Озон на производстве питьевой воды. Индустрия напитков. 2007. №2.

ОЗОН НА ПРОИЗВОДСТВЕ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ. АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Сергей Терентьев, инженерно-технический центр «Техновация», Санкт-Петербург

В предыдущих публикациях мы подробно рассмотрели основные задачи, решаемые с помощью озона при подготовке питьевой бутилированной воды, а также требования отечественных и зарубежных нормативных документов, регламентирующих использование озона в данной отрасли. Сегодня мы уделим внимание техническим решениям, которые обеспечивают выполнение отраслевых требований и высокое качество продукта, и аспектам безопасности при использовании озона.*

* Начало см.: Индустрия напитков. 2006. № 5 (47). С. 36–38; № 6 (48). С. 34–36.

Основные требования

Сегодня существуют две нормативные базы, определяющие требования к технологии озонирования бутилируемой воды: отечественные СанПиН 2.1.4.1116-02 и зарубежные стандарты, представленные нормами FDA (Управление по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными средствами), GMP (правила надлежащей производственной практики Good Manufacturing Practice) и рекомендациями IBWA (Международная ассоциация бутилированной воды). Принципиальное различие между этими двумя нормативными базами заключается в регламенте озоновой обработки и прослеживается по трем основным параметрам процесса:

  • точка обработки воды озоном в технологической цепочке водоподготовки;
  • концентрация остаточного озона в воде после обработки и точка отбора пробы;
  • время контакта воды с озоном в ходе обработки.

Напомним, что более чем 25-летний опыт успешного применения озона при розливе питьевой воды и более четкое определение указанных параметров в зарубежных стандартах позволяют говорить о неоспоримых преимуществах зарубежного подхода к построению установки озонирования.*

* Подробнее см.: Озон на производстве питьевой воды. Актуальные вопросы / Сергей Терентьев // Индустрия напитков. 2006. № 6 (48). С.34–36.

Схемное решение

Рассмотрим один из самых распространенных и надежных вариантов схемы установки озонирования бутилируемой воды (рис. 1). Процесс массопереноса озона из газовой фазы в водный раствор и контакт воды с растворенным озоном происходят в реакторе 3. Подмес озона в воду осуществляется при помощи эжектора 4. Эжектор представляет собой смеситель, работающий по принципу трубки Вентури: вследствие падения давления воды при резком увеличении скорости ее истечения через специальную камеру внутри эжектора создается вакуум. Это побуждает расход рабочего газа (в данном случае осушенного воздуха) через систему подготовки воздуха и генерации озона, состоящую из осушителя 2 и собственно генератора озона 1. Генератор имеет специальный датчик-реле вакуума (расхода воздуха), который дает сигнал на включение выработки озона только при движении воздуха через систему. По фторопластовой трубке, стойкой к воздействию озона, он поступает на газовый вход эжектора и вовлекается в поток воды, превращаясь в мельчайшие пузырьки. Далее смесь воды с пузырьками озонированного воздуха возвращается в реактор 3. Необходимый напор на входе эжектора создается насосом рециркуляции 5, который отбирает часть воды из реактора и прокачивает ее через эжектор.

