Xử lý nước uống là một trong những ứng dụng ozone sớm nhất trên thế giới, đặc biệt là trong mục đích loại bỏ kim loại nặng, loại bỏ mùi và vị, cũng như khử trùng. Một trong những thách thức chính đối với việc giảm thiểu các chất vi ô nhiễm hữu cơ trong quá trình ozon hóa là sự hình thành các sản phẩm biến đổi và/hoặc sản phẩm phụ khử trùng (DBP). DBP được xem là rất có hại cho sức khỏe con người, chúng thậm chí có thể độc hại hơn các hợp chất gốc của chúng. Ví dụ, nước có chứa bromide sẽ tạo ra bromate (chất gây ung thư cho con người) trong quá trình xử lý ozone; việc loại bỏ nó sau khi hình thành là không khả thi. Vì vậy, các sản phẩm phụ brom hóa phải được giảm thiểu càng nhiều càng tốt. Mặc dù việc sử dụng các quá trình lai hóa như O 3 -H 2 O 2 có thể làm giảm đáng kể sự hình thành bromat, nhưng nó đã bị cấm ở Pháp để xử lý nguồn nước có chứa thuốc trừ sâu. Quá trình khoáng hóa không hoàn toàn các hợp chất mục tiêu mong muốn và sự hình thành các sản phẩm biến đổi (bao gồm: bromat, dioxan, atrazine, metyl tert -butyl ete, aldehyt, xeton, axit cacboxylic) là những lý do chính dẫn đến quyết định này. Bên cạnh sự hình thành sản phẩm phụ, yêu cầu năng lượng cho các quy trình dựa trên lai này là yếu tố quan trọng quyết định khả năng ứng dụng quy mô lớn của chúng. Ví dụ, mặc dù các quá trình UV-H 2 O 2 không tạo ra bromat, nhưng chúng có thể tiêu tốn nhiều năng lượng hơn tới 4 lần so với các quá trình O 3 -H 2 O 2. Do đó, tồn tại sự đánh đổi giữa hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm mục tiêu, sự hình thành sản phẩm phụ và yêu cầu năng lượng khi quyết định áp dụng lộ trình xử lý tối ưu, như minh họa trong dưới.
So sánh các quá trình oxy hóa khác nhau để giảm thiểu vi chất ô nhiễm trong xử lý nước đô thị
So sánh O 3 -H 2 O 2 và UV-H 2 O 2 AOP để khử trùng và giảm chất ô nhiễm vi mô
Bất chấp những hạn chế trên, việc sử dụng ozone thường xuyên được chứng minh là vượt trội so với clo trong hầu hết các chiến dịch khử trùng cơ bản; ví dụ, vi khuẩn kháng clo Bacillus cereus dễ bị bất hoạt hơn bởi ozone, để khử trùng nước uống. Người ta đã khẳng định rằng có thể cần đến giá trị CT cao hơn tới 3000 lần đối với clo để mang lại hiệu quả khử hoạt tính vi sinh vật tương tự như ozone. Tuy nhiên, đánh giá của các nhà khoa học minh họa giá trị CT cao hơn khoảng 10 lần đối với quá trình bất hoạt (4-log) của vi-rút. Bất chấp sự khác biệt này giữa cả hai báo cáo, các giá trị CT đã được thiết lập để khử hoạt tính của một số vi khuẩn và vi rút bằng clo, có thể được thay thế bằng các giá trị CT thấp hơn đáng kể khi sử dụng ozone. Giá trị CT của ozone tương ứng phụ thuộc vào sinh vật mục tiêu và nó phải được xác định chính xác cho ứng dụng cụ thể. Hơn nữa, động học của quá trình bất hoạt nấm bởi ozone và clo được so sánh cho thấy rằng ozone vượt trội đáng kể so với clo đối với 3 loài nấm được thử nghiệm (hằng số tốc độ bất hoạt nằm trong khoảng từ 2,5 đến 15,5 lần so với clo).
