Для чего нужны улучшенные окислительные технологии. Бытовые сточные воды хорошо очищаются биологическими методами и фильтрацией. Эти методы давно разработаны и являются основными технологиями, применяемыми на всех городских очистных сооружениях. Однако промышленные сточные воды содержат много ядовитых веществ, которые могут отравлять бактерии на городских очистных сооружениях, поэтому такие воды требуют предварительной очистки перед сбросом их в городскую канализационную сеть. Ряд предприятий сбрасывают свои воды непосредственно в открытые водоемы. Биологические методы не позволяют очистить высококонцентрированные и ядовитые воды до уровня ПДК (предельно допустимой концентрации), поэтому для их доочистки необходимо применять дополнительные методы. На предприятиях, где объем сточных вод порядка 10 м³ в сутки, не выгодно строить громоздкие биологические очистные сооружения. Там будет удобнее применять более энергоемкие, но компактные установки, так как при малом объеме сточных вод абсолютная величина потребляемой энергии будет не слишком велика. Есть случаи, когда компактность является основным требованием, например, очистные сооружения на кораблях или в морских портах.

Приготовление воды, пригодной для питья, является актуальным в аварийных ситуациях, когда вся местная вода может оказаться зараженной и необходимо срочно организовать очистку воды на месте, потому что наладить доставку требуемого количества воды либо очень дорого, либо вообще невозможно. В районах, где имеется много соленой воды, на первый план выходит задача очистки воды от избытка солей (обессоливание).

Водопроводная вода в ряде регионов России никак не может быть использована для питья. Автор на себе испытал водопроводную воду города Пермь, вовремя понял ее особенности, перестал ее пить и поэтому остался в силах писать эти строки. Многие из фильтров, выпускаемых для очистки питьевой воды, задерживают соли, однако пропускают хорошо растворимые в воде яды. Использование водопроводной воды для питья в курятниках может приводить к массовой гибели птиц. По документам ГорСЭС водопроводная вода всегда пригодна для питья. Людям это еще как-то можно объяснить. Но куры - глупые, они этого не понимают и по-простому дохнут.

Таким образом, самые дешевые способы очистки воды - биохимическая очистка и фильтрация - не могут обеспечить всех задач очистки и подготовки к использованию воды. Для решения указанных выше задач могут быть использованы улучшенные окислительные технологии. Эти технологии основаны на генерировании химически активных частиц: озона и радикалов ОН. Эти частицы могут вырабатываться в отдельных установках, либо образовываться при воздействии на воду ионизирующего излучения высокой энергии, УФ-излучения, электрического разряда. Активные частицы могут образовываться также в химических реакциях. Генерируемые химически активные частицы являются высоко реакционноспособными, однако для их выработки необходимо затрачивать энергию, то есть улучшенные окислительные технологии являются более эффективными, но и более дорогостоящими в эксплуатации.

Характеристика улучшенных окислительных технологий. Наиболее распространенной и широко известной улучшенной окислительной технологией является озонирование. Озон генерируется в барьерном электрическом разряде, происходящем между твердым диэлектриком и металлическим электродом под действием переменного электрического поля частотой несколько килогерц. Сейчас изготавливаются мощные высокопроизводительные озонаторы, в которых на выработку 1 кг озона расходуется около 10 кВт.ч электроэнергии, вводимой в электрический разряд. Окислительный потенциал озона таков, что он является селективным окислителем. Есть много соединений, с которыми он практически не взаимодействует. Продуктом реакций с озоном могут быть озониды, относящиеся к веществам, опасным для здоровья человека.

Существенно более высокий окислительный потенциал имеют радикалы ОН. Поэтому они оказываются фактически универсальным окислителем, для многих веществ константа скорости реакции с радикалами ОН по крайней мере в миллион раз больше, чем с озоном. Однако есть вещества, которые имеют более высокий окислительный потенциал, чем радикалы ОН, например, фторопласт. Такие вещества не окисляются радикалами ОН.

