книги из ГПНТБ / Кожинов В.Ф. Озонирование воды

В. Ф . кожи но в,

д-р техн. наук проф И. В. К О Ж И Н О В, канд. техн. наук

„ОЗОНИРОВАНИЕ ВОДЫ

МОСКВА

С Т Р О И И З Д А Т

1 9 7 4

/ ВВЕДЕНИЕ

л-;

г.

В 1973 г. исполнилось 87 лет со дня первых опытов по обез­ зараживанию воды озоном, которые выполнил в 1886 г. де Меритенс (Франция). Только 12 лет спустя, в 1898 г., Тиндаль ‘осуществил первую опытную установку для озонирования воды ща фильтровальной станции Сен-Мор в Париже. Эта установка 'действовала В течение трех месяцев, обрабатывая -фильтрован­ ною воду реки Марны в количестве 5000—12 000 м3/сутки. За­ чтен были построены опытные озонирующие установки в городах 'Дилле (Франция, 1898—1899 гг.) и Мартиникенфельде (Герма­ ния, 1901 г.), а в 1901—1902 гг.— в городах Висбадене (на Ю00 м3!сутки) и Падерборне (на 1440 м3/сутки).

В 1901 г. в России состоялся Пятый водопроводный съезд. Известный инженер Н. П. Зимин [ 1] в докладе на этом съезде характеризовал «озонирование воды как средство для устране­ ния недостатков ее фильтрования при городских водопроводах». Пятый водопроводный съезд принял постановление «Об испыта­ нии способа озонирования в России в применении к делу снаб­ жения городов речными и поверхностными водами». В развитие этого постановления уже в 1905 г. в Петербурге при Петропав­ ловской больнице действовала экспериментальная ■установка для озонирования воды из Невы. Исследования проводили Г. В. Хлопни и К. Э. Добровольский. Озонирование снижало число бактерий в среднем на 98,8%, а также улучшало вкус и

озонирования воды выступали С. Л. Рашкович, Г. В. Хлопин, С. К. Дзержговский и В. А. Дроздов [2]. В развернутом по­ становлении съезда отмечалось, что «озонацию воды следует отнести в санитарном отношении к лучшим и заслуживающим

внимания способам химического обезвреживания питьевой во­ ды». Г:.'становления русских водопроводных съездов — прогрес-

3

сивной общественно-технической организации способствовали! устройству в Петербурге фильтро-озонной станции, введенной в

эксплуатацию в январе 1911 г. Эта станция явилась первой и самой крупной в мире производственной установкой, -которая в 1911 г. обрабатывала 44 500 м3/сутки воды, а в 1913 г. ее про­ изводительность была доведена до 56 000 м3/сутки. Станция бьц ла оборудована озонаторами трубчатой конструкции и эмульсаторами, с помощью которых выполнялось смешивание озоно-^

воздушной смеси с обрабатываемой водой.

Происходивший в 1911 г. Десятый водопроводный съезд за­ слушал доклад инж. В. В. Старостина [3] об эксплуатации Санкт-Петербургской фильтро-озонной станции (с 1 января по' 20 апреля 1911 г..) и доклад врача В. И. Яковлева [3] о иекоторых данных, полученных в результате работы фильтро-озоннои станции с 18 января по 20 апреля 19Н г. По мнению съезда, выраженному в постановлении, «...трехмесяч-иые наблюдения Санкт-Петербургской городской лаборатории над работой филь­ тро-озонной станции доказали, что невская вода после коагуля­ ции и надлежащей и правильной фильтрации в достаточной сте­

пени обезвреживается озоном».

Однако война 1914—1918 гг., а затем иностранная интервею ция против Советской России не позволили обеспечить поддгс жание станции на необходимом техническом уровне. Для о('^

вцеживания воды вместо озонирования начали применять ллорпръвишл.. „ ------------ -п,тпп!тенир озонирующей уста

новки оказалось нецелесообразным, так как за истекший период оборудование ее подверглось моральному износу.

^Только в 1953 г., т. е. через 40 лет после постройки указан­ ной фильтро-озоннои станции, во Франции была введена в экс­ плуатацию более крупная озонирующая установка Сен-Мор (Париж). В настоящее время она обеспечивает обработку око­ ло ЗСЮтыс. м3/сутки, или почти 30% всей питьевой воды, пода­ ваемой городу из различных водоисточников [4].

Большинство озонирующих установок Франции оборудовано пластинчатыми озонаторами «Отто», которые были предложены впервые в 1905 г., но с тех пор подвергались неоднократным

*м;0Ве^)Ше'11СТВ0Ваниям’ Последние типы установок одобрены Международными конгрессами по водоснабжению в Хельсинки

(1954 г.) и в Чикаго (1956 г.). За период с 1906 по 1968 г.

пластинчатыми озонаторамиоборудовано свыше 500 водопро­ водных станций, работающих как во Франции, так и за ее пре­ делами, а именно: в Западной Германии, Канаде, Швейцарии Италии, Сирии, Саудовской Аравии и др.

Трубчатые озонаторы также получили достаточно широкое распространение во Франции.и в ряде других стран. В 1965 г. фирме «Трейлигаз» (Франция) удалось значительно увеличить производительность озонаторов трубчатого типа. Это позволило применить их для оснащения крупных водопроводных станций

4

Шаузи ле Руа (800 тыс. м3/сутки), Орли (300 тыс. м3/сутки) и Мэри сюр Уаз (100 тыс. м3/сутки), расположенных близ Па­

рижа.

В США используются озонаторы трубчатой конструкции «Велсбах». Наиболее 'крупная установка такого типа, реально обрабатывавшая озоном 136 тыс. м3/сутки воды, находилась в эксплуатации с 1949 по май 1959 г. на фильтровальной стан­ ции Белмонт в г. Филадельфии [5]., Аналогичные установки для озонирования воды, но меньшего масштаба имеются в эксплуа­ тации и в других американских городах, в частности в Уайтин­ ге (штат Индиана), Денвере и т. д.

Необходимо отметить принципиальное различие точек зре­ ния французских и американских специалистов на озонирование воды.

Французские специалисты исходят из условий, что озон яв­ ляется высокоэффективным обеззараживающим средством. Од­ новременно озон устраняет неприятные привкусы и запахи.

По мнению американских специалистов, озон является лишь вспомогательным средством по отношению к хлору. Потреби­ тель должен получать воду, содержащую остаточный хлор, в качестве гарантии, исключающей возможность загрязнения воды при ее транспортировании по трубопроводам. Поэтому в США озон преимущественно применяют для устранения привкусов и запахов воды, в особенности при использовании источников, загрязненных фенолами, так как озон расщепляет фенольные соединения.

Действительно, в озонированной воде присутствие остаточно­ го озона можно обнаружить только на выходе из контактных колонн в количестве 0,1 мг/л, если температура воды составляет менее 10°С. При более высокой температуре воды величина ос­ таточного озона снижается до 0,05 мг/л. Тем не менее при та­ ких показателях за время продолжительной эксплуатации озо­ нирующей установки Сен-Мор общая смертность от болезней «водного происхождения» в Париже не превышает 1,5 случая на 100 тыс. жителей. Указанная величина имеет тенденцию к даль­ нейшему снижению. В то же время в несцольких американских городах (Чикаго и др.) имели место вспышки желудочно-ки­ шечных заболеваний, несмотря на весьма значительное содер­ жание остаточного хлора в водопроводной воде. Это показы­ вает, что правы те гигиенисты, которые не считают наличие ос­ таточного. хлора гарантией против бактериального загрязнения воды после ее выхода с очистной станции в систему разводящих трубопроводов.

