книги из ГПНТБ / Кожинов В.Ф. Озонирование воды

С точки зрения задачи очистки воды от содержащихся в ней органических соединений практический интерес представ­ ляет способность озона интенсивно действовать на бензольные кольца. Как известно, они представляют собой кольцевые группировки из .шести углеродных атомов НС—СН, получаю­ щиеся П{Й1 перегонке каменноугольной смолы, нефти и т . д.

Следовательно, с помощью озона возможна очистка вод, за- - грязненных стоками, содержащими производные бензола (фе­ нол, гидрохинон и т. п.).' Сброс таких стоков в естественные водоемы имеет место на коксохимических, шпалопропиточных, ~ нефтеперерабатывающих и других предприятиях.

Высокая способность озона вступать в реакции с органиче­ скими веществами может быть использована и для уменьше­ ния естественной цветности. Последняя обусловлена присутст­ вием стойких органических соединений, главным образом гуминовых веществ. В природных водах почвенные гуминовые вещества представлены фульво- и гумнновыми кислотами. Кроме того, в воде присутствуют их соли, находящиеся как в истинно растворимой, так и в коллоидной форме. При озони­ ровании гуминов происходит их окисление с образованием менее окрашенных органических веществ.

Необходимо отметить, что озон способствует прекращёнию активности энзимов, т. е. сложных органических веществ бел­ ковой природы, содержащихся в живых и растительных орга­

низмах. Это свойство озона имеет важное значение при обра­ ботке питьевой воды.

Гл а в а II

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОЗОНА ПРИ ОБРАБОТКЕ ВОДЫ ДЛЯ ПИТЬЕВЫХ ЦЕЛЕЙ

'1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ОЗОНА ПРИ ОЧИСТКЕ ВОДЫ

Вразличных литературных источниках озонирование г зачастую рассматривается только как один из способов о .. зараживания, не имеющий недостатков, которые свойственны

другим методам очистки воды от бактериальных загрязнений. Так, например, на Международном конгрессе по водоснаб­ жению в Стокгольме (1964 г.) докладчик от Швейцарии сооб­ щил, что в этой стране озонирование не имеет другой цели кроме обеззараживания воды. В соответствии 'с такой точкой зрения целевое назначение озонирования ограничивается лишь абиотическим действием озона. Между тем озон благодаря своей исключительной окислительной способности проявляет

20

очень денные дополнительные воздействия на обрабатываемую воду. Озонирование не только обеспечивает быстрое и надеж­ ное обеззараживание, но вызывает и весьма значительное улучшение органолептических свойств воды, так как в резуль­ тате обработки озоном устраняются привкусы, запахи и цвет­ ность воды. Кроме того, зачастую возрастает содержание растворенного кислорода, что возвращает очищенной воде 'одно нз основных свойств, характеризующих чистые природ­ ные источники.

В некоторых случаях озонирование может быть использова­ но с главной целью устранения неприятных привкусов и за­ пахов воды загрязненных поверхностных источников, которые иногда приходится применять для хозяйственно-питьевого по­ требления. Воды незагрязненные, но имеющие значительную цветность, могут быть обесцвечены с помощью озона, действие которого в этом отношении является весьма эффективным.

Способность озона обесцвечивать воду имеет особое значе­ ние для стран севера Европы — Швеции, Норвегии и Финлян­ дии, где многие водопроводные системы получают воду с вы­ сокой цверностыо; последняя вызвана присутствием в воде гуминовых кислот растительного происхождения. Устранение цветности воды озоном ' является достаточно актуальным в

СССР, ГДР, США, Англии и ФРГ.

Озонирование позволяет также удалять из воды железо и марганец в тех случаях, когда деферризация и деманганация с помощью общеизвестных методов не дают достаточно удов­ летворительных результатов.

Наконец, озонирование является почти незаменимым спосо­ бом обеззараживания минеральных вод (типа нарзана, бор­ жома и др.), а также при производстве искусственных фрукто­ вых вод (например, лимонада и т. д.).

2. ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ВОДЫ ОЗОНОМ

Бактерицидное действие озона. Вода, предназначенная для обеззараживания озоном, должна быть прозрачной от прироЙИ..ИЛН искусственно осветленной с помощью фильтрования с водтарите'льным коагулированием взвешенных веществ или ньг’коагулирования. Впрочем, это условие не является харак­ терной чертой озонирования, поскольку, по современным воз­ зрениям, предварительная очистка мутных вод с коагулирова­ нием обязательна при любых методах обеззараживания (на­ пример, при хлорировании, бактерицидном облучении и т. д.).

Доза озона, необходимая для обеззараживания воды, варьируется в зависимости от содержания в воде органических веществ, от температуры воды и от величины активной реак­ ции воды (pH).

Прозрачная и чистая ключевая вода и воды горных рек,

21

мало загрязненные посторонними примесями, требуют пример­ но 0,5 мг/л озона. Вода, поступающая из открытых водохра­ нилищ, может вызывать расход озона до 2 мг/л после пред­ варительного осветления воды с коагуляцией взвешенных ве­ ществ и фильтрования. Средняя доза озона составляет 1 мг/л.

М е с я'ц ы

Рис. 12. Фактические дозы озона на 'Станции Сен-Мор

Трехлетняя практика эксплуатации крупной озонирующей установки на водопроводной станции Сен-Мор (Париж) про­ изводительностью 300 тыс. м3/сутки подтверждает, что средняя доза 1 мг/л озона является вполне обоснованной. МинималГ"'

наблюдались короткие периоды, когда потребные дозы озона приходилось повышать до 1,6—2 мг/л.

Французский специалист Пьер Генварх [4] объясняет эти явления случайными сбросами производственных сточных вод в верхнем течении реки Марны, являющейся источником водо­ снабжения. Такие сбросы сточных вод имеют небольшую ин­ тенсивность и поступают от сахарных и крахмальных заводов и писчебумажных фабрик.

На рис. 12 показаны суточные дозы озона, которые факти­

22

чески расходовались на станции Сен-Мор. Из графика видно,

ний период эксплуатации станции Сен-Мор в озонированной воде ни разу не было обнаружено присутствие кишечных па­ лочек сверх установленных норм.

Интересные результаты получены на станции Сен-Мор и по отношению к микроорганизмам Clostridium perfringers. Сред­ нее содержание этих микроорганизмов в фильтрованной воде равно 50 единиц в 1 л, тогда как в озонированной воде было обнаружено всего лишь 22 единицы в 1 л, т. е. число их умень­ шилось более чем на 50%.

Большой интерес представляют данные об озонирующих установках в г. Ницце (Франция), так как они основываются на наиболее продолжительной по времени — 55-летней практи­ ке эксплуатации начиная с постройки первых установок (1907, 1909 и 1910 гг.). С некоторыми изменениями и дополнениями эти установки выполняют свои функции и в настоящее время. Вода из реки Везюби пропускается через медленные песчаные фильтры, после чего подвергается озонированию.

Фильтрованная вода имеет следующие качественные пока­

5—20°С; число Escherichia coli (на 100 мл) 0—10; общее число колоний бактерий через 24 ч выращивания при t==37°C 10—400.

Одна из давно действующих установок озонирует воду, каптируемую из подземных источников. Характеристика исход­ ной воды мало отличается от только что приведенной выше, за исключением температуры, которая в данном случае более постоянна (8—18°С).

Другая установка (строительство 1951 г.) обрабатывает озоном воду р. Везюби после прохода ее через отстойники с коагуляцией взвешенных веществ и последующим фильтрова­ нием на скорых фильтрах. Качественная характеристика этой воды идентична характеристике воды, получаемой на медлен­ ных фильтрах (см. выше)"

Продолжительность контакта озоно-воздушной смеси с об­ рабатываемой водой колеблется от 5 до 15 мин сообразно с типами установок и их производительностью.

