Хлорирование и озонирование природных вод

История

       В 1785г. 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 1840г. 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".

       В 1857г. с помощью созданной Вернером фон Сименсом "совершенной трубки магнитной индукции" удалось построить первую техническую озоновую установку. В 1901г. фирмой "Сименс" построена первая гидростанция с озонаторной установкой в Висбанде. 22 сентября 1896г. изобретатель Н.Тесла запатентовал первый генератор озона.

       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.

       С 1905г. в России начала действовать экспериментальная установка для озонирования воды при Петропавловской больнице. В 1911г. в Петербурге была введена в строй самая крупная в мире производственная установка озонирования, обрабатывавшая 44500 м³ воды в сутки. В советское время в большом масштабе озонирование было использовано на Восточной водопроводной станции в Москве. В 1968г. 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.

       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).

       Интерес к применению озона при подготовке питьевой воды объясняется тем, что озон обеспечивает быстрое и надёжное обеззараживание, вызывает значительное улучшение органолептических свойств воды - в результате обработки озоном устраняются привкусы и запахи, цветность воды. Кроме того, возрастает содержание растворённого кислорода, что возвращает очищенной воде одно из основных свойств, характеризующих чистые природные источники.[9]

Процесс

       Озон  – О₃, аллотропная форма кислорода, являющаяся мощным окислителем химических и других загрязняющих веществ, разрушающихся при контакте. В отличие от молекулы кислорода, молекула озона состоит из трех атомов и имеет более длинные связи между атомами кислорода. По своей реакционной способности озон занимает второе место, уступая только фтору. Озон может существовать во всех трех агрегатных состояниях. При нормальных условиях озон - газ голубоватого цвета. Температура кипения озона – 112 °С, а температура плавления составляет – 192 °С.

       Озон, используемый для озонирования, получают из атмосферного воздуха в аппаратах, называемых озонаторами, в результате воздействия на него электрического заряда, сопровождающегося выделением озона.

       Озон  является бесцветным газом, молекулы которого, состоящие из трех атомов кислорода, являются нестабильными. Спустя небольшой  интервал времени после образования, молекула озона распадается, возвращаясь в свое естественное состояние: молекулу кислорода, состоящую из двух атомов. При этом остаются свободные атомы кислорода, которые агрессивно стремятся присоединиться к любым инородным частицам, содержащимся в воде. При этом вода оказывается той средой, в которой бактерии и прочие органические примеси легко разлагаются под действием этих свободных атомов кислорода. Благодаря этому, озон оказывается очень сильным окислителем, и его дезинфицирующие свойства во много раз сильнее других распространенных дезинфекторов, таких как хлор. Предпочтительность использования озона в индустрии подготовки питьевой воды, обусловлена также тем фактом, что озон, в отличие от хлора, не оставляет никакого запаха, полностью разлагаясь на кислород.

       Прозрачная  и чистая ключевая вода и воды горных рек, малозагрязнённые посторонними примесями, требуют примерно 0,5 мг/л озона. Вода, поступающая из открытых водохранилищ, может вызывать расход озона до 2 мг/л. Средняя доза озона составляет 1 мг/л. Продолжительность контакта озоно-воздушной смеси с обрабатываемой водой колеблется от 5 до 15 минут сообразно с типами установок и их производительностью, (при повышении температуры время контакта увеличивается).

       Обесцвечивающее действие озона объясняется окислением соединений, вызывающих цветность воды; они превращаются в более простые молекулы, не имеющие окраски. Озонирование придаёт воде отчётливый голубой оттенок, а хлорирование - зеленоватый оттенок.

       Озонирование - наилучший метод обезжелезивания воды, а если железо и марганец содержатся в форме органических соединений или коллоидальных частиц (с размером 0,1 - 0,01 мкм), то обезжелезивание воды возможно только при помощи озоновой очистки воды, т.к. требуется предварительное окисление органических соединений.

В чем польза?

       Озон  не придает воде привкусов и запахов  и обладает весьма ценным свойством  самораспада – после окончания  обработки озон превращается обратно  в кислород. Благодаря этому передозировка  озона не является проблемой. По своей сути очистка воды озоном эквивалентна многократно ускоренной процедуре природной очистки воды, протекающей в естественных условиях под действием кислорода воздуха и солнечного излучения.

       Озон  очень сильный окислитель, его  окислительный потенциал — 2,06 В. Патогенные микроорганизмы уничтожаются им в 15-20 раз, а споровые формы бактерий — в 300-600 раз быстрее, чем хлором. Вирус полиомиелита погибает при концентрации озона 0,45 мг/л через 2 мин, тогда как от хлора - только за 3 ч при 1мг/л. Исследования показали, что из бактерий, кишечная палочка оказалась наиболее устойчивой к действию окислителей из всей группы кишечных бактерий, быстро погибает при озонировании. Также эффективно использование озонирования в борьбе с возбудителями брюшного тифа и бактериальной дизентерии.[10]

       С химической точки зрения минеральные  вещества, растворённые в воде и  определяющие в некоторой мере и  питательные свойства, не изменяются после озонирования. В то же время, обработка озоном не придаёт воде никаких дополнительных посторонних веществ и химических соединений.

