Water | Advanced oxidation processes

Afdrukken

Oxidatietechnieken: AOP

Doel

  • Afbraak van recalcitrante componenten in afvalwater bij verschillende industrietakken
  • Fysische desintegratie retourslib voor betere bezinkbaarheid en verminderde slibafvoer
  • Gebruik van ozon voor desinfectie van water in zwembaden, ter vervanging van (irriterende) chloorproducten

Principe

AOP staat voor ‘advanced oxidation processes’ en groepeert een aantal milieutechnologieën die voor specifieke toepassingen de klassieke waterzuiveringstechnologieën kunnen bijspringen of zelfs helemaal vervangen. Het betreft voornamelijk situaties waarbij het verontreinigd water beladen is met moeilijk afbreekbare componenten zoals pesticiden, kleurstoffen, specifieke aromatische verbindingen, organochloorverbindingen, …

Gemeenschappelijke eigenschap van AOP-technieken is dat hun actieve werking in de meeste gevallen is terug te brengen tot de productie van hydroxylradicalen (OH·). Deze hydroxylradicalen hebben een zeer krachtig oxiderend vermogen.

Er kunnen in totaal een tiental verschillende AOP-technieken worden onderscheiden. Veelal wordt onderscheid gemaakt in fotochemische en niet-fotochemische AOP-technieken, en dit al naargelang er lichtenergie (veelal UV) wordt gebruikt voor de aanmaak van de hydroxylradicalen. Enkele hiervan worden vermeld:

  • Ozonisatie (O3)
  • Ozon/waterstofperoxide (O3/H2O2)
  • Fenton reagens (Fe2+/H2O2)

Toepassingen

Het belangrijkste toepassingsgebied voor AOP is de vernietiging van specifieke en moeilijk biologisch afbreekbare (persistente) polluenten uit grond-, oppervlakte- en industrieel afvalwater. In een toenemend aantal gevallen wordt de combinatie van AOP met biologische technieken toegepast. Wanneer het afvalwater naast de persistente verbinding voornamelijk goed biologisch afbreekbare verbindingen bevat, zal de AOP-techniek na de biologie worden voorzien, dit om energie en chemicaliën te besparen. Wanneer het afvalwater voornamelijk verontreinigd is met moeilijk afbreekbare verbindingen, zal de AOP-techniek voor de biologie worden ingeplant, wanneer deze de polluenten kan omzetten in biologisch afbreekbare verbindingen. Ook voor de verwijdering van smaak en geur uit drinkwater of voor geurhinderbestrijding kan de inzet van AOP-technieken worden overwogen (post-treatment).

Ozonisatie

Er bestaan meerdere technieken om ozon kunstmatig te genereren. Elk van deze technieken voorziet in een aanvoer van energie naar dizuurstofmoleculen (O2) om tot ozonvorming (O3) te komen:

3O2 => 2O3

Ozon is een onstabiel gas dat omwille van de oxidatieve eigenschappen gebruikt wordt voor waterbehandeling. In water kan ozon ofwel rechtstreeks reageren door de oxidatie van targetcomponenten, ofwel ontbinden in hydroxylradicalen die op hun beurt de targetcomponenten oxideren met vorming van nevenproducten.

Ozondosering voor waterbehandeling wordt typisch toegepast op ruw afvalwater (pre-ozonisatie) of na sedimentatie. Voorbehandeling wordt toegepast om de biologische degradeerbaarheid van afvalwater te verhogen, terwijl ozonisatie als nabehandeling zich richt op het verwijderen van recalcitrante organische componenten na biologische behandeling. De ozonvraag hangt sterk af van de eigenschappen van het te behandelen water.

Een bijkomende toepassing van ozon is de dosering in het retourslib, ofwel in een fractie ervan, met als doel om drijfslib tegen te gaan. Ozonmoleculen reageren sneller met draadvormers dan met de slibvlokken die relatief minder (contact)oppervlak per volume hebben.

Schema

Fenton reagens

Bij deze techniek wordt het OH· radicaal bekomen uit H2O2 door reactie met een chemische katalysator, Fe2+ in het afvalwater. De nettoreactie is de vorming van 2 OH-radicalen en water uit 2 moleculen waterstofperoxide, met Fe2+ als katalysator. De OH-radicalen kunnen verschillende moleculen oxideren, waarbij telkens nieuwe radicalen ontstaan.

OH· + RH => H2O + R·

De concentratie van de katalysator (Fe) is meebepalend voor het aflopen van de reacties. Een bruikbare range voor Fe:H2O2 bedraagt 1:5-25. De toepassing van Fentons reagens is sterk pH-gevoelig: de vorming van radicalen kan enkel doorgaan binnen een pH-gebied van 3,5 - 5,0. De noodzakelijke reactietijden variëren van 30 minuten tot verschillende uren, afhankelijk van de samenstelling van substraat en de concentratie.

UV

Verschillende toepassingen in de AOP-technieken maken ook gebruik van ultraviolet licht (UV).  Zo kunnen de hydroxylradicalen nodig voor de geavanceerde oxidatie worden geproduceerd door een homolytische splitsing van waterstofperoxide. Hierbij wordt de zuurstofbinding van H2O2 gesplitst tot twee OH-radicalen door bestraling met UV:

H2O2 + UV → 2·OH

Ook ozonisatie (O3) kan worden gecombineerd met UV-straling met als doel de efficiëntie van de beoogde oxidatie te verhogen. Vaak wordt ook ozon en waterstofperoxide gecombineerd. In praktijk wordt na de dosering van H2O2 of de ozoninjectie een UV-doorstroomunit met de geschikte specificaties doorlopen.

Een andere toepassing van UV betreft de productie van hydroxylradicalen via fotokatalytische oxidatie met TiO2 als katalysator. De UV-straling vormt een geëxciteerd of aangeslagen elektron en een elektronenholte aan de TiO2 oppervlakte.Deze uiterst reactieve elektronenholte reageert met water geadsorbeerd aan de oppervlakte van het TiO2-bed en produceert hydroxylradicalen. Deze techniek is voornamelijk geschikt voor de verwijdering van microverontreinigingen of de productie van ultrapuur water. 

Werkingskosten

Ozongeneratie is een energie-intensief proces, waarbij men de kost voor het voedingsproduct dizuurstof ook mee in rekening dient te brengen. De installatie zelf dient te worden uitgevoerd in materialen die resistent zijn aan ozon in oplossing of gasfase. Om de effectieve werkingskost en vereiste ozondosering goed te kunnen inschatten is een representatieve labotest op het afvalwater aangewezen.

Aanpak Trevi

Voorafgaand aan het in overweging nemen van AOP-technieken onderzoekt Trevi eerst of er via scheiding van verschillende afvalwaterstromen of biologische (voor)behandeling besparingen gerealiseerd kunnen worden.

Op basis van een representatief afvalwater teststaal worden verschillende types labo-opstellingen voor ozonisatie, fenton, en/of peroxidatie onderzocht, mogelijks te vergelijken met actief kool tests. Voor de evaluatie van AOP-technieken is niet alleen de verwijderingsefficiëntie van specifieke recalcitrante componenten van belang, maar ook de finale BOD/COD verhouding van het behandelde afvalwater.