臭氧催化氧化技術(shù)在煉化行業(yè)污水處理中的應(yīng)用探究

宋俊馳

摘要：臭氧催化氧化技術(shù)具有反應(yīng)快、效率高、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，在行業(yè)污水處理方面有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值。但該技術(shù)同樣具有電耗高、成本高的弊端，因此在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行優(yōu)化，才能充分發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)作用。對(duì)此，本文在簡(jiǎn)要闡述臭氧催化氧化作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，以某工廠為例，探討了其在煉化行業(yè)污水處理中的應(yīng)用要點(diǎn)，以期為相關(guān)主體提供有益思考與啟示。

關(guān)鍵詞：臭氧催化氧化技術(shù)；作用機(jī)理；應(yīng)用要點(diǎn)

臭氧催化氧化技術(shù)是一種優(yōu)勢(shì)顯著、應(yīng)用范圍廣的污水深度處理技術(shù)，也是當(dāng)前工業(yè)污水處理中的一大研究熱點(diǎn)，尤其是關(guān)于催化劑制備、作用機(jī)理、應(yīng)用流程等方面更是研究重點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的以臭氧作為單獨(dú)氧化劑的方法，催化劑加持下臭氧所形成的·OH與有機(jī)物之間能夠發(fā)生更為強(qiáng)烈、更為充分的氧化反應(yīng)，可以說(shuō)是一種“無(wú)死角”的氧化，甚至包括小分子有機(jī)酸、醛等，能夠全面提升污TOC去除率。因此，加強(qiáng)臭氧催化氧化作用機(jī)理的研究，在全面掌握其影響因素、反應(yīng)重點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相關(guān)的實(shí)踐探索，無(wú)疑具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)價(jià)值。

一、臭氧催化氧化的作用機(jī)理

臭氧催化氧化作為全新的污水深度處理技術(shù)，有效解決了臭氧單獨(dú)氧化技術(shù)的許多弊病和缺點(diǎn)，全面提升了污水處理能力。簡(jiǎn)單來(lái)講，該技術(shù)就是利用催化劑使臭氧與水發(fā)生反應(yīng)并形成大量·OH，然后借助·OH的強(qiáng)氧化性實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的氧化講解，最終達(dá)到除污的目的。臭氧催化氧化具有穩(wěn)定性高、降解率高、降解全面、無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)，因此具有非常廣闊的應(yīng)用前景。目前，根據(jù)催化劑性質(zhì)不同，臭氧催化氧化主要分為均相催化氧化和非均相催化兩類，具體如下：

（一）均相催化氧化

這種催化類型，就是以水體中游離離子作為催化劑的一種方法。具體來(lái)講，就是部分主族金屬元素和過(guò)渡金屬元素，在離子狀態(tài)下被引入污水中，以達(dá)到提高臭氧氧化速率的目的，能夠有效降低臭氧消耗量，同時(shí)提高降解效率。均相催化氧化的作用機(jī)理主要有兩種，一種是水體中離子具有催化劑同等功效，能夠加快臭氧分解，最終通過(guò)臭氧分解后產(chǎn)生的-OH達(dá)到降解有機(jī)物的目的；一種是水體中離子與有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，最終被氧化，具有催化功能的水體離子主要有Mn2+、Fe2+、Zn2+等。

（二）非均相催化氧化

這種催化類型，就是以利用固態(tài)金屬、金屬氧化物作為催化劑的一種方法。在催化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)催化空間，一個(gè)是催化劑表面，一個(gè)是水體中。就前者來(lái)講，臭氧和有機(jī)物會(huì)被同時(shí)吸附于催化劑表面，進(jìn)而集中發(fā)生催化氧化反應(yīng)，此過(guò)程就是典型的吸附狀態(tài)的氧化反應(yīng)。而就后者來(lái)講，處于游離狀態(tài)的臭氧、催化后形成的-OH和有機(jī)物會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，此過(guò)程屬于典型的非吸附狀態(tài)的氧化反應(yīng)。相比于均相催化氧化，這種氧化方法最顯著的優(yōu)勢(shì)就是催化劑損耗較小，能夠?qū)崿F(xiàn)二次利用，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生二次污染。

