Như các bạn cũng biết là Ozone có rất nhiều tác dụng và ứng dụng của Ozone cũng rất đa dạng trong các lĩnh vực khác nhau. Bài viết này NEXTOZONE xin gửi tới các bạn phạm vi ứng dụng của Ozone trong xử lý nước.

1. Phạm vi ứng dụng

• Nước sinh hoạt

– Cải thiện chất hữu cơ gây cảm giác (màu sắc, mùi vị);

– Tác dụng diệt vi khuẩn và vi trùng;

– Oxy hóa các chất hữu cơ;

– Oxy hóa các chất vi ô nhiễm;

– Oxy hóa các kim loại trong dung dịch (khử sắt và mangan);

– Cải thiện điều kiện sinh học trước khi dùng than hoạt tính dạng hạt.

• Nước bể bơi

– Cải thiện chất lượng nước về độ trong;

– Tạo vật cản các virut trong chu trình tái sử dụng nước;

– Làm giảm một vài chất hoạt tính có trong nước;

• Nước thải đô thị

– Khử trùng nước thải đã lọc sạch, kết hợp xử lý bằng bùn hoạt tính và oxy sạch;

– Khử mùi trong xử lý bùn;

2. Hòa tan ozone

2.1 Tổng quát về sự truyền ozone

Nói chung, sự hòa tan Ozone tuân theo luật Henry. Lượng Ozone hòa tan phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của khí.

Các công trình nghiên cứu đã chứng minh rằng: Việc xác định hệ số hòa tan rất khó khăn, vì ozone có tính chất tự phân hủy rất dễ trong môi trường nước. Sự phân hủy tăng nhanh do hai yếu tố:

• Tăng nhiệt độ;
• Tăng độ pH, do có ion hydroxyn.

Ozone được điều chế tại nơi sử dung, nó tồn tại trong khí cấp vào dưới dạng pha loãng. Do đó, áp suất riêng của phần ozone trong hỗn hợp nhỏ. Hệ số hấp phụ (Henry), một cách thông thường được áp dụng cho tất cả khí sạch và đồng nhất trong trường hợp này chỉ có ý nghĩa hạn chế. Ta chỉ có thể sử dụng với sự tính toán phức tạp.

Để đặc trưng một cách đơn giản sự truyền Ozone, người ta thường dùng hệ số đo m bằng thực nghiệm, gọi là hệ số phân chia.

Nó là tỉ số giữa nồng độ ozone trong khí cấp (không khí hoặc oxy) tiếp xúc với nước và nồng độ Ozone trong nước:

Khi đạt tới cân bằng hòa tan, nồng độ ozone hòa tan tương đương bằng 1/m lần nồng độ Ozone trong khí cấp.

Trong hệ thống đơn giản, chỉ xem xét sự truyền Ozone qua mặt phân cách khí – lỏng thì tiêu chuẩn chiếm ưu thế cho phép hòa tan ozone là áp suất riêng phần của Ozone trong hỗn hợp khí. Áp suất riêng phần là tích số của nồng độ Ozone với áp suất đặt vào. Hình cho biết tác dụng của áp suất đặt vào lên độ hòa tan của Ozone ở nhiệt độ môi trường 15⁰C. Sự hòa tan Ozone được bắt đầu từ khí cấp với nồng độ thấp của Ozone qua mặt phân cách khí – lỏng khác nhau. Trong thực tế, nồng độ bão hòa Cs rất khó đạt tới. Hình, cho biết nồng độ thường có xu hướng đạt được ổn định với nồng độ Ozone có trong khí cấp.

2.2 Mô tả lý thuyết của sự truyền ozone

Xử lý Ozone hóa là đảm bảo sự truyền ozone từ pha khí qua pha lỏng bằng khuếch tán qua mặt phân cách khí – nước. Các nghiên cứu liên tục của DEGREMONT đã cho phép phát triển và xác định ảnh hưởng của các tham số khác nhau tác dụng lên sự dịch chuyển này.

Ozone truyền qua mặt phân cách. Trong trường hợp hấp thụ, khí mang ozone hòa tan trong nó trước hết khuếch tán vào giữa chất lỏng. Tốc độ truyền giữa các pha (khí – lỏng) phụ thuộc vào:

• Tính chất vật lý của hai pha;
• Sự khác nhau về nồng độ qua mặt phân cách khí – nước;
• Độ rối của khí và nước;

Mô hình thường giới thiệu nhiều nhất các điều kiện truyền qua mặt phân cách là mô hình phát triển lý thuyết lớp kép. Phương trình mô tả:

Số lượng được truyền qua một đơn vị thời gian = hệ số truyền x diện tích trao đổi x thế trao đổi!

