降解印染廢水的有效工藝探究

臭氧具有氧化能力強、氣源易得、制備簡單等優點,常被用于水和廢水的處理。臭氧與水的混合方式對其氧化效果至關重要。常用的混合裝置多為填料塔、噴霧塔、鼓泡塔等。這些裝置構形簡單,操作方便,但同時存在泡沫、液泛等問題,且其傳質效率不夠高。膜接觸反應器是一種新型的氣液接觸裝置,被廣泛應用于甲烷、氧氣、二氧化碳、二氧化硫、氨氣以及臭氧等氣液交換過程中。在此膜接觸反應器中,應用疏水膜將氣液兩相隔離,在濃度差的作用下,氣體從氣相側擴散到液相側。該氣液混合過程以無泡的方式進行傳質,可有效地避免泡沫、液泛等問題。同時,因膜接觸反應器的比表面積(a) 較大 ,其體積傳質系數(kL a) 較高。在相同的臭氧傳質通量下,膜接觸反應器的體積較小。研究表明,其體積可比傳統反應器小1 ~ 2 個數量級。

在膜接觸反應器中,疏水膜將氣液兩相分開,使之獨立流動。氣相側為臭氧氣體,液相側為吸收液(水或廢水)。在濃度差的作用下,臭氧從氣相主體跨越氣相邊界層、膜和液相邊界層而進入液相主體,繼而發生物理吸收或化學反應。在擴散過程中,需維持氣相壓力小于液相壓力。有別于傳統反應器,在此氣液交換過程中無氣泡產生。

隨著液相流速增加,產水臭氧濃度下降。在較高的流速下,吸收液在膜絲中停留時間較短,臭氧傳質量相對較少。與此同時,在較高的流速下,液相側的湍流度較高。而較高的湍流度有利于削減邊界層效應,從而促進臭氧擴散。產水臭氧濃度由這兩種因素共同作用。產水臭氧濃度隨水流速的升高而下降,這表明停留時間的減少影響更為顯著。流速對體積傳質系數的影響如圖4 所示。隨著流速即雷諾數的增加,體積傳質系數增加。這正反映了在高雷諾數下液相邊界層厚度較小,傳質阻力隨之減小的規律。

降解印染廢水的有效工藝探究

利用膜接觸臭氧氧化工藝對模擬印染廢水進行降解。吸收液為100 mg·L - 1 的剛果紅溶液。通過測定剛果紅濃度及COD 值變化來評價該工藝處理印染廢水的效率。并假定反應遵循偽一級反應動力學,通過降解速率常數ka 值定量描述。

在傳統鼓泡反應器中,氣體通過氣泡界面進行傳質。單位體積內氣泡的面積決定傳質效率,通過減小氣泡大小,提高比表面積可顯著增加傳質和反應效率。而在膜接觸反應器中,氣液接觸界面是膜的表面。因而,膜表面積大小對染料降解速率影響顯著。如圖8 所示,隨著膜面積不斷增大,染料降解速率常數不斷增大。在鼓泡反應器中,降解常數為0. 204 s - 1 ; 而在膜接觸反應器中, 降解常數為0. 002 5 s - 1 ~ 0. 336 s - 1 。當膜接觸反應器的面積為2 700 cm2 時,降解常數可比鼓泡反應器大65% 。膜接觸反應器的一個重要特點為比表面積大,填充密度高。可為臭氧傳質和反應提供大量的接觸界面。通過合理的組件設計,可在較小的體積內實現較大的氣液接觸面積繼而實現傳質。

降解印染廢水的有效工藝探究

膜接觸反應器臭氧傳質效率優于鼓泡反應器,其體積傳質系數kL a 值可達0. 317 s - 1 ,比鼓泡反應器的大1 ~ 2 個數量級。臭氧的體積傳質系數只與流體和流道的性質有關,其關聯式可表達為: Sh =1. 31Re0. 54 Sc0. 33 。而水流速、臭氧濃度、水溫和膜長度等因素對傳質都有較大的影響。

　　將膜接觸臭氧反應器用于印染廢水的處理,可有效提高氧化速率以及臭氧的利用率。與鼓泡反應器相比,當膜面積為2 700 cm2 時,COD 降解速率提高了69% ,比臭氧消耗率降低了45% 。

　　結果表明,基于膜接觸反應器的臭氧氧化工藝可減小臭氧反應器的體積,提高臭氧的利用效率。該技術在廢水臭氧氧化的應用上具有一定的發展潛力。