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次氯酸钠在污水厂消毒的应用与讨论

作者 : 治污者说 访问次数 : 58 发布日期 :2020-03-01

这次新冠疫情爆发以后,各地污水厂主管部门要求污水厂进行消毒处理,使污水厂的消毒工作又一次被关注起来(又一次的原因是17年前非典期间,污水厂的消毒也一样被关注)。这一期专门和大家一起来探讨污水厂的消毒问题。

污水厂的消毒方式有多种,加氯消毒、二氧化氯、次氯酸钠、臭氧、紫外线等等,这些消毒方式在各个污水厂的设计中都有采用,这些类型的消毒方式、消毒原理各自不同,各有各的优势和缺点,经过非典SARS以后,污水厂实际使用的情况,包括从原料的采购,使用的便宜性、安全性,运营费用等多个角度来看,越来越多的污水厂愿意接受甚至改造使用次氯酸钠作为污水厂的消毒剂。但是很多污水处理厂的管理人员对次氯酸钠在污水厂的消毒加药都存在着一定的认知不足,比较常见的就是贮存、加药量、余氯、粪大肠菌群能否达标等等方面认知欠缺;还有管理不到位的情况等。下面将围绕次氯酸钠展开污水厂的消毒工作的探讨。

一、次氯酸钠的消毒原理

污水厂的出水必须经过消毒,这是由于城市生活污水中含有大量的微生物,其中包含对人类有害的细菌、原生动物的卵囊虫及胞囊、蠕虫、病毒等。众多的有害微生物的检验工作量非常巨大,为了更快速的检测污水中的有害微生物数量,把粪大肠菌群数作为污水厂的生物学危害指标,污水在排出厂之前,要进行相应的流程,来把粪大肠菌群数降低到一定的指标范围内,使污水中的有害微生物降低到环境可接纳的范围,这就是污水厂的消毒。要注意污水厂的消毒不是灭菌,消毒是达到一定数量就可以了,灭菌是全部灭杀。

污水厂的消毒中常用的消毒剂有很多,次氯酸钠是比较常用的一种,次氯酸钠是作为氯消毒剂的一种,其消毒原理和氯气的消毒原理基本相同,是通过对微生物体内的酶(也就是现在很流行的“酵素”)的活性抑制来实现微生物的灭活消毒的。在氯消毒剂中常用有效氯的说法来进行消毒效果的衡量,氯气消毒的作用机理是氯气在水中通过夺取生物体内电子变成氯离子来进行消毒,所以有效氯是指氯气生成氯离子的数量,而次氯酸钠(NaClO)中的氯离子由+1价位,变为-1价位,要夺两个电子,也就是两个当量的氯,因此次氯酸钠的有效氯含量就是:

Cl(有效)=Cl(当量)× Cl(实际百分数)

                  =2×Cl÷NaClO×100%

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

                  =95.3%

在一些文献资料中,对氯的消毒都是采用有效氯来计算的,次氯酸钠的有效氯是95.3%。一般污水厂采用的是工厂制备好的次氯酸钠直接运输到厂内进行投加,次氯酸钠溶液的浓度在12~15%之间,换算成有效氯就是11~13%之间。因此污水厂在采购次氯酸钠期间,不要被一些商家误导,一般有效氯在10%左右就是正常的了,高于这个值都是虚假的成分较多,而且越高浓度的次氯酸钠越容易挥发,在污水厂储存期间,很容易挥发降低浓度,在储存罐顶部要注意留有氯气释放孔,储存空间要强制排风,防止有毒气体的积攒。污水厂在使用过程中的次氯酸钠一般以10%的有效氯来计算。

污水厂的化验室可以通过余氯检测的碘量法(GB19106-2013次氯酸钠国家标准)的实验方法来检测购买的次氯酸钠产品中有效氯的含量,也是污水厂保证采购消毒商品合格的标准检测手段。

二、次氯酸钠的投加计算

次氯酸钠投入水中后,会发生水解,产生有效氯的反应,当有效氯和水中的微生物反应完成后,剩余的有效氯就是余氯,这也是很多污水厂感到迷茫的一个问题,出水的余氯保持在多少,余氯不是越高越好,高余氯进入到自然水体中会产生不良的消毒副产物DBPs,最常见的是三卤甲烷和卤乙酸,还有N-亚硝基二甲烷(NDMA)等等,其中NDMA是已知的最强致癌因子之一。同时污水厂对于成本的支出管控上,消毒剂是其中的很大一部分,因此对于采用次氯酸钠进行消毒的污水厂来说,选择合理的投加量是需要认真思考的问题。

次氯酸钠在水中需要一定的接触时间来实现有效消毒,因此在实际应用中,污水厂都有设计接触池,提供足够的接触时间来进行消毒,一般污水厂在设计负荷下接触时间在30分钟,各个污水厂可以根据实际处理水量来计算厂内实际接触时间,这个接触时间对后面加药量的计算有很大作用。

