Очистка воды питьевого качества с использованием окислительных методов

Рассмотрена технология очистки воды питьевого качества с использованием окислительных методов. Приведено обоснование эффективности применения для этой цели озонирования, позволяющего обеспечить глубокую очистку воды от широкого спектра загрязнений.

Ключевые слова: озонирование, окислительно-восстановительный потенциал, водоподготовка, диаграмма Пурбе, обезжелезивание, деманганация.

 В настоящее время в ряде регионов страны состояние питьевого водоснабжения может оказывать неблагоприятное влияние на здоровье населения. Источники водоснабжения из-за резкого ухудшения экологической обстановки подвергаются интенсивному загрязнению, их качество во многих регионах России нельзя признать удовлетворительным. Основными причинами неудовлетворительного водоснабжения являются отсутствие зон санитарной охраны источников водоснабжения, дефицит мощностей сооружений водоочистки и обеззараживания воды, критическое состояние распределительных сетей и отдаленность существующих очистных сооружений от потребителей. Обеспечение населения питьевой водой соответствующего качества лежит в плоскости реализации национальных проектов и является важной социально-экономической задачей. Особенно актуально снабжение качественной водой социально значимых объектов - детских садов, школ, больниц, домов отдыха, небольших населенных пунктов и производственных объектов. Характерным для таких объектов является необходимость установки устройств локальной водоочистки производительностью от 1 до 20 м3/час.

Основными загрязнениями подземных вод являются превышения показателей железа, марганца и окисляемости.

Правильный выбор базовой технологии очистки воды позволит при небольших изменениях технологической схемы очистки (корректировка, коагуляция и т.д.) решить задачу получения воды, отвечающей требованиям СанПиН 2.1.4.10749-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды», как для подземных источников водоснабжения, так и для поверхностных. Такой подход к организации водоснабжения применительно к коллективным потребителям, кроме технологических задач получения чистой воды, решает задачу унификации оборудования водоподготовки, а также оптимизирует затраты по логистике и снабжению.

Из существующих в настоящее время технологий очистки питьевой воды, основанных на физических и физико-химических методах, последние являются наиболее предпочтительными. Физико-химические методы обеспечивают очистку воды от широкого спектра загрязнений, а очистные сооружения на их основе характеризуются стабильностью в обеспечении заданного качества очистки. Среди физико-химических методов очистки наибольшее распространение получили окислительные методы, использующие в качестве реагента химические вещества с высоким показателем окислительно-восстановительного потенциала (ОВП). Приведенный в таблице 1 перечень окислителей указывает на ограниченное число таких веществ, применение которых в водоподготовке оправдано.

Актуальность применения окислительных методов в водоподготовке основывается на том факте, что основным источником водоснабжения являются подземные, как правило, подаваемые потребителю без очистки.

Исходя из теории координационных соединений, следует, что при снижении окислительно-восстановительного потенциала, а это характерно для подземных вод и подтверждено многочисленными гидрогеохимическими наблюдениями, в воде формируются высокие концентрации железа и марганца [1].

Главным достоинством подземных вод является стабильность химического состава, их меньшая загрязненность и большая защищенность от попадания в них загрязнений антропогенного характера.

При подъеме подземных вод на поверхность и контакте их с воздухом нарушаются равновесные состояния растворенных веществ. Из воды выделяется газ - двуокись углерода СО2 и поглощается кислород воздуха. В результате начинается распад бикарбонатов и выделение концентрации растворенной двуокиси углерода, повышается pH воды.

Повышение pH и наличие кислорода приводят к процессам окисления железа и марганца и их гидролизу с образованием для железа Fe2+ 2HCO3 + 2H2O = Fe(OH)2 + 2H2CO3
(2)
При введении в подземную воду кислорода гидрозакись железа превращается в гидроокись: 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3 (3)
Или суммарно реакции (2) и (3) могут быть записаны в следующем виде:
4Fe2+ + 8HCO3 + O2 + 2H2O = Fe(OH)3 + 8CO2 (4)

Такой химизм процесса окисления приводит к образованию фильтруемой формы железа с последующим удалением его из воды. Однако процесс окисления закисной формы железа кислородом воздуха длительный и может достигать нескольких суток.

Эффективным инструментом анализа состояния химических элементов в воде является диаграмма Пурбе. Диаграммы E-pH обобщают химию водных растворов элементов и в сжатой и наглядной форме показывают, какие химические частицы (ионы, молекулы) термодинамически устойчивы к окислению-восстановлению и кислотно-основным реакциям в зависимости от pH и E.

Эта диаграмма состоит из участков, на каждом из которых указана термодинамически устойчивая в данных условиях (E, pH) частица (молекула, ион). Такие участки, или как их называют, области доминирования, разделены между собой линиями, которые являются функциями E = f (pH), построенными при условии, что активности всех частиц, кроме ионов +H и - ОН, равны 1.

