陳致

研究背景

目前，有些較為先進的自來水廠會結合深度處理工藝（如臭氧、生物活性炭），提升出水水質。但這些深度處理工藝也僅能應對少數(shù)常見的有機物污染。當遇到突發(fā)情況下的有機微污染，自來水廠通常的做法是投加大量的活性炭或者加強預氧化，但這些做法都有各自的弊端，因此適用范圍有限。

那么，有沒有一種工藝既能去除有機微污染，又能解決上述方法存在的弊端呢？我查閱了相關資料，并結合已掌握的化學知識，發(fā)現(xiàn)利用電解法應對這些突發(fā)情況可能可行。

指導我的林老師認為，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。老師的話增強了我的信心，我決定嘗試用電氧化的方法來處理受到微量有機物污染的水源水。

實驗方法

要實現(xiàn)電氧化，必須要具備電極：陽極和陰極。在本實驗中我選擇了鈦基二氧化鉛作為陽極，鈦網作為陰極，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，因為它是最近被鎖定的引起自來水異味的“元兇”。

在電氧化過程中，我發(fā)現(xiàn)在電極表面有氣泡產生，說明發(fā)生了化學反應，但整個反應體系相對靜止，擾動不夠，應會影響反應效率。日常生活中養(yǎng)魚時常采用微曝氣的做法給了我啟發(fā)，能否對反應槽進行微曝氣，以加快反應溶液混合、增加溶液中氧濃度，進而提升電氧化效果呢？于是，我分別實驗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（簡稱EOMA）對有機污染物的去除效果。

圖1是集電氧化和微孔曝氣于一體的裝置實物圖。該裝置主要由有機玻璃反應槽、氣泵和電源組成。自行設計的有機玻璃反應槽分成兩個區(qū)域，底部區(qū)域安裝曝氣裝置，通過玻璃轉子流量計與氣泵相連；其余區(qū)域為電解反應區(qū)，設置3塊陽極板和4塊陰極板，陰極和陽極交替設置，這樣設置目的是為了充分利用陽極，因為有機物的氧化通常是發(fā)生在陽極表面。陰陽極板通過電線與直流電源相連。

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

結果與討論

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。分別進行下列3種操作：①只進行微孔曝氣；②只進行電氧化；③既進行微孔曝氣又進行電氧化。電流密度均設置為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Agilent Technologies，1200 Series）分析。

實驗結果顯示，單一微孔曝氣對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，說明微孔曝氣強化了電氧化的處理效果，其原因是微孔曝氣增強了反應流體的湍動，促進了物質的傳遞，提高了溶解氧的濃度。由此可見，微孔曝氣能協(xié)同電氧化強化去除有機污染物。

EOMA對OTB的去除效果

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

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

EOMA對實際水源水有機微污染的去除效果

上述實驗用水均取自自來水，那么，EOMA對實際水源水受到有機微污染后的去除效果如何呢？我決定拿實際水源水試一試。

杭州自來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的水源水配制含1mg/L OTBP和1mg/L四氯乙烷溶液進行實驗。通過測定樣品中的總有機碳含量（TOC）衡量有機物的去除效果。通過測定樣品中的總菌落數(shù)來衡量殺菌消毒效果，總菌落數(shù)由平板菌落計數(shù)法測定。TOC去除效果如圖3所示。當處理30min后，初始濃度為2.1mg/L的TOC全部被去除。說明該裝置能有效去除實際水源水中的多種有機污染物引起的混合污染。

采用稀釋涂布法測定樣品中總菌落數(shù)。由實驗結果可見，隨著處理時間增加，總菌落明顯減少。這表明采用該工藝處理實際水源水時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，我選擇有機顏料亞甲基藍為污染物。配制含50mg/L亞甲基藍和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，取樣時間分別為0、5、10、15、20、25和30min。目測分析脫色效果，同時通過分光光度計測定樣品的吸光度值衡量EOMA的脫色效果。

由實驗結果可見，處理10min后藍色變淺；處理30min后藍色基本褪去。處理30min時，吸光度的去除率為94.1%，見圖4。

EOMA處理成本估算

由于處理對象是受有機微污染的水源水，因而電極損耗可以忽略；硫酸鈉、雙氧水等藥劑用量很少，其費用遠小于電費，因此處理成本僅以電費計。

處理過程中，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處理有機微污染水源水10L計（本實驗濃度處理時間約10min；若考慮實際水源水有機微污染濃度通常在0.1 mg/L以下，處理2min后完全可以達到要求），電費按每度1元核算，處理1t水的費用為1～4.5元。

結論和應用前景

結論

通過EOMA處理有機微污染飲用水的實驗研究，得出以下結論：

◇EOMA比單一電氧化對微量有機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，當電流密度5ma/cm2時，濃度為1mg/L和2mg/L的OTBP分別在處理15min時去除98.0%和75.1%；生成的主要中間產物為三甲基乙酸、丁二酸、甲酸、乙酸等，其毒性均明顯小于OTBP，處理30min時有機物被完全礦化、嗅味也被去除。

◇在水源水中加入OTBP和四氯乙烷模擬受有機微污染的實際飲用水源水，當EOMA處理30min時，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際水源水時可不加或少加消毒劑；處理15min后溶液對藻類幾乎沒有毒性，表明該溶液對水生生態(tài)系統(tǒng)安全。

◇能有效脫除亞甲基藍溶液的色度，當電流密度5mA/cm2、處理30min時藍色基本褪去，吸光度去除率為94.1%。

◇在滿足飲用水出水水質標準的前提下，處理1t水的費用可控制在1～4.5元。

應用前景

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

當水源周邊區(qū)域發(fā)生一些突發(fā)事件，如企業(yè)偷排生產廢水或有機化學品運輸車泄漏事故，導致化學品短時間大量進入水源水時，可采用該裝置應急處理以保證飲用水安全。

一些突發(fā)災害地區(qū)，可采用該裝置保證災區(qū)臨時安全供水。

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

創(chuàng)新點

根據由第三方出具的本項目查新報告和國家知識產權局對本人申請的發(fā)明專利“一種有機微污染飲用水應急處理方法及其裝置”的審查結果，結合有關文獻資料，本項目主要在以下兩方面取得創(chuàng)新：

◇對于飲用水有機微污染的處理，已有的方法限于投放加大量的活性炭或加強化學預氧化，本項目首次把電氧化的方法用于飲用水有機微污染的處理。

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