根据消毒动力学和大量的污水厂实际经验共同推导,由赛莱克(Selleck)等人提出的在理想状态的接触池反应条件下,给定的接触时间所需余氯量的计算公式为:


其中:C为所需的余氯量,N0为消毒前的粪大肠菌群数,N为消毒需要达到的粪大肠菌群数,t为消毒接触时间。

比如说某厂深度处理后的出水中粪大肠菌群数为16000个/L,要求达到一级A的出水标准1000个/L,接触时间为45分钟,可以计算:

C=(16000÷1000)1/3÷(0.23×45)

   =0.24 mg/L

换算成工业品次氯酸钠的使用量为:

0.24÷10%=2.4 mg/L

这个公式可以计算出理想状态下消毒剂的使用量,但是要注意在污水厂的实际使用中,由于处理程度不同,处理水质变化,会导致消毒剂不可能完全作用于微生物的灭活,一般各种复杂的杂质都会消耗大量的有效氯,因此这个计算可以作为消毒剂投加的一个基准数值,实际操作过程中,可根据此方法计算后,进行比例上浮后投加。

一般来说随着污水处理流程的不断加长,水中微生物的去除效果会不断上升,有研究表明在不同污水处理程度下,细菌的去除和破坏不一样,下表是各个阶段微生物去除率情况:


所以污水厂在消毒剂使用成本管控上,要注意对前端工艺的管理,前端生物处理工艺运行越稳定,处理的水质越好,后端消毒剂投加量越小,这也要求管理者把污水厂的运行管理作为一个系统来进行,不能割裂的对待某一环节。

三、次氯酸钠的折点反应

次氯酸钠是一种强氧化剂,可以氧化很多还原物质,由于污水中含有各种物质,特别是氨氮,硝态氮等氮族化合物,这一类氮族化合物在次氯酸钠的氧化作用下会变成氯胺,在这个过程中会消耗次氯酸钠,次氯酸钠所产生的余氯在氧化这部分氨的阶段,会出现一个下降的趋势,当把这部分氨全部氧化完后,水中余氯会回升,这就是加氯反应中的折点加氯。这个化学反应分为三步反应,分别为

(1)NH4++HClO→NH2Cl+H2O+H+

(2)NH2Cl +HClO→NHCl2+H2O

(3)NHCl2+HClO→NCl3+H2O

(3)2NHCl2+H2O→N2+HClO+H++Cl–

注意第三步反应是在不同的文献中,表述不同的化学反应,其中第一步反应中的一氯胺NH2Cl在足够的接触时间下,仍能表现出相应的消毒作用;第二步反应的二氯胺NH2Cl有较强的气味,消毒效果也下降。第三步反应产生N2或者NCl3都能够消减水中的氨氮。


很多污水厂利用次氯酸钠这个特性,进行氨氮超标的应急处理,但是根据化学式计算和实际运行的统计数据,次氯酸钠降解氨氮的使用量非常巨大,次氯酸钠的投加量和氨氮的比例在7~9:1的情况下,才可以满足氨氮的完全转化。因此在正常运行中,污水厂无法使用次氯酸钠来长期保持氨氮达标。

污水厂在消毒工艺的运行管理中,需要重点注意次氯酸钠的折点消毒特性,由于出水中的氨氮过高,为保持足够的余氯和消毒效果,就会大量增加次氯酸钠使用量,为此污水厂在运行工艺的控制中,前端脱氮处理要保持高效,才能减少次氯酸钠消毒剂的使用量。

四、次氯酸钠的影响因素

在污水厂的实际使用过程中,现场存在多种因素影响次氯酸钠的使用效果,比较常见的有:


1. 污水处理程度。污水处理的程度越深,处理水水质越好,需要的消毒剂越少。

2. 次氯酸钠与水的混合方式。次氯酸钠与污水的混合越激烈,接触越彻底,消毒的效果越明显,消毒剂的使用量也就越少。比如在深度处理出水管上安装消毒剂投加管,在接触池内设置上下隔板加大水的紊流状态等。

3. 接触时间。接触时间和消毒效果在上文中有专门的公式描述,接触时间越长消毒效果越好。

4. 污水温度。污水温度每升高15℃,消毒剂的反应速度提高一倍,接触时间可减少一半;反之降温15℃速度则降低一倍。

5. pH值。PH值越低,消毒效果越好。

6. 其他干扰物质。干扰物质会影响次氯酸钠的消毒作用,比如当水中含有大量铁盐的时候,次氯酸钠的效果下降明显。这也是污水厂过量投加铁盐除磷剂,会导致次氯酸钠效果下降的原因。

随着监管部门的严格要求,次氯酸钠在污水厂内的消毒使用越来越广泛,了解和管理次氯酸钠的使用是每个使用次氯酸钠的污水厂应该进行的工作,也是做好污水处理最后一环的重要保证。

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