氯胺消毒工艺的精确控制及优化技术_一氯胺及游离氨在线.pdf

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1、第七届中国城镇水务发爪囚际研讨会伦文集氯胺消毒工艺的精确控制及优化技术一氯胺及游 离氨在线监测新技术郑 波杨 家建胜施 正纯l齐云强2(l美国哈希公司钱文娇l北京1000042天津 新开河 水厂,天津恕犷摘要:模拟 了先氯后氨和先氨后氯两种氯胺消毒工 艺使用基于顺序靛酚蓝法的A队600 0一氛胺分析仪以及其他不同分析仪表检测游离余 氯、总余蔑、一氯肢、氨氮的含量变化。结 果表明A队600 0一氛胺分析仪可以准确侧定水体中一氛胺和游离氨的 含量基于准确的测定结果.本文提出了一种可行的氛胺消 毒工艺加氯和加氨的 自动控制方法,弥补了以往该工艺在此方面的缺陷关键词:氯肢消毒:顺 序靛酚蓝法:一氯胺:

2、游离氨:加氛加氨的自动并制:A PA 600 0作为保证饮 用水卫生安全的重 要屏障,消毒是水处理工艺中最重要 的 一个环节。上世 纪初,人们就将氯作为消毒剂应用 于水 处 理行业,一 百多年来,氯消毒工艺仍然作为最流行的 饮用水消毒 工 艺,为 人类控制水致疾病做出重 要贡 献。但 是氯消 毒有其固有的缺陷,如会产生有害的消毒副产物、稳定性差、对病毒的 灭活能力差等,这促使人们寻找替代的消毒剂和工艺。氯胺作为一种替代消毒剂被提出来,它具有产生的消毒副产物少、消毒效果维持时间长等优点。尤其是我们国家饮用水水源普遍较差,折点加氯工 艺受到 限制,氯胺消毒工 艺 将是 一种替代消毒 技术。目前,在

3、我国不 少城市水 厂已经开 始采用氯胺消毒工 艺l l 在线水质分析仪表在水 厂中的应用己经被人们 广 泛接受 其一方面可 以实时 监测水质的变化,另一方面可以通过仪表的反馈信号控制工艺过程,实现效益最优化l 2。但是,对干氯胺消毒工艺,多 数水 厂只 是根据经验将投加的氯氨比控制在3 1一刘以钊,在工艺过程中 如何通过在线仪表的控 制 达到效益最 大化还 有 待研究。此外,对工艺过程中重要的参数一氨氮的分析方法的研究也处于空白,人们还继续使用按照常用分析方法设计的在线仪器,而 忽略了在该工艺条件下使用这些方法必须对样品进行预处理才能准确测量水体氨氮的事实。鉴于此,笔 者使用 了不 同 的分析

4、方法 和仪表,考察了在 不 同投 加顺序和氯氨比 的清况 下,游离余氯、总余氯、一氯胺、氨氮等参数的测定结果及变化情况,重 点考察了采用顺序靛酚蓝分析原理 的APA 6O0 0一氯胺分析仪,讨论了它在氯胺消毒工 艺中应用的城 镇净 水工艺与 水质 过标前 景1试验部分11试验方法配置 若 干 约Z om叭游离余氯(Na c o)溶液,然后在其 中 加 入 一 定量 的氨氮卜H月C扮溶液,混合均匀并静置1m.n后测定该溶液游离余氯、总氯、一氯胺、氨氮浓度。该 过程模拟先氯后氨的氯氨消毒工 艺配置 若干。4m叭氨氮(刊以l)溶液,然 后在其中加 入 一定量的游离余氯(NaC10)溶液,混 合均匀

5、并静置lmln后测 定该溶液游离余氯、总氯、一氯胺及氨氮浓度。该过程模拟先氨后氯的氯氨消毒 工艺1 2分析方法游离余氯:分别采用H A C H DR 280 0多参数水质分析仪和H A.HCL 17在线余氯分析仪测定,D P【分光光度法总余氯:分别采用卜A C HD R280 0多参数水质分析仪和HA C HCL 17在线总氯分析仪测 定,DP D分光光度法。一氯肢:采用H A c H A PA 6。一氯胺 分析仪 测定,顺序靛酚蓝法氨氮:采用H A C HD R 280 0多参数水质 分析仪,水杨酸法和 纳 氏试剂法:H A C llAFA6 0o o一氯胺分析仪,顺序靛酚蓝法。1 3顺序靛

