Таким образом, принцип действия метода обратного осмоса для очистки воды заключается в том, что под давлением, превышающем осмотическое, происходит движение растворителя (воды) через полупроницаемые мембраны со стороны более концентрированного раствора (исходной воды) в сторону более разбавленного раствора. Очищенная вода, подается потребителю, а оставшийся более насыщенный солями и механическими частицами раствор (концентрат) сбрасывается в канализацию. Основным элементом обратноосмотических установок является мембрана. Исходная, загрязненная различными примесями, вода пропускается через поры мембраны, столь мелкие, что загрязнения сквозь них практически не проходят. Для того чтобы поры мембраны не забивались, входной поток направляется вдоль мембранной поверхности, который вымывает загрязнения. Таким образом, один входной поток разделяется на два выходных потока: раствор, проходящий через мембранную поверхность (пермеат) и часть исходного потока, не прошедшего через мембрану (концентрат).
Большинство современных эффективных установок использует мембраны, выполненные в виде элемента рулонного типа. Элемент содержит два слоя мембран, склеенных по трем сторонам "пакетом" и заведенных незаклееным краем во втулку канала пермеата. Этот пакет спирально обернут вокруг перфорированной трубы, в которую пермеат сливается из межмембранного пространства, проходя через дренажный слой из промежуточной сетки, которая формирует каналы и оптимизирует течение потока концентрата, увеличивая турбулентность потока, что препятствует отложению осадков на мембране. Мембрана действует как барьер для всех растворенных солей и неорганических молекул, а также органических молекул с молекулярной массой более 100. Молекулы воды свободно проходят через мембрану, создавая поток пермеата. Качество пермеата сопоставимо с качеством обессоленной воды, полученной по традиционной схеме Н-ОН-ионирования, а по некоторым параметрам (окисляемость, содержание кремниевой кислоты, железа и др.) превосходит. [9]
Дезинфекция воды (обеззараживание воды) - комплекс мер, предпринимаемых с целью очистки воды от микроорганизмов (вирусы, бактерии, цисты и т.д.). Как показывают многочисленные исследования, качество питьевой воды в значительной степени зависит от метода и режима ее обеззараживания. Существующие методы дезинфекции питьевой воды подразделяют на реагентные, безреагентные и комбинированные.
К реагентным методам обеззараживания воды относятся:
хлорирование воды;
озонирование воды;
серебрение воды (обработка воды ионами серебра);
бромирование воды и йодирование воды.
К безреагентным методам обеззараживания воды относятся:
ультрафиолетовое обеззараживание воды;
ультразвуковая обработка воды.
В п.1.2 подробно рассмотрены причины, по которым невозможно использование хлорирования при получении воды высшей категории.
Однако в производстве питьевой бутилированной воды широко применяется метод обеззараживания озоном.
Озон - это нестойкий трехатомный кислород, обладающий реакционной и стерилизующей способностью, в тысячи раз большей, чем у хлора, один из сильнейших и чистейших окислителей. Дезинфекция озоном не оставляет продуктов распада, кроме кислорода, не придает воде запаха, не обладает вкусом, не меняет минеральных и органолептических показателей воды. Для обработки воды он используется уже около ста лет. Однако только в последние 25-30 лет благодаря разработке озонаторов третьего поколения, резко упростивших и удешевивших его производство, началось бурное внедрение процессов озонирования воды. Предлагаются установки для производства озона в количестве от граммов до десятков килограммов в час. Они могут использоваться в небольших устройствах обработки воды и городских станциях.
Преимуществом озонирования воды является неспособность озона, в отличие от хлора, к реакциям замещения. Особенностью озона является и быстрое разложение в воде с образованием кислорода, т.е. озон обладает практически полной экологической безопасностью. К недостаткам озона относится сложность его производства на месте использования, необходимость больших затрат электроэнергии на его синтез, а также малое последействие, поскольку озон разлагается в воде примерно за 30 минут. Озонирование за счет высокой окислительной способности озона позволяет одновременно достичь обесцвечивания воды, устранения привкусов и запахов и ее обеззараживания. При этом в воду не вносятся посторонние примеси и не образуются вредные для человека соединения.
