李 瑞,彭建和,豐 順

(1.安徽省(水利部淮河水利委員會(huì))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(cè)站,安徽 合肥 230088)

0 引言

農(nóng)村飲水安全工程是改善和提高農(nóng)民生活質(zhì)量,促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的重要民生工程,農(nóng)村飲用水水質(zhì)的優(yōu)劣切實(shí)關(guān)系到農(nóng)民群眾的身體健康。飲用水消毒是農(nóng)村飲水安全工程凈化工藝中必不可少的環(huán)節(jié),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直接影響了水質(zhì)達(dá)標(biāo)與否,研究飲用水中消毒劑濃度的衰減,可指導(dǎo)農(nóng)村飲水安全工程消毒工藝運(yùn)行,進(jìn)而提高飲用水的合格率。

二氧化氯不穩(wěn)定,溶于水時(shí)形成以二氧化氯為主,同時(shí)含有氯離子、氯酸根離子、亞氯酸根離子的溶液。二氧化氯的衰減主要由自身衰減、管壁影響衰減和傳輸過(guò)程中衰減三個(gè)部分,本實(shí)驗(yàn)在靜水試驗(yàn)裝置中完成,裝置長(zhǎng)度較短,傳輸過(guò)程中衰減不予以考慮。本次研究主要從環(huán)境因素和管材材質(zhì)兩個(gè)方面出發(fā)開(kāi)展消毒劑衰減因素識(shí)別,環(huán)境因素包括光照強(qiáng)度、pH 值、溫度、消毒劑初始濃度;管材材質(zhì)包括鑄鐵管、鋼管、PVC管三種不同材質(zhì)。

1 二氧化氯衰減環(huán)境因素識(shí)別

1.1 光照對(duì)二氧化氯衰減的影響分析

本次實(shí)驗(yàn)配置濃度為10.15 mg/L的二氧化氯溶液,分別敞口放置在陽(yáng)光直射的室外、無(wú)遮光措施的室內(nèi)和完全遮光的室內(nèi),用照度計(jì)測(cè)定光照度,每隔一段時(shí)間取樣測(cè)定下水中二氧化氯的濃度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 陽(yáng)光直射的室外二氧化氯濃度衰減 圖2 無(wú)遮光措施的室內(nèi)二氧化氯濃度衰減

三種不同光照強(qiáng)度下,二氧化氯隨著時(shí)間推移都出現(xiàn)了明顯的衰減。在初始濃度均為10.15 mg/L,放置時(shí)間為20 min,陽(yáng)光直射的室外二氧化氯衰減率為89.2%;無(wú)遮光措施的室內(nèi)二氧化氯衰減率為11.1%;完全遮光的室內(nèi)二氧化氯衰減率為5.8%。從圖中二氧化氯濃度衰減曲線趨勢(shì)可以判斷殘余率與放置時(shí)間大致呈冪指數(shù)關(guān)系。濃度較高時(shí)衰減速率較快,隨著濃度降低,衰減速率也逐漸降低。光照強(qiáng)度越大,二氧化氯溶液衰減越快。

圖3 完全遮光的室內(nèi)二氧化氯濃度衰減

1.2 pH對(duì)二氧化氯衰減的影響分析

本次實(shí)驗(yàn)配置1.54 mg/L二氧化氯溶液,采用 0.1 mol/L鹽酸和0.1 mol /L 氫氧化鈉分別將溶液pH調(diào)至5.01,7.03,9.04,每隔一段時(shí)間取樣檢測(cè)水中二氧化氯的濃度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同pH條件下二氧化氯濃度衰減 圖5 不同溫度條件下二氧化氯濃度衰減

