Загрязнение тяжелыми металлами (вообще металлами) может иметь антропогенный и естественный характер, когда подземные воды проходят через породы, содержащие в той или иной мере растворимые катионы.

Все металлы, кроме железа, имеют определенный класс токсичности. При этом к первому классу «чрезвычайно опасные» относятся бериллий и ртуть. Предельно допустимые концентрации (ПДК в мг/л) 0,0002 и 0.0005 соответственно. Второй «высокоопасные» включает большое количество метал- лов мышьяк (As), кадмий (Cd), молибден (Md), свинец (РЬ), сурьма (Sb), стронций (Sr), кобальт (Со), серебро (Ag), висмут класс (Ві) и бор (В). ПДК для этих металлов на 1-2 порядка ниже, чем у первого класса. Этот показатель меняется в широких пределах от таллия (0,0001) до кадмия (0,001), селена (0,1) и ванадия, висмута, кобальта (0,1), меди (1,0) и стронция (7.0) соответственно. Интересно, что серебро и мышьяк имеют одно и то же значение ПДК 0,05.

Согласно установившимся воззрениям, большинство металлов удовлетворительно убираются из воды при соответ ствующем подборе коагулянтов-флоккулянтов. Так, мышьяк удаляют соосаждением с гидроксидом трехвалентного железа при одновременном подщелачивании. Точно так же удаляются селен и стронций. Если мышьяк входит в состав органических со- единений, то авторы рекомендуют производить окисление хлором, что неизбежно приводит к появлению в воде хлорорганических соединений.

Цинк удаляют осаждением в виде гидроокиси цинка Zn(OH)2, который слабо растворим в воде, или в виде карбоната цинка 2ПСОз, который чрезвычайно слабо растворим в воде. В последнем случае воду с растворенным цинком обрабатывают содой. Аналогичным образом при подщелачивании медь выпадает в виде объемистого синего осадка Си(ОН)2, мало растворимого в воде. Существуют и физические методы выделения растворимой меди, цинка, а также молибдена и мышьяка с использованием ультрафильтрации (или обратного осмоса). Кроме того, существует способ выделения всех этих металлов с помощью ионитовых фильтров.

Использование реагентных методов для устранения примесей металлов в питьевой воде требует затем устранения последствий введения этих реагентов в воду. В ряде случаев может возникать проблема с транспортировкой и хранением необходимых для обработки реагентов.

Озон может эффективно решать проблему очистки воды от загрязнения ее тяжелыми металлами, как это хорошо показано в достаточно детальном исследовании американских сотрудников Отдела питьевой воды департамента охраны окружающей среды (штат Юта).

Полученные в этой работе данные представляются весьма показательными, поэтому остановимся на них подробнее.

Популярный горнолыжный курорт Snowbird Ski Resort pacположен на высоте примерно 2500 м, и в зимний сезон его население может достигать 10 тыс. человек. На такой высоте водоснабжение курорта представляет весьма непростую задачу в связи с отсутствием соответствующих источников поверхностной воды, особенно в зимнее время.

Решение было найдено за счет использования шахтных вод старого серебряного рудника. После соответствующей модернизации станция водоподготовки смогла поставлять около 1200 м³/ч воды.

Получаемая из этого источника вода имела превышение по уровню ПДК по таким металлам, как свинец (ПДК США 50 мг/м³) и кадмий (ПДК = 15 мг/м³).

Другие металлы железо, марганец, медь, цинк и мышьяк- имели достаточно высокую концентрацию, чтобы причинять неприятности потребителям, так как оставались пятна на одежде при стирке и купальниках пловцов в бассейнах. Кроме того, уровни концентраций этих металлов были подвержены сильным колебаниям, превышая временами ПДК.

Схема очистки и обеззараживания воды, принятая на станции водоочистки горного курорта, традиционно включала в себя первичное окисление хлором с дозой в 6,1 мг/л и установление рН в пределах 7,5-8,4 за счет использования каустической соды, что содействовало устранению цинка и кадмия. После фильтрации воды на фильтрах под давлением высокая концентрация остаточного хлора устраняется за счет использования двуокиси серы.

При применении этой технологии очистки возникли проблемы с транспортировкой значительных количеств хлора и двуокиси серы по сложной горной дороге. Кроме того, хранилище этих реактивов находилось в непосредственной близости от жилых зданий.

