摘   要：针对农村自来水厂净水工艺特点和消毒技术现状，就二氧化氯应用于农村饮用水消毒的使用条件、投加方式、安全控制、设备选型、投加浓度等工艺参数进行了讨论。通过分析消毒系统可能出现的二氧化氯泄漏、断料和系统过压等安全隐患，提出了系统安全运行的保证措施。另外对二氧化氯投加量设计及出厂水余量的检测方法进行了探讨，对二氧化氯的消毒成本也进行了估算。

关键词：农村饮水；二氧化氯；安全消毒；工艺设计

 

 

Abstract: Matched with the water treatment process and the current disinfection situation of rural areawaterworks,the technical pa-rameters such as application condition，throwing method,safety control,equipment choice and the ClO₂ dosage in sanitizing process are discussed .The system insurance measure are suggested to solve the safety shoal such as leak of ClO₂,lack of raw materials,and overpressure of system occurred possibly in disinfection process.In addition the dosage and the testing method of ClO₂in drinking water are presented and the disinfecting cost with ClO₂ is estimated for waterworks toconsult.

Keywords: rural area drinkingwater;chlorine dioxide;security disinfection;process design

 

    由于经济发展不均衡，农村人口的饮水安全形势要比城市人口更为严峻。根据2005年底水利部、卫生部5农村饮用水安全卫生评价指标体系6统计^[1]，到2004年底，我国农村还有3.23亿农村人口饮水不安全，占农村人口的34%。这些饮水不安全人口中，各类饮水水质不安全的有2.27亿人，水量不足、取水不方便及供水保证率低的近9600万人。2.27亿水质不安全人口中，饮用水氟砷含量超标的有5370万人，饮用苦碱水的有3850万人，地表或地下饮用水源被严重污染的涉及9080万人，饮用水中铁锰等超标的有4410万人。饮用水污染，造成致病微生物及其他有害物质含量严重超标，易导致疾病流行，有的地方还因此暴发伤寒、副伤寒以及霍乱等重大传染病。如南方局部地区血吸虫病疫情回升，疫区群众因生产和生活需要频繁接触含有血吸虫尾蚴的疫水，造成反复感染发病，严重威胁人民群众的身体健康和生命安全。在地表水微生物污染加剧的趋势下，保证饮用水的安全是防止/病从口入，提高农村人口健康水平最有效的措施之一。

    根据我国饮用水源水的污染现状，2006版的生活饮用水卫生标准^[2]对饮用水的各类指标均作出了新的要求。控制项目由原来的35项增加到106项。其中，微生物指标由2项增至6项，增加了大肠埃希氏菌、耐热大肠菌、贾第鞭毛虫和隐孢子虫，修订了总大肠菌群数；饮用水消毒剂由1种增至4种，增加了一氯胺、臭氧、二氧化氯；在增加指标项目的同时，对指标值的限定也更为严格。以微生物为例。这在侧面反映了饮用水微生物污染的严重性以及防治微生物污染的迫切性。在这种情况下自来水厂不采取有效的消毒手段，是无法确保出厂水和管网末梢水微生物达标的。

 

    鉴于处理大水量时的经济性、可操作性及消毒效果，绝大多数自来水厂均采用化学法进行消毒。以往液氯及其衍生物(次氯酸钠、漂白粉等)是最常用的化学消毒剂，但随着水体中有机污染物的增多，氯由于消毒可能会产生三氯甲烷致癌物及液氯泄漏等安全隐患越来越多地受到人们的指责。而且液氯在采购、运输、储存、使用中对安全管理要求很高,这对于在规模上远小于城市自来水厂、管理水平不高、事故应急能力相对较弱的农村自来水厂是不太适合的。臭氧虽然消毒效果好、二次污染小并且能够有效改善水的嗅和色度,但由于其一次性投资大、使用成本和维护成本较高等原因也不适宜农村水厂使用。二氧化氯除了具备臭氧消毒的优点外,还有在水中的停留时间长、制备方便、产率高、产量大、成本较低、操作较为安全、易于控制、原料易得等优点,因此到越来越受到村自来水厂的欢迎。根据不完全的统计,目前全国已有超过2000家以上的农村自来水厂采用二氧化氯消毒。

