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 ondersteunen of zelfs helemaal vervangen. Het betreft vooral situaties waarbij het verontreinigd water beladen is met moeilijk afbreekbare componenten, zoals pesticiden, kleurstoffen, specifieke aromatische verbindingen, organochloorverbindingen, enzovoort.
Gemeenschappelijke eigenschap van AOP-technieken is dat hun actieve werking meestal terug te brengen tot de productie van hydroxylradicalen (OH·). Die hydroxylradicalen hebben een zeer krachtig oxiderend vermogen.
Er zijn in totaal een tiental verschillende AOP-technieken. Vaak wordt een onderscheid gemaakt tussen fotochemische en niet-fotochemische AOP-technieken, al naargelang er lichtenergie (veelal UV) wordt gebruikt voor de aanmaak van de hydroxylradicalen. Voorbeelden:
ozonisatie (O3)
ozon/waterstofperoxide (O3/H2O2)
fenton reagens (Fe2+/H2O2)
Toepassingen
Het belangrijkste toepassingsgebied voor AOP is de vernietiging van specifieke, moeilijk biologisch afbreekbare (persistente) polluenten uit grond-, oppervlakte- en industrieel afvalwater. Steeds vaker gebeurt AOP in combinatie met biologische technieken. Als het afvalwater naast de persistente verbinding vooral goed biologisch afbreekbare verbindingen bevat, wordt de AOP-techniek na de biologie voorzien om energie en chemicaliën te besparen. Als het afvalwater vooral verontreinigd is met moeilijk afbreekbare verbindingen, wordt de AOP-techniek voor de biologie gepland als ze de polluenten kan omzetten in biologisch afbreekbare verbindingen. Ook om smaak en geur uit drinkwater te verwijderen of geurhinder te bestrijden is het nuttig om AOP-technieken te overwegen (post-treatment).
Ozonisatie
Er bestaan meerdere technieken om ozon kunstmatig te genereren. Elke techniek voert energie naar dizuurstofmoleculen (O2) om ozonvorming (O3) te verkrijgen:
3O2 => 2O3
Ozon is een onstabiel gas dat omwille van de oxidatieve eigenschappen gebruikt wordt voor waterbehandeling. In water kan ozon rechtstreeks reageren door de oxidatie van targetcomponenten of ontbinden in hydroxylradicalen die op hun beurt de targetcomponenten oxideren met vorming van nevenproducten.
Ozondosering voor waterbehandeling vindt typisch plaats op ruw afvalwater (pre-ozonisatie) of na sedimentatie. Voorbehandeling gebeurt om de biologische degradeerbaarheid van afvalwater te verhogen, terwijl ozonisatie als nabehandeling dient om recalcitrante organische componenten na biologische behandeling te verwijderen. De ozonvraag hangt sterk af van de eigenschappen van het te behandelen water.
Een bijkomende toepassing van ozon is de dosering in het retourslib - of een fractie ervan – 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
Door reactie met een chemische katalysator, Fe2+ in het afvalwater, zorgt die techniek ervoor dat het OH·-radicaal vrijkomt uit H2O2. 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) bepaalt mee het verloop van de reacties. Een bruikbare range voor Fe:H2O2 bedraagt 1:5-25. De toepassing van fentons reagens is sterk pH-gevoelig: radicalen kunnen alleen ontstaan in een pH-bereik van 3,5 tot 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). Dat maakt het mogelijk om de hydroxylradicalen, nodig voor de geavanceerde oxidatie, te produceren door homolytische splitsing van waterstofperoxide. Daarbij wordt de zuurstofbinding van H2O2 gesplitst tot twee OH-radicalen door bestraling met UV:
H2O2 + UV → 2·OH
Ook ozonisatie (O3) is mogelijk in combinatie met UV-straling voor een meer efficiënte oxidatie. Vaak worden ook ozon en waterstofperoxide met elkaar gecombineerd. In de praktijk volgt na de dosering van H2O2 of de ozoninjectie een UV-doorstroomunit met de geschikte specificaties.
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. Die uiterst reactieve elektronenholte reageert met water, geadsorbeerd aan de oppervlakte van het TiO2-bed, en produceert hydroxylradicalen. Die techniek is voornamelijk geschikt om microverontreinigingen te verwijderen en ultrapuur water te produceren.
Werkingskosten
Ozongeneratie is een energie-intensief proces, waarbij het van belang is om ook de kost voor het voedingsproduct dizuurstof in rekening te brengen. De installatie zelf moet bestaan uit materialen die resistent zijn aan ozon in oplossing of gasfase. Om de effectieve werkingskost en de vereiste ozondosering goed te kunnen inschatten, is een representatieve labotest op het afvalwater aangewezen.
Aanpak Trevi
Vooraleer Trevi de verschillende AOP-technieken overweegt, onderzoekt het of er door scheiding van verschillende afvalwaterstromen of biologische (voor)behandeling besparingen mogelijk zijn.
Op basis van een representatief afvalwaterteststaal worden verschillende types labo-opstellingen voor ozonisatie, fenton en/of peroxidatie onderzocht, eventueel te vergelijken met actiefkooltests. Niet alleen de verwijderingsefficiëntie van specifieke recalcitrante componenten is van belang voor de evaluatie van AOP-technieken. Ook de uiteindelijke BOD/COD-verhouding van het behandelde afvalwater telt mee.