Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Озонирование перед фильтрацией

Развивая тему предыдущего пункта, где затронуты вопросы озонирования перед фильтрацией, остановимся более подробно на использовании этого комбинированного метода. Озонирование в сочетании с фильтрацией (при различных типах загрузки) может применяться: для разрушения сложных органо-минеральных комплексов, окисления и удаления металлов; для ускорения процессов нитрификации аммонийного азота; для окисления и сорбции различных растворенных органических веществ, придающих воде привкус и запах, а также для других целей. В природных водах довольно часто одновременно присутствуют все или почти все перечисленные и подлежащие удалению компоненты загрязнений. Реже наблюдается присутствие какого-либо одного вида загрязнений. Для удобства описания возможностей метода «озонирование — фильтрация» будем следовать от более простых к более сложным схемам обработки природных вод по мере возрастания количественного состава загрязнений.

Изучение закономерностей разложения сложных органо-минеральных комплексов и окисления ионов металлов с помощью комбинированной очистки «озонирование — фильтрация» составляет объект большого числа исследований и внедрений в технике водоподготовки. Чаще всего органо-минеральные комплексы присутствуют в водах подземных источников, которые имеют небольшую мутность и окраску, лишены кислорода, иногда содержат сероводород. Действие озона заключается в разрушении стойких молекул комплексных органических соединений, связывающих ионы железа, марганца или других металлов. При озонировании высвобождаются ионы металлов Fe2+ и Мn2+, которые окисляются до Fe3+ и Мn4+ и задерживаются фильтрующей загрузкой.

Благодаря значительной окислительной способности озон оказывает действие в большей или меньшей степени на все металлы с относительно высоким значением окислительно-восстановительного потенциала (Рb, Мn, Сa и др.), нежелательные в воде, используемой для питья. Необходимо отметить, что для каждого из металлов, присутствующих в обрабатываемой воде, характерно определенное значение рН, при котором наиболее полно осуществляется их удаление. Это обстоятельство создает определенные трудности при эксплуатации станций озонирования, требуя осуществления строгого контроля за величиной рН и дозой озона, так как при нарушении установленных режимов работы происходит накопление в воде ионов освобожденных металлов, которые могут быть токсичными. Для задержания хлопьев гидроокиси металлов используются песчаные фильтры без добавления и с добавлением перед ними флокулянтов для усиления коагулирующего эффекта.

Фирмой «Дегремон» (Франция) построено несколько станций по удалению железа и марганца из подземных вод. Рассмотрим в качестве примера две французские станции — в Жоншеи и в Криссее.

Станция в Жоншеи эксплуатируется с 1965 г. Расход обрабатываемой воды составляет 600 м3/ч. В воде присутствуют марганец (0,4—0,7 мг/л) и другие загрязнения (в незначительных количествах). В ходе очистки осуществляются предварительная аэрация воды путем ее пульверизации, озонирование в камере с двумя отделениями (продолжительность контакта 10 мин) и фильтрация. Доза вводимого озона в зависимости от расхода и качества исходной воды составляет 0,6—1,4 мг/л. Фильтрация осуществляется на песчаном фильтре с эквивалентным диаметром зерен 0,95 мм. Продолжительность пребывания воды в фильтрующей загрузке составляет 8 мин при скорости фильтрования 5,5 м/ч. В результате обработки воды количество марганца снижается до 0,02 мг/л.

Длительная эксплуатация сооружений показала необходимость учета отношения концентрации ионов Мn2+ в исходной воде к дозе вводимого озона. Это подтверждается данными, полученными в ходе опытов по определению оптимальной дозы озона. Согласно данным, оптимальной является доза озона 0,77 мг/л.

