Л. В. МОЖАЕВ, И. М. ПОМОЗОВ, В. К. РОМАНОВ

Озонирование — достаточно модное нынче слово, связываемое с очень современным и действенным способом очистки воды. Это верно и неверно. Во-первых, озон — это не только мощное средство для подготовки питьевой воды. Перечень областей, в которых он используется как обеззараживающее средство, средство для удаления запахов, катализатор химических и технологических процессов достаточно велик. Озон очень эффективен при обработке воздуха (дезинфекция помещений для хранения продуктов, содержания животных, очистка загрязнений воздуха при выбросе после «грязных» металлургических и химических производств), в предпосевной обработке семян, при обработке целлюлозы, отбеливании тканей. Озонирование воздушной среды улучшает условия труда, снижает микробную загрязненность в 3–4 раза. Отдельной и важной отраслью использования озона является медицина, в которой применяются озонированные физиологические растворы, озонная аутогемотерапия; озон используется при лечении ожоговых заболеваний, для ингаляций. Во-вторых, озон и его действие известны и изучаются достаточно давно. В-третьих, как чаще всего и бывает в природе, озон — не панацея от всех бед.

В ОБЛАСТИ водоподготовки озон также используется в нескольких направлениях:

• очистка питьевой воды из поверхностных или подземных источников;

• очистка сточных вод;

• очистка воды в системах оборотного водоснабжения бассейнов.

В данной статье мы остановимся только на одном аспекте использования озона —подготовка питьевой воды.

Несомненно, что озонирование является одним из наиболее экологически чистых и универсальных методов обработки воды.

Озонирование, как средство для обеззараживания, впервые было опробовано в 1886 г.во Франции. С 1905 г. в России начала действовать экспериментальная установка для озонирования воды при Петропавловской больнице. В 1911 г. в Петербурге была введена в строй самая крупная в мире производственная установка озонирования, обрабатывавшая44 500 м3 воды в сутки. В мире на сегодняшний день работает множество систем водоподготовки, использующие озонирование: во Франции, Канаде, Швейцарии, Италии, Германии, Саудовской Аравии и др.

В советское время в большом масштабе озонирование было использовано на Восточной водопроводной станции в Москве. В 1968 г. станция была оснащена озонаторами французской фирмы «Трейлигаз». Однако из-за относительной дороговизны оборудования, строгости технологии и нестабильного качества выпускаемого оборудования озонирование долго оставалось на уровне эксперимента.

Озон является аллотропической модификацией кислорода (О3) и при нормальной температуре и давлении представляет собой газ бледно фиолетового цвета. В природном состоянии озон находится в высоких слоях атмосферы, где возникает фотохимическим путем под действием солнечной радиации. Он обладает характерным «грозовым» запахом и в переводе с греческого означает «пахучий». В искусственных условиях озон получают различными методами, но всегда растворенным в воздухе или кислороде. В производственных процессах получения озона для очистки воды озоновоздушную смесь получают при помощи «тихого» электрического разряда в озонаторах. Реакция получения озона характерна получением из кислорода воздуха при его возбуждении не только озона, но и атомарного кислорода:2О3 = 3О2 + Q, где Q — тепловой эффект реакции:

Озон является наиболее сильным из известных природных окислителей, имеет высокую растворимость и активно вступает в реакцию с органическими и неорганическими веществами, его редокспотенциал составляет 2,07.

Обработкой озона достигаются следующие цели:

• снижение цветности и увеличение прозрачности воды за счет разложения в первую очередь гуминовых кислот;

• удаление привкусов и запаха, обусловленных присутствием соединений минерального и органического происхождения;

• удаление металлов (полное окисление), в первую очередь тяжелых металлов, эффективное обезжелезивание, удаление марганца — см. рис. 1 и 2.

    Графики показывают сравнение между обычной аэрацией и окислением озоном.