三種不同pH條件下,二氧化氯隨著時(shí)間推移出現(xiàn)了明顯的衰減現(xiàn)象。pH=5.01的條件下,二氧化氯衰減較慢,因?yàn)樵谒嵝詶l件下,二氧化氯自身分解反應(yīng)受到抑制,降低了衰減速率。pH=7.03的條件下,隨著二氧化氯衰減,溶液中氯酸根和亞氯酸根濃度不斷升高,降低了溶液pH,衰減速率隨著時(shí)間推移不斷減緩。pH=9.04的條件下,堿性環(huán)境下會(huì)促進(jìn)二氧化氯發(fā)生歧化反應(yīng),生成氯酸鹽和氯離子,pH值越高,反應(yīng)越快。由結(jié)果可以得出,pH值增大,二氧化氯衰減速率增大。由此,我們應(yīng)該在實(shí)際工作中考慮到二氧化氯作為預(yù)氧化劑投加處理原水時(shí),絮凝步驟使用的助凝劑如石灰、有機(jī)絮凝劑需要注意投加量,避免影響二氧化氯預(yù)處理的效果。

1.3 溫度對(duì)二氧化氯衰減的影響分析

配置1.96 mg/L二氧化氯溶液,分別放置于10℃、20℃和30℃環(huán)境中,每隔一段時(shí)間取樣檢測(cè)水中二氧化氯的濃度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

三種不同溫度條件下,二氧化氯隨著時(shí)間推移出現(xiàn)了明顯的衰減現(xiàn)象。二氧化氯的衰減速率受溫度的影響,隨著溫度升高,衰減速率逐漸增大。因?yàn)樵诟邷貤l件下,二氧化氯會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng),生成大量的氯酸根和亞氯酸根,從而加劇了二氧化氯的濃度衰減。

在水廠運(yùn)行過(guò)程中,6-9月份溫度較高的季節(jié)微生物生長(zhǎng)繁殖較快,二氧化氯需要增加相應(yīng)的投加量,以保證消毒和滅菌效果,但是這也可能會(huì)導(dǎo)致消毒劑副產(chǎn)物濃度上升,需要進(jìn)一步開(kāi)展相應(yīng)的研究。

1.4 初始二氧化氯濃度對(duì)其衰減的影響分析

分別配置1.57 mg/L、2.11 mg/L和3.36 mg/L的二氧化氯溶液,分別在5 min、10 min、30 min、60 min、120 min、180 min和240 min時(shí)測(cè)定二氧化氯剩余濃度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同初始濃度條件下二氧化氯濃度衰減 圖7 不同管材材質(zhì)中二氧化氯濃度衰減

三種不同初始濃度下,二氧化氯都有明顯的衰減現(xiàn)象。前60 min內(nèi)二氧化氯基本呈指數(shù)衰減,衰減較快,至60 min時(shí)基本衰減到初始濃度的50%左右,隨著時(shí)間推移,衰減速率逐漸降低。二氧化氯自身分解、歧化主要發(fā)生在與水接觸的初期,在初始濃度較大時(shí)易生成不同的化合物,而后反應(yīng)速度減緩。

2 二氧化氯衰減管材材質(zhì)因素識(shí)別

配置0.84 mg/L二氧化氯溶液,相同條件下分別放置于鑄鐵管、鋼管、PVC管制作的靜水裝置中,每隔一段時(shí)間取樣,檢測(cè)水中二氧化氯的濃度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

鑄鐵管、鋼管、PVC管三種不同管材中的二氧化氯隨著時(shí)間推移,均出現(xiàn)了明顯的衰減現(xiàn)象。在前30 min內(nèi),鑄鐵管中的二氧化氯衰減最快,衰減率為67.8%;不銹鋼管衰減率為49.6%;PVC管中二氧化氯衰減率為30.1%。PVC材質(zhì)無(wú)導(dǎo)電性,性質(zhì)比較穩(wěn)定,無(wú)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(guò)程中形成的鈍化層在使用過(guò)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,加速消毒劑在管壁處消耗。在管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中,使用鑄鐵和不銹鋼材質(zhì)管道,容易在長(zhǎng)期使用后出現(xiàn)銹蝕、管垢沉積和生物膜沉積,因此優(yōu)先使用二氧化氯衰減速率更低的PVC管。

