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臭氧微气泡处理有机废水的效果与机制

发布日期:2021-09-08 17:22 浏览次数:

臭氧微气泡处理有机废水的效果与机制
 
杜明辉,王勇,高群丽,张耀宗,孙晓明
(1中国环境科学研究院国家环境保护生态工业重点实验室,北京100012;2华北理工大学建筑与土木工程学院,河北唐山063000)
 
        石化、纺织、造纸、制药等行业废水是典型的难降解有机废水,其中酚类、环烷酸类和多环芳烃类等污染物不但难被生物降解而且具有生物毒性,很难用常规水处理工艺去除。臭氧氧化技术是一种无二次污染的清洁型有机废水处理技术,但在工程应用中存在臭氧传质效率差等问题,导致臭氧利用率低、耗费大量资源和能源。微气泡直径通常小于50um,与常规曝气气泡相比具有比表面积大、上升速度慢、在等特性,在水体净化、浮选、水产养殖等领域都有较多应用和研究。将臭氧微气泡释放到废水中可有效强化传质,在降解污染物的同时减少臭氧使用量和反应时间,降低投资和运行成本,是提升臭氧氧化效率的有效方式。
 
        本研究以苯酚配置模拟有机废水,通过臭氧微气泡与曝气头所产生的常规气泡分别进行臭氧氧化,并且对比了在氧化有机物过程中的气泡形态和氧化效果,之后,基于两种曝气方式在有机物降解过程中的差异,从臭氧传质与分解特性和自由基生成的角度进一步研究,最后结合经典模型对气泡直径和界面压力之间的关系进行了理论分析,以期为臭氧微气泡在有机废水处理的实际应用提供参考和理论基础。
 
实验材料
臭氧由北京同林生产的3S-T5型臭氧发生器制备,以纯氧(99.99%)为气源;实验用苯酚以及叔丁醇(TBA)为分析纯,购于国药集团化学试剂有限公司;实验用水为去离子水。
 
实验装置
实验装置如图所示,臭氧通过浓度检测器(3S-J5000,北京同林)后进入微气泡发生器,产生的微气泡通入反应器底部释放,反应器设计为密闭的有机玻璃容器,直径10cm,高80cm,有效容积6L。反应后的尾气通过干燥器(硅酸盐)去除水分以消除对后续臭氧浓度检测的影响,最后经臭氧破坏器后排出。实验过程中通过气体流量计检测进气及尾气流量,通过气体调节阀控制流量。
实验装置示意图
 
 
检测方法
通过数码显微镜对臭氧微气泡进行拍摄并使用Nano Measurer1.2软件对图片进行分析;采用COD快速测定仪测定COD浓度;采用液相臭氧测量计(Palintest)测定液相臭氧浓度;采用臭氧浓度检测器(3S-J5000,北京同林)测定气相臭氧浓度;采用紫外-可见分光光度计对水样进行紫外光谱扫描。
 
结论
(1)处理有机废水过程中的微气泡粒径在5~40um之间,平均粒径为20.37um;粒径为15~20um的气泡数量最多,占比为38%,分别是孔径1um曝气头和100um曝气头产生气泡的1/49.09和1/245.46。。
(2)臭氧浓度为120mg/L、流量为75mL/min,采用臭氧微气泡处理初始浓度为51.2mg/L的有机废水,40min后COD去除率达到89%,氧化反应速率分别是1um曝气头的1.59倍,是100um曝气头的3.61倍,COD/O3为0.626,臭氧利用率达到了99.19%以上,反应后,大部分有机物被氧化,共扼体系被完全破坏,最终产物为小分子烃和羧酸
(3)臭氧流量为75mL/min时,微气泡的传质系数为0.2065,是1um曝气头的2.03倍;微气泡可促进臭氧分子分解,分解系数达到0.0702,是1um曝气头的2.83倍,微气泡消散后,臭氧分解系数降为0.0276,与常规气泡相当;臭氧微气泡促进了自由基的生成,屏蔽自由基后,40min时COD去除率下降了77%;实验中所采用的微气泡界面压力可达0.5824atm,这导致了臭氧微气泡与直径较大的气泡产生性质上的差异。
 
基金项目:  国家水体污染控制与治理科技重大专项( 2017ZX07402002)
第一作者:杜明辉(1991-10),男,硕士研究生,研究方向为水污染控制与废水资源化。E-mail:425490008@qq.com。
通信作者:孙晓明(1978-5),男,研究员,研究方向为水污染控制与废水资源化。E-mail:sunxm52@126.com。
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