Table of Contents

Введение: Растущая обеспокоенность по поводу побочных продуктов дезинфекции

Дезинфекция была одним из самых значительных достижений общественного здравоохранения 20-го века, резко уменьшая болезни, передаваемые через воду, такие как холера, брюшной тиф и дизентерия. Однако химические процессы, используемые для уничтожения патогенов, могут непреднамеренно производить вредные соединения, известные как побочные продукты дезинфекции (ДБП). ДБП образуются, когда дезинфицирующие средства - чаще всего хлор - реагируют с естественным органическим веществом (НОМ) и ионами бромида, присутствующими в исходных водах. Было идентифицировано более 600 ДБП, причем тригалометаны (ТГМ) и галогенацетные кислоты (ГАА) являются наиболее регулируемыми и изученными. Долгосрочное воздействие повышенных уровней ДБП было связано с повышенным риском рака мочевого пузыря, неблагоприятными репродуктивными результатами и другими последствиями для здоровья. В результате регулирующие органы во всем мире, включая Агентство по охране окружающей среды США (EPA) и Всемирную организацию здравоохранения (ВОЗ), установили строгие максимальные уровни загрязнения для ДБП в питьевой воде. Очистные сооружения постоянно ищут эффективные стратегии для

Что такое озонация?

Озонирование — это процесс очистки воды, в котором используется озон (O]3), высокореактивная форма кислорода, как мощный окислитель и дезинфицирующее средство. Озон генерируется на месте путем пропускания сухого воздуха или кислорода через высоковольтное электрическое разрядное поле, подобное молнии. Затем газ вводится в поток воды через диффузоры или инжекторы вентури, где он немедленно начинает реагировать с широким спектром загрязнителей. Потенциал окисления озона значительно выше, чем у хлора, гипохлорита или диоксида хлора, что позволяет ему расщеплять сложные органические молекулы, инактивировать микроорганизмы и удалять соединения вкуса и запаха в считанные секунды. В отличие от хлора, который может сохраняться в системе распределения и обеспечивать остаточное обеззараживание, озон быстро разлагается в кислород, то есть он обычно используется в качестве первичного дезинфицирующего средства в начале пути обработки, а затем вторичного дезинфицирующего средства, такого как хлор или хлорамин, для поддержания

Поколение озона и химия

Озон образуется при разряде короны или ультрафиолетовом (УФ) облучении. Наиболее распространенный метод, разряд короны, включает прохождение кислорода (O]2) через диэлектрический зазор, подвергаемый сильному электрическому полю. Некоторые молекулы кислорода (O]2) расщепляются на атомарные молекулы кислорода, которые затем объединяются с неповрежденными молекулами O22 для образования озона (O]3. Выход зависит от подачи газа — воздух дает около 1-2% озона по весу, в то время как чистый кислород может достигать 4-6 % или выше. После растворения в воде озон реагирует по двум основным путям: прямое молекулярное окисление (селективное и медленное с определенными соединениями) и косвенные радикальные цепные реакции (неселективные и очень быстрые) с участием гидроксильных радикалов (·

Как озонирование уменьшает образование побочных продуктов дезинфекции

Озонирование снижает образование ДБП с помощью нескольких различных механизмов, которые нацелены как на прекурсоры, так и на общий процесс лечения. Понимание этих механизмов является ключом к оптимизации очистки воды для соблюдения нормативных требований и защиты общественного здравоохранения.

Окисление естественной органической материи (NOM)

Первичные предшественники ДБП, такие как ТГМ и ГАА, представляют собой природные органические соединения, в частности гуминовые и фульвовые кислоты, которые содержат реактивные функциональные группы, такие как ароматические кольца и сопряженные двойные связи. При добавлении хлора в необработанную воду эти ароматические структуры легко реагируют на образование галогенированных побочных продуктов. Озонирование, особенно в умеренных дозах, избирательно атакует эти ароматические фрагменты, разбивая их на более мелкие, менее реактивные алифатические карбоновые кислоты, альдегиды и кетоны. Эти продукты трансформации имеют гораздо меньшую тенденцию реагировать с хлором, тем самым снижая общий потенциал образования ДБП. Исследования показали, что преозонирование может уменьшить образование ТГМ на 30-50% и образование HAA до 60% в зависимости от характеристик воды и дозировки озона.

