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            次氯酸鈉在污水廠消毒的應用與討論

            作者 : 治污者說 訪問次數 : 1029 發布日期 :2020-03-01

            這次新冠疫情爆發以后,各地污水廠主管部門要求污水廠進行消毒處理,使污水廠的消毒工作又一次被關注起來(又一次的原因是17年前非典期間,污水廠的消毒也一樣被關注)。這一期專門和大家一起來探討污水廠的消毒問題。

            污水廠的消毒方式有多種,加氯消毒、二氧化氯、次氯酸鈉、臭氧、紫外線等等,這些消毒方式在各個污水廠的設計中都有采用,這些類型的消毒方式、消毒原理各自不同,各有各的優勢和缺點,經過非典SARS以后,污水廠實際使用的情況,包括從原料的采購,使用的便宜性、安全性,運營費用等多個角度來看,越來越多的污水廠愿意接受甚至改造使用次氯酸鈉作為污水廠的消毒劑。但是很多污水處理廠的管理人員對次氯酸鈉在污水廠的消毒加藥都存在著一定的認知不足,比較常見的就是貯存、加藥量、余氯、糞大腸菌群能否達標等等方面認知欠缺;還有管理不到位的情況等。下面將圍繞次氯酸鈉展開污水廠的消毒工作的探討。

            一、次氯酸鈉的消毒原理

            污水廠的出水必須經過消毒,這是由于城市生活污水中含有大量的微生物,其中包含對人類有害的細菌、原生動物的卵囊蟲及胞囊、蠕蟲、病毒等。眾多的有害微生物的檢驗工作量非常巨大,為了更快速的檢測污水中的有害微生物數量,把糞大腸菌群數作為污水廠的生物學危害指標,污水在排出廠之前,要進行相應的流程,來把糞大腸菌群數降低到一定的指標范圍內,使污水中的有害微生物降低到環境可接納的范圍,這就是污水廠的消毒。要注意污水廠的消毒不是滅菌,消毒是達到一定數量就可以了,滅菌是全部滅殺。

            污水廠的消毒中常用的消毒劑有很多,次氯酸鈉是比較常用的一種,次氯酸鈉是作為氯消毒劑的一種,其消毒原理和氯氣的消毒原理基本相同,是通過對微生物體內的酶(也就是現在很流行的“酵素”)的活性抑制來實現微生物的滅活消毒的。在氯消毒劑中常用有效氯的說法來進行消毒效果的衡量,氯氣消毒的作用機理是氯氣在水中通過奪取生物體內電子變成氯離子來進行消毒,所以有效氯是指氯氣生成氯離子的數量,而次氯酸鈉(NaClO)中的氯離子由+1價位,變為-1價位,要奪兩個電子,也就是兩個當量的氯,因此次氯酸鈉的有效氯含量就是:

            Cl(有效)=Cl(當量)× Cl(實際百分數)

                              =2×Cl÷NaClO×100%

                              =2×35.5÷(23+35.5+16)×100%

                              =95.3%

            在一些文獻資料中,對氯的消毒都是采用有效氯來計算的,次氯酸鈉的有效氯是95.3%。一般污水廠采用的是工廠制備好的次氯酸鈉直接運輸到廠內進行投加,次氯酸鈉溶液的濃度在12~15%之間,換算成有效氯就是11~13%之間。因此污水廠在采購次氯酸鈉期間,不要被一些商家誤導,一般有效氯在10%左右就是正常的了,高于這個值都是虛假的成分較多,而且越高濃度的次氯酸鈉越容易揮發,在污水廠儲存期間,很容易揮發降低濃度,在儲存罐頂部要注意留有氯氣釋放孔,儲存空間要強制排風,防止有毒氣體的積攢。污水廠在使用過程中的次氯酸鈉一般以10%的有效氯來計算。

            污水廠的化驗室可以通過余氯檢測的碘量法(GB19106-2013次氯酸鈉國家標準)的實驗方法來檢測購買的次氯酸鈉產品中有效氯的含量,也是污水廠保證采購消毒商品合格的標準檢測手段。

            二、次氯酸鈉的投加計算

            次氯酸鈉投入水中后,會發生水解,產生有效氯的反應,當有效氯和水中的微生物反應完成后,剩余的有效氯就是余氯,這也是很多污水廠感到迷茫的一個問題,出水的余氯保持在多少,余氯不是越高越好,高余氯進入到自然水體中會產生不良的消毒副產物DBPs,最常見的是三鹵甲烷和鹵乙酸,還有N-亞硝基二甲烷(NDMA)等等,其中NDMA是已知的最強致癌因子之一。同時污水廠對于成本的支出管控上,消毒劑是其中的很大一部分,因此對于采用次氯酸鈉進行消毒的污水廠來說,選擇合理的投加量是需要認真思考的問題。

            次氯酸鈉在水中需要一定的接觸時間來實現有效消毒,因此在實際應用中,污水廠都有設計接觸池,提供足夠的接觸時間來進行消毒,一般污水廠在設計負荷下接觸時間在30分鐘,各個污水廠可以根據實際處理水量來計算廠內實際接觸時間,這個接觸時間對后面加藥量的計算有很大作用。

