CC BY
24
УДК 628.16
Курбатов А.Ю., Аверина Ю.М., Кузин Е.Н., Ветрова М.А.
О ПЕРСПЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОЗОНА В ПРОЦЕССАХ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ И ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ АРТЕЗИАНСКИХ ВОД
Курбатов Андрей Юрьевич - канд. техн. наук, ассистент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии РХТУ им. Д.И. Менделеева 125047, Москва, Миусская площадь дом 9. andreikurbatov@vandex.ru Кузин Евгений Николаевич - канд. техн. наук, доцент кафедры промышленной экологии РХТУ им. Д.И. Менделеева 125047 Москва, Миусская площадь дом 9
Аверина Юлия Михайловна - канд. техн. наук, доцент кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии РХТУ им. Д.И. Менделеева 125047 Москва, Миусская площадь дом 9
Ветрова Маргарита Александровна - магистр 2-го года обучения кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии РХТУ им. Д.И. Менделеева 125047 Москва, Миусская площадь дом 9
В статье рассмотрены перспективные методы водоподготовки для децентрализованного водоснабжения, в частности озонирование питьевой воды. Описаны положительные и отрицательные стороны процесса озонирования, а так же особенности протекания реакций.
Ключевые слова: водоподготовка, озонирование воды, гидродинамическая обработка воды.
ABOUT THE PROSPECTS OF USE OF OZONE IN THE PROCESSES OF DECENTRALIZED DISINFECTION AND DECONGERIZATION OF ARTESIAN WATERS
Kurbatov A.Y., Kuzin E. N.,Averina J. M. , Vetrova M. A. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia
The article discusses promising methods of water treatment for decentralized water supply, in particular, ozonation of drinking water. The positive and negative sides of the ozonation process, as well as the features of the reaction are described.
Keywords: water treatment, ozonation of water, hydrodynamic treatment of water.
Геологический возраст воды на нашей планете по разным источникам оценивается от 3 до 5 миллиардов лет, поэтому даже самая чистая вода в процессе контакта с минеральными породами накапливает в себе примеси и микроэлементы. В артезианской (наиболее чистой) воде могут присутствовать растворенный водород, гидроксил-радикал, а также ионы натрия магния, железа, калия. Кроме того, артезианская вода содержит в себе кислотные анионы, такие как карбонаты, хлориды и сульфаты. Кристальная чистота воды зачастую может быть обманчива. В воде озёр, рек и прудов помимо вышеуказанных веществ протекают различные биологические процессы, в результате которых образуется широкий спектр органических веществ и метаболитов. Употребление такой воды без предварительной подготовки может быть опасно для жизни и здоровья.
Основной задачей предприятий, занимающихся процессами водоподготовки является обеспечение требуемого качества воды, а также организация своевременной ее подачи в необходимом количестве потребителю. При этом вопрос стоимости процесса питьевой водоподготовки играет ключевую роль. В качестве обеззараживающего реагента обычно применяют сильные окислители или ультрафиолетовое облучение.
На сегодняшний день наиболее распространёнными окислителями являются хлор и его производные, пероксид водорода, перманганат калия и озон. Данные реагенты помимо обеззараживающего эффекта способны окислять растворимые формы отдельных металлов (например, железа или марганца) и переводить их в нерастворимое состояние. В последнее время все больше предприятий водоподготовки выбирают в качестве замены процессу хлорирование -озонирование воды.
Несмотря на то, что что озон самый дорогостоящий химический реагент для водоподготовки, поскольку оборудование для получения озона требует значительных капитальных затрат, а процесс синтеза озона характеризуется высокими энергозатратами. Кроме того, необходимо помнить, что озон - это высокотоксичное соединение, способное повредить верхние дыхательные пути и при высокой его концентрации в воздухе привести к тяжелому отравлению или смерти. Предельно допустимая концентрация озона (ПДКрз) составляет 0,1мг/м3, при этом для сравнения предельно допустимая концентрация хлора в воздухе рабочей зоны составляет 1 мг/м3, что в десять раз выше [1].
Несмотря на указанные недостатки озон имеет ряд важных преимуществ. Озон по своему
окислительному потенциалу (таблица 1) уступает только фтору (не применяют в водоподготовке) и гидроксил-радикалу, что позволяет уничтожать споры, вирусы и бактерии, содержащиеся в питьевой воде.
Таблица 1.
Окислительные потенциалы различных реагентов, используемых в процессах водоподготовки
Окислитель Окислительный потенциал (еУ)
О№ 2,80
Оз 2,07
Н2О2 1,77
Гидроксил-радикал 1,70
Перманганат калия 1,67
Диоксид хлора 1,50
Хлор и его производные 1,36
Кислород 1,23
Другим преимуществом озона является отсутствие побочных продуктов (например, хлор фенолов при использовании хлора), что положительно сказывается на органолептических свойствах подготавливаемой воды. Кроме того, озон генерирующее оборудование имеет следующие положительные свойства:
^ Озонаторные установки процесса
водоподготовки весьма компактны;
^ Озонаторные установки полностью автономны;
^ Озон производится непосредственно в месте применения;
^ Отсутствие логистических цепей поставки реагентов;
^ Озон не требует складских помещений для хранения;
^ Не требуется приготовление рабочих растворов заданной концентрации перед применением;
^ Значительное сокращение площади реагентного хозяйства;
^ «Зеленая» технология.
