Bublikova

Доклад (полный текст)

СОВРЕМЕННОЕ АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА ОЗОНИРОВАНИЯ ПРИ ВОДОПОДГОТОВКЕ И ОБРАБОТКЕ СТОЧНЫХ ВОД

Бубликова Е.В., Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", Харьков, Украина

Наиболее опасным фактом, оказывающим неблагоприятное воздействие на здоровье населения и окружающую среду, является интенсивное загрязнение источников питьевого водоснабжения. Водные ресурсы Украины, основную часть которых составляет речной сток, классифицируются как загрязненные. В настоящее время произошли существенные изменения в научных представлениях о влиянии качества воды на здоровье. В первую очередь это относится к уточнению критериев качества воды. Повышение требований к качеству воды стимулирует развитие технологий направленных на совершенствование процессов водоподготовки и обеззараживания. Для многих отраслей промышленности реализация стратегии устойчивого развития требует создания гибких, эффективных и надежных локальных систем водоподготовки и обезвреживания промстоков, использования в технологических процессах очищенной сточной воды. Глубокая очистка природных и промышленных сточных вод от минеральных, органических и биологических загрязнений в настоящее время является актуальной задачей, особенно на урбанизированных территориях, где интенсивно развивается промышленность, и наблюдается растущее антропогенное и техногенное загрязнение водных ресурсов. При оценке степени риска здоровью в зависимости от природы нежелательных примесей в воде наиболее опасны микробиологические загрязнения [1].
В схемах водоподготовки и доочистки промышленных стоков обычно применяют ионный обмен [2], мембранные методы (электродиализ, обратный осмос и ультрафильтрацию) [З], коагуляцию [4] и адсорбцию на углях [5]. Однако только методами адсорбции и коагуляции не всегда достигается требуемый эффект очистки от органических соединений. Между тем наличие в воде даже незначительных количеств растворенных органических соединений снижает эффективность ионообменных и мембранных процессов очистки. При разработке замкнутых систем водооборота органические вещества, как правило, являются причиной образования биологических загрязнений, вызывая явление биологического обрастания аппаратуры и коммуникаций. Поэтому в процессах глубокой очистки природных и сточных вод необходимо предусматривать достаточно глубокое удаление органических и биологических загрязнений. Применяемые технологии очистки питьевых и сточных вод наряду с удалением взвешенных частиц предусматривают окисление с использованием различных окислителей, эффективность которых определяется величиной окислительно-восстановительного потенциала, скоростью взаимодействия окислителя с веществами, удаляемыми из воды и рядом других факторов. Одним из перспективных методов окисления является метод озонирования. Озонирование обладает рядом преимуществ перед другими методами обработки воды, одним из которых является его универсальность. Благодаря высокой окислительной способности озона процесс очистки воды осуществляется при нормальной температуре, при этом одновременно происходит окисление примесей, дезодорация и обеззараживание вод.
В настоящее время промышленными методами очистки и обеззараживания, прошедшими проверку на крупных действующих сооружениях очистки воды, являются хлорирование, ультрафиолетовое (УФ) облучение и озонирование.

