氯氣作為一種成熟的消毒劑已有百年的應(yīng)用歷史，但近年來(lái)由于源水水質(zhì)的惡化，氯化消毒所引發(fā)的環(huán)境健康問(wèn)題以逐漸引起人們的重視。為解決這一問(wèn)題，自七十年代以后，氯化消毒的替代品研究逐漸深入，二氧化氯就是其中*的替代物之一。鑒于二氧化氯*的消毒優(yōu)勢(shì)，目前歐洲已有數(shù)千家水廠采用二氧化氯作為消毒劑，美國(guó)也有400余家水廠在消毒工藝中增加了二氧化氯。我國(guó)飲水處理廠在二氧化氯的應(yīng)用方面，起步較晚，發(fā)展也較慢，從九十年代以后，二氧化氯發(fā)生器才開始在一些中小型水廠中加以應(yīng)用。目前為改善水廠氯消毒所帶來(lái)的一些問(wèn)題，二氧化氯發(fā)生器的應(yīng)用已逐漸引起人們的關(guān)注，一些新建水廠已開始直接選用二氧化氯發(fā)生器取代加氯機(jī)，另外一些存在氯消毒問(wèn)題的老水廠也在考慮用二氧化氯對(duì)氯氣進(jìn)行改造。本文在這種趨勢(shì)下對(duì)二氧化氯發(fā)生器在我國(guó)水廠中應(yīng)用的問(wèn)題進(jìn)行探討。

二氧化氯性質(zhì)活潑，不易貯存和運(yùn)輸，目前國(guó)內(nèi)外飲水使用二氧化氯都采用現(xiàn)場(chǎng)制備的方式，能現(xiàn)場(chǎng)制備二氧化氯的裝置叫做二氧化氯發(fā)生器。通常水廠使用的二氧化氯發(fā)生器都采用化學(xué)反應(yīng)的原理進(jìn)行制備，根據(jù)采用原料的不同，可分為亞氯酸鈉工藝和氯酸鈉工藝。
1.1 氯酸鈉工藝
  采用氯酸鈉和鹽酸為原料進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)式如下：
 NaClO₃ + 2HCl = ClO₂ + 1/2Cl₂ + NaCl + H₂O
 由上式可以看出，在二氧化氯產(chǎn)生的同時(shí)還有約占二氧化氯產(chǎn)量一半的氯氣發(fā)生，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本工藝中二氧化氯的有效轉(zhuǎn)化率一般只有50%左右，并且受到反應(yīng)溫度和鹽酸濃度的影響。要提高二氧化氯的轉(zhuǎn)化率，必需保持較高的反應(yīng)溫度（約70^OC）和加大鹽酸的過(guò)剩量，但這同時(shí)又會(huì)導(dǎo)致氯氣產(chǎn)率的提高，使反應(yīng)產(chǎn)物中氯氣的含量增大。這個(gè)矛盾在穩(wěn)定態(tài)二氧化氯的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)上，可以通過(guò)多級(jí)加溫，空氣逆向逐級(jí)吹脫的方式來(lái)富集二氧化氯，但在水廠應(yīng)用的小型二氧化氯設(shè)備（小于10kg/h）上，則很難解決。
  由于氯氣的大量存在，嚴(yán)格講已經(jīng)失去了二氧化氯投加的基本的意義，即降低水中三氯甲烷的含量。并且由于氯酸鈉的轉(zhuǎn)化率在實(shí)際運(yùn)行中通常不足50%，這使得當(dāng)投加量較高時(shí)，水中剩余的ClO₃^— 的濃度較高。正是以上諸多原因，在國(guó)外有關(guān)水廠二氧化氯應(yīng)用的資料中，還未有上述氯酸鈉工藝的報(bào)道。
  在我國(guó)，目前以氯酸鈉工藝為基礎(chǔ)的二氧化氯發(fā)生器仍是市場(chǎng)上的主導(dǎo)產(chǎn)品之一，并在許多水廠中得以運(yùn)行。其主要是由于以下兩方面的原因。
 1） 我國(guó)對(duì)應(yīng)用于水廠的二氧化氯發(fā)生器，從設(shè)備選型、產(chǎn)品檢驗(yàn)、設(shè)計(jì)規(guī)范到處理水質(zhì)，都還沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)二氧化氯的使用仍不規(guī)范。多數(shù)使用二氧化氯的水廠，在設(shè)備檢驗(yàn)和出水檢測(cè)上仍使用與氯氣相同的指標(biāo)，如有效氯、余氯等。
