Озонирование в системах водоподготовки

Не вдаваясь в технологические подробности особенностей очистки воды из сильно загрязненных источников, с чем приходится сталкиваться, например, на городских водозаборах, следует отметить, что в основе подавляющего большинства процессов водоподготовки лежит реагентное воздействие на воду различными составами, фильтрование и обеззараживание.

Выбор технологии зависит от того, требуется ли достижение какого-либо конкретного результата, например:

• улучшение органолептических свойств (устранение мутности, запаха, привкуса);
• обеспечение эпидемиологической безопасности (обеззараживание);
• кондиционирование минерального состава (фторирование, обезжелезивание, умягчение и др.) или комплексное решение проблемы.

Поскольку в городе из водопроводной сети идет уже предварительно очищенная вода, то задача очистки воды упрощается. Требуется удалить из воды то, что можно назвать "издержками очистки", т. е. вещества, искусственно внесенные при очистке с большим избытком, например, алюминий или хлор, а также загрязнения, связанные с транспортировкой по трубам: взвешенные вещества, железо и т. п.

Самым простым, известным и распространенным методом очистки является фильтрование. Простые фильтры, предназначенные для домашнего использования, в основном картриджного типа, построены на фильтровании через мелкие металлические или неметаллические сетки, волокно и т. п. одноразового использования, т. е. до засорения. После засорения они перестают работать и даже могут внести накопившиеся загрязнения в воду. Более сложные фильтры предполагают фильтрование через различные вещества: кварцевый песок, активированный уголь, специальные составы для обезжелезивания и умягчения. Эти фильтры многоразового использования и для удаления накопившихся загрязнений и восстановления свойств фильтрующего материала требуют промывки обратным потоком воды или специальным составом.

Фильтрация сама по себе не в состоянии глубоко очистить воду, а тем более улучшить ее вкусовые качества и обеспечить обеззараживание. Для этого требуется дополнительное реагентное воздействие и, желательно, наиболее естественное, близкое к природным процессам.

Природные процессы очистки воды связаны с насыщением воды кислородом воздуха и фильтрованием через поверхность. Процессы эти очень медленны, но потому так вкусна родниковая вода, что она прошла через две основные стадии очистки: окисление и фильтрование.

Современные технологии позволяют значительно ускорить эти процессы.

Интенсификация процесса окисления примесей достигается использованием наиболее сильного и в то же время естественного вещества - озона.

Как самостоятельное вещество озон был выделен в 1840 г. Он представляет собой трехатомную модификацию кислорода - О₃ - и за счет дополнительного атома кислорода чрезвычайно активен в реакциях окисления. Высокая окисляющая способность является одним из основных его химических свойств. Он переводит в окислы все известные металлы, за исключением золота и платины, а также большинство органических и неорганических соединений. В природе озон возникает из кислорода при дополнительном энергетическом воздействии, например, от разряда молнии, почему его иногда называют "газ грозы", а также при окислении органических веществ. В верхних слоях атмосферы возникновение озона обусловлено влиянием солнечной активности на кислород воздуха. В быту сейчас самым распространенным "непроизвольным" выделением озона можно считать работу копировальной техники.

Озон относительно нестабилен и вновь переходит в состояние О₂. Он представляет собой газ бледно-фиолетового цвета. Некоторые сравнительные физические характеристики озона, кислорода и воздуха представлены в табл. 1.

Медицинская эффективность озона в малых концентрациях широко используется при обеззараживании помещений, улучшении заживляемости ран, создании благоприятной атмосферы в жилище - разнообразные ионизаторы воздуха являются по сути простейшими озоногенераторами.

Применение озона при обработке воды также имеет давнюю историю. Первая опытная установка была смонтирована в 1989 г. в Париже. Большое распространение озонирование получило в Германии, Франции, Канаде.

В последние годы способ очистки воды с помощью озона стал широко применяться и в России, в частности фирмой "Научно-технический центр ОЗОН".

В озоногенераторах фирмы "Озон" используется технология получения озона с помощью тихого электрического разряда. Внешний электрод соединяется с землей. Поскольку этот электрод нагревается в ходе процесса получения озона, он должен охлаждаться водой, воздухом или другими специальными средствами.

В этот внешний электрод вставлена специальная стеклянная трубка. Она расположена с кольцевым зазором относительно внутреннего высоковольтного электрода. Между этими тремя электродами происходит управляемый тихий электрический разряд. Этот процесс позволяет преобразовать кислород воздуха в озон. Напряжение разряда на электродах составляет от 1 до 7 кВ.

Озоногенератор производительностью 10 г/ч изготавливается в настенном исполнении, озоногенератор более высокой производительности, например, 100 г/ч, изготавливаются в напольном исполнении.

