折點加氯及其應用
摘要：近年來由于源水水質的污染日益嚴重，在自來水的加氯處理中，胺氮對加氯的 影響 目趨顯著，本文旨在討論源水里的胺氮對加氯的影響， 分析 源水中不同的胺氮含量時，加氯點的選擇和確認，從而達到以最小的加氯量來殺滅水中細菌之目的。
關鍵詞：胺氮 余氯 化合性余氯 游離性余氯 加氯點
在水的加氯處理中，加氯量和余氯的關系如下圖所示。
加氯量—余氯曲線
當源水不含胺氮時，加氯量和余氯的關系如圖中虛線L1所示，為一條直線，此時水中的余氯為游離性余氯，簡稱游離氯。當源水含有胺氮時，加氯量—余氯曲線如圖中實線L2所示，是一條折線。
1. 胺氮對加氯的影響
當源水有胺氮時，如上圖實線所示，在AB段氯和氨發生如下反應：
NH3+CL2NH2CL+HCL
水中的余氯主要為氯胺形式的化合性余氯，簡稱化合氯。此時隨著加氯量的增加，化合氯成比例增加，水中胺氮逐漸減少，當加氯量達到B點時，水中的胺氮降至零，化合性余氯升至最高。在曲線的BC段，繼續增加加氯量，會發生如下反應：
4NH2CL+ 3CL2+H2O=N2+ N2O +10HCL
水中的氯胺被氧化后逐漸減少，當氯胺被完全氧化時，余氯降至曲線最低點C。隨后隨著加氯量的增加，水中余氯轉為游離氯，并如曲線中CD段所示，隨加氯量的增加成比例增加。由此可見水中含有胺氮時，加氯量-余氯曲線是一條折線，此時對應的加氯法稱為折線加氯法。如上圖所示，折線加氯時，曲線中的AB和BC段的余氯為氯胺形式的化合余氯，CD段為游離余氯。
2. 源水胺氮的含量對加氯量的影響
因源水的PH值通常為0.7左右，此時的化合余氯成分以一氯胺為主，為簡化起見，下面的分析 計算 均將化合余氯視為一氯胺。實踐中由于化合氯成分中含有少量的二氯胺和三氯胺，造成實際加氯量等數據與下面計算值略有所出入，但實踐證明其出入很小，不會影響下面的分析結果。同時為便于分析，假設水中雜質的耗氯量為a(mg/L)，即曲線OA段的耗氯量為a(mg/L)，水中余氯控制值為d(mg/L)。
2.1 如上圖所示，水中無胺氮，采用游離加氯法，加氯點為Q 時：
HO2+CL2HOCL+HCL
i. 52.5
x d
x=70d/52.5≈1.33d (mg/L) ……①
yQ=a+x≈a+1.33d (mg/L) ……②
即此時所需加氯量yQ為：a+1.33d (mg/L)
2.2 水中含有b(mg/L)的胺氮，采用折點加氯法時：
2.21 如上圖所示，當加氯點被控制在AB段的Q1點時：
NH3+CL2NH2CL+HCL
17 70 51.5
z x1 d
x1=70d/51.5≈1.36d(mg/L) ……③
yQ1 =a+x1≈a+1.36d(mg/L) ……④
z=17d/51.5≈0.33d (mg/L) ……⑤
即此時所需加氯量yQ1為：a+1.36d (mg/L)。
由⑤式可知，為保證加氯點能被控制在AB段的Q1點，水中胺氮的含量必須滿足條件：
b≧0.33d(mg/L) ……⑥
2.22 如上圖所示，當加氯點被控制在BC段的Q2點時：
在AB段氨與氯氣反應，水中的氨全部被消耗掉：
NH3+CL2NH2CL+HCL
17 70 51.5
b x2 z1
x2=70b/17≈4.12b(mg/L) ……⑦
z1=51.5d/17≈3.03b (mg/L) ……⑧
即在AB段的耗氯量為x2≈4.12b(mg/L)，產生的氯胺為：z1≈3.03b (mg/L)。
在BC段有z1-b (mg/L)的氯胺被氧化：
4NH2CL+ 3CL2+H2O=N2+ N2O +10HCL
