Sự phát triển của công nghệ ozone

Sự phát triển của công nghệ ozone đã mở ra những ứng dụng mới cho các công nghệ xử lý nước đã được thành lập này. Thúc đẩy những thay đổi này là việc xác định các vi sinh vật mới, kháng khử trùng hơn như Giardia và Cryptosporidium nang và các quy định của chính phủ được thiết kế để bảo vệ sức khỏe cộng đồng khỏi các mối nguy từ việc ăn phải các vi sinh vật này. Ngoài ra, mong muốn ngăn chặn hoặc giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phụ khử trùng bằng halogen được hình thành trong quá trình khử trùng bằng clo đã kích thích sự quan tâm mới đến việc sử dụng ôzôn. Sự kết hợp của ozone với hydrogen peroxide và / hoặc bức xạ tia cực tím (UV) có thể phá hủy nhiều chất gây ô nhiễm có trong nước ngầm.

Ban đầu, việc sử dụng ozone để xử lý nước bắt đầu bằng việc khử trùng cho các nhà máy nước uống. Các ứng dụng (oxy hóa) khác của ozone trong nước uống đã phát triển bao gồm quá trình oxy hóa sắt, mangan, sulfide, xyanua và nitrit trong nước ngầm cũng như các hợp chất hữu cơ do con người tạo ra như phenol và một số thuốc trừ sâu, humics và chất hữu cơ thải ra trong chất thải công nghiệp nhiều nước.

Trong những năm gần đây, việc sử dụng một lượng nhỏ ozone để hỗ trợ đông tụ (vi keo tụ) và liều lượng lớn hơn một chút để oxy hóa một phần các chất ô nhiễm hữu cơ nhằm tăng khả năng phân hủy sinh học của chúng đã được phát triển. Sau quá trình ozon hóa với việc lọc qua các phương tiện như than hoạt tính dạng hạt (GAC) cho phép phát triển sinh khối trên GAC, đến lượt nó, chuyển đổi một lượng đáng kể (lên đến 40–45 phần trăm) các vật liệu hữu cơ hòa tan bị oxy hóa một phần thành carbon dioxide và nước .
Quá trình này, được gọi là “lọc sinh học bằng ôzôn”, chỉ mới phát triển trong vòng 30 năm qua. Sau quá trình lọc sinh học bằng ôzôn, một lượng nhỏ clo hoặc cloramin thường được thêm vào để cung cấp lượng dư ổn định vì loại bỏ các vật liệu hữu cơ cần clo.

Sản phẩm phụ của quá trình Ozon hóa

Sản phẩm oxy hóa hữu cơ. Hầu hết các sản phẩm phụ hữu cơ của quá trình ozon hóa chứa nhiều oxy hơn các hợp chất mẹ của chúng. Do đó, chúng thường ít độc hơn và dễ phân hủy sinh học hơn so với nguyên liệu ban đầu. Nói chung, các sản phẩm phụ hữu cơ được tạo thành bởi bất kỳ tác nhân oxy hóa mạnh nào được thêm vào nước (clo, clo dioxide, ozon) bao gồm axit hữu cơ, andehit, xeton, rượu, aldehyde-axit, keto-axit, rượu-axit, v.v. Ưu điểm của ozone đối với quá trình oxy hóa của các chất hữu cơ so với clo là ozon là một chất oxy hóa mạnh hơn và do đó, tạo thành số lượng các chất hữu cơ bị oxy hóa cao hơn so với clo — và các chất hữu cơ bị oxy hóa này dễ dàng được “khoáng hóa” (ví dụ, chuyển đổi thành carbon dioxide và nước trong quá trình lọc sinh học). Khi có clo dư , sinh khối không thể hình thành một cách hiệu quả và do đó, không thể diễn ra quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ bị oxy hóa do clo. 

Mặc dù sự hình thành các sản phẩm phụ oxy hóa hữu cơ từ các tiền chất loại humic tự nhiên trong quá trình ozon hóa có thể là một yếu tố tiêu cực đối với ozone, nhưng nó thực sự là một lợi thế. Các chất hữu cơ bị oxy hóa được tạo ra trong quá trình ozon hóa các chất hữu cơ tự nhiên có cấu trúc phân tử đơn giản hơn các chất hữu cơ mẹ. Các chất hữu cơ đơn giản này dễ dàng được khoáng hóa (chuyển hóa thành carbon dioxide và nước) về mặt sinh hóa trong quá trình đi qua bộ lọc sinh học. Khi các hợp chất hữu cơ đơn giản được tạo ra từ quá trình oxy hóa này đã được loại bỏ khỏi dung dịch, nhu cầu clo của nước lọc sinh học sẽ thấp hơn nhu cầu của nước trước khi ozon hóa và lọc sinh học.

