吳星五，高廷耀
（同濟大學城市污染控制國家工程研究中心，上海200092）

　　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。
　　關鍵詞：水處理；電化學；殺菌；除鐵
　　中圖分類號：TQ035,X781.1
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1009－2455（2001）01－0006－04

Electrochemical Treatment of Water in Water Tanks
WU Xing-wu，GAO Ting-yao
(National Engineering Research Center for Urban Pollution
Control，Tongji University，Shanghai 200092，China)

　　Abstract:Experiments of water treatment for killing mocrobe and removing iron to improve the quality of the water in water tanks were conducted using a strong oxidizing agent produced during electrolysis of water by a self-develped electrode．The results showed that by once - through treatment of water flow，bacteria killing rate was ＞ 99％ with electrical power consumption ≤ 0.1 kWh/m³，and iron removal rate was ＞ 99％ with electrical power consumption ≤ 0.08 kWh/m³．The algae removal effect was examined by measuring the dissolved oxygen content in the water．With cyclic treatment of water in water tanks，the total iron content in the water dropped from 14 mg/L to ≤ 0.3mg/L，and the total number of bacteria from 10⁴ cfu/mL to ≤30 cfu/mL．When the treated water was used in flushing urinal，urinous scale was eliminated．
　　Key words:water treatment；electrochemistry；bacteria killing；iron removal

　　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。
　?、偎鲉纬掏ㄟ^處理，殺菌率＞99％，電耗≤0.1kWh/m³；
　?、谒鲉纬掏ㄟ^處理，除鐵率＞99％，電耗≤0.08kWh/m³；
　?、弁ㄟ^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：
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作者簡介：
　　吳星五（1952－），男，浙江杭州人，同濟大學副教授（博士）