1. Základné znalosti o ozóne
Ozón s molekulovým vzorcom O3 je alotróp kyslíka (O2). Molekula ozónu pozostáva z troch atómov kyslíka, z ktorých jeden je spojený s ďalšími dvoma jednoduchou väzbou. Ozón je oslavovaný ako „zelená chemikália“, silný oxidant so štyrmi hlavnými funkciami: sterilizácia, odfarbovanie, oxidácia a deodorizácia. Môže sa tiež pochváliť výhodami, ako sú žiadne zvyšky a žiadne sekundárne znečistenie, čo z neho robí ekologickú zelenú priemyselnú surovinu.
Ozón má extrémne silnú oxidačnú silu s redoxným potenciálom 2,07 mV. Ozón oxiduje organickú hmotu dvoma spôsobmi: po prvé, molekuly ozónu selektívne oxidujú organickú hmotu priamo, tj priamou oxidáciou, ale rýchlosť reakcie je relatívne pomalá; po druhé, rýchlo oxiduje organickú hmotu ne-selektívne prostredníctvom hydroxylových radikálov (·OH) generovaných vlastným rozkladom, tj nepriamou oxidáciou. Pri skutočných reakciách úpravy vody je účinnosť ozónu pri odstraňovaní organickej hmoty superpozíciou priamej a nepriamej oxidácie a rozsah, v akom tieto dve reakcie prebiehajú, závisí od rôznych reakčných podmienok. Nepriama oxidácia je známa aj ako pokročilá oxidačná technológia.
2. Príprava ozónu
Ozón možno pripraviť rôznymi spôsobmi. V oblasti úpravy vody sa bežne používa vysokonapäťové-tiché vybíjanie. Surovinou na výrobu ozónu je najmä vzduch alebo kyslík. Keď sa ako zdroj plynu používa vzduch, obsah ozónu je len asi 1 %, zatiaľ čo pri použití kyslíka môže koncentrácia ozónu dosiahnuť 10 % (hmotnostných) alebo viac.
3. Pokročilá technológia oxidácie ozónom
Technológia oxidácie jedným ozónom má významné obmedzenia: jediný ozón nemôže oxidovať niektoré nepoddajné organické zlúčeniny, ako je chloroform; jediná oxidácia ozónu nemôže úplne rozložiť organickú hmotu na oxid uhličitý a vodu a je ťažké dosiahnuť vysokú účinnosť odstraňovania CHSK. Pokročilá technológia oxidácie ozónu, tiež známa ako technológia hlbokej oxidácie, sa vyznačuje tvorbou vysoko oxidujúcich hydroxylových radikálov (·OH) (redoxný potenciál hydroxylových radikálov (·OH) je 2,80 V, druhý po fluóre). V reakčných podmienkach, ako je vysoká teplota, vysoký tlak, elektrina, zvuk, svetelné žiarenie a katalyzátory, oxiduje veľké, nepoddajné organické molekuly na malé -toxické alebo ne-toxické malé molekuly.
1) Technológia fotokatalytickej oxidácie ozónu
Fotokatalytická oxidácia ozónom nevyužíva ozón na priamu reakciu s organickou hmotou. Namiesto toho využíva aktívny sekundárny oxidant (·OH) generovaný rozkladom ozónu pod ultrafialovým svetlom na oxidáciu organickej hmoty. Samotná reakcia medzi ozónom a organickou hmotou je selektívna a nedokáže úplne rozložiť organickú hmotu na oxid uhličitý a vodu. Na zlepšenie rýchlosti oxidácie a účinnosti ozónu sa musia prijať ďalšie opatrenia na podporu rozkladu ozónu za vzniku aktívneho ·OH.
2) Technológia homogénnej katalytickej oxidácie ozónom
Katalyzátory používané pri homogénnej katalytickej ozonizácii sú vo všeobecnosti prechodné kovy, ako je Fe(II), Mn(II), Ni(II), Co(II), Cd(II), Cu(II), Ag(I), Cr(III) a Zn(II). Presné (mikro-dávka, úroveň ppb) pridávanie iónov katalyzujúcich ozón-do odpadovej vody sa dosahuje reguláciou výkonu, pričom sa dokončuje pokročilá oxidačná reakcia, ktorá generuje hydroxylové radikály na odstránenie odolných organických znečisťujúcich látok z odpadovej vody.
3) Technológia heterogénnej katalytickej oxidácie ozónom
Táto technológia zvyčajne používa pevný oxidačný nosič (často zložený z oxidu hlinitého alebo syntetického zeolitu). Pôsobením katalyzátora sa ozón rozkladá a vytvára vysoko oxidujúce hydroxylové radikály (·OH), čím dochádza k degradácii organických znečisťujúcich látok vo vode.
4. Skutočná aplikácia
Mestská čistiareň odpadových vôd je dimenzovaná na 100 000 ton/deň, no jej skutočná kapacita čistenia je 90 000 ton/deň. Na splnenie emisných noriem CHSK (menej alebo rovné 40 mg/l) sa používa technológia homogénnej katalytickej oxidácie ozónu, ktorá využíva tri generátory ozónu (každý s kapacitou 42 kg/h, dva v prevádzke a jeden v pohotovostnom režime). Priebeh procesu je nasledovný: generátor ozónu → generuje plynný ozón → dopravuje ho potrubím do vstupu tryskového čerpadla → rozpúšťa sa v odpadovej vode vstrekovaním → vytvára ·OH pôsobením homogénneho katalyzátora → dokončí oxidačnú reakciu v nádrži na katalytickú oxidáciu ozónu.
1) Výkonnosť degradácie a odfarbovania CHSK
Kapacita čistenia odpadových vôd: 90 000 ton/deň. V súčasnosti je v prevádzke jeden generátor ozónu, nastavený na 40 kg/h, so skutočnou rýchlosťou výroby 34 kg/h (prietok ozónu x koncentrácia ozónu). Dávka ozónu je 9,1 mg/l. Tým sa znižuje CHSK zo 45 na 30 mg/l a farba zo 40 na 5, čím sa dosahuje súlad odpadových vôd s „Normou vypúšťania veľkých znečisťujúcich látok pre mestské čistiarne odpadových vôd“ (DB33/2169-2018).
2) Spotreba energie
Zatiaľ čo ozón je známy svojimi ekologickými a ekologickými vlastnosťami, vysoká spotreba energie a prevádzkové náklady spojené s jeho výrobou sú nepopierateľné. Pri použití vzduchu ako zdroja plynu je spotreba energie približne 20 kWh/kg ozónu; pri použití kyslíka ako zdroja plynu je spotreba energie približne 10 kWh/kg ozónu. Na základe skutočnej-prevádzky na mieste je spotreba energie 13 kWh/kg ozónu v lete a 11 kWh/kg ozónu v zime. Kvôli vysokým vonkajším teplotám v lete je na chladenie generátora ozónu potrebný chladič, zatiaľ čo v zime je potrebné zapnúť iba doskový výmenník tepla, aby sa zabezpečila normálna prevádzka.