 2） 由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)總體水平還處于發(fā)展中國(guó)家的水平，運(yùn)行成本仍是目前水廠工藝選型的主要制約因素。以制取1kgClO₂來(lái)計(jì)，亞氯酸鈉法的成本約為30元，氯酸鈉法約20元。相差近1倍。這也是氯酸鈉法得以廣泛使用的主要原因之一。
  對(duì)二氧化氯發(fā)生器的應(yīng)用評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，終將會(huì)以處理水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。氯酸鈉工藝由于其本身的工藝缺陷，在應(yīng)用上會(huì)受到很大的限制。
1.2 亞氯酸鈉工藝
  亞氯酸鈉工藝常見(jiàn)的反應(yīng)原理有以下兩種：
 1） 5NaClO₂ + 4HCl = 4ClO₂ +5NaCl +2H₂O
 2） 2NaClO₂ + Cl₂ = 2ClO₂ + 2NaCl
 反應(yīng)式1是一個(gè)自氧化還原反應(yīng)，亞氯酸鈉既是氧化劑又是還原劑，鹽酸是酸化劑。因此，理論上有20%的亞氯酸鈉被還原成NaCl，如果以亞氯酸鈉轉(zhuǎn)化為二氧化氯為有效轉(zhuǎn)化來(lái)計(jì)，其高有效轉(zhuǎn)化率只有80%。但從產(chǎn)物中二氧化氯的實(shí)際收率來(lái)看，通?？梢赃_(dá)到95%以上。反應(yīng)式2中氯氣作為還原劑參與反應(yīng)，使亞氯酸鈉的有效轉(zhuǎn)化率理論上可達(dá)到，在產(chǎn)物中，二氧化氯純度同樣可達(dá)到95%以上。
 一． 亞氯酸鈉加鹽酸工藝
  該工藝具有工藝簡(jiǎn)單，不需要加溫，設(shè)備容易操作及維護(hù)，產(chǎn)物中二氧化氯純度高等優(yōu)點(diǎn)。是國(guó)外小型二氧化氯發(fā)生器常用的反應(yīng)原理。如德國(guó)的Prominent、ALLDOS美國(guó)的F&P公司都有相應(yīng)的產(chǎn)品，我國(guó)采用亞氯酸鈉產(chǎn)生二氧化氯的發(fā)生器也都以此工藝為基礎(chǔ)。
  從水廠的應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，本工藝主要存在以下的不足。
 1） 為達(dá)到95%的高產(chǎn)率，鹽酸應(yīng)過(guò)量。使出口藥液的pH值小于1。
 2） 由于鹽酸的需要量大，以一個(gè)5萬(wàn)t的水廠為例，當(dāng)二氧化氯的投加量為1ppm時(shí)，鹽酸（濃度為25%）的日消耗量為300kg。因此，對(duì)中型以上的水廠采用此工藝，鹽酸的儲(chǔ)備需占用一定的空間。
 二．亞氯酸鈉加氯氣工藝
  工藝流程見(jiàn)下圖：
  據(jù)國(guó)外資料顯示，國(guó)外水廠中以此工藝為基礎(chǔ)的發(fā)生器的應(yīng)用約占70%。而國(guó)產(chǎn)設(shè)備在水廠中的應(yīng)用還未見(jiàn)報(bào)道，這主要是由于以下兩方面的原因：
 1） 我國(guó)目前二氧化氯的應(yīng)用仍主要集中在中小型水廠，尤其是縣級(jí)左右的小水廠，二氧化氯的需要量一般在300-1000g/h上下。對(duì)這部分水廠，操作簡(jiǎn)單，使用安全是選擇二氧化氯的主要因素，而該工藝所含有的加氯系統(tǒng)無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，加大設(shè)備投資和管理水平，因此對(duì)中小型水廠來(lái)說(shuō)，該工藝并無(wú)優(yōu)勢(shì)。
  國(guó)外二氧化氯廠商多數(shù)也是加氯機(jī)的生產(chǎn)商，因此在設(shè)備配套和系統(tǒng)集成上比較容易。

   而對(duì)國(guó)內(nèi)二氧化氯生產(chǎn)廠商則還不具有這方面的優(yōu)勢(shì)。因此在這方面的開發(fā)還比較落后。
