市政水处理消毒工艺之电解食盐水制备次氯酸钠消毒技术的研究比对分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 26 日 作者简介：张博（1988），男，陕西人，硕士学位，中级工程师，2015 年毕业于澳大利亚昆士兰科技大学，工程管理专业，现工作于中机中联工程有限公司，从事市政领域水处理的设计及设备研究工作。-50-市政水处理消毒工艺之电解食盐水制备次氯酸钠消毒技术的研究比对分析 张 博 中机中联工程有限公司，重庆 400000 摘要：摘要：市政污水的消毒技术是水处理的重要环节，常用的消毒技术也分很多种类，消毒技术也随着科学技术发展而更新，其中，最先进的是采用电解法生产的次氯酸钠消毒法，本文对电解食盐水制备次氯酸钠发生系统消毒技术和紫外线消毒技术，臭氧消毒技术，二氧化氯消毒技术，在消毒原理，副产物，原料供应，运营成本等方面的综合比较，得到电解食盐水制备次氯酸钠消毒技术有较强的技术优势和广阔的应用前景。关键词：关键词：电解食盐水次氯酸钠；紫外线消毒；臭氧消毒；二氧化氯消毒；比对 中图分类号：中图分类号：TV213.4 0 引言 随着我国目前城镇化的提速，城市用水问题的日益加剧，我国水资源严重短缺城市已达 14 个，多地面临生活用水供应紧张，推行中水回用已迫在眉睫，中水回用可以很大程度缓解城市用水压力-污水处理厂出来的中水可以用于绿化景观用水，还可以用来洗车，冲厕所，而市政污水处理厂的作用就是除去水中的有机质和磷、氮等物质，避免因排放而造成水体富营养化，其尾水中往往还含有大量的大肠杆菌等，若不进一步处理而直接利用则会对公共卫生安全造成严重威胁。因此国家已经将尾水的消毒和大肠杆菌群数指标纳入污水处理厂的设计建设标准中，如国家对城市污水排放标准（GB18918-2002）一级标准 A 中，粪大肠菌群数要求上限如下：粪大肠菌群数 1000（个/L）。目前，在城市供水系统中，常用的消毒方法主要有物理、化学消毒两种。物理消毒法主要是通过辐照、冷冻、加热等方法来破坏微生物的 RNA，实现对微生物 RNA 的消毒和消毒，在城市中主要采用紫外线消毒法等物理消毒方法。化学消毒是指借助消毒剂的强氧化性，对微生物进行损伤，从而实现消毒，当前在市政水处理中主要采用臭氧消毒、二氧化氯消毒、液氯消毒及次氯酸钠消毒等化学消毒方法。目前，在城市给水处理的消毒工艺中，主要采用了紫外线消毒、臭氧消毒、次氯酸钠消毒等方法1。本文通过对城市供水系统中常见的几种杀菌方法的原理、优缺点、运行费用等方面的综合比较，探讨了采用电解法生产次氯酸钠消毒工艺的可行性2。1 次氯酸钠溶液杀菌系统工作过程 1.1 构造及原理 电解食盐水生产次氯酸钠目前已经很成熟，由溶盐罐，盐水投加站，冷水机组，电解柜，整流柜，带传感器的脱气储存罐和气体报警器系统等组成，其反应过程为，饱和食盐水经过盐水投加站进入电解柜再与软水以一定的配比溶合，稀释了的盐水经过整流柜出来的电流电解成为氢气与次氯酸钠，混合物则进入脱气储存罐，脱气风机再将氢气稀释到安全值内再外排，次氯酸钠溶液则通过投加泵直接泵送至各个投加点3。1.2 消毒原理 采用电解法制取次氯酸钠，其基本原理是：在一定的槽压下，氯化钠溶液与电解液进行电化学反应，而生成次氯酸钠溶液，其生成过程如下：电极反应：阳极：2Cl-Cl2+2e；阴极：2H2O+2eH2+2OH-总反应：2NaCl+H2OH2+NaClO 电解法生产次氯酸钠的关键步骤是水解生成次氯酸，而次氯酸又会被分解生成新的生态氧，该氧的氧化能力很强，可以将细菌及病毒表面的蛋白降解，从而达到杀灭病原微生物的目的。