二氧化氯消毒中水實(shí)驗研究

　　再生水的消毒處理效果不理想會(huì )影響用水的安全性。目前，國內的中水設計規范或相關(guān)中水教材中所采用的中水消毒機理仍沿用給水處理的消毒理論，尚無(wú)有關(guān)中水消毒原理研究的專(zhuān)門(mén)報道〔1, 2, 3, 4, 5〕。相對于飲用水，中水含有的有機物較多，采用氯消毒會(huì )產(chǎn)生較多的三鹵甲烷和其他鹵化有機副產(chǎn)物，而采用二氧化氯消毒則副產(chǎn)物少。因此，如何處理好生物學(xué)安全和生態(tài)安全的關(guān)系是中水消毒處理中面臨的主要問(wèn)題。

　　有效氯的意義對于二氧化氯消毒和氯消毒來(lái)說(shuō)有著(zhù)本質(zhì)的區別，對于二氧化氯消毒，余氯值和二氧化氯持續消毒能力不具備良好的相關(guān)性〔6〕。因此，確定合理的二氧化氯投加量是發(fā)揮其消毒作用的關(guān)鍵性因素。另外，二氧化氯的化學(xué)性質(zhì)不穩定，見(jiàn)光易分解〔7〕，實(shí)際生產(chǎn)應用中，二氧化氯實(shí)際投加量的確定還應考慮到藥劑本身的衰減。本研究采用二氧化氯對中水進(jìn)行消毒處理，探討了中水水質(zhì)對二氧化氯投加量的影響以及二氧化氯濃度隨時(shí)間的衰減情況，確定了消毒30 min條件下中水衛生指標達標時(shí)的二氧化氯最小剩余劑量。該項研究可為實(shí)際工程提供數據支持和技術(shù)依據。

　　1 實(shí)驗

　　1.1 實(shí)驗用水

　　實(shí)驗用水取自北京市高碑店污水處理廠(chǎng)的砂濾出水，其水質(zhì)：COD 15～50 mg/L，氨氮0.1～11.1 mg/L，濁度1.0～10.3 NTU，大腸菌群數<106 數量級(1 L水中，下同)，pH 7.1～8.1。

　　1.2 實(shí)驗方法

　　1.2.1 中水COD與二氧化氯最小投加量定量關(guān)系

　　取200 mL 水樣，向其中投加一定量的二氧化氯，然后在室溫下用磁力攪拌器攪拌30 min。取上述反應后的水樣100 mL，向其中加入1 mL 0.01 mol/L 的無(wú)菌中和劑(硫代硫酸鈉)，終止消毒劑與微生物的反應，然后檢測水樣中的大腸菌群數是否達到《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920—2002)的要求。若達標，則二氧化氯投加量以0.1 mol/L 遞減;若不達標，則二氧化氯投加量以0.1 mol/L遞增，以確定中水COD與二氧化氯最小投加量的定量關(guān)系。

　　1.2.2 消毒30 min 后中水中二氧化氯適宜剩余劑量確定

　　實(shí)驗方法同1.2.1，同時(shí)檢測消毒30 min后中水中的二氧化氯剩余劑量及大腸菌群數。

　　1.2.3 二氧化氯濃度隨時(shí)間衰減實(shí)驗

　　分別取不同體積的儲備藥劑二氧化氯于100 mL 容量瓶中，用無(wú)氨水稀釋至刻度，得到不同初始濃度的二氧化氯溶液。將其在室溫下于暗處放置，每天檢測溶液中二氧化氯濃度，以確定一定濃度的二氧化氯隨時(shí)間的衰減規律。

　　2 實(shí)驗結果與討論

　　2.1 中水COD與二氧化氯最小投加量的定量關(guān)系

　　在中水濁度為1.00～6.37 NTU，大腸菌群數<106 數量級的條件下，研究了中水COD(mg/L)與二氧化氯最小投加量(C，mg/L)的關(guān)系，結果如圖 1所示。由圖 1可以看出，本實(shí)驗條件下，隨著(zhù)中水COD的增大，二氧化氯最小投加量呈上升趨勢，且兩者呈現良好的線(xiàn)性關(guān)系，相關(guān)系數R2達到了0.98以上，說(shuō)明影響二氧化氯消毒中水效果的主要因素為COD，中水中其他因素對消毒效果的影響則相對較小。

 圖 1 中水COD與二氧化氯最小投加量的線(xiàn)性關(guān)系

　　另外，由COD檢測方法〔8〕可知，當水樣COD 在10～50 mg/L時(shí)，COD的測定結果會(huì )存在10%左右的誤差。而本實(shí)驗中水COD一般在10～50 mg/L，因此需用系數r對所得線(xiàn)性方程進(jìn)行修正，最終的線(xiàn)性方程為C=0.026 4×COD×r + 0.042 3(r為 0.9～1.1)。

　　2.2 線(xiàn)性方程驗證實(shí)驗

　　為考察中水COD與二氧化氯最小投加量關(guān)系方程的適用性，選取5種水源和處理工藝均與高碑店城市污水處理廠(chǎng)中水不相同的中水水樣，在室溫，濁度為 1.00～6.37 NTU，大腸菌群數<106數量級的條件下進(jìn)行了驗證實(shí)驗，結果見(jiàn)表 1。

　　從表 1可以看出，對于5種不同的中水水樣，二氧化氯的實(shí)際最小投加量均在利用線(xiàn)性方程計算的理論值范圍內，說(shuō)明該線(xiàn)性方程具有一定的適用性。因此，當中水采用二氧化氯消毒時(shí)，可根據該線(xiàn)性方程確定二氧化氯的投加量。