206 213
(z1-d) x3
x3=213*(z1-d)/206≈1.034*(3.03b-d) (mg/L) ……⑨
yQ2 =a+x2+X3≈a+4.12b+1.034*(3.03b-d) (mg/L)……⑩
即加氯點被控制在BC段的Q2點時，加氯量為：
yQ2 ≈a+4.12b+1.034*(3.03b-d) (mg/L) ……⑾
2.23 如上圖所示，當加氯點被控制在CD段的Q3點時：
在AB段的耗氯量為：x2=70b/17≈4.12b(mg/L)
在BC段的耗氯量為：x4=213*z1/206≈1.034*3.03b≈3.13b (mg/L)
在CD段的耗氯量為：x=70d/52.5≈1.33d (mg/L)
加氯點被控制在CD段的Q3點的總耗氯量為：
yQ3= a+x2+x4+x≈a+4.12b+3.13b+1.33d≈a+7.25b+1.33d (mg/L) ……⑿
比較式②、④、⑾、⑿可知，加氯量的大小與水中的雜質含量、胺氮含量、余氯的控制目標值和所選擇的加氯點有關。當水中雜質含量一定，余氯的控制目標值相同時：yQ3> yQ2> yQ1> yQ，即水中無胺氮時的加氯量比有胺氮時的加氯量低，也就是說胺氮會引起加氯量的上升，上升的幅度主要取決于加氯點的位置。
3. 折點加氯時，加氯點的選擇
當水中有胺氮時必定進入折點加氯，此時由余氯--加氯量曲線可知，對應同一個余氯值，可能存在三個不同的加氯點，這三個加氯點對應加氯量有很大差別。例如，由式④、⑾、⑿可知，加氯點分別在余氯--加氯量曲線的AB、BC、CD段的Q1、Q2、Q3點時，加氯量分別為：
yQ1 ≈a+1.36d (mg/L)
yQ2 ≈a+4.12b+1.034*(3.03b-d) (mg/L)
yQ3≈a+7.25b+1.33d (mg/L)
當d=1.0 mg/L，b=0.4 mg/L時，yQ1≈a+1.36(mg/L);yQ2≈a+1.87(mg/L); yQ3≈a+4.23(mg/L)。可見在曲線CD段Q3點進行游離加氯消毒的加氯量，遠遠高出在AB和BC段Q1、Q2點進行化合加氯消毒的加氯量。在我們的制水實踐中，Q3點的游離加氯量通常可達到Q1點化合加氯量的2—3倍，因此從降低加氯量的角度出發，折點加氯時的加氯點宜定在加氯量-余氯曲線的AB段，此時的余氯是化合氯。
需要指出的是，折點加氯時采取上述化合氯消毒的加氯法是有條件的：
1、胺氮的含量必須滿足條件：b≧0.33d(mg/L)。由⑤式可知，為保證加氯點能被控制在AB段的Q1點，水中胺氮的含量必須滿足條件：b≧0.33d(mg/L)。例如，當余氯控制值d=1.0 mg/L時，水中胺氮的含量必須滿足條件：b≧0.33 mg/L，否則余氯將無法達到控制值1.0 mg/L。
2、要保證化合余氯能夠達到消毒的效果，即水的各項細菌指標不超標。為此須保證化合余氯的消毒時間在兩小時以上。
4. 折點加氯的 應用
近年來由于水質的污染日益嚴重，源水中總是或多或少含有一定的胺氮，因此在對自來水的加氯消毒時，我們總是自覺或不自覺地使用了折點加氯法，只是因為平常很多時候由于胺氮的含量太小，為達到余氯的控制值，只能采用游離加氯，加氯點在加氯量-余氯曲線CD 段。此時采用目視法檢測余氯，游離氯快速的顯色反應掩蓋了化合氯較慢的顯色反應，以至于檢測者沒有注意到化合氯存在。
