Toepassing van ozon in waterbehandeling

Toepassing van ozon in waterbehandeling

1.1 Toepassing van ozon

In 1840 bevestigde de Zwitserse scheikundige Schbenbein het bestaan van ozon. In 1886 ontdekte de Fransman Meritenus dat ozon een bacteriedodend effect heeft. In 1893 paste Nederland voor het eerst ozon toe op de desinfectie van water. In 1906 gebruikte de stad Nice in Frankrijk ozon voor waterbehandeling in grootschalige waterzuiveringsinstallaties. Het is bijna 100 jaar oud.

Het heeft een sterk ozonoxidatievermogen, wordt gebruikt voor desinfectie en sterilisatie en heeft een hoge snelheid. Ozon kan opgelost ijzer en mangaan oxideren tot dure sedimenten, waardoor het gemakkelijk te verwijderen is; het kan giftige en schadelijke stoffen zoals cyanide en fenol oxideren tot onschadelijke stoffen. Het kan oxideren en geuren en kleur veroorzakende stoffen veroorzaken, waardoor geur wordt verminderd en chroma wordt verminderd; het kan macromoleculaire organische stoffen die moeilijk te ontleden zijn, oxideren en ontleden in kleine en middelgrote moleculaire organische stoffen, waardoor ze gemakkelijk biologisch afbreekbaar zijn; het gebruik van ozonvoorbehandeling kan ook spelen. Microflocculatie verbetert de kwaliteit van het effluent; de toepassing van ozon produceert geen schadelijke tri-materialen tijdens de behandeling.

Op dit moment zijn er duizenden waterplanten in de wereld die ozon gebruiken voor behandeling en desinfectie. Ozon is gebruikt als een belangrijk middel om watervervuiling in grote Europese steden te verwijderen voor de diepe zuivering van drinkwater. Sinds het begin van de jaren zeventig hebben veel landen ook de toepassing van ozon in stedelijk afvalwater, industrieel afvalwater en circulerend koelwater bestudeerd, en er zijn veel succesvolle voorbeelden geweest. Sinds het midden van de jaren zeventig is China ook begonnen met experimenteel onderzoek naar het gebruik van ozonoxidatieprocessen om verontreinigde drinkwaterbronnen te behandelen. Op dit moment zijn er tientallen waterplanten in China die worden gebruikt voor de werkelijke productie.

1.2 Fysische eigenschappen van ozon

O3 is een onstabiel gas met een speciale scherpe geur, lichtblauw bij normale temperatuur en donkerblauw in vloeistof. O3 is het meest oxiderende middel onder de algemeen gebruikte oxiderende middelen. Het redoxpotentiaal in water is 2,07 V, terwijl chloor 1,36 V is en chloordioxide 1,50 V is. Bovendien is O3 zeer corrosief.

O3 zal langzaam ontbinden in O2 in de lucht en tegelijkertijd veel warmte afgeven. Wanneer de concentratie 25% overschrijdt, zal het gemakkelijk exploderen. De concentratie van O3 in geozoniseerde lucht is echter in het algemeen niet meer dan 10% en er zal geen explosie plaatsvinden.

Bij standaarddrukken en temperaturen heeft zuivere ozon een oplosbaarheid die 10 keer groter is dan zuurstof en 25 keer groter dan lucht. Bij 0 ° C kan de oplosbaarheid van zuivere ozon in water 1,371 g / l bereiken. O3 is onstabiel in water, ontleedt snel in O2 in een waterige oplossing die onzuiverheden bevat en produceert een sterk steriliserende stof zoals monoatomaire zuurstof (O) en hydroxyl (OH) die sterk oxideren. Het redoxpotentiaal van de hydroxylgroep was 2,80 V. Bij 20 ° C is de halfwaardetijd van O3 in kraanwater ongeveer 20 minuten.

