连续消毒中试装置中的残留化学浓度通过质量平衡计算得出：将施加的消毒剂剂量转换为以水体积为基准的数值，然后从中减去化学需氧量和生物需氧量。计算结果即为预测的残留浓度，必须通过测量处理后的出水进行验证。
残留浓度 = 施加浓度剂量 - 消毒剂需氧量。 只有在综合评估化学品投加量、水流量、接触条件和残留测量值时，该计算才可靠。
建立连续流质量平衡
计算施加的化学剂量
首先将消毒剂投加速率转换为浓度单位：
[ D_{\text{applied}}=\frac{\dot{m}{\text{chemical}}}{Q{\text{water}}} ]
其中：
- (D_{\text{applied}}) = 施加剂量，通常为 mg/L
- (\dot{m}_{\text{chemical}}) = 消毒剂质量流量，通常为 mg/天
- (Q_{\text{water}}) = 处理水流量，通常为 L/天
如果化学品投加量记录为 kg/天，水流量记录为 m³/天，则数值换算为：
[ D_{\text{applied}}(\text{mg/L})= \frac{\dot{m}{\text{chemical}}(\text{kg/day})} {Q{\text{water}}(\text{m}^3/\text{day})} ]
这是因为 1 kg/m³ 等于 1 mg/L。
计入化学需氧量和生物需氧量
消毒剂通过与水中的微生物、天然有机物、还原态金属、氨、硫化物及其他成分发生反应而被消耗。
通用计算公式为：
[ C_{\text{residual}}= D_{\text{applied}}- D_{\text{chemical demand}}- D_{\text{biological demand}} ]
在实践中，这些需氧量项通常合并在一起：
[ C_{\text{residual}}=D_{\text{applied}}-D_{\text{demand}} ]
需氧量应以与施加剂量相同的单位表示，例如以氯计的 mg/L 或以活性消毒剂计的 mg/L。
使用测量到的残留量验证计算结果
计算值是基于投加量和需氧量的预测值。实际运行中的残留量通过对出水进行采样并测量剩余消毒剂浓度来确定。
对于简单的稳态中试测试：
[ D_{\text{demand, measured}}
D_{\text{applied}}- C_{\text{residual, measured}} ]
这种测量到的需氧量通常比理论估算更有用，因为它涵盖了实际的给水成分、反应器条件、温度和生物活性。
考虑连续单元操作
保持一致的流量基准
化学品流量和水流量必须代表相同的时间段。例如，必须将 mg/天的消毒剂投加速率除以 L/天的水流量。
使用不兼容的单位可能会产生几个数量级的误差，特别是在将 kg/天与 L/分钟或 m³/小时混合使用时。
考虑水力接触时间
在化学品注入后立即测量的残留量可能与接触单元出口处的残留量不同。出口浓度反映了在可用接触时间内发生的反应。
因此，中试装置应明确采样位置：
- 在化学品注入点
- 初始混合后
- 在接触罐出口处
- 在最终处理水出口处
检查稳态条件
简单的质量平衡方程假设系统处于近似稳态。在启动、流量变化、化学品投加量变化或水质波动期间，消毒剂可能会在装置内积聚或耗尽。
更完整的瞬态平衡为：
[ \frac{dM}{dt}
\dot{m}_{\text{in}}
\dot{m}_{\text{out}}
\dot{m}_{\text{demand}} ]
其中 (M) 是反应器内残留化学品的质量。在稳态下，累积项趋于零，计算简化为简单的“施加剂量减去需氧量”关系。
区分残留物的化学形式
游离残留与化合残留
对于氯基系统，测得的残留量可能包括游离氯、化合氯或两者兼有。结果必须以正确的基准报告，例如游离氯残留或总氯残留。
这种区分很重要，因为不同的氯物种具有不同的消毒行为，并可能受到 pH 值和氨的不同影响。
浓度不等同于消毒暴露量
仅凭残留浓度并不能完全描述消毒效果。操作员通常使用消毒剂浓度与接触时间的乘积来评估暴露量：
[ CT=C_{\text{residual}}\times t ]
适用的残留量通常是接触过程中相关点的浓度，而不一定是初始施加的剂量。
考虑 pH 值和水化学
pH 值会改变消毒剂的化学形式和有效性。对于氯系统，pH 值会影响次氯酸和次氯酸根离子之间的平衡，而其他水成分则会增加消毒剂的需氧量。
