二氧化氯消毒中水实验研究

Posted 2023-01-12 浓度

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　　再生水的消毒处理效果不理想会影响用水的安全性。目前，国内的中水设计规范或相关中水教材中所采用的中水消毒机理仍沿用给水处理的消毒理论，尚无有关中水消毒原理研究的专门报道〔1, 2, 3, 4, 5〕。相对于饮用水，中水含有的有机物较多，采用氯消毒会产生较多的三卤甲烷和其他卤化有机副产物，而采用二氧化氯消毒则副产物少。因此，如何处理好生物学安全和生态安全的关系是中水消毒处理中面临的主要问题。

　　有效氯的意义对于二氧化氯消毒和氯消毒来说有着本质的区别，对于二氧化氯消毒，余氯值和二氧化氯持续消毒能力不具备良好的相关性〔6〕。因此，确定合理的二氧化氯投加量是发挥其消毒作用的关键性因素。另外，二氧化氯的化学性质不稳定，见光易分解〔7〕，实际生产应用中，二氧化氯实际投加量的确定还应考虑到药剂本身的衰减。本研究采用二氧化氯对中水进行消毒处理，探讨了中水水质对二氧化氯投加量的影响以及二氧化氯浓度随时间的衰减情况，确定了消毒30 min条件下中水卫生指标达标时的二氧化氯最小剩余剂量。该项研究可为实际工程提供数据支持和技术依据。

　　1 实验

　　1.1 实验用水

　　实验用水取自北京市高碑店污水处理厂的砂滤出水，其水质：COD 15～50 mg/L，氨氮0.1～11.1 mg/L，浊度1.0～10.3 NTU，大肠菌群数<106 数量级(1 L水中，下同)，pH 7.1～8.1。

　　1.2 实验方法

　　1.2.1 中水COD与二氧化氯最小投加量定量关系

　　取200 mL 水样，向其中投加一定量的二氧化氯，然后在室温下用磁力搅拌器搅拌30 min。取上述反应后的水样100 mL，向其中加入1 mL 0.01 mol/L 的无菌中和剂(硫代硫酸钠)，终止消毒剂与微生物的反应，然后检测水样中的大肠菌群数是否达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920—2002)的要求。若达标，则二氧化氯投加量以0.1 mol/L 递减;若不达标，则二氧化氯投加量以0.1 mol/L递增，以确定中水COD与二氧化氯最小投加量的定量关系。

　　1.2.2 消毒30 min 后中水中二氧化氯适宜剩余剂量确定

　　实验方法同1.2.1，同时检测消毒30 min后中水中的二氧化氯剩余剂量及大肠菌群数。

　　1.2.3 二氧化氯浓度随时间衰减实验

　　分别取不同体积的储备药剂二氧化氯于100 mL 容量瓶中，用无氨水稀释至刻度，得到不同初始浓度的二氧化氯溶液。将其在室温下于暗处放置，每天检测溶液中二氧化氯浓度，以确定一定浓度的二氧化氯随时间的衰减规律。

　　2 实验结果与讨论

　　2.1 中水COD与二氧化氯最小投加量的定量关系

　　在中水浊度为1.00～6.37 NTU，大肠菌群数<106 数量级的条件下，研究了中水COD(mg/L)与二氧化氯最小投加量(C，mg/L)的关系，结果如图 1所示。由图 1可以看出，本实验条件下，随着中水COD的增大，二氧化氯最小投加量呈上升趋势，且两者呈现良好的线性关系，相关系数R2达到了0.98以上，说明影响二氧化氯消毒中水效果的主要因素为COD，中水中其他因素对消毒效果的影响则相对较小。

图 1 中水COD与二氧化氯最小投加量的线性关系

　　另外，由COD检测方法〔8〕可知，当水样COD 在10～50 mg/L时，COD的测定结果会存在10%左右的误差。而本实验中水COD一般在10～50 mg/L，因此需用系数r对所得线性方程进行修正，最终的线性方程为C=0.026 4×COD×r + 0.042 3(r为 0.9～1.1)。

　　2.2 线性方程验证实验

　　为考察中水COD与二氧化氯最小投加量关系方程的适用性，选取5种水源和处理工艺均与高碑店城市污水处理厂中水不相同的中水水样，在室温，浊度为 1.00～6.37 NTU，大肠菌群数<106数量级的条件下进行了验证实验，结果见表 1。

　　从表 1可以看出，对于5种不同的中水水样，二氧化氯的实际最小投加量均在利用线性方程计算的理论值范围内，说明该线性方程具有一定的适用性。因此，当中水采用二氧化氯消毒时，可根据该线性方程确定二氧化氯的投加量。