Схема установки озонирования бутилированной воды

Рис.1. Схема установки озонирования бутилированной воды

Специальное устройство (смесительная насадка или несколько насадок, закрепленных внутри реактора) обеспечивает интенсивное перемешивание воды, поступающей от системы водоподготовки, с озонированной водой. В результате достигается высокая степень переноса озона в раствор, однородность концентрации озона в объеме реактора и требуемое время контакта воды с озоном. Еще одна важная функция реактора - хранение буферного запаса озонированной воды, готовой к розливу. Этот запас позволяет согласовать процесс поддержания в реакторе заданной концентрации озона с неравномерным характером поступления воды на оборудование розлива. Причиной неравномерного поступления воды чаще всего является прерывание процесса наполнения бутылей из-за коротких промежутков времени, требуемых для подачи пустой тары. К тому же в работе оборудования розлива в течение производственного цикла могут происходить запланированные и внеплановые остановы.
В соответствии с современным подходом, основанным на требованиях FDA и рекомендациях IBWA, концентрация остаточного озона в очищенной и подготовленной к розливу воде непосредственно в точке розлива должна составлять от 0,1 до 0,4 мг/л. Каким же образом достигается стабильность требуемой концентрации озона в разливаемой воде? Для этого служит система автоматизированного управления дозированием озона по показаниям датчика, измеряющего непосредственно концентрацию озона в воде или окислительно-восстановительный потенциал воды. Система производит измерения непрерывно в течение всего цикла розлива при помощи датчика озона или потенциала воды 12. Показания датчика отображаются на дисплее блока индикации 6, который также позволяет запрограммировать верхний и нижний допустимые пределы концентрации озона в воде (потенциала воды). Измеренная величина постоянно сравнивается с установленными предельными значениями, и при выходе ее за пределы диапазона значений блок индикации выдает соответствующий сигнал. Блок управления 7 осуществляет включение и выключение выработки озона в зависимости от его концентрации в воде, автоматически поддерживает уровень воды в реакторе путем открытия и закрытия электромагнитного клапана 8 на трубе подачи исходной воды и предотвращает работу насосов «по сухому ходу», используя сигналы от датчиков-реле верхнего и нижнего уровней 9.
На розлив озонированная вода подается специальным насосом 13. Возвратная линия с регулирующей задвижкой 11 используется в случае большой протяженности трубопровода от установки озонирования до оборудования розлива. В таком случае при останове линии розлива даже на несколько минут содержание озона в воде в объеме трубопровода может снизиться до недопустимых значений. И если возвратная линия не предусмотрена, то при следующем включении оборудования произойдет розлив некоторого количества воды с недостаточной концентрации озона. Кроме того, возвратная линия позволяет избежать работы насоса 13 «на стенку», а также увеличить ресурс работы электродвигателя, избавив его от слишком частых включений и выключений.
Важнейшим требованием к любой системе озонирования является обеспечение безопасности работы персонала. Поэтому в данной схеме предусмотрено устройство 10 нейтрализации озона, выделяющегося в реакторе над зеркалом воды. Это устройство называйся каталитическим деструктором озона и представляет собой фильтр, заполненный специальным каталитически активным сорбентом на основе оксидов марганца и меди. Деструктор включается в систему дыхания реактора и является единственным канатом сообщения между реактором и атмосферой.
Приведенная схема отличается высоким уровнем автоматизации, позволяет минимизировать влияние человеческого фактора и обеспечить длительные сроки хранения бутилированной воды.

Измерение концентрации озона в воде

Установление и поддержание требуемой концентрации озона в обрабатываемой воде невозможно без достоверных результатов измерений. Остановимся подробнее на способах контроля содержания озона в воде.

Как указывалось выше, концентрация озона в воде измеряется двумя способами:

  • при помощи амперометрического датчика озона (рис. 2);
  • при помощи датчика окислительно-восстановительного потенциала.

Датчик озона в воде

Рис.2. Комплект для измерения концентрации озона в воде при помощи амперометрического датчика

Первый из них является прямым способом измерения концентрации озона по величине тока, возникающего между катодом и анодом датчика вследствие реакции самораспада озона на катоде, которую описывает уравнение

О3 + Н2О + 2e « О2 + ОН-

Оба электрода – катод и анод – погружаются в электролит и отделяются от исследуемой среды (озонированной воды) специальной мембраной, проницаемой только для озона (и еще для некоторых газов, например хлора или сероводорода). Ионы и органические вещества, способные служить катализаторами распада озона, через мембрану не проникают. Величина тока между катодом и анодом прямо пропорциональна парциальному давлению озона, диффундирующего через мембрану. Амперометрический датчик озона эффективен при концентрации озона в воде от 0,1 до 10,0 мг/л.
Второй способ позволяет судить о содержании озона в воде по величине ее окислительно-восстановительного потенциала. Известна зависимость между концентрацией озона и величиной потенциала (рис. 3). На графике видно, что наибольшее изменение потенциала воды достигается при повышении концентрации озона от 0,1 до 0,5 мг/л примерно от +600 до +950 мВ соответственно. На приведенную зависимость существенно влияет ионный состав воды. Поэтому необходимо индивидуальное в каждом случае построение графика с использованием лабораторного аналитического оборудования и реагентов для определения содержания остаточного озона в воде.

