Метод озонирования воды для коммунального водоснабжения: специфика

180
Фото: Shutterstock
Фото: Shutterstock
Озонирование воды в практике ее подготовки для различных нужд коммунального и промышленного водоснабжения стало достаточно распространенным технологическим приемом.
В.В. Дзюбо, 
д-р техн. наук, профессор кафедры «Водоснабжение и водоотведение» ФГБОУ ВПО Томский государственный архитектурно-строительный университет

Л.И. Алферова, 
старший научный сотрудник кафедры «Водоснабжение и водоотведение» ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» 


В этой статье вы прочитаете: 

  • Специфика метода озонирования воды
  • Когда применима очистка воды методом озонирования

Метод озонирования воды стал довольно актуальным приемом очистки вод для коммунальных нужд. Разнообразны технологические схемы водоподготовки с использованием искусственно полученного озона, разработаны и промышленно выпускаются различные типы оборудования для производства озона из атмосферного воздуха и смешивания его с обрабатываемой водой. Однако не всегда качественный состав обрабатываемых и используемых для водоснабжения природных вод позволяет получить воду требуемого качества. А в отдельных случаях достигаются и нежелательные эффекты, ухудшающие качество воды.

Изучением процессов и технологических приемов получения и растворения озона в воде занимались многие исследователи. Установлены основные параметры растворения озона в воде в зависимости от температуры, давления и качества обрабатываемой воды. При этом следует отметить, что основные технологические параметры получения и растворения озона в большинстве случаев определялись, как правило, на чистой воде, чтобы исключить влияние различных примесей на исследуемые процессы. Такими исследованиями занимались Ф. Ротмунд, Т. Кавамура, Д. Брине, М. Перротэ, Л. Мейлферт, Ф. Лютер, А. Инглис, Д. Фишер и другие. В дальнейшем озон стал применяться в технологиях обработки природных и различных категорий сточных вод в качестве сильного окислителя, а также с целью их обеззараживания.

Являясь химически сильным окислителем, озон позволяет не только разрушать различные примеси в природных водах, но и переводить их в формы, способные гидратироваться и выделяться из воды в виде нерастворимых соединений. Так происходит, в частности, с растворенными в подземных водах железом и марганцем — самыми распространенными загрязнителями (примесями), препятствующими использованию подземных вод без предварительной обработки для коммунального (питьевого) водоснабжения.

Факторы, влияющие на степень насыщения воды озоном

Эффективность процесса очистки воды озонированием как технологического приема обработки подземных вод зависит не только от параметров синтеза озона: затрат электроэнергии, стоимости и т. п. Большую роль играет эффективность перемешивания и растворения озона в обрабатываемой воде, а также ее качественный состав.

Озон лучше растворяется в более холодной воде, а его распад ускоряется с ростом температуры воды. Увеличение давления насыщения способствует его лучшему растворению. Например, растворимость озона при определенной температуре примерно в 10 раз выше, чем растворимость кислорода. Из этого следует, что в технологиях обработки воды, где необходим ввод окислителя (озона или кислорода), эффективность обработки воды кислородом значительно ниже и требует подачи большего количества кислородсодержащего агента (например, воздуха), нежели озонсодержащего.

Анализ отечественных и зарубежных исследований в области использования метода озонирования воды показал, что степень насыщения воды озоном (теоретически возможные максимальные концентрации) зависит:

  • от соотношения количества подаваемой озоновоздушной смеси Qoz (куб. м) и количества обрабатываемой воды Qw (куб. м) — (Qoz / Qw);
  • от концентрации озона в озоновоздушной смеси, подаваемой в воду;
  • от качества обрабатываемой воды;
  • от температуры обрабатываемой воды;
  • от давления насыщения;
  • от продолжительности насыщения.

При использовании подземных вод в качестве источника водоснабжения следует учитывать, что качество реальных (природных) подземных вод подвержено сезонному изменению*. Этой существенной спецификой не следует пренебрегать при обосновании технологий водоподготовки для организации коммунального водоснабжения, особенно с использованием озонирования.

В случае применения озона в технологиях обработки подземных вод следует учитывать и тот факт, что качественный состав подземных вод в различных регионах отличается друг от друга, а также значительно отличается от качества чистой воды, на которой проводились исследования. Поэтому будет некорректно напрямую использовать какую-либо известную технологию или технологические параметры обработки воды без учета специфики качественного состава воды, которую требуется обрабатывать. Например, реальная или фактически достигаемая концентрация озона в обрабатываемой природной подземной воде всегда будет отличаться от теоретически возможной или достигаемой при использовании чистой воды. При обосновании технологии водоподготовки в первую очередь следует детально изучить качественный состав воды водоисточника.

