Эффективность озонирования в процессе очистки подземных вод

Вестник ТГАСУ №1, 2004

ПРОБЛЕМЫ ИНЖЕНЕРНОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ

УДК 628.162.82:628.132.34

В.В. ДЗЮБО, канд. техн. наук, доцент

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОЗОНИРОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ ОЧИСТКИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

В статье приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований озонирования подземных вод в процессе их очистки, проанализированы основные факторы, влияющие на эффективность озонирования, как технологического приема, а также результаты собственных исследований процесса озонирования подземных вод в вихревых аппаратах.

Эффективность процесса озонирования воды как технологического приема очистки подземных вод, зависит не только от эффективности параметров его синтеза (затраты электроэнергии, стоимость и т.п.), но и во многом определяется эффективностью его перемешивания и растворения в обрабатываемой воде.

От того, насколько эффективно используется подаваемый в воду озон, во многом зависит требуемая производительность оборудования для его генерации: чем полнее (эффективнее) он смешивается и растворяется в обрабатываемой воде, тем меньше требуется его вырабатывать для решения поставленной технологической задачи. При этом наибольшего внимания заслуживает конечная стадия смешивания озоновоздушной смеси с обрабатываемой водой - растворение озона.

Поскольку озон встречается лишь в виде раствора в воздухе или кислороде справедливо будет допустить, что при пропуске озоновоздушной смеси через воду он будет перераспределяться между двумя растворителями - воздухом (или кислородом) и водой. В таком случае экспериментально можно определить коэффициент распределения озона КГ(Т), под которым можно понимать отношение концентрации озона в воде С„, мг/л, при фиксированной (данной) температуре и концентрации озона в озоновоздушной (газовой) смеси Сё, мг/л, при той же температуре и давлении:

с

Кг

ё

Исследованию процесса растворения озона в воде посвящены работы многих исследователей, таких как: Ф. Ротмунд, Т. Кавамура, Д. Брине, М. Перротэ, Л. Мейлферт, Ф. Лютер, А. Инглис, Д. Фишер, У. Тропш, Г. Вел-сбах, В. Штумм, Л. Роусон, в которых установлены основные параметры растворения озона в зависимости от температуры, давления и качества обрабатываемой воды.

Характерно, что озон лучше растворяется при более низких температурах воды, но при этом быстрее распадается при повышении температуры воды. Увеличение давления насыщения способствует его растворению (рис. 1). По сравнению с кислородом озон обладает растворимостью примерно в 10 раз большей при данной температуре, например, при температуре воды 20 °С, коэффициент Кг(т) для кислорода равен 0,0333, в то время как для озона он лежит в пределах 0,21-0,38, по данным вышеупомянутых исследователей [1, 2]. Следовательно, в технологиях обработки воды, где необходимо озонирование и насыщение ее кислородом атмосферного воздуха, эффективность последнего приема значительно ниже и требует подачи большего количества кислородсодержащего агента, нежели озонсодержащего.

а)

б)

' 0,6

- 0,4

0,2

+ 'д + л +

•&

•&

ж

од

л

+ - Мейлферт О - Ротмунд Д - Бринэ и Перротэ О - Штумм • - Кавамура

А - Мейлферт  - Велсбах

V - Фишер и Тропш ♦ - Лютер и Инглис

-Ь4

20 40

Температура воды Т, °С

0

0,1

0,05

Давление насыщения, МПа

Рис. 1. Растворимость озона в воде в зависимости от температуры воды

Анализ отечественных и зарубежных исследований в области озонирования воды показал, что степень насыщения воды озоном (теоретически возможные максимальные концентрации) зависит от соотношения количества подаваемой озоновоздушной смеси Qoz, м3 и количества обрабатываемой воды Qw, м3, концентрации озона в озоновоздушной смеси, коэффициента КГ(Т) , который в свою очередь зависит от качества воды, ее температуры и давления насыщения, а также от продолжительности процесса насыщения.

