Очищення води за допомогою озонування

Вступ
Прогрес людства,розвиток культури і саме життя знаходяться в прямій залежності від запасів,збереження і використання води.
Загальні запасиводи на земній кулі за оцінкою М.І. Львовича складають 1455 млн. км3,з них тільки 28 млн. км3, або близько 1,9 %, складають прісні води,дебіт яких катастрофічно знижується із-за наростаючого забруднення гідросферинеочищеними стічними водами. Решта вод — солоні, з різним ступенеммінералізації, непридатні без спеціальної обробки для промислового,сільськогосподарського і господарський-питного використання.
От чому охорона іраціональне використання водних ресурсів — одна з глобальних проблемсучасності.
Стрімкий розвитокнауково-технічної революції, бурхливе зростання промисловості, транспорту,збільшення чисельності і урбанізація населення, хімізаціясільськогосподарського виробництва — ці та інші чинники призводять допідвищеного використання природних ресурсів та діють на стан водного басейну.
Науково-технічнаполітика в області очищення природних вод на найближчу перспективу передбачаєнапрям зусиль численних науково-дослідних, проектно-конструкторських ітехнологічних організацій на подальшу розробку теоретичної бази хімії ітехнології води, впровадження нових технологічних процесів, створення сучасноговодоочисного устаткування, приладів, засобів автоматизації, нових реагентів іматеріалів, що дозволяють підвищити продуктивність праці і економічністьвиробництва.
В наш час набуваєпопулярності очистка води за допомогою озону. Ця тема вважається доситьактуальною, адже має ряд переваг в порівнянні з іншими методами очистки.
Метою цієї роботиє дослідження процесу озонування води та знебарвлення забарвлених розчинів задопомогою озону.

1. Очищення водивід органічних сполук
У природних водахдо органічних домішок відносять гумусові речовини, що вимиваються з грунтів іторфянників, а також органічні речовини різних типів та їх з'єднання, у томучислі їхні комплекси з залізом.
Наявність у водіорганічних речовин антропогенного походження становлять серйозну загрозуздоров'ю людини.
Останнім часомпосилилося забруднення поверхневих і підземних джерел водопостачання речовинамиантропогенного походження, до яких належать добрива і отрутохімікати,недостатньо очищені стічні води, що містять нафтопродукти, барвники,поверхнево-активні речовини та інші сполуки.
Очищення води відорганічних забруднень як правило проводять двома методами:
1. Окислення(руйнування);
2. Сорбція(поглинання)
Очистку води відорагнічних забруднень в якості окислювачів використовують — хлор, озон, кисень,в деяких випадках перманганат калію.
Про чистку водивід органічних забруднень також можна здійснювати сорбцією, коагуляцією імембранними методами.
Окислювальнийметод очищення води від органічних забруднень
Хлор є гарним дезинфіктантомі його бактерицидну дію проявляється по відношенню до бактерій і деяких видіввірусів. Знезаражуючий ефект залежить від дози хлору, час його контакту з водоюта інших умов. У реакцію взаємодії з хлором можуть вступати різні хімічнісполуки.
Окислення хлоромпіддаються природні гумінові речовини, що обумовлюють кольоровість води. Єдані, що хлорування порушує стійкість колоїдних частинок водного гумусу,сприяючи їх коагуляції.
Метапрехлорування – попередня обробка води перед очисними спорудами для поліпшенняабо полегшення подальшого її очищення.
Прехлорування вразі погіршення якості води за бактеріологічними показниками, появи неприємнихзапахів присмаків повинно проводитися підвищеними дозами, відповідними точціперелому на кривій хлоропоглинанні, або великими. Вільний активний хлор в більшостівипадків забезпечує значне поліпшення якості води за рахунок активногоокислення органічних речовин.
Постхлоруваннявикористовується для знезараження води, яке є завершальним етапом очищенняводи. Постхлорування проводиться невеликими дозами, що забезпечують наявністьзалишкового хлору після резервуарів чистої води на рівні вимог ГОСТ 2874-82.надлишок хлору, недопустимий по гігієнічних міркуваннях, перед подачею води населеннюмає бути видалений.
Для дехлоруванняпитної води використовують сірчистий газ SО2 (ГОСТ 2918) ігіпосульфіт натрію Na2S2O3 (ГОСТ 4215), а такожгранульоване активоване вугілля і аміак NН3 (ГОСТ 6221). Витрати цихреагентів на 1 мг/л активного хлору наступні: SО2 – 0,9 мг/л; Na2S2O3– 0,8-7,1 мг/л; NН3 – 0,13 мг/л.
Активованевугілля 1,5-2,5 мм використовується як завантаження фільтрів шаром 2,5 м, швидкість фільтрування досягає 20-30 м/ч. Крім того, запропонований ряд комбінованих методівхлорування води: хлорування з амонізацією, хлорування з мангануванням,хлор-серебряний метод.

2. Хімічнівластивості озону
Озон — безбарвнийгаз із сильним своєрідним запахом, токсичний, вибухонебезпечний, порівнянолегко самовільно розкладається. У чистому і сухому повітрі розкладання йоговідбувається повільніше, ніж у вологому і забрудненому. Численнимидослідженнями встановлено, що озон має високу бактерицидну дію. Крім того,відзначено більш сильну дію озону на спорові форми, а також і більш швидкезнезаражуючі дії озону в порівнянні з хлором. Разом з тим обробка води озономмає свої особливості, які часто не дозволяють реалізувати його переваги якзнезаражуючого реагенту. У зв'язку з цим у практиці іноді разом з обробкою водиозоном перед подачею в мережу її піддають додатковому знезараженню хлором.
В останні рокизріс інтерес до озону як речовини, здатного видаляти з води органічнізабруднення. Згідно з даними ряду авторів, окилювальну дію озону на органічніречовини може протікати в різних формах: безпосереднє окислення шляхом втратиатома кисню, а також шляхом впровадження молекулярного озону в молекулуречовини (озоналіз); каталітичну дію, збільшуючи окисну роль кисню, щоміститься в озонованому повітрі.
В результатіокислення також утворюються шкідливі речовини, які необхідно видаляти, щопризводить до ускладнення технологічного процесу і збільшує вартість очищенняводи.
Озон — ценестійкий трьохатомний кисень, що володіє сильними знезаражувальнимивластивостями і що є сильним окислювачем. Озон руйнує органічні сполуки імікроорганізми, при цьому розкладаючись на кисень.
О3 = О2+ О – 100,56 кДж;                                                                      (2.1)
О + О3= 2О2 + 398,05 кДж;                                                          (2.2)
Сумарна реакція:

