Ozón je přírodní plyn, laické veřejnosti známý především v souvislosti se široce publikovaným problémem úbytku ozónové vrstvy ve stratosféře. Problematika tzv. ozónové díry vyvolala celou řadu výzkumů, a za interpretaci vzniku a rozkladu ozónu v atmosféře byla chemikům Paulu J. Crutzenovi, Mariu J. Molinovi a F. Sherwood Rowlandovi udělena Nobelova cena za chemii. Odborné veřejnosti je pak ozón znám také jako silné oxidační a desinfekční činidlo se širokým spektrem praktického využití v různých oborech, jako jsou vodní hospodářství, potravinářský průmysl, medicína, atd.

Marek Coufal

Ozón

Ozón (někdy ve starší literatuře nazýván také trikyslík) je alotropickou modifikací kyslíku s tříatomovými molekulami. Za normálních podmínek je ozón mírně namodralý nestálý plyn, který se snadno rozkládá, přičemž uvolňuje atomový kyslík. Ozón absorbuje ultrafialové záření a jeho přítomnost v horních vrstvách atmosféry chrání povrch Země před ultrafialovým zářením ze Slunce. Ozon patří mezi látky vysoce toxické. Je velmi nestabilní a není možné ho skladovat, proto se pro technické účely vyrábí přímo na místě použití. Molekula O3 je lomená s vazebným úhlem 116,8±0,5°. Meziatomová vzdálenost mezi centrálním atomem O a každým ze dvou krajních atomů O je 127,8 ±0,3 pm. Ozón je obecně po fluoru druhým nejsilnějším oxidačním činidlem a nejsilnějším oxidačním činidlem využívaným pro vodárenské účely (mimo hydroxylové radikály využívané při pokročilých oxidačních procesech).

Objev ozónu

Vůně ozónu doprovázející bouřky byla lidem známa po staletí, její původ však nebyl lidmi pochopen až do první poloviny 19. století. V roce 1785 prováděl nizozemský vědec Martinus van Marum pokusy s elektrostatickou elektřinou. Při těchto pokusech s elektrostatickou elektřinou na jím sestrojených strojích si všiml vznikajícího intenzivního zápachu, nedokázal však rozpoznat, že zápach způsobuje jedinečná modifikace kyslíku. Zápach vznikající kolem elektrických strojů přisuzoval elektřině a začal ho proto nazývat „elektrická vůně". Existenci ozónu prokázal až v roce 1840 německý profesor chemie na univerzitě v Basileji Christian Friedrich Schönbein. Podle charakteristického intenzivního zápachu, kterým se tento plyn vyznačuje již v nepatrných koncentracích, byl pak ozón Schönbeinem v jeho knize „Erzeugung des Ozons auf chemischem Wege" také pojmenován. Základem pojmenování se stalo řecké slovo ozein, které se překládá jako čichati, páchnouti. Schönbein považoval ozón za nový prvek; to, že je ozón alotropickou modifikací kyslíku bylo upřesněno až později. Schönbein také popsal toxicitu ozónu, když zmínil, že cca 2 mg ozónu usmrtí velkého králíka. Ačkoliv myšlenku, že ozón je pouhou modifikací kyslíku, naznačili již v roce 1845 Auguste de la Rive a Jean Charles de Marignac, byla tato myšlenka definitivně prokázána až v roce 1856 Thomasem Andrewsem. V roce 1857 sestrojil Werner von Siemens první generátor ozónu, který se skládal zde dvou koaxiálních skleněných trubic, kde v úzkém prostoru mezi trubicemi byl proud vzduchu vystavován elektrickému výboji. Tento princip výroby ozónu byl později nazván principem tichého elektrického výboje. Sestrojení generátoru ozónu a s ním spojené možnosti výroby ozónu ve větším množství logicky vyvolalo další výzkumy možného využití vyrobeného plynu. Tyto výzkumy postupem času přinesly praktické aplikace využití ozónu – usmrcování mikroorganismů (1873), urychlení zrání likérů (1890), dezinfekce pitné vody (1893), konzervace potravin (1909), nebo zlepšení kvality vzduchu v budovách (1912).

