Издательский Центр Аква-Терм
wirbel.ru
hp19-450

Озонирование в системах водоподготовки

В.М.Медведева, Е.Н.Пирогов, к.т.н., В.А.Семеновых

Обеспечение населения питьевой водой соответствующего качества, является важной социально-экономической задачей России. Особенно актуальным представляется снабжение качественной водой социально значимых и производственных объектов, а также населения, в том числе проживающего небольших городах и поселках. Характерным для таких объектов является необходимость внедрения современных блочных сооружений локальной водоочистки производительностью 1-20 м3/ч.

Подготовка воды для питьевого водоснабжения практически повсеместно предусматривает очистку ее от железа. В соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.559-96, содержание железа в воде не должно превышать 0,3 мг/л. Подземные источники воды средней полосы России характеризуются содержание железа в диапазоне 1-15 мг/л и требуют обязательной очистки перед подачей в систему водоснабжения.

Сложный физико-химический состав подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, обуславливает многообразие специальных методов их обработки. В работе [Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод. – Высшая школа, 1987. – 479с.] представлена классификация технологий очистки подземных вод. Рассматриваемые в ней технологии подразделяются на безреагентные и реагентные с учетом таких показателей, как окислительно-восстановительный потенциал, щелочность, температура, значение pH, перманганатная окисляемость и т.п.

Безреагентные технологии кондиционирования подземных вод (ионообмен, сорбция и мембранное фильтрование) имеют более сложное аппаратурное оформление и предъявляют жесткие требования к поддержанию технологических параметров в узком диапазоне оптимальных значений.

Кислородный озонатор производительностью 50 г О3 в час

Реагентные технологии кондиционирования подземных вод, а среди них наибольшее применение нашли окислительные методы, более экономичны и просты в эксплуатации, так как используют в процессе доочистки продуктов окисления широко применяемые аппараты – фильтры различного исполнения.

Перспективность окислительных методов,  в частности озонирования, в водоподготовке нашла как теоретическое обоснование, так технологическое и практическое подтверждение во многих работах [Методические рекомендации по обеспечению выполнения требования санитарных правил и норм СанПиН 2.1.4.559-96 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» на водопроводных станциях при очистке природных вод. / Госстрой России; НИИ коммунального водоснабжения и очистки воды. – ГУП «ВИМИ», 2000. С.92; Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Самойлович В.Г. Озонирование в процессах очистки воды. / Под общей редакцией В.Л. Драгинского. – М.: ДеЛи принт, 2007. - 400 с.; В.М. Медведева, Е.Н. Пирогов, В.А. Семеновых. Окислительные методы в водоподготовке - М. Наука и техника транспорта, 2014 – 102с].

Несомненно, что озонирование является наиболее универсальным и высокоэффективным методом очистки воды в бактериологическом, физико-химическом и органолептическом плане.

Одним из преимуществ озона с гигиенической точки зрения является неспособность, в отличие от хлора, к реакциям замещения. В воду не вносятся посторонние примеси и не возникают вредные для человека соединения, такие как тригалометаны – соединения хлора с органикой. Особенностью озона является и его быстрое разложение в воде с образованием кислорода, то есть озон обладает полной экологической безопасностью. Растворимость озона в воде выше, чем кислорода, поэтому в озонированной воде повышается содержание растворенного кислорода, что обеспечивает воде свежий вкус даже при комнатной температуре.

При растворении озона в воде его концентрация постепенно повышается и достигает предельных значений для данных условий. Растворимость озона в воде может быть выражена либо в виде коэффициента Бунзена – β, показывающего отношение объема растворенного озона, приведенного к нормальным условиям, к объему воды (Vоз/Vв), либо в абсолютных значениях растворенного озона (г/л). При этом считается, что процесс растворения подчиняется закону Генри, согласно которому количество растворенного озона пропорционально давлению газообразного озона над раствором. Этот закон может быть записан в виде:

Растворимость озона быстро повышается с понижением температуры воды и составляет 0,7-0,9 гО3/л при 10°С. Для этих условий коэффициент Бунзена – β=0,38 – 0,408 лО3/лН2О.

Действие озона в процессах окисления может происходить в трех различных направлениях: непосредственное окисление с участием одного атома кислорода; присоединение целой молекулы озона к окисляемому веществу с образованием озонидов; каталитическое усиление окисляющего воздействия кислорода. Окисление веществ может быть прямое и непрямое, а также осуществляться катализом и озонолизом.

