Озонирование воды в малых объемах
Опубликовано: 02 мая 2012 г.
444
Свойства озона как эффективного дезинфектанта и окислителя органических веществ известны и применяются на практике уже больше столетия. Они успешно используются для обеззараживания воды на водозаборных станциях водоканалов, для предупреждения биообрастаний рабочих поверхностей в градирнях, для дезинфицирования и подготовки воды в бассейнах. При этом озонирование остается и сегодня одним из самых перспективных методов в сфере водоочистки и водоподготовки. Современные разработки открывают новые аспекты применения озонирования.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Озон, трехатомная модификация кислорода (О3), окисляет в воде практически все металлы, за исключением платины и золота, и подавляющее большинство как неорганических, так и органических химических соединений. В идеале, при достаточном количестве озона и длительности его воздействия конечным результатом являются высшие оксиды химических элементов, составляющих эти соединения, – например, углекислый газ и вода для органических веществ. Озон не реагирует только с некоторыми видами пластических масс (полиэтилен, полистирол, полипропилен и т.п.), а также с нержавеющей сталью, спиртами, кислотами и щелочами.
При озонировании протекают такие реакции окисления, как, например, с фенолом и его производными, которые приводят к раскрытию ароматического кольца и получению нетоксичных конечных продуктов (Gould, 1976; Ormad, 1994; Preis, 1995). Эти продукты легко удаляются с помощью фильтрации, например, на песчаных фильтрах или на фильтрах с активированным углем. В результате устраняется мутность, цветность, достигается полная очистка питьевой воды (Rice, 1995).
Озон химически в тысячи раз активнее кислорода и, следовательно, простейшая природная схема очистки воды (окисление и фильтрация) при озонировании работает в тысячи раз быстрее. В то же время, если кислород, как основа жизнедеятельности, благоприятствует развитию микроорганизмов, в том числе и болезнетворных, то озон обладает сильными дезинфицирующими свойствами и способен разрушать вирусы, бактерии и другие микроорганизмы, устойчивые даже к действию хлора. Исследователями не обнаружено ни одного микроорганизма, способного выжить в присутствии озона.
Весьма показательно сравнение обеззараживающих свойств озона с бактерицидными свойствами хлора в воде. Как видно из графика, действие хлора на микроорганизмы в воде постепенно возрастает в соответствии с увеличением дозы реагента, а появление в воде озона до дозы 0,6 мг/л не оказывает практически никакого действия. Однако дальнейшее увеличение содержания озона в воде до дозы в 1мг/л приводит к резкому, практически полному уничтожению патогенной микрофлоры.
От общего к частному
Исторически применение озона началось с установок по подготовке питьевой воды, когда в 1898 г. в городе Сан Мор (Франция) прошли испытания первой опытно-промышленной установки. Уже в 1907 г. был построен первый завод по озонированию воды в городе Бон Вуаяж (Франция), который обрабатывал 22 500 м3 воды в сутки из реки Вазюби для нужд города Ниццы. С 1905 г. в России начала действовать экспериментальная установка для озонирования воды при Петропавловской больнице. В 1911 г. в Петербурге была пущена в эксплуатацию самая крупная в мире производственная установка озонирования, обрабатывавшая 44 500 м3 воды в сутки. В 1916 г. действовало уже 49 установок по озонированию питьевой воды. А к 1977 г. работало уже более 1000 установок во всем мире. В настоящее время 95 % питьевой воды в Европе проходит озонную водоподготовку. В США идет процесс перевода с хлорирования на озонирование. В России действует некоторое количество крупных станций водоподготовки (в Москве, Нижнем Новгороде и ряде других городов), приняты программы перевода на озонирование еще нескольких.
Помимо потенциальной способности удалять из воды большинство вредных соединений, замечательным следствием грамотного озонирования практически всегда является приобретение водой высоких вкусовых качеств.
Будь озон более долгоживущим соединением, таким, чтобы его дезинфицирующие свойства сохранялись при прохождении длинных водопроводов до распределительного крана, то озонирование могло бы претендовать на универсальный способ централизованного получения обеззараженной питьевой воды. К сожалению, озон в воде примерно за 10 минут превращается в кислород, и эта вода после распада озона вновь становится благоприятной средой для размножения микроорганизмов. Во избежание вторичного микробного заражения, в воду на входе в трубы или при подаче на водопроводный кран добавляется небольшое количество стабильного хлора или его соединений. Дозировка хлора при этом значительно меньше, чем при классическом хлорировании воды, но отрицательные последствия водоочистки с помощью хлора и в этом случае будут иметь место.
