Blue Flower

 

Озоно-сорбционная очистка воды

В настоящее время известны несколько способов сделать воду чистой, однако очистка озоном признана самым эффективным методом. Воздействие озона основано в первую очередь на процессах окисления. Очистке озоном поддаются большинство несвойственных воде примесей. Наряду с обеззараживанием, озонирование приводит к улучшению вкуса, уничтожению запахов воды. При этом вредные побочные продукты, например как при хлорировании, не образуются.
Озон - высокоэффективное и универсальное окисляющее вещество, которое используется в обработке воды в целях дезинфекции, удаления марганца и железа, улучшения вкуса, устранения цвета и запаха, а так же для удаления органических соединений, опасных для окружающей среды.
Озон (О3) является трехатомной модификацией кислорода (О2), который при нормальных условиях представляет из себя газ. Озон - очень сильный окислитель, поэтому его реакции обычно очень быстрые и полные. Основные преимущества применения озона для обработки питьевой воды содержатся в самой его природе: результатом его реакции является только кислород и продукты окисления. Вредные побочные продукты, такие как хлорорганические соединения, при этом не образуются. Газ голубоватого цвета озон О3 имеет характерный запах. Молекула озона нестабильна. Благодаря свойству самораспада озон является сильным окислителем и наиболее эффективным средством для очистки и обеззараживания воды и воздуха.
Сильные окислительные свойства позволяют использовать озон в промышленных целях для получения многих органических веществ, для отбеливания бумаги, масел и т.д. Широко используется озон для удаления марганца и железа, улучшения вкуса, устранения цвета и запаха, а также для удаления органических соединений, опасных для окружающей среды. Он убивает микроорганизмы, поэтому озон применяют для очистки воды и воздуха. Установки по очистке воды и озонированию воздуха получили огромное распространение не только в промышленности, но и в быту. Универсальное окисляющее вещество озон обладает сильным преимуществом с гигиенической точки зрения. Оно содержится в самой его природе: особенность озона в его быстром разложении в воде (10–15 мин.) с образованием кислорода и неспособность к реакциям замещения (посторонние примеси не вносятся). Это означает, что озон обладает полной экологической безопасностью. Естественный реагент озон в искусственных условиях получают как в природе во время грозы – при помощи «тихого» электрического разряда в озонаторах. Так как озон является нестабильным веществом, особенность производства озоно-воздушной смеси в том, что его применяют в месте непосредственного получения.

Установка озоно-сорбционной очистки воды
Озоно-сорбционная очистка водыОбеззараживание
Обеззараживание - это удаление из воды бактерий, спор, микробов и вирусов (инактивация). Для удаления бактерий в воду вводят дезинфицирующее вещество (например, озон при озонировании воды или соединения хлора, при хлорировании воды). Чем больше дезинфицирующего вещества введено, тем эффективнее его воздействие на бактерии. Для озона обнаруживается резкое бактерицидное действие при достижении критической дозы озона равной 0,4 - 0,5 мг озона в газе на литр обрабатываемой воды. Причем, происходит полная инактивация воды. Механизм воздействия окислителя состоит в разрушении бактерий путем инактивации бактериальных протеинов, то есть диффузией через мембрану клетки в цитоплазму с поражением жизненных центров. Если озон эффективно воздействует на бактерии, то хлор производит только выборочное отравление жизненных центров бактерий, причем довольно медленное из-за необходимости длительного времени для диффузии в цитоплазме. Кроме большой способности уничтожения бактерий озон обладает высокой эффективностью в уничтожении спор, цист (плотные оболочки, образующиеся вокруг одноклеточных организмов, например, жгутиковых и корненожек, при их размножении, а также в неблагоприятных для них условиях) и многих других патогенных микробов.

Обесцвечивание
Обесцвечивание - это удаление из воды органических и химических веществ, окрашивающих воду. В зависимости от цветности исходной воды требуется большее или меньшее количество озона для обесцвечивания воды. В России, для поверхностных вод средних и северных районов, для доведения цветности воды до нормы, обычно требуется доза озона 2,5 мг/л. Для южных районов, где исходная цветность воды значительно больше. Физический механизм воздействия озона при обесцвечивании воды заключается, во-первых, в разложении веществ до простейших - воды и углекислого газа, во-вторых, в коагуляции (объединении) веществ с дальнейшим выпадением их в осадок. Эффективное обесцвечивание воды озонированием является одним из определяющих критериев в выборе озона в качестве воздействующего реагента при подготовке питьевой воды.

