Technologie pro recyklaci vody

Typ procesu

Fyzikálně chemické procesy

Skupina technologií

Oxidačně redukční procesy

Název procesu

Chemické pokročilé oxidační procesy

Popis technologie

Většina fyzikálně chemických procesů čištění vstupních vod je ze své podstaty pouze separačních. Jednou z cest, jak docílit transformace, případně částečné či úplné destrukce polutantů, je aplikace silných oxidačních činidel.

Oxidovat lze i některé anorganické sloučeniny, např. kyanidy na kyanatany, případně až na CO₂ a N₂, nebo sulfidy na elementární síru či sírany.

Nicméně většina oxidačních procesů cílí spíše na organické polutanty, které jsou oxidovány na látky jednodušší, méně toxické, lépe biologicky rozložitelné, v ideálním případě až na CO₂ a H₂O.

Specifickou skupinou jsou tzv. pokročilé oxidační procesy (Advanced Oxidation Processes AOPs) jejichž společným jmenovatelem je průběh za běžných teplot a tlaků. Většina AOPs je založena na generování hydroxylových radikálů, které jsou vlastním oxidačním činidlem. Tyto radikály jednak patří k nejsilnějším oxidantům (jejich standardní ORP 2,8 V je vyšší než u ostatních běžně dostupných oxidačních činidel s výjimkou fluoru), jednak vykazují malou selektivitu – jsou schopné oxidovat široké spektrum sloučenin.

AOPs lze rozdělit do dvou velkých skupin: procesy chemické a procesy fotochemické.

V případě chemických AOPs jsou radikály generovány použitím běžných oxidačních činidel (nejčastěji O₃ a H₂O₂) za specifických podmínek (vhodná oblast pH, použití katalyzátoru, působení ultrazvuku, ...)

Aktuálnost

ve vývoji

Vhodné pro srážkové vody

Ano, pro odstranění nízkých koncentrací kontaminantů.

Typické reaktory a jejich uspořádání

Reaktor a celkové uspořádání procesu závisí na konkrétním zvoleném procesu. Obecně v úvahu přicházejí především následující procesy:

Fentonova reakce

Radikály vznikají rozkladem H₂O₂ katalyzovaným železnatými ionty v kyselém prostředí. Existují modifikace využívající jiný zdroj železa (železité ionty, elementární železo), nebo generující katalyzátor nebo samotný peroxid elektrochemicky přímo ve vodě.

Ozonizace v alkalickém prostředí
V alkalických podmínkách (pH > 9) u ozonu převažuje tzv. nepřímá oxidace prostřednictví hydroxylových radikálů.

Katalyzovaná ozonizace
Vznik radikálů při ozonizaci lze mimo alkalickou oblast vyvolat pomocí katalyzátoru.

O₃/H₂O₂
Hydroxylové radikály vznikají i vzájemnou reakcí ozonu a peroxidu.

Elektrochemická oxidace
U těchto procesů probíhají oxidační (a redukční) procesy na elektrodách, mezi kterými protéká vstupní voda. I v tomto případě jsou oxidační procesy (odehrávající se na anodě) připisovány především vzniku radikálů.

Sonolýza
I použití ultrazvuku (buď samotného, nebo v kombinaci s dalšími činidly) může vést ke vzniku radikálů a k oxidačním procesům.

Typické schéma

Cílené znečištění

Především organické rozpuštěné látky, které jsou toxické a/nebo obtížně biologicky rozložitelné.

V případě hygienického zabezpečení jsou cílovým znečištěním mikroorganismy.

Typické koncentrace cílového znečištění

V širokém rozmezí obvykle od jednotek po stovky mg/l, v některých případech i vyšší. Aplikace na vyšší koncentrace obvykle předpokládá následné biologické dočištění, ale řadu chemických AOPs lze použít i pro eliminaci koncentrací příliš nízkých pro biologické čištění.

Kritické parametry

Dávka oxidačního činidla: Většinou rozhodující z hlediska ekonomické proveditelnosti. Hydroxylové radikály nejsou selektivní a mohou být spotřebovávány i na vedlejší reakce.