Historie využití ozónu při úpravě vody

Obr. 1 Kolona ozonizátorů Siemens-Halske pro úpravu vody na počátku 20. století (Vosmaer, 1916)
Obr. 1 Kolona ozonizátorů Siemens-Halske pro úpravu vody na počátku 20. století (Vosmaer, 1916)

Ozón je silné oxidační činidlo využívané při úpravě pitné vody poměrně dlouhou dobu. Historicky lze využití ozónu ve vodním hospodářství datovat do roku 1886, kdy De Meritens rozeznal schopnost ozónu desinfikovat znečištěnou vodu. O několik let později německá firma Siemens-Halske zkonstruovala v německém Martinikenfelde pokusnou ozonizační sestavu. Ověření, že ozón je účinný proti bakteriím, včetně původců cholery a tyfu, dalo podnět k dalšímu rozvoji technologie. V roce 1893 byla v nizozemském Oudshoornu navržena a realizována první úpravna vody využívající aplikaci ozónu pro desinfekci pitné vody. V letech 1902 a 1903 byly ozonizace dále instalovány do technologických linek úpraven vod v Paderbornu a Wiesbadeunu v Německu.

Obr. 2 Dobové schéma ozonizační jednotky pro úpravu vody (Rosenau, 1917)
Obr. 2 Dobové schéma ozonizační jednotky pro úpravu vody (Rosenau, 1917)

Prvním velkým městem, pro které byla voda upravována s pomocí ozonizace, bylo Nice ve Francii. Skupina francouzských odborníků prostudovala úpravnu vody Oudshoornu a na základě získaných zkušeností byla navržena a v roce 1906 uvedena do provozu nová úpravna vody Bon Voyage s výkonem 22 500 m3 upravené vody za den, která ve své technologické lince zahrnovala i ozonizaci zajišťující desinfekci vody. Díky tomu je město Nice často označováno za kolébku ozonizace v úpravnictví pitné vody. Úpravna vody Bon Voyage byla v provozu až do začátku sedmdesátých let dvacátého století, kdy byla nahrazena novou úpravnou vody Super Rimiez. Úpravny vody s ozonizací byly následně budovány v několika evropských zemích. V roce 1916 již bylo v Evropě nejméně 49 úpraven vody využívajících proces ozonizace. Některé publikace uvádí, že počátkem 20. století, před nástupem průmyslové výroby chloru, byla ozonizační metoda nejrozšířenější metodou desinfekce pitné vody. Na území současné České republiky byla technologie ozonizace pro úpravu pitné vody poprvé využita pravděpodobně v r. 1914 na úpravně vody poblíž vodního díla Janov (tehdy nazývaného Hamerská přehrada) na Mostecku, kde byla ozonizace nainstalována za účelem desinfekce vody.

Obr. 3 Nákres věže pro desinfekci vody pomocí ozónu – počátek 20. století (Vosmaer, 1916)
Obr. 3 Nákres věže pro desinfekci vody pomocí ozónu – počátek 20. století (Vosmaer, 1916)

V důsledku válečných událostí v Evropě mezi lety 1914-1918 začal výzkum využití ozónu ve vodním hospodářství upadat. Výzkumné kapacity byly částečně obráceny k vývoji výroby a využití chloru, který ve válečných letech mimo jiné našel výrazné uplatnění na bojištích v podobě chemických zbraní. Ačkoliv se ozonizace např. ve Francii prosazovala ve vodním hospodářství i po 1. světové válce, v ostatních zemích využívání ozonizační metody v technologických linkách úpraven vod postupně sláblo. Částečně to bylo připisováno trendu nahrazování povrchových zdrojů vody zdroji podzemními, které mají obecně vyšší kvalitu vody; částečně pak komerčnímu prosazení technologií úpravy vod využívajících chlór. Technologie využívající chlór se prosadily zejména z ekonomických důvodů díky nízké výrobní ceně chlóru (chlór vzniká jako vedlejší produkt výroby hydroxidu sodného, který byl na začátku 20. stolení masivně využíván v průmyslu). Dalšími důvody pak byly nízké ceny dávkovacích zařízení chlóru a možnosti předzásobení s uskladněním vyrobeného plynu.

