1. Основни познания за озона
Озонът с молекулна формула O3 е алотроп на кислорода (O2). Молекулата на озон се състои от три кислородни атома, единият от които е свързан с другите два чрез единична връзка. Озонът е приветстван като „зелен химикал“, силен окислител с четири основни функции: стерилизация, обезцветяване, окисление и дезодориране. Той също така може да се похвали с предимства като липса на остатъци и вторично замърсяване, което го прави екологично чиста промишлена суровина.
Озонът има изключително силна окислителна способност, с редокс потенциал от 2,07 mV. Озонът окислява органичната материя по два начина: първо, озоновите молекули избирателно окисляват органичната материя директно, т.е. директно окисление, но скоростта на реакцията е относително бавна; второ, той бързо окислява органичната материя не-селективно чрез хидроксилните радикали (·OH), генерирани от собственото му разлагане, т.е. непряко окисление. При действителните реакции на пречистване на вода, ефективността на озона при отстраняване на органична материя е наслагването на пряко и непряко окисление и степента, до която протичат тези две реакции, зависи от различните реакционни условия. Индиректното окисляване е известно също като усъвършенствана технология за окисление.
2. Приготвяне на озон
Озонът може да се получи по различни методи. В областта на пречистването на вода обикновено се използва високоволтово безшумно разреждане. Суровините за производството на озон са главно въздух или кислород. Когато се използва въздух като източник на газ, съдържанието на озон е само около 1%, докато когато се използва кислород, концентрацията на озон може да достигне 10% (по маса) или по-висока.
3. Усъвършенствана технология за окисляване на озон
Технологията за окисление с единичен озон има значителни ограничения: единичен озон не може да окисли някои непокорни органични съединения, като хлороформ; еднократното озоново окисление не може напълно да разложи органичната материя на въглероден диоксид и вода и е трудно да се постигне висока ефективност на отстраняване на COD. Усъвършенстваната технология за озоново окисляване, известна още като технология за дълбоко окисление, се характеризира с генерирането на силно окисляващи хидроксилни радикали (·OH) (окислително-редукционният потенциал на хидроксилните радикали (·OH) е 2,80 V, втори след флуора). При реакционни условия като висока температура, високо налягане, електричество, звук, светлинно излъчване и катализатори, той окислява големи, непокорни органични молекули в ниско-токсични или не-токсични малки молекули.
1) Технология за фотокаталитично окисляване на озон
Фотокаталитичното озоново окисление не използва озона за директна реакция с органичната материя. Вместо това, той използва активния вторичен окислител (·OH), генериран от разлагането на озона под ултравиолетова светлина, за да окисли органичната материя. Реакцията между озона и органичната материя сама по себе си е селективна и не може напълно да разложи органичната материя на въглероден диоксид и вода. За да се подобри скоростта на окисляване и ефективността на озона, трябва да се приемат други мерки за насърчаване на разлагането на озона за генериране на активен ·OH.
2) Технология за хомогенно каталитично окисление на озон
Катализаторите, използвани в хомогенното каталитично озониране, обикновено са преходни метали, като Fe(II), Mn(II), Ni(II), Co(II), Cd(II), Cu(II), Ag(I), Cr(III) и Zn(II). Прецизно (микро-доза, ниво на ppb) добавяне на озон-катализиращи йони към отпадъчните води се постига чрез контрол на мощността, завършвайки напредналата окислителна реакция, която генерира хидроксилни радикали за отстраняване на непокорните органични замърсители от отпадъчните води.
3) Технология за хетерогенно каталитично окисляване на озон
Тази технология обикновено използва твърд окислителен носител (често съставен от алуминиев оксид или синтетичен зеолит). Под действието на катализатор озонът се разлага, за да генерира силно окислителни хидроксилни радикали (·OH), като по този начин разгражда органичните замърсители във водата.
4. Действително приложение
Градската пречиствателна станция за отпадъчни води е проектирана да обработва 100 000 тона/ден, но действителният й капацитет за пречистване е 90 000 тона/ден. За да се изпълнят стандартите за емисии на COD (По-малко или равно на 40 mg/L), се използва технология за хомогенно каталитично окисление на озон, като се използват три генератора на озон (всеки с капацитет от 42 kg/h, два в действие и един в режим на готовност). Процесът е следният: генератор на озон → генерира газ озон → транспортира го през тръбопроводи до входа на струйната помпа → разтваря се в отпадъчните води чрез струйно впръскване → генерира ·OH под действието на хомогенен катализатор → завършва реакцията на окисление в резервоара за каталитично окисляване на озон.
1) Ефективност на разграждане и обезцветяване при COD
Капацитет за пречистване на отпадъчни води: 90 000 тона/ден. В момента работи един генератор на озон, настроен на 40 kg/h, с реална производителност 34 kg/h (дебит на озон x концентрация на озон). Дозировката на озон е 9,1 mg/L. Това намалява ХПК от 45 на 30 mg/L и цвета от 40 на 5, постигайки съответствие на отпадните води със „Стандарт за изхвърляне на основни замърсители на водата за градски пречиствателни станции“ (DB33/2169-2018).
2) Консумирана мощност
Въпреки че озонът е известен със своите зелени и щадящи околната среда свойства, високата консумация на енергия и оперативните разходи, свързани с производството му, са неоспорими. Когато се използва въздух като източник на газ, консумацията на енергия е приблизително 20 kWh/kg озон; когато се използва кислород като източник на газ, консумацията на енергия е приблизително 10 kWh/kg озон. Въз основа на действителната -работа на място, консумацията на енергия е 13 kWh/kg озон през лятото и 11 kWh/kg озон през зимата. Поради високите външни температури през лятото е необходим чилър за охлаждане на генератора на озон, докато през зимата е необходимо да се включи само пластинчатият топлообменник, за да се осигури нормална работа.
