1. Conoscenze di base sull'ozono
L'ozono, con la formula molecolare O3, è un allotropo dell'ossigeno (O2). Una molecola di ozono è composta da tre atomi di ossigeno, uno dei quali è collegato agli altri due da un unico legame. L'ozono è considerato una "sostanza chimica verde", un forte ossidante con quattro funzioni principali: sterilizzazione, decolorazione, ossidazione e deodorizzazione. Vanta anche vantaggi come l'assenza di residui e l'assenza di inquinamento secondario, che lo rendono una materia prima industriale verde rispettosa dell'ambiente.
L'ozono ha un potere ossidante estremamente forte, con un potenziale redox di 2,07 mV. L'ozono ossida la materia organica in due modi: in primo luogo, le molecole di ozono ossidano selettivamente la materia organica direttamente, cioè l'ossidazione diretta, ma la velocità di reazione è relativamente lenta; in secondo luogo, ossida rapidamente la materia organica in modo non-selettivo attraverso i radicali idrossilici (·OH) generati dalla sua stessa decomposizione, cioè l'ossidazione indiretta. Nelle reali reazioni di trattamento dell'acqua, l'efficienza dell'ozono nella rimozione della materia organica è la sovrapposizione dell'ossidazione diretta e indiretta e la misura in cui procedono queste due reazioni dipende dalle diverse condizioni di reazione. L'ossidazione indiretta è anche nota come tecnologia di ossidazione avanzata.
2. Preparazione dell'ozono
L'ozono può essere preparato utilizzando vari metodi. Nel campo del trattamento dell'acqua viene comunemente utilizzata la scarica silenziosa ad alta-tensione. Le materie prime per la produzione di ozono sono principalmente aria o ossigeno. Quando si utilizza l'aria come fonte di gas, il contenuto di ozono è solo dell'1% circa, mentre quando si utilizza l'ossigeno, la concentrazione di ozono può raggiungere il 10% (in massa) o superiore.
3. Tecnologia avanzata di ossidazione dell'ozono
La tecnologia di ossidazione dell'ozono singolo presenta limitazioni significative: l'ozono singolo non può ossidare alcuni composti organici recalcitranti, come il cloroformio; La singola ossidazione dell'ozono non può decomporre completamente la materia organica in anidride carbonica e acqua ed è difficile ottenere un'elevata efficienza di rimozione del COD. La tecnologia avanzata di ossidazione dell'ozono, nota anche come tecnologia di ossidazione profonda, è caratterizzata dalla generazione di radicali idrossilici altamente ossidanti (·OH) (il potenziale redox dei radicali idrossilici (·OH) è 2,80 V, secondo solo al fluoro). In condizioni di reazione quali alta temperatura, alta pressione, elettricità, suono, irradiazione luminosa e catalizzatori, ossida molecole organiche grandi e recalcitranti in piccole molecole a bassa-tossicità o non-tossiche.
1) Tecnologia di ossidazione dell'ozono fotocatalitica
L'ossidazione fotocatalitica dell'ozono non utilizza l'ozono per reagire direttamente con la materia organica. Utilizza invece l'ossidante secondario attivo (·OH) generato dalla decomposizione dell'ozono sotto la luce ultravioletta per ossidare la materia organica. La sola reazione tra ozono e materia organica è selettiva e non può decomporre completamente la materia organica in anidride carbonica e acqua. Per migliorare il tasso di ossidazione e l'efficienza dell'ozono, è necessario adottare altre misure per promuovere la decomposizione dell'ozono per generare ·OH attivo.
2) Tecnologia di ossidazione catalitica omogenea dell'ozono
I catalizzatori utilizzati nell'ozonizzazione catalitica omogenea sono generalmente metalli di transizione, come Fe(II), Mn(II), Ni(II), Co(II), Cd(II), Cu(II), Ag(I), Cr(III) e Zn(II). L'aggiunta precisa (micro-dose, livello ppb) di ioni catalizzatori di ozono-alle acque reflue viene ottenuta attraverso il controllo della potenza, completando la reazione di ossidazione avanzata che genera radicali idrossilici per rimuovere gli inquinanti organici recalcitranti dalle acque reflue.
3) Tecnologia di ossidazione catalitica eterogenea dell'ozono
Questa tecnologia utilizza tipicamente un supporto ossidante solido (spesso composto da allumina o zeolite sintetica). Sotto l'azione di un catalizzatore, l'ozono si decompone generando radicali idrossilici altamente ossidanti (·OH), degradando così gli inquinanti organici presenti nell'acqua.
4. Applicazione effettiva
L'impianto di trattamento delle acque reflue municipali è progettato per gestire 100.000 tonnellate al giorno, ma la sua capacità effettiva di trattamento è di 90.000 tonnellate al giorno. Per soddisfare gli standard sulle emissioni COD (inferiori o uguali a 40 mg/l), viene utilizzata la tecnologia di ossidazione catalitica omogenea dell'ozono, che impiega tre generatori di ozono (ciascuno con una capacità di 42 kg/h, due in funzione e uno in standby). Il flusso del processo è il seguente: generatore di ozono → genera gas ozono → lo trasporta attraverso le tubazioni all'ingresso della pompa a getto → si dissolve nelle acque reflue tramite iniezione a getto → genera ·OH sotto l'azione di un catalizzatore omogeneo → completa la reazione di ossidazione nel serbatoio di ossidazione catalitica dell'ozono.
1) Prestazioni di degradazione e decolorazione del COD
Capacità di trattamento delle acque reflue: 90.000 ton/giorno. Attualmente è in funzione un generatore di ozono, impostato a 40 kg/h, con una produzione effettiva di 34 kg/h (portata di ozono x concentrazione di ozono). Il dosaggio dell'ozono è di 9,1 mg/l. Ciò riduce il COD da 45 a 30 mg/L e il colore da 40 a 5, ottenendo la conformità degli effluenti al "Major Water Pollutant Discharge Standard for Urban Wastewater Treatment Plants" (DB33/2169-2018).
2) Consumo energetico
Sebbene l’ozono sia noto per le sue proprietà ecologiche e rispettose dell’ambiente, l’elevato consumo di energia e i costi operativi associati alla sua produzione sono innegabili. Quando si utilizza l'aria come fonte di gas, il consumo energetico è di circa 20 kWh/kg di ozono; quando si utilizza l'ossigeno come fonte di gas, il consumo energetico è di circa 10 kWh/kg di ozono. In base al funzionamento effettivo in loco-, il consumo energetico è di 13 kWh/kg di ozono in estate e di 11 kWh/kg di ozono in inverno. A causa delle elevate temperature esterne in estate, è necessario un refrigeratore per raffreddare il generatore di ozono, mentre in inverno è necessario accendere solo lo scambiatore di calore a piastre per garantire il normale funzionamento.
