氯化反應條件對三氯甲烷生成量的影響 |
|
黃曉東，王占生 摘要： 以深圳某水庫水為原水，進行瞭加氯量、反應時間、pH值、原水中有機物含量及消毒劑種類等氯化反應條件對三氯甲烷生成量影響的試驗，並在此基礎上提出瞭優化消毒、降低三氯甲烷等消毒副產物生成量的控制對策。 關鍵詞： 消毒副產物 三氯甲烷 優化消毒 中圖分類號：TU991.25 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4602(2002)06-0014-04
HUANG Xiaodong, WANG Zhansheng (Department of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100085,China) Abstract：Experiment was made,in which Shenzhen reservoir water was taken as source water to observe the influence of chlorination conditions such as chlorine dosage,reac tion time,pH value,organics concentration and varieties of disinfectant on the a mount of chloroform formation.Based on the experiment results,control measures w ere proposed for the formation of disinfection byproducts such as chloroform thr ough optimization of disinfection. Keywords: drinking water; disinfection byproduct; chloroform; optimization of disinfection 美國AWWA消毒分會於1990年對全美267傢自來水廠消毒劑的使用情況進行瞭2次隨機抽樣調查，統計結果表明盡管加氯消毒會產生“三致”性的氯化消毒副產物，但由於采用氯消毒具有殺菌效果好、使用方便、處理成本低和運行管理方便等優點，267傢水廠中仍有87%的水廠采用加氯消毒，而且在短時間內很難有其他消毒劑能全面替代加氯消毒[1]，所以對加氯消毒工藝進行優化及局部改善比尋求全面替代技術更切合實際。 氯具有優良的消毒滅菌效果，因此對於加氯消毒而言，主要任務就是通過加氯消毒反應條件的優化，在保證消毒效果的同時盡量減少三氯甲烷等消毒副產物的生成量，即所謂優化消毒(optimized disinfection)。 1 加氯量的影響 ① 餘氯與加氯量的關系 如果水中不含氨，則餘氯和加氯量應呈線性關系，加氯量越大則餘氯(遊離性餘氯)就越高，但如果水中含有氨，則情況會有很大的不同，加入水中的氯會與氨生成各種形式的氯胺，當投氯量進一步增大時，還可能將氨氧化為氮氣和硝酸鹽。 氯和氨反應生成各種形式的反應產物的理論需氯量見參考文獻[2]。 各種化學反應的結果導致水中的遊離餘氯並非隨加氯量的增加呈線性增加。通過實際加氯和餘氯測定試驗得到加氯量與水中餘氯含量的關系見圖1。 從圖1可見，當水中氨氮濃度為3.06mg/L 、有效氯投量為0～10mg/L時，隨著投氯量的提高，水中總餘氯的含量基本呈線性上升的趨勢，而遊離性餘氯增加和氨氮下降都比較平緩。特別需要註意的是，加氯量＞6mg/L(有效氯)時水中的遊離餘氯隨加氯量增加而升高的幅度已很小。 ② 加氯量對鹵代烴生成量的影響 取濾後水分別按有效氯含量為2、4、6、8mg/L加氯，將加氯水樣置於棕色瓶，避光反應24h後用硫代硫酸鈉對餘氯進行中和，然後對各水樣中的三氯甲烷和四氯化碳含量進行測定，結果見表1。 表1 加氯量對鹵代烴生成量的影響 加氯量(mg/L) 2 4 6 8 三氯甲烷(μg/L) ＜ 8
由圖2可以看出，水中的有機物(以腐殖酸作代表)與氯需要較長的反應時間。在1h內有機物濃度對餘氯影響很小，在各種腐殖酸濃度下(0.4、0.8、1.2、1.6、2.0mg/L)氯化反應1h後出水的遊離餘氯值近乎相等；而當加氯反應時間為12h時，有機物濃度對水中遊離餘氯的影響開始明顯地表現出來，高腐殖酸濃度下的餘氯值大幅下降。 國內外有關研究結果認為需要7d時間才能達到氯化反應平衡，在此期間氯化時間對消毒副產物的生成量有很大的影響，時間越長則以三氯甲烷為代表的消毒副產物的產生量也越大。 取濾後水分別加入5個250mL磨口瓶中，使其中的水全充滿，向瓶中分別加入次氯酸鈉溶液，使有效氯投量均為4mg/L。分別在6、12、24、48和72h用硫代硫酸鈉中止這5個磨口瓶的氯化反應，然後對其中的三氯甲烷含量進行測定，不同反應時間所對應的三氯甲烷的生成量如圖3所示。
從圖3可以看出，氯化反應時間對三氯甲烷生成量有很大的影響，時間越長出水三氯烷的生成量就越高。 3 腐殖酸含量的影響 在純水中加入已經溶解的腐殖酸液，使水中腐殖酸的濃度分別為0.4、0.8、1.2、1.6和2.0mg/L。在以上不同濃度的腐殖酸溶液中，均按有效氯為4mg/L投加次氯酸鈉，進行加氯反應試驗。經過24h反應後用硫代硫酸鈉中止氯化反應，分別測定各水樣中三氯甲烷的生成量，結果如圖4所示。
