Chemische oxidatietechnieken

Principeschema

Principe- en techniekbeschrijving

Chemische oxidatie heeft als doel de oxidatie van organische polluenten tot minder schadelijke of onschadelijke stoffen. In het beste geval zal een volledige oxidatie van organische stoffen resulteren in CO2 en H2O. Ook kunnen anorganische componenten verwijderd worden met behulp van deze techniek (bv. oxidatie van cyanide).  Chemische oxidatie kan ook gebruikt worden in combinatie met een biologische zuivering. In dat geval spreken we van partiële oxidatie. Het doel van chemische oxidatie als voorbehandelingstechniek is dan om ofwel moeilijk afbreekbare componenten te kraken en geschikt te maken voor biologische afbraak ofwel om de slibproductie te beperken door partiele oxidatie van het slib. 

Bij chemische oxidatie worden oxidantia toegevoegd of opgewekt in het afvalwater. Enkele courant gebruikte oxidantia zijn ozon (O3), waterstofperoxide (H2O2), natriumhypochloriet of chloorbleekloog (NaOCl), chloordioxide (ClO2), chloorgas (Cl2), peroxyazijnzuur (C2H4O3) en zuivere zuurstof (O2). Ook combinaties van oxidantia zijn mogelijk. Het meest actieve oxidans is het hydroxylradicaal (OH°). Dit kan worden gevormd uit ozon of waterstofperoxide na activering met een katalysator (bv. Fe2+ in de zogeheten Fentonreactie) of door UV-licht.

De installatie voor chemische oxidatie bestaat uit een buffertank, een reactor en een doseereenheid voor het oxidans. Eventueel wordt dit aangevuld met een UV-installatie. De meeste oxidantia zijn niet selectief waardoor vaak een voorafgaande zuivering (bv. filtratiestap) van het afvalwater vereist is.

Specifieke voor- en nadelen

Elk oxidans heeft eigen voor- en nadelen. Algemeen is de vereiste ruimte voor deze techniek beperkt. Er moet rekening gehouden worden met de mogelijke gevaren van overdosering (bv. afdoden van een nageschakelde biologische zuivering). Doordat de meeste chemicaliën geen selectieve werking hebben, kunnen door de (partiële) oxidatie producten gevormd worden die zelfs meer toxisch zijn dan de initiële polluenten.

Nadeel bij de Fentonreactie is de pH-gevoeligheid en de verhoogde slibproductie.

Toepassingen

Hieronder worden enkele toepassingen van chemische oxidatie kort belicht:

  • Behandeling van grondwater voor de verwijdering van cyanides, PAK, BTEX, fenolen en andere organische micro-polluenten.
  • Chemische oxidatie van percolatiewater als post-biologische zuivering. Dit om bepaalde restvervuiling (persistente CZV of AOX) verder te oxideren.
  • Verhogen van de biodegradeerbaarheid door behandeling van in- en effluenten van een biologische zuivering. Behalve het verhogen van de BZV/CZV ratio kunnen potentieel toxische stoffen worden omgezet in makkelijk biologisch afbreekbare moleculen.
  • Verwijdering van kleurcomponenten (bv. textielsector of papierindustrie).
  • Ontgiften van galvano-effluenten.
  • Behandeling van koelwater (reductie AOX en biologisch groei).

Randvoorwaarden

Er worden weinig tot geen eisen gesteld aan het te behandelen afvalwater. Soms zal een goedkope voorafgaande behandeling (bv. verwijdering van Fe uit grondwater) uitgevoerd worden om zo de kosten van de chemische oxidatie te beperken.

Een belangrijk aandachtspunt bij het gebruik van UV-licht is de troebelheid en de kleur van het afvalwater. De troebelheid verlaagt de doordringbaarheid van het UV-licht en de kleur kan het UV-licht absorberen. Hierdoor kan een intensievere belichting voor het behalen van het zuiveringsrendement noodzakelijk zijn. Het is dus belangrijk dat vooraf o.a. zwevende bestanddelen worden verwijderd uit het afvalwater. Dit kan eenvoudig met behulp van bijvoorbeeld zandfiltratie.

De meest optimale procescondities worden op basis van proeven bepaald. Parameters die hier een rol spelen zijn het soort oxidans, de vereiste dosis, de zuurgraad en de verblijftijd in de reactor.

