1. Alapvető ózonismeret
Az ózon, amelynek molekulaképlete O3, az oxigén allotróp (O2). Egy ózonmolekula három oxigénatomból áll, amelyek közül az egyik egyetlen kötéssel kapcsolódik a másik kettőhöz. Az ózont "zöld vegyi anyagnak" nevezik, erős oxidálószernek, amelynek négy fő funkciója van: sterilizálás, színtelenítés, oxidáció és szagtalanítás. Olyan előnyökkel is büszkélkedhet, mint a maradékanyag és a másodlagos szennyezés, így környezetbarát zöld ipari alapanyag.
Az ózon rendkívül erős oxidáló képességgel rendelkezik, redox potenciálja 2,07 mV. Az ózon kétféleképpen oxidálja a szerves anyagokat: először is, az ózonmolekulák szelektíven, közvetlenül, azaz közvetlen oxidációval oxidálják a szerves anyagokat, de a reakciósebesség viszonylag lassú; másodszor, gyorsan oxidálja a szerves anyagokat nem-szelektív módon a saját bomlása, azaz közvetett oxidációja során keletkező hidroxilgyökök (·OH) révén. A tényleges vízkezelési reakciókban az ózon hatékonysága a szerves anyagok eltávolításában a közvetlen és közvetett oxidáció szuperpozíciója, és az, hogy e két reakció milyen mértékben megy végbe, a különböző reakciókörülményektől függ. A közvetett oxidációt fejlett oxidációs technológiának is nevezik.
2. Ózon előkészítése
Az ózont különféle módszerekkel lehet előállítani. A vízkezelés területén általában a nagyfeszültségű-csendes kisülést alkalmazzák. Az ózongyártás nyersanyaga elsősorban levegő vagy oxigén. Ha levegőt használunk gázforrásként, az ózontartalom csak körülbelül 1%, míg oxigén használata esetén az ózonkoncentráció elérheti a 10 tömeg%-ot vagy magasabbat.
3. Fejlett ózonoxidációs technológia
Az egyszeri ózonos oxidációs technológiának jelentős korlátai vannak: az egyszeri ózon nem tud oxidálni néhány rosszindulatú szerves vegyületet, például a kloroformot; Az egyszeri ózonos oxidáció nem tudja teljesen lebontani a szerves anyagokat szén-dioxiddá és vízzé, és nehéz magas KOI-eltávolítási hatékonyságot elérni. A fejlett ózonoxidációs technológiát, más néven mélyoxidációs technológiát erősen oxidáló hidroxilgyökök (·OH) képződése jellemzi (a hidroxilgyökök (·OH) redoxpotenciálja 2,80 V, ami csak a fluor után következik be). Olyan reakciókörülmények között, mint a magas hőmérséklet, nagy nyomás, elektromosság, hang, fénysugárzás és katalizátorok, a nagy, ellenszegülő szerves molekulákat alacsony-toxicitású vagy nem-toxikus kis molekulákká oxidálja.
1) Fotokatalitikus ózonoxidációs technológia
A fotokatalitikus ózonoxidáció nem használja fel az ózont a szerves anyagokkal való közvetlen reakcióhoz. Ehelyett az ózon ultraibolya fény alatti bomlása során keletkező aktív másodlagos oxidálószert (·OH) használja fel a szerves anyagok oxidálására. Az ózon és a szerves anyag közötti reakció önmagában szelektív, és nem tudja teljesen lebontani a szerves anyagokat szén-dioxiddá és vízzé. Az ózon oxidációs sebességének és hatékonyságának javítása érdekében más intézkedéseket kell elfogadni az ózon aktív ·OH előállításához történő lebomlásának elősegítésére.
2) Homogén katalitikus ózonoxidációs technológia
A homogén katalitikus ózonozáshoz használt katalizátorok általában átmeneti fémek, például Fe(II), Mn(II), Ni(II), Co(II), Cd(II), Cu(II), Ag(I), Cr(III) és Zn(II). Az ózon-katalizáló ionok precíz (mikro-dózisú, ppb-szintű) adagolása a szennyvízbe a teljesítményszabályozás révén érhető el, befejezve a fejlett oxidációs reakciót, amely hidroxilgyököket hoz létre, hogy eltávolítsa a szennyvízből a rosszindulatú szerves szennyeződéseket.
3) Heterogén katalitikus ózonoxidációs technológia
Ez a technológia jellemzően szilárd oxidáló hordozót használ (amely gyakran alumínium-oxidból vagy szintetikus zeolitból áll). Egy katalizátor hatására az ózon lebomlik, és erősen oxidáló hidroxilgyökök (·OH) keletkeznek, ezáltal lebontják a vízben lévő szerves szennyeződéseket.
4. Tényleges alkalmazás
A települési szennyvíztisztító telepet 100 000 tonna/nap kezelésére tervezték, de tényleges tisztítási kapacitása 90 000 tonna/nap. A KOI-kibocsátási szabványok (40 mg/l vagy annál kisebb) teljesítése érdekében homogén katalitikus ózonoxidációs technológiát alkalmaznak, amely három ózongenerátort alkalmaz (egyenként 42 kg/h kapacitású, kettő üzemben és egy készenléti állapotban). A folyamat menete a következő: ózongenerátor → ózongázt hoz létre → csővezetékeken keresztül a sugárszivattyú bemenetéhez szállítja → sugárfúvással oldódik a szennyvízben → homogén katalizátor hatására ·OH keletkezik → befejezi az oxidációs reakciót az ózonkatalitikus oxidációs tartályban.
1) KOI degradációs és színtelenítési teljesítmény
Szennyvíztisztító kapacitás: 90.000 tonna/nap. Jelenleg egy ózongenerátor működik, 40 kg/h-ra beállítva, tényleges termelési sebessége 34 kg/h (ózon áramlási sebesség x ózonkoncentráció). Az ózon dózisa 9,1 mg/l. Ez 45-ről 30 mg/l-re csökkenti a KOI-t, és 40-ről 5-re csökkenti a színt, így a szennyvíz megfelel a „Főbb vízszennyező anyagok kibocsátási szabványának a települési szennyvíztisztító telepekre” (DB33/2169-2018).
2) Energiafogyasztás
Míg az ózon zöld és környezetbarát tulajdonságairól ismert, az előállításához kapcsolódó magas energiafogyasztás és üzemeltetési költségek tagadhatatlanok. Ha levegőt használunk gázforrásként, az energiafogyasztás körülbelül 20 kWh/kg ózon; ha oxigént használunk gázforrásként, az energiafogyasztás körülbelül 10 kWh/kg ózon. A tényleges helyszíni-működés alapján az energiafogyasztás nyáron 13 kWh/kg ózon, télen pedig 11 kWh/kg ózon. A nyári magas külső hőmérséklet miatt az ózongenerátor hűtéséhez hűtőberendezésre van szükség, míg télen csak a lemezes hőcserélőt kell bekapcsolni a normál működéshez.