傅金祥1，趙玉華1，范茂軍1，張杰2

(1.沈陽建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程系，遼寧沈陽110015；
2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090)

　　摘　要：研究和探討了微電解消毒飲用水工藝中Cl-濃度和電解時間對消毒效果的影響規(guī)律和機理，認(rèn)為微電解消毒的滅菌率與Cl-濃度和電解時間的關(guān)系符合經(jīng)驗公式：e=1.0-exp(-1.2×104c0.587 1×t1.686 5)，而電解產(chǎn)生的余氯具有持續(xù)消毒能力。為取得可靠的消毒效果，必須使待處理水中的氯離子濃度≥15 mg/L、所需電解時間≥60 s。
　　關(guān)鍵詞：飲用水消毒；微電解；余氯
　　中圖分類號：TU991.25
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2001)11-0005-03

Study on the Factors Affecting Micro-electrolytic Disinfection Process
FU Jin-xiang1,ZHAO Yu-hua1,FAN Mao-jun1，ZHANG Jie2

(1.Department of Municipal & Environmental Engineering,Shenyang Institute of Construction Engineering,Shenyang 110015,China; 2.Department of Municipal & Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,　Har　bin 150090,China)

　　Abstract：The effect of Cl- concentration and electrolytic period on the disinfection efficiency in the process of micro-electrolytic disinfection of drinking water and　relevant mechanism were discussed.It is believed that the sterilizing rate rela　ted to Cl- concentration and electrolytic period accords with the empirical fo　rmula:e=1.0-exp(-1.2×10⁴c^0.5871 ×t^1.6865),and the residual chlorine produced by electrolytic process has the capability of sustained disinfection.In order to achieve reliable disinfection efficiency,Cl- concentration in the water to be treated should be≥15 mg/L and the electrolytic period ≥60 s.
　　Keywords:drinking water disinfection;micro-electrolysistic;residual chlorine

　　國內(nèi)外學(xué)者對微電解消毒工藝進(jìn)行了一定的研究，但對其消毒機理尚缺少深入系統(tǒng)的認(rèn)識，至今尚未見到對其影響因素的研究報道^［1～4］。因此，擬從Cl-濃度和電解時間兩方面探討其對微電解消毒效果的影響，為微電解消毒工藝的開發(fā)與應(yīng)用提供依據(jù)。

1　試驗裝置與方法

1.1　配水及菌種
　　試驗用水依據(jù)沈陽市第三水廠7號井的水質(zhì)進(jìn)行配制(與實際水樣相比，僅有Cl-濃度不同)，即在二次蒸餾水中加入Fe₂(SO₃)₂、KNO₃、MgSO₄、Ca(HCO₃)₂、Na₂SO₄調(diào)節(jié)水質(zhì)，然后用NaCl溶液配制不同氯離子濃度的水樣。
　　菌種取自沈陽市第三水廠未經(jīng)處理的地下水、經(jīng)培養(yǎng)獲得的混合菌，其中主要有枯草菌、黃葡萄球菌、霉菌、大腸桿菌等。試驗用水的細(xì)菌總數(shù)控制在2 500個/mL左右。
1.2　試驗裝置
　　試驗裝置見圖1。陰極采用0Cr18Ni9Ti衛(wèi)生級不銹鋼材料，陽極為釕—鈦活性復(fù)合材料制成，極板間距和直流電源的電壓、電流均可調(diào)。

1.3試驗方案
　　試驗?zāi)康脑谟谕ㄟ^改變水中Cl-濃度和電解時間，研究其對微電解滅菌效果的影響規(guī)律。
　　試驗用水中Cl-濃度見表1。其他試驗條件為：
　　電流密度i=4.0mA/cm²；
　　極板間距d=2.0 cm；
　　微電解時間為0～480 s；取樣間隔為30 s。
　　細(xì)菌總數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)平板記數(shù)法測定，水樣中余氯采用比色法測定。

表1　試驗水質(zhì) 試驗序號 pH值 電導(dǎo)率(mS/cm) Cl^-(mg/L) 1 6.90 0.680 0 2 6.90 0.695 4.5 3 6.90 0.705 9.0 4 6.90 0.730 15.0 5 6.90 0.745 22.0 6 6.90 0.770 34.0

2　結(jié)果與分析

2.1試驗結(jié)果
　　①各種電解時間下的水中細(xì)菌總數(shù)和滅菌率與Cl-濃度的關(guān)系見圖2、3。
　　②各種Cl-濃度下的水中細(xì)菌總數(shù)和滅菌率與電解時間的關(guān)系見圖4、5。
　　③電解時水中產(chǎn)生的余氯見表2。

表2　電解時水中余氯的變化 Cl^-濃度(mg/L) 電解時間(s) 30 60 120 180 240 360 480 余氯量(mg/L) 4.5 0 0.01 0.03 0.07 0.1 0.1 0.1 9.0 0 0.01 0.1 0.1 0.1 0.2 0.2 15 0 0.03 0.1 0.2 0.2 0.2 0.25 22 0.05 0.1 0.25 0.4 0.6 1.5 3.0 34 0.07 0.1 0.4 0.6 1.0 2.0 3.5

　　　　　

　　