Кинетика прямых реакций окисления может быть выражена уравнением

           

Непрямое окисление – это окисление радикалами, образующимися в результате перехода озона из газовой фазы в жидкость и его саморазложения.

Озонолиз представляет собой процесс фиксации озона на двойной или тройной углеродной связи с последующим ее разрывом и образованием озонидов, которые, как и озон, являются нестойкими соединениями и быстро разлагаются.

Озонирование представляет собой процесс абсорбции, сопровождаемый химической реакцией в жидкой фазе.

Переход озона в воду основан на пленочной теории диффузии. Согласно ей по обе стороны поверхности контакта образуются неподвижные пленки (диффузионные слои). Изменение концентраций происходит только в диффузионной пленке.

В соответствии с пленочной теорией диффузии уравнение массопередачи показывает, что количество абсорбируемого газа (озона) прямо пропорционально поверхности и продолжительности контакта фаз, участвуюших в процессе. Уравнение массопередачи для одного пузырька

Коэффициент массопередачи можно записать как

Используя теорию граничных слоев, учитывающих их гидродинамическое состояние и возникающее распределение скоростей за счет движения ламинарных однонаправленных потоков, можно определить скорость перехода озона из пузырька в воду

Уравнение показывает, что скорость растворения озона в воде возрастает с увеличением коэффициента массопередачи, поверхности контакта и равновесной концентрация озона в воде.

При определении   необходимо учитывать влияние давления

Установлено, что с уменьшением диаметра пузырька улучшается процесс абсорбции и сокращаются потери озона в атмосферу. Экспериментальные исследования [Кожинов В.Ф., Кожинов И.В. Озонирование воды. М.: Стройиздат, 1974. – 160 с.] позволили предложить формулу для определения коэффициента поглощения озона или эффективности работы контактного аппарата

Эта зависимость связывает конструктивные размеры контактного аппарата и технологические параметры процесса смешения. Из нее следует, что коэффициент поглощения озона возрастает:

- с увеличением высоты контактного аппарата,

- с уменьшением размера пузырька, что позволяет компенсировать вынужденное ограничение высоты контактного аппарата,

- с увеличением соотношения , то есть скорости противотока воды, но при обязательном равномерном распределении газовой фазы по сечению. Следовательно, чем выше начальная концентрация озона, тем большая скорость может быть допущена,

- с понижением температуры воды.

Важным следствием является, что увеличение соотношения  , то есть  уменьшение продолжительности пребывания воды в аппарате, может дать некоторое улучшение полноты поглощения озона.

Блок озонирования

При озонировании воды ряд загрязнений переходит в нерастворимые или слаборастворимые в воде формы, которые задерживаются сорбционными загрузками. Отмечено, что озонирование значительно увеличивает эффективность сорбции и ресурс фильтрующих загрузок, а совместное использование озона и сорбции повышает степень окисления загрязнений.

Озоно-фильтрационная технология универсальна и эффективно снижает окисляемость, мутность и цветность воды, удаляет запах и привкус, окисляет и удаляет из воды широчайший спектр органических и неорганических соединений, в том числе ионов металлов.

Реализация озоно-фильтрационной технологии очистки воды требует определенного состава оборудования. Как правило, это:

- генератор озона, в котором осуществляется выработка озона из воздуха или кислорода;

- оборудование подготовки воздуха (осушители воздуха или концентраторы кислорода);

- система введения и смешения озона с водой;

- реактор – емкость, в которой за счет перемешивания и выдержки обеспечивается необходимое время контакта озона с водой;

- фильтры различного назначения;

- деструктор озона для разложения остаточного не растворившегося озона;

- приборы контроля озона в воде и воздухе.

При сопоставимых первичных капитальных затратах на оборудование озоно-фильтрационной очистки воды последующая его эксплуатация показывает исключительную эффективность и  экономичность:

- качество воды при водоподготовке с использованием озонирования будет значительно выше, чем при прочих технологиях;

- эксплуатационные затраты связаны только с потреблением электроэнергии (в среднем 20-30 Вт час на 1 г озона).

- при использовании озоно-фильтрационной технологии ресурс использования активированного угля составляет 4-7 лет;

- при использовании озоно-фильтрационной технологии на стадии предварительной очистки исходной воды значительно продлевается срок службы оборудования по умягчению и осмотических мембран.

Эффективность озоно-фильтрационной технологии очистки воды существенно возрастает при реализации в ней основных конструктивных и режимных параметров.