2О2 =3О2 + 297,49 кДж.                                                                        (2.3)
Озон — алотропнамодифікація кисню (О3). В нижніх шарах атмосфери його вмістнезначний. Найбільша його концентрація в стратосфері між висотами 10 і 40 км. Озон значно поглинає ультрафіолетову радіацію.
Проста речовина,алотропна видозміна кисню. Хімічно-активний газ синього кольору з різкимзапахом, сильний окиснювач. При великих концентраціях розкладається з вибухом.Утворюється з кисню при електричному розряді (наприклад, під час грози).Основна маса озону знаходиться у верхньому шарі атмосфери — озоносфері, нависоті від 10 до 50 км із максимумом концентрації на висоті 20-25 км. Цей шар охороняє живі організми Землі від шкідливого впливу короткохвильової ультрафіолетової радіаціїСонця (може викликати рак шкіри). Зараз під впливом хлорфторвуглеців цей шарруйнується, що може негативно вплинути на жителів Землі. У багатьох країнахвикористання таких речовин, що входять у різні аерозолі, заборонено. Упромисловості озон одержують під дією на повітря електричного заряду, йоговикористовують, зокрема, для знезаражування води і повітря.
Температуракипіння озону −112 °C; вага 1 л — 2,14 г. Утворює озоніди (сполуки лужних металів і амонію, які містять аніони О3-). Легко розкладається (О3→ О + О2). Вміст у повітрі: влітку — до 7•10-6%об'ємних, взимку — 2•10-6%. На висоті 20-25 км знаходиться прошарок в атмосфері Землі, де концентрація озону найбільша (так званий озоновийпрошарок). Саме він захищає Землю від ультрафіолетового випромінювання космосу.У другій половині ХХ ст. зафіксована тенденція до потоншання цього прошарку інавіть утворення «озонових дірок» — областей зі зниженою концентрацією озону возоновому прошарку. Це явище пов'язують із антропогенним забрудненняматмосфери, зокрема фреонами. Озон утворюється при дії електричного розряду абоультрафіолетового випромінювання на повітря. Використовується у хімічномусинтезі, для стерилізації води, для дезинфекції й дезодорації повітря,вибілювання тканин, паперу, мінеральних масел тощо. Бактерицидний засіб. Ємутагеном. Гранично допустима концентрація у повітрі — 1 мг/м3.
Озон має дужевисоку окислювальну здатність (Е0=+2,07 В; в лужному середовищі Е0=1,24В) і за нормальної температури руйнує багато органічних сполук. Під часозонування одночасно відбувається окиснення домішок, знебарвлення, дезодорація,знезараження стічної води та насичення її киснем.
Молекула озонутриатомна й має трикутну будову (рисунок.2.1).
/>
Рисунок 2.1 Будовамолекули озону
За тиску 0,1 МПаі 0оС в 1 дм3 води розчиняється 1,42 г озону, при 10оС—1,04 г, при 30оС—0,45 г. Розчинність озону у воді залежитьвід величини рН та кількості домішок у воді. За наявності кислот і солейрозчинність озону у воді зростає, за наявності лугів – зменшується. Озондисоціює на повітрі та у водному розчині, перетворюючись на оксиген. У водномурозчині озон дисоціює швидше. Розкладання озону у воді різко зростає в разіпідвищення рН та температури. Стійкість озону в нейтральному та кисломусередовищах пов’язана з утворенням асоціатів НО3+,гідратна оболонка яких уповільнює реакцію:
О3 + Н2О= О2 + О + Н2О                                                              (2.4)
Розкладання озонуу воді прискорюється за наявності активованого вугілля, металів змінноївалентності (мангану, кобальту, феруму) деяких оксидів (Р2О5),пероксиду барію (ВаО2). Такі матеріали, як фторо- та хлоровмісніпластмаси, скло, деякі матеріали, не вливають на стійкість озону.
В основупромислового одержання озону покладено реакцію розщеплення молекули кисню наатоми під дією тихого або бар’єрного розряду. Висока реакційна здатність озонузумовлена великою надлишковою енергією молекули:
О3 =3/2 О2 + 100 кДж/моль                                                          (2.5)
Озон реагує знасиченими органічними сполуками з утворенням вільних радикалів. Лімітуючоюстадією процесу є вплив озону на зв'язок С-Н
RH + O3= R. + HO. + O2 ( або R + HO.3).                                               (2.6)
Радикали R.,які утворилися в атмосфері оксисену, переважно перетворюються на пероксидрадикали помірної активності. Тому ланцюгова реакція окиснення може виникнутилише за достатньо високої температури, коли швидкість реакції зростання ланцюгаперевищує реакцію його обірванця. За невисокої температури окиснення озономвідбувається як не ланцюгова реакція з утворенням гілроксигідропероксидів:
R. + О2= RО2.;                                                                                                                                     (2.7)
RО2.+ RH = RООH + R..                                                               (2.8)
Альдегіди в своючергу, окислюються до надто кислот, які розкладаються в розбавлених воднихрозчинах до органічних кислот та пероксиду гідрогену. Паралельно можевідбуватися реакція окиснення гідроксильного радикалу:
HO. +O3 = HO2. + O2                                                                                                                   (2.9)

