水箱中水的电化学法处理

　　随着社会经济的发展和生活水平的提高，城市居民对用水质量的要求日益增高，但工业化生产排放的废水对水源的污染也越来越大。按传统的自来水处理方法，只有增大加氯的剂量。由于水中有机物含量增加，这样做难免会产生“三致”物质。而且，即使投入更多的氯，也难以保证在管道末梢的余氯值大于0.05mg/L，往往发现建筑物的供水管道和屋顶水箱中细菌和藻类滋生的现象。微生物分泌的粘液吸附水中杂质，淤积在管壁上形成粘泥层，增加对水流的阻力；在粘泥覆盖下，管道表面因贫氧形成浓差电池，引起管壁锈蚀，使流出的水发黄带铁腥味。对此，我们在实验的基础上，在建筑物的水箱处增加一级电化学水处理，可以起到杀菌、杀藻、除铁的作用，有效地改善了水质。该方法不需添加化学药剂，无二次污染，可以根据水质调节用电量。
1 杀菌[1][2][3]
1.1 作用机理
　　根据电解的原理，研制的阳极，以钛板或钛棒为基体，用高温热解氧化法在表面生成含铱等贵金属氧化物的涂层。该电极在电解过程中自身不溶解，催化产生具有极强杀生能力的活性物质，如OH自由基、初生态O、H2O2和O3等活性氧；水中存在的氯离子，被激活成ClO2、HClO、ClO-等活性氯协同杀菌。微生物表面带负电，在电场力的作用下向阳极迁移。电极与水的界面存在的双电层电场强度较高，如微生物被电场吸引或随水流冲进双电层，会因触电致死，用电杀菌具有广谱性的杀菌效果，不会产生耐药性；产生的H2O2和余氯赋予水体持续抑菌的能力。
1.2 实验装置和实验方法
　　根据上述工作机理，研制出杀菌灭藻电水处理器，有平板型和圆柱型两种型式，结构如图1所示。阳极采用有表面涂层的钛板或钛棒，阴极采用不锈钢。水流从处理器的下部流入，上部流出，额定流量为1m3/h。两种形式处理器的阳极面积相同，平板型耗电量较低，圆柱型强度较高。检验杀菌效果的组合实验装置如图2所示，水箱容积1.0m3带搅拌器；水流由离心式水泵提供，用流量计控制流量。

实验用水为配水，自来水经活性炭过滤后流入水箱，加人自行培养的细菌并搅拌均匀，原水细菌总数在106个/mL左右。过滤水经邻联甲苯胺方法比色确认无余氯。培养菌种从自来水中采取。

　　水流一次通过处理器，在处理器进、出口处用无菌瓶取水样，立即检测，用标准平皿法37℃培养48h后计算细菌总数。
1.3 实验结果与讨论
　　水流单程通过处理，消耗的电功率与杀菌效果的关系如图3所示。由图3可见，很小的电功率即可产生杀菌效果，随着电功率的增大，杀菌率迅速提高，在电功率50W左右杀菌率达到99％以上，折合成每立方米水耗电0.05kWh。如果采用循环处理的方法，使处理器中没有耗尽的杀菌性活性物质在管道和水箱中继续起作用，可以节约更多的电能或处理更多的水量。
2 杀藻[1][2]
　　杀藻实验用水取自池塘水，pH7，水中藻类总量约1.8×105个/mL，种类为绿藻（小球藻、栅列藻等），也有蓝藻（螺旋藻、微囊藻等）。实验在图2所示的实验装置上进行，原水注入水箱后搅拌均匀。水流量0.5m3/h，电流密度2－6mA/cm2。水流单程通过处理器，在出水口处取水样检测处理效果。因为处理后死藻的叶绿素短期不褪色，显微镜下无法直接判断藻体死活，所以采用监测水中溶解氧浓度变化的方法判断杀藻效果。藻类白天因光合作用产生氧气使水中溶解氧含量增高，晚上则呼吸消耗溶解氧。
　　在处理器的出水口取水样，分别盛于500mL的有塞广口瓶中，静置于室内朝阳的桌上，定期测定水中溶解氧。实验结果如图4所示。图中显示，未经处理的水样溶解氧浓度昼夜波动大于3mg/L，而灭藻后的水样溶解氧浓度不断降低，之后趋于不再变化，这表明藻类因光合作用功能的丧失而逐渐死亡。死藻一方面不产生氧气，另一方面残存的呼吸作用消耗水中的氧。
3 除铁[4][5]
3.1 作用机理
　　根据氧化加过滤的方法去除水中铁离子。采用不溶性电极电解水时，阳极生成氧气，阴极产生氢气。阳极反应首先产生初生态O，然后结合成O2。电解水产生的初生态O具有较强的氧化能力，把阳极区内的Fe2+迅速氧化成低溶解度的时；生成的O2使溶解氧增加，根据式（1）的反应将水体中的Fe2+氧化成Fe3+，Fe3+水解形成Fe(OH)3；固体颗粒，可以通过过滤去除。
　　　　4Fe2+＋O2＋10H2O＝4Fe(OH)3＋8H+　　　　　　　　（1）
　　每氧化1mg二价铁约需0.14mg溶解氧。水中Fe2+的氧化反应速度可由式
　　式中k1为反应速度常数。阴极电解产生1mol氢气的同时，会生成2mol的OH-，根据式（2）可以加快氧化速度。同时，用不溶性的阳极电解水，能产生大量直径小于20μm的微气泡。微气泡具有较大的比表面能，能将水中胶体集聚成较大的絮状颗粒，促使过滤过程顺利进行。
　　综合上述，电化学方法具有强氧化能力，产生的气泡能将分散的微粒集聚起来，改善后续过滤工艺的条件。
3.2 实验装置和方法
　　采用图2所示的实验装置。过滤器的滤料为直径0.5－1.0mm的石英砂，滤层厚700mm。实验用水为城市旧管道系统流出的自来水，总铁含量平均4.0mg/L。水流从龙头流出后，顺次单程通过流量计、处理器和过滤器后排出。
　　在处理器进水口和过滤器出水口处取水样，采用二氮杂菲—分光光度法检测水中总铁。
3.3 实验结果和讨论
　　水流单程通过处理器，施加的电功率与除铁率的关系如图5所示。由图可见，较小的电功率即有除铁效果，随着电功率增大杀菌率迅速提高，在功率80W左右杀菌率已经达到99％以上，此时折合成每立方米水耗电0.88kWh。如果采用循环处理的方法，让在处理器中没有耗尽的溶解氧在水箱中继续起作用，可以节约更多的电能或处理更大量的水。
4 实用实验
　　某大楼的20m3水箱，由于进水管道被腐蚀引起水体发黄，为解决此问题实施了除铁循环水处理，即用泵从水箱中抽水，送人处理装置处理后，再返送回水箱。处理的水流量为1～2.5m3/h；电流6－16A；石英砂滤层的直径500mm、厚度700mm。处理过程中，水箱的进水和出水保持使用状态，日用水量约60m3。在出水口取水样检测水质，结果列于表1。
表1　水箱水处理结果

