книги из ГПНТБ / Кожинов В.Ф. Озонирование воды

является неодинаковым. Так, при одной и той же продолжи­ тельности контакта цветность воды снижается летом и осенью в 25 раз, а в периоды паводка только в 7 раз. Это может объясняться сезонными изменениями фракционного состава и свойств гуминовых веществ [7].

Сравнивая воды Днепра и Десны, приходится отметить, что для достижения конечной цветности 20 град необходимая доза озона для снижения цветности воды на 1 град составила для Днепра 0,2 мг/л, а для Десны 0,33 мг/л. Следовательно, эф­ фективность обработки воды озоном зависит также и от естест­ венного состава гумусовых соединений, стойкость которых по отношению к озону не одинакова.

Указанное может быть подтверждено графиком изменения цветности воды при озонировании в функции времени (рис. 22). Объектами исследования явились реки Днепр 1, Десна 2. и Те­ терев 3. Обработка озоном воды р. Тетерев позволила достиг­

Понижение температуры t воды с 40 до 5°С также увеличи­ вает эффект обесцвечивания озоном (рис. 24). Замедление сни­ жения цветности, воды с высокой температурой вызвано доокислением в этих условиях части гуминовых соединений, кото­

зависит от необходимой степени обесцвечивания. При этом уве­ личение расхода озона происходит непропорционально. Так, например, для снижения цветности со 100 до 25 град расход озоиа составляет 0,063 г/град, а уменьшение цветности до

20град требовало расхода озона 0,162 г/град.

Интересные исследования по снижению содержания оргаии-

40

Продолжительность контакта с озоном 6 мин

Рис. 24. Влияние температуры на обесцвечивание воды

озоном

/—при (=5°С; 2—при i — 22°С; 3—при £=40°С

чеоких веществ и создаваемой ими цветности воды с помощью озонирования были выполнены в Голландии. Было показано, что разрушающее действие озона на эти соединения расчле­ няется на несколько фаз. Фаза / — окисление органических ве­ ществ, вызывающих цветность воды. Как видно из рис. 25, на

41

зультаты аналогичных исследований с водой озера. Кинетика снижения цветности (кривая 1), содержания органических ве­ ществ (кривая 2) и аммония (кривая 3) весьма мало отли­ чается от рассмотренной выше.

Из рис. 25 и 26 следует, что малые количества органиче­ ских веществ, остающихся в воде на V фазе, практически не поддаются окислению озоном.

Это явление подтверждается также графиком (рис. 27), на котором представлены результаты исследований по обесцвечи­ ванию воды озоном в Норвегии. По оси абсцисс отложены

дозы озона в мг/л, введенного в воду (верхняя горизонтальная шкала), а по оси ординат дано снижение цветности в %• Кри­ вая 1 показывает, что при дозе озона 1,3 мг/л устраняется 43%, а при дозе 2,5 мг/л — 70% начальной цветности и т. д. Окис­ ляющее действие озона на гуминовые соединения приводит к снижению содержания органических веществ, измеряемого количеством перманганата калия КМ.ПО4 в мг/л. На том же графике (кривая 2) показано снижение цветности в пересчете на перманганат калия с 45 до 8 мг/л, достигаемое введением в воду различных доз озона. Величины вводимого озона отло­ жены на нижней горизонтальной шкале. Можно считать, .что добавка 2—3 мг/л озона снижает содержание органических ве­ ществ на 20—30%.

Опыты ИОНХ АН УССР показали, что повышение мутности воды с 10 до 1000 мг/л за счет каолиновых и почвенных частиц

42

не ухудшает процесса обесцвечивания и не отражается на рас­

ходе' озона.

Таким образом, высокоцветные маломутные воды могут обрабатываться только озоном. Однако озонирование должно также одновременно обеззараживать воду. Поэтому при крат­ ковременном повышении мутности исходной воды необходимо применять коагулирование взвешенных веществ, а озонирова­ ние производить после фильтрования воды.

Практика применения озонирующих установок во Франции показала, что капитальные затраты на необходимое озонирую­ щее оборудование и расходы по его эксплуатации меньше, чем затраты на устройства для коагулирования компонентов, вы­ зывающих цветность воды. Следовательно, для случая, когда исходная обесцвечиваемая вода не требует предварительного осветления или бактериальная загрязненность воды не велика, применение озона является наиболее рентабельным.

