折点加氯及其应用
摘要：近年来由于源水水质的污染日益严重，在自来水的加氯处理中，胺氮对加氯的 影响 目趋显著，本文旨在讨论源水里的胺氮对加氯的影响， 分析 源水中不同的胺氮含量时，加氯点的选择和确认，从而达到以最小的加氯量来杀灭水中细菌之目的。
关键词：胺氮 余氯 化合性余氯 游离性余氯 加氯点
在水的加氯处理中，加氯量和余氯的关系如下图所示。
加氯量—余氯曲线
当源水不含胺氮时，加氯量和余氯的关系如图中虚线L1所示，为一条直线，此时水中的余氯为游离性余氯，简称游离氯。当源水含有胺氮时，加氯量—余氯曲线如图中实线L2所示，是一条折线。
1. 胺氮对加氯的影响
当源水有胺氮时，如上图实线所示，在AB段氯和氨发生如下反应：
NH3+CL2NH2CL+HCL
水中的余氯主要为氯胺形式的化合性余氯，简称化合氯。此时随着加氯量的增加，化合氯成比例增加，水中胺氮逐渐减少，当加氯量达到B点时，水中的胺氮降至零，化合性余氯升至最高。在曲线的BC段，继续增加加氯量，会发生如下反应：
4NH2CL+ 3CL2+H2O=N2+ N2O +10HCL
水中的氯胺被氧化后逐渐减少，当氯胺被完全氧化时，余氯降至曲线最低点C。随后随着加氯量的增加，水中余氯转为游离氯，并如曲线中CD段所示，随加氯量的增加成比例增加。由此可见水中含有胺氮时，加氯量-余氯曲线是一条折线，此时对应的加氯法称为折线加氯法。如上图所示，折线加氯时，曲线中的AB和BC段的余氯为氯胺形式的化合余氯，CD段为游离余氯。
2. 源水胺氮的含量对加氯量的影响
因源水的PH值通常为0.7左右，此时的化合余氯成分以一氯胺为主，为简化起见，下面的分析 计算 均将化合余氯视为一氯胺。实践中由于化合氯成分中含有少量的二氯胺和三氯胺，造成实际加氯量等数据与下面计算值略有所出入，但实践证明其出入很小，不会影响下面的分析结果。同时为便于分析，假设水中杂质的耗氯量为a(mg/L)，即曲线OA段的耗氯量为a(mg/L)，水中余氯控制值为d(mg/L)。
2.1 如上图所示，水中无胺氮，采用游离加氯法，加氯点为Q 时：
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
即此时所需加氯量yQ为：a+1.33d (mg/L)
2.2 水中含有b(mg/L)的胺氮，采用折点加氯法时：
2.21 如上图所示，当加氯点被控制在AB段的Q1点时：
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
即此时所需加氯量yQ1为：a+1.36d (mg/L)。
由⑤式可知，为保证加氯点能被控制在AB段的Q1点，水中胺氮的含量必须满足条件：
b≧0.33d(mg/L) ……⑥
2.22 如上图所示，当加氯点被控制在BC段的Q2点时：
在AB段氨与氯气反应，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段的耗氯量为x2≈4.12b(mg/L)，产生的氯胺为：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
即加氯点被控制在BC段的Q2点时，加氯量为：
yQ2 ≈a+4.12b+1.034*(3.03b-d) (mg/L) ……⑾
2.23 如上图所示，当加氯点被控制在CD段的Q3点时：
在AB段的耗氯量为：x2=70b/17≈4.12b(mg/L)
在BC段的耗氯量为：x4=213*z1/206≈1.034*3.03b≈3.13b (mg/L)
在CD段的耗氯量为：x=70d/52.5≈1.33d (mg/L)
加氯点被控制在CD段的Q3点的总耗氯量为：
yQ3= a+x2+x4+x≈a+4.12b+3.13b+1.33d≈a+7.25b+1.33d (mg/L) ……⑿
比较式②、④、⑾、⑿可知，加氯量的大小与水中的杂质含量、胺氮含量、余氯的控制目标值和所选择的加氯点有关。当水中杂质含量一定，余氯的控制目标值相同时：yQ3> yQ2> yQ1> yQ，即水中无胺氮时的加氯量比有胺氮时的加氯量低，也就是说胺氮会引起加氯量的上升，上升的幅度主要取决于加氯点的位置。
3. 折点加氯时，加氯点的选择
当水中有胺氮时必定进入折点加氯，此时由余氯--加氯量曲线可知，对应同一个余氯值，可能存在三个不同的加氯点，这三个加氯点对应加氯量有很大差别。例如，由式④、⑾、⑿可知，加氯点分别在余氯--加氯量曲线的AB、BC、CD段的Q1、Q2、Q3点时，加氯量分别为：
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)
当d=1.0 mg/L，b=0.4 mg/L时，yQ1≈a+1.36(mg/L);yQ2≈a+1.87(mg/L); yQ3≈a+4.23(mg/L)。可见在曲线CD段Q3点进行游离加氯消毒的加氯量，远远高出在AB和BC段Q1、Q2点进行化合加氯消毒的加氯量。在我们的制水实践中，Q3点的游离加氯量通常可达到Q1点化合加氯量的2—3倍，因此从降低加氯量的角度出发，折点加氯时的加氯点宜定在加氯量-余氯曲线的AB段，此时的余氯是化合氯。
