Озон генератори

Oзонът е широко използван за третиране на води за питейни цели поради своите отлични обеззаразявщи и окислителни свойства. Историята на приложението му в тази област започва в Ница през 1906 г. Днес в световен мащаб функционират около 3000 озониращи съоръжения за дезинфекция, контрол на вкуса, мириса и микрокоагулацията на водата.

Озонът е нестабилен газ, който трябва да се генерира в необходимите количества на място. Той е по-ефективен бактерицид и вирусоцид от хлора. Разлага се по-бързо от другите дезинфекциращи агенти и не се задържа във водата, постъпваща във водоснабдителната мрежа. Озонът може да бъде използван като първичен дезинфектант и винаги трябва да бъде съчетан с вторичен дезинфектант, който да осигури дезинфекция и в разпределителната мрежа.

Въпреки че озонът е най-силният химичен дезинфектант за третиране на води, има някои органични разтворители, които не могат да бъдат окислени от него. В такива случаи озонирането може да се комбинира с UV облъчване и/или водороден пероксид за получаване на свободни хидроксилни радикали, които са дори по-силен окислител от озона. Умишленото получаване на свободни хидроксилни радикали се нарича разширено озониране. Чрез него се отстраняват успешно хлорирани органични разтворители и някои други въглеводороди от подземни води.

Свойствата на озона са добре познати – токсичен, синкав, нестабилен, умерено разтворим във вода, потенциално експлозивен газ, опасен за растения и животни. В ниски концентрации при човека води до дразнене на назалните пътища. Съгласно Наредба № 13 от 30 декември 2003 г. за защита на работещите от рискове, свързани с експозиция на химични агенти, при работа 8-часовата гранична стойност за озон е 0,2 mg/m3, 15-минутната норма е 0,6 mg/m3, а прагът на осезаемост на мириса му е 0,02 mg/m3.

За звукова и визуална сигнализация на течове е необходимо да се инсталират детектори за озон. При установен теч озон генераторите трябва да бъдат спрени. Озонът е силно корозивен във влажна среда и поради това тръбите и другите съоръжения трябва да са изработени от устойчиви материали.

Приложение
Освен като първичен дезинфектант, озонът се използва при: третирането на води за окисление на желязо и манган; оптимизиране процеса на флокулация; подобряване премахването на водорасли; окисление на колоидни органични съединения с цел отстраняване на цвета и намаляване нивата на органичен въглерод; окисление на следи от органични съединения, включително микрозамърсители, които водят до поява на вкус и мирис, фенолни съединения, някои пестициди и детергенти; биологична стабилизация.

При дозиране на озона настъпва окисление, чиято степен зависи от наличната концентрация на разтворен кислород и характеристиките на контактните апарати. Ключовите променливи, които определят ефекта на озона при окисление на прекурсори за образуване на странични продукти при последващо хлориране, са доза, ефективност на пренос, pH, алкалност, налягане, време на контакт и природата на органичните вещества.

При ниски нива на pH деструкцията на прекурсори е доста ефективна. За повечето хуминови вещества критичната стойност на pH е 7,5, при която разлагането на озон до свободни хидроксилни радикали нараства бързо, като по този начин се увеличава и скоростта на окисление на органичните материали. Високата алкалност спомага за редуциране на потенциала за формиране на трихалометани.

Когато се обмисля дали да се използва озониране, трябва да са изяснени целите на третирането, тъй като от тях зависят оптималната доза, времето на контакт, разположението на съоръжението в цялостната система на третиране и конфигурацията на контактните апарати. Обикновено протичат паралелни реакции, така че в един етап от озониране се постигат повече от една цели.

Генериране на озон
Установената технология за генериране на озон е чрез коронен разряд на сух въздух или кислород. Съществуват и други методи (UV облъчване при 140-190 nm; електролиза), но те все още не намират широко приложение при озонирането на вода. Използването на кислород позволява генерирането на озон в по-високи концентрации, което е по-ефективно от енергийна гледна точка, но и по-скъпо.

Използват се и инсталации, захранвани с въздух, които имат способността да обогатят подавания въздух с кислород. Употребата на тези съоръжения е оправдана, когато потребността от озон възниква рядко и е с краткосрочен характер. Въздухът, използван за генерирането на озон, трябва да е сух, тъй като водната пара води до поява на искри в генератора, което е причина за загуба на ефективност и енергия, и образуването на азотна киселина.

Изискваната сухота зависи от генератора, но е малко вероятно точката на оросяване да бъде над -60 oC и под -80 oC. За постигане на това ниво на сухота се използват сушилни с обезводняващи агенти. Въздухът трябва да е пречистен от прахови частици и въглеводороди, които предизвикват искрене и понижаване на ефективността. Когато за озон генераторите се използва кислород, той може да бъде доставян в течно състояние или да се произвежда на място.

Обикновено електрическото захранване на озон генераторите е с ниска честота и фиксирано напрежение. За по-големи инсталации се изисква средночестотно променливо напрежение с цел редуциране на енергийните разходи и повишаване добива на озон. При генерирането на озон се използва електроенергия с високо напрежение, което е свързано с определени рискове за безопасността. Обикновено озон генераторите са оборудвани с различни защитни устройства, които автоматично изключват генератора при поява на потенциален риск.

