General principles of designing water treatment installations, in which ozone is advanced oxidant

ROBERT MUSZAŃSKI

Nowoczesne wykorzystanie ozonu w procesach przy- gotowania wody najwyższej jakości wiąże się nie- odzownie z takimi elementami instalacji, jak: aeratory na zjonizowane powietrze, wielostopniowe kolumny kontaktowe, ozonatory hybrydowe, lampy UV i moni- toring on-line ze wsparciem producenckim. Projekto- wanie instalacji zawierającej te i inne elementy powin- no być zawsze poprzedzone badaniami w stacji pilo- towej. Dogłębna analiza wyników badań i doświad- czenie w podejściu do technicznych aspektów ozono- wania mogą być nieocenione zarówno podczas pro- cesu inwestycyjnego jak i eksploatacji. Zaoszczędzą energię, środki finansowe i przyczynią się do bez- piecznej obsługi instalacji.

Słowa kluczowe: ozonowanie wody, aeratory na zjoni- zowane powietrze, wielostopniowe kolumny kontakto- we, ozonatory hybrydowe, lampy UV, bezpieczeństwo.

Modern use of ozone in preparation of highest quality water is inevitably associated with such system components like: aerator working with ionized air, multistage contact columns, hybrid ozone generators, UV lamps and on-line monitoring with manufacturer assistance. Designing installations including these and other elements should always be preceded by tests on pilot water treatment plant. Deep analysis of test results and experience in the approach to the technical

aspects of ozonation can be invaluable during investment process as well as during operation of the installation. They will save energy, money and will contribute to the safe operation of the system. Keywords: ozonation of water, aerators working with ionized air, multistage contuct columns, hybrid ozone generators, UV lamps, safety.

Wstęp

Ozon towarzyszy człowiekowi od zarania dziejów. Jego nazwa wywodzi się od greckiego słowa – „woniejący”, co jest związane z jego zapachem tak charakterystycznym, często spo- tykanym po burzy. W roku 1840 Schönbein sztucznie wytwarza OZON w trakcie badań nad elektrolizą wody, a pierwszy prze- mysłowy generator ozonu zostaje wyprodukowany przez Werne- ra von Simensa w 1857 roku i z tą datą wiąże się początek jego zastosowań.

Jednak przez wiele lat technologia ozonowania napotykała na duże trudności i nie mogła się doczekać stosowania na skalę przemysłową. Było to związane przede wszystkim z technicznymi aspektami budowy urządzeń jak i kosztem ich wytwarzania. Dlatego przez wiele lat triumf odnosił chlor, który stosowano od

1896 roku w Cesarstwie Austro-Węgierskim, a później dwutlenek chloru zastosowany po raz pierwszy w 1944 roku w USA.

Stosowanie tych związków powstrzymało masowe epidemie, które przetaczały się przez miasta europejskie pochłaniając w ciągu ubiegłych wieków wiele milionów istnień ludzkich. Zasto- sowanie dezynfekcji wody było i jest najlepszą metodą niszczenia organizmów patogennych. Ze względu na swoje właściwości ozon jest jednym z najskuteczniejszych środków dezynfekcyjnych, bardziej skuteczny niż chlor i jego związki. Ozon łatwo reaguje z wieloma substancjami obecnymi w wodzie stanowiącymi jej zanieczyszczenia, jest przy tym nietrwały, co np. przejawia się w skłonności do samorozpadu po rozpuszczeniu w wodzie. Efekt ten obserwuje się w większym stopniu w środowisku alkaicznym. Chemizm ozonu w środowisku wodnym jest bardzo złożony i został opisany w wielu monografiach. Poniższe opracowanie zawiera praktyczne zalecenia, którymi należy się kierować przy wdrażaniu technologii ozonowania, zgodne z światowymi trenda- mi i oczekiwaniami.

Fobie i stereotypy

Jak wspomniano powyżej ozon, spychany był na bok przy projektowaniu technologii oczyszczania wody. Tani w produkcji chlor był prosty w użyciu, nie wymagał skomplikowanych urzą- dzeń dozujących, mieszanie odbywało się nawet na krótkim odcinku rurociągu, co zapewniało niskie koszty inwestycyjne i łatwość obsługi. Z kolei zastosowanie generatorów ozonu wią- zało się z dostawą dużej ilości energii elektrycznej, budową odpowiednich zbiorników kontaktowych (przeważnie betonowych) oraz zatrudnieniem wykwalifikowanej kadry inżynierskiej do obsługi. Problem też pojawiał się z pomiarem ozonu, gdyż jego szybki rozpad uniemożliwiał pomiary