Обезжелезивание
Удаление железа и марганца. В природных водах наиболее часто встречается железо в двух валентной форме, находящееся в растворенном состоянии. Марганец в природной воде обычно сопутствует железу. Оба этих вещества придают воде цветность и характерный привкус. Озон легко окисляет соли железа и марганца с образованием нерастворимых веществ, которые удаляются отстаиванием или фильтрацией. Если железо и марганец содержатся в форме органических соединений или коллоидальных частиц (с размером 0,1 - 0,01 мкм), то обезжелезивание и деманганация воды обычными способами не удается. В этом случае необходимо предварительное окисление этих комплексных органических соединений, приводящее к их расщеплению, после чего становится возможным удаление железа и марганца одним из обычных методов. Окисляя комплексные соединения, озон преобразует растворимые соли в нерастворимые, поэтому необходимо последующее фильтрование воды для освобождения ее от выпадающих осадков. Следует отметить, что, хотя озонирование и не является наиболее экономичным методом обезжелезивания и деманганации, но применение озона с этими целями оправдано, в двух случаях: во-первых, когда обычные способы удаления из воды железа и марганца не дают результатов или ведут к недостаточным результатам, во-вторых, когда необходимо одновременное устранение запахов, привкусов и цветности воды.

Устранение привкусов и запахов воды
Озоно-сорбционная очистка водыНеприятные привкусы и запахи в некоторых природных водах вызываются присутствием соединений минерального и органического происхождения, находящихся в растворенном или коллоидном состоянии. Озон окисляет названные выше соединения, приводя к их расщеплению, сопровождающемуся исчезновением привкусов и запахов. Благодаря более высокой окислительной способности, озон в состоянии действовать на такие соединения, которые не подвергаются воздействию других химических реагентов. Обработка воды избыточным количеством озона не влечет за собой никаких нежелательных явлений: избыточный озон, будучи нестойким, снова превращается в кислород в течение нескольких минут. Озонирование не создает дополнительных или замещающих соединений, тогда как хлор дает с некоторыми веществами сложные соединения, вызывающие появление весьма резких запахов. Например, при обработке хлоров воды, содержащей примесь фенолов, образуется хлорфенол, имеющий весьма неприятные привкус и запах. Наконец, при обработке озоном вода насыщается кислородом, что приводит к эффекту родниковой воды.

Режимы работы
Озоно-сорбционная очистка воды
В ходе работы установки вода проходит следующие стадии очистки:
  • озонирование и обогащение кислородом воды в целях ее стерилизации и окисления растворенных примесей;
  • очистка от взвешенных частиц и каталитическое окисление растворенных;
  • веществ и на поверхности зернистого фильтра из активированного угля; перевод железа и марганца в нерастворимые формы;
  • очистка воды от остатков озона и продуктов озонолиза активированным углем и фильтрация взвешенных нерастворимых веществ.

Озон из газовой фазы удаляется деструктором остаточного озона, массовая концентрация озона в воздухе зоны обслуживания озонатора ниже ПДК (не более 0,3*10-4 г/м3). По мере накопления осадка на угольно-гравийной засыпке необходимо произвести ее регенерацию путем обратной промывки.

Периодичность и продолжительность процесса регенерации контактно-фильтровального аппарата определяется опытным путем (ориентировочно один раз в неделю, требует уточнения в процессе эксплуатации комплекса).Установка работает в полуавтоматическом режиме, поддерживая необходимый уровень воды в контактно-фильтровальном аппарате при помощи датчиков уровня и блока автоматики.При работе комплекс может находиться в одном из трех режимов:
  • «Работа»;
  • «Обратная промывка» зернистого фильтра;
  • «Прямая промывка».
В режиме «Работа» происходит озонирование, фильтрация воды и ее подача потребителю.
В режиме «Обратная промывка» происходит промывка и взрыхление зернистого фильтра обратным током воды.
Режим «Прямая промывка» необходим для перехода установки от режима «Обратная промывка» к режиму «Работа».