Обеззараживание хлорированием
Технологическая простота процесса хлорирования и налаженное производство хлора обеспечили его широкое внедрение в практику водоснабжения. Несмотря на технические сложности при транспортировке, хранении и дозировании хлор-газа, его высокую коррозионную активность, потенциальную опасность возникновения чрезвычайных ситуаций, процесс хлорирования повсеместно широко применяется до настоящего времени.
Хлор поступает на водопроводные очистные станции в металлических баллонах в сжиженном состоянии. Стандартные баллоны содержат от 25-40 до 100 кг жидкого хлора. Из баллонов хлор подается в воду через хлораторы, в которых осуществляется его дозирование и смешивание с некоторым количеством воды Полученная "хлорная вода" вводится в обрабатываемую воду.
Бактерицидное действие оказывает активный хлор. Получающиеся в результате диссоциации хлорноватистой кислоты гипохлоритные ионы обладают, наряду с недиссоциированными молекулами хлорноватистой кислоты, бактерицидным свойством. При наличии в воде аммонийных соединений или при специальном введении в воду аммиака образуются монохлорамины NH₂Cl и дихлорамины NHCl₂, также оказывающие бактерицидное действие, меньшее, чем свободный хлор, но более продолжительное. Хлор в виде хлораминов, в отличие от свободного, называется связанным активным хлором [6].
При всей распространенности метода хлорирования ему присущи и существенные технологические недостатки. Требование обеспечения хорошего смешивания хлора с водой и достаточной продолжительности (не менее 30 мин) их контакта обуславливает использование крупногабаритного оборудования для смешения.
Недостаточная доза хлора может привести к тому, что он не окажет необходимого бактерицидного действия, излишняя доза хлора ухудшает вкусовые качества воды и отрицательно сказывается на здоровье населения. Показателем достаточности принятой дозы хлора служит наличие в воде так называемою остаточного хлора (оставшегося в воде от введенной дозы после окисления находящихся в воде веществ). Согласно нормативным требованиям, для предотвращения вторичного заражения воды концентрация остаточного хлора в ней перед поступлением в сеть должна быть не ниже 0,3 мг/л.
После хлорирования при дозах остаточного хлора 1,5 мг/л в пробах остается очень высокое содержание вирусных частиц, поэтому даже хлорированные сточные воды остаются эпидемически опасными в отношении энтеровирусных заболеваний. Другим серьезным недостатком является образование в воде под действием хлора хлорорганических соединений хлороформа (ПДК=0,2мг/л), четыреххлористого углерода (ПДК=0,006 мг/л), бромдихлорметана (ПДК=0,03 мг/д), хлорфенота, хлорбензольных и хлорфенилуксусных соединений, хлорированных пиренов и пиридинов, хлораминов и др. Соединения хлора не только очищают воду от микробов, но и вступают в непредсказуемые химические реакции со многими растворенными в воде веществами. В результате образуются новые соединения, которых изначально в воде не было. Хлорорганические соединения по данным многочисленных исследований обладают высокой токсичностью, мутагенностью и канцерогенностью.
Поэтому в последнее время наблюдается тенденция к отказу от обеззараживания воды хлором и применение альтернативных методов.

Бактерицидное облучение воды
Уничтожение бактерий, находящихся в воде, может быть достигнуто путем обработки воды ультрафиолетовыми лучами. Бактерицидным действием обладают ультрафиолетовые лучи с длинной волны в промежутке 2200-2800 А. Различные виды бактерий имеют различную степень сопротивляемости действию бактерицидных лучей, что учитывается коэффициентом сопротивляемости бактерий, определяемым в результате исследований.
Процесс обеззараживания воды бактерицидными лучами осуществляется на специальных установках, в которых вода относительно тонким слоем обтекает источники бактерицидного излучения - ртутно-кварцевые или аргоно-ртутные лампы.
Недостатками бактерицидного обеззараживания воды являются:
- опасность загрязнения ртутью, используемой в бактерицидных лампах,
- особые требования к прозрачности воды, подвергаемой облучению,
- необходимость пропускания всей обеззараживаемой воды через установку, то есть производительность установки должна быть равна производительности водопроводной станции или необходима установка параллельно работающих установок меньшей мощности,
- большая энергоемкость установок. Например, установка УОВ-1000/288-В1 производительностью 1000 м³/ч потребляет 28 кВт-ч электроэнергии [6].

