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生活给水处理常用化学品发展趋势 |
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张 荣 田向红 王立新
(中国疾病预防控制中心农村改水技术指导中心,北京 102200)
天然水源的水质总是与用户对水质的要求存在程度不同的差距,为满足人们的日常生活给水需求,就必须对生活给水进行适当处理,为人们日常生活提供质优量足的生活饮用水,以满足人们的生理需求。同时恰当的水处理在防止经水传播的肠道传染病、生物地球化学性地方病和工业“三废”引起的公害病,提高人民生活质量具有重要意义。为达到以上目的,絮凝剂和消毒剂等水处理用化学药品就要用于水处理的工艺中,以保证经处理的水质符合生活饮用水的需要。然而,某一种处理方法的应用除了取得某一特定的处理效果外,有的往往也直接或间接地兼收其他的处理效果,如水处理剂应用于生活给水处理,有良好的一面,也同时存在影响水质的一面。
1 澄清
澄清是水处理过程中的重要步骤,常用混凝、沉淀、过滤的方法处理。原水投入絮凝药剂后,经过混合、反应(属于混凝过程)使水中悬浮物质及胶体杂质形成易于沉淀的大颗粒絮凝体而后通过沉淀池进行重力分离,澄清池是反应和沉淀综合一体的构筑物。快滤池是利用有孔隙的粒状滤料(如石英砂和无烟煤等)截留水中细小杂质的构筑物,用于进一步降低浊度。当原水浊度较低时,投入絮凝药剂后的水也可以不经过混凝、沉淀而直接过滤。混凝、沉淀和过滤在去除浊度的同时,对有机色度物质、细菌乃至病毒等的去除也相当有效,特别是过滤。在水中投加带阳电荷的胶体〔如Ａｌ(ＯＨ)3、Ｆｅ(ＯＨ)3〕可以使水中微细胶体所带的阴电荷得到中和,离子间便能互相凝聚、变为或形成颗粒较大的绒体,在混凝过程中不断增大,更易于沉淀。混凝剂种类较多,归纳起来有以下3大类:
1.1 无机盐混凝剂类
1.1.1 铝盐
硫酸铝〔Ａｌ2(ＳＯ4)3·18Ｈ2Ｏ〕,Ａｌ2Ｏ3含量15.7%～16.2%。明矾是硫酸铝和硫酸钾的复盐〔Ａｌ2(ＳＯ4)3·Ｋ2ＳＯ4·24Ｈ2Ｏ〕,Ａｌ2Ｏ3含量10.6%。
1.1.2 铁盐
三氯化铁(ＦｅＣｌ3·6Ｈ2Ｏ),硫酸亚铁(绿矾,ＦｅＳＯ4·7Ｈ2Ｏ)。
1.
2 高分子混凝剂类
1.2.1 无机高分子混凝剂类
我国无机高分子混凝剂的研制及生产起步较早,仅晚日本3年,比西欧早4年。主要产品有聚合氯化铝(ＰＡＣ)和聚合硫酸铁(ＰＦＳ),其混凝作用机理与硫酸铝无大的差别。
1.2.2 有机高分子混凝剂类如聚丙烯酰胺等。
1.3 助凝剂类
调节和改善混凝条件的药剂。原水碱度不足时,投加碱剂,常用石灰,也可以用重碳酸钠来提高水的ｐＨ值。原水受到污染,有机物较高时,可以用氧化剂(常用Ｃｌ2气);当采用硫酸亚铁时,可以用氯气将亚铁氧化成高铁等。常用的有机高分子助凝剂有聚丙烯酰胺、活化硅酸、骨胶、硅藻酸钠及刨花木、红花树等天然产物。以活化硅酸为例,配合铝盐和铁盐使用效果更好,尤其是处理低温、低浊度原水更为有效(只能现场使用)。粘土等也可以作为改善絮凝结构的助凝剂。
2 消毒