1.3 Ozon oxidatief desinfectiemechanisme

Wanneer O3 wordt opgelost in water, treden twee reacties op: de ene is directe oxidatie, de reactiesnelheid is langzaam, de selectiviteit is hoog en het is gemakkelijk om te reageren met aromatische verbindingen zoals fenol, ethanol, amine en dergelijke. De andere is de kettingreactie geïnitieerd door de ontleding van O3 om hydroxylradicalen te produceren. Deze reactie produceert ook een zeer actieve, sterk oxiderende monoatomische zuurstof (O) die organisch materiaal, bacteriën en micro-organismen onmiddellijk in water ontleedt.

O3 → O2 + (O)

(O) + H20 → 2OH

De hydroxylgroep is een sterk oxidatiemiddel en een katalysator en de kettingreactie zorgt ervoor dat de organische stof in het water volledig wordt afgebroken.

Wanneer de pH-waarde van de oplossing hoger is dan 7, wordt de zelfontleding van O3 geïntensiveerd en is de reactie van het radicale type dominant. Deze reactie is snel en de selectiviteit is laag.

Uit het bovenstaande mechanisme blijkt dat O3 de meeste organische stoffen in water kan oxideren om bij waterbehandeling af te breken en anorganische reducerende stoffen zoals fenol, ammoniakstikstof, ijzer en mangaan kan oxideren. Bovendien heeft O3 een hoog oxidatie-reductiepotentieel, dat de celwand van bacteriën kan vernietigen, gemakkelijk in de cellen diffunderen door het microbiële celmembraan en organische stoffen zoals enzymen daarin kan oxideren; of vernietigen eiwitten, ribonucleïnezuren, etc. van celmembranen, weefselstructuren, enz. Dit leidt tot celdood. Daarom kan O3 algensterilisatie elimineren en kan het ook de micro-organismen met sterke vitaliteit zoals virussen en sporen inactiveren.

1.4 Oxidatie- en desinfectie-eigenschappen van ozon

(1) O3 is een zeer effectief oxidatiemiddel zonder secundaire vervuiling. Het is het meest oxiderende middel in het gewone oxidatiemiddel (O3> ClO2> Cl2> NH2Cl), het oxiderende vermogen is tweemaal dat van chloor en het bactericide vermogen is honderden keren chloor. Het kan organische stoffen in water oxideren en ontleden, anorganische reducerende stoffen oxideren en verwijderen en kan bacteriën, algen, ziekteverwekkers, enz. In water snel doden.

(2) O3-desinfectie wordt minder beïnvloed door pH, watertemperatuur en ammoniak in water, maar heeft ook een zekere selectiviteit. Groene schimmel en penicillium zijn bijvoorbeeld resistent tegen O3 en het duurt lang voordat ze zijn gedood. Wanneer O3 wordt gebruikt voor de desinfectie van drinkwater, hebben de troebelheid en de kleur van water een effect op het desinfectie- en sterilisatie-effect, en een aanzienlijk deel van O3 wordt gebruikt voor de oxidatieve ontleding van anorganische stoffen en organische stoffen.

(3) O3 verwijdert de geur en smaak geproduceerd door micro-organismen zoals micro-organismen, waterplanten en algen, en heeft goede effecten. Het ontkleuringsvermogen is effectiever en sneller dan Cl2 en ClO2.

(4) Toevoegen van O3 kan de aard en grootte van de oppervlaktelading van deeltjes met kleine deeltjesgrootte veranderen, zodat de geladen kleine deeltjes kunnen worden geaggregeerd. Tegelijkertijd is er in het proces van O3-oxidatie van opgeloste organische stof ook 'microflocculatie', wat het effect van het verbeteren van de stolling heeft. Werkt zeker.

