Ozonizace přírodních vod

Vzhledem k nízké rozpustnosti ozonu jsou procesy předozonizace a dezinfekce vody ovlivněny nejen jeho dávkou, ale také koncentrací směsi ozon-vzduch, způsobem její distribuce v upravované vodě, výškou kontaktní nádrže a dobou, po kterou v ní voda setrvá, obsahem organických a minerálních nečistot ve vodě a její teplotou.

Vliv přítomnosti různých typů technogenních polutantů v komplexech na účinnost předúpravy ozonizací byl velmi málo studován. Z ekonomického hlediska je vhodné přidávat směs ozonu a vzduchu do vody, která byla předem vyčištěna od organických a minerálních nečistot.

Podle literárních údajů se spotřeba ozonu na odbarvování vody v závislosti na její kvalitě může pohybovat ve velmi širokém rozmezí – od 0,15 do 20 mg/l 0₃. Navíc pro snížení původní barvy o 100% je požadovaná dávka 0 ₃ 50krát více, než kdyby se původní barva snížila o 50 %.

Jak ukazují zkušenosti z provozu úpraven vody, při použití ozonizace vody je složení soli C0₂, pH, alkalita zůstávají prakticky nezměněny.

Naše výzkumné zkušenosti ukazují, že při ozonizaci studených mírně zakalených barevných vod není možné snížit malá množství suspendovaných látek (do 5-10 mg/l) na normy SanPiN 2.1.4.1074-01.

Zavedení ozonu v počáteční fázi léčby obvykle umožňuje snížit dávku koagulantu (síran hlinitý) o 15-25% v důsledku odbarvovacího a flokulačního účinku. Je znám vliv ozonu na kovy s vysokým oxidačně-redukčním potenciálem (Mn, Fe, Co, Pb aj.). Vločky jejich hydroxidu jsou následně zadrženy usazováním nebo filtrací. Ozon je jedním z nejaktivnějších oxidačních činidel sloučenin síry. K oxidaci 1 mg sloučenin síry je zapotřebí 0 – 6 mg 1. ₃.

Zahraniční zkušenosti a výzkumy provedené v Rusku ukazují, že ozonizace vody s následnou filtrací přes granulované aktivní uhlí zajišťuje účinnou nitrifikaci amonného dusíku v alkalickém prostředí. Preozonizace zajišťuje oxidaci Mn 2+ a Mn 4+ a nasycení vody rozpuštěným kyslíkem, které je nezbytné pro životně důležitou činnost nitrifikačních bakterií v mocnosti uhelné zátěže. Pro střední a vysokou produktivitu stanice však musí být tento technologický přístup zdůvodněn ekonomicky.

Všestrannost aplikace ozonu spočívá nejen v účinném ničení hlavních umělých složek, ale také v eliminaci tvorby trihalogenmethanů eliminací primární chlorace, vysokou dezinfekcí a baktericidní ochranou úpraven.

Studie ozonizačních procesů ve vodě obsahující fenoly ukázaly, že tato složka je intenzivně oxidována při dávkách ozonu 2-8 mol 0₃/mol fenolu. Zajištěním ozonizace v alkalickém prostředí lze dosáhnout vysoké účinnosti oxidace fenolu dle CHSK – až 80 %. Ozon oxiduje fenoly na látky, které jsou bez zápachu a chuti (oxid uhličitý, kyseliny mravenčí a šťavelové).

Bylo prokázáno, že ozón účinně odstraňuje povrchově aktivní látky. Předepsané dávky se v každém konkrétním případě liší. Ve fázi primární ozonizace tedy při koncentraci tenzidu do 5-6 mg/l a barvě zdrojové vody do 103 stupňů byla dostatečná dávka směsi ozon-vzduch o koncentraci 6 mg/l 2-2,5 mg/l. Účinnost ozonizace přírodních vod obsahujících ropné produkty závisí na typu ropných produktů a spočívá v ničení a tvorbě těkavých složek. V některých případech je ozón přemění na nerozpustné látky spolu se substrátem, na kterém byly předtím adsorbovány.