Озонирование
Озон известен как сильнейшее дезинфицирующее и окисляющее средство в процессе производства которого не образуется никаких побочных продуктов, кроме кислорода, что обеспечивает технологии экономичность и экологичность. По своим окислительным возможностям озон стоит за фтором, гидроксильиым радикалом и атомарным кислородом опережая такие широко известные вещества как хлор, перекись водорода. Озонирование обладает рядом преимуществ перед другими методами обработки воды, одним из которых является его универсальность. Рассмотрим действие озона с точки зрения экологической безопасности и глубины воздействия при водоподготовке и очистке сточных вод.
Бактерицидное действие. Озон воздействует как на окислительно-восстановительную систему бактерий, так и на их протоплазму, тогда как хлор разрушает только ферменты микробной клетки. Этим можно объяснить более активное воздействие озона по сравнению с хлором на вирусы, которые не имеют ферментных систем. При изучении действия озона на разные бактерии определено, что существует критическая доза озона (0,4-0,5 мг/л), выше которой его бактерицидное действие резко возрастает и достигается полное обеззараживание в отличие от хлора, обеззараживающее действие которого при малых концентрациях монотонно возрастает с увеличением дозы реагента. Обеззараживающий эффект при применении озона сказывается в 15-20 раз быстрее, чем при применении хлора, поэтому при использовании озонирования на финишной стадии обработки воды не требуется устройство резервуаров обеспечивающих длительное время контакта.
С повышением температуры воды необходимо также увеличивать дозу озона для получения одинакового, эффекта обеззараживания. Мутность до 5 мг/л на обеззараживание воды озоном оказывает незначительное влияние; при большей мутности бактерицидное действие озона значительно ухудшается. Для получения бактерицидного эффекта при мутности 5 мг/л необходимо 2 мг/ч озона, при 10 мг/л - 3,6 мг/л, при 50 мг/л - 6,4 мг/л и, наконец, при 100 мг/л - 9,6 мг/л озона. Полное обеззараживание воды наблюдается при снижении цветности до 8,6 - 10,4°. Озон разрушает также споровые бактерии, на которые он действует примерно в 300 - 600 раз сильнее, чем хлор, что является очень важным при подготовке воды для нужд фармакологических и пищевых производств.
Улучшение органолептических показателей воды. При проектировании новых и реконструкции существующих станций очистки питьевой воды часто используется способность озона улучшать органолептические показатели воды (цветность, запах, привкус) и повышать эффективность коагуляционной обработки воды, обезжелезивания и других процессов. Если цветность воды обусловлена содержанием гуминовых кислот, введение озона с последующей фильтрацией на песчаных фильтрах во многих случаях позволяет достичь нормативных показателей по цветности, содержанию взвешенных частиц, железа и марганца без использования дополнительных реагентов (коагулянтов, флокулянтов), так как озон, окисляя молекулы органических кислот, превращает их в природные флокулянты, которые способны укрупнять, содержащиеся в воде коллоидные загрязнения до размеров, позволяющих задерживать их песчаными фильтрами [7].
Эффективное обесцвечивание воды озонированием является одним из определяющих критериев в выборе озона в качестве воздействующего реагента при подготовке питьевой воды.
Удаление металлов: железа, марганца и алюминия. В природных водах наиболее часто встречается железо в двух валентной форме, находящееся в растворенном состоянии. Марганец в природной воде обычно сопутствует железу. Оба этих вещества придают воде цветность и характерный привкус. Озон легко окисляет соли железа и марганца с образованием нерастворимых веществ, которые удаляются отстаиванием или фильтрацией. Химические реакции сульфидов железа и марганца с озоном можно записать в виде

MnS0₄ + О₃ + Н₂О = Н₂МnО₃ _{(осадок)}+О₂ + H₂SО₄
2Н₂МnО₃ + 3O₃ = 2HMnO₄ + 3O₂ + H₂O
2FeSO₄ + Н₂SO₄+ O₃= Fe₂(SO₄)_{3 (осадок)} + H₂O + О₂

Если железо и марганец содержатся в форме органических соединений или коллоидальных частиц (с размером 0,1 - 0,01 мкм), то обезжелезивание и деманганация воды обычными способами не удается. В этом случае необходимо предварительное окисление этих комплексных органических соединений, приводящее к их расщеплению, после чего становится возможным удаление железа и марганца одним из обычных методов. Окисляя комплексные соединения, озон преобразует растворимые соли в нерастворимые, поэтому необходимо последующее фильтрование воды для освобождения от выпадающих осадков.
Следует отметить, что хотя озонирование и не является наиболее экономичным методом обезжелезивания и деманганации, но применение озона с этими целями оправдано в двух случаях: во-первых, когда обычные способы удаления из воды железа и марганца не дают результатов или ведут к недостаточным результатам, во-вторых, когда необходимо одновременное устранение запахов привкусов и цветности воды.
Устранение привкусов и запахов воды. Неприятные привкусы и запахи в некоторых природных водах вызываются присутствием соединений минерального и органического происхождения, находящихся в растворенном или коллоидном состоянии. Озон окисляет эти соединения, приводя к их расщеплению, сопровождающемуся исчезновением привкусов и запахов. Таким образом, происходит нейтрализация веществ путем своего рода "холодного сжигания". Например, при окислении сероводорода наблюдается выделение серы.

H₂S+ О₃ = Н₂О+ SO₂
3H₂S+4О₃ = 3H₂SО₄

Благодаря более высокой окислительной способности, озон в состоянии действовать на такие соединения, которые не подвергаются воздействию других химических реагентов. Обработка воды избыточным количеством озона не влечет за собой никаких нежелательных явлений избыточный озон, будучи нестойким, снова превращается в кислород в течение нескольких минут, вода насыщается кислородом, что приводит к эффекту родниковой воды. Несмотря на появление у воды после обработки озоном нового вкусового компонента, суммарные вкусовые качества озонированной воды улучшаются [8].
Аммиак окисляется озоном в щелочной среде до азотной кислоты и воды

