当前课程知识点：Water and Wastewater Treatment Engineering: Physicochemical Technology > Chapter 5 Disinfection > 5-3 Chlorine disinfection > 5-3 Chlorine disinfection
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同学们好！这一节我们介绍最常用的消毒方法-氯消毒
氯消毒是水处理中应用最为广泛的消毒方法
通常以液氯、漂白粉、次氯酸钠作为消毒剂
在水厂，氯消毒一般采用液氯
这些消毒剂在水中的化学反应及其存在形式直接影响消毒效果
下面我们先介绍游离氯在水中的化学反应
氯易溶于水，当投入到水中，瞬间发生离解反应，生成次氯酸
次氯酸是弱酸，在水中会离解生成次氯酸根和氢离子
离解平衡常数可以用下式计算
次氯酸离解平衡常数与水的温度有关
水中HClO和ClO-的比例则与水的温度和pH有关
可以通过离解平衡常数公式进行计算
这个图大致反映了水中HClO和ClO-的比例与水的温度和pH的关系
可以看到，我们以20℃为例
当pH>9时，水中的氯基本以ClO-形式存在
pH<6时，基本以HClO形式存在
pH=7.5时, 水中的HClO和ClO-各约占50%
氯消毒是通过氧化作用实现的
由于水中的HClO和OCl-都有氧化能力，因此，都具有消毒能力
其中HClO是中性分子，易扩散到带负电的细菌表面
并渗入细菌体内，因此消毒能力强
实际消毒情况也表明，在较低pH条件下，HClO所占比例较大，消毒效果较好
尽管ClO-的消毒效果低于HClO，但由于HClO 与 ClO-的平衡关系
当HClO被消耗后，ClO-会转化为HClO，继续进行消毒反应
因此在计算水中消毒剂的含量时，两者均被计入
并统称为游离性氯或自由性氯，简称游离氯
氯消毒在水处理中应用十分广泛
但氯消毒不能有效杀灭水中的原虫包囊或卵囊
比如贾第鞭毛虫包囊和隐孢子虫卵囊
1993年美国曾经由于这两虫不能通过氯消毒有效去除
发生了历史上规模最大的"两虫"感染事件，感染人数超过40万人
下面介绍化合氯
如果天然水体含有少量的氨氮，氯投入水中就会与氨发生反应
生成一氯胺，进一步再生成二氯胺和三氯胺
氯胺的存在形式与氯和氨的比例以及水的pH值有关
氯和氨的质量比≤5:1时,当 pH值在7-9范围内
水中的氯胺基本上为一氯胺
当pH值为6时，一氯胺仍占优势，约80%左右
只有当pH<4.5时，三氯胺才会存在
因此在常规条件下，氯胺以一氯胺和二氯胺的形式存在
氯胺也具有氧化性，对微生物有消毒效果
但氯胺氧化能力比游离氯弱，因此消毒效果也比游离氯差
氯胺消毒的主要机理涉及两个方面
一是氯胺直接与微生物反应，产生消毒效果
二是由于氯胺和HClO之间的平衡反应
也可以通过游离氯的形式进行消毒
在消毒工艺中，把氯胺称为化合性或结合性有效氯
下面介绍加氯量
在消毒过程中，需要确定向水中投加的氯量，即加氯量
加氯量等于需氯量和余氯量之和
将氯投加到水中，通常需要经过规定的接触时间使消毒剂与水接触
从而进行消毒反应
需氯量是指在规定的接触时间内因杀灭水中微生物
氧化水中的有机物和还原性物质所消耗的氯量
余氯量是指在经过规定的接触时间后，水中残存的剩余氯量
维持一定的余氯量可以确保消毒反应进行完全，获得满意的消毒效果
同时可以防止残余微生物在配水管网系统中再度繁殖，提高水的生物稳定性
对于氯与水的接触时间以及余氯量
《生活饮用水卫生标准》都有明确的规定
如果采用游离氯消毒，接触时间不应小于30分钟
接触30分钟后出水中游离性余氯不低于0.3mg/L
在管网末梢不低于0.05mg/L
如果采用氯胺消毒，接触时间不应小于2小时
出水中总余氯不低于0.5mg/L，在管网末梢不低于0.05mg/L
水处理消毒过程中的加氯量可以根据加氯试验或相似水厂的运行经验确定
如果根据试验来确定，首先需要确定加氯曲线
即加氯量和余氯量之间的关系曲线
我们先来看第1种情况
水中不含氨氮，也不含任何消耗氯的杂质
比如微生物、有机物和还原性物质等
此时的加氯曲线为45度的虚线
表明余氯量等于加氯量，需氯量为零，加入的氯量都成为了余氯量
第2种情况，当水中存在一定消耗氯的物质，但不含氨氮时
加氯曲线为第2条
当加氯量大于水中杂质所消耗的氯量之后
再加入的氯量就以余氯形式存在
由于水中不含氨氮，因此余氯均以游离氯形式存在
根据出厂水余氯浓度的要求，就可以从该加氯曲线上查出所需要的加氯量
第3种情况，当水中含有氨氮时，加氯曲线的形状将变得比较复杂
这是含有氨氮水样的加氯曲线
通常加氯曲线可以分为四个区
第一区是无余氯区，在该区域，加氯量较小
加入的氯完全被分解，没有任何余氯存在
第二区是化合性余氯区
加入的氯与水中氨氮反应，生成氯胺
随着加氯量增加，化合性余氯逐渐增加
最后达到最高点H点，该点称为峰点
此时水中的氨全部转化成氯胺
第三区是化合性余氯的分解区
随着加氯量提高，余氯量反而会逐渐降低
这是为什么呢？大家来看看这个公式
氯胺在过量氯的作用下被破坏，分解成了氮气，导致化合性余氯量降低
在这一区域，随着加氯量的增加，余氯逐渐降低
直到大部分化合性氯被分解完，最后达到余氯的最低点B点，该点称为折点
第四区为折点后区，在这一区域新增加的氯量都是以游离性氯形式存在
如果我们把消毒的加氯量选择在折点后区
则根据出厂水游离性余氯的浓度要求，就可以从该加氯曲线查出所需要的加氯量
通常把这种消毒方法称为折点氯化法
下面介绍氯消毒工艺。氯消毒工艺有多种形式，第1种是游离氯消毒法
如图所示，在清水池前投加氯，在清水池中氯与水接触，进行消毒
如果原水中氨氮浓度较低，一般在游离氯消毒法中可以采用折点氯化法
游离氯消毒法的消毒效果好
可以同时去除水中的部分臭、味、有机物等，应用广泛
但是水的氯味较大
对受污染水进行消毒时，因游离性氯的氧化能力强，会与水中有机物反应
生成三卤甲烷、卤乙酸等具有"三致作用"的消毒副产物
第2种是先加氯后加氨的氯化消毒法
这是针对采用折点氯化法时水的氯味较大，同时因游离性氯分解速度快
在管网中保持时间有限等不足而提出的改进方法
