水动力传质在臭氧氧化水处理工艺的研究进展_刘汝鹏.pdf

净水技术 2023,42(2):14-22,92Water Purification Technology刘汝鹏,宋依辉,陈飞勇,等.水动力传质在臭氧氧化水处理工艺的研究进展J.净水技术,2023,42(2):14-22,92.LIU R P,SONG Y H,CHEN F Y,et al.Research progress of hydrodynamic mass transfer in ozonation water treatment processJ.Water Purification Technology,2023,42(2):14-22,92.水动力传质在臭氧氧化水处理工艺的研究进展刘汝鹏1,宋依辉2,陈飞勇1,孙翠珍2,张 震2,吴 震2(1.山东建筑大学资源与环境创新研究院,山东济南 250101;2.山东建筑大学市政与环境工程学院,山东济南 250101)摘 要 臭氧氧化具有氧化能力强、反应速率快、对环境友好等特点,在水处理工艺中受到广泛关注。但臭氧在水处理中的应用存在利用率低、能源和运营成本高等问题。根据反应器的复杂程度以及规模扩大化应用,水动力传质技术是提高气液传质和臭氧氧化效率的重要手段,这已成为臭氧强化传质发展的趋势。文中阐述了传统反应器和微气泡反应器面临的问题,介绍了基于填料式反应器、振荡流反应器、气-液膜接触器、水动力空化等多种水动力传质技术在臭氧氧化水处理工艺的研究进展,并讨论了水动力传质技术在臭氧氧化工艺未来的发展方向以及待解决的问题。关键词 臭氧氧化 水动力 传质 高级氧化工艺 鼓泡塔反应器中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1009-0177(2023)02-0014-10DOI:10.15890/ki.jsjs.2023.02.003Research Progress of Hydrodynamic Mass Transfer in Ozonation Water Treatment ProcessLIU Rupeng1,SONG Yihui2,CHEN Feiyong1,SUN Cuizhen2,ZHANG Zhen2,WU Zhen2(1.Resources and Environment Innovation Institute,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China;2.School of Municipal and Environmental Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China)Abstract Ozonation is widely concerned in water treatment process because of the strong oxidation capacity,fast reaction rate and environmental friendliness.However,the application of ozone in water treatment has problems such as low utilization rate,high energy and operation costs.According to the complexity of the reactor and the scale up application,hydrodynamic mass transfer technology is an important means to improve gas-liquid mass transfer and ozonation efficiency,which has become the trend of ozone enhanced mass transfer development.In this paper,the problems concerning conventional reactors and microbubble reactors are described,the research progress of various hydrodynamic mass transfer technologies in ozonation water treatment process based on packed reactors,oscillatory flow reactors,gas-liquid membrane contactors,hydrodynamic cavitation,etc.are presented.Future directions of hydrodynamic mass transfer technologies in ozonation process and problems to be solved are discussed.Keywords ozonation hydrodynamic mass transfer advanced oxidation process(AOP)bubble column reactor收稿日期 2022-05-01基金项目 山东省住房和城乡建设厅研究开发项目(1606989649015);山东省引进顶尖人才“一事一议”项目:黄河流域(山东)水环境健康关键技术与高端装备研发作者简介 刘汝鹏(1978),男,教授,博士,研究方向为水处理技术,E-mail:13904 。通信作者 陈飞勇(1963),男,教授,博士,E-mail:。臭氧氧化在提高水处理可生化性和难生物降解污染物质去除方面具有巨大潜力,臭氧在水中可以产生 非 选 择 性 的 强 氧 化 物 质 羟 基 自 由 基(OH),去除有机物的过程中不引入其他化学物质,并且生成的产物对环境无污染,因此,臭氧氧化在水处理工艺中引起广泛关注。