L'application de l'ozone dans le traitement des eaux usées

Dans la vague croissante de la cause de la protection de l'environnement d'aujourd'hui, le traitement des eaux usées, en tant qu'élément crucial de la sauvegarde de l'environnement écologique, explore constamment des technologies innovantes. L'ozone, avec ses propriétés uniques, joue un rôle important dans le domaine du traitement des eaux usées.

L'ozone (O₃) a un aspect bleu clair, une odeur spéciale et une structure moléculaire unique. Son pouvoir oxydant dépasse de loin celui de l'oxygène ordinaire. Industriellement, l'ozone est souvent produit par la méthode de décharge de barrière diélectrique, qui utilise un courant alternatif à haute tension pour inciter la recombinaison des molécules d'oxygène, générant ainsi de l'ozone.

L'efficacité de l'ozone dans le traitement des eaux usées est remarquable. Premièrement, en termes de stérilisation et de désinfection, un grand nombre de micro-organismes pathogènes tels que des bactéries et des virus se cachent dans les eaux usées, menaçant constamment l'environnement aquatique et la santé humaine. Avec sa forte pénétrabilité, l'ozone peut traverser les parois cellulaires des micro-organismes, cibler directement les biomacromolécules clés telles que les enzymes et les acides nucléiques à l'intérieur des cellules, détruire leurs structures et leurs fonctions et rendre instantanément les micro-organismes inactifs, ce qui permet une stérilisation efficace. Par rapport à la désinfection au chlore traditionnelle, l'ozone ne produit pas de composés organiques chlorés nocifs, ce qui garantit la sécurité de la qualité de l'eau.

En termes de décoloration, les eaux usées industrielles provenant de l'impression et de la teinture, de la fabrication du papier, etc. sont souvent profondément colorées et contiennent un grand nombre de substances organiques colorées difficilement dégradables. L'ozone utilise sa forte propriété oxydante pour "attaquer" les groupes colorés, en décomposant par oxydation les structures chromogènes complexes et en les convertissant en petites molécules incolores ou de couleur claire, améliorant efficacement la qualité de l'apparence des eaux usées, et l'effet de décoloration est tout à fait remarquable.

Sa fonction de désodorisation est tout aussi remarquable. L'odeur particulière dans les stations d'épuration provient principalement de composés contenant du soufre, de composés contenant de l'azote et de substances organiques volatiles. Lorsque l'ozone les rencontre, il subit rapidement une réaction d'oxydation, transformant ces substances malodorantes en substances inodores ou à faible seuil d'odeur, purifiant l'air de la source et améliorant l'environnement environnant.

De plus, pour les polluants organiques dans les eaux usées, l'ozone oxyde d'abord directement certaines substances organiques, les décomposant en dioxyde de carbone, en eau et en petits acides organiques moléculaires. Dans le même temps, il initie une réaction radicalaire pour générer des radicaux hydroxyles, minéralisant profondément les substances organiques difficilement dégradables et améliorant la biodégradabilité des eaux usées, jetant ainsi une bonne base pour les processus de traitement biologique ultérieurs.

Cependant, après que l'ozone ait accompli sa mission d'épuration des eaux d'égout, si l'ozone résiduel n'est pas correctement traité, il apportera beaucoup d'inconvénients. D'une part, l'ozone résiduel dans les plans d'eau causera un stress oxydatif aux organismes aquatiques et endommagera l'écosystème aquatique. D'autre part, lorsqu'il s'échappe dans l'air, il irrite les muqueuses des voies respiratoires humaines et d'autres tissus, mettant en danger la santé.

Il existe différentes méthodes pour traiter l'ozone résiduel. La décomposition naturelle est relativement lente et est fortement affectée par des facteurs environnementaux, ce qui la rend impropre aux grandes usines de traitement des eaux usées. Bien que la méthode de réduction chimique réagisse rapidement, elle nécessite un dosage continu de produits chimiques, ce qui entraîne des coûts élevés et introduit facilement une nouvelle pollution saline. La méthode de décomposition thermique consomme une énorme quantité d'énergie, et les coûts d'investissement et d'exploitation de l'équipement sont prohibitifs.

En comparaison, la décomposition catalytique de l'ozone résiduel présente des avantages évidents. Il existe plusieurs types de catalyseurs courants: les catalyseurs à base d'oxyde métallique tels que le dioxyde de manganèse et l'oxyde de cuivre ont des sites tensio-actifs abondants qui peuvent adsorber les molécules d'ozone. Grâce au transfert d'électrons, la liaison O-O dans la molécule d'ozone est affaiblie, provoquant sa décomposition en oxygène, et l'activité catalytique des oxydes métalliques nanostructurés est encore meilleure. Les catalyseurs de métaux précieux tels que le palladium et le platine ont des rendements catalytiques extrêmement élevés et peuvent facilement adsorber et activer l'ozone, mais leurs coûts sont extrêmement élevés, ce qui limite leur application. Les catalyseurs de charbon actif ont un large éventail de sources et sont abordables, possédant l'adsorption physique et les fonctions catalytiques chimiques, et leur représentation peuvent être encore améliorées après moDification.

Prenant les catalyseurs d'oxyde métallique comme exemple, au cours du processus catalytique, les molécules d'ozone sont capturées par les sites actifs sur la surface du catalyseur, formant un état adsorbé. Par la suite, le transfert d'électrons se produit entre les ions métalliques et les molécules d'ozone, ce qui provoque la rupture de la liaison O-O, la génération d'espèces d'oxygène actif et enfin la combinaison en oxygène.

Dans des applications pratiques, des réacteurs à lit fixe ou des réacteurs à lit fluidisé sont souvent utilisés. Le réacteur à lit fixe a une structure simple et est pratique à utiliser. Le catalyseur n'est pas facilement perdu, mais il est sujet au colmatage et nécessite un lavage à contre-courant régulier. Le réacteur à lit fluidisé présente des rendements de transfert de masse et de chaleur élevés, et la régénération du catalyseur est pratique. Cependant, il nécessite une étanchéité élevée de l'équipement et le catalyseur s'use rapidement. Pendant le fonctionnement, des paramètres tels que la concentration en ozone, le débit d'eau et la température doivent être surveillés en temps réel, et les conditions du réacteur doivent être ajustées de manière flexible en fonction de la qualité de l'eau influente et du dosage de l'ozone pour s'assurer que l'ozone résiduel répond aux normes de rejet.

À l'avenir, avec les progrès de la science des matériaux, l'ozone et les technologies de traitement connexes continueront sûrement à être optimisés, injectant une impulsion plus forte dans le traitement des eaux usées et aidant l'environnement écologique à atteindre de nouveaux sommets.