Wasser | Advanced oxidation processes

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Oxidation Techniken: AOP

Ziel

  • Aufschlüsselung von widerspenstigen Bestandteilen im Abwasser in verschiedenen Industriezweigen
  • Physikalische Zerkleinerung von Rücklaufschlamm für verbesserte Sedimentation und reduzierten Schlammaustrag
  • Verwendung von Ozon zur Desinfektion von Wasser in Schwimmbädern, als Ersatz für Chlorprodukte (irritierend)

Prinzip

AOP steht für "advanced oxidation processes" und bündelt eine Reihe von Umwelttechnologien, die dazu beitragen können, herkömmliche Wasseraufbereitungstechnologien für spezifische Anwendungen zu ergänzen oder sogar vollständig zu ersetzen. Es handelt sich dabei vor allem um Situationen, in denen das verschmutzte Wasser mit schwer abbaubaren Bestandteilen wie Pestiziden, Farbstoffen, spezifischen Aromaten, Organochlorverbindungen usw. belastet ist.

Allen AOP-Techniken gemeinsam ist, dass in den meisten Fällen ihre aktive Wirkung auf die Produktion von Hydroxylradikalen (OH·) reduziert werden kann. Diese Hydroxylradikale haben eine sehr starke Oxidationskraft.

Insgesamt lassen sich zehn verschiedene AOP-Techniken unterscheiden. Je nachdem, ob die Lichtenergie (meist UV) zur Herstellung von Hydroxylradikalen genutzt wird, unterscheidet man zwischen photochemischen und nicht-photochemischen AOP-Techniken. Einige davon werden erwähnt:

  • Ozonisierung (O3)
  • Ozon/Wasserstoffperoxid (O3/H2O2)
  • Fenton Reagenz (Fe2+/H2O2)

Anwendungen

Hauptanwendungsgebiet für AOP ist die Zerstörung von spezifischen und schwer biologisch abbaubaren (persistenten) Schadstoffen aus Boden-, Oberflächen- und Industrieabwässern. In immer mehr Fällen kommt die Kombination von AOP mit biologischen Techniken zum Einsatz. Enthält das Abwasser neben der hartnäckigen Verbindung vor allem biologisch gut abbaubare Verbindungen, wird die AOP-Technik nach der Biologie eingesetzt, um Energie und Chemikalien einzusparen. Wenn das Abwasser hauptsächlich mit schwer biologisch abbaubaren Stoffen belastet ist, wird die AOP Technik vor der Biologie eingeplant, wenn es in der Lage ist, die Schadstoffe in biologisch abbaubare Stoffe umzuwandeln. Auch bei der Beseitigung von Geschmack und Geruch im Trinkwasser oder bei der Geruchskontrolle kann der Einsatz von Nachbehandlungstechniken in Betracht gezogen werden.

Ozonisierung

Es gibt verschiedene Techniken zur künstlichen Erzeugung von Ozon. Jede dieser Techniken liefert Energie an Dizrogenmoleküle (O2), um Ozonbildung (O3) zu erreichen:

3O2 => 2O3

Ozon ist ein instabiles Gas, das wegen seiner oxidativen Eigenschaften zur Wasseraufbereitung eingesetzt wird. In Wasser kann Ozon entweder direkt durch Oxidation mit Zielkomponenten reagieren oder sich in Hydroxylradikalen zersetzen, die unter anderem mit Zielkomponenten unter Bildung von Nebenprodukten oxidieren.

Die Ozondosierung für die Wasseraufbereitung wird typischerweise bei Rohabwässern (Vorozonisierung) oder nach der Sedimentation angewendet. Die Vorbehandlung dient der biologischen Abbaubarkeit des Abwassers, während Ozon nach der Behandlung zur Entfernung des störenden CSB nach der biologischen Behandlung eingesetzt wird. Der Ozonbedarf hängt stark von den Eigenschaften des zu behandelnden Wassers ab.