测试项目	6月1日初装	6月3日	6月5日
Cl-/(mg·L-1)	40	42.1	40
pH	6.5	7.0	7.5
总铁/(mg·L-1)	14.4	1.35	0.34
总硬度/(mg·L-1)(CaCO3)	247.2	217.2	219.2
电导率/(mS·cm-1)	0.750	0.732	0.729
HCO3-/(mg·L-1)	156	145	160
细菌总数/(个·L-1)	104	103	30

　　表中显示，经过5d的处理，水质指标中的硬度、碱度和Cl-等基本不变，pH值增高，而含铁量大大降低，水中的细菌基本被杀灭。处理7d后乃至连续运行数月，尽管水箱进水口处水中总铁含量＞4.5mg/L，出水已处的总铁量保持低于0.3mg/L。出水透明清洁，取样装入玻璃瓶放在窗台向阳处1星期无藻类繁殖。同时，水中的含锰量也被降低，与此有关的研究结果另行报道。同时，电化学处理杀灭了水中的微生物，将余氯提高到0.05mg/L以上，抑制了铁细菌和硫磺菌的繁殖，因此减少了后续管道中的污垢，防止了管道被腐蚀。
　　经过一段时间运行后，过滤器的滤层会被拦截下来的铁泥堵塞，使出水流速降低，为此定期对过滤器进行了反冲洗，以恢复正常使用。每立方米水处理的耗电量约0.02kWh。
5 消除尿垢
5.1 尿垢形成
　　公共洗手间的小便池，如果不及时冲洗会产生黄色的尿垢。取下垢片分析成分，发现其中主要含碳酸钙、磷酸钙等元机盐和10％左右的有机物。图6为小便池水中的细菌总数与pH的关系。
　　由图6可见，便池水中细菌总数与pH值线性相关，细菌增加pH值上升。由此推断，细菌的繁殖是产生垢的原因。在微生物作用下尿素分解反应如式（3）和式（4）所示：
　　　　CO(NH2)＋H2O→2NH3＋CO2（3）
　　　　NH3＋H2O→NH4+＋OH-（4）
　　分解反应产生的CO2和部分氨挥发到大气中去，余下的氨水解生成NH4+和OH-。OH-使pH值上升，引起碳酸盐和磷酸盐沉淀，细菌繁殖产生的粘性物质将沉淀物粘附在池壁上，形成黄色的尿垢。已经形成的垢层是微生物的良好栖身之地，自身加速增厚。
5.2 除垢实验
　　基于上述分析，进行了消除尿垢的实验。某大楼中的洗手间有4个陶瓷的小便池，小便后人工按下龙头上的开关放水冲洗。每天上下班和午休时用经过电解法处理过的水，冲洗选定的两个隔开的便池，每次每个便池用水5L左右，有加晚班的日子，晚上10时增加冲洗1次。为了加强作用效果，适当选用了较大的电功率。当地自来水中平均含有50mg/L左右的Cl-，经过电处理约含活性氯1.5mg/L。1个月后，未用处理水冲洗的小便池池壁发黄，可以刮下一层尿垢，而经过冲洗的小便池基本保持清洁。由此推想，如果将处理装置安放在洗手间的小水箱处，定时处理冲洗水，可以提高洗净效果；如果便后用处理水洗手，比用自来水消毒效果更好。
6 总结
　　进行了用电化学方法杀灭微生物、消除黄水现象等提高水箱中自来水水质的实验，主要得到以下结果。
　　①水流单程通过处理，杀菌率＞99％，电耗≤0.1kWh/m3；
　　②水流单程通过处理，除铁率＞99％，电耗≤0.08kWh/m3；
　　③通过检测水中溶解氧含量的变化确认杀藻效果；
　　④循环处理水箱水，使水中总铁含量从14mg/L降至≤0.3mg/L，细菌总数从104个/mL降至≤30个/mL，电耗0.02kWh/m3；
　　⑤定时用处理水冲洗小便池，消除了尿垢。