陳致

研究背景

目前，有些較為先進(jìn)的自來(lái)水廠會(huì)結(jié)合深度處理工藝（如臭氧、生物活性炭），提升出水水質(zhì)。但這些深度處理工藝也僅能應(yīng)對(duì)少數(shù)常見(jiàn)的有機(jī)物污染。當(dāng)遇到突發(fā)情況下的有機(jī)微污染，自來(lái)水廠通常的做法是投加大量的活性炭或者加強(qiáng)預(yù)氧化，但這些做法都有各自的弊端，因此適用范圍有限。

那么，有沒(méi)有一種工藝既能去除有機(jī)微污染，又能解決上述方法存在的弊端呢？我查閱了相關(guān)資料，并結(jié)合已掌握的化學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)利用電解法應(yīng)對(duì)這些突發(fā)情況可能可行。

指導(dǎo)我的林老師認(rèn)為，采用電氧化的方法從理論上是可行的，具體效果可以試一試。老師的話增強(qiáng)了我的信心，我決定嘗試用電氧化的方法來(lái)處理受到微量有機(jī)物污染的水源水。

實(shí)驗(yàn)方法

要實(shí)現(xiàn)電氧化，必須要具備電極：陽(yáng)極和陰極。在本實(shí)驗(yàn)中我選擇了鈦基二氧化鉛作為陽(yáng)極，鈦網(wǎng)作為陰極，電極板面積為900cm2，電解槽的有效體積約1600mL；選擇鄰叔丁基苯酚（OTBP）為模式污染物，因?yàn)樗亲罱绘i定的引起自來(lái)水異味的“元兇”。

在電氧化過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)在電極表面有氣泡產(chǎn)生，說(shuō)明發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，但整個(gè)反應(yīng)體系相對(duì)靜止，擾動(dòng)不夠，應(yīng)會(huì)影響反應(yīng)效率。日常生活中養(yǎng)魚(yú)時(shí)常采用微曝氣的做法給了我啟發(fā)，能否對(duì)反應(yīng)槽進(jìn)行微曝氣，以加快反應(yīng)溶液混合、增加溶液中氧濃度，進(jìn)而提升電氧化效果呢？于是，我分別實(shí)驗(yàn)考察了單一微孔曝氣、單一電氧化和微孔曝氣協(xié)同電氧化（簡(jiǎn)稱(chēng)EOMA）對(duì)有機(jī)污染物的去除效果。

圖1是集電氧化和微孔曝氣于一體的裝置實(shí)物圖。該裝置主要由有機(jī)玻璃反應(yīng)槽、氣泵和電源組成。自行設(shè)計(jì)的有機(jī)玻璃反應(yīng)槽分成兩個(gè)區(qū)域，底部區(qū)域安裝曝氣裝置，通過(guò)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)與氣泵相連；其余區(qū)域?yàn)殡娊夥磻?yīng)區(qū)，設(shè)置3塊陽(yáng)極板和4塊陰極板，陰極和陽(yáng)極交替設(shè)置，這樣設(shè)置目的是為了充分利用陽(yáng)極，因?yàn)橛袡C(jī)物的氧化通常是發(fā)生在陽(yáng)極表面。陰陽(yáng)極板通過(guò)電線與直流電源相連。

鑒于通常水源水中的電解質(zhì)含量較低，導(dǎo)致電流密度過(guò)低而影響電解效果，因此需額外添加電解質(zhì)，以提高溶液的導(dǎo)電性。常見(jiàn)的電解質(zhì)有氫氧化鈉、硫酸鈉、硝酸鈉等能發(fā)生完全電離的物質(zhì)?？紤]到既要在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較好的電解效果，又要滿足處理后水的飲用要求，因此在本實(shí)驗(yàn)中，選擇硫酸鈉作為需添加的電解質(zhì)。同時(shí)，為強(qiáng)化電氧化的效果和去除微生物等生物性污染，實(shí)驗(yàn)中還加入了少量的雙氧水。

結(jié)果與討論

三種方式處理效果的比較

利用圖1所示裝置處理OTBP溶液。取配制含5mg/L OTBP和100mg/L硫酸鈉溶液1 600mL，置于處理裝置中，然后加入2mL30%雙氧水。分別進(jìn)行下列3種操作：①只進(jìn)行微孔曝氣；②只進(jìn)行電氧化；③既進(jìn)行微孔曝氣又進(jìn)行電氧化。電流密度均設(shè)置為5mA/cm2。分別于0、7.5、15、22.5和30min取樣，樣品中OTBP濃度由高效液相色譜（美國(guó)Agilent Technologies，1200 Series）分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，單一微孔曝氣對(duì)OTBP的處理效果不明顯，30min后只去除了15%左右；而采用電氧化或微孔曝氣強(qiáng)化電氧化的操作，15min后均有較明顯的處理效果，且后者比前者的去除效果提高了約1倍，說(shuō)明微孔曝氣強(qiáng)化了電氧化的處理效果，其原因是微孔曝氣增強(qiáng)了反應(yīng)流體的湍動(dòng)，促進(jìn)了物質(zhì)的傳遞，提高了溶解氧的濃度。由此可見(jiàn)，微孔曝氣能協(xié)同電氧化強(qiáng)化去除有機(jī)污染物。

EOMA對(duì)OTB的去除效果

鑒于通常情況下水源水中的有機(jī)微污染濃度較低，因此考察了對(duì)低濃度（1 mg/L和2mg/L）OTBP的去除效果，實(shí)驗(yàn)中硫酸鈉濃度、雙氧水添加量和電流密度值等條件同上（見(jiàn)圖2）。

由于OTBP屬于苯酚類(lèi)物質(zhì)，具有輕微的苯酚嗅味，因此無(wú)論濃度是1mg/L還是2mg/L的OTBP溶液，都有一定的嗅味，EOMA處理15 min后，可以明顯感覺(jué)到嗅味減少，處理30 min后嗅味被去除。

EOMA對(duì)實(shí)際水源水有機(jī)微污染的去除效果

上述實(shí)驗(yàn)用水均取自自來(lái)水，那么，EOMA對(duì)實(shí)際水源水受到有機(jī)微污染后的去除效果如何呢？我決定拿實(shí)際水源水試一試。

杭州自來(lái)水廠之一的祥符橋水廠取水口在余杭區(qū)奉口村，那里是飲用水水源。我采用從取水口取來(lái)的水源水配制含1mg/L OTBP和1mg/L四氯乙烷溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)測(cè)定樣品中的總有機(jī)碳含量（TOC）衡量有機(jī)物的去除效果。通過(guò)測(cè)定樣品中的總菌落數(shù)來(lái)衡量殺菌消毒效果，總菌落數(shù)由平板菌落計(jì)數(shù)法測(cè)定。TOC去除效果如圖3所示。當(dāng)處理30min后，初始濃度為2.1mg/L的TOC全部被去除。說(shuō)明該裝置能有效去除實(shí)際水源水中的多種有機(jī)污染物引起的混合污染。

采用稀釋涂布法測(cè)定樣品中總菌落數(shù)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，隨著處理時(shí)間增加，總菌落明顯減少。這表明采用該工藝處理實(shí)際水源水時(shí)可不加或少加消毒劑。

EOMA脫色效果

為直觀顯示EOMA的脫色處理效果，我選擇有機(jī)顏料亞甲基藍(lán)為污染物。配制含50mg/L亞甲基藍(lán)和100mg/L硫酸鈉溶液1 600mL，雙氧水添加量、電流密度值等條件同上，取樣時(shí)間分別為0、5、10、15、20、25和30min。目測(cè)分析脫色效果，同時(shí)通過(guò)分光光度計(jì)測(cè)定樣品的吸光度值衡量EOMA的脫色效果。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，處理10min后藍(lán)色變淺；處理30min后藍(lán)色基本褪去。處理30min時(shí)，吸光度的去除率為94.1%，見(jiàn)圖4。

EOMA處理成本估算

由于處理對(duì)象是受有機(jī)微污染的水源水，因而電極損耗可以忽略；硫酸鈉、雙氧水等藥劑用量很少，其費(fèi)用遠(yuǎn)小于電費(fèi)，因此處理成本僅以電費(fèi)計(jì)。

處理過(guò)程中，電流密度5mA/cm2，電極面積900cm2，因此電流為4.5 A，電壓約為10V，處理1h耗電0.045度。以該裝置1h處理有機(jī)微污染水源水10L計(jì)（本實(shí)驗(yàn)濃度處理時(shí)間約10min；若考慮實(shí)際水源水有機(jī)微污染濃度通常在0.1 mg/L以下，處理2min后完全可以達(dá)到要求），電費(fèi)按每度1元核算，處理1t水的費(fèi)用為1～4.5元。

結(jié)論和應(yīng)用前景

結(jié)論

通過(guò)EOMA處理有機(jī)微污染飲用水的實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

◇EOMA比單一電氧化對(duì)微量有機(jī)污染物的去除率提高約1倍。

◇在1600mL含低濃度OTBP（1或2mg/L）和100mg/L硫酸鈉溶液中添加2mL30%雙氧水，當(dāng)電流密度5ma/cm2時(shí)，濃度為1mg/L和2mg/L的OTBP分別在處理15min時(shí)去除98.0%和75.1%；生成的主要中間產(chǎn)物為三甲基乙酸、丁二酸、甲酸、乙酸等，其毒性均明顯小于OTBP，處理30min時(shí)有機(jī)物被完全礦化、嗅味也被去除。

◇在水源水中加入OTBP和四氯乙烷模擬受有機(jī)微污染的實(shí)際飲用水源水，當(dāng)EOMA處理30min時(shí)，初始濃度為2.1mg/L的TOC被全部去除，微生物被基本去除，表明該工藝在處理實(shí)際水源水時(shí)可不加或少加消毒劑；處理15min后溶液對(duì)藻類(lèi)幾乎沒(méi)有毒性，表明該溶液對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)安全。

◇能有效脫除亞甲基藍(lán)溶液的色度，當(dāng)電流密度5mA/cm2、處理30min時(shí)藍(lán)色基本褪去，吸光度去除率為94.1%。

◇在滿足飲用水出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，處理1t水的費(fèi)用可控制在1～4.5元。

應(yīng)用前景

研究表明，EOMA能以較低成本有效應(yīng)對(duì)突發(fā)情況下水源水微污染，在給水處理中具有很好的應(yīng)用前景。其應(yīng)用領(lǐng)域包括：

當(dāng)水源周邊區(qū)域發(fā)生一些突發(fā)事件，如企業(yè)偷排生產(chǎn)廢水或有機(jī)化學(xué)品運(yùn)輸車(chē)泄漏事故，導(dǎo)致化學(xué)品短時(shí)間大量進(jìn)入水源水時(shí)，可采用該裝置應(yīng)急處理以保證飲用水安全。

一些突發(fā)災(zāi)害地區(qū)，可采用該裝置保證災(zāi)區(qū)臨時(shí)安全供水。

飲用水常規(guī)應(yīng)急處理方法無(wú)法去除的有機(jī)污染物或因消毒劑使用引起的異味，可用該裝置來(lái)處理。

創(chuàng)新點(diǎn)

根據(jù)由第三方出具的本項(xiàng)目查新報(bào)告和國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局對(duì)本人申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利“一種有機(jī)微污染飲用水應(yīng)急處理方法及其裝置”的審查結(jié)果，結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)資料，本項(xiàng)目主要在以下兩方面取得創(chuàng)新：

◇對(duì)于飲用水有機(jī)微污染的處理，已有的方法限于投放加大量的活性炭或加強(qiáng)化學(xué)預(yù)氧化，本項(xiàng)目首次把電氧化的方法用于飲用水有機(jī)微污染的處理。

◇在微孔曝氣強(qiáng)化電氧化過(guò)程中添加雙氧水，可同時(shí)有效地去除多種有機(jī)污染物和微生物病菌，在給水處理領(lǐng)域具有創(chuàng)新性。