一起出廠水氯酸鹽超標原因調查

孫中興　姜永根　陳　斌　王麗英

上海市松江區疾病預防控制中區在2008年例行監測中,發現某水廠的出廠水氯酸鹽濃度達1.7 mg/L,按《生活飲用水衛生標準》(GB5749—2006)0.7 mg/L標準評價,超標1.43倍。為了查明氯酸鹽超標原因,我們對水廠的制水消毒工藝進行調查,現將結果報道如下。

1 現場調查

1.1 水廠制水工藝

該水廠日制水量1 500 t,制水能力最高達200 t/h,采用二氧化氯消毒。二氧化氯發生器產生含二氧化氯的消毒液,通過專用連接裝置將反應溶液全部加入到輸水管中,進行“一級泵后加藥”,“加藥”后的源水經過混凝(混凝劑在源水泵前投加)、沉淀、過濾后到達清水庫,再由二級泵輸送到供水管網。

1.2 二氧化氯發生器工作原理

水廠使用的二氧化氯發生器購置于2005年,采用化學法生產二氧化氯,原理是將鹽酸和氯酸鈉溶液輸送到二氧化氯發生器的負壓反應室內發生反應,反應能產生二氧化氯,然后將含有二氧化氯的反應溶液通過水射器全部投加到源水管道中(圖1)。

1.3 二氧化氯發生器使用情況

使用原料為鹽酸和氯酸鈉。鹽酸要求為工業合成一級品,含量≥31%;氯酸鈉為工業一級品,含量≥99%,按5 kg氯酸鈉加13 kg水的比例配置使用。在該水廠的實際使用中,二氧化氯發生器投加鹽酸(31%,10mol/L)和氯酸鈉(27.8%,3.6 mol/L)按照 1.15∶1的體積比投加。查閱該型號設備的工藝資料,鹽酸(31%,10mol/L)和氯酸鈉(27.8%,3.6 mol/L)的投加體積比應為1.5∶1。

2 解決措施

建議水廠更改二氧化氯發生器的原料投加比例,將鹽酸和氯酸鈉投加體積比改為1.5∶1。為評價措施效果,在原料投加比例調整前后分別采集出廠水水樣,按照《生活飲用水標準檢驗方法》(GB 5750.51—2006)進行氯酸鹽檢測,檢測結果依據《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)進行評價。

3 結果

二氧化氯發生器按照1.15∶1的體積比投加鹽酸和氯酸鈉溶液時,出廠水氯酸鹽濃度為1.7 mg/L,將該比例調整為1.5∶1后,出廠水氯酸鹽濃度為0.24 mg/L,符合標準。見表1。

4 討論

該水廠的二氧化氯發生器利用鹽酸與氯酸鈉溶液反應來制備二氧化氯,屬于化學法原理。鹽酸與氯酸鈉溶液發生的主要反應方程式如下:

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

二氧化氯發生器在產生二氧化氯的同時又產出氯氣,應稱之為復合二氧化氯發生器,水廠的消毒工藝實為復合二氧化氯消毒。除主反應外,鹽酸與氯酸鈉溶液還會發生的副反應有[1]:

5HClO3+Cl-+H+=6ClO2+3H2O(2)

HClO3+5Cl-+5H+=3Cl2+3H2O(3)

主反應(1)速率是兩個副反應(2)和(3)的100～1 000倍[2],考慮到在一般商業二氧化氯發生器中副反應難以避免,有學者建議使用如下的反應方程式來描述復合二氧化氯發生器比較合適[1]:

2.4HCl+NaClO3=0.9ClO2+0.75Cl2+NaCl+1.2H2O(4)

為了使NaClO3→HClO3→ClO2的轉化比較完全,提高氯酸鈉的反應率,需要過量鹽酸來參與反應,實際應用中投加的鹽酸與氯酸鈉溶液的摩爾比要大于2.4∶1,但是過量的鹽酸也會加速副反應的發生。根據該水廠二氧化氯發生器的工藝資料,鹽酸和氯酸鈉溶液的建議投加體積比為1.5∶1(摩爾比為4.2∶1)。

水廠在原料配比調整前使用的鹽酸和氯酸鈉溶液體積比是1.15∶1(摩爾比為3.2∶1),氯酸鈉反應不完全,其殘余量超出正常水平,導致出廠水的氯酸鹽濃度高達1.7 mg/L,遠遠超出國家標準(0.7 mg/L)。在鹽酸和氯酸鈉溶液投加量摩爾比調整為4.2∶1后,出廠水氯酸鹽濃度為0.24 mg/L。由此可見,由于鹽酸與氯酸鈉溶液的投加比例錯誤,鹽酸投加量偏少,導致氯酸鈉反應率低,二氧化氯消毒液中的氯酸鈉殘余量大大提高,導致出廠水氯酸鹽超出標準。

化學法復合二氧化氯發生器是基于R5工藝(鹽酸法)的一種簡易發生器[1], 其工藝是在一定溫度壓力條件下,氯酸鹽與鹽酸以一定的配料比混合,在反應器內反應而生成ClO2的方法。它有原料簡單易購買,設備維護成本低,安全性好,操作方便的優點,但也存在較多缺點,特別是很多二氧化氯生產設備沒有采用氣液分離即發生氣和殘液分離的工藝,將所有發生液一起投加到水體中,易導致氯酸鹽超出國家標準。這也是本次出廠水氯酸鹽超標的一個潛在原因。

生活飲用水衛生標準(GB 5749—2006)中對氯酸鹽的限值定為0.7mg/L,這要求反應器中氯酸鹽要有很高的反應率,殘余量要盡可能小才能達到標準。一般在二氧化氯收率為70%情況下廢液中約含4.6%左右殘余的氯酸鈉[2],據調查[3]許多復合二氧化氯發生器的二氧化氯收率還不足50%,這表明氯酸鈉的殘余量更高。要使出廠水氯酸鹽符合國家標準,必須要努力減少氯酸鈉的殘余量。建議做好以下幾點:① 要嚴格按照設備的工藝說明書進行操作,不得隨意更改2種原料的投加比例。② 市場上采購的鹽酸和氯酸鈉,必須符合二氧化氯生產要求,以免原料雜質污染飲用水。③ 要從根本上解決化學法復合二氧化氯發生器氯酸鈉殘留對水質的污染,應在儀器采購上選擇采用氣液分離工藝的二氧化氯生產設備。

5 參考文獻

[1]賀啟環.化學法復合二氧化氯發生器的評估與改進.中國石油和化工標準與質量,2008,28(1):19-24.

[2]黃君禮.新型水處理劑-二氧化氯技術及其應用.北京:化學工業出版社, 2002,275.

[3]嚴以強.三談《快速發展追求更精》——淺談“穩定的高品質”產品才能可持續發展.第十二屆全國二氧化氯技術研討會論文集,2006,(3):17-18.

(收稿日期:2009-03-12)