微电解消毒工艺的影响因素研究

傅金祥1，赵玉华1，范茂军1，张杰2

(1.沈阳建筑工程学院市政与环境工程系，辽宁沈阳110015；
2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090)

　　摘　要：研究和探讨了微电解消毒饮用水工艺中Cl-浓度和电解时间对消毒效果的影响规律和机理，认为微电解消毒的灭菌率与Cl-浓度和电解时间的关系符合经验公式：e=1.0-exp(-1.2×104c0.587 1×t1.686 5)，而电解产生的余氯具有持续消毒能力。为取得可靠的消毒效果，必须使待处理水中的氯离子浓度≥15 mg/L、所需电解时间≥60 s。
　　关键词：饮用水消毒；微电解；余氯
　　中图分类号：TU991.25
　　文献标识码：A
　　文章编号：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

　　国内外学者对微电解消毒工艺进行了一定的研究，但对其消毒机理尚缺少深入系统的认识，至今尚未见到对其影响因素的研究报道^［1～4］。因此，拟从Cl-浓度和电解时间两方面探讨其对微电解消毒效果的影响，为微电解消毒工艺的开发与应用提供依据。

1　试验装置与方法

1.1　配水及菌种
　　试验用水依据沈阳市第三水厂7号井的水质进行配制(与实际水样相比，仅有Cl-浓度不同)，即在二次蒸馏水中加入Fe₂(SO₃)₂、KNO₃、MgSO₄、Ca(HCO₃)₂、Na₂SO₄调节水质，然后用NaCl溶液配制不同氯离子浓度的水样。
　　菌种取自沈阳市第三水厂未经处理的地下水、经培养获得的混合菌，其中主要有枯草菌、黄葡萄球菌、霉菌、大肠杆菌等。试验用水的细菌总数控制在2 500个/mL左右。
1.2　试验装置
　　试验装置见图1。阴极采用0Cr18Ni9Ti卫生级不锈钢材料，阳极为钌—钛活性复合材料制成，极板间距和直流电源的电压、电流均可调。

1.3试验方案
　　试验目的在于通过改变水中Cl-浓度和电解时间，研究其对微电解灭菌效果的影响规律。
　　试验用水中Cl-浓度见表1。其他试验条件为：
　　电流密度i=4.0mA/cm²；
　　极板间距d=2.0 cm；
　　微电解时间为0～480 s；取样间隔为30 s。
　　细菌总数采用标准平板记数法测定，水样中余氯采用比色法测定。

表1　试验水质 试验序号 pH值 电导率(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　结果与分析

2.1试验结果
　　①各种电解时间下的水中细菌总数和灭菌率与Cl-浓度的关系见图2、3。
　　②各种Cl-浓度下的水中细菌总数和灭菌率与电解时间的关系见图4、5。
　　③电解时水中产生的余氯见表2。

表2　电解时水中余氯的变化 Cl^-浓度(mg/L) 电解时间(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分析与讨论
　 ①Cl-浓度对灭菌效果的影响
　　从图2、3可以看出，电解时间在一定范围(60 s＜t＜180 s)时，随着原水中Cl^-浓度的增加，处理后水中的活菌数量减少，提高了细菌去除率。但当处理时间t＞180 s时，随着氯离子浓度的增加，去除率增加并不明显。
　　在本试验条件下，若要灭菌效果达到细菌总数＜100 个/mL的生活饮用水卫生标准，则要求水中Cl^-浓度＞15 mg/L。
　　由图4可见，当水中Cl-浓度为零时，细菌总数随电解时间的变化是一条趋势向下的波动曲线，说明在水的电解过程中同时也产生了其他具有灭菌性能的物质。因此，水的微电解消毒是多种电解产物共同作用的结果，但以Cl-的消毒效果最为明显。
　　②电解时间对灭菌效果的影响
　　从图4、5可以看出，在Cl^-浓度一定的条件下，随着电解时间增加，灭菌效果增大。
　　在本试验条件下，当水中Cl^-浓度＞15 mg/L时，若灭菌效果达到细菌总数＜100 个/mL的生活饮用水卫生标准，则所需电解时间≥60 s。
　　③Cl^-浓度影响灭菌效果的化学原理
　　由电化学原理可知，当外加电压大于物质的分解电势时，就会在电极板上发生电极反应。
　　当［Cl^-］＞0 mg/L时，由于Cl₂/Cl-的析出电势小于O₂/OH-的析出电势，外加电压是在15.0 V左右，由Nernst方程可知，水中氯离子的浓度越高，产生的氯气量越大，即相应的HClO量会越大，因此消毒效果会越好。由于产生的氯气扩散需要一定的时间，这会导致水样中的活菌数分布不均匀，致使0～60 s之内的数据可比性较小。
　　④经验公式
　　经整理得出微电解消毒时灭菌率的经验公式：
　　　　　　　e=1.0-exp(-k×c^m×tⁿ)　　(1)
　　式中e——灭菌率，%
　　c——氯离子浓度，mg/L
　　t——处理时间，s
　　k、m、n为经验参数，均与水质(Cl-浓度除外)、极板间距、供电方式、电极材料等因素有关。
　　用试验数据进行拟合，灭菌率经验公式可表示如下：
　　　　e=1.0-exp(-1.2×10⁴c^{0.587 1}×t^1.6865)
　　所得的相关系数r=0.995 95，可见试验数据与经验公式具有较好的吻合性。在后续的试验中对该公式进行了验证，结果表明其具有较高的可靠性。
2.3存在的问题
　　①以上仅仅探讨了水中氯离子浓度对消毒效果的影响，水中其他离子如氧离子、各种阴离子的影响尚需进一步研究。
　　②微电解消毒过程中产生氯气，在此条件下是否也会产生卤代烷等消毒副产物，有待进一步研究。

3　结论

　　①影响微电解消毒效果的因素较复杂，但水中电解产物的氯离子是微电解消毒法具有消毒效果的主要原因。
②采用电子法消毒，若灭菌效果达到细菌总数＜100 个/mL的生活饮用水卫生标准，则水中Cl^-浓度≥15 mg/L，电解时间≥60 s。
　　③微电解消毒灭菌率与主要影响因素的关系可用如下经验公式描述：
　　　　e=1.0-exp(-1.2×10⁴c^{0.587 1}×t^1.6865)
　　④微电解消毒过程中会产生余氯，使微电解消毒具有持续灭菌能力。

参考文献：

　　［1］傅金祥，等.居住区生活饮用水二次污染及防治对策研究［J］.给水排水，1998,24(7):55-59.
　　［2］张得胜，高廷耀，李国建，等.微电解水处理的实验研究［J］.中国给水排水，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，刘桂华.电化学法进行饮用水消毒研究［J］.中国给水排水,1999,15(8)：16-18.

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　　作者简介：傅金祥(1955-)，男，辽宁昌图人，沈阳建筑工程学院市政与环境工程系教授，工学博士，硕士生导师。研究方向为水处理理论与技术以及水资源可持续利用研究。
　　电　话：(024)24220619
　　E-mail:fujinxiang@china.com
　　收稿日期：2001-03-23