Озонирование воды
Озон является наиболее сильным из всех известных в настоящее время окислителей. Для обработки воды он используется уже около ста лет. Однако только в последние 25–30 лет благодаря разработке озонаторов третьего поколения, резко упростивших и удешевивших его производство, началось бурное внедрение процессов озонирования воды. Предлагаются установки для производства озона в количестве от граммов до десятков килограммов в час. Они могут использоваться в небольших устройствах обработки воды и городских станциях.
Преимуществом озонирования воды является неспособность озона, в отличие от хлора, к реакциям замещения. Особенностью озона является и быстрое разложение в воде с образованием кислорода, т. е. озон обладает практически полной экологической безопасностью. К недостаткам озона относится сложность его производства на месте использования, необходимость больших затрат электроэнергии на его синтез, а также малое последействие, поскольку озон разлагается в воде примерно за 30 минут. Это заставляет проводить финальное хлорирование, правда, с дозой, сущест венно уменьшенной по сравнению с обычным способом, что предотвраща ет образование в воде токсичных хлорпроизводных.
Преимущество озонирования воды перед хлорированием объясняется следующим. По традиционной схеме улучшение качества воды обеспечивается тремя процессами. Для обесцвечивания воды применяется коагуляция. Улучшение органолептических свойств воды достигается при помощи сорбционных методов. Для обеззараживания воды применяется хлорирование. Необходимость использования трех различных процессов усложняет технологию обработки воды . При использовании коагулянтов в воду вносятся дополнительные загрязнения. Из-за значительной стоимости сорбционных загрузок часто приходится отказываться от улучшения вкусовых свойств воды. Использование хлора приводит к образованию в воде упомянутых хлорорганических соединений, оказывающих сильное действие на организм человека.
Озонирование за счет высокой окислительной способности озона позволяет одновременно достичь обесцвечивания воды, устранения привкусов и запахов и ее обеззараживания. При этом в воду не вносятся посторонние примеси и не образуются вредные для человека соединения.
Механизм бактерицидного действия озона объясняется его влиянием на обмен веществ в живой клетке, при котором нарушается равновесие превращения активной сульфидной группы в неактивную группу. Установлено, что озон универсально разрушает микроорганизмы в воде. Это можно объяснить способом действия озона. В отличие от обычно употребляемого хлора, озон не дает обратного замедляющего эффекта на внутриклеточные ферменты. Из-за высокой окислительной способности озон действует как окислитель на стенку-мембрану клетки вплоть до проникновения внутрь микроорганизма и окисления определенных важных компонентов (протеинов, ферментов, ДНК, РНК). Когда большая часть мембраны разрушена, клетка погибает. Если стенка-мембрана разрушена частично, клетка может соединиться с другой клеткой, что объясняет наблюдаемые иногда явления регенерации (сублетальное поведение).
Озонирование воды имеет преимущества перед хлорированием по воздействию на органолептические характеристики воды. Известно, что окраска вод обусловлена наличием попадающих в них в результате вымывания из почвы или торфа окрашенных гумусовых кислот (в составе гумусовых кислот различают гуминовые кислоты и фульвокислоты). При этом обесцвечивание раствора гуминовых кислот почвенного и торфяного происхождения озоном не связано с деструктивным окислением, поскольку в углекислый газ в этих условиях переходит незначительная часть углерода. Наблюдаемое обесцвечивание объясняется окислением фенольных гидроксилов до соответствующих хинонов и далее разрывом молекул по мостикам, соединяющим ароматические ядра, и образованием менее окрашенных фульвокислот, а гумусовые кислоты остаются в воде в виде малоокрашенных креновых и надкреновых кислот.
При озонировании продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и водорослей происходит практически полное удаление запахов и привкусов в широком диапазоне кислотности, температуры и ионного состава воды.
Интересным вариантом использования озонирования является его применение при производстве бутилированной воды . Вводя в воду не посредственно перед розливом избыточное количество озона, добива ются того, что после закупорки бутылей выделяющийся из воды озон стерилизует их верхнюю часть и пробку. Затем озон медленно разлага ется, насыщая воду кислородом, что придает ей родниковый вкус.
Используется озон и для «холодной стерилизации» емкостей, трубопроводов и бутылок. Для этого их обрабатывают водой с растворенным значительным избытком озона.
По современной технологии производство озона осуществляется на месте применения на специальных установках – озоногенераторах. Озон образуется при высокочастотном коронном разряде в потоке осушенного воздуха. Расход энергии составляет 5–15 кВт/кг О3·ч . Концентрация озона в воздухо-озонной смеси составляет 50–250 г/м3.
Следующей задачей является введение озона в воду. Для его растворения используются методы барботажа и эжекции.
В крупных промышленных установках наиболее часто используется барботаж озоно-воздушной смеси через очищаемую воду . Сложнейшей проблемой является обеспечение одинакового времени контакта пузырьков с водой. Для этого необходимо создание равномерных пузырьков, а также их введение по всему объему воды.
В установках относительно небольшой производительности наиболее распространен и достаточно эффективен метод эжекции. Очищаемая вода проходит через эжектор, создает в нем разрежение, при котором в воду засасывается необходимое количество озона. Интенсивное перемешивание в эжекторе диспергирует озон на мельчайшие пузырьки с огромной поверхностью контакта. Поэтому скорость растворения велика. Кроме того, разрежение на линии после озоногенератора гарантирует безопасность от попадания озона в воздух рабочих помещений.
После растворения озона необходимо обеспечить определенное время его контакта с водой для осуществления химических реакций окисления и удаления из воды избыточного количества воздуха и озона. Для этого устанавливают контактно-сепарационный аппарат, из которого вода направляется на угольный фильтр для доочистки от органики и деструкции озона.
Совместить эффективное растворение озона и заданную длительность его контактирования с водой позволяют пульсационные колонны со специальными распределительными тарелками. Озоно-воздушная смесь вводится в нижнюю часть колонны; возвратно-поступательное движение воды, создаваемое специальным пульсатором, и распределительные тарелки обеспечивают ее диспергацию до пузырьков заданных оптимальных размеров, которые поднимаются противотоком к двигающемуся вниз потоку воды. Этим достигается высокая степень использования озона при большой удельной производительности аппарата.
При любом методе подачи озона он полностью никогда не растворяется и удаляется с отходящими из адсорбера газами. Допустимое содержание озона в воздухе составляет 0,2 мг/м3. Поэтому этот озон должен быть деструктирован. Используются каталитический и термический методы.