Процессы окисления соединений железа в артезианской воде (преимущественно форма гидрокарбонатов) озоном протекают с высокой скоростью и описываются реакцией 1, при этом согласно стехиометрическому расчету, для окисления 1 мг ионов Бе2+ требуется 0,14 мг озона.
2Ре(ИСОз)2 + Оз + Н2О ^ 2Ре(ОИ)з| + О2 + 4СО2Т
(1)
Из литературных источников [2,3] известно, что обязательным условием для эффективного применения метода озонирования с целью окисления железа и одновременного обеззараживания требуется не менее 3,5 мг (О3)/л обрабатываемой воды, а время контакта не менее 4-х минут. Механизм обеззараживающего действия озона представлен на рисунке 1.
■Этап 3
Рисунок 1. Механизм обеззараживающего действия озона
Несмотря на высокую эффективность в процессах обеззараживания озон имеет крайне короткий период жизни, а достигнутый эффект сохраняется непродолжительное время. Именно поэтому в системах водоподготовки городов для длительного обеззараживающего эффекта (более 2 часов) применяют производные хлора.
В процессе обезжелезивания питьевой воды с использованием озона первоначально образуются мелкодисперсные взвеси окислов железа, которые в последствии являются катализатором процесса деструкции озона [4]. Наиболее целесообразно применять процессы озонирования при высоких расходах воды, из подземных источников. В
зависимости от различных факторов скорость распада озона может существенно различаться (Таблица 2)
Таблица 2.
Период полураспада озона в зависимости от
температуры
Температура воздуха, °С Время
-50 1 месяц
-35 18 дней
-25 8 дней
0 3 дня
20 90 минут
50 5-10 минут
Как видно из таблицы 2, с ростом температуры процесс распада озона ускоряется. Данный параметр особенно актуален для артезианских вод, поскольку процесс будет протекать в нескольких температурных диапазонах. От 1 до 4 °С в момент эжекции озона в поднимаемую из скважины воду, до 20-25 градусов при ее подаче в систему водоснабжения. На основании данных таблицы 2 можно предположить, что бактерицидного эффекта озона при небольших объемах водоподготовки (например, частный дом) будет достаточно для достижения заданных СанПин требований.
Заключение
На основании проанализированных данных можно сделать вывод, что, несмотря на определенные недостатки, озон является наиболее подходящим реагентом для использования в системах децентрализованной водоподготовки. Применение озона не требует постоянных закупок реагентов и обеспечивает максимальное качество окисления большей части органических веществ, а также на 100 % обеззараживает воду и удаляет привкусы, цветность и запах. С учетом маленького расстояния (время доставки воды) между потребителем и установкой обезжелезивания и обеззараживания процесс будет происходить в проточном режиме, а окислительного действия озона будет достаточно для отказа от дополнительного хлорирования.
Одним из возможных вариантов дополнительного увеличения эффективности, и, как
следствие, снижение расхода озона является применение систем гидроакустического смешивания воды с озоном. В процессе гидроакустического воздействия скорость разложения озона будет дополнительно увеличиваться за счет образования гидроксил-радикалов. Помимо этого, будет достигнута максимальная степень диспергирования озона во всем объеме воды и упрощение аппаратурной схемы процесса за счет отказала от использования системы впрыска [7-8].
Работа выполнена в рамках программы поддержки молодых ученых-преподавателей РХТУ им. Д.И. Менделеева (Заявка K-2020-015)
Список литературы
1.Громовласов А.А., Копылов А.С, Пильщиков А.П. Водоподготовка: процессы и аппараты. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 272 с.
2.Хохрякова Е.А. Фильтры для очистки воды / Библиотека Акватерм
4. Гевод, В. С. Загрязнение питьевой воды внутри водопроводов и экономичный способ ее доочистки в местах потребления / В. С. Гевод, И. А. Борисов // Водные ресурсы и климат: материалы V Международного Водного Форума, / Белорусский государственный технологический университет. -Минск: БГТУ, 2017. - Ч. 2. - С. 10-18
5. Шиян Л.Н., Мачехина К.И., Кончакова Н.В. Механизм образования коллоидных соединений железа в процессе водоподготовки // Современные проблемы науки и образования: элект. научный журн. 26.08.2013. URL: http://www.science-education.ru/110-9969 (дата обращения 30.04.2020).
6. Бубликова Е.В. Современное аппаратурное оформление процесса озонирования при водоподготовке и обработке сточных вод. 2003.
7. Гидродинамическая обработка природной воды / Ю. М. Аверина, А. Ю. Курбатов, И. С. Джессу Лубо, М. А. Ветрова // Успехи в химии и химической технологии. — 2018. — Т. 32, № 1. — С. 43-45.
8. Влияние газосодержания при очистке воды на скорость окисления растворимых форм металлов / Ю. М. Аверина, О. В. Зверева, А. Ю. Курбатов и др. // Znanstvena misel journal (Slovenia, Ljubljana) ISSN3124-1123. — 2018. — № 19. — С. 51-55.