    农村自来水厂采用二氧化氯消毒,一般采用专用装置(二氧化氯发生器)现场发生和投加。目前,绝大多数水处理用二氧化氯发生器均采用化学法反应原理,即采用2种或2种以上的化学原料通过反应器反应生成二氧化氯。由于市场上二氧化氯发生器的品牌很多,每个品牌的产品在规格型号、结构原理、安装及操控方式等方面也不尽相同。对于农村水厂来说,如何根据本厂的水处理工艺选择合适的消毒设备及安全有效的投加工艺是确保自来水高效、经济、安全消毒的前提。

 

 

    目前国内可用于饮用水消毒的二氧化氯发生器主要采用2种化学反应方法^[3~5],即氯酸钠法和亚氯酸钠法。氯酸钠法多采用R5^[6]的反应机理,即:

2NaClO3+4HCl→2ClO2+Cl2+2NaCl+2H2O        (1)

    亚氯酸钠法多采用亚氯酸钠加盐酸的反应机理^[6],即:

5NaClO2+4HCl→4ClO2+5NaCl+2H2O            (2)

    氯酸钠法特点是原料易得、价格低,反应产物是ClO₂、Cl₂,分别占70%、30%左右的混合物。其设备结构简单,一次性投资较小,ClO₂发生成本大约为0.010~0.015元/g。

    亚氯酸钠法的优点是原料转化率高^[7](理论转化率为100%),可以制得95%纯度的ClO₂。该法在国外饮水消毒中占70%,国外采用亚氯酸钠氯化、酸化工艺。由于又要引入氯,国内很少采用,多采用式(2)反应工艺。亚氯酸钠法的主要缺点是设备较贵,原料不易采购且价格较高,产气成本在0.05元/g以上,是氯酸钠法的4~5倍。由于成本原因,在目前条件下农村水厂采用亚氯酸钠法二氧化氯发生器的并不多。但产物中ClO₂的纯度较高的优点,使得亚氯酸钠法也有一定的应用前景。

    目前国内用于饮用水消毒的二氧化氯发生器一般采用单级反应,其工艺流程如图1所示。这种工艺的特点是结构简单、操作维护方便、制作成本低、易于推广。

 

 

 

 

    根据水源的不同,农村水厂有不同的制水工艺。为了便于投加并达到有效的消毒效果,二氧化氯的投加点也应相应的变化。

 

 

    我国北方地区农村多以地下水为水源。由于地下水水质较好,一般水厂通过深井泵取水后直接或经简单消毒后供给用户。对于管道直接供出的地下水可采用泵后加药的方式,如图2所示。对于有清水池的加药点可选在清水池的进水口,如图3所示。不建议采用泵前投加方式,这对深井泵有腐蚀作用,影响其使用寿命。

 

 

 

 

 

    以地表水为水源的农村自来水厂其处理工艺流程一般为:混凝沉淀、过滤、消毒、出水。这样的工艺,二氧化氯投加点一般选在清水池的进水口或进水管道上。若原水铁锰含量较高,也可通过分配器将一部分二氧化氯加至混凝池中,经预氧化将Fe²⁺转换为Fe³⁺,将Mn²⁺转化为Mn⁴⁺,然后通过混凝沉淀去除,如图4所示。

 

 

 

 

 

 

    负压投加是指用一定压力的水通过文丘里射流器所产生的负压将二氧化氯发生器产生的二氧化氯溶液抽出并输送至待处理的水中。这种投加方式由于采用负压吸收和输送二氧化氯,可以降低二氧化氯挥发、泄漏的几率,并且在不增加其他提条件第1必须有压力水,第2必须有清水池或敞开式不带压的待处理水。工艺流程见图5。

    负压投加的主要工艺参数如下:

    (1)压力水压力:0.15~0.30MPa。

    (2)压力水流量Qp:

