自来水异味电氧化去除装置

陈致

研究背景

目前，有些较为先进的自来水厂会结合深度处理工艺（如臭氧、生物活性炭），提升出水水质。但这些深度处理工艺也仅能应对少数常见的有机物污染。当遇到突发情况下的有机微污染，自来水厂通常的做法是投加大量的活性炭或者加强预氧化，但这些做法都有各自的弊端，因此适用范围有限。

那么，有没有一种工艺既能去除有机微污染，又能解决上述方法存在的弊端呢？我查阅了相关资料，并结合已掌握的化学知识，发现利用电解法应对这些突发情况可能可行。

指导我的林老师认为，采用电氧化的方法从理论上是可行的，具体效果可以试一试。老师的话增强了我的信心，我决定尝试用电氧化的方法来处理受到微量有机物污染的水源水。

实验方法

要实现电氧化，必须要具备电极：阳极和阴极。在本实验中我选择了钛基二氧化铅作为阳极，钛网作为阴极，电极板面积为900cm2，电解槽的有效体积约1600mL；选择邻叔丁基苯酚（OTBP）为模式污染物，因为它是最近被锁定的引起自来水异味的“元凶”。

在电氧化过程中，我发现在电极表面有气泡产生，说明发生了化学反应，但整个反应体系相对静止，扰动不够，应会影响反应效率。日常生活中养鱼时常采用微曝气的做法给了我启发，能否对反应槽进行微曝气，以加快反应溶液混合、增加溶液中氧浓度，进而提升电氧化效果呢？于是，我分别实验考察了单一微孔曝气、单一电氧化和微孔曝气协同电氧化（简称EOMA）对有机污染物的去除效果。

图1是集电氧化和微孔曝气于一体的装置实物图。该装置主要由有机玻璃反应槽、气泵和电源组成。自行设计的有机玻璃反应槽分成两个区域，底部区域安装曝气装置，通过玻璃转子流量计与气泵相连；其余区域为电解反应区，设置3块阳极板和4块阴极板，阴极和阳极交替设置，这样设置目的是为了充分利用阳极，因为有机物的氧化通常是发生在阳极表面。阴阳极板通过电线与直流电源相连。

鉴于通常水源水中的电解质含量较低，导致电流密度过低而影响电解效果，因此需额外添加电解质，以提高溶液的导电性。常见的电解质有氢氧化钠、硫酸钠、硝酸钠等能发生完全电离的物质。考虑到既要在较短时间内达到较好的电解效果，又要满足处理后水的饮用要求，因此在本实验中，选择硫酸钠作为需添加的电解质。同时，为强化电氧化的效果和去除微生物等生物性污染，实验中还加入了少量的双氧水。

结果与讨论

三种方式处理效果的比较

利用图1所示装置处理OTBP溶液。取配制含5mg/L OTBP和100mg/L硫酸钠溶液1 600mL，置于处理装置中，然后加入2mL30%双氧水。分别进行下列3种操作：①只进行微孔曝气；②只进行电氧化；③既进行微孔曝气又进行电氧化。电流密度均设置为5mA/cm2。分别于0、7.5、15、22.5和30min取样，样品中OTBP浓度由高效液相色谱（美国Agilent Technologies，1200 Series）分析。

实验结果显示，单一微孔曝气对OTBP的处理效果不明显，30min后只去除了15%左右；而采用电氧化或微孔曝气强化电氧化的操作，15min后均有较明显的处理效果，且后者比前者的去除效果提高了约1倍，说明微孔曝气强化了电氧化的处理效果，其原因是微孔曝气增强了反应流体的湍动，促进了物质的传递，提高了溶解氧的浓度。由此可见，微孔曝气能协同电氧化强化去除有机污染物。

EOMA对OTB的去除效果

鉴于通常情况下水源水中的有机微污染浓度较低，因此考察了对低浓度（1 mg/L和2mg/L）OTBP的去除效果，实验中硫酸钠浓度、双氧水添加量和电流密度值等条件同上（见图2）。

由于OTBP属于苯酚类物质，具有轻微的苯酚嗅味，因此无论浓度是1mg/L还是2mg/L的OTBP溶液，都有一定的嗅味，EOMA处理15 min后，可以明显感觉到嗅味减少，处理30 min后嗅味被去除。

