電化學消毒產氯特性及消毒效果研究

張琳 劉文君 黃凱鋒 張向誼
（清華大學 環境科學與工程系 100084）

摘要：研究了電化學消毒的產氯特性及其消毒效果，并初步探討了電化學消毒的機理。研究結果表明：當原水中細菌總數較低時，產氯濃度與時間具有較好的線性關系；原水中氯離子濃度為9.72mg/L時即可發生電解產氯的反應，產氯速度隨氯離子濃度的增加而加快。當原水中細菌總數高達10⁶cfu/mL時，30分鐘內可達到3個log以上的滅活率；對于含有一定濃度氯離子（＞9.72mg/L）的含菌水，電化學消毒過程中，起主要滅活作用的是電解產生的余氯。

關鍵詞：電化學消毒；余氯；電解；CT值

Study of Chlorine Generation and Disinfection Effect by Electrolyzing Equipment

Zhang Lin, Liu Wenjun, Huang Kaifeng, Zhang Xiangyi
（Tsinghua University　 Department of Environmental Science and Engineering 100084）

Abstract: Chlorine Generation and disinfection effect of electrochemical disinfection was studied, and the disinfection mechanism was discussed. It was found that when total bacterial number in water was low, chlorine residual produced increased linearly with electrolyzing period; when chloride ion concentration was as low as 9.72 mg/L, electrolyzing reaction was available with chlorine being produced. When total bacterial number was about 10⁶ cfu/mL, inactivation rate in 30 minutes was higher than 3-log. If there was certain level of Cl^-（＞9.72mg/L） in bacterial-containing water, chlorine produced by electrolyzing was the main factor in inactivation.

Key words: electrochemical disinfection ; chlorine residual; electrolyse; CT value

　　為了抑制水中殘余細菌的再度繁殖和防止輸送過程中的微生物的再次污染，管網中尚需維持少量剩余氯。然而，越來越多的研究證實，即使出廠水微生物學指標合格，且管網中維持足夠多的余氯，如果出廠水含有足夠多的生物可降解有機物，細菌仍然會在給水管網內再度繁殖^[1-3]。在靠近用戶端如地下水池、屋頂水箱對給水進行二次消毒，能實現給水細菌學指標的終端控制，對于國內管線長而復雜、水箱使用普遍的情況，二次消毒無疑具有較好的發展前景。持續的二次消毒方式有紫外線消毒、自動投加消毒劑消毒、電化學消毒等^[4-6]。電化學消毒無需投加化學藥劑，有較強的滅菌效果和持續消毒能力，安全方便。本文在實驗室規模研究了其產氯性能、滅菌效果，并初步探討了其滅菌機理。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置
　　實驗裝置如圖1（日本三洋公司提供），由水箱、電解槽、控制設備（圖中未畫出）組成。水箱容積約20L，水箱中水由泵打入電解槽進行電解，然后回流到水箱構成循環。左右兩個在線余氯計分別測定水箱水和進入電解槽的水的余氯。控制設備與電解槽端的在線余氯儀連接，通過設定余氯的下限和上限控制電解槽的工作：打開電解開關，則進入電解槽的水中余氯濃度低于設定的下限值時電解槽開始工作，隨電解的進行，余氯濃度不斷增加，當達到設定的上限值時，電解槽自動停止工作。設備工作電壓100V，電解槽工作時設備功率一般在150W左右，電解槽不工作時設備功率100W左右（循環泵消耗功率）。

圖1 電解產氯設備的工藝流程圖
Fig. 1 Schematic diagram of the electrolyzing equipment

1.2 試驗水樣
　　實驗用水為清華大學校內自來水（地下水），以及用去離子水加氯化鈉配制的不同氯離子濃度的水。菌種為E. coli（編號1.3373）及用清華大學校河水培養的雜菌。配制濃度為10⁴~10⁶cfu/mL。
1.3 試驗方法
1.3.1 產氯性能研究
　　以自來水為原水進行電解。電解開始后，用秒表計時，通過在線余氯儀讀取產氯濃度，觀察電解時間與產氯濃度的關系；用去離子水和分析純氯化鈉配制不同氯離子濃度的水進行電解，分別作出余氯-時間曲線。
1.3.2 滅菌效果研究
　　向自來水中加入活化好的菌種后進行電解，在不同時間取樣，部分用于余氯濃度的精確測定，部分存放到加了足量終止劑（Na₂S₂O₃）或未加終止劑的無菌瓶，用于細菌總數的測定。滅菌率可以表示為：