需要指出的是，折点加氯时采取上述化合氯消毒的加氯法是有条件的：
1、胺氮的含量必须满足条件：b≧0.33d(mg/L)。由⑤式可知，为保证加氯点能被控制在AB段的Q1点，水中胺氮的含量必须满足条件：b≧0.33d(mg/L)。例如，当余氯控制值d=1.0 mg/L时，水中胺氮的含量必须满足条件：b≧0.33 mg/L，否则余氯将无法达到控制值1.0 mg/L。
2、要保证化合余氯能够达到消毒的效果，即水的各项细菌指标不超标。为此须保证化合余氯的消毒时间在两小时以上。
4. 折点加氯的 应用
近年来由于水质的污染日益严重，源水中总是或多或少含有一定的胺氮，因此在对自来水的加氯消毒时，我们总是自觉或不自觉地使用了折点加氯法，只是因为平常很多时候由于胺氮的含量太小，为达到余氯的控制值，只能采用游离加氯，加氯点在加氯量-余氯曲线CD 段。此时采用目视法检测余氯，游离氯快速的显色反应掩盖了化合氯较慢的显色反应，以至于检测者没有注意到化合氯存在。
当突降暴雨或进入冬季枯水季节时，水中的胺氮急剧增加，此时若继续加游离氯，加氯量会迅速增加，增加的幅度可能达到平时的一倍以上，这样在加氯量的激增的情况下，可能导致两种结果：(1)出厂水的游离氯达标，但总余氯量大大超标，管网末梢的余氯过高，用户会闻到刺鼻的氯气味;(2)已有的加氯机满负荷运行也无法使水质达到预定的余氯指标。因此我们此时唯一的办法就是改变加氯点，采用化合余氯消毒法，将加氯点控制在加氯量-余氯曲线的AB段。综上所述，当因某种原因(如暴雨或枯水季节)导致水中的胺氮急剧增加，并满足式⑥的条件时，应考虑改变加氯点，采用化合余氯消毒法，将加氯点控制在加氯量--余氯曲线的AB段。在我们的实际工作中，一般当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时，就可以试着改变加氯点，采用化合余氯消毒法了。
在前面我们已经提到，折点加氯时，Q3点的游离加氯量可达到Q1点化合加氯量的2—3倍，因此在改变加氯点，采用化合余氯消毒法取代游离余氯消毒法时，应先将加氯量减少一半，甚至更多(可根据以往的经验确定)，然后按下列步骤对加氯点的位置进行确认和进一步调整：
(1)检测到一个稳定的化合性余氯值d1，并作好记录;
(2)进一步适当减少加氯量，待余氯值稳定后检测到另一个化合性余氯值d2，并比较上述两次的检测结果。
(3)若d1> d2，则加氯点在曲线的AB段，此时只要微调加氯量，将余氯控制在预定值即可。如果此时无论怎样调节加氯量都无法使化合余氯值达到预定值，则是水中胺氮含量过低所至，此时不宜采用化合余氯消毒。
(4)若d1< d2，加氯点在曲线的BC段，则需进一步减少加氯量，直到d1> d2，使加氯点落在曲线的AB段，再按步骤(2)将余氯控制在预定值。
在上述游离氯转换为化合氯的加氯过程中，应注意三点：
(1)转换过程中可能出现既检测不到游离氯又检测不到化合氯的现象，使人误认为加氯量太小产生脱氯。其实此时加氯点正好落在曲线的底部的折点C附近，应大胆地进一步减小加氯量，使加氯点前移到曲线的AB或BC 段后，就可以产生并检测到我们所需要的化合余氯。
(2)在曲线的AB或BC 段加化合氯消毒时，只要水中胺氮足够高，一般检测不到游离氯。
(3)如采用自动加氯，应先将加氯设备切换到手动状态后，再进行上述转换。等到转换完成且加氯稳定后，余氯 分析 仪一般检测不到化合余氯，此时只需调整余氯分析仪的量程(一般是余氯分析仪内线路板上的波段开关)，就可以检测到化合余氯值，进一步将其校准后，便可投入自动加氯。
切换到化合加氯消毒以后，随着源水中胺氮的减少，制水人员会发现检测水中余氯时，逐渐地检测到游离性余氯的存在，并且游离性余氯值越来越大，化合余氯值越来越小，甚至无法将化合氯控制到目标值，这时应该考虑重新调整加氯点至曲线CD段，改加游离氯消毒。在此过程中水中胺氮的含量是一个重要的 参考 指标，一旦胺氮的含量不能满足式⑥的条件时(实践中通常是胺氮的含量低于0.35mg/L时)，就应考虑切换到加游离氯消毒。
由于化合氯比游离氯的消毒能力低，消毒所需时间长，在实际应用中，为达到理想的消毒效果，通常要把化合余氯指标定得比游离氯指标高些，例如我公司的游离余氯指标为0.5—0.8mg/L，化合余氯指标为0.8—1.2mg/L。同时化合余氯消毒效果还受水温的 影响 ，水温低消毒效果就减弱，因此在冬季应将化合余氯控制的高些。
前面已经提到化合氯比游离氯的消毒能力低些，在采用化合氯消毒时可能造成细菌指标超标，因此在采用化合氯消毒时需加强对出厂水和管网水细菌指标的检测。
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