Озон на производстве питьевой воды. Индустрия напитков. 2006. №5.

ОЗОН НА ПРОИЗВОДСТВЕ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ. АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Сергей Терентьев, инженерно-технический центр «Техновация»

По оценкам экспертов, рынок бутилированной питьевой и минеральной воды сегодня – один из самых быстрорастущих потребительских рынков: темпы его роста в последние 4 года держатся на уровне 20%, а объем в денежном выражении по итогам 2004 года составил 730 млн. долл. (по данным административно-управленческого портала www.aop.ru «Маркетинговое исследование и анализ российского рынка питьевой бутилированной воды»).
Одновременно растет внимание населения к качеству бутилированной воды, усиливается контроль со стороны санитарных органов. В этих условиях вопросы микробиологической чистоты продукта и сроков его хранения становятся вопросами выживания предприятия в жесткой конкурентной среде. Редкий технолог или руководитель службы качества на производстве питьевой воды не сталкивался с проблемой: при отгрузке вода казалась идеально чистой, но спустя несколько дней, на полках магазина или после доставки в офис, появился осадок или налет на стенках бутыли, ухудшился вкус. Хуже, если дело не ограничилось одной лишь органолептикой...

Краткий анализ проблемы

Сама по себе вода, поднятая с глубины нескольких десятков и даже сотен метров, редко дает поводы для беспокойства в санитарно-эпидемиологическом отношении, демонстрируя нули в графах «Бактериологические, вирусологические и паразитарные показатели». Основной же причиной порчи уже расфасованной воды является так называемое вторичное микробиологическое загрязнение, привнесенное в воду в результате контакта с тарой, оборудованием и воздухом в процессе подготовки воды, ее транспортировки по трубам, промежуточного хранения в емкостях и розлива.
Известные способы увеличения срока хранения питьевой воды - насыщение углекислым газом или ионами серебра – подходят далеко не во всех случаях. Обычная питьевая (не минеральная) вода с газом скорее исключение из правила; она поставляется только в одноразовой таре небольшого объема (до 2 л) и пользуется ограниченным спросом. Основную долю рынка питьевой воды составляет негазированная вода в большой одноразовой (объемом до 6 л) или возвратной (19 л) таре для питья, приготовления напитков и пищи. Применение се ребра в процессе водоподготовки сопряжено с определенными трудностями: серебро - тяжелый металл, принадлежащий согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода и водоснабжение на се ленных мест» ко 2-му классу опасности по санитарно-токсикологическому признаку (наряду со свинцом, кобальтом, кадмием и мышьяком). Поэтому содержание серебра в питьевой воде строго лимитировано: не более 50 мкг/л, а для воды, расфасованной в емкости, это значение еще ниже: 1-я категория - не более 25 мкг/л, высшая категория - не более 2,5 мкг/л. А это уже очень жесткие и трудновыполнимые требования по дозированию и контролю. Кроме того, использование серебра запрещено для консервации воды, применяемой для приготовления детского питания.
Чтобы избежать применения консервантов, необходимо создавать и поддерживать условия, несовместимые с выживанием микроорганизмов, на всем пути следования воды – от скважины до розлива и укупорки, не меняя ее химического состава, вкусовых качеств и не привнося вредных веществ.
Как вы, наверное, уже догадались, речь пойдет об озоне и технологии озонирования, более 25 лег успешно применяемой во всем мире на производствах бутилированной воды и доказавшей свою эффективность и санитарно-токсикологическую безопасность. За эти годы накоплен немалый опыт и хорошо изучены все аспекты применения озона: определены оптимальные параметры установок озонирования, разработаны и внедрены системы контроля содержания озона в воде и автоматического управления дозировкой озона, изучены предпосылки образования побочных продуктов и выработаны методики по их истечение или минимизации.
Однако специалисты, решившие применить эту эффективно технологию на своем производстве, должны обладать базовой информацией, которая позволит исключить ошибки, связанные с недопониманием технологии озонирования или неправильным представлением о ней. В этой публикации, а затем и в последующих номерах журнала мы рассмотрим теоретические основы и практические аспекты применения озона на производстве питьевой воды. Перечислим главные из них:

  • свойства озона и его преимущества;
  • механизм действия озона и критерии обеззараживания;
  • круг задач, решаемых при помощи технологии озонирования;
  • дозировка озона: нормативные документы и принятая практика;
  • химический состав воды и озоновая обработка;
  • побочные продукты реакций озона с органическими и неорганическими веществами и способы их минимизации;
  • принципиальная схема современной установки озонирования перед розливом;
  • подготовка рабочего газа – основы качественного озонирования и залога долголетия генератора;
  • контроль концентраций озона в воздухе и требования безопасности.

Свойства озона

Озон – это аллотропная модификация кислорода, или трехатомный кислород с химической формулой О2, газ с резким запахом, токсичный в высоких концентрациях, сильнейший окислитель. Обычно он обнаруживается в воздухе при концентрациях примерно в 5 раз ниже ПДК по характерному запаху "свежести". Озон образуется в результате пропускания кислорода через электрический барьерный разряд следующим образом: под воздействием электрона молекула кислорода диссоциирует (расщепляется) на 2 атома. Один из атомов соединяется с целой молекулой кислорода, образуя очень неустойчивую связь. Именно неустойчивость связей в молекуле озона и обуславливает его активность как окислителя и высокую скорость самораспада.
Окислительный (электрохимический) потенциал озона равен 2,07 В. Это самый высокий показатель среди окислителей, используемых в водоподготовке. Для сравнения: перекись водорода имеет потенциал 1,78 В, гипохлорит – 1,49 В, йод – 0,54 В. Озон окисляет железо, марганец, сероводород, цианиды, роданиды, бромиды, природные и синтетические органические вещества, уничтожает привкусы и запахи. Кроме того, он разрушает бактерии, вирусы, грибки, споры, цисты простейших в сотки раз быстрее хлора.
Озон лучше, чем кислород, растворяется в воде. Эффективность растворения озона в воде подчиняется закону Генри: чем больше концентрация озона в газовом потоке, подмешиваемом в воду, тем выше концентрация озона, растворенного в воде. Например, если концентрация озона в газе составляет 1,5% по весу, то при температуре воды 20°С максимально достижимая концентрация озона в воде составит 6,4 мг/л, а при концентрации озона в газе 3% – уже 12,9 мг/л. Кроме того, на растворимость озона, впрочем, как и любых газов, оказывает влияние температура: с повышением температуры воды растворимость озона уменьшается.
Растворы озона в воде неустойчивы, он начинает распадаться немедленно после растворения, продукт распада – кислород. Период полураспада озона в чистой воде при температуре 20°С составляет 15-20 минут при нейтральном рН. Величина рН и температура воды оказывают существенное влияние на скорость распада озона: чем выше температура и рН, тем быстрее он распадается.

Озон: быстро, эффективно, чисто

Преимущества озона известны достаточно хорошо. Однако было бы правильным упомянуть о них еще раз для лучшего понимания дальнейшего материала.
Неустойчивость озона и его распад в очищенной воде без образования побочных продуктов, токсичных или ухудшающих вкусовые качества воды, – основное преимущество этого окислителя.
Озон - универсальный дезинфектант: он не только обеззараживает воду, но и обеспечивает санитарную обработку оборудования, трубопроводов и тары, так как насыщенная озоном вода на короткое время превращается в бактерицидный раствор. Время обеззараживающего действия озона, как правило, составляет от 1 до 4 минут, поэтому озон – быстрый дезинфектант. Мы уже привык ли к тому, что бактерицидные растворы – это ядовитые химикаты, в обязательном порядке смываемые чистой водой. Озон – исключение из этого правила. Растворенный в воде, он, подобно кусочку льда, тает буквально на глазах, превращаясь в кислород. Результат – чистая обеззараженная вода с улучшенными вкусовыми свойствами. Поэтому озон – экологически чистый дезинфектант.
Сырье для производства озона – кислород из окружающего воздуха; озон производится на месте и не требует затрат на закупку, транспортировку и хранение химикатов, что делает озонирование «удобной» и выгодной технологией.
Оговоримся сразу: все сказанное выше справедливо для воды с почти нулевой химической потребностью в озоне, то есть для воды, очищенной от окисляемых озоном примесей. В настоящее время достаточно хорошо изучены реакции озона с растворенными в воде примесями органической и неорганической природы. Далее мы рассмотрим требования, которым должна соответствовать вода, чтобы озонирование не приводило к изменению ее органолептических характеристик или образованию побочных продуктов – токсичных броматов и ассимилируемого органического углерода. Поэтому в дальнейшем термин «очищенная вода» означает отсутствие в воде каких-либо примесей, с которыми озон вступает в химические реакции.