Thế trao đổi không những phụ thuộc vào sự khác nhau về nồng độ giữa khí và chất lỏng, mà còn phụ thuộc vào tính phản ứng hóa học trực tiếp của ozone lên chất ô nhiễm.

2.3 Hấp thụ bằng phản ứng hóa học

Ozone phản ứng với nhiều chất hữu cơ có trong nước (hợp chất hữu cơ, vi rut, vi khuẩn…) điều cần biết là khi các phản ứng này có làm tăng hay không lượng Ozone đã truyền, điều có lợi là xác định một hệ số tăng tốc được tính bằng tỉ số giữa lượng Ozone truyền qua khi có phản ứng và khi không có phản ứng. Có nhiều giả thuyết theo tốc độ phản ứng.

• Phản ứng “rất chậm”

Sự tiêu thụ ozone rất ít, chất lỏng thực tế giữ trạng thái bão hòa với khí, chúng không có phản ứng. Tốc độ phản ứng trong chất lỏng không phụ thuộc vào lượng ozone truyền qua. Không có phản ứng hóa học trong lớp mỏng.

• Phản ứng “chậm”

Một lượng ozone nhỏ được truyền từ pha khí sang pha lỏng. Nói chung việc truyền được hạn chế bởi tốc độ phản ứng trong pha lỏng.

• Phản ứng “nhanh”

Tất cả ozone phản ứng trong lớp mỏng chất lỏng, và nồng độ Ozone trong chất lỏng hầu như bằng không. Đó là phản ứng hóa học điều khiển sự chuyển đổi (ví dụ phản ứng của Ozone với iod). Loại phản ứng này được sử dụng để ozone hóa các chất vô cơ (sắt, mangan). Hệ số tốc độ phụ thuộc không những vào động lực học phản ứng mà còn vào thủy động lực của hệ thống tiếp xúc ozone nước. Nếu kể đến nồng độ chất hữu cơ trong nước mặt hoặc nước thải và xem như tốc độ phản ứng rất chậm, ta rút ra kết luận:

• Đối với nước mặt, phản ứng xảy ra trong lòng chất lỏng;
• Đối với nước ngầm, trong trường hợp khử sắt hoặc mangan, các phản ứng thường xảy ra ở mặt phân cách;
• Đối với nước thải, trong một số trường hợp, phản ứng xảy ra cả ở lớp mỏng phía ngoài chất lỏng và ngay trong chất lỏng.

2.4 Lựa chọn bể phản ứng tiếp xúc

Trong trường hợp các phản ứng nhanh chiếm ưu thế, sự truyền Ozone là một yếu tố hạn chế. Người ta có thể sử dụng lò phản ứng có hệ số truyền lớn như cột có lớp tiếp xúc hay ống dạng U.

Trong trường hợp các phản ứng chậm chiếm ưu thế, người ta dùng lò phản ứng phân chia bọt khí (có hoặc không có khuấy cơ học). Đương nhiên hiệu suất hòa tan ozone thường rất cao (70 – 98%) và cao hơn hiệu suất hòa tan oxy của không khí.

Khuếch tán bằng phân tán bọt khí

Phương trình chung chỉ ra rằng số lượng ozone hấp thụ tăng với:

• Sự khác nhau về nồng độ giữa hai pha, tốc độ hấp thụ là lớn nhất trong khi tạo ra bọt khí;
• Thời gian tiếp xúc của các bọt khí trong chất lỏng (nghĩa là với chiều cao nước);
• Tỉ số giữa diện tích tạo ra bởi bề mặt các bọt với thể tích nước. Một quy tắc thực tế cho phép đánh giá diện tích bao tổng thể St do một Nl khí chia thành các bọt có đường kính d: St (m²) = 0.006/d (m)

Việc tạo ra các bọt mịn cần phải cung cấp một năng lượng lớn (ngay cả trường hợp tuyển nổi bằng không khí điều áp). Trong trường hợp Ozone hóa, thực nghiệm chỉ ra rằng đường kính tối ưu của bọt khí cỡ 3mm và tốc độ nổi tương ứng bằng 20 – 30 cm/s.

2.5 Bể phản ứng

Số các tầng nối tiếp phụ thuộc vào động học oxy hóa của chất ô nhiễm cần phải loại. Trong trường hợp động học rất chậm, ozone dư xuất hiện tốt trước khi kết thúc phản ứng. Trong trường hợp động học nhanh, ta chỉ cần một bể phản ứng.

