二氧化氯消毒副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化影響因素探析

李 瑞,彭建和,豐 順

(1.安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學(xué)研究院,安徽 合肥 230088;2.水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230088;3.安徽省建筑工程監(jiān)督檢測站有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引言

我省農(nóng)村飲水集中式供水工程中大部分使用二氧化氯消毒,飲用水中消毒劑濃度特別是消毒劑與水中有機(jī)物反應(yīng)產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物濃度直接影響了水質(zhì)是否達(dá)標(biāo),因此開展二氧化氯消毒副產(chǎn)物影響因素研究,對農(nóng)村飲水安全工程建設(shè)有一定指導(dǎo)意義。根據(jù)我省農(nóng)村飲水安全工程消毒工藝的特點(diǎn)和管網(wǎng)布局特征,本研究選取溫度、pH值、管材、光照和消毒劑類型及投加濃度等因素開展二氧化氯消毒副產(chǎn)物衰減試驗(yàn)研究,進(jìn)而探尋飲用水中消毒劑副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化因素的規(guī)律,旨在為進(jìn)一步提高農(nóng)村飲水安全工程消毒效果和降低飲用水中消毒副產(chǎn)物濃度提供技術(shù)支持。

眾所周知,二氧化氯消毒過程中會產(chǎn)生的副產(chǎn)物主要是氯酸鈉和亞氯酸鈉。氯酸鈉可能會導(dǎo)致高鐵血紅蛋白和溶血性貧血,遺傳毒性細(xì)胞毒性很少,未顯示出致癌性。亞氯酸鈉具有較強(qiáng)的致突變性,已被列為致癌物,可造成甲狀腺激素分泌減少、影響嬰兒神經(jīng)系統(tǒng)和大腦發(fā)育等問題。根據(jù)毒理學(xué)研究分析,我國現(xiàn)行的GB 5749-2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》對氯酸鈉和亞氯酸鈉的濃度限值確定為0.7 mg/L。

水中氯酸鈉和亞氯酸鈉的來源主要有:二氧化氯氧化還原態(tài)無機(jī)物后產(chǎn)生的還原產(chǎn)物;二氧化氯在水中發(fā)生的歧化反應(yīng);二氧化氯在反應(yīng)器制備過程中原料反應(yīng)不完全進(jìn)入水體。

本研究將氯酸鈉、亞氯酸鈉作為二氧化氯消毒副產(chǎn)物的代表物質(zhì),主要研究溫度、pH、管材材質(zhì)、二氧化氯投加濃度、鐵濃度等因素對副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化過程的影響。

1 溫度對消毒劑副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的影響

1.1 溫度對氯酸鈉溶液的影響

針對管網(wǎng)中飲用水隨著季節(jié)變化溫度會發(fā)生改變,選取較為常見的溫度區(qū)間,調(diào)節(jié)溫度為10℃、20 ℃和30 ℃ ,配制0.20 mg/L、0.50 mg/L、0.80 mg/L的氯酸鈉溶液編號為第1、2、3組,每隔一段時(shí)間取水樣測定溶液中的氯酸鈉溶液濃度,結(jié)果見圖1。

圖1 溫度對氯酸鈉濃度影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)環(huán)境溫度分別為10℃、20℃和30℃時(shí),氯酸鈉初始濃度為0.20 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.195 mg/L、0.195 mg/L、0.196 mg/L;氯酸鈉初始濃度為0.50 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.496 mg/L、0.492 mg/L、0.491 mg/L;氯酸鈉初始濃度為0.80 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.794 mg/L、0.792 mg/L、0.793 mg/L。

三種濃度的氯酸鈉在不同溫度條件下均沒有發(fā)生顯著變化,說明溫度對水中氯酸鈉轉(zhuǎn)化沒有顯著的影響。

1.2 溫度對亞氯酸鈉溶液的影響

調(diào)節(jié)溫度分別為10℃、20 ℃和30 ℃ ,配制0.20 mg/L、0.50 mg/L、0.80 mg/L的亞氯酸鈉溶液編號為第1、2、3組,每隔一段時(shí)間取水樣測定溶液中的亞氯酸鈉溶液濃度,結(jié)果見圖2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)環(huán)境溫度分別為10℃、20℃和30℃時(shí),亞氯酸鈉初始濃度為0.20 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.197 mg/L、0.197 mg/L、0.191 mg/L;亞氯酸鈉初始濃度為0.50 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.498 mg/L、0.491 mg/L、0.488 mg/L;亞氯酸鈉初始濃度為0.80 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.796 mg/L、0.792 mg/L、0.783 mg/L。三種濃度的亞氯酸鈉在10℃、20℃和30℃條件下均沒有發(fā)生顯著變化,說明溫度對水中亞氯酸鈉轉(zhuǎn)化沒有顯著的影響。