(5) O3-desinfectie-effect is goed, de dosering is klein, het effect is snel, er worden geen schadelijke stoffen zoals chloroform geproduceerd en het water heeft een goede sensorische index. Het inactiverende effect van O3 op sommige vasthoudende virussen is veel hoger dan dat van chloor, maar de ontledingssnelheid van O3 in water is snel en het is onmogelijk om een bepaalde hoeveelheid achterblijvend desinfectiemiddel in het leidingnetwerk te behouden. Daarom wordt na O3-desinfectie meestal een kleine hoeveelheid chloordesinfectie aan het water toegevoegd. Middel.

(6) O3 kan macromoleculaire organische materie die niet gemakkelijk in water wordt afgebroken, oxideren en ontleden in kleine moleculaire organische materie, en oxygeneren in water om opgeloste zuurstof in water te verhogen, wat betere omstandigheden biedt voor daaropvolgende behandeling (met name biologische behandeling). Uit economisch oogpunt is het echter mogelijk dat de toegevoegde hoeveelheid O3 niet te hoog is, zodat de oxidatie niet volledig is. Als het volgende proces niet correct wordt behandeld, kunnen ook schadelijke stoffen zoals trihalomethanen worden geproduceerd.

(7) Tijdens het waterzuiveringsproces mogen niet zoveel mogelijk nieuwe trihalomethanen worden gegenereerd. Vanwege de vorming van trihalomethanen is O3 ook moeilijk te oxideren en te verwijderen.

1.5 Voorbereiding en economische analyse van ozon

De werkwijzen voor het produceren van O3 omvatten een stille ontladingsmethode, een stralingsmethode, een ultraviolette methode en een elektrolysemethode. Stille lozing wordt gebruikt in praktische toepassingen van waterzuiveringsinstallaties.

Om zuurstof (O2) in O3 om te zetten, is het eerst nodig om een grote hoeveelheid energie te hebben om de OO-binding in een zuurstofatoom te kraken. Stille ontlading is het gebruik van hogesnelheidselektronen om zuurstof te bombarderen en te ontleden in zuurstofatomen:

02 = 2O

Enkele gedissocieerde zuurstofatomen na de dissociatie:

30 = 03

Sommige worden opnieuw gesynthetiseerd tot zuurstof en sommige worden gecombineerd met zuurstof om O3 te vormen:

O + O2 = O3

De bovenstaande reacties zijn allemaal omkeerbaar en de gegenereerde O3 wordt ook ontleed in zuurstofatomen. Daarom kan slechts een deel van de zuurstof die door het ontladingsgebied passeert O3 worden, dus de geproduceerde O3 verwijst meestal naar lucht met een bepaalde concentratie van O3, die geozoniseerde lucht wordt genoemd, niet puur ozongas.

Voor elke kilogram geproduceerd O3 is het theoretische energieverbruik 0,836 kWh. Wanneer lucht wordt gebruikt om O3 te produceren, wordt slechts 4 tot 6% van de elektrische energie gebruikt voor effectief werk. Eigenlijk verbruikt elke kilo O3 15 tot 20 kWh. Het stroomverbruik van de productie van O3 met zuivere zuurstof kan met ongeveer de helft worden verminderd.

Volgens de huidige stand van de techniek zijn de productiematerialen van O3 onderverdeeld in lucht, zuivere zuurstof en vloeibare zuurstof.

Het gebruik van vloeibare zuurstof is over het algemeen geschikt voor kleine en middelgrote schaal (hoeveelheid ozon <50kg> Zuivere druk wordt ter plekke bereid door drukwisselingsadsorptie of vacuümadsorptie, en is geschikt voor de schaal van ozon> 50kg / h. O3 wordt verkregen door droge lucht te gebruiken en de ozonconcentratie is in het algemeen 1 tot 3%. De concentratie van ozon geproduceerd door pure zuurstof of vloeibare zuurstof kan ongeveer 10% bereiken, en het elektriciteitsverbruik van lucht voor O3 is ongeveer twee andere methoden. 2 keer.