В чем недостатки?

       Озон  — газ, токсичный при вдыхании, при высоких концентрациях озона  наблюдаются поражения дыхательных  путей, легких и слизистой оболочки. Длительное воздействие озона приводит к развитию хронических заболеваний легких и верхних дыхательных путей. Кроме того, хроническое воздействие микро-концентраций озона на организм человека достаточно не изучено.

       Любая система стерилизации, использующая озон, требует тщательного контроля техники безопасности, тестирование константы концентрации озона газоанализаторами, а также аварийного управления чрезмерной концентрацией озона.

       Озонотерапия  в одно время была весьма популярна - многие считали озон чуть ли панацеей от всех недугов. Но детальное изучение воздействия озона показало, что вместе с больными озон поражает и здоровые клетки кожи, легких. В результате в живых клетках начинаются непредвиденные и непрогнозируемые мутации. Озонотерапия так и не прижилась в Европе, а в США и Канаде официальное медицинское применение озона не легализовано, за исключением альтернативной медицины.

       Чистый  озон взрывоопасен, он не взрывается, если его концентрация в озоно-воздушной  смеси не превышает 10%, т.е. 140 г/м³. Озон токсичен, ПДК озона в воздухе помещений, где находятся люди, не более 0,0001 мг/л.

Так в чем же дело?

       Наряду  с несомненными преимуществами, как  наиболее эффективного, комплексного и естественного реагента, у озона  есть и недостатки. Метод озонирования намного дороже традиционного хлорирования воды. 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, при  этом падает растворимость кислорода в воде. Это требует использования оборудования и материалов, стойких к озону - трубы из ПВХ или нержавеющей стали.

       Во-вторых, озонирование — это процесс, требующий  определенного состава оборудования:[11]

• 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.

       К тому же 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). 

Перспектива 

       Опыт  использования озонирования на современном  этапе, накопленный для систем разной производительности, говорит о 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 1г озона).[12] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

       В ходе проделанной работы мы изучили традиционные методы обеззараживания природных вод. В настоящее время реальными практическими технологиями, прошедшими проверку на действующих крупномасштабных сооружениях очистки воды, являются хлорирование и озонирование.

       Хлорирование  — процесс обеззараживания воды с применением газообразного хлора или хлорсодержащих соединений, вступающих в реакцию с водой или растворенными в ней солями. В результате взаимодействия хлора с протеинами и аминосоединениями, содержащимися в оболочке бактерий и их внутриклеточном веществе, происходят окислительные процессы, химические изменения внутриклеточного вещества, распад структуры клеток и гибель бактерий и микроорганизмов.

       Кроме главной функции – дезинфекции, благодаря уникальным окислительным  свойствам и консервирующему эффекту последействия, хлор служит и другим целям – контролю за вкусовыми качествами и запахом, предотвращению роста водорослей, поддержанию в чистоте фильтров, удалению железа и марганца, разрушению сероводорода, обесцвечиванию и т.п. В этом смысле ни одно из альтернативных хлору средств не может сравниться с ним по универсальности и простоте применения.

       Более экологически чистым и эффективным  является метод озонирования воды. Озонирование предполагает добавление озона к воде или сточным водам с целью дезинфекции, окисления органического вещества либо удаления неприятного вкуса или запаха. Озонирование дает возможность комплексной обработки воды и улучшает ее основные органолептические свойства (цветность, запах, привкус), а также освобождает воду от природных или внесенных в нее промышленных органических веществ. Кроме того, озон, в отличие от хлора, не образует канцерогенных органических соединений и обладает наибольшим обеззараживающим свойством против возбудителей вирусных заболеваний и споровых форм, в т.ч. устойчивых к хлору. Озонирование воды разрушает органические вещества, способствующие развитию микроорганизмов. Правильно подобранные дозы озона позволяют удалять из воды фенолы, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества, сернистые соединения, сероводород, окисляет двухвалентное железо. Наконец, при озонировании пестицидов происходит дезодорация с одновременным глубоким разрушением исходных соединений. Недостатком метода озонирования является то, что из-за нестойкости озон не может поддерживать бактерицидное состояние в течение длительного времени, и поэтому необходимо исключить попадание загрязнений в очищенную воду, что реально только на коротких водопроводных сетях. Для использования метода озонирования необходимо, чтобы водопроводы были выполнены из полимерных труб. Кроме того, нужно отметить, что технология озонирования требует значительных первичных денежных затрат по сравнению с другими методами очистки воды, но она окупается в течение 5-8 лет, т.к. не требует дополнительных затрат на реагенты.