ТЕХНОЛОГИЯ ОЗОНИРОВАНИЯ ПРИ ВОДОПОДГОТОВКЕ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Манойло Е.В.

Сложившуюся экологическую ситуацию в Украине можно охарактеризовать как кризисную. И наибольшую тревогу вызывает состояние водных ресурсов Украины, ведь в настоящее время наиболее опасным фактором, оказывающим неблагоприятное воздействие на здоровье человека и окружающую среду, является интенсивное загрязнение источников пресного водоснабжения. Водные ресурсы Украины, основную часть которых составляет речной сток, классифицируются как загрязненные. В настоящее время произошли существенные изменения в научных представлениях о влиянии качества воды на здоровье. В связи с этим произошли пересмотр и уточнение критериев качества воды. Повышение требований к качеству воды стимулирует развитие технологий направленных на совершенствование процессов водоподготовки и обеззараживания. Для многих отраслей промышленности реализация стратегии устойчивого развития требует создания гибких, эффективных и надежных локальных систем водоподготовки. Глубокая очистка природных вод от минеральных, органических и биологических загрязнений в настоящее время является актуальной задачей, особенно на урбанизированных территориях, где интенсивно развивается промышленность, и наблюдается растущее антропогенное и техногенное загрязнение водных ресурсов.

Проблема качества питьевой воды затрагивает многие стороны жизни человеческого общества. В настоящее время проблема питьевой воды является частью социальных, политических, медицинских, инженерных и экономических проблем. Питьевая вода отвечает по своему качеству в естественном состоянии или после обработки (очистки воды, обеззараживания) установленным нормативным требованиям и предназначенная для питьевых и бытовых нужд человека, либо для производства пищевой продукции.

Вода в качестве основного или вспомогательного сырья используется в подавляющем большинстве технологических процессов получения пищевых продуктов. Практически все пищевые производства связаны с потреблением воды. Основные возникающие при этом проблемы связаны с тем, что исходная вода не имеет необходимого качества и требует дополнительной очистки.

В схемах водоподготовки обычно применяют ионный обмен, мембранные методы (электродиализ, обратный осмос и ультрафильтрацию), коагуляцию и адсорбцию. Однако только методами адсорбции и коагуляции не всегда достигается требуемый эффект очистки от органических соединений. Между тем наличие в воде даже незначительных количеств растворенных органических соединений снижает эффективность ионообменных и мембранных процессов очистки. При разработке замкнутых систем водооборота органические вещества, как правило, являются причиной образования биологических загрязнений, вызывая явление биологического обрастания аппаратуры и коммуникаций. Поэтому в процессах глубокой очистки природных и сточных вод необходимо предусматривать достаточно глубокое удаление органических и биологических загрязнений. Применяемые технологии очистки питьевых вод наряду с удалением взвешенных частиц предусматривают окисление, эффективность которого определяется величиной окислительно-восстановительного потенциала, скоростью взаимодействия окислителя с веществами, удаляемыми из воды и рядом других факторов. Одним из прогрессивных методов окисления является метод озонирования.

Озон, обладая, как уже давно известно, исключительными абиотическими свойствами, проявляет очень ценные дополнительные воздействия на обрабатываемую воду в роли сильнейшего окислителя. Озонирование вызывает помимо быстрого и надежного обеззараживания значительное улучшение органолептических свойств воды. Также озонирование позволяет удалять из воды железо и марганец, в тех случаях, когда деферритизация и деманганация с помощью других общеизвестных методов не дают удовлетворительных результатов.

В настоящее время промышленными методами очистки и обеззараживания, прошедшими проверку на крупных действующих сооружениях очистки воды, являются хлорирование, ультрафиолетовое (УФ) облучение и озонирование. Озонирование является высокоэффективным методом подготовки питьевой воды, с помощью которого можно получать воду высокого качества. Время окисления озоном в несколько раз меньше, чем кислородом или воздухом. И хотя у технологии озонирования имеются некоторые недостатки и ограничения (его токсичность предполагает использование методов по предотвращению попадания озона в помещение, т.к. предельное содержание озона в помещении с людьми составляет 0,0001 г/л; невозможность обеспечения бактериальной устойчивости воды: озонирование не обладает длительным эффектом «последействия», введенный озон сохраняется очень непродолжительное время — 30-40 минут, а при повышении температуры воды более 10°С этот период сокращается до нескольких минут - поэтому необходимо исключить попадание загрязнений в очищенную воду.

Однако проведенный анализ позволяет считать, что замена хлорирования на озонирование целесообразна. Озонирование можно применять как альтернативный метод очистки воды взамен традиционного хлорирования, в сочетании с хлором, перекисью водорода и другими окислителями, вместе с УФ-облучением, обработкой ультразвуком, фильтрацией с использованием песка, активированного угля, ионообменных смол. Традиционным является использование озона в конце технологической схемы.

Разработана высокоэффективная установка на базе центробежного контактного аппарата для локального озонирования вод озоном, получаемым из воздуха. Такие установки без значительного усложнения и увеличения стоимости технологии легко включаются в существующие и доступные технологические циклы.