laboratoryjne i mógł być prowadzony tylko bezpośrednio przy zbiornikach kontaktowych. Te i wiele innych problemów stawiały technologie ozonowania na piedestale najdroższych, najniebezpieczniejszych i najbardziej skomplikowanych technologii dezynfekcji, na które mogły sobie

pozwolić tylko duże i bogate firmy. We wszystkich opracowaniach zajmowano się właściwościami dezynfekcyjnymi ozonu pomijając jego właściwości utleniające i możliwości aglomeracji związków organicznych i nieorganicznych. Kompleksowa technologia oczyszczania wody obejmuje

dodatkowo procesy napowietrzania, koagulacji, filtracji, które pomagają oczyścić wodę. Jeżeli będziemy rozpatrywać zastosowanie technologii ozonowania w szerokim spektrum wykorzystania w nowoczesnej stacji uzdatniania wody, to okaże się, że:

– do napowietrzania wody można wykorzystać odzyskany, zdesorbowany ozon ze zbiorników kontaktowych, który szybko i bardzo reaktywnie uczestniczy w reakcjach wstępnego utleniania oraz w napowietrzaniu,

– procesy koagulacji zachodzą szybciej i wymagają mniejszych dawek reagentów,

– filtry wpracowują się dużo szybciej, natomiast aglomeracja cząsteczek przyczynia się do zwiększenia prędkości filtracji.

Dodatkowe zastosowanie lamp UV do dezynfekcji końcowej stworzy nam pro- ekologiczny układ technologiczny. Takie podejście do technologii ozonowania sprawi, że diametralnie obniżymy jej kosz- ty inwestycyjne, a jej wdrożenie rozłoży się na inne urządzenia i procesy. Na przy- kład, wstępne napowietrzanie wody pro- wadzone zwykłym powietrzem wymaga czasu kontaktu z wodą około 10 do 20 minut, natomiast powietrzem zjonizowanym ozonem – około 2 do 5 minut, co przekłada się na wielkość urządzenia i jego cenę.

Kopiowanie schematów technologicznych

W wielu opracowaniach są podane przykłady zastosowania ozonu w ciągu technologicznym, nawet kursy projektowania stacji uzdatniania wody polegają na ich analizie i doborze urządzeń technologicznych do gotowych schematów.

Przystąpienie do projektowania technologii ozonowania, gdzie ozon jest szyb- kim utleniaczem, wymaga znajomości systemów ozonowania, ich działania w zetknięciu z różną matrycą wody i doświadczenia.

Rys. 1Schemat technologiczny istniejące- go oraz planowanego układu uzdatniania wody w Amsterdam Water Supply (1. Nederlof i inni,1998)
Fig.1 Technology scheme of exi- sting and planned water treatment system in Amsterdam Water Supply (1. Nederlof et. al. 1998)

Rys. 2 Schemat technologiczny procesu uzdat- niania wody w SUW Wieliszew-War- szawa (Dojlido inni, 1999)
Fig. 2 Technology scheme of water tre- atment process in Water Treatment Sta- tion Wieliszew – Warsaw (Dojlido et al.1999)

Bazowanie tylko na badaniach fizykochemicznych wody może być bardzo często okupione przewymiarowaniem instalacji i brakiem kontroli nad procesem. Wiele biur projektowych skupia się bardzo często nad wielkością ozonato- rów, systemami sterowania oraz energo- chłonnością całego procesu, zapominając całkowicie o czasie kontaktu, od którego zależy efekt utleniania, jakość wody i bez- pieczeństwo jej produkcji. Zmienność przepływów w SUW i nierównomierność produkcyjna powodują trudności w dobo- rze wielkości zbiorników kontaktowych, czego efektem mogą być długie czasy przetrzymania wody, co sprzyja tworzeniu związków kancerogennych. Dlatego nie- odzowne jest przeprowadzenie wstępnych badań pilotowych, które ułatwią dobór, wielkość i liczbę urządzeń z podstawowe- go ciągu technologicznego.