NH₃+ 2О₃= NO₃^- + О₂+ Н₂О + Н⁺

Обычно используется схема с пред- и постозонированием. Предозонирование воды осуществляется после удаления механических примесей и производится в контактном аппарате. Предозонирование имеет целью проведения первичного обеззараживания воды, удаления цветности, окисления и переведения в коллоидное состояние растворенных металлов. Одновременно озонирование воды способствует реализации процесса флокуляции (явление слабого хлопьеобразования - коллоидальной мутности вод). Образовавшиеся нерастворимые вещества удаляются из воды отстаиванием или фильтрацией. Целью повторного озонирования является проведение промежуточной дезинфекции и окисления органических веществ. Также по технологическим соображениям часто проводят окончательное озонирование для дезинфекции и придания необходимых вкусовых качеств воде.
Озонирование сточных вод. Следует отметить, что при озонировании стоков наблюдается уменьшение количества взвешенных веществ и одновременная дезодорация стоков. Кроме того, в процессе озонирования сточных вод, в них повышается содержание растворенного кислорода с 13 до 29 мг/л что положительно сказывается на процессах самоочищения природных водоемов.
Учитывая универсальность воздействия озона на загрязнения, как мощного окислителя и эффективного дезинфектанта, его целесообразно использовать для одновременного обеззараживания и доочистки сточных вод. Снижение загрязнений и обеззараживающий эффект зависит от дозы вводимого озона, которая определяется экспериментально. Доза озона определяет в основном также и стоимость оборудования. Другим интересным вариантом использования озона на очистных сооружениях является совместное озонирование и биологическая очистка. Ввод небольшого количества озона, в подаваемый на аэрацию воздух (1 мг озона на 1 л воздуха) стимулирует жизнедеятельность микроорганизмов и способствует увеличению степени очистки по БПК в среднем до 95%. После совместной обработки "озонирование - биологическая очистка" значительно улучшается отстаивание ила, повышается степень минерализации, к тому же можно рассчитывать на 20-30%-ое снижение ХПК. Немаловажным фактором является простое и недорогое аппаратурное оформление процесса.
Механизм воздействия озона на загрязнения природных и сточных вод идентичен это - молекулярное окисление и атака активными радикалами.
Правильно подобранные для каждого случая дозы озона позволяют удалить из воды фенолы, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества, сернистые соединения, сероводород. Озонирование фенолсодержащей воды разрушает фенол до оксалатов и бикарбонатов. Продукты озонирования фенола и гидрохинона не только не токсичны, но и практически некумулятивны. Расход озона до образования кислот составляет 3 моля па 1 моль фенола В разбавленных растворах раскрытие ароматического кольца может быть достигнуто при отношении озон/фенол порядка 5, причем скорость распада промежуточных продуктов - катехина и гидрохинона- больше чем фенола [9].
В целом ряде производств органического синтеза образуются сточные воды, содержащие значительное количество различных спиртов. Очистка таких стоков осуществляется в две стадии. На первой производится извлечение основной массы продукта для утилизации в основном производстве, а на второй - полная доочистка с целью выброса сточных в вод в канализацию или спуска в водоемы. При практическом применении метода озонирования как способа очистки сточных вод от спиртов, следует учитывать что бутиловый и следующие за ним спирты регламентируются в воде водоемов по органолептическому признаку, поэтому их ПДК низки (ПДК бугилового спирта 1 мг/л, октанола 0,05 мг/л). Образующиеся в результате окисления спиртов кислоты регламентируются, но общесанитарному режиму водоемов, и их содержание допускается намного выше, чем спиртов. Поэтому метод озонирования для доочистки стоков, содержащих спирты, может быть применим. Что касается применения метода озонирования для очистки стоков от низших спиртов, то следует учитывать выдуваемость образующихся альдегидов и возможность загрязнения атмосферы. Поэтому метод озонирования может быть рекомендован только для доочистки сточных вод, содержащих небольшие количества спиртов (в пределах нескольких миллиграммов на 1 л) [10].
Замкнутые системы водооборота, которые включают стадии очистки, широко используются в технологических циклах гальванических предприятий и цехов.
Степень опасности (вредности) сточных вод зависит от токсичности загрязняющих ее веществ. Высокую токсичность сточных вод гальванических предприятий в большей степени обуславливают такие вещества, как соли тяжелых металлов и цианиды.
В связи со сложным составом и сточных вод гальванических предприятий и частым его изменением, высокой токсичностью, преимущественным содержанием растворенных, а не взвешенных загрязнений применение стандартных биологических методов очистки не всегда дает необходимый эффект. Для очистки таких сточных вод широко применяются способы окисления. Применение озона в качестве окислителя связано с его высокой окислительной способностью и проведением процесса при нормальной температуре. В процессе озонирования одновременно происходит окисление примесей, дезодорация и обеззараживание сточной воды.
Сточные воды, содержащие тяжелые металлы, цианиды, сульфиды и ряд других примесей могут очищаться озонированием. В работах [11-12] указывается, что реакция окисления цианид-ионов озоном с выделением кислорода протекает очень быстро в щелочной среде и в первую очередь до цианатов по уравнению