Potenciál procesu pro tvorbu nežádoucích (toxických) vedlejších produktů: Produkty částečného rozkladu některých látek mohou být rizikovější než původní polutant.

Inhibiční vlivy

Přítomnost zhášečů radikálů: Některé látky, označované jako zhášeče (radical scavenger), eliminují vzniklé radikály a zvyšují spotřebu činidel a snižují účinnost procesu. Jde například o uhličitany nebo hydrogenuhličitany.

Další relevantní parametry

Stejně jako u klasické oxidace je průběh a účinnost AOPs ovlivňována reakční dobou, teplotou, tlakem, v některých případech hodnotou pH a celkovým složením vstupní vody. Před návrhem konkrétní technologie je nutné provést testy pro ověření použitelnosti a získání dat pro optimalizaci procesu, včetně zjištění dávky oxidačního činidla, případně množství vynaložené energie.

Dosažitelné koncentrace cílového znečištění

Silně závislé na charakteru vstupní vody a typu procesu. Zejména u oxidace organických látek nelze předpokládat stoprocentní degradaci. Značný rozdíl může být mezi účinností odstranění konkrétní organické látky a celkovým odstraněním organických sloučenin (ChSK , TOC).

Hygienizační funkce

Je možná, ale záleží na složení vstupní vody a dávce činidla.

Investiční náklady

Silně variabilní podle zvoleného oxidačního procesu a charakteru a množství vstupní vody.

Prostorová náročnost

Odvíjí se zcela od množství čištěných vod a zvoleného typu oxidačního procesu.

Bezpečnostní rizika

Práce s látkami, které mají toxické a/nebo korozivní účinky.

Energetická náročnost

Liší se podle typu činidla. V případě ozonu nebo ultrazvuku je potřeba počítat se zvýšenou spotřebou el. energie.

Náročnost na obsluhu

Porozumění principům daného procesu, pochopení faktorů, které ho ovlivňují a znalost možných rizik a problémů jsou naprosto nezbytné.

Provozní náklady

Odvíjí se především od zdroje radikálů, případně pomocných chemikálií.

Chemikálie

Podle typu procesu H₂O₂, O₃, katalyzátor

Pomocné chemikálie, např. kyseliny a zásady pro úpravu pH, případně redukční činidla (siřičitan, thiosíran) pro eliminaci zbytkových koncentrací oxidačního činidla.

Měření a regulace

průtok, dávka činidel, pH, ORP , teplota, zbytková koncentrace oxidantu na výstupu

Plynné

V případě aplikace ozonu je nutné zajistit eliminaci zbytkového plynného ozonu na výstupu z reaktoru.

Pevné

Oxidační procesy mohou někdy vést k tvorbě sraženiny, kterou je nutné oddělit a zpracovat.

V případě Fentonovy reakce je železnatý katalyzátor odstraněn vysrážením.

Vyžadovaná předúprava

Obvykle separace nerozpuštěných látek.

Vyžadované dočištění

Někdy je nezbytností odstranění zbytkových koncentrací oxidačního činidla. Např. přídavkem vhodného redukčního činidla.

V případě oxidace organických látek jsou často konečným produktem jednodušší, snáze rozložitelné látky. Pak je nutné biologické dočištění.

Další alternativou může být odstranění nízkých koncentrací reziduálních látek adsorpcí.

Typická průmyslová odvětví

Chemický průmysl Farmaceutický průmysl Textilní průmysl

Kabdasli, I. and O. Tunay (2010). Chemical Oxidation Applications for Industrial Wastewaters, IWA Publishing.

Tchobanoglous, G., et al. (2014). Wastewater engineering: treatment and resource recovery. New York, NY, McGraw-Hill Education.

Parsons, S. (2004). Advanced oxidation processes for water and wastewater treatment. London, IWA.

Rao, D. G. (2013). Wastewater treatment: advanced processes and technologies. London, IWA Publishing.