Anion bromat

Khi ion bromua có mặt trong nước được ozon hóa, ion hypobromit (–OBr) và axit hypobromous (HOBr) được hình thành (tương tự với clo). HOBr là một chất brom hóa có khả năng tạo ra các chất hữu cơ được brom hóa ở nhiều dạng khác nhau. Trong quá trình clo hóa nước chứa ion bromua, hỗn hợp bromo-clo-hữu cơ được tạo ra (chẳng hạn như hai trong số các trihalometan và một số axit haloacetic) cũng như bromo-hữu cơ không chứa clo (chẳng hạn như bromoform, axit mono-, di- và triromoaxetic). Trong quá trình ozon hóa nước có chứa ion bromua, HOBr được tạo thành cũng có thể tạo ra các chất hữu cơ được brom hóa như bromoform và axit mono-, di- và có thể là Tribromoacetic. Tuy nhiên, cho đến nay, người ta chỉ xác định được dấu vết của bromoform trong một số nước đã được ozon hóa có chứa hàm lượng ion bromua cao.

Khi có ôzôn, –OBr có thể bị ôxy hóa tiếp tục thành ion bromat (BrO3–, đã được xác định là gây ung thư cho một số động vật thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Do đó, BrO3– đã được Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) liệt kê là chất chất gây ung thư có thể xảy ra ở người và mức chất gây ô nhiễm tối đa (MCL) là 10 mg / L đã được thiết lập cho BrO3– trong Quy tắc xử lý nước mặt (SWTR). Nhiều nước nguồn cho các nhà máy xử lý nước có chứa ion bromua và càng chứa nhiều ion bromua trong đó, càng nhiều ion bromat có thể được tạo ra trong quá trình ozon hóa, đặc biệt là khi độ pH lớn hơn 6,5. Do đó, điều quan trọng là đối với nước các chuyên gia điều trị để hiểu về hóa học của sự hình thành bromat và các kỹ thuật hóa học khác nhau để giảm thiểu sự hình thành của nó.

BrO3– có thể được tạo ra trong quá trình ozon hóa khi nước thô chứa ion bromua và trong những điều kiện nhất định về độ pH và các vật liệu đòi hỏi ozone . Ozone (hoặc clo đối với vấn đề đó) nhanh chóng oxy hóa ion bromua thành hỗn hợp HOBr và –OBr. Tuy nhiên, quá trình ozon hóa có khả năng oxy hóa từ từ –OBr (không phải HOBr) thành ion bromat với điều kiện pH trên 6,5. Ở pH 6,5, không có –OBr nào có thể tồn tại, và sự hình thành ozon của ion bromat bị hạ thấp hoặc thậm chí bị loại bỏ. Nếu sự hình thành bromat là một vấn đề tiềm ẩn trong việc xử lý nguồn cung cấp nước sạch bằng ozone, thì một kỹ thuật để giảm thiểu hoặc loại bỏ sự hình thành bromat là tiến hành ozon hóa ở pH 6,5 hoặc thấp hơn, sau đó điều chỉnh pH lên ở giai đoạn sau của quá trình xử lý. 

Một kỹ thuật khác để giảm thiểu sự hình thành bromat trong quá trình ozon hóa là điều chỉnh các điều kiện ozon hóa để giảm thiểu mức ozone còn sót lại. Theo cách này, các chất gây ô nhiễm nước khác có xu hướng cạnh tranh với –OBr đối với ôzôn. Vẫn còn một kỹ thuật thứ ba để giảm thiểu sự tạo ra ion bromat của ôzôn là thêm một lượng amoniac vào nước trước khi ozon hóa. Khi HOBr được sản xuất trong ozon hóa, nó sẽ phản ứng ngay lập tức với amoniac thêm, sản xuất monobromamine, mà là chậm hơn rất nhiều oxy hóa bằng ozone để mang ion bromua again.5 Hình

Những phát triển gần đây trong xử lý nước uống

Cho đến khi Đạo luật Nước uống An toàn (SDWA) sửa đổi năm 1986 được thông qua, việc sử dụng ozone để xử lý nước uống ở Hoa Kỳ chủ yếu bị hạn chế để kiểm soát mùi vị và mùi. Từ bản sửa đổi SDWA năm 1986 đã đưa ra yêu cầu từ EPA trong SWTR để kiểm soát các vi sinh vật “mới” trong nguồn cung cấp nước thô (ví dụ: nang Giardia và vi rút đường ruột). Mặc dù những sinh vật này có thể được kiểm soát bằng cách khử trùng bằng clo, nhưng lượng clo tăng lên sẽ tạo ra nhiều
sản phẩm phụ khử trùng halogen . Khử trùng bằng tia cực tím đã bị bỏ qua trong SWTR vì một công bố chỉ ra rằng tia cực tím không hiệu quả đối với các nang Giardia khi nuôi cấy. Kết quả là, sự quan tâm đến cái gọi là “ chất khử trùng thay thế ” đã được kích thích, đặc biệt chú ý đến ôzôn và điôxít clo.

Số lượng các nhà máy xử lý nước uống sử dụng ozone của Hoa Kỳ đã tăng lên bắt đầu từ cuối những năm 1980. Điều đáng quan tâm là trong tổng số 332 hệ thống nước sử dụng ozone, có 194 hệ thống tạo ra ít hơn 1 mgd và 120 trong số 194 nhà máy nhỏ phục vụ ít hơn 600 người. 