Одним из таких крупных гигиенистов является М. Т. Б. Уайтсон, выступавший докладчиком от Великобритании на Между­ народном конгрессе по водоснабжению в . Стокгольме (июнь 1964 г.). Уайтсон отметил, что наиболее существенным возра­ жением против озонирования обычно считается отсутствие оста­

5

точного озона в разводящей водопроводной сети, тогда, как при хлорировании в сети может быть обнаружен остаточный хлор. По данным Уайтсона, эксперименты, проведенные в г. Аштоне (Англия), показали, что в обеззараженной озоном воде, цирку­ лирующей в сети трубопроводов, не происходит ухудшения ее качества. Контрольные пробы озонированной воды, взятые из сети, оказались совершенно равноценными пробам, содержав­ шим остаточный, хлор в воде, взятым из других, секторов сети, но питаемых из тех же водных источников.

Установлено также, что небольшие количества остаточного, хлора, имеющиеся в трубопроводах, не могут оказать никакого обеззараживающего действия на загрязнения, вызванные по­ вреждениями коммуникаций, явлениями вакуума и т. п. По за­ ключению Уайтсона, присутствие остаточного хлора в трубопро­ водах еще не означает непременной бактериальной чистоты во­ ды, хотя зачастую ее считают именно таковой [6].

Как известно, улучшение качества воды по общепризнанной схеме обеспечивается тремя процессами. Для обесцвечивания воды применяется коагулирование; улучшение ее вкусовых свойств достигается с помощью активированного угля; обеззара­ живание воды осуществляется хлором.

Необходимость выполнения трех различных процессов ус­ ложняет технологию обработки воды. Между тем озонирование позволяет одновременно обеспечить обесцвечивание, устранение привкусов и запахов и ее обеззараживание вследствие весьма высокой окисляющей способности озона. Эти достоинства озо­ нирования способствуют дальнейшему расширению сферы его применения в практике обработки воды для питьевых целей.

В настоящее время в ряде зарубежных стран проявляется повышенный интерес к использованию озона. В частности, на Международном конгрессе по водоснабжению в Стокгольме (июнь 1964 г.) доклад об озонировании воды [6] явился одним из главных вопросов повестки дня. Все это объясняется также и заметным улучшением технико-экономических показателей озонирующих установок, выпускаемых промышленностью.

Во Франции находится в постоянной эксплуатации, более 200 озонирующих установок на городских водопроводах. Эти уст­ ройства обрабатывают около 2 млн. м3/сутки воды, обслуживая» свыше 7 млн. потребителей, что составляет более 7з всего насе­ ления Франции, снабжаемого водой централизованно. —

Кроме Франции использование озона для обработки воды получило широкое распространение в Швейцарии. Здесь только за период с 1955 по 1963 г. построена 31 установка для озони­ рования воды общей производительностью 380 тыс. м3/сутки (в том числе одна станция производительностью 130 тыс. м31сутки). В ФРГ за период с 1957 по 1962 г. введено в действие шесть установок общей производительностью 200 тыс. м3/сутки, в том числе одна на 144 тыс. м3/сутки и другая на 38 тыс.

6

Гл а в а I

ФИЗИЧЕСКИЕ, ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОЗОНА

1. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ ОЗОНА

Озон является аллотропической модификацией кислорода и при нормальных температуре и давлении представляет собой газ бледно-фиолетового цвета. В природном состоянии озон на­ ходится в высоких слоях атмосферы, где он возникает фотохи­ мическим путем под действием солнечной радиации.

В 1785 г. голландский химик Ван Марум обнаружил неизве­ стный ранее запах, выделяющийся из воздуха при электриче­ ском разряде; он счел это явление свойственным электричеству. В 1801 г. Крекшэнк (Англия) обнаружил тот же запах в кисло­ роде, который выделялся при электролизе воды. В 1840 г. Шенбейн (Швейцария) доказал, что запах, получаемый при электрическом разряде в кислороде, вызван возникновением но­ вого газа, который он назвал озоном (по-гречески озон — пах­ нущий).