EOMA对实际水源水有机微污染的去除效果

上述实验用水均取自自来水，那么，EOMA对实际水源水受到有机微污染后的去除效果如何呢？我决定拿实际水源水试一试。

杭州自来水厂之一的祥符桥水厂取水口在余杭区奉口村，那里是饮用水水源。我采用从取水口取来的水源水配制含1mg/L OTBP和1mg/L四氯乙烷溶液进行实验。通过测定样品中的总有机碳含量（TOC）衡量有机物的去除效果。通过测定样品中的总菌落数来衡量杀菌消毒效果，总菌落数由平板菌落计数法测定。TOC去除效果如图3所示。当处理30min后，初始浓度为2.1mg/L的TOC全部被去除。说明该装置能有效去除实际水源水中的多种有机污染物引起的混合污染。

采用稀释涂布法测定样品中总菌落数。由实验结果可见，随着处理时间增加，总菌落明显减少。这表明采用该工艺处理实际水源水时可不加或少加消毒剂。

EOMA脱色效果

为直观显示EOMA的脱色处理效果，我选择有机颜料亚甲基蓝为污染物。配制含50mg/L亚甲基蓝和100mg/L硫酸钠溶液1 600mL，双氧水添加量、电流密度值等条件同上，取样时间分别为0、5、10、15、20、25和30min。目测分析脱色效果，同时通过分光光度计测定样品的吸光度值衡量EOMA的脱色效果。

由实验结果可见，处理10min后蓝色变浅；处理30min后蓝色基本褪去。处理30min时，吸光度的去除率为94.1%，见图4。

EOMA处理成本估算

由于处理对象是受有机微污染的水源水，因而电极损耗可以忽略；硫酸钠、双氧水等药剂用量很少，其费用远小于电费，因此处理成本仅以电费计。

处理过程中，电流密度5mA/cm2，电极面积900cm2，因此电流为4.5 A，电压约为10V，处理1h耗电0.045度。以该装置1h处理有机微污染水源水10L计（本实验浓度处理时间约10min；若考虑实际水源水有机微污染浓度通常在0.1 mg/L以下，处理2min后完全可以达到要求），电费按每度1元核算，处理1t水的费用为1～4.5元。

结论和应用前景

结论

通过EOMA处理有机微污染饮用水的实验研究，得出以下结论：

◇EOMA比单一电氧化对微量有机污染物的去除率提高约1倍。

◇在1600mL含低浓度OTBP（1或2mg/L）和100mg/L硫酸钠溶液中添加2mL30%双氧水，当电流密度5ma/cm2时，浓度为1mg/L和2mg/L的OTBP分别在处理15min时去除98.0%和75.1%；生成的主要中间产物为三甲基乙酸、丁二酸、甲酸、乙酸等，其毒性均明显小于OTBP，处理30min时有机物被完全矿化、嗅味也被去除。

◇在水源水中加入OTBP和四氯乙烷模拟受有机微污染的实际饮用水源水，当EOMA处理30min时，初始浓度为2.1mg/L的TOC被全部去除，微生物被基本去除，表明该工艺在处理实际水源水时可不加或少加消毒剂；处理15min后溶液对藻类几乎没有毒性，表明该溶液对水生生态系统安全。

◇能有效脱除亚甲基蓝溶液的色度，当电流密度5mA/cm2、处理30min时蓝色基本褪去，吸光度去除率为94.1%。

◇在满足饮用水出水水质标准的前提下，处理1t水的费用可控制在1～4.5元。

应用前景

研究表明，EOMA能以较低成本有效应对突发情况下水源水微污染，在给水处理中具有很好的应用前景。其应用领域包括：

当水源周边区域发生一些突发事件，如企业偷排生产废水或有机化学品运输车泄漏事故，导致化学品短时间大量进入水源水时，可采用该装置应急处理以保证饮用水安全。

一些突发灾害地区，可采用该装置保证灾区临时安全供水。

饮用水常规应急处理方法无法去除的有机污染物或因消毒剂使用引起的异味，可用该装置来处理。

创新点

根据由第三方出具的本项目查新报告和国家知识产权局对本人申请的发明专利“一种有机微污染饮用水应急处理方法及其装置”的审查结果，结合有关文献资料，本项目主要在以下两方面取得创新：

◇对于饮用水有机微污染的处理，已有的方法限于投放加大量的活性炭或加强化学预氧化，本项目首次把电氧化的方法用于饮用水有机微污染的处理。

◇在微孔曝气强化电氧化过程中添加双氧水，可同时有效地去除多种有机污染物和微生物病菌，在给水处理领域具有创新性。