饮用水处理中的替代消毒剂—二氧化氯

　　摘要：依据在欧洲国家长时间的研究和实验结果，本文对应用二氧化氯进行饮用水方面处理，进行了说明和阐述。
　　地表水是饮用水的主要来源，与此相联系的是：地表水中生物污染容易导致霍乱、伤寒、痢疾等疾病。这些问题不但是在发展中国家较普遍，而且在发达国家象美国也非常普遍。因此，需要对饮用水进行消毒处理，而且消毒作用应当非常持久从而避免微生物的重新生长。在消毒剂中，二氧化氯是满足这一要求的最好的物质之一。
　　二氧化氯成功应用于饮用水的处理，已有多年历史。它既是一种强氧化剂，又是一种十分有效的消毒剂。这些特点使二氧化氯非常适于传统饮用水处理过程中的预氧化阶段和最终的消毒阶段。在预处理阶段，二氧化氯可促进铁和锰的去除；同时，二氧化氯还可减弱水的味道和臭味，并可控制藻类的生长。在最终消毒阶段，低剂量的二氧化氯通过与水的短暂接触，可起到一种持续、稳定的杀菌作用，这样，经过处理后的水最终可提供给居民使用。
　　和其它氯化物不同，使用二氧化氯并不会产生卤化副产物。基于以上原因，并考虑对上述问题愈来愈多的重视以及传统氯化处理过程中所产生的消毒副产物(DBPs)所引起的毒性，二氧化氯的应用已愈来愈广泛，并逐步取代传统的氯消毒剂。
　　关键词　二氧化氯　消毒　消毒副产物(DBPs)　饮用水

前　言

　　在过去的几年中，由于水质的恶化以及适于饮用的水源的减少，人们迫切需要先进、可靠的，价格合理的技术用以保障日常需要所需的水源。“先进”旨在降低对人体健康的直接和间接的危害。“可靠”是指技术的可应用性，即使是在非理想的应用条件下。
　　在能够使水适于饮用及消费的所有化学及物理过程中，消毒阶段已被广泛研究。在完整的饮用水处理过程中，消毒处理已被证明是至关重要重要的。进行消毒处理并不单单是针对未经处理的水中细菌，而且是由于水极易导致霍乱、伤寒等非常危险的疾病的传播。由于以上原因，世界卫生组织（WHO）于1993年建议应有一种“有效的消毒方法并永远不会危机人们的安全”，并应考虑该方法的费用及化学副产物等所有问题。
　　在水的消毒处理中，对于优化使用传统的化学物质（主要是氯化物）以及寻找合适的替代物质，人们以作了大量努力。本文将对二氧化氯在消毒处理中已确立的使用方法进行实验研究。同时，将对其它一些消毒剂和二氧化氯进行对比研究。

1. 二氧化氯的化学特性及主要应用

　　二氧化氯在室温下呈橙黄色，比空气重。
　　二氧化氯极易溶于水(14 g/L at 25 °C)且不发生水解。在很大的pH 值范围内(6～10)，二氧化氯在水中以溶解气体的形式存在。因此，二氧化氯在水中的存活寿命很长，在被处理的水中，二氧化氯一直持续、稳定的起着作用。通常，实验用的二氧化氯在低温及避光的条件下，贮于密闭的玻璃容器中是十分稳定的。
　　对于二氧化氯的化学反应性，二氧化氯的主要性质如下：
　　· 不和氨反应；
　　· 对有机腐殖质（主要是腐殖酸和富里酸）不产生氯化作用，因此，生成的可被活性碳吸附的卤化有机物（A.O.X.）和三卤甲烷类物质（T.H.M.）几乎可忽略不计；
　　· 对苯酚类化合物有破坏作用；
　　· 能氧化铁离子和锰离子；
　　· 不能氧化溴离子；
　　· 其活性不依赖于pH值。
　　在饮用水的消毒处理中，可被活性碳吸附的卤化有机物（A.O.X.）和三卤甲烷类物质（T.H.M.）是用来评估卤化副产物的控制参数。卤化有机化合物被认为对人体健康具有潜在的毒性，长期使用含该物质的应用水具有致癌作用。
　　三卤甲烷的出现可作为其它氯副产物存在的指示物。控制饮用水中主要的四种三卤甲烷类物质可以帮助降低其它不清楚氯副产品的水平。事实上，IARC已经将三卤甲烷分类到有可能致癌的2B组。
　　在欧盟最近的提议中也涉及到饮用水水质，并设定下面的限值：
　　三卤甲烷 40 mg/L
　　二氯二氟甲烷 15 mg/L
　　二氧化氯不是一种氯的尿酸盐，而是一种强氧化剂。通常通过以下反应，它的最终产物为氯离子(Cl^-)和亚氯酸根离子(ClO₂^-)。
　　ClO₂ + 4 H+ + 5e^-→ Cl^- + 2H₂O(Eo = 1,51V)
　　ClO₂ + e-→ClO₂^-(Eo = 0,95 V)
　　通常二氧化氯需要现场制备，它是通过一种特殊称为“发生器”的设备来制备的。在这个设备中，应用次氯酸钠通过化学反应产生最终产物—二氧化氯。其生产原理如下：
　　1. 2NaClO₂ + Cl₂→ 2NaCl + 2ClO₂
　　2. NaClO + Hcl → HClO + NaCl
　　　 HClO + Hcl + 2NaClO₂→ 2ClO₂ + 2NaCl + H₂O
　　3. 5NaClO₂ + 4Hcl → 4ClO₂ + 5NaCl + 2H₂O
　　最后一种方式是饮用水处理中最常用而且是最好的方法。其主要原因是：该方法能确保最大效率转化为二氧化氯，而且能尽可能限制副产物的生成。
　　二氧化氯是能够杀灭细菌、病毒、藻类、真菌，强效的抗生物剂。其杀毒能力主要是由于ClO₂能够通过细胞壁，并与细胞内主要的氨基酸反应。
　　二氧化氯具有上面这么多优点，因此常年被广泛应用于下面领域：
　　· 饮用水处理；
　　· 工业冷却水系统的防垢处理；
　　· 造纸行业中脱粘处理；
　　· 食品业和饮料业的消毒；
　　近年来，该种产品主要在法国和意大利增长很快。在这份报告中，我们着重对ClO₂应用于饮用水处理中进行了研究。在欧洲国家，随着人们对传统的氯消毒法带来的副产物可能对人体健康产生影响的认识不断提高，以及标准的不断严格，使得利用二氧化氯替代氯气和次氯酸钠作为消毒的剂的应用成为了大的趋势。

