Zastosowania ozonu Woda pitna

Ze względu na swoje doskonałe właściwości dezynfekujące i utleniające, ozon jest szeroko stosowany w procesie przygotowywania wody pitnej. Ozon może być dodany w różnych miejscach w systemie oczyszczania, np. podczas utleniania wstępnego, utleniania pośredniego lub przy końcowej dezynfekcji. Zwykle, zaleca się użycie ozonu przy utlenianiu wstępnym, przed filtracją przez filtr piaskowy lub z węgla aktywnego (GAC). Po zastosowaniu ozonowania filtry te mogą usunąć pozostałą materię organiczną (ważne dla końcowej dezynfekcji).

Kombinacja ta ma szereg zalet:

- Usunięcie materii organicznej i nieorganicznej
- Usunięcie mikro- zanieczyszczeń, takich jak pestycydy
- Wzmocnienie efektu koagulacji/flokulacji - proces dekantacji
- Wzmocnienie efektu dezynfekcji oraz redukcja produktów ubocznych dezynfekcji
- Eliminacja nieprzyjemnej woni i smaku

Usuwanie materii organicznej i nieorganicznej

Wszystkie źródła wody zawierają materię organiczną pochodzenia naturalnego (NOM). Stężenia (zwykle mierzone jako Rozpuszczony Węgiel Organiczny, DOC) osiągają wartość w zakresie od 0,2 do ponad 10 mg/l [6]. NOM powoduje bezpośrednie problemy, takie jak nieprzyjemny zapach i smak wody, ale także niebezpośrednie, takie jak powstawanie organicznych produktów ubocznych dezynfekcji, ponowny rozwój bakterii w systemie dystrybucji wody etc. W celu produkcji czystej wody pitnej, usuwanie NOM to cel priorytetowy w nowoczesnych systemach oczyszczania wody.
Ozon, jak i inne utleniacze, rzadko doprowadzają do całkowitej mineralizacji NOM. Materia organiczna jest częściowo utleniana i staje się łatwiej biodegradowalna. Rezultatem tego jest większa ilość BDOC (biodegradowalnego DOC). W wyniku tego ozon wspomaga proces usuwania NOM na następującym po nim filtrze poprzez utlenianie wstępne [33,39,40]. W artykule naukowym Siddiqiui et al. [40] opisane są efekty ozonowania w połączeniu z filtrem biologicznym. Kombinacja ta doprowadziła do redukcji DOC o 40-60%. Redukcja ta jest nawet większa, kiedy ozon użyty jest w połączeniu z koagulantem. Wynika to z faktu, iż ozon może wzmacniać proces koagulacji. Połączenie typu koagulacja–ozon–biofiltracja prowadzi do redukcji DOC o 64%. W przypadku gdy zaaplikowana była jedynie bio-filtracja, redukcja ta wynosiła tylko 13%. Optymalne stężenie dla usuwania materii organicznej przez ozon wynosiło: O₃/DOC = 1 mg/mg.
Większość materii nieorganicznej może być usunięta za pomocą ozonowania dosyć szybko [15,39]. Po procesie ozonowania, bio-filtracja jest wymagana w celu usuwania materii nieorganicznej. Oznacza to, formy utlenione nierozpuszczalnych elementów, które muszą być usunięte podczas kolejnego etapu oczyszczania wody.

Pestycydy

Mikro-zanieczyszczenia takie jak pestycydy mogą pojawiać się w wodzie powierzchniowej, ale głównie w wodzie gruntowej. Standardy dla wody pitnej pod względem pestycydów narzucone przez UE są surowe: 0,1 μg/l dla każdego związku [38]. Badania wykazały, że ozon może być bardzo skuteczny w utlenianiu wielu pestycydów. W oczyszczalni ścieków w Zevenbergen (Holania) wykazano, iż trzy bariery (w postaci: retencja - ozonowanie - granulowany węgiel aktywny filtr GAC) są wystarczająco skuteczne w usuwaniu pestycydów. Z 23 testowanych pestycydów, 50 % zostało zdegradowanych w wystarczającym stopniu (80 % zniszczenia). Tabela 1 przedstawia przegląd pestycydów łatwo degradowanych przez ozon. Dla wysoce odpornych pestycydów, zalecana jest wyższa dawka ozonu, lub połączenie ozonu z nadtlenkiem wodoru [38].

Tabela 1: Rozpad pestycydów łatwo degradowanych za pomocą ozonowania (%)

Rredukcja produktów ubocznych dezynfekcji (DBP) i wzmocniony efekt dezynfekcji

Produkty uboczne dezynfekcji (DBP) powstają głównie podczas reakcji materiałów organicznych ze środkiem dezynfekującym. Reakcja chloru z materią organiczną może prowadzić do tworzenia się chlorowych związków organicznych DBP, takich jak trihalometany (THM). Ozon może również reagować z materią organiczną a w rezultacie mogą powstawać DBP. Są to zwykle organiczne produkty uboczne dezynfekcji, takie jak aldehydy i ketony, które łatwo rozkładane są w biofiltrze (90-100%). Nie tworzą więc one żadnego zagrożenia, że woda pitna przekroczy wymagane standardy przy zastosowaniu ozonu jako utleniacza wstępnego.

W celu usunięcia DBP w tradycyjnym systemie dezynfekcji (dezynfekcja produktami chloru) ważne jest aby potencjał formowania DBP pozostawał niski. Jest on zwykle określany jako potencjał formowania się DBP (DBPFP). Może on zostać obniżony poprzez usunięcie (większości) NOM, na przykład przez utlenianie wstępne z udziałem ozonu (ozon-filtracja). Kombinacja ozon i filtracja może doprowadzić do obniżenia DBPFP o 70-80%, kiedy chlor jest używany jako finalny środek dezynfekujący [40]. Dotyczy to DBPFP dla THM’s, HAA (kwasy halooctowe) i hydrat (wodzian) chloralu.

Ozon jest bardziej skutecznym środkiem dezynfekującym od chloru, chloramin, i nawet dwutlenku chloru. Dawka ozonu wynosząca 0,4 mg/l przez 4 minuty jest zwykle skuteczna dla wody już wstępnie oczyszczonej (niskie stężenie NOM) [39]. Różne badania wykazały że ozon, w przeciwieństwie do produktów chlorowych, może dezaktywować mikroorganizmy odporne (sprawdź stronę Mikroorganizmy Odporne). Jednak, ze względu na to, że ozon szybko rozpada się wodzie, jego trwałość jest bardzo krótka (mniej niż godzina). Dlatego też ozon jest mniej odpowiedni dla tak zwanej dezynfekcji rezydualnej (pozostałości) i może być zastosowany jedynie w danych przypadkach (głównie w krótkich systemach dystrybucji wody). Chlor i dwutlenek chloru często zastępują ozon w dezynfekcji końcowej/finalnej. Dla dezynfekcji pierwszego stopnia/wstępnej (przed bio-filtracją), ozon jest odpowiedni. W ten sposób dezynfekcja będzie kompletna a zastosowane stężenie środka dezynfekującego niższe.

Eliminacja nieprzyjemnej woni i smaku wody

Powstawanie nieprzyjemnej woni i smaku w wodzie może mieć kilka przyczyn. Związki tworzące nieprzyjemny zapach i smak mogą znajdować się w wodzie surowej, ale mogą one również tworzyć się podczas procesu oczyszczania wody. Związki te mogą pochodzić z rozkładu materii roślinnej, ale zwykle są one wynikiem aktywności organizmów żywch obecnych w wodzie [5]. Elementy nieorganiczne, takie jak żelazo, miedz i cynk mogą również tworzyć pewien smak. Inną możliwością jest chemiczne utlenianie (traktowanie chlorem) doprowadzające do nieprzyjemnego zapachu i smaku wody.
Związki tworzące zapach i smak są często bardzo odporne. Sprawia to, że proces ich eliminacji jest bardzo intensywny [33]. W celu wyeliminowania nieprzyjemnego zapachu i smaku, zastosowanych może być kilka metod, takich jak utlenianie, napowietrzanie, filtracja z udziałem granulowanego węgla aktywnego (GAC) lub filtr piaskowy. Zwykle, aplikowana jest kombinacja tych technik.
Ozon może utleniać związki w zakresie 20–90% (w zależności od rodzaju związku) [6]. Ozon jest bardziej skuteczny w utlenianiu związków nienasyconych. W przypadku utleniania pestycydów, ozon w połączeniu z nadtlenkiem wodoru (proces AOP) jest bardziej skuteczny niż sam ozon. Geosmin and 2-metylizoborneol (MIB) to przykłady odpornych związków powodujących odór, które są często obecne w wodzie. Są one produkowane przez algi i mają niski punkt powodowania nieprzyjemnego zapachu i smaku. Mimo tego, ozon nadal jest w stanie bardzo skutecznie usunąć te związki, patrz rys. 1.

Rys. 1: Usuwanie MIB i Geosmin przez ozon i nadtlenek ( rzeka Colorado, USA)

Podsumowując, najbardziej skuteczną metodą usunięcia nieprzyjemnego zapachu i smaku wody jest kombinacja utleniania wstępnego i filtracji [5]. Tabela 2 przedstawia szereg kombinacji technik usuwających nieprzyjemny smak. Ozon w połączeniu z filtracją przez filtr piaskowy oraz filtr węgla aktywnego (GAC) to najbardziej wydajna kombinacja (82% redukcji związków).

Tabela 2: Wpływ ozonowania i następującej po tym techniki oczyszczania na stężenie związków powodujących nieprzyjemny zapach i ich redukcja, test pilotażowy w Saint-Maur (Francja)