            根據消毒動力學和大量的污水廠實際經驗共同推導,由賽萊克(Selleck)等人提出的在理想狀態的接觸池反應條件下,給定的接觸時間所需余氯量的計算公式為:


            其中:C為所需的余氯量,N0為消毒前的糞大腸菌群數,N為消毒需要達到的糞大腸菌群數,t為消毒接觸時間。

            比如說某廠深度處理后的出水中糞大腸菌群數為16000個/L,要求達到一級A的出水標準1000個/L,接觸時間為45分鐘,可以計算:

            C=(16000÷1000)1/3÷(0.23×45)

               =0.24 mg/L

            換算成工業品次氯酸鈉的使用量為:

            0.24÷10%=2.4 mg/L

            這個公式可以計算出理想狀態下消毒劑的使用量,但是要注意在污水廠的實際使用中,由于處理程度不同,處理水質變化,會導致消毒劑不可能完全作用于微生物的滅活,一般各種復雜的雜質都會消耗大量的有效氯,因此這個計算可以作為消毒劑投加的一個基準數值,實際操作過程中,可根據此方法計算后,進行比例上浮后投加。

            一般來說隨著污水處理流程的不斷加長,水中微生物的去除效果會不斷上升,有研究表明在不同污水處理程度下,細菌的去除和破壞不一樣,下表是各個階段微生物去除率情況:


            所以污水廠在消毒劑使用成本管控上,要注意對前端工藝的管理,前端生物處理工藝運行越穩定,處理的水質越好,后端消毒劑投加量越小,這也要求管理者把污水廠的運行管理作為一個系統來進行,不能割裂的對待某一環節。

            三、次氯酸鈉的折點反應

            次氯酸鈉是一種強氧化劑,可以氧化很多還原物質,由于污水中含有各種物質,特別是氨氮,硝態氮等氮族化合物,這一類氮族化合物在次氯酸鈉的氧化作用下會變成氯胺,在這個過程中會消耗次氯酸鈉,次氯酸鈉所產生的余氯在氧化這部分氨的階段,會出現一個下降的趨勢,當把這部分氨全部氧化完后,水中余氯會回升,這就是加氯反應中的折點加氯。這個化學反應分為三步反應,分別為

            (1)NH4++HClO→NH2Cl+H2O+H+

            (2)NH2Cl +HClO→NHCl2+H2O

            (3)NHCl2+HClO→NCl3+H2O

            (3)2NHCl2+H2O→N2+HClO+H++Cl–

            注意第三步反應是在不同的文獻中,表述不同的化學反應,其中第一步反應中的一氯胺NH2Cl在足夠的接觸時間下,仍能表現出相應的消毒作用;第二步反應的二氯胺NH2Cl有較強的氣味,消毒效果也下降。第三步反應產生N2或者NCl3都能夠消減水中的氨氮。


            很多污水廠利用次氯酸鈉這個特性,進行氨氮超標的應急處理,但是根據化學式計算和實際運行的統計數據,次氯酸鈉降解氨氮的使用量非常巨大,次氯酸鈉的投加量和氨氮的比例在7~9:1的情況下,才可以滿足氨氮的完全轉化。因此在正常運行中,污水廠無法使用次氯酸鈉來長期保持氨氮達標。

            污水廠在消毒工藝的運行管理中,需要重點注意次氯酸鈉的折點消毒特性,由于出水中的氨氮過高,為保持足夠的余氯和消毒效果,就會大量增加次氯酸鈉使用量,為此污水廠在運行工藝的控制中,前端脫氮處理要保持高效,才能減少次氯酸鈉消毒劑的使用量。

            四、次氯酸鈉的影響因素

            在污水廠的實際使用過程中,現場存在多種因素影響次氯酸鈉的使用效果,比較常見的有:


            1. 污水處理程度。污水處理的程度越深,處理水水質越好,需要的消毒劑越少。

            2. 次氯酸鈉與水的混合方式。次氯酸鈉與污水的混合越激烈,接觸越徹底,消毒的效果越明顯,消毒劑的使用量也就越少。比如在深度處理出水管上安裝消毒劑投加管,在接觸池內設置上下隔板加大水的紊流狀態等。

            3. 接觸時間。接觸時間和消毒效果在上文中有專門的公式描述,接觸時間越長消毒效果越好。

            4. 污水溫度。污水溫度每升高15℃,消毒劑的反應速度提高一倍,接觸時間可減少一半;反之降溫15℃速度則降低一倍。

            5. pH值。PH值越低,消毒效果越好。

            6. 其他干擾物質。干擾物質會影響次氯酸鈉的消毒作用,比如當水中含有大量鐵鹽的時候,次氯酸鈉的效果下降明顯。這也是污水廠過量投加鐵鹽除磷劑,會導致次氯酸鈉效果下降的原因。

            隨著監管部門的嚴格要求,次氯酸鈉在污水廠內的消毒使用越來越廣泛,了解和管理次氯酸鈉的使用是每個使用次氯酸鈉的污水廠應該進行的工作,也是做好污水處理最后一環的重要保證。

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