CN+O₃ = CNO^- + O₂

Отмечается [13], что величина поверхности раздела фаз значительно влияет на процесс окисления. Также отмечается, что температура почти не оказывает влияния на процесс в пределах 13-30°C.
Около 30% общего количества цианид-ионов, образующихся при окислении CNO^- подвергаются дальнейшему окислению:

2CNO^- + 3O₂+ Н₂O = 2NCO₃+3O₂ + 2H^-

Эта реакция начинается в тот момент, когда концентрация цианид-иона в сточной воде уменьшается до 0,003 0,004 кг/м³и протекает в 7 раз медленнее, чем начальная реакция окисления 70% цианид-ионов которые остались, гидролизируются и образовывают NH₃, который окисляется до NO₃.
Необходимое для окисления цианидов количество озона можно рассчитать по формуле:

q=C^.Q,

где Q- расход сточной воды;
C - концентрация озона в абсорбере:

где дельта C_CN- разница концентраций цианидов в исходной и очищенной сточной воде; M_O₃( M_CN) - молекулярная масса озона (цианида).

Установки озонирования применяют также для обеззараживания сточных вод от тетраэтилевинца. Эффективность очистки достигает 80-90%. Для более полной очистки необходимо применять озонирование в присутствии катализатора - силикагеля. Перед подачей сточной воды на озонаторную установку ее очищают от эмульгированных масел и нефтепродуктов.

Итак, при озонировании в воду не вносится при озонировании ничего постороннего, минеральный состав и рН остаются без изменений. Озон не изменяет натуральные свойства воды. Время окисления озоном в несколько раз меньше, чем кислородом или воздухом. У технологии озонирования имеются некоторые недостатки и ограничения.

Токсичность озона. Предельно допустимое содержание его в воздухе помещений, где находятся люди, составляет 0,0001 г/л. В связи с этим в озонаторных установках должны быть приняты все меры по предотвращению возможности проникновения озона в помещение.
Озон не обеспечивает бактериальную устойчивость воды. Озонирование не обладает длительным эффектом "последействия", то есть введенный в воду озон сохраняется в ней очень непродолжительное время - 30-40 минут, а при повышении температуры воды более 10°С этот период сокращается до нескольких минут. Поэтому необходимо исключить попадание загрязнений в очищенную воду, что реально только на коротких водопроводных сетях.
Образование побочных продуктов озонирования и их возможное воздействие на человека. Продукты реакции озона с содержащимися в воде органическими веществами предположительно представляют собой альдегиды, кетоны и другие соединения.

Итак, каждая из рассмотренных технологий обеззараживания воды (хлорирование, УФ обеззараживание, озонирование) обеспечивает необходимую степень инактивации бактерии. Из приведенного выше краткого анализа наиболее распространенных методов обеззараживания воды, они имеют те или иные недостатки. Выбор методов водоподготовки осуществляется па основании результатов химического анализа воды и сопоставления его результатов с требованиями потребителя.
Озонирование является высокоэффективным методом подготовки питьевой воды, с помощью которого можно получать воду высокого качества [14]. Проведенный анализ позволяет считать, что замена хлорирования на озонирование целесообразна. Озонирование можно применять как альтернативный метод очистки воды взамен традиционного хлорирования, в сочетании с хлором, перекисью водорода и другими окислителями, вместе с УФ-облучением, обработкой ультразвуком, фильтрацией с использованием песка, активированного угля, ионообменных смол. Традиционным является использование озона в конце технологической схемы.