Volba dávky ozonu ve fázi předozonizace

Poměrně rozsáhlé experimentální údaje prokázaly vysokou účinnost ozonizace při odstraňování organických pesticidů obsahujících chlór a fosfor. Způsoby ozonizace však musí být v každém konkrétním případě pečlivě zdůvodněny kontrolními analýzami, aby se zjistila možná tvorba karcinogenních sekundárních produktů. Specifické dávky ozonu pro zpracování různých pesticidů se pohybují od 0,5 do 7,5 mg0₃/mg látky při pH = 7-12.

Některé organochlorové pesticidy nereagují s ozonem ani při dávkách oxidačního činidla 20 mg/l. Jiné jsou rozložitelné, ale vyžadují vyšší dávky a delší kontakt ozonu s upravovanou vodou. Produkty reakce některých pesticidů s ozonem jsou toxičtější než původní látky. Reakční produkt ozonu s heptachlorem je tedy toxičtější než samotný heptachlor.

Organofosforové pesticidy mohou být ve zvýšených dávkách oxidovány ozonem. U zdroje povrchové vody s obsahem 0,3 μg/l organofosforových pesticidů tak bylo možné snížit jejich obsah o 80 % dávkou ozonu 1,5 mg/l a dobou ošetření minimálně 12 minut.

Efektivní a ekonomicky opodstatněné je tedy použití primární ozonizace barevných, mírně zakalených vod obsahujících antropogenní nečistoty. Navíc je tato metoda ve srovnání s chlorací šetrnější k životnímu prostředí.

Zvláštností použití preozonizace v této technologii je její vysoká manévrovatelnost a flexibilita v provozu. V obdobích roku, kdy je voda ve vodních zdrojích relativně čistá (C < 25 stupňů, M < 10 mg/l), nesmí být na stanicích používán ozon. Technologie úpravy vody v současnosti spočívá pouze v reagenční kontaktní filtraci přes zrnité médium.

Faktor možné tvorby sekundárních toxických produktů ozonolýzy také určuje způsob aplikace sorpce v nové technologii. V tomto případě by měla být dána přednost práškové karbonizaci před stacionárními adsorbéry s aktivním uhlím, které pracují s rychlostmi filtrace až 10 m/h.

Studie pracovníků Výzkumného ústavu vodohospodářské geologie a geologie vlivu oxidantů (ozon, chlor, kyslík, manganistan draselný) v režimu katalytických a biokatalytických procesů na barevné vody odhalila fenomén periodické stability polyfenolických sloučenin vůči destruktivním oxidačním účinkům v závislosti na jejich molekulové hmotnosti. Tyto jevy potvrzují experimentální závislosti celkového organického uhlíku (TOC) na molekulové hmotnosti organických látek (např. huminových a fulvokyselin) a nárůstu TOC na délce trvání ozonizace. Druhým specifickým faktorem, který je nutné vzít v úvahu při vývoji preozonizace namísto primární chlorace, je jedinečnost, energetická náročnost a vysoká cena ozonizačního zařízení. Předozonizaci je vhodné provádět především u těch vodních zdrojů, které se vyznačují převahou barevných a velmi mírně zakalených vod s nízkou teplotou vody po většinu roku. V tomto případě jedna předozonizace bez dodatečného použití dalších činidel umožní uvést kvalitu vody na standardy SanPiN 2.1.4.1074-01, pokud barva zdrojové vody nepřesáhne 50-70 stupňů. Při větší barvě a zákalu až do 30 mg/l umožní předozonizace výrazné snížení spotřeby koagulantu a flokulantu a v některých případech omezí použití pouze na jeden kationtový flokulant v následujících fázích úpravy vody.

Úprava přírodní vody ozonem za účelem jejího odbarvení a dezinfekce je poměrně účinná a dobře prostudovaná metoda. Předpokládá se, že oxidace sloučenin ve vodných roztocích ozonem je výsledkem reakcí volných radikálů:

V přírodních vodách severních a severozápadních oblastí, které se vyznačují zvýšenou barevností, je toto způsobeno především huminovými a fulvovými kyselinami půdního a rašelinového původu, přírodními i antropogenními (např. rostlinné extrakční látky při splavování dřeva).

Intenzitu oxidace huminových látek ozonem ovlivňuje ve větší míře pH a frakční složení vodného humusu, v menší míře teplota a iontové složení.