Qp=1000G

    式中:G为发生器二氧化氯的产量,kg/h。

    根据经验,在该参数下,可以保证水射器有充分的负压,并可防止二氧化氯由于原液过浓而挥发损失和对操作人员的刺激。

 

 

 

 

    正压投加是指将二氧化氯发生器产生的二氧化氯溶液在一定压力下投加到带压管道、高位水池等带压水体中的加药方式。正压投加一般要求二氧化氯设备必须具有进料计量泵、耐压反应器、耐压投加管道、安全泄压阀等专用部件和装置,有时根据现场情况也可能需增压泵。正压投加工艺流程见图6。

 

   

    正压投加必须考虑系统的压力平衡及系统的耐压性问题。这是关系到设备是否能够正常运行以及运行是否安全的前提。一般情况下,发生器管道、反应器、计量泵、各种管件仪表的耐压值不应低于待处理水的压力,水体压力过高时可采用增压泵加药。

    正压投加的主要工艺参数为:

    (1)稀释水压力:0.10~0.20MPa。

    (2)稀释水流量Qd:         

Qd=1000G

    式中:G为发生器二氧化氯的产量,kg/h。

    (3)增压泵额定压力:大于待处理水的压力。

    (4)安全泄压阀额定压力:大于计量泵的额定压力,小于加药系统的最大承压。

 

 

    二氧化氯消毒系统存在的主要安全和故障隐患有：盐酸泄漏、二氧化氯泄漏、断料、系统过压、投加量不够或过大等。

    盐酸的泄漏主要由于储槽或供料管道的阀门、活节、计量泵接头松动或损坏等原因造成。安全措施是除采用质量较高的管头管件外,应将盐酸储槽安放在消毒间外边,有条件的可装酸雾吸收装置。

    二氧化氯泄漏多在投加管道上出现,主要是由高浓度二氧化氯腐蚀密封圈或药液压力过大导致管道破裂而造成。防止措施是采用稀释投加法和加装安全泄压阀。有条件的单位可配备漏氯监测仪随时监控环境中二氧化氯的浓度。另外加药间必须安装通风装置。

计量泵本身故障和料槽缺料将会导致反应器断料。管道堵塞或待处理水体压力超过计量泵的额定压力,计量泵将无法进料。前2种情况出现时,将导致ClO₂发生量减少或停止发生;而最后一种情况可能会导致反应器的破裂或爆炸。因此,二氧化氯发生器尤其是正压式设备有必要配备原料液位检测、缺料报警、安全泄压装置。

    手动式设备需要人工根据水量的变化调节二氧化氯的加药量,操作相对繁琐,其加药量无法准确随水量变化及时调整。而配备流量或二氧化氯在线监测系统的设备便可实现流量或余氯在线控制。更高端的系统还配备微电脑或PLC控制单元,不仅可以实现本地完全控制,而且还能通过远程计算机进行远程监控。

    二氧化氯消毒系统安全控制原理见图7。

 

 

 

 

 

    农村水厂可根据原水水质!处理量及水处理工艺来选择二氧化氯消毒设备。对于没有清水池或加到高位水池的工艺应选择正压式消毒设备;对于有清水池的水厂即可选正压也可选负压式设备。为了便于日后升级或实现控制投加建议选择正压式设备。

    目前国内二氧化氯发生器的发生能力均与规格型号相对应,如CPF-1000型指的就是二氧化氯发生能力为1000g/h。因此,只要知道处理水量!加药浓度就可确定二氧化氯发生器的规格型号或发生能力。计算方法如下:

B=CQ/T          (3)

    式中:B为所选设备的产量,g/h;C为二氧化氯的投加浓度,mg/L或g/m³;Q为水厂的设计水量,m³/d;T为运行时间,h/d。

 

 