Badania pilotowe

Przy wykorzystaniu stacji pilotowej do projektowania instalacji i doboru urządzeń należy odwzorować podstawowe procesy technologiczne, które podczas badań będzie można ewentualnie rozbudowywać i modyfikować. W pierwszym etapie instalacja pilotowa pracuje bez ozonu i sprawdza się, jak zachowują się parametry fizykochemiczne wody bez zaawansowanego utleniania, co pozwala na odniesienie i porównanie zebranych wyników badań. Następnie pracujemy z użyciem procesu ozonowania z różnym ozonem resztkowym, co pozwala określić stopień utlenialności związków zawartych w wodzie oraz maksymalne i minimalne zapotrzebowanie na ozon. Po normalnym okresie badań z ozonem wprowadza się kolejny etap, gdzie testuje się przeciążalność stacji, tzn. zwiększa się prędkości przepływu i obciążeń filtrów przy zachowaniu dobrej jakości wody. Etap ten jest bardzo ważny z punktu widzenia późniejszej eksploatacji, gdyż większość SUW w ciągu roku pracuje na małych i średnich przepływach, i tylko kilka razy w roku pracuje na najwyższych przepływach. Przeciążenie ma na celu sprawdzenie, czy przy chwilowych, dużo większych rozbiorach wody, instalacja bez przewymiarowania i większych inwestycji będzie w sta-nie chwilowo zapewnić odpowiednią jakość wody. O ile w przypadku wód podziemnych o stałej jakości wody przeciążalność określi nam także wielkość budynków filtrów, o tyle przy wodach powierzchniowych będziemy mogli określić sprawne działanie instalacji w bardzo niekorzystnych warunkach: gwałtowne opady, powodzie, wysoka mętność, bar- dzo niekorzystna bakteriologia.

Podejście do projektowania

Po zebraniu danych ze stacji pilotowej określającej efektywność zachodzących procesów należy się skupić na właściwym doborze procesów technologicznych i ich urządzeń. Dobieramy podstawowe procesy, takie jak: napowietrzanie, filtracja na złożu kwarcowym czy węglu aktywnym, ozonowanie – utlenianie, dezynfekcja lampami UV oraz chlorowanie. Dobieramy także procesy poboczne, takie jak: płukanie złóż filtracyjnych, wytwarzanie tlenu lub jego magazynowanie itd. Przy procesach pobocznych należy szczególną uwagę zwrócić na gospodarkę wodno- ściekową oraz na zagospodarowanie gazowego ozonu resztkowego, dzięki czemu można będzie obniżyć znacznie energochłonność procesów ozonowania oraz zwiększyć efektywność i wykorzystanie wyprodukowanego ozonu, aż do 95%. Osobnym zagadnieniem będą procesy pompowania wody do poszczególnych procesów technologicznych. Bardzo rzadko mamy możliwość wykorzystania ukształtowania terenu do zapewnienia grawitacyjnego zasilania całego obiektu; częściej wykorzystujemy pompowanie wody do poszczególnych procesów. Przy stosowaniu ozonu musimy tak zaprojektować te procesy, aby przepływ przez SUW był maksymalnie ciągły (bez wyłączeń) i maksymalnie stały (ze stałą wydajnością) w poszczególnych czasookresach. Oznacza to, że może się zmieniać przepływająca ilość wody przez SUW, ale nie częściej niż pozwala na to podwójna pojemność zbiorników kontaktowych. Jest to związane z jakością produkowanej wody oraz trwałością urządzeń. Im mniejsza ilość włączeń urządzeń, tym mniejsza energochłonność i dłuższa bezawaryjna praca. Im bardziej stabilny przepływ, tym lepsze warunki filtracyjne, stabilność i powtarzalność procesów utleniania ozonem oraz większa możliwość regulacji wszystkich procesów. Przykładowo, aby instalacja ozonowania zareagowała prawidłowo na gorszą jakość wody i zmniejszające się stężenie ozonu resztkowego, woda musi być wymieniana w zbiornikach kontaktowych i dotyczy to objętości wody odpływającej z mniejszą ilością ozonu resztkowe- go jak i wody napływającej z już zwiększoną dawką ozonu.

Procesy podstawowe

Projektujemy na początku ciągu technologicznego system napowietrzania. W systemie będą wykorzystane aeratory na zjonizowane powietrze, które powstaje z ozonu zdesorbowanego z wody w kolumnach kontaktowych oraz świeżego filtrowanego powietrza wdmuchiwanego przez wentylatory. Nadmuch powietrza do zbiorników kontaktowych powoduje to, że sam wentylator nie styka się z ozonem, a dodatkowo nadciśnienie w zbiorniku zapobiega implozji, co mogłoby mieć miejsce przy dużych rozbiorach i mechanicznym odciąganiu ozonu. Czysty ozon produkcyjny używany do procesów utleniania wstępne- go jest mało efektywny i ogromnie energochłonny. Powietrze zjonizowane jest bar- dzo tanie w produkcji, a jego efektywność i ilości są wystarczające, aby zapewnić odpowiednie utlenianie wstępne. Ozon zdesorbowany jest także przydatny w formie gazowej do przedmuchiwania zbiorników wody czystej dla zachowania ich w czystości bakteriologicznej, dlatego przy jego wykorzystaniu należy bezwzględnie przewidzieć i zaprojektować pułapki gazo- we wodno-powietrzne, które zabezpiecza- ją przelewy przed niekontrolowanym wyciekiem ozonu. Jeżeli będziemy wykorzystywać ozon resztkowy do produkcji powietrza zjonizowanego, musimy tak zaprojektować miejsce posadowienia zbiorników kontaktowych, aby były jak najbliżej aeratorów.