Озонирование производится с непременным поддержанием на выходе с установки необходимой величины остаточного озо­ на, которая может быть обнаружена при реакции с йодистым калием по формуле

23

Пробы берутся с 5-минутным интервалом (при температуре воды выше 5°С) или 10-минутным (при температуре воды до 10°С). Установлено, что минимальная величина остаточного озона соответствует приблизительно 0,1 мг/л. Для достижения такого результата доза озона при обработке воды из источни­

perfringers; общее число колоний бактерий после 24-часового выращивания на питательной среде при температуре 37°С не выходило за пределы 0—5 в 1 мл воды; не возникали инциден­ ты санитарного характера, которые могли бы рассматриваться как критические доводы против применения озона для обез­ зараживания в связи с его нестойкостью в воде; даже в наибо­ лее старых трубопроводах после озонирования воды не наблю-

•далось роста бактерий, а коррозия металла не превышала обычных размеров. Необходимо отметить, что количество бак­ териологических анализов, выполняемых на установках г. Ниц­ цы, увеличивается с каждым годом. В частности, только за один год было произведено до 5000 анализов со средними ре­ зультатами, приведенными в табл. 2.

Т а б л и ц а 2

Санитарно-гигиенические показатели воды г. Ниццы до и после озонирования (средние результаты)

24

Escherichia coli, аналогичные лучшим из достигнутых при хло­ рировании.

На рис. 13 показано отмирание кишечных палочек в % к их общему числу в зависимости от величины остаточного озона, а на рис. 14 — отмирание колоний бактерий при различных вели­ чинах остаточного озона.

Остаточный озандме/л

Содержание оздНа В мг/л

по обработке воды озоном, полученные при эксплуатации стан­ ции Белмонт за семилетний период.

По данным Пауэлла (США), применение озона снижает общее количество бактерий в воде на 99,4% [15].

Фетнер и Инголс из США [15] обрабатывали хлором и озо­ ном суспензии Escherichia coli в дистиллированной воде при pH—6,8 и температуре 1°С. Для наибольшей точности иссле­ дования они применяли для обеззараживания воды раствор озона в воде с величиной p H = 2, который остается весьма ста­ бильным при температуре 1°С. В этих условиях бактерицидные дозы, вызвавшие гибель 99% Escherichia coli, составили для хлора 0,25—0,3 мг/л за 1-6 мин, а для озона 0,4—0,5 мг/л за

1 мин.

Однако хлор и озон влияют на бактерии неодинаковым об­ разом. Из графика, приведенного на рис. 15, видно, что кривая выживания бактерий, т. е. количества N, сохранивших жизне­ способность по отношению к общему количеству бактерий Nо,

25

падает с повышением дозы хлора [20]. Иначе говоря, увеличе­ ние интенсивности хлорирования вызывает прогрессивное отми­ рание бактерий. Между тем при озонировании обнаруживается внезапное резкое бактерицидное действие озона, соответствую­ щее определенной критической дозе, в данном случае равйой

осветляется путем пропуска через иифильтрационные бассейны, а затем перехватывается вертикальными трубчатыми колодца­ ми. Озонирование производится в сборном коллекторе колод­ цев, используемом в качестве контактной камеры с высотой слоя воды 5 м. Для интенсификации контакта осуществлено противоточное движение воды и озонированного воздуха. Ре­ зультаты обработки воды показали следующее. Если в 1 см3 неозонированной воды содержится 80 колоний бактерий (на же­ латине), то после ввода-1 мг/л озона количество их снижается до 60 в 1 см3, а при дозе 1,5 мг/л число колоний бактерий па­ дает до 16 в 1 см3, т. е. в пять раз. Коли-индекс в озонирован' ной воде-всегда ниже 10.

■Исследования бактерицидного действия озона, проведенные на экспериментальной установке Восточной водопроводной станции в Москве [8], дали также благоприятные выводы, как это видно из табл. 3.

