论文总字数：16402字

摘 要

生活污水和某些工业废水中存在着大量细菌，它们通过一般的化学杀菌法和物理杀菌法并不能被完全灭绝。为了提高出水水质、简化水处理杀菌方法、防止疾病的传播，杀菌消毒已经成为生活污水及某些工业废水处理系统中进行杀灭有害病原微生物必不可少的水处理过程。本论文将研究采用电化学反应器进行杀菌的技术手段，考察其杀菌方法、检测指标、影响因素等，为电化学反应器的实际应用提供实验依据。

通过实验研究发现，在一定条件下，大肠杆菌数量随电解时间、电流密度、电解质浓度的增加而减少。本实验确定了最佳电解时间为50min，最佳电流密度为5mA/cm²，最佳电解质为氯化钠且其最佳浓度为0.1mol/L，在此最佳条件下，大肠杆菌去除率可达99.99％以上，杀菌效果较为理想，符合我国生活饮用水水质标准中的规定，即对总大肠杆菌数的要求为lt;3个/L。

关键词：电化学 大肠杆菌 分光光度法 血球计数法 杀菌率

Study on germicidal efficacy of electrochemical reactor

Abstract

A large number of bacteria exist in domestic sewage and some industrial waste water, which can not be completely destroyed by general chemical sterilization and physical sterilization. Therefore, in order to improve the water quality of effluent water, prevent disease spread, disinfection and sterilization has become essential water treatment process of killing harmful pathogenic microorganisms in domestic sewage and some industrial waste water treatment system. This paper will study the use of electrochemical reactor for sterilization and examine the sterilization method, detection index and influencing factors etc, which can provide experimental basis for the practical sterilization application of electrochemical reactor.

The experimental results indicate that the number of E. coli decrease with the increase of electrolysis time, current density and electrolyte concentration under certain conditions, The best electrolysis time is 50min, the best current density is 5mA/cm², the best electrolyte is sodium chloride and the best concentration is 0.1 mol/L. Under the optimal conditions, E. coli removal rate reach 99.99%, and sterilization effect is more ideal, which conforms to drinking water quality standard of the effluent E. coli less than 3 /L.

Key words: Electrochemistry; Escherichia coli; Spectrophotometric method; Blood cell counter; Sterilizing rate

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 电化学杀菌原理 1

1.3 电化学反应器介绍 2

1.4 杀菌效果的影响因素 2

1.4.1 电流密度 2

1.4.2 电解时间 3

1.4.3 电极材料 4

1.4.4 电解质种类和浓度 4

1.5 杀菌效果的检测指标及方法 4

1.5.1 总细菌数 4

1.5.2 大肠杆菌数 4

1.6 电化学杀菌法存在的问题及解决方法 5

1.6.1 电流效率较低 5

1.6.2 阴极结垢 5

1.6.3 杀菌剂的浓度控制 5

1.7 论文研究目的与意义 6

第二章 实验部分 7

2.1 实验材料 7

2.1.1 测试项目及测试方法 7

2.1.2 实验药品 7

2.1.3 主要实验仪器 7

2.2 实验步骤 8

2.2.1 大肠杆菌的培养 8

2.2.2 制作标准曲线 9

2.2.3 单因素实验 9

第三章 实验结果与分析 12

3.1 制作标准曲线 12

3.2 单因素实验法考察电流密度对杀菌效果的影响 12

3.2.1 预实验 12

3.2.2 电流密度对杀菌效果的影响 14

3.3 单因素实验法考察氯化钠浓度对杀菌效果的影响 14

3.3.1 预实验 14

3.3.2 氯化钠浓度对杀菌效果的影响 15

3.4 单因素实验法考察硫酸钠浓度对杀菌效果的影响 15

3.4.1 预实验 15

3.4.2 硫酸钠浓度对杀菌效果的影响 16

3.5 单因素实验法考察电解时间对杀菌效果的影响 16

3.6 最佳实验条件 17

第四章 结论与展望 18

4.1 结论 18

4.2展望 18

参 考 文 献 19

致 谢 21

第一章 文献综述

1.1 引言

地面水经常受到土壤、生活污水、工业废水及各种有机和无机杂质的污染，从而促使细菌滋生，导致每毫升水中的细菌数达到几万至几十万个。目前我国不少地区生活饮用水中微生物指标超标严重，有报道称细菌总数和大肠杆菌总数合格率偏低分别为60％和65％。畜禽养殖废水含有较高浓度的致病菌，其中大肠杆菌数超出指标的万倍，是生活污水的重要污染源。为了提高出水水质，保障人体健康，防止疾病的传播，必须要对受污染水源进行消毒，从而杀灭水中的有害微生物。

