电解催化饮用水净化设备

周克钊1，王志宏1，李彦春1，陈为庄1，邓宇2
(1.中国市政工程西南设计研究院，四川成都610081；2.成都汉宇制药设备厂，四川成都610081)

　　中图分类号：TU991.2 
　　文献标识码：D 
　　文章编号：1000-4602(2001)05-0074-03

　　饮用水的安全性已经越来越令人担忧，解决这一敏感问题的根本措施在于水源污染控制和水厂深度处理，但皆难以在短期内实现。小区分质供水是目前最经济、最可靠、最方便的方法，同时也是节水的有效措施。

1　工作原理

　　电解催化净水设备根据电化学反应和催化反应原理，并辅以过滤对饮用水作深度处理，其流程见图1。

　　该设备一般包括电解槽、消毒器、催化器和后过滤器。电解槽由隔膜分为阳极区和阴极区，电解槽两端的两个电极板分别连接着直流电源的两极。进水依次流过电解槽阳极区、消毒器、催化器、电解槽阴极区和后过滤器，并可根据需要在适当位置设置提升泵和流量计。进水一般采用自来水，若采用未经处理的原水，则须增加预过滤以去除进水中的悬浮杂质。
　　在阳极区，利用阳极和电解产生阳离子的氧化作用和阳极贵金属的催化作用迅速直接氧化破坏细菌和病毒的组成物质而杀死之，并氧化分解有机杂质和无机还原性杂质(包括酚、甲醛、有机磷、有机金属化合物、硫化物等)，同时产生活性氯等氧化剂。阳极区的酸性环境还可去除碱性杂质，电场作用可脱稳并凝聚胶体杂质。
　　在消毒器中，保持足够的消毒时间，活性氯等氧化剂继续消毒和氧化分解有机杂质。
在催化器中，利用碳锰催化剂迅速分解活性氯等氧化剂，产生氧化能力较强的自由基，继续强化消毒和深度氧化分解有机杂质。
　　在阴极区中，利用阴极和电解产生阴离子的还原作用，进一步去除消毒过程中可能产生的氧化性杂质，防止有机卤代物的产生，改善饮用水的生物学指标，并去除重金属离子。阴极区的碱性环境还可去除酸性杂质，水解去除有机杂质(包括氨基化合物和腈类等)、重金属和多余的硬度，电场作用可继续脱稳并凝聚胶体杂质。
　　最后通过后过滤器去除水中浊度，包括处理过程中产生的悬浮物。
　　电解催化净水设备的技术关键在于隔膜式电解槽和碳锰催化剂。显然，如果电解槽的阳极区和阴极区发生掺混，则两区的功能会互相抵消。电解催化净水设备利用隔膜分区，发挥了两区的不同功能，保证了处理效果。该设备独特的阴极区处理，还原去除活性氧，防止有机卤代物的产生，改善饮用水的生物学指标。其所采用的高效催化剂，则大大增强了消毒和氧化分解有机杂质的能力。
　　由于以上技术特点，即使进水的细菌总数和大肠菌数超标100倍，出水依然达标；即使进水含酚超标100倍，出水依然达标。
　　电解催化净水设备的结构简单、价格低、维护量少、电耗较小，因此其成本得到了大幅度降低。

2　去除亚硝酸盐效果

　　于2000年1月—3月在成都龙泉进行了电解催化净水设备去除亚硝酸盐试验，运行稳定后的数据摘要于表1。

　　 试验流量皆为160 L/h，数据按电流从小到大排列。由表1可以清楚地看出，处理效果随电流的增加而改善，若电流不足，即使氯离子增加，也仍然不能满足严格的出水亚硝酸盐要求。由此可见，氯离子本身并不是处理效果的控制因素，一定流量下的电流才是根本的控制因素。达到7 A以上电流是处理效果的关键，其出水可以满足处理的严格要求，否则，即使达到6.9 A，且原水浓度降低几乎一半，也不能满足处理的严格要求。
　　由表1可见，电解催化净水设备具有极优的去除亚硝酸盐的能力，在适当的运行参数下能够使出水亚硝酸盐氮浓度＜0.8 μg/L，相当于亚硝酸根浓度＜2 μg/L，这已经达到反渗透处理的纯净水的标准。
　　适宜的运行参数为：
　　①原水亚硝酸盐氮浓度上限为0.6 mg/L左右；
　　②160 L/h的流量、电流为7 A以上，耗电量约为4.4(kW·h)/m³。
　　电解催化净水设备去除亚硝酸盐的机理，可能是亚硝酸根在电解槽的阳极区、消毒槽和催化器中被阳极、有效氯或自由基氧化为硝酸根。至于硝酸根在阴极区是否被还原为氮气，有待进一步考察，但出水水质证明硝酸根肯定未被重新还原成为亚硝酸根。

3　电流、电压和电阻

　　试验运行于2000年1月—12月，在成都龙泉、青羊宫和洞子口进行。试验发现，原水矿化度对设备电流的影响很大，原水为地下水的洞子口的电流最大，而原水为由地面水制成自来水的龙泉和青羊宫的电流较小；试验中三处的电压接近，这是因为设备电压一直开在最大，并未有意调节电压；原水矿化度对设备电阻的影响同样很大，地下水的洞子口的电阻最小，自来水的龙泉和青羊宫的电阻较大。同一原水的电阻波动是由于阴极和膜结垢引起的，垢越厚则电阻越大，清洗后则电阻减小。另外，刚开机时电阻也会大一些。
由于龙泉自来水、青羊宫自来水和洞子口地下水的电流分别为5、3和10 A，流量皆为160 L/h，电压皆为70 V，所以电解槽功率分别为350、210和700 W，再加上提升泵的功率200 W，则设备总功率分别为550、410和900 W，耗电量则分别为4.4、3.3和7.1 (kW·h)/m³。值得注意的是，设备的耗电量还应有较大的压缩空间。另外，通过压缩电解槽的极板距离，可以在同样电流下降低设备的电压，从而进一步压缩耗电量。

4　处理效果

　　试验详细考察了设备进、出水的氧化还原电位、pH值、高锰酸钾指数、硬度和碳酸氢根的变化情况(见表2)。

　　 原水经过电解催化净水设备处理，氧化还原电位有所降低，其原因应该是原水中的氧化剂(如余氯等)在设备的催化器和电解槽的阴极区内分别被催化分解和还原去除，而且原水中的溶解氧被阴极区中的大量微细氢气泡带走。由于出水的氧化还原电位并不是很低，所以出水中应该没有还原剂。
　　电解催化净水设备能够降低原水的氧化还原电位这一事实，证实了该设备可以去除水中的氧化剂，包括致癌的活性氧或自由基，从而提高了饮用水的生物学性能。
　　设备出水的pH值有所提高，但仍在《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—85)的范围以内，这不仅有利于健康，而且有助于去除原水中的重金属和部分硬度。
　　试验期间，设备进、出水的高锰酸钾指数大部分在1 mg/L以下，远远低于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—85)的限制，用标准化验方法已经无法准确检出。出水的高锰酸钾指数略有升高，原因也许是去除了原水中的氧化剂，如余氯等。
　　设备出水的硬度和碳酸氢根皆有所降低，这是由于出水的pH值提高所引起的。
　　电解催化净水设备可以去除多余的钙，但去除量并不大，不至于影响饮用水的有益矿物质的含量。根据青羊宫试验的两次测定进、出水中钙离子的数据，进水钙离子分别为35和36 mg/L，出水钙离子分别为35和31 mg/L，最大的去除率仅为11%。
　　2000年11月，将电解催化净水设备的进、出水委托华西医科大学公共卫生学院进行了Ames试验，出水未检出致突变性。
　　由表2可以看出，阳极出水的氧化还原电位与进水相比，有非常显著的提高，这是阳极区强烈氧化的结果。经过催化以后，氧化还原电位有显著的下降，但仍显著高于进水，这是由于催化剂分解了阳极出水中的大部分氧化剂。经过阴极处理以后，氧化还原电位又有显著下降，已经低于进水，这是阴极还原的效果。
　　由表2还可以看出，阳极出水的pH值较进水有所下降，这是由于阳极上有氧气逸出，使得阳极区水中氢离子浓度增加引起的。经过催化以后，pH值继续下降，这应该是催化分解氧化剂引起的。经过阴极处理以后，pH值有很大提高，显著高于进水，这是由于阴极有氢气泡逸出，使阴极区水中氢离子浓度降低所致。
　　高锰酸钾指数在流程中变化不大，皆低于0.5 mg/L，此时用标准方法已不可能测出，这里是采用分光光度法测定的。 
　　硬度和碳酸氢根在流程中变化皆不大，出水略低于进水，这应该是pH值提高引起的。

5　结论

　　小区规模的电解催化饮用水净化成套设备的出水满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—85)的要求；出水亚硝酸盐氮浓度＜0.8 μg/L，已经达到反渗透处理的纯净水标准，具有良好的去除亚硝酸盐的能力；出水氧化还原电位有所降低，证实了其去除水中氧化剂(包括活性氧或自由基)的能力，从而提高了饮用水的生物学性能；出水pH值有所提高，不仅有利于健康，而且有助于去除原水中的重金属和部分硬度；进、出水高锰酸钾指数皆很小，且变化不大，未能证实其去除有机物的能力；出水的碱度、硬度和碳酸氢根皆有所降低，但钙的最大去除率仅为11%，不至于影响饮用水的有益矿物质的含量；出水Ames试验未检出致突变性。因此，电解催化净水设备初步达到了一定的处理效果。
　　运行实验中也发现不少问题，有待改进。设备流程中水质的变化情况有待进一步长期监测，并加强对直接影响水质的水中微量有机物质的化验分析。
　　电解催化净水设备是一种采用物理和化学方法处理饮用水的新技术、新设备，有着独特的净水机理和效果，值得进一步深入研究，并需在长期生产运行中不断改进。

参考文献：
［1］周克钊.饮用水电子催化净水装置［P］.中国专利：ZL95242842.3，1995-12-16.
［2］南京格林三春柳设备厂.电子水处理器［P］.中国专利：ZL90212341.6，1990-06-13.
［3］张德胜.微电解水处理的实验研究［J］.中国给水排水，1998，14(3)：5-7.
［4］张德胜.微电解杀菌器的研制与应用［J］.中国给水排水，1998，14(5)：4-5.

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收稿日期：2001-03-21