Обработка воды газообразным озоном О3

Обработка воды газообразным озоном О₃ является Перспективным современным направлением в водоподготовке.

Озон в силу своих высоких окислительных свойств способен эффективноуничтожать патогенную бактериальную микрофлору и окислять многие органические соединения и металлы с их последующим разложением. Озонирование воды перспективно в водоподготовке питьевой воды и воды, используемой для хозяйственных нужд, дезинфекции сточных вод, оборотной воды бассейнов, обеззараживании воды, предназначенной для бутилирования, удаляя из воды неприятные привкусы и запахи, а также для дезинфекции производственных и бытовых помещений и дезодорации воздуха. В данной статье рассмотрены основные аспекты применения озона в водоподготовке.

Очистка и получение пригодной для потребления питьевой воды является важным этапом водоподготовки. По традиционной схеме водоподготовка обычно включает три основных стадии: механическую фильтрацию, удаление из воды взвешенных и коллоидных веществ (осветление) и обеззараживание. Удаление из воды взвесей достигается при помощи сорбционных методов и фильтров. Для осветления воды применяется химическая обработка специальными коагулянтами (сернокислый алюминий Аl(SO₄)₃·18Н₂О, сернокислое железо FeSO₄·7Н₂О, хлорное железо FeCl₃·6H₂O), способными осаждать коллоидные частицы гидроксидов железа или алюминия с адсорбированными на них коллоидами загрязнений, размером до 0,07 микрон. Для обеззараживания воды используется обработка хлором и его производными (окись хлора (ClO₂), гипохлорид натрия NaOCl), содержащими 95-97 % активного хлора. Необходимость использования трёх различных процессов существено усложняет технологию обработки воды. Из-за значительной стоимости сорбционных установок и сложности технологического процесса водоподготовки часто приходится пренебрегать улучшением вкусовых качеств воды. При обработке воды коагулянтами в воду поступают дополнительные загрязнения; хлорирование, в свою очередь приводит к образованию в воде токсически опасных хлорорганических соединений.

Альтернативным хлорированию способом в водоподготовке является обработка воды озоном. Озон – газ синего цвета с характерным резким запахом, образующийся при воздействии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на воздух. При низких температурах (-112 °С) озон превращается в темно-синюю жидкость, при более глубоком охлаждении образует темно-фиолетовые кристаллы. T_пл – 192,7 ⁰С, Т_кип – 111,9 ⁰С, растворимость в воде при 20 ⁰С0.0394 масс.% (Табл. 1).

Таблица 1

Основные физико-химические свойства озона

 

Наименование параметра	Значение
Молекулярный вес	49 г/моль
Температура кипения (1 атм.)	-111,9 °С
Температура плавления (1 атм.)	-192,7 °С
Плотность (0 °С)	2,144 г/л
Растворимость в воде (20 °С)	0,0394 масс.%

 

Озон применяется в очистке и доочистке питьевой воды, подготовке воды для производства пива безалкогольных напитков, стерилизации стеклянных и пластиковых бутылок из полиэтилентерефталата (ПЭТ), озонирования воды в бассейнах, дезинфекционной обработке сточных вод, производственных, бытовых помещений и мест общего пользования и др.

 

По степени опасности озон относится к первому классу вредных веществ.

• Максимальная разовая предельно допустимая концентрация (ПДК м.р.) озона в атмосферном воздухе населённых мест 0,16 мг/м³.
• Среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДК с.с.) озона в атмосферном воздухе населённых мест 0,03 мг/м³.
• Предельно допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе рабочей зоны 0,1 мг/м³.

Химические свойства озона

По химическому строению озон представляет собой молекулу, состоящую из трех атомов кислорода с длиной связи 1.278 А⁰ и валентным углом 116,8 ⁰ (рис. 1). Молекула озона полярна, её дипольный момент 0,534 D.

  

Озон неустойчив и при нормальных условиях (20 ⁰С, 1 атм.) самопроизвольно превращается в кислород O₂ с генерированием атомарного кислорода и выделением тепла. Период полураспада озона в воздухе составляет 30-40 мин. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода озона О₃ в O₂. При больших концентрациях О₃ процесс может носить взрывной характер. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некоторыми металлами или их оксидами ускоряет превращение О₃ в O₂.

Озон - сильный окислитель и со многими непредельными органическими соединениями образует озониды – промежуточные продукты присоединения озона по двойной связи. Первичным продуктом взаимодействия озона является малозоид (1,2,3-триоксолан), который неустойчив и распадается на карбонилоксисид [>C=O-O]* и карбонильные соединения - альдегиды или кетоны (схема).

 

Реакция озонирования чрезвычайно экзотермична, избыток тепла уходит на электронноколебательное возбуждение образующихся продуктов реакции и частично рассеиваются молекулами растворителя. Промежуточные продукты, образующиеся в этой реакции, вновь реагируют в другой последовательности, образуя озониды. В присутствии веществ, способных вступать в реакцию с карбонилоксидом (спирты, кислоты), вместо озонидов образуются различные перекисные соединения.