Учитывая, что качественные характеристики реальных подземных вод подвержены колебаниям [3, 4, 5], а также значительно отличаются от характе-

ристик «чистой» воды, на которых проводились исследования вышеупомянутых авторов. Фактически достигаемая концентрация озона в обрабатываемой воде всегда будет отличаться от теоретически возможной. Поэтому для реальных условий необходимо проведение пробных исследований с целью определения основных параметров процесса озонирования.

В отечественной и зарубежной практике используются различные методы и устройства для растворения озона в воде [2], основными узлами при этом считаются диспергатор озона в воду и камера смешения, в равной степени определяющие эффективность озонирования воды. При этом доказано [2, 6, 7, 8], что наиболее экономичными и простыми являются способы, основанные на диффузии мельчайших пузырьков озона в толще обрабатываемой воды и установлено, что озононасыщенные газовые пузырьки при движении в толще воды не сливаются друг с другом, поэтому нет необходимости в устройствах их дополнительного диспергирования (измельчения). Таким образом, основным условием в данном случае является создание максимально развитой поверхности контакта обрабатываемой воды и подаваемой озоновоздушной смеси.

Наиболее полное растворение (достижение максимальной степени насыщения) газообразного озона в воде, подлежащей очистке или обеззараживанию, является одной из основных задач техники озонирования, так как чаще всего только в растворенной форме озон способен воздействовать на загрязнения. За рубежом [7, 8] для диффузии озона в воду используются различные устройства, среди которых можно назвать колонны, заполненные гранулированным материалом, позволяющим увеличить площадь контакта газа с водой, механические турбины для диспергирования озона, гидравлические эмульса-торы, контакторы с разбрызгиванием жидкости, фильтросные трубы, пористые диски и т. д.

В отечественной практике обработки воды широкое распространение получили мелкопузырчатые распылители озоновоздушной смеси, выполняемые в виде фильтросных пластин или труб. Лучшие результаты по диспергированию озоновоздушной смеси получены при использовании керамических мелкопористых труб, металлокерамических труб с диаметром пор 100 мкм, а также пористых труб, изготовленных из порошка нержавеющей стали марки 1Х18Н9 методом порошковой металлургии (материал предложен и испытан на водопроводе г. Нижний Новгород). Интенсивность распыления на единицу площади пористых распылителей принимается равной 76-91 м3/(м2-ч) - для металлокерамических труб и 15-22 м3/(м2-ч) - для фильтросов. Загрязняющие вещества в воде окисляются интенсивнее и полнее при концентрации озона около 20 г/м3.

В последнее время для диспергирования озоновоздушных смесей получают распространение центробежные распылительные машины и кавитационные аэраторы. Использование явления кавитации для интенсификации процесса растворения озона в воде рассматривается как наиболее экономичный и перспективный способ, позволяющий достичь 95-99% использования озона. Кавитационные аэраторы отличаются простотой, компактностью и не требуют глубоких контактных камер [9].

Предпочтение тому или иному способу диспергирования озона в воду обосновывается в каждом конкретном случае экономическими расчетами, а также зависит от назначения процесса озонирования. Например, для содействия процессам коагуляции (преозонирование) или дезинфекции воды требуются разные степень дисперсности, доза озона и продолжительность контакта с водой, что и определяет выбор той или иной системы диспергирования. Добавим к этому, что некоторое влияние на выбор систем диффузии оказывает и качество обрабатываемой воды. При высоком содержании нерастворенных загрязнений, высокой мутности воды нежелательно использовать фильтрос-ные пластины, так как при этом не исключена возможность забивания их пор.

Одними из наиболее эффективных устройств для диспергирования озона в обрабатываемую воду зарекомендовали себя пористые стеклокерамические диски, идентичные применяемым в аэротенках с пневматической системой аэрации. Диски (диаметром 230 мм, толщиной 19 мм) позволяют получать диаметр пузырьков озонированного воздуха 2-3 мм. Для пузырьков такого размера характерна наименьшая скорость всплывания, способствующая наиболее полной отдачи озона в воду и его растворению. Преимуществом дисков является то, что стеклокерамика оказывает сопротивление большому числу агрессивных химических веществ и обладает значительной механической прочностью (выдерживает центральную вертикальную нагрузку около 4 кН).