Исследования по обесцвечиванию воды Москвы-реки выпол­ нены на Рублевской водопроводной станции. В летний и осен­ ний периоды цветность речной воды зависит от коллоидальных

На Восточной водопроводной станции в Москве проведены исследования по обесцвечиванию озоном воды Волги. Эта вода имеет небольшую мутность, но высокую цветность, отличаю­ щуюся достаточной стойкостью. При обработке воды хлором в количестве 4—4,5 мг/л и коагулянтом понижение цветности со­ ставляет 50%. Озонирование воды различными дозами дало следующие результаты (табл. 12).

43

озона снижается. Для получения воды стандартной цветности (20 град) нельзя уменьшать слой воды в контактной камере ни­ же 5 м и продолжительность контакта менее 6 мин.

Озонированная вода проходит песчаные фильтры со скоро­

зывалось, что для исходной воды с цветностью 34 град требует­ ся дополнительно вводить еще 1 мг/л озона, а для воды с цвет­ ностью 46 град недостает 1,75 мг/л озона. Если цветность со­ впадает с повышенной мутностью исходной воды, то для полу­ чения стандартной цветности (20 град) требовалась почти двойная доза озона (3 мг/л). Такие же явления наблюдались и при хлорировании воды в тех же условиях. Однако результаты испытаний на опытной установке Восточной водопроводной станции в Москве показали, что для получения равного эффек­ та обесцвечивания нужно в 2'/г раза меньше озона, чем хлора. Это, в свою очередь, подтверждает целесообразность примене­ ния озона для обесцвечивания воды. Низкие температуры воды

исходной воды 70—75 град, то при дозе озона 3 мг/л цветность снижается до 50—55 град. Для получения воды с цветностью 20 град необходимо применять коагулирование. Если же цвет­ ность воды составляет 40—50 град, достигнуть нормы (ГОСТ 2874—54) можно озонированием.

44

Т а б л и ц а 13

Снижение цветности воды водохранилищ в зависимости от дозы озона

Строгой пропорциональности между снижением цветности и количеством расходуемого реагента не отмечается. Доза озо­

нирования воды в 2,5—3 раза выше, чем эффект хлорирования. Аналогичные эксперименты проведены на Северной водо­ проводной станции в Москве [31]. Эти исследования велись с водой Учинского и Клязьминского водохранилищ, имеющих следующую качественную характеристику: температуру 8—20?С,

мутность 1,7—7 мг/л, цветность 33—50 град, рН=7,15-]-7,75,

содержание органических веществ 7—10 мг/л и планктона

года при дозе озона 1,6—3,7 мг/л. Вместе с тем испытания по­ казали отсутствие строгой пропорциональности между дозой озона и устраняемой цветностью (табл. 13).

Исследования Пискунова и Соколовой [10] позволили ре­ комендовать обработку воды р. Оки озоном в два этапа: пер­ вичное озонирование — перед поступлением воды на очистные сооружения; вторичное — в резервуаре чистой воды1. Суммар­ ная доза озона в зимний период составляет 2—2,5 мг/л и в лет- * ний — 4—5 мг/л. Продолжительность контакта 7 мин.

На очистной станции г. Часов Яр (Донбасс) также осуще­ ствляются две фазы озонирования:' 1) первичная обработка ис­ ходной воды канала; 2) вторичная обработка фильтрованной воды. Продолжительность контакта 6 мин. Данные наблюдений показывают, что при цветности исходной воды 30—40 град до­ статочно 1 мг/л озона для получения воды со стандартной цветностью (20 град). При цветности исходной воды 65 град необходимо 10 мг/л озона, а при цветности воды 150 град — 16 мг/л. Графически это представлено на рис. 28.

Нанесенные на графике кривые характеризуют уменьшение

1 Зто предложение практически реализовано на Слудияской станции озо нирования (г. Горький), обрабатывающей воду Оки [51].

45

цветности воды после обработки озоном при разной продолжи­ тельности контакта: для кривых 1, 4, 6 она составляет 6 мин, для кривых 2, 3 и 5 — 10 мин. Высота слоя воды :в контактной камере 5,1 иг. Из рис. 28 следует, что продолжительность кон­ такта заметно влияет на глубину обесцвечивания озоном. От­ мечается, что повышение температуры воды (в опытах 23—21°С) также оказывает влияние на снижение эффекта обесцвечивания воды озоном. .

