1. Conhecimento básico sobre ozônio
O ozônio, com fórmula molecular O3, é um alótropo do oxigênio (O2). Uma molécula de ozônio consiste em três átomos de oxigênio, um dos quais está conectado aos outros dois por uma ligação simples. O ozônio é aclamado como um “produto químico verde”, um oxidante forte com quatro funções principais: esterilização, descoloração, oxidação e desodorização. Também apresenta vantagens como a ausência de resíduos e a ausência de poluição secundária, o que o torna uma matéria-prima industrial verde e ecologicamente correta.
O ozônio tem um poder oxidante extremamente forte, com potencial redox de 2,07 mV. O ozônio oxida a matéria orgânica de duas maneiras: primeiro, as moléculas de ozônio oxidam seletivamente a matéria orgânica diretamente, ou seja, oxidação direta, mas a taxa de reação é relativamente lenta; segundo, oxida rapidamente a matéria orgânica de forma não{4}}seletiva através dos radicais hidroxila (·OH) gerados por sua própria decomposição, ou seja, oxidação indireta. Nas reações reais de tratamento de água, a eficiência do ozônio na remoção de matéria orgânica é a superposição da oxidação direta e indireta, e a extensão em que essas duas reações ocorrem depende de diferentes condições de reação. A oxidação indireta também é conhecida como tecnologia de oxidação avançada.
2. Preparação de Ozônio
O ozônio pode ser preparado usando vários métodos. Na área de tratamento de água, a descarga silenciosa de alta-tensão é comumente usada. As matérias-primas para a produção de ozônio são principalmente ar ou oxigênio. Quando o ar é usado como fonte de gás, o teor de ozônio é de apenas cerca de 1%, enquanto quando o oxigênio é usado, a concentração de ozônio pode atingir 10% (em massa) ou superior.
3. Tecnologia avançada de oxidação de ozônio
A tecnologia de oxidação de ozônio único tem limitações significativas: o ozônio único não pode oxidar alguns compostos orgânicos recalcitrantes, como o clorofórmio; a oxidação única do ozônio não pode decompor completamente a matéria orgânica em dióxido de carbono e água, e é difícil alcançar alta eficiência de remoção de DQO. A tecnologia avançada de oxidação de ozônio, também conhecida como tecnologia de oxidação profunda, é caracterizada pela geração de radicais hidroxila altamente oxidantes (·OH) (o potencial redox dos radicais hidroxila (·OH) é 2,80V, perdendo apenas para o flúor). Sob condições de reação como alta temperatura, alta pressão, eletricidade, som, irradiação de luz e catalisadores, ele oxida moléculas orgânicas grandes e recalcitrantes em moléculas pequenas de baixa-toxicidade ou não{4}}tóxicas.
1) Tecnologia de oxidação fotocatalítica de ozônio
A oxidação fotocatalítica do ozônio não utiliza ozônio para reagir diretamente com a matéria orgânica. Em vez disso, utiliza o oxidante secundário ativo (·OH) gerado pela decomposição do ozônio sob luz ultravioleta para oxidar a matéria orgânica. A reação entre o ozônio e a matéria orgânica por si só é seletiva e não pode decompor completamente a matéria orgânica em dióxido de carbono e água. Para melhorar a taxa de oxidação e a eficiência do ozônio, outras medidas devem ser adotadas para promover a decomposição do ozônio para gerar ·OH ativo.
2) Tecnologia de oxidação de ozônio catalítica homogênea
Os catalisadores utilizados na ozonização catalítica homogênea são geralmente metais de transição, como Fe(II), Mn(II), Ni(II), Co(II), Cd(II), Cu(II), Ag(I), Cr(III) e Zn(II). A adição precisa (micro-doses, nível ppb) de íons catalisadores de ozônio-às águas residuais é obtida por meio do controle de energia, completando a reação de oxidação avançada que gera radicais hidroxila para remover poluentes orgânicos recalcitrantes das águas residuais.
3) Tecnologia de oxidação catalítica heterogênea de ozônio
Esta tecnologia normalmente utiliza um transportador oxidante sólido (geralmente composto de alumina ou zeólito sintético). Sob a ação de um catalisador, o ozônio se decompõe para gerar radicais hidroxila (·OH) altamente oxidantes, degradando assim os poluentes orgânicos na água.
4. Aplicação real
A estação de tratamento de águas residuais municipal foi projetada para lidar com 100 mil toneladas/dia, mas sua capacidade real de tratamento é de 90 mil toneladas/dia. Para atender aos padrões de emissão de DQO (menor ou igual a 40mg/L), é utilizada a tecnologia de oxidação catalítica homogênea de ozônio, empregando três geradores de ozônio (cada um com capacidade de 42kg/h, dois em operação e um em standby). O fluxo do processo é o seguinte: gerador de ozônio → gera gás ozônio → transporta-o através de tubulações até a entrada da bomba de jato → dissolve-se nas águas residuais via injeção a jato → gera ·OH sob a ação de um catalisador homogêneo → completa a reação de oxidação no tanque de oxidação catalítica de ozônio.
1) Desempenho de degradação e descoloração de COD
Capacidade de tratamento de efluentes: 90 mil toneladas/dia. Atualmente, está em operação um gerador de ozônio, ajustado para 40 kg/h, com uma taxa real de produção de 34 kg/h (vazão de ozônio x concentração de ozônio). A dosagem de ozônio é de 9,1 mg/L. Isso reduz o DQO de 45 para 30 mg/L e a cor de 40 para 5, alcançando a conformidade dos efluentes com o "Padrão de Descarga de Poluentes Principais da Água para Estações de Tratamento de Águas Residuais Urbanas" (DB33/2169-2018).
2) Consumo de energia
Embora o ozono seja conhecido pelas suas propriedades verdes e amigas do ambiente, o elevado consumo de energia e os custos operacionais associados à sua produção são inegáveis. Ao utilizar o ar como fonte de gás, o consumo de energia é de aproximadamente 20 kWh/kg de ozônio; ao usar oxigênio como fonte de gás, o consumo de energia é de aproximadamente 10 kWh/kg de ozônio. Com base na operação-real no local, o consumo de energia é de 13 kWh/kg de ozônio no verão e 11 kWh/kg de ozônio no inverno. Devido às altas temperaturas exteriores no verão, é necessário um refrigerador para arrefecer o gerador de ozono, enquanto no inverno, apenas o permutador de calor de placas precisa de ser ligado para garantir o funcionamento normal.