Модификация бромидной химии

Бромидные ионы (Br-), присутствующие в природных водах, могут окисляться как озоном, так и хлором. В то время как озон может окислять бром до гипобромной кислоты (HOBr), которая, в свою очередь, реагирует с органическим веществом с образованием бромированных DBP (часто более токсичных, чем их хлорированные аналоги), тщательный контроль условий озонирования может фактически минимизировать образование бромированных видов на последующем этапе хлорирования. Озон избирательно разрушает органические прекурсоры, которые наиболее реактивны с HOBr, сдвигая видообразование DBP в сторону менее вредных соединений. Более того, если доза озона оптимизирована, чтобы избежать чрезмерного образования бромата (BrO3-) - само регулируемое DBP - преозонирование может резко снизить общий уровень бромированных THM и HAA. Многие коммунальные службы используют озон в сочетании с передовыми процессами окисления (AOPs) для достижения управления бромидами, все еще получая выгоду от разрушения прекурсоров DBP.

Усиленное удаление твердых частиц и коллоидной материи

Озонирование может повысить общую эффективность процессов коагуляции и фильтрации вниз по течению. Реакции окисления разрушают высокомолекулярные органические молекулы и дестабилизируют коллоидные частицы. Это может привести к 10-20% улучшению удаления общего органического углерода (ТОХ) и мутности при обычной обработке. Поскольку органическое вещество является основным сырьем для образования ДБП, любое увеличение его удаления до хлорирования непосредственно снижает концентрацию прекурсоров ДБП. На практике растения, которые включают озонирование, часто достигают более низких уровней ДБП с теми же или даже более низкими дозами хлора по сравнению с растениями, которые полагаются исключительно на хлорирование.

Снижение спроса на хлор и дозы

Поскольку озон разрушает значительную часть NOM и других окисляемых веществ, потребность в хлоре воды уменьшается. Спрос на хлор - это количество хлора, потребляемого реакциями с органическими и неорганическими соединениями, прежде чем он может обеспечить бесплатную остаточную дезинфекцию. Снижая эту потребность, озонирование позволяет операторам применять более низкую дозу хлора, все еще достигая необходимого остаточного количества в распределительной системе. Меньше хлора означает меньше возможностей реакции для образования DBP. Многие очистные сооружения нацелены на конкретный остаток свободного хлора (часто 0,2-2,0 мг / л в точке входа) и предварительная озонация помогает им удовлетворить этот остаток с 40-60% снижением добавления хлора, непосредственно коррелируя с более низкими концентрациями DBP.

Преимущества озонирования при обработке воды

Помимо сокращения ДБП, озонирование предлагает широкий спектр преимуществ, которые делают его привлекательным единичным процессом для современных водоочистных сооружений.

Высокие показатели дезинфекции

Озон является одним из самых мощных дезинфицирующих средств, известных, со способностью инактивировать бактерии, вирусы и простейшие паразиты, такие как Giardia и Cryptosporidium , гораздо более эффективно, чем хлор. Например, значение КТ (концентрация × время) 0,5 мг·мин/л для озона достигает 99% инактивации Giardia , тогда как хлор требует КТ около 50 мг·мин/л. Эта высокая эффективность означает более короткое время контакта и меньшие емкости, снижая капитальные затраты. Кроме того, озон не производит хлорный вкус и запах, которые некоторые потребители считают нежелательными, улучшая эстетическое качество воды.

Уменьшение специфических классов DBP

В то время как ТГМ и HAA являются наиболее регулируемыми ДБП, озонирование также уменьшает образование других проблемных побочных продуктов, таких как галоацетонитрилы (HAN), галокетоны и хлоропикрин. Поскольку озон атакует азотистые и углеродистые предшественники этих соединений, их концентрации в готовой воде часто снижаются. Это особенно важно, поскольку водохозяйственные службы сталкиваются с будущими правилами, нацеленными на дополнительные виды ДБП. Озонация также может помочь контролировать образование N-нитрозодимиметиламин (NDMA) , мощного канцерогена, образующегося во время хлорирования, путем удаления прекурсоров диметиламина. Однако необходим тщательный контроль, поскольку сам озон может образовывать NDMA при определенных условиях, если присутствуют прекурсоры.

Снижение вкуса и запаха соединений

Такие соединения, как геосмин и 2-метилизоборнеол (MIB), вызывают земляные вкусы и запахи в питьевой воде, часто приводя к жалобам клиентов.Хлор в значительной степени неэффективен при окислении этих соединений, но озон работает быстро и полностью разрушает их при типичных дозировках 1-3 мг / л. Многие водоканалы используют озонирование специально для контроля вкуса и запаха, с дополнительным преимуществом снижения DBP.