Основное оборудование, применяемое при озонировании
Очистка вод с применением методов интенсификации и рациональной организации технологических процессов может дать устойчивую эффективность.
В промышленной экологии под интенсификацией химико-технологических систем обычно понимают проведение всех мероприятий связанных с увеличением производительности, улучшением технологического качества продукции и состояния окружающей среды с экономией материально-энергетических ресурсов [15]. Возможны два метода интенсификации или их комбинация метод интенсифицирующих факторов и метод структурно-вариантной оптимизации. В основе метола интенсифицирующих факторов лежит увеличение скоростей химических реакций и физических процессов. Использование интенсифицирующих факторов для трансформации старых технологии позволяет также одновременно придерживаться концепции создания малоотходных химико-технологических систем. Скорость реакций и физических процессов зависит от конструкции аппарата. Поэтому важной задачей является выбор конструкций, которые обеспечивают необходимую селективность и скорость процессов, а также минимальные размеры и простоту устройств, что позволяет работать с минимальными потерями вещества и энергии в окружающую среду.
Способ структурно-вариантной оптимизации предполагает системный анализ технико-природно-социальной системы и ее оптимизацию по выбранным, критериям. Такая интенсификация применима при проектировании и введении в эксплуатацию новых промышленных производств. Однако она достаточно затратна при реконструкции существующих предприятий, для которых в большинстве случаев целесообразна компромиссная интенсификация с помощью первого метода - интенсифицирующих факторов.
Традиционно процесс озонирования предполагает использование следующего необходимого оборудования: озоногенератор для производства озона; реактор (контактная камера) для обеспечения ввода озоновоздушной смеси в воду и контакта с примесями; приборы контроля озона в воде и в воздухе; деструктор для разложения озона, не прореагировавшего с водой.
В промышленном синтезе озона существует несколько технологий его получения при воздействии на кислород: электрическим разрядом; при газовых разрядах; ультрафиолетовым облучением; высокочастотным полем. Озон синтезируется на месте использования. Ранее применение озона в практике очистки природных и сточных вод сдерживалось отсутствием выпуска надежных генераторов озона, высокой стоимостью энергетических затрат при получении озона. В настоящее время эти проблемы успешно решены налажен серийный выпуск генераторов озона, значительно снижены энергетические затраты на получение озона [16].
При трехстадийном аппаратурном оформлении процесса озонирования: станция генерирования озона, реактор озонирования, нейтрализаторы, "узким" местом, снижающим общую эффективность процесса, являются реакторы озонирования задача которых - растворение (абсорбция) озона в воде из газовой фазы. Они обладают малой производительностью и сравнительно низкой эффективностью. Традиционные колонные реакторы для озонирования обладают большими габаритными размерами и высокой металлоемкостью, барботажные камеры, - низкой эффективностью, а акустические системы озонирования требуют сложного дополнительного аппаратурного оформления. Это указывает на необходимость смены подходов к проведению массообменных процессов, используемых для решения экологических задач.
С.П. Рудобашта с сотрудниками [17] анализируя условия интенсификации, указывают на то, что массообмен в некоторых случаях сложно интенсифицировать только использованием активных гидродинамических режимов и увеличением движущей силы процесса. В ряде случаев эффекта можно достичь, увеличивая поверхность контакта фаз.
Основные требования, предъявляемые к процессу абсорбции озона из газа в жидкость - это максимальная поверхность раздела между фазами и высокий коэффициент массопередачи. Для решения указанных задач в качестве устройства для смешения воды и озоновоздушной смеси предлагается использовать центробежный контактный аппарат, который позволит существенно интенсифицировать процесс абсорбции озона потоком воды, а также существенно сократить длительность процесса озонирования.
Разработана высокоэффективная установка на базе центробежного контактного аппарата для локального озонирования вод озоном, получаемым из воздуха. Такие установки без значительного усложнения и увеличения стоимости технологии легко включаются в существующие и доступные технологические циклы.
На рис. 1 представлено два варианта схемы такой установки. С помощью компрессора 1 воздух подается под давлением в теплообменник 2 для осушки, а потом для очистки в сепараторе 3. адсорбере 4 и фильтре 5, после чего воздух поступает в генератор озона 6. Озон, полученный в генераторе. 6, подается в абсорбер 9, в который одновременно насосом 8 подается исходная вода из резервуара-накопителя 7. В абсорбере 9 осуществляется очистка воды путем окисления. Очищенная вода по трубопроводу 10 подается в систему. Отработанная озоновоздушная смесь из абсорбера 9 по трубопроводу 11 подается в резервуар 7 в котором она барботируется через слой исходной воды, обеспечивая равномерное распределение примесей и дополнительное окисление. Для более полного поглощения озона и сокращения его потерь возможна оптимизация схем озонирования с применением двухступенчатой схемы подключения аппаратов.

