Анализ окислительно-сорбционных технологий для подготовки питьевой воды



В статье рассмотрена технология очистки воды питьевого качества с использованием окислительно-сорбционных технологии. Приведены методы подготовки питьевой воды с применением для этой цели окислителей. Рассмотрен метод совместного применения окислителей и сорбентов для обеспечения соответствующих требований к качеству воды.

Ключевые слова: сорбция, окисление, хлорирование, озонирование, окислительно-восстановительный потенциал, водоподготовка.

В настоящее время многие источники воды реки, озера, водохранилища загрязнены органическими веществами биологического происхождения. Им свойственны запахи и привкусы, которые являются наиболее стойкими. В такой воде есть патогенные микроорганизмы, поэтому она не пригодна для применения в хозяйственно-бытовых и питьевых целях. Правильный выбор технологии очистки воды позволяет решить задачу получения воды, отвечающей требованиям СанПиН РК 3.01.067–97 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» [1, 2].

Обработка воды с применением окислителей является одной из самых распространенных в мире технологий. Процесс очистки воды становится более интенсивным при совместном применении технологии окисления и сорбции. Предварительная обработка воды хлором, его производными, озоном, перманганатом калия и т. д., с последующей адсорбцией загрязнений на сорбентах приводит к распаду продуктов окисления, поскольку сорбент обладает более высокой ёмкостью поглощения [2]. В водоподготовке часто применяются такие окислители как озон О ₃ , хлор Cl ₂ , диоксид хлора ClO ₂ , гипохлорит натрия NaClO, гипохлорит кальция Ca(ClO) ₂ , перманганат калия KMnO ₄ и перекись водорода H ₂ O ₂ а в качестве сорбента — активированный уголь, цеолит и др. [3].

Озон является сильным окислителем, который применяется в подготовке питьевой воды. Применение озона в обработке воды приводит к уничтожению органических веществ, удалению запахов и привкусов за короткий промежуток времени. Благодаря его свойствам практически все металлы окисляются до простых оксидов. Дозирование озона для очистки воды от бактерий в диапазоне от 1,5 до 3 мг/л, для извлечения вирусов — от 3 до 5 мг/л, время обработки составляет 5–10 мин [3].

Хлорирование происходит путем ввода в обрабатываемую воду сжиженного газообразного хлора, раствора гипохлорита натрия или гранул гипохлорита кальция и с помощью местных генераторов хлора. Хлор и его производные являются сильными окислителями, которые в воде вступают в воздействие с восстановительными элементами как железо, марганец, сероводород, также сульфиды, нитраты, цианиды, аммоний и органические вещества [3]. При растворении молекулярного хлора в воде образуются хлорноватистая и соляная кислоты по реакции:

Cl ₂ + H ₂ O = HOCl + HСl.

Продолжительность обработки воды с хлором зависит от состава воды, от загрязненности органическими примесями, концентрации, рН среды, также ее температуры [3].

Использование перманганата калия при очистке воды преимущественно тем, что после него не образуются вещества с неприятным запахом и не остается побочный эффект. Также его растворы хранятся длительное время. Из-за интенсивного окисляющего свойства в первую очередь он взаимодействует с органическими и неорганическими веществами в составе воды, которое мешает его дезинфицирующему действию. К тому же перманганат калия обладает низким дезинфицирующим действием, которой преобладают хлор и озон. При контакте с солями двухвалентного железа и марганца в составе воды образует четырехвалентное состояние, где они могут легко гидролизироваться [3].

После освоения удобных и дешевых методов получения перекиси водорода его начали активно использовать в технологии подготовки питьевой воды. Перекись водорода обладает высокой токсичностью и его дозировка в воде ограничивается количеством ПДК 0,1 мг/л, в то же время его дезинфицирующее действие остается на уровне нескольких сотен единиц на мг/л. Окисляющая способность перекиси водорода больше на 30 % чем у хлора, он имеет сильные окислительные свойства [3]. Именно поэтому перекись водорода применяется для окисления в составе воды металлов, органических веществ, сероводорода, также углеводородов, но не самостоятельно как дезинфицирующее средство.

Удаление из воды загрязнений вызванными спорами микробов и вирусов называется инактивацией. Для уничтожения бактерий воду обрабатывают дезинфицирующем веществом. Чем больше доза дезинфицирующего средства, тем эффективнее устранение бактерии и его воздействие. Дозировка дезинфицирующего вещества варьируется в зависимости от содержания и состава загрязненной воды, количеством органических веществ, от температуры воды и от величины активности реакции воды с дезинфицирующим средством [4]. На рисунке 1 приведен график зависимости количества бактерий, содержащихся в воде, от величины дозы воздействующего дезинфицирующего вещества (в нашем случае хлора D _cl и озона D _О3 ) [4].