*Артеменок Н.Д. и др. Особенности показателей качества подземных вод Западно-Сибирского артезианского бассейна // Рациональное использование природных вод, улучшение их качества и очистка производственных стоков на железнодорожном транспорте. Днепропетровск, 1987. Дзюбо В. В. Подготовка подземных вод для питьевого водоснабжения малых населенных пунктов Западно-Сибирского региона: дисс. … д-ра техн. наук /
В. В. Дзюбо. СПб., 2007.

Камеры смешения

Помимо источников генерации озона (они не являются предметом данной статьи) важным элементом в технологиях озонирования природных вод считаются камеры смешения озоновоздушной смеси и обрабатываемой воды. От эффективности их работы во многом зависит стоимость применяемой технологии, качество и себестоимость получаемой в результате обработки воды.

Наиболее распространены в технологиях водоподготовки камеры смешения барботажного типа, многокамерные контактные камеры, например фирмы «Дегремон», системы ввода и реактор «Мультизон», контактные камеры с загрузками различного типа, механические и вихревые смесители и т. п.

Из анализа результатов практического использования камер смешения различного типа следует, что количество адсорбированного водой озона прямо пропорционально площади поверхности и времени контакта вводимой озоновоздушной смеси и обрабатываемой воды.

Применительно к барботажно-аэрационным камерам как наиболее распространенным в практике водоподготовки способам насыщения обрабатываемой воды окислителями (кислородом, озоном) это означает, что массопередача озона в воду возрастает при увеличении количества и уменьшении размера газовых пузырьков, находящихся в аэрационной камере. Снижение степени диспергирования (измельчения) озоновоздушной смеси, подаваемой в контактную камеру, и, следовательно, увеличение размеров подаваемых в воду газовых пузырьков приводит к уменьшению поверхности контакта газовой смеси и обрабатываемой воды и снижению количества передаваемого в воду озона. От этого напрямую зависит величина достигаемой концентрации озона в обрабатываемой воде, или, другими словами, концентрация окислителя, действие которого должно быть направлено на разрушение или устранение содержащихся в воде примесей.

Пример

Увеличение размера газовых пузырьков с 2 до 5 мм приводит к уменьшению их удельной поверхности (отношение площади поверхности пузырька к его объему) в 2,5 раза.

С другой стороны, стремление к более мелкому размеру газовых пузырьков неизбежно влечет повышение энергозатрат. Требуемые в этом случае мелкопористые диффузоры отличаются повышенным сопротивлением при нагнетании газовой фазы. При использовании механических эмульгаторов (измельчителей) газовой фазы в воде для получения более мелких пузырьков требуется увеличивать число оборотов механических эмульгаторов, что также повышает энергопотребление.

Таким образом, для обеспечения максимальной эффективности процесса озонирования требуется оптимизация процесса диспергирования вводимого озона и передачи его в обрабатываемую воду с обязательным учетом возможного изменения качественного состава обрабатываемой воды, ее температуры и требуемой степени насыщения (концентрации озона в воде), что, в свою очередь, направлено на достижение необходимой степени очистки воды.

Исследователями установлено, что в контактных камерах эффективность поглощения озона водой зависит не только от степени диспергирования озоновоздушной смеси в обрабатываемой воде, но и от высоты слоя воды в контактной камере, через который пропускается озоновоздушная смесь.

Наибольшей эффективности соответствует слой воды высотой 4,3–6 м при диаметре пузырьков газа 2 мм. Такая высота слоя воды требуется для того, чтобы весь содержащийся в пузырьках озон успел перейти в обрабатываемую воду.

Анализ исследований в области озонирования воды подтвердил важность соблюдения приведенных конструктивных размеров для достижения максимального эффекта озонирования в контактных камерах аэрационно-барботажного типа. Такова специфика технологии озонирования с использованием камер подобного типа. Для тех водоочистных станций, на которых габаритные размеры сооружений водоподготовки соизмеримы с требуемой высотой контактных камер, это вполне подходит. На станциях с небольшой производительностью (до 500 куб. м/сут) строительная высота контактной камеры несоизмерима с ее требуемой площадью. И здесь камеры такого типа вряд ли применимы по конструктивным соображениям. Поэтому для подобных станций подготовки подземных вод следует обосновывать выбор камер смешения другого типа, например механического, вихревого или комбинированного*.

