如何提高臭氧反應(yīng)器的混合效率

 

      由于臭氧反應(yīng)器的傳質(zhì)阻力和氣相向水相的溶解受限，為了延長(zhǎng)臭氧反應(yīng)器在水中的HRT和提高傳質(zhì)系數(shù)，在臭氧反應(yīng)器的設(shè)計(jì)上做了大量的工作。表10列出了廢水處理中臭氧化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作性能的很新研究成果。

 

      以微泡-臭氧(平均直徑45 μm)和大泡-臭氧(平均直徑1 mm)處理難處理腈綸廢水為例，評(píng)價(jià)了其效果(Zheng et al. 2015)。如圖10A所示，使用TCRI微氣泡發(fā)生器產(chǎn)生微氣泡，而使用40 μm微孔鈦板產(chǎn)生宏觀氣泡進(jìn)行比較。結(jié)果表明，微泡臭氧法對(duì)COD、NH4 +-N、UV254的去除率分別比大泡臭氧法高25%、9%、35%。這是由于反應(yīng)器內(nèi)微泡的HRT延長(zhǎng)，微泡臭氧從氣態(tài)向水相的傳質(zhì)增強(qiáng)，從而使溶解臭氧濃度升高，從而有利于˙OH生成。結(jié)果表明，微氣泡臭氧氧化的氣含率、臭氧傳質(zhì)系數(shù)和臭氧利用效率分別比大氣泡臭氧氧化高6.6倍、2.2倍和1.5倍。

 

      觀察到的促進(jìn)作用還可以歸因于由臭氧反應(yīng)器調(diào)節(jié)的確定的氣態(tài)和液態(tài)運(yùn)動(dòng)。 Gogate等。 （2014年）描述了一種新型的組合反應(yīng)器OzonixTM，它利用臭氧在水和廢水處理中的協(xié)同作用，水力空化，聲空化和電化學(xué)氧化/沉淀作用（圖10B）。混合動(dòng)力OzonixTM反應(yīng)堆是一個(gè)獨(dú)立的53英尺長(zhǎng)的移動(dòng)拖車，帶有車載柴油發(fā)電機(jī)和全自動(dòng)PLC控制。很重要的部分是臭氧注入?yún)^(qū)，其中臭氧氣體可以沿著管道內(nèi)的水流注入。隨后，由聲空化產(chǎn)生的湍流可以增強(qiáng)臭氧的溶解。在這種情況下，結(jié)果是可以消除臭氧傳質(zhì)的限制。作者還測(cè)試了OzonixTM在3年期間對(duì)Fayetteville頁(yè)巖282口井中776份細(xì)菌樣品的效率（Gogate等人2014）。結(jié)果表明，產(chǎn)酸菌的抑菌率為96.5％，硫酸鹽還原菌的抑菌率為97.5％，表明該雜交反應(yīng)器具有優(yōu)異的微生物滅活能力。

 

表10：很近針對(duì)臭氧化反應(yīng)器的研究

a.Health risk assessment: the reduction of total carcinogenic substance exposure to surface water per day.

b.Bacteria inactivation: 97.5% for sulfate-reducing bacteria reduction.

c.Mass-transfer coefficient: the MTC of microbubble-ozonation was 2.2 times higher than that of macrobubble-ozonation.

d.Oxalate oxidation rate: the degradation rate of oxalate was 0.01 mg/(l s) in PCD reactor, while the reaction rate of oxalate with ozone was0.00058 mg/(l s).

e.Decolorization: the best performance of decolorization rate of methylene blue was 0.255 min-1 using catalytic ozonation under pH 9.

f.Pseudo-first order reaction rate: the reaction rate of catechol by catalytic ozonation was 0.0839 min-1 which was 6.8 times as big as noncatalyticozonation.

g.Microporous tube-in-tube microchannel reactor.

h.The overall volumetric mass-transfer coefficient increased from 2.7 to 3.5 s-1 with pH rising from 3 to 9.

i.The overall volumetric mass-transfer coefficient increased from 0.054 to 0.111 s-1 with the increase of rotation speed from 150 to 1400 rpm.
a.健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估:減少每天接觸地表水的致癌物質(zhì)總量。

b.細(xì)菌滅活:硫酸鹽還原菌還原率為97.5%。

c.傳質(zhì)系數(shù):微泡臭氧氧化的MTC比大泡臭氧氧化的MTC高2.2倍。

d.草酸鹽的氧化速率:在PCD反應(yīng)器中草酸鹽的降解速率為0.01 mg/(l s)，草酸鹽與臭氧的反應(yīng)速率為0.00058 mg / l (s)。

e.脫色:在pH為9的條件下，催化臭氧氧化對(duì)亞甲基藍(lán)的很佳脫色率為0.255 min-1。

f.準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)速率:催化臭氧氧化鄰苯二酚的反應(yīng)速率為0.0839 min-1，是非催化臭氧氧化的6.8倍。

g.微孔管中管式微通道反應(yīng)器。

h.隨著pH值從3增加到9，總體積傳質(zhì)系數(shù)從2.7增加到3.5 s-1。

i.隨著轉(zhuǎn)速?gòu)?50轉(zhuǎn)增加到1400轉(zhuǎn)，整體容積傳質(zhì)系數(shù)由0.054增加到0.111 s-1。