2 pH對消毒劑副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的影響

2.1 pH對氯酸鈉溶液的影響

考慮到飲用水會隨著原水、處理工藝的變化造成pH值波動,根據(jù)現(xiàn)行國標(biāo)要求,pH值大多為6～8,分別配制成 0.20 mg/L、0.50 mg/L、0.80 mg/L的氯酸鈉溶液編號為第1、2、3組,調(diào)節(jié)pH分別為6.0、7.0 和 8.0,溫度設(shè)置為20℃,每隔一段時(shí)間取水樣檢測氯酸鈉的濃度,結(jié)果見圖3。

圖3 pH對氯酸鈉濃度影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示,當(dāng)pH分別為6、7、8時(shí),氯酸鈉初始濃度為0.20 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.196 mg/L、0.189 mg/L、0.191 mg/L;氯酸鈉初始濃度為0.50 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.496 mg/L、0.493 mg/L、0.489 mg/L;氯酸鈉初始濃度為0.80 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.797 mg/L、0.798 mg/L、0.794 mg/L。

三種pH條件下的氯酸鈉在不同條件下均沒有發(fā)生顯著變化,說明pH對水中氯酸鈉轉(zhuǎn)化沒有顯著的影響。

2.2 pH對亞氯酸鈉溶液的影響

分別配制成 0.20 mg/L、0.50 mg/L、0.80 mg/L的亞氯酸鈉溶液編號為第1、2、3組,調(diào)節(jié)pH分別為6.0、7.0 和 8.0,溫度設(shè)置為20℃,每隔一段時(shí)間取水樣檢測亞氯酸鈉的濃度,結(jié)果見圖4。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示,當(dāng)pH分別為6、7、8時(shí),亞氯酸鈉初始濃度為0.20 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.198 mg/L、0.196 mg/L、0.189 mg/L;亞氯酸鈉初始濃度為0.50 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.489 mg/L、0.481 mg/L、0.489 mg/L;亞氯酸鈉初始濃度為0.80 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.795 mg/L、0.787 mg/L、0.792 mg/L。

三種濃度的亞氯酸鈉溶液在不同pH值時(shí)濃度基本保持穩(wěn)定,相比較氯酸鈉濃度變化出現(xiàn)了微弱的衰減現(xiàn)象,可能是亞氯酸鈉在中性和堿性條件下,有少量轉(zhuǎn)化成了氯離子,但是對濃度影響極不顯著。

3 管材材質(zhì)對消毒劑副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的影響

管材材質(zhì)是輸配水管網(wǎng)中重要指標(biāo),早在2005年Robert M.Clark M等研究余氯衰減的影響因素,發(fā)現(xiàn)其與管材、管徑、管齡、管道粗糙度、流速、溫度等因素有關(guān),本節(jié)主要研究二氧化氯消毒副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的影響因素。

分別配制成 0.20 mg/L、0.50 mg/L、0.80 mg/L的氯酸鈉溶液編號為第1、2、3組,調(diào)節(jié)溶液pH值為6,分別加入鑄鐵管、不銹鋼管和PVC管中,設(shè)置溫度為20℃,每隔一段時(shí)間取水樣檢測氯酸鈉的濃度,結(jié)果見圖5。

圖5 管材材質(zhì)對氯酸鈉濃度影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示,當(dāng)管材材質(zhì)分別為鑄鐵、不銹鋼、PVC時(shí),氯酸鈉初始濃度為0.20 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.200 mg/L、0.197 mg/L、0.196 mg/L;氯酸鈉初始濃度為0.50 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.499 mg/L、0.495 mg/L、0.499 mg/L;氯酸鈉初始濃度為0.80 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.798 mg/L、0.796 mg/L、0.799 mg/L。

