氯化轉效點

氯化轉效點又稱折點氯化法（break point chlorination）。把氯加到水中用於消毒，直至有足夠的氯出現為止。氯化消毒法的一種。採用折點氯化法去除氨氮，是將足夠量的氯氣(生產上用加氯機將氯氣製成氯水)或次氯酸鈉投入到廢水中，當投入量達到某一點時，廢水中所含的氯含量較低，而氨氮含量趨向於零；當氯氣通入量超過此點時水中的游離氯含量上升，此點常稱為折點，在此狀態下的氯化稱為折點氯化，廢水中的氨氮常被氧化成氮氣而被脫去。

基本介紹

• 中文名：氯化轉效點
• 外文名：break point chlorination
• 別稱：折點氯化法
• 類型：氯化消毒法的一種
• 投入物：氯氣或者次氯酸鈉
• 套用：處理廢水污水

基本原理

氯化轉效點去除氨氮是將氯氣或次氯酸鈉投入污水，將廢水中的氨氮氧化成N₂的化學脫氮工藝。氯氣通入水中發生水解反應生成次氯酸(HOCl)和次氯酸鹽(OCl^-)，其反應為：

Cl₂+H₂O=HOCI+H⁺+CI^-

HOCl=H⁺+OCl^-

氯水中HOCl和OCl^-的相對比例與pH值相關，隨pH值的增加，次氯酸鹽OCl^-的濃度增加。當pH=7.5時，其比值約為1/2。次氯酸HOCl與水中的氨氮發生如下的化學反應，將水中的氨氮氧化成氮氣而除去。

NH₄⁺+HOCl=NH₂CI+H₂O+H⁺(一氯胺)

NH₂CI+HOCl=NCl₂+H₂O(二氯胺)

NH₂CI+2HOCl=NCl₃+2H₂ON(三氯胺)

NH₄⁺+4HOCl=HNO₃+5H⁺+4Cl^-+H₂O

NH₂CI+0.5HOCl=0.5N₂+0.5H₂O+1.5H⁺+1.5Cl^-

總反應式：NH₄⁺+1.5HOCl=0.5N₂+1.5H₂O+2.5H⁺+1.5Cl^-

按總反應式進行計算，將氨氮氧化成氮氣的理論氯投加量(以Cl₂計)與氨氮的重量比應為7.6:1。如圖1所示為不同Cl₂/NH₄⁺-N(質量比)比值時所發生的理論折點氯化曲線和水中余氯的變化情況。當Cl/N(質量比)在5.07以下時主要生成一氯胺NH₂Cl，水中化合余氯濃度增強；當CI/N(質量比)大於5.07時，隨著氯投加量的增加，水中的一氯胺繼續反應將生成二氯胺NHCl₂和N₂；當Cl/N(質量比)等於7.6時，化和余氯值最小，此點也即折點。在此點幾乎全部氧化性氯都被還原，全部氨氮都被氧化。繼續增加投氯量使Cl/N(質量比)大於7.6，即越過折點後，所投加的氯將成為自由余氯。研究表明，當Cl/N(質量比)在8:1～10:1時廢水中85%～90%的氨氮氧化產物為N₂，其他少量副產物為N0₃-N和NCl₃，不存在N₂O、NO和NO₂等產物。

圖1

工藝控制因素

（1）預處理情況

含氮廢水除氨氮外，往往還含有一些能消耗氧化劑的無機還原性物質如S^2-、HS^-、SO₃^2-、NO₂^-和Fe²⁺，以及有機物等。因此，為保證氨氮氯化反應的完全進行，實際投氯量應大於理論計算值。廢水預處理後上述能消耗氯的還原性物質就少，到達折點時的需氯量就小，Cl/N的比值就越接近理論7.6，同時減少了氯化反應的副產物NO₃和余氯的含量如NCl₃的含量。不同預處理廢水的經驗CI/N值見圖2。

