1. Grundläggande kunskap om ozon
Ozon, med molekylformeln O3, är en allotrop av syre (O2). En ozonmolekyl består av tre syreatomer, varav en är ansluten till de andra två med en enkelbindning. Ozon hyllas som en "grön kemikalie", en stark oxidant med fyra huvudfunktioner: sterilisering, avfärgning, oxidation och deodorisering. Det har också fördelar som inga rester och ingen sekundär förorening, vilket gör det till en miljövänlig grön industriell råvara.
Ozon har extremt stark oxiderande kraft, med en redoxpotential på 2,07 mV. Ozon oxiderar organiskt material på två sätt: för det första oxiderar ozonmolekyler selektivt organiskt material direkt, dvs direkt oxidation, men reaktionshastigheten är relativt långsam; för det andra oxiderar den snabbt organiskt material icke-selektivt genom hydroxylradikaler (·OH) som genereras av dess egen nedbrytning, dvs indirekt oxidation. I faktiska vattenbehandlingsreaktioner är effektiviteten hos ozon för att avlägsna organiskt material superpositionen av direkt och indirekt oxidation, och i vilken utsträckning dessa två reaktioner fortskrider beror på olika reaktionsförhållanden. Indirekt oxidation är också känd som avancerad oxidationsteknik.
2. Ozonberedning
Ozon kan framställas med olika metoder. Inom vattenbehandlingsområdet används vanligen hög-tyst urladdning. Råvarorna för ozonproduktion är främst luft eller syre. När luft används som gaskälla är ozonhalten endast cirka 1 %, medan när syre används kan ozonkoncentrationen nå 10 % (i vikt) eller högre.
3. Avancerad ozonoxidationsteknik
Enstaka ozonoxidationsteknik har betydande begränsningar: enstaka ozon kan inte oxidera vissa motsträviga organiska föreningar, såsom kloroform; enkel ozonoxidation kan inte helt bryta ner organiskt material till koldioxid och vatten, och det är svårt att uppnå hög COD-avlägsnande effektivitet. Avancerad ozonoxidationsteknologi, även känd som djupoxidationsteknologi, kännetecknas av genereringen av högoxiderande hydroxylradikaler (·OH) (redoxpotentialen för hydroxylradikaler (·OH) är 2,80V, näst efter fluor). Under reaktionsförhållanden som hög temperatur, högt tryck, elektricitet, ljud, ljusbestrålning och katalysatorer, oxiderar den stora, motsträviga organiska molekyler till låg-toxicitet eller icke-toxiska små molekyler.
1) Fotokatalytisk ozonoxidationsteknik
Fotokatalytisk ozonoxidation använder inte ozon för att direkt reagera med organiskt material. Istället använder den den aktiva sekundära oxidanten (·OH) som genereras av nedbrytningen av ozon under ultraviolett ljus för att oxidera organiskt material. Enbart reaktionen mellan ozon och organiskt material är selektiv och kan inte helt bryta ner organiskt material till koldioxid och vatten. För att förbättra ozonets oxidationshastighet och effektivitet måste andra åtgärder vidtas för att främja nedbrytningen av ozon för att generera aktiv ·OH.
2) Homogen katalytisk ozonoxidationsteknik
Katalysatorerna som används vid homogen katalytisk ozonering är i allmänhet övergångsmetaller, såsom Fe(II), Mn(II), Ni(II), Co(II), Cd(II), Cu(II), Ag(I), Cr(III) och Zn(II). Exakt (mikro-dos, ppb-nivå) tillsats av ozon-katalyserande joner till avloppsvatten uppnås genom effektkontroll, vilket fullbordar den avancerade oxidationsreaktionen som genererar hydroxylradikaler för att avlägsna motsträviga organiska föroreningar från avloppsvattnet.
3) Heterogen katalytisk ozonoxidationsteknik
Denna teknik använder vanligtvis en fast oxidantbärare (ofta sammansatt av aluminiumoxid eller syntetisk zeolit). Under inverkan av en katalysator sönderdelas ozon och genererar starkt oxiderande hydroxylradikaler (·OH), varigenom organiska föroreningar i vattnet bryts ned.
4. Faktisk tillämpning
Det kommunala reningsverket är utformat för att hantera 100 000 ton/dygn, men dess faktiska reningskapacitet är 90 000 ton/dygn. För att möta COD-utsläppsstandarder (mindre än eller lika med 40mg/L) används homogen katalytisk ozonoxidationsteknik, med tre ozongeneratorer (var och en med en kapacitet på 42kg/h, två i drift och en i standby). Processflödet är som följer: ozongenerator → genererar ozongas → transporterar den genom rörledningar till jetpumpens inlopp → löser sig i avloppsvattnet via jetinjektion → genererar ·OH under inverkan av en homogen katalysator → fullbordar oxidationsreaktionen i den katalytiska ozonoxidationstanken.
1) COD-nedbrytnings- och avfärgningsprestanda
Reningskapacitet för avloppsvatten: 90 000 ton/dag. För närvarande är en ozongenerator i drift, inställd på 40 kg/h, med en faktisk produktionshastighet på 34 kg/h (ozonflöde x ozonkoncentration). Ozondosen är 9,1 mg/L. Detta minskar COD från 45 till 30 mg/L och färg från 40 till 5, vilket uppnår avloppsöverensstämmelse med "Major Water Pollutant Discharge Standard for Urban Wastewater Treatment Plants" (DB33/2169-2018).
2) Strömförbrukning
Även om ozon är känt för sina gröna och miljövänliga egenskaper, är den höga energiförbrukningen och driftskostnaderna förknippade med dess produktion obestridliga. När luft används som gaskälla är strömförbrukningen cirka 20 kWh/kg ozon; vid användning av syre som gaskälla är strömförbrukningen cirka 10 kWh/kg ozon. Baserat på faktisk drift på-platsen är strömförbrukningen 13 kWh/kg ozon på sommaren och 11 kWh/kg ozon på vintern. På grund av de höga utomhustemperaturerna på sommaren behövs en kylare för att kyla ozongeneratorn, medan på vintern är det bara plattvärmeväxlaren som behöver slås på för att säkerställa normal drift.
