如何提高臭氧反應器的混合效率

      由于臭氧反應器的傳質(zhì)阻力和氣相向水相的溶解受限，為了延長臭氧反應器在水中的HRT和提高傳質(zhì)系數(shù)，在臭氧反應器的設計上做了大量的工作。表10列出了廢水處理中臭氧化反應器的設計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，評價了其效果(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)生宏觀氣泡進行比較。結(jié)果表明，微泡臭氧法對COD、NH4 +-N、UV254的去除率分別比大泡臭氧法高25%、9%、35%。這是由于反應器內(nèi)微泡的HRT延長，微泡臭氧從氣態(tài)向水相的傳質(zhì)增強，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。

      觀察到的促進作用還可以歸因于由臭氧反應器調(diào)節(jié)的確定的氣態(tài)和液態(tài)運動。 Gogate等。 （2014年）描述了一種新型的組合反應器OzonixTM，它利用臭氧在水和廢水處理中的協(xié)同作用，水力空化，聲空化和電化學氧化/沉淀作用（圖10B）。混合動力OzonixTM反應堆是一個獨立的53英尺長的移動拖車，帶有車載柴油發(fā)電機和全自動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。作者還測試了OzonixTM在3年期間對Fayetteville頁巖282口井中776份細菌樣品的效率（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％，表明該雜交反應器具有優(yōu)異的微生物滅活能力。

表10：很近針對臭氧化反應器的研究

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.健康風險評估:減少每天接觸地表水的致癌物質(zhì)總量。

b.細菌滅活: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，催化臭氧氧化對亞甲基藍的很佳脫色率為0.255 min-1。

f.準一級反應速率:催化臭氧氧化鄰苯二酚的反應速率為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)速從150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:臭氧反應器、微泡反應器(A)、雜化反應器(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:帶超聲波的主反應器容器，4:基于電化學的很后階段。

      其他幾個工業(yè)臭氧化反應器，包括多孔擴散器接觸池、Raschig環(huán)接觸塔、改進渦式擴散器、Gagnaux重復擴散器、Van der - welsbach擴散器、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)臭氧氣體的流動方式，延長其HRT，在托里塞利接觸槽中植入2米高的擋板和10 - 12米高的進出水管，如圖10C所示?；煊谐粞鯕怏w的廢水通過較長的進水管送入反應器，沿擋板固定方向流動，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，因為從水相釋放的殘余臭氧是在壓力下的反應器根據(jù)亨利定律。在這種情況下，根據(jù)能斯特方程，通過增加溶解度可以增強臭氧的實際氧化電位。Otto-de Frise和Siemens-Otto臭氧接觸器均配置了向下流動和長距離Otto射流曝氣器(圖10D)，延長了臭氧與水的接觸時間，提高了臭氧的利用效率(Chu等，2002)。

      例如，采用臭氧反應和紫外線照射的中試規(guī)模流化床反應器(FBR)的設計(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(即通風管、擋板和漏斗內(nèi)部)安裝在FBR被用來控制流模式,從而產(chǎn)生內(nèi)部循環(huán)的液體和氣體,從而減少無效卷FBR而延長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,總苯并[a]芘(BaP)毒性當量濃度(TEQBaP)是減少從0.65±0.08μg / l(影響)到0.41±0.06μg / l(廢水),對應于0.432克/天減少致癌物質(zhì)。

      先進的臭氧化反應器PCD在飲用水和廢水處理中引起了廣泛的關注。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生成位點的主要界面，Ajo等(2015)報道了在實驗室規(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草酸鹽進行臭氧化處理。如圖12所示，電暈放電室由線板電極組裝，連接到脈沖重復頻率為200-840脈沖每秒的脈沖功率發(fā)生器上。運行過程中，溶液通過排放區(qū)淋浴，產(chǎn)生臭氧(同時產(chǎn)生˙OH等其他活性物質(zhì))，同時對水滴進行凈化。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程中˙OH的利用率增強。在草酸氧化過程中，˙OH的主要作用至少超過臭氧一個數(shù)量級。

      綜上所見，延長溶液中臭氧的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相結(jié)合來加速臭氧的溶解和利用效率，對于實際應用具有重要意義。