　　2.3 濁度對線(xiàn)性方程適用性的影響

　　在室溫，中水COD 為15～50 mg/L，大腸菌群數<106 數量級的條件下，研究了中水濁度對線(xiàn)性方程適用性的影響，結果見(jiàn)表 2。

　　從表 2可以看出，當濁度<6.37 NTU時(shí)，二氧化氯實(shí)際最小投加量均在利用線(xiàn)性方程計算的理論值范圍內;當濁度>6.37 NTU時(shí)，二氧化氯實(shí)際最小投加量超出了利用線(xiàn)性方程計算的理論值范圍。該實(shí)驗結果與趙燕等〔9〕以濁度5 NTU為線(xiàn)性方程分界線(xiàn)的結果有所不同。

　　實(shí)驗結果表明，當中水濁度<6.37 NTU時(shí)，二氧化氯實(shí)際最小投加量可采用線(xiàn)性方程C=0.026 4×COD×r+0.042 3進(jìn)行計算。當中水的濁度>6.37 NTU時(shí)，則需對COD與二氧化氯最小投加量線(xiàn)性方程進(jìn)行修正，修正后的方程為C=1.5×(0.026 4×COD×r+ 0.042 3)。

　　2.4 大腸菌群數對線(xiàn)性方程適用性的影響

　　在室溫，中水COD為 15～50 mg/L，濁度為1.00～6.37 NTU的條件下，研究了中水大腸菌群數對線(xiàn)性方程適用性的影響，結果見(jiàn)表 3。

　　從表 3可知，當大腸菌群數<106數量級時(shí)，二氧化氯實(shí)際最小投加量在利用線(xiàn)性方程計算的理論值范圍內。因此，當中水大腸菌群數在 106數量級以?xún)葧r(shí)，線(xiàn)性方程C=0.026 4×COD×r+0.042 3適用。

　　二氧化氯在水中的擴散速度與滲透能力均比氯快，且二氧化氯以中性單分子形態(tài)通過(guò)單純擴散的方式透過(guò)細胞膜，不需要載體蛋白(滲透酶)參與，因此其殺菌作用不受細菌的代謝活力影響，這一特點(diǎn)導致二氧化氯幾乎對一切會(huì )導致水介傳染病的病原微生物均有較好的滅活效果，并且微生物不易對其產(chǎn)生耐受性。

　　2.5 二氧化氯自身衰減模型

　　溶液二氧化氯質(zhì)量濃度(C，mg/L)隨時(shí)間(t，d)的衰減情況如圖 2所示。

 圖 2 二氧化氯溶液隨時(shí)間的衰減規律

　　從圖 2可以看出，二氧化氯濃度隨時(shí)間的衰減規律符合一級反應動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)計算可得二氧化氯的半衰期 t1/2=4.5 d，也就是說(shuō)實(shí)際應用過(guò)程中，二氧化氯儲備液放置的時(shí)間不能超過(guò)5 d。此外，從圖 2還可以看出，隨二氧化氯濃度的減小，其衰減速率亦逐漸減小。因此，在實(shí)際應用過(guò)程中，配備儲備液的濃度不宜過(guò)大，否則濃度衰減太快。

　　2.6 消毒30 min中水中二氧化氯剩余劑量的確定

　　取9家不同來(lái)源的中水水樣，其大腸菌群數<106 數量級，向其中加入一定量的二氧化氯消毒30 min后，取水樣檢測二氧化氯的剩余劑量與大腸菌群數，結果見(jiàn)表 4。

　　從表 4可以看出，當中水消毒30 min，水樣中剩余二氧化氯質(zhì)量濃度為 0.10 mg/L時(shí)，不同水樣中的大腸菌群已經(jīng)完全滅活，滿(mǎn)足回用標準要求，達到中水安全回用的目的。說(shuō)明使用二氧化氯進(jìn)行中水消毒時(shí)，為維持二氧化氯的持續消毒能力，必須確保消毒30 min后水中剩余二氧化氯質(zhì)量濃度最小為 0.10 mg/L。

　　由于中水的來(lái)源和處理工藝不同，導致中水水質(zhì)差異較大，某些因素(如濁度、有機物的含量或微生物的數量)會(huì )影響到二氧化氯的消毒效果，因此，其投加量應根據實(shí)際情況酌情增加。由于本實(shí)驗數據是在采用9家不同水源和不同處理工藝的中水作為研究對象的基礎上得到的，因此，其結果具有一定普遍性，對實(shí)際工程有一定的指導意義。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結論

　　(1)當濁度為1.00～6.37 NTU，大腸菌群數<106數量級時(shí)，中水COD與二氧化氯最小投加量關(guān)系滿(mǎn)足一元線(xiàn)性方程C=0.026 4×COD×r+0.042 3。驗證實(shí)驗表明，該線(xiàn)性方程具有一定適用性。當濁度>6.37 NTU時(shí)，需對COD與二氧化氯最小投加量線(xiàn)性方程進(jìn)行修正，修正后的方程：C=1.5×(0.026 4×COD×r+0.042 3)。

　　(2)采用二氧化氯對中水進(jìn)行消毒，余氯值不能表明二氧化氯的持續消毒效果，檢測消毒30 min時(shí)水樣的二氧化氯剩余劑量更為有效。為保證二氧化氯的持續消毒能力，要求剩余二氧化氯質(zhì)量濃度不能低于0.10 mg/L。

　　(3)二氧化氯濃度隨時(shí)間的衰減符合一級反應動(dòng)力學(xué)模型，且隨二氧化氯濃度的減小，其衰減速率逐漸減小。因此，配備的二氧化氯儲備液不宜長(cháng)時(shí)間放置，且濃度不宜過(guò)大。