Управление
Полуавтомат
Переключение установки в режим промывок осуществляется с помощью ручного управления.
Автомат
Электронное программное устройство позволяет задавать периодичность промывок в днях, время начала промывок, продолжительность промывок.

Комплект поставки
  • Озонатора и блока автоматического управления установкой;
  • эжектора для ввода озоно-воздушной смеси в поток воды;
  • контактно-фильтровального аппарата (включающего зернистый фильтр) для обеспечения необходимого времени контакта озоно-воздушной смеси с водой;
  • деструктора остаточного озона в воздухе;
  • управляемых клапанов;
  • насосной станции.

Отличительные особенности
  • невозможность развития вредной для человека микрофлоры в сорбционных блоках;
  • полное уничтожение бактерий, вирусов и простейших микроорганизмов;
  • очистка воды от канцерогенных веществ типа тригалометанов и других высокотоксичных примесей органической природы (фенолы, пестициды, поверхностно-активные вещества, нефтепродукты и т.п.);
  • очистка от ионов металлов, в том числе и тяжелых;
  • нейтрализация нитритов;
  • устранение запахов, привкуса;
  • сохранение в воде необходимых человеку минеральных веществ;
  • обогащение воды кислородом;
  • высокая производительность при небольших габаритных размерах;
  • большой ресурс сорбента (5-8 лет);
  • низкая потребляемая мощность.
Озоно-сорбционная очистка воды

Основная информация

Историческая справка
В 1785 г голландский физик Ван Марум, проводя опыты с электричеством, обратил внимание на запах при образовании искр в электрической машине и на окислительные способности воздуха после пропускания через него электрических искр.
В 1840 г немецкий ученый Шейнбейн занимаясь гидролизом воды пытался с помощью электрической дуги разложить её на кислород и водород. И тогда он обнаружил, что образовался новый, доселе не известный науке газ со специфическим запахом. Имя "озон" было присвоено газу Шейнбейном из-за характерного запаха и происходит от греческого слова "озиен", что значит "пахнуть". 22 сентября 1896 г. изобретатель Никола Тесла запатентовал первый генератор озона.
В 1857 г. с помощью созданной Вернером фон Сименсом "совершенной трубки магнитной индукции" удалось построить первую техническую озоновую установку. В 1901 г. фирмой "Сименс" построена первая гидростанция с озонаторной установкой в Висбанде.
Исторически применение озона началось с установок по подготовке питьевой воды, когда в 1898 году в городе Сан Мор (Франция) прошли испытания первой опытно-промышленной установки. Уже в 1907 году был построен первый завод по озонированию воды в городе Бон Вуаяж (Франция) для нужд города Ниццы. В 1911 г. была пущена в эксплуатацию станция озонирования питьевой воды в Санкт-Петербурге (в настоящее время не действует). В 1916 г действовало уже 49 установок по озонированию питьевой воды.
К 1977 г во всем мире действует уже более 1000 установок. Широкое же распространение озон получил только в течение последних 30 лет, благодаря появлению надежных и компактных аппаратов для его синтеза - озонаторов (генераторов озона).
В настоящее время 95% питьевой воды в Европе проходит озонную подготовку. В США идет процесс перевода с хлорирования на озонирование. В России действуют несколько крупных станций (в Москве, Нижнем Новгороде и других городах).

Озон и его свойства
Известно, что молекула кислорода состоит из 2-х атомов: O2 . При определенных условиях молекула кислорода может диссоциировать, т.е. распадаться на 2 отдельных атома. В природе эти условия создаются во время грозы при разрядах атмосферного электричества и в верхних слоях атмосферы, под воздействием ультрафиолетового излучения солнца (озоновый слой Земли). Механизм образования и молекулярная формула озона. Однако атом кислорода не может существовать отдельно и стремится сгруппироваться вновь. В ходе такой перегруппировки образуются 3-х атомные молекулы.Озоно-сорбционная очистка воды

Молекула, состоящая из 3-х атомов кислорода, называется озон или активированный кислород, представляет собой аллотропную модификацию кислорода и имеет молекулярную формулу O3 (d = 1.28 A, q = 116.5°) .
Следует отметить, что связь третьего атома в молекуле озона относительно непрочна, что обуславливает нестабильность молекулы в целом и ее склонность к самораспаду.