з наступноюкомбінацією пероксид радикалів:
2HO2.= Н2О2 + O2.                                                                (2.10)
Проте насправдіпероксид гідрогену не накопичується і витрата озону в нейтральному та кисломусередовищах відповідає реакції
R-CH2OH+ 2O3 = RCOOH + 2O2 + H2O.                                               (2.11)
Мабуть, у моментвиділення пероксид гідрогену реагує з озоном:
H2O2+ O3 = H2O + 2O2.                                                                          (2.12)
Крім того,можливо, що озон витрачається на розкладання гідрокси – гідроксипероксидів танадкислот. Швидкість реакції за цих умов зростає, що, ймовірно, зумовленорозкладання пероксид гідрогену, гідропероксиду, надкислоти та озону. Одночаснезбільшення кількості генерованих первинних радикалів ініціює процес окиснення.Отже для прискорення процесу ініціювання процес окиснення озоном доцільнопроводити в лужному середовищі. Для більшості органічних сполук проміжними такінцевими продуктами окиснення є спирти, альдегіди(кетони) та кислоти [1].
Озон утворюєтьсяз кисню. Його синтез може бути здійснений різними методами; найбільш поширенимиє: електролітичний, хімічний, фотохімічний і електросинтез. Крім того, озонотримують при іонізуючих випромінюваннях.
1. Електролітичнийметод. Синтезу озону відомий давно. Механізм же утворення озону велектролітичних процесах до теперішнього часу до кінця ще не вивчений.
Синтез озонуздійснюють в спеціальних комірках, в ролі електролітів використовують розчинирізних кислот (H2SO4, НС1О4) або їх солі (NaClO4>КСlO4 і ін.) Кислоти або їх солі, що беруть участь в реакціяхелектролізу, не віддають свого кисню, а при утворенні озону відбуваєтьсярозкладання іонів і радикалів:
Н2О+О2= Оз+2Н+ +2е                                                                   (2.10)
Електролітичним способомможна отримати концентрований озон (30—58%-ний), наприклад при електролізі40%-ній оксихлоридный кислоти з охолодженими до —65° З платиновими анодами;середня температура електроліту повинна наближатися до температури замерзання(—56° С). Густина струму на аноді —0,13— 2,16 А/дм2, напруга —8—13В, загальний тиск над електролітом — в межах 10—100 мм рт. ст. При електролізірозчинів солей утворення озону йде ефективніше, ніж при електролізі розчинівкислот, сам процес стабільніший, максимальний вихід по струму озону досягаєтьсяза мінімальний час (10 хв), переривання струму не змінює синтезу озону [2].
2. Фотохімічнеутворення озону відбувається в основному в природних умовах за рахунок діїсонячної радіації. Проте фотохімічно неможливо отримати озон у високихконцентраціях. Основна область фотохімічного здобуття озону в малихконцентраціях — це лабораторна практика (вивчення біологічної дії озону,випробування гум, клеїв, озонування повітря у виробничих приміщеннях і ін.).
На практиці озонотримують в спеціальних апаратах – озонаторах, в яких повітря з певноюшвидкістю пропускається між двома електродами, що з’єднані з джерелом живлення(5 – 20 кВ) [6]. Конструктивно електроди виконані у вигляді двох концентричнорозміщених циліндрів різного діаметру (рисунок2.2) або у вигляді двохпаралельних пластин (рисунок 2.3).

/>
Рисунок 2.2Розміщення електродів та діалектрика в трубчастому озонаторі
1 – трубка знержавіючої сталі( електрод низької напруги; 2 – склянна трубка;
3 – фольга(електрод високої напруги).
Для отриманнятихого розряду електроди озонаторів розділюють діалектриком с максимальноможливим гранично поверхневим опором і
/>
Рисунок 2.3 Розміщенняелектродів та діалектрика в пластинчастому озонаторі
1 – пластинказвичайного скла (діалектрик); 2 – профільні пластинки; 3 – пола пластинка ізлистового алюмінію