Как уже упоминалось, характерной особенностью подземных водоисточников практически во всех регионах является повышенная концентрация железа и реже марганца. Зачастую широко применяемые безреагентные методы очистки подземных вод от соединений железа и марганца, заключающиеся в фильтровании через зернистые материалы с предварительной аэрацией воды атмосферным воздухом, позволяют удалить избыточные концентрации железа при исходной величине до 15 мг/л и марганца в количестве не более 0,3 мг/л. При этом скорость фильтрования не должна превышать 5–6 м/ч. Интенсификация первой стадии очистки подземных вод (аэрация или озонирование с целью окисления) позволяет вести процесс последующего фильтрования воды с повышенными скоростями без ущерба для качества получаемого фильтрата**.

В некоторых территориальных районах (в основном на заболоченных территориях) подземные воды наряду с железом и марганцем в высоких концентрациях содержат большое количество природных органических загрязнений — гуминовых веществ, обусловливающих цветность воды. В таких водах железо и марганец частично находятся в виде комплексных органических соединений, которые безреагентными методами очистки воды практически невозможно удалить. Например, в некоторых территориальных районах Сибирского региона (в северо-западной части Томской области, в Тюменской области, Ханты-Мансийском АО) встречаются подземные воды, где присутствуют нефтепродукты, фенолы, азотистые соединения и др. Очистку таких вод следует осуществлять комплексными методами обработки, включающими интенсивное окисление (озонирование) примесей и обеспечивающими их очистку как от природных, так и от антропогенных органических и неорганических загрязнений.

*Алферова Л.И. Интенсификация стадии аэрации в технологиях очистки подземных вод / Л. И. Алферова,
В. В. Дзюбо // Вода и экология: проблемы и решения. 2005. № 3.

**Дзюбо В.В. О технологиях водоподготовки // ЖКХ: журнал руководителя и главного бухгалтера. 2016. Ч. I. № 3.

Удаление железа методом озонирования воды

Практические исследования показали, что при озонировании природных (подземных) вод эффективность удаления железа в первую очередь зависит от дозы (концентрации) озона. При увеличении дозы озона снижается остаточное содержание железа в очищенной воде. Требуемое качество очищенной воды во многих случаях достигалось даже при небольшой концентрации озона. При дозах 1,5 мг/л и более обезжелезивание подземных вод было достаточно глубоким, а в отдельных случаях — полным.

Авторы статьи установили, что влияние температуры на эффективность удаления железа при очистке воды методом озонирования заметно сказывается при дозах озона до 1,5–1,8 мг/л, при высоких дозах озона температура воды влияет незначительно. Более существенным является влияние продолжительности контакта различных доз озона с обрабатываемой водой.

Пример

В исследованном интервале продолжительности контакта от 2 до 8 минут и доз озона от 2,5 до 1,2 мг/л эффективность удаления железа составляет 86,4–99,8%.

Следует отметить, что требуемое удаление железа методом озонирования воды с последующим фильтрованием при исходных его концентрациях не более 3–3,5 мг/л достигается в исследованном интервале доз озона при продолжительности контакта в камере смешения от 0,5 до 2,5 минуты. Это свидетельствует о высокой окислительной способности озона по отношению к железу.

Удаление марганца

Требуемая эффективность удаления марганца без использования озона (особенно при повышенных концентрациях — более 0,5 мг/л) достигалась не во всех случаях. Это объясняется, по всей видимости, тем, что в воде содержатся устойчивые соединения марганца, которые не окисляются атмосферным кислородом.

Чтобы эффективно удалить из воды марганец, следует создать условия для его перехода в нерастворенную форму. Суть этих условий сводится в основном к следующему:

  • повышение значения pH воды при недостаточном окислительно-восстановительном потенциале в случае использования слабых окислителей;

  • увеличение окислительно-восстановительного потенциала среды с помощью сильных окислителей без корректировки значения pH воды;

  • совместное применение более сильного окислителя и повышение значения pH воды.