2.5.1 Bể phản ứng có trang bị vòi phun khoan lỗ.

Các bể phản ứng này được cấu tạo từ một hoặc nhiều khoang đặt liên tiếp nhau theo dòng nước xử lý. Vòi phun lỗ đặt ở đáy mỗi khoang, đảm nhận sự chia khí chứa ozone thành các bọt nhỏ. Nước xử lý nói chung lấy ra ở phần trên, ta cũng thu được một sự tiếp xúc mật thiết cả hai pha, ngược dòng.

Ozone được phun vào một trong các khoang được coi là mốc chạy ngược dòng. Các vòi phun khoan lỗ có dạng đĩa DP 230.

Trong loại lò phản ứng này, chiều cao nước trên lỗ khoan phải nằm giữa 5 và 7m. Trong khi Ozone hóa sơ bộ trong một số trường hợp, có thể xuất hiện một phần chất ô nhiễm (thuốc tẩy, tảo…) có thể tháo riêng biệt.

2.5.2 Bể phản ứng có trang bị tuabin

Hai trường hợp có thể xảy ra: Trường hợp thứ nhất, nước xử lý được dẫn vào vòng hút của một tuabin, nó bị đẩy xuống gặp dòng khí chứa Ozone thổi ở phía dưới tuabin. Một nhũ mịn khí trung gian chứa Ozone/nước được khuếch tán với toàn bộ phần trước của cột tiếp xúc và nước nén bằng tuabin với lưu lượng tuần hoàn lại lớn gấp nhiều lần lưu lượng nước xử lý. Hình dạng tuabin cần nghiên cứu đặc biệt để tạo ra sự trượt các bọt khí chứa ozone và đảm bảo một sự khuếch tán tốt của hỗn hợp khí trong chất lỏng. Trong trường hợp thứ hai, người ta dùng một tuabin với động cơ nhúng chìm đặt ở đáy mỗi buồng của lò phản ứng.

Dạng đặc biệt của tuabin cho phép hút lưu lượng khí chứa ozone đồng thời có một lưu lượng nào đó đẩy một lượng nhũ chứa nhiều bọt mịn. Tuabin này được tính toán (theo yêu cầu) tùy thuộc vào chiều sâu nhúng chìm, lưu lượng khí chứa Ozone cần khuếch tán và tỷ lệ nước tuần hoàn lại. Hiệu suất truyền của thiết bị khá cao ở lưu lượng định mức. Nó có thể vận hành trong điều kiện tốt ở trong nước tương đối đặc biệt, điều đó cần cho việc sử dụng ozone để xử lý sơ bộ. Tốc độ quay của tuabin cần phù hợp với lưu lượng không khí hay oxy chứa ozone đưa vào. Số lượng và vị trí đặt tuabin phụ thuộc nhiều vào chế độ thủy lực của bể chứa.

2.5.3 Bể phản ứng kiểu ống dạng chữ U

Đó là bể phản ứng đáp ứng mọi tiêu chuẩn được xác định trong kỹ thuật hóa học để đảm bảo truyền tốt nhất khí chứa vào ozone vào chất lỏng có áp suất lớn và mặt trao đổi lớn. Đó là một lò phản ứng dòng pitton. Nó gồm hai ống đồng tâm, một ống đưa khí chứa ozone và phân tán bằng một hệ thống ống phun hoặc bằng một hệ thống phun bọt nhỏ. Sau khi phun khí chứa Ozone, nhũ tạo ra đi xuống đáy ống chữ U, trong hành trình này, áp suất đặt vào tăng ổn định tùy theo chiều cao của ống. Ở đáy ống chữ U, nhũ khí – lỏng rất mịn, có đường kính rất nhỏ, điều đó làm cho bề mặt trao đổi rất lớn. Sau khi ra khỏi ống, nhũ dâng lên ở phía ngoài ống trong vùng vành khăn. Trong vùng này, theo dòng đi lên, đường kính bọt tăng cho đến mặt thoáng (5).

Thông số đặc trưng để định kích thước ống chữ U của hệ thống hai pha là :

• Tốc độ rơi xuống của nhũ tương trong ống giữa;
• Tỉ số G/L (%) của lưu lượng khí so với lưu lượng chất lỏng;
• Tổn thất áp lực toàn bộ hệ thống của hệ thống trong chế độ hai pha. Về mặt chỉ dẫn, tốc độ đi xuống được đặt vào riêng nước khoảng từ 1.6 đến 1.8m/s, tỉ số lớn nhất của G/L là 17%.