Для отриманнятихого розряду електроди озонаторів розділюють діалектриком с максимальноможливим гранично поверхневим опором і діалектричною сталою. Шар такогоматеріалу слугує діалектричним бар’єром, що виключає отримання іскрового чидугового розряду та обумовлює рівномірну структуру тихого розкладу. Одночасновін слугує реактивним буферним опором, що обмежує струм в ланцюгу розряду. В якостідіалектриків використовуються звичайне або боросилікатне скло, емаль,пластмаси.
В зв’язку з тим,що 85 – 95% енергії, яку споживає озонатор затрачається на тепловиділення,електродну систему необхідно охолоджувати, бо озон при підвищеній температурішвидко розкладається. Основною величиною, що визначає синтез озону, слугуєпотужність розряду, віднесена до витрати газу, тобто, кількість енергії, щоприходиться на об’єм пропущеного через озонатор газу.
2.1 Сорбційнийметод очищення води на активованих вугіллях в поєднанні з озонуванням
Сорбційні методиочищення води засновані на процесах адсорбції та іонного обміну. Вилученняіонів з розчину здійснюється методом іонного обміну. Витяг молекул з розчинуздійснюється методом адсорбції [7].
Найбільш поширеніадсорбенти — активні (активоване) вугілля різних марок. Активні вугілля єпористі вуглецеві тіла, зернові або порошкоподібні, що мають велику площуповерхні. Неоднорідна маса, що складається з кристалітів графіту та аморфноговуглецю, визначає своєрідну пористу структуру активних вугіль, а також їхадсорбційні та фізико-механічні властивості. Пориста структура активних вугіль(рисунок2.1.1) характеризується наявністю розвиненої системи пір, які класифікуються зарозмірами в такий спосіб:
• вугілля змікропорами — з розміром до 20 A,
• вугілля змезопорами — з розміром 20-500 A,
• вугілля змакропорами — з розміром більше 500 A
/>
Рисунок 2.1.1 Пористаструктура активних вугіль
Адсорбційнівластивості активних вугіль оцінюються кількістю модельної речовини, сорбованоїодиницею маси вугілля за певних умов, а також часом захисної дії одиниці об'ємувугілля до повного його насичення.
Підвищенаокислювальна здатність озону у воді ефективно використовується для розкладаннявеликої кількості органічних речовин, розчинених у виробничих стічних водах(СВ) підприємств текстильною, коксохімічною, целюлозно-паперовою нафтохімічноюі інших галузях промисловості.
2.2 Очищення водиза допомогою озонування
Озонуваннястічних вод з метою їх очищення найраціональніше, коли концентраціїзабруднюючих речовин знаходяться в діапазоні від декількох мг/л до 100-200мг/л.
Очищення водиозонуванням протікає по одній з чотирьох реакцій: прямого окислення, непрямогоокислення, каталізу або озоноліза. Окрім хімічної дії, озон проявляє себе і якфлокулянта, що дозволяє застосовувати його вже на стадії механічної обробкиводи для коагуляції зважених часток. В таблиці 2.2.1 приведені дані поокисленню деяких важкокисляємих речовин [6].
Таблиця 2.2.1
Дані по окисненнюозономРечовина Дані по окисненню озоном Феноли та його похідні Всі феноли при озонування з розкриттям бензольного кільця; хлор-, нітро- та аміно- феноли при окиснення відповідно утворюють хлорид та нітрид-іони. Питома витрата озону залежить від вигляду похідних фенолу, величини рН і вагається від 0.4 до 2.5 мг/мг фенолу. Міра очищення складає 97-98%. Гідролізний лігнін та гуміноподіні речовини Дані з'єднання містяться в стоках мікробіологічних виробництв (дріжджове, спиртне, гідролізне, лимонної кислоти і ін.). Витрату озону складає всього 10-35 мг/л стічної води. Водорозчинні смоли Містяться в стоках підприємств по виробництву деревно-волокнистих і деревно-стружкових плит, виготовлення пластмас і лаків. Дані з'єднання інтенсивно розкладаються озоном, при цьому хінон і гідрохінон не виявляються в стоках. Витрата озону при цьому складає 0.5-1.0 мг/розчиненої смоли. Міра очищення – не нижче 90%. СПАР Речовини цього ряду поширені в стоках виробництв синтетичних миючих засобів. СПАВ добре окислюються в будь-яких середовищах при питомій витраті озону 1-20 мг/ мг речовини. Барвники Метод озонування є універсальним по відношенню до всіх основних груп фарбників, розчинних у воді. Він дозволяє не лише видалити забарвлення води, але і підвищити її здатність до її подальшому очищенню. Стирол При початковій концентрації 50-150 мг/л можлива ефективність очищення до 90%.
Компанією «ЕЛЕКТРОЕКОЛОГІЯ»розроблена і виготовлена установка озонно-електрокоагуляційної очистки стічнихвод «ЕЛОН». Дана установка водоочистки складається з блоку озонування,електрокоагулятора і відстійника[8].
До складу системиочищення входить фільтр для ознепилення вуличного повітря (2), осушувач повітря(3) і генератор озону (4). Вуличне повітря забирається компресором, і післяочищення від пилу і вологи — використовується для приготування озоно-повітряноїсуміші. Електрокоагулятором (6) є контактний апарат, що містить розчинніалюмінієві електроди, куди одночасно подається стічна вода на очищення іпідготовлена озоно-повітряна суміш. Розподільний пристрій в апараті забезпечує розчинення на 95-99%озоно-повітряній суміші у воді, що приводить до ефективного розподілуозоно-повітряної суміші по перетину апарату. Поєднання процесуелектрокоагуляції і проходження озоноліза сприяє збільшенню ефективностіпроцесу очищення у декілька разів.
Зведені данівипробувань дослідної установки озоно-електролізного очищення води«ЕЛОН» на ОАО «СПБ картонно-поліграфічний комбінат»приведені в таблиці 2.2.2. Витрати на експлуатацію даної установки — вжитокелектроенергії і алюмінієві розчинні електроди. При очищенні 2 м3/чстічної води споживається 10 електродів в перебігу 1 місяця; енергоспоживання — 10-15 кВт.
Таблиця 2.2.2
Результатианалізу проб стічної водиІнгредієнти, що визначаються
Вихідні концентрації, мг/м3 Степінь очищення, % ХПК 160000 84,1 Азот нітритів 0,130±0,017 92,3 Азот амонійний 0,184±0,024 75,5 Цвітность, ЗХКШ 1200±2 80,5 Нафтопродуктт 0,27±0,03 81,5 Сульфати 43,27±7,46 89,4 Мідь 1,14±0,21 81,5 Зважені речовини 11066±5 83,8 Мікробіологічні показники До установки Після установки Загальне мікробне число 220 7000 1 Число загальних колі формних бактерій, КОЕ/100 мл 500 – Число термотолерантних коліформних бактерій КОЕ/100 мл 24000 – Колі фаги, КОЕ/100 мл 60 –

3. Принциповітехнологічні схеми вживання озону і активного вугілля на водоочисних станціях
Залежно відякісного і кількісного складу забруднень вододжерела можливі різні варіантивживання озону в технологічній схемі очищення води (рисунку 3.1 і 3.2). На рисунку3.1 представлена традиційна схема очищення води з відстійниками і фільтрами, нарисунку 3.2 — схема з контактними освітлювачами. Одноступінчате озонування:використання озону на стадії попереднього окислення води або післякоагуляційного її очищення перед піщаними або вугільними фільтрами. Двоступінчатеозонування: попереднє озонування і озонування після коагуляційної обробки води.Триступінчате озонування: попереднє озонування, після коагуляційної обробки іозонування після повного очищення води. Первинне озонування (передозонування)проводиться з метою окислення легкоокислюваних органічних і неорганічнихзабруднень, поліпшення процесу коагуляції, а також для часткового знезараженняводи. В цьому випадку вихідна вода обробляється невеликими дозами озону.Вторинне озонування води дозволяє здійснити подальше глибше окисленнязабруднень, що залишилися, і, крім того, підвищує ефективність сорбційногоочищення і подовжує термін служби активного вугілля до регенерації, в даномувипадку озон вводиться перед піщаними або вугільними фільтрами. Завершальнеозонування очищеної води забезпечує повне знезараження і покращуєорганолептичні показники води. По числу місць введення озону встановлюютьсяконтактні камери, в яких відбувається змішення озоноповітряної суміші з водою.Для міських водоочисних станцій зазвичай використовують барботажні басейни; якдиспергатори можуть застосовуватися металло-керамічні труби (або пластани) абоспеціальні насадки з нержавіючої сталі, що встановлюються на трубопроводах.

/>Рисунок3.1 Застосування озону і активного вугілля на станціях з двоступінчастою схемоюочищення води
1 — подача річковоїводи; 2 — первинне озонування; 3 — первинне хлорування (при необхідності); 4 — введення коагулянта; 5 — змішувач; 6 — відстійник (або освітлювач із зваженимосадом); 7 — вторинне озонування; 8 — піщаний фільтр; 9 — вугільний фільтр; 10- третинне озонування; 11 — вторинне хлорування; 12 — резервуар чистої води; 13- подача питної води споживачеві
/>
Рисунок 3.2 Застосуванняозону і активного вугілля для очищення води на станціях з контактнимиосвітлювачами:
1 — подачарічкової води; 2 — первинне озонування: 3 — первинне хлорування (принеобхідності); 4 — введення коагулянта; 5 — вхідна камера; 6 — сітчастийбарабанний фільтр; 7 — контактний освітлювач; 8 — вторинне озонування; 9 — вугільний фільтр; 10 — третинне озонування; 11 — вторинне хлорування; 12 — резервуар чистої води; 13 — подача питної води споживачеві.
Контактні камериможуть працювати як в протиточному, так і в прямоточному режимах, причому припротиточному методі змішення коефіцієнт використання озону підвищується до 0,93- 0,97. До складу комплекту устаткування озонаторной станції входять:компресори, установки для очищення і осушення повітря, генератори озону, силовіенергетичні установки, апарат каталітичного розкладання озону.