Улучшенная флокализация и фильтрация

Эффект микрофлоккуляции озона, вызванный химической дестабилизацией коллоидных частиц и органических полимеров, повышает эффективность физической обработки ниже по течению. Удаление мутности может увеличиться на 10-15%, а качество оседлой воды улучшается. Это, в свою очередь, снижает органическую нагрузку на конечную стадию дезинфекции, еще больше ограничивая образование ДБП. Растения с активированными угольными фильтрами после озонирования (биологический активированный уголь или БАК) также выигрывают от усиленной биодеградации усваиваемого органического углерода, что предотвращает рост в системе распределения и снижает спрос на хлор.

Проблемы и соображения в полномасштабном применении

Несмотря на многочисленные преимущества, озонирование не является панацеей. Существуют значительные оперативные, экономические и химические проблемы, которые необходимо решить, чтобы реализовать все преимущества сокращения ПДД.

Формирование бромата (BrO3-)

Когда исходные воды содержат повышенные уровни бромида (выше ~50 мкг / л), озон может окислять бромид до бромата, канцерогенного DBP, который регулируется во многих юрисдикциях. Путь образования включает в себя ряд реакций, включая окисление бромида до гипобромита (OBr-), за которым следует дальнейшее окисление до бромата. Стратегии смягчения включают снижение pH (формы бромата более медленно при pH < 6.5), adding ammonia (which reacts with HOBr to form bromamines), or using advanced oxidation processes that favor hydroxyl radical pathways over direct ozone reactions. Some utilities also use post-ozonation chloramination to keep bromate levels low. Тщательный мониторинг и контроль дозы озона и химического состава воды необходимы, чтобы избежать торговли одним набором DBP для другого.

Нет остаточной дезинфекции

Озон разлагается слишком быстро, чтобы обеспечить остаточное обеззараживание по всей распределительной системе. Поэтому за озонированием всегда должно следовать вторичное дезинфицирующее средство, обычно хлор или монохлорамин. Это означает, что некоторое образование ДБП неизбежно во время заключительного этапа дезинфекции. Цель состоит в том, чтобы уменьшить прекурсоры, чтобы конечный уровень ДБП был ниже нормативных пределов. Для оптимизации комбинированного процесса операторы должны определить идеальную дозу озона - слишком низкая и прекурсоры остаются, слишком высокие и образование бромата или эксплуатационные расходы становятся проблематичными.

Поколение на месте и требования безопасности

Озон — нестабильный газ, который нельзя хранить; он должен генерироваться по требованию. Для этого требуется капиталоемкое оборудование, такое как генераторы озона, кислородные концентраторы или системы подачи жидкого кислорода, компрессоры и контактные бассейны. Протоколы безопасности строги, поскольку озон является токсичным газом с пределом профессионального воздействия 0,1 промилле. Правильные установки вентиляции и разрушения озонового газа являются обязательными. Эти факторы способствуют более высоким первоначальным затратам и затратам на техническое обслуживание по сравнению с традиционными системами хлорирования. Однако для средних и крупных установок стоимость жизненного цикла может быть конкурентоспособной при рассмотрении экономии от сокращения использования химических веществ, более низкой обработки осадка и избежания штрафов за соблюдение DBP.

Побочные продукты, специфичные для озонирования

Озонирование само по себе производит побочные продукты, в первую очередь альдегиды (например, формальдегид, ацетальдегид) и усваиваемый органический углерод (АОК). Эти соединения в настоящее время не регулируются, но могут способствовать бактериальному росту в распределительной системе, если не биологически стабилизированы. Вот почему озонирование часто сопряжено с биофильтрацией (например, гранулированный активированный уголь или медленные песочные фильтры) для удаления биоразлагаемого органического вещества. Сочетание озона + BAC считается лучшей доступной технологией (BAT) для многих коммунальных служб, стремящихся уменьшить DBP, предотвращая при этом рост.

Экономические соображения

Капитальные затраты на систему озонирования могут варьироваться от 0,5 до 2,0 млн. долл. на миллион галлонов в день (MGD) мощности, в зависимости от условий участка и уровня автоматизации. Эксплуатационные расходы обусловлены в первую очередь электричеством для производства озона и подачи кислорода. Типичное потребление электроэнергии составляет 12-20 кВтч на фунт произведенного озона. Несмотря на эти затраты, многие коммунальные службы считают, что общая стоимость обработки на 1000 галлонов увеличивается всего на несколько центов, когда компенсируется сокращением использования химических веществ, улучшенной фильтрацией и более низкими мерами контроля DBP. Для заводов, сталкивающихся со строгими правилами DBP или расширением мощности, озонация часто оказывается наиболее экономически эффективной стратегией соблюдения.

