ОЗОН НА ПРОИЗВОДСТВЕ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ. АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. Промышленная водоподготовка с использованием озона
Сергей Терентьев, инженерно-технический центр «Техновация» (Санкт-Петербург)
В предыдущих выпусках нами были рассмотрены положения отечественных и зарубежных стандартов, на основании которых строится технологический регламент озоновой обработки питьевой бутилированной воды, принципиальная схема озоновой установки, отвечающая современным требованиям, способы контроля содержания озона в воде и аспекты безопасной эксплуатации озоновых установок. В этом выпуске мы рассмотрим вопросы использования озона в технологиях очистки воды на этапе ее предварительной подготовки как для линий разлива питьевой воды, так и для пивобезалкогольной отрасли в целом.
Окислительная обработка воды и преимущества озона
Разработчики технологических схем очистки воды для производства напитков часто сталкиваются с необходимостью применения сильных окислителей. Окислительная обработка воды производится в целях деструкции органических и неорганических веществ природного и промышленного происхождения, придающих воде окраску, запах, привкус, приводящих к выпадению осадка и часто являющихся токсичными (фенол, пестициды, цианиды, растворители). Действие окислителей на органику основано на разрушении органических цепочек с образованием низкомолекулярных органических соединений, не представляющих вреда, или, реже – на полной минерализации органики до углекислоты и воды. Окислители переводят минеральные соединения в нерастворимые осадки, удаляемые затем на осадочных фильтрах.
Из всех окислителей, применяемых в промышленной водоподготовке, озон является наиболее сильным. Сравнительная характеристика озона и других окислителей по величине окислительного потенциала приведена в таблице.
Сравниткельная характеристика окислителей по величине окислительного потенциала | ||
Окислитель |
Потенциал, В |
В, % к озону |
Озон (О3) |
2,07 |
100 |
Перекись водорода (H2O2) |
1,78 |
86 |
Перманганат калия (KMnO4) |
1,7 |
82 |
Гипохлорит (HOCl) |
1,49 |
72 |
Хлор (Cl2) |
1,36 |
66 |
Диоксид хлора (ClO2) |
1,27 |
61 |
Кислород (O2) |
1,23 |
59 |
Окислительно-восстановительные реакции с озоном протекают значительно быстрее и полнее, чем при использовании других окислителей. Озон обладает рядом преимуществ по сравнению с самым распространенным в водоподготовке окислителем - гипохлоритом:
- не образует в процессе обработки токсичных продуктов, ухудшающих органолептические качества воды; продукт распада озона после завершения реакций окисления - кислород;
- не требует закупки, хранения и приготовления рабочих растворов, так как вырабатывается непосредственно в точке применения;
- обладает мощным обеззараживающим действием и не вызывает привыкания у микроорганизмов.
К недостаткам использования озона следует отнести относительно высокую стоимость оборудования по сравнению с системами дозирования химических реагентов. Однако в целом ряде случаев использование озона в промышленной водоподготовке дает наилучшие результаты и оправдано как с технической, так и с экономической точек зрения. При помощи озона можно эффективно очищать воду, используемую для бутилирования, приготовления напитков и пищевых продуктов, гарантированно обеспечивая наилучшие показатели качества воды. Рассмотрим типичные случаи применения озона в промышленных системах очистки воды из различных водоисточников.
Преимущества озона при очистке подземных вод
Подземные водоисточники являются на сегодняшний день наиболее благополучными с экологической точки зрения. Большинство предприятий, разливающих питьевую воду и напитки, берут ее из глубоких артезианских скважин. Уникальный минеральный состав и чистота воды - это основные козыри в продвижении продукции на рынке. Однако во многих регионах России подземные воды не могут быть использованы в производстве без предварительной очистки из-за повышенных концентраций в них железа, марганца и сероводорода. Самой распространенной технологией обезжелезивания в промышленности и коммунальном хозяйстве является упрощенная аэрация: вода после выхода из скважины насыщается кислородом воздуха и затем пропускается через фильтры, загруженные зернистыми материалами - кварцевым песком, гидроантрацитом, керамзитом. Окисление железа, марганца и сероводорода кислородом воздуха начинается после контакта воды с воздухом и завершается непосредственно на поверхности зерен загрузки; образовавшиеся нерастворимые осадки - гидроокись железа, диоксид марганца, сера - задерживаются в межзерновом пространстве фильтра Применение в качестве фильтрующих засыпок современных материалов с каталитически активной поверхностью, таких как «Birm», МЖФ, «Pyrolox», «Green Sand» и др., позволяет увеличить скорости фильтрования и, следовательно, уменьшить габариты оборудования и занимаемые им площади. Однако специалисты, имеющие значительный опыт в очистке подземных вод, наверняка сталкивались с ситуациями, когда аэрация и фильтрование даже через самые современные каталитические материалы не дают удовлетворительных результатов. Рассмотрим ниже некоторые из них.
