动力技术稳定性二氧化氯消毒性能探讨
1 前 言
消毒是给水处理的重要环节,目前,国内水厂的水处理工艺普遍采用液氯做消毒剂。由于给水水源污染日趋严重,为保证水质,水厂常用增大加氯量来氯化等措施,由于氯化消毒过程中容易产生氯仿、三氯甲烷等致癌有机卤化物,威胁人体健康。美国全国自来水水质检测中,卤代烃类化合物普遍存在,在被检出的289种化合物中,有110种卤代烃类化合物,其中氯仿、三氯甲烷等物质致癌显著。20世纪70年代中期以来,对某些癌症发病率与病原学关系调查分析及大量动物实验表明,自来水中卤代烃类化合物是多种癌症的致病因素之一,因此,采用其他消毒剂取代氯气消毒是给水消毒发展的方向,而二氧化氯具有比氯气更强的杀菌能力,不会产生有害人体的有机卤化物,受水中pH值、氨氮影响小,具有强氧化性,可去色、臭、氧化铁、有机物等物质,比氯的持续杀菌能力更强,被认为是一种有发展潜力的替代氯消毒的方法。
2 稳定性二氧化氯的理化特性及杀菌机理
2.1 理化特性
稳定性二氧化氯的无味、无臭、无毒、透明或淡黄色水溶液,不挥发,不易燃。在-5~95℃温度下性质稳定,沸点101℃,密度1.09~1.20 g/cm3,溶解热28 kJ/mol,在活化剂存在下,可使二氧化氯游离释放出来,显示强氧化性,具有杀菌消毒、除臭、脱色的作用。
2.2 杀菌消毒机理
二氧化氯分子是由一个氯原子和二个氧原子组成,共结合19个电子。外层键域存在一个未成对的活泼自由电子,属于活泼自由基,具有很强的氧化作用,能释放出新生态的氧及次氯酸分子,是一种强氧化剂。它对微生物的细胞壁有较好的吸附和透过性,可以有效地氧化细胞内含巯基的酶,快速控制微生物蛋白质的合成,使蛋白质中氨基酸氧化分解,破坏微生物的酶系统,起到抑制细菌的生长和杀灭。用简式表示如下：
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由此可见,稳定性二氧化氯杀菌消毒作用的机理,不同于甲醛、酚类化合物,使蛋白质变性而致微生物失去活性,也不同于氯气的氯化作用,使微生物失去活性,而是释放出新生态及次氧酸强氧化剂杀灭细菌,又对高等动物细胞无影响,因为所生成的残留中无致癌的三氯甲烷,这是其他消毒剂不能比拟的。
3 二氧化氯消毒剂的特点
(1)据有关专家研究,二氧化氯对细菌的细胞壁有较强的吸附和穿透能力,从而有效地破坏细菌内含巯基的酶, Bermand也证实,二氧化氯可快速控制微生物蛋白质的生成,故二氧化氯对细菌、病毒等有很强的灭活能力。
(2)不会生成次生有害物质,尤其对有机污染严重的水体消毒时,杀菌消毒更为突出,其氧化降解产物无毒害作用。
(3)较自由氯杀菌能力强,一般为氯化消毒效果的2.5倍,因而在同等条件下的投量也较氯化法用量少。
(4)二氧化氯消毒剂具有强氧化作用,可用于去臭、色、氧化铁、氧化锰等物质,且效果稳定。
(5)二氧化氯在水中处于完全溶解状态,不与水发生化学反应,故它的消毒作用受水的pH值影响极小。
(6)二氧化氯不与氨反应,故氨氮含量高的水采用二氧化氯消毒,仍可保持其全部杀菌能力,此外水中含酚时,采用二氧化氯消毒不会产生酚臭。鉴于二氧化氯的各种优点,美国EPA也大力推荐它是一种强有力潜在替代液氯消毒的氧化性消毒剂。
4 稳定性二氧化氯的消毒效果及成本分析
应该指出,二氧化氯的性质非常活泼,无论气态或液态时常会由于未知原因而发生爆炸,其性质上的不稳定导致储存运输比较困难。一般情况下,二氧化氯的制备分为二氧化氯发生器和稳定性二氧化氯两种,前者需要专门的仪器设备,且设备、药物管理难度大,而后者是把活泼的二氧化氯依附在载体上形成稳定性二氧化氯,不需要专门的仪器设备,运输、操作均方便,在使用时只需加入一定的活化剂,即可释放出强氧化性的二氧化氯,是理想的消毒剂。
4.1 稳定性二氧化氯的活化过程
稳定性二氧化氯的活化处理,是使稳定性的二氧化氯以游离态释放出来,快速地发挥其消毒杀菌作用。二氧化氯的载体为过硼酸钠等,活化剂采用有机酸(如柠檬酸)或无机酸(如盐酸)；活化方法是使用前先加入适量的活化剂,用清水稀释并调整pH值至2~4。