Озон активно вступает в реакцию с ароматическими органическими соединениями, при этом реакция идет как с разрушением ароматического ядра, так и без его разрушения. При взаимодействии озона с фенолами происходит образование соединений с нарушенным ароматическим ядром (типа хиноина), а также малотоксичных производных непредельных альдегидов и кислот.

В реакциях с насыщенными углеводородами, протекающих в водных растворах, озон вначале распадается с образованием атомарного кислорода, который инициирует цепное окисление. При этом выход продуктов окисления соответствует уровням расхода озона.

Озон также способен взаимодействовать с щелочными металлами – натрием (Na), калием (K), рубидием (Rb), цезием (Cs), посредством формирования промежуточного неустойчивого комплекса катиона металла с озоном [М⁺ – О – Н⁺– O₃^-]*, в результате последующего водного гидролиза которого образуется смесь озонида МО₃ и водного гидроксида щелочного металла (MOH).

Бактерицидное действие озона

Озон – сильный дезинфектант, оказывающий выраженное бактерицидное воздействие на многие патогенные микроорганизмы, бактерии и вирусы. При оценке эффективности озона используется С·Т критерий, т. е. произведение концентрации реагента на время его действия. По своему дезинфицирующему действию озон превосходит хлор, хлорамин и двуокись хлора (Таблица 3).

Механизм бактерицидного действия озона объясняется его высокой окислительной способностью. Озон действует как сильный окислитель на клеточную стенку мембран микроорганизмов с последующим проникновением внутрь клетки и окислением жизненно важных биологически активных соединений (белки, ферменты, ДНК, РНК). Благодаряя своим окислительным свойствам озон уничтожает бактерии в 3-5 раз эффективнее УФ-излучения и в 500-1000 раз сильнее хлора.

Таблица 3

Значение С·Т критерия для различных микроорганизмов (99% инактивации при 5-25 °С. С·Т критерий(Мб/л·мин))

 

Вид микроорганизмов	Озон	Свободный хлор	Хлорамин	Двуокись хлора
Кишечная палочка Е. coli	0,02	0,03-0,05	95-180	0,4-0,75
Полиовирусы	0,1-0,2	1,1-2,5	770-3470	0,2-6,7
Ретровирусы	0,006-0,06	0,01-0,05	3810-6480	0,2-2,1
Гардиалямблии (цисты)	0,5-0,6	47-150	-	-
Гардиацисты	1,8-2,0	30-630	1400	7,2-18,5
Криптоспоридиум	3,2-18,4	7200	7200	78

 

Озон более эффективен, чем хлор, при уничтожении кишечной палочки Еcherihia coli, которая в воде уничтожается озоном в 1000 раз быстрее, чем хлором. Время, необходимое для уничтоженияEndamoeba hystolica при остаточной концентрации озона в воде 0.3 мг/л, составляет 2-7.5 мин, а для хлора (остаточная концентрация 0.5-1 мг/л) – 15-20 мин. Вирус полиоэмилита уничтожается озоном за 2 мин при концентрации 0.45 мг/л, тогда как при обработки воды хлором в концентрации 1 мг/л для этого требуется 3 часа.

Способы получения озона

Химический способ осуществляется реакцией взаимодействия пентафторида висмута (BiF₅) и других сильных окислителей с водой. Озон также образуется во многих процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора и др.

Электролитический способ реализуется в специальных электролитических ячейках. В качестве электролитов используются растворы различных кислот и их соли (H₂SO₄ HClO₄ NaClO₄ KclO₄). Образование озона происходит за счет разложения воды и образования атомарного кислорода, который присоединяясь к молекуле кислорода образует озон O₃. Этот метод позволяет получать озон с высокими выходами, однако из за своей энергоемкости широкого применения не находит.

Фотохимический способ основан на диссоциации молекулы кислорода под воздействием коротковолнового УФ излучения c энергией 4.13 — 6.20 эВ. Аналогичный процесс протекает в верхних слоях атмосферы, где под воздействием солнечного излучения образуется т. н. озоновый слой. Метод нашел применение в медицине, пищевой промышленности и др.

Электросинтез в газовом разряде - барьерном, поверхностом и импульсном, получил наибольшее распространение в промышленных и бытовых установках генерирования озона. Этот метод позволяет получать озон высоких концентраций при большой производительности и невысоких энергозатратах оборудования.

Использование озона в водоподготовке

Озонирование воды в водоподготовке имет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с другими существующими технологиями, в т. ч. хлорированием воды (табл. 2). Важным преимуществом является неспособность озона в отличие от хлора, к реакциям замещения с органическими соединениями, приводящими к образованию побочных токсичных хлорорганических соединений – тригалометанов, главным представителем которых является хлороформ (СHCl₃). Как известно, что в процессе хлорирования воды может образовываться до 50 различных галогенсодержащих соединений, включая бромоформ (СHBr₃), дибромхлорметан (CHBr₂Cl), бромдихлорметан (CHBrCl₂), и хлороформ (СHCl₃).