В г. Кракове (Польша) действие озона на цветность воды является весьма значитель­ ным. Вода зеленовато-жел­ того цвета после озониро­ вания становится голубова­ той. '

Во Франции проблема обесцвечивания воды не яв­ ляется острой, так как цветность природных вод встречается далеко не час­ то. Тем не менее Гвинварх [4] отмечает, что на стан­ ции Сен-Мор в летний пе­ риод отчетливо видно дейст­ вие озона на цветность воды.

Следовательно, озониро­ вание оказывает весьма значительное влияние на

цветность обрабатываемой воды. Уже с самого начала

просматривать в большом слое над дном, вымощенным белыми плитками. После обработки хлором вода имеет зеленовато-

-желтую окраску, тогда как озонирование придает воде отчет­ ливо выраженный голубой оттенок. Это было проверено с по­ мощью колориметра марки «Ловибанд Тинтометр» на озони­ рующей установке Сен-Мор. Отсюда следует, что обработка воды озоном снижает окраску в гамме желтого цвета, но не­ сколько усиливает ее в гамме синего цвета. Эта особенность хорошо различается простым глазом, даже в центреПарижа: при наполнении белой эмалированной ванны водопроводной водой уже в слое 20—25 см обнаруживается характерная, го­ лубая окраска.

В природных водах наиболее часто встречается двууглекис­ лое железо Ре(НСОз)г. Возможно присутствие хлоридов или

46

сульфидов железа. Если содержание FeSCU невелико, реакция с озоном идет по уравнению

2FcS01+HaS04- f 0 8=F e8(S0.1)3+H20_j-02.

Часто в природных водах присутствуют гуматы железа, спо­ собные образовывать коллоидальные растворы. Марганец в природной воде обычно сопутствует железу. Если железо или марганец содержатся в воде в форме органических соединений или коллоидальных частиц, то обезжелезивание воды обычными способами (аэрацией, известкованием или катиопнрованием) не удается. Усложняются и общепринятые способы удаления марганца. Выделению железа и марганца из воды препятству­ ют комплексные органические соединения, весьма трудно под­ дающиеся расщеплению. В таких случаях необходимо предва­ рительное окисление этих органических соединений, после чего становится возможным устранение железа и марганца одним из обычных методов. Для окисления железа или марганца, со­ держащихся в комплексной связи с веществами, придающими воде повышенную цветность, весьма целесообразно применение озона. Окисляя названные комплексные соединения, озон уст­ раняет цветность воды и вызывает осаждение железа и мар­ ганца. Процесс окисления преобразует растворимые соли в не­ растворимые, поэтому необходимо последующее фильтрование воды для освобождения ее от выпадающих осадков.

Часто наблюдается связь между наличием ионов Fe и Мп и цветностью воды. В обычных случаях удаление железа и марганца не требует применения озона, так как для этого су­ ществуют другие способы. Однако железо и марганец могут образовывать комплексные соединения с анионными группами, которые необходимо разрушить предварительной обработкой озоном. В этих случаях именно озон является лучшим реаген­ том, так как вызывает осаждение нежелательных веществ в форме высоковалентных нерастворимых гидратов при любых значениях pH, встречающихся в природных водах.

Эта способность озона особенно интересна при наличии мар­ ганца. Превращение Мп под воздействием кислорода воздуха в двухвалентный нерастворимый гидрат Мп(ОН)4 требует при отсутствии катализатора величины рН > 10, а в присутствии высших окислов Мп — величины pH = 8,5. Между тем озон вы­ зывает полное осаждение Мп при отсутствии каких-либо ката­ лизаторов уже при величине рН =6,5. Наличие органических веществ с восстановительными свойствами, таких, как, напри­ мер, полифенолы, мешает устранению цветности воды обычны­ ми способами.