Озон O3 - голубоватый газ с характерным резким запахом, молекулярная масса 48 г/моль, плотность относительно воздуха 1,657 (озон тяжелее воздуха); плотность при 0ºС и давлении 0,1 МПа 2,143 кг/м3.

В малых концентрациях на уровне 0,01-0,02 мг/м3 (в пять раз ниже предельно допустимой для человека концентрации), озон придает воздуху характерный запах свежести и чистоты. Так, например, после грозы едва уловимый запах озона неизменно ассоциируется с чистым воздухом.

Как было сказано выше, молекула озона нестабильна и обладает свойством самораспада. Именно благодаря этому свойству озон является сильным окислителем и исключительным по эффективности дезинфицирующим средством.
Мерой эффективности окислителя служит его электрохимический (окислительный) потенциал, выраженный в вольтах. Ниже приведены значения электрохимического потенциала различных окислителей в сравнении с озоном:

Озоно-сорбционная очистка воды

Озон является наиболее сильным окислителем, его окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) – 2,07 В (для перманганата калия – 1,51 В, для хлора – 1,36 В) и генерируется он из воздуха. Кроме железа, в форме Fe2+ и марганца в форме Mn2+ происходит окисление сероводорода, органики и обеззараживание воды, а также достигается улучшение вкусовых показателей воды за счет насыщения ее кислородом.

Способы получения озона:
  • УФ-облучением;Озоно-сорбционная очистка воды
  • под воздействием тихого (т.е. рассеянного без образования искр) разряда коронного типа.

Коронный разряд
Тем же способом, которым озон образуется под действием электрических разрядов во время грозы, большое количество озона производится в современных электрических генераторах озона. Этот метод называется коронный разряд. Высокое напряжение пропускают через газовый поток, содержащий кислород. Энергия высокого напряжения разделяет молекулу кислорода О2 на 2 атома О, которые соединяются с молекулой О2 и образуют озон О3.Озоно-сорбционная очистка воды
Чистый кислород, поступающий в генератор озона, можно заменить окружающим воздухом, содержащим большой процент кислорода.
Данный метод повышает содержание озона до 10-15 вес.%
Потребление энергии: 20 – 30 Вт/г О3 для воздуха 10 – 15 Вт/г О3 для кислорода.
Применение озона для очистки и обеззараживания воды

Обеззараживание воды
Озон уничтожает все известные микроорганизмы: бактерии, вирусы, простейших, их споры, цисты и т.д.; при этом озон на 51% сильнее хлора и действует в 15-20 раз быстрее. Вирус полиомиелита погибает при концентрации озона 0,45 мг/л через 2 мин, а от хлора – только за 3 ч при 1 мг/л.
На споровые формы бактерий озон действует в 300-600 раз сильнее хлора.
Озон разрушает окислительно-восстановительную систему бактерий и их протоплазму.

Озоно-сорбционная очистка воды

Озоно-сорбционная очистка воды

Дезодорация воды
При озонировании окисляются органические и минеральные примеси, являющиеся источником запахов и привкусов. Вода, прошедшая обработку озоном, содержит больше кислорода и по вкусу напоминает свежую родниковую воду.

Финишная подготовка питьевой воды на линиях розлива
Очищенная и подготовленная к розливу вода, насыщается озоном, полностью дезинфицируется и на относительно короткое время сама приобретает дезинфицирующие свойства. Благодаря этому повышается микробиологическая безопасность процесса розлива, озонированная вода надежно стерилизует стенки тары, пробку и воздушный зазор под пробкой. Срок хранения воды после озонирования увеличивается многократно. Особенно эффективна комбинированная обработка воды озоном в сочетании с ополаскиванием тары озонированной водой.

Окисление железа, марганца, сероводорода
Железо, марганец и сероводород легко окисляются озоном. Железо при этом переходит в нерастворимую гидроокись, которая затем легко задерживается в фильтрах. Марганец окисляется до перманганат-иона, который легко удаляется на угольных фильтрах. Сероводород, сульфиды и гидросульфиды переходят в безвредные сульфаты. Процесс окисления и формирования фильтруемых осадков при озонировании протекает в среднем в 250 раз быстрее, чем при аэрации. Особенно эффективно применение озона для обезжелезивания вод, содержащих железоорганические комплексы и бактериальные формы железа, марганца и сероводорода.

