成都帝睿工装公司

不锈钢水箱中水的电化学法处理

07-11 55

不锈钢水箱中水的电化学法处理-利用研制的电极电解水产生强氧化剂,进行杀灭微生物、除铁改善水箱中水质的实验。结果表明,水流单程通过处理,杀菌率>99%,电耗≤0.1kWh/m3;除铁率>99%,电耗≤0.08kWh/m3。通过检测水中溶解氧含量的变化确认杀藻效果。循环处理水箱中的水,水中总铁含量从14mg/L降至≤0.3mg/L,细菌总数从104个/mL降至≤30个/mL。用处理后的水冲洗小便池,消除了尿垢。
  
 

  随着社会经济的发展和生活水平的提高,城市居民对用水质量的要求日益增高,但工业化生产排放的废水对水源的污染也越来越大。按传统的自来水处理方法,只有增大加氯的剂量。由于水中有机物含量增加,这样做难免会产生“三致”物质。而且,即使投入更多的氯,也难以保证在管道末梢的余氯值大于0.05mg/L,往往发现建筑物的供水管道和屋顶水箱中细菌和藻类滋生的现象。微生物分泌的粘液吸附水中杂质,淤积在管壁上形成粘泥层,增加对水流的阻力;在粘泥覆盖下,管道表面因贫氧形成浓差电池,引起管壁锈蚀,使流出的水发黄带铁腥味。对此,我们在实验的基础上,在建筑物的水箱处增加一级电化学水处理,可以起到杀菌、杀藻、除铁的作用,有效地改善了水质。该方法不需添加化学药剂,无二次污染,可以根据水质调节用电量。

1.1 作用机理
  根据电解的原理,研制的阳极,以钛板或钛棒为基体,用高温热解氧化法在表面生成含铱等贵金属氧化物的涂层。该电极在电解过程中自身不溶解,催化产生具有极强杀生能力的活性物质,如OH自由基、初生态O、H2O2和O3等活性氧;水中存在的氯离子,被激活成ClO2、HClO、ClO-等活性氯协同杀菌。微生物表面带负电,在电场力的作用下向阳极迁移。电极与水的界面存在的双电层电场强度较高,如微生物被电场吸引或随水流冲进双电层,会因触电致死,用电杀菌具有广谱性的杀菌效果,不会产生耐药性;产生的H2O2和余氯赋予水体持续抑菌的能力。
1.2 实验装置和实验方法
  根据上述工作机理,研制出杀菌灭藻电水处理器,有平板型和圆柱型两种型式,结构如图1所示。阳极采用有表面涂层的钛板或钛棒,阴极采用不锈钢。水流从处理器的下部流入,上部流出,额定流量为1m3/h。两种形式处理器的阳极面积相同,平板型耗电量较低,圆柱型强度较高。检验杀菌效果的组合实验装置如图2所示,水箱容积1.0m3带搅拌器;水流由离心式水泵提供,用流量计控制流量。 
  实验用水为配水,自来水经活性炭过滤后流入水箱,加人自行培养的细菌并搅拌均匀,原水细菌总数在106个/mL左右。过滤水经邻联甲苯胺方法比色确认无余氯。培养菌种从自来水中采取。
  水流一次通过处理器,在处理器进、出口处用无菌瓶取水样,立即检测,用标准平皿法37℃培养48h后计算细菌总数。
1.3 实验结果与讨论
  水流单程通过处理,消耗的电功率与杀菌效果的关系如图3所示。由图3可见,很小的电功率即可产生杀菌效果,随着电功率的增大,杀菌率迅速提高,在电功率50W左右杀菌率达到99%以上,折合成每立方米水耗电0.05kWh。如果采用循环处理的方法,使处理器中没有耗尽的杀菌性活性物质在管道和水箱中继续起作用,可以节约更多的电能或处理更多的水量。

 2 杀藻实验用水取自池塘水,pH7,水中藻类总量约1.8×105个/mL,种类为绿藻(小球藻、栅列藻等),也有蓝藻(螺旋藻、微囊藻等)。实验在图2所示的实验装置上进行,原水注入水箱后搅拌均匀。水流量0.5m3/h,电流密度2-6mA/cm2。水流单程通过处理器,在出水口处取水样检测处理效果。因为处理后死藻的叶绿素短期不褪色,显微镜下无法直接判断藻体死活,所以采用监测水中溶解氧浓度变化的方法判断杀藻效果。藻类白天因光合作用产生氧气使水中溶解氧含量增高,晚上则呼吸消耗溶解氧。
  在处理器的出水口取水样,分别盛于500mL的有塞广口瓶中,静置于室内朝阳的桌上,定期测定水中溶解氧。实验结果如图4所示。图中显示,未经处理的水样溶解氧浓度昼夜波动大于3mg/L,而灭藻后的水样溶解氧浓度不断降低,之后趋于不再变化,这表明藻类因光合作用功能的丧失而逐渐死亡。死藻一方面不产生氧气,另一方面残存的呼吸作用消耗水中的氧。