Сильное предварительное озонирование вызывает преобра­ зование этих органических соединений, ведущее к флокуляции окрашенных веществ, которые затем могут быть задержаны фильтрами или микрофильтрами. Такой способ обработки при­

47

меняется на многих водопроводных станциях Франции, Так, на станции г. Майн э Луар (Франция) применяется озонирование для деферризации и деманганации воды. В процесс обра­ ботки воды входят добавка озона дозой 4 мг/л, постоянное от­ стаивание (без подщелачивания). Железо и маргане'ц устраня­ ются полностью. Органические вещества, находящиеся в соеди­ нении с железом и марганцем, придают воде высокую цвет­ ность. Озонирование должно в этих случаях осуществляться пе­ ред фильтрованием: железо окисляется и устраняется после­ дующим отстаиванием и фильтрованием. На станции Белмонт (Филадельфия, США) в речной воде обнаружили марганец в количествах 0,32; 0,46 и 0,3 мг/л. При поддержании в воде величины' остаточного озона 0,16—0,2 мг/л содержание марган­ ца устраняли на 78, 82 и 80%. Без озонирования в течение восьми месяцев удавалось понижать содержание марганца не более чем на 48%. После озонирования применялись отстаива­ ние с коагуляцией и окорые фильтры.

Город Аштон (Англия), имеющий озонирующую станцию, получает воду из водохранилища, в котором летом происходит значительное развитие водорослей. Осенью водоросли быстро отмирают и продукты их распада вызывают появление в воде растворенного марганца в количестве 0,5 мг/л. Озонирование такой воды приводило к повышению цветности с 22 град в ис­ ходной воде до 86 град в озонированной. Вода немедленно приобретала розовый цвет, который изменялся на желтый при­ близительно через 30 мин контакта с озоном. Для устранения марганца была принята следующая технологическая схема об­ работки воды: первичное озонирование исходной воды, фильт­ рование и вторичное озонирование фильтрата. При такой схеме обработки, окисляясь, марганец переходит в нерастворимую форму и осадок удаляется фильтрованием. Цветность воды сни­ жается до нормативной величины.

Ход реакций в несколько упрощенном виде [32] следую­ щий:

MnS04-b03+2H 20 = H2Mn03+ 0 2+ H 2S04;

2Н2Мп03+ 3 0 3=2НМ п04+ 3 0 2+ Н 20;

2HMnS04+ 5 0 3+3H 20=2H M n04+ 5 0 2+2H 2S04+41,2 ш а л .

Следует признать, что хотя озонирование и не является наи­ более экономичным методом обезжелезивания и деманганации, но применение озона с этими целями оправдано в двух случа­ ях: 1) когда обычные способы удаления из воды железа или марганца из-за связи последних с органическими веществами не дают результатов или ведут к недостаточным результа­ там; 2) когда необходимо одновременное устранение запахов, привкусов и цветности воды.

48

Для устранения из воды железа или марганца требуется 1 вес. ч. озона на 1 вес. ч. железа или марганца.

5. УСТРАНЕНИЕ ПРИВКУСОВ И ЗАПАХОВ ВОДЫ ОЗОНИРОВАНИЕМ

Неприятные привкусы и запахи в некоторых .природных во­ дах вызываются присутствием соединений минерального и ор­ ганического происхождения, находящихся в растворенном или коллоидном состоянии. Эти привкусы по своему происхождению могут быть:

а) минерального происхождения, т. е. вызываемые наличием железа, марганца, сероводорода и общей повышенной минера­ лизацией;

б) природного органического происхождения — гуминовые кислоты, танин, органические вещества, поступающие со сто­ ками, водоросли и чаще всего планктон;

в) городского происхождения — продукты распада органиче­

основном соединения, образующиеся при хлорировании перечис­ ленных выше загрязняющих веществ.

На практике редко встречаются привкусы и запахи воды, происходящие только от одного вида загрязнений. Чаще всего они вызываются целым комплексом причинных явлений.

Процесс озонирования может быть разделен на два последо­ вательных этапа: первичное и вторичное озонирование или озон вводится единовременно при окончателыгой обработке во­ ды (после фильтров). Озон во всех случаях окисляет назван­ ные выше соединения, приводя к их расщеплению, сопровожг дающемуся исчезновением привкусов и запахов. Таким образом происходит нейтрализация веществ путем своего рода «холод­ ного сжигания». Между тем хлор оставляет иногда в воде спе­ цифический запах; по-видимому, это особенно часто происходит с водами маломинерализованными.

По сравнению с другими применяемыми окислителями озон обладает рядом преимуществ. Так, благодаря более высокой окислительной способности, озон в состоянии действовать на та­ кие соединения, которые не поддаются действию других хими­ ческих реагентов. Обработка воды избыточным количеством озона не влечет за собой никаких нежелательных явлений: из­ быточный озон, будучи нестойким, снова превращается в кис-

49