三種材質(zhì)的管材中,氯酸鈉的濃度均沒有發(fā)生顯著變化,說明管材材質(zhì)對水中氯酸鈉轉(zhuǎn)化沒有顯著的影響。

分別配制成0.20 mg/L、0.50 mg/L、0.80 mg/L的亞氯酸鈉溶液編號為第1、2、3組,調(diào)節(jié)溶液pH值為6,分別加入鑄鐵管、不銹鋼管和PVC管中,設(shè)置溫度為20℃,每隔一段時(shí)間取水樣檢測亞氯酸鈉的濃度,結(jié)果見圖6。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示,當(dāng)管材材質(zhì)分別為鑄鐵、不銹鋼、PVC時(shí),亞氯酸鈉初始濃度為0.20 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.186 mg/L、 0.189 mg/L、0.192 mg/L;亞氯酸鈉初始濃度為0.50 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.411 mg/L、0.415 mg/L、0.496 mg/L;亞氯酸鈉初始濃度為0.80 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.703 mg/L、0.711 mg/L、0.797 mg/L。

在鑄鐵和不銹鋼材質(zhì)的管材中,亞氯酸鈉濃度出現(xiàn)了明顯的衰減,PVC管材中的亞氯酸鈉濃度沒有出現(xiàn)明顯的變化,說明鑄鐵和不銹鋼材質(zhì)會影響亞氯酸鈉的轉(zhuǎn)化,且效果比較顯著。在識別二氧化氯衰減影響因素時(shí),考慮PVC材質(zhì)無導(dǎo)電性,性質(zhì)比較穩(wěn)定,無法形成腐蝕型微電池體系,避免了電化學(xué)形式的腐蝕;不銹鋼材質(zhì)在加工過程中形成的鈍化層在使用過程中容易被破壞,形成小孔、凹坑或點(diǎn)蝕,造成沉積物附著;鑄鐵材質(zhì)管壁更容易發(fā)生腐蝕引起管壁處衛(wèi)生狀態(tài)惡化。

4 二價(jià)鐵濃度對消毒劑副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的影響

4.1 二價(jià)鐵對氯酸鈉溶液的影響

我省北部地區(qū)以地下水作為飲用水水源,部分地區(qū)存在高鐵情況。水中二價(jià)鐵溶解度高于三價(jià)鐵,所以選擇二價(jià)鐵研究對消毒劑副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的影響。

分別配制成0.20 mg/L、0.50 mg/L、0.80 mg/L的氯酸鈉溶液編號為第1、2、3組,調(diào)節(jié)溶液pH值為6,分別加入0.4 mg/L、0.8 mg/L、1.2 mg/L的硫酸亞鐵,設(shè)置溫度為20℃,每隔一段時(shí)間取水樣檢測氯酸鈉的濃度,結(jié)果見圖7。

圖7 二價(jià)鐵濃度對氯酸鈉濃度影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示,當(dāng)二價(jià)鐵濃度分別為0.4 mg/L、0.8 mg/L、1.2 mg/L時(shí),氯酸鈉初始濃度為0.20 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.196 mg/L、0.192 mg/L、0.187 mg/L;氯酸鈉初始濃度為0.50 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.492 mg/L、0.484 mg/L、0.468 mg/L;氯酸鈉初始濃度為0.80 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.790 mg/L、0.785 mg/L、0.766 mg/L。

在氯酸鈉溶液中加入二價(jià)鐵后,濃度出現(xiàn)了明顯的下降,隨著二價(jià)鐵濃度的增大,衰減效果越大,說明二價(jià)鐵濃度對水中氯酸鈉轉(zhuǎn)化有顯著的影響。

4.2 二價(jià)鐵對亞氯酸鈉溶液的影響

分別配制成0.20 mg/L、0.50 mg/L、0.80 mg/L的亞氯酸鈉溶液編號為第1、2、3組,調(diào)節(jié)溶液pH值為6,分別加入0.4 mg/L、0.8 mg/L、1.2 mg/L的硫酸亞鐵,設(shè)置溫度為20℃,每隔一段時(shí)間取水樣檢測亞氯酸鈉的濃度,結(jié)果見圖8。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示,當(dāng)二價(jià)鐵濃度分別為0.4 mg/L、0.8 mg/L、1.2 mg/L時(shí),亞氯酸鈉初始濃度為0.20 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.195 mg/L、0.187 mg/L、0.172 mg/L;亞氯酸鈉初始濃度為0.50 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.488 mg/L、0.473 mg/L、0.466 mg/L;亞氯酸鈉初始濃度為0.80 mg/L時(shí),一段時(shí)間后取樣檢測的結(jié)果分別為0.785 mg/L、0.763 mg/L、0.745 mg/L。

