Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Бактерицидный и вирулицидный эффект озонирования

Впервые в 1891 г. Охмюллер на основе практических исследований показал, что озоном можно уничтожать бактерии тифа и холеры. Механизм воздействия окислителя состоит в разрушении бактерий путем инактивации бактериальных протеинов, т. е. диффузией через мембрану клетки в цитоплазму с поражением жизненных центров. На эффективность бактерицидного действия озона в большей или меньшей степени оказывают влияние следующие параметры: рН, температура, наличие взвешенных и растворенных органических веществ, концентрация окислителя. Устойчивый бактерицидный эффект наблюдается в широком интервале рН (от 5,6 до 9,8) и температуры (от 0 до 37 °С). Наличие взвешенных веществ в обрабатываемой воде ограничивает возможности дезинфектанта, так как в большинстве случаев взвешенные частицы являются защитниками бактерий, адсорбируя последние на своей поверхности. В отношении влияния на бактерицидный эффект растворенных органических веществ и концентрации озона единодушного мнения нет. Некоторые исследователи являются сторонниками той позиции, что дезинфицирующее действие озона проявляется лишь при его определенной остаточной (или избыточной) концентрации в воде, когда уже окислены растворенные органические загрязнения. Другие полагают, что обеззараживающий эффект наблюдается одновременно с окислением озоном органических веществ. Довольно трудно допустить, что озон осуществляет атаку выборочно: сначала на растворенные органические примеси, а потом на бактерии, которые по сути также являются органическими веществами. Однако эффективная инактивация микроорганизмов наблюдается чаще именно в момент появления остаточного озона при концентрациях его, близких к 0,1 — 0,4 мг/л.

Стюмм считает, что некоторые продукты реакции, полученные при взаимодействии озона и органических веществ, могут быть в свою очередь сильными бактерицидными агентами, способными вторично воздействовать на микроорганизмы водной среды. Таким веществом, например, является спиртовая гидроперекись, получаемая при озонировании водного раствора алкенов.

В последние годы за рубежом в связи с широким применением озонирования на ряде станций водоподготовки, расположенных на значительном расстоянии от потребителей, возник вопрос о необходимости поддержания бактериальной стабильности воды в водопроводных сетях. Несмотря на то что озон является мощным дезинфицирующим агентом, остаточная концентрация его исчезает прямо пропорционально повышению рН и температуры. Это ведет к тому, что в воде, прошедшей весь комплекс сооружений классической очистки, включая дезинфекцию, после деструкции озона наблюдается усиление активности бактерий и увеличение их числа. Объяснением данному явлению могут служить две несколько связанные друг с другом гипотезы. Об одной из них уже упоминалось: озон осуществляет трансформацию органических веществ до состояния, более податливого биоокислению, т. е. поставляет тем самым питательные элементы микроорганизмам, избежавшим его влияния. Вторая гипотеза сводится к тому, что в период озонирования окисляются различные фенольные группы, входящие в состав «ядер» гуминовых веществ, в присутствии которых биомасса находится в некоем подавленном состоянии, не проявляя активной жизнедеятельности. Разрушение фенольных групп озоном, его полное разложение и наличие питательных элементов в воде создают условия для быстрого возрождения микроорганизмов.

На усиление бактериальной активности в озонированных водах также оказывают влияние их температуры, состояние и протяженность водопроводной сети, тип водоисточника и др. Одним из основных факторов является температура воды, с повышением которой бактериальная стабильность резко снижается. Влияние температурного фактора на биомассу глубоко исследовано Франсоле. Сущность проведенных им экспериментов состояла в определении закономерностей количественного роста инъецируемых в озонированную воду микроорганизмов. Исследованию подлежали микроорганизмы различных типов, среди которых были Deva NCIB 10747, Putida NCIB 8685, Cruciviae NCIB 9433, Fluorescens, Streptomyces Griseolus NCIB 9606, Alba Nocardia NCIB 9702, Streptomyces Griseus и др. В качестве исходной использовалась очищенная по классической схеме обработки речная вода (р. Мез). При очистке воды дозы применяемых для окисления и дезинфекции реагентов составляли: хлор 4—5, диоксид хлора 1,3, озон 1,7 мг/л. Таким образом, очищенные воды имели достаточно высокую степень обеззараживания. Остаточные концентрации хлора и озона удалялись введением растворов восстановителей (например, Na2S2O3). Пробы воды помещались в литровую колбу, куда добавлялось определенное число тех или иных микроорганизмов. Каждая серия экспериментов проводилась при температурах 4,16 и 22°С, поддерживаемых охлаждением или подогревом. Пробы из колб для бактериологического анализа отбирались раз в сутки. Для подсчета числа появившихся в пробе бактерий использовались два параллельных метода: а) прямой счет бактерий в питательном пептонном агаре (при периоде инкубации 72 ч и температуре 22°С) с помощью микроскопа; б) с помощью мембранных фильтров (при той же продолжительности и температуре инкубации).