 2） 但從二氧化氯在水廠尤其是大中型水廠進(jìn)行推廣使用的前景來(lái)看，此工藝則具有非常大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
  首先，從反應(yīng)式2可以看出，用氯氣取代鹽酸，提高了亞氯酸鈉的有效轉(zhuǎn)化率，降低了運(yùn)行成本。并且，避免了濃鹽酸在儲(chǔ)存、輸送及投加過(guò)程中對(duì)操作環(huán)境的影響。更容易實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化程度。
 其次，本工藝可以根據(jù)實(shí)際需要單獨(dú)投加氯氣，或單獨(dú)產(chǎn)生二氧化氯。能大限度的適應(yīng)水廠水源水質(zhì)的變化要求。對(duì)一些水廠，尤其是以地表水為水源的水廠，通常水質(zhì)隨季節(jié)的變化而變化，當(dāng)處于豐水期時(shí)水質(zhì)較好，這時(shí)采用氯氣消毒即可達(dá)到處理要求，而在枯水期或由于其他原因造成的水質(zhì)變差時(shí)，再使用二氧化氯進(jìn)行消毒，可取得佳的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
 第三，隨著我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的健全，二氧化氯在我國(guó)大型水廠的應(yīng)用必將得到推廣。但對(duì)已建有氯氣消毒的水廠來(lái)說(shuō)，就存在著是設(shè)備改造還是設(shè)備更新的問(wèn)題。本工藝可以在原有的設(shè)備基礎(chǔ)上，增加一些簡(jiǎn)單的設(shè)施就可達(dá)到以上二氧化氯和氯氣靈活使用的目的，因此，具有很大的使用價(jià)值。
  另外，采用此工藝生成的二氧化氯產(chǎn)物的pH值接近中性。可以較長(zhǎng)時(shí)間保存，而不發(fā)生歧化反應(yīng)，可以通過(guò)中間儲(chǔ)存箱實(shí)現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備，多個(gè)投加點(diǎn)的復(fù)雜情況。如圖所示。
  從以上對(duì)二氧化氯發(fā)生器的分析比較中可以看出，我國(guó)現(xiàn)在在二氧化氯的應(yīng)用上還存在著很多問(wèn)題。對(duì)二氧化氯發(fā)生裝置的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)還不完善，對(duì)作為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)的指標(biāo)體系還未建成。

與投加氯氣不同，氯氣投加只是單一藥劑的定量投加，自動(dòng)化程度的高低只會(huì)影響量的準(zhǔn)確與否。而二氧化氯則是通過(guò)兩種藥劑的現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)來(lái)制取，要想準(zhǔn)確投加，必須對(duì)兩種藥劑進(jìn)行計(jì)量、準(zhǔn)確配比才能實(shí)現(xiàn)。否則，會(huì)因?yàn)榕浔炔划?dāng)而引起二氧化氯產(chǎn)率降低，副產(chǎn)物比率增加。降低消毒效果。嚴(yán)重時(shí)，會(huì)出現(xiàn)單藥劑投加而*失去消毒效果并污染水質(zhì)。
  從國(guó)外的應(yīng)用來(lái)看，二氧化氯發(fā)生器的運(yùn)行都采用自動(dòng)化控制。通?？煞譃楣に囎詣?dòng)化控制和設(shè)備運(yùn)行自動(dòng)化控制。這兩者通過(guò)一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)完成。其中工藝自動(dòng)化是指通過(guò)外部信號(hào)（如處理水流量、剩余二氧化氯濃度等）對(duì)投藥量進(jìn)行控制，以求達(dá)到適的投加量。而設(shè)備運(yùn)行自動(dòng)化是指關(guān)于設(shè)備本身正常運(yùn)行的自動(dòng)化控制，包括兩種藥劑的自動(dòng)配比、故障自動(dòng)報(bào)警及事故自動(dòng)處理等。