Качество воды, поступающей потребителю, также оставляло желать лучшего наблюдался запах хлора и неприятный при вкус. Кроме того, в ряде случаев, когда происходила передози ровка двуокиси серы, а это было связано с колебаниями в уровне металлов, вода приобретала весьма неприятный вкус.

Рис. 6.25. Схема пилотной установки

Учет всех этих негативных фактов заставил искать альтернативу хлору как окислителю-дезинфектанту, и в качестве такой альтернативы был избран озон.

Оптимизация параметров будущей станции очистки воды от металлов была проведена на пилотной установке. Так как кроме подземных источников использовалась и поверхностная вода, необходимо было осуществить дезинфекцию последней.

Пилотная установка, схема которой приведена на рис. 6.25, рассчитана на потребление 2,2 м³/ч воды и включала в себя озонатор (10 г/ч озона), контактную камеру и фильтр под давлением. Озон синтезировался из воздуха и вводился в контактную камеру с помощью инжектора. Доза озона и время пребывания воды в контактной камере регулировались. Время пребывания воды в контактной камере могло меняться от 1 до 10 мин.

В связи с тем что присутствующие в исходной воде металлы имели значительные вариации в их концентрациях (уровень железа изменялся от 0,2 до 0,9 мг/л, цинка до 5 мг/л, меди и марганца от 0,05 от 20 до 400 мг/м³, свинца от 2 до 60 мг/м³, мышьяка от 5 до 15 мг/л, кадмия от 1 до 20 мг/л), для их устранения были необходимы высокие и сверхвысокие дозы хлора, что неминуемо сказывалось на качестве воды. Применение озона лишено таких проблем, но необходимо точно выдерживать оптимальную дозу озона, поскольку се превышение может приводить к появлению в воде растворимого марганца.

Озон способен окислить такие металлы, как медь, кадмий и цинк до более высоких валентных состояний, чем +2. В щелочной среде эти двухвалентные ионы образуют нерастворимые гидроксиды и дальнейшего окисления не происходит. Если в воде присутствуют органические загрязнения и металлы существуют в виде металлоорганических комплексов, то необходимы более высокие дозы озона и большие времена контакта.

В таблице 6.13 и на рис. 6.26 суммированы основные данные по устранению металлов с помощью озона.

Как можно видеть из этой таблицы, повышенные дозы озо на приводят к увеличению содержания марганца и не влияют на устранение других металлов. Увеличение времени контакта улучшает устранение кадмия и цинка.

Рисунок 6.26 показывает изменение концентраций металлов на разных стадиях очистки после озонирования и после фильтрования. Необходимо отметить, что окисление переводит металл в нерастворимую форму с последующим осаждением на фильтре.

Рис. 6.26. Устранение металлов из воды на пилотной установке

Оптимизацию по дозам озона и временам контакта хорошо иллюстрируют рис. 6.27, 6.28. Оптимальная доза озона составляет 1,5-2 мг/л. При более высоких дозах начинается растворение марганца.

Таблица 6.12 Количество подземных вод

Рис. 6.28. Устранение металлов в зависимости от времени контакта с озоном. Доза озона 2 мг/л

Рисунок 6.28 показывает зависимость концентрации цинка и кадмия при концентрации озона 2 мг/л (рН 7,5) от времени контакта.

Окисление металлов проходит достаточно быстро (табл. 6.13), кроме цинка и кадмия, для которых время контакта должно быть не менее 10 мин. Отмечено, что вкус и запах воды, обработанной на пилотной установке озоном, имеет мало общего с водой, обработанной на основной станции хлором. Вода при обработке озоном имеет голубоватый цвет, свежий вкус и приятный запах. Так как источники используемой на станции воды частично связаны с поверхностной водой, то ее дезинфекция, как уже говорилось, необходима.

В качестве критерия, необходимого для дезинфекции, авторы используют величину С-Т 1 мг/л-мин. Эта величина складывается из остаточной концентрации озона в 0,2 мг/л (доза 2 мг/л) и времени пребывания воды в контактной камере 10 мин. Реальное время удержания озонированной воды составляет лишь половину этой величины.

Окончательная дезинфекция хлором не делается, так как водораспределительные сети очень короткие.