Эволюция актиномицет представляет определенный интерес, так как некоторые из них часто встречаются в воде источников водоснабжения. При температуре 4°С они не развиваются, а при температуре 15—17°С их количество в озонированной воде может увеличиться в 3 раза. С другой стороны, бактерии Pseudomonas Deva NCI В 10747 активно размножаются в озонированных водах даже при низкой температуре, но скорость их количественного роста ниже, чем при температурах 16 и 22°С. Таким образом, температурный фактор оказывает значительное влияние на развитие бактериальной массы.

Вторым не менее важным фактором, влияющим на усиление активности бактерий в озонированных водах, является состояние водопроводных сетей и их протяженность. При удовлетворительном состоянии и небольшой протяженности сети с относительно низкими температурами озонированных вод бактериальная стабильность поддерживается на протяжении всего срока транспортирования воды до потребителя без дополнительных мероприятий. При эксплуатации старых труб, наличии дефектов при прокладке трубопроводов и неудовлетворительном качестве стыков возможность бактериальной дестабилизации возрастает. Находящийся в трубах воздух также благоприятствует жизнедеятельности микроорганизмов.

Немаловажное значение для усиления процессов бактериальной дестабилизации имеет тип водоисточника (подземные или поверхностные воды), снабжающего сеть. Иногда при недостаточной подаче, например, артезианской воды сеть пополняется очищенной водой поверхностного источника. Таким образом, питьевая вода на определенных участках кольцевой сети может представлять собой смесь вод двух типов. Как известно, поверхностные воды, даже подвергаясь дезинфекции хлором, полностью стерильными практически не бывают. В них всегда присутствует некоторое, хотя и весьма ограниченное, число наиболее стойких к дезинфектанту микроорганизмов. При питании сети озонированными артезианскими водами и смещении их с поверхностными трудноокисляемые органические вещества, переведенные озонированием в состояние, более доступное для биологического окисления, создают источник для активной жизнедеятельности бактерий. Другими словами, процесс смешения можно приравнять к посеву микроорганизмов в питательную среду.

Перечисленные нами факторы влияния на бактериальную стабильность воды требуют контрмер, одной из которых может явиться повторная дезинфекция озонированной воды. В плане предотвращения последствий вторичного заражения воды интересен шестилетний опыт эксплуатации водопровода г. Ренна (Франция), где ввиду большой протяженности и неудовлетворительного состояния водоводов (старый акведук) озонирование осуществляется дважды: на станции водоподготовки (пропускной способностью 24 000 м3/сут), расположенной в 30 км от города, и непосредственно в черте города перед потребителем для доведения сниженного при транспортировании бактерицидного качества воды до санитарных норм. К сожалению, подобные примеры единичны.

В качестве дополнительных дезинфицирующих средств чаще всего применяют газообразный хлор или диоксид хлора. Выбор того или иного реагента зависит от характеристики распределительной сети и качества очищаемой воды, в частности от наличия остатков аммонийного азота, окислителей и растворенных органических загрязнений. Необходимо отметить, что выбор реагента (хлора или диоксида хлора) представляет сложную задачу, затрагивающую вопросы не только дезинфекции, но и взаимодействия вторичных продуктов реакции.

