книги из ГПНТБ / Кожинов В.Ф. Озонирование воды

Каид. техи. наук В. А. Алексеева (ВЗИСИ) провела иссле­ дования по применению озона для полной очистки сточной воды

1,5—1,7 мг при очистке сточных вод нефтеперерабатывающих заводов, содержащих, кроме того, растворенные органические соединения [43].

7. УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ХАРАКТЕР ДЕЙСТВИЯ ОЗОНА

Изложенное выше показывает, что озонирование представ­ ляет собой единственный современный метод обработки воды, который действительно универсален, поскольку он проявляет свое действие одновременно в бактериологическом, физическом

иорганолептическом отношениях.

Сбактериологической точки зрения весьма существенно, что

все микробы — патогенные и сапрофитовые, встречающиеся в воде, уничтожаются озоном, при этом их оживление совершен­ но исключено. Озон обладает высоким спорицидным эффектом, который находится в прямой зависимости от количества озона, пропущенного через воду, и в обратной зависимости от органи­ ческого загрязнения воды.

Исследования ученых установили преимущества озона для нейтрализации вируса полиомиелита по сравнению с обычными средствами обеззараживания (хлором и двуокисью хлора), а также цист и сопутствующих бактерий. Благодаря значительно­ му уменьшению содержания органических веществ в озониро­ ванной воде, последняя становится менее подверженной после­ дующим загрязнениям.

С физической точки зрения вода после озонирования пре­ терпевает значительные качественные изменения. В достаточно большом слое вода приобретает красивую голубоватую окраску, свойственную водам родниковым или стекающим с глетчеров. При озонировании вода хорошо аэрируется, что делает ее бо­ лее усвояемой и приятной для питьевого потребления.

Сорганолептичеокой точки зрения в озонированной воде не только не возникает каких-либо привкусов и запахов (что не­ избежно при хлорировании), но, наоборот, устраняются всякие следы привкуса и запаха, ранее существовавшие в обрабаты­ ваемой воде.

Схимической точки зрения минеральные вещества, раство­ ренные в воде и определяющие в некоторой мере ее питатель­ ные свойства, не изменяются после озонирования. В то же вре-. мя обработка озоном не придает воде никаких дополнительных посторонних веществ и химических соединений. В воде остают­ ся только продукты озонирования тех веществ, которые прида­ вали ей цветность, привкус и запах.

Традиционные методы очистки не устраняют значительного

€0

содержания микрозагрязнений, ухудшающих качество конечного продукта — питьевой воды. Даже адсорбция активированным углем не обеспечиваетнеобходимой эффективности очистки. Ак­ тивированный уголь хотя и дает удовлетворительное решение для устранения пестицидов и углеводородов, но не может конку­ рировать с озоном для очистки воды от фенолов,.детергентов и веществ, экстрагируемых хлороформом, в число которых в ос­ новном входят углеводороды. Кроме того, метод углевания име­ ет высокую стоимость, так как требует больших расходов доро­ гостоящего активированного угля.

Г л а в а III

МИЦЕЛЛИЗАЦИЯ-ДЕМИЦЕЛЛИЗАЦИЯ (МД)

1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПРОЦЕССЕ МД

До настоящего времени подача озона в воду осуществляет­ ся, как правило, на заключительном этапе обработки воды, т. е. в полном соответствии с традиционным методом очистки по­ верхностных вод для питьевых целей. Как известно, этот метод, вошедший в практику с начала XX столетия, включает следую­ щие этапы:

1)флокуляцию коллоидов и взвешенных частиц в исходной воде путем добавки электролита •— коагулянта, а иногда и вы­ сокомолекулярного флокулянта (например, полиакриламида);

2)осаждение хлопьев, образовавшихся в результате коагу­ лирования, в отстойниках или осветлителях;

3)фильтрование отстоенной воды (на скорых фильтрах). Физико-химическая обработка коагулянтом представляет

важный этап классического способа, так как позволяет устра­ нять взвешенные вещества и коллоиды. Дозы химических реа­ гентов пропорциональны степени загрязнения природной воды. Однако расход электролита — коагулянта всегда больше дейст­ вительной потребности, соответствующей устраняемым из воды коллоидам. Значительная часть электролита используется для насыщения зоны хлопьеобразования, что является необходимым условием получения хлопьев достаточного объема и плотности с целью их быстрого осаждения. Таким образом, применение традиционного метода при значительном загрязнении воды вы­ зывает повышенный расход реагентов для коагулирования и, следовательно, большие капитальные затраты на строительство сложных и крупногабаритных сооружений — смесителей, камер хлопьеобразования, отстойников и блока реагентного хозяйства.

