周克釗1，王志宏1，李彥春1，陳為莊1，鄧宇2
(1.中國市政工程西南設計研究院，四川成都610081；2.成都漢宇制藥設備廠，四川成都610081)

　　中圖分類號：TU991.2 
　　文獻標識碼：D 
　　文章編號：1000-4602(2001)05-0074-03

　　飲用水的安全性已經越來越令人擔憂，解決這一敏感問題的根本措施在于水源污染控制和水廠深度處理，但皆難以在短期內實現。小區分質供水是目前最經濟、最可靠、最方便的方法，同時也是節水的有效措施。

1　工作原理

　　電解催化凈水設備根據電化學反應和催化反應原理，并輔以過濾對飲用水作深度處理，其流程見圖1。

　　該設備一般包括電解槽、消毒器、催化器和后過濾器。電解槽由隔膜分為陽極區和陰極區，電解槽兩端的兩個電極板分別連接著直流電源的兩極。進水依次流過電解槽陽極區、消毒器、催化器、電解槽陰極區和后過濾器，并可根據需要在適當位置設置提升泵和流量計。進水一般采用自來水，若采用未經處理的原水，則須增加預過濾以去除進水中的懸浮雜質。
　　在陽極區，利用陽極和電解產生陽離子的氧化作用和陽極貴金屬的催化作用迅速直接氧化破壞細菌和病毒的組成物質而殺死之，并氧化分解有機雜質和無機還原性雜質(包括酚、甲醛、有機磷、有機金屬化合物、硫化物等)，同時產生活性氯等氧化劑。陽極區的酸性環境還可去除堿性雜質，電場作用可脫穩并凝聚膠體雜質。
　　在消毒器中，保持足夠的消毒時間，活性氯等氧化劑繼續消毒和氧化分解有機雜質。
在催化器中，利用碳錳催化劑迅速分解活性氯等氧化劑，產生氧化能力較強的自由基，繼續強化消毒和深度氧化分解有機雜質。
　　在陰極區中，利用陰極和電解產生陰離子的還原作用，進一步去除消毒過程中可能產生的氧化性雜質，防止有機鹵代物的產生，改善飲用水的生物學指標，并去除重金屬離子。陰極區的堿性環境還可去除酸性雜質，水解去除有機雜質(包括氨基化合物和腈類等)、重金屬和多余的硬度，電場作用可繼續脫穩并凝聚膠體雜質。
　　最后通過后過濾器去除水中濁度，包括處理過程中產生的懸浮物。
　　電解催化凈水設備的技術關鍵在于隔膜式電解槽和碳錳催化劑。顯然，如果電解槽的陽極區和陰極區發生摻混，則兩區的功能會互相抵消。電解催化凈水設備利用隔膜分區，發揮了兩區的不同功能，保證了處理效果。該設備獨特的陰極區處理，還原去除活性氧，防止有機鹵代物的產生，改善飲用水的生物學指標。其所采用的高效催化劑，則大大增強了消毒和氧化分解有機雜質的能力。
　　由于以上技術特點，即使進水的細菌總數和大腸菌數超標100倍，出水依然達標；即使進水含酚超標100倍，出水依然達標。
　　電解催化凈水設備的結構簡單、價格低、維護量少、電耗較小，因此其成本得到了大幅度降低。

2　去除亞硝酸鹽效果

　　于2000年1月—3月在成都龍泉進行了電解催化凈水設備去除亞硝酸鹽試驗，運行穩定后的數據摘要于表1。

　　 試驗流量皆為160 L/h，數據按電流從小到大排列。由表1可以清楚地看出，處理效果隨電流的增加而改善，若電流不足，即使氯離子增加，也仍然不能滿足嚴格的出水亞硝酸鹽要求。由此可見，氯離子本身并不是處理效果的控制因素，一定流量下的電流才是根本的控制因素。達到7 A以上電流是處理效果的關鍵，其出水可以滿足處理的嚴格要求，否則，即使達到6.9 A，且原水濃度降低幾乎一半，也不能滿足處理的嚴格要求。
　　由表1可見，電解催化凈水設備具有極優的去除亞硝酸鹽的能力，在適當的運行參數下能夠使出水亞硝酸鹽氮濃度＜0.8 μg/L，相當于亞硝酸根濃度＜2 μg/L，這已經達到反滲透處理的純凈水的標準。
　　適宜的運行參數為：
　?、僭畞喯跛猁}氮濃度上限為0.6 mg/L左右；
　?、?60 L/h的流量、電流為7 A以上，耗電量約為4.4(kW·h)/m³。
　　電解催化凈水設備去除亞硝酸鹽的機理，可能是亞硝酸根在電解槽的陽極區、消毒槽和催化器中被陽極、有效氯或自由基氧化為硝酸根。至于硝酸根在陰極區是否被還原為氮氣，有待進一步考察，但出水水質證明硝酸根肯定未被重新還原成為亞硝酸根。