Хлор используется в том случае, когда озонированные воды содержат трудноокисляемые растворенные органические вещества. При хлорировании таких вод остаточный хлор менее стабилен, чем при хлорировании неозонированных вод. Это объясняется тем, что часть его идет на окисление органических загрязнений, предварительно переведенных озоном в состояние, более податливее для разложения биологическим или химическим путем. Дезинфекцию хлором следует осуществлять и тогда, когда озонированная вода содержит следы аммонийного азота, так как в этом случае некоторые бактерии, не подвергшиеся действию озона в водопроводной сети ввиду скорого его разложения, могут начать размножаться, образуя на стенках труб наросты и придавая воде неприятный красноватый оттенок. Вводимый после озонирования хлор не только уничтожает бактерии в сети водоснабжения, но и корректирует несовершенство предшествующих озонированию ступеней очистки, не удаливших полностью аммонийный азот и другие загрязнители. Таким образом, в целях компенсации потерь хлора и поддержания его стабильной остаточной концентрации необходимо, чтобы доза вводимого окислителя несколько превышала требуемую норму свободного хлора.

Несколько иная ситуация наблюдается в случае совместного использования озона и хлора, если первый применяется исключительно как окислитель (например, только в преозонировании), а второй — как дезинфектант. В данном случае озонирование, способствуя пролонгированию потребления хлора, позволяет уменьшить его дозу. Необходимо также добавить, что при совместном использовании двух дезинфицирующих средств озоном эффективно окисляются образующиеся хлорпроизводные, в частности хлороформ.

Дополнительная дезинфекция озонированной воды диоксидом хлора может применяться в том случае, когда отсутствует аммонийный азот (окислитель к нему пассивен), а также когда в воде после введения дезинфектанга не наблюдается превышения норм содержания хлоридов. Основным преимуществом диоксида хлора является то, что он обладает большей стабильностью и дает меньший привкус, чем хлор. Однако озон быстро разлагает диоксид хлора, формируя ионы, поэтому дезинфектант вводят после исчезновения следов озона, т. е. как можно дальше от места инъекции озона.

О вирулицидном действии озона впервые упоминается в 1924 г.

Озон оказывает радикальное и быстрое воздействие на большинство вирусов (бактериофаги, вирусы полиомиелита и др.). В зарубежной практике водоподготовки введено понятие пороговой концентрации или инактивирующей способности озона по отношению к вирусам и бактериям. Пороговая концентрация озона составляет 0,4 мг на 1 л воды. Это означает, что при концентрации остаточного озона 0,4 мг/л и продолжительности пребывания воды в контактной камере 4 мин достигается 99,99 %-ная инактивация микроорганизмов.

Озон, являясь мощным бактерицидным и вирулицидным агентом, имеет ряд преимуществ перед другими дезинфектантами. Во-первых, быстрота воздействия окислителя: инактивация бактерий производится в 300 раз быстрее, чем хлором. Во-вторых, широкая область использования: озон одинаково эффективно разрушает бактерии и вирусы, грубы и простейшие, атакует споровые бактерии и цисты простейших. Наконец, озон проявляет почти одинаковую активность в широком интервале рН и температуры.

В качестве конкретного примера использования озона в целях дезинфекции воды (одновременного уничтожения бактерий, вирусов, простейших и т. д.) может служить станция водоподготовки Пеш-Дэвид в Тулузе (Франция). Эта станция имеет пропускную способность 13 000 м3/сут и очищает воду р. Гаронны, богатую аммонийным азотом, железом, марганцем и органическими веществами. Кроме того, воды характеризуются высокой мутностью и цветностью. Предварительное хлорирование позволяет удалить аммонийный азот, а последующее введение диоксида хлора — окислить органические вещества. Другие загрязнения удаляются флокуляцией-отстаиванием и фильтрацией. На долю озонирования приходится дезинфекция воды на конечной стадии ее обработки. Остаточная доза озона 0,5 мг/л гарантирует бактерицидную и вирулицидную стабильность воды.

Другим примером может служить станция водоподготовки Нейли-сюр-Марн (Франция) пропускной способностью 600 000 м3/ сут, где технологическая схема очистки включает коагуляцию, отстаивание, фильтрацию на песчаной загрузке, озонирование, хлорирование. Озонирование (дозой 2,5 мг/л), осуществляемое на конечной стадии очистки, позволяет уничтожить бактерии и вирусы, а хлорирование — придать воде бактерицидную стабильность на пути следования до потребителя. Станция автоматизирована и оборудована самыми мощными озонаторами, известными в мировой практике водоподготовки: каждый из четырех генераторов производит 30 кг озона в 1 ч.

С помощью озонирования достигается полный бактерицидный и вирулицидный эффект на станции водоподготовки в Ницце (90 000 м3/сут) и на ряде станций парижского района: Морсан-сюр-Сен (75 000 м3/сут), Шуази-ле-Руа (900 00 м3/сут), Мери-сюр-Уаз (270 000 м3/сут) и др.

