Фотолитическое озонирование — это одновременная обработка воды озоном и ультрафиолетовым светом, при которой увеличивается скорость окисления растворенных органических молекул в 100-10000 раз, при этом наблюдается взаимное усиление действия озона и УФ света.
 

Эффективному разложению подвергаются различные органические загрязнители воды: галогенуглеводороды (винилхлорид, дихлорэтан, трихлорэтилен, перхлорэтилен, хлорбензол, хлорфенолы, полихлорированные бифенилы), ароматические (бензол, толуол, ксилол, этилбен-зол) и полициклические (нафталин, антрацен, пирен, бензпирен) углеводороды, гербициды (атразин, пропазин, бромазил), другие вредные соединения (фенолы, спирты, альдегиды, масла, жиры, карбоновые кислоты и т.д.). Обычно реакции идут до полной минерализации органических соединений, наблюдается также детоксикация ряда неорганических соединений (нитриты, цианиды, гидразин и т.д).


В последнее время совместное действие окислителя и УФ-света рассматривается как перспективная технология для применения в задачах водоочистки. Рядом фирм созданы установки производительностью 1-10 м³/ч, использующие пероксид водорода.
 

Работа над практическим использованием фотохимических методов начата несколько лет назад. Показано, что использование в качестве окислителя озона при возбуждении его УФ-светом в максимуме полосы поглощения (фотолитическое озонирование) дает возможность создать установки, с удельным энергопотреблением в 5-7 раз меньшим, чем при использовании пероксида. Определены оптимальные соотношения между количеством подаваемого в единицу времени озона и мощностью источника освещения. Установлено, что для максимальной эффективности процесса очистки необходимо вести реакцию в гетерогенной системе вода - озоно-воздушная смесь. Сконструирован проточный фотохимический реактор с тонким водяным слоем, на котором экспериментально проверены возможности метода фотолитического озонирования на неcкольких модельных загрязнителях. Эффективность использования озона при фотолитическом озонировании существенно повышается (даже для простейшего реактора коэффициент полезного использования озона возрастает с 20 до 70 %), окисление органических молекул идет до полной минерализации, необходимое время контакта для окисления и стерилизации уменьшается по сравнению с озонированием до нескольких секунд.


Подробно исследовалась деградация водных растворов пентахлорфенола (ПХФ). Совокупность полученных данных показывает, что деградация ПХФ происходит гораздо более эффективно при одновременном действии УФ-света и озона по сравнению с простым озонированием и идет до полной минерализации. Наблюдения за концентрацией хлорид-иона показали выделение стехиометрического количества ионов Cl-, отвечающего полному дехлорированию молекул ПХФ. Спектральные данные показывают что за время обработки происходит полное разрушение бензольного кольца, а рН-метрические измерения обнаруживают повышение кислотности, соответствующее стехиометрическому количеству ионов водорода, образующихся при полном окислении ПХФ. В диапазоне концентраций загрязнителя 0,8 - 12 мг/л наблюдалось падение концентрации ПХФ не менее чем в 100 раз при прохождении воды через реактор в течение 4 сек.

Опробованные технические решения применены при разработке конструкции бытового устройства для очистки воды (ОВ-10) производительностью до 30 л/ч при потребляемой мощности 40 Вт. Устройство особенно эффективно для удаления тех примесей, которые плохо удаляются при централизованной очи-стке воды (фенол, галогенорганические соединения, пестициды, соединения тяжелых металлов), обеспечивает надежную стерилизацию воды даже при ее сильной исходной бактериальной загрязненности.

