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臭氧催化氧化工艺在实际工程中的应用
发布时间:2020-04-23
信息来源:中国城市建设研究院有限公司山东分院
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臭氧是一种强化剂,在水中有较高的氧化还原电位,氧化电位达到2.07 V,具有氧化能力较强、无二次污染、无化学污泥产生等优点。但其存在反应过程缓慢、选择性强的缺陷,导致在低剂量和短时间内不能完全矿化污染物,且分解生成的中间产物会阻止臭氧氧化进程,造成出水COD难以达标排放、运行费用高、臭氧利用率低等不足,限制了其进一步的推广与应用。

臭氧催化氧化是在系统中加入催化剂,诱发臭氧分子通过链反应分解成氧化性更强的羟基自由基(·OH)。·OH是一种氧化性很强的基团,其氧化电位为2.80 V,电子亲和能为569.3 kJ。在水处理过程中,弥补了臭氧氧化选择性强的缺陷,此外,·OH可以通过亲电加成、脱氢、电子转移的方式与污染物进行反应,反应程度比较彻底,可直接将难降解有机污染物氧化分解成CO2H2O。

目前,臭氧氧化工艺已获得较为广泛的应用,但对于臭氧催化氧化工艺运行情况的介绍相对较少。因此,选取代表性较强的菏泽S污水处理厂进行厂区各工段进出水COD数值分析,以探究臭氧催化氧化工艺的实际工程运行情况及效果。

一、厂区主体工艺及参数

菏泽S污水处理厂位于菏泽城区北部,其主要接纳上游医药园区内各制药企业出水及部分市政废水,总设计规模为8万m3/d,二期设计规模为4万m3/d,其中工业废水占比不低于45%。厂区原水水质如表1所示,出水COD执行不高于30 mg/L标准;其余指标执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A标准。

厂区工艺流程如图1所示:

 

1 厂区工艺流程图

1  厂区原水水质

二、运行效果

(一) 生化与混凝运行效果

为探究各工段运行效果,自2019年10月始,对厂区进行180天的运行监测,监测期间厂区进水及混凝工段出水COD变化曲线、生化工段及混凝工段COD去除率如图2所示。

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2 厂区原水、生化出水、混凝出水COD及各工段去除率变化曲线

a)厂区原水、生化出水、混凝出水COD变化曲线;(b)各工段COD去除率变化曲线

由图2可见,生化工段去除大部分有机物,大幅度降低了后续工段的负荷,但是由于厂区原水中含有上游医药园区内各制药企业尾水,其中多含有抗生素、医药中间体等对微生物有毒害物质或难降解物质,因此仅凭生化工艺难以保证出水的达标排放。另外,混凝工艺对溶解性COD及水中发色基团的去除率较低,对于原水中工业废水占比较大、生化出水中难降解有机物浓度较高情形,即使提高加药量,也无法满足出水COD和色度的稳定达标排放,且在这一过程中,造成运行成本与化学污泥产量的增加。

(二)臭氧催化氧化工艺运行效果

为满足厂区污水COD和色度的达标排放,将混凝沉淀出水通入臭氧催化氧化-活性炭滤池工段,臭氧投加量为7-11 mg/L,氧化时间为15-20 min;活性炭滤池反应时间为15 min。由图3可见,经臭氧催化氧化后,出水COD降至19-56 mg/L范围内,均值为35 mg/L,工段COD去除率均值为24%,出水色度不高于30倍;经活性炭滤池后,出水COD降至14-29 mg/L范围内,均值为24 mg/L,工段COD去除率均值为31%,出水色度不高于20倍。

分析原因:臭氧催化氧化系统中,存在臭氧直接氧化与羟基自由基间接氧化两种氧化途径,系统具有较高的氧化电位(羟基自由基为2.80 V),一方面,可以直接将一部分有机物进行矿化,将发色基团通过氧化去除,因此COD均值从46 mg/L降低至35 mg/L,色度降至30倍以内;另一方面,可以完成难降解大分子有机物的开环、断链,将其分解成易于生物降解的小分子有机物,在后续活性炭滤池中,活性炭填料上生长有生物膜,可通过活性炭吸附-生物膜的降解作用,将生成的小分子有机物去除,同时将活性炭吸附性能恢复。

此外,前段臭氧分解产生的富氧水,为后续的生物膜生长与生命活动提供充分的氧气,而活性炭上生物膜脱落后,被后续双层滤料滤池截留,避免了出水的生物学风险。因此,臭氧催化氧化工艺既可完成难降解有机物的矿化与分解,又为生物膜生长提供充足的氧气供给;此外,活性炭经过“吸附-降解-吸附”途径循环利用,完成小分子有机物的去除和活性炭的长期使用;最后,滤池避免了脱落生物膜进入出水,保证了出水水质,可做到有机物的高效去除与物料的长期利用。

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3 臭氧催化氧化及活性炭滤池出水COD及各工段去除率变化曲线

a)臭氧催化氧化及活性炭滤池出水COD变化曲线;(b)各工段COD去除率变化曲线

O3催化氧化工艺在实际工程中的应用不但为污水处理厂工艺升级改造提供了新思路,还具有通过低能、高效的治理方式完成污水处理、促进产业结构的优化升级,减少污染物排放、提升流域生态环境的显著社会效益