另外，次氯酸生成的氯离子可以改变病毒颗粒及细菌的渗透压力，从而导中国科技期刊数据库 工业 A-51-致细胞死亡4。在杀菌的过程中，次氯酸不仅对病毒的外壳，细胞壁起到了杀菌的作用。由于次氯酸的分子很小，不带电荷，所以它也能渗入到细菌和病毒中，与其体内的蛋白、酶、核酸等有机大分子进行氧化，从而达到杀灭病原微生物的目的5。2 常见水处理消毒技术的综合比对 2.1 性能对比 2.1.1 紫外线消毒 紫外线按照波长分为 A、B、C、D 四种波段，污水处理领域的消毒主要采用 C 波段紫外线，污水的紫外线消毒，是一种光化学效应。一般微生物的核酸分子吸收光谱的范围是 240nm 到 280nm，对波长 260nm 的紫外线有最大吸收，低压紫外线消毒灯产生的光波长中心辐射刚好是 253.7nm，与之符合，利用此波长的紫外线破坏微生物的脱氧核糖核酸和核糖核酸的结构，使生长性和再生性细胞死亡，从而起到消毒杀菌作用。其设备体积小、维护工作量小、投资低、无化学药品、不在水中引进杂质，但是紫外线消毒需要一定的照射时间，对于大流量水处理可能需要较长的反应长度，导致占地面积较大6。虽然紫外线消毒对大多数病原体有较好的灭活效果，但对于某些耐受性强的微生物，如隐孢子虫和贾第虫，可能需要更高的紫外线剂量才能达到理想的灭活效果。同时，紫外线对微生物的光活化效应也存在一定的限制，仅在照射过程中起到了一定的作用，而当水从灭菌装置流出时，极易造成二次污染，导致紫外线消毒杀菌效果不能长期保证。由于废水中含有大量的悬浮颗粒和较低的水质，所以在处理尾水中时，只能通过吸收紫外光来杀灭微生物，由于悬浮固体的存在可以庇护微生物使其免受紫外线辐照，消毒效果不能保证，所以紫外线消毒只适应于源生水稳定性好且无二次污染的水体7。2.1.2 臭氧消毒 臭氧作为一种氧的同素异构体，其极具氧化性，能够将细菌内的葡萄糖氧化降解，从而杀死细胞；还能直接对细菌、病毒进行攻击，破坏它们的细胞壁，DNA,RNA 等，让其无法正常代谢，从而导致它们的死亡；同时，臭氧也能穿透被膜，入侵胞膜中的脂蛋白、脂多糖等物质，导致菌体变形、溶解、死亡。因此，臭氧消毒不仅可以杀灭藻类、杀灭细菌，而且可以杀灭一些活性很高的细菌，如芽疱、病毒等8。但臭氧氧化能力强、稳定性差，不易储存，需现场生产，用臭氧发生器生产。然后将其送入封闭的接触槽中，与废水发生接触反应，经过沉淀的废气从接触槽中流出，进入臭氧分解塔，最终将其氧化为氧排放到空气中，其耗电量也是很大的一笔开支，而且使用寿命比较短，只有一年左右，同时为了使尾水中保持一定的余氯量，还需设置一套诸如次氯酸盐等辅助加药消毒系统，以上配置使其生产设备复杂且成本高昂，也大量增加后期的维护工作9。2.1.3 二氧化氯杀菌装置 其产生的 ClO2消毒剂将微生物的氨基酸链断裂达到杀菌效果是一种强氧化剂，消毒效果与氯气相当，产生的氢氧自由基可以有效去除水中的色、嗅、味，二氧化氯消毒仅具有氧化性，无氯化反应，因此通常不会产生致癌物。然而，在高浓度氨氮条件下，氯耗量明显增大，但二氧化氯不会与 NH3 发生作用，因此其投加量不会增大，并且不会受到 PH 值的影响。自动化程度高，维护管理方便，效果明显，由于余氯的存在杀菌效果能够维持三天以上。缺点是：ClO2遇光分解为氯气和氧气而易引起爆炸，所以对其运输和储存增加难度。一般用现场制备的方式供应二氧化氯，但还不能解决二氧化氯日照下易分解为氯气和氧气的缺点，由于制取二氧化氯需要使用氯酸钾或氯酸钠,所以运行成本约为次氯酸钠运行成本的 5 倍以上。