Po procesach filtracji woda przepływa do zbiorników kontaktowych. Stosowanie filtracji przed procesem utleniania ozonem jest nieodzowne z kilku względów. Po pierwsze, ozon działa utleniająco na wszystko co jest obecne w wodzie. Nie warto go marnować na związki chemiczne, mętność i inne stałe zanieczyszczenia, które można odfiltrować. Filozofia, aby utleniać ozonem tylko to, czego nie można utlenić powietrzem, jest najbardziej rozsądna i najtańsza zarówno w inwestycji jak i w eksploatacji. Po drugie, odpowiednie przygotowanie wody pozwoli tak zaprojektować system ozonowania, aby w przyszłości pracował bezawaryjnie. Dotyczy to np. iniektorów, które nie będą się zatykać, pomp obiegowych, w których nie będzie tak szybko osad zmniejszał ich wydajność, natomiast urządzenia pomiarowe ozonu resztkowego będą długo utrzymywać elektrody w czystości, co zmniejszy liczbę ich kalibracji itd. Wszystkie te i inne zabiegi technologiczne wpływają później na eksploatację i trwałość urządzeń.

Najważniejszymi jednak urządzenia- mi w procesie ozonowania, utleniania i dezynfekcji ozonem są zbiorniki kontaktowe. Odpowiednie ich zaprojektowanie, pojemność, warunki rozproszenia ozonu w wodzie, stopień utleniania, odgazowanie wody po procesie, odzysk zdesorbowanego niewykorzystanego ozonu, prze- lewy bezpieczeństwa i inne elementy będą wpływać zarówno na ich eksploatację jak i bezpieczeństwo produkowanej wody.

Obecne warunki ekonomiczne w Polsce powodują ciągły spadek zapotrzebowania na wodę z jednoczesnym zwiększeniem wymagań jakościowych. Przewymiarowanie instalacji utrudnia utrzymanie reżimu technologicznego i zabezpieczenie się przed powstawaniem związków kancerogennych. Spośród związków kancerogennych o zdefiniowanej strukturze chemicznej zidentyfikowano: aldehydy, cyjnoaldehydy, ketony, chinony, ketokwasy, hydroksyketony, aldokwasy, związki dikarbonylowe, kwasy mono-, di-, tri – i tetra- karboksylowe, estry kwasów hydroksylowych nitryle (Olsińska 2014).

Zastosowanie wielostopniowych kolumn kontaktowych w systemach ozonowania, to najnowsze rozwiązanie, które zabezpiecza przed tworzeniem się związków niebezpiecznych w instalacjach pracujących z dużą zmiennością przepływów.
Urządzenie składa się z:

– kolumny utleniającej wznoszącej, w której zachodzą procesy utleniania lub dezynfekcji,

– wielostopniowego systemu przelewowego dostosowanego do różnych przepływów wody przez SUW wyrównującego czasy przetrzymania wody,

– z systemu odgazowania po procesie,

– z kolumny przetrzymania, której napełnienie jest płynnie regulowane.

Zestaw zawiera także:

– system wydmuchu ozonu nadmiarowe- go do destruktorów lub aeratorów pracujących na zjonizowanym powietrzu stosowanych do napowietrzania wstępnego,

– przelew wodny z pułapką gazową zabezpieczającą przed wydobywaniem się ozonu na zewnątrz,

– system wprowadzania ozonu do wody,

– separatory ozonu zabezpieczające przed przedostaniem się wody do komory wytwarzającej ozon,

– urządzenia pomiarowe,

– mieszacze statyczne do szybkiego mieszania wody z ozonem w pełnej objętości.

Rys. 3 Wielostopniowy system kolumn kontaktowych w systemach ozonowania w SUW Lubaszowa

Fig. 3 Multistage contact columns in ozonation systems in Water Treatment Station Lubaszowa

Rys.3. przedstawia taki system zamontowany w SUW Lubaszowa.

