Характеристики озонирования

Главная → Техническая информация → Озоновые технологии в быту и на производстве → Технологическое применение озона

Технологическое применение озона

Техническая информация → Озоновые технологии в быту и на производстве

Технологическое применение 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), который обрабатывал 22500 кубических метров воды из реки Вазюби в сутки для нужд города Ниццы. В 1911 году была пущена в эксплуатацию станция озонирования питьевой воды в Санкт-Петербурге. В 1916 году действует уже 49 установок по озонированию питьевой воды.

К 1977 году во всем мире действует более 1000 установок. 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 ряде других городах). Приняты программы перевода на озонирование еще нескольких крупных станций водоподготовки.

В последние 20 лет области применения озона значительно расширились и во всем мире ведутся новые разработки. В таблицу сведены и классифицированы основные технологические применения озона.

Очистка природных и сточных вод	Очистка газовых выбросов	Сельское хозяйство и пищевая промышленность	Медицина и ветеринария	Химическая промышленность	Бытовые применения
Централизованные системы подготовки питьевой воды	Очистка газовых выбросов ТЭС от оксидов азота и серы	Подготовка воды и кормов для животноводства	Озонотерапия и профилактика проф. заболеваний	Добыча редких металлов и их выделение из сточных вод	Кондиционирование воздуха помещений
Автономные системы подготовки питьевой воды	Очистка воздуха помещений лакокрасочного и др. производств	Дезинфекция тары, помещений и оборудования	Применение в хирургии и послехиругической профилактике	Синтез новых полимеров	Очистка воды в плавательных бассейнах
Очистка промышленных сточных вод	Санация воздуха помещений промышленных предприятий	Хранение и транспортировка продуктов питания	Стерилизация медицинского инструмента и оборудования	Органический синтез и биотехнологии	Консервирование пищевых продуктов
Очистка биологически загрязненных вод		Промышленное интенсивное рыбоводство	Санация воздуха помещений для борьбы с внутрибольничными инфекциями	Отбеливание целлюлозы и тканей	Дезодорирвние воздуха в рефрижераторах, пылесосах и т.д.

 

 

Следует обратить внимание на то, что столь бурному развитию технологий с использованием озона способствует его экологическая чистота. В отличие от других окислителей озон в процессе реакций разлагается на молекулярный и атомарный кислород и предельные оксиды. Все эти продукты, как правило, не загрязняют окружающую среду и не приводят к образованию канцерогенных веществ, как например при окислении хлором или фтором. 

 

1) Подготовка питьевой  воды. Применение озона для подготовки питьевой воды относится к самым ранним использованиям окислительных и дезинфицирующих свойств озона. Первоначально озон использовался только для обеззараживания, затем его стали применять для удаления запаха, изменения цветности воды и устранения примесей.

Обеззараживание — это удаление из воды бактерий, спор, микробов и вирусов (инактивация). Для удаления бактерий в воду вводят дезинфицирующее вещество. Чем больше дезинфицирующего вещества введено, тем эффективнее его воздействие на бактерии. Доза дезинфицирующего вещества (минимальное количество дезинфицирующего вещества в миллиграммах, необходимое для инактивации одного литра обрабатываемой воды) варьируется в зависимости от содержания в воде органических веществ, от температуры воды и от величины активной реакции воды с дезинфицирующим веществом — рН. На рис. 1 приведен график зависимости количества бактерий, содержащихся в воде, от величины дозы воздействующего дезинфицирующего вещества (в нашем случае хлора Dcl и озона Dоз).

Из графика видно, что при использовании хлора, чем больше его дозировка в обрабатываемую воду, тем меньшее количество бактерий выживает. 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.

Рис. 1. Количество бактерий в воде в зависимости от дозы дезинфектанта

 

 

Исследования механизма  озонирования бактерий показали, что действие его происходит быстро при условии поддержания нужной концентрации растворенного озона в воде в течение определенного времени. 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.  

 

Время необходимое для снижения концентрации бактерий до допустимой величины, характеризуемой коли-индексом, называется временем инактивации.

Для хлора время инактивации составляет 30 мин при содержании остаточного хлора в воде в пределах CвCl= 0,05÷0,2 мг/л.

Для озона это время составляет 12 мин при содержании растворенного озона в воде свОз=0,1÷0,3 мг/л.

Во Франции для инактивации воды принято время равное 4 мин при концентрации озона в воде свОз = 0,4 мг/л.

Учитывая, что время инактивации в сильной степени зависит от концентрации остаточного озона в воде, в США введено в практику использование так называемого СТ — фактора [мг/л·мин], который устанавливает связь между необходимым временем инактивации и концентрацией растворенного озона в воде.