6、酚蓝法分析原理该方法是由 经典的B e曲e lo t反应而 建立的,以水 杨酸 为例,这个反应得流程如下队氮与次氯酸盐反应生 成 氯肢.氯胺与水 杨 酸反应生成5一氮基 水杨酸并进一步转化 为酿 亚胺,最后酿亚胺与水杨酸缩合为靛酚蓝。该方法已经被用于氨氮分析的标准方法但是,研究人员发现通过控制化学试剂中次氯酸盐的存在与否,该反应可以有更多的应用。陶辉等人将该反应用 于饮 用水氯肢消毒丫尹中一氯胺 的检测,获 得 了非常好的效果l 6。美国H A c H公 司则利用 该 反应,研制 了人 p气600 0 在线分 析仪,用 于 同时 监测 饮用水氧胺消毒工 艺中一氯胺、游离氨、总氨。、PA6 0

7、0 0的分析原理如下:在第一次分析中,不加入次氯酸,分析得到一氯胺;然后在第二次分析中,加入次氯酸,分析得到总氨;第二次的结果扣除第一次的结果,得到游离氨。由 于传统 的DP D分光光度法余氯 总氯分析无 法获得准确的 一氯胺浓度,传统 的氨氮分析方法会受到氯胺的干扰,A PA 6O0 0所采用的顺序靛酚蓝法,无疑在这个特殊应用领域具有无可 比拟的优越性。城锁 供水第七届中国城镇水务发爪囚际研讨会伦文集2结果与讨论21含氛水体中投加氨实验结果在氯胺消毒丫艺中,先氯后氨的投加 方式是其中较为流行的一种。其优点是清水池内为游离氯消毒,可保证充分 灭活微生物,清水池出水加氨把水中游离氯转化 为 一氯

8、胺,保持管网余氯浓度:缺 点是 消毒 副产物会大量产生1 1 1.在这个模拟实验中,氨氮溶液被加入到约ZP Pm的游离余氯溶液中,氨将与余氛发生反应。经典的折点加氯理论【僻口化学动力学的研究表明【圳,常温下,在一定的pH范围内,当c lZN 5时,氨氮和游离余氯将在极短的时间内就转化为一氯胺;当5 I。时,出现三氯胺。同 时,当c 1:N 75时,也会有部分氨氮被氧化为氮气本实验 过程的测定结果见表1。对于消毒剂含量部分,从结果可 以看到,随着氨月溶液加 入 量 的增加:游离余氯浓度逐渐降低:总余氯浓度在C 12N 66 7时低于初始游离余氯浓度,其余时候保持稳定 的初始浓度:一氯肢 的浓度在

9、c lZN巧时逐渐 增 加,c l:N66 7时,由 于部分余氯被还原为氯离子,导致总余氯浓度低于初始值,且一氯胺的理论产率低于实际产率:当5 clzN6 7时,主 要产物为一氯胺和 二氯胺,一氯胺的产率与 理论值接近;当a:N5时主要产物为一 氯胺,其产率与 理论值一 致。而在后期游离余氯含量测定偏高,原 因可能是 高浓度的一氯胺会干扰余氯的测定1 1 0气根据氨氮水杨酸法测定 原理l 5,该方法本质上与人F人。0 0的总氨分析方法相 同,它所分析的对象包括游离氨和 一氯胺。因此随着氨氨加入 量的增加,这两台仪器的检恻结果越来越高。当C ZN巧时,由于 部分氨氮转化为 二氯胺、三氯胺甚至氮气

10、,因此总氨的实际产量低 干 理论产量,当C 12:N 5时,总氨的实际产量等干理论产量。氯胺对于 纳氏试剂法测定氨氮的影响是公认的1 5 1,这在本 实验结果中也得到了 证实,当C 12N)5时,理论上溶液中不应当存在游离氨氮,但是实际测定结果表明,氯胺在分析过程中产生 了 正干扰,一般而言,需要采用预处 理将氯胺的干扰去除。人P A6 0 0 0的游离氨结果表明,当c lZN)5时,溶液中不存在游离氨,当c lZN 5时才出现与理 论添加量相 符的游离氨氮,这与折点 加氯理论完全 一致,表明人【叭600 0一氯胺分析仪在分析游离氨氮是准确可靠的城 镇净 水工艺与 水质 过标表1游离余氯(以C

11、 2计即m)含飘水体中 投加氨氮实验结果一总余 氯一氯肢一器”氨氮(以N计pP m序号约4伪即m氨氮O仪25 m L众s mL07 5m Ll m L125 m L15 mL约2即m游 离余氯I000 m L1000 m LIO00 m L1000 m L1000 m L1000 m L1000 m LC12N一DR ZB00鬓 笃D R 28 0 0一置 疑(以c lZ计即m)A l认6000A笔 矍。人嚣 雪。嘿。器20l 06 67543 331乡61 0903 00 240 160 140 09井众 00住 08众 6914 61 8822040 000 0 10140 26080 5

