1. Coneixements bàsics de l'ozó
L'ozó, amb la fórmula molecular O3, és un al·lòtrop de l'oxigen (O2). Una molècula d'ozó consta de tres àtoms d'oxigen, un dels quals està connectat amb els altres dos per un únic enllaç. L'ozó és considerat un "químic verd", un fort oxidant amb quatre funcions principals: esterilització, decoloració, oxidació i desodorització. També compta amb avantatges com l'absència de residus i la contaminació secundària, la qual cosa la converteix en una matèria primera industrial verda respectuosa amb el medi ambient.
L'ozó té un poder oxidant extremadament fort, amb un potencial redox de 2,07 mV. L'ozó oxida la matèria orgànica de dues maneres: en primer lloc, les molècules d'ozó oxiden selectivament la matèria orgànica directament, és a dir, oxidació directa, però la velocitat de reacció és relativament lenta; en segon lloc, oxida ràpidament la matèria orgànica de manera no-selectiva a través dels radicals hidroxil (·OH) generats per la seva pròpia descomposició, és a dir, oxidació indirecta. En les reaccions de tractament d'aigua reals, l'eficiència de l'ozó en l'eliminació de la matèria orgànica és la superposició d'oxidació directa i indirecta, i la mesura en què aquestes dues reaccions procedeixen depèn de diferents condicions de reacció. L'oxidació indirecta també es coneix com a tecnologia d'oxidació avançada.
2. Preparació de l'ozó
L'ozó es pot preparar mitjançant diferents mètodes. En el camp del tractament d'aigües, s'utilitza habitualment la descàrrega silenciosa d'alta tensió-. Les matèries primeres per a la producció d'ozó són principalment l'aire o l'oxigen. Quan s'utilitza l'aire com a font de gas, el contingut d'ozó només és d'un 1%, mentre que quan s'utilitza oxigen, la concentració d'ozó pot arribar al 10% (en massa) o més.
3. Tecnologia avançada d'oxidació d'ozó
La tecnologia d'oxidació d'ozó únic té limitacions importants: l'ozó únic no pot oxidar alguns compostos orgànics recalcitrants, com el cloroform; L'oxidació d'ozó única no pot descompondre completament la matèria orgànica en diòxid de carboni i aigua, i és difícil aconseguir una alta eficiència d'eliminació de COD. La tecnologia avançada d'oxidació de l'ozó, també coneguda com a tecnologia d'oxidació profunda, es caracteritza per la generació de radicals hidroxil altament oxidants (·OH) (el potencial redox dels radicals hidroxil (·OH) és de 2,80 V, només per darrere del fluor). En condicions de reacció com ara alta temperatura, alta pressió, electricitat, so, irradiació de llum i catalitzadors, oxida molècules orgàniques grans i recalcitrants en molècules petites-toxices o no-tòxiques.
1) Tecnologia d'oxidació de l'ozó fotocatalítica
L'oxidació fotocatalítica de l'ozó no utilitza l'ozó per reaccionar directament amb la matèria orgànica. En canvi, utilitza l'oxidant secundari actiu (·OH) generat per la descomposició de l'ozó sota llum ultraviolada per oxidar la matèria orgànica. Només la reacció entre l'ozó i la matèria orgànica és selectiva i no pot descompondre completament la matèria orgànica en diòxid de carboni i aigua. Per millorar la taxa d'oxidació i l'eficiència de l'ozó, s'han d'adoptar altres mesures per afavorir la descomposició de l'ozó per generar ·OH actiu.
2) Tecnologia d'oxidació d'ozó catalítica homogènia
Els catalitzadors utilitzats en l'ozonització catalítica homogènia són generalment metalls de transició, com ara Fe(II), Mn(II), Ni(II), Co(II), Cd(II), Cu(II), Ag(I), Cr(III) i Zn(II). L'addició precisa (micro-dosi, nivell de ppb) d'ions catalitzadors d'ozó-a les aigües residuals s'aconsegueix mitjançant el control de potència, completant la reacció d'oxidació avançada que genera radicals hidroxil per eliminar els contaminants orgànics recalcitrants de les aigües residuals.
3) Tecnologia d'oxidació d'ozó catalítica heterogènia
Aquesta tecnologia normalment utilitza un transportador oxidant sòlid (sovint compost d'alúmina o zeolita sintètica). Sota l'acció d'un catalitzador, l'ozó es descompon per generar radicals hidroxil (·OH) altament oxidants, degradant així els contaminants orgànics de l'aigua.
4. Aplicació real
La depuradora municipal està dissenyada per gestionar 100.000 tones/dia, però la seva capacitat de tractament real és de 90.000 tones/dia. Per complir amb els estàndards d'emissió de COD (menys o igual a 40 mg/L), s'utilitza la tecnologia d'oxidació d'ozó catalítica homogènia, que empra tres generadors d'ozó (cadascun amb una capacitat de 42 kg/h, dos en funcionament i un en espera). El flux del procés és el següent: generador d'ozó → genera gas d'ozó → el transporta per canonades fins a l'entrada de la bomba de raig → es dissol a les aigües residuals mitjançant injecció de raig → genera ·OH sota l'acció d'un catalitzador homogeni → completa la reacció d'oxidació al tanc d'oxidació catalítica de l'ozó.
1) Rendiment de degradació i decoloració del COD
Capacitat de tractament d'aigües residuals: 90.000 tones/dia. Actualment, un generador d'ozó està en funcionament, fixat a 40 kg/h, amb una velocitat de producció real de 34 kg/h (cab d'ozó x concentració d'ozó). La dosi d'ozó és de 9,1 mg/L. D'aquesta manera es redueix el DQO de 45 a 30 mg/L i el color de 40 a 5, aconseguint el compliment de l'efluent amb la "Norma d'abocament de contaminants principals d'aigua per a estacions de tractament d'aigües residuals urbanes" (DB33/2169-2018).
2) Consum d'energia
Si bé l'ozó és conegut per les seves propietats ecològiques i respectuoses amb el medi ambient, l'elevat consum d'energia i els costos operatius associats a la seva producció són innegables. Quan s'utilitza l'aire com a font de gas, el consum d'energia és d'aproximadament 20 kWh/kg d'ozó; quan s'utilitza oxigen com a font de gas, el consum d'energia és d'aproximadament 10 kWh/kg d'ozó. Segons el funcionament real-del lloc, el consum d'energia és de 13 kWh/kg d'ozó a l'estiu i 11 kWh/kg d'ozó a l'hivern. A causa de les altes temperatures exteriors a l'estiu, es necessita un refrigerador per refredar el generador d'ozó, mentre que a l'hivern només s'ha d'encendre l'intercanviador de calor de plaques per garantir un funcionament normal.