　　2.3 浊度对线性方程适用性的影响

　　在室温，中水COD 为15～50 mg/L，大肠菌群数<106 数量级的条件下，研究了中水浊度对线性方程适用性的影响，结果见表 2。

　　从表 2可以看出，当浊度<6.37 NTU时，二氧化氯实际最小投加量均在利用线性方程计算的理论值范围内;当浊度>6.37 NTU时，二氧化氯实际最小投加量超出了利用线性方程计算的理论值范围。该实验结果与赵燕等〔9〕以浊度5 NTU为线性方程分界线的结果有所不同。

　　实验结果表明，当中水浊度<6.37 NTU时，二氧化氯实际最小投加量可采用线性方程C=0.026 4×COD×r+0.042 3进行计算。当中水的浊度>6.37 NTU时，则需对COD与二氧化氯最小投加量线性方程进行修正，修正后的方程为C=1.5×(0.026 4×COD×r+ 0.042 3)。

　　2.4 大肠菌群数对线性方程适用性的影响

　　在室温，中水COD为 15～50 mg/L，浊度为1.00～6.37 NTU的条件下，研究了中水大肠菌群数对线性方程适用性的影响，结果见表 3。

　　从表 3可知，当大肠菌群数<106数量级时，二氧化氯实际最小投加量在利用线性方程计算的理论值范围内。因此，当中水大肠菌群数在 106数量级以内时，线性方程C=0.026 4×COD×r+0.042 3适用。

　　二氧化氯在水中的扩散速度与渗透能力均比氯快，且二氧化氯以中性单分子形态通过单纯扩散的方式透过细胞膜，不需要载体蛋白(渗透酶)参与，因此其杀菌作用不受细菌的代谢活力影响，这一特点导致二氧化氯几乎对一切会导致水介传染病的病原微生物均有较好的灭活效果，并且微生物不易对其产生耐受性。

　　2.5 二氧化氯自身衰减模型

　　溶液二氧化氯质量浓度(C，mg/L)随时间(t，d)的衰减情况如图 2所示。

图 2 二氧化氯溶液随时间的衰减规律

　　从图 2可以看出，二氧化氯浓度随时间的衰减规律符合一级反应动力学模型。通过计算可得二氧化氯的半衰期 t1/2=4.5 d，也就是说实际应用过程中，二氧化氯储备液放置的时间不能超过5 d。此外，从图 2还可以看出，随二氧化氯浓度的减小，其衰减速率亦逐渐减小。因此，在实际应用过程中，配备储备液的浓度不宜过大，否则浓度衰减太快。

　　2.6 消毒30 min中水中二氧化氯剩余剂量的确定

　　取9家不同来源的中水水样，其大肠菌群数<106 数量级，向其中加入一定量的二氧化氯消毒30 min后，取水样检测二氧化氯的剩余剂量与大肠菌群数，结果见表 4。

　　从表 4可以看出，当中水消毒30 min，水样中剩余二氧化氯质量浓度为 0.10 mg/L时，不同水样中的大肠菌群已经完全灭活，满足回用标准要求，达到中水安全回用的目的。说明使用二氧化氯进行中水消毒时，为维持二氧化氯的持续消毒能力，必须确保消毒30 min后水中剩余二氧化氯质量浓度最小为 0.10 mg/L。

　　由于中水的来源和处理工艺不同，导致中水水质差异较大，某些因素(如浊度、有机物的含量或微生物的数量)会影响到二氧化氯的消毒效果，因此，其投加量应根据实际情况酌情增加。由于本实验数据是在采用9家不同水源和不同处理工艺的中水作为研究对象的基础上得到的，因此，其结果具有一定普遍性，对实际工程有一定的指导意义。。

　　3 结论

　　(1)当浊度为1.00～6.37 NTU，大肠菌群数<106数量级时，中水COD与二氧化氯最小投加量关系满足一元线性方程C=0.026 4×COD×r+0.042 3。验证实验表明，该线性方程具有一定适用性。当浊度>6.37 NTU时，需对COD与二氧化氯最小投加量线性方程进行修正，修正后的方程：C=1.5×(0.026 4×COD×r+0.042 3)。

　　(2)采用二氧化氯对中水进行消毒，余氯值不能表明二氧化氯的持续消毒效果，检测消毒30 min时水样的二氧化氯剩余剂量更为有效。为保证二氧化氯的持续消毒能力，要求剩余二氧化氯质量浓度不能低于0.10 mg/L。

　　(3)二氧化氯浓度随时间的衰减符合一级反应动力学模型，且随二氧化氯浓度的减小，其衰减速率逐渐减小。因此，配备的二氧化氯储备液不宜长时间放置，且浓度不宜过大。