Практическая реализация и лучшие практики

Для специалистов по очистке воды, рассматривающих озонирование для снижения ДБП, следует рассмотреть несколько оперативных руководящих принципов, основанных на опыте и исследованиях отрасли.

Скамейка-масштаб и пилотные испытания

Перед тем, как приступить к полномасштабной системе, коммунальные службы должны провести тестирование на конкретных участках. Идеальная доза озона зависит от ТОС сырой воды, концентрации бромида, рН и щелочности. Комплексные эксперименты с использованием пробы с озоном могут установить зависимость «доза-реакция» для удаления предшественников DBP. Многие консалтинговые фирмы предлагают экспериментальные контакторы озона, которые могут имитировать полномасштабную работу и предоставлять данные для проектирования. Общее эмпирическое правило заключается в том, что отношение озона:ТОС 0,5-1,0 (мг О3 на мг С) эффективно для контроля DBP без чрезмерного образования бромата.

Интеграция с существующими процессами лечения

Озонирование обычно помещают на ранней стадии обработки - после потребления сырой воды и до коагуляции, флокуляции и фильтрации. Это позволяет озону воздействовать на NOM и частицы до их удаления физическими процессами. Для растений с существующим хлорированием, модернизация этапа предварительной озонации может значительно снизить необходимую дозу хлора. Пост-озонирование (после фильтрации, но до окончательной дезинфекции) менее распространено для контроля DBP, но может использоваться для удаления вкуса и запаха или расширенного окисления. Наиболее эффективной конфигурацией для снижения DBP обычно является предварительная озонация с последующей усиленной коагуляцией, а затем вторичной дезинфекцией хлораминами, а не свободным хлором, поскольку хлорамин производит меньше DBP.

Мониторинг и контроль

Ключевые параметры для мониторинга включают остаточное содержание озона в контактной камере (обычно 0,2–0,5 мг/л после 3–5 минут контакта для дезинфекции), уровни растворенного кислорода, рН, температуру и концентрацию бромида. Для динамической корректировки дозы озона могут использоваться анализаторы ТОС в реальном времени. Для контроля бромата некоторые растения устанавливают анализатор бромида и используют контроль обратной связи для поддержания дозы озона ниже порога образования бромата. В качестве барьера для бромата могут использоваться также мембраны ультрафильтрации, но они не практичны для всех объектов.

Комбинированные усовершенствованные процессы окисления (AOP)

Когда озон сочетается с перекисью водорода (H2O2) или ультрафиолетовым светом, гидроксильная радикальная генерация усиливается, что приводит к еще более агрессивному окислению прекурсоров DBP. Эта O3/H2O2 AOP может снизить потенциал образования DBP на 80-90% в некоторых водах, хотя риск образования бромата увеличивается, если не тщательно управлять. Добавление пероксида также помогает контролировать бромата путем смещения путей реакции. Для коммунальных услуг, имеющих дело с высоким ТОС или непокорными органическими загрязнителями, АОП на основе O3 является вариантом верхнего уровня.

Заключение

Озонирование выделяется как одна из наиболее эффективных и универсальных технологий для снижения образования побочных продуктов дезинфекции при обработке питьевой воды. Окисление натуральных органических веществ, изменение химии бромида, усиление удаления частиц и снижение спроса на хлор, предварительная озонация непосредственно устраняет коренные причины образования ДБП. При реализации с тщательным вниманием к конкретным условиям участка, включая уровни бромида, рН и цели обработки, озонирование может достичь значительного сокращения ТГМ, HAA и других регулируемых ДБП, обеспечивая при этом превосходную дезинфекцию и улучшенное эстетическое качество воды. В то время как такие проблемы, как образование бромата, требования к остаточной дезинфекции и капитальные затраты должны управляться, сочетание проверенных характеристик и текущих технологических достижений делает озонирование краеугольным камнем современных, оздоровительных стратегий очистки воды. Поскольку нормативные стандарты ужесточаются и источники воды сталкиваются с растущим стрессом от изменения климата и загрязнения, роль озонации в производстве безопасной, вкусной питьевой воды будет только расти более критически. Для коммунальных служб, ищущих перспективное решение, которое уравновешивает защиту общественного здравоохранения с экс

Для дальнейшего чтения, обратитесь к EPA's Disinfection Byproducts page , WHO Guidelines for Drinking-water Quality , и AWWA Manual on Ozone in Water Treatment.