Przy zbiornikach kontaktowych betonowych stosujemy, albo odciąg ozonu resztkowego specjalnymi wentylatorami w wykonaniu przeciwwybuchowym i antykorozyjnym z jednoczesnym zastosowaniem zaworów napowietrzających półautomatycznych, albo wydmuch ozonu resztkowego wentylatorem zewnętrznym z nadciśnieniem wewnątrz zbiornika. Druga metoda, chociaż tańsza w eksploatacji, jest uzależniona od jakości wykonania betonu i szczelnych przejść przez ścianki. W wielu przypadkach nieodpowiedni dobór materiałów powoduje rozszczelnienie i przecieki, co można zauważyć przeważnie w instalacjach basenowych. Dlatego wybór materiału, z którego będą budowane zbiorniki kontaktowe, jest bardzo ważny. Decydując się na określone rozwiązanie przy zbiornikach kontaktowych musimy wziąć pod uwagę:

– jaka będzie możliwość ich czyszczenia,

– jak będą przebiegały okresowe inspekcje i kontrole,

– w jaki sposób można będzie łatwo dokonać napraw,

– jaka jest trwałość materiału, z którego są wykonane,

– jaka jest możliwość wkomponowania dodatkowych króćców.

Kolumny wielostopniowe wykonane w całości z blachy nierdzewnej 304 lub 316 L, z polerowanymi spoinami, spełniają te wszystkie wymagania. Specjalne wykonanie pozwala wykorzystywać te urządzenia do różnych rodzajów wód, dzięki możliwości pokrycia ścian kompozytem polimerowym. Montaż takich urządzeń jest bardzo prosty i trwa maksymalnie kilka dni. Eksploatacja jest bezobsługowa i bezkosztowa.

Zastosowanie wielostopniowych kolumn kontaktowych pozwala na wysoko efektywne wykorzystanie ozonu, bliskie 95%. Zbiorniki kontaktowe z dyfuzorami, to efektywność produkcyjna do 50% i mnóstwo problemów eksploatacyjnych, do których należą: zatykanie, kruszenie, pękanie dyfuzorów, miejsca martwe bez ozonu, przesiąki i trudności z uszczelnieniem przejść przez ścianki, brak możliwości skrócenia czasu kontaktu ozonu z wodą, słaby stopień odgazowania po procesie, ciągłe przedmuchy tlenem lub powietrzem w celu utrzymania drożności dyfuzorów, skomplikowany rozdział gazu na rotametrach do komór (Wofil 2014).

Wielostopniowe kolumny kontaktowe współpracujące dodatkowo z ozonatora- mi hybrydowymi są bezpiecznym i niezawodnym rozwiązaniem likwidującym w 100% zagrożenie tworzenia się związków kancerogennych w instalacjach ozonowych. Minimalizują ilości ozonu dawkowanego do wody, dzięki czemu są energooszczędne, a w połączeniu z aeratorami do wstępnego napowietrzania wody powietrzem zjonizowanym wykorzystują cały wytworzony ozon i energię.