Рис. 1. Количество бактерий в воде в зависимости от дозы О ₃ [4 с.113]

Из выше представленного графика видно, что при обработке хлором, с увеличением его дозировки обрабатываемой воде, тем больше уменьшается количество бактерии в составе воды. А при реакции с озоном можно увидеть резкое бактерицидное действие в тот момент, когда достигается критическая доза озона равная 0,4–0,5 мг озона в газе на литр очищаемой воды. Происходит полное обеззараживание воды [4].

«Механизм воздействия окислителя состоит в разрушении бактерий путем инактивации бактериальных протеинов, то есть диффузией через мембрану клетки в цитоплазму с поражением жизненных центров» [4].

Исследования механизма разрушений бактерии показали, что при действии озонирования уничтожение бактерии проходит мгновенно при условии поддержании достаточной концентрации растворенного озона в воде и в период определенного времени [4]. В таблице 1 даны сравнительные потенциалы окислителей, используемых при очистке воды.

Таблица 1

Значения ОВП для окислителей, применяемых в водоподготовке

Вещество-окислитель	ОВП, В	ОВП по отношению к хлору
Озон	2,08	1,52
Перекись водорода	1,78	1,30
Гипохлорит	1,49	1,10
Хлор	1,36	1,00
Диоксид хлора	1,27	0,93
Кислород (молекулярный)	1,23	0,90

При сравнении потенциалов представленных окислителей можно увидеть несомненное преимущество озона — он обладает самым высоким окислительно-восстановительным потенциалом. Также можно отметить, что производство и дозирование озона происходит непосредственно перед очисткой воды. Еще одно преимущество, экологическая безопасность продуктов окисления озоном, низкие энергетические затраты на его производство (15–20 Вт/гО3) и высокая стерилизующая способность и т. д. [5]

«Если озон эффективно воздействует на бактерии, то хлор производит только выборочное отравление жизненных центров бактерий, причем довольно медленное из-за необходимости длительного времени для диффузии в цитоплазме» [4].

Что касается сорбционной очистки, она является эффективным методом для удаления растворенных органических веществ из воды путем удержания их на поверхности адсорбентов. Преимущества сорбционного метода в том, что удаляются загрязнения чрезвычайно разного состава и концентрации, после очистки не возникают вторичные загрязнения и есть возможность управления процессом. Сорбционная ступень очистки воды удаляет фенолы, нефтепродукты и другие химические загрязнения.

«В качестве сорбентов могут быть применены:

− природные материалы: глины, цеолиты,

− искусственные материалы: силикагель, диоксид алюминия,

− углеродные материалы: активированный уголь, углеродные волокна,

− органические полимерные смолы: молекулярные сорбенты.

При подготовке воды наиболее часто применяются активные угли, сделанные из торфа и древесины. Они обладают высокой адсорбционной способностью и применением» [6].

Есть два основных вида активированных углей делятся на порошкообразные(ПАУ) и гранулированные(ГАУ). ПАУ обладает частицами размером 10–50 мкм, добавляется в воду дозатором, быстро уничтожает запахи в составе воды, есть возможность увеличение дозы при росте загрязнений, быстрый адсорбент. ГАУ обладает различными зернами размером от 0,4 до 1,7 мм, может служить отдельно как фильтрующая загрузка, имеет полную адсорбционную емкость, возможна регенерация [6].

Преимущества совместного применения методов окисления и сорбции. Применение сразу двух технологии очистки окисления и сорбции повышает качества очистки воды. Если при окислении обрабатываемой воды уничтожаются все органические загрязнения, удаляется лишний запах и мутность то сорбция способствует удалению продуктов окисления на заключительном этапе обработки воды. Также повышается глубина очистки воды, продлевается срок работы сорбента, повышается надежность работы водоочистной станции. Таким образом методы окисления и сорбции не просто дополняют друг друга, а в целом и гарантируют требуемое качество воды.

Литература:

1. СанПиН РК 3.01.067–97 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»
2. https://watermagazine.ru/nauchnye-stati2/novye-stati/23915-ochistka-vody-pit-evogo-kachestva-s-ispol-zovaniem-okislitel-nykh-metodov.html
3. http://reinolds.com.ua/sistemi_ochistki_vodi/okislenie.php
4. https://tk-pozitron.ru/tekhnologii/vodopodgotovka/
5. Водоподготовка и оборудование. Grundfos. Основные понятия и определения. Дозирование и дезинфекция, 2010 — с. 145, 22–33
6. ЖКХ Развитие. Справочник наилучших эффективных технологии. Базовые материалы. Д. А. Данилович, Москва, 2015 — с. 96,