Đó là một bể phản ứng rất hoàn hảo phù hợp cho việc Ozone hóa sơ bộ (không có nguy cơ đóng cặn) với nồng độ lớn Ozone trong khí cấp. Để đảm bảo vận hành đúng đắn tuần hoàn nhũ tương trong chế độ hai pha có lưu lượng biến thiên và khắc phục tổn thất sinh ra, ống chữ U cần phải trang bị một bơm.

2.5.4 Bể phản ứng đặc biệt

Một số ứng dụng trong xử lý nước hoặc lĩnh vực khác, ta có thể sử dụng các loại bể phản ứng khác nhau, chúng được tính toán tùy thuộc vào chế độ động học của phản ứng cần thu được và bản chất sản phẩm cần xử lý. Ví dụ như các bể phản ứng khí – lỏng dưới áp suất, bể khí rắn, ngay cả bể phản ứng ba pha.

3. Sự phân hủy Ozone

Sau khi tiếp xúc với nước đã xử lý, không khí thoát khỏi bể phản ứng chứa một hàm lượng ozone dư nào đó. Tùy theo loại bể phản ứng sử dụng và tỉ lệ ozone dư mà người ta muốn giữ trong nước đã xử lý, tổn thất ozone có thể đạt đến 1 – 15% ozone đã sản xuất. Điều quan trọng là tránh thải ra ngoài không khí chứa quá nhiều ozone

Tuần hoàn ozone dư về phía đầu của hệ thống tiếp xúc có thể được xem xét. Tuy nhiên cần phải biết rằng hệ thống này gây nên chi phí năng lượng đáng kể (làm tăng lại áp suất không khí chứa ozone dư hay chi phí năng lượng cho tuabin tuần hoàn lại). Việc làm đặc biệt này dùng trong trường hợp xử lý nước uống, nhưng cho lại một kết quả không đáng kể. Thực vậy nồng độ ozone dư của không khí rất nhỏ (0.2 – 2gN/m³) và hiệu suất hòa tan của ozone ở nồng độ này rất thấp (< 50%).

Do vậy, tuần hoàn ozone không giúp ngăn cản sự phân hủy ozone chứa trong khí cho nên nồng độ ozone thải ra môi trường không vượt quá 0.1ppm thể tích.

Pha loãng ozone dư một cách đơn giản là điều không thể làm. Nói chung người ta tiến hành phân hủy một cách có hệ thống ozone dư. Về mặt lý thuyết, có 3 phương pháp chính để phân hủy ozone dư:

• Phương pháp hóa học có thể dự kiến cho các thiết bị nhỏ trong phòng thí nghiệm, không dùng cho hệ thống vừa và lớn;
• Phương pháp xúc tác đã được dùng, nhưng chất xúc tác sử dụng không chuyên dùng cho nguyên công này và rất nhạy cảm với các chất độc như oxit nito, clorua sunphua. Tuổi thọ của chúng ngắn và cần phải thường xuyên nạp lại;
• Phương pháp nhiệt là phương pháp tin cậy nhất. Nó có thể sử dụng hoặc không thu hồi năng lượng.

Đối với các thiết bị trung bình và lớn, lưu lượng không khí chứa ozone lớn hơn 200Nm³/h, phân hủy nhiệt nhờ có thu hồi năng lượng cho phép sau khi đã là việc thu hồi ở khí nung nóng ra khỏi lò phân hủy, 80% năng lượng mà chúng có. Trong những điều kiện này, cấp thêm điện năng chiếm 20 – 25% tổng năng lượng cần thiết để đạt nhiệt độ (320⁰C). Không khí chứa ozone dư được hút bằng quạt gió đặt trên nóc bể phản ưng tiếp xúc và đẩy vào hệ thống phụ của bình trao đổi nhiệt có hiệu suất cao dạng “ống phẳng”, ở đó nhiệt độ tăng lên từ 15 – 260⁰C ở chế độ ổn định.

Ở cửa ra của bộ trao đổi nhiệt, không khí đã nung nóng được đưa vào lò sạch ở nhiệt độ 320⁰C. Sau khi chuyển vào bình phản ứng đảm bảo thời gian tiếp xúc là 3 giây, không khí chuyển vào hệ thống sơ cấp của bình trao đổi nhiệt, ở đây nó nhượng năng lượng cho dòng khí ngược dòng. Ở cửa ra, nhiệt độ không khí khoảng 70⁰C và chuyển ra ngoài khí quyển!