Озонирование воды

Озонирование воды все чаще находит применение при обеззараживании питьевой воды, воды плавательных бассейнов, сточных вод и т.д., позволяя одновременно достигнуть обесцвечивания, окисления железа и марганца, устранения привкуса и запаха воды и обеззараживания за счет весьма высокой окисляющей способности озона. Впервые процессы озонирования для очистки питьевой воды были реализованы во Франции, где уже в 1916 г. действовало 26 озонаторных установок. Всего в Европе – 49. Озон (О3) – газ голубоватого или бледно-фиолетового цвета, который самопроизвольно диссоциирует на воздухе и в водном растворе, превращаясь в кислород. Скорость распада озона резко увеличивается в щелочной среде и с ростом температуры. Обладает большой окислительной способностью, разрушает многие органические вещества, присутствующие в природных и сточных водах; плохо растворяется в воде и быстро саморазрушается; будучи мощным окислителем, может при длительном воздействии усилить коррозию трубопроводов.

Доза озона зависит от назначения озонированной воды. Если озон вводят только для обеззараживания в фильтрованную воду (после ее предварительного коагулирования и осветления), то дозу озона принимают 1–3 мг/л, для подземной воды – 0,75–1 мг/л, при введении озона для обесцвечивания и обеззараживания загрязненной воды доза озона может доходить до 5 мг/л. Продолжительность контакта обеззараживаемой воды с озоном – 8–12 мин. Увеличить растворимость озона можно за счет повышения давления. Достоинство этого метода обработки воды: в воду обычно не вносятся посторонние химические реагенты, а продукт восстановления озона – кислород.

Принцип получения озона

Наиболее экономичный промышленный метод получения озона – пропускание воздуха или кислорода через генератор озона (озонатор), где происходит электрический высоковольтный разряд (5000–25000 В). Генератор озона состоит из двух электродов: в виде двух параллельных пластин или в виде двух концентрических трубок, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Производительность аппаратов и удельный расход электроэнергии зависят от влагосодержания подаваемого в озонатор воздуха, температуры, содержания кислорода, конструкции озонатора. Поэтому воздух перед подачей в генератор озона пропускается через фильтр и осушивается силикагелем или оксидом алюминия (Аl2О3). В генераторе под действием тихого электрического разряда получается озон, но не в чистом виде, а в смеси с воздухом. Концентрация озона в этой озоно-воздушной смеси колеблется в пределах значений от 2 до 12 г/м3. Значение концентрации зависит от конструкции озонатора. Так как электрический разряд сопровождается выделением теплоты, в аппаратах предусматривается водяное охлаждение электродов. Поскольку озон – весьма токсичный газ (ПДК в воздухе зоны – 0,0001 г/м3), схемы процессов озонирования воды предусматривают его полное использование и рекуперацию. Кроме того, в состав озонаторного оборудования, как правило, входит специальный дегазатор (деструктор) озона.

Обеззараживающее действие озона

При повышенном бактериальном загрязнении водоисточника или при наличии в нем патогенных микроорганизмов, энтеровирусов и цист лямблий, устойчивых к действию традиционного хлорирования, озон особенно эффективен. Механизм действия озона на бактерии полностью пока еще не выяснен, однако это не мешает его широкому использованию. Озон гораздо более сильный окислитель, чем хлор (при применяемых дозах того и другого реагента). По быстродействию озон эффективнее хлора: обеззараживание происходит быстрее в 15–20 раз. На споровые формы бактерий озон действует разрушающе в 300–600 раз сильнее хлора. Это подтверждается сравнением их окислительных потенциалов:

Отсутствие в воде химических веществ, быстро реагирующих с озоном, позволяет провести эффективное разрушение при концентрации растворенного озона 0,01–0,04 мг/л. Для разрушения бактерий полиомиелита (штамм Le и Mv) необходимо подвергать воду воздействию хлором в течение 1,5–3 ч при дозе окислителя 0,5–1 мг/л. В то же время озон разрушает эти бактерии за 2 мин при концентрации его в воде 0,05–0,45 мг/л. Следует отметить такое важное свойство озона, как противовирусоидное воздействие. Энтеровирусы, в частности выводящиеся из организма человека, поступают в сточные воды и, следовательно, могут попадать в воды поверхностных водоисточников, используемых для питьевого водоснабжения. Результатом многочисленных исследований установлено: остаточный озон в количестве 0,4–1,0 мг/л, сохраняемый в течение 4–6 мин, обеспечивает уничтожение болезнетворных вирусов, и в большинстве случае такого воздействия вполне достаточно, чтобы снять все микробиальные загрязнения. По сравнению с применением хлора, повышающим токсичность очищенной воды, определенной по гидробионтам, применение озона способствует снижению токсичности.