但其生产过程中所用的盐酸极易挥发，且腐蚀性极强，所以操作起来较为繁琐，需用更多的密封容器进行贮存和保管。此外，过多的加药量会产生卤化副产物原料为危险化学品，余氯过高的话还会损坏设备10。2.1.4 液氯消毒 液氯法是80年代国内最流行的方法其消毒过程是将液氯气化后变成氯气，再通过氯气投加机加入污水中，发生水解反应，生成次氯酸。其反应方程式为：Cl2+H2O=HOCl+Cl-+H+其中，HCLO 是一种中性分子，能够将带负电的细菌进行氧化，达到对细菌的杀灭。液氯的最大优势在于它的价格低廉、杀菌能力强。这种方法简便、技术成熟、药物容易获得、用量精确、对水体中的细菌、病毒有较好的灭菌效果，并且对后续的持续消毒效果也很好，无需大型的设备。液氯灭菌是我国各大医院、工业和民用设施的灭菌和消毒的常用方法，有的已经实现了自动化。然而，液氯的贮存并不完全安全，极中国科技期刊数据库 工业 A-52-易出现泄露，90 年代后，人们发现氯气能与许多污染物生成致癌或致病的产物，从而限制了其应用。近年来，国内外学者对液氯在水处理中的应用作了重新评价与研究，但仍有如下不足之处：(1)氯可与废水中的一些有机物及无机组分发生反应，生成具有致癌性的卤代烃（THMs)；(2)氯可与苯酚发生化学反应，生成一种特殊气味的氯苯酚；(3)氯在废水中与氨气反应生成氯氨，不仅使杀菌效果下降，排入水中还会对鱼体造成一定的伤害；(4)pH 越高，氯的杀菌效果会大幅度降低；（5）安全性差，氯气有毒且存在泄露风险，有安全隐患；（6）氯长期使用会引起某些微生物的抗药性11。2.1.5 电解次氯酸钠消毒 消毒原理如前文 1.1 描述，工艺流程简洁，便于安装，自动化程度较高，运行中人员不会接触危险化学药品，安全可靠。次氯酸钠与利用氯消毒相比较，不会产生较多的余氯，并且能明显降低副产物的生成量水体中的有机物和消毒剂混合后产生副产物三卤甲烷有强的致癌性。但是电解次氯酸钠消毒具备氯消毒优点的同时，能够有效减少副产物的生成而且电解过程只需要水、食盐和电，在世界各地均可使用，随时制备的新鲜次氯酸钠溶液不易分解稳定时间更长久，PH 值更低，水质较硬时可以有效减少投加点的结垢问题12。2.2 经济分析 通过对比以上这些消毒技术的工艺特点，电解食盐水制备次氯酸钠溶液消毒技术工艺显示出了超出其他消毒工艺的优点，但是是否适合投入到市政污水处理的尾水消毒中还要看他们的实际投资及运营成本，所以应该对其全过程的投资运营的经济性做比较分析13。通过对污水处理尾水不同消毒杀菌方式的综合成本分析，包括原料使用量，耗电量，折旧及维修费用等，得到如下数据(臭氧消毒由于其高昂的生产和运营成本一般运用于纯净水，食品行业，很少运用于市政污水消毒系统)，紫外线消毒杀菌运营成本在 0.5 元/m3左右，二氧化氯杀菌装置运行成本在 0.2-0.3 元/m3,电解食盐水杀菌装置运行成本在 0.12-0.15 元/m3，可见同其他消毒杀菌技术比较，电解食盐水制备次氯酸钠消毒技术具有运行成本低的优点14。电解食盐水制备次氯酸钠发生系统，购置成本会相对其他消毒杀菌设备较贵，但目前可以通过减少设备酸洗频次进而有效提高设备经济寿命，同时通过夜间谷电制氯、白天投加的方式可以进一步节约成本15。3 总结 几种消毒方式目前在国内均有运用，液氯消毒运行费用低、操作简单,但是副产物容易引起致癌物，反应中的盐酸也会严重腐蚀管道和设备，逐渐被淘汰；臭氧消毒在安全管理上要求较高，前期资金投入大，后期维护成本高，虽然具有较强的消毒效果及脱色效果,仍需同时辅以加氯消毒,才能保证出水中余氯要求，多用于饮用水和食品行业；紫外线消毒存在细菌的“光复活”情况，在水质浊度大，瞬时水量大的情况下，不能保证消毒杀菌效果，多用于深度处理后的市政污水厂尾水杀毒除菌；二氧化氯消毒，是一种不稳定和爆炸的消毒剂，它需要在生产现场即时使用。