Прежде всего необходимо ясно определить цель, которая должна быть достигнута обработкой озоном. Одни из главных задач при обработке питьевой воды — улучшение органолептических свойств воды (цветность, порог запаха, привкус). В том случае, когда питьевую воду получают из малозагрязненной природной воды, можно использовать оборудование одноразового контакта, осуществляя реакцию озонирования в соответствии с местными условиями. Время контакта колеблется от 4 до 6 мин.
Чтобы обеспечить, кроме того, надежное вируцидальное действие, необходимо поддерживать в течение 4 мин концентрацию остаточного озона на уровне 0,4 г/м3. В этих условиях необходимо осуществлять контакт воды и озона в двух камерах. Вторая камера предназначена для обеспечения заданного вируцидального действия. На входе во вторую камеру уровень остаточного озона должен быть, по крайней мере, 0,4 г/м3, а для поддержания этой концентрации в течение 4 мин в камеру у ее дна должно быть подано достаточное количество озона. Количество озона, вводимого в эту камеру, остается более или менее постоянным и составляет от 0,4 до 0,6 г озона на 1 м3.
Первая камера предназначена для удовлетворения химической потребности воды в озоне. Время контакта и расход озона в этой камере зависят непосредственно от величины этой потребности. Если она невелика (ограничена снижением цветности или привкуса), расход озона может составлять 0,4—1 г/м3 при времени контакта 4—6 мин. Для дополнительного окисления микрозагрязнений рекомендуется значительно увеличить как количество подаваемого озона, так и время контакта его с водой. В зависимости от степени загрязненности воды расход озона может быть увеличен до 5 г/м3 и даже выше, а продолжительность контакта может изменяться от 4 до 12 мин в соответствии с кинетикой окисления загрязнений. В каждом случае следует попытаться определить потенциальный уровень химического загрязнения, для чего выполняются специальные лабораторные анализы.
В некоторых случаях (например, для удаления из воды железа и марганца) необходимо только окислительное действие озона. Тогда используют либо однокамерные контактные колонны, либо систему рециркуляции воздуха с остаточным содержанием озона.
При обработке производственных сточных вод можно установить последовательно несколько контактных колонн, работающих по принципу противотока для максимального использования, остаточного озона.
Для обработки и дезинфекции неочищенной сточной воды (производственной или бытовой), содержащей флокулированные примеси, целесообразно использовать контактные системы импеллерного типа. Необходимость применения импеллеров обусловлена тем, что пузырьки, образованные пористыми диффузорами, не могут сами по себе создать турбулентность, достаточную для разбивания агломерированных частиц и обеспечить таким образом полное окисление бактерий и вирусов. Расход озона может достигать 10—20 г/м3. Что бы ни являлось источником сильного загрязнения воды, в любом случае для определения параметров процесса озонирования требуется провести лабораторные исследования.
Контакт озона с водой
Особое внимание должна уделяться выбору способа, которым озонированный воздух вводится в воду, так как он определяет поверхность раздела фаз: газ — жидкость и концентрацию озона в газовой фазе, что, в свою очередь, обусловливает эффективность растворения озона. Если рассматривать этот вопрос только с точки зрения растворимости озона в воде, выгодно до предела увеличить концентрацию озона в озонированном воздухе. Но, когда скорость потребления озона постоянна, а концентрация повышается, возрастает мощность, потребляемая озонатором, и значительна уменьшается поверхность раздела на границе вода — пузырьки, вследствие снижения объема последних. Понятно, что эффективность перехода озона в раствор возрастает с увеличением давления, при котором осуществляется инжекция газа, и, в частности, с увеличением глубины контактной камеры. В емкости глубиной 7—8 м легко добиться эффективности растворения озона, равной 95%.
Из множества способов введения озона в контакт с обрабатываемой водой, рассмотрим следующие.
Введение озона в воду с помощью инжектора. Если имеется перепад уровней, равный, по крайней мере, 2 м, то его можно использовать для работы инжектора. При этом весь поток обрабатываемой воды проходит через инжектор, в который подсасывается озонированный воздух, и образующаяся смесь подается в контактную колонну у самого дна. При таком способе высокая эффективность растворения озона не достигается.
Когда перепад высот меньше 2 м, поток обрабатываемой воды делят на две неравные части. Меньшую часть перекачивают, чтобы увеличить ее давление и осуществить инжекцию озонированного воздуха. Оставшаяся часть потока самотеком подается в нижнюю часть контактной колонны. Этот метод недостаточно эффективен, так как низка концентрация озона в той части воды, которая не проходит через инжектор.
Принципиальная схема работы установки с инжекцией озонированного воздуха
Введение озона в воду с помощью пористых диффузоров. Пористые диффузоры в основании контактной колонны обеспечивают распределение озонированного воздуха в виде очень мелких пузырьков. Впускное устройство для дезинфицируемой воды расположено у перекрытия. Этот противоточный процесс обеспечивает полный контакт двух потоков. Контактные колонны, также с противоточным режимом, могут иметь несколько камер, с инжекцией в каждую из них озонированного воздуха. Озонированный воздух вводится в воду с помощью пористых трубок или дисков.