С гигиенической точки зрения, озонирование – один из лучших способов обеззараживания питьевой воды. При высокой степени обеззараживания оно обеспечивает ее наилучшие органолептические показатели и отсутствие высокотоксичных и канцерогенных продуктов в очищенной воде. Существенный недостаток метода – отсутствие длительного пролонгированного действия, в отличие от хлорирования.

Обесцвечивание воды озоном

Цветность воды свойственна природным источникам, имеющим примесь болотных вод. В них всегда содержатся гумусовые вещества, представленные фульвокислотами и коллоидными частицами гуминовых кислот, которые и придают воде желтоватый оттенок разной интенсивности. Устойчивость гумусовых веществ по отношению к окислителям различна. Растворенные вещества (гуматы), находящиеся в природных водах, сравнительно легко поддаются окислению озоном. Между тем уменьшение цветности на 1 градус, вызванной фульвокислотами, требует в 1,5 раза больше озона, чем для гуминовых кислот. Эффективность обработки воды озоном зависит и от естественного состава гуминовых соединений, стойкость которых по отношению к озону неодинакова. При озонировании относительное уменьшение цветности возрастает с увеличением значения рН. Уменьшение цветности воды на 1 мг/л введенного озона при рН, равном 3, составляет 0,5 градуса, при рН = 7–1,1 градуса и при рН, равном 8, цветность увеличивается до 1,8 градуса. Понижение температуры воды в пределах от 40 до 5°С также увеличивает эффект обесцвечивания озоном. С увеличением степени обесцвечивания повышается удельная доза озона на 1 градус устраняемой цветности.

Удаление озоном из воды железа и марганца

Если железо или марганец содержатся в воде в виде органических соединений или коллоидных частиц, то обезжелезивание воды обычными способами (аэрация, известкование или катионирование) не удается. В таких случаях целесообразно применение озона. Процесс окисления обеспечивает перевод соединений железа и марганца в нерастворимые формы, поэтому необходимо последующее фильтрование воды для освобождения ее от выпадающих осадков. При этом требуется одна массовая часть озона на одну массовую часть железа или марганца.

Устранение привкусов и запахов воды

Неприятные привкус и запах некоторых природных вод вызваны присутствием соединений минерального и органического происхождения, находящихся в растворенном или коллоидном состоянии. Окисление этих соединений приводит к их расщеплению и сопровождается исчезновением привкуса и запаха. Благодаря высокой окислительной способности озон в состоянии действовать на такие соединения, которые не поддаются действию других химических реагентов. К таким соединениям относятся: сернистые и цианистые соединения, фенолы и другие вещества, способные вызывать плохой запах воды. Обработка воды избыточным количеством озона не влечет никаких нежелательных последствий: избыточный озон, будучи нестойким, в течение нескольких минут превращается в кислород. Хлор, в отличие от озона, дает с некоторыми веществами сложные соединения, вызывающие появление резких запахов. Типичный пример – хлорирование воды, имеющей примесь фенолов. В этом случае хлорированная вода приобретает весьма неприятные привкус и запах, даже если фенолы присутствуют в ничтожной (1:100 000) пропорции.

Особенности озонирования воды

Метод озонирования технически сложен, требует больших расходов электроэнергии и использования сложной аппаратуры, которой нужно высококвалифицированное обслуживание. Необходимо учитывать некоторые особенности озонирования. Прежде всего, нужно помнить о быстром разрушении озона, то есть отсутствии такого длительного действия, как у хлора. Озонирование может вызвать (особенно у высокоцветных вод и вод с большим количеством «органики») образование дополнительных осадков, поэтому нужно предусматривать после озонирования фильтрование воды через активный уголь. В результате озонирования образуются побочные продукты включающие: альдегиды, кетоны, органические кислоты, броматы (в присутствии бромидов), пероксиды и другие соединения. При воздействии на гуминовые кислоты, где есть ароматические соединения фенольного типа, может появиться и фенол. Некоторые вещества стойки к озону. Этот недостаток преодолевается введением в воду перекиси водорода по технологии фирмы «Дегремон» (Франция) в трехкамерном реакторе.