a二氧化氯特性及其饮水消毒的优缺点

156　二氧化氯特性及其饮水消毒的优缺点

路　凯,　陈亚妍,　李士英,　黄承武

(中国预防医学科学院环境卫生监测所,北京　100021)

摘要:　二氧化氯是一种可供选择的饮水消毒剂。它灭活细菌、病毒和贾第虫、隐孢子虫的效果等于或优于氯,可抑制三卤甲烷的形成,去除氯酚类臭和味,除铁和锰。但需要高纯度二氧化氯发生器,消毒成本较高,监测手段较复杂,消毒副产物亚氯酸盐有一定的毒性。关键词:　二氧化氯;饮水消毒;亚氯酸盐;监测

中图分类号:　R 12316 文献标识码:　A 文章编号:　100121226(2000)06203642156

收稿日期:2000207208;修回日期:2000209201

二氧化氯最初用于水处理是作为有效的氧化剂,可消除游离氯处理含酚水产生的药房气味。二氧化氯作为可能的消毒剂替代物,可避免游离氯生成的消毒副产物并使三卤甲烷的生成降至极低或无,因此受到关注[1]。1　二氧化氯的性质[2]

用于饮水和污水处理时,二氧化氯以溶液形式使用。二氧化氯气体是黄色,溶液中浓度14～17m g L 时气味明显,近似氯气,45m g L 时有刺激性。在20℃、大气压力下,水中二氧化氯的质量浓度为70m g L 。二氧化氯气体在室温条件下可压缩为液态,密度为2.4kg L ,沸点11℃,熔点-59℃。二氧化氯气体在高于-40℃时不稳定、易爆炸,所以需要在使用现场生产。二氧化氯暴露于光线下或接触有机物,温度上升就会爆炸。二氧化氯压缩为液态,轻微的环境变化就会导致爆炸。工业上,二氧化氯运输通过混合空气以保持二氧化氯浓度在8%～12%。在黑暗中,二氧化氯溶液可保存几个月。2　二氧化氯在水中的化学反应

二氧化氯作为氧化剂在水中的反应包括两步[3]:

(1)二氧化氯得到1个电子,形成亚氯酸盐:

C l O 2+1e =C l O 2-

(2)C l O 2-得到4个电子,形成氯化物:

C l O 2-+2H 2O +4e =C l -+4OH -

水处理过程正常pH 范围内,第一步形成C l O 2-。由于C l O 2-与水中许多组分基本上不反应,故第二步反应不会很快发生。

二氧化氯有一个未成对的电子(称为自由基),因此不稳定,易于反应,这个特点影响消毒反应的发生。

由于二氧化氯的反应特征,它的+4价氯原子不易发生取代反应而形成氯化有机物或氯胺。因此,二氧化氯不易使N H 3氧化。

二氧化氯在中性或弱酸性溶液中稳定,在碱性条件下,易降解为亚氯酸盐和氯酸盐:

2C l O 2+2OH -=H 2O +C l O 2-+C l O 3-

pH <8时,此反应不明显。高碱性时须

考虑降解率受二氧化氯浓度影响,PO 43-和

CO 32-可降低反应速度。此外,当二氧化氯暴露于光,可发生光化学降解,生成H 2O 2、

C l O 2-、C l O 3-和C l 2,故应避光存放。

另一个重要反应是C l O 2-的降解。在酸性条件下,C l O 2-降解为C l -。pH =7时,二氧化氯与苯酚反应,约50%转为C l O 2-。3　二氧化氯在饮水处理中的作用311　消毒31111　杀灭微生物

40年代就有大量有关二氧化氯作为杀

菌剂的报道,投加1～5m g L C l O 2时,即有杀灭大肠埃希杆菌、类炭疽杆菌的作用,即使

存在悬浮物也如此。70年代,经过大量研究得出结论:

(1)二氧化氯是有效的杀菌剂;

(2)在正常饮水pH6～8.5时二氧化氯灭菌效果不受影响;

(3)二氧化氯快速灭活细菌;