二、臭氧催化氧化技術(shù)在煉化行業(yè)污水處理中的應(yīng)用

在了解臭氧催化氧化作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，本文通過(guò)某煉油廠污水處理的優(yōu)化實(shí)踐，探討臭氧催化氧化技術(shù)在煉化行業(yè)污水處理中的應(yīng)用，具體如下：

（一）工藝流程

煉油廠生產(chǎn)時(shí)所產(chǎn)生的含油污水，要經(jīng)過(guò)專門的管線輸送，與生活污水一道送至專門的污水處理廠。隨后經(jīng)過(guò)提升泵處理后送至兩個(gè)獨(dú)立的生化處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)脈沖澄清池處理后，排入專門的臭氧催化氧化深度處理池，最后將其排放。工業(yè)污水在被傳送至污水處理廠后，要經(jīng)過(guò)沉砂池和初沉池進(jìn)行初步處理，隨后進(jìn)入水解酸化池，并利用提升泵將其傳至另外兩個(gè)獨(dú)立的生化處理系統(tǒng)，最后同樣被送入臭氧催化氧化深度處理池進(jìn)行最后的處理。

在深度處理池中，污水首先要經(jīng)過(guò)微絮凝砂處理，以去除其中的懸浮物和COD，隨后才能進(jìn)行臭氧催化氧化，最終達(dá)到降解COD的目的。當(dāng)然，只有在確保處理后的污水符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》后，才能與處理后的其他污水排放出去。

（二）工藝技術(shù)要點(diǎn)

通過(guò)歸納總結(jié)國(guó)內(nèi)臭氧催化氧化技術(shù)應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)，在結(jié)合煉油廠的實(shí)際，筆者認(rèn)為臭氧催化氧化深度處理工藝技術(shù)應(yīng)滿足以下條件：

第一，氧化能力強(qiáng)，能夠全面高效地降解有機(jī)污染物。

第二，有選擇合理的催化劑，確保氧化反應(yīng)的充分性，增強(qiáng)適用性。

第三，有機(jī)污染物最終降解為二氧化碳和水，避免發(fā)生二次污染。

第四，臭氧發(fā)生器所使用的能源要確保清潔干凈，避免發(fā)生二次污染。

第五，氧化反應(yīng)時(shí)間最好控制在半個(gè)小時(shí)之內(nèi)。

另外，在場(chǎng)地選擇上，臭氧催化氧化技術(shù)沒(méi)有太多的要求，各種規(guī)模的污水處理廠都能夠使用。

（三）催化劑的選擇

在確定好工藝流程和技術(shù)要點(diǎn)后，就要選擇相應(yīng)的催化劑，本文結(jié)合工廠實(shí)際，選用了多孔性無(wú)機(jī)材料載型催化劑，同時(shí)為了達(dá)到預(yù)期良好的的催化效果，選擇了不同大小的陶粒作為其載體。這種催化劑表面吸附有微小的晶體金屬和非晶體金屬，并形成了大量基團(tuán)，其中既有酸性的，也有堿性的，這就決定了催化劑具有吸附和催化的雙重功能。在這種催化劑的作用下，臭氧和有機(jī)物的反應(yīng)面積將得到進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)能夠有效激活臭氧氧化后生成的·OH活性，最終達(dá)到提高臭氧氧化效率，降低投放成本，提高去除率的目的。

需要指出的是，在催化劑的選擇上一定要滿足以下技術(shù)條件：

第一，催化性強(qiáng)，能夠二次回收，降低投放成本。催化劑中的金屬粒子能夠依附于催化劑表面，同時(shí)具備較低的溶出率和較高的抗磨力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其使用壽命的最佳化。

第二，所用設(shè)備少，可操作性強(qiáng)，故障維修簡(jiǎn)單。在本次的臭氧催化氧化技術(shù)應(yīng)用中，主體氧化工藝只需要一臺(tái)臭氧發(fā)生器和相應(yīng)的氧化池即可。

第三，工程建設(shè)量小，調(diào)整靈活度高。催化氧化時(shí)間最好控制在半個(gè)小時(shí)內(nèi)，臭氧加入量也不要超過(guò)30mg/L，這樣不僅能夠降低運(yùn)行成本，而且能夠結(jié)合實(shí)際進(jìn)行靈活變動(dòng)。