我车间用做实验的稳定性二氧化氯产品有3家公司:四川蒲江、成都阳光、成都齐达。产品的质量指标经分析如表1。
稳定性二氧化氯在使用前的配制。第一步A.用盐酸作为活化剂性时,把37%的盐酸用蒸馏水稀释至10%,取二氧化氯原液10 ml于100 ml容量瓶中,按1∶1比例加入10%盐酸,用蒸馏水稀释至刻度,盖好后摇匀,静置5分钟待用; B.用柠檬酸作活化剂时,将二氧化氯原液∶柠檬酸(固体按10ml∶2 g的比例,取于100 ml容量瓶中,用蒸馏水稀释至刻度,盖好后摇匀静置15~20分钟后待用。第二步,将稀释后的二氧化氯溶液用于消毒实验,以考察稳定性二氧化氯的消毒效果。
4.2 稳定性二氧化氯的消毒效果
3种稳定性二氧化氯产品,按上述配制方法稀释后,分别取同剂量投入1 L滤后水样中,停留时间30分钟后,测定大肠菌、细菌2个指标,测定结果分别列于表2、3、4中。由2~4表可以看出,在满足水样中大肠菌、细菌符合要求的前提下, 3家公司的稳定性二氧化氯最低投剂量,分别为蒲江5 mg/L,阳光4.50 mg/L,齐达4.14mg/L。
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4.3 成本计算
3家公司的稳定性二氧化氯和我厂液氯价格分别列于表5。
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为了考察二氧化氯的经济成本,分别列出3种稳定性二氧化氯及液氯的价格,其中稳定性二氧化氯按最低投剂量计算,液氯按2000年1~4月水厂平均氯单耗1.072 kg/km3水进行计算。
蒲江每m3滤后水需消毒剂的成本: 0.06元/m3•水;
阳光每m3滤后水需消毒剂的成本: 0.014元/m3•水;
齐达每m3滤后水需消毒剂的成本: 0.087元/m3•水;
每m3滤后水用液氯的成本: 1.072×0.0017=0.0018元/m3•水。从成本上计算,每m3滤后水用二氧化氯成本明显高于液氯。以阳光公司为例,每m3滤后水稳定性二氧化氯比液氯成本高8倍。
4.4 稳定性二氧化氯在实验中存在的问题
(1)稳定性二氧化氯尽管解决了运输、储存的问题,但稳定性二氧化氯溶液中仅含有2%以上的二氧化氯,以这3家产品分析为例,蒲江含量为2.94%,阳光含量为为2.18%。97%以上都是对消毒无用的载体,增加了消毒剂的成本。
(2)稳定性二氧化氯经活化后,才具有很强的杀菌消毒作用,活化程度与pH值有关, pH值越小释放量越大,但实验中发现活化时酸过多(pH值越低),二氧化氯的释放速度过快,可能影响二氧化氯的有效浓度并产生一定的危险。
(3)稳定性二氧化氯质量不稳定,很多厂家产品二氧化氯含量在活化时达不到说明书上的要求因此应寻求一种简单分析技术和检测仪器来检测二氧化氯的定量组成。
(4)各厂家的活化方法、二氧化氯的检测方法都不统一,国家对二氧化氯暂时没有统一标准,这对使用者来说困难较大。
(5)从成本上考虑,目前二氧化氯成本过高。在食品颜料加工、医药工业应用较多,但在大规模的供水行业中应用很少。
5 小 结
随着人民的物质文化水平的提高,液氯消毒产生的氯仿给人体带来潜在威胁,已引起国内外普遍关注。尽管供水行业不断地调整投氯工艺,改变投氯点,加快投氯自动化和计算机管理,以降低投氯量,但氯副产物仍普遍存在。因此采用替代液氯的消毒剂是供水行业发展的趋势,而二氧化氯比液氯具有明显的消毒优势,稳定性二氧化氯的出现又为二氧化氯的应用提供了可行的方法,尽管稳定性二氧化氯目前还存在一系列需要解决的问题,但随着研究的进一步深化,一旦这些问题得到有效的解决,作为最有可能替代液氯消毒的稳定性二氧化氯一定会有广阔的发展前景。
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