Рис. 1. Модульная установка озонирования вод
(два варианта компоновки - одно - и двухступенчатый)

Оборудование модульное и компактное. Ориентировочная производительность установок по воде от 3 до 300 м³/час (в зависимости от типоразмера).
Абсорбционный аппарат, используемый в установке, представляет собой центробежный массообменный аппарат [18, 19], в котором взаимодействие между фазами осуществляется в условиях повышенной турбулентности потоков под действием вращающегося ротора. Кроме того, в аппарате создается высокая площадь поверхности межфазного контакта в единице объема (2000 м²/м³ и более) за счет создания тонких пленок, мелких капель жидкости и пузырьков газа, а также высокой скорости обновления межфазной поверхности. Следовательно, используется несколько интенсифицирующих факторов. Все это, в конечном счете, ведет к значительному уменьшению габаритов установки.
Отличительной чертой аппаратов центробежного типа является возможность перерабатывать большие материальные потоки при сравнительно небольших габаритах установки, а также адаптивность к изменению подачи потоков [20].
Конструкция центробежного аппарата [21] приведена на рисунке 2. В корпусе аппарата 1 вращается перфорированный ротор 2, внутри которого - установлен контактный элемент специальной конструкции. По трубе 3, расположенной по оси аппарата, поступает исходная вода. Через штуцер 4 в аппарат тангенциально подается озоновоздушная смесь, которая взаимодействует с водой и ее компонентами на контактном элементе, а потом отводится из аппарата через трубу 6. За счет вращения ротора под действием центробежной силы жидкость в контактном элементе движется противотоком озоновоздушмой смеси, которая затем отводится из аппарата через штуцер 5. Для предотвращения проскока газа предусмотрены уплотнения 7.
Для данного центробежного аппарата был создан ряд контактных устройств [22, 23, 24]. Контактные устройства центробежного аппарата представляют собой кольцеобразные блоки, имеющие различную конфигурацию и выполненные из различных материалов. Конструкции контактных устройств разрабатываются с учетом физико-химических свойств взаимодействующих фаз, степени чистоты перерабатываемых сред, а также требований к коррозионной стойкости и механической прочности. Выбор рационального контактного устройства, удовлетворяющего конкретным условиям работы, позволяет использовать указанный аппарат в широком диапазоне нагрузок по фазам.
Конструкции современных скоростных центробежных аппаратов, реализующих противоточный газожидкостной контакт в поле центробежных сил более надежны и эффективны в плане промышленного использования, решены вопросы, касающиеся "слабых" мест аппаратов этого типа, а именно: равномерного распределения жидкости на внутренней поверхности контактных элементов и, одновременно, предотвращения брызгоуноса, обеспечения герметичности и др.

Рис. 2. Конструкция высокоскоростного центробежного абсорбционного аппарата: 1 - корпус; 2 - перфорированный ротор; 3 - устройство подачи исходной сточной воды; 4 - штуцер подвода озоновоздушной смеси; 5 - сливной патрубок; 6 - осевая отводная труба (для выхода газа); 7 -газонепроницаемые уплотнения; 8 - вал; 9 - шкив передачи