由於水中隻含有腐殖酸這種天然有機物而不存在氨氮等其他耗氯性物質，所以投入水中的氯將完全以遊離氯的形式存在，並與腐殖酸發生氯化反應。由圖4可以發現，隨著水中腐殖 酸含量的增加，氯化反應需氯量也相應提高，導致反應出水餘氯的降低和三氯甲烷生成量的增加，而且三氯甲烷生成量與腐殖酸濃度呈極好的線性關系。 由此可見，如果能有效地去除水中以腐殖酸為代表的消毒副產物的前驅物，即使投氯量較大，也不必擔心三氯甲烷等消毒副產物超標。 4 pH值的影響 取濾後水各250mL，將其pH值分別調至5、6、7、8和9左右，均按投氯量4mg/L(有效氯)投加次氯酸鈉溶液，考察pH值對水中三氯甲烷生成量的影響，結果見圖5。
從圖5可以看出，如果投氯量和反應時間相同，三氯甲烷在中性和堿性條件下的生成量比酸性條件要高。從控制三氯甲烷生成量的角度講，目前深圳很多水廠為瞭提高原水的堿度和實施預氯化，同時在進廠原水中加入石灰和液氯的工藝對控制三氯甲烷的生成量是非常不利的。 5 氯胺和二氧化氯消毒 5.1 氯胺消毒 取濾後水分裝至兩個250mL磨口瓶中，通過加入氯化銨控制水中氨氮的含量，使其中一個磨口瓶內氨氮含量為0.54mg/L、另一個為0.06mg/L。在有效投氯量均為4mg/L的情況下，經24h氯化反應後測定兩瓶水樣的三氯甲烷含量(見表2)。由於後者氨氮濃度很低，所以可以認為是活性氯消毒，而前者則可看作是氯胺消毒。 顯然，在相同的投氯量下水中氨氮的濃度高，遊離餘氯的含量就低，產生三氯甲烷的量也就相對較低。從這個角度講，保持水中有一定數量的氨氮，有利於減少消毒副產物的產量。 表2 活性氯和氯胺消毒對氯代烴生成量的影響 氨氮(mg/L) 0.54 0.06 遊離餘氯(mg/L) 1.17 1.59 總餘氯(mg/L) 1.66 1.85 三氯甲烷(μg/L) 8 44 註：遊離餘氯和總餘氯均是在加氯5h後的測定值，CHCl3為24h氯化反應的測定值。 對於氨氮含量低而有機物含量相對較高的水源水，可以考慮在濾後水中加氨進行氯胺消毒以減少三氯甲烷等消毒副產物的產量，而對於含有一定數量氨氮的原水，采用生物預處理或生物活性炭濾池強化過濾等去除氨氮的單元處理工藝時，從控制消毒副產物產生量的角度講並不一定要追求100%的去除率。 對氯胺消毒而言，由於HOCl是逐漸釋放出來的，所以更能保證管網末梢和管網水流速小的地區的餘氯要求，也會使自來水中的氯嗅味減輕一些，這是氯胺消毒的優點。但是，由於氯胺消毒作用緩慢，因此不能作為基本殺菌消毒劑，而應作為出廠水在管網系統中長時間維持水質衛生的輔助消毒劑。氯胺對人體健康也存在著潛在的影響，應根據水質和管網的具體情況控制適量。水廠距供水管網較近、水流在管中停留時間＜12h，且有機鹵化物含量較小時不宜采用氯胺消毒。 5.2 二氧化氯消毒 表3是二氧化氯和氯消毒時三氯甲烷生成量的對比試驗。 表3 二氧化氯和氯消毒時三氯甲烷生成量的對比 項目 氯 二氧化氯 投加量(mg/L) 4 5 三氯甲烷(μg/L) 47 ＜5 註：水中均含2mg/L的腐殖酸。 可以看出，在原水水質相同的條件下投加二氧化氯幾乎不產生三氯甲烷，而加氯消毒卻產生瞭47μg/L的三氯甲烷。 二氧化氯具有廣譜消毒效果，同時又不會與水中的有機物反應生成氯化消毒副產物，所以它在自來水消毒中的應用有逐漸上升的趨勢。1983年，美國國傢環保局提出飲用水中三氯甲烷含量必須小於0.1mg/L，並推薦二氧化氯消毒作為控制自來水中三氯甲烷含量的有效方法之一。 由於二氧化氯性質非常活潑，無論氣態或液態常會由於未知原因而發生爆炸，其儲存運輸也較困難，一般要采用現場制備的使用方式，這在一定程度上阻礙瞭其推廣應用。另外，國內一些水廠在使用二氧化氯時曾有出水色度升高甚至超標的情況，這一問題國外還未見報道，這可能與國內原水中的某些污染物(如錳等)含量較高有關；再者就是二氧化氯的副產物—亞氯酸根可能導致溶血性貧血癥。所以，美國環保局在1994年經修訂過的建議中規定，出廠水中ClO2不得超過0.8mg/L，ClO2-不得超過1.0mg/L。 總之，各種消毒劑均有其自身的優、缺點，應根據原水、水廠特點有針對性地加以應用。 6 結論 加氯消毒過程中消毒副產物的生成量與投氯量、水中有機物的濃度、反應時間、水的pH值及氯的存在形式有關。其中，降低以腐殖酸為代表的有機物濃度和減少投氯量是降低消毒副產物濃度的最有效、最可行的方法。在可能的情況下，對其他氯化反應條件也應進行調整和優化，從而使加氯消毒產生的消毒副產物最少。 氯胺和二氧化氯比加氯消毒產生的消毒副產物明顯減少，是控制消毒副產物產生的有效措施。 參考文獻： [1]Water Quality Division Disinfection Committee.Survey of water utility disinfecti on practices[J].J AWWA,1992,84(11):121-123. [2]Rhoda G M Wang.Water contamination and health[M].New York:Marcel Dekker,1994. 轉自－中國給水排水 |
留言列表