Volgens relevante rapporten, het gebruik van droge lucht, on-site pure zuurstof, aankoop van vloeibare zuurstof drie methoden om O3 te verkrijgen, de productiekosten per kilogram O3 is ongeveer 16,0 yuan, 12,0 yuan en 17,3 yuan. Het is te zien dat de methode om zuivere zuurstof ter plaatse te bereiden de laagste kosten heeft. Als de dosering 5 mg / L is, bedragen de behandelingskosten per ton water met O3 0,06 yuan.

In de feitelijke engineering wordt O3 niet alleen gebruikt en wordt het vaak gebruikt in combinatie met korrelige actieve kool voor geavanceerde behandeling van drinkwater, dat wil zeggen een met ozon geactiveerd waterzuiveringsproces met een goed effect. De productiekosten worden geanalyseerd. Wanneer de schaal van de waterplant tussen 50.000 en 400.000 ton / dag ligt, zijn de waterproductiekosten verhoogd door het proces van actieve kool met ozon tussen 0,10 en 0,15 yuan / ton. Volgens de watervoorzieningsstatus van de waterbedrijven in China is dit proces volledig acceptabel gezien de verbetering van de waterkwaliteit en de levensstandaard van mensen.

1.6 Problemen met het gebruik van ozon

O3 heeft een sterk oxidatievermogen, maar het is niet perfect. Er zijn ook enkele problemen met de toepassing van O3 en O3 brengt bijproducten met zich mee.

Er zijn veel soorten organische stoffen in de microverontreinigde waterbron en O3 kan met organisch materiaal reageren om een reeks tussenproducten te vormen. Het is heel moeilijk om ze allemaal te testen. Daarom gebruikt de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) bromaat en formaldehyde als indicatoren voor O3-bijproducten.

Om economische redenen is het onwaarschijnlijk dat de dosering van O3 groot genoeg is om macromoleculaire organische materie volledig te anorganiseren. Bovendien verschijnen er, zelfs als O3 teveel wordt toegevoegd, andere stoffen en is het onmogelijk om de organische stof volledig te mineraliseren omdat O3 sterk is geoxideerd. De onvolledige oxidatieproducten geproduceerd door de meeste organische stoffen kunnen de verdere ontleding van O3 belemmeren, waardoor het onmogelijk wordt voor O3 om deze tussenproducten volledig te oxideren, zoals glycerol, ethanol, azijnzuur en dergelijke. Tegelijkertijd kan O3 ammoniakstikstof niet effectief verwijderen en heeft het geen oxidatie-effect op organisch chloride in water.

O3-behandeling reageert met organische stoffen en vormt giftige stoffen zoals onverzadigde aldehyden en epoxyverbindingen, die nadelige effecten hebben op de menselijke gezondheid. Als het water meer bromide-ionen bevat, oxideert O3 het tot hypobroomzuur. De reactie van hypobroomzuur met de voorloper van het gehalogeneerde desinfectiebijproduct produceert bromoform en andere bijproducten van gebromeerde desinfectie. Het bromide-ion kan ook verder worden geoxideerd tot het bromaat-ion, wat resulteert in een positieve mutatie in het effluent. De assimilatie van organische koolstof (AOC) in het water na ozonisatie kan ervoor zorgen dat de bacteriën zich in het water voortplanten. Om een voldoende hoeveelheid resterend desinfectiemiddel in het leidingnetwerk te behouden, zal de toevoeging van chloor of chlooramine na ozonbehandeling respectievelijk trichloronitromethaan en cyanogeenchloride produceren, wat nieuwe desinfectiebijproducten wordt. De toxiciteit is nog onduidelijk. . Voor bepaalde pesticiden kunnen O3-geoxideerde producten schadelijker zijn.

In het algemeen is, hoewel O3 wordt gebruikt wanneer bijproducten worden gevormd, in het algemeen de concentratie niet hoog en is het toxiciteitsprobleem niet ernstig. Volgens huidig onderzoek is O3 wenselijker dan Cl2 en ClO2 in termen van de hoeveelheid en toxiciteit van bijproducten en de mutagene activiteit van effluent.