1. Grundlegende Ozonkenntnisse
Ozon mit der Summenformel O3 ist ein Allotrop von Sauerstoff (O2). Ein Ozonmolekül besteht aus drei Sauerstoffatomen, von denen eines durch eine Einfachbindung mit den anderen beiden verbunden ist. Ozon wird als „grüne Chemikalie“ gefeiert, ein starkes Oxidationsmittel mit vier Hauptfunktionen: Sterilisation, Entfärbung, Oxidation und Desodorierung. Darüber hinaus bietet es Vorteile wie keine Rückstände und keine Sekundärverschmutzung, was es zu einem umweltfreundlichen grünen Industrierohstoff macht.
Ozon hat eine extrem starke Oxidationskraft mit einem Redoxpotential von 2,07 mV. Ozon oxidiert organisches Material auf zwei Arten: Erstens oxidieren Ozonmoleküle selektiv organisches Material direkt, dh direkte Oxidation, aber die Reaktionsgeschwindigkeit ist relativ langsam; Zweitens oxidiert es organisches Material schnell und nicht-selektiv durch die Hydroxylradikale (·OH), die durch seine eigene Zersetzung, dh indirekte Oxidation, erzeugt werden. Bei tatsächlichen Wasseraufbereitungsreaktionen beruht die Effizienz von Ozon bei der Entfernung organischer Stoffe auf der Überlagerung von direkter und indirekter Oxidation, und das Ausmaß, in dem diese beiden Reaktionen ablaufen, hängt von unterschiedlichen Reaktionsbedingungen ab. Die indirekte Oxidation wird auch als fortschrittliche Oxidationstechnologie bezeichnet.
2. Ozonvorbereitung
Ozon kann mit verschiedenen Methoden hergestellt werden. Im Bereich der Wasseraufbereitung wird häufig eine stille Hochspannungsentladung verwendet. Die Rohstoffe für die Ozonerzeugung sind hauptsächlich Luft oder Sauerstoff. Bei Verwendung von Luft als Gasquelle beträgt der Ozongehalt nur etwa 1 %, während bei Verwendung von Sauerstoff die Ozonkonzentration 10 % (Massenprozent) oder mehr erreichen kann.
3. Fortschrittliche Ozonoxidationstechnologie
Die Oxidationstechnologie mit Einzelozon weist erhebliche Einschränkungen auf: Einige widerspenstige organische Verbindungen wie Chloroform können mit Einzelozon nicht oxidiert werden. Eine einzelne Ozonoxidation kann organische Stoffe nicht vollständig in Kohlendioxid und Wasser zersetzen, und es ist schwierig, eine hohe CSB-Entfernungseffizienz zu erreichen. Die fortschrittliche Ozonoxidationstechnologie, auch Tiefenoxidationstechnologie genannt, zeichnet sich durch die Erzeugung stark oxidierender Hydroxylradikale (·OH) aus (das Redoxpotential der Hydroxylradikale (·OH) beträgt 2,80 V und ist damit nach Fluor das zweitgrößte). Unter Reaktionsbedingungen wie hoher Temperatur, hohem Druck, Elektrizität, Schall, Lichteinstrahlung und Katalysatoren oxidiert es große, widerspenstige organische Moleküle zu kleinen Molekülen mit geringer -Toxizität oder ungiftigen -.
1) Photokatalytische Ozonoxidationstechnologie
Bei der photokatalytischen Ozonoxidation wird Ozon nicht genutzt, um direkt mit organischem Material zu reagieren. Stattdessen nutzt es das aktive sekundäre Oxidationsmittel (·OH), das durch die Zersetzung von Ozon unter ultraviolettem Licht entsteht, um organische Stoffe zu oxidieren. Die Reaktion zwischen Ozon und organischem Material allein ist selektiv und kann organisches Material nicht vollständig in Kohlendioxid und Wasser zerlegen. Um die Oxidationsrate und Effizienz von Ozon zu verbessern, müssen andere Maßnahmen ergriffen werden, um die Zersetzung von Ozon zur Erzeugung von aktivem ·OH zu fördern.