式中，N表示微生物濃度，N₀為初始微生物濃度。

　　原水中氯離子濃度用硝酸銀容量法和離子色譜法測定。余氯采用HACH-5870000余氯袖珍比色計測定，細菌總數采用平板計數法測定。

2 試驗結果與分析

2.1 電解產氯設備的產氯效果
　　表1是電解所產生的余氯濃度與電解時間的關系。可以看出，隨電解時間的增加，余氯濃度不斷增大，直到達到設定的上限值。分別用實驗1和實驗2的余氯達到上限值（穩定值）之前的數據作散點圖，得到的曲線近似于直線，二者的相關系數分別為0.9972和0.9965。但是它們的斜率相差較大，分別為232和318，說明設備的產氯效率存在一定的波動。另外，對兩條曲線添加的趨勢線均不通過原點，這是因為電解開始時有一個逐漸達到穩定的過程。這也可由表中數據明顯看出：余氯才由0增加到0.1mg/L，所用時間均超過1分鐘，但在這之后，余氯每增加0.1mg/L所用時間均不到1分鐘。

余氯濃度和電解時間的關系（[Cl-]=17.5mg/L）　　　　　 表1
Relation between chlorine produced and electrolyzing period （[Cl-] =17.5mg/L）Tab. 1

　　圖2a是以去離子水和氯化鈉配制的不同氯離子濃度原水為電解液得到的產氯濃度-電解時間曲線，圖2b是相應的設備功率。從中可以看出原水中氯離子濃度對設備產氯效果的影響。由圖可知，電解液中氯離子的濃度達9.72mg/L時即可發生電解產氯的反應。產氯速度隨電解液中氯離子濃度的增加而加快，這是由于電化學反應速度與電流密度成正比，因而與電解質濃度有正相關關系^[12]。另一方面，氯離子濃度越低，電解過程功率越大，耗電越多。因為電解質NaCl濃度越低，系統的電阻越大，故電耗也越大。

圖2a 氯離子濃度對產氯的影響
Fig. 2a Effect of chloride ion concentration on chlorine production

圖2b 氯離子濃度對設備功率的影響
Fig. 2a Effect of chloride ion concentration on operation power

2.2電解產氯消毒設備的滅菌效果
　　圖3a和圖3b分別是電化學消毒對雜菌和E.coli的滅活情況。

圖3a 電解產氯消毒設備對雜菌（HPC）的滅活效果（[Cl-]=17.5mg/L）
Fig. 3a Inactivation effect on HPC by the electrolyzing equipment （[Cl-] =17.5mg/L）

圖3b 電解產氯消毒設備對E. coli的滅活效果（加終止劑； [Cl-]=17.5mg/L）
Fig. 3b Inactivation effect on E. coli by the electrolyzing equipment （with terminator added; [Cl-]=17.5mg/L）

　　圖3a的兩條曲線對應的原水所含雜菌濃度在同一個數量級，均為10⁶cfu/mL，氯離子濃度均為17.5mg/L。不同的是，所用的取樣瓶一個加入了足量的終止劑NaS₂O₃，一個沒有加終止劑。終止劑的作用在于，將取得的水樣中可能含有的余氯消耗掉，防止其繼續與水樣中未被滅活的細菌作用。由圖可知，未加終止劑所得到的滅活率明顯高于加了終止劑所測得的滅活率。這說明電解產氯消毒具有持續的消毒作用。以加了終止劑所得的滅活曲線為準，由圖可得，30分鐘以內，滅菌率隨電解的進行不斷增大；對于雜菌濃度為10⁶cfu/mL，氯離子濃度為17.5mg/L的原水，循環電解20分鐘，可以實現接近3log的滅活率。
　　 自來水中投加了菌種后再開始電解，余氯濃度上升速度明顯減慢，對于用自來水配制的初始細菌濃度為10⁶的電解液，多次實驗結果是，余氯濃度由0上升為0.1 mg/L 的時間為5~30分鐘，30分鐘后余氯的濃度為0.1~1.0mg/L（圖3b）。比較前面的余氯濃度和電解時間的關系，可知余氯在產生的同時快速地消耗，伴隨著明顯的滅菌效果。
　　 比較圖3a和圖3b，可知設備對E. coli的滅活速度更快，效果更好。2分鐘時的滅活率超過3log，10分鐘時滅活率達4.8log。過程中余氯的上升也更快了，2分鐘后幾乎呈直線上升，12分鐘時余氯值為1.6mg/L。說明E. coli對余氯的消耗比雜菌少。可能是因為雜菌中含有多種細菌，其中有些細菌對余氯的抵抗性強。
2.3 電解產氯消毒的機理探討
　　比較表1和圖2b中的余氯隨時間的變化，不難看出，向自來水中加入一定濃度的雜菌后，余氯的表觀濃度的上升明顯變慢了，說明加入的雜菌對電解所產生的余氯有較大的消耗，反過來也說明電解消毒過程中，電解所產生的余氯發揮著重要的作用。