Бактериальное железо. Часто бывает так: пробурили скважину, проанализировали воду, на основании результатов анализов приняли схему предварительной аэрации и в фильтрате появляется железо в концентрациях, превышающих ПДК, вода становится мутной, появляется запах. А на поверхностях оборудования и на зернах фильтрующей загрузки обнаруживаются бурые слизистые отложения, в накопительных емкостях - нитевидные наросты. Это – результат деятельности железобактерий. Избавиться от железобактерий чрезвычайно трудно: как правило, один раз попав в систему водоснабжения (из поверхностных вод через поврежденную обсадную трубу, через инфицированный бур, при погружении загрязненного насоса), железобактерии появляются вновь и вновь даже после проведения регулярной санитарной обработки скважины и оборудования. Санитарная обработка заключается в остановке системы водоснабжения и закачке в скважину и все емкости, соприкасающиеся с водой, воды с концентрацией хлора, требуемой для шоковой обработки, - не менее 1 г на 1 л воды.
Периодическая санация скважины и оборудования системы водоснабжения - необходимая, но недостаточная в данном случае мера. Для гарантированного обеспечения качества воды и исключения проникновения бактериальной субстанции в фильтрат перед фильтрами следует применять сильный окислитель. Применение хлорсодержащих препаратов приводит к тому, что после песчаных фильтров, на которых оседает основная масса железа, требуется дополнительно устанавливать угольные фильтры – для дехлорирования воды. Озон позволяет справиться с задачей удаления бактериального железа без использования угольных фильтров (при правильном выборе дозы озона, при условии невысокой цветности воды и незначительного содержания органики). Стабильность качества воды будет обеспечена за счет двойного воздействия озона: озон надежно уничтожает все виды железо- и серобактерий и лишает их питательной среды – двухвалентного железа и сульфидов. После озоновой обработки вода приобретает свежий вкус и лишена неприятного запаха.
Марганец. Известно, что если вода имеет нейтральный рН, марганец лишь частично удаляется из воды методом аэрации и последующим фильтрованием даже через каталитически активные материалы. Часто, обеспечивая глубокую очистку воды от железа (менее 0,01 мг/л), система обезжелезивания не удаляет марганец совсем или удаляет его незначительно, не обеспечивая гарантированного снижения концентрации марганца до ПДК: 0,05 мг/л для воды первой и высшей категорий качества по СанПиН 2.1.41116-02 или 0,1 мг/л по СанПиН 2.1.4.1074-01. Увеличение рН до 9 и более (что является условием окисления марганца кислородом), а затем вновь нейтрализация рН воздействием кислотных препаратов на воду после фильтрации вряд ли вызовут интерес у тех, кто добивается сохранения минерального состава и вкусовых качеств воды. По этой же причине не подойдут и технологии ионного обмена или обратного осмоса Окисление марганца гипохлоритом протекает очень медленно, к тому же, как уже было сказано выше, обязательно потребуется угольный фильтр для дехлорирования воды. В некоторых случаях применение в схемах очистки хлорсодержащих препаратов запрещено: например, для воды, которая используется для приготовления детского питания. Для окисления марганца часто применяют перманганат калия и затем фильтрование через каталитические загрузки. Те, кто сталкивался с подобными схемами, знают: такая технология сложна в эксплуатации, так как требует буквально виртуозной настройки системы дозирования перманганата. Иначе в воде на выходе фильтров концентрация марганца превысит его исходную концентрацию. Озонирование и здесь приходит на помощь, обеспечивая надежное удаление марганца до пределов обнаружения при нейтральных значениях рН и сохранении первозданного минерального состава воды.