  我國(guó)目前二氧化氯發(fā)生器在水廠中應(yīng)用的自動(dòng)化程度還較低，一些中小型水廠的二氧化氯發(fā)生器的運(yùn)行還*采用手動(dòng)標(biāo)定兩種藥液滴數(shù)來(lái)計(jì)量，*無(wú)法控制二氧化氯的產(chǎn)量和投加量。二氧化氯發(fā)生器是集物料計(jì)量、現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)，定量投加于一體的消毒設(shè)備。設(shè)備的自動(dòng)化程度直接關(guān)系到二氧化氯在產(chǎn)物中的產(chǎn)率，以及消毒水中副產(chǎn)物的殘留濃度。因此，筆者認(rèn)為，在我國(guó)水廠推廣二氧化氯應(yīng)用時(shí)，應(yīng)改變以往片面重視設(shè)備投資的觀點(diǎn)，應(yīng)重視設(shè)備本身自動(dòng)化的程度，結(jié)合具體水源的特點(diǎn)選用合理的控制方式，才能取得佳的處理效果和經(jīng)濟(jì)效益。

 所謂的二氧化氯使用方式，主要是指二氧化氯的投加點(diǎn)和投加量。二氧化氯作為強(qiáng)氧化劑和消毒劑，其性能要高于氯氣。因此，二氧化氯可以作為水廠的單一消毒劑。但當(dāng)考慮到不同消毒劑的特性及經(jīng)濟(jì)因素時(shí)，二氧化氯和其他消毒劑的聯(lián)合使用往往會(huì)取得更佳的處理效果和更低的處理成本。
  一般二氧化氯作為單一消毒劑時(shí)，投加點(diǎn)應(yīng)在過(guò)濾之后，并應(yīng)在進(jìn)入清水池前保證與原水的充分混合。投加量一般應(yīng)控制在2ppm之內(nèi)。對(duì)一些污染嚴(yán)重的水源，單獨(dú)采用二氧化氯消毒，會(huì)使投加量上升至3-5ppm，如在寧夏某水廠的應(yīng)用實(shí)踐表明，單獨(dú)使用二氧化氯消毒時(shí)，要滿足出水衛(wèi)生指標(biāo)合格的投加量平均為4.1ppm。這一方面增加了水廠的制水成本，另外也大大增加了消毒后出水中剩余亞氯酸根的含量。因此在這種情況下，采用兩種消毒劑聯(lián)合投加會(huì)取得佳的處理效果。常見(jiàn)的這種組合消毒工藝如下圖所示。

 作者認(rèn)為圖中工藝流程對(duì)某些污染較重的水源具有較大的推廣價(jià)值，這個(gè)工藝具有以下兩大優(yōu)點(diǎn)。一是二氧化氯在混凝前與混凝劑同時(shí)投加，不僅可以通過(guò)氧化作用去除水中能產(chǎn)生三鹵甲烷前體物（如腐殖酸和黃腐酸等等），還可以改善膠體顆粒帶電性能，從而達(dá)到助凝作用。使沉淀、過(guò)濾的處理效率得到提高。預(yù)氧化投加二氧化氯的量一般控制在0.5-1.0ppm。二是濾后投加氯氣作為消毒劑，用來(lái)控制水中的細(xì)菌學(xué)指標(biāo)。氯氣的投加量可以降低，不僅大程度減少了水中三鹵甲烷的形成量，也可保證水中余氯持續(xù)的殺菌活力，操作檢測(cè)簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低。

1） 應(yīng)建立對(duì)二氧化氯發(fā)生器性能的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范二氧化氯發(fā)生器的產(chǎn)品市場(chǎng)。
 2） 應(yīng)制定適合于二氧化氯消毒的水質(zhì)檢驗(yàn)指標(biāo)，降低二氧化氯發(fā)生器在使用中產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物水平。
 3） 對(duì)大型水廠（尤其以地表水為水源的水廠），應(yīng)大力推廣以氯氣+亞氯酸鈉工藝為主的二氧化氯制備技術(shù)。