 

圖10:臭氧反應(yīng)器、微泡反應(yīng)器(A)、雜化反應(yīng)器(B)、托里塞利接觸池(C)、奧托噴射曝氣器(D)的結(jié)構(gòu)示意圖[(A)取自Zheng等人2015年，(B)取自Gogate等人2014年，(C)和(D)的原圖由我們完成。圖(B) 1:水力空化;2:臭氧注入?yún)^(qū)，3:帶超聲波的主反應(yīng)器容器，4:基于電化學(xué)的很后階段。

 

      其他幾個(gè)工業(yè)臭氧化反應(yīng)器，包括多孔擴(kuò)散器接觸池、Raschig環(huán)接觸塔、改進(jìn)渦式擴(kuò)散器、Gagnaux重復(fù)擴(kuò)散器、Van der - welsbach擴(kuò)散器、Torricelli接觸池、Otto噴射曝氣器和yonkersonic超聲波混合器，也已用于工業(yè)廢水的后期處理(Chu等，2002年)。以托里塞利接觸槽為例，為了調(diào)節(jié)臭氧氣體的流動(dòng)方式，延長(zhǎng)其HRT，在托里塞利接觸槽中植入2米高的擋板和10 - 12米高的進(jìn)出水管，如圖10C所示?；煊谐粞鯕怏w的廢水通過(guò)較長(zhǎng)的進(jìn)水管送入反應(yīng)器，沿?fù)醢骞潭ǚ较蛄鲃?dòng)，很大流速為160mm /s。特別是，在這種情況下，臭氧的溶解度可以增加，因?yàn)閺乃噌尫诺臍堄喑粞跏窃趬毫ο碌姆磻?yīng)器根據(jù)亨利定律。在這種情況下，根據(jù)能斯特方程，通過(guò)增加溶解度可以增強(qiáng)臭氧的實(shí)際氧化電位。Otto-de Frise和Siemens-Otto臭氧接觸器均配置了向下流動(dòng)和長(zhǎng)距離Otto射流曝氣器(圖10D)，延長(zhǎng)了臭氧與水的接觸時(shí)間，提高了臭氧的利用效率(Chu等，2002)。

 

      例如，采用臭氧反應(yīng)和紫外線照射的中試規(guī)模流化床反應(yīng)器(FBR)的設(shè)計(jì)(圖11)旨在降低生物處理焦化廢水的毒性(Lin et al. 2014a)。內(nèi)部組件(即通風(fēng)管、擋板和漏斗內(nèi)部)安裝在FBR被用來(lái)控制流模式,從而產(chǎn)生內(nèi)部循環(huán)的液體和氣體,從而減少無(wú)效卷FBR而延長(zhǎng)荷爾蒙替代療法的臭氧氣體,增加臭氧傳質(zhì)和臭氧的利用率從化學(xué)工程的角度(Zhang et al . 2012年)。FBR采用不銹鋼制造，總有效容積1.3 m3，幾何尺寸? 1.2 m × 3.0 m。臭氧的反應(yīng)條件下交付率240 g / h,初始pH值6.5 - -7.5,2 h的荷爾蒙替代療法,和污水流量在1立方米/小時(shí),總苯并[a]芘(BaP)毒性當(dāng)量濃度(TEQBaP)是減少?gòu)?.65±0.08μg / l(影響)到0.41±0.06μg / l(廢水),對(duì)應(yīng)于0.432克/天減少致癌物質(zhì)。

 

      先進(jìn)的臭氧化反應(yīng)器PCD在飲用水和廢水處理中引起了廣泛的關(guān)注。PCD的卓越新穎之處在于可以原位生成氧化劑(例如臭氧和˙OH)，并避免臭氧從常規(guī)臭氧發(fā)生器輸送到臭氧反應(yīng)器(Kornev et al. 2014, Ajo et al. 2015)。由于氣液接觸面是臭氧傳質(zhì)和˙OH生成位點(diǎn)的主要界面，Ajo等(2015)報(bào)道了在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的PCD中，從優(yōu)化不同放電功率下的接觸面面積的角度對(duì)草酸鹽進(jìn)行臭氧化處理。如圖12所示，電暈放電室由線板電極組裝，連接到脈沖重復(fù)頻率為200-840脈沖每秒的脈沖功率發(fā)生器上。運(yùn)行過(guò)程中，溶液通過(guò)排放區(qū)淋浴，產(chǎn)生臭氧(同時(shí)產(chǎn)生˙OH等其他活性物質(zhì))，同時(shí)對(duì)水滴進(jìn)行凈化。結(jié)果表明，很佳接觸面積隨放電功率的增加呈線性增加，表明在草酸鹽氧化過(guò)程中˙OH的利用率增強(qiáng)。在草酸氧化過(guò)程中，˙OH的主要作用至少超過(guò)臭氧一個(gè)數(shù)量級(jí)。

 

      綜上所見，延長(zhǎng)溶液中臭氧的HRT、提高溶液分壓、提高氣液混合程度、將臭氧原位生成與凈化反應(yīng)相結(jié)合來(lái)加速臭氧的溶解和利用效率，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。