因此，残留量计算应结合 pH 值、温度、浊度、碱度、氨、有机物及其他相关给水测量值进行解读。
单独使用碳酸盐化学
碳酸钠投加主要是水质计算
补充碳酸盐计算涉及 pH 调节、碱度、碳酸钙沉淀和化学投加。除非碳酸钠本身就是被测量残留量的化学品，否则不应将其视为消毒剂残留方程。
在低 pH 值下，碳酸是碳酸盐系统中的重要物种。随着碳酸钠提高 pH 值，碳酸被中和，分布向碳酸氢根和碳酸根转移。
计算碳酸钙沉淀
在目标 pH 值下，碳酸盐平衡和碳酸钙溶度积可用于估算可溶性钙浓度：
[ K_{sp}=[Ca^{2+}][CO_3^{2-}] ]
因此：
[ [Ca^{2+}]_{\text{equilibrium}}
\frac{K_{sp}}{[CO_3^{2-}]} ]
初始钙浓度与估算平衡可溶浓度之间的差值，即表示通过碳酸钙沉淀去除的钙的大致量（受平衡模型假设限制）。
将所需剂量转换为每日投加速率
一旦所需的碳酸钠剂量以 mg/L 表示，每日化学品需求量为：
[ \dot{m}_{\text{sodium carbonate}}
D_{\text{sodium carbonate}}\times Q_{\text{water}} ]
水流量基准必须再次保持一致。以 mg/L 为单位的剂量乘以以 L/天为单位的流量得到 mg/天，然后可以转换为 kg/天。
该计算确定了 碱度或 pH 控制的化学品需求量，而消毒剂残留计算则确定了在满足需氧量后剩余的活性消毒剂量。
理解权衡
更高的施加剂量并不能保证成比例的残留量
增加消毒剂投加量通常会增加残留浓度，但这种关系可能不是线性的。具有高化学需氧量的水可能会在消毒剂到达出口之前将其消耗殆尽。
实际目标是施加足够的消毒剂以达到所需的残留量和暴露量，同时避免不必要的化学品消耗或过多的副产物。
理论需氧量可能与实际需氧量不同
平衡计算和假设的反应速率提供了有用的估算，但它们可能无法捕捉到生物生长、有机负荷变化、混合限制或短期给水变化。
因此，应使用实测的残留数据来校准中试装置的质量平衡。
零或负的计算残留量需要调查
计算出的残留量低于零不是物理浓度。这表明施加的剂量不足以满足假设的需氧量，或者输入数据和单位不一致。
适当的应对措施是核实流量和投加量测量值，审查需氧量估算，并确认分析方法。
碳酸钙沉淀会改变运行条件
添加碳酸钠可能会改变 pH 值、碱度、离子组成和钙浓度。沉淀还会影响浊度、固体处理和下游设备。
这些影响应与消毒剂残留分开评估，但应包含在整体中试装置运行评估中。
为您的目标做出正确的选择
使用质量平衡作为计算框架，然后在受控操作条件下通过出口采样确认结果。
- 如果您的主要重点是预测消毒剂残留： 将化学品投加速率转换为 mg/L，减去估算的化学需氧量和生物需氧量，并用出水残留测量值验证结果。
- 如果您的主要重点是合规性： 在指定的合规位置测量残留量，并结合接触时间、pH 值、温度和适用的消毒要求进行评估。
- 如果您的主要重点是中试装置的化学优化： 使用实测的投加量和残留数据来确定实际需氧量，然后在监测处理性能的同时调整消毒剂投加量。
- 如果您的主要重点是 pH 或碱度控制： 根据碳酸盐平衡、碳酸钙溶解度、目标 pH 值和水流量计算碳酸钠需求量；不要将此剂量与消毒剂残留混淆。
- 如果您的主要重点是瞬态运行： 在动态质量平衡中包含存储和反应累积，而不是仅依赖稳态方程。
一个可靠的残留量计算应结合正确归一化的化学质量平衡与在实际连续单元出口处验证的水质测量值。
汇总表：
| 关键因素 | 计算或要求 | 实际检查 |
|---|---|---|
| 施加剂量 | 消毒剂质量流量 / 水流量 | 使用一致的单位，如 mg/L 或 kg/m³ |
| 消毒剂需氧量 | 化学需氧量 + 生物需氧量 | 考虑有机物、氨、金属和微生物 |
| 预测残留量 | 施加剂量 - 总需氧量 | 结果为负表示剂量不足或输入错误 |
| 实测残留量 | 采样并测试处理后的出水 | 在相关的出口位置确认结果 |
| 接触时间 | CT = 残留浓度 x 接触时间 | 在适用的接触点评估残留量 |
| 水化学 | 评估 pH、温度、浊度、碱度和氨 | 结合给水条件解读残留量结果 |
| 碳酸钠投加 | 针对 pH、碱度和钙控制单独计算 | 不要将碳酸盐需氧量与消毒剂残留混淆 |
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