臭氧微氣泡處理有機(jī)廢水的效果與機(jī)制

 

杜明輝，王勇，高群麗，張耀宗，孫曉明

（1中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012；2華北理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，河北唐山063000）

 

        石化、紡織、造紙、制藥等行業(yè)廢水是典型的難降解有機(jī)廢水，其中酚類、環(huán)烷酸類和多環(huán)芳烴類等污染物不但難被生物降解而且具有生物毒性，很難用常規(guī)水處理工藝去除。臭氧氧化技術(shù)是一種無二次污染的清潔型有機(jī)廢水處理技術(shù)，但在工程應(yīng)用中存在臭氧傳質(zhì)效率差等問題，導(dǎo)致臭氧利用率低、耗費(fèi)大量資源和能源。微氣泡直徑通常小于50um，與常規(guī)曝氣氣泡相比具有比表面積大、上升速度慢、在等特性，在水體凈化、浮選、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域都有較多應(yīng)用和研究。將臭氧微氣泡釋放到廢水中可有效強(qiáng)化傳質(zhì)，在降解污染物的同時減少臭氧使用量和反應(yīng)時間，降低投資和運(yùn)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擬有機(jī)廢水，通過臭氧微氣泡與曝氣頭所產(chǎn)生的常規(guī)氣泡分別進(jìn)行臭氧氧化，并且對比了在氧化有機(jī)物過程中的氣泡形態(tài)和氧化效果，之后，基于兩種曝氣方式在有機(jī)物降解過程中的差異，從臭氧傳質(zhì)與分解特性和自由基生成的角度進(jìn)一步研究，很后結(jié)合經(jīng)典模型對氣泡直徑和界面壓力之間的關(guān)系進(jìn)行了理論分析，以期為臭氧微氣泡在有機(jī)廢水處理的實(shí)際應(yīng)用提供參考和理論基礎(chǔ)。

 

實(shí)驗(yàn)材料

臭氧由北京同林生產(chǎn)的3S-T5型臭氧發(fā)生器制備，以純氧（大部分）為氣源；實(shí)驗(yàn)用苯酚以及叔丁醇（TBA）為分析純，購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

 

實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，臭氧通過濃度檢測器（3S-J5000，北京同林）后進(jìn)入微氣泡發(fā)生器，產(chǎn)生的微氣泡通入反應(yīng)器底部釋放，反應(yīng)器設(shè)計(jì)為密閉的有機(jī)玻璃容器，直徑10cm，高80cm，有效容積6L。反應(yīng)后的尾氣通過干燥器（硅酸鹽）去除水分以消除對后續(xù)臭氧濃度檢測的影響，很后經(jīng)臭氧破壞器后排出。實(shí)驗(yàn)過程中通過氣體流量計(jì)檢測進(jìn)氣及尾氣流量，通過氣體調(diào)節(jié)閥控制流量。

 

 

檢測方法

通過數(shù)碼顯微鏡對臭氧微氣泡進(jìn)行拍攝并使用Nano Measurer1.2軟件對圖片進(jìn)行分析；采用COD快速測定儀測定COD濃度；采用液相臭氧測量計(jì)（Palintest）測定液相臭氧濃度；采用臭氧濃度檢測器（3S-J5000，北京同林）測定氣相臭氧濃度；采用紫外-可見分光光度計(jì)對水樣進(jìn)行紫外光譜掃描。

 

結(jié)論

（1）處理有機(jī)廢水過程中的微氣泡粒徑在5~40um之間，平均粒徑為20.37um；粒徑為15~20um的氣泡數(shù)量很多，占比為38%，分別是孔徑1um曝氣頭和100um曝氣頭產(chǎn)生氣泡的1/49.09和1/245.46。。

（2）臭氧濃度為120mg/L、流量為75mL/min，采用臭氧微氣泡處理初始濃度為51.2mg/L的有機(jī)廢水，40min后COD去除率達(dá)到89%，氧化反應(yīng)速率分別是1um曝氣頭的1.59倍，是100um曝氣頭的3.61倍，COD/O3為0.626，臭氧利用率達(dá)到了99.19%以上，反應(yīng)后，大部分有機(jī)物被氧化，共扼體系被完全破壞，很終產(chǎn)物為小分子烴和羧酸

（3）臭氧流量為75mL/min時，微氣泡的傳質(zhì)系數(shù)為0.2065，是1um曝氣頭的2.03倍；微氣泡可促進(jìn)臭氧分子分解，分解系數(shù)達(dá)到0.0702，是1um曝氣頭的2.83倍，微氣泡消散后，臭氧分解系數(shù)降為0.0276，與常規(guī)氣泡相當(dāng)；臭氧微氣泡促進(jìn)了自由基的生成，屏蔽自由基后，40min時COD去除率下降了77%；實(shí)驗(yàn)中所采用的微氣泡界面壓力可達(dá)0.5824atm，這導(dǎo)致了臭氧微氣泡與直徑較大的氣泡產(chǎn)生性質(zhì)上的差異。

 

基金項(xiàng)目：  國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（ 2017ZX07402002）

第一作者：杜明輝（1991-10），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗廴究刂婆c廢水資源化。E-mail：425490008@qq.com。

通信作者：孫曉明（1978-5），男，研究員，研究方向?yàn)樗廴究刂婆c廢水資源化。E-mail:sunxm52@126.com。