2) Homogene katalytische Ozonoxidationstechnologie
Die bei der homogenen katalytischen Ozonierung verwendeten Katalysatoren sind im Allgemeinen Übergangsmetalle wie Fe(II), Mn(II), Ni(II), Co(II), Cd(II), Cu(II), Ag(I), Cr(III) und Zn(II). Die präzise (Mikro-Dosis, ppb-Ebene) Zugabe von Ozon-katalysierenden Ionen zum Abwasser wird durch Leistungssteuerung erreicht und vervollständigt die fortgeschrittene Oxidationsreaktion, die Hydroxylradikale erzeugt, um widerspenstige organische Schadstoffe aus dem Abwasser zu entfernen.
3) Heterogene katalytische Ozonoxidationstechnologie
Diese Technologie verwendet typischerweise einen festen Oxidationsmittelträger (häufig bestehend aus Aluminiumoxid oder synthetischem Zeolith). Unter der Wirkung eines Katalysators zersetzt sich Ozon und erzeugt stark oxidierende Hydroxylradikale (·OH), wodurch organische Schadstoffe im Wasser abgebaut werden.
4. Tatsächliche Anwendung
Die kommunale Kläranlage ist für die Verarbeitung von 100.000 Tonnen/Tag ausgelegt, ihre tatsächliche Behandlungskapazität beträgt jedoch 90.000 Tonnen/Tag. Um die COD-Emissionsnormen (weniger als oder gleich 40 mg/l) zu erfüllen, wird die Technologie der homogenen katalytischen Ozonoxidation verwendet, bei der drei Ozongeneratoren zum Einsatz kommen (jeweils mit einer Kapazität von 42 kg/h, zwei in Betrieb und einer im Standby-Modus). Der Prozessablauf ist wie folgt: Ozongenerator → erzeugt Ozongas → transportiert es durch Rohrleitungen zum Einlass der Strahlpumpe → löst sich durch Strahlinjektion im Abwasser auf → erzeugt ·OH unter der Wirkung eines homogenen Katalysators → schließt die Oxidationsreaktion im katalytischen Ozonoxidationstank ab.
1) CSB-Abbau- und Entfärbungsleistung
Abwasseraufbereitungskapazität: 90.000 Tonnen/Tag. Derzeit ist ein Ozongenerator in Betrieb, eingestellt auf 40 kg/h, mit einer tatsächlichen Produktionsrate von 34 kg/h (Ozondurchfluss x Ozonkonzentration). Die Ozondosis beträgt 9,1 mg/L. Dadurch wird der CSB von 45 auf 30 mg/L und die Farbe von 40 auf 5 reduziert, wodurch die Abwasserkonformität mit dem „Major Water Pollutant Discharge Standard for Urban Wastewater Treatment Plants“ (DB33/2169-2018) erreicht wird.
2) Stromverbrauch
Während Ozon für seine grünen und umweltfreundlichen Eigenschaften bekannt ist, sind der hohe Energieverbrauch und die Betriebskosten, die mit seiner Herstellung verbunden sind, unbestreitbar. Bei Verwendung von Luft als Gasquelle beträgt der Stromverbrauch ca. 20 kWh/kg Ozon; Bei Verwendung von Sauerstoff als Gasquelle beträgt der Stromverbrauch etwa 10 kWh/kg Ozon. Basierend auf dem tatsächlichen Betrieb vor Ort beträgt der Stromverbrauch 13 kWh/kg Ozon im Sommer und 11 kWh/kg Ozon im Winter. Aufgrund der hohen Außentemperaturen im Sommer ist eine Kältemaschine zur Kühlung des Ozongenerators erforderlich, während im Winter lediglich der Plattenwärmetauscher eingeschaltet werden muss, um den Normalbetrieb zu gewährleisten.
