1. Базовые знания об озоне
Озон с молекулярной формулой O3 является аллотропом кислорода (O2). Молекула озона состоит из трех атомов кислорода, один из которых соединен с двумя другими одинарной связью. Озон называют «зеленым химикатом», сильным окислителем, выполняющим четыре основные функции: стерилизацию, обесцвечивание, окисление и дезодорацию. Он также имеет такие преимущества, как отсутствие остатков и вторичного загрязнения, что делает его экологически чистым экологически чистым промышленным сырьем.
Озон обладает чрезвычайно сильной окислительной способностью, его окислительно-восстановительный потенциал составляет 2,07 мВ. Озон окисляет органические вещества двумя способами: во-первых, молекулы озона избирательно окисляют органические вещества напрямую, т. е. прямым окислением, но скорость реакции относительно мала; во-вторых, он быстро окисляет органические вещества, не-избирательно за счет гидроксильных радикалов (·OH), образующихся в результате его собственного разложения, т. е. непрямого окисления. В реальных реакциях очистки воды эффективность удаления органических веществ озоном представляет собой суперпозицию прямого и непрямого окисления, и степень протекания этих двух реакций зависит от различных условий реакции. Косвенное окисление также известно как передовая технология окисления.
2. Подготовка озона
Озон можно получить различными методами. В области очистки воды обычно используется высоковольтный бесшумный разряд. Сырьем для производства озона в основном является воздух или кислород. Когда в качестве источника газа используется воздух, содержание озона составляет всего около 1%, тогда как при использовании кислорода концентрация озона может достигать 10% (по массе) или выше.
3. Передовая технология окисления озоном.
Технология однократного окисления озоном имеет существенные ограничения: один озон не может окислять некоторые стойкие органические соединения, такие как хлороформ; однократное окисление озоном не может полностью разложить органические вещества на углекислый газ и воду, и трудно достичь высокой эффективности удаления ХПК. Усовершенствованная технология озонового окисления, также известная как технология глубокого окисления, характеризуется образованием сильно окисляющих гидроксильных радикалов (·OH) (окислительно-восстановительный потенциал гидроксильных радикалов (·OH) составляет 2,80 В, уступая только фтору). В таких условиях реакции, как высокая температура, высокое давление, электричество, звук, световое облучение и катализаторы, он окисляет крупные, неподатливые органические молекулы до малотоксичных или не-малых молекул.
1) Технология фотокаталитического окисления озоном
Фотокаталитическое окисление озоном не использует озон для прямой реакции с органическими веществами. Вместо этого для окисления органических веществ используется активный вторичный окислитель (·OH), образующийся в результате разложения озона под действием ультрафиолетового света. Реакция между озоном и органическим веществом сама по себе является селективной и не может полностью разложить органическое вещество на углекислый газ и воду. Чтобы улучшить скорость окисления и эффективность озона, необходимо принять другие меры, способствующие разложению озона с образованием активного ·OH.
2) Технология гомогенного каталитического озонового окисления
Катализаторы, используемые при гомогенном каталитическом озонировании, обычно представляют собой переходные металлы, такие как Fe(II), Mn(II), Ni(II), Co(II), Cd(II), Cu(II), Ag(I), Cr(III) и Zn(II). Точное (микро-доза, уровень частей на миллиард) ионов, катализирующих озон-, в сточные воды достигается за счет регулирования мощности, завершающего реакцию ускоренного окисления, в результате которой образуются гидроксильные радикалы для удаления стойких органических загрязнителей из сточных вод.
3) Технология гетерогенно-каталитического озонового окисления
В этой технологии обычно используется твердый носитель-окислитель (часто состоящий из оксида алюминия или синтетического цеолита). Под действием катализатора озон разлагается с образованием сильно окисляющих гидроксильных радикалов (·OH), тем самым разлагая органические загрязнители в воде.
4. Фактическое применение
Муниципальная станция очистки сточных вод рассчитана на переработку 100 000 тонн/день, но ее фактическая производительность составляет 90 000 тонн/день. Чтобы соответствовать стандартам выбросов ХПК (менее или равным 40 мг/л), используется технология гомогенного каталитического окисления озоном с использованием трех генераторов озона (каждый производительностью 42 кг/ч, два в работе и один в режиме ожидания). Технологическая схема выглядит следующим образом: генератор озона → генерирует газообразный озон → транспортирует его по трубопроводам на вход струйного насоса → растворяет в сточных водах посредством струйного впрыска → генерирует ·ОН под действием гомогенного катализатора → завершает реакцию окисления в резервуаре каталитического окисления озона.
1) Разложение ХПК и обесцвечивание.
Мощность очистки сточных вод: 90 000 тонн/сутки. В настоящее время работает один генератор озона, установленный на производительность 40 кг/ч, с фактической производительностью 34 кг/ч (расход озона х концентрация озона). Дозировка озона составляет 9,1 мг/л. Это снижает ХПК с 45 до 30 мг/л и цветность с 40 до 5, обеспечивая соответствие сточных вод «Стандарту сброса основных загрязнителей воды для городских очистных сооружений» (DB33/2169-2018).
2) Потребляемая мощность
Хотя озон известен своими экологически чистыми свойствами, высокое потребление энергии и эксплуатационные затраты, связанные с его производством, неоспоримы. При использовании воздуха в качестве источника газа расход электроэнергии составляет примерно 20 кВтч/кг озона; при использовании кислорода в качестве источника газа расход электроэнергии составляет примерно 10 кВтч/кг озона. В зависимости от фактической эксплуатации-на объекте потребление электроэнергии составляет 13 кВтч/кг озона летом и 11 кВтч/кг озона зимой. Из-за высоких температур наружного воздуха летом для охлаждения генератора озона необходим чиллер, а зимой для обеспечения нормальной работы необходимо включать только пластинчатый теплообменник.