Регенерация может осуществляться либо обработкой кислотами (в случае кольматации минеральными веществами), либо прокаливанием дисков в печах при определенной температуре (удаление органических веществ.) Диспергируемый в воду озон независимо от применяемой системы диффузии растворяется не полностью. Коэффициент полезного действия систем, по зарубежным данным, в лучшем случае достигает 97%.

На практике диффузию озона осуществляют в контактных камерах, работающих при атмосферном или повышенном давлении. Обычно камеры состоят из нескольких отделений, где для повышения степени растворения озона вода циркулирует попеременно вдоль потока диспергируемого газа и противотоком. Воздух, с не прореагировавшим озоном, выпускается через стояки, установленные на перекрытии камер озонирования.

Однако следует отметить, что существенным недостатком большинства жестких мелкопористых аэраторов является их загрязняемость и возникающие при этом трудности по их регенерации.

В соответствии с общим уравнением массопередачи газа в жидкость -йО = к^

где О - количество передаваемого газа (озона); к: - константа скорости процесса;

^ - площадь поверхности пузырька газа;

С - объемная концентрация озона в газе;

С0 - концентрация озона в обрабатываемой воде;

^ - время перехода озона из газовоздушной смеси в воду,

следует, что количество адсорбированного озона прямо пропорционально поверхности и продолжительности контакта фаз вводимой озоновоздушной смеси и обрабатываемой воды.

Анализ уравнения (2) применительно к барботажно-аэрационным камерам, как наиболее распространенным в практике водоподготовки, показывает, что массопередача озона в воду тем выше, чем большее количество газовых пузырьков находится в объеме аэрационной камеры и чем меньше их размер. Снижение степени диспергирования озоновоздушной смеси, подаваемой в контактную камеру, а, следовательно, увеличение размеров образующихся газовых пузырьков приводит к уменьшению поверхности контакта газовой смеси и обрабатываемой воды и к снижению количества передаваемого озона. Например, увеличение размера газовых пузырьков с 2 мм до 5 мм приводит к снижению их удельной поверхности (отношение площади поверхности пузырька к его объему) в 2,5 раза.

С другой стороны, стремление получить газовые пузырьки более мелкого размера неизбежно приводит к повышенным энергозатратам, т.к. требуется установка мелкопористых диффузоров, отличающихся повышенным сопротивлением, либо увеличение числа оборотов механических эмульгатороов.

Решение задачи обеспечения максимальной эффективности процесса озонирования сводится к оптимизации процесса диспергирования вводимого озона и передачи его в обрабатываемую воду при заданном качестве воды, ее температуре и требуемой степени насыщения для достижения необходимой степени очистки воды.

Показано [2], что в контактных камерах эффективность поглощения озона тем выше, чем выше степень диспергирования озоновоздушной смеси и больше высота слоя воды в контактной камере, при этом наибольшая эффективность достигается при высоте слоя воды 4,3-6 м и диаметре газовых пузырьков 2 мм. Здесь же установлено, что указанная высота слоя воды необходима для того, чтобы при движении пузырьков газа данного размера весь содержащийся в них озон успел перейти в обрабатываемую воду.

Анализ исследований в области озонирования воды показал, что для достижения максимального эффекта озонирования в контактных камерах аэрационно-барботажного типа соблюдение указанных конструктивных размеров является необходимым. По всей видимости, для станций водоподготов-ки, на которых габаритные размеры сооружений водоподготовки соизмеримы с требуемой высотой контактных камер, соблюдение последней является оправданным. Для станций небольшой производительности, когда требуемая площадь контактной камеры несоизмеримо меньше ее строительной высоты, использование камер такого типа вряд ли является оправданным по конструктивным соображениям.