Рисунок 1

С точки зрения экологической безопасности и глубины воздействия озон не имеет себе равных, так как:

• при озонировании в воду не вносится ничего постороннего, минеральный состав и рН остаются без изменения;
• избыток озона через несколько минут превращается в кислород и не ухудшает органолептических свойств;
• озон разрушает органические вещества, способствующие развитию микроорганизмов;
• при озонировании пестицидов происходит дезодорация с одновременным глубоким разрушением исходных соединений;
• правильно подобранные дозы озона позволяют удалить из воды фенолы, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества, сернистые соединения, сероводород;
• озон эффективно окисляет соединения металлов, в т. ч. железо, марганец, алюминий и др. Время окисления озона в несколько раз меньше, чем кислородом или воздухом.

Доза озона: 0,44 г озона/г Fe.

Уравнение реакции:

2Fe²⁺+O₃+H₂O=>2Fe³⁺+O₂+ 2OH^-

или

2Fe²⁺+O₃+5H₂O=>2Fe(OH)³⁺+O₂+4H⁺

Согласно вышеупомянутому уравнению Fe²⁺ окисляется в Fe³⁺, который может быть отфильтрован или осажен. Графики (рис. 2) показывают сравнение между обычной аэрацией и окислением озоном:

• озон, в отличие от хлора, не образует канцерогенных органических соединений;

• озонирование освобождает воду от природных или внесенных в воду промышленных органических веществ, придающих ей запах, привкус и цветность;

• озон обладает наибольшим обеззараживающим свойством против возбудителей вирусных заболеваний и споровых форм, в т. ч. стойких к хлору.

Рисунок 2

• Бактерицидные свойства воды характеризуются окислительно-восстановительным потенциалом. Уровень окислительно-восстановительного потенциала более 700 мВ гарантирует полное обеззараживание (рис. 3).

Рисунок 3

Поскольку с одной стороны постоянное измерение содержания озона в воде - процесс сложный и дорогой, а с другой стороны, озон значительно влияет на величину окислительно-восстановительного потенциала, принято использовать величину окислительно-восстановительного потенциала как индикатор стерилизации. Обычно при значении 700 мВ достигается полная стерилизация воды. Для стерилизации посуды, тары, бутылок необходим более высокий потенциал. Но и при более низких значениях окислительно-восстановительного потенциала достигается существенное сокращение количества микробов.

Для достижения одного и того же значения требуется значительно больше хлора, чем озона (рис. 4).

Рисунок 4

• Озонирование создает возможности комплексной обработки воды и улучшает основные органолептические свойства (цветность, запах, привкус).

Но было бы неправильно показывать только преимущества озона. Недостатки озонирования следующие:

• из-за нестойкости озон не может поддерживать бактерицидное состояние воды в течение длительного действия, и поэтому необходимо исключить попадание загрязнений в очищенную воду, что реально только на коротких водопроводных сетях;
• технология озонирования требует значительно больших первичных капитальных затрат по сравнению с другими методами очистки, хотя и окупается в течение 5-8 лет, т. к. никаких дополнительных затрат на реагенты не требуется;
• озон требует внимательного отношения в эксплуатации, все трубопроводы должны быть выполнены из чистых неметаллических материалов.

Всем этим комплексом перечисленных преимуществ и недостатков обусловлена область применения озонирования.

Процесс озонирования предполагает использование следующего необходимого оборудования:

• озоногенератор для производства озона из окружающего воздуха;
• реактор (контактная камера) для обеспечения необходимого времени контакта озона с водой;
• система эжекции для ввода озоновоздушной смеси в воду;
• приборы контроля озона в воде и в воздухе;
• деструктор для разложения озона, не прореагировавшего с водой.

Помещение, в котором устанавливается озонаторное оборудование, должно хорошо вентилироваться и иметь температуру не выше 25-28°С.

Современные системы озонирования обладают высокой степенью автоматизации, малой энергоемкостью и не требуют особой квалификации при обслуживании.

Фирма "Научно-технический центр ОЗОН" использует технологию озонирования в различных системах:

• в системах водоподготовки плавательных бассейнов (Городские бассейны на ул. Чоботовская, 4; ул. Заповедная, 8; бассейны на ул. Удальцова, ул. Новочеремушкинская (гимназия ОАО "Газпром" и др.);
• в системах централизованной доочистки питьевой воды (офисное здание ОАО "Стройтрансгаз", жилой дом по ул. Крылатские Холмы, 15);
• при глубокой очистке сточных вод, например, в оборотном водоснабжении автомобильных моек (жилой дом по ул. Островитянова, жилой дом по ул. Крылатские Холмы, 15).

После обработки озоном в воде образуется определенное количество окислов и разрушенных веществ, которые необходимо удалить. Делается это на обычных фильтрах, заполненных кварцевым песком и (или) активированным углем. Для качественного фильтрования не следует применять высокие скорости фильтрации, необходимо придерживаться рекомендаций старого, но надежного СНиПа 2.04.02-84, тем более, что экономия на стоимости фильтров незначительна, а эффективность очистки может быть сильно снижена.

Тел. (095) 720-0388