Одним из путей преодоления указанных недостатков озонирования может стать разработка технологий и устройств озонирования малой производительности (локальных озонаторов), работающих непосредственно в месте расположения потребителя воды.
Реальность и перспективы
История бытовых систем озонирования воды насчитывает около 15–20 лет. При этом озонаторная техника и технологические приемы, за редким исключением, копировались с имевшихся на то время промышленных систем озонирования в их маломощном варианте. С точки же зрения простоты и дешевизны оборудования, естественным желанием разработчиков было использование обычного атмосферного воздуха в качестве кислородосодержащего рабочего газа.
Современные озоновые очистители воды бытового класса, предназначенные для доочистки водопроводной воды, в заметном количестве производят НПФ «Озоновые технологии» и ТК «Позитрон» (обе – Москва). Оба предприятия используют традиционную схему озонирования (эжекторное смешение озона с водой и фильтрование через активированный уголь) и производят порядка 20–50 изделий в месяц под заказ.
Например, в одном из первых в России бытовых озонаторов воды, разработанных НПФ «Озоновые технологии», генераторы озона состояли из барьерного разрядного устройства в виде габаритной трубы со стеклянным трубчатым диэлектриком и питающим его высоковольтным сетевым трансформатором. При этом потребляемая мощность не превышала 15 Вт, а установленное электрическое оборудование по своим размерам соответствовало мощности 300–400 Вт.
В последующих разработках этой фирмы используется менее габаритное высокочастотное оборудование, а стекло заменено современной электротехнической керамикой, но не проведена параметрическая оптимизация источника электрического питания и его нагрузки (разрядного устройства). Кроме того, в конструкции разрядного устройства не учтены, в достаточной мере, физика и химия образования озона в газоразрядной плазме. Следствием такой недоработки является непропорционально низкий, при заданных габаритах и установленной мощности, выход и низкая концентрация озона при работе с неосушенным атмосферным воздухом. Более того, для стабильного качества воды на выходе устройства также мало приемлема сильная зависимость выходной концентрации озона от окружающей температуры и атмосферной влажности.
В разработках бытовых устройств озонирования воды ТК «Позитрон», по-видимому, в значительной степени учтена природа барьерного электрического разряда, и заметно улучшен отвод тепла от разрядного устройства. Получена достаточно большая и стабильная выходная концентрация озона при работе с атмосферным воздухом без существенной зависимости от его влажности. Но, судя по приведенным техническим характеристикам устройств, соотношение между установленной и потребляемой электрической мощностью мало отличается от разработок НПФ «Озоновые технологии».
Технологические приемы, использованные в подавляющем числе разработок бытовых устройств озонирования воды, также скопированы со схем озонирования крупных станций водоподготовки. В основе схем озонирования последнего периода лежит эжекторное смешение озоно-воздушной смеси с водой, как наиболее эффективное из способов растворения озона, и обязательное последующее пропускание воды через слой активированного угля. Последний необходим для удаления из воды вредных промежуточных продуктов окисления озоном органических веществ, например, формальдегида.
Надо иметь в виду: на станциях водоподготовки с озонированием воды, кроме озона, используются другие разнообразные химические и физические методы воздействия на воду, ускоряющие и облегчающие процессы водоочистки, – например, добавление коагулянтов, седиментация, флотация, аэрация, осветление и др. Озон же, по причине высокой энергоемкости и дороговизны существующего озонаторного оборудования, используется, главным образом, как наиболее эффективное, экологически чистое дезинфицирующее средство, и, как правило, на первом и последнем этапе водоподготовки.
В последние десятилетия был обнаружен ряд синергетических эффектов. Например, одновременное использование озонирования и ультразвуковой обработки воды ведет к скачкообразному увеличению эффективности воздействия озона. Это дает хорошее экономическое обоснование для замены некоторых малопроизводительных этапов централизованной водоподготовки (допустим, таких как осветление), на озонирование воды в сопровождении ультразвука.