Следует отметить, что санитарно-гигиенические свойства во­

61

ды тем лучше, чем меньше химических реагентов вводится для ее обработки.

Новый способ мицеллизации-демицеллизации (МД), разра­ ботанный и запатентованный французской фирмой «Компани де з’ о э де л’ озон» (CEO) основан на специфическом действии озона на коллоидные частицы. Это действие заключается в раз­ рушении агрегированных макро-молекулярных органических час­ тиц, обусловливающих окраску, а в некоторой мере и мутность воды [39]. Способ МД представляет большой интерес как с точки зрения гигиены, так и экономики. Преимущество его со­ стоит в том, что значительно сокращается, а иногда и полно­ стью исключается применение электролита ■— коагулянта и вспо­ могательных реагентов. Следовательно, процесс обработки воды приближается к естественному самоочищению путем окисления и позволяет избавиться от операций коагулирования и осажде­ ния [44].

Процесс МД включает следующие виды обработки воды: 1) микрофильтрацию; 2) собственно мицеллизацию и демицеллизацию; 3) фильтрование на скорых фильтрах.

Микрофильтрация позволяет задержать все частицы круп­ нее нескольких микрон, дает возможность избавиться от гру­ бых механических примесей, а также от большей массы планк­ тона.

Фильтрующим материалом служит полотно весьма тонкого плетения. Эффективности фильтрования способствует частичное поверхностное забив-ание фильтрующей зоны. В результате по­ лучается микрофильтрованная вода, из которой остается лишь удалить частицы, не задержанные микрофильтром.

Теория мицеллизации-демицеллизации основана на физико­ химическом исследовании органических и минеральных приме­ сей в воде, являющихся причиной ее мутности и цветности. Эти примеси состоят из частиц— мицелл, которые по их размерам можно причислить к коллоидальным.

Под названием «мицелла» рринято понимать коллоидную частицу, тесно -связанную с молекулами растворителя и адсор­ бированными в ней ионами. Мицеллизация-демицеллизация раз­ рушает коллоидальное состояние, в результате чего образуются непосредственно фильтруемые частицы. Вследствие этого со­ кращаются капитальные затраты путем исключения из числа сооружений отстойников и здания реагентного хозяйства со всеми сопутствующими устройствами.

Активным агентом, наиболее подходящим для разрушения коллоидов, является озон. Действуя непосредственно на кол­ лоидальную частицу, озон разрушает органические макромолекулярные связи, являющиеся причиной цветности и отчасти мутности воды. Так, например, озон вызывает разрушение двойных связей полимеризованных гумолимновых кислот.

Воду обрабатывают озоном после микрофильтрации. В за-

62

.висимости от качества природной воды под действием озона происходят следующие изменения: 1) полное обесцвечивание воды без появления мутности или уменьшения ее вследствие ■солюбилизации, т. е. перевода коллоидальных частиц в раствор; 2) появление коллоидальной мутности, вызванной образованием мицеллярных коллоидных структур (мицеллизация); 3) спон­ танная (самопроизвольная) коагуляция коллоидных примесей с образованием мелких хлопьев (демицеллизация).

Рис. 94. Схема МД для вод с высокой цветностью и с большой мутаостыо

. Рис. 35. Схема МД для вод с высокой цветностью и с повы­ шенной мутностью (до 25 мг)л)

В первом случае заключительное фильтрование вообще ис­ ключается. Этот особый случай процесса МД называется про­ цессом микроозонирования. Во втором случае коллоидальная мутность появляется вследствие образования мицелл с отрица­ тельным зарядом, а поэтому необходима демицеллизация воды. Подобная задача легко решается путем добавки незначитель­ ной дозы электролита — коагулянта для получения микрохлопьевидного осадка. Эта добавка коагулянта нужна также для устранения мутности минерального происхождения, на ко­ торую озон практически почти не влияет.

