книги из ГПНТБ / Кожинов В.Ф. Озонирование воды
.pdfВ. 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
Г " т с . ПУЬЛИЧИЛ?!
УДК 628
а .'
В. Ф. Кожинов, И. В. Кожинов. Озонирование воды. М., Строн-
нздат, Ф973. 1160 с.
В книге рассмотрены физические, химические и термодинами ческие свойства озона и способы его использования при обработке воды для питьевых щелей. Охарактеризовано бактерицидное дейст вие озона ма вегетативные и споровые бактерии, вирусы, цисты и другие патогенные микробы.
Описаны методы обработки воды озоном для обесцвечивания, Устранения привкусов и запаха и удаления железа и марганца. Рассмотрено действие озона на■микрозагрязиители, в частности на фенолы, гидроксильные соединения и анионные моющие средства. Изложена сущность процесса мицеллизации и демицеллизацни.
Описана технология обработки воды озоном, включая электро синтез, конструкции озонаторов; дан расчет генераторов озона. При- У15ДейЬг-рйсчеты установок для подготовки воздуха. Рассмотрены и сопоставлены методы омешивання озоно-воздушной смеси с водой и конструкщш контактных камер.
Изложены приемы компоновки оборудования современных ус тановок для озонирования воды. Описан метод определения техни ко-экономической эффективности обработки воды озоном с кон кретными показателями и приемами расчета. Приведены основные положения автоматизации озонирующих установок. .
Книга предназначена для инженерно-технических работников проектных и строительных организаций.
Табл. 36, рис. 75, список лит.: 57 назз.
Стройиэдат, 1974
30210 — 213
БЗ-84-29-72
047(01) — 74
Валерьян Федорович Кожинов. Игорь Валерьянович Кс
О З О Н И Р О В А Н И Е В О Д Ы
Редактор И. А. Хаустова
Внешнее оформление художника Э. С. Фи Технический редактор 3. С. Мочалинс
Корректоры Л. П. Бирюкова, 4. М. Введено-
Сдано в набор 16.II 1973 г. Подписано! к печати 4.VII 1973 I Бумага типографская № 3. 10.0 печ. л. (уч.-изд Тираж 10000 экз. Изд. № AVI—3240. Заказ № 412.
Стройиздат, 'Лг нва. Кузнецкий ,'" г'г .
-кого обко>
/ 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
цвет речной воды. |
|
для |
обработки |
воды |
озоном |
|
■Производственные установки |
||||||
впервые были построены и введены в эксплуатацию в г. |
Ницце |
|||||
(Франция), а именно: |
озонирующая |
станция |
Бон |
Войяж’ |
||
(1907 г.) |
производительностью |
22 500 |
м3/сутки, станция Римиц |
|||
-ЦЦЦЗт.) |
производительностью |
13 000 |
м3/сутки и станция Вил- |
|||
лефранш |
(1910 г.) производительностью 26 000 м3/сутки. |
|
||||
В 1907 г. на Восьмом |
водопроводном съезде |
по вопросам |
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
м31сутки. В Канаде за период с 1956 по 1962 г. построено 10 ус тановок общей производительностью 130 тыс. м3/сутки. В Нор вегии созданы две установки производительностью 36 и 24 тыс. м3/сутки. Кроме того, строится станция производительностью 120 тыс. м3)сутки. В Польше озонирование воды осуществлено в Кракове (на 20 000 м3/сутки).
За последние годы в Советском Союзе проведен ряд исследо ваний по применению озонирования для обработки воды раз личных источников — рек Невы, Волги, Оки, Днепра и др. Опы ты на установках лабораторного и полупроизводственного типа производили Ленинградский институт Академии коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова и ИОНХ АН УССР в Киеве [7].
Исследования нр установках полупроизводственного типа ве лись также на Восточной [8] и Северной [9] водопроводных станциях Москвы, пользующихся водой Волги.
Проверка условий озонирования воды Оки выполнялась в Горьковском инженерно-строительном институте им. В. П. Чка лова на полупроизводственной установке под руководством проф. П. И. Пискунова [10].
В 1961 |
г. |
введена в эксплуатацию озонирующая установка |
в г. Часов |
Яр |
(Донбасс), а в 1965 г.— на первом блоке очист |
ных сооружений Северной^одопроводной станции Мосводопровода производительностью 50 тыс. м3!сутки. Озонирующие уста новки эксплуатируют на водопроводах г. Горловки (Донбасс), в поселке Горьковской ГРЭС. Монтируется оборудование самой крупной в мире озонаторной установки на Восточной станции Мосводопровода и большой установки для г. Киева. Ведется разработка проекта озонирующей установки на Петроградской водопроводной станции в Ленинграде. Запроектировано строи тельство крупных станций озонирования воды: Слудинской в г. Горьком, а также в городах Владивостоке, Тюмени и др.
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