Механизм действия озона и критерии обеззараживания

Механизм обеззараживающего действия озона основан на разрушении цитоплазмы клеточной оболочки и дальнейшем «сжигании» содержимого в результате проникновения внутрь клетки. Процесс уничтожения микроорганизмов занимает от нескольких долей секунды (некоторые виды коли формных бактерий) до нескольких минут (споры и цисты, наиболее устойчивые к воздействию озона). Озоновая обработка воды полностью исключает привыкание микроорганизмов к озону и образование каких-либо резистентных (устойчивых к воздействию озона) форм.
В практике окислительной обработки воды для оценки эффективности обеззараживания используют следующие понятия:

  • порядок инактивации: при уничтожении 99% микроорганизмов говорят об инактивации на 2 порядка, 99,9% – на 3 порядка, 99,99% - на 4 порядка и т.д.;
  • остаточная концентрация окислителя в воде С, мг/л;
  • время контакта окислителя с водой Т, мин., при остаточной концентрации окислителя в воде С;
  • СТ-критерий, или произведение концентрации озона в воде на время контакта его с водой, мг/л*мин.

Величина СТ-критерия используется двояко: для оценки стойкости микроорганизмов к воздействию окислителя и для расчета параметров установки озонирования – величины дозировки озона и объема контактного аппарата. Например, согласно материалам Агентства по охране окружающей среды США (ЕРА) Legionella pneumofila инактивируется на 99% (2 порядка) в течение 5 минут при концентрации озона в воде 0,21 мг/л, СТ-критерий равен 1,05 мг/л*мин. Вирусы погибают в озонированной воде на 99,99% (4 порядка) при концентрации озона 0,3 мг/л после 4 минут контакта, СТ = 1,2 мг/л*мин. С ростом концентрации озона сокращается время, необходимое для инактивации. Аппарат озонирования, гарантирующий уничтожение указанных патогенов, должен обеспечивать СТ с некоторым запасом, например 1,6 мг/л*мин: объем аппарата рассчитывается исходя из времени контакта воды с озоном 4 мин. при заданном расходе и концентрации озона 0,4 мг/л.

Задачи, решаемые озонированием на производстве воды

Универсальный характер технологии озонирования позволяет решить целый комплекс задач:

  • дезинфицировать воду (уничтожить все микроорганизмы, которые передаются через воду);
  • дезинфицировать тару (особенно актуально применение озона в процессе мойки возвратной тары);
  • дезинфицировать части оборудования (трубопроводов, насосов, емкостей, находящихся в контакте с водой);
  • дезинфицировать внутреннюю поверхность бутыли, крышки и воздушный зазор под крышкой;
  • обеспечить бактерицидное действие разливаемой воды по отношению к микроорганизмам, попадающим в воду из воздуха рабочей зоны.

Как нормативные документы регламентируют дозировку озона и что считается надлежащей производственной практикой? Как устроена современная установка озонирования для питьевой воды? В какой точке технологической схемы вводить озон? На эти и другие вопросы мы ответим в продолжении материала.