So sánh khả năng vô hiệu hóa 3 bào tử nấm sử dụng clo (2 mg/L), clo dioxit (2 mg/L) và ozone (2 mg/L) trong 40 mM PBS; (a) Aspergillus niger ; (b) Penicillium polonicum ; (c) Trichoderma harzianum ; (d) hằng số tốc độ khử hoạt tính của 3 chất khử trùng
Hơn nữa, khái niệm ổn định bong bóng ôzôn ( thông qua việc tạo ra các bong bóng ôzôn nano) để có tác dụng kháng khuẩn kéo dài trở nên quan trọng ở đây, đặc biệt khi xem xét sự phân hủy nhanh chóng của ôzôn xảy ra khi các bong bóng ôzôn lớn hơn được tạo ra trong nước. Việc áp dụng các bong bóng nano ôzôn làm tăng khả năng hòa tan của khí, với nồng độ cao tới 53 ppm đạt được ở nhiệt độ phòng . Điều này cao hơn đáng kể so với nồng độ có thể đạt được bằng các phương pháp tiếp xúc với ozone thông thường tạo ra các bong bóng siêu nhỏ/vĩ mô lớn hơn. Ozone cũng đã được chứng minh là tăng cường hiệu suất của bộ lọc sinh học để loại bỏ nhiều loại chất gây ô nhiễm trong quá trình xử lý nước uống cũng như chiến lược kiểm soát tắc nghẽn cho các bộ lọc khí sinh học. Các nghiên cứu đã báo cáo rằng ozone dưới 120 mg/m3 đã nâng cao hiệu suất lọc sinh học trong quá trình loại bỏ chlorobenzene. Tác giả nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc ước tính các yêu cầu về liều lượng ozone trên cơ sở thường xuyên để nắm bắt những thay đổi về carbon hữu cơ hòa tan và độ kiềm trong quá trình lọc sinh học hỗ trợ ozone để xử lý nước uống được. Bất chấp những lợi ích đã được báo cáo này, liều lượng ozone quá mức có thể ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của bộ lọc sinh học. Một lý do khác để kiểm soát liều lượng ozone được sử dụng để xử lý nước uống là để đảm bảo quá trình phân hủy hoàn toàn của nó trước khi đến điểm tiêu thụ. Thông thường, một lượng ôzôn còn lại rất nhỏ được duy trì cho đến khi quá trình khử trùng hoàn tất, tại thời điểm đó, toàn bộ ôzôn biến mất; một lượng clo nhỏ cũng được thêm vào thời điểm này để giữ lượng dư trong hệ thống phân phối. Các ưu điểm khác của ozon hóa cho ứng dụng này bao gồm khả năng giảm các sản phẩm phụ khử trùng bằng clo, tính thẩm mỹ chất lượng nước tuyệt vời (bao gồm mùi, màu, vị, độ đục) mà nó mang lại sau xử lý và khả năng đặc biệt để làm suy giảm một loạt các chất gây ô nhiễm đang nổi lên đe dọa nguồn cung cấp nước. Vì những lý do này, ozone đã được xem xét rộng rãi hơn trong nước uống hơn là xử lý nước thải. Hơn nữa, nhiều nhà sản xuất thiết bị tạo ozone lớn nhất tập trung vào xử lý nước uống như ứng dụng chính/mục tiêu. Việc áp dụng rộng rãi ozon để xử lý nước uống là động lực để mở rộng ozon hóa sang các ngành công nghiệp khác, bao gồm cả xử lý nước thải. Bạn đọc quan tâm có thể tham khảo các bài báo sau đây, cung cấp những thông tin tổng quan về xử lý nước uống bằng ozone.