采用各种方式对水的消毒,已经有了数千年历史,其中最常用的方法是将水煮沸;从杀菌剂的使用年限看依次为铜、银、氯、臭氧和紫外线。最早提到用氯净化水是1835年在费城由ＲｏｂｌｅｙＤｕｎｇｌｉｎｓｏｎ博士在其发表的“人类健康”一文中提出的,他提到使用少量的氯或一种氯化物可以使沼泽的水变成可饮用的水。水中的细菌大多数粘附在悬浮颗粒(作为载体)上,原水经过混凝、沉淀、过滤等工艺可以去除大多数的细菌和病毒,从水处理工艺而言,消毒是保证饮用水质量符合国家《生活饮用水标准》的最后一关。就目前的研究和调查资料,比较饮水消毒的化学危险性和微生物的危险性还存在一定的困难。微生物暴露危险是急性暴发,潜伏期短,而消毒副产物暴露是长期的,一般无急性效应。消毒副产物主要是引起癌症,但是由氯化消毒致癌造成的死亡只占癌症死亡的很少部分。在全世界每年由水性腹泻造成的死亡多于艾滋病引起的死亡,而在卫生条件差的国家,不安全、不卫生的供水在腹泻病传播中起了主要作用,目前地球上有20亿人处于水源性腹泻的危险中,有近400多万5岁以下儿童的死亡与水性腹泻有关。研究表明,通过改善供水,婴儿和儿童死亡率及腹泻发病率大幅度下降,所以加强饮水消毒对降低水性传染病发病具有重要意义。饮水消毒大体上可以分为物理法和化学法2大类,前者包括煮沸、紫外线照射、超声波等方法,后者是往水中投加各种消毒剂,包括氯、臭氧、高锰酸钾、溴、碘等氧化剂和某些金属离子。膜法由于具有优异的物理截留性能,现已被认为也可以作为一种消毒方法。就我国和世界范围而言,长期的实践已经证明,氯化消毒最为方便和经济实用(见表1),是控制经水传播传染病的有效措施,尽管该方法存在其特有的缺陷,如经过氯消毒后的水中卤代有机化合物含量增高等。
我国氯代异氰脲酸产品从80年代投产后,用量日益增大,其消费结构大致为:蚕业占70%,水处理占12%,其他为18%。目前预测,将来有可能在游泳池杀菌灭藻方面的用量会增加。
主要有:
2.1 二氯异氰脲酸〔Ｃ3Ｃｌ2ＨＮ3Ｏ3或ＮａＣｌ2(ＮＣＯ)3〕属低毒物质,主要用于饮水和游泳池水的消毒。适用于蚕桑消毒、餐具、食品用具的洗涤消毒。
2.2 二氯异氰脲酸钠〔Ｃ3Ｃｌ2Ｎ3ＮａＯ3或ＮａＣｌ2(ＮＣＯ)3〕属低毒物质,目前已被美国ＦＤＡ和ＥＰＡ批准用于食品和饮水方面的杀菌消毒。其优点为:(1)稳定了水中的有效氯,同时减少了由于紫外线造成的有效氯损失;(2)对游泳池水的化学作用最小,减少了ｐＨ值调节的需要;(3)贮存时稳定,相对危害性小,很容易加到游泳池中;(4)除去游泳池的细菌和藻类时很有效。可直接投加或通过添加装置投加,缓慢溶解而发挥杀菌作用。
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3 三氯异氰脲酸〔Ｃ3Ｃｌ3Ｎ3Ｏ3〕毒性低,稳定性好,容易与水发生反应,游离出次氯酸,因此有漂白、杀菌和氯化作用。主要用作游泳池水的杀菌消毒。三氯异氰脲酸的特点是广谱、高效,其杀菌效果为氯气的100倍,对各种菌、藻类有优异的杀灭作用。它与水反应生成物是Ｃ3Ｏ3Ｎ3Ｈ3,Ｃ3Ｏ3Ｎ3Ｈ3为次氯酸钠的稳定剂,使极不稳定的次氯酸钠不发生分解,这也许是一些国家规定其只在应急情况下使用,而不能长期应用于饮水消毒的原因,也正是它能作为一种性能良好的工业水处理用杀菌灭藻剂的原因。
3 絮凝和消毒药剂的发展趋势
目前的絮凝和消毒药剂应用于饮用水处理后的一些有毒有害或疑似有毒有害物质的残留问题已经引起了公众和水处理领域有关人员的注意,全世界致力于该领域的专家学者都在努力寻求适当的用于水处理的絮凝和消毒药剂。近20年的发展可以看出,用于生活给水处理的絮凝和消毒药剂已取得了可喜的成果,有的已经用于生产性的实践,并取得了实效,如新型消毒剂二氧化氯的应用。
3.1 絮凝剂70年代有研究报告提出,铝似乎与早老年性痴呆的脑损害有关,在所进行的几项生态流行病学研究中,发现早老年性痴呆可能与饮水中的铝有关。但根据现有的毒理学和流行病学研究,无法肯定是早老年性痴呆的病因,因此,无法从健康的角度推导出铝的限定值。无论如何,由于存在铝与人类老年性痴呆的关系和对大脑影响的争议问题,铝盐水处理剂的使用受到了限制,同时含铁水处理剂ＦｅＳＯ4、Ｆｅ2(ＳＯ4)3和聚合硫酸铁(ＰＦＳ)正面临着ＦｅＣｌ3、Ｆｅ
Ｃｌ2和聚合氯化铁(ＰＦＣ)的竞争。回顾无机混凝剂从单一品种到多品种,从低分子的铝(铁)到高分子的聚合铝(铁),从单一的聚合铝(铁)向多元聚合铝(铁)的发展过程不难看出,其目的在于提高药剂的相对分子量、增加电解质的离子电荷数量,以及利用复合药剂中不同组分的“协同效应”,进一步提高产品的凝聚和絮凝效果。目前的发展趋势:
(1)聚合铝(铁)的主要形态向高电荷多核络合物方向发展,以求得到更为理想的絮凝效果;
(2)在聚合物体系中引入较高价的负离子,使聚合铝(铁)的共存阴离子从低价向高价发展,使其形态分布及电荷量得到进一步的改善,以获得更好的絮凝效果;
(3)集各种无机聚合物之长,开发聚合铝(铁)如聚合氯化铝(铁)、聚合硫酸铝(铁),以及聚铝硅酸盐和聚铁硅酸盐等热点产品。与无机混凝剂相比,有机高分子絮凝剂具有絮凝速度快、剂量少,受共存盐、ｐＨ值和温度影响小、生成污泥量少,并易于处置等优点,对节约用水,强化污泥处理过程等有重要作用。
目前的发展趋势:
(1)向超高分子量絮凝剂方向发展;
(2)进一步控制水处理用聚合物中剩余单体的含量;
(3)重点开发均聚物和共聚物阳离子聚电解质。值得一提的是,通过生物技术提取的新型生物絮凝剂,由于具有无毒、高效和可生物降解的特点,对水资源的保护有十分重大的意义。
3.2 消毒剂
新的消毒剂开发有赖于人们对水中残留物质的认识,目前用于饮用水消毒的基本是氧化型消毒剂,如氯、次氯酸钠、臭氧、氯胺、氯代异氰脲酸及其盐等。饮水消毒剂着重开发广谱、高效低毒、对环境安全以及多功能的药剂。为减少氯气用量,弥补氯气杀菌的不足,研制并推广应用高效低毒、适用范围广并对环境安全的消毒剂是水处理的发展方向。
3.2.1 以溴、二氧化氯等代替氯氯是一种杀菌力强、价格低廉、来源方便、使用范围广的水消毒剂,但它与水中的有机物反应生成有致癌作用的有机氯化物,而且它在高碱性、高ｐＨ的水中与水反应,并离解生成杀菌力弱的次氯酸根(ＣｌＯ-),因而限制了它的应用。而溴与水反应生成的次溴酸根比氯与水反应生成的次氯酸对ｐＨ变化敏感性低,相对稳定性高,腐蚀性小。因而国外水处理工作者在努力开发新型饮用水消毒剂的同时,也正积极开发以溴代氯作为消毒剂。二氧化氯具有较好的杀菌效果,且不受环境影响、不产生有机卤化物质,故引起了水处理工作者的很大兴趣。笔者曾于90年代初期对二氧化氯消毒饮水进行了研究,肯定了其消毒饮水的效果。近年,有些城市已开始将二氧化氯用于实践,估计年增长率大约是5%～6%。
3.2.2 与氯协同效果好的消毒剂研究开发新的消毒剂或杀菌剂总是希望它能与氯产生很好的协同效应,以有效弥补氯消毒的不足,如在长距离生活饮用水输配系统维持消毒效果,尤其是在工业循环冷却水中的应用。
3.2.3 复合配方的消毒剂或杀菌剂单一组分的消毒剂或杀菌剂有投加量大、杀菌品种单一、杀伤效果差、易产生抗药性等缺点。而有协同作用的复合配方,相对其中的单一组分都有增效作用,并可克服单一组分的杀菌弱点,还能降低成本。
3.2.4 生物技术的应用投加消毒或杀菌剂虽然能很好地控制微生物,但需要解决费用和环境问题。在工业水处理中,利用生物控制生物技术的开发利用是值得注意的。
3.2.5 物理技术膜法由于具有优异的物理截留性能,因此现已被认为也可以作为一种消毒方法。
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