝降低。因此次氯酸钠出水较高的pH有利于阻止颗粒铝的析出，从而避免铝超标现象的发生。
        5结论与展望
        （1）次氯酸钠消毒在制取工艺、投药准确性、安全性及成本方面均比液氯消毒有一定优势，次氯酸钠消毒经济有效，可准确控制投加量，消毒方法安全，随产随用，易于存储，对环境无毒害。
        （2）次氯酸钠消毒出水水质的CODMn含量比液氯消毒更低，CODMn与水的酸度即pH有一定关系，在pH为6.5～8.5范围内，pH越高，CODMn含量越低。在供水管网中，水的pH在7～8范围内，随着pH的升高，溶解态铝含量升高，颗粒态铝含量降低。次氯酸钠消毒出水较高的pH有利于阻止颗粒铝的析出，避免铝超标现象的发生。
        从实际生产应用和对水质处理两方面综合比较发现，次氯酸钠消毒代替液氯消毒是合理可行的，更具优势，是未来饮用水消毒的重要发展方向。
        参考文献
        [1]Lim M Y, Kim J M, Ko G.Disinfection kinetics of murine norovirus using chlorine and chlorine dioxide[J].Wat Res，2010，44
        [2]Lebedev A T, Shavdullina G M, Sinikova N A, etal. GC—MS comparison of the behavior of chlorine andsodium hypochlorite towards organic compounds dissolved in water[J].Wat Res，2004, 38(17) : 3713-3718.
        [3]潘卫文，应培琪，杨珍，等. 次氯酸钠消毒剂在闸北水厂的应用及其有效成分衰减试验 [J]. 上海水务，2007，23( 1) : 19 － 21.
        [4]李述茂 , 吴德礼 . 液氯和次氯酸钠对饮用水消毒效果的生产性试验研究 [J]. 工业用水与废水，2011(02).
        [5]陆宇骏 . 次氯酸钠现场生产系统在大中型水厂的应用 [J]. 净水技术，2010,29(1):70-73.
        [6]陈志平.次氯酸钠消毒在水厂中应用[J].城镇供水，2009(4) : 37－41.
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        [8]顾晓明,陈杰,朱广杰,李保.水中高锰酸盐指数测定的若干影响因素分析[J].水利水电快报，2016,37(11):68-70.
        [9]丁波涛,马训孟.影响水中高锰酸盐指数测定的主要因素研究 [J].能源与环境，2016(02):73-75.
        [10] Snoeyink V L, Schock M R, Sarin P, et al. Aluminum-Containing Scales in Water Distribution Systems: Prevalence and Composition. Journal of Water Supply research and Technology, 2003, 52(7): 455-474
        作者简介：程曦（1994.4），江苏镇江人，扬州大学硕士研究生，研究方向为建筑与土木工程市政方向。