2. 用二氧化氯处理饮用水

　　在将原水（主要是地表水）处理变为饮用水过程中，二氧化氯可以作为氧化剂和消毒剂。
　　对于这种水的常规处理，其主要处理过程为：预氧化处理、澄清（加入无机混凝剂，铁或铝盐）、过滤（用砂滤或活性炭）、消毒处理。二氧化氯作为氧化剂，可应用于在混凝/絮凝前的预氧化处理中。这样做的主要优点如下：
　　· 可氧化铁离子和锰离子并且能更好地去除它们相关的难溶解性的氢氧化物；
　　· 使悬浮物和胶体脱稳，因此在澄清处理过程中有絮状体有更好的沉降性能；
　　· 能够去除能引起恶臭的有机物（例如苯酚），使水感官性变好；
　　在该处理过程中，正常的二氧化氯剂量范围是0.5～2 mg/L，处理时间为15～30分钟。第二个更高的作用是处理是控制藻类在其它处理阶段的增长，这可以确保最终处理过程中的杀毒效果。
　　二氧化氯作为消毒剂应可用于过滤后的消毒处理过程中，其剂量范围为0.2～0.4mg/L。该剂量可以确保有效和持久地消除出水中微生物（细菌、病毒等）。其主要的优点是：
　　· 生成的有机和无机的卤化物副产物的可能性很小；
　　· 能确保在配水管网（如管道或贮水池）中长期有效性，因而可避免微生物的再次生成；
　　与其它氯化合物相同，二氧化氯的需求量应当初步评估。它对帮助确定不同情况下的水二氧化氯的使用量十分有益。该量指得是与原水反应5～60分钟的二氧化氯总量。它的值对进行实验室测试和进一步确定现场实际使用量是有很大帮助的，但该量也是随着水质的变化而在不断变化。
　　通过某些参考的细菌的去除率和形成致癌的副产物的测定，可以用来证实二氧化氯处理水的效果。这些指标的确定均是采用“水和废水检测的标准分析方法（19版，1995）”中的方法分析，在下面我们列出了两个实验室测试的结果。
　　下表表示的是在接触时间为15分钟，用次氯酸钠和二氧化氯进行地表水最后消毒处理的结果比较（地表水为人工水库水；pH=8.8；二氧化氯剂量=0.57mg/L）。其中二氧化氯的剂量的选择考虑了处理过程中的使用量和处理后的残余量。
　　结果显示：二氧化氯处理后不仅杀菌效率较好，而且生成A.O.X.和T.H.M.的量很少；两种化学药剂对T.O.C处理没有效果。

　　例2 比较次氯酸钠和二氧化氯应用于预氧化处理地表水的结果（地表水为河流水库水；pH=7.9；二氧化氯剂量=2.05mg/L）。这些结果证明了应用二氧化氯处理水能够减少80%A.O.X和75%T.H.M的生成，这相当于杀菌的效率水平。

3. 与其它消毒剂的价/性比
　　应用欧洲使用二氧化氯进行饮用水处理的经验，我们进行了二氧化氯与其它消毒剂（例如氯气、次氯酸钠、臭氧）的价/性比的比较。这也是为什么二氧化氯在这方面能够作为主要的替代品的原因。
　　在通常使用状况下，它们的比较标准的制定是很复杂的。在下表中综合考虑了特殊的药剂使用设备（包括相关维护）的价格、产品的价格以及处理过程中有利和不利之处。
　　事实上，比较还与很多其它特殊的条件有关（例如原水水质、管网大小、当地的法规和产品的关税等，还有这些化学品的自身的特点）。这些因素中有时还仅有一种选择可能。
　　技术方面
　　(3 = 很好, 2 = 好, 1 = 有一定效果, 0 = 无效果)

　　价格方面
　　(4 = 很高, 3 = 高, 2 = 中等，1 = 低, 0 = 可忽略)

4. 结论

　　二氧化氯的化学性质使得它能够合适应用于饮用水的预氧化处理和最终消毒处理的阶段。
　　它能够应用于各种领域，并能替代传统的氯气和次氯酸钠。而且可很好地控制处理水中微生物的水平。
　　二氧化氯之所以能在欧洲广泛使用主要原因是：用其消毒，产生致癌性有机的副产物的可能性特别小。
　　使用二氧化氯的进行处理的价格与其它消毒剂是可比的。就目前市场上的设备来讲，它的应用不需要特殊的技术，应用特别方便。
　　二氧化氯发生的有着很大的应用范围，因此可应用于小社区和大型管网水处理过程之中，能建立起一个可靠、灵活的系统。

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