圖2

（2）pH值

廢水的pH值影響氯化反應的速度及產物。pH值越高，氯化反應的副產物NO₃增加，pH值過低，氯化反應的副產物NCl₃增加，但pH值對NO₃的影響小於NCl₃。pH值為6時，NO₃-N的濃度為0.7 mg/L；pH值為8時，NO₃-N濃度為10 mg/L。試驗表明Cl/N值大於9之後也會副產生成NCI₃，NCl₃是強氧化劑，少量即可使廢水有強烈的氯味。因此當pH值為中性條件時進行廢水的氯化處理較為合適，同時要準確控制好氯的投加量。

氯氣在水中水解並氧化廢水中的氨氮時，會產生酸從而使pH值下降。因此需補充一定的鹼來中和這部分酸以確保廢水中的pH值為中性，以使氨氮被氯氧化成氮氣逸出。一般投加NaOH或石灰水來補充鹼度，廢水在進行氯化處理前也可用NaOH或石灰水來調節pH值。採用不同氯劑每去除1 mgNH₃-N，出水所增加的總溶解固體量見圖3。

圖3

（3）余氯的脫除問題

①二氧化硫脫除法

用二氧化硫脫除余氯主要發生如下化學反應：

SO₂+HOCI+H₂O=Cl^-+SO₄^2-+3H⁺

SO₂+NH₂CI+2H₂O=Cl^-+SO₄^2-+NH4⁺+2H⁺

二氧化硫的加入量：SO₂/Cl₂(質量比)為0.9:1。

②活性炭床過濾脫余氯

C+HOCl=CO+H⁺+Cl^-

C+NH₂CI+H₂O=CO+NH₄⁺+Cl^-

2NH₂CI+CO=N₂↑+C+2H⁺+2Cl^-+H₂O

式中：C——活性炭；

CO——經氧化的活性炭。

採用活性炭床層過濾脫除余氯時，還可進一步去除廢水中的NH₃-N，可提高NH₃-N的去除率達10%～20%。試驗表明，為使余氯<1 mg/L需設定3層活性炭床層，並需接觸30 min，採用活性炭床層的費用較為昂貴。

加氯種類

(1)液氯

氯是一種強氧化物質，在常溫常壓下呈黃綠色氣體，氯氣較空氣重2.5倍，具有強烈的刺激性和氯臭味。當加壓至6～7個大氣壓時可液化，可灌入鋼瓶中貯存，故又稱液氯。液氯較水重1.5倍，將液氯置於大氣中，立即變成氣體，將氯氣通入水中可得氯水。氯加入水中可變為鹽酸和次氯酸。

(2)漂白粉

漂白粉又稱含氯石灰、氯化石灰。它是將氯氣通入熟石灰中而製成的混合物，主要成分為次氯酸鈣(含32%～36%)，還含氯化鈣(29%)、氧化鈣(10%～18%)、氫氧化鈣(15%)及水(10%)，通常以Ca(ClO)₂代表其分子式。

漂白粉為白色顆粒狀粉末，有氯臭，能溶於水，溶液呈鹼性，有大量沉渣。漂白粉穩定性差，在一般保存過程中，有效氯每月可減少1%～3%，因此不宜保存過長時間。

(3)漂白粉精

將氯化石灰乳經過結晶分離，再溶解噴霧乾燥即製成漂白粉精。漂白粉精含次氯酸鈣約80%，還含少量的氯化鈣(2.74%)、氫氧化鈣(1.9%)。漂白粉精為白色粉末，有氯臭，易溶於水，溶液呈鹼性，有少量沉渣，穩定性較漂白粉好，有效氯含量是漂白粉的1倍。

(4)有機含氯消毒劑

目前最常用於各種物品消毒的是二氯異氰尿酸鈉(優氯淨)。二氯異氰尿酸鈉為白色粉末，有氯臭氣，有效氯含量為60%～64%，性質穩定，易溶於水，溶液呈弱酸性。但據研究報導有機氯毒性危害程度比無機氯大，且可能有致癌作用，因此，採用有機含氯消毒劑做長期飲用水消毒是不適宜的。

(5)次氯酸鈉

電解食鹽所得氯氣與氫氧化鈉作用生成次氯酸鈉，分子式NaClO，相對分子質量為74.44。次氯酸鈉為淡黃色液體，有氯臭，有效氯含量為12%～14%，易溶於水，穩定性差，受熱及陽光照射有效氯易喪失，故不宜長時間保存。