1. Conocimientos básicos sobre el ozono
El ozono, con fórmula molecular O3, es un alótropo del oxígeno (O2). Una molécula de ozono consta de tres átomos de oxígeno, uno de los cuales está conectado a los otros dos mediante un enlace simple. El ozono es aclamado como una "química verde", un oxidante fuerte con cuatro funciones principales: esterilización, decoloración, oxidación y desodorización. También cuenta con ventajas como la ausencia de residuos y de contaminación secundaria, lo que la convierte en una materia prima industrial ecológica y respetuosa con el medio ambiente.
El ozono tiene un poder oxidante extremadamente fuerte, con un potencial redox de 2,07 mV. El ozono oxida la materia orgánica de dos maneras: primero, las moléculas de ozono oxidan selectivamente la materia orgánica directamente, es decir, oxidación directa, pero la velocidad de reacción es relativamente lenta; en segundo lugar, oxida rápidamente la materia orgánica de forma no-selectiva a través de los radicales hidroxilo (·OH) generados por su propia descomposición, es decir, oxidación indirecta. En las reacciones reales de tratamiento de agua, la eficacia del ozono para eliminar la materia orgánica es la superposición de la oxidación directa e indirecta, y el grado en que se desarrollan estas dos reacciones depende de las diferentes condiciones de reacción. La oxidación indirecta también se conoce como tecnología de oxidación avanzada.
2. Preparación del ozono
El ozono se puede preparar mediante varios métodos. En el campo del tratamiento de agua, se utiliza comúnmente la descarga silenciosa de alto-voltaje. Las materias primas para la producción de ozono son principalmente aire u oxígeno. Cuando se utiliza aire como fuente de gas, el contenido de ozono es sólo aproximadamente el 1%, mientras que cuando se utiliza oxígeno, la concentración de ozono puede alcanzar el 10% (en masa) o más.
3. Tecnología avanzada de oxidación de ozono
La tecnología de oxidación con ozono único tiene limitaciones importantes: el ozono único no puede oxidar algunos compuestos orgánicos recalcitrantes, como el cloroformo; La oxidación única con ozono no puede descomponer completamente la materia orgánica en dióxido de carbono y agua, y es difícil lograr una alta eficiencia de eliminación de DQO. La tecnología avanzada de oxidación de ozono, también conocida como tecnología de oxidación profunda, se caracteriza por la generación de radicales hidroxilo (·OH) altamente oxidantes (el potencial redox de los radicales hidroxilo (·OH) es de 2,80 V, solo superado por el flúor). En condiciones de reacción como alta temperatura, alta presión, electricidad, sonido, irradiación de luz y catalizadores, oxida moléculas orgánicas grandes y recalcitrantes en moléculas pequeñas de baja-toxicidad o no-tóxicas.
1) Tecnología de oxidación de ozono fotocatalítica
La oxidación fotocatalítica del ozono no utiliza el ozono para reaccionar directamente con la materia orgánica. En su lugar, utiliza el oxidante secundario activo (·OH) generado por la descomposición del ozono bajo luz ultravioleta para oxidar la materia orgánica. La reacción entre el ozono y la materia orgánica por sí sola es selectiva y no puede descomponer completamente la materia orgánica en dióxido de carbono y agua. Para mejorar la tasa de oxidación y la eficiencia del ozono, se deben adoptar otras medidas para promover la descomposición del ozono para generar ·OH activo.
2) Tecnología de oxidación de ozono catalítica homogénea
Los catalizadores utilizados en la ozonización catalítica homogénea son generalmente metales de transición, como Fe(II), Mn(II), Ni(II), Co(II), Cd(II), Cu(II), Ag(I), Cr(III) y Zn(II). La adición precisa (micro-dosis, nivel de ppb) de iones catalizadores de ozono-a las aguas residuales se logra mediante el control de potencia, completando la reacción de oxidación avanzada que genera radicales hidroxilo para eliminar los contaminantes orgánicos recalcitrantes de las aguas residuales.
3) Tecnología de oxidación de ozono catalítica heterogénea
Esta tecnología suele utilizar un portador oxidante sólido (a menudo compuesto de alúmina o zeolita sintética). Bajo la acción de un catalizador, el ozono se descompone para generar radicales hidroxilo (·OH) altamente oxidantes, degradando así los contaminantes orgánicos del agua.
4. Aplicación real
La planta de tratamiento de aguas residuales municipal está diseñada para manejar 100.000 toneladas/día, pero su capacidad real de tratamiento es de 90.000 toneladas/día. Para cumplir con los estándares de emisión de DQO (Inferior o igual a 40 mg/L), se utiliza tecnología de oxidación de ozono catalítica homogénea, empleando tres generadores de ozono (cada uno con una capacidad de 42 kg/h, dos en funcionamiento y uno en standby). El flujo del proceso es el siguiente: generador de ozono → genera gas ozono → lo transporta a través de tuberías hasta la entrada de la bomba de chorro → se disuelve en las aguas residuales mediante inyección a chorro → genera ·OH bajo la acción de un catalizador homogéneo → completa la reacción de oxidación en el tanque de oxidación catalítica de ozono.
1) Rendimiento de degradación y decoloración de DQO
Capacidad de tratamiento de aguas residuales: 90.000 toneladas/día. Actualmente, está en funcionamiento un generador de ozono, fijado a 40 kg/h, con una tasa de producción real de 34 kg/h (caudal de ozono x concentración de ozono). La dosis de ozono es de 9,1 mg/L. Esto reduce la DQO de 45 a 30 mg/L y el color de 40 a 5, logrando que los efluentes cumplan con la “Norma de Descarga de Principales Contaminantes al Agua para Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Urbanas” (DB33/2169-2018).
2) Consumo de energía
Si bien el ozono es conocido por sus propiedades ecológicas y respetuosas con el medio ambiente, el alto consumo de energía y los costos operativos asociados con su producción son innegables. Cuando se utiliza aire como fuente de gas, el consumo de energía es de aproximadamente 20 kWh/kg de ozono; cuando se utiliza oxígeno como fuente de gas, el consumo de energía es de aproximadamente 10 kWh/kg de ozono. Según el funcionamiento real en el sitio-, el consumo de energía es de 13 kWh/kg de ozono en verano y 11 kWh/kg de ozono en invierno. Debido a las altas temperaturas exteriores en verano, se necesita un enfriador para enfriar el generador de ozono, mientras que en invierno, solo es necesario encender el intercambiador de calor de placas para garantizar un funcionamiento normal.