Mối quan tâm đến quá trình ozon hóa để xử lý nước thải đang tăng lên, đặc biệt là giảm bùn, loại bỏ các hợp chất khó tính và các chất gây ô nhiễm mới nổi (ví dụ: thuốc nhuộm tổng hợp, axit cacboxylic, phenolics, amoxicillin và các dược phẩm khác). Chúng có xu hướng có nhu cầu oxy hóa học cao, nhu cầu oxy sinh học thấp, chỉ số phân hủy sinh học thấp và thường kháng lại các biện pháp xử lý sinh học. Quá trình khoáng hóa hiệu quả các hợp chất này bằng ozone rất quan trọng đối với việc thu hồi nước thải; tuy nhiên, đạt được quá trình khoáng hóa hoàn toàn ở quy mô công nghiệp sẽ cực kỳ khó khăn, vì yêu cầu về liều lượng ôzôn sẽ quá cao để đạt được hiệu quả kinh tế. Do đó, ozon có thể được sử dụng để phân hủy các hợp chất này thành các hợp chất khác có thể bị vi sinh vật phân hủy thêm trong quá trình xử lý nước thải. Sự phụ thuộc ngày càng tăng vào ozone để xử lý nước thải trong những năm gần đây có thể là do giảm chi phí tạo ozone và lợi ích môi trường của nó so với clo. Tuy nhiên, những hạn chế về truyền khối, tính chọn lọc đối với một số chất gây ô nhiễm nhất định, tốc độ phản ứng chậm và chi phí tương đối cao hơn (vốn và vận hành) là một số hạn chế do chỉ riêng quá trình ozon hóa. Điều này đã dẫn đến ứng dụng phổ biến của quá trình ozon hóa hỗn hợp liên quan đến sự kết hợp của ozon với các quy trình và hợp chất khác để xử lý nước hiệu quả. Mặt khác, đây được gọi là các quá trình oxy hóa nâng cao (AOP) và liên quan đến việc áp dụng ozone với tia cực tím, siêu âm, đốt điện, H 2 O 2, xúc tác quang (ví dụ TiO 2 ), xúc tác đồng thể ion kim loại (Cu 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ Fe 2+ ) và xúc tác dị thể oxit kim loại (kể cả than hoạt tính) Mục đích chính của quá trình lai tạo này là để tiếp tục tạo ra sự phân hủy ôzôn và do đó tạo ra các gốc hydroxyl (OH • ) cho quá trình oxy hóa các hợp chất khó tính này. Có thể tìm thấy lời giải thích chi tiết về cơ chế phân hủy có và không có chất xúc tác trong. Hơn nữa, một số AOP này (tùy thuộc vào mục tiêu dự định) cũng đã được báo cáo là có hiệu quả về chi phí hơn so với việc áp dụng độc lập ozon hóa.
Ozone luôn được sử dụng như một giai đoạn quan trọng trong quá trình xử lý nước
Quá trình ozon hóa trực tiếp nước thải bệnh viện thô có chứa cyclophosphamide đã được sử dụng để xử lý hiệu quả, với khả năng loại bỏ 97 %. Hơn nữa, sự phân hủy amoxicillin (32 % khoáng hóa) bằng cách ozon hóa; trong khi sự kết hợp của ozone và siêu âm hoạt động tốt hơn (45% khoáng hóa). Ngược lại, sự phân hủy tuyệt vời của dược phẩm trong nước bệnh viện chỉ bằng ozone hiệu quả hơn so với phương pháp xử lý hỗn hợp ozone/hydrogen-peroxide. Quá trình ozon hóa xúc tác (một AOP liên quan đến sự kết hợp giữa ozon và than hoạt tính dạng hạt) đã được tìm thấy để cải thiện việc loại bỏ chất ô nhiễm vi mô trong nước thải đô thị. Bên cạnh những đóng góp tương ứng bởi khả năng hấp phụ cao của than hoạt tính và khả năng oxy hóa của ozon (trong quá trình ozon hóa xúc tác), ozon còn có thể bị chuyển hóa thành các chất oxi hóa thứ cấp như (OH • ) . Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho sự phân hủy tiếp theo của các chất gây ô nhiễm chứa nước và bị hấp phụ, cuối cùng chuyển đổi các hợp chất này thành nước và carbon dioxide (khoáng hóa). Đánh giá mở rộng đã chứng minh tính hiệu quả của quá trình ozon hóa xúc tác để loại bỏ các sản phẩm phụ khử trùng trong ngành công nghiệp xử lý nước. Nước thải giặt tẩy (từ các cơ sở xử lý dệt may thương mại) có chứa chất hoạt động bề mặt anion, cation và không ion cũng đã được xử lý hiệu quả bằng ozone; lên đến 55% loại bỏ dodecyl benzen sulfonate đã được báo cáo thông qua việc áp dụng ozon hóa và phân hủy sinh học, trong khi đó, ∼95 % nonylphenol đã được loại bỏ bằng ozon hóa (1 mg/L trong 90 phút). Tác dụng tẩy trắng của ozone đối với nước thải dệt nhuộm (có chứa thuốc nhuộm) đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu ; pH dường như là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình khử màu. Nước thải thuộc da và quang hóa cũng đã được xử lý hiệu quả bằng phương pháp ozon hóa xúc tác, như được ghi lại trong. Ozone cũng thường được áp dụng để xử lý nước thải trong ngành công nghiệp giấy và bột giấy, cũng như cho mục đích tẩy trắng. Cuộc thảo luận này cho thấy khả năng áp dụng ozon hóa để khoáng hóa nhiều loại chất ô nhiễm từ một số ngành công nghiệp hóa chất.
