水箱中水的電化學(xué)法處理

水箱中水的電化學(xué)法處理

摘要：利用研制的電極電解水產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑，進(jìn)行殺滅微生物、除鐵改善水箱中水質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，水流單程通過處理，殺菌率＞99％，電耗≤0.1kWh/m3；除鐵率＞99％，電耗≤0.08kWh/m3。通過檢測水中溶解氧含量的變化確認(rèn)殺藻效果。循環(huán)處理水箱中的水，水中總鐵含量從14mg/L降至≤0.3mg/L，細(xì)菌總數(shù)從104個/mL降至≤30個/mL。用處理后的水沖洗小便池，消除了尿垢。

關(guān)鍵字：水處理電化學(xué)殺菌除鐵

ElectrochemicalTreatmentofWaterinWaterTanksAbstract:Experimentsofwatertreatmentforkillingmocrobeandremovingirontoimprovethequalityofthewaterinwatertankswereconductedusingastrongoxidizingagentproducedduringelectrolysisofwaterbyaself-develpedelectrode．Theresultsshowedthatbyonce-throughtreatmentofwaterflow，bacteriakillingratewas＞99％withelectricalpowerconsumption≤0.1kWh/m3，andironremovalratewas＞99％withelectricalpowerconsumption≤0.08kWh/m3．Thealgaeremovaleffectwasexaminedbymeasuringthedissolvedoxygencontentinthewater．Withcyclictreatmentofwaterinwatertanks，thetotalironcontentinthewaterdroppedfrom14mg/Lto≤0.3mg/L，andthetotalnumberofbacteriafrom104cfu/mLto≤30cfu/mL．Whenthetreatedwaterwasusedinflushingurinal，urinousscalewaseliminated．

Keywords:watertreatment；electrochemistry；bacteriakilling；ironremoval隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，城市居民對用水質(zhì)量的要求日益增高，但工業(yè)化生產(chǎn)排放的廢水對水源的污染也越來越大。按傳統(tǒng)的自來水處理方法，只有增大加氯的劑量。由于水中有機(jī)物含量增加，這樣做難免會產(chǎn)生“三致”物質(zhì)。而且，即使投入更多的氯，也難以保證在管道末梢的余氯值大于0.05mg/L，往往發(fā)現(xiàn)建筑物的供水管道和屋頂水箱中細(xì)菌和藻類滋生的現(xiàn)象。微生物分泌的粘液吸附水中雜質(zhì)，淤積在管壁上形成粘泥層，增加對水流的阻力；在粘泥覆蓋下，管道表面因貧氧形成濃差電池，引起管壁銹蝕，使流出的水發(fā)黃帶鐵腥味。對此，我們在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在建筑物的水箱處增加一級電化學(xué)水處理，可以起到殺菌、殺藻、除鐵的作用，有效地改善了水質(zhì)。該方法不需添加化學(xué)藥劑，無二次污染，可以根據(jù)水質(zhì)調(diào)節(jié)用電量。1殺菌[1][2][3]1.1作用機(jī)理

根據(jù)電解的原理，研制的陽極，以鈦板或鈦棒為基體，用高溫?zé)峤庋趸ㄔ诒砻嫔珊灥荣F金屬氧化物的涂層。該電極在電解過程中自身不溶解，催化產(chǎn)生具有極強(qiáng)殺生能力的活性物質(zhì)，如OH自由基、初生態(tài)O、H2O2和O3等活性氧；水中存在的氯離子，被激活成ClO2、HClO、ClO-等活性氯協(xié)同殺菌。微生物表面帶負(fù)電，在電場力的作用下向陽極遷移。電極與水的界面存在的雙電層電場強(qiáng)度較高，如微生物被電場吸引或隨水流沖進(jìn)雙電層，會因觸電致死，用電殺菌具有廣譜性的殺菌效果，不會產(chǎn)生耐藥性；產(chǎn)生的H2O2和余氯賦予水體持續(xù)抑菌的能力。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)上述工作機(jī)理，研制出殺菌滅藻電水處理器，有平板型和圓柱型兩種型式，結(jié)構(gòu)如圖1所示。陽極采用有表面涂層的鈦板或鈦棒，陰極采用不銹鋼。水流從處理器的下部流入，上部流出，額定流量為1m3/h。兩種形式處理器的陽極面積相同，平板型耗電量較低，圓柱型強(qiáng)度較高。檢驗(yàn)殺菌效果的組合實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，水箱容積1.0m3帶攪拌器；水流由離心式水泵提供，用流量計控制流量。實(shí)驗(yàn)用水為配水，自來水經(jīng)活性炭過濾后流入水箱，加人自行培養(yǎng)的細(xì)菌并攪拌均勻，原水細(xì)菌總數(shù)在106個/mL左右。過濾水經(jīng)鄰聯(lián)甲苯胺方法比色確認(rèn)無余氯。培養(yǎng)菌種從自來水中采取。