Рассмотренный процесс должен происходить по схеме, пред­ ставленной на рис. 34. Исходная вода поступает по трубопрово­ ду 1 к микрофильтру 2. Затем вводится озон 3 с предваритель­ ной добавкой электролита — коагулянта 4, после чего происхо­ дит мицеллизация-демицеллизация в колоннах 5. Далее вода

63

направляется на скорые фильтры 6, пройдя которые подвергает­ ся повторному озонированию в колоннах для обеззаражива­ ния 7 и транспортируется к месту потребления по трубопрово­

ду 8.

Если природная вода имеет высокую цветность и повышен­ ную мутность, процесс должен происходить по другой схеме (рис. 35). Вода поступает по трубе 1 и направляется на пред­ варительное осветление в восходящем потоке 2. После добав­ ки электролита 3 и озона 4 происходит мицеллизация и демицеллизация 5. Затем вода поступает на скорые фильтры 6, дополнительно обеззараживается рекуперированным озоном 7

ипо трубе 8 направляется к потребителям.

Втретьем случае осадок образуется самостоятельно. В даль­ нейшем требуется только фильтрование воды на скорых квар­ цевых фильтрах. Эта операция хорошо известна и здесь не рас­ сматривается.

Процесс МД уже получил довольно широкое внедрение при эксплуатации многих установок, построенных во Франции, ФРГ, Канаде, Англии и Швейцарии.

2. ПРИМЕНЕНИЕ СПОСОБА МД ДЛЯ ОЗОНИРОВАНИЯ ВОДЫ ИЗ ВОДОХРАНИЛИЩ

С каждым годом в нашей стране увеличивается количество водохранилищ. На реках возводятся плотины, которые задержи­ вают движение воды и создают большие искусственные озера, регулирующие речной сток. Это ведет к изменению как гидрав­ лического, так и биологического режима водоема. Происходит замедление водообмена, уменьшается мутность воды, но вместе с тем повышается содержание органических веществ, в частно­ сти гуминовых кислот и т. д. Все это приводит к увеличению цветности воды. Усиленное развитие водной растительности ве­ дет к появлению стойких привкусов и запахов воды. Этому процессу способствует сброс в водоемы подогретой воды после охлаждения конденсаторов паровых турбин электростанций, создающих в водоеме благоприятные температурные условия.

Повышение содержания органических веществ особенно ха­ рактерно для водоемов, расположенных в заболоченных райо­ нах Западно-Сибирской низменности. Это вызывает недостаток или даже дефицит кислорода в воде, что может привести к гибели рыбы.

Следовательно, при использовании водохранилищ в качестве источника водоснабжения стоят задачи устранения цветности, привкусов и запахов воды и повышения содержания кислоро­ да. Всем этим условиям отвечает обработка воды озоном [45].

При озонировании вода хорошо аэрируется, что повышает содержание в ней растворенного кислорода до 6—9 см3/л (в-, зависимости от температуры).

64

В большинстве случаев, т. е. когда мутность воды в водо­ хранилище сравнительно незначительна, может быть применен пропуск исходной воды через микрофильтры с последующим озонированием фильтрата.

В Москве проводились исследования на воде Учинского и Клязьминского водохранилищ, имеющей следующую качествен­ ную характеристику: температура 8—20°С, мутность 1,7—7 мг/л, цветность 33—50 град, pH = 7,15-^-7,75, содержание органиче­ ских веществ 7—10 мг/л и планктона 32—6000 единиц в 1 мл. Исследования подтвердили, что обесцвечивание воды до нормы (до 20°С) возможно в любое время года при дозе озона 1,6—3,7 мг/л. Вместе с тем обнаружено отсутствие строгой про­ порциональности между дозой озона и величиной устраняемой цветности. Установлено также, что с увеличением продолжи­ тельности контакта озона с водой увеличивается и глубина обес­ цвечивания, а повышение температуры воды снижает этот эф­ фект.

Из сказанного выше следует, что, если мутность исходной воды, получаемой из водохранилища, невысока, процесс очи­ стки воды можно организовать путем микрофильтрации и озо­ нирования.

