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不銹鋼水箱中水的電化學法處理

07-11 504

不銹鋼水箱中水的電化學法處理-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。
  
 

  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。

1.1 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

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+       ?。?)
  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
測試項目
Cl-/(mg·L-1) 40 42.1 40
pH 6.5 7.0 7.5
總鐵/(mg·L-1) 14.4 1.35 0.34
總硬度/(mg·L-1)(CaCO3) 247.2 217.2 219.2
電導率/(mS·cm-1) 0.750 0.732 0.729
HCO3-/(mg·L-1) 156 145 160
細菌總數/(個·L-1) 104 103 30
  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。
 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;
 ?、苎h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;
 ?、荻〞r用處理水沖洗小便池,消除了尿垢。

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