Do roku 1940 přesto stoupl počet úpraven vody využívající ve svých technologických linkách proces ozonizace na 119; v roce 1977 pak bylo v Evropě nejméně 1043 úpraven vody s ozonizací zařazenou do procesu úpravy vody. Zajímavostí je, že ve Spojených státech amerických byla v roce 1940 jediná úpravna vody s kontinuální ozonizací s tím, že další úpravna využívající ve své technologické lince ozonizaci byla uvedena do provozu až v roce 1973. V osmdesátých letech dvacátého století pak ve Spojených státech bylo stále méně než 10 úpraven vody využívajících ozón pro úpravu vody. Následné postupné rozšiřování využití ozonizace v technologických linkách úpraven vod v USA bylo částečně způsobeno jednak zdokonalováním generátorů ozónu a technologií vnosu plynu do vody, a dále pak také změnami v legislativě týkající se pitné vody v důsledku obav z vedlejších produktů užívaných desinfekčních činidel na bázi chlóru. Odhaduje se,  že v současné době je na světě přes 3000 instalací ozónu v technologických linkách úpraven vod, z toho cca 1500 v Evropě a přes 300 instalací ve Spojených státech amerických. Dle dostupných informací je největší systém pro generaci ozónu pro úpravu pitné vody na světě nainstalován ve Spojených státech amerických. Pět středně frekvenčních generátorů ozónu na Alfred Merit Smith Water Treatment Plant (Las Vegas, Nevada) produkuje denně 20 000 liber ozónu (cca 9 072 kg; tj. 375 kg.h-1). V České republice je největší ozonizační systém pro úpravu pitné vody v úpravně vody Želivka, kde jsou jako postozonizace nainstalovány dva ozonizátory WEDECO PDO 1000 s celkovým výkonem 32 kg.h-1.

Obr. 4 Věž pro desinfekci vody pomocí ozónu – počátek 20. století (Vosmaer, 1916)
Obr. 4 Věž pro desinfekci vody pomocí ozónu – počátek 20. století (Vosmaer, 1916)

V počátcích využití ozonizace pro úpravu pitné vody byla tato metoda využívána pouze pro desinfekci vody, zejména díky její vysoké okamžité účinnosti ozónu. Uvádí se, že v laboratorních podmínkách je inaktivace bakterií 600 až 3000 krát rychlejší při využití ozónu jako desinfekčního činidla, než při využití chlóru s tím, že účinnost metody ozonizace není při tomto využití závislá na pH vody, jako při využití chlorace. Při využívání ozonizace pro desinfekci vody bylo pozorováno i zlepšení chutě a zápachu upravované vody. Většina instalací ozonizací od začátku objevu metody až do padesátých let dvacátého století byla proto využívána pro desinfekci a zlepšení chutě a zápachu vody. Koncem padesátých a v šedesátých letech dvacátého století došlo postupnému rozšiřování dalších aplikací využití ozónu pro úpravu pitné vody. Ačkoliv schopnost ozónu oxidovat železo a mangan byla v odborné literatuře popisována po relativně dlouhou dobu (např. A. Vosmaer, Ozone: Its Manufacture, Properties And Uses, 1916; v české odborné literatuře např. Červený et al., Technický průvodce pro inženýry a stavitele: Stavitelství vodní, II. část – vodárenství, 1923), k praktickému využití ozónu pro oxidaci těchto kovů došlo až mnohem později. Jako první instalace ozonizace pro oxidaci železa a manganu se v literatuře uvádí rok 1957 na úpravně vody v německém Düsseldorfu; jako další využití této aplikace ozónu se uvádí Sitterdor, Švýcarsko (1963), Mondjean, Francie (1967) a Rouen-la-Chapelle, Francie (1974). Přibližně ve stejném období byly na několika Skotských a Irských úpravnách vod (voda ze skotských a irských výšin se typicky vyznačuje vysokými hodnotami barvy a nízkými hodnotami zákalu) instalovány ozonizační jednotky pro úpravu barvy vody. V polovině šedesátých let dvacátého století byl také poprvé pozorován koagulační efekt ozónu.

