способ обеззараживания воды с использованием озона и ионов меди и цинка

Формула изобретения

1. Способ обеззараживания воды, включающий ее обработку озоном и ионами металлов, отличающийся тем, что исходную воду помещают в реактор и через диспергирующие устройства, равномерно расположенные в объеме реактора, в воду вводят водный раствор, содержащий соли меди и цинка при массовом соотношении ионов Cu²⁺:Zn ²⁺, равном 1:1-50, до достижения суммарной концентрации ионов Cu²⁺ и Zn²⁺ 0,5-1,5 мг/л, далее после выдержки в течение 0,1-0,4 ч воду обрабатывают озоном, концентрация которого составляет 0,5-1,0 мг/л.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обеззараживание воды ведут при температуре 5-30°С.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что озон и водный раствор, содержащий соли меди и цинка, вводят через одни и те же диспергирующие устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике комплексной обработки воды окислением с помощью озонирования и ионами тяжелых металлов, в частности меди и цинка. Оно может быть использовано для обеззараживания питьевой воды населенных пунктов, а также для дезинфекции оборотной воды бассейнов, фонтанов и т.п.

Привлекательность озона по сравнению с хлором обусловлена, в первую очередь, его более высокими окислительными свойствами - окислительный потенциал у озона составляет 2,07 В, у хлора - 1,48 В (Л.А.Кульский. Основы химии и технологии воды. Киев: Наукова думка, 1991) и способностью разрушать различные неорганические и органические соединения, а также патогенные микроорганизмы. Осуществление производства озона на самой очистной станции исключает необходимость его подвоза и хранения. Кроме того, при озонировании воды у нее устраняются неприятные вкус и запах, возрастает прозрачность и увеличивается концентрация растворенного кислорода. Разложение остаточного озона протекает с выделением кислорода без образования токсичных соединений. В то же время наряду с перечисленными выше достоинствами озонирование имеет существенный недостаток - вода может подвергаться вторичному бактериальному заражению. Кроме того, отведение озонированной воды в природные водоемы не допускается, поэтому необходимо ждать, когда озон, содержащийся в воде, разложится, на что уходит несколько часов.

В соответствии с вышеизложенным необходимо проводить многостадийную обработку воды. Известно, например, сочетание озонирования воды с введением алюминиевого коагулянта, хлора и аммиака и последующей обработкой активированным углем (Л.А.Кульский. Теоретические основы и технология кондиционирования воды. Киев: Наукова думка, 1983, с.289). Однако указанный метод является сложным, протяженным во времени и требующим значительных затрат на реагенты и эксплуатацию дополнительного оборудования, наконец, экологически опасным, т.к. требует использования хлора и аммиака.

Известен способ обеззараживания воды, предусматривающий ее периодическую обработку диизодецилдиметиламмоний хлоридом и ионами меди, получаемыми при растворении ее солей, с последующим введением окислителя - хлора или озона, и поддержание постоянной концентрации последнего не менее 0,1 мг/л (US 5332511, 1994).

Однако метод был предназначен только для обработки воды в плавательных бассейнах и не пригоден для обеззараживания питьевой воды.

По технической сущности и достигаемому результату наиболее близким аналогом предложенного изобретения является способ обеззараживания воды (RU 2182123, 2002 г.), согласно которому обработку воды ведут в несколько стадий, при этом на первой стадии в воду вводят озон до его концентрации 0,5-1 мг/л, на второй стадии озонированную воду выдерживают в течение 0,2-2 часов, после чего на третьей стадии ее обрабатывают ионами меди при их концентрации 0,05-0,8 мг/л, полученными в результате электролиза воды, проводимого с использованием электролизера, анод и катод которого выполнены из рафинированной меди. К недостаткам данного аналога можно отнести различие в оптимальных температурах проведения первой и третьей стадий (10-20°С - для стадии озонирования и 20-30°С - для стадии электролиза) и необходимость относительно длительной выдержки воды (0,2-2 часа) после озонирования.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, являлось создание эффективного и экологически относительно безопасного способа обеззараживания воды небольшими (не выходящими за пределы установленных ПДК) количествами реагентов, позволяющими при их однократном введении предотвратить возможность вторичного бактериального заражения воды в течение длительного времени (не менее месяца), а также сократить время обработки воды.

Поставленная задача решается тем, что способ обеззараживания воды, включающий ее обработку озоном и ионами металлов, отличается тем, что исходную воду помещают в реактор и через диспергирующие устройства, равномерно расположенные в объеме реактора, в воду вводят водный раствор, содержащий соли меди и цинка при массовом соотношении ионов Cu ²⁺:Zn²⁺ равном 1:1-50, до достижения суммарной концентрации ионов Cu²⁺ и Zn²⁺, равной 0,5-1,5 мг/л, далее после выдержки в течение 0,1-0,4 часа воду обрабатывают озоном, концентрация которого составляет 0,5-1,0 мг/л.

Предпочтительно обеззараживание воды ведут при температуре 5-30°С.

В частном случае озон и водный раствор, содержащий соли меди и цинка, вводят через одни и те же диспергирующие устройства.