 3 除铁

3.1 作用机理
  根据氧化加过滤的方法去除水中铁离子。采用不溶性电极电解水时,阳极生成氧气,阴极产生氢气。阳极反应首先产生初生态O,然后结合成O2。电解水产生的初生态O具有较强的氧化能力,把阳极区内的Fe2+迅速氧化成低溶解度的时;生成的O2使溶解氧增加,根据式(1)的反应将水体中的Fe2+氧化成Fe3+,Fe3+水解形成Fe(OH)3;固体颗粒,可以通过过滤去除。
    4Fe2++O2+10H2O=4Fe(OH)3+8H+        (1)
  每氧化1mg二价铁约需0.14mg溶解氧。水中Fe2+的氧化反应速度可由式(2)表示:式中k1为反应速度常数。阴极电解产生1mol氢气的同时,会生成2mol的OH-,根据式(2)可以加快氧化速度。同时,用不溶性的阳极电解水,能产生大量直径小于20μm的微气泡。微气泡具有较大的比表面能,能将水中胶体集聚成较大的絮状颗粒,促使过滤过程顺利进行。
  综合上述,电化学方法具有强氧化能力,产生的气泡能将分散的微粒集聚起来,改善后续过滤工艺的条件。
3.2 实验装置和方法采用实验装置。过滤器的滤料为直径0.5-1.0mm的石英砂,滤层厚700mm。实验用水为城市旧管道系统流出的自来水,总铁含量平均4.0mg/L。水流从龙头流出后,顺次单程通过流量计、处理器和过滤器后排出。
  在处理器进水口和过滤器出水口处取水样,采用二氮杂菲—分光光度法检测水中总铁。
3.3 实验结果和讨论
  水流单程通过处理器,施加的电功率与除铁率的关系如图5所示。由图可见,较小的电功率即有除铁效果,随着电功率增大杀菌率迅速提高,在功率80W左右杀菌率已经达到99%以上,此时折合成每立方米水耗电0.88kWh。如果采用循环处理的方法,让在处理器中没有耗尽的溶解氧在水箱中继续起作用,可以节约更多的电能或处理更大量的水。

 4 实用实验

  某大楼的20m3水箱,由于进水管道被腐蚀引起水体发黄,为解决此问题实施了除铁循环水处理,即用泵从水箱中抽水,送人处理装置处理后,再返送回水箱。处理的水流量为1~2.5m3/h;电流6-16A;石英砂滤层的直径500mm、厚度700mm。处理过程中,水箱的进水和出水保持使用状态,日用水量约60m3。在出水口取水样检测水质,结果列于表1。
表1 水箱水处理结果
测试项目
Cl-/(mg·L-1) 40 42.1 40
pH 6.5 7.0 7.5
总铁/(mg·L-1) 14.4 1.35 0.34
总硬度/(mg·L-1)(CaCO3) 247.2 217.2 219.2
电导率/(mS·cm-1) 0.750 0.732 0.729
HCO3-/(mg·L-1) 156 145 160
细菌总数/(个·L-1) 104 103 30
  显示,经过5d的处理,水质指标中的硬度、碱度和Cl-等基本不变,pH值增高,而含铁量大大降低,水中的细菌基本被杀灭。处理7d后乃至连续运行数月,尽管水箱进水口处水中总铁含量>4.5mg/L,出水已处的总铁量保持低于0.3mg/L。出水透明清洁,取样装入玻璃瓶放在窗台向阳处1星期无藻类繁殖。同时,水中的含锰量也被降低,与此有关的研究结果另行报道。同时,电化学处理杀灭了水中的微生物,将余氯提高到0.05mg/L以上,抑制了铁细菌和硫磺菌的繁殖,因此减少了后续管道中的污垢,防止了管道被腐蚀。
  经过一段时间运行后,过滤器的滤层会被拦截下来的铁泥堵塞,使出水流速降低,为此定期对过滤器进行了反冲洗,以恢复正常使用。每立方米水处理的耗电量约0.02kWh。
5 消除尿垢
5.1 尿垢形成
  公共洗手间的小便池,如果不及时冲洗会产生黄色的尿垢。取下垢片分析成分,发现其中主要含碳酸钙、磷酸钙等元机盐和10%左右的有机物。图6为小便池水中的细菌总数与pH的关系。
 可见,便池水中细菌总数与pH值线性相关,细菌增加pH值上升。由此推断,细菌的繁殖是产生垢的原因。在微生物作用下尿素分解反应如式(3)和式(4)所示:
    CO(NH2)+H2O→2NH3+CO2(3)
    NH3+H2O→NH4++OH-(4)
  分解反应产生的CO2和部分氨挥发到大气中去,余下的氨水解生成NH4+和OH-。OH-使pH值上升,引起碳酸盐和磷酸盐沉淀,细菌繁殖产生的粘性物质将沉淀物粘附在池壁上,形成黄色的尿垢。已经形成的垢层是微生物的良好栖身之地,自身加速增厚。

5.2 除垢实验
  基于上述分析,进行了消除尿垢的实验。某大楼中的洗手间有4个陶瓷的小便池,小便后人工按下龙头上的开关放水冲洗。每天上下班和午休时用经过电解法处理过的水,冲洗选定的两个隔开的便池,每次每个便池用水5L左右,有加晚班的日子,晚上10时增加冲洗1次。为了加强作用效果,适当选用了较大的电功率。当地自来水中平均含有50mg/L左右的Cl-,经过电处理约含活性氯1.5mg/L。1个月后,未用处理水冲洗的小便池池壁发黄,可以刮下一层尿垢,而经过冲洗的小便池基本保持清洁。由此推想,如果将处理装置安放在洗手间的小水箱处,定时处理冲洗水,可以提高洗净效果;如果便后用处理水洗手,比用自来水消毒效果更好。

6 总结

  进行了用电化学方法杀灭微生物、消除黄水现象等提高水箱中自来水水质的实验,主要得到以下结果。
  ①水流单程通过处理,杀菌率>99%,电耗≤0.1kWh/m3;
  ②水流单程通过处理,除铁率>99%,电耗≤0.08kWh/m3;
  ③通过检测水中溶解氧含量的变化确认杀藻效果;
  ④循环处理水箱水,使水中总铁含量从14mg/L降至≤0.3mg/L,细菌总数从104个/mL降至≤30个/mL,电耗0.02kWh/m3;
  ⑤定时用处理水冲洗小便池,消除了尿垢。

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