（四）工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.污水提升泵房

污水提升泵作為重要的中轉(zhuǎn)站，內(nèi)設(shè)格柵間、水泵間和集水池，經(jīng)過(guò)脈沖澄清后的污水通過(guò)兩臺(tái)轉(zhuǎn)股格柵過(guò)濾后流入集水池，集水池的有效容積設(shè)計(jì)為234立方米，采用立式排污泵提升后將其傳送至微絮凝濾池。

2.臭氧催化氧化深度處理間

催化劑在氧化池的投放量按照35mg03/m3的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，處理規(guī)?？蛇_(dá)到2300m3/h，也就是說(shuō)每小時(shí)需要消耗催化劑80.5kg；同時(shí)，催化劑在接觸池的投放量按照5mgO3/m3的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，處理規(guī)?？蛇_(dá)到2800m3/h，也就是說(shuō)每小時(shí)需要消耗催化劑14kg。

采用變壓吸附真空解吸制氧設(shè)備制取最少90%純度的氧氣，通過(guò)過(guò)濾凈化和減壓穩(wěn)壓后，將其送入臭氧發(fā)生間。在臭氧發(fā)生間的高頻高壓電場(chǎng)內(nèi)，部分氧氣會(huì)轉(zhuǎn)化為臭氧，隨后可通過(guò)出氣自動(dòng)調(diào)節(jié)閥排出。本次應(yīng)用中，該煉油廠設(shè)計(jì)的臭氧發(fā)生間面積為40m×15m，其內(nèi)設(shè)有臭氧發(fā)生器間、氧氣制取間和電氣間。

3.綜合處理間

綜合處理間主要設(shè)有反沖洗水泵、混凝劑添加裝置、循環(huán)水集水池、臭氧尾氣破壞器等。

三、結(jié)論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，尤其是煉化行業(yè)的日益崛起，由此產(chǎn)生的一系列環(huán)境污染問(wèn)題也變得越來(lái)越突出，并收到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。在政府不斷提高環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)煉化行業(yè)污水進(jìn)行強(qiáng)制治理的背景下，許多污水處理廠的工藝技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)發(fā)展要求，這就要求必須加強(qiáng)污水處理技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。而大量研究和實(shí)踐表明，臭氧催化氧化技術(shù)在煉化行業(yè)污水處理領(lǐng)域有著較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，但之所以沒(méi)有得到廣泛推廣，與工藝流程的復(fù)雜、運(yùn)行成本的過(guò)高等有著之間關(guān)聯(lián)，對(duì)此需要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行優(yōu)化處理。本文通過(guò)某煉油廠的應(yīng)用結(jié)果來(lái)看，將臭氧催化氧化技術(shù)的應(yīng)用空間還是很大的，但要想達(dá)到理想效果就必須進(jìn)行工藝優(yōu)化，同時(shí)重點(diǎn)解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

首先，確保催化劑選擇的合理性。均相催化劑催化效果好，但流失嚴(yán)重，極大地增加了運(yùn)行成本；而且均相催化劑多為金屬離子，投加之后，增加了二次污染的風(fēng)險(xiǎn)；非均相催化劑能有效地避免二次污染風(fēng)險(xiǎn)，并且損耗小，但催化效果卻不如均相催化劑，而且國(guó)內(nèi)制造的非均相催化劑各廠家之間差異很大，在到達(dá)使用年限集中更換時(shí)，成本有被提高的風(fēng)險(xiǎn)。

其次，要加強(qiáng)工藝流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。臭氧催化氧化工藝能耗、電耗均遠(yuǎn)高于其他處理工藝，而且臭氧利用率低，可以通過(guò)射流器等設(shè)備增加臭氧與污染物的接觸時(shí)間和接觸面積，便其充分被氧化，提高臭氧的利用率。

再次，要做好綜合處理工作。制氧過(guò)程中，臭氧有泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，易發(fā)生中毒事故，運(yùn)用該工藝的單位應(yīng)做好應(yīng)急預(yù)案，準(zhǔn)備相應(yīng)的應(yīng)急措施和應(yīng)急手段。

我們有理由相信，通過(guò)不斷的優(yōu)化創(chuàng)新，臭氧催化氧化技術(shù)將被廣泛應(yīng)用于煉化行業(yè)的污水處理中，并充分發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)作用，進(jìn)一步推動(dòng)煉化行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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