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(-1.2×104c0.5871 ×t1.6865),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。
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。
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×cm×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(-1.2×104c0.587 1×t1.6865)
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(-1.2×104c0.587 1×t1.6865)
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:
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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.
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
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