(4)二氧化氯的灭菌效果等于或优于氯。31112　生物膜

在水处理过程中生物膜的控制是重要的。生物膜可导致水处理设施腐蚀,并增加水阻力。生物膜也是臭和味的一个来源,并严重影响离子交换、热交换、膜分离过程。

二氧化氯对控制冷凝管的生物膜有效。用二氧化氯处理的热交换器出水对鱼无毒。31113　原生动物和藻类

二氧化氯杀灭孢囊及控制水库藻类臭和味,效果比硫酸铜更好。对杀灭贾第虫和隐孢子虫很有效。

31114　病毒

二氧化氯在pH>7或存在氨的条件下,对大肠杆菌噬菌体、柯萨奇B3病毒、埃可病毒7、单纯性疱疹病毒1和2、新城鸡瘟病毒、噬菌体O X174、仙台病毒和牛痘病毒的灭活效果优于氯。

3.1.5　消毒作用方式

由于低剂量二氧化氯用于饮水消毒,没有观察到细菌细胞或病毒壳体有形的损伤。所以,二氧化氯导致微生物灭活的机制研究主要分为两类[2]:(1)二氧化氯和生物分子之间特殊化学反应的确定;(2)二氧化氯生理功能的观察。

第(1)类的研究表明,二氧化氯使病毒壳体蛋白改变导致病毒灭活。另有研究显示,二氧化氯破坏RNA合成,也和游离脂肪酸反应[2]。

第(2)类研究涉及到二氧化氯对细菌细胞生理作用的影响。该类研究一方面认为灭活的方式是二氧化氯破坏了蛋白质合成。但也有报道认为抑制蛋白质合成可能不是主要目标,主要目标也不涉及脱氢酶、蛋白质合成的复合物或DNA。通过测量钾离子的快速流出物发现二氧化氯破坏了外层膜的通透性。同时还有研究认为二氧化氯使外层膜蛋白质、脂肪大量改变,增加了通透性[2]。

3.2　除铁和锰

二氧化氯能够有效地氧化M n2+和Fe2+,生成高价氧化物或氢氧化物沉淀而使之被除去。在正常饮水pH范围内,二氧化氯被还原为亚氯酸盐并快速地和M n2+或Fe2+反应。碱性条件有利于此反应。

2C l O2+5M n2++6H2O=5M nO2↓+12H++2C l-

C l O2+5Fe(HCO3)2+3H2O=5Fe(OH)3↓+10CO2+

H++C l-

在一些配水系统中,二氧化氯去除铁和锰的作用不是主要的,因为含铁水促进了铁细菌繁殖,而二氧化氯可抑制这些铁细菌的生长。由于游离氯不能与有机的铁反应,所以游离氯(>5m g L)不能抑制铁细菌生长。313　除臭和味

3.3.1　去除氯酚类的异臭异味

二氧化氯和酚类物质的比例决定了产物的组成。溶液中酚类物质过量,反应后形成氯酚;但二氧化氯过量的溶液主要的产物是对位苯醌,产量是45%～65%,氯酚未检测出。剩余产物是马来酸和草酸。有研究报告,二氧化氯和苯酚在pH=7时,投加过量二氧化氯,仅2s就可完成反应。在大多数水系统中,苯酚的浓度很低,主要氧化产物是对位苯醌和简单的有机酸[2]。

3.3.2　去除硫化物的气味

二氧化氯可迅速氧化硫化氢,主要生成物是硫酸盐。这个反应利用了二氧化氯全部的氧化能力,即5个电子转移,形成C l-。3.4　抑制三卤甲烷的形成

据报道,在不存在氯的条件下,二氧化氯和腐殖酸、灰黄霉酸反应,不产生三卤甲烷。

另据报道,二氧化氯也能去除霉味、泥土味和鱼腥味。二氧化氯还可有效地去除二甲萘烷醇、2,3,62三氯甲氧苯、22异丙基232甲氧吡嗪和22甲基异冰片(M I B)产生的异臭。但