Основы водоподготовки: ОЗОНИРОВАНИЕ ВОДЫ


Физико-химические и биологические свойства озона

О зон - это второе относительно устойчивое соединение (аллотропное) кислорода. В отличие от молекулы кислорода, молекула озона состоит из трех атомов и имеет более длинные связи между атомами кислорода (длина связи в молекуле озона 128 А, в то время как длина связи в молекуле кислорода 121 А).

О зон может существовать во всех трех агрегатных состояниях. При нормальных условиях озон - газ голубоватого цвета. Температура кипения озона равна - 112 о С, а температура плавления - 192 о С . Слово озон в переводе с латинского означает “пахнущий“ и это название действительно отражает одну из особенностей озона т.к. его характерный запах проявляется уже при концентрациях 10 -7 %.

Химические свойства озона

С ледует отметить прежде всего два основных свойства озона:

1. Озон в отличие от кислорода является неустойчивым соединением. Он самопроизвольно разлагается при высоких концентрациях, при этом чем выше концентрация, тем выше скорость реакции разложения. При концентрациях озона 12 - 15 % озон может разлагаться со взрывом. Следует также отметить, что процесс разложения озона ускоряется с ростом температуры, а сама реакция разложения 2О 3 = 3O 2 + 68 ккал экзотермична.

2. Озон является одним из сильнейших природных окислителей. Окислительный потенциал озона составляет 2.07 эВ ( для сравнения у фтора 2.4 эВ, а у хлора 1.7 эВ).Озон окисляет все металлы за исключением золота и металлов платиновой группы.

Биологические свойства озона

В оздействие малыми дозами озона оказывает профилактическое и терапевтическое воздействие и начинает активно использоваться в медицине. Озон воздействует на все микроорганизмы разрушая мембрану и окисляя протоплазму. При этом следует отметить, что концентрации озона, губительные для простых микроорганизмов, на несколько порядков ниже, чем для более высокоорганизованных.

Получение озона

О зон образуется из кислорода. Существует несколько способов получения озона, среди которых наиболее распространенным являются электросинтез, при котором озон образуется при помощи электрического разряда. Этот метод сочетает в себе возможность получения озона высоких концентраций, большой производительностью и относительно невысокими энергозатратами.

О сновной реакцией является процесс диссоциации молекул кислорода при взаимодействии со свободным электроном; О 2 + e = O + O + e

С ледующий этап состоит в образовании молекулы озона O + O 2 + M = O 3 + M, в которой принимает участие третья частица М: молекула, ион, электрон или атом в нейтральном или возбужденном состоянии.

К роме образования озона, происходит разложения молекул O 3 по реакции
O 3 + M = O 2 + O + M
Эта реакция идет тем интенсивнее, чем выше температура газа.

В результате прохождения рабочего газа через разрядную зону озонатора на выходе получается озоно-воздушная или озоно-кислородная смесь с концентрацией озона до 10 г/м 3 , при этом получаемое количество озона зависит от превышения интенсивности образования над интенсивностью разложения.

Применение озона в системах водоподготовки

И сторически 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 водоподготовку. 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. Следует обратить внимание на то, что столь бурному развитию технологий с использованием озона способствует его экологическая чистота. В отличии 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.

 

Подготовка питьевой воды

При применении озона для подготовки питьевой воды используются окислительные и дезинфицирующие свойства озона. Первоначально озон использовался только для обеззараживания, затем его стали применять для удаления запаха, цветности воды и примесей.

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 - 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, требуется уже доза озона, равная 8 мг/л.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.

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. Неприятные 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.