12、00 62O0 00 010 0100 01饮 l让2 19众00众时0 09饮l吕02 6仓3吕让00住0 1让 180 24让40让47让6 11 9 8一0 9 1一姗一0 2 1一忱一0 2一目22含氨水体中投 加余氯的实验结果经典的氯胺消毒工艺是在滤池出水或者清水池前管道中同时投加氯和氨其优点 是消 毒 副产物产生 量少,衰减慢:缺点是 消 毒效果差,不 适用 干 消毒接触时 间较 短 的清水池l 1 l在这个模拟实验中,余氯溶液被加入到约。4 Ppm的氨氮溶液中,余氯将与氨氮发十斤应。与前个模拟实验的规律一致,只 是变化趋势相反。根据文献研究表明,先氨后氯的实验效果和同时氯氨的实验

13、效果一致l 本实验 过程的测定结果见表2。对于消毒剂含量部分,从结果可 以看到,随着游离余氯溶液加 入量 的增加:总余氯浓度逐渐升高:c lZN 5时一氯胺浓度逐渐降低。这同样可 由折点加氯理论解释:C 彭N 5时,加 入的氨氮全部转化为一氯胺,而C l不N巧时随着氨氮的加 入 开始有一氯胺 转化为 二氯胺、三氯胺产生,导致一氯胺浓度的下 降。理论上,随着游离余氯的加入,在C12N 5时,游离氨氮浓度逐渐降至O,而总氨浓度保持初始值;aZN巧时总氨浓度也 开始下降。A P A 6o0 0的总氨和游离氨氮测定结果准确的反映了这一变化。城锁 供水第七届中国城镇水务发爪囚际研讨会伦文集表2含氨水体中

14、投加 余氯实 验结果样品的配制游离余氯(以C 12计P Pm)急余氯(以C 12计即m)一氯肢(以C 12计即m)氨氮(以N计 p pm)序号约月卯m氨氮1000 m L1000 m L1000 m L1000 m L1000 m L约100 0P Pn游离余 氯o m L0 5 m Ll m L1 5 犯LZ m LC l,N旧R2 80 0晕 矍D R2 8O O置 篡飞:0 0 瓮:0 l o 黔器薰01252 53 755改257 53 750001201502 40冲0 7613 200 07住 l015住20月90 65l200 53l刀81 572刃92 542 8931200

15、5l刀615 62162翻2 9 忍3 4 800 5321 061 57么 1420a1 641 410 4090 40204 22让4110冷07让4040 348让3250409敬 29 3仁 209住O夕 6000刀20刃l让41住34让28敬2住12饮11住08O伪0 400 42住390 4 10 4 10 360 360 3523由AP A60 0O控制氛胶消毒工 艺 加氛加氨的设想根据氯胺消毒工艺原理,最理想的加氯加氨控制,应当是将总余氯浓度控制在标准允 许 范围内,且C 12:N以精确的5 1进行投加,这样一氯肢 的产率将达到最大。过量的加氯不仅使得氯胺消毒工 艺相对于传统氯

16、消毒工 艺优势消失以及经济效益损失,并且产生的二氯胺会使得自来水有嗅味;而过量氨氮的加入,不仅会导致经济效益的损失,更 严重的是过量的氨氮进入管网会影响水质生物稳定性,在管网中存在的氨氧化细菌和亚硝化细 菌会 将过量 的氨氮转化为危 害 极大 的 亚硝 酸 盐1 1 1几目前,在水厂 中利 用先进的在线仪表控制消毒剂的投加技术已经较为 成熟。在氯消毒工 艺的 水厂 中,很多都采用余氯分析仪控制加氯机的投加l l:气 但是在氯胺消毒工艺中,由于其消毒体系较为复杂,根据不 同的氯氨比,会有一氯胺、二氯胺、三氯胺、游离余氯等复杂多变的消毒体系,这 为如何选择合适的在线水 质分析仪表控制加氯和 加氨制

17、造了难题。总余氯分析仪不能区分一氯胺、一氯胺、三氯胺和游离余氯,无法指示正确的投加 量。而氨的投加控制更为困难,常见的氨氮分析仪受其原理所限,会受到氯胺的干扰而无法准确测量游离氨。因此到现在为止,采用氯胺消毒工 艺的水厂,氯和氨的投加,主 要依靠 经验,采用比例投加.而A l叭600 0一氯胺分析仪依靠其特殊的 分析原 理,可 以很好的解决这一 问题。以城 镇净 水工艺与 水质 过标目前典型 的氯胺消毒 工 艺刊顶序氯化消毒工艺 为 例(见 图1),该工艺综合利用 了游离氯消毒灭活微生物迅速,氯胺消毒副产物产生量 低的优点,先 经过 一个较短 时间 的游离氯消毒过程,而后转化为氯胺消毒1 1