圖4 不同消毒方式對雜菌（HPC）滅活效果比較
Fig. 4 Comparison of inactivation effect on HPC between different disinfection methods

　　比較圖4中電解產氯消毒和直接加氯消毒（30分鐘的CT值與電解產氯消毒30分鐘的CT值相同），可以發現，當總的CT值基本相同時，電解產氯消毒與直接加氯消毒的最終效果相當，說明電解產氯消毒過程中，起主要作用的是電解所產生的余氯。直接加氯消毒的效果在開始的時候明顯比電解產氯消毒效果好，因為前者的余氯值由最大值不斷下降，而后者的余氯值由0不斷上升，開始時前者比后者CT值大的多；隨時間的增加，二者CT值均在上升，但比較電解產氯消毒過程，直接加氯消毒過程中CT的上升顯然要更慢，于是二者的CT值差距不斷減少，直至基本相同。相應地，比較直接加氯消毒和電解產氯效果，前者在開始的時候明顯比后者好，隨后差距逐漸減小，最后基本達到一致。
　　 比較圖4中電解產氯消毒和電解不產氯消毒（氯離子濃度為0），前10分鐘內二者的滅菌效果相當；10~20分鐘內，電解產氯消毒的效果好于電解不產氯消毒，但25分鐘以后，后者的消毒效果反而更好。電解不產氯消毒實驗過程中，發現水中出現大量氣泡，另外水溫有明顯上升，初始時為20度左右，半小時試驗結束后，排水過程中發現水溫超過30度。引起細菌滅活的因素，可能是電解所產生的氯之外的其他高效氧化劑，如游離自由基（HO₂·，OH·），過氧化物（HO₂^-），臭氧等；也有可能是電場的直接滅活作用，包括電擊穿使細胞膜形成空洞，細胞質流失引起細胞死亡，以及電場引起膜蛋白、尤其是對電壓敏感的膜蛋白酶功能失調，從而引起細胞死亡，等等^[13]；另外，熱的作用不可忽視，實驗用水為去離子水加懸菌液配制，電導率極低（低于10μs/cm），電阻極高，故電解會產生大量的熱，實驗結束時水箱中水溫超過30度，實驗過程中電解槽的溫度則可能高的多。三者間可能有協同作用，高溫下細菌活性大大降低，再加上具有殺菌力的活性因子及電場的作用，細菌很容易被殺死。

3 結論

　　（1）當水中細菌總數較少時，電解產氯設備的產氯濃度在到達上限前與電解時間呈較好的線性關系，且產氯速度快，6~10分鐘即達到1.0mg/L。電解產氯的反應在電解液中氯離子濃度僅為9.72mg/L時即可發生，在24.61mg/L以內，產氯速度隨氯離子濃度的增加而加快。
　　 （2）電解產氯消毒效果明顯，30分鐘內可達到3個log以上的滅活率，且具有持續消毒作用。
　　 （3）電化學消毒過程中，當水中含有一定的氯離子，起主要滅活作用的是電解產生的余氯；如果水中含氯離子極低甚至為零，則電解過程中產生的熱量和氯之外的其他高效氧化劑以及電場的直接作用，也具有較強的消毒效果。

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