Очистка поверхностных вод от антропогенных примесей
Озонирование предварительно осветленной воды с последующей фильтрацией через активированный уголь - надежный способ очистки поверхностных вод от фенолов, нефтепродуктов, пестицидов и тяжелых металлов (окислительно-сорбционная очистка).

Очистка и обеззараживание воды на птицефабриках и фермах
Подача воды, обеззараженной озоном, в поилки для птицы и животных не только способствует снижению заболеваемости и риска массовых эпидемий, но и вызывает ускоренную прибавку в весе птиц и животных.

Очистка и обеззараживание стоков
При помощи озона сточные воды обесцвечиваются.
При помощи озонирования сточные воды могут быть приведены в соответствие жестким требованиям рыбохозяйственных водоемов по содержанию фенолов, нефтепродуктов и ПАВ, а также микробиологическим показателям.

Озонирование воды для санитарной обработки продуктов и оборудования.
Как было сказано выше, срок хранения воды, озонируемой в процессе розлива, увеличивается значительно за счет того, что продуктовая вода приобретает свойства дезинфицирующего раствора.
При переработке пищевых продуктов, на загрязненном оборудовании размножаются бактерии, являющиеся источником сильных запахов гниения и разложения. Ополаскивание оборудования озонированной водой после удаления основной массы загрязнений приводит к дезинфекции поверхностей, освежающему воздействию на воздух помещения и улучшению общего санитарно-гигиенического состояния производства.
В воде для санитарной обработки оборудования, в отличие от озонирования воды перед розливом, создаются более высокие концентрации озона.
Аналогично озонированной водой могут быть обработаны рыба и морепродукты перед упаковкой, тушки птицы и овощи. Срок службы обработанных перед закладкой на хранение продуктов увеличивается, а их внешний вид после хранения мало отличается от свежих продуктов.

Аспекты безопасности при эксплуатации озонового оборудования

Предельно-допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе рабочей зоны регламентируется ГОСТом 12.1.005 "Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны", и составляет 0,1 мг/м3.
Запах озона фиксируется человеком в концентрациях 0,01-0,02мг/м3, что в 5-10 раз меньше ПДК, поэтому появление слабого запаха озона в помещении не является тревожным сигналом. Для обеспечения надежного контроля содержания озона в производственном помещении должны быть установлены газоанализаторы, позволяющие осуществлять мониторинг концентрации озона и в случае превышения ПДК принять своевременные меры по ее снижению до безопасного уровня.

Любая технологическая схема, содержащая озоновое оборудование, должна быть оснащена деструктором озона, с помощью которого избыточный озон поступает в каталитический деструктор, где разлагается до кислорода. Подобная система дыхания позволяет исключить поступление озона в воздух производственного помещения.
Применение на месте. Нестабильность озона обуславливает необходимость его применения непосредственно на месте получения. Озон не подлежит упаковке, хранению и транспортировке.
Растворимость озона в воде. В соответствии с законом Генри концентрация озона в воде возрастает с увеличением концентрации озона в газовой фазе, подмешиваемой в воду. Кроме того, чем выше температура воды, тем ниже концентрация озона в воде.
Растворимость озона в воде выше, чем кислорода, но ниже, чем хлора, в 12 раз. Если рассматривать 100% озон, то его предельная концентрация в воде составляет 570 мг/л при температуре воды 2ºС. Концентрация озона в газе на выходе современных озонаторных установок достигает 14% по весу. Ниже приведена зависимость концентрации озона, растворенного в дистиллированной воде от концентрации озона в газе и температуры воды.

Озоно-сорбционная очистка воды

Самораспад озона в воде
Скорость разложения озона в воздушной или водной среде оценивается при помощи периода полураспада, т.е. времени, в течение которого концентрация озона уменьшается вдвое.

Озоно-сорбционная очистка воды

Данные по распаду озона в воде приведены для чистой воды, не содержащей растворенных и взвешенных примесей. Скорость распада озона в воде возрастает многократно в следующих случаях:
  • при наличии в воде примесей, окисляемых озоном (химическая потребность воды в озоне);
  • при повышенной мутности воды, т.к. на границе раздела между частицами и водой реакции самораспада озона протекают быстрее (катализ);
  • при воздействии на воду УФ облучением.