臭氧催化工艺说明

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2020-10-15 11:14

对于难生物降解有机物,采用生物处理技术很难达到理想的处理效果,由于高级氧化技术既可以直接将部分有机物氧化,又能有效的改变有机物结构,提高其可生化性,因此越来越多的研究者倾向于采用高级氧化与生化联用技术处理生物难降解性的工业有机废水,即首先采用高级氧化技术(如 Fenton氧化、臭氧氧化等)对这类废水进行预处理,改变难降解有机物的分子结构,以提高废水的可生化性,然后再用生物处理技术进一步将其矿化。该技术将化学氧化和生物氧化技术有机结合起来,高级氧化作为预处理,其处理费用大大降低,通过后续的生物处理保证处理的高效性,充分利用了各自的优势,从而达到相互补充的效果。

本工程采用臭氧进行高级氧化,臭氧化反应的途径有两条:其一是臭氧通过亲核或亲电作用直接参与反应,这种反应速度慢,选择性高,它的反应选择性源于臭氧分子的偶极性、亲核性或亲电性的三种性质,使臭氧分子的反应主要选择于不饱和键上,反应主要局限于不饱和芳香族化合物、不饱和脂肪族化合物和一些特殊官能团上。其二是臭氧分解产生羟基自由基从而引发的链反应,此反应还会产生十分活泼的、具有强氧化能力的单原子氧(•O),可瞬时分解水中有机物质、杀死细菌和微生物,但无选择性,基本上遵循先进攻化合物中较低健能的化学健。反应如下:

O3 →O2+•O

  • O+ H2O→2•OH

在酸性条件下,臭氧氧化更主要的是以臭氧分子的直接氧化为主,而在更高的pH值下,则是通过形成氢氧自由基作为主要的氧化剂,具体在哪个pH下为间接反应为主则依水中不同的物质而不同。而在实际废水处理中,往往是两种氧化方式综合作用的结果。臭氧能与许多有机物或官能团发生反应:C==C、C≡C、芳香化合物、杂环化合物、碳环化合物、==N—N、==S、C≡N、C—N、C—Si、—OH、—SH、—NH2、、—CHO、—N==N—等。臭氧破坏和去除废水中污染物的作用已被广泛研究,对有机物臭氧化的产物也有不少研究报导。研究表明,理论上臭氧能把有机物和无机物氧化到它们的最高氧化态,但这受到反应的选择性和臭氧在水中自身迅速分解的影响。通常来说,臭氧很少将有机物完全无机化氧化成二氧化碳和水,而是生成一系列中间产物,这些中间产物是分子中含有更多氧的有机酸、醛、酮等物质,要将有机物彻底氧化成无机物需要加入足够的臭氧量,工程上由于投资和运行费用太高,往往不可行,因此,本方案只是将臭氧作为预氧化,后续大部分的污染物去除是通过高效的生化装置实现。臭氧氧化具有以下优点:

(1)臭氧作为高效的无二次污染的氧化剂,是常用氧化剂中氧化能力最强的(O3>ClO2>Cl2>NH2Cl),其氧化能力是氯的2倍,能够氧化分解水中的有机物,氧化去除无机还原物质,具有较强的脱色、脱嗅能力。

(2)臭氧能将水中不易降解的大分子有机物氧化分解为小分子有机物,并向水中充氧使水中溶解氧增加,为后续好氧生化处理的曝气生物滤池提供了更好的条件。

(3)相对于氯系氧化剂,臭氧氧化具有毒性低,操作简单的特点,而且残留的臭氧在水中很容易转化为氧气,它不会带入有毒有害的化合物。

(4)臭氧氧化处理过程无污泥产生,且由于臭氧所需的反应时间较短,所需空间小,现场使用容易。

在臭氧氧化处理过程中,其处理效果的好坏关键在于臭氧的投加量及臭氧的氧化效率。虽然臭氧是一种高效、清洁的氧化剂,但由于其在实际应用中氧化效率低,而为了达到处理要求,需要投加大量臭氧,使得设备投资和能耗较高,从而限制了它的推广应用。因此,为了降低臭氧氧化处理成本,实现在较低臭氧投加量下达到较好的处理效果就成为关键,即要提高臭氧的氧化效率。

根据臭氧氧化机理,要提高臭氧氧化效率,关键有两点:一是要提高臭氧与废水的混合度;二是要提高臭氧与污染物的反应速率。目前,在臭氧与废水的接触反应装置中,主要采用曝气管、曝气头、气水混合器等设备实现臭氧与废水的混合,其反应装置内部为空池,难以实现臭氧与废水的充分混合,使得臭氧利用率较低,且臭氧容易逸散到大气中,造成二次污染。为了提高臭氧反应速率,对臭氧进行催化氧化是关键,而传统的方法是向废水中加入均相催化剂,即催化剂配成溶液,加入废水中,然后通入臭氧进行催化反应。然而,该方法的催化剂容易流失、难以重复使用,且增加了废水中的物质。

针对目前常规催化剂的缺陷,我司联合华南理工大学,经过5年的时间研制出了一种新型臭氧催化剂。该新型臭氧催化剂采用专利授权方法进行制备。该制备方法利用常规的生产方法制成或筛选催化剂载体,以保证合成后催化剂的机械强度,同时节省了生产催化剂原料(即活性组分)的用量。本方法制备为固态粒状催化剂,由于催化剂载体和活性组分组成皆以无机盐类为主,物料性质相近,因此其附着强度高;同时通过烘干烧结成型,保证了该催化剂活性组分的高利用率,制备的固态粒状催化剂可以重复使用,从而减少二次污染,降低臭氧氧化运行成本,并且可以实现大规模的工业化生产。

该新型臭氧催化剂主要可以从以下两个方面提升处理效果:(1)在催化剂的参与下,臭氧与废水的接触时间增长,有效提高传质效率,减少臭氧的投加量,从而减少投资与运行成本;(2)本催化剂可以提升羟基自由基的产量,作为强氧化性的羟基自由基能够氧化一部分难以生物降解的COD,而这部分COD是臭氧分子无法直接氧化分解的。因此,通过臭氧催化剂的参与,配合我方设计的臭氧催化氧化池,可以有效提升废水的可生化性(B/C为0.25-0.5)、脱除废水色度、降低投资运行成本,同时也可以为进一步深度的生化处理打下基础。