На диаграмме Пурбе для железа отражается состояние системы железо-вода в координатах «окислительно-восстановительного потенциала E - значение pH». Наличие выделенных областей, связанных с образованием нерастворимых химических соединений (осадка), указывает на возможность применения в процессах очистки воды наиболее простых физических методов очистки - отстаивание, фильтрование. Области образования осадка, согласно диаграмме Пурбе, достигаются путем изменения значений ОВП, что реализуется через соответствующие химические реакции.

Если изменение значения pH реализуется через доступное подщелачивание, то повышение значения ОВП связано с увеличением расхода окислителя, следовательно, и с увеличением стоимости на эксплуатационные затраты (в т.ч. генерацию озона).
В зависимостях окислительно-восстановительного потенциала от концентраций озона и хлора в широком диапазоне их значений соотношение непостоянно. Оно зависит от качественных и количественных показателей загрязнений воды, а также pH.

Эффективность применения окислительных методов очистки воды при деферризации и деманганации в первую очередь зависит от правильно рассчитанной дозы окислителя. Так, на окисление 1 мг железа в форме Fe2+ теоретически расходуется 0,143 мг растворенного в воде кислорода, или 0,64 мг активного хлора, или 0,71 мг перманганата калия или 0,2 мг озона [2].

При совместном удалении железа и марганца определяющую роль играет доза озона, однако не менее важное значение имеют такие показатели, как отношение концентраций железа и марганца в исходной воде, pH воды, щелочность, окисляемость, температура воды и время контакта.

При совместном процессе деферризации и деманганации доза озона рассчитывается по марганцу, как наиболее трудноудаляемому элементу [4] Доз = 13,8 - 0,45 •Fe иск + 5,36 • Mn иск – Мn ф + 0,09 • Okисх - 2,36 • pH исх где: Доз - доза озона, мг/л; Fe иск, Mn иск, H исх - показатели качества исходной воды (концентрация железа, марганца, перманганатная окисляемость и кислотность); Мn ф - содержание марганца в фильтрате.

Исследования последних лет показали, что применение хлора создает целый ряд эколого-гигиенических проблем вследствие образования токсических веществ при хлорировании природных вод [3].

Одним из наиболее универсальных и высокоэффективных технологических методов очистки воды в бактериологическом, физико-химическом и органолептическом плане является озонирование.

Универсальных технологий очистки воды и от любых загрязнений не существует. Уровень развития техники и технологии в настоящее время позволяет рассматривать единственный вариант очистки воды – окислительно-фильтровальный. В процессе окисления используются воздух, хлор и его соединения, перманганат калия и озон. Сравнение представленных окислителей (таблица 1) указывает на несомненные преимущества озона: самое высокое значение окислительно-восстановительного потенциала, производство и дозирование непосредственно перед очисткой воды, экологическая безопасность продуктов окисления, низкие энергетические затраты на производство (15-20 Вт/гО3), высокая стерилизующая способность и т.д.

К недостаткам озонирования в процессах водоподготовки следует отнести один фактор: отсутствие пролонгирующего действия озона при обеззараживании воды (действие озона составляет 12-15 мин.). Однако для вновь строящихся объектов водопотребления этот недостаток можно компенсировать проектными решениями, а именно созданием и размещением локальных установок очистки, максимально приближенных к потребителям воды. В качестве перспективного варианта решения указанной технической проблемы предлагается путь создания и внедрения в структурных подразделениях отрасли локальных установок очистки воды, использующих универсальную и простую технологию. Такой технологией является озоно-фильтрационная очистка. Локальная водоподготовка и доочистка основана на том, что атомарный кислород уничтожает бактерии, споры, вирусы, разрушает растворенные в воде органические вещества. Озонирование вод в сочетании с фильтрацией позволяет осуществить окисление и удаление из воды сложных органно-минеральных комплексов, металлов (Fe2+, Mn2+, Ag2+, Co2+ и др.).

При озонировании минеральный состав воды остается без изменений. Избыток озона в отличие от хлора не денатурирует воду. Озонирование обогащает воду кислородом, придавая ей вкус родниковой. Это позволяет использовать озон не только для обеззараживания, но и для дезодорации питьевой воды, удаления токсических органических веществ. Все эти процессы взаимосвязаны и протекают одновременно, что в определенной степени характеризует многообразие и неспецифичность действия озона. Среди процессов улучшения качества питьевой воды наиболее значимым с точки зрения профилактики эпидемических заболеваний является обеззараживание. Высокий бактерицидный и вирулицидный эффекты действия озона отмечаются при реальных для практики водоснабжения концентрациях 0,5-0,8 мг/л и выполнении критерия стерилизации CT = const. Этот критерий связывает концентрацию (C) озона в воде и время контакта (Т).