Окисление озоном существенно быстрее, чем аэрация. Железо, которое связано с гуминовыми кислотами, также окисляется озоном. При этом следует учитывать увеличение дозы озона;

• окисление и разложение фенольных соединений, соединений азота (аммиак, нитраты, нитриты), сероводорода, цианидов;

• окисление и разложение СПАВ и нефтепродуктов;

• значительное улучшение комплексных показателей окисляемости ХПК (химическое поглощение кислорода) и БПК (биологическое поглощение кислорода). За счет высокой окислительной способности;

• стерилизация и дезинфекция. Практически не известны микроорганизмы, бактерии, споры и вирусы, стойкие к озону. В отличие от хлора, эффекта «привыкания» при озонировании не наблюдается, а время разрушения их озоном в 10–30 раз меньше при меньшей дозе. Озон разрушает бактерии за счет окисления свободных гидросульфитных групп фермента SH-протоплазмы белка, быстрое разрушение вирусов озоном можно объяснить быстрым окислением сульфидных групп.

Дозы озона, в зависимости от состава обрабатываемой воды, составляют от 0,5 до5 мг/л, время реакции озоно-воздушной смеси с водой для эффективного окисления примесей — от 1–2 до 10–15 мин.

Универсальным показателем стерилизации воды является окислительно-восстановительный потенциал воды. 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.

Например, в аквариумных системах величины от 300 до 400 мВ дают хорошие результаты.

На рис. 3 показано соотношение между содержанием озона и окислительно-восстановительным потенциалом в более широком диапазоне, из чего следует, что значения не растут выше 1000 мВ даже при очень высоких дозах озона. Кроме того, следует отметить, что соотношение не постоянно. Оно зависит от качества воды и pH.

Одним из преимуществ озона с гигиенической точки зрения является неспособность, в отличие от хлора, к реакциям замещения, в воду не вносятся посторонние примеси и не возникают вредные для человека соединения. Особенностью озона является и его быстрое разложение в воде с образованием кислорода, т.е. озон обладает полной экологической безопасностью. Время«жизни» озона в воде — 10–15 мин.

Из перечисления основных направлений использования видно, что действие его основано в первую очередь на процессах окисления. Именно с необходимостью окисления не свойственных воде примесей связано большинство процессов очистки, однако есть загрязнения, не поддающиеся окислению и, следовательно, не удаляемые озоном. Это (кроме, конечно, механических загрязнений, взвешенных веществ) галогены (фтор, бром) и соли, в т. ч. соли жесткости.

Таким образом, наряду с несомненными преимуществами, как наиболее эффективного, комплексного и естественного реагента, у озона есть и недостатки. Озонирование не может быть единственным универсальным методом очистки воды, избавляющим ее от всех возможных загрязнений, и является только одной из ступеней водоподготовки. Кроме того, применение озона накладывает некоторые технологические ограничения.

Во-первых, из-за насыщения воды озоно-воздушной смесью она приобретает высокую окислительную способность и становится коррозионно-активной. Особенно коррозионная активность может возрасти при повышении температуры или снижения давления в системе (падает растворимость кислорода в воде). Это требует использования оборудования и материалов, стойких к озону (трубы из ПВХ или нержавеющей стали, реакторы и емкости для хранения озонированной воды из ПВХ или бетона) и т. п.

Во-вторых, озонирование — это процесс, требующий определенного состава оборудования:

• озоногенератор, в котором осуществляется выработка озона из воздуха или кислорода;

• система введения озона в воду и его смешения;

• реактор — емкость, в которой за счет перемешивания и выдержки обеспечивается необходимое время реакции озона с водой;

• деструктор озона для удаления остаточного не прореагировавшего озона;

• приборы контроля озона в воде и воздухе.

Это оборудование надо размещать в отдельном помещении с вентиляцией, эксплуатировать, выполняя необходимые профилактические мероприятия.

В-третьих, существуют ограничения по количеству озона в воде (доза остаточного озона — не более 0,1 мг/л) и в воздухе (ПДК озона в помещении, где работают люди, — не более 0,1 мкг/л).