Станция в Криссее пропускной способностью 300 м3/ч очищает воду с содержанием значительного количества железа (3—6 мг/л), марганца (0,15 мг/л) и аммонийного азота (0,9 — 2 мг/л). Основными сооружениями являются каскадный аэратор, размещенный в герметичной камере, в нижней части которой осуществляется контакт воды с озоном (дозой 1,7 — 2,1 мг/л) в течение 7 мин, и двухслойный фильтр. Проведение двухэтапной предварительной обработки (аэрирования и озонирования) гарантирует окисление железа и марганца, а также снижение концентрации аммонийного азота вследствие эффекта стриппинга аммиака (трансформация NH4 в NH3 и его дегазация) до 0,3 мг/л. Введение небольших доз органического флокулянта (0,7 — 1 мг/л альгината) и последующая фильтрация (v = 6,8 м/ч) на двухслойном открытом фильтре, заполненном антрацитом (верхний слой высотой 0,5 м) и песком (нижний слой высотой 0,4 м), позволяют полностью удалить марганец и довести остаточное содержание железа до 0,1 мг/л. Концентрация аммонийного азота после фильтрования остается на том же уровне, как и перед фильтрами. Это свидетельствует об отсутствии процессов нитрификации в толще песчаной загрузки.

Проблема удаления из подземных вод марганца успешно решается и в отечественной практике водоподготовки. Например, на водоочистных сооружениях поселка Ургал на БАМе производится озонирование природных вод, содержащих марганец (0,6 мг/л), сероводород (0,4 мг/л), фтор (0,15 мг/л) и другие загрязнения [6]. Сырьем для получения озона служит прошедший сушку кислород, подаваемый по трубопроводу от кислородной станции канализационных очистных сооружений поселка Ургал. Вода обрабатывается озонокислородной смесью в контактных камерах, где происходит окисление двухвалентного марганца в нерастворимый четырехвалентный. Озонированная вода из контактных камер забирается насосами и подается на напорные песчаные фильтры для очистки от нерастворимой четырехвалентной окиси марганца. Затем очищенная и обеззараженная вода поступает в резервуары чистой воды.

Опыт эксплуатации водоочистной установки, использующей озон для очистки подземных вод от марганца с одновременным их обеззараживанием, показал, что озонирование значительно упрощает технологическую схему очистки воды и позволяет отказаться от таких реагентов, как хлор, перманганат калия, железный купорос, активная кремнекислота. Другим преимуществом установки является ее компактность; все сооружения запроектированы в одном блоке размером в плане 66 X 24 м.

С помощью озонирования и последующей фильтрации можно также удалить из подземных вод сероводород.

Озон является одим из наиболее активных реагентов-окислителей для обработки сероводородных вод. Он эффективно воздействует на сероводород. При озонировании этих вод следует принимать дозы окислителя из расчета 0,6 — 1,4 мг озона на 1 мг содержащихся в воде соединений серы. При определении общего расхода озона для обработки сероводородных вод необходимо учитывать реакции окислителя с другими присутствующими в воде соединениями, которые могут окисляться озоном. Точное определение расчетной дозы для обработки сероводородных вод рекомендуется производить опытным путем.

С. Н. Линевичем разработана технологическая схема комплексной обработки сероводородных природных и сточных вод с использованием озонирования и контактной коагуляции. Схемой предусмотрены удаление взвешенных веществ и сероводорода, обесцвечивание и обеззараживание воды. Данная технология рекомендуется для обработки сероводородных вод (при рН < 9) с содержанием H2S до 40 — 60 мг/л. В предлагаемой технологической схеме сероводородные воды подаются в контактные резервуары, куда вводится и озоновоздушная смесь от генераторов озона. В зависимости от исходного содержания сероводорода и диспергируемой дозы озона продолжительность обработки воды в контактных резервуарах может составлять 5—15 мин. Для освобождения сточной воды от коллоидных веществ и мелкодисперсной серы, образующейся в результате окисления H2S, предусмотрены ввод коагулянта и контактная коагуляция на контактных осветлителях. Пройдя контактные осветлители, вода подвергается вторичному озонированию (с целью дезинфекции) в резервуарах чистой воды. Полностью очищенная от сероводорода и прошедшая обеззараживание вода может направляться к потребителю. При очистке озоном сточных сероводородных вод из технологической цепочки исключаются контактные осветлители, но добавляются резервуары-накопители или отстойники.
Предложенная технологическая схема позволяет озонировать сероводородные воды в комбинации с обычной аэрацией, что может в 2—3 раза сократить расход озона и, следовательно, снизить стоимость водообработки.