Аппараты, использующих центробежные ускорения высокого порядка для интенсификации процессов массообмена имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными:
· небольшой конструктивный объем, предполагающий сравнительно малый вес и небольшие занимаемые площади;
· высокая мобильность;
· закрытая герметичная конструкция;
· максимальная эффективность массопередачи в единице объема;
· периодическое интенсивное обновление жидкостной пленки за счет высокой турбулизации фаз;
· интенсивные срезающие усилия подавляют склонность сред к пенообразованию;
· малое время выхода на стабильный режим работы;
· малое время пребывания продукта в аппарате;
· низкая задерживающая способность по жидкости;
· быстрая возможность ремонта и модернизации узлов аппарата;
· риск взрыва, воспламенения и его последствия снижены благодаря меньшему объему жидкости и паров находящихся в аппарате, а также возможности быстрого отключения.
В результате модернизации, реконструкции и технического переоснащения объектов водоподготовки и очистки сточных вод на базе современных конструкций центробежных массообменных аппаратов приведет к улучшению технико-экономических показателей предприятий и снизит техногенную нагрузку на окружающую среду.
Основные технические параметры установки:
- производительность по воде - 3-55 м³/час (для 200 мм);
- объем аппарата - 0,15 м³
- удельная площадь поверхности контакта фаз - 2000 м²/м³ и более (для сравнения, в барботажных аппаратах -100-400 м²/м³ , в абсорберах с механическим перемешиванием - до 600 м²/м³ );
- степень утилизации озона в одном аппарате - 85-95%;
- общая степень утилизации озона в установке - 95-99%;
Предложенная установка для озонирования превосходит известные по интенсивности массопереноса. Это приводит к тому, что концентрация озона в жидкости за несколько секунд достигает необходимых величин для эффективного проведения процесса. В результате предложенная установка является более компактной, гибкой в эксплуатации, и эффективной в сравнении с традиционным оборудованием процесса озонирования.
Подобные установки озонирования воды также могут быть использованы в процессах обеззараживания оборотной воды плавательных бассейнов.
Возможна разработка малоотходных технологий на базе центробежных аппаратов, создание стационарных и мобильных малогабаритных высокопроизводительных установок для локальной водоподготовки и очистки вод. Аппаратура изготавливается из хромо-никельсодержащей стали, что обеспечивает надежную работу аппарата в течение 15 лет. После ввода в эксплуатацию оборудование не требует какого либо специального обслуживания.
Использование центробежных аппаратов в качестве контактных аппаратов для озонирования в установках водоподготовки и очистки позволит существенно улучшить технико-экономические характеристики этих процессов и уменьшить габариты оборудования без значительного усложнения и увеличения стоимости технологии и легко включиться в существующие технологические циклы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Tardjf R.G. Balancing Risks from Chemical Carcinogens at Waterborne Infectious Microbes: A Conceptual Framework Report prepared for EPA Advisory Committee to Negotiate the Disinfection By-products Rule 1993.
2. Гребенюк В.Д. Мазо А.А. Обессоливание воды ионитами. М Химия, 1980, 481 с.
3. Технологические процессы с применением мембран / Под ред. Ю.А Мазнтова М.: Мир, 1976. 369 с.
4. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. М.: Наука, 1977, 355 с
5. Киевский М.И., Евстратов В.Н., Семенюк В.Д. Очистка сточных вод предприятий хлорной промышленности М.- Химия, 1976, 190 с
6. Иванов В.Г., Хямяляйнен М.М. Обеззараживание. Альтернатива традиционным методам / Вода и экология, №1, 2000
7. Кузубова Л.И., Кобрина В.Н. Химические методы подготовки воды. Аналитический обзор ГПНТБ СО РАН. Новосибирский институт органической химии. Новосибирск. 1996. 131 с
8. Tuorilla Hely, Pyysalo Tараni, Tirvi Timo, Vehvilainen Anna Kaisa Characterization of odours in raw and tap water and their removal by ozonization/ "Vatten" 1980. 36. No.3 191-199 p.
9. Каштанов С.А., Степанов A.М., Массопредача в системе озоновоздушная смесь - водный раствор фенола // ЖПХ, № 4, 1983, с 786-790
10. Пакуль Д.Л., Краснов Б.П., Сажина А.М. Окисление спиртов в разбавленных водных растворов // ЖПХ, №1, 1974, с 36-39
11. R.G. Tyier, W. Maske, M.J. Westin, W Matthews. Sewage a. Ind. Wastes, 23, 9, 1150 (1951)
12. С.A. Walker. W. Zabban, Plating, 40. 7, 777 (1953)
13. F. Sulzer, Hydrol., 20, 16 (1958)
14. Шаболдо П.И., Самарин А.Ф., Зинчук Л.Н., Проскуряков В.А. Использование озона в процессах глубокой очистки природных я сточных вод // ЖПХ, №6, 1984 с 1287-1290
15. Stankiewicz A.I. Progress Intensification: Transforming Chemical Engineering. Chem. Eng. Prog. Jan. 2000, p. 22-34
16. Кожиное В.Ф., Кожиное И.В. Озонирование воды. М.: Стройиздат, 1974, 160 с
17. Pyдобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой М, 1980.
18. Сиренко В.И., Кулов Н.Н., Тютюнников А.Б. Гидродинамика и массообмен в роторном аппарате центробежного типа /ТОХТ -1992., Т. 26, № 2
19. Сиренко В.И., Бубликова Е.В. Сравнительный анализ конструктивных особенностей применяемых центробежных тепломассообменных аппаратов//Вестник НТУ "ХПИ" - 2002, № 16, с. 123-137
20. Н. Brauer Mikroorganizmen remiaen das Abwasser - Wissensbaftsinagazein // technische Universitat Berlin. Heft 7, 19S5 , s. 105-109
21. Патент № 54051 (Україна) Високошвидкісний відцентровий тепломасообмінний апарат / Сіренко В.І., Бубликова Є.B. Опубл. 17.02.2003
22. Патент Украины №53498, опубл.,15.01.2003, Бюл.№1
23. Патент Украины №53499, опубл.,15.01.2003, Бюл.№ 1
24. Патент Украины №53500, опубл.,15.01.2003, Бюл.№ 1

Главная страница
Сведения об авторах