Однако опыт использования озонирования на современном этапе, накопленный для систем разной производительности, говори то том, что эту технологию можно и нужно применять не только на мощных водопроводных станциях, отвечающих за снабжение водой крупных городов, но и в системах водоподготовки малой и средней производительности.

Несомненно, что качество воды при водоподготовке с использованием озонирования будет значительно выше, чем при прочих технологиях, однако экономической оценке этот параметр можно подвергнуть только в оборотных системах. Еще одним преимуществом использования озонирования является то, что при относительно высокой стоимости первичных капитальных затрат эксплуатационные затраты связаны только с потреблением электроэнергии (в среднем 0,05– 0,07 кВт на 1 г озона).

Станция озонирования — только оборудование, необходимое для озонирования. Станция водоподготовки — блоки озонирования и фильтрования. Автоматизированный комплекс — блоки озонирования и фильтрования, управляемые от микро-РС.

Система эжекции (рис. 4). Ввод озона в воду осуществляется в напорной схеме. Режим работы в напорной схеме очень надежен. Озон не может попасть в систему, если в озоновой магистрали есть утечки. Если в озоновой магистрали идет подсос озона или недостаточно разряжение в магистрали эжекции, озоногенератор выключается. Давление всасывания и давление напора одинаковые.

В реакторе создается внутренний поток. Он способствует более интенсивному перемешиванию. Более того, после остановки системы водоочистки этот принцип позволяет начать работу системы эжекции так, что вода, остававшаяся внутри реактора, будет очищаться перед подачей основного потока. Таким образом достигается более высокая степень безопасности эксплуатации системы. При таком варианте необходим насос в озоностойком исполнении. При низком давлении в системе насос может быть выполнен из пластика. При более высоком давлении в системе насос должен быть изготовлен из нержавеющей стали.

Реактор или реагентная камера предназначены для смешивания насыщенной озоном смеси, подаваемой через систему эжекции, с основным потоком и обеспечения необходимого для реакции времени выдержки.

Реагентная камера конструируется в соответствии с требованиями заказчика.

Расход воды, давление в системе и состав воды, так же как и наличие существующей системы очистки воды, влияют на конструкцию, материал, объем реагентной камеры и системы смешения.

Реагентная камера, показанная на рис. 5,рассчитана на большой расход воды, давление до 6 бар и более, время реакции2–6 мин и более.

Деструктор. Каталитический деструктор предназначен для отделения газовой фазы и удаления озона, не прореагировавшего с водой (рис. 6, таблица). В верхней части размещен картридж с активированным углем, состоящий из двух труб одна в другой. Перед началом работы нижняя часть деструктора должна быть заполнена водой.

Озоносодержащий газ поступает в деструктор озона из реагентной камеры. Проточная вода поступает одновременно с газом в нижнюю емкость. В верхней части размещен картридж с активированным углем, состоящий из двух труб одна в другой, что увеличивает площадь рабочей поверхности и интенсифицирует процесс перевода озона в кислород.

Одним из первых этапов проектирования является правильное определение необходимой дозы озона при обработке 1 м3 воды. Сделать это можно на основании анализов воды и рекомендаций по требуемым дозам озона для удаления тех или иных загрязнений.

Чтобы выбрать из множества предлагаемого на рынке отечественного и импортного оборудования, необходимо учитывать технические характеристики оборудования, ноне по тому, сколько воды можно обработать с помощью данной установки, а по ее производительности по озону, учитывать особенности технологии получения озона и требований к окружающей среде и внешним коммуникациям, комплектацию поставляемого оборудования.

Иногда целесообразно включить озонирование, как дополнительную ступень очистки, в состав действующих сооружений. В этом случае важно определить место озонирования в технологической цепочке, материалы оборудования и трубопроводов, использованных ранее.

И конечно, правильнее поручить разработку технологии с использованием озонирования специалистам, имеющим опыт в этой области.