Особенно надо отметить следующую исключительную способность озона - универсальность его действия на загрязнители различного происхождения. В одной ступени очистки эффективно происходит обезжелезивание и деманганация, удаление органики и нефтепродуктов.

Принципиальная схема предлагаемой базовой технологии озоно-фильтрационной очистки воды представлена на рис. 1.

Работа установки производится в автоматическом режиме. Управление работой установки (электромагнитных клапанов, озонатора, насосной станции) обеспечивается автоматически по сигналу от блока датчиков уровня. Регенерация встроенного фильтра, в зависимости от требований, может быть выполнена как в ручном, так и в автоматическом режиме. Продукты окисления задерживаются встроенным фильтром из активированного угля, размещенного в контактном резервуаре. Активированный уголь используется для каталитического доокисления растворенных хлорорганических и органических соединений и некоторых продуктов озонолиза на поверхности угля. Как показывает практика, уголь в таком процессе не расходуется и не утрачивает своей каталитической активности, так как при подаче большого количества избыточного озона работает не как адсорбент, а как катализатор. Этот метод подходит для доочистки хлорированной водопроводной воды. Основным преимуществом такого технического решения является безреагентность (не требуется использование реагентов в процессе работы, т.к. озон является наиболее сильным окислителем и генерируется из воздуха) и универсальность
способа очистки.

Многолетний опыт эксплуатации озоно-фильтрационных установок позволяет сделать следующие выводы:

1. Озонирование эффективно удаляет ряд органических и неорганических загрязнений природного и антропогенного происхождения, таких как фенолы, нефтепродукты, амины, пестициды, СПАВ и др.
2. Озонирование позволяет уменьшить концентрацию хлорорганических соединений, образующихся при предварительном хлорировании или полностью решить проблему их образования при уменьшении дозы хлора или исключении первичного хлорирования воды.
3. Озонирование улучшает процесс коагулирования, уменьшает дозу коагулянта (примерно на 20-30%), а также в большинстве случаев снижает величину основных показателей: мутность, цветность и перманганатную окисляемость.
4. Наряду с применением озонирования для очистки воды от антропогенных загрязнений озон может применяться при очистке цветных и высокоцветных вод, а также подземных вод от соединений железа, марганца, присутствующих в виде комплексных органических соединений.
5. Наиболее эффективным является метод совместного применения озона и активированного угля, позволяющего обеспечить глубокую очистку воды от органических соединений, отвечающего современным требованиям стандарта.
6. Озонирование повышает также эффективность обеззараживания воды, в том числе по микробиологическим и паразитологическим показателям.

Рассмотренные факты указывают на универсальность и эффективность озонирования при решении задач очистки воды от широкого спектра загрязнений, а технология озоно-фильтрационной обработки воды представляется наиболее перспективным методом в водоподготовке и снабжении водой питьевого качества населения и объекты производственного назначения.

Литература:
1. Крайнов С.Р. Геохимия редких элементов в подземных водах. - М.: Недра, 1973. -186 с.
2. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений. В 3-х томах. М.Г. Журба, Л.И. Соколов, Ж.М. Говорова, М.: «Издательство Ассоциаций строительных вузов», 2010.
3. Уменьшение концентрации хлорорганических соединений. Л.П.Алексеева, В.Л.Драгенский, С.Г.Сергеев, Т.И.Смирнова. Водоснабжение и санитарная техника. 1994, №11.
4. Ульд М. Деманганация и деферризация подземных вод озонированием. - Автореферат диссертации, М.: МГСУ, 1996.
5. Методические рекомендации по обеспечению выполнения требования санитарных правил и норм СанПиН 2.1.4.559-96 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» на водопроводных станциях при очистке природных вод./ Госстрой России; НИИ коммунального водоснабжения и очистки воды. - ГУП «ВИМИ», 2000, с.92.

Drinking water purification with the use of oxidizing methods

The technology of drinking water purification with the use of oxidizing methods is considered. The substantiation of the efficiency of using with this purpose ozonation that provides for advanced water treatment with the removal of the wide spectrum of pollutants is presented.

Keywords: ozonation, oxidation-reduction potential, water purification, Pourbaix diagram, deironing, demanganation.

Medvedeva Vera Mikhailovna, Ph.D. (Engineering), assistant professor, «Technosphere safety» department, Russian Open Transport Academy of the Moscow State University of Railway Engineering.

Pirogov Evegenii Nikolaevich, Ph.D. (Engineering), assistant professor, «Building mechanics, machinery and equipment» department, Russian Open Transport Academy of the Moscow State University of Railway Engineering.

22/2 Chasovaia str., Moscow 125190, Russian Federation, e-mail:Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №6 (94), 2015 г.