Очевидно, все технологические этапы подготовки питьевой воды должны быть жестко контролируемы и обеспечены соответствующими приборами контроля, обслуживаемыми квалифицированным персоналом. В бытовых условиях такое требование не может быть выполнено, и бытовые устройства озонирования воды, хотя и с намного лучшим результатом, чем фильтры без озона, вновь привязаны либо к водопроводной воде, либо к хорошим скважинам.
Однако такое обстоятельство является временным состоянием недостаточно развитого направления.
1-й пример: промежуточные продукты окисления озоном органических веществ можно окислить до воды и углекислого газа. Для этого нужно увеличить время действия озона до полного завершения окислительных процессов.
2-й пример: сезонная, территориальная и иная нестабильность содержания в воде загрязняющих веществ также может быть перекрыта соответствующим количеством озона и временем обработки. Достаточно либо найти в исследованиях и задать в устройствах очистки верхний предел обработки, либо контролировать процесс очистки воды простейшим, но достаточным образом, например, по прозрачности.
В одном традиционном цикле озонирования реальное время контакта озона с водой намного меньше необходимого в случае примера 1 и, тем более, в случае примера 2. Увеличение же числа циклов озонирования до необходимого количества означало бы многократное пропускание воды под высоким давлением через эжектор с соответствующим резким увеличением энергетических затрат.
Итак, чтобы уйти от привязки к почти питьевой воде и чистить до питьевого состояния воду из практически любого пресного источника в бытовых устройствах озонирования не может быть использован эжектор, несмотря на уникальную эффективность смешения в нем озона с водой. Простейшей заменой эжектора является, например, трубка Вентури, формирующая мелкодисперсную смесь озоно-воздушных пузырьков с водой при небольшом перепаде давлений и позволяющая использовать циркуляционные насосы низкого давления. Для сравнения: мощность насоса в системе с трубкой Вентури в десятки раз меньше мощности насоса в эквивалентной системе с эжектором. Следовательно, увеличение времени контакта озона с водой может быть осуществлено за счет многократной циркуляции воды в устройстве ее очистки без существенного увеличения энергоемкости процесса.
При этом резкое снижение эффективности растворения озона в воде можно компенсировать переходом от протекания химических реакций в объеме воды, как это происходит в традиционной схеме, к реакциям на поверхности твердых частиц, например, на поверхности волокон, гранул, перегородок и т.п. Как известно, химические реакции на поверхности, особенно в присутствии катализаторов, протекают на порядки быстрее реакций в объеме. Эксперименты показали практически полное использование озона даже из крупных пузырьков газа при их прохождении через системы с разветвленной поверхностью.
Дополнительным средством расширения сферы действия новых систем получения чистой питьевой воды в бытовых условиях является повышение КПД генераторов озона с увеличенной выходной концентрацией озона.
Приведенные выше рассуждения реализованы в разработках компании ООО «ТриО» (Москва) 2008–2009 гг. в сотрудничестве с ЗАО «ПГСовТ» (Москва). Была разработана, сертифицирована и реализована небольшая партия озоновых очистителей воды («СовТ-ТриО-Дача»), предназначенных для очистки воды из закрытых водоемов по новой технологической схеме озонирования. Было произведено и реализовано около 200 установок, получены положительные результаты эксплуатации. Сегодня этой компании на рынке не существует, но работы по усовершенствованию установки разработчики продолжают.
Потребительская ценность очистителей «АКВА-МАМА» и «Позитрон» принципиально ограничена их возможным использованием только для доочистки почти питьевой воды. Причиной является применение в этих устройствах однопроходной (проточной) технологии очистки, где время контакта озона с водой составляет не более 2–3 минут и недостаточно для полного (минимум 15–20 минут) завершения всех стадий химических реакций. Поэтому при озонировании воды со значительным загрязнением органикой появляется риск появления промежуточных продуктов окисления органики (кетоны, альдегиды, в том числе формальдегид), которые опасны для здоровья и должны быть удалены из воды, например, сорбентом из активированного угля.
Многопроходная технология озонирования в фиксированном объеме воды, реализованная в «СовТ-ТриО-Дача», позволила обеспечить необходимое время контакта озона с водой и гарантировать отсутствие промежуточных вредных продуктов окисления даже без использования угольного сорбента, а замена фильтрования через микропористую среду на адгезионное осаждение в объеме почти свободных волокон на порядок увеличило ресурс работы очистителя.
