Озон на производстве питьевой воды. Индустрия напитков. 2007. №4.

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.

Очистка воды от железа и марганца озонированием

Типовая технологическая схема удаления железа и марганца с предварительным озонированием. Количество точек ввода озона, число ступеней песчаных фильтров, необходимость использования угольного фильтра и рабочие параметры фильтров определяются, исходя из концентраций железа, марганца, сероводорода и форм их содержания в исходной воде.

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

  1. СанПиН 2.1.4.1116-02. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества. Введ. 2002.
  2. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода и водоснабжение населенных мест.
  3. Кожинов, В.Ф. Озонирование воды / В.Ф. Кожинов, И.В. Кожинов. М.: Стройиздат, 1974.
  4. Николадзе, Г.И. Улучшение качества подземных вод / Г.И.Николадзе. М.: Стройиздат, 1989.
  5. «Дегремон». Технические записки по проблемам воды: в 2 т. Т.1. М.: Стройиздат, 1983.
  6. Драгинский, В.Л. Озонирование в процессах очистки воды / В.Л. Драгинский, Л.П. Алексеева, В.Г. Самойлович. М.: Делипринт, 2007.
  7. Rice, R.G. Ozone and its different applications/ Proceeding 15th / R.G. Rice. Ozone World Congress, 2001.
  8. EPA Guidance Manual. Alternative Disinfectants and Oxidants/ April, 1999.