然而，低氯型二氧化氯制备工艺复杂、氯代亚硝基二氧化氯制备工艺复杂、原料（NaClO2）成本高，制约了其推广应用。因此，目前我国仅有部分中小规模的废水治理项目将使用二氧化氯进行消毒。另外，还可以采用漂白粉消毒技术，因为漂白粉在使用过程中会产生很强的刺激性气体，这对工作人员的身体健康没有什么好处，而且消毒液的浓度也不好控制，而且，反应后的残留物会在污水槽里堆积，清洗起来比较困难，容易引起排水管道的堵塞，但是这种方法具有设备简单、操作简便、工艺要求不高等特点，因此目前只适用于小规模场所的紧急情况。4 结论 对比可得次氯酸钠消毒技术更加安全有效，通过电解食盐水的方式现场制备次氯酸钠发生系统受到广泛关注，显著的优点如，灭菌效果好且速度迅速，原料便宜且极易采购，副产物可以控制在极少范围内且难以形成因存在游离氯生成对人体有害的致癌物质，另外通过夜间谷电制氯、白天投加的方式进一步节省成本，即不同臭氧极具危险性稍有泄露就会对生命造成毒害，也不同氯气消毒同水反应后产生盐酸，对金属设备和管道造成严重腐蚀，用作消毒剂基本上没有任何的安全性，并且可以在现场用食盐水配制，不仅价格低廉，而且易于采购。2016 年 1 月福建省住房和中国科技期刊数据库 工业 A-53-城乡建设厅发文，在全省城市供水行业推广使用次氯酸钠消毒剂，综上，不难得出电解食盐水制备次氯酸钠消毒技术是理想的市政水处理消毒灭菌技术，可以在市政水处理领域广泛推广使用。参考文献 1刘云红,刘波城市生活污水处理中紫外线消毒工艺方案的设计与运用J.环境科学导刊,2013,32(4).2罗凡,董滨,何群彪.饮用水消毒技术的应用及其研究进展J.工业水处理,2016,36(6):17-20.3黄靖萍.酸性盐水在电解技术中的应用J.工业技术与开发,2009,38(11):50-51.4严煦世,范瑾.初给水工程M北京:中国建筑工业出版社,2002.5严忠,陈玉萍,马晓峰,等.电解盐水杀菌技术在新疆油田污水处理中的应用J.石油与天然气化工,2015,44(5):111-115.6 秦 晓,刘 飞,陶 波,等.现 场 电 解 制 次 氯 酸 钠 在 污 水 处 理 厂 出 水 消 毒 的 应 用 研 究 J.净 水 技术,2013,32(6):36-39.7冯建社,利用二氧化氯复合消毒剂处理医院污水J.中国环境监测,1998,14(6):54-55.8朱彩琴.城镇污水处理厂次氯酸钠消毒实验与分析J.资源节约与环保,2015(3):109.9 王 建 蓉,马 铃,周 智 勇,等.氯 气 二 氧 化 氯 和 次 氯 酸 钠 在 自 来 水 消 毒 中 的 比 较 J.西 南 给 排水,2015,37(3):18-21.10扈庆,李显芳.污水处理厂消毒方式探讨J.广东化工,2012,39(3):135.11张辰,张欣,吕东明,等.紫外线消毒的理论研究J.给水排水,2004,30(1):21-24.12王永仪.二氧化氯及其在水处理中的应用J.化工进展,1996(1):30-33.13高廷耀,顾国维,周琪.水污染控制工程(第三版)M.北京:高等教育出版社,2007.14严小明,恽伟.污水处理几种消毒工艺技术经济比较J.应用方法论,2011.15崔玉川.城市污水厂处理设施设计计算M.化学工业出版社,2010.