Для станций очистки подземных вод небольшой производительности разработана конструкция вихревого аэратора - дегазатора, предназначенного для удаления из подземных вод С02, СН4, Н28, а также насыщения обрабатываемой воды атмосферным кислородом, необходимым в процессе ее очистки [3]. Проведенные исследования показали, что для оценки условий, необходи-

мых для достижения эффективного диспергирования (распыла) подаваемой в дегазатор воды, можно воспользоваться критерием:

р Ш25

= ^------> 4,

а

где ря - плотность набегающего потока газа; ю - скорость газового потока;

а - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; 5 - толщина пленки жидкости.

Экспериментальные исследования работы вихревого аэратора-дегазатора позволили определить граничные условия, в пределах которых наблюдается устойчивая и эффективная его работа по дегазации и аэрации обрабатываемой воды (рис. 2).

0 ю, м/с

Рис. 2. Граничные условия эффективной работы вихревого аэратора-дегазатора

Для расчета среднего размера капель, образующихся при разрушении пленки жидкости в набегающем потоке газа, можно использовать зависимость [10]:

^ = 67,5

Ьк ш

где g - ускорение силы тяжести; V - кинематическая вязкость жидкости;

К =

V р-лі§ у

капиллярная постоянная;

р№ - плотность жидкости.

При заданных и экспериментально замеренных значениях ш можно определить расчетные значения Ак, необходимые для оценки массообменных характеристик аэратора - дегазатора при насыщении обрабатываемой воды озоном, используя выражение (2).

Для оценки массообменных характеристик вихревого аэратора-дегазатора при насыщении обрабатываемой воды озоном введено допущение, что характер массообмена между потоком обрабатываемой жидкости (сплошная среда) и потоком газовой смеси в виде потока пузырьков газа (диспергируемая среда) аналогичен массообмену между газовым потоком (сплошная среда) и потоком обрабатываемой воды в виде потока капель (диспергируемая среда). Сделав такое допущение и используя выражение (2) для определения скорости передачи газа (озона), определяющей характеристикой процесса массо-обмена считаем величину размера капель, образующихся при диспергировании обрабатываемой воды в аэраторе - дегазаторе, при этом под величиной ^ в данном случае следует понимать площадь поверхности капли жидкости.

Проведенные исследования эффективности озонирования подземных вод в вихревом аэраторе-дегазаторе, работающем в пределах граничных условий, показали, что при соотношении Qoz/Qw в пределах 6-15, когда расчетный размер образующихся капель обрабатываемой воды, соответственно, равен = 5-1,5 мм, при озонировании подземных вод с Т = 5-10 °С (температура подземных вод региона 1-8 °С [11]) и при подаче озоновоздушной смеси с концентрациями озона 2,4-15 г/м3 подаваемого воздуха, в обрабатываемой воде при установившемся режиме работы аэратора-дегазатора обеспечиваются концентрации озона в обрабатываемой воде 1,2-6 мг/л, что является вполне приемлемым для решения практических задач очистки подземных вод (рис. 3). Исследования показали, что требуемая концентрация растворенного в воде озона, необходимая для осуществления процесса очистки подземных вод, может быть достигнута либо увеличением концентрации озона в озоновоздушной смеси, подаваемой в аэратор (требуется увеличение производительности озонаторного оборудования), либо увеличением отношения Qg/Qw при сохранении постоянной концентрации озона в озоновоздушной смеси, что требует увеличения производительности воздуходувного оборудования. Окончательный вариант следует принимать на основании технико-экономических расчетов.

Проведенные исследования работы вихревого аэратора-дегазатора в различных режимах обработки подземных вод позволили сделать вывод о том, что подобные аппараты позволяют устойчиво и достаточно эффективно обеспечивать озонирование (перемешивание и растворение) подземных вод при атмосферном давлении, при этом требуемая производительность озона-

торного оборудования, рассчитанная на станции водоподготовки небольшой производительности, не превышает 20 г О3 /ч.

Концентрация озона в подаваемом воздухе, г/м3 Рис. 3. Насыщение воды озоном в вихревом аэраторе-дегазаторе

Библиографический список

1. Кожинов В.Ф., Кожинов И.В. Озонирование воды. - М.: Стройиздат, 1974. - 159 с.