В заключение авторы статьи делают интересное замечание: из-за отклонений в концентрациях металлов в исходной воде передозировка с озоном происходит реже, чем с хлором, и при этом в обработанной воде не наблюдается неприятной органолептики. Можно сказать, что озон более «снисходителен к ошибкам операторов станции, чем хлор.

В настоящее время устранение микрозагрязнителей становится основной задачей в подготовке питьевой воды при использовании поверхностных источников. Сравнительно небольшая станция водоподготовки (производительность по чистой воде 600 м³/ч) в городе София-Антиполис с населением 34 тысячи жи телей была избрана для проведения экспериментов по очистке от микрозагрязнителей. На станции использовалась традиционная технология водоподготовки: биоочистка, механические фильтры, хлорирование. Последний этап хлорирования был заменен на озонирование совместно с биофильтрацией.

В работе установлено, что такая система может устранять широкий спектр микрозагрязнителей, относящихся к разным классам веществ. Список этих загрязнителей приведен ниже:

антибиотики: эритромицин, клиндамицин, сульфаметокса- зол, триметоприм, тилозин;
- бета-блокаторы: метопролол, пропранолол, ацебуталол, атенолол, соталол, тимолол;

гормоны: эстрадиол, эстрон, этинилэстрадиол;

пестициды: атразин, симацина, диурон, изопротурон, глифосат;

- металлы: мышьяк, бор, кадмий, хром, кобальт, медь, ни- кель, цинк.

Концентрация этих веществ не превышала 1000 мг/л, и все они подвергались непрерывному мониторингу. Кроме того, анализировались такие параметры, как концентрация взвешенных веществ, химическое потребление кислорода, общий органиче-ский углерод, а также ионный состав воды (NH, NO, NO₂, РО). Доза введенного озона составляла 3-12 г/м³. Остаточная концентрация озона в воде также отслеживалась. Авторы приводят в статье сравнительные результаты устранения ряда веществ из группы антибиотиков после І-ІІ стадий обработки воды (бно- очистка и фильтрование), а также І-ІІ и ІІІ — с добавлением озонирования и биоочистки (рис. 6.29).

Из этих данных следует, что лишь два пестицида (диурон и АМПА) удаляются сравнительно слабо (60% и 45% соответственно). Все остальные вещества имеют степень удаления от 60 до 90%. В выводах авторы подчеркивают, что при дозе озона 5 г/м³ практически все загрязнители, такие, как антибиотики и бетаблокаторы удаляются с эффективностью свыше 70%. Для металлов очистка составляет 25-35%.

Определенный интерес представляет приведенное в стоимостное сопоставление очистки воды с использованием хлора и озона (табл. 6.14). Даже с учетом различия в ценообразовании разных стран результаты такого сопоставления впечатляют.

6.5. Выводы

1. Озон, безусловно, является одним из наиболее перспективных реагентов для подготовки питьевой воды. Это связано с его высокой реакционной способностью и рекордной, по отношению к другим дезинфектантам, возможностью устранять основные патогены, существующие в воде.

2. Ряд недостатков, присущих озону, высокая селектив ность (что, правда, в ряде случаев может стать преимуществом); так называемые «броматные проблемы»; возможность возникно- вения в ряде случаев вредных промежуточных продуктов, хорошо изучены в настоящее время. Пути их устранения суще ствуют и широко реализуются в водоподготовке. Это в первую очередь использование активируемых углей и применение так называемой «передовой окислительной технологии» (АОР).

3. Стоимость применения озонных технологий определяется в первую очередь расходами на электроэнергию при производстве озона. В настоящее время в этой области наблюдается впечатляющий прогресс в сторону уменьшения стоимости. Кроме того, обслуживание озонаторных установок полностью автоматизировано.

НАКОНЕЦ, И ЭТО САМОЕ ГЛАВНОЕ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОЗОНА В ВОДОПОДГОТОВКЕ ПОЗВОЛЯЕТ ПОЛУЧАТЬ ВОДУ ВЕЛИКОЛЕПНОГО КАЧЕСТВА.

Автор книги "Теория и практика получения и применения озона"
В.В. Лунин, Самойлович, В.Г., С.Н. Ткаченко, И.С. Ткаченко

По вопросам и предложениям свяжитесь с нами любым удобным способом

Телефон: 8 (800) 775-28-45
E-mail: info@ozonbox.pro
Соцсети: Вконтакте | Rutube