Для существующих объектов задача модернизации систем водоснабжения связана с необходимостью учета особенностей данного объекта. При строительстве же новых объектов водоснабжения необходимо закладывать наиболее эффективные технические решения очистки воды, которые учитывают как технологические, проектные, экологические и стоимостные, а также эксплуатационные показатели. Для вновь строящихся объектов водопотребления недостаток озонирования – отсутствие пролонгирующего действия озона при обеззараживании воды (действие озона составляет 12-15 минут) можно компенсировать проектными решениями, а именно созданием и размещением локальных установок очистки максимально приближенных к потребителям воды. Локальная водоподготовка и доочистка основана на том, что атомарный кислород уничтожает бактерии, споры, вирусы, разрушает растворенные в воде органические вещества.

Озонирование вод в сочетании с фильтрацией позволяет осуществить окисление и удаление из воды сложных органно-минеральных комплексов, металлов (Fe2+, Mn2+, Co2+ и др.). При озонировании минеральный состав, щелочность, активная кислотность воды остаются без изменений. Избыток озона в отличие от хлора не денатурирует воду. Озонирование обогащает воду кислородом, придавая ей вкус родниковой. Это позволяет использовать озон не только для обеззараживания, но и для дезодорации питьевой воды, удаления токсических органических веществ. Все эти процессы взаимосвязаны и протекают одновременно, что в определенной степени характеризует многообразие действия озона. Среди процессов улучшения качества питьевой воды наиболее значимым с точки зрения профилактики эпидемических заболеваний является обеззараживание.

Вариативность как схемного, так и аппаратурного оформления технологии озоно-фильтрационной очистки воды позволяет рассматривать и выбирать оптимальные решения применительно к конкретным объектам водоснабжения. При обязательной озоновой обработке воды существенным является доочистка продуктов окисления на фильтрах различного исполнения. В представленной статье рассматриваются три варианта доочистки:

- встроенным фильтром на основе активированного угля,

- на выносном фильтре, в котором в качестве фильтрующего материала применены полимерные материалы, имеющие пространственно-глобулярную структуру (ПГС-полимеры) или активированный уголь,

- ультрафильтрационными мембранами.

Указанные выше установки озоно-фильтрационной очистки воды производятся ООО «НПФ ВИЭТО».

Принципиальная схема и аппаратурное оформление установки озоно-фильтрационной очистки воды со встроенным фильтром представлены соответственно на рис. 1 (а) и (б).

Рис. 1. Принципиальная схема и общий вид установки озоно-фильтрационной очистки воды со встроенным фильтром процесса озонирования

Исходная вода подается через эжектор Э1 в контактную емкость КЕ. Одновременно в озонаторе вырабатывается озоно-воздушная смесь, которая поступает в эжектор Э1 за счет разрежения и смешивается с исходной водой. Растворившийся озон реагирует с примесями, содержащимися в воде (происходит окисление соединений марганца, железа в форме Fe2+ и перевод его в форму Fe3+, а также окисление органических соединений. Одновременно происходит обеззараживание воды. Продукты окисления задерживаются на угольно-гравийной засыпке, размещенной в контактной емкости, которая обеспечивает необходимое время контакта озоно-воздушной смеси с водой. Остаточный озон в воздухе утилизируется в деструкторе озона.

Управление работой электромагнитного клапана (верхнего), озонатора, насосной станции обеспечивается по сигналу от блока датчиков уровня (У1, У2, У3, У4). Электромагнитный клапан КЛ1 открывается при достижении водой уровня У2 и закрывается при достижении уровня У1. Одновременно с открытием электромагнитного клапана КЛ1 включается озонатор. Отключение озонатора происходит при закрытии электромагнитного клапана КЛ1. Насос подачи очищенной воды потребителю управляется реле протока BRIO. При достижении водой уровня У4 работа насоса блокируется.

Продукты окисления задерживаются засыпкой активированного угля, размещенного в контактном резервуаре. Активированный уголь используется для каталитического доокисления растворенных хлорорганических и органических соединений и некоторых продуктов озонолиза на поверхности угля. Как показывает опыт эксплуатации, уголь в таком процессе не расходуется и не утрачивает своей каталитической активности, так как при подаче большого количества избыточного озона работает не как адсорбент, а как катализатор. Этот метод подходит для доочистки хлорированной водопроводной воды. Основным преимуществом такого технического решения является безреагентность (не требуется использование реагентов в процессе работы, так как озон является наиболее сильным окислителем и генерируется из воздуха) и универсальность способа очистки.                                  