Werkingsgraad

Chemische oxidatie wordt voornamelijk toegepast voor de verwijdering van persistente organische stoffen (bv. dioxines, pesticiden en biociden), organische verbindingen (bv. BZV en CZV, AOX, EOX, TOC, TOX, BTEX (benzeen, tolueen, ethylbenzeen en xyleen), MAK, fenolen en PAKs), nutriënten (stikstof en organofosforverbindingen) en anorganische zouten (bv. CN-, S-2 en SO3-2).

Voor recalcitrante CZV en kleurcomponenten zijn er voor zover gekend geen limieten voor wat betreft de behandelbare ingangsconcentraties. Beide parameters zijn tot 100% verwijderbaar.

Globaal genomen is het rendement van chemische oxidatie goed tot uitstekend. Uit een screening moet blijken of deze technologie toepasbaar is voor een bepaalde case, al dan niet met voorafgaande behandelingsstappen. Het beoogde rendement kan tevens bekomen worden door eventueel verhoging van de oxidans dosering. Hierbij moet een evenwicht gezocht worden met de globale kostprijs.

Hulpstoffen

Naast de bovenvermelde oxidantia (zie paragraaf principe- en techniekbeschrijving) kunnen katalysatoren (bv. Fe2+) toegevoegd worden.

Milieu-aspecten

Voor het inbrengen of het genereren van de oxidantia is een bepaalde hoeveelheid extra energie vereist.

De eindproducten van chemische oxidatie zijn enerzijds de geoxideerde polluenten en anderzijds de restconcentratie van het oxidans of ontledingsproducten ervan (bv. azijnzuur bij het gebruik van peroxyazijnzuur als oxidans). Deze worden mee afgevoerd met het behandelde afvalwater.

Voorafgaand aan de lozing van afvalwater dient gegarandeerd te worden dat er geen overmaat aan oxiderende stoffen aanwezig is.

Kosten

De kosten zijn afhankelijk van verschillende factoren zoals debiet van het afvalwater, aard en concentratie van het polluent, aanwezigheid van storende componenten, gewenst rendement, enz..

Voor ozon kan met volgende veronderstellingen een raming van de werkingskost worden gemaakt:

  • energieverbruik voor productie O3: vertrekkende van zuivere zuurstof bedraagt de kost 6 à 15 kWh/kg O3, uit lucht bedraagt dit 17 à 30 kWh/kg O3
  • kostprijs energie: 0,06 €/kWh
  • geproduceerde ozonconcentratie: 8 - 10% (10 à 12 kg O2 / kg O3)
  • kostprijs zuurstof: 140 €/ton

De vereiste dosering van ozon dient experimenteel bepaald te worden.  Een typische ozondosering is 2 kg ozon/kg CZV.  De operationele kost voor energie en zuurstof komt afhankelijk van de benodigde dosering op 1 à 2 €/m3.

Gezien de beperkte stabiliteit dient ozon on site geproduceerd te worden.  Voor een ozongenerator met een capaciteit van 1,5 kg ozon/u moet men rekenen op een investeringskost van 100 000 €.  De contacttank en leidingwerk dienen bestendig te zijn tegen de oxiderende condities.

De dosering van vloeibare oxidatie zoals H2O2 vergen een lage investeringkost.  Indien bijkomend een activatie met UV nodig is, zijn de investeringskosten beduidend hoger.  Voor de oxidatie van een afvalwaterstroom van 1 m3/u en 5 000 mg CZV/l bedraagt de investeringskost voor de UV-lampen ongeveer 65 000 €.

Opmerkingen

Zuurstof dat overblijft na ozongeneratie kan hergebruik worden, bv. ter hoogte van de biologische afvalwaterzuivering.

Complexiteit

De complexiteit van de techniek bestaat o.a. uit een correcte dosering van de oxidantia en evt. de katalysator.

Automatiseringsgraad

Automatisering is mogelijk maar vergt een goede opvolging.

Referenties

  • EIPPCB, Reference Document on BAT in Common Waste Water and Waste Gas Treatment / Management Systems in the Chemical Sector, draft februari 2009 (herziening in uitvoering)
  • TNAV, leverancierbevraging, 2008
  • TNAV, Ontmoetingsdag Academia Meets Industry; Thema geavanceerde oxidatieprocessen (AOP’s), Sint-Katelijne Waver, 04/11/2008
  • VITO-SCT, herwerking technische fiches WASS, 2008

Versie : februari 2010

Producten en diensten: