论文部分内容阅读
摘 要：以某南方大都市A水厂为研究对象，通过对实际运行中消毒工艺变更前后的出厂水和管网水的水质和耗氯量进行分析，评价两种消毒工艺的消毒效果、副产物产生情况以及运营成本。结果表明：氯胺和液氯两种消毒剂均有良好的消毒效果；使用液氯后水中的三氯甲烷和游离氯的含量骤增；液氯消毒成本较低，约为氯胺消毒的70%。
关键词：液氯 氯胺 余氯 三氯甲烷 消毒成本
中图分类号：TU757.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（c）-0060-03
Abstract：In order to evaluate the effectiveness of two different types of disinfection processes， the production of disinfection byproducts and relevant capital costs for a water treatment plant， named A Water Treatment Plant， located in the south part of China， water quality analysis and determination of chlorine usage for the treated water by the two processes are conducted. It has been concluded that chloramine and chlorine are both effective. The concentration of chloroform and free chlorine in the water are rapidly increased after chlorine treatment. Additionally， the costs of chlorine are 70% of chloramine costs， which are relatively lower.
Key words：chlorine chloranmine residual chlorine chloroform disinfection costs
液氯与氯胺是城市供水消毒工艺中两种重要的消毒剂，它们在消毒效果、次生产物、持久性能等方面均存在一定差异。研究表明[1-3]，液氯的消毒效果优于氯胺消毒，但液氯会与水中的部分有机物生成具有“三致”作用的三卤甲烷、卤乙酸等，存在较大的潜在危害。该文系统地分析了微生物指标、三氯甲烷产生情况与消毒剂成本三个方面的变化趋势，为水厂水质安全和经济效益提供参考。
1 工艺与方法
1.1 水厂概况与采样
A厂共有四个车间产水，日产水量56万m3，该厂于2012年年底更换消毒工艺，采用液氯消毒，此前一直使用氯胺作为消毒剂，其主要净水工艺如图1所示。
按照《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）及《城市供水水质标准》（CJ/T 206-2005）的监测要求，该厂水质监测中心每月定点对出厂水和管网水中的三氯甲烷和游离氯含量进行检测，而菌落总数和总大肠杆菌群为日常监测指标。由于管网跨度和时间跨度大，游离氯、菌落总数、三氯甲烷等指标均以年均值表征。
1.2 分析方法
各项指标检测均依据《生活饮用水标准检测方法》（GB 5750-2006），具体方法如表1所示。
2 结果与讨论
2.1 余氯的变化趋势
余氯是指氯制剂加入水中并氧化还原性物质后剩余的总氯量[4]，包括结合氯（NH2Cl、NHCl2、NCl3）与游离氯（Cl2、HOCl、ClO-），其中主要起杀毒作用的是游离氯，A厂2010年至2014年出厂水与管网水中的一氯胺和游离氯含量变化如图2所示。
由图2可知，2010年和2014年出厂水和管网水中的一氯胺含量总体呈下降趋势，相反，游离氯的含量在2010年至2011年为0，更换工艺后骤增。液氯消毒与氯胺消毒原理分别可由式（1）与式（1）～式（4）表示[5]：
（1）
（2）
（3）
（4）
根据上列反应式，液氯进入水后以次氯酸和单质氯的形式存在，故使水中的游离氯猛增，而单质氯也可与水中的氨氮生成一氯胺；氯胺以逆向反应的形式缓慢地释放出的HOCl立即与水中的还原性物质反应，从而持续消毒，因此溶解于水中的次氯酸极低。除此之外，由于在输水过程中，一氯胺不断分解釋放次氯酸与游离氯的持续的消毒作用，故管网水中的一氯胺和游离氯含量均低于出厂水。
2.2 三氯甲烷变化趋势
加氯消毒的副产物（CDBPs）主要是氯、溴等卤素原子与水中的烃、羧酸、醛、酚等有机物发生取代反应而生成的卤代物，其中三卤甲烷（THMs）与卤乙酸（HAAs）的含量最高，两者之和约占CDBPs的80%以上[1]。
消毒工艺替换前后的年均三氯甲烷值如图3所示，由图可知，在2012年之后的三氯甲烷含量明显高于之前的含量，根据Li bo[6]等的研究，THMs的产生可由式（5）表示：
（5）
其中，THMFP为三卤甲烷的前驱物质，由此可见，改用Cl2作为消毒剂后会导致水中的THMs升高。联系图2和图3可发现三氯甲烷与游离氯的变化趋势相似，这也证明了上述理论。然而，管网水中的Cl2低于出厂水但其三氯甲烷含量却高于后者，这可归因于管网中的复杂物理、化学、生物作用，如有机物溶解、氧化分解、微生物代谢等等，使水中的三氯甲烷前驱含量增大。
2.3 消毒效果与加氯量变化趋势 国内大多数水厂均采用菌落总数和总大肠杆菌群作为微生物指标中的主要控制指标[7]，水厂运行以消毒过程来确保微生物指标合格，因此菌落总数和总大肠杆菌群可用来评价消毒效果。根据《生活饮用水标准》（GB 5749-2006）中相关规定，菌落总数不得超过100CFU/mL，大肠杆菌群不得检出。表2列出了A厂2010年至2014年出厂水和管网水中的菌落总数与总大肠菌群的年均值。
由表2可知，在2010年至2014年年间，出厂水和管网水中均未检出总大肠菌群，并且，菌落总数均远低于限值，故从这两项微生物指标来看，两种消毒剂均有良好的消毒效果。此外，由于管网中存在复杂的理化作用与生物作用，加之输送过程延长了供水的停留时间，故管网水中的菌落总数均高于出厂水，但管网水中的菌落总数也远小于100CFU/mL，说明尽管两种工艺产生的余氯在水中的存在形态不同，但两者均有较好的持续消毒能力。
图4表明使用氯胺时的氯耗较高，更换工艺后比之前的加氯量低10%左右。近年来，液氯的售价持续升高，从2010年的3 660元/t升高到目前的4 300元/t，而液氨的价格约为4400元/t，A厂使用氯胺消毒时液氯与液氨的混合比约为4：1，图5显示2011年至2014年水厂实际运营中消毒剂成本的变化，使用液氯消毒的运营成本约为氯胺消毒运营成本的70%左右，同时，根据表1，两种消毒方式均有良好的消毒效果，故液氯消毒工艺的运营成本相对较低。
3 结语
（1）使用液氯消毒后，出厂水和管网水中的三氯甲烷明显高于使用氯胺消毒时；改变工艺后，水中的游离氯含量猛增而一氯胺含量下降，在现有管网长度（A廠供水管路总长度约为2 100km）的条件下，但两种工艺均有较好的持续杀菌能力，管网末梢的微生物指标均低于国家规定的限值；由于液氯作为消毒剂使水中的三氯甲烷和游离氯含量升高，对人体健康存在潜在影响，因此从饮水用安全的角度来讲，氯胺消毒更具优势。
（2）根据GB 5749-2006规定，饮用水中的菌群总数不能高于100CFU/mL，总大肠菌群不得检出，从这两项指标来看，尽管管网水中的菌落总数多于出厂水，但均远低于限值，因此两种消毒工艺均有良好的处理效果。
（3）氯胺消毒的氯耗高于液氯消毒，加之氯胺消毒需要按一定比例投加的液氨，故其运营成本高于液氯消毒，从经济效益的角度来讲，液氯消毒占优。
参考文献
[1] 肖洁雯.三种消毒剂对消毒副产物的影响研究[D].广州：华南理工大学，2012： 10-11.
[2] 白晓慧，支兴华，朱斌，等.次氯酸钠代替液氯消毒对自来水厂供水水质的影响[J].中国给水排水，2012，28（11）：47-49.
[3] 严烈，徐斌，高乃云，等.饮用水中典型氯化消毒副产物生成模型的研究进展[J].净水技术，2010，29（1）：16-22.
[4] 李梦耀，潘珺，熊玉宝.水中余氯测定方法进展[J].中国环境监测，2007，23（2）：40-42.
[5] 刘兆民，展宗城.氯胺消毒在给水中的应用[J].西北民族大学学报：自然科学版，2006，27（63）：28-31.
[6] Li Bo，Qu JiuHui，Liu HuiJuan，et al. Formation and distribution of disinfection by-products[J].Chinese Science Bulletin，2008，53（17）：2717-2723.
[7] 程权，许霞，何苗.菌落总数和总大肠菌群不合格因素分析[J].供水技术，2011，5（1）：57-59.
关键词：液氯 氯胺 余氯 三氯甲烷 消毒成本
中图分类号：TU757.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（c）-0060-03
Abstract：In order to evaluate the effectiveness of two different types of disinfection processes， the production of disinfection byproducts and relevant capital costs for a water treatment plant， named A Water Treatment Plant， located in the south part of China， water quality analysis and determination of chlorine usage for the treated water by the two processes are conducted. It has been concluded that chloramine and chlorine are both effective. The concentration of chloroform and free chlorine in the water are rapidly increased after chlorine treatment. Additionally， the costs of chlorine are 70% of chloramine costs， which are relatively lower.
Key words：chlorine chloranmine residual chlorine chloroform disinfection costs
液氯与氯胺是城市供水消毒工艺中两种重要的消毒剂，它们在消毒效果、次生产物、持久性能等方面均存在一定差异。研究表明[1-3]，液氯的消毒效果优于氯胺消毒，但液氯会与水中的部分有机物生成具有“三致”作用的三卤甲烷、卤乙酸等，存在较大的潜在危害。该文系统地分析了微生物指标、三氯甲烷产生情况与消毒剂成本三个方面的变化趋势，为水厂水质安全和经济效益提供参考。
1 工艺与方法
1.1 水厂概况与采样
A厂共有四个车间产水，日产水量56万m3，该厂于2012年年底更换消毒工艺，采用液氯消毒，此前一直使用氯胺作为消毒剂，其主要净水工艺如图1所示。
按照《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）及《城市供水水质标准》（CJ/T 206-2005）的监测要求，该厂水质监测中心每月定点对出厂水和管网水中的三氯甲烷和游离氯含量进行检测，而菌落总数和总大肠杆菌群为日常监测指标。由于管网跨度和时间跨度大，游离氯、菌落总数、三氯甲烷等指标均以年均值表征。
1.2 分析方法
各项指标检测均依据《生活饮用水标准检测方法》（GB 5750-2006），具体方法如表1所示。
2 结果与讨论
2.1 余氯的变化趋势
余氯是指氯制剂加入水中并氧化还原性物质后剩余的总氯量[4]，包括结合氯（NH2Cl、NHCl2、NCl3）与游离氯（Cl2、HOCl、ClO-），其中主要起杀毒作用的是游离氯，A厂2010年至2014年出厂水与管网水中的一氯胺和游离氯含量变化如图2所示。
由图2可知，2010年和2014年出厂水和管网水中的一氯胺含量总体呈下降趋势，相反，游离氯的含量在2010年至2011年为0，更换工艺后骤增。液氯消毒与氯胺消毒原理分别可由式（1）与式（1）～式（4）表示[5]：
（1）
（2）
（3）
（4）
根据上列反应式，液氯进入水后以次氯酸和单质氯的形式存在，故使水中的游离氯猛增，而单质氯也可与水中的氨氮生成一氯胺；氯胺以逆向反应的形式缓慢地释放出的HOCl立即与水中的还原性物质反应，从而持续消毒，因此溶解于水中的次氯酸极低。除此之外，由于在输水过程中，一氯胺不断分解釋放次氯酸与游离氯的持续的消毒作用，故管网水中的一氯胺和游离氯含量均低于出厂水。
2.2 三氯甲烷变化趋势
加氯消毒的副产物（CDBPs）主要是氯、溴等卤素原子与水中的烃、羧酸、醛、酚等有机物发生取代反应而生成的卤代物，其中三卤甲烷（THMs）与卤乙酸（HAAs）的含量最高，两者之和约占CDBPs的80%以上[1]。
消毒工艺替换前后的年均三氯甲烷值如图3所示，由图可知，在2012年之后的三氯甲烷含量明显高于之前的含量，根据Li bo[6]等的研究，THMs的产生可由式（5）表示：
（5）
其中，THMFP为三卤甲烷的前驱物质，由此可见，改用Cl2作为消毒剂后会导致水中的THMs升高。联系图2和图3可发现三氯甲烷与游离氯的变化趋势相似，这也证明了上述理论。然而，管网水中的Cl2低于出厂水但其三氯甲烷含量却高于后者，这可归因于管网中的复杂物理、化学、生物作用，如有机物溶解、氧化分解、微生物代谢等等，使水中的三氯甲烷前驱含量增大。
2.3 消毒效果与加氯量变化趋势 国内大多数水厂均采用菌落总数和总大肠杆菌群作为微生物指标中的主要控制指标[7]，水厂运行以消毒过程来确保微生物指标合格，因此菌落总数和总大肠杆菌群可用来评价消毒效果。根据《生活饮用水标准》（GB 5749-2006）中相关规定，菌落总数不得超过100CFU/mL，大肠杆菌群不得检出。表2列出了A厂2010年至2014年出厂水和管网水中的菌落总数与总大肠菌群的年均值。
由表2可知，在2010年至2014年年间，出厂水和管网水中均未检出总大肠菌群，并且，菌落总数均远低于限值，故从这两项微生物指标来看，两种消毒剂均有良好的消毒效果。此外，由于管网中存在复杂的理化作用与生物作用，加之输送过程延长了供水的停留时间，故管网水中的菌落总数均高于出厂水，但管网水中的菌落总数也远小于100CFU/mL，说明尽管两种工艺产生的余氯在水中的存在形态不同，但两者均有较好的持续消毒能力。
图4表明使用氯胺时的氯耗较高，更换工艺后比之前的加氯量低10%左右。近年来，液氯的售价持续升高，从2010年的3 660元/t升高到目前的4 300元/t，而液氨的价格约为4400元/t，A厂使用氯胺消毒时液氯与液氨的混合比约为4：1，图5显示2011年至2014年水厂实际运营中消毒剂成本的变化，使用液氯消毒的运营成本约为氯胺消毒运营成本的70%左右，同时，根据表1，两种消毒方式均有良好的消毒效果，故液氯消毒工艺的运营成本相对较低。
3 结语
（1）使用液氯消毒后，出厂水和管网水中的三氯甲烷明显高于使用氯胺消毒时；改变工艺后，水中的游离氯含量猛增而一氯胺含量下降，在现有管网长度（A廠供水管路总长度约为2 100km）的条件下，但两种工艺均有较好的持续杀菌能力，管网末梢的微生物指标均低于国家规定的限值；由于液氯作为消毒剂使水中的三氯甲烷和游离氯含量升高，对人体健康存在潜在影响，因此从饮水用安全的角度来讲，氯胺消毒更具优势。
（2）根据GB 5749-2006规定，饮用水中的菌群总数不能高于100CFU/mL，总大肠菌群不得检出，从这两项指标来看，尽管管网水中的菌落总数多于出厂水，但均远低于限值，因此两种消毒工艺均有良好的处理效果。
（3）氯胺消毒的氯耗高于液氯消毒，加之氯胺消毒需要按一定比例投加的液氨，故其运营成本高于液氯消毒，从经济效益的角度来讲，液氯消毒占优。
参考文献
[1] 肖洁雯.三种消毒剂对消毒副产物的影响研究[D].广州：华南理工大学，2012： 10-11.
[2] 白晓慧，支兴华，朱斌，等.次氯酸钠代替液氯消毒对自来水厂供水水质的影响[J].中国给水排水，2012，28（11）：47-49.
[3] 严烈，徐斌，高乃云，等.饮用水中典型氯化消毒副产物生成模型的研究进展[J].净水技术，2010，29（1）：16-22.
[4] 李梦耀，潘珺，熊玉宝.水中余氯测定方法进展[J].中国环境监测，2007，23（2）：40-42.
[5] 刘兆民，展宗城.氯胺消毒在给水中的应用[J].西北民族大学学报：自然科学版，2006，27（63）：28-31.
[6] Li Bo，Qu JiuHui，Liu HuiJuan，et al. Formation and distribution of disinfection by-products[J].Chinese Science Bulletin，2008，53（17）：2717-2723.
[7] 程权，许霞，何苗.菌落总数和总大肠菌群不合格因素分析[J].供水技术，2011，5（1）：57-59.