水箱中水的電化學法處理

摘要：利用研制的電極電解水產生強氧化劑，進行殺滅微生物、除鐵改善水箱中水質的實驗。結果表明，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殺藻效果。循環處理水箱中的水，水中總鐵含量從14mg/L降至≤0.3mg/L，細菌總數從104個/mL降至≤30個/mL。用處理后的水沖洗小便池，消除了尿垢。

關鍵字：水處理電化學殺菌除鐵

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隨著社會經濟的發展和生活水平的提高，城市居民對用水質量的要求日益增高，但工業化生產排放的廢水對水源的污染也越來越大。按傳統的自來水處理方法，只有增大加氯的劑量。由于水中有機物含量增加，這樣做難免會產生“三致”物質。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，往往發現建筑物的供水管道和屋頂水箱中細菌和藻類滋生的現象。微生物分泌的粘液吸附水中雜質，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，使流出的水發黃帶鐵腥味。對此，我們在實驗的基礎上，在建筑物的水箱處增加一級電化學水處理，可以起到殺菌、殺藻、除鐵的作用，有效地改善了水質。該方法不需添加化學藥劑，無二次污染，可以根據水質調節用電量。1殺菌[1][2][3]1.1作用機理

根據電解的原理，研制的陽極，以鈦板或鈦棒為基體，用高溫熱解氧化法在表面生成含銥等貴金屬氧化物的涂層。該電極在電解過程中自身不溶解，催化產生具有極強殺生能力的活性物質，如OH自由基、初生態O、H2O2和O3等活性氧；水中存在的氯離子，被激活成ClO2、HClO、ClO-等活性氯協同殺菌。微生物表面帶負電，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度較高，如微生物被電場吸引或隨水流沖進雙電層，會因觸電致死，用電殺菌具有廣譜性的殺菌效果，不會產生耐藥性；產生的H2O2和余氯賦予水體持續抑菌的能力。

1.2實驗裝置和實驗方法

根據上述工作機理，研制出殺菌滅藻電水處理器，有平板型和圓柱型兩種型式，結構如圖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，圓柱型強度較高。檢驗殺菌效果的組合實驗裝置如圖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。實驗用水為配水，自來水經活性炭過濾后流入水箱，加人自行培養的細菌并攪拌均勻，原水細菌總數在106個/mL左右。過濾水經鄰聯甲苯胺方法比色確認無余氯。培養菌種從自來水中采取。

水流一次通過處理器，在處理器進、出口處用無菌瓶取水樣，立即檢測，用標準平皿法37℃培養48h后計算細菌總數。

1.3實驗結果與討論

水流單程通過處理，消耗的電功率與殺菌效果的關系如圖3所示。由圖3可見，很小的電功率即可產生殺菌效果，隨著電功率的增大，殺菌率迅速提高，在電功率50W左右殺菌率達到99％以上，折合成每立方米水耗電0.05kWh。如果采用循環處理的方法，使處理器中沒有耗盡的殺菌性活性物質在管道和水箱中繼續起作用，可以節約更多的電能或處理更多的水量。2殺藻[1][2]殺藻實驗用水取自池塘水，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），也有藍藻（螺旋藻、微囊藻等）。實驗在圖2所示的實驗裝置上進行，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。因為處理后死藻的葉綠素短期不褪色，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，靜置于室內朝陽的桌上，定期測定水中溶解氧。實驗結果如圖4所示。圖中顯示，未經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作用機理

根據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，陰極產生氫氣。陽極反應首先產生初生態O，然后結合成O2。電解水產生的初生態O具有較強的氧化能力，把陽極區內的Fe2+迅速氧化成低溶解度的時；生成的O2使溶解氧增加，根據式（1）的反應將水體中的Fe2+氧化成Fe3+，Fe3+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+的氧化反應速度可由式（2）表示：式中k1為反應速度常數。陰極電解產生1mol氫氣的同時，會生成2mol的OH-，根據式（2）可以加快氧化速度。同時，用不溶性的陽極電解水，能產生大量直徑小于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行。

綜合上述，電化學方法具有強氧化能力，產生的氣泡能將分散的微粒集聚起來，改善后續過濾工藝的條件。

3.2實驗裝置和方法

采用圖2所示的實驗裝置。過濾器的濾料為直徑0.5－1.0mm的石英砂，濾層厚700mm。實驗用水為城市舊管道系統流出的自來水，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實驗結果和討論

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左右殺菌率已經達到99％以上，此時折合成每立方米水耗電0.88kWh。如果采用循環處理的方法，讓在處理器中沒有耗盡的溶解氧在水箱中繼續起作用，可以節約更多的電能或處理更大量的水。4實用實驗某大樓的20m3水箱，由于進水管道被腐蝕引起水體發黃，為解決此問題實施了除鐵循環水處理，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，水箱的進水和出水保持使用狀態，日用水量約60m3。在出水口取水樣檢測水質，結果列于表1。表1水箱水處理結果果測試項目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電導率/(mS··cm-1)0.7500.7320.729HCO3-/(mmg·L-11)156145160細菌總數/(個··L-1)10410330表中顯示，經過5d的處理，水質指標中的硬度、堿度和Cl-等基本不變，pH值增高，而含鐵量大大降低，水中的細菌基本被殺滅。處理7d后乃至連續運行數月，盡管水箱進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，與此有關的研究結果另行報道。同時，電化學處理殺滅了水中的微生物，將余氯提高到0.05mg/L以上，抑制了鐵細菌和硫磺菌的繁殖，因此減少了后續管道中的污垢，防止了管道被腐蝕。

經過一段時間運行后，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行了反沖洗，以恢復正常使用。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生黃色的尿垢。取下垢片分析成分，發現其中主要含碳酸鈣、磷酸鈣等元機鹽和10％左右的有機物。圖6為小便池水中的細菌總數與pH的關系。

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

CO(NH2)＋H2O→2NH3＋CO2（3）

NH3＋H2O→NH4+＋OH-（4）

分解反應產生的CO2和部分氨揮發到大氣中去，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，細菌繁殖產生的粘性物質將沉淀物粘附在池壁上，形成黃色的尿垢。已經形成的垢層是微生物的良好棲身之地，自身加速增厚。5.2除垢實驗

基于上述分析，進行了消除尿垢的實驗。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放水沖洗。每天上下班和午休時用經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。為了加強作用效果，適當選用了較大的電功率。當地自來水中平均含有50mg/L左右的Cl-，經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黃，可以刮下一層尿垢，而經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總結進行了用電化學方法殺滅微生物、消除黃水現象等提高水箱中自來水水質的實驗，主要得到以下結果。

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殺藻效果；

④循環處理水箱水，使水中總鐵含量從14mg/L降至≤0.3mg/L，細菌總數從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：

[1]K.Rjeshwareta