Однако потребные дозы озона оказались более высокими, чем по зарубежным данным. Так, при дозе озона 1-—1,5 мг/л коли-индекс в воде снижался только на 92% и составлял вели­ чину 24 вместо 3 по ГОСТ 2874—54 на питьевую воду. Даже после озонирования дозой 2—2,5 мг/л коли-индекс хотя и

26

.уменьшался на 99%, но все же был равен 7, т. е. не удовлет­ ворял требованиям ГОСТа '.

Необходимо отметить, что опыты проводились с вводом озо­ на в неочищенную воду (без предварительной коагуляции взвешенных веществ и без фильтрования воды).

Исследования по озонированию воды проводились на Вос­ точной водопроводной станции Москвы и на лабораторном озонаторе марки Л-64 . производительностью 1 г озона в 1 ч [21]. Эффект обеззараживания воды озоном при содержании, общего количества бактерий в 1 мл 800—1200 составляет: при дозе озона 1 мг/л — 60—65%, при дозе 2 мг/л — 85%, при дозе озона 3 мг/л — 90—95%■ Приемлемой дозой озона следует счи­ тать 3—4 мг/л.

На Рублевской водопроводной станции (Москва) проводи­ лись исследования по озонированию воды реки Москвы. Общее число бактерий в 1 мл воды после введения озона снижалось на 92—98,5% в пределах времени от 1 до 25 мин. Бактерицид­ ная доза озона соответствовала такой, после обработки кото­ рой нельзя было обнаружить В. coli в 500 мл воды. Оказалось,

~видно на рис. 16. Испытания велись с продолжительностью контакта 5, 10 и 20 мин при высоте слоя воды в контактной, колонне 5,4 м. Найдено, что увеличение времени контакта сверх 10 мин не повышает силы действия озона.,

Качественная характеристика исходной воды (из р. Москвы) при исследованиях представлена в табл. 4. На Рублевской во-

1 В большинстве западно-европейских стран и США для питьевой воды допускается коли-индекс, равный 10.

27

допроводной станции были проведены также эксперименты с фильтрованной водой Мооквы-реки.

В

Рис. 16. Бактерицидные дозы озона в мг/л (по

опытам Рублевской водопроводной станции з Москве)

Из табл. 4 видно, что бактерицидная доза озона для филь­ трованной воды в 2—2,5 раза меньше, чем для исходной водь: того же источника. Озонирование фильтрованной воды вызы­ вало полное устранение В. coli. Изменение продолжительности контакта с 5 до 10 мин. не отражалось на результате действия

28

озона. Для фильтрованной воды достаточна меньшая продол­ жительность контакта, чем для исходной речной воды.

Исследования по озонированию воды вместо вторичного хлорирования на Северной водопроводной станции Москвы [9],

подаче фильтрата с коли-индексом 4—16.

Исследованиями П. И. Пискунова и Н. В. Соколовой [10] установлено, что для воды Оки оптимальная доза озона в зим­ ний период составляет 2—2,5 мг/л, а в летний — 4—5 мг/л. Эти дозы обеспечивали стандартное качество воды по бакте­ риологическим показателям. Одновременно снижалась цвет­ ность речной воды в 2—3 раза.

Б. Л. Вахлер [22] приводит данные о степени обеззаражи­ вания воды озоном на Чаеов-Ярокой фильтровальной станции (Донбасс) в зависимости от величины бактериального загряз­ нения и дозы озона (табл. 5).

Проверка устойчивости действия озона во времени при по­ севе одних и тех же проб через 12 и 24 ч показала, что неосветленная вода канала в летний период, сохраняет полностью свою стерильность только при дозах озона 6—7 мг/л. Между тем фильтрованная вода канала сохраняет свою стерильность через сутки при дозах озона 2,6—3 мг/л (табл. 6).

Из табл. 5 и 6 следует, что озонирование неосветленной воды с целью обеззараживания неэкономично и неэффективно, так как большие количества озона расходуются на окисление

29