水流一次通過處理器，在處理器進(jìn)、出口處用無菌瓶取水樣，立即檢測，用標(biāo)準(zhǔn)平皿法37℃培養(yǎng)48h后計算細(xì)菌總數(shù)。

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

水流單程通過處理，消耗的電功率與殺菌效果的關(guān)系如圖3所示。由圖3可見，很小的電功率即可產(chǎn)生殺菌效果，隨著電功率的增大，殺菌率迅速提高，在電功率50W左右殺菌率達(dá)到99％以上，折合成每立方米水耗電0.05kWh。如果采用循環(huán)處理的方法，使處理器中沒有耗盡的殺菌性活性物質(zhì)在管道和水箱中繼續(xù)起作用，可以節(jié)約更多的電能或處理更多的水量。2殺藻[1][2]殺藻實(shí)驗(yàn)用水取自池塘水，pH7，水中藻類總量約1.8×105個/mL，種類為綠藻（小球藻、柵列藻等），也有藍(lán)藻（螺旋藻、微囊藻等）。實(shí)驗(yàn)在圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行，原水注入水箱后攪拌均勻。水流量0.5m3/h，電流密度2－6mA/cm2。水流單程通過處理器，在出水口處取水樣檢測處理效果。因?yàn)樘幚砗笏涝宓娜~綠素短期不褪色，顯微鏡下無法直接判斷藻體死活，所以采用監(jiān)測水中溶解氧濃度變化的方法判斷殺藻效果。藻類白天因光合作用產(chǎn)生氧氣使水中溶解氧含量增高，晚上則呼吸消耗溶解氧。

在處理器的出水口取水樣，分別盛于500mL的有塞廣口瓶中，靜置于室內(nèi)朝陽的桌上，定期測定水中溶解氧。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖中顯示，未經(jīng)處理的水樣溶解氧濃度晝夜波動大于3mg/L，而滅藻后的水樣溶解氧濃度不斷降低，之后趨于不再變化，這表明藻類因光合作用功能的喪失而逐漸死亡。死藻一方面不產(chǎn)生氧氣，另一方面殘存的呼吸作用消耗水中的氧。3除鐵[4][5]3.1作用機(jī)理

根據(jù)氧化加過濾的方法去除水中鐵離子。采用不溶性電極電解水時，陽極生成氧氣，陰極產(chǎn)生氫氣。陽極反應(yīng)首先產(chǎn)生初生態(tài)O，然后結(jié)合成O2。電解水產(chǎn)生的初生態(tài)O具有較強(qiáng)的氧化能力，把陽極區(qū)內(nèi)的Fe2+迅速氧化成低溶解度的時；生成的O2使溶解氧增加，根據(jù)式（1）的反應(yīng)將水體中的Fe2+氧化成Fe3+，F(xiàn)e3+水解形成Fe(OH)3；固體顆粒，可以通過過濾去除。

4Fe2+＋O2＋10H2O＝4Fe(OH)3＋8H+（1）

每氧化1mg二價鐵約需0.14mg溶解氧。水中Fe2+的氧化反應(yīng)速度可由式（2）表示：式中k1為反應(yīng)速度常數(shù)。陰極電解產(chǎn)生1mol氫氣的同時，會生成2mol的OH-，根據(jù)式（2）可以加快氧化速度。同時，用不溶性的陽極電解水，能產(chǎn)生大量直徑小于20μm的微氣泡。微氣泡具有較大的比表面能，能將水中膠體集聚成較大的絮狀顆粒，促使過濾過程順利進(jìn)行。

綜合上述，電化學(xué)方法具有強(qiáng)氧化能力，產(chǎn)生的氣泡能將分散的微粒集聚起來，改善后續(xù)過濾工藝的條件。

3.2實(shí)驗(yàn)裝置和方法

采用圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置。過濾器的濾料為直徑0.5－1.0mm的石英砂，濾層厚700mm。實(shí)驗(yàn)用水為城市舊管道系統(tǒng)流出的自來水，總鐵含量平均4.0mg/L。水流從龍頭流出后，順次單程通過流量計、處理器和過濾器后排出。

在處理器進(jìn)水口和過濾器出水口處取水樣，采用二氮雜菲—分光光度法檢測水中總鐵。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

