如何提高臭氧反应器的混合效率

      由于臭氧反应器的传质阻力和气相向水相的溶解受限，为了延长臭氧反应器在水中的HRT和提高传质系数，在臭氧反应器的设计上做了大量的工作。表10列出了废水处理中臭氧化反应器的设计和操作性能的很新研究成果。

      以微泡-臭氧(平均直径45 μm)和大泡-臭氧(平均直径1 mm)处理难处理腈纶废水为例，评价了其效果(Zheng et al. 2015)。如图10A所示，使用TCRI微气泡发生器产生微气泡，而使用40 μm微孔钛板产生宏观气泡进行比较。结果表明，微泡臭氧法对COD、NH4 +-N、UV254的去除率分别比大泡臭氧法高25%、9%、35%。这是由于反应器内微泡的HRT延长，微泡臭氧从气态向水相的传质增强，从而使溶解臭氧浓度升高，从而有利于˙OH生成。结果表明，微气泡臭氧氧化的气含率、臭氧传质系数和臭氧利用效率分别比大气泡臭氧氧化高6.6倍、2.2倍和1.5倍。

      观察到的促进作用还可以归因于由臭氧反应器调节的确定的气态和液态运动。 Gogate等。 （2014年）描述了一种新型的组合反应器OzonixTM，它利用臭氧在水和废水处理中的协同作用，水力空化，声空化和电化学氧化/沉淀作用（图10B）。混合动力OzonixTM反应堆是一个独立的53英尺长的移动拖车，带有车载柴油发电机和全自动PLC控制。很重要的部分是臭氧注入区，其中臭氧气体可以沿着管道内的水流注入。随后，由声空化产生的湍流可以增强臭氧的溶解。在这种情况下，结果是可以消除臭氧传质的限制。作者还测试了OzonixTM在3年期间对Fayetteville页岩282口井中776份细菌样品的效率（Gogate等人2014）。结果表明，产酸菌的抑菌率为96.5％，硫酸盐还原菌的抑菌率为97.5％，表明该杂交反应器具有优异的微生物灭活能力。

表10：很近针对臭氧化反应器的研究

a.Health risk assessment: the reduction of total carcinogenic substance exposure to surface water per day.

b.Bacteria inactivation: 97.5% for sulfate-reducing bacteria reduction.

c.Mass-transfer coefficient: the MTC of microbubble-ozonation was 2.2 times higher than that of macrobubble-ozonation.

d.Oxalate oxidation rate: the degradation rate of oxalate was 0.01 mg/(l s) in PCD reactor, while the reaction rate of oxalate with ozone was0.00058 mg/(l s).

e.Decolorization: the best performance of decolorization rate of methylene blue was 0.255 min-1 using catalytic ozonation under pH 9.

f.Pseudo-first order reaction rate: the reaction rate of catechol by catalytic ozonation was 0.0839 min-1 which was 6.8 times as big as noncatalyticozonation.

g.Microporous tube-in-tube microchannel reactor.

h.The overall volumetric mass-transfer coefficient increased from 2.7 to 3.5 s-1 with pH rising from 3 to 9.

i.The overall volumetric mass-transfer coefficient increased from 0.054 to 0.111 s-1 with the increase of rotation speed from 150 to 1400 rpm.
a.健康风险评估:减少每天接触地表水的致癌物质总量。