На рис. 1 представлено два варианта схемы такой установки. С помощью компрессора 1 воздух подается под давлением в теплообменник 2 для осушки, а потом для очистки в сепараторе 3. адсорбере 4 и фильтре 5, после чего воздух поступает в генератор озона 6. Озон, полученный в генераторе. 6, подается в абсорбер 9, в который одновременно насосом 8 подается исходная вода из резервуара-накопителя 7. В абсорбере 9 осуществляется очистка воды путем окисления. Очищенная вода по трубопроводу 10 подается в систему. Отработанная озоновоздушная смесь из абсорбера 9 по трубопроводу 11 подается в резервуар 7 в котором она барботируется через слой исходной воды, обеспечивая равномерное распределение примесей и дополнительное окисление. Для более полного поглощения озона и сокращения его потерь возможна оптимизация схем озонирования с применением двухступенчатой схемы подключения аппаратов.

Рис. 1. Модульная установка озонирования вод

(два варианта компоновки – одно – и двухступенчатый).

Оборудование модульное и компактное. Ориентировочная производительность установок по воде от 3 до 300 м³/час (в зависимости от типоразмера).

Абсорбционный аппарат, используемый в установке, представляет собой центробежный массообменный аппарат, в котором взаимодействие между фазами осуществляется в условиях повышенной турбулентности потоков под действием вращающегося ротора. Кроме того, в аппарате создается высокая площадь поверхности межфазного контакта в единице объема (2000 м²/м³ и более) за счет создания тонких пленок, мелких капель жидкости и пузырьков газа, а также высокой скорости обновления межфазной поверхности. Следовательно, используется несколько интенсифицирующих факторов. Все это, в конечном счете, ведет к значительному уменьшению габаритов установки.

Отличительной чертой аппаратов центробежного типа является возможность перерабатывать большие материальные потоки при сравнительно небольших габаритах установки, а также адаптивность к изменению подачи потоков.

Рис. 2. Конструкция высокоскоростного центробежного абсорбционного аппарата: 1 – корпус; 2 - перфорированный ротор; 3 - устройство подачи исходной воды; 4 - штуцер подвода озоновоздушной смеси; 5 - сливной патрубок; 6 - осевая отводная труба (для выхода газа); 7 -газонепроницаемые уплотнения; 8 – вал; 9 - шкив передачи

Конструкция центробежного аппарата приведена на рисунке 2. В корпусе аппарата 1 вращается перфорированный ротор 2, внутри которого - установлен контактный элемент специальной конструкции. По трубе 3, расположенной по оси аппарата, поступает исходная вода. Через штуцер 4 в аппарат тангенциально подается озоновоздушная смесь, которая взаимодействует с водой и ее компонентами на контактном элементе, а потом отводится из аппарата через трубу 6. За счет вращения ротора под действием центробежной силы жидкость в контактном элементе движется противотоком озоновоздушмой смеси, которая затем отводится из аппарата через штуцер 5. Для предотвращения проскока газа предусмотрены уплотнения 7.

Основные технические параметры установки:

• производительность по воде – 3-55 м³/час (для 200 мм);

• объем аппарата - 0,15 м³

• удельная площадь поверхности контакта фаз – 2000 м²/м³ и более (для сравнения, в барботажных аппаратах -100-400 м²/м³, в абсорберах с механическим перемешиванием - до 600 м²/м³);

• степень утилизации озона в одном аппарате – 85-95%;

• общая степень утилизации озона в установке – 95-99%;

В результате модернизации, реконструкции и технического переоснащения объектов водоподготовки на базе современных конструкций центробежных массообменных аппаратов приведет к улучшению технико-экономических показателей предприятий и снизит техногенную нагрузку на окружающую среду.

Предложенная установка для озонирования превосходит известные по интенсивности массопереноса. Это приводит к тому, что концентрация озона в жидкости за несколько секунд достигает необходимых величин для эффективного проведения процесса. В результате предложенная установка является более компактной, гибкой в эксплуатации, и эффективной в сравнении с традиционным оборудованием процесса озонирования.

Использование центробежных аппаратов в качестве контактных аппаратов для озонирования в установках водоподготовки позволит существенно улучшить технико-экономические характеристики этих процессов и уменьшить габариты оборудования без значительного усложнения и увеличения стоимости технологии и легко включиться в существующие технологические циклы.

Литература:

1. Н.Н. Кулов. Исследование влияния перемешивания потоков контактирующих фаз на массообмен в процессах пленочной абсорбции. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук.- М.: МОНХ АН СССР им. Н.С. Курнакова, 1966.

2. Р.Ш. Сафин, А.М. Николаев, Н.М. Жаворонков. Ротационный аппарат для проведения процессов массообмена.- В кн.: Материалы межвузовской конференции по машинам и аппаратам диффузионных процессов. Казань, с. 292 - 296, 1961

3. И.Л. Андреев и др. Роторный массообменный аппарат для разделения газожидкостных смесей. Авт. свид. СССР № 1549551. Официальный бюллетень Госкомизобретений «Открытия, изобретения», № 10, с. 16. 1990.

4. В.М. Сидоров и др. Аппарат для разделения газожидкостных смесей. Авт. свид. СССР № 1274708. Официальный бюллетень Госкомизобретений «Открытия, изобретения», № 45, с. 17. 1986.

5. Stankiewicz A.I. Progress Intensification: Transforming Chemical Engineering. Chem. Eng. Prog. Jan 2000, p. 22-34.