«Трудная вода». Так обычно технологи отзываются о подземной воде, в которой присутствуют одновременной железо, и марганец, и органика, и часто сероводород. Основная трудность очистки такой воды - это невозможность окисления и удаления железа путем аэрации, так как соединения железа зачастую «вплетены» в длинные молекулярные цепочки гуминовых и фульвокислот - органических кислот природного происхождения, представляющих собой продукты разложения растений и придающих воде характерную желтую окраску. Комплекс железа с органикой представляет собой чрезвычайно устойчивую коллоидную систему, из которой железо практически невозможно выделить и перевести в фильтруемый осадок при помощи одного лишь кислорода Обработка воды гипохлоритом позволяет разрушать органические цепочки и удалять железо, однако имеет существенный недостаток: возможно образование токсичных хлорорганических веществ, таких как хлороформ. Применение озона в таких случаях позволяет без ущерба для качества воды обеспечить деструкцию органических комплексов и одновременно с удалением железа и марганца добиться лучших результатов по органолептическим показателям (цветности, мутности и запаху).
Технология
В литературе довольно подробно описаны способы обезжелезивания воды, основанные на применении озона. Некоторые рекомендации, приведенные ниже, помогут избежать ошибок в проектировании схем озоновой очистки подземной воды:
Оптимальная доза озона, требуемого для окисления железа, марганца и сероводорода, может быть установлена лишь опытным путем. Однако для принятия предварительного технического решения можно руководствоваться следующими данными:
Удельный расход озона на окисление примесей (1 мг озона на 1 мг примеси)
Fe (II) |
Mn (II) |
Сероводород |
0,43 |
0,88 – 4,0 |
1,5 – 3,0 |
Определяя требуемую производительность генератора по озону, исходя из удельного расхода озона на окисление примесей и требуемой производительности системы по очищенной воде, необходимо учитывать следующие факторы:
- Количество озона, расходуемое на окисление марганца, в сильной степени зависит от рН воды.
- При передозировке озона возможно окисление марганца (IV) до марганца (VII) и образование перманганат-иона, придающего воде характерную розовую окраску.
- Скорость окисления примесей озоном убывает в следующем порядке: сероводород ® железо ® органика ® марганец. Это важно учитывать, если в воде наряду с превышением ПДК по марганцу также многократно превышены концентрации железа и сероводорода
- Коэффициент запаса при расчете системы должен учитывать: потери озона в системе растворения, потери в результате автокаталитического распада озона; скорость распада озона возрастает на поверхности частиц гидроокиси железа и диоксида марганца, образующихся в ходе окислительно-восстановительных реакций и с ростом рН воды; обычной практикой является применение коэффициента запаса 1,25-1,50.
- В ряде случаев при значительном загрязнении воды железом, сероводородом и марганцем более выгодно удалить основную массу примесей путем предварительной аэрации и фильтрования на осадочных фильтрах 1-й ступени, а затем провести в качестве заключительного этапа озонирование меньшей дозой и фильтрование на осадочных фильтрах 2-й ступени.
- Угольный фильтр на завершающей ступени очистки необходим в случаях повышенной цветности и содержания органики, а также при невозможности преодолеть образование перманганат-иона в ходе озонирования.
На рисунке приведена типовая технологическая схема системы обезжелезивания воды с использованием озона.
В следующем выпуске мы подробнее остановимся на доочистке водопроводной воды, поступающей в централизованные системы из поверхностных источников, а также на проблеме побочных продуктов озонирования и способах минимизации риска их образования.
Библиографический список
- СанПиН 2.1.4.1116-02. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества. Введ. 2002.
- СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода и водоснабжение населенных мест.
- Кожинов, В.Ф. Озонирование воды / В.Ф. Кожинов, И.В. Кожинов. М.: Стройиздат, 1974.
- Николадзе, Г.И. Улучшение качества подземных вод / Г.И.Николадзе. М.: Стройиздат, 1989.
- «Дегремон». Технические записки по проблемам воды: в 2 т. Т.1. М.: Стройиздат, 1983.
- Драгинский, В.Л. Озонирование в процессах очистки воды / В.Л. Драгинский, Л.П. Алексеева, В.Г. Самойлович. М.: Делипринт, 2007.
- Rice, R.G. Ozone and its different applications/ Proceeding 15th / R.G. Rice. Ozone World Congress, 2001.
- EPA Guidance Manual. Alternative Disinfectants and Oxidants/ April, 1999.