Trong Bản sửa đổi SDWA năm 1986 và SWTR, EPA cũng đưa ra khái niệm “Ct” cho các cơ sở cung cấp nước uống của Hoa Kỳ để đảm bảo rằng bất kỳ chất khử trùng nào được sử dụng để khử hoạt các nang Giardia và vi rút đường ruột thực sự đang thực hiện công việc của nó. Trong khái niệm này, thuật ngữ “C” dùng để chỉ nồng độ chất khử trùng trong dung dịch nước (mg / L) và “t” là thời gian (tính bằng phút) chất khử trùng tiếp xúc với dung dịch nước. Bằng cách áp dụng khái niệm Ct, các nhà vận hành nhà máy xử lý nước có thể kiểm soát việc khử trùng trực tuyến thay vì chờ đợi số lượng vi sinh vật sau khi thực tế .

Với ôzôn, giá trị Ct để khử hoạt tính ba khúc của nang Giardia ở 0,5 ° C là khoảng 3 mg-phút / L giảm xuống khoảng 0,5 mg-phút / L ở 25 ° C. Giá trị Ct để bất hoạt vi rút đường ruột nhỏ hơn những thứ để vô hiệu hóa số lượng nhật ký tương ứng của nang Giardia. Mười năm sau, Tu chính án SDWA năm 1996 yêu cầu các tế bào trứng Cryptosporidium parvum phải được khử trùng ngoài những vi sinh vật được liệt kê 10 năm trước đó.
Tuy nhiên, vào thời điểm đó, chỉ có ozone và chlorine dioxide được biết là có thể làm bất hoạt
Cryptosporidium. Vì tế bào trứng Cryptosporidium có khả năng chống lại bất kỳ chất khử trùng hóa học nào tốt hơn đáng kể so với nang trứng Giardia, nên Ct cao hơn đáng kể giá trị là bắt buộc. Ví dụ: sự bất hoạt của hai khúc gỗ Cryptosporidium ở dưới 5 ° C là khoảng 20–30 mg-phút / L, giảm xuống khoảng 3–7 mg-phút / L ở 25 ° C. Khi bất hoạt dịch bào trứng Cryptosporidium parvum, Cần có nồng độ ozone và / hoặc thời gian tiếp xúc cao hơn đáng kể để khử hoạt tính của nang Giardia hoặc vi rút đường ruột . Điều này có nghĩa là cần phải tạo ra các sản phẩm phụ oxy hóa hữu cơ (và đôi khi vô cơ) ở nồng độ cao hơn .

Về mặt tiêu cực, vấn đề bromat tiếp tục hoạt động như một biện pháp kiềm chế sự mở rộng mạnh mẽ của việc lắp đặt ozone. Các vấn đề là hai lần-nhiều ozone là cần thiết để vô hiệu hóa Cryptosporidium parvum hơn là u nang Giardia bất hoạt và virus, nhưng ozone hơn thường tạo ra ion bromat hơn. Nếu lượng ozone được thêm vào để kiểm soát Cryptosporidium tạo ra đủ ion bromate để vượt quá MCL hiện tại là 10 mg / L, thì việc sử dụng ozone trở nên không khả thi.

Quá trình oxy hóa nâng cao

Thuật ngữ “quá trình oxy hóa nâng cao” được tạo ra để mô tả một số quá trình mà các gốc tự do hydroxyl được tạo ra và được sử dụng để oxy hóa các chất hữu cơ chịu lửa khác trong nước.

Tin tốt là ozone đang được lắp đặt để xử lý nước uống được trong một số lượng ngày càng tăng của các nhà máy. Chỉ riêng ở Hoa Kỳ (tính đến tháng 1 năm 2000), ozone đã được lắp đặt trong khoảng 194 hệ thống nhỏ (dưới 1 mgd). Ngoài ra, một số hệ thống ôzôn 363 được biết là đã được lắp đặt trong các khu dân cư và các cơ sở kinh doanh nhỏ kể từ tháng 1 năm 2000. Khả năng vô hiệu hóa tế bào trứng Cryptosporidium parvum cũng là một tin tốt cho ôzôn, vì clo không hiệu quả cho mục đích này.

Mặt khác, MCL bromat 10 mg / L không khuyến khích sử dụng ozon để khử hoạt tính Cryptosporidium, đặc biệt là ở những vùng nước có chứa một lượng đáng kể ion bromua. Các giá trị Ct cho ozone bất hoạt của Cryptosporidium là một số 5-10 lần so với Ct cho ozone bất hoạt của Giardia lamblia và nước ngầm viruses.For ruột hệ thống bị nhiễm chất hữu cơ chịu nhiệt như TCE, PCE và có lẽ MTBE, các khớp nối của ozone và UV cung cấp hứa hẹn đáng kể để cung cấp cả quá trình oxy hóa và khử trùng.   

Nguồn: wwdmag.com