Как следует из приведенных качественных параметров, воду источника водоснабжения можно характеризовать как маломутную и высокоцветную.

На станции применяется двухступенчатая схема очистки (отстаивание и фильтрация) с использованием традиционных реагентов: сернокислого алюминия, хлора и аммиака. Для стабилизационной обработки воды применяется известь. До введения в технологическую схему обработки воды озона для снятия запахов и привкусов использовался порошкообразный активированный уголь. Наибольшие затруднения в очистке воды до применения озона возникали именно из-за ее цветности, запаха и привкуса.

Согласно принятой технологии, вода перед поступлением в водозабор подвергалась хлорированию в ковше-отстойнике. Предварительное хлорирование и первичное хлорирование в смесителе производились в основном для снижения цветности, бактериального загрязнения, уничтожения фито- и зоопланктона. Предварительным хлорированием дозой 4 мг/л снижались цветность воды на 13 град (удельное снижение — 3 град на 1 мг/л хлора), содержание водных организмов на 90% и водорослей на 40%. По бактериологическим показателям вода после предварительного хлорирования отвечала требованиям стандарта на питьевую воду, однако принятая технология не всегда обеспечивала удовлетворительное качество питьевой воды по органолептическим показателям.

Проведенные на Московском водопроводе исследования (на Северной и Восточной водопроводных станциях) по усовершенствованию технологии обработки воды в целях улучшения ее органолептических характеристик показали, что наиболее эффективным реагентом в части снижения как цветности, так и запахов и привкусов воды является озонирование. Реакции озона с органическими веществами искусственного и естественного происхождения практически не сопровождаются ухудшением органолептических характеристик воды. Исследованию подлежали два технологических режима: введение озона в начале очистных сооружений и на заключительном этапе обработки воды.

В результате отработки технологии первичного озонирования в сочетании с использованием других видов реагентов было установлено, что весной и летом при появлении в воде привкусов и запахов, совпадающих с развитием планктона, возникает необходимость обработки воды хлором и озоном с последующим коагулированием. Первичное хлорирование воды в смесителе в этот период можно исключить. В зимние месяцы при мутности исходной воды не более 3 мг/л и коли-индексе до 200 можно обрабатывать воду озоном без последующей коагуляции.

Длительная эксплуатация показала, что при предварительном хлорировании дозой 4 мг/л последующая обработка воды озоном дозой 1,5 мг/л снижает дополнительно цветность на 6—7 град (удельное снижение цветности — 4,2 град на 1 мг/л озона). При таком режиме обработки воды хлором и озоном с разрывом во времени введения реагентов 10—12 мин запах воды меняется от болотного и хлорного до ароматического. Наряду с изменением органолептических свойств снижается окисляемость воды на 0,9 мг/л при дозе озона 1,5 мг/л и на 1—1,2 мг/л при дозе озона 2—2,5 мг/л. При озонировании воды увеличивается содержание растворенного кислорода до предела насыщения и незначительно увеличивается содержание углекислоты. Остальные показатели полного химического анализа воды при озонировании практически не изменяются.

На гидробиологические показатели озонирование воды при установленных дозах окислителя не оказывало существенного воздействия: количество живых клеток водорослей в озонированной воде не уменьшалось. Альгицидный эффект для зоо- и фитопланктона при озонировании практически отсутствовал.

В результате изучения влияния различных режимов обработки на качество воды выявлено, что снижение дозы хлора при предварительном хлорировании способствует повышению эффекта обесцвечивания, а отсутствие предварительного хлорирования ведет к удельному снижению цветности воды — 7 град на 1 мг/л окислителя. Обесцвечивающий эффект озона выше при низких температурах воды.

Эксплуатация блока первичного озонирования показала, что в целом озонирование весьма эффективно в части улучшения органолептических показателей обрабатываемых вод, но полностью исключить хлорирование воды перед озонированием в конкретных условиях не представляется возможным ввиду недостаточной альгицидной эффективности окислителя в пределах принятых доз. При низком уровне бактериальной загрязненности, цветности около 50 град, мутности 2—3 мг/л и содержания зоо- и фитопланктона из технологической схемы обработки воды можно исключить коагулирование, однако это может привести к повышению окисляемости воды на выходе из очистных сооружений вследствие трансформации трудноокисляемых органических веществ в легкоокисляемые.

