[发明专利]一种基于光电化学反应器灭活饮用水中微生物的方法

说明书

本发明涉及一种基于光电化学反应器灭活饮用水中微生物的方法。该方法特征在于：1）饮用水的预处理：将待处理的饮用水注入光电化学反应器中，添加电解质硫酸钠，打开磁力搅拌和曝气开关，曝空气20分钟，提高水中溶解氧浓度；2）饮用水消毒处理：接通光电化学反应器的直流稳流电源，打开太阳光模拟器的灯管，处理2~3h；大肠杆菌彻底被灭活，达到饮用水标准。采用上述方法，电源通电后实现溶解氧在改性阴极还原为过氧化氢，过氧化氢灭活微生物，达到饮用水标准。本发明将电化学还原产生过氧化氢和太阳能消毒相结合，提高了微生物灭活效率，降低饮用水处理成本。

技术领域

本专利涉及一种饮用水的处理技术领域，具体涉及一种基于光电化学反应器灭活饮用水中微生物的方法。

背景技术

21世纪以来，随着生产力和科学技术的飞速发展，人类生活水平也大幅提高。但环境问题依然困扰着世界上各个国家和地区，人类健康面临着严峻考验。其中水环境问题十分突出。科学家研究发现，人类多数疾病的病因与饮用水有关，而各种水生病原体就是罪魁祸首。鉴于水生病原微生物给人类带来的严重疾病，消毒工艺对于饮用水处理来说便至关重要。传统的水消毒方法，如氯化，臭氧化等，往往需要大量注入资金和基础设施，配水过程也面临污染风险。

太阳能具有清洁、丰富且易于获取的特点。1980年以来，SODIS（太阳能水消毒）便用于水消毒领域。紫外线中UVB部分可直接损害微生物的DNA或RNA。UVA部分也可起间接作用，它被微生物的一些内源性发色团吸收，这些发色团作为敏化剂可诱导ROS（活性氧物质）的形成，导致蛋白质和脂质被破坏，膜的渗透性发生变化，从而破坏其DNA。SODIS通常在发展中国家的某些地区用作家庭饮用水处理。但是它需要较长的消毒时间。为了缩短处理时间并实现更有效的水处理，我们可以选择加入一些添加剂。H₂O₂可以增加细胞内ROS的产生，增强微生物的灭活。消毒后H₂O₂分解为水和氧气，它是一种理想的消毒剂。然而，额外添加H₂O₂面临运输和储存过程安全等诸多问题。

电化学技术为上述问题提供了新的解决方案。该方法具有环境友好、操作简单、安全有效、处理费用低等优点，能够有效灭活水中的大肠杆菌、产气荚膜梭菌、MS₂噬菌体、隐孢子虫卵囊等病原微生物，被认为是最有发展前途的饮用水处理方法。当氧在阴极被还原时，通过2电子途径产生H₂O₂。由于H₂O₂可原位生成，与额外添加H₂O₂相比，可避免运输和储存问题。

碳材料作为电化学反应装置的阴极，在电还原过程中倾向于2电子过程，有利于氧气在其表面被还原为H₂O₂。我们选用的RVC（网状玻璃碳）具有更高的空隙率、比表面积和较强的耐腐蚀性，更有利于H₂O₂的生成。此外，阴极表面的官能团对阴极性能也有重要影响。我们通过在酸性条件下阳极极化改性RVC阴极，增加其表面的含氧官能团（-COOH、-C = O、-CHO），可以提高电极亲水性，降低溶解氧的扩散阻力并提供更多的表面活性位点，进而提高H₂O₂产率。

本发明将改性RVC电还原产生H₂O₂消毒和SODIS结合使用，通过这种协同消毒的方式，使用大肠杆菌作为指示菌可发现，细菌受到H₂O₂氧化消毒和太阳光消毒的双重影响，灭活时间大大缩短。故本发明可以缩短饮用水处理消毒时间，提高灭菌效率，降低用电量。

本发明基于“一种用于灭活饮用水中微生物的光电化学反应器”设计的光电化学反应器，目的是通过将太阳光消毒与电化学还原产H₂O₂消毒相结合的原理，构建低能耗且有效的饮用水消毒方法。

发明内容