Зависимость СТ-фактора от степени инактивации воды и ее температуры(pH=6÷9)
Таблица 2 Уровень инактивации	Температура воды, °С
	0,5	5	10	15	20	25
0,5	0,53	0,44	0,37	0,27	0,2	0,13
1,0	1,13	0,67	0,53	0,47	0,35	0,2
2,0	2,2	1,33	1,13	0,87	0,67	0,53
3,0	3,0	2,0	1,67	1,3	1,0	0,67

Из таблицы видно, что чем выше уровень (порядок снижения количества бактерий в воде) инактивации воды, то есть меньшее количество бактерий должно остаться в воде, тем большее должно быть значение СТ-фактора. Кроме того, чем выше температура воды, тем меньше СТ-фактор. Например, при температуре воды + 25°С и остаточной концентрации озона в воде 1 мг/л для инактивации на три порядка необходимо время обработки воды озоном равное 0,67 мин.

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 — 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 в 20° обычно требуется доза озона Dоз = 2,5 мг/л.

Для южных районов, где исходная цветность воды значительно больше, требуется уже доза озона, равная 8 мг/л (см. рис. 2).

Физический механизм воздействия  озона при обесцвечивании воды заключается, во-первых, в разложении веществ до простейших Н2О и СО2, 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.

Рис. 2. Зависимость обесцвечивания воды от дозировки озона

 

 

Удаление железа и марганца. В природных водах наиболее часто встречается железо в двухвалентной 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. Химические реакции сульфидов железа и марганца с озоном можно записать в виде: 

 

Mn SO4 + O3 + 2H2O = H2 Mn O3 (осадок) + O2 + H2 SO4

2 Fe SО4 + H2 SO4 + O3 = Fe2 (SO4)3 (осадок) + H2O + O2

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. Неприятные привкусы и запахи в некоторых природных водах вызываются присутствием соединений минерального и органического происхождения, находящихся в растворенном или коллоидном состоянии. Эти привкусы по своему происхождению могут быть:

1. минерального происхождения, т.е. вызываемые наличием железа, марганца, сероводорода и общей повышенной минерализацией;
2. природного органического происхождения — гуминовые кислоты, органические вещества, поступающие со стоками, водоросли и чаще всего планктон;
3. городского происхождения — продукты распада органических веществ в городских отбросах;
4. промышленного происхождения — различные химические стоки, моющие средства, углеводороды, гудрон и др. смолы;
5. сельскохозяйственного происхождения — пестициды, гербициды, минеральные удобрения.

Озон окисляет названные  выше соединения, приводя к их расщеплению, сопровождающемуся исчезновением привкусов и запахов. Таким образом происходит нейтрализация веществ путем своего рода «холодного сжигания». Например, при окислении сероводорода наблюдается выделение серы:

H2S + O3 = H2O + S + O2.

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 хлором 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.

Рассмотрим принципиальную технологическую схему установки  для комплексной очистки питьевой воды. В данной установке реализована традиционная схема очистки воды озонированием и фильтрованием. Схема установки показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема подготовки питьевой воды
1 — отстойник	6 — удаление отстоя
2 — контактный аппарат	7 — эжектор
3 — генератор озона	8 — фильтр
4 — коагулянт	9 — консервант
5 — камера смешения	10 — деструктор озона

 

 

Перед поступлением в установку из воды, забираемой в водоеме, сначала входным фильтром грубой очистки, а затем в отстойнике 1 удаляются механические примеси. Далее вода поступает на обработку реагентами. Обычно используется схема с пред- и постозонированием. Предозонирование воды осуществляется после удаления механических примесей и производится в контактном аппарате 2. Озон в контактный аппарат поступает от генератора озона 3. Предозонирование имеет целью проведения первичного обеззараживания воды, удаления цветности, окисления и переведения в коллоидное состояние растворенных металлов. Одновременно озонирование воды способствует реализации процесса флокуляции (явление слабого хлопьеобразования — коллоидальной мутности вод). Образовавшиеся нерастворимые вещества удаляются из воды отстаиванием в специальных аппаратах — отстойниках 1. Часто для усиления процесса флокуляции после предозонирования в воду добавляют специальные вещества — коагулянты 4, способствующие процессу слияния частиц в крупные агломераты и более быстрому выпадению их в осадок. К таким веществам относятся сульфат алюминия и хлорное железо. Для улучшения смешивания коагулянтов с водой в камерах смешения 5 осуществляют интенсивное перемешивание воды и коагулянта. После отстойника вода с оставшимися в ней загрязнителями подвергается повторному озонированию, целью которого является проведение промежуточной дезинфекции и окисления органических веществ.