В зарубежной практике водоподготовки имеются примеры использования озонирования с последующей фильтрацией воды на гранулированном активированном угле для интенсификации процессов нитрификации аммонийного азота. В качестве такого примера можно в первую очередь привести станцию водоподготовки Шапель в Руане (Франция), построенную в 1976 г. Станция очищает воду подземных источников, содержащих в качестве основных загрязнений аммонийный азот (1,8 — 3 мг/л), марганец (0,15 мг/л), детергенты и фенол.

Схема очистки включает преозонирование (с дозой озона 0,7 мг/л) фильтрацию на двухслойном фильтре (верхний слой высотой 1 м — песчаная загрузка, нижний слой высотой 0,75 м — активированный уголь) и дезинфекцию озоном (доза 1,4 мг/л). Преозонирование гарантирует окисление Мn2+ в Мn4+ и насыщение воды растворенным кислородом, необходимым для жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий в толще угольной загрузки, а также способствует окислению детергентов и фенола.

Предполагается, что при фильтрации на песчаной загрузке удаляется окисленный марганец и одновременно начинает проявляться жизнедеятельность микроорганизмов-нитрификаторов. Основное же место их активной деятельности — слой активированного гранулированного угля. В отличие от станции в Криссее на станции Шапель получены положительные результаты по нитрификации аммонийного азота, но эти данные все же не позволяют определить процентное содержание удаленного аммонийного азота на каждом фильтрующем слое.

Совместное использование озонирования н фильтрации на активированном угле реализовано на трех западногерманских станциях (в Дюссельдорфе, Дуйсбурге, Вуппертале), очищающих сильно-загрязненные воды подземных источников, находящихся в непосредственной близости от русла р. Рейн. Воды характеризуются значительным содержанием марганца (1 мг/л) и аммонийного азота (1— 3 мг/л), небольшим количеством железа (0,4 мг/л), имеют привкус и стойкий запах хлорорганических соединений, являющиеся результатом загрязнения вод Рейна промышленными отходами.

Технологическая схема очистки станции в Дюссельдорфе включает преозонирование, стокирование, фильтрование. При дозе озона 3 мг/л осуществляется полное окисление Fe2+ в Fe3+ и Мn2+ в Мn7+. В контактном бассейне при стокировании, продолжающемся 30 мин, остаточный озон и Мn7+ окисляют часть растворенной органики. В воде, выходящей из контактного бассейна, остаточный озон отсутствует. Нитрификация осуществляется на I ступени фильтрации (загрузка — пористый материал) за счет растворенного кислорода, внесенного при озонировании. Об этом свидетельствует активная жизнедеятельность микроорганизмов. 1 ступень фильтрации позволяет одновременно удалять железо и марганец, присутствующие в виде гидроокисей, а II ступень — органические хлорпроизводные путем разрыва длинных молекул и образования микромолекул, хорошо адсорбируемых активированным углем. Регенерация активированного угля осуществляется в зависимости от количества задержанных хлорпроизводных.

На станции в Дуйсбурге в отличие от станции в Дюссельдорфе фильтрация осуществляется сразу же после озонирования, т. е. без стокирования. Фильтр включает два слоя загрузки: антрацит, позволяющий удалять марганец и железо, и активированный уголь для окисления и сорбции хлорорганических примесей и других загрязнений. Отсутствие стокирования ведет к тому, что на I ступени фильтрации (ввиду значительного количества остаточного озона) не наблюдаются процессы нитрификации; здесь проявляется бактерицидное действие озона по отношению к микроорганизмам. Нитрификация осуществляется в толще загрузки из активированного угля после удаления следов остаточного озона. Отличаются эти станции, следовательно, местом прохождения процессов нитрификации, т. е. на I или на II ступени фильтрации.