Первичное озонирование воды сопровождается интенсивным пенообразованием, вызываемым эффектом флотации при барботаже жидкости. Высота слоя пены достигает 0,1—0,3 м. По внешнему виду пена представляет собой плотную массу темно-коричневого цвета и при высыхании уплотняется до структуры рыхлого известняка. В пене содержится большое количество органических веществ, окислов железа, зоопланктона. Эффект флотации, который не был предусмотрен технологией озонирования воды, следует рассматривать как положительный фактор, позволяющий одновременно с озонированием удалять из воды ряд загрязнений на начальной стадии обработки, снижая нагрузку на последующие сооружения.

Вторичное озонирование осуществлялось после прохождения водой стадий отстаивания и фильтрации перед подачей ее в водопроводную сеть. Оно предназначалось для выявления возможностей кондиционирования и дезинфекции воды. Показатели эффективности воздействия озона на различные качественные параметры при вторичном озонировании в основном повторяли данные первичного озонирования: при расчетной дозе окислителя 1 мг/л цветность воды снижалась в среднем на 4 град, интенсивность запаха — до 1—2 баллов, наблюдался низкий альгицидный эффект и незначительное уменьшение числа клеток фитопланктона и общего числа микроорганизмов.

При исследовании эффективности вторичного озонирования отмечалось значительное влияние температуры воды на остаточную концентрацию озона. Так, при дозе окислителя 1—1,4 мг/л и температуре воды 14—18°С остаточная концентрация озона в воде составляла 0,03—0,04 мг/л, а при температуре 0,6—2,6°С находилась в интервале 0,1—0,15 мг/л. В резервуарах чистой воды остаточная концентрация озона и ароматический запах воды полностью исчезали независимо от дозы введенного окислителя, температуры воды и прочих качественных показателей. Длительная эксплуатация комплекса вторичного озонирования на Восточной водопроводной станции Москвы показала, что использование озона для кондиционирования и дезинфекции питьевой воды эффективно при высокой степени ее очистки от взвешенных веществ и органических загрязнений, а также при исключении возможности ее вторичного загрязнения в водопроводных сетях и сооружениях. Результаты экспериментальных исследований по применению озона на Восточной водопроводной станции позволили определить технологическую схему обработки вод с использованием озонирования, мощность и параметры работы озонаторных установок.

В настоящее время на Восточной водопроводной станции Москвы применяется двухступенное озонирование: при первичном озонировании доза озона составляет до 3 мг/л, при вторичном — 1 мг/л. Блок первичного озонирования мощностью 150 кг озона в 1 ч расположен перед очистными сооружениями станции на трассе водоводов подъема. Блок вторичного озонирования, размещенный в двух комплексах мощностью по 25 кг/ч, находится между фильтрами и резервуарами чистой воды. Согласно экспериментальным исследованиям, продолжительность контакта воды с озоном в блоке первичного озонирования составляет 12 мин, а в блоке вторичного озонирования — 6 мин. Блоки озонирования состоят из здания озонаторов, распределительной камеры и контактных резервуаров. Блок первичного озонирования (116x81 м) снабжен 26 контактными резервуарами. Каждый резервуар разделен на отсеки поперечными струенаправляющими перегородками, перекрывающими только часть верхнего или часть нижнего сечения потока, в результате чего достигается изменение его направления.

Озон получают из атмосферного воздуха, который поступает в воздухозаборные шахты и после очистки от пыли и обезвоживания подается к генераторам. Пройдя озонаторы, озоновоздушная смесь поступает на распределительное устройство контактных резервуаров, представляющее собой керамические пористые трубы внутренним диаметром 40 мм с отверстиями 60 мкм. Трубы уложены по дну контактных резервуаров и предназначены для диспергирования озоновоздушной смеси. В первом отсеке контактных резервуаров блока первичного озонирования осуществляется рекуперация остаточного озона, выходящего из второго и последующего отсеков контактных камер. Поэтому концентрация озона в воде первого отсека после диспергирования озоновоздушной смеси составляет около 1 мг/л. На Восточной водопроводной станции внедрена система каталитического разложения озона перед выбросом отработанной озоновоздушной смеси в атмосферу.

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики