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試議二氧化氯與臭氧在水處理中的應用
摘要:為了滿足人們對水質的不斷要求，二氧化氯和臭氧是今后水處理中的主要應用方向。本文對二氧化氯和臭氧消毒機理、氧化消毒特性及性等方面進行介紹分析。關鍵詞:二氧化氯；臭氧；消毒；飲用水處理
1 二氧化氯（ClO2）
1.1 二氧化氯的氧化消毒特性。ClO2是較強的氧化劑，氧化水中有機物具有選擇性。①ClO2氧化能力強，其氧化能力是氯的2.5倍，能迅速殺滅水中的病原菌、病毒和藻類（包括芽孢、病毒和蠕蟲等）。②與氯不同， ClO2消毒性能不受pH值影響。這主要是因為氯消毒靠次氯酸殺菌而二氧化氯則靠自身殺菌。③ClO2不與氨或氯胺反應，在含氨高的水中也可以發揮很好的殺菌作用，而使用氯消毒則會受到很大影響。④ClO2隨水溫升高滅活能力加大，從而彌補了因水溫升高ClO2在水中溶解度的下降。⑤ClO2的殘余量能在管網中持續很長時間，故對病毒、細菌的滅活效果比臭氧和氯更有效。⑥ClO2具有較強的脫色、去味及除鐵、錳效果。⑦ClO2消毒只是有選擇的與某些有機物進行氧化反應將起降解為含氧基團為主的產物。不產生氯化有機物，所需投加量小，約為氯投加量的40%不受水中氨氮的影響。因此，采用ClO2代替氯消毒，可使水中三氯甲烷生成量減少90%。
1.2 二氧化氯的制備及經濟性比較。ClO2的制備方法有化學反應法、電解食鹽法、離子交換法等。其中化學法和電解法在生產上應用較多。
①化學法。化學反應制取ClO2的方法有：a.鹽酸與亞氯酸鈉反應：5NaClO2+4HCl=5NaCl+4ClO2+2H2O；b.鹽酸與氯酸鈉反應: NaClO3+2HCl=NaCl+ClO2+H2O；c.液氣混合反應：2NaClO2+Cl2=2NaCl+2ClO2。
目前，一般談到的化學法制取ClO2指方法a。這種方法生產規模較小，設備簡單，便于實現自動化操作，適于水處理中生產應用;但碰到的問題同樣是NaClO2價格昂貴，且該法ClO2的理論產率只有80%。為此，有公司研制出使用NaClO2和H2SO4反應制取ClO2的二氧化氯發生器。
②電解法。電解NaCl溶液生產ClO2以食鹽為原料，采用隔膜電解工藝，在陽極室注入飽和食鹽水，陰極室加入自來水，接通電源后使離子定向遷移，從而在陽極室及中性電極周圍產生ClO2、O3、H2O、Cl2等混合氣體。生產中可以通過降低電解溫度，控制鹽水流量，增加陽極室ClO2含量等方法提高ClO2產率。產生的混合氣體ClO2僅占10%左右，除了O3、H2O2外，大部分是氯氣。這就無法避免液氯消毒的缺點。同時ClO2含量也難以精確，設備復雜，易損壞部件價格昂貴，運行維護困難。但目前國內仍多用此法。
2 臭氧（O3）
2.1 臭氧的氧化消毒特性。①O3作為高效的無二次污染的氧化劑，是常用氧化劑中氧化能力最強的（O3>ClO2>Cl2>NH2Cl），其氧化能力是氯的2倍。②O3消毒受pH值、水溫及水中含氨量影響較小，但也有一定的選擇性。③O3去除微生物、水草、藻類等有機物產生的嗅、味，效果良好，脫色能力比Cl2和ClO2更為有效和迅速。④投加O3能改變小粒徑顆粒表面電荷的性質和大小，使帶電的小顆粒聚集;同時O3氧化溶解性有機物的過程中，還存在“徽絮凝作用”，對提高混凝效果有一定作用。⑤O3消毒效果好，劑量小，作用快，不產生三氯甲烷等有害物質，同時還可使水具有較好的感官指標。⑥O3能將水中不易降解的大分子有機物氯化分解為小分子有機物，并向水中充氧使水中溶解氧增加，為后續處理（特別是生物處理）提供了更好的條件。但從經濟上考慮， O3投加量不可能太高，所以氧化并不徹底，如果后續工藝處理不當，也會產生三氯甲烷等有害物質。⑦在水處理過程中，應盡量不要生成新的三氯甲烷物質，因為三氯甲烷一且形成， O3也很難將其氧化去除。 2.2 臭氧的制備及性分析。生產O3的方法有無聲放電法、放射法、紫外線法、電解法等。在實際凈水廠應用中都采用無聲放電法。
使氧氣（O2）轉變O3，首先需要有很大的能量將O-O鍵裂解為氧原子。無聲放電就是利用高速來轟擊氧氣，使其分解成氧原子: O2=2O。
離解后的氧原子有些合成臭氧:3O=O3
有些重新合成為氧氣，有些則和氧氣合成為O3:O+O2=O3
上述反應都是可逆的，生成的O3也會分解成為氧原子活氧氣。所以，通過放電區域的氧氣中只有一部分能夠變成O3，因此生產出來的O3通常指含一定濃度O3的空氣，稱為臭氧化空氣，并非純臭氧氣。
根據目前的技術水平， O3的生產原料分為空氣、純氧氣、液氧三種。
采用液氧一般適用于中小規模（臭氧量<50kg/h）。采用變壓吸附法或負壓吸附法現場制取純氧，適用于臭氧量>50kg/h的規模。利用干燥空氣制取O3獲得的臭氧濃度一般在1%～3%；而利用純氧或液氧生產的臭氧濃度可達10%左右，而且空氣制取O3的電耗約為另外兩種方法的2倍。
3 結論
3.1 ClO2和O3都是高效的氧化消毒劑，其氧化消毒能力受pH值及水中氨氮的影響均較小，消毒都不會產生三氯甲烷，是液氯消毒的理想替代產品。
3.2 ClO2和O3具有更高的穩定性，同時又比氯具有更強的消毒能力;但氧化能力比O3差。但用臭氧消毒時，為了維持管網中的持續消毒能力，需要采用氯、氯胺、二氧化氯等作為輔助消毒劑。
3.3 為避免生成三氯甲烷難以去除，在原水腐殖質、藻類、酚含量高的水廠，建議使用ClO2或O3進行預處理。
3.4 水處理中采用O3要比采用ClO2成本略高，但從水質來講，采用臭氧-活性炭工藝要比采用ClO2好。就經濟水平而言，這兩種改進水質的方法都是可以接受的，各水廠可以根據具體情況采用相應的措施。
3.5 由于ClO2和O3氧化能力都很強，并都具有毒性和腐蝕性.在使用中要注意安全防護措施。
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[1]梁光.城市污水再生水二氧化氯消毒研究[D].西安：西安建筑科技大學，2008.
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