За период 1845—1860 гг. ряд исследователей (Мариньяк и Делярив; Фреми и Бекерель; Андрюс) добились преобразова­ ния чистого кислорода в озон; они впервые охарактеризовали озон как аллотропическую модификацию кислорода. В 1867 г. Сорет путем изменения плотности при диффузии газа ввел для озона формулу Оз.

Различные методы позволяют получать озон синтетическим путем, но всегда растворенный в' воздухе или в кислороде. В производственных условиях озоно-воздушную смесь получа ют с помощью тихого электрического разряда в озонаторе. Первый такой аппарат, являющийся прототипом всех сущест­ вующих озонаторов, сконструировал в 1857 г. Сименс.

Чистый газообразный озон можно получить с помощью фрак­ ционного сжижения и дистилляции смеси кислорода й озона. При температуре —111,9°С озон сгущается и превращается в не­ стойкую жидкость темно-синего цвета. Температура плавления озона —192,5°С. Молекулярный вес озона 48, вес 1 л газа при 0°С и 1 атм составляет 2,144 г. Плотность озона в твердом со­

8

стоянии 1,738 (при температуре —195,2°С), а в жидком состоя­ нии 1,572 (при температуре—183°С).

Чистый озон взрывоопасен, так как при его разложении вы­ свобождается значительное количество тепла.

Озон токсичен и действует на органы дыхания, а также мо­ жет поражать центральную нервную систему. Предельно допус­ тимое содержание озона в воздухе помещений, где работают люди, составляет 0,0001 мг/л.

2.ПРОБЛЕМА АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА

В1965 г. вышла в свет книга «Атмосферный озон» Арлетты

Ваоси [11], профессора Сорбонского университета в Париже. А. Басси занимается этой проблемой с 1943 г., и ее работы по­ лучили всемирное признание. В книге рассматриваются все существующие методы измерения озона, как химические, так и оптические, и устанавливается их связь с целым рядом влияю­ щих факторов, а именно: земным магнетизмом, солнечной ак­ тивностью, метеорологией и т. д.

Хотя озон составляет только 3/юоооооо часть атмосферы нашей планеты, но его наличие, а точнее поглощение озоном солнечного ультрафиолетового излучения, делает возможным су­ ществование жизни на земле.

По Исследованиям А. Ваоси, объемная концентрация озона на уровне моря составляет только 10-8 (в м3/м3) и возрастает с увеличением высоты. Наибольшее содержание озона в при­ земном слое наблюдается летом и возрастает с ускорением вет­ ра, колебание составляет от 10_1° до 10-7 (в м3/м3).

Наличие озона в атмосфере ведет к стерилизации, т. е. по­ лезному действию, и к раздражению (или даже разрушению), если его количество чрезмерно. Было замечено, что в районе Лос-Анджелеса электропровода городской сети выходят быстро из строя. Измерения показали на ненормально высокое содер­ жание озона в периоды туманов. Лос-Анджелесский «смог» действует раздражающе на глаза. Обнаружено вредное воздей­ ствие избытка озона на сельскохозяйственные культуры: табак, виноград и др., вызывающее их повреждение. Установлено, что образование озона происходит из выхлопных автомобильных газов. Между тем в Париже содержание озона из выхлопных газов не возрастает, а уменьшается. Найдено, что такое проти­ воречие обусловлено различным содержанием перекиси азота в воздухе этих двух городов.

Перекись азота является окислителем, и, если ее объемная концентрация изменяется от 10-7 до 10 4, то при ультрафиоле­ товом облучении она реагирует с ненасыщенным углеводородом. Объемная концентрация перекиси азота, преобладающая в Па­ риже, пока ниже этих пределов, но, судя по регулярным анали­ зам, медленно возрастает.

9