Obr. 5 ÚV Plzeň - původní vzduchový generátor ozónu TRAILIGAZ z počátku 90. let (foto: Jiří Beneš)
Obr. 5 ÚV Plzeň - původní vzduchový generátor ozónu TRAILIGAZ z počátku 90. let (foto: Jiří Beneš)

K rozšíření ozonizační metody do technologických linek úpraven vod přispěl mimo jiné také objev chloroformu a dalších trihalogenmetanů v pitných vodách upravovaných chlórem v sedmdesátých letech 20. století. Přibližně ve stejné době pak bylo zjištěno, že výskyt chloroformu ve vodě úzce souvisí se zvýšeným výskytem nádorů na ledvinách a játrech laboratorních zvířat. V různých epidemiologických studiích se začaly objevovat náznaky souvislostí mezi konzumací pitné vody s obsahem THM a rakovinou konečníku, tlustého střeva a močového měchýře. Tato fakta vyvolala nutnost opatření k zamezení tvorby těchto vedlejších produktů při úpravě vod. Využití metody ozonizace jako náhrada některých úpravárenských procesů využívajících chlor logicky bylo jedním z nabízejících se řešení.

Současné využití ozónu v technologických linkách úpraven vod

Obr. 6 ÚV Plzeň - nové kyslíkové generátory ozónu WEDECO SMO 660 (foto: Jiří Beneš)
Obr. 6 ÚV Plzeň - nové kyslíkové generátory ozónu WEDECO SMO 660 (foto: Jiří Beneš)

Postupem času si ozonizátory získaly pevné místo v oboru úpravy pitné vody se širokou škálou možného využití. Základním využitím metody ozonizace zůstává desinfekce pitné vody s cílem usmrcení nebo inaktivace choroboplodných zárodků, jako jsou viry nebo bakterie. Při desinfekci vody ozónem lze úspěšně eliminovat také parazitické prvoky jako Giardia a Cryptosporidium, které jinak vykazují vysokou odolnost proti běžně používaným dávkám chlóru nebo oxidu chloričitého. Ozonizace se využívá také ke zlepšení senzorických vlastností vody. Dalšími možnostmi využití metody ozonizace jsou také oxidace železa a manganu v upravovaných vodách a odstranění mikroznečištění (tzn. specifického znečištění vody způsobeného mikropolutanty jako jsou zbytky léčiv a prostředků osobní péče, pesticidy, herbicidy atd.).

Obr. 7 ÚV Kroměříž -generátory ozónu WEDECO SMO 200
Obr. 7 ÚV Kroměříž -generátory ozónu WEDECO SMO 200

Ozonizace je využívána také jako součást tzv. pokročilých oxidačních procesů (v literatuře označovaných jako AOP -  advanced oxidation processes). Pokročilé oxidační procesy pracují na principu neselektivní oxidace zprostředkované hydroxylovými radikály, jejichž vznik je založen na synergickém působení ozonu a UV záření nebo peroxidu vodíku. Ve srovnání s dalšími známými oxidačními postupy patří OH radikálové reakce mezi extrémně rychlé. Při úpravě pitné vody si pokročilé oxidační procesy získaly své místo např. při odstraňování mikropolutantů, jako jsou zbytky léčiv, pesticidy, herbicidy atd.

Závěrem

 

Obr. 8 ÚV Kroměříž - reakční nádrž směšování ozónu s vodou
Obr. 8 ÚV Kroměříž - reakční nádrž směšování ozónu s vodou

Ozón je pro své výjimečně silné oxidační a dezinfekční schopnosti využíván v mnoha odvětvích lidské činnosti. Neustálý technický vývoj generátorů ozonu vede díky menším prostorovým nárokům a větší efektivitě produkce ozonu k nižším jak investičním, tak provozním nákladům, a i proto nachází ozonizace stále větší uplatnění při úpravě pitné vody i čištění vod odpadních.

