Технологии на окисление за ПСОВ

AOP (Advanced Oxidation Processes) е съвременна концепция на модерни, високоефективни и природосъобразни процеси на окисление при пречистване на води в пречиствателни станции. Чрез използването на AOP-технология се постигат неопасни нива на замърсители в отпадни води от пречиствателни станции, както и задоволително качество на питейни води и води за къпане. Много характеристики на тази нова техника я правят предпочитан метод за третиране в пречиствателни станции. Тя предлага лесен начин за дезинфекция на води и за отстраняване на редица опасни замърсители. Системите са гъвкави, с лесно инсталиране и надежден контрол. Инвестиционните разходи са сравнително ниски. Постигнатото качество на водите не крие рискове за здравето на хората, за водоприемниците и екосистемите.

Качеството на водите е от решаващо значение за здравето на хората и състоянието на околната среда. Политиката на ЕС чрез Рамковата директива за водите и редица производни от нея директиви, трябва да гарантира добро химично състояние както на повърхностните, така и на подпочвените води на Европа. За тази цел е определена максимално допустимата концентрация на специфични замърсители от значение за ЕС, известни като приоритетни вещества. Чрез насочването към приоритетните вещества политиката за водите се фокусира върху индивидуалните замърсители или групи замърсители, които представляват значителен риск за или посредством водната околна среда. Сред приоритетните опасни вещества са токсични, устойчиви и в състояние да се акумулират биологично вещества. Особена загриженост предизвикват веществата, нарушаващи функциите на ендокринната система — химикали, които потенциално могат да взаимодействат с хормоналната система на човека и дивите животни.

За справяне със специфичните замърсители се търсят нови, напреднали технологии, които да дават по-надеждни резултати в пречистването за постигане изискванията на ЕