Ózonos pilot reaktorrendszer felépítése és működése

A kísérleti munkákhoz egy laboratóriumi méretű, moduláris felépítésű ózonos pilot reaktorrendszer került kialakításra, amely lehetővé teszi különböző ózonozási technológiák vizsgálatát, valamint batch és folyamatos üzemmódú szennyvízkezelési kísérletek elvégzését. A rendszer alkalmas az ózon vízbe történő beoldásának, az oxidációs folyamatok lefolyásának és a legfontosabb üzemeltetési paraméterek folyamatos nyomon követésére.

Ózongenerátorok

A pilot rendszerhez két különböző teljesítményű ózongenerátor áll rendelkezésre, amelyek eltérő kísérleti körülmények megvalósítását teszik lehetővé.

100 g/h kapacitású berendezés

A nagyobb teljesítményű berendezés névleges ózontermelő kapacitása 100 g/h. A generátor 10 L/min gáz térfogatáram mellett 10–16 tömeg% ózonkoncentrációjú ózon – oxigén gázelegyet állít elő. A rendszer működése során a környezeti levegőt egy kompresszor juttatja a nyomáslengéses adszorpció (Pressure Swing Adsorption, PSA) elvén működő oxigénkoncentrátorba. A PSA egység a levegő nitrogéntartalmának jelentős részét eltávolítja, ezáltal megnyeli a táplálógáz oxigénkoncentrációját. Az oxigéndús gáz ezt követően kerül az ózongenerátor kisülési kamrájába, ahol koronakisülés hatására az oxigénmolekulák egy része ózonná alakul.

10 g/h kapacitású berendezés

A második, kisebb teljesítményű ózongenerátor maximális ózontermelő kapacitása 10 g/h. Ennél a berendezésnél a gáz térfogatárama egy rotaméter segítségével 1–5 L/min tartományban szabályozható, miközben az előállított gáz ózonkoncentrációja 4,1–4,5 tömeg% között változik. Működési elve megegyezik a nagyobb generátoréval.

A keletkező ózon – oxigén keverék PTFE (teflon) csővezetéken keresztül jut el a kiválasztott beoldó egységhez.

Reaktor

Az ózonos kezelések egy függőleges oszlopreaktorban történnek. A reaktor magassága 2 m, belső átmérője 25 cm, névleges térfogata megközelítőleg 100 L.

A reaktor alatt egy 130 L térfogatú kármentő tálca került elhelyezésre, amely esetleges szivárgás vagy üzemzavar esetén megakadályozza a kezelt szennyvíz laboratóriumi környezetbe jutását, ezáltal növelve a rendszer üzembiztonságát.

Üzemeltetési módok

A pilot rendszer egyaránt alkalmas szakaszos (batch) és folyamatos üzemű kísérletek elvégzésére.

A reaktor feltöltése és ürítése két különböző módon valósítható meg. Egyrészt a reaktor alsó részén kialakított töltő- és leeresztőcsonkok segítségével gravitációs vagy külső szivattyús anyagmozgatás végezhető. Másrészt a rendszer két perisztaltikus szivattyúval is rendelkezik, amelyek a kezelendő szennyvíz adagolását, illetve a kezelt víz elvételét biztosítják.

A tesztüzem során legfeljebb 10 L/h térfogatáramú perisztaltikus szivattyúkat alkalmaztunk. Jelenleg nagyobb teljesítményű szivattyúk beszerzése és integrálása van folyamatban annak érdekében, hogy a rendszer gyorsabb feltöltése és ürítése megvalósuljon, valamint folyamatos üzemmódban elérhető legyen a tervezett 300 L/h átfolyási kapacitás.

Ózon beoldása a folyadékfázisba

Az ózon vízbe történő beoldására három különböző technológiai megoldás került kialakításra.

1. Porózus kerámia diffúzor: A legegyszerűbb megoldás során az ózongenerátorból kilépő gáz közvetlenül egy porózus kerámia diffúzorra kerül rávezetésre. A diffúzor finom buborékokat képez, amelyek a reaktorban felfelé áramolva részben beoldják az ózont a folyadékfázisba.
2. Nyomás alatti diffúzoros beoldás: A második megoldás esetében egy ózonálló kompresszor növeli meg a gáz nyomását, amely lehetővé teszi a diffúzor nagyobb üzemi nyomáson történő táplálását. A megnövelt nyomás elősegíti a kisebb buborékok képződését és növeli az ózon vízbe történő átadásának hatékonyságát.
3. Mikro-nanobuborék-generátor: A harmadik beoldási módszer egy mikro-nanobuborék-generátor alkalmazása. A berendezés egy recirkulációs szivattyúból áll, amely a folyadékot a reaktorból szívja ki, majd visszajuttatja oda. A szivattyú szívóágában egy szűkület (Venturi-szakasz) található, amelyhez gázcsatlakozó kapcsolódik. A szűkületen nagy sebességgel áthaladó folyadék nyomáscsökkenést idéz elő, amelynek következtében vákuum alakul ki, és a rendszer külső gázbetáplálás nélkül képes beszívni az ózon – oxigén gázelegyet.

A folyadék és a gáz intenzív keveredése, valamint a szivattyúban és a Venturi-szakaszban fellépő nagy nyíróerők hatására a gáz rendkívül apró buborékokra aprózódik. Ennek eredményeként mikrométeres, illetve bizonyos esetekben nanométeres mérettartományba eső buborékok képződnek. A rendszerhez kapcsolódó nyomáskiegyenlítő tartályban a nagyobb méretű buborékok leválnak és eltávoznak, így elsősorban a mikro- és nanoméretű buborékok kerülnek vissza a reaktorba.

A hagyományos diffúzoros beoldás ugyan a viszonylag alacsony vízoszlopmagasság miatt korlátozottabb hatásfokkal működik, azonban jól modellezi a teljes léptékű szennyvíztisztító telepeken alkalmazott technológiákat. Ezzel szemben a mikro-nanobuborékos technológia jelentősen megnöveli a gáz – folyadék érintkezési határfelületet, ami gyorsítja az ózon oldódását és növeli a tömegátadási sebességet. Emellett a kisebb buborékokra ható felhajtóerő nagyságrendekkel kisebb, ezért ezek lényegesen hosszabb ideig tartózkodnak a folyadékfázisban. A megnövekedett tartózkodási idő tovább javítja az ózon beoldási hatékonyságát és az oxidációs folyamatok eredményességét.

Szenzorág és folyamatmonitorozás

Az ózonos kezelések nyomon követése érdekében a rendszer külön szenzorággal rendelkezik. A szenzorágban egy membránszivattyú biztosítja a folyadék folyamatos keringtetését. A folyadékot a reaktor alsó részéből veszi ki, majd a mérések elvégzését követően a reaktor felső részébe vezeti vissza.

A rendszerben az alábbi érzékelők kerültek beépítésre:

• Kombinált pH-mérő üvegelektród
• Redoxpotenciál-mérő elektród
• Hőmérséklet-érzékelő
• Vezetőképesség-mérő (konduktométer)
• Amperometriás oldott ózonmérő elektród

A pH meghatározó szerepet játszik az ózon reakciómechanizmusában, mivel a közeg kémhatása befolyásolja, hogy az oxidáció döntően közvetlen molekuláris ózonnal vagy közvetetten, hidroxilgyökökön keresztül megy végbe. A hőmérséklet hatással van mind a reakciósebességre, mind az ózon oldhatóságára. A vezetőképesség a szennyvíz általános jellemzésére és az ionerősség változásának követésére szolgál. A redoxpotenciál a fertőtlenítési és oxidációs folyamatok egyik legfontosabb jellemző paramétere, míg az oldott ózon koncentrációja közvetlen információt nyújt az oxidálószer rendelkezésre állásáról.

Az érzékelők távadói egy PLC-rendszerhez csatlakoznak, amely lehetővé teszi a mérési adatok valós idejű megjelenítését, rögzítését és későbbi kiértékelését számítógépen.

Mintavételi lehetőségek

A rendszer több mintavételi ponttal rendelkezik annak érdekében, hogy a kezelés különböző szakaszaiban reprezentatív minták legyenek vehetők.

• A kezelendő szennyvíz beadagoló ágán mintavételi pont került kialakításra a kiindulási, kezeletlen minta levételéhez.
• A kezelés során mintavétel végezhető a reaktor alsó leeresztőcsonkján keresztül, illetve a szenzorágba beépített mintavételi csonkon is, amely lehetővé teszi a keringtetett folyadék összetételének vizsgálatát.
• A kezelt víz mintavétele a tisztított víz elvételi pontján történik, vagyis azon az ágon, ahol a perisztaltikus szivattyú a kezelt szennyvizet eltávolítja a reaktorból. Ez biztosítja, hogy a folyamatos üzem során a kifolyó víz minősége közvetlenül nyomon követhető legyen.

Gáz-ág és az ózon sorsa

Az ózongenerátorban előállított ózon – oxigén gázelegy PTFE csővezetéken keresztül jut el a kiválasztott beoldó egységhez. A generátorból kilépő gázáram egy T-idomon keresztül részben egy ózonanalizátorba kerül, amely folyamatosan méri a reaktorba belépő gáz ózonkoncentrációját.

A reaktorban az ózon egy része beoldódik a folyadékfázisba és részt vesz az oxidációs reakciókban, ugyanakkor a reaktor tetején folyamatosan távozik maradékgáz, amely még jelentős mennyiségű ózont tartalmazhat.

A távozó gáz PTFE csővezetéken keresztül először egy cseppleválasztóba jut, ahol a kondenzálódó víz eltávolításra kerül. A rendszer továbbfejlesztése során egy kimenő oldali ózonkoncentráció-mérő is beépítésre kerül. A méréshez a távozó gáz egy kis része T-idomos leágazáson keresztül egy gázelőkészítő egységbe jut, amely a mintagáz nedvességtartalmát eltávolítja, majd a száraz gáz egy ózonanalizátorba kerül.

A reaktorba belépő és onnan kilépő gázáramok ózonkoncentrációinak, valamint a megfelelő térfogatáramok ismeretében meghatározható az ózon tömegárama. Ezekből számítható az ózon beoldási hatásfoka, valamint az időegység alatt a rendszerbe ténylegesen bevitt ózon tömege.

A fel nem használt gáz nagy része egy termikus ózonbontó berendezésbe kerül. A magas hőmérsékleten az ózon bomlási sebessége jelentősen megnő, így az ózon gyorsan oxigénné alakul. Az ózonbontóból kilépő gázt végül egy elszívófülke távolítja el a laboratóriumi légtérből.

Biztonságtechnika

Az ózon erősen oxidáló és egészségkárosító hatású gáz, ezért a pilot rendszer üzemeltetése során kiemelt figyelmet fordítunk a munkabiztonságra.

A rendszer két független vészleállító funkcióval rendelkezik: külön vészleállító gomb áll rendelkezésre az ózongenerátor azonnali leállítására, valamint egy központi vészleállító gomb, amely a teljes pilot rendszert üzemen kívül helyezi.

Az esetleges szivárgások felderítésére több hordozható kézi ózonmérő áll rendelkezésre. A laboratóriumban végzett minden ózonos kísérlet során kötelező az egyéni, hordozható személyi ózonérzékelő viselése.

Kisebb mértékű ózonszivárgás esetén a laboratórium szellőztetése és az elszívófülke üzemeltetése elegendő a biztonságos koncentráció helyreállításához. Nagyobb szivárgás esetén a beavatkozást ózonszűrő betéttel ellátott teljes álarcos légzésvédelem alkalmazásával végezzük. Kritikus mértékű kibocsátás esetén a területre történő belépés kizárólag izolációs légzésvédő készülék (sűrített levegős légzőkészülék) és teljes vegyvédelmi öltözet használata mellett engedélyezett.

A rendszer további fejlesztéseként fix telepítésű környezeti ózonmonitor beépítését tervezzük. A berendezés a labor levegőjében mért ózonkoncentráció folyamatos felügyeletét biztosítja, és előre meghatározott határérték túllépése esetén automatikusan leállítja az ózongenerátort. A rendszer teljes automatizálásának megvalósításáig a pilot reaktor kizárólag folyamatos személyes felügyelet mellett üzemeltethető.

Fejlesztési irányok és jövőkép

Vegyszeradagolás (fejlesztés alatt)

Mivel az ózon reakciómechanizmusa erősen függ a közeg pH-jától, a rendszerine sav- és lúgadagoló egységek integrálását tervezzük. Ezek segítségével lehetőség nyílik a pH beállítására és állandó értéken tartására a kísérletek során.

Emellett hidrogén-peroxid adagolórendszer beépítése is tervben van. Az ózon és a hidrogén-peroxid együttes alkalmazása (peroxon eljárás) során nagy reakcióképességű hidroxilgyökök keletkeznek, amelyek jelentősen fokozhatják a szerves szennyezők lebontását.

Szabályozás és vezérlés (fejlesztés alatt)

A rendszer további fejlesztési célja fejlett automatikus szabályozási és vezérlési funkciók kialakítása. A tervek között szerepel:

• A pH automatikus szinten tartása
• Az oldott ózon koncentráció szabályozása
• A peroxon eljárás során az optimális $O_3:H_2O_2$ adagolási arány automatikus biztosítása

Az automatikus szabályozási funkciók várhatóan növelik a rendszer reprodukálhatóságát, javítják a folyamatirányítást, valamint lehetővé teszik a különböző oxidációs technológiák összehasonlítható vizsgálatát.