4. Технологічнаефективність спільного вживання озону і активного вугілля
Говорити проефективність будь-якої технології, а тим більше озонуванні і сорбційногоочищення води, в загальному вигляді неможливо. В кожному випадку для даногоконкретного об'єкту вода природних вододжерел характеризується різнимифизико-хімічними показниками, різними концентраціями і природою забруднень.Тому судити про ефективність цих методів можна лише для реальних випадків,кожен з яких, до того ж, має і свою схему очищення води[6].
В разі попередньогоокислення води озоном можна зменшити концентрацію хлорорганічних з'єднань (ХОЗ).Результати досліджень за визначенням ефективності попереднього озонування водина утворення ХОС (р. Балахна) представлені на рисунок 4.1
/>
Рисунок 4.1 Впливпопереднього озонування води на утворення ХОС в процесі очищення (р. Балахна): 1- без озонування; 2 — з озонуванням

Як видно зотриманих даних, в результаті попередньої обробки води озоном (доза озону 1,8мг/л) відбувається окислення (деструкція) деяких органічних сполук — попередників ХОЗ, і концентрація тих, що утворюються при подальшому хлоруванніХОЗ в очищеній воді істотно менше, ніж в разі обробки хлором неозонованої води.Так, концентрація хлороформу зменшується в середньому на 30–35 %,діхлорбромметана і чотирихлористого вуглецю — відповідно на 80 і 50 %. Крімтого, зменшується хлоропоглинаємість озонованої води, у зв'язку з чимзнижується (приблизно на 15– 20 %) необхідна для знезараження води доза хлору.
Характерні даніпоказані на рисунок 4.2, після обробки води, очищеної на фільтрах станціїКемеровського водопроводу. Цими дослідженнями встановлено, що за наявності уводі після фільтру хлороформу в концентрації 0,13 мг/л, його концентраціязменшувалася із збільшенням доз озону і істотно знижувалася після очищення водина вугільному завантаженні.
/>
Рисунок 4.2 Змінаконцентрації ХОЗ при обробці води після виробничого фільтру станції озоном івугіллям (м. Кемерово): 1 — озонована вода; 2 — вода після сорбційного очищення

Дослідження повпливу попереднього озонування на процес подальшої коагуляційної обробкипоказали, що введення озону зменшує цвітність, каламутність і окислюваністьводи. Вплив озонування води на протікання процесів коагуляції і освітленняпредставлений характерними залежностями при очищенні води р. Оки (м. Рязань) нарисунок 4.3. У всіх вивчених випадках після попереднього озонуваннянаголошується істотне зниження потрібної для її очищення дози коагулянту (на 20- 30 %)
/>
Рисунок 4.3 Впливпопереднього озонування на процес коагуляції і освітлення води (м. Рязань): 1 — без озонування; 2 — з озонуванням (доза озону — 2,5 мг/л)
При встановленніефективності комплексного очищення води для міст Центральної Європейськоїчастини РФ від різних забруднень: м. м. Ярославль (р. Которосль), Рязань (р.Ока), Володимир (р. Клязьма), Балахна і Котячий (Нижньогородська обл., р.Волга) були розглянуті різні схеми, що включають коагуляцію, попереднєозонування, освітлення води, вторинне озонування і сорбційне очищення.
Було встановлено,що майже у всіх випадках найбільш ефективними по відношенню до такихпоказників, як каламутність, цвітність, перманганатна окислюваність, ХПК, нафтопродукти,залишковий алюміній, є схеми з двохетапним озонуванням води. Така технологічнасхема забезпечувала видалення органічних забрудненні по окислюваності — на 80 — 85 %, по уф-показнику — на 95 — 99 %, по нафтопродуктах — на 90 — 95 %.
Дані по ефективностівидалення фенолів води (м. Кемерово) (рис.4.4) Томська, показують, що сорбційнеочищення знижувало концентрацію фенолу з 0,009 до 0,0038 мг/л, тобто до рівняблизько 4 ГДК. І лише попереднє озонування води дозою 2 — 3 мг/л з подальшимфільтруванням на вугіллі забезпечували повне видалення фенолів. Для видаленняз'єднань групи амінів (рисунок 4.4) потрібні підвищені дози озону 5 — 6 мг/л,які з подальшим фільтруванням води через активне вугілля дозволили понизитиконцентрацію амінів до необхідних величин.
/>
Рисунок 4.4Видалення фенолів і амінів: 1 — вихідна вода; 2 — озонована вода; 3 — водапісля вугільного завантаження

Особливу групувод складають кольорові води. Вода багатьох північних і сибірських річок(Західна Двіна, Сухона, Вичегда, Олена, Алдан і ін.), ряду озер і водосховищхарактеризується малим вмістом суспензії і високою кольоровістю — до 100 — 240град. Крім того, на території Росії є великі запаси підземних вод (Якутія,Ростовська обл., Краснодарський край), які не використовуються длягосподарсько-питного водопостачання із-за високої кольоровості.
Останніми рокамибула досліджена технологія очищення вод середньої і високої цвітності і звикористанням спільного вживання процесів озонування і фільтрування черезактивне вугілля як самостійного методу обробки води. Озонування води дозволяєістотно понизити забарвлення природної води; ефективність озонуванняпредставлена на рисунку 4.5 Дози озону, потрібні для очищення води, доситьвисокі і складають 15 — 20 мг/л. При цьому цвітність води після озонуваннязнижується до величини 30 — 35 град, а сорбційне очищення зменшує цвітність донормованих величин.
/>
Рисунок 4.5Ефективність очищення кольорових вод озонуванням (р. Приморсько-АхтарськКраснодарського краю): 1 — цвітність води; 2 – окислюваність