當突降暴雨或進入冬季枯水季節時，水中的胺氮急劇增加，此時若繼續加游離氯，加氯量會迅速增加，增加的幅度可能達到平時的一倍以上，這樣在加氯量的激增的情況下，可能導致兩種結果：(1)出廠水的游離氯達標，但總余氯量大大超標，管網末梢的余氯過高，用戶會聞到刺鼻的氯氣味;(2)已有的加氯機滿負荷運行也無法使水質達到預定的余氯指標。因此我們此時唯一的辦法就是改變加氯點，采用化合余氯消毒法，將加氯點控制在加氯量-余氯曲線的AB段。綜上所述，當因某種原因(如暴雨或枯水季節)導致水中的胺氮急劇增加，并滿足式⑥的條件時，應考慮改變加氯點，采用化合余氯消毒法，將加氯點控制在加氯量--余氯曲線的AB段。在我們的實際工作中，一般當源水胺氮的含量大于0.35 mg/L或加氯量增加到平常的一倍或以上時，就可以試著改變加氯點，采用化合余氯消毒法了。
在前面我們已經提到，折點加氯時，Q3點的游離加氯量可達到Q1點化合加氯量的2—3倍，因此在改變加氯點，采用化合余氯消毒法取代游離余氯消毒法時，應先將加氯量減少一半，甚至更多(可根據以往的經驗確定)，然后按下列步驟對加氯點的位置進行確認和進一步調整：
(1)檢測到一個穩定的化合性余氯值d1，并作好記錄;
(2)進一步適當減少加氯量，待余氯值穩定后檢測到另一個化合性余氯值d2，并比較上述兩次的檢測結果。
(3)若d1> d2，則加氯點在曲線的AB段，此時只要微調加氯量，將余氯控制在預定值即可。如果此時無論怎樣調節加氯量都無法使化合余氯值達到預定值，則是水中胺氮含量過低所至，此時不宜采用化合余氯消毒。
(4)若d1< d2，加氯點在曲線的BC段，則需進一步減少加氯量，直到d1> d2，使加氯點落在曲線的AB段，再按步驟(2)將余氯控制在預定值。
在上述游離氯轉換為化合氯的加氯過程中，應注意三點：
(1)轉換過程中可能出現既檢測不到游離氯又檢測不到化合氯的現象，使人誤認為加氯量太小產生脫氯。其實此時加氯點正好落在曲線的底部的折點C附近，應大膽地進一步減小加氯量，使加氯點前移到曲線的AB或BC 段后，就可以產生并檢測到我們所需要的化合余氯。
(2)在曲線的AB或BC 段加化合氯消毒時，只要水中胺氮足夠高，一般檢測不到游離氯。
(3)如采用自動加氯，應先將加氯設備切換到手動狀態后，再進行上述轉換。等到轉換完成且加氯穩定后，余氯 分析 儀一般檢測不到化合余氯，此時只需調整余氯分析儀的量程(一般是余氯分析儀內線路板上的波段開關)，就可以檢測到化合余氯值，進一步將其校準后，便可投入自動加氯。
切換到化合加氯消毒以后，隨著源水中胺氮的減少，制水人員會發現檢測水中余氯時，逐漸地檢測到游離性余氯的存在，并且游離性余氯值越來越大，化合余氯值越來越小，甚至無法將化合氯控制到目標值，這時應該考慮重新調整加氯點至曲線CD段，改加游離氯消毒。在此過程中水中胺氮的含量是一個重要的 參考 指標，一旦胺氮的含量不能滿足式⑥的條件時(實踐中通常是胺氮的含量低于0.35mg/L時)，就應考慮切換到加游離氯消毒。
由于化合氯比游離氯的消毒能力低，消毒所需時間長，在實際應用中，為達到理想的消毒效果，通常要把化合余氯指標定得比游離氯指標高些，例如我公司的游離余氯指標為0.5—0.8mg/L，化合余氯指標為0.8—1.2mg/L。同時化合余氯消毒效果還受水溫的 影響 ，水溫低消毒效果就減弱，因此在冬季應將化合余氯控制的高些。
前面已經提到化合氯比游離氯的消毒能力低些，在采用化合氯消毒時可能造成細菌指標超標，因此在采用化合氯消毒時需加強對出廠水和管網水細菌指標的檢測。
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