Зависимость концентрации озона в воде от величины окислительно-восстановительного потенциала

Рис.3. Зависимость концентрации озона в воде от величины окислительно-восстановительного потенциала

Если сравнить два способа контроля содержания остаточного озона в воде, то наиболее точным и универсальным, но и более дорогим способом является измерение при помощи амперометрического датчика. Датчик окислительно-восстановительного потенциала дешевле, но обладает существенными недостатками: низкой помехоустойчивостью и чувствительностью к минеральному составу воды. При проведении измерений в случае маломинерализованной воды или воды, подготовленной с применением технологии обратного осмоса, такой датчик не обеспечит достоверных показаний для системы управления дозированием озона.
Для любого типа датчика озона необходима периодическая поверка при помощи методик, используемых в аккредитованных лабораториях, например по ГОСТ 18301-72 «Вода питьевая. Методы определения содержания остаточного озона».

Обеспечение безопасности

При работе линии розлива озонированная вода контактирует с воздухом в момент наполнения бутылей. При использовании озонированной воды для ополаскивания тары она разбрызгивается и стекает в поддон. В обоих случаях происходит десорбция озона из воды и переход его в газовую фазу из-за разности парциального давления озона в воде и в воздухе.
Озон - токсичный газ с резким запахом. При вдыхании озонированного воздуха с концентрациями, превышающими предельно допустимые, возможно появление симптомов отравления (головная боль, затрудненное дыхание, ожог верхних дыхательных путей). ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» определяет ПДК озона в воздухе на уровне 0,1 мг/м3. Обоняние человека способно обнаружить запах озона («запах свежести») уже на уровне 0,02 мг/м3, что в 5 раз меньше ПДК. Однако при длительном вдыхании озонированного воздуха происходит привыкание и потеря ощущения запаха. Поэтому наиболее надежным способом своевременного обнаружения утечки озона является датчик-анализатор концентрации озона в воздухе (рис. 4).

Анализатор озона в воздухе ОПТЭК

Рис.4. Газоанализатор ОПТЭК (модель 302ПР)

Прибор осуществляет непрерывный мониторинг концентрации озона в установленных точках помещения и оповещает персонал подачей звукового сигнала. Современные анализаторы озона содержат также релейные выходы, позволяющие снимать сигнал «Превышение ПДК» для его дальнейшего использования в системах автоматики - аварийного отключения генераторов озона или включения дополнительной аварийной вентиляции и звуковых сигналов.
При использовании озона в системах водоподготовки необходимо принять дополнительные меры безопасности:

  • Помещение, в котором установлена линия розлива озонированной воды, должно быть оборудовано при-точно-вытяжной вентиляцией. Мощность системы вентиляции определяется прежде всего производительностью генератора озона и объемом помещения.
  • Сообщение реактора установки озонирования с атмосферой должно осуществляться через систему дыхания, содержащую деструктор, который описан выше, причем выход деструктора озона рекомендуется подсоединить к вытяжному воздуховоду вентиляции. Это необходимо для предотвращения утечки озона через неисправный или отработавший свой ресурс деструктор.

Повсеместное распространение систем озонирования воды на промышленных объектах вследствие экологической чистоты и высокой эффективности технологии свидетельствует о том, что безопасная эксплуатация озонаторного оборудования не только возможна, но и стала привычной практикой.
В следующих номерах журнала мы рассмотрим озон в системах предварительной очистки воды, побочные продукты озонирования и предпосылки их образования в воде, а также надежную и безопасную конструкцию современного генератора озона для промышленного применения.

Библиографический список

СанПиН 2.1.4.1116-02. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества. Введ. 2002.
Benefits of Ozone Treatment for Bottled Water / L. J. Bollyky. Bollyky Associates, INC. Stamford, 2002.
IBWA Plant Technical Reference Manual 2001. Int. Bottled Water Association.Schneider Wand
Rump H. H. Use of ozone in the technology of bottled water // Ozone science and engineering. 1983. Vol. 5.