3 SPSS軟件分析關(guān)鍵因素

以二氧化氯衰減濃度為主要變量,通過(guò)SPSS分析其與二氧化氯初始濃度、光照強(qiáng)度、pH、溫度和不同管材間的相關(guān)關(guān)系,篩選出二氧化氯衰減最相關(guān)的因素。

通過(guò)SPSS軟件對(duì)影響因素進(jìn)行篩選計(jì)算,二氧化氯衰減與管材材質(zhì)呈極顯著相關(guān),其中鑄鐵管相關(guān)系數(shù)最大(0.987),PVC管相關(guān)系數(shù)最小(0.941)。與光照強(qiáng)度、pH、溫度和二氧化氯初始濃度呈顯著相關(guān)(圖8)。

本研究以農(nóng)村飲水工程中消毒劑二氧化氯為主要研究對(duì)象,在不同的管材材質(zhì)、光照溫度、pH值和初始濃度等影響因子條件下,開(kāi)展大量正交試驗(yàn),擬合二氧化氯衰減的動(dòng)力學(xué)模型,采用SPSS軟件和多元統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析、因子分析及多元逐步回歸分析,將多個(gè)變量通過(guò)降維轉(zhuǎn)化為個(gè)別綜合變量,識(shí)別出管材材質(zhì)是影響二氧化氯衰減的最重要指標(biāo),鑄鐵材質(zhì)中的二氧化氯衰減最快,不銹鋼材質(zhì)其次,PVC中的二氧化氯衰減最慢;其次分別是光照強(qiáng)度、pH、溫度和二氧化氯初始濃度。光照強(qiáng)度越大,二氧化氯溶液衰減越快,二氧化氯殘余率與放置時(shí)間大致呈冪指數(shù)關(guān)系。pH值越大,二氧化氯衰減速率越快。二氧化氯的衰減速率受溫度的影響,隨著溫度升高,衰減速率逐漸增大。水中二氧化氯的初始濃度越大,衰減速率越慢。

圖8 SPSS軟件分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

從近幾年開(kāi)展的安徽省農(nóng)村飲水工程水質(zhì)抽檢工作結(jié)果來(lái)看,大部分農(nóng)飲水廠仍處于粗放式管理階段,農(nóng)村飲水仍然存在大量消毒劑余量不合格的情況。因此根據(jù)以上研究結(jié)果,本文擬對(duì)二氧化氯消毒劑在水廠消毒運(yùn)行中提出以下建議:二氧化氯作為預(yù)氧化劑投加在陽(yáng)光直射的自然環(huán)境下投加時(shí),需要在理論投加量基礎(chǔ)上增加約90%;在有遮陽(yáng)設(shè)施的自然環(huán)境下投加時(shí),需要在理論投加量基礎(chǔ)上增加約10%;在夜間無(wú)照明措施投加時(shí),需要額外增加約5%的理論投加量?？紤]到增加投加量會(huì)加大消毒劑副產(chǎn)物超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn),建議在避光條件下投加二氧化氯。二氧化氯作為預(yù)氧化劑投加處理原水時(shí),絮凝步驟使用的助凝劑如石灰、有機(jī)絮凝劑需要注意投加量,避免影響二氧化氯預(yù)處理的效果。在水廠運(yùn)行過(guò)程中,6-9月份溫度較高的季節(jié)微生物生長(zhǎng)繁殖較快,二氧化氯需要增加相應(yīng)的投加量,以保證消毒和滅菌效果。管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中,使用鑄鐵和不銹鋼材質(zhì)管道,容易在長(zhǎng)期使用后出現(xiàn)銹蝕、管垢沉積和生物膜沉積,優(yōu)先選用二氧化氯衰減速率更低的PVC管。建議消毒劑采用次氯酸鈉和二氧化氯聯(lián)合使用,可以降低消毒劑的衰減速率,提高消毒劑在管網(wǎng)中的滅菌時(shí)間和消毒劑濃度,同時(shí)還可以降低水中消毒副產(chǎn)物三鹵甲烷等有害物質(zhì)的含量。