Вода, благодаря её свойствам, является незаменимым ресурсом в человеческой деятельности, и одним из важных её свойств является способность растворять и удерживать в себе примеси, обладающие различными физико-химическими свойствами. Некоторую часть этих примесей можно разрушить или перевести в нерастворимые формы, и впоследствии удалять фильтрацией путём химической обработки реагентами-окислителями. В настоящее время для такой обработки используют кислород из воздуха, диоксид хлора, активный хлор, озон, ранее также применялся перманганат калия. Окислители обладают различной способностью действовать на загрязнители, и мерой, измеряющей силу этой способности, является окислительно-восстановительный потенциал, выраженный в единицах измерения Вольт.

Какие загрязнители подвергают окислению

Окислению могут быть подвергнуты загрязнители из трёх различных групп:

• неорганические вещества, являющиеся ионами переходных металлов, такие как железо и марганец, способные изменять свою степень окисления;
• органические вещества, в ходе обработки которых входящие в их состав углерод и водород окисляются до воды и углекислого газа;
• водные микроорганизмы, такие как вирусы, бактерии, простейшие и многоклеточные, включая патогенные, способные вызывать заболевания у человека и животных. Окислительные реагенты способны повреждать генетический материал и важные для жизнедеятельности клеточные структуры, приводя микроорганизмы к инактивации и гибели.

Кислород воздуха как окислитель

Самым слабым окислителем является кислород воздуха, он способен окислить хорошо растворимые в воде двухвалентные железо и марганец до нерастворимых трёх- и четырёхвалентной формы соответственно. Несмотря на низкую стоимость такой обработки, она не получает широкого распространения из-за невысокой скорости окисления, в значительной степени снижающейся при неоптимальных значениях температуры и водородного показателя pH. Часто окисление железа и марганца возможно провести только с применением каталитических загрузок, ускоряющих протекание процесса.

Озон: природа и окислительная способность

Элементарное вещество кислород помимо двухатомной молекулы кислорода также имеет аллотропную форму, состоящую из трёх атомов кислорода, образующих озон. Озон является нестабильным простым веществом, стремящимся к распаду на двухатомную молекулу кислорода и атомарный кислород. Последний является одним из наиболее сильных окислителей. Озон является сильным окислителем, а также усиливает окислительную способность растворённого в воде кислорода, что обеспечивает высокую скорость и полноту удаления примесей в широком диапазоне условий проведения процесса.

Озон является самым эффективным окислителем для удаления соединений железа, в том числе органометаллических комплексов с гуминовыми и фульвокислотами, сульфидов и сероводорода. Применение ограничено для подготовки питьевой воды, содержащей бромиды, окисляемые озоном до токсичных броматов. Неоднозначная ситуация возникает при высоком содержании марганца, так как при дозе озона свыше 3 мг/л происходит окисление Mn²⁺ в растворимую форму Mn⁷⁺, придающую воде фиолетовую окраску. При этом озонирование дозами до 3 мг/л не позволяет полностью окислять органические вещества до воды и углекислого газа, происходит лишь частичное окисление с распадом на молекулы с меньшей массой. Неполное окисление органики в свою очередь создаёт две проблемы: в случае последующего хлорирования растёт необходимая доза реагента, так как ранее не подверженные окислению активным хлором органические вещества преобразуются в окисляемые, а также резкое ускорение роста и развития микроорганизмов, питающихся частично разрушенной озоном органикой.

Мутность, цветность, запахи и органика

Озон имеет преимущество в процессах снижения мутности и цветности, а также удаления посторонних запахов и вкусов, разрушая органические вещества природного происхождения, не поддающиеся окислению препаратами на основе активного хлора, при этом не происходит ухудшения вкуса и запаха очищенной воды. Также озонирование более эффективно по отношению к органическим веществам искусственного происхождения, таким как фенолы, углеводороды, цианосоединения, хлорорганические, фосфорорганические соединения, поверхностно-активные вещества. Активный хлор в дозировках, применяемых на практике, не действует на эти вещества, а при контакте с фенолами образуются хлорфенолы — вещества, чьё содержание в питьевой воде должно быть в 20 и более раз меньшим, чем исходные фенолы. Среди перечисленных групп есть вещества, не поддающиеся окислению при обычных дозах и времени контакта с озоном, такие как хлорорганический пестицид линдан, и некоторые из фосфорорганических пестицидов.

Обеззараживающее действие озона

Озон обладает ярко выраженными бактерицидными и вирулицидными свойствами. Так, инактивация бактерий происходит в 300 раз быстрее, чем в случае использования активного хлора. Он эффективен и против таких устойчивых микроорганизмов, как спорообразующие бактерии, грибы, простейшие и их цисты. Дезинфекция озоном остаётся эффективной в диапазоне значений pH от 5,6 до 9,8 и при температурах от 0 до 37 °С. Бактерицидное действие наблюдается только после разложения содержавшейся в воде органики, при концентрациях остаточного озона в диапазоне 0,1–0,4 мг/л. При концентрации озона 0,4 мг/л и времени контакта 4 минуты происходит инактивация 99,99 % содержащихся в воде микроорганизмов.

Ограничения озонирования

Основным недостатком по сравнению с такими обеззараживающими агентами, как активный хлор и диоксид хлора, является короткое время существования озона в воде, сокращающееся при более высоких значениях pH и температуры. С учётом того, что озонирование провоцирует последующий резкий рост и развитие микроорганизмов, применять озон для защиты воды от повторного заражения возможно только при небольшом расстоянии от точки подачи воды до потребителя и при хорошем состоянии сетей. Если невозможно гарантировать отсутствие источников повторного заражения на трубопроводе к потребителю, то необходимо дополнительно дозировать в воду препараты активного хлора или диоксид хлора. Активный хлор можно применять совместно с озоном, при этом озон разрушает хлорорганику, образующуюся в результате неполного окисления хлором. Использованию препаратов активного хлора препятствует высокое содержание органических веществ, подверженных окислению хлором. Как уже было сказано, озонирование вызывает рост их содержания при неполном окислении исходных веществ. Диоксид хлора мог быть более предпочтительным, но его использование требует полного удаления остаточного озона.

Озон в производстве бутилированной воды

Озон является золотым стандартом обеззараживания в производстве бутилированной питьевой воды, удаляя вещества, способные ухудшать прозрачность, вкус и запах воды, и эффективно дезинфицируя воду. Для обеспечения отсутствия микроорганизмов в бутилированной воде, согласно рекомендациям IBWA (International Bottled Water Association), остаточная концентрация озона в момент розлива должна составлять 0,1–0,4 мг/л. В случае розлива минеральных вод, содержащих бромиды, чтобы ограничить образование броматов, озонирование следует проводить с дозой озона 1,0–2,0 мг/л и временем контакта 4–10 минут.