Коронният разряд протича между два концентрично разположени електрода. При конвенционните генератори вътрешният тръбен електрод се покрива с диелектричен материал, обикновено стъкло. Подаваният газ преминава между двата електрода. По-големи добиви на озон се постигат чрез регулиране на празното пространство между електродите и използването на различни диелектрици, например алуминиев оксид.

Генерираният в газова фаза озон трябва да бъде разтворен, за което е необходим контактен апарат газ-течност. Най-често се използват дифузорни съоръжения, състоящи се от две или повече камери, разделени с вертикални прегради. Близо до дъното на първата камера се монтират дифузори, през които се инжектира озонът. Водата постъпва в противоток с издигащите се нагоре газови мехурчета. Посоката на движение на водата се променя при всяка камера.

Камерите са дълбоки 5-6 m, което, чрез повишаване на налягането, спомага за масопреноса. Монтирането на дифузори в повече от една камери осигурява възможност за гъвкаво управление на процеса на дозиране на озона. Обикновено в последната камера не се пропуска озон с цел осигуряване на време за протичане на реакция.

Този тип контактни апарати са доста големи, което ги прави особено подходящи за целите на дезинфекция на вода. От изключителна важност е съотношението на обемите на газа и течността. Ако то е прекалено ниско, мехурчетата ще се издигат като дискретни струи и водата ще преминава между тях. Това ще доведе до понижаване ефективността на пренос и неравномерно дозиране. Рискът от това трябва да бъде преценен още на ниво проектиране, особено ако се ще се използват озон генератори, захранвани с кислород.

Алтернативни конфигурации на контактните апарати са турбинните смесители и ежекторите, при които външен източник на енергия (бъркалка или ежекторна помпа) осигуряват среда с висока степен на разбъркване, в която озонът се пропуска под формата на микромехурчета с голяма повърхност. Този тип контактни апарати са много по-компактни от дифузорните камери, но изискват по-големи експлоатационни разходи.

Деструкция на излишния озон
В практиката не се постига пълен пренос на озона и газовете от контактните камери съдържат озон в токсични концентрации. Затова се налага третиране на тези газове преди изпускането им в атмосферата. Деструкцията може да стане по термичен или каталитичен метод.

Термичните деструктори загряват газа до температура от около 400 oC, при което разлагането на озона протича почти моментално. Каталитичните деструктори се състоят от реакционна камера, запълнена с материал, катализиращ разлагането на озона, с което се избягва необходимостта от висока температура. Въпреки това се изисква предварително нагряване на газа, за да се намали относителната му влажност и да се предотврати кондензация върху катализатора, което би довело до понижаване на ефективността.

Странични продукти
Както е известно, озонът реагира с природната органична материя, при което могат да се получат различни странични продукти, например алдехиди, кетони и хинони. Обикновено при дезинфекцията на води за питейни цели не протича пълна минерализация на органичната материя.

При озониране не се формират трихалометани, което спомага за ограничаване на тяхното формиране при последващо хлориране на водата. Действието на озона върху органичната материя увеличава биоразградимата фракция, измерена като повишение на усвояемия органичен въглерод или биоразградимия разтворен органичен въглерод. Затова, ако се използва озониране, след него трябва да бъде включен процес, осигуряващ понижаване на биоразградимостта.

Това най-често се постига чрез филтриране с гранулиран активен въглен. С озона във водата постъпва допълнително количество кислород, което е предпоставка за развитие на организми по филтърната повърхност. Озонът окислява бромидните йони (Br-) до броматни (BrO3-), за които Наредба № 9 от 16 март 2001 г. за качеството на водата, предназначена за питейно-битови цели, определя норма от 10 mg/l. Затова е важно преди въвеждането на озониране, да се оцени потенциалът за формиране на бромати.

Ефективност
Озонът изисква по-малко време на контакт и по-ниски концентрации от хлора, хлорния диоксид и хлорамините за постигане на дезинфекция. Неговата нестабилност и реактивност обаче означават, че озонът не може да осигури продължителна дезинфекция в разпределителната мрежа. Стабилността на озона намалява с повишаване на рН и температурата.

При 15 °C и pH 7,6, продължителността на живот на озона е в рамките на 40 минути, но при по-високи температури може да спадне до 10-20 минути. Това се дължи на намаляване ефективността на пренос на озона във водата с повишение на температурата. Разтвореният озон може да реагира директно или индиректно с водата. Директните реакции протичат с озоновата молекула.

Индиректните реакции протичат с хидроксилните радикали, които се формират при разлагането на озона във водата. В практиката често реакциите протичат паралелно по двата механизма, като степента на формиране на хидроксилни радикали се определя от качеството на третираната вода.

Предимства и ограничения на озонирането
Някои от основните предимства на озонирането на води за питейно-битови цели са: висока дезинфекцираща ефективност срещу бактерии, вируси и Giardia; по-висока ефективност срещу Cryptosporidium от останалите химични дезинфектанти; по-ниска чувствителност към променливо рН от хлора; не води до формиране на трихалометани и халооцетни киселини.

Сред недостатъците на метода са: не осигурява дезинфекция в разпределителната мрежа; озонът се разлага при високо рН; възможно е образуването на броматни йони; капиталовите разходи за озониращото оборудване са високи в сравнение с другите химични обеззаразители; високи експлоатационни разходи, тъй като изисква генериране на озона на място.