■Микрофильтр состоит из металлического каркаса в форме барабана, обтянутого сеткой из нержавеющей стали, которая покрыта фильтротканой сеткой из никеля с ячейками разме­ ром 40X40 мк. Вода поступает в барабан через торцовую стенку и профильтровывается через его цилиндрическую сетча­ тую поверхность. При вращении барабана с помощью специ­ ального устройства происходит непрерывная промывка сетки от накапливающихся загрязнений.

Микрофильтрация позволяет задержать все взвешенные час­ тицы крупнее 40 мк. Таким образом удается избавиться от механических примесей и от большей части планктона. В ре­ зультате в воде остаются частицы — мицеллы, относимые по размерам к коллоидальным.

После микрофильтрации вводится озон, под действием ко­ торого происходит полное обесцвечивание воды без появления мутности вследствие солюбилизации (т. е. перевода коллои­ дальных частиц в раствор). Если появляется коллоидальная мутность, в воду добавляют незначительную дозу коагулянта для образования хлопьевидного осадка.

Описанный выше метод можно использовать только в тех случаях, когда исходная вода по мутности близка к требовани­ ям ГОСТ 2874--54 во все времена года, а также при условии

»пропуска воды после микрофильтров через зернистые фильтры. Кроме того, на практике приходится устранять не только кол­ лоидальную мутность, но н минеральную, на которую озон практически почти не влияет. Тогда технологическая схема об­ работки воды должна включать коагулирование взвешенных

веществ и пропуск ее через скорые фильтры. При этих услови­ ях озон применяют в дополнение к традиционным способам об­ работки воды, главным образом для устранения привкусов и запахов, вызываемых развитием в водохранилищах водной рас­ тительности. Одновременно озон способен снижать цветность воды и обеззараживать ее.

В Англии ряд городских водопроводов пользуется водохра­ нилищами с несколько повышенной цветностью воды вследст­ вие развития в них водорослей и фитопланктона. В настоящее время на таких водопроводах применяются микрофильтры с последующим озонированием фильтрата.

Новая схема обработки воды позволяет устранять цвет­ ность, вызванную наличием органических веществ в воде, ко­ торая прошла через торфяные или болотистые участки. После предварительных исследований осуществлена установка, дейст­ вующая по схеме «микрофильтрация — озонирование» для об­ работки 52 300 м3/сутки из оз. Торрит (Англия). Основные за­ дачи этой установки [46] — обеззараживание воды, обесцве­ чивание и устранение привкусов и запахов. Вода оз. Торрит характеризуется незначительной мутностью н низким содержа­ нием бактерий. Однако вода имеет цветность, достигающую 50 град, а также запах плесени и неприятный землистый при­ вкус. Для устранения всех этих недостатков оказалась доста­ точной доза озона 3,25 г/м3.

На станции озонирования Киот Хилл в г. Аштоне (Англия) понижение цветности исходной воды, замеренное тинтометром Ловибанд, составляет 21—59%.

очень мягкая, богатая планктоном, имеет цветность 25 град и мутность до 6,9 мг/л. Кроме того, содержание железа часто составляет 0,6 мг/л, а марганца — 0,2 мг/л. Обработка воды по способу МД (дозы озона 1,5 мг/л и коагулянта 5 мг/л) полно­ стью устраняет цветность, мутность, а также железо и марга­ нец [44].

Источниками питьевой воды для г. Лозанна (Швейцария) служит озеро де Брэ. Установка, действующая по методу МД, производительностью 43 тыс. м3/сутки введена в эксплуатацию в 1967 г. Исходная вода имеет цветность до 30 град, мутность

66

Г л а в а IV

ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ ОЗОНОМ

ИТИПЫ ОЗОНАТОРОВ

1.ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ОЗОНИРОВАНИЯ

Озон, получаемый на производственных установках, являет­ ся нестойким газом, значительно разбавленным воздухом. С практической точки зрения концентрировать, хранить и транс­ портировать 1 такой газ представляется неэкономичным [47] и даже рискованным2, учитывая свойственную озону взрывча­ тость [48]. .Поэтому полученный озон должен сразу же расхо­ доваться. Наиболее экономичный метод массового производства озона заключается в пропуске . воздуха или кислорода через электрический разряд высокого напряжения в генераторе озона или так называемом озонаторе. Сырьем для производства озона могут служить атмосферный или обогащенный кислородом воз­ дух или чистый кислород. Теоретическая теплота для образо­ вания озона выражается1величиной 139,4 кдж/моль. При по­ треблении воздуха на производство озона расход энергии в 2 раза больше. Эта энергия необходима для ионизации и дис­ социации молекул кислорода.