即先对滤池出水按折点氯化法加氯
在清水池中保持足够的接触时间后
再在自来水出厂前在二级泵房处加氨
使游离性余氯转化为化合性余氯
这样可以减轻氯味，同时在管网中保持时间长
一般氯和氨的质量比为3:1-6:1
第3种方法是氯胺消毒法
即在清水池之前，氯和氨同步加入，生成氯胺后进行消毒
虽然氯胺的消毒能力不及游离性氯，但氯胺消毒稳定性好
在管网中保持时间长，氯嗅味和氯酚味小
同时三卤甲烷、卤乙酸等具有"三致作用"消毒副产物生成量少
但是氯胺消毒速度慢，需要较长的接触时间，不小于2个小时
采用这种消毒方法时，如果原水氨氮浓度较高
可以直接采用化合性氯进行消毒
如果原水氨氮浓度较低，在消毒时需要同时加氯和氨，形成氯胺后再进行消毒
第4种是短时游离氯后转氯胺的顺序氯化消毒法
工艺流程如这个图所示
在清水池进口处先投加氯，接触10-15min，进行短时的游离氯消毒
然后加入氨，在清水池中保持2h以上，进行氯胺消毒
氯和氨的质量比一般为4：1
这种方法综合了游离氯消毒快、效果好和氯胺消毒生成副产物少的特点
从而可以经济有效地实现对微生物和消毒副产物的双重控制
下面介绍加氯设备
水厂加氯普遍采用液氯
液氯消毒的加氯设备主要包括加氯机、氯瓶、加氯检测与自控设备
这是加氯系统的流程图，来自氯瓶的氯气通过加氯机加入到输水管中
那么，加氯机是如何工作的呢？这是加氯机的结构示意
来自氯瓶的氯气首先通过旋风分离器
去除氯气中可能存在的一些悬浮杂质
再经弹簧膜阀、控制阀、转子流量计后进入中转玻璃箱
在这里与来自平衡水箱的清水接触，然后在水射器的抽吸作用下
氯气被抽吸溶入水中，形成高含氯水
然后再被输送到加氯点处投加到水中进行消毒
液氯的供给通常采用瓶装液氯
干燥的氯气和液氯对钢瓶没有腐蚀作用
但遇水或受潮则会严重腐蚀金属
因此在液氯的保存过程中需要加以注意
氯瓶中的液氯是氯气在常温下加压至6-8个大气压下形成的
液氯在氯瓶中一般只装满80%，留出一些气化的空间
在使用时，氯瓶应卧放
氯瓶中的液氯先在氯瓶中气化，通过上部的氯气接管送入到加氯机
最后投加到加氯点进行消毒
由于液氯气化需要吸热，所以必须不断给予液氯一定热量
一般可用15－25℃的温水淋洒氯瓶，以补充液氯气化所需要的热量
在这一节，我们给同学们介绍了氯消毒
除氯消毒以外，还有一些其他消毒方法，我们将在下节进行介绍
-0-2 Water treatment process
-0-3 Wastewater treatment process
--0-3 Wastewater treatment process
-Chap 0 Homeworks
-1-1 Introduction
-1-2 Properties of colloids
-1-3 Mechanisms and process of coagulation and flocculation
--1-3 Mechanisms of coagulation and flocculation
-1-4 Coagulant and coagulant aids
-- 1-4 Coagulant and coagulant aids
-1-5 Kinetics of coagulation and flocculation
--1-5 Kinetics of coagulation and flocculation
-1-6 Factors affecting the coagulation performance
--1-6 Factors affecting the coagulation performance
-1-7 Facilities for coagulation and flocculation
--1-7 Facilities for coagulation and flocculation
-Chapter 1 Homeworks
-2-1 Introduction
-2-2 Discrete particle settling
--2-2 Discrete particle settling
-2-3 Flocculent settling
-2-4 Zone settling
-2-5 Rectangular settling tank
--2-5 Rectangular settling tanks
-2-6 Process calculation of rectangular settling tanks
--2-6 Process calculation of rectangular settling tanks
-2-7 Vertical Flow (up-flow ) and radial flow settling tank
--2-7 Vertical Flow (up-flow ) and radial flow settling tank
-2-8 Plated sedimentation tank
--2-8 Plated sedimentation tank
-2-9 Clarification pool
-3D interactive demonstration for settling tanks
-Chapter 2 Homework (part 1)
-Chapter 2 Homework (part 2)
-3-1 Introduction
-3-2 Theoretical foundation of air floatation
--3-2 Theoretical foundation of air floatation
-3-3 Pressurized dissolved air flotation
--3-3 Pressurized dissolved air flotation
-Chapter 3 Homework
-4-1 Introduction
-4-2 Structure and process of conventional rapid filter
--4-2 Structure and process of conventional rapid filter