Озонирование в водоподготовке не приводит к образованию тригалометанов и за счет высокой окислительной способности озона позволяет одновременно достичь осветления воды и осаждения примесей, а также устранить привкусы и запахи при обеззараживании. По многим характеристикам, включая комплексный показатель токсичности и мутагеной активности, озон превосходит хлор и его производные (табл. 2).

Таблица 2

Сравнительные характеристики озонирования и хлорирования воды

 

Параметр	Хлорирование воды	Озонирование воды
Концентрация свободного остаточного реагента	не менее 0,5 мг/л	не более 0,3 мг/л
Значение рН	до 7,5	до 7,5
Мутность	До 2 мг/л	до 7 мг/л
Время контакта реагента с водой	не менее 30 минут	до 5 минут
Уничтожение Е.coli	99%	до 100%
Уничтожение вирусов	70%	до 100%
Уничтожение спор, цист и ооцист, паразитирующих простейших	50%	до 100%
Комплексный показатель токсичности и мутагенной активности	увеличение в 3 раза	уменьшение в 2,5 раза
Органические соединения	образование тригалометанов, хлораминов, диоксинов и т.п.	разрушение органического углерода, в т.ч. хлорорганических соединений
Растворенный кислород	Уменьшение до 50%	увеличение до 100%
Ионы металлов: Fe, Mn, Al, Pb, Hg и др.	сохраняются	окисляются до 90%

 

При растворении в воде озон разлагается на О₂ с генерированием реакционноспособного атомарного кислорода, способного быстро окислять загрязнения органической и неорганической природы, переводя их из растворенного состояния во взвеси, задерживаемые сорбционным фильтром.

По современной технологии производство озона осуществляется на месте потребления на специальных установках – озоногенераторах, генерирующих озон при высокочастотном коронном разряде в потоке осушенного воздуха. Расход энергии в этом процессе составляет 5–15 кВт/кг О₃·ч, концентрация озона в воздушно-озонной смеси - 50–250 г/м³. Полученный озон, затем подаётся в систему водоподготовки за барботажа и инжекции.

В крупных промышленных установках наиболее часто используется барботаж озоно-воздушной смеси через очищаемую воду. При этом, важным технологическим этапом является обеспечение одинакового времени контакта газообразного озона с водой, а также равномерное введение его по всему объему обрабатываемой воды.

В установках относительно небольшой производительности по озону наиболее распространен и достаточно эффективен метод инжекции. Очищаемая вода проходя через инжектор, создает в нем разрежение, при котором в воду поступает необходимое количество газообразного озона. Интенсивное перемешивание в инжекторе диспергирует озон на мельчайшие пузырьки с большой поверхностью контакта, что повышает скорость растворения озона в воде.

Для лучшего растворения озона в воде применяются пульсационные колонны со специальными распределительными тарелками. Озоно-воздушная смесь поступает в нижнюю часть колонны; возвратно-поступательное движение воды, создаваемое специальным пульсатором, и распределительные тарелки обеспечивают ее диспергирование до пузырьков заданных оптимальных размеров, которые поднимаются противотоком к двигающемуся вниз потоку воды. В результате этого достигается высокая степень дисперегирования озона при большой удельной производительности аппарата.

После растворения озона в воде необходимо обеспечить определенное время его контакта с водой для осуществления химических реакций окисления и удаления из воды избыточного количества непрореагировавшего озона и продуктов распада. Для этого применяется контактно-фильтровальный аппарат, из которого вода направляется на угольный фильтр на основе активированного угля для каталитического окисления продуктов взаимодействия озона с органическими соединениями с последующей их задержкой фильтром и деструкцией озона (рис. 2).

 

Применение современных передовых технологий производства озона позволяют создавать малогабаритные, надежные, высокопроизводительные и легкие в наладке и обслуживании отечественные системы озонирования воды, снабжённые датчиками электронного контроля и системами регулирования (рис. 3).

 

Выводы

  

Преимущества озона по сравнению с технологией хлорирования заключаются в следующих факторах:

• Озон экологически безопасен и не образует токсичных побочных продуктов распада.
• Остаточный озон быстро превращается в кислород.
• Озон вырабатывается на месте водообработки, не требуя хранения и перевозки.
• Озон уничтожает все известные микроорганизмы: вирусы, бактерии, грибы, споры, цисты, простейших и т.д. в 300-1000 раз быстрее, чем другие дезинфектанты.
• Не существует и не может возникнуть устойчивых к озону форм микробов.
• Обработка воды озоном занимает несколько минут.
• Озонирование удаляет из воды неприятные запахи и привкусы.
• Одновременно с обеззараживанием происходит осветление воды.