3　電流、電壓和電阻

　　試驗運行于2000年1月—12月，在成都龍泉、青羊宮和洞子口進行。試驗發現，原水礦化度對設備電流的影響很大，原水為地下水的洞子口的電流最大，而原水為由地面水制成自來水的龍泉和青羊宮的電流較?。辉囼炛腥幍碾妷航咏@是因為設備電壓一直開在最大，并未有意調節電壓；原水礦化度對設備電阻的影響同樣很大，地下水的洞子口的電阻最小，自來水的龍泉和青羊宮的電阻較大。同一原水的電阻波動是由于陰極和膜結垢引起的，垢越厚則電阻越大，清洗后則電阻減小。另外，剛開機時電阻也會大一些。
由于龍泉自來水、青羊宮自來水和洞子口地下水的電流分別為5、3和10 A，流量皆為160 L/h，電壓皆為70 V，所以電解槽功率分別為350、210和700 W，再加上提升泵的功率200 W，則設備總功率分別為550、410和900 W，耗電量則分別為4.4、3.3和7.1 (kW·h)/m³。值得注意的是，設備的耗電量還應有較大的壓縮空間。另外，通過壓縮電解槽的極板距離，可以在同樣電流下降低設備的電壓，從而進一步壓縮耗電量。

4　處理效果

　　試驗詳細考察了設備進、出水的氧化還原電位、pH值、高錳酸鉀指數、硬度和碳酸氫根的變化情況(見表2)。

　　 原水經過電解催化凈水設備處理，氧化還原電位有所降低，其原因應該是原水中的氧化劑(如余氯等)在設備的催化器和電解槽的陰極區內分別被催化分解和還原去除，而且原水中的溶解氧被陰極區中的大量微細氫氣泡帶走。由于出水的氧化還原電位并不是很低，所以出水中應該沒有還原劑。
　　電解催化凈水設備能夠降低原水的氧化還原電位這一事實，證實了該設備可以去除水中的氧化劑，包括致癌的活性氧或自由基，從而提高了飲用水的生物學性能。
　　設備出水的pH值有所提高，但仍在《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—85)的范圍以內，這不僅有利于健康，而且有助于去除原水中的重金屬和部分硬度。
　　試驗期間，設備進、出水的高錳酸鉀指數大部分在1 mg/L以下，遠遠低于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—85)的限制，用標準化驗方法已經無法準確檢出。出水的高錳酸鉀指數略有升高，原因也許是去除了原水中的氧化劑，如余氯等。
　　設備出水的硬度和碳酸氫根皆有所降低，這是由于出水的pH值提高所引起的。
　　電解催化凈水設備可以去除多余的鈣，但去除量并不大，不至于影響飲用水的有益礦物質的含量。根據青羊宮試驗的兩次測定進、出水中鈣離子的數據，進水鈣離子分別為35和36 mg/L，出水鈣離子分別為35和31 mg/L，最大的去除率僅為11%。
　　2000年11月，將電解催化凈水設備的進、出水委托華西醫科大學公共衛生學院進行了Ames試驗，出水未檢出致突變性。
　　由表2可以看出，陽極出水的氧化還原電位與進水相比，有非常顯著的提高，這是陽極區強烈氧化的結果。經過催化以后，氧化還原電位有顯著的下降，但仍顯著高于進水，這是由于催化劑分解了陽極出水中的大部分氧化劑。經過陰極處理以后，氧化還原電位又有顯著下降，已經低于進水，這是陰極還原的效果。
　　由表2還可以看出，陽極出水的pH值較進水有所下降，這是由于陽極上有氧氣逸出，使得陽極區水中氫離子濃度增加引起的。經過催化以后，pH值繼續下降，這應該是催化分解氧化劑引起的。經過陰極處理以后，pH值有很大提高，顯著高于進水，這是由于陰極有氫氣泡逸出，使陰極區水中氫離子濃度降低所致。
　　高錳酸鉀指數在流程中變化不大，皆低于0.5 mg/L，此時用標準方法已不可能測出，這里是采用分光光度法測定的。 
　　硬度和碳酸氫根在流程中變化皆不大，出水略低于進水，這應該是pH值提高引起的。

5　結論

　　小區規模的電解催化飲用水凈化成套設備的出水滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—85)的要求；出水亞硝酸鹽氮濃度＜0.8 μg/L，已經達到反滲透處理的純凈水標準，具有良好的去除亞硝酸鹽的能力；出水氧化還原電位有所降低，證實了其去除水中氧化劑(包括活性氧或自由基)的能力，從而提高了飲用水的生物學性能；出水pH值有所提高，不僅有利于健康，而且有助于去除原水中的重金屬和部分硬度；進、出水高錳酸鉀指數皆很小，且變化不大，未能證實其去除有機物的能力；出水的堿度、硬度和碳酸氫根皆有所降低，但鈣的最大去除率僅為11%，不至于影響飲用水的有益礦物質的含量；出水Ames試驗未檢出致突變性。因此，電解催化凈水設備初步達到了一定的處理效果。
　　運行實驗中也發現不少問題，有待改進。設備流程中水質的變化情況有待進一步長期監測，并加強對直接影響水質的水中微量有機物質的化驗分析。
　　電解催化凈水設備是一種采用物理和化學方法處理飲用水的新技術、新設備，有著獨特的凈水機理和效果，值得進一步深入研究，并需在長期生產運行中不斷改進。

參考文獻：
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電　話：(028)3311862
收稿日期：2001-03-21