水流單程通過處理器，施加的電功率與除鐵率的關(guān)系如圖5所示。由圖可見，較小的電功率即有除鐵效果，隨著電功率增大殺菌率迅速提高，在功率80W左右殺菌率已經(jīng)達(dá)到99％以上，此時折合成每立方米水耗電0.88kWh。如果采用循環(huán)處理的方法，讓在處理器中沒有耗盡的溶解氧在水箱中繼續(xù)起作用，可以節(jié)約更多的電能或處理更大量的水。4實(shí)用實(shí)驗(yàn)?zāi)炒髽堑?0m3水箱，由于進(jìn)水管道被腐蝕引起水體發(fā)黃，為解決此問題實(shí)施了除鐵循環(huán)水處理，即用泵從水箱中抽水，送人處理裝置處理后，再返送回水箱。處理的水流量為1～2.5m3/h；電流6－16A；石英砂濾層的直徑500mm、厚度700mm。處理過程中，水箱的進(jìn)水和出水保持使用狀態(tài)，日用水量約60m3。在出水口取水樣檢測水質(zhì)，結(jié)果列于表1。表1水箱水處理結(jié)果果測試項目6月1日初裝6月3日6月5日Cl-/(mg··L-1)4042.140pH6.57.07.5總鐵/(mg·L-11)14.41.350.34總硬度/(mg··L-1)(CaaCO3)247.2217.2219.2電導(dǎo)率/(mS··cm-1)0.7500.7320.729HCO3-/(mmg·L-11)156145160細(xì)菌總數(shù)/(個··L-1)10410330表中顯示，經(jīng)過5d的處理，水質(zhì)指標(biāo)中的硬度、堿度和Cl-等基本不變，pH值增高，而含鐵量大大降低，水中的細(xì)菌基本被殺滅。處理7d后乃至連續(xù)運(yùn)行數(shù)月，盡管水箱進(jìn)水口處水中總鐵含量＞4.5mg/L，出水已處的總鐵量保持低于0.3mg/L。出水透明清潔，取樣裝入玻璃瓶放在窗臺向陽處1星期無藻類繁殖。同時，水中的含錳量也被降低，與此有關(guān)的研究結(jié)果另行報道。同時，電化學(xué)處理殺滅了水中的微生物，將余氯提高到0.05mg/L以上，抑制了鐵細(xì)菌和硫磺菌的繁殖，因此減少了后續(xù)管道中的污垢，防止了管道被腐蝕。

經(jīng)過一段時間運(yùn)行后，過濾器的濾層會被攔截下來的鐵泥堵塞，使出水流速降低，為此定期對過濾器進(jìn)行了反沖洗，以恢復(fù)正常使用。每立方米水處理的耗電量約0.02kWh。5消除尿垢5.1尿垢形成

公共洗手間的小便池，如果不及時沖洗會產(chǎn)生黃色的尿垢。取下垢片分析成分，發(fā)現(xiàn)其中主要含碳酸鈣、磷酸鈣等元機(jī)鹽和10％左右的有機(jī)物。圖6為小便池水中的細(xì)菌總數(shù)與pH的關(guān)系。

由圖6可見，便池水中細(xì)菌總數(shù)與pH值線性相關(guān)，細(xì)菌增加pH值上升。由此推斷，細(xì)菌的繁殖是產(chǎn)生垢的原因。在微生物作用下尿素分解反應(yīng)如式（3）和式（4）所示：

CO(NH2)＋H2O→2NH3＋CO2（3）

NH3＋H2O→NH4+＋OH-（4）

分解反應(yīng)產(chǎn)生的CO2和部分氨揮發(fā)到大氣中去，余下的氨水解生成NH4+和OH-。OH-使pH值上升，引起碳酸鹽和磷酸鹽沉淀，細(xì)菌繁殖產(chǎn)生的粘性物質(zhì)將沉淀物粘附在池壁上，形成黃色的尿垢。已經(jīng)形成的垢層是微生物的良好棲身之地，自身加速增厚。5.2除垢實(shí)驗(yàn)

基于上述分析，進(jìn)行了消除尿垢的實(shí)驗(yàn)。某大樓中的洗手間有4個陶瓷的小便池，小便后人工按下龍頭上的開關(guān)放水沖洗。每天上下班和午休時用經(jīng)過電解法處理過的水，沖洗選定的兩個隔開的便池，每次每個便池用水5L左右，有加晚班的日子，晚上10時增加沖洗1次。為了加強(qiáng)作用效果，適當(dāng)選用了較大的電功率。當(dāng)?shù)刈詠硭衅骄?0mg/L左右的Cl-，經(jīng)過電處理約含活性氯1.5mg/L。1個月后，未用處理水沖洗的小便池池壁發(fā)黃，可以刮下一層尿垢，而經(jīng)過沖洗的小便池基本保持清潔。由此推想，如果將處理裝置安放在洗手間的小水箱處，定時處理沖洗水，可以提高洗凈效果；如果便后用處理水洗手，比用自來水消毒效果更好。6總結(jié)進(jìn)行了用電化學(xué)方法殺滅微生物、消除黃水現(xiàn)象等提高水箱中自來水水質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，主要得到以下結(jié)果。

①水流單程通過處理，殺菌率＞99％，電耗≤0.1kWh/m3；

②水流單程通過處理，除鐵率＞99％，電耗≤0.08kWh/m3；

③通過檢測水中溶解氧含量的變化確認(rèn)殺藻效果；

④循環(huán)處理水箱水，使水中總鐵含量從14mg/L降至≤0.3mg/L，細(xì)菌總數(shù)從104個/mL降至≤30個/mL，電耗0.02kWh/m3；

⑤定時用處理水沖洗小便池，消除了尿垢。參考文獻(xiàn)：

[1]K.Rjeshwareta