Ozonatory hybrydowe stosowane w małych i średnich SUW oraz ozonatory wieloblokowe stosowane w dużych SUW to urządzenia, bez których zarządzanie produkcją wody przy zmiennych przepływach, zmiennej jakości wody i obecności prekursorów związków kancerogennych jest utrudnione a nieraz wręcz niemożliwe. Ozonatory te zwiększają niezawodność działania systemów ozonowania, gdyż jeden aparat zawiera w sobie kilka ozonatorów, które pracują zamiennie w zależności od potrzeb. Podczas procesów inwestycyjnych kupujemy tylko jedno urządzenie, co znacząco obniża wydatki. Podczas eksploatacji wykorzystujemy tylko te bloki, które w danym momencie zaspokajają zapotrzebowanie na ozon oszczędzając energię a jednocześnie zmniejszając zużycie urządzeń i części eksploatacyjnych. Ozonatory hybrydowe dopasowują wielkość produkcji ozonu do przepływów, co jest bardzo ważne w utrzymywaniu sta- łych dawek ozonu resztkowego w objętości i czasie kontaktu z wodą. Przy wodach podziemnych wpływa to na wytrącanie manganu. Bardzo łatwo jest przekroczyć dawkę nominalną, przy której Mn2+ prze- chodzi do Mn4+ i wytrąca się jako ciemno- brązowo-zielony osad. Przekroczenie tej dawki wiąże się z przejściem Mn2+ w Mn7+ z ominięciem Mn4+. Woda przybiera wtedy kolor ciemno czerwony tworzących się nadmanganianów. Ich usunięcie z wody jest bardzo kłopotliwe, ponieważ nie można ich przefiltrować i prawie zawsze jedyną metodą jest kilkunastogodzinny czas przetrzymania, po którym następuje redukcja do Mn4+. Przy wodach powierzchniowych wpływa to na czas reakcji niezbędny do utlenienia materii organicznej, pozbycia się barwy, zapachu, ogólnego węgla organicznego czy bakterii, a współpraca z wielostopniowy- mi kolumnami kontaktowymi zapobiega całkowicie tworzeniu się związków kancerogennych, co nieraz całkowicie eliminowało zastosowanie ozonu do uzdatniania wody. Dotyczy to np. wód zawierających bromki, gdzie zastosowanie czasów prze- trzymania nie dłuższych niż 7 minut i ozonu resztkowego nie przekraczające- go 0,25 ppm zapobiega tworzeniu się bromianów. Ozonatory hybrydowe zbudowane są z ozonatorów prowadzących chłodzonych powietrzem; przeważnie jest to kilka urządzeń, które zapewniają utrzymanie procesów ozonowania od przepływów rzędu 5 do 10 % do nominalnej wydajności SUW i ozonatora dodatkowe- go zapewniającego pełne zapotrzebowanie na ozon, przy skrajnie niekorzystnych warunkach jakości wody i wydajności 100% SUW. Wydajność poszczególnych ozonatorów prowadzących jest tak dobra- na, aby stanowiły dla siebie wzajemnie rezerwę, a ozonator dodatkowy, aby był rezerwowy w całości dla ozonatora pro- wadzącego. Przy ozonatorach wieloblokowych wydajność poszczególnych bloków jest dobierana rosnąco. Ma to za zadanie dopasować ilość produkowanego ozonu do liczby zainstalowanych kolumn kontaktowych i liczby zastosowanych w nich stopni. Na rys. 4 i 5 podane są przykłady zabudowy ozonatorów hybrydowych i wieloblokowych zastosowanych w SUW Jaworzno Piaskownia i w SUW Częstochowa Mirów.

Po procesach utleniania ozonem woda pompowana jest na drugi stopień filtracyjny. W zależności od rodzaju oczyszczanej wody stosujemy odpowiedni materiał filtracyjny.

Rys. 4 Ozonatory hybrydowe i wieloblokowe zastosowane w SUW Jaworzno Piaskownia

Fig. 4 Hybrid and multiblock ozone generators used in Water Treatment Station Jaworzno Piaskownia

Rys.5 Ozonatory hybrydowe i wieloblokowe zastosowane w SUW Częstochowa Mirów

Fig. 5 Hybrid and multiblock ozone generators used in Water Treatment Station Częstochowa Mirów

Przy wodach powierzchniowych stosujemy węgiel aktywny, przy wodach podziemnych – kwarc o zmniejszonej granulacji w stosunku do pierwszego stopnia. Przy wodach powierzchniowych węgiel aktywny służy nie tylko do zebrania wytrąconej w procesie utleniania ozonem materii organicznej i nieorganicznej, ale także do destrukcji ozonu resztkowego z wody. Efekty oczyszczania wody węglem aktywnym są bardzo dobre, ale należy się liczyć z tym, że w dolnej części filtra powstają bardzo dobre warunki do rozwoju bakterii rozwijających się w temp. 22oC. Ich liczba jest limitowana, przez co po filtrze z węglem aktywnym należy zastosować lampę UV, działającą w technologii niskociśnieniowej, do końcowej dezynfekcji wody. Przy wodach podziemnych stosowanie na II stopniu filtrów piaskowych bez węgla aktywnego w zupełności wystarcza do doczyszczenia i dofiltrowania wody. Proces można tak ustawić, aby ozon resztkowy rozkładał się w zbiornikach wody czystej przed podaniem wody do sieci lub można zastosować lampy UV pracujące w technologii średniociśnieniowej do destrukcji ozonu resztkowego i ostatecznej dezynfekcji. Przy stosowaniu grawitacyjnych filtrów II stopnia należy przewidzieć ich zamknięcie i odprowadzenie ozonu zdesorbowanego do kolumn kontaktowych stosując wydmuch lub odciąg ozonu. Przy wydmuchu jakość pokrycia filtra musi zapewniać 100% szczelność, natomiast przy odciągu musimy zastosować zawory napowietrzające, które dostarczą odpowiednią ilość powietrza do filtra. Wadą drugiego rozwiązania jest to, że jakość powietrza nie zawsze będzie odpowiednia, a odciąg ozonu wentylatorem w wielu przypadkach powoduje jego częste uszkodzenia. Przy zastosowaniu filtrów ciśnieniowych odpowietrzamy je do drugiej kolumny (kolumny przetrzymania) w taki sposób, aby ozon nie wydostał się na zewnątrz. Stosowanie normalnych odpowietrzników, wyrzucających gaz do atmosfery wokół filtra jest niedopuszczalne. Odpowietrzenie następuje pulsacyjnie w zależności od danego etapu pracy filtra i jest ściśle związane z jego wielkością i obciążeniem.