Принципиальная схема установки озоно-фильтрационной очистки воды с выносным фильтром, в котором в качестве фильтрующего материала применены полимерные материалы или фильтрующая загрузка активированного угля, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема установки озоно-сорбционной очистки с выносным фильтром

ПГС-полимеры [Н.Я. Любман, Г.К. Имангазиева, А.И. Усков. – Цветные металлы, 1986, №6, с.42-46] отличаются весьма совершенной пористой структурой и узким распределением пор по размерам ±10%. Варьируя условия синтеза, получают большое раз­нообразие различных пористых структур: моно- и полидисперсных с различной укладкой микроглобул – от максимально плотной до раз­реженной. Наиболее широкое практическое применение нашли фильтроэлементы с размером пор от 5 до 20 мкм и пористостью 35-60%, работающие в режиме микрофильтрации.

Степень очистки воды после доочистки на микрофильтрах повышается. Фильтроэлементы изготавливаются в виде цилиндрических картриджей с толщиной стенок (15-20) мм с резьбовыми держателями на концах. Соединение картриджей между собой позволяют получить фильтр с заданной поверхностью и, соответственно, с заданной производительностью. Такое конструктивное исполнение фильтроэлементов позволяет проводить очистку воды в режиме глубинной фильтрации.  Регенерация фильтроэлементов обеспечивается обратной промывкой (обратной отдувкой сжатым воздухом) или их комбинацией. Данное техническое решение позволяет существенно снизить расход воды на промывку – восстановление работоспособности фильтра. 

Работа всех установок производится в автоматическом режиме.  

Приведенные в статье варианты озоно-фильтрационной очистки обеспечивают качество очищенной воды в соответствии с нормами СанПиН 2.1.4.10749-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды» и могут быть рекомендованы для использования в системах водоподготовки. Результаты сравнительных испытаний представленных вариантов очистки воды приведены в табл. 1.

Однако технико-экономические показатели приведенных установок разнятся и позволяют, в зависимости от условий работы, произвести выбор системы очистки в пользу одного из представленных вариантов. В первом варианте очистки воды фильтрование обработанных озоном загрязнений обеспечивается встроенной загрузкой из активированного угля. Однако при регенерации загрузки сбрасывается большое количество воды, что не всегда допустимо в условиях эксплуатации. При этом тонкость очистки определяется формой и размером гранул активированного угля.

Таблица 1. Результаты сравнительных испытаний вариантов очистки воды

Показатели

Ед. измерения

Исходная вода

Базовая технология

С ПГС-полимером

С ультрафильтрацией

Мутность

Ед.ЕМФ

2 - 30

<1,0

<1,0

<1,0

Цветность

градус

5 - 30

<2

<2

<2

Запах

баллы

2

<2

<2

<2

Железо Fe+2

мг/л

0,9 – 2,9

0,16 – 0,24

0,09 – 0,12

0,21 – 0,28

Марганец

мг/л

0,12 – 0,9

0,08 – 0,09

0,05 – 0,08

0,01

Перманганатная окисляемость

мгО2

1,5 – 8,0

<1,0

<1,0

<1,0

Во втором варианте на стадии доочистки обработанной озоном воды используется выносной фильтр из ПГС – полимера. В этом варианте практически полностью исключается сброс воды при регенерации фильтроэлементов и улучшается тонкость фильтрования. Однако увеличение стоимости оборудования очистки в целом,  периодическое снижение расхода воды из-за отложений на фильтроэлементах и, как следствие, снижение комфортных условий водопотребления, а также необходимость замены фильтроэлементов накладывают на применение данного варианта исполнения определенные ограничения.

Применение в качестве аппарата доочистки ультрафильтрационной мембраны приводит к появлению дополнительных емкостей и насоса подачи очищенной воды к потребителю.  Кроме того, процесс окисления загрязнений производится в контактном резервуаре без зернистой загрузки, увеличивающей поверхность контакта последних с озоном. Это приводит к увеличению размеров контактного аппарата. При значительном улучшении качества очищенной воды и расширении возможности очистки воды в требуемом диапазоне от загрязнений в последнем варианте построения технологии необходимо учитывать приведенные выше факторы.

Таким образом, среди представленных инновационных способов очистки воды для хозяйственно-питьевых целей, выбор метода очистки воды является не столько техническим решением, а в большей степени технико-экономическим обоснованием.

Статья из журнала "Аква-Терм" № 4/2019




Поделиться:

Опубликовано: 13 августа 2019 г.

вернуться назад

mohlenhoff.pro
вестер
котлы-горелки 19