b.细菌灭活:硫酸盐还原菌还原率为97.5%。

c.传质系数:微泡臭氧氧化的MTC比大泡臭氧氧化的MTC高2.2倍。

d.草酸盐的氧化速率:在PCD反应器中草酸盐的降解速率为0.01 mg/(l s)，草酸盐与臭氧的反应速率为0.00058 mg / l (s)。

e.脱色:在pH为9的条件下，催化臭氧氧化对亚甲基蓝的很佳脱色率为0.255 min-1。

f.准一级反应速率:催化臭氧氧化邻苯二酚的反应速率为0.0839 min-1，是非催化臭氧氧化的6.8倍。

g.微孔管中管式微通道反应器。

h.随着pH值从3增加到9，总体积传质系数从2.7增加到3.5 s-1。

i.随着转速从150转增加到1400转，整体容积传质系数由0.054增加到0.111 s-1。

图10:臭氧反应器、微泡反应器(A)、杂化反应器(B)、托里塞利接触池(C)、奥托喷射曝气器(D)的结构示意图[(A)取自Zheng等人2015年，(B)取自Gogate等人2014年，(C)和(D)的原图由我们完成。图(B) 1:水力空化;2:臭氧注入区，3:带超声波的主反应器容器，4:基于电化学的很后阶段。

      其他几个工业臭氧化反应器，包括多孔扩散器接触池、Raschig环接触塔、改进涡式扩散器、Gagnaux重复扩散器、Van der - welsbach扩散器、Torricelli接触池、Otto喷射曝气器和yonkersonic超声波混合器，也已用于工业废水的后期处理(Chu等，2002年)。以托里塞利接触槽为例，为了调节臭氧气体的流动方式，延长其HRT，在托里塞利接触槽中植入2米高的挡板和10 - 12米高的进出水管，如图10C所示。混有臭氧气体的废水通过较长的进水管送入反应器，沿挡板固定方向流动，很大流速为160mm /s。特别是，在这种情况下，臭氧的溶解度可以增加，因为从水相释放的残余臭氧是在压力下的反应器根据亨利定律。在这种情况下，根据能斯特方程，通过增加溶解度可以增强臭氧的实际氧化电位。Otto-de Frise和Siemens-Otto臭氧接触器均配置了向下流动和长距离Otto射流曝气器(图10D)，延长了臭氧与水的接触时间，提高了臭氧的利用效率(Chu等，2002)。

      例如，采用臭氧反应和紫外线照射的中试规模流化床反应器(FBR)的设计(图11)旨在降低生物处理焦化废水的毒性(Lin et al. 2014a)。内部组件(即通风管、挡板和漏斗内部)安装在FBR被用来控制流模式,从而产生内部循环的液体和气体,从而减少无效卷FBR而延长荷尔蒙替代疗法的臭氧气体,增加臭氧传质和臭氧的利用率从化学工程的角度(Zhang et al . 2012年)。FBR采用不锈钢制造，总有效容积1.3 m3，几何尺寸ϕ 1.2 m × 3.0 m。臭氧的反应条件下交付率240 g / h,初始pH值6.5 - -7.5,2 h的荷尔蒙替代疗法,和污水流量在1立方米/小时,总苯并[a]芘(BaP)毒性当量浓度(TEQBaP)是减少从0.65±0.08μg / l(影响)到0.41±0.06μg / l(废水),对应于0.432克/天减少致癌物质。

      先进的臭氧化反应器PCD在饮用水和废水处理中引起了广泛的关注。PCD的卓越新颖之处在于可以原位生成氧化剂(例如臭氧和˙OH)，并避免臭氧从常规臭氧发生器输送到臭氧反应器(Kornev et al. 2014, Ajo et al. 2015)。由于气液接触面是臭氧传质和˙OH生成位点的主要界面，Ajo等(2015)报道了在实验室规模的PCD中，从优化不同放电功率下的接触面面积的角度对草酸盐进行臭氧化处理。如图12所示，电晕放电室由线板电极组装，连接到脉冲重复频率为200-840脉冲每秒的脉冲功率发生器上。运行过程中，溶液通过排放区淋浴，产生臭氧(同时产生˙OH等其他活性物质)，同时对水滴进行净化。结果表明，很佳接触面积随放电功率的增加呈线性增加，表明在草酸盐氧化过程中˙OH的利用率增强。在草酸氧化过程中，˙OH的主要作用至少超过臭氧一个数量级。

      综上所见，延长溶液中臭氧的HRT、提高溶液分压、提高气液混合程度、将臭氧原位生成与净化反应相结合来加速臭氧的溶解和利用效率，对于实际应用具有重要意义。