При озонуванніводи постійно перевіряли ефективність її знезараження. Проведенібактеріологічні спостереження, зокрема, в м. Рязані підтвердили високубактерицидну здатність озону: при дозах озону 3 — 4 міліграми/л колі-індекс возонованій воді не перевищував 3 (при величині колі-індексу в річковій воді — 100000 — 300000), а середнє мікробне число складало 12 — 15 м. т./мл (у річковій воді — від 1400 до 2300 м. т./мл).
Таким чином,представлені вище приклади, показують найбільш характерні випадки позитивноговживання озону і активного вугілля в технології очищення води, які безумовно неохоплюють всього різноманіття варіантів використання окислювально-сорбційногометоду очищення і видалення з води всіх забруднень, що зустрічаються в ній.Проте на практиці наголошуються випадки, коли озонування може привести і допогіршення процесу коагуляції. Так, при очищенні річкової води в р. Калтан(Кемеровська обл.) в період весняного паводку, попереднє озонування погіршувалоподальші процеси коагуляції і освітлення, в результаті якість очищеної води невідповідала вимогам стандарту. Отримані результати привели до того, що з схеми очищення було виключенопервинне озонування і замінено на введення озону перед фільтрувальнимиспорудами. При озонуванні деяких воддози озону істотно впливають на подальші процеси очищення, тобто існує доситьвузький діапазон їх оптимальних значень, менше якого озонування неефективне, апри великих дозах наголошується поява суспензії у фільтрованій воді іпідвищується концентрація залишкового алюмінію. У ряді випадків озонування водиможе привести до підвищення концентрації деяких хімічних забруднень, наприклад,фенолів, які можуть утворюватися в результаті неповного окислення ароматичнихз'єднань, присутніх у воді. Результати досліджень при озонуванні р. Которосль(м. Ярославль) показують, що концентрація фенолів зменшується або збільшуєтьсязалежно від якості вихідної води і дози озону.
Крім того,відомо, що в процесі озонування води можливе утворення побічних продуктів, зяких найбільш показним є формальдегід. Тому у всіх дослідженнях по озонуваннюпостійно контролювали концентрацію формальдегіду в оброблюваній воді, величинаякої періодично перевищувала ГДК (0,05 міліграм/л). Проте при подальшомусорбційному очищенні на вугільних фільтрах вміст формальдегіду істотнозменшується.
Необхідно такожмати на увазі, що використовувати озон як єдиний знезаражувальний реагентнеможливо, оскільки він не володіє пролонгуючою бактерицидною дією. Крім того,при озонуванні води багато органічних забруднень піддаються деструкції, врезультаті збільшується кількість біорозкладаних з'єднань, у воді підвищуєтьсяконцентрація так званого «асимільованого органічного вуглецю», який легкозасвоюється мікроорганізмами, сприяючи їх життєдіяльності.
Крім того, приозонуванні води багато органічних забруднень піддаються деструкції, врезультаті збільшується кількість біорозкладаних з'єднань, у воді підвищуєтьсяконцентрація так званого «асимільованого органічного вуглецю», який легкозасвоюється мікроорганізмами, сприяючи їх життєдіяльності. Це створюєсприятливі умови для повторного бактерійного забруднення очищеної води у водопровідніймережі.
Тому для надійноїроботи водопровідних мереж необхідне остаточне знезараження води проводитихлорвмісними реагентами (хлором, гіпохлоритом натрію — електролітичним абохімічним, хлорамінами) дозами, що забезпечують вміст у воді залишкового хлоруна рівні 0,3 — 0,5 мг/л, що гарантує повний знезаражувальний ефект.
Таким чином,завданням цього розділу було показати, що у всіх випадках вживання методівозонування і сорбційного очищення води необхідне проведення передпроектнихтехнологічних досліджень.
Ці дослідженнязможуть визначити всі позитивні і можливі негативні моменти вживання озону, ілише вони дозволять встановити ефективність озонування і сорбційного очищення,необхідні дози озону, необхідні місця введення озону, вплив озону на основніпроцеси очищення води і можливість поєднання озонування з подальшим сорбційнимочищенням.
5. Застосуваннятехнології озонування і сорбційного очищення води на локальних установках
Останніми рокамидля малих населених місць, санаторіїв, будинків відпочинку, сільських селищ,гарнізонів і військових містечок знайшли широке вживання установки заводськоговиготовлення, що випускаються російською та українською промисловістю.
Продуктивністьцих установок змінюється в діапазоні від 100 до 10000 м3/добу.
Для очищенняпідземних вод від заліза і марганцю використовуються установки типа «Деферит»[7].Для очищення підземних вод, що містять складніші форми заліза, підвищенихконцентрацій фтору і солей жорсткості, а також для поверхневих водвикористовуються установки «Струмінь-М». Для досить великих комунальнихспоживачів розроблені і виготовляються водоочисні станції заводськоговиготовлення типа «Роса» продуктивністю від 1,6 до 1000 м3/добу
За наявності вджерелах водопостачання хімічних забруднень (фенолів, нафтопродуктів),органічних сполук, а також наявності підвищених концентрацій марганцю ісірководню, всі вказані типи установок можуть бути додатково оснащені блокамиозонування і сорбційного очищення води..
При цьомупродуктивність озонаторів може змінюватися від 100 г до 2 кг/ч. Для сорбційного очищення слід використовувати додаткові фільтри в кількості меншомув 1,5 — 2 рази, чим піщаних. Для оснащення водоочисних установок вказанимустаткуванням потрібне додаткове конструкторське опрацювання в розробцікреслень дообладнання до кожного розміру установок.

6. Експерементальнідослідження
Для встановленнязакономірностей очищення води за допомогою деструкційних методів було проведеносерії дослідів по вивченню впливу озону на очистку модельних розчинів.
6.1 Визначеннямасової частки озону в озоно-повітряній суміші (ОПС).
/>
Рисунок. 6.1 Схемаустановки озонування води
1 – компресор; 2– фільтр-осушник; 3 – манометр; 4 – система регулювання тиску; 5 – абсорбційнаколона; 5.1 – кран відбору проб; 5.2 – пориста перегородка; 5.3 – кришка; 6,7 –трьоходові крани; 8 – дрексель для аналізу; 9 – газовий годиник; 10 – вловлювачозону; 11 – захисна петля; 12 – озонатор.