2. Кожинов В.Ф. Установки для озонирования воды. - М.: Стройиздат, 1968. - 172 с.

3. Дзюбо В.В., Алферова Л.И. Аэрация-дегазация подземных вод в процессе очистки // Водоснабжение и санитарная техника. - 2003. - № 6. - С. 21-25.

4. Дзюбо В.В., Алферова Л.И. Изучение кинетических параметров процесса аэрации-дегазации подземных вод // Вестник ТГАСУ. - №1(6). 2002. - С. 171-181.

5. Дзюбо В.В., Алферова Л.И. Исследование некоторых кинетических параметров при очистке подземных вод в Западно-Сибирском регионе // Труды 2-ой Международн. на-учн.-практич. конф. «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность».-Кемерово: СибГИУ. - 2000. - С. 24-29.

6. Draginsky V., Alekseeva L. Research on the Effectiveness of Ozonation for the Water Treatment of Iron and Manganese // International Symposium on Ozone. - Berlin, 1997. - P. 122126.

7. Grasso D., Weber W.J., Dekam J.A. Effects of preoxidation with ozone on water quality: a case study // American Water Works Association Journal. 1989. V. 81. № 6. - P. 74-82.

8. Haag W.R., Hoigne J. Ozonation of bromide containing waters: Kinetics of hypobromous acid and bromate // Water Supply. 1992. V. 11.№4. - P. 118-124.

9. Современные технологии и оборудование для обработки воды на водоочистных станциях / Департамент жилищно-коммунального хозяйства Госстроя России; НИИ Коммунального водоснабжения и очистки воды, 1997. - 112 с.

Вестник ТГАСУ Ml, 2004

10. Быков В.Н., Лаврентьев М.Е. Формирование спектра размеров капель в газожидкостном потоке // Инженерно-физический журнал. - 1976. - Т. 31. - №5. - С. 782-787.

11. Алексеев М. И., Дзюбо В. В., Алферова Л. И. Формирование состава подземных вод Западно-Сибирского региона и особенности их использования для питьевого водоснабжения // Вестник ТГАСУ, 1999. - С. 183-199.

Материал поступил в редакцию 10.05.04.

V.V. DZYUBO

OZONE EFFICIENCY IN THE PROCESS OF UNDERGROUND WATER TREATMENT

The results of theoretical and experimental investigations of underground water treatment are presented in the paper. The analysis of the main factors influencing on the efficiency of ozone trearment as the technological method is given here as well.

УДК 69.024.12:696.121+69.002.5

Н.В. ГЕРАСИМЧУК, асп.

В. И. МЕЛЬКОВ, канд. техн. наук, доцент

О КАЧЕСТВЕ ИСХОДНОЙ ВОДЫ, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ В ТЕПЛОСНАБЖЕНИИ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ

Представлены сравнительные характеристики загрязнений р. Томи с нормативными требованиями для питательной воды, используемой в теплоэнергетической промышленности, рассмотрены последствия использования неочищенной воды в теплоэнергетических установках. Сделан вывод о необходимости подготовки воды, забираемой из реки.

В теплоэнергетической промышленности (ТЭП), к которой относятся тепловые электрические станции (ТЭС), работающие на органическом твердом и газомазутном, топливе, а также атомные станции (АЭС), теплоэлектро-ценрали (ТЭЦ), вода используется:

а) в качестве исходного вещества для получения пара в котлах, парогенераторах, ядерных реакторах кипящего типа, испарителях, паропреобразова-телях:

б) для конденсации отработавшего в паровых турбинах пара;

в) для охлаждения различных аппаратов и агрегатов ТЭС, АЭС и ТЭЦ;

г) в качестве теплоносителя в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения.

В настоящей работе рассматриваются требования к качеству воды в теплоэнергетической промышленности и химический состав исходной воды, используемой в Томской области. Сравнение характеристик воды р. Томи с