По сравнению с существующими аналогами (адсорбционно-фильтрующими и озонирующими устройствами) установки фотолитического озонирования имеют следующие основные преимущества:

Преимущества фотолитического озонирования

• высокая, недостижимая другими способами, степень удаления примесей (до одной части на триллион) и обеззараживания (снижение концентрации микробиологических загрязнений не менее чем в миллион раз)
• низкие капитальные и эксплуатационные затраты, обусловленные компактностью, малой металлоемкостью и малой энергоемкостью (при концентрации загрязнителей до 5 мг/л энергозатраты не превышают 250 Втч/м³).
• Эффективность использования озона при одновременном облучении ультрафиолетовым светом во много раз выше, что позволяет использовать гораздо менее мощный и, соответственно, более дешевый озонатор. Благодаря исключительно высокой скорости окислительных процессов и высокому коэффициенту использования озона отпадает также необходимость в использовании контактной камеры и дополнительном оборудовании для уничтожения избыточного озона, как это требуется при классическом озонировании. К тому же, при использовании фотолитического озонирования не происходит накопления вредных продуктов окисления, таких, как формальдегид, как это бывает при простом озонировании.

Опробовано на полигоне «Красный Бор»

Лабораторные эксперименты подтвердили также эффективность использования метода для доочистки сточных вод, в том числе и при очистке сильно загрязненных вод полигона «Красный Бор». На полигоне «Красный Бор» сбор промышленных жидких отходов органического состава производится в котлованы, отрытые в толще кембрийской глины. В котлованах идет расслоение отходов на три слоя: верхний - горючий, средний - водный и нижний - донные осадки. К настоящему времени накопилось свыше 600 000 м³воды, содержащей до 0.3 % эмульгированных нефтепродуктов, до 3 % механических взвесей, ПАВ, растворенные органические и неорганические соединения, с характерными для нее ХПК до 4500 мг O₂/л. Первоочередная задача - уменьшение объема водного слоя путем сброса очищенных вод в природные водоемы.

Непосредственное применение к сильно загрязненным (непрозрачным) водам метода фотолитического озонирования не может быть эффективным. Поэтому была предложена многостадийная технология очистки, включающая стадии флотации и коагуляции (электрокоагуляции). Однако и после прохождения этих ступеней вода еще содержит большое количество растворенных нефтепродуктов, и различных растворенных органических соединений.

Применение метода фотолитического озонирования введением 0,1 г озона на литр обрабатываемой воды при одновременном воздействии УФ-излучения с установленной электрической мощностью в 8 Вт на 1 г озона в час, позволяет получить воду с качеством, допускающим дальнейшую биологическую очистку. Простым озонированием получить воду аналогичного качества при сопоставимых временах обработки и дозах озона не удается.

Методами биологического тестирования с использованием тест-объекта Daphnia magna было установлено, что очищенная вода обнаруживает биологические признаки, характерные для сточных вод, уже прошедших обработку в аэротенках. Доведение вод до качества, допускающего сброс в природные водоемы, может быть осуществлено с помощью типового пруда-отстойника с водорослями.

Установка для переработки вод полигона производительностью 20 м³/ч должна будет иметь электрическую мощность не более 50 - 60 кВт, т.е. удельные энергозатраты составят 2.5 - 3.0 кВтч/м³ при расходе коагулянта ~ 200 г/м³.

Высвобождение ионов металлов в результате быстрой полной минерализации металлоорганических соединений позволяет использовать фотолитическое озонирование при подготовке проб воды для анализа на содержание тяжелых металлов вольтамперометрическим (потенциометрическим) методом. В природных водах значительное количество ионов металлов находится в связанном состоянии (они входят в состав металлорганических комплексов, а также удерживаются в том или ином виде микробами и бактериями) и недоступно для регистрации вольтамперометрическими методами. При применении фотолитического озонирования можно исключить используемую в настоящее время для высвобождения металлов из комплексов стадию длительного кипячения пробы воды, предназначенной для анализа, с добавкой пероксида водорода и сделать непреывным процесс измерения концентраций ионов тяжелых металлов.

Расчеты показывают перспективность применения данного метода для очистки больших масс воды на станциях централизованного водоснабжения для обеспечения безхлорной очистки и обеззараживания. Такие системы могут быть скомпонованы из выпускаемого промышленного оборудования для УФ-обеззараживания и для озонирования воды.

Литература

Use of photochemical methods in technologies of water treatment. Abstracts of Joint Conference 7-th Stockholm Water Symposium and 3-rd International Conference on the Environmental Menagement of Enclosed Coastal Seas (EMECS), 10-15 August 1997, Stockholm, Sweden, p.282-284