Zastosowanie ozonu w oczyszczaniu ścieków

Na fali dzisiejszej ochrony środowiska oczyszczanie ścieków, jako kluczowy element ochrony środowiska, nieustannie poszukuje innowacyjnych technologii. Ozon, ze swoimi unikalnymi właściwościami, odgrywa znaczącą rolę w dziedzinie oczyszczania ścieków.

Ozon (O₃) ma jasnoniebieski wygląd, specjalny zapach i unikalną strukturę molekularną. Jego moc utleniania znacznie przewyższa moc zwykłego tlenu. W przemyśle ozon jest często wytwarzany metodą dielektrycznego wyładowania barierowego, która wykorzystuje prąd przemienny wysokiego napięcia do pobudzenia rekombinacji cząsteczek tlenu, generując w ten sposób ozon.

Skuteczność ozonu w oczyszczaniu ścieków jest niezwykła. Po pierwsze, jeśli chodzi o sterylizację i dezynfekcję, w ściekach czai się duża liczba patogennych mikroorganizmów, takich jak bakterie i wirusy, stale zagrażających środowisku wodnym i zdrowiu ludzkiemu. Dzięki silnej przenikalności ozon może przebić się przez ściany komórkowe mikroorganizmów, bezpośrednio celować w kluczowe biomakrocząsteczki, takie jak enzymy i kwasy nukleinowe wewnątrz komórek, niszczyć ich struktury i funkcje oraz natychmiast unieczynnić mikroorganizmy, osiągając skuteczną sterylizację. W porównaniu z tradycyjną dezynfekcją chlorem, ozon nie wytwarza szkodliwych chlorowanych związków organicznych, zapewniając bezpieczeństwo jakości wody.

Pod względem odbarwiania odpady przemysłowe z drukowania i farbowania, produkcji papieru itp. Są często głęboko zabarwione i zawierają dużą liczbę trudno degradowalnych kolorowych substancji organicznych. Ozon wykorzystuje swoją silną właściwość utleniającą do „ atakowania ”kolorowych grup, oksydacyjnie rozkładając złożone struktury chromogenne i przekształcając je w bezbarwne lub jasne małe cząsteczki, skutecznie poprawiając jakość wyglądu ścieków, a efekt odbarwiania jest dość niezwykły.

Jego funkcja dezodoryzacji jest równie wyjątkowa. Specyficzny zapach w oczyszczalniach ścieków pochodzi głównie ze związków zawierających siarkę, związków zawierających azot i lotnych substancji organicznych. Kiedy ozon na nie napotyka, szybko ulega reakcji utleniania, przekształcając te cuchnące substancje w bezwonne lub substancje o niskim progu zapachu, oczyszczając powietrze ze źródła i poprawiając otaczające środowisko.

Ponadto, w przypadku zanieczyszczeń organicznych w ściekach, ozon najpierw bezpośrednio utlenia niektóre substancje organiczne, rozkładając je na dwutlenek węgla, wodę i małe molekularne kwasy organiczne. Jednocześnie inicjuje reakcję wolnych rodników w celu wytworzenia rodników hydroksylowych, głęboko mineralizując trudno degradowalne substancje organiczne i poprawiając biodegradowalność ścieków, kładąc dobry fundament pod kolejne procesy oczyszczania biologicznego.

Jednak po zakończeniu misji oczyszczania ścieków przez ozon, jeśli resztkowy ozon nie zostanie odpowiednio oczyszczony, przyniesie to wiele wad. Z jednej strony resztkowy ozon w zbiornikach wodnych spowoduje stres oksydacyjny organizmów wodnych i uszkodzi ekosystem wodny. Z drugiej strony, gdy ucieka w powietrze, podrażnia błony śluzowe dróg oddechowych człowieka i innych tkanek, zagrażając zdrowiu.

Istnieją różne metody leczenia resztkowego ozonu. Naturalny rozkład jest stosunkowo powolny i duży wpływ na niego mają czynniki środowiskowe, co sprawia, że nie nadaje się do dużych oczyszczalni ścieków. Chociaż metoda redukcji chemicznej reaguje szybko, wymaga ciągłego dozowania chemikaliów, co skutkuje wysokimi kosztami i łatwym wprowadzaniem nowych zanieczyszczeń solą. Metoda rozkładu termicznego zużywa ogromną ilość energii, a inwestycje w sprzęt i koszty operacyjne są wygórowane.

Dla porównania, katalityczny rozkład resztkowego ozonu ma oczywiste zalety. Istnieje kilka popularnych typów katalizatorów: katalizatory tlenku metalu, takie jak dwutlenek manganu i tlenek miedzi, mają obfite miejsca aktywności powierzchniowej, które mogą adsorbować cząsteczki ozonu. Poprzez transfer elektronów wiązanie O - O w cząsteczce ozonu jest osłabione, co powoduje jego rozkład na tlen, a aktywność katalityczna nanostrukturalnych tlenków metali jest jeszcze lepsza. Katalizatory metali szlachetnych, takie jak pallad i platyna, mają niezwykle wysoką sprawność katalityczną i mogą łatwo adsorbować i aktywować ozon, ale ich koszty są niezwykle wysokie, ograniczając ich zastosowanie. Katalizatory z węglem aktywnym mają szeroki zakres źródeł i są przystępne cenowo, posiadają zarówno fizyczną adsorpcję, jak i chemiczne funkcje katalityczne, a ich wydajność można jeszcze poprawić po moDyfikacja.

Biorąc za przykład katalizatory tlenku metalu, podczas procesu katalitycznego cząsteczki ozonu są wychwytywane przez miejsca aktywne na powierzchni katalizatora, tworząc stan zaadsorbowany. Następnie następuje transfer elektronów między jonami metali a cząsteczkami ozonu, powodując zerwanie wiązania O - O, generowanie aktywnych form tlenu, a na koniec łączenie się w tlen.

W zastosowaniach praktycznych często stosuje się reaktory ze złożem stałym lub reaktory ze złożem fluidalnym. Reaktor ze stałym łożem ma prostą konstrukcję i jest wygodny w obsłudze. Katalizator nie jest łatwo tracony, ale jest podatny na zatykanie i wymaga regularnego płukania wstecznego. Reaktor ze złożem fluidalnym ma wysoką wydajność przenoszenia masy i ciepła, a regeneracja katalizatora jest wygodna. Wymaga to jednak wysokiego uszczelnienia sprzętu, a katalizator szybko się zużywa. Podczas pracy parametry takie jak stężenie ozonu, natężenie przepływu wody i temperatura powinny być monitorowane w czasie rzeczywistym, a warunki reaktora powinny być elastycznie dostosowywane do wpływającej jakości wody i dozowania ozonu, aby zapewnić, że resztkowy ozon spełnia normy rozładowania.

Patrząc w przyszłość, wraz z postępem materiałoznawstwa, ozon i powiązane technologie oczyszczania z pewnością będą nadal optymalizowane, wprowadzając silniejszy impuls do oczyszczania ścieków i pomagając środowisku ekologicznemu osiągnąć nowe wyżyny.