Развитие представлений об озоне, как об уникальном окислителе и дезинфектанте в процессах водоочистки

Озон (О3) – аллотропная модификация кислорода, которая может существовать во всех трех агрегатных состояниях, едва ли не единственный пример подобного рода. Озон – нестабильное соединение и даже при комнатной температуре медленно разлагается на молекулярный кислород, однако эта нестабильность не настолько велика, чтобы считать озон радикалом.

В Российской Федерации озон отнесен к 1-му классу опасности, а также признан БОВ (боевым отравляющим веществом). Воздействие озона на организм в больших количествах может привести к преждевременной смерти.

Озон обладает исключительной окисляющей способностью, что позволяет эффективно воздействовать на микроорганизмы, вирусы, грибковые. Не существует и не может возникнуть биологических форм жизни устойчивых к воздействию озона.

Озон имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал, что является главной причиной его активности по отношению к различного рода загрязнениям воды, включая микроорганизмы. При смешении озона с водой осуществляется два основных процесса – окисления и дезинфекции. Кроме того происходит обогащение воды растворенным кислородом.

Предпосылки использования озона в качестве сильного окислителя в процессах водоочистки возникли сразу после открытия озона Шейнбайном в 1840 году (хотя следует отметить, что впервые с озоном столкнулся Ван-Марум в 1785 году при пропускании электрических искр через воздух). Шейнбайном была обнаружена способность озона присоединяться к двойным связям в молекулах органических соединений, а также способность к окислению.

Первые – лабораторные – опыты водоочистки методом озонирования были проведены во Франции в 1886 году. А в 1891 в Германии были проведены пилотные испытания промышленной установки водоочистки, в результате которых отмечалось эффективное воздействие озона на бактерии. Позднее в Ницце была введена в эксплуатацию станция производительностью 80 000 м3/сут. для дезинфекции поверхностных вод. В отчетах о работе этой станции указывалось, что обработка озоном придает воде прозрачность, удаляет запах, повышает содержание растворенного кислорода и не привносит в воду каких-либо элементов, опасных для здоровья людей.

В связи с этим в начале 20го века сложилось единодушное мнение об озоне, прежде всего как о дезинфектанте. В то время не выдвигалось гипотезы о том, что «потери газа» в процессе водоочистки не что иное, как реакции окисления озоном органических веществ и, поэтому озонированию было отведено место в конце технологического процесса.

В начале 20го века и в России появляется интерес к озонированию. В 1911 году запущена первая станция, расположенная в Санкт-Петербурге.

В 30е годы 20го века возрастает интерес к озону в Европе (после значительного спада во время первой мировой войны). В это же время нарушается традиция использования озона исключительно как дезинфектанта, и начинают проводится пилотные промышленные испытания многоступенчатого озонирования. Таким образом, в промышленность вводится недавно открытый флокулирующий эффект возникающий при озонировании. При этом также отмечается снижение экономических затрат на водоочистку, что плотно укореняет данную схему в сегменте промышленной водоподготовки.

Вплоть до 80х годов прошлого века схемы озонирования существенно не изменялись. Совершенствовалась лишь аппаратная составляющая процессов водоочистки для достижения максимального экономического эффекта. При этом единственным способом смешения озона с очищаемой водой пока был и остается барботаж озоновоздушной смеси камеры преозонирования и постозонирования, что, несомненно, влечет за собой большую потерю газа из-за низкого массообмена. Непрореагировавший озон расточительно утилизируется методами деструкции.

К 90м годам прошлого века в арсенал станций озонирования добавляются центробежные распылительные машины и кавитационные аэраторы. Использование явления кавитации для интенсификации процесса растворения озона в воде рассматривается, как наиболее экономичный и перспективный способ, позволяющий достичь 90%-95% конверсии по озону. Кавитационные аэраторы отличаются простотой, компактностью и не требуют глубоких контактных камер.

В это же время находит применение способ озонирования совместно с ультразвуковой обработкой воды. При совместном использовании повышается эффективность очистки по ХПК, а также усиливается бактерицидный эффект. Ультразвуковая обработка воды позволяет снизить на 70%-90% количество требуемого для дезинфекции озона. Механизм взаимодействия между озоном и ультразвуком, порождающим явление синергизма, довольно сложен, и не все еще в нем понятно. Предполагается, что распространение интенсивных ультразвуковых волн в воде вызывает явление кавитации, которая значительно повышает степень разложения молекул окислителя, стимулируя образование свободных радикалов.

Одной из эффективных схем является совместное использование озона и ультрафиолетового излучения. Метод позволяет мгновенно окислять наиболее стойкие компоненты загрязнений, среди которых можно выделить спирты и фенолы. При дезинфекции сильнозагрязненных сточных вод, такой метод позволяет добиться наивысшей эффективности.

Следующим этапом в развитие технологии озонирования воды становится применение эжекторов. В камере смешения эжектора был достигнут высочайший эффект кавитации, что позволило использовать те же 95%-99% конверсии исходного озона, но со значительно меньшими энергозатратами. Также удалось максимально упростить и миниатюризировать аппаратное оформление станций водоподготовки.

В настоящее время получили распространение следующие способы озонирования воды:

- барботаж в аэрационных камерах и колоннах;

- кавитационные аэраторы и центробежные распылители;

- совместное использования ультразвука и озона (кавитация);

- совместное использование ультрафиолетового излучения и озона;

- эжектирование (кавитация).

В каждом отдельно взятом случае выбора метода озонирования для водоочистки перед технологом ставится нелегкая задача учесть множество технико-экономических факторов. По традиции выбор делается в пользу наименьших издержек и наибольшей эффективности в зависимости от качества загрязненной воды.

Литература:

1. «Озон и его реакции с органическими соединениями (кинетика и механизм)», Разумовский С.Д., Заиков Г.Е., изд. Наука, 1974, Москва.
2. «Физическая химия озона», Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.Н., изд. Московского университета, 1998, Москва.
3. «Озонирование воды», Орлов В.А., изд. Стройиздат, 1984, Москва.