Готовой продукцией является озонированный воздух, содер­ жащий до 5% озона^(по весу) или озонированный кислород с содержанием до 10% озона по (весу). Однако, хотя получе­ ние таких концентраций и возможно, но" обычно не оправдывает­ ся с экономической точки зрения. При самом небольшом пре­ вышении указанных пределов выход озона падает до нуля. Это объясняется тем, что в результате электрического разряда не только получается озон по уравнению ЗОг—*-203, но может про­ исходить и разрушение озона по уравнению 20з— >-ЗОг. При этом скорость обратной реакции будет возрастать пропорционально увеличению концентрации озона. Как правило, на установках для обеззараживания питьевой воды через тихий электричес­ кий разряд пропускается кислород, который содержится в сво­ бодном состоянии в атмосферном воздухе. Следовательно, в этих случаях сырье является «даровым». Практически для производства озона из кислорода требуется энергия, равная 1300 кдж/моль, при этом 90% ее рассеивается на тепловыделе­ ние. По этой причине наибольшие концентрации озона в озо­ но-воздушной смеси при температуре 25°С не превышают

V20—25jaz/ji, т. е. 1,02—1,22% к объему воздуха или 1,7—2,1% 1Гёго весу.

1 В последние годы для малых установок практикуется транспортиро­ вание 'баллонов с озоном, растворенным >в 'инертном сжиженном газе под высоким давлением.

2 Озон ие взрывается, если концентрация его и озоно-воздушной или в озоно-кислородной смеси не превышает 10% (140 г/м3).

При некоторых процессах промышленного химического окис­ ления, требующих больших количеств озона высокой концен­ трации, пользуются чистым кислородом, получаемым с по­ мощью сжижения воздуха или электролиза воды. Приведенные выше характерные особенности промышленного производства озона требуют объединения в одной установке устройств: для получения озона из воздуха; для кондиционирования исполь­ зуемого воздуха; для смешивания озона с обеззараживаемой водой.

Отсюда вытекает принципиальная технологическая схема современной озонирующей установки, действующей следующим образом (рис. 36).

Атмосферный воздух пропускают через висциновый фильтр 1 для очистки от пыли, после чего водокольцевой воздуходувкой 2 через влагоотделитель (ресивер) 3 нагнетают на охлаждающие устройства. В состав их входят: теплообменник 4 с коиденсатороотводчиком 5 и фреоновая холодильная установка, состоя­ щая из испарительно-регулирующего агрегата 6, компрессорно­

направляется в генераторы озона 13. Озон получают под дей­ ствием так называемого «тихого» электрического разряда, но не в чистом виде, а в смеси с воздухом. Концентрация озона в воздухе колеблется для озонаторов различных типов от 4 до

20 г/м3 (т. е. от 0,3 до 1,43% по весу).

Так как тихий электрический разряд сопровождается тепло­ выделением, предусматривается водяное охлаждение электро­ дов озонатора. Подача напряжения на озонатор производится от повышающего трансформатора с помощью высоковольтного кабеля (на схеме не показаны).

Заключительной операцией технологического процесса является обеспечение соприкосновения озона и воды, т. е. бы­ строе и полное смешивание больших количеств воды с озони­ рованным воздухом в специальной контактной камере. Озони­ рованный воздух вводят в воду в один или два этапа. Поэтому возможно устройство раздельных контактных камер, из кото­ рых одна служит для первичного озонирования 14, а другая — для вторичного озонирования 15.

Диффузия озона в виде мельчайших пузырьков в толщу во­ ды осуществляется либо с помощью эмульгатора, либо через сеть дырчатых трубок 16, размещенных у основания контактной камеры.

Вэтом случае вода по трубке 17 поступает в камеру сверху

ивстречается в противотоке с озоно-воздушной смесью, посту­

пающей снизу вверх по трубе 18. После вторичного озони-

68

Рис. 36. Принципиальная технологическая схема озонирующей установки