Контакт, осуществляемый с помощью специального импеллера. Дезинфицируемая вода вводится в зону всасывания импеллера, который направляет ее вниз навстречу потоку озонированного воздуха, инжектируемого под импеллер. Очень тонкая эмульсия (озонированный воздух — вода) проходит противотоком в верхнюю часть контактной колонны и снова захватывается импеллером, который обеспечивает многократную рециркуляцию потока обрабатываемой воды.
Импеллер специального профиля дробит пузырьки озонированного воздуха, вследствие чего газовая смесь эффективно распределяется по всему объему жидкости.
Деструкция остаточного озона
Воздух, выходящий из вентиляционного отверстия, после контакта с обрабатываемой водой все еще содержит некоторое количество остаточного озона. В зависимости от способа введения в воду и уровня остаточного озона, который поддерживается в обработанной воде, потери озона могут составить от 1 до 15% общего количества вырабатываемого озона.
Важно, чтобы воздух, слишком богатый озоном, не выбрасывался в атмосферу. В некоторых случаях разбавление атмосферным воздухом оказывается достаточным, но обычно производят постоянную деструкцию избытка озона химическим, термическим или каталитическим методами. Можно также возвратить воздух с остаточным озоном в начало контактной установки, хотя этот вариант вызовет значительный перерасход энергии на компремирование воздуха, содержащего остаточный озон, или на работу импеллера, обеспечивающего рециркуляцию, и дает незначительный результат, в частности, при обработке питьевой воды. В самом деле, при низкой концентрации остаточного озона (0,2—1 г/м3) эффективность растворения его оказывается очень низкой (50%). Кроме того, такая рециркуляция не решает до конца проблему ликвидации остаточного озона, концентрация которого в воздухе не должна превышать 2 мг/м3.
Меры предосторожности при использовании озона
Необходимо учитывать расстояние, на котором находится первый потребитель воды, обработанной озоном. Озон неустойчив в водном растворе, но когда концентрация его в воде на выходе из контактной колонны составляет 0,4 г/м3, его следы могут быть обнаружены спустя более получаса или час. По этой причине при коротком времени контакта в емкости для обработки воды иногда наблюдается коррозия технического оборудования в местах потребления воды, расположенных близко к станции обработки. Поэтому рекомендуется нейтрализовать избыток озона в воде, поступающей в магистральный трубопровод.
Может случиться, что вода на некоторое время остается в резервуаре чистой воды или потребители находятся далеко от станции обработки воды. В этом случае концентрация остаточного озона в трубопроводах окажется равной нулю. Отсутствие дезинфектанта в воде может привести к развитию планктона или бактерий в подающей системе.
Чтобы избежать размножения этих микроорганизмов, обычно после обработки воды озоном в нее инжектируют небольшое количество дезинфицирующего средства с длительным эффектом действия. Для этой цели можно использовать хлор или диоксид хлора без риска придать воде какой-либо необычный привкус или запах, так как органические вещества, могущие вызвать их, уже окислены озоном.
Результат действия озона зависит от температуры. Иногда находят, что при температуре ниже 5° С действие озона на примеси воды, придающие ей привкус и запах, снижается.
По этой причине, имея дело с водой, температура которой непостоянна, часто рекомендуют сочетать обработку воды озоном и активированным углем.
Методы определения озона
Определение озона, присутствующего в воде.
- Колориметрический метод
- Объемный метод. Озон вытесняет йод из раствора иодида калия. Выделившийся йод титруют раствором арсенита калия или тиосульфата натрия.
С этой целью к 1 л анализируемой воды добавляют 10 см3 10%-ного раствора иодида калия и щепоточку или 4 см3 пасты крахмала. Смесь гомогенизируют взбалтывая. С помощью бюретки по каплям добавляют (1/35.5N) раствор арсенита натрия или тиосульфата натрия до обесцвечивания титруемого раствора. Если n — число см3 раствора, пошедшего на титрование, концентрация озона будет равна n * 0,676 мг/л.
Примечание. Определение выделившегося йода с помощью растворов восстановителей дает общее содержание окислителей в воде. Проба воды может содержать также растворенный хлор; определение в этом случае проводится параллельно в двух пробах воды: в одной определяют оба окислителя, а во второй—после деструкции озона гликоколом, определяется хлор. Разница между двумя полученными цифрами и есть концентрация озона в воде.
Определение озона, присутствующего в воздухе
- Спектрофотометрический метод предусматривает использование аппаратуры, специально предназначенной для этой цели, с помощью которой замеряют абсорбцию ультрафиолетового излучения озоном. Аппаратура способна работать непрерывно и показывать концентрацию озона в воздухе или кислороде, проходящем через спектрофотометр.
- Химический метод. По этому методу объем газа, замеренный с помощью счетчика с барботажным выпуском, пропускается через раствор иодида калия, в котором затем выделившийся йод оттитровывается в кислой среде тиосульфатом натрия.
Если V — объем сухого газа в стандартных литрах, пропущенного через счетчик; Т — нормальность раствора тиосульфата натрия; х — объем реагента, введенного для обесцвечивания йодного раствора, то концентрация озона в газе в мг/л определится выражением C=24T=x/V.