在亞氯酸鈉溶液中加入二價(jià)鐵后,濃度出現(xiàn)了明顯的下降,隨著二價(jià)鐵濃度的增大,衰減效果越明顯,說明二價(jià)鐵濃度對水中亞氯酸鈉轉(zhuǎn)化有顯著的影響。水中亞氯酸鈉能夠與二價(jià)鐵離子發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成氯離子和氧化鐵,考慮到鑄鐵管材中會出現(xiàn)銹蝕和管垢,驗(yàn)證了鑄鐵管材對亞氯酸鈉影響較大。

5 二氧化氯濃度對消毒劑副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的影響

在使用二氧化氯消毒時(shí),我國現(xiàn)行的GB 5749-2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》要求管網(wǎng)末梢水濃度不小于0.02 mg/L,所以在研究消毒副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化影響因素時(shí),二氧化氯濃度是重要的考慮因素。分別配制成 1.31 mg/L、1.64 mg/L、2.12 mg/L的二氧化氯溶液,加入濃度為1.5 mg/L的氯酸鈉溶液中,調(diào)節(jié)溶液pH值為6,設(shè)置溫度為20℃,每隔一段時(shí)間取水樣檢測氯酸鈉的濃度,結(jié)果見圖9。

圖9 二氧化氯濃度對氯酸鈉濃度影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見,氯酸鈉的濃度隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)了濃度增大的現(xiàn)象,增大的速率逐漸趨于平緩。隨著二氧化氯濃度的升高,氯酸鈉濃度增大的效果越顯著。當(dāng)二氧化氯濃度分別為1.31 mg/L、1.64 mg/L、2.12 mg/L時(shí),溶液中氯酸鈉濃度為1.589 mg/L、1.608 mg/L、1.701 mg/L。氯酸鈉在水中性質(zhì)比較穩(wěn)定,隨著二氧化氯自身衰減和歧化反應(yīng)的發(fā)生,部分二氧化氯轉(zhuǎn)化成了氯酸鈉,造成氯酸鈉濃度上升。

分別配制成1.31 mg/L、1.64 mg/L、2.12 mg/L的二氧化氯溶液,加入濃度為1.5 mg/L的亞氯酸鈉溶液中,調(diào)節(jié)溶液pH值為6,設(shè)置溫度為20℃,每隔一段時(shí)間取水樣檢測亞氯酸鈉的濃度,結(jié)果見圖10。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見,亞氯酸鈉的濃度隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)了濃度增大的現(xiàn)象,增大的速率逐漸趨于平緩,說明二氧化氯在濃度較高的情況下,反應(yīng)速率較快。當(dāng)二氧化氯添加濃度分別為1.31 mg/L、1.64 mg/L、2.12 mg/L時(shí),溶液中亞氯酸鈉濃度為1.811 mg/L、1.845 mg/L、1.962 mg/L。隨著二氧化氯濃度的升高,亞氯酸鈉濃度增大的效果越顯著。隨著二氧化氯自身衰減和歧化反應(yīng)的發(fā)生,部分二氧化氯轉(zhuǎn)化成了亞氯酸鈉,造成亞氯酸鈉濃度上升。

6 結(jié)語

(1)通過以上對消毒劑副產(chǎn)物在溫度、pH值、管材、光照和消毒劑類型及投加濃度等因素影響下衰減速率的試驗(yàn)研究,我們可以得知,氯酸鈉的轉(zhuǎn)化受殘余二氧化氯濃度、二價(jià)鐵離子的影響,亞氯酸鈉則受殘余二氧化氯濃度、管網(wǎng)材質(zhì)、亞鐵離子的影響。

(2)無論是二氧化氯本身,還是其無機(jī)副產(chǎn)物亞氯酸鈉、氯酸鈉對人類及動物的內(nèi)分泌、血液、生殖等方面均有負(fù)面影響,氯酸鈉具有較強(qiáng)的氧化性,飲用水中的氯酸鈉易對人體有用的礦物質(zhì)造成流逝,對人體的內(nèi)環(huán)境造成影響。農(nóng)村飲水仍然存在大量消毒劑余量不合格的情況。本文通過開展二氧化氯消毒副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化因素探析得出的相關(guān)結(jié)論,在農(nóng)村飲水安全工程實(shí)施中具有一定的指導(dǎo)意義。但是由于時(shí)間和條件的限制,未能進(jìn)一步開展精細(xì)研究,對于消毒劑的研究還需要進(jìn)一步延伸,消毒劑的制備途徑改良、消毒劑發(fā)生器的改良都是未來的研究方向。