Визначення озонув ОПС здійснюється об’ємнометричним методом. Для проведення аналізу дрексель 8заповнюють на 2/3 5÷10% розчином КІ. Вмикають компресор 1 за допомогоюсистеми 4 виставляють витрату ( при чому тиск на манометрі 3 не повиненперевищувати 0,15 МПа). Кран 6 повинен бути в положенні в обхід колони 5.Вмикають озонатор і виставляють напругу в межах 20÷35 кВ, пропускають 5÷10літрів ОПС, при чому фіксують час, за який ця суміш пройде дрексель 8. Об’єм встановлюютьза допомогою газового годинника 9. Розчин з дрекселя 8 кількісно переносять вколбу на титрування (на 500 мл), додають 20 мл 1н H2SO4та 5÷10 крапель 1% розчину крохмалу( крохмал має бути свіжоприготовленим).
Титрують отриманусуміш, до знебарвлення, розчином Na2S2O3 0.005н попередньо додавши 20 мл 1Н сульфатної кислоти.
Вміст O3 вОПС визначають за формулою:
X=(V(Na2S2O3)∙K∙0.005∙24)/V,                                                      (6.1.1)
де X – вміст O3в ОПС г/дм3,
V(Na2S2O3)– об’єм тіосульфату, що пішов на титрування,
К – поправочнийкоефіцієнт концентрації Na2S2O3,
0,005 –концентрація Na2S2O3,
24 – еквівалентозону,
V — об’єм ОПС.
Далі знаходимовитрату ОПС.
W= V/t;                                                                                           (6.1.2)
де V– витратаОПС, дм3/c,
t – час, за якийпройшло V літрів газу.
А потімвизначаємо концентрацію озону, яку продукує озонатор.

С(O3)= X∙W; г O3 / дм3.                                                                 (6.1.3)
6.2 Видаленнябарвників за допомогою озонування
Для проведеннядосліджень необхідно приготувати 1 дм3 води з концентрацією барвника40÷200 мг/дм3. (В якості барвника підійде будь-який барвникорганічної природи). 600 см3 отриманого розчину заливають вабсорбційну колону 5, в яку через пористу перегородку 5.2 подається ОПС.Закривають кришку 5.3. В разі коли немає необхідності у визначенні залишковогоозону кран 7 переводять у положення 1. При цьому газ після колонки 5 йде напоглинач 10.
Для визначеннязалишкового озону кран 7 переводять у положення 2 і проводять згідно методики О3в ОПС.
Для встановленнякінетики видалення барвників кожні 5 хв проводять визначення оптичної густини,пробу для аналізу відбирають через кран 5.1.
Перед початкомроботи визначають довжину хвилі для даного барвника та довжину кювети,використовуючи для цього вихідний розчин.
Ступіньосвітлення визначають по формулі:
Z=(Aвих-A)/Aвих∙100%;                                                          (6.2.1)
де Aвих– оптична густина вихідного розчину;
А – оптичнагустина розчину після озонування.
Для визначенняефективності очищення води за допомогою озонування були приготовані зразки(імітати) стічних вод, що містять наступні барвники: порціону оливково-зелений,та легко змивний червоний.
Проведені дослідиз барвником порціону оливково-зелений.
Проби барвників,що відбиралися через кожні 5 хв хвилі поміщені в окремі склянки, для визначенняоптичної густини. Довжина хвилі складала 400 нм, кювета l=20.055 мм, тобто 2 см.
В результатіпроведених досліджень були отримані наступні результати.
Дослід 1.
1. Напругаозонатора становить 25 кВ, об’єм газу, який пропускали становить 7 літрів,концентрація барвника 40мг/л.
На титруваннярозчину КI пішло 7 мл розчину Na2S2O3.
Визначимо вміст O3в ОПС за формулою (6.1.1)
/> г/дм3.
Витрата ОПСвідповідно формули (6.1.2) складе
W=7/164=0,0426 дм3/c
Концентраціяозону, яку продукує озонатор згідно формули (6.1.3) складе
С(O3)=0,12∙00,0426=0,00516 г O3 / дм3.
Оптична густина А0=0,56(вихідного розчину барвника).
Відповідно після5, 10, 15, 20, 25 були отримані такі значення оптичної густини: А5=0,54,А10=0,5, А15=0,46, А20=0,41, A25=0,40.
Для кожної точки визначаємоступінь освітлення визначають по формулі (6.2.1)
Z5=(0,56-0,54)/0,56=3,6%
Z10=(0,56-0,5)/0,56=10,71%
Z15=(0,56-0,46)/0,56=17,85%
Z20=(0,56-0,41)/0,56=26,78%
Z25=(0,56-0,4)/0,56=28,57%.
За отриманимирезультатами будуємо графік залежності ступеня освітлення(Z), від часу(t).
/>Рисунок6.2.1 Графік залежності ступеня освітлення(Z), від часу(t).
З графіку можназробити висновок: максимальна ступінь освітлення відбувається через 25 хвилин,при цьому досягається ступінь освітлення 28,57%.
2. Напругаозонатора становить 25 кВ, об’єм газу, який пропускали становить 5 літрів,концентрація барвника 40мг/л.
На титруваннярозчину КI пішло 11 мл розчину Na2S2O3.
Визначимо вміст O3в ОПС за формулою (6.1.1)
/> г/дм3.
Витрата ОПСвідповідно формули (6.1.2) складе

W=5/155=0,0322 дм3/c
Концентраціяозону, яку продукує озонатор згідно формули (6.1.3) складе
С(O3)=0,264∙0,0322=0,0085 г O3 / дм3.
Оптична густина А0=0,56(вихідного розчину барвника).
Відповідно після5, 10, 15, 20, 25 були отримані такі значення оптичної густини: А5=0,55,А10=0,52, А15=0,48, А20=0,42, A25=0,40.
Для кожної точкивизначаємо ступінь освітлення визначають по формулі (6.2.1)
Z5=(0,56-0,55)/0,56=1,78%
Z10=(0,56-0,52)/0,56=7,14%
Z15=(0,56-0,48)/0,56=14,28%
Z20=(0,56-0,42)/0,56=25%
Z25=(0,56-0,4)/0,56=28,65%.
За отриманимирезультатами будуємо графік залежності ступеня освітлення(Z), від часу(t).