Механизм бактерицидного действия озона объясняется его влиянием на обмен веществ в живой клетке, при котором нарушается равновесие превращения активной сульфидной группы в неактивную группу. Установлено, что озон универсально разрушает микроорганизмы в воде. Это можно объяснить способом действия озона. В отличие от обычно употребляемого хлора, озон не дает обратного замедляющего эффекта на внутриклеточные ферменты. Из-за высокой окислительной способности озон действует как окислитель на стенку-мембрану клетки вплоть до проникновения внутрь микроорганизма и окисления определенных важных компонентов (протеинов, ферментов, ДНК, РНК). Когда большая часть мембраны разрушена, клетка погибает. При озонировании продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и водорослей происходит практически полное удаление запахов и привкусов в широком диапазоне кислотности, температуры и ионного состава воды.
Интересным вариантом использования озонирования является его применение при производстве бутилированной воды. Вводя в воду непосредственно перед розливом избыточное количество озона, добиваются того, что после закупорки бутылей выделяющийся из воды озон стерилизует их верхнюю часть и пробку. Затем озон медленно разлагается, насыщая воду кислородом, что придает ей родниковый вкус.
Используется озон и для "холодной стерилизации" емкостей, трубопроводов и бутылок. Для этого их обрабатывают водой с растворенным значительным избытком озона.
По современной технологии производство озона осуществляется на месте применения на специальных установках - озоногенераторах. Озон образуется при высокочастотном коронном разряде в потоке осушенного воздуха. Для растворения озона в воде используются методы барботажа и эжекции.
В крупных промышленных установках наиболее часто используется барботаж озоно-воздушной смеси через очищаемую воду. Очень сложной технической проблемой является обеспечение одинакового времени контакта пузырьков с водой. Для этого необходимо создание равномерных пузырьков, а также их введение по всему объему воды.
В установках относительно небольшой производительности наиболее распространен и достаточно эффективен метод эжекции. Очищаемая вода проходит через эжектор, создает в нем разрежение, при котором в воду засасывается необходимое количество озона. Интенсивное перемешивание в эжекторе диспергирует озон на мельчайшие пузырьки с огромной поверхностью контакта. Поэтому скорость растворения велика. Кроме того, разрежение на линии после озоногенератора гарантирует безопасность от попадания озона в воздух рабочих помещений.
После растворения озона необходимо обеспечить определенное время его контакта с водой для осуществления химических реакций окисления и удаления из воды избыточного количества воздуха и озона. Для этого устанавливают контактно-сепарационный аппарат, из которого вода направляется на угольный фильтр для доочистки от органики и деструкции озона.
Совместить эффективное растворение озона и заданную длительность его контактирования с водой позволяют пульсационные колонны со специальными распределительными тарелками. Озоно-воздушная смесь вводится в нижнюю часть колонны; возвратно-поступательное движение воды, создаваемое специальным пульсатором, и распределительные тарелки обеспечивают ее диспергацию до пузырьков заданных оптимальных размеров, которые поднимаются противотоком к двигающемуся вниз потоку воды. Этим достигается высокая степень использования озона при большой удельной производительности аппарата.
При любом методе подачи озона он полностью никогда не растворяется и удаляется с отходящими из адсорбера газами. Допустимое содержание озона в воздухе составляет 0,2 мг/м3. Поэтому этот озон должен быть деструктирован. Для этого используются каталитический и термический методы.
Из других реагентных методов обеззараживания в производстве бутилированной воды используется серебрение и йодирование, но, в виду того, что концентрации серебра и йода в питьевой воде жестко ограничены, они используются не как основные дезинфектанты, а для, например, восполнения недостатка соединений йода в организме. Однако дополнительный эффект дезинфекции при их дозировании также проявляется. [10]
Дезинфекция воды ультразвуковым облучением имеет большие перспективы, т.к при этом возможны синэргетические бактерицидные эффекты кавитации, мгновенного повышения давления до тысяч атмосфер и локального мгновенного образования паровой фазы. Однако, несмотря на многолетние исследования до сих пор нет серийных сертифицированных установок, в которых воплощена данная технология.