Nárůst fulvových a crenicových kyselin ve složení vody prudce zhoršuje proces bělení. V úpravnách vod probíhá ozonizační reakce v přechodové oblasti (mezi kinetickou a difúzní). Pokusy pracovníků Ústavu chemického a chemického průmyslu (Kyjev) ukázaly, že úprava až 70% roztoku huminové kyseliny ozonem není spojena s jejich destruktivní oxidací. To potvrzuje i fakt, že pouze 4 % uhlíku se přeměnilo na oxid uhličitý.

Proces ozonizace přírodních vod je velmi složitý a zahrnuje absorpci ozonu vodou za vzniku ozonového roztoku a jeho interakci se složkami nacházejícími se ve vodě. Současně s těmito procesy dochází k rozkladu ozonu.

Bilance směsi ozonu a vzduchu používané v procesu úpravy vody se obvykle skládá ze spotřeby pro užitečnou činnost (hlavně odbarvování a dezinfekce, při absenci významných koncentrací složek antropogenního původu) – až 50-80%; tlaková ztráta z kontaktní nádrže – až 10-25%; samovolný rozklad ozonu ve vodě a vzduchu – až 5-10%; zbytkový obsah ozonu ve vodě za kontaktní nádrží (nebo difuzním tlakovým přístrojem) je 1-3 %.

Již dříve provedený výzkum pracovníků Výzkumného ústavu vodní geologie a geochemie na vodách řek Volha, Dněpr a Vologda prokázal, že k účinnému odbarvení těchto vod s počáteční barvou od 35 do 150 stupňů dochází při dávkách ozonu od 2,0 do 4,5 mg/l a době kontaktu s vodou minimálně 10-15 minut.

Při ozonizaci podzemních vod se v průměru spotřebuje asi 1 mg ozonu na každý 1 mg odstraněného železa nebo manganu. Ozon se efektivně používá k extrakci syntetických povrchově aktivních látek (SAS), ropných produktů, fenolů a pesticidů z nich. Experimenty různých výzkumníků ukazují, že pokud jsou ve vodě povrchově aktivní látky (sulfonol, prášek Novost), ozonizací lze dosáhnout jejich odstranění z vody o 10-40 %. Ozon má slabý vliv na odstraňování ropných produktů z vody. Jsou zde informace o možnosti odstranění olova, kadmia a niklu z vody. Porovnání ozonizace a chlorace zdrojové vody z hlediska barvy a oxidovatelnosti ukázalo výhodu první z hlediska čistícího efektu.

Technologické parametry přirozeného odbarvování vody

Э_ц% — efekt rozjasnění; C — barva ve škále Pl-Co; T – teplota ve C; t_k— doba kontaktu směsi ozonu a vzduchu se zdrojovou vodou; S — koncentrace ozonu ve směsi ozonu a vzduchu, mg/; D — dávka ozonu, mg/l.

Jsou-li ve vodě přítomny současně takové složky, jako jsou povrchově aktivní látky, amonný dusík a ropné produkty, je proces ozonizace méně účinný, protože ozon se spotřebuje na oxidaci všech organických sloučenin.

Spotřeba ozonu na oxidaci povrchově aktivních látek se zvyšuje se zvyšujícím se stupněm jejich rozkladu. Při 80% rozkladu se spotřeba ozonu zvýší na 1,5 mg na 1 mg povrchově aktivní látky a 90% rozkladu se dosáhne při spotřebě ozonu 2 mg na 1 mg oxidované látky. Úprava vody obsahující povrchově aktivní látky ozonem má za následek tvorbu především mastných alkoholů, kyselin a hydrofilních polyfunkčních sloučenin, kterými jsou nejspíše sulfo- a polykyseliny. Čistý sulfonol je oxidován hlouběji na C0₂.

Amoniakální dusík se vlivem ozonu v malé míře oxiduje. Dusitany se ozónem snadno oxidují na dusičnany, zatímco dusičnany zůstávají téměř beze změny (mírně se mění).

Rozdílný vliv na kvalitu čištěné vody má proces ozonizace vody obsahující tenzidy, huminové látky přírodního původu, ropné produkty, soli těžkých kovů, fenoly a pesticidy. V tomto případě se požadovaná dávka primární ozonizace zvyšuje na 6-8 mg/l.