    由于二氧化氯的消毒效果及持续杀毒能力很强,二氧化氯的投加量以满足消毒能力、管网中有持续杀菌能力和副产物浓度不超标作为控制指标为原则。二氧化氯的投加量和余量是2个不同概念。二氧化氯溶于水后,会与微生物、有机物、硫醇、H₂S、Fe²⁺、Mn²⁺等物质发生氧化还原反应而消耗一定的浓度。二氧化氯的投加量减去与上述物质反应的消耗量后即为剩余量。资料表明[8]二氧化氯加入水中后,有50%~70%转变为ClO^-₂、ClO^-₃等,其中主要是ClO^-₂。在不同水质条件下,ClO₂转化为ClO^-₂的比例也不一样,水中还原性物质的高低决定二氧化氯的转化比例。GB574922006规定,用二氧化氯消毒时出厂水限值为0.8mg/L,出厂水余量不低于0.1mg/L,管网末梢水中的余量不低于0.02mg/L。要达到出厂水二氧化氯余量的指标要求,投加量应高于指标值。具体投加量应根据不同水厂的水质通过实验而定。根据经验[9]地表水二氧化氯投加量为1.0mg/L时,出厂水余量为0.15~0.5mg/L,末梢水余量为0.05mg/L左右。

    饮用水中二氧化氯的检测可按GB/T5750.1122006标准^[10]提供的甲酚红分光光度法、DPD法或碘量法进行。笔者认为,甲酚红分光光度法比较适合农村水厂的快速测定,水厂原有测定余氯的联邻甲苯胺比色法也可经校正后使用。有条件的水厂可以配置二氧化氯在线监测仪表,该仪表还可与计量泵联动,实现二氧化氯投加量和水中二氧化氯浓度的在线控制。

 

 

    二氧化氯的消毒成本取决于ClO₂的制取成本及其投加量。投加量与水质有关,在水质一定的情况下,消毒成本就由ClO₂的制取成本决定。以氯酸钠法为例,ClO₂制取成本的主要构成是原料费、电费、设备折旧费和维护费。估算方法如下:

    (1)原料费。这是构成ClO₂制取成的主要部分。按化学反应式(1)推算,发生1gClO₂理论上消耗1.58g的NaClO₃和1.08g的HCl,折合98%氯酸钠1.61g,31%的盐酸3.48g。目前98%氯酸钠3800元/t、31%的盐酸600元/t,则产生1gClO₂的理论成本为:1.61×0.0038+3.48×0.00061=0.0082元。若原料的转化率以80%计,则制取二氧化氯的原料成本为:

F1=0.0082÷0.80=0.010(元/g)

    (2)电费。化学法二氧化氯发生器的电耗主要是计量泵的电耗。以发生能力1000g/h的华浦CPF-1000C发生器为例,的电耗为:

F2=2.00×(0.050+0.050) ÷1000=0.00020(元/g)

    (3)设备折旧费。使用寿命8年,每天运行24h,则制取ClO2的分摊折旧费为:

F3=80000÷(8×360×24×1000)=0.0012(元/g)

    (4)维护费用。若CPF21000C发生器购置价8万元,以每年维护费5%计,则维护费用为:

F4=80000×5%÷(360×24×1000)=0.00046(元/g)

    二氧化氯的综合制取成本为:

F=F1+F2+F3+F4=0.012(元/g)

    其中原料费、折旧费、维护费和电费分别占总成本的83.3%,10%、3.8%和1.6%。可见,原料费是构成ClO₂制取成本的主要成分,折旧费、电费和维护费3者之和只占15.4%。

说明化学法二氧化氯设备的折旧费、维护费和能耗均处于较低

水平。

    按0.012元/g的制取成本计,ClO₂的投加量为0.50mg/L时,其消毒成本为0.006元/t水;当ClO₂的投加量为1.00mg/L时,其消毒成本为0.012元/t水。

 

 

    二氧化氯作为一种很有前途的消毒剂,在我国城市供水行业2000年技术发展规划中,已被列入替代氯消毒剂推广应用。2006版的生活饮用水卫生标准也把二氧化氯列为可使用的消毒剂。二氧化氯发生器的技术特点和适中的消毒成本也比较适合现阶段农村水厂的消毒需要。随着二氧化氯制备技术和应用技术的日臻完善,农村水厂将会有机会选择更好、更安全的设备,以满足饮用水安全消毒的需要。希望上述讨论能够对农村水厂在选择、使用二氧化氯消毒设备时有一定帮助。

 

 

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