在实际应用过程中,臭氧接触器通常对深度有较高的要求,尽管容积会随流量不同而改变,仍需要达到 7 m 左右的深度,以保证臭氧从传统扩散器产生的气泡中有效传质1。同时,臭氧气体必须在现场制备,性质极其不稳定而不能在现场储存,因而臭氧氧化具有较高的运营成本和电力消耗。使用臭氧氧化工艺的水处理厂,臭氧氧化成本约占总非泵送能源成本的14%,每 产 生 1 kg 臭 氧 所 消 耗 电 力 为 7 10 kW h2-4。因此,提高臭氧传质和利用效率具有十41分重要的经济和现实意义。微气泡的出现在臭氧传质方面展现出一定的优势,然而涉及压缩或超声空化产生微气泡的方法所需的高功率也要求额外的能源投入,能效较低并且为运营成本造成更多的负担。通过改变臭氧水处理过程中的水动力条件,比如产生湍流、改变流速和压力以及气液接触条件等方法,以此来提高臭氧气液传质效率,既不需要额外的化学品投入,也有望不增加过多的能耗成本。近年来,改变水动力条件来提高臭氧氧化效果的反应器陆续被开发出来,这些还在进行中的研究许多没有考虑到具体应用。针对提升臭氧传质与反应效率方法的优势与不足,本文对微气泡反应器、填料式反应器、振荡流反应器、气-液膜接触器、水动力空化反应器等进行介绍,并展望其发展前景,以期为水动力传质在臭氧氧化水处理工艺中的应用提供一定的理论依据。1 传统反应器臭氧鼓泡塔是一种常用的传统臭氧反应器,其曝气方式一般是利用钛盘、钛棒等曝气器向水中注入大气泡,这种气泡的直径较大、在水中上升速度快、气液传质效率较低,因而臭氧的利用率偏低5。从曝气器出来后,反应器中的气流迅速上升,对液体进行简单均质化和混合,臭氧只能在这短暂过程中由气相转移到液相,氧化水中污染物6。工业臭氧氧化反应器由几个串联的隔室组成,每个隔室对应一个鼓泡塔,两种流体同时处于逆流和顺流状态7-8。在工业应用扩大规模时,臭氧鼓泡塔反应器的设计通常需要高径比大于 5,或通过大比例回流反应液来提高臭氧利用率,然而大高径比需要占用更多高度或深度的纵向空间,同时这两种方式都会增加施工难度和设施、设备投资建设成本。表 1 列举了在鼓泡塔反应器中进行的一些臭氧氧化研究。表 1 臭氧氧化鼓泡塔反应器处理废水的研究成果Tab.1 Research Results of Ozonation Bubble Column Reactor for Wastewater Treatment污染物反应器规格/cm运行条件臭氧利用率参考文献烷基黄原酸盐高=70;直径=4.5pH 值=10;臭氧气体流量=0.43.0 L/min;臭氧质量流量=14.7125.9 mg/min;烷基黄原酸盐质量浓度=160 mg/L7.2%51.7%Fu 等9聚氧乙烯烷基醚高=114;直径=9.6臭氧气体流量=0.25 1.0 L/min;臭氧进气质量浓度=1025 mg/L;聚氧乙烯烷基醚质量浓度=5 30 mg/L40%55%Uchiyama 等10酒厂废水高=100;直径=10pH 值=7;臭氧气体流量=5.4 L/min;臭氧质量流量=124.7 mg/min;CODCr质量浓度=330 g/L45%52%Lucas 等11软木加工水高=100;直径=10pH 值=6.45;臭氧气体流量=3.6 L/min;臭氧质量流量=100.1 mg/min;CODCr质量浓度=328 mg/L不锈钢鲍尔环填料不锈钢清洗球无填料。在促进臭氧从气相到液相的传质方面,熔岩填料显示出相较于不锈钢清洗球和不锈钢鲍尔环更好的性能,这是由于熔岩填料的粒径较小,分散性较强,并且表面不平整,反应器内界面面积较大,内压较高,从而有利于改善臭氧传质。结果表明,在相同的试验条件下,填料的使用不仅将水中有机物的去除率提高了 5%31%,同时将反应器处理过程中的能耗降低了 5%48%。Yang 等31对比不同填料的反应器与常规无填料反应器臭氧氧化去除腐植酸(humic acid,HA)的试验研究,发现在达到稳定状态时,熔岩填料鼓泡塔(lava rock packing bubble col-umn,LBC)反应器、金属鲍尔环填料鼓泡塔(metal pall ring packing bubble column,MBC)反应器、无填料鼓泡塔(non-packing bubble column,BC)反应器尾气中 的 臭 氧 质 量 浓 度 分 别 为 8.00、9.20、9.70 mg/L,其中 LBC 反应器尾气臭氧浓度最低,MBC 反应器稍高,而 BC 反应器最高。结果显示,填料的使用将臭氧的利用率提高了 5%16%,但由于填料形状的差异,不同种类的填料对传质效率的提升效果也不尽相同,在该试验中熔岩填料的性能同样优于金属鲍尔环填料。此外,填料式反应器在较低的臭氧投加量下对 HA 去除效率的提升相较于高臭氧投加量时更加明显,臭氧投加量为 200.0 mg/(Lh)61刘汝鹏,宋依辉,陈飞勇,等.水动力传质在臭氧氧化水处理工艺的研究进展Vol.42,No.2,2023时,去除率提升 1%6%,而臭氧投加量为 33.3 mg/(L h)时,去除率提升 19%26%。综上,填料式反应器相较于传统反应器可将臭氧利用率提高5%31%,能耗成本下降 5%48%,具有显著的提升效果。填料式反应器在化工领域已有广泛应用,但在增强臭氧传质和氧化效率方面的研究目前还较少。填料式反应器的关键点在于填料的选择,目前的研究显示熔岩填料的性能优于金属鲍尔环填料,而在相同臭氧条件下其他填料的性能还需要进一步的研究比较。填料式反应器随机填料和规整填料的传质系数已有多种预测模型,模型方程主要依赖于理论建模和半经验方法的组合,有些特定常数参数需要针对填料进行单独测定,要实现能够预测一般填料几何结构的传质系数的最终模型还有很长的路要走,因此,难以应用于填料的筛选工作26。市面上可以用作填料的产品种类繁多,这是填料式反应器的优势,同时增加了优异性能填料筛选工作的难度。3.2 振荡流反