-4-3 Water head loss of filter
--4-3 Water head loss of filter
-4-4 Filtration method of filter
--4-4 Filtration method of filter
-4-5 Filter media
-4-6 Water distribution system
--4-6 Water distribution system
-4-7 Filter backwashing
-4-8 Siphon filter
-4-9 Gravity valveless filter
--4-9 Gravity valveless filter
-4-10 Movable hood filter
-3D interactive demonstration for filtration tanks
--Usage and description for 3-D demonstration
-Chapter 4 Homework
-5-1 Introduction
-5-2 Influence factors of disinfection
--5-2 Influence factors of disinfection
-5-3 Chlorine disinfection
-5-4 Chlorine dioxide disinfection
--5-4 Chlorine dioxide disinfection
-5-5 Ultraviolet disinfection
--5-5 Ultraviolet disinfection
-Chapter 5 Homework
-6-1 Ion-exchange resin
-6-2 Properties of ion-exchange reactions
--6-2 Properties of ion-exchange reactions
-6-3 Properties of cation exchange resin
--6-3 Properties of cation exchange resin
-6-4 Properties of anion exchange resin
--6-4 Properties of anion exchange resin
-6-5 Softening system using ion exchange
--6-5 Softening system using ion exchange
-6-6 Desalination system using ion exchange
--6-6 Desalination system using ion exchange
-6-7 Ion-exchange equipment
-6-8 Treatment of industrial wastewater by ion-exchange method
--6-8 Treatment of industrial wastewater by ion-exchange method
-Chapter 6 Homework
-7-1 Introduction
-7-2 Principle and characteristics of electrodialysis
--7-2 Principle and characteristics of electrodialysis
-7-3 Configuration of electrodialysis unit
--7-3 Configuration of electrodialysis unit
-7-4 Operating parameters for electrodialysis unit
--7-4 Operating parameters for electrodialysis unit
-7-5 Principle and process of reverse osmosis
--7-5 Principle and process of reverse osmosis
-7-6 Operating parameters for reverse osmosis
--7-6 Operating parameters for reverse osmosis
-7-7 Principles and characteristics of UF and MF
--7-7 Principles and characteristics of UF and MF
-7-8 Design of ultrafiltration and microfiltration process
--7-8 Design of ultrafiltration and microfiltration process
-Chapter 7 Homework
-8-1 Fundamental knowledge and classification
--8-1 Fundamental knowledge and classification
-8-2 Ozonation
-8-3 Photo-catalytic oxidation
--8-3 Photo-catalytic oxidation
-8-4 Supercritical water oxidation
--8-4 Supercritical water oxidation
-8-5 Electrolysis
-Chapter 8 Homework
-9-1 Introduction
-9-2 Adsorption equilibrium and adsorption isotherm
--9-2 Adsorption equilibrium and adsorption isotherm
-9-3 Adsorption breakthrough curve
--9-3 Adsorption breakthrough curve
-Chapter 9 Homework