W każdym przypadku projektowania instalacji ozonowania musimy zwrócić uwagę na to, że ozon to nie antidotum na wszystkie zanieczyszczenia wody i bardzo często instalacja ozonowania musi współpracować z innymi procesami pod- stawowymi, takimi jak: koagulacja, flotacja czy ultrafiltracja. Wymagają one odpowiednich procedur i wytycznych, które poprawiają parametry zachodzących procesów, ale też wymagają odpowiednich rozwiązań technicznych.

Bezpieczeństwo stosowania ozonu

Osobnym jednak zagadnieniem jest bezpieczeństwo produkcji. Ludzie po pro- stu boją się stosować ozon. Dawniej ozon stosowany był tylko w dużych SUW, posiadających odpowiednią kadrę inżynieryjno-techniczną. Obecnie instalacje ozonowania budowane są dla średnich i małych SUW, gdzie ilość kadry technicznej jest ograniczona, choćby ze względów ekonomicznych. Dla tych zakładów najlepszym rozwiązaniem jest wprowadzenie, na czas rozruchu i gwarancji, pełnego monitoringu pracy stacji ozonowania „on line” ze wsparciem producenckim. Ułatwia to obsłudze SUW poznanie wszystkich procedur bezpieczeństwa oraz zdalne nadzorowanie ich prac przez Internet zarówno podczas zmiany nastaw jak i wprowadzania urządzeń do ruchu po przerwach w produkcji lub wyłączeniach prądu. Pomaga także przy drobnych naprawach bez konieczności wzywania serwisu, pomaga zlokalizować awarie lub nanieść poprawki oprogramowania. Bezpieczeństwo stosowania technologii ozonowania to analizatory ozonu w powietrzu, analizatory ozonu w wodzie, destruktory ozonu, pułapki gazowe, zbiorniki przewałowe z zamknięciem wodnym oraz separatory ozonu przy systemach wprowadzania ozonu do wody.

Czujniki ozonu w powietrzu powinny być instalowane około 30-50 cm nad ziemią oraz w miejscach najbardziej narażonych na wyciek gazu. Elektrody powinny być wymieniane lub poddawane kalibracji raz na rok. Należy zwrócić uwagę, że te czujniki nie są selektywne i mogą błędnie wskazywać, gdy w powietrzu są obecne duże ilości związków aktywnych (np. po myciu podłogi domestosem).

Analizatory ozonu w wodzie kierują w rzeczywistości całą pracą SUW. Na ich podstawie można zauważać, kiedy woda ma lepsze a kiedy gorsze parametry. Gdy zapotrzebowanie na ozon w wodzie rośnie, jakość wody się pogarsza, stężenie ozonu resztkowego zaczyna maleć. Gdy zapotrzebowanie na ozon maleje, jakość wody się poprawia, zaś stężenie ozonu resztkowego rośnie. Komputerowe sterowanie dawki ozonu pobiera informacje z analizatorów i na ich podstawie zwiększa lub zmniejsza produkcję ozonu. Dlatego analizatory ozonu w wodzie powinny być kalibrowane co miesiąc, a czasami częściej (w zależności od jakości wody).

Destruktory ozonu to urządzenia pracujące przeważnie jako zbiorniki przepływowe gazowe o odpowiedniej konstrukcji wypełnione samo rozgrzewającą masą katalityczną, wspomaganą czasami ogrzewaniem elektrycznym. Muszą być montowane tam, gdzie ozon resztkowy rozpraszany jest do atmosfery oraz w miejscach jego produkcji. Jeżeli instalacja produkuje mniej niż 100 g O₃/h, wystarczy gdy wentylatory przedmuchujące pomieszczenie będą zapewniały 2-5-krotną wymianę powietrza w pomieszczeniu. Masę katalityczną należy wymieniać raz w roku. Przy dużych destruktorach powinno się też sprawdzać raz na pół roku stopień kolmatacji złoża.

Pułapki wodne powinny być stosowane na linii gazowego ozonu resztkowego wszędzie tam, gdzie może dojść do przedostania się wody do destruktorów. Zapobiegają one zawilgoceniu masy katalitycznej, a co za tym idzie kolmatacji złoża, które wtedy przestaje pracować.

Zbiorniki przewałowe to urządzenia uniemożliwiające wydostanie się ozonu na zewnątrz zbiorników kontaktowych, ale w razie potrzeby odprowadzające z niego nadmiar wody. Urządzenia takie powinny być montowane na zewnątrz zbiorników kontaktowych w taki sposób, aby dostęp serwisowy do nich nie był utrudniony. Powinny posiadać automatyczny system uzypełniania wody.

Jakość wody i jakość wody

Bardzo często można spotkać się z twierdzeniem, że woda, której parametry są zgodne z Rozporządzeniem Ministra Zdrowia, jest odpowiedniej jakości do picia i celów gospodarczych. Jeżeli będzie- my to rozpatrywać w kontekście wody wypływającej z SUW, to pewnie można by się przychylić do tego stwierdzenia. Jednak woda bardzo często stoi w instalacjach lub na końcówkach sieci, co powoduje rozwój bakterii i tworzenie się filmu biologicznego na ich ściankach. Wykorzystując ozon do utleniania powodujemy, że to co mogłoby się wytrącić w instalacjach wodociągowych, jest usuwane na drugim stopniu filtracji, a woda nie dostarcza substancji pożywkowych bakteriom oklejającym wnętrze instalacji. Można to zauważyć, bo obumierające bakterie mineralizują osady i odrywają się jako złogi. Następuje proces samooczyszczania rur. Dzięki procesom wolnorodnikowym, jakie zachodzą podczas utleniania ozonem, woda może zostać wystawiona przez długi czas na działanie promieni słonecznych lub przebywać na końcówkach sieci, nie tracąc pożądanych własności organoleptycznych. Dodatkowo zapotrzebowanie na związki chloru, które są dozowane do wody w celach bakteriostatycznych jest o wiele mniejsze, a ewentualny zapach jest z niej całkowicie usuwany.

Podsumowanie

Rola ozonu w gospodarce wodnej w najbliższych latach może wzrosnąć, dotyczy to zarówno dziedzin, w których ozon wykorzystywany jest do utleniania różnego rodzaju związków jak i do dezynfekcji wody. Zastosowanie wielostopniowych kolumn kontaktowych do w/w celów ułatwi prowadzenie procesów i kontrolę nad nimi. Powstawanie związków kancerogennych w wodzie po procesie ozonowania prawie w każdym przypadku będzie można wykluczyć lub mocno ograniczyć, by nie przekraczały dopuszczalnych norm. Dodatkowo rozwój techniczny i technologiczny przyczynia się do wprowadzania ozonu w miejsca, gdzie do niedawna bezgranicznie królował chlor. Prosta i nieskomplikowana budowa instalacji technologicznych wykorzystujących ozon, ozonatory nowej generacji zużywające niewielkie ilości energii, łatwość sterowania przez internet i wsparcie techniczne będą upowszechniać technologię ozonowania. Jeżeli dodamy do tego, że jest to technologia w 100 % proekologiczna – z powietrza otrzymujemy tlen, z tlenu ozon, który po procesach przechodzi w tlen, a później do powietrza – otrzyma- my materiał do prac, dzięki któremu będzie można zmieniać różne dziedziny gospodarki. Przykładem może być ozonowanie sieci wodociągowych, dzięki którym skracamy czas potrzebny do dezynfekcji po awariach od kilku do kilkudziesięciu godzin, skracamy lub eliminujemy całko- wicie wyłączenia w dostawie wody do odbiorców, wreszcie dezynfektant jest produkowany na miejscu w dowolnej ilości bez sztucznych środków chemicznych. Można by długo wymieniać korzyści jakie płyną z zastosowania ozonu jednak to, że jest on naturalnym utleniaczem nadaje mu specjalną rangę wśród najmocniejszych substancji utleniających.

LITERA TURA

[1] Nederlof, M.M., Kruithof, J.C., Hofman, J.A-.M.H., de Koning, M., van der Hoek, J.-P., Bonné, P.A.C., Integrated multi-objective membrane systems application of reverse osmosis at the Amsterdam Water Supply, Desalination,119, pp. 263-273.

[2] Dojlido, J., Zbieć, E., Świetlik, R. (1999), Formation of the haloacetic AIDS during ozonation and chlorination of water in Warsaw Waterworks (Poland), Wat. Res., 33 (14), pp.

3111-3118.

[3] Olsińska U. Ozon w oczyszczaniu wód powierzchniowych i podziemnych przeznaczonych do spożycia – przydatność i potencjalne zagrożenia. Konferencja Ozon w Pol- sce Krynica 2014.

[4] Muszański R; Materiały wewnętrzne firmy Wofil. Konferencja Ozon w Polsce Krynica

2014.