Eine zusätzliche Anwendung von Ozon ist die Dosierung im Rücklaufschlamm, d. h. ein Bruchteil davon, zur Bekämpfung von Gewerbeschlamm. Ozonmoleküle reagieren mit Drahtbiegemaschinen schneller als mit Schlammflocken, die eine relativ geringere Kontaktfläche pro Volumen haben.

Schema

Fenton Reagenz

 

Bei dieser Technik wird das OH- radikalisch aus H2O2 durch Reaktion mit einem chemischen Katalysator, Fe2+  im Abwasser gewonnen. Die Nettoaktion ist die Bildung von 2 OH-Radikalen und Wasser aus 2 Wasserstoffperoxidmolekülen mit Fe2+als Katalysator. Die OH-Radikale können verschiedene Moleküle oxidieren und jedes Mal neue Radikale bilden.

OH· + RH => H2O + R·

Die Konzentration des Katalysators (Fe) ist ein Faktor zur Bestimmung des Ablaufs der Reaktionen. Ein nutzbarer Bereich für Fe: H2O2 ist 1:5-25. Der Einsatz von Fentons Reagenz ist hoch pH-sensitiv: Die Bildung von Radikalen kann nur innerhalb eines pH-Bereichs von 3,5 - 5,0 fortgesetzt werden. Die erforderlichen Reaktionszeiten variieren je nach Substratzusammensetzung und Konzentration von 30 Minuten bis zu verschiedenen Stunden.

UV

Verschiedene Anwendungen in der AOP-Technik nutzen auch ultraviolettes Licht (UV).  Beispielsweise können die für eine fortgeschrittene Oxidation notwendigen Hydroxylradikale durch eine homolytische Spaltung von Wasserstoffperoxid erzeugt werden. Die Sauerstoffbindung von H2O2  wird durch Bestrahlung mit UV in zwei -OH-Radikale gespalten:

H2O2 + UV => 2·OH

Die Ozonisierung (O3) kann auch mit UV-Strahlung kombiniert werden, um die Effizienz der beabsichtigten Oxidation zu erhöhen. Ozon und Wasserstoffperoxid werden oft kombiniert. In der Praxis wird nach der Dosierung von H2O2oder der Ozoneinspritzung ein UV-Durchflussgerät mit den entsprechenden Spezifikationen durchlaufen.

Eine weitere Anwendung von UV betrifft die Herstellung von Hydroxylradikalen durch photokatalytische Oxidation mit TiO2 als Katalysator. Die UV-Strahlung bildet auf der TiO2 -Oberfläche ein angeregtes oder angeregtes Elektron und einen Elektronenhohlraum. Dieser hochreaktive Elektronenhohlraum reagiert mit Wasser, das an der Oberfläche des TiO2 -Bettes adsorbiert wird, und produziert Hydroxylradikale. Diese Technik eignet sich vor allem zur Entfernung von Mikroverunreinigungen oder zur Herstellung von Reinstwasser.

Betriebskosten

Die Ozonerzeugung ist ein energieintensiver Prozess, bei dem die Kosten für das Produkt Dizrogen, das dem Prozess hinzugefügt wird, berücksichtigt werden müssen. Die Installation selbst sollte in Materialien ausgeführt werden, die beständig gegen Ozon in Lösung oder Gasphase sind. Um die effektiven Betriebskosten und die erforderliche Ozondosierung genau abschätzen zu können, ist eine repräsentative Laboranalyse des Abwassers erforderlich.

Ansatz von Trevi

Vor der Prüfung von AOP-Techniken untersucht Trevi zunächst, ob Einsparungen durch die Trennung verschiedener Abwasserströme oder durch biologische (Vor-)Behandlung möglich sind.

Anhand einer repräsentativen Abwasserprobe werden verschiedene Laborkonfigurationen für Ozon, Fenton und/oder Peroxidation untersucht, die mit Aktivkohleversuchen vergleichbar sind. Bei der Bewertung von AOP-Techniken ist nicht nur die Abscheideleistung spezifischer widerspenstiger Komponenten wichtig, sondern auch das endgültige BSB/COD-Verhältnis des behandelten Abwassers.