Сокращение времени обработки воды при сохранении высокой степени обеззараживания, придание воде способности длительно сопротивляться повторному бактериальному заражению, а также достижение высокой эффективности процесса обусловлено следующими обстоятельствами: 1) ионы меди и цинка, обладая достаточно высокими бактерицидными свойствами, при их сочетании в предложенном оптимальном соотношении дают синергетический бактерицидный эффект (т.е. неадекватное усиление); 2) указанные ионы обладают и бактериостатическими свойствами: вода, обработанная ими, обладает длительной антибактериальной устойчивостью; 3) бактерицидная активность ионов меди и цинка возрастает с ростом температуры, что компенсирует некоторое снижение активности озона при повышении температуры; 4) указанные ионы являются гомогенными катализаторами разложения остаточного озона в воде, в результате чего не требуется выдержка озонированной воды в течение длительного времени - до 2 часов, как того требует прототип; 5) введение в реактор для обеззараживания воды раствора солей меди и цинка через диспергирующие устройства способствует ускорению распределения ионов Cu²⁺ и Zn²⁺ в воде и их воздействия на патогенные микроорганизмы; 6) дополнительным удобством является то, что указанные в подпункте 5) диспергирующие устройства также служат для подачи озона. Вводимые дозы ионов меди и цинка ниже установленных для них ПДК: 1 мг/л и 5 мг/л соответственно (ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая").

Ниже приведены примеры осуществления предложенного способа.

Пример 1 (сравнительный).

Исходная вода (температура 5°С, рН 7,2) содержала санитарно-показательные микроорганизмы Е.coli в количестве 10⁶ кл/л. В нее ввели водный раствор медного купороса CuSO₄·3Н₂О из расчета концентрации 0,05 мг Cu²⁺/л и после перемешивания в течение 0,4 часа обработали озоном дозой 1 мг/л. По истечении 0,5 часа провели определении числа выживших микроорганизмов и содержания остаточного озона в воде. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 2.

Исходную воду (по примеру 1) поместили в реактор и через диспергирующие устройства (трубки, заканчивающиеся воронкообразным расширением, закрытым пористым стеклом с размером пор 0,5-1 мм), равномерно размещенные в его объеме, ввели водный раствор, содержащий медный купорос и сульфат цинка из расчета содержания в обрабатываемой воде 0,2 мг Cu ²⁺/л и 1,0 мг Zn²⁺/л (массовое соотношение Cu ²⁺:Zn²⁺ составляло 1:5). После выдержки в течение 0,4 часа в воду через диспергирующие устройства ввели озон в дозе 0,5 мг/л. По истечении 0,5 часа провели определение числа выживших микроорганизмов и содержания остаточного озона в воде. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 3.

Исходную воду (температура 30°С, рН 7,2) поместили в реактор и через диспергирующие устройства, равномерно размещенные в его объеме, ввели водный раствор, содержащий нитрат меди и хлорид цинка из расчета содержания в обрабатываемой воде 0,5 мг Cu²⁺/л и 0,5 мг Zn²⁺/л (массовое соотношение Cu²⁺:Zn²⁺ составляло 1:1). После выдержки в течение 0,1 часа в воду через диспергирующие устройства ввели озон в дозе 0,9 мг/л. По истечении 0,5 часа провели определение числа выживших микроорганизмов и содержания остаточного озона в воде. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 4.

Исходную воду (содержание Е.coli 10³ кл/л температура 20°С, рН 7,1) поместили в реактор и через диспергирующие устройства, равномерно размещенные в его объеме, ввели водный раствор, содержащий хлорид меди и хлорид цинка из расчета содержания в обрабатываемой воде 0,005 мг Cu²⁺/л и 0,25 мг Zn ²⁺/л (массовое соотношение Cu²⁺:Zn²⁺ составляло 1:50). После выдержки в течение 0,2 часа в воду диспергировали озон в дозе 1 мг/л. По истечении 0,5 часа провели определение числа выживших микроорганизмов и содержания остаточного озона в воде. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 5 (испытание прототипа).

В исходную воду (по примеру 3) ввели озон с концентрацией 1 мг/л (максимальное количество, предусмотренное в способе по патенту RU 2182123), далее выдерживали в течение 1 часа, после чего воду обрабатывали ионами меди при их концентрации 0,8 мг/л (максимальное количество, предусмотренное в способе по патенту RU 2182123), полученными в результате электролиза воды с использованием электролизера, анод и катод которого изготовлены из рафинированной меди. По истечении 0,5 часа провели определение числа выживших микроорганизмов и содержания остаточного озона в воде. Результаты испытаний представлены в таблице.

Как следует из полученных данных, предложенный способ способствуют решению поставленной задачи, как при низких (5°С), так и при более высоких (30°С) температурах. Что касается известного способа, а также способа, использующего предложенный в данном изобретении порядок введения ингредиентов, но без подачи ионов цинка, то они оказались менее эффективными.

Дальнейшие исследования, выполненные с обеззараженной водой по примерам 2-4 и по известному способу 5, в целях установления пределов устойчивости обработанной воды к повторному загрязнению, показали, что через 1 месяц выдержки в воде, обработанной по известному способу, было найдено 30 кл/л санитарно-показательных микроорганизмов, в то время как в любом из вариантов предложенного способа (примеры 2-4) не было обнаружено более 3 кл/л (согласно ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая" вода считается безопасной в санитарно-гигиеническом отношении, если число бактерий Е.coli не превышает 3 в литре).

Таблица.
Пример	Число исходных микроорганизмов, кл/л	Температура воды, °С	Реагенты и стадии обработки воды	Содержание в воде после окончания обработки
				Микроорганизмов, кл/л	Остаточного озона
1	2	3	4	5	6
1	106	5°	0,05 мг Cu 2+/л, 1 мг/л озона	10	0,03
2	10 6	5°	0,2 мг Cu2+/л + 1,0 мг Zn2+ /л, 0,5 мг/л озона	3	не обн.
3	1,2·106	30°	0,5 мг Cu2+/л + 0,5 мг Zn2+/л, 0,9 мг/л озона	не обн.	не обн.
4	103	20°	0,005 мг Cu2+ /л + 0,25 мг Zn2+/л, 1 мг/л озона	3	не обн.
5	106	30°	1 мг/л озона, 0,8 мг Cu 2+/л	10	0,03