Радикалы ОН могут образовываться в следующих процессах:
При взаимодействии озона с перекисью водорода
                        Н₂О₂ + 2О₃  = 2ОН + 3О₂
При облучении озона ультрафиолетовым излучением в присутствии воды
                        Н₂О + О₃ + (УФ-излучение) = 2ОН + О₂
При воздействии УФ-излучения на перекись водорода
                        2Н₂О₂ + 2(УФ-фотон) = 2ОН + Н₂О₂
В реакции Фентона
                        Н₂О₂ + Fe²⁺ = Fe³⁺ + ОН + ОН^-
Под действием ионизирующего излучения высокой энергии на воду в числе прочих активных частиц
     Н₂О + (ионизир. излучение) = ОН, Н₂О₂, О, Н, Н₂, гидратированный электрон
Под действием электрического разряда в числе прочих продуктов
                    Н₂О + (электрич. разряд) = О₃, О, ОН, НО₂, Н₂О₂

Электический разряд в окислительных технологиях. Существуют различные виды электрических разрядов, в которых возможно генерирование радикалов ОН. В первую очередь это барьерный электрический разряд, который используется для производства озона. В присутствии паров воды он может генерировать радикалы ОН. Известен электролиз в тлеющем разряде, который исследовался на протяжении нескольких десятков лет. Исследователей привлекал необычный ход химических превращений, обусловленный действием радикалов ОН, а также то, что выход реакций в несколько раз превышал фарадеевский (при фарадеевском выходе один акт реакции происходит на один прошедший в цепи электрон). Однако превышение выхода над фарадеевским было недостаточно большим, чтобы процесс нашел практическое применение. Стримерный коронный электрический разряд также может генерировать радикалы ОН. Он нащел применение для очистки газовых выбросов.

Особо следует выделить маломощный вспышечный коронный электрический разряд, характеризующийся тем, что плотность генерируемых активных частиц мала, много меньше, чем во всех перечисленных выше разрядах. При большой плотности активных частиц они взаимодействуют в первую очередь между собой, что приводит к их бесполезной гибели. При вспышечном коронном электрическом разряде, когда плотность частиц мала, они взаимодействуют в первую очередь с примесями воды. Поэтому выход реакций под действием этого вида разряда достигает 200 актов реакции на один прошедший в цепи электрон. Импульсный характер вспышечного разряда обеспечивает перемешивание слоя воды в процессе реакции на глубину не менее 2 см. Эти особенности вспышечного коронного разряда легли в основу нового направления - безэлектродных электрохимических реакций. В процессе безэлектродной электрохимической реакции происходит окисление веществ, растворенных в воде. Органические соединения разлагаются до углекислого газа и воды.

Сравнение улучшенных окислительных технологий. Сравнительные характеристики упомянутых здесь процессов приведены в таблице. Из процессов под действием электрического разряда в таблицу включены озонирование и безэлектродные электрохимические реакции.

Из таблицы видно, что все процессы генерации активных частиц имеют с учетом КПД установок примерно одинаковую энергетическую эффективность. Нужно отметить, что электрический разряд постоянного тока (безэлектродные электрохимические реакции) имеет хорошие перспективы практического использования, так как коэффициент преобразования энергии из сети в энергию электрического разряда близок к единице. К тому же высоковольтные выпрямители, необходимые для его реализации, являются простыми и относительно дешевыми электротехническими устройствами.

Новая возможность применения электрического разряда. Под действием электрического разряда в воде может происходить не только окисление примесей, но и расслоение воды на области, где концентрируются растворенные в ней вещества, и области, где этих веществ будет намного меньше, хотя сами эти вещества не расходуются и их средняя концентрация будет неизменной. Это явление может служить основой для обессоливания воды на конечном этапе очистки в замкнутой системе водообеспечения. Это же явление может быть использовано для обессоливания морской воды.

Расслоение воды на потоки с разной концентрацией растворенных в ней солей может решить задачу извлечения из воды азотсодержащих соединений, так как в этом случае можно получить концентрированный раствор нитратов и затем извлечь их из раствора в виде азотных удобрений.

Заключение. Разные приемы, методы очистки воды имеют свои особенности, причем ни одна из технологий (если учитывать как технические, так и экономические аспекты) не может решить в полном объеме всех задач очистки и подготовки воды к использованию. Однако их комбинированное применение позволит создать новые высоко эффективные технологии. Затраты, направляемые на экологию, могут дать прямой экономический эффект, если сточные воды после очистки повторно использовать для производственных целей.