На станции в Вуппертале процессы нитрификации осуществляются так же, как и на станции в Дуйсбурге. Предварительная аэрация позволяет ускорить окисление Fe2+ в Fe3+. Что касается удаления хлорпроизводных, а также запаха и привкуса, то это достигается (на всех трех станциях) благодаря комбинированной очистке «озон—активированный уголь».

Остановимся на нескольких примерах использования озонирования и фильтрации на гранулированном угле для обработки поверхностных вод.

Станция Морсан-сюр-Сен (Франция), построенная в 1970 г., имеет пропускную способность 150 000 м3/сут и очищает воду р. Сены для нужд водоснабжения г. Иври. До 1975 г. технологическая цепочка очистки воды включала предварительное хлорирование, флокуляцию, отстаивание, фильтрацию на песчаной загрузке, озонирование (с дозой озона 2,25 мг/л), на долю которого приходились глубокая дезинфекция (на уровне вирусов), окисление органических веществ естественного и искусственного происхождения, уничтожение цвета и запаха. В конце технологической схемы после озонирования в воду вводился в незначительных количествах хлор для поддержания бактериальной стабильности воды по пути следования ее от станции до потребителя. Начиная с 1975 г., когда качество воды в р. Сене ухудшилось, к технологической цепочке сооружений после озонирования была добавлена фильтрация на гранулированном активированном угле для глубокого биологического окисления загрязнений в порах загрузки. К уже указанному выше действию озона в данной схеме добавилось увеличение срока использования активированного угля (на 20—30%) вследствие повышения эффективности бактериального самоочищения в толще загрузки.

Другим примером может служить станция Мери-сюр-Уаз, последняя очередь которой была пущена в эксплуатацию в конце 1980 г. В настоящий момент эта станция обрабатывает 270 000 м3 воды в сутки и является одной из самых крупных в мире, использующих многоступенчатое озонирование. Вода, поступающая на очистные сооружения, характеризуется высокой мутностью, большим содержанием аммонийного азота (до 5 мг/л) и растворенных органических загрязнений искусственного происхождения (содержание органического углерода 10 мг/л). Уровень загрязненности реки непостоянен и увеличивается за счет попадания в нее случайных загрязнений.

Технологическая схема очистки включает следующие этапы обработки: преозонирование, стокирование, флокуляцию-отстаивание, скорую фильтрацию на песчаном фильтре, озонирование с последующим фильтрованием через активированный уголь и хлорирование. Этап «озонирование — фильтрация на гранулированном активированном угле» предусмотрен для интенсификации процессов нитрификации аммонийного азота, сорбции и окисления органических загрязнений искусственного происхождения, придающих воде цветность, запах и привкус. Механизм совместного воздействия озона и активированного угля на указанные загрязнения такой же, как и при очистке подземных вод: разрыв длинных молекул с образованием большого числа микромолекул, способных сорбироваться на порах загрузки, где растворенным кислородом, образующимся при разложении озона, трудноокисляемые вещества трансформируются в биоокисляемые.

Рассмотренные примеры по использованию комбинированной очистки «озонирование — фильтрация на активированном угле» показывают, что озонирование способствует последующей биологической очистке в толще фильтрующей загрузки, но только в том случае, когда отсутствует остаточный озон, являющийся гибельным для микроорганизмов. Затронув вопросы об интенсификации озонированием ирицессов нитрификации, необходимо сказать несколько слов и о чисто химических реакциях окисления озоном аммонийного азота до нитратов. Термодинамически эти процессы возможны с использованием больших доз окислителя. Реакция идет эффективно лишь в щелочной среде (рН > 9). Константа скорости реакции возрастает с увеличением рН, так как щелочная среда благоприятствует разложению озона на активные радикалы ОН, атакующие ионы. Подобные результаты по трансформации аммонийного азота в нитраты были получены в лаборатории Реннского университета (Франция) в экспериментах по изучению воздействия озона на мочевину.

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