长期以来，对于微生物的有效控制是水处理领域中的关键技术之一，常用的方法有化学法和物理法。化学法杀菌^[1]是指向水中投加无机或有机杀菌剂，通过破坏微生物蛋白质、酶和核酸来抑制其生长和繁殖，常用的杀菌剂包括臭氧、过氧化氢、羟基自由基、氯和次氯酸盐等，其中采用氯气杀菌消毒是目前水厂使用最广泛的手段。化学法的优点在于成本低、效果好，其显著缺点在于易产生二次污染。物理法杀菌是通过物理手段杀死水中微生物的过程，物理方法包括紫外线照射、电磁辐射、超声波破碎等。物理法的优点体现在对环境友好，是一种“绿色杀菌法”，但与化学法相比其杀菌效果并不理想。随着对电化学技术的深入研究，人们发现电化学法杀菌作为一种“清洁技术”，可以初步解决以上两种技术存在的问题，并因此在水处理技术领域中得到了飞速发展。

1.2 电化学杀菌原理

电化学杀菌的基本原理是结合了电场的物理作用和电解产物的化学作用进行杀菌。吴永华等^[2]研究了电场杀菌的物理效应，发现对此有两种解释。一是电能可以击穿细胞膜，使细胞质外流，从而改变了细菌的生长环境使细胞死亡；二是通过改变微生物细胞之间的电子传递方式，破坏微生物细胞呼吸系统的平衡关系，从而导致微生物死亡。化学效应则是通过电解反应产生杀菌物质直接将细菌致死，这类杀菌物质包括次氯酸、臭氧、过氧化氢和羟基自由基等。

1.3 电化学反应器介绍

电化学反应器由两个电极和电解质构成，是电化学反应进行的重要场所。电化学反应器的分类方式有很多种，按结构可分为箱式电化学反应器、筒式电化学反应器、结构特殊的电化学反应器，按工作方式可分为间歇式电化学反应器、置换流式电化学反应器、连续搅拌式电化学反应器，按工作电极形状可分为二维电极反应器、三维电极反应器。其中，二维电极反应器装置简单，反应操作简便，但二维电极的面体比小，单位槽体处理量少，电流效率低。三维颗粒电化学反应器^[3]由阴极室和阳极室组成，中间用隔膜分开，在两个平板之间充填一种高效、无毒、廉价的颗粒状专用材料，颗粒既可在阴极室也可在阳极室。相对于二维电极反应器，三维电极反应器的优势在于比表面积大、传质效率高、金属可连续回收、床层电位和反应速率更加均匀，提高了电解液的流动和传质的强化，保证了导电性能的良好及电流的均匀分布，在目前的杀菌技术中已被广泛使用。设法加强细菌的传质过程，加速细菌与氧化剂的混合，是对电化学反应器改进研究的主要内容。为简化实验装置，本实验将采用二维电化学反应器，即由烧杯或广口瓶和阴阳电极组成。

1.4 杀菌效果的影响因素

Palmas等^[4]研究发现，电流密度、电解时间、电极材料、电解质种类和浓度等操作条件是杀菌效果的重要影响因素，在一定取值范围内，细菌个数随着电流密度、电解时间、电解质浓度的增加而减少，并且不同的电极材料和电解质种类对杀菌效果会产生不同的影响。通过控制以上操作条件，能够在溶液中选择性地生成大量HClO^-离子，减少反应时间，降低能耗。

1.4.1 电流密度

陈繁忠等^[5]设计电化学灭菌实验，采用钛电极电解，电解槽采用磁力搅拌使电解产生的杀生物质能迅速从电极表面扩散到水体中，通过控制电解时间等影响因素，在室温下进行单因素实验。实验结果发现，随着电流密度i增加，细菌总数n减少，灭菌率α增加。进一步作图发现，i与α²呈线性关系。

1.4.2 电解时间

同上文介绍的陈繁忠等设计的实验，通过控制电流密度为一定值，研究电解时间对细菌总数的影响情况。实验结果发现，随着电解时间t增加，细菌总数n减少，灭菌率α增加。进一步作图发现，n、α分别均与t呈线性关系。

1.4.3 电极材料

电极材料对氯化物介质中析氯电极反应会产生重要影响。例如，以DSA为阳极，其电催化活性较高，析Cl₂过电位可以明显降低，从而减小了能耗和槽压。与此同时，DSA在氯化物介质中耐腐蚀，工作寿命较长，电极间距不变，电极尺寸稳定，槽压稳定，有利于电解槽长期稳定地进行工作。因为析氯过点位低，所以可以提高电流密度，使电化学反应器的时空产率进一步提高。

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