Однако низкая концентрация озона на выходе генератора озона ограничивает ее использование только для воды из закрытых водоемов (колодцы, скважины и т.п.), в которых содержание органических веществ и микроорганизмов незначительно. Многократное же увеличение длительности обработки воды делает процесс обработки воды неприемлемо продолжительным.
На сегодняшний день разработан источник питания генератора озона, в котором благодаря резонансному согласованию электрического преобразователя с нагрузкой установленная мощность полностью соответствует потребляемой мощности (Российский патент № 2413358 от 16.02.2010 г., «Устройство электропитания газоразрядного озонатора»), что максимально минимизировало массу и габариты устройства. Разработано разрядное устройство, которое, совместно с новым источником питания, способно давать выходную концентрацию озона до 14 мг озона на литр атмосферного неосушенного воздуха. При этом существенно уменьшилась удельная энергоемкость образования озона. Более того, разрядное устройство любой производительности составляется из универсальных элементов, конструктивная и технологическая сложность изготовления которых сопоставима с изготовлением обычных плавких предохранителей.
Возможные варианты бытовых изделий на основе новых разработок
Походный озоновый очиститель воды представляет собой компактное устройство с миниатюрным генератором озона и электрическим или механическим устройством, прокачивающим воду через фильтр-насадку, который выполнен в виде складного мешочка, насаживаемого на выход смесителя озона с водой. Источником электропитания озонатора является либо комплект элементов типа КБС, либо электромеханический привод. Прокачивающее устройство со смесителем и фильтром-насадкой погружается в любую емкость с водой, в том числе вырытую ямку с объемом воды от 0,5 до 3 л. Достаточным условием завершения обработки является полная прозрачность воды.
Устройство озоновой очистки воды автомобилиста предназначено для получения питьевой воды из природных пресных водоемов производительностью 3–5 л за один прием очистки. В состав устройства входят переносная емкость для воды, со встроенными в ней реакционной и фильтрующей камерами, устройство циркуляции воды через эти камеры, смесительная насадка на выходе циркуляционного устройства и генератор озона, размещенный под крышкой емкости для воды. Питание устройства производится от аккумулятора автомобиля.
Устройство озоновой очистки воды для дачи предназначено для получения питьевой воды из природных пресных водоемов производительностью 15–20 л за один прием очистки. В состав устройства входят переносная емкость для воды, со встроенными в ней реакционной и фильтрующей камерами, устройство циркуляции воды через эти камеры, смесительная насадка на выходе циркуляционного устройства и генератор озона, размещенный под крышкой емкости для воды. Питание устройства производится от бытовой электрической сети. Варианты (домашний или офисный), то есть исполнения емкости для воды по дизайну или форме, – в соответствии с удобством размещения в домашних или офисных условиях.
Встроенное устройство озоновой очистки воды аналогично домашнему или офисному варианту очистителя, но дополненное устройствами автоматической заливки водопроводной воды на обработку по сигналам датчиков уровня воды. Вариант исполнения емкости для воды с установкой на кулер с дополнительным управлением подачи воды в кулер.
Устройство озоновой очистки воды коттеджа предназначено для получения питьевой воды из природных пресных водоемов с производительностью до 2 м3 воды/сутки и представляет собой автономный автоматизированный комплекс водоподготовки. Комплекс состоит из емкости для воды, с реакционной и фильтрующей камерами, устройства циркуляции воды через эти камеры, смесительной насадкой на выходе циркуляционного устройства и генератора озона. К дополнительным функциональным элементам устройства относятся накопительная емкость для очищенной воды, насос подачи очищенной воды в водопроводную сеть, блок управления потоками воды и датчиков уровня и давления воды, подающих сигналы на блок управления.
Устройство озоновой очистки воды бассейна предназначено для поддержания санитарного состояния воды в плавательных бассейнах объемом до 30 м3 (вариант до 60 м3) и представляет собой автономный плавающий комплекс водоподготовки непрерывного озонирования. Комплекс состоит из реакционной и фильтрующей камер, устройства циркуляции воды через эти камеры, смесительной насадки на выходе циркуляционного устройства и генератора озона, размещенного под верхней крышкой комплекса. Электрическая безопасность комплекса обеспечивается либо за счет электрического питания от аккумуляторов 12–24 В, либо от развязывающего трансформатора, понижающего сетевое напряжение до безопасного уровня.
Л. Соболев, М. Гайнулин, Л. Варламов
Журнал «Аква-Терм» №2 (66), 2012