Авторы статьи изучали возможность удаления марганца из подземных вод с использованием метода предварительной интенсивной (глубокой) аэрации воды атмосферным воздухом с целью корректировки величины pH путем удаления (отдувки) свободной углекислоты. Полученные результаты исследований методов аэрации-дегазации воды позволили предположить целесообразность данного метода. Кроме того, определялись эффективные дозы озона при извлечении растворенного марганца из воды, в которой он содержался в различных соотношениях с растворенным Fe2+.

Метод озонирования воды для коммунального водоснабжения: специфика

Проведенные исследования в регионах Сибири, где качественный состав подземных вод разнится, показали, что эффективность удаления марганца из воды не одинакова. Озонирование небольшими дозами и последующее фильтрование достаточно легко удаляют марганец в концентрации менее 0,3 мг/л. Причем концентрация растворенного Fe2+ при этом практически не оказывает влияния. В данном случае важно эффективно использовать растворенный в воде озон, поскольку значительная его доля расходуется на окисление присутствующего в высоких концентрациях железа. Поэтому для достижения требуемой степени очистки воды от марганца необходимы повышенные концентрации озона. Данное обстоятельство является спецификой технологии озонирования подземных вод, содержащих одновременно растворенные железо и марганец. Необходимая доза озона для удаления марганца до требуемых норм (0,1 мг/л) составляла 2,1–2,8 мг/л. При повышенных дозах озона (до 5,5 мг/л) в обрабатываемой воде и последующем фильтровании обработанной озоном воды со скоростью не выше 12 м/ч остаточная концентрация марганца уменьшалась до «следовой» величины.

Также установлено (рис.), что при содержании марганца в воде в небольших концентрациях оптимальные значения доз озона должны быть в пределах 1,0–2,2 мг/л. Увеличение дозы озона с целью более глубокого очищения приводило к обратному эффекту: остаточное содержание марганца в очищенной воде возрастало. Это объясняется переходом его из нерастворимой формы (Mn4+) в растворимую (Mn7+). При этом фильтрованием его не задержать, а очищенная вода приобретает достаточно устойчивый красноватый оттенок.

Установленный отрицательный эффект — еще одна особенность использования технологии озонирования для обработки подземных вод, в которых содержится марганец. Данное обстоятельство следует учитывать при обосновании технологии обработки подземных вод с использованием озонирования для питьевого водоснабжения.

Метод озонирования воды: выводы

Технология очистки воды озонированием имеет свою специфику.

Как технологический прием удаления основных загрязнений, содержащихся в подземных водах, метод озонирования воды должен сочетаться (соответствовать) в технологических схемах с качественным составом обрабатываемой воды.

Параметры озонирования должны соответствовать качественному составу примесей и их концентрации в обрабатываемых подземных водах.

Метод озонирования воды для коммунального водоснабжения: специфика

В определенных условиях при окислении озоном растворенное в воде железо (Fe2+) оказывает конкурирующее действие в отношении растворенного марганца (Mn2+), который при этом полностью не окисляется и, как следствие, полностью не извлекается из воды при последующем фильтровании.



Ваша персональная подборка

    Подписка на статьи

    Чтобы не пропустить ни одной важной или интересной статьи, подпишитесь на рассылку. Это бесплатно.

    Рекомендации по теме

    Мероприятия

    Школа

    Проверь свои знания и приобрети новые

    Посмотреть

    Самое выгодное предложение

    Самое выгодное предложение

    Воспользуйтесь самым выгодным предложением на подписку и станьте читателем уже сейчас

    Живое общение с редакцией





    Электронная система

    Можно ли за невыполнение предписания ГЖИ отделаться предупреждением?

    Ответы на этот и другие вопросы вы найдете в электронной системе «Управление многоквартирным домом»

    Получить доступ
    ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

    ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

    ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВАЭЛЕКТРОННЫЙ КАТАЛОГ
    НАШИ ПАРТНЁРЫНАШИ ПАРТНЁРЫ

    Рассылка




    © МЦФЭР, 2006-2016. Все права защищены.

    По вопросам подписки обращайтесь по телефонам: 
    Москва: 8 (495) 775-48-44 
    Другие регионы: 8 (800) 775-48-44 

    Получите техническую поддержку: 
    по телефону: +7 (495)-937-90-82 
    e-mail: sd@mcfr.ru 

    
    • Мы в соцсетях
    ×

    Подпишитесь на бесплатные рассылки, и получайте актуальную информацию обо всех нюансах, касающихся Вашей профессии! Будьте с нами!