/>Рисунок6.2.2 Графік залежності ступеня освітлення(Z), від часу(t).
З графіку можназробити висновок: максимальна ступінь освітлення відбувається через 25 хвилин,при цьому досягається ступінь освітлення 28,57%. Спираючись на рисунок 6.2.1можна спостерігати чітку закономірність, та правильність проведених дослідів.
Таким чином булопроведено серію дослідів, результати яких повністю співпали з результатами, якінаведені вище.
Проведені дослідиз барвником легко змивний червоний.
Проби барвників(легко змивного червоного), що відбиралися через кожні 5 хв хвилі поміщені вокремі склянки, для визначення оптичної густини. Довжина хвилі складала 540 нм,кювета l=20.055 мм, тобто 2 см.
В результаті проведенихдосліджень були отримані наступні результати.
Дослід 2.
1. Напругаозонатора становить 25 кВ, об’єм газу, який пропускали становить 7 літрів,концентрація барвника 20мг/л.
На титруваннярозчину КI пішло 3,3 мл розчину Na2S2O3.
Визначимо вміст O3в ОПС за формулою (6.1.1)

/> г/дм3.
Витрата ОПСвідповідно формули (6.1.2) складе
W=5/83=0,06 дм3/c
Концентраціяозону, яку продукує озонатор згідно формули (6.1.3) складе
С(O3)=0,0792∙0,06=0,0048 г O3 / дм3.
Оптична густина А0=0,7(вихідного розчину барвника).
Відповідно після5, 10, 15, 20, 25 були отримані такі значення оптичної густини: А5=0,62,А10=0,6, А15=0,57, А20=0,55, A25=0,52.
Для кожної точки визначаємоступінь освітлення визначають по формулі (6.2.1)
Z5=(0,7-0,62)/0,7=11,43%
Z10=(0,7-0,6)/0,7=14,28%
Z15=(0,7-0,57)/0,7=18,57%
Z20=(0,7-0,55)/0,7=21,42%
Z25=(0,7-0,52)/0,7=25,71%.
За отриманимирезультатами будуємо графік залежності ступеня освітлення(Z), від часу(t).

/>Рисунок6.2.3 Графік залежності ступеня освітлення(Z), від часу(t)
З графіку можназробити висновок: максимальна ступінь освітлення відбувається через 25 хвилин,при цьому досягається ступінь освітлення 25,71%.
2. Напругаозонатора становить 35 кВ, об’єм газу, який пропускали становить 7 літрів,концентрація барвника 20мг/л.
На титруваннярозчину КI пішло мл розчину Na2S2O3.
Визначимо вміст O3в ОПС за формулою (6.1.1)
 /> г/дм3.
Витрата ОПСвідповідно формули (6.1.2) складе
 W=5/84=0,059 дм3/c
Концентраціяозону, яку продукує озонатор згідно формули (6.1.3) складе

С(O3)=0,242∙0,059=0,0144 г O3 / дм3.
Оптична густина А0=0,7(вихідного розчину барвника).
Відповідно після5, 10, 15, 20, 25 були отримані такі значення оптичної густини: А5=0,62,А10=0,59, А15=0,57, А20=0,53, A25=0,5.
Для кожної точкивизначаємо ступінь освітлення визначають по формулі (6.2.1)
Z5=(0,7-0,62)/0,7=11,43%
Z10=(0,7-0,59)/0,7=15,71%
Z15=(0,7-0,57)/0,7=18,57%
Z20=(0,7-0,55)/0,7=24,28%
Z25=(0,7-0,52)/0,7=28,57%.
За отриманимирезультатами будуємо графік залежності ступеня освітлення(Z), від часу(t).
/>Рисунок6.2.4 Графік залежності ступеня освітлення(Z), від часу(t).

З графіку можназробити висновок: максимальна ступінь освітлення відбувається через 25 хвилин,при цьому досягається ступінь освітлення 28,57%. Спираючись на рисунок 6.2.3можна спостерігати чітку закономірність, та правильність проведених дослідів.
Таким чином булопроведено серію дослідів, результати яких повністю співпали з результатами, якінаведені вище.
Дослід 3. Для покращенняпроцесу озонування було застосовано коагуляційний процес. В якості коагулянтувикористовувався неочищений сульфат алюмінію, що був отриманий за технологією,яка була розроблена на кафедрі ТНР та ЗХТ [5].
Для визначеннямеханізму процесу були зняті спектри поглинання озонованих розчинів. На рисунку6.2.5 подано спектри поглинання озонованих розчинів.
/>
Рисунок 6.2.5Спектри поглинання озонованих розчинів
1–проба відібраначерез 5 хвилин озонування, 2– проба з коагулянтом відібрана через 5 хвилин озонування,3–проба відібрана через 10 хвилин озонування, 4– проба з коагулянтом відібраначерез 10 хвилин озонування, 5– проба відібрана через 15 хвилин озонування, 6 –проба з коагулянтом відібрана через 15 хвилин озонування, 7 – вихідний розчинпорціон оливково-зелений з концентрацією 40 мг/л.
Як видно зрисунку 6.2.5 поступове зникнення піку при довжині хвилі 420 нм вказує наруйнування структури барвника. При використанні коагулянту зникненнявідбувається вже за 10 хвилин(у випадку озонування через 15 хвилин). Це вказуєна те, процес руйнування структури барвника в присутності коагулянтувідбувається швидше.

Висновок
За періодпереддипломної практики було проведено дослідження видалення з води барвниківза допомогою озонування. Встановлено, що барвник легко змивний червоний на28,57% видаляється через 25 хвилин озонування, порціон оливково-зелений на28,65%.
Встановлено, щопоєднання процесів коагуляції покращують видалення порціону оливково-зеленого зводних розчинів. Дане припущення було підтверджене спектроскопічнимидослідженнями.
Список використаних джерел
1.    Запольский А.К., Баран А.А.Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды: Свойства. Получение.Применение. – Л.: Химия, 1987. – 208 с.
2.    Фізико-хімічні основитехнології очищення стічних вод / Під ред. А.К. Запольського. – К.: Лібра,2000. – 552 с.
3.    Николадзе Г.И. Технология очисткиприродных вод. – М.: Высшая школа, 1987. – 480 с.
4.    Л.А. Кульский, Строкач П.П. Технология очистки природных вод — Высшая школа, 1986 – 352 с.
5.    Патент на корисну модель№32762 МПК(2006) СO1F7/74 авторів Крилець Г.В., Астрелін І.М., ТолстопаловаН.М., Супрунчук В.І., Светлейшина О.М. опбл. 26.05.2008 Бюлетень №10.
6.    www.complexdoc.ru
7.    garantus.at.ua
8.    www.ntpo.com