18、3几图1顺序瓶化消毒工艺以及可行的加叙加氛的投加柱制采用AP A6o0 0一氯胺 分 析仪,结合流址等信息,控 制氯的投 加 址,将 出厂 水一氯胺的浓度控制在标准允许范围。同时利用六 F气600 0游离氦氮的测定结果,将出!水的氮氮浓度控制在低范围(比如,。sm吕了)口这样控制的结果,即 可 以保证出少水的消毒剂主要成分是纵胺,也能保证了氨投加 不过晕。如果L艺中有前加抓过 程,可 以在流 池 出水位置 增设 一 台余 氛 分析仪 作 为后 加 氛 的前 反 谈,与 一 蔽胺 分 析仪 的 一 敖胺 信号、流量 等一同控制投加量3结论AP A6。一氯服 分析仪,可 以准确 的测 最水体一氛胺

19、和 游离氦氮浓度,这弥 补了常 见的 在线 水 质分 析 仪表 在氯胺 消毒工艺中应用 的 缺 陷 利用A PA 6。氛胺分析仪,可 以同时测定氛胺和游离氦,涌过这两个测定结果,分别控制抓胺消毒土艺中抓和氮的投加 昌,可 以实现理想的加氛加氦控制,将抓服产率最大化。这可 以克服 以往纵胺消毒l艺巾依靠经验比例投加氛和氮导致的各种问题参考文献 l 何文杰,李伟光,张晓健等安全饮用水保障技术M北京:中国建筑工 业出版衬,20 06l 2 阳他芳自动化仪表在水厂的应用IJ I中国给水排水,l,9 5。2)1 3 1谢海英成都 市自来水六厂致胺消毒运行方式研究ID I重庆大学,2即31 4 1孙晓航成

20、都 市自来水 魏胺 消毒试验研究D 玺庆大学,200 3l 5 水与庆水 监测分析方法编委会水与废水监测分析方法指 南一上册LMI北京:中国环境科 学出版6城镇 供水摹七石中国城铁水务发展国际研 讨会论文集社19 901 6 陶辉.王玲.李星.王荞平,李圭白饮用水燕胺法消毒过程中一氯胺的水杨酸分光光度法测定l J中国给水排水,2009(25)v 岳舜琳自来水折 点加氯消毒 J 化学世界】9别,(上。)8朝11吐e,G CH田ldboo kof C hlo nna.ionand A ltem田iveD吐,Inf e“即t,MN ewy or k钧nN Os。,ndR e一 一hod,19咒1 9

21、 1戌W 认叭al l dA SC E(Al lenea nSo cl et yof Cv 1 Eng一即比)M厄erl士e a加c ntP la nl压s 一gnse co l lde dl t lD川MIN cwy or kMc份日w一H i ,In c199 o1 1。金银龙,鄂学礼.陈亚妍,张岚,等G B T 57孙1 卜加0 6生活饮用水标准检验方法消毒剂指标15 北京中华人民共和国卫生部,中国国家标 准化管理委员会 加)6111C一e nWLJe n s e nJ NEf f eetofdlo n一ede切ando na l nnlo n一abre冰po一 一tc ur vemod

22、 elde x elO Pme ul,v浦da ll on铸i u、川I nl c田u l叩p hca ll ont o mum以P al wa,cwal cr J v抽 c rEn v lmnR“加0 173(6)【比1魏贺,李奇,刁翔自来水厂加氯工艺的 自动化性制改造【J 中国给水排水20 06(2 4)1 1 3 张晓健陈超,何义杰,韩宏大短时游离教 后转氯 胺的顺序水处理消毒方法【P 中国专利C N 158359 1.2005一02一23PR ECISECON T ROL A N DOPT IMIZ A l l0N T ECH N IQU ESONC HLO】砚 AMIN ED ISI

23、N FECT I)N l,RO CES SA N E、N一L IN EMON ITOR INGT ECH N IQUEONMONO CH LORAMIN E A N DFR E E AMMON IA2 1压 N G Bo,狱N GJ a J,an,QI A Nw en习,a。,班卜 R、s hl,Qlv uoqan犷z ll E N GMen今q一 anZ(l卜、C H Co l npa n丛Be J一咫l 00046l naZ x一山a 一阮 wl pT i a nJ一 n,3 002 4o C hl一 a)Ab,tnet:Slmu】a比”f ir s tehlo ran lln esthe

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