2.2分析與討論
　 ①Cl-濃度對滅菌效果的影響
　　從圖2、3可以看出，電解時間在一定范圍(60 s＜t＜180 s)時，隨著原水中Cl^-濃度的增加，處理后水中的活菌數(shù)量減少，提高了細(xì)菌去除率。但當(dāng)處理時間t＞180 s時，隨著氯離子濃度的增加，去除率增加并不明顯。
　　在本試驗條件下，若要滅菌效果達(dá)到細(xì)菌總數(shù)＜100 個/mL的生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，則要求水中Cl^-濃度＞15 mg/L。
　　由圖4可見，當(dāng)水中Cl-濃度為零時，細(xì)菌總數(shù)隨電解時間的變化是一條趨勢向下的波動曲線，說明在水的電解過程中同時也產(chǎn)生了其他具有滅菌性能的物質(zhì)。因此，水的微電解消毒是多種電解產(chǎn)物共同作用的結(jié)果，但以Cl-的消毒效果最為明顯。
　　②電解時間對滅菌效果的影響
　　從圖4、5可以看出，在Cl^-濃度一定的條件下，隨著電解時間增加，滅菌效果增大。
　　在本試驗條件下，當(dāng)水中Cl^-濃度＞15 mg/L時，若滅菌效果達(dá)到細(xì)菌總數(shù)＜100 個/mL的生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，則所需電解時間≥60 s。
　　③Cl^-濃度影響滅菌效果的化學(xué)原理
　　由電化學(xué)原理可知，當(dāng)外加電壓大于物質(zhì)的分解電勢時，就會在電極板上發(fā)生電極反應(yīng)。
　　當(dāng)［Cl^-］＞0 mg/L時，由于Cl₂/Cl-的析出電勢小于O₂/OH-的析出電勢，外加電壓是在15.0 V左右，由Nernst方程可知，水中氯離子的濃度越高，產(chǎn)生的氯氣量越大，即相應(yīng)的HClO量會越大，因此消毒效果會越好。由于產(chǎn)生的氯氣擴散需要一定的時間，這會導(dǎo)致水樣中的活菌數(shù)分布不均勻，致使0～60 s之內(nèi)的數(shù)據(jù)可比性較小。
　　④經(jīng)驗公式
　　經(jīng)整理得出微電解消毒時滅菌率的經(jīng)驗公式：
　　　　　　　e=1.0-exp(-k×c^m×tⁿ)　　(1)
　　式中e——滅菌率，%
　　c——氯離子濃度，mg/L
　　t——處理時間，s
　　k、m、n為經(jīng)驗參數(shù)，均與水質(zhì)(Cl-濃度除外)、極板間距、供電方式、電極材料等因素有關(guān)。
　　用試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，滅菌率經(jīng)驗公式可表示如下：
　　　　e=1.0-exp(-1.2×10⁴c^{0.587 1}×t^1.6865)
　　所得的相關(guān)系數(shù)r=0.995 95，可見試驗數(shù)據(jù)與經(jīng)驗公式具有較好的吻合性。在后續(xù)的試驗中對該公式進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明其具有較高的可靠性。
2.3存在的問題
　　①以上僅僅探討了水中氯離子濃度對消毒效果的影響，水中其他離子如氧離子、各種陰離子的影響尚需進(jìn)一步研究。
　　②微電解消毒過程中產(chǎn)生氯氣，在此條件下是否也會產(chǎn)生鹵代烷等消毒副產(chǎn)物，有待進(jìn)一步研究。

3　結(jié)論

　　①影響微電解消毒效果的因素較復(fù)雜，但水中電解產(chǎn)物的氯離子是微電解消毒法具有消毒效果的主要原因。
②采用電子法消毒，若滅菌效果達(dá)到細(xì)菌總數(shù)＜100 個/mL的生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，則水中Cl^-濃度≥15 mg/L，電解時間≥60 s。
　　③微電解消毒滅菌率與主要影響因素的關(guān)系可用如下經(jīng)驗公式描述：
　　　　e=1.0-exp(-1.2×10⁴c^{0.587 1}×t^1.6865)
　　④微電解消毒過程中會產(chǎn)生余氯，使微電解消毒具有持續(xù)滅菌能力。

參考文獻(xiàn)：

　　［1］傅金祥，等.居住區(qū)生活飲用水二次污染及防治對策研究［J］.給水排水，1998,24(7):55-59.
　　［2］張得勝，高廷耀，李國建，等.微電解水處理的實驗研究［J］.中國給水排水，1998,14(3)：5-7.［3］
　　G Patermarakes，E Fountouktdis.Disinfection of water by electrochemical treatment［J］.Water Research,1989,24(12)：119-124.
　　［4］曾抗美，史建福，劉桂華.電化學(xué)法進(jìn)行飲用水消毒研究［J］.中國給水排水,1999,15(8)：16-18.

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　　作者簡介：傅金祥(1955-)，男，遼寧昌圖人，沈陽建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程系教授，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師。研究方向為水處理理論與技術(shù)以及水資源可持續(xù)利用研究。
　　電　話：(024)24220619
　　E-mail:fujinxiang@china.com
　　收稿日期：2001-03-23