Literatura

[1] GREENWOOD, N.N., EARNSHAW, A. Chemistry of the Elements. Second edition. Oxford: Reed Educational and Professional Publishing Ltd, 1998, ISBN 0 7606 3365 4

[2] RUBIN, M. The History of Ozone: The Schönbein Period 1839-1868. In: Bulletin of the History of Chemistry. History of Chemistry Division of the American Chemical Society, 2001, roč. 26, č. 1, s. 40-56. ISSN 1053-4385

[3] Clemens von SONNTAG a Urs von GUNTEN. Chemistry of Ozone in Water and Wastewater treatment: from basic principles to applications. London: IWA Pub, 2012. ISBN 9781843393139

[4] GOTTSCHALK, C, J LIBRA a A SAUPE. Ozonation of Water and Wastewater: a Practical Guide to Understanding Ozone and its Applications. 2nd completely rev. and updated ed. Weinheim: Wiley-VCH, c2010, xv, 362 p. ISBN 35-273-1962-X.

[5] KOTAR, S a J GESSLER. Cholera: a Worldwide History. Jefferson, North Carolina: McFarland & Company, Inc., Publishers, 2014, ISBN 9780786472420

[6] KUHN, W., SONTHEIMER, H. (1979) Oxidation Techniques in Drinking Water Treatment. Karlsruhe: University of Karlsruhe

[7] RICE, R. G., BROWNING, E. M. (1980) Ozone for Industrial Water and Wastewater, A Literature Survey. Ada: U. S. Environmental Protection Agency

[8] VOSMAER, Alexander. Ozone: Its Manufacture, Properties And Uses. New York: D. van Nostrand Company, 1916

[9] ROSENAU, Milton. Preventive Medicine and Hygiene. New York: D. Appleton Company, 1917

[10] LANGLAIS, B, RECKHOW, D., a BRINK, D. R. (1991) Ozone in water treatment: application and engineering : cooperative research report. Chelsea, Mich.: Lewis Publishers, ISBN 08-737-1474-1

[11] FAWELL, JOHN K., Drinking Water Quality and Health. In: Pollution: causes, effects and control. 5th edition., The Royal Society of Chemistry, 2014. ISBN 9781849736480.

[12] International Programme on Chemical Safety. Disinfectants and Disinfectant By-products. Environmental Health Criteria, WORLD HEALTH ORGANIZATION, Geneva 2000. ISBN 92 4 157216 7

[13] Drinking Water, Ozone and Other Oxidants. Carollo Engineers [online]. Beachwood, OH, USA

[14] Time Line of Ozone Generator Use in Drinking Water. Spartan Environmental Technologies [online]. Beachwood, OH, USA

[15] DŘÍMAL, J. Ozon v moderních technologiích úpravy pitné vody. Státní zdravotní ústav. 1999

Autor

Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.

Recenze

Článek byl recenzován. Recenze jsou uloženy v redakci.

Bibliografická citace

Coufal, M. Využití ozónu při úpravě vody. Vodovod.info - vodárenský informační portál[online]. 3.1.2017, 01/2017, [cit. 2017-01-03]. Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.

English summary

Ozone is a natural gas known to the members of public especially in connection with widely published problem of ozone depletion in the stratosphere. The issue of so-called “ozone hole” prompted numerous investigations into the topic. Eventually, Nobel prize in chemistry was awarded jointly to Paul J. Crutzen, Mario J. Molina and F. Sherwood Rowland for their work concerning the formation and decomposition of ozone in atmosphere. Professional public recognize ozone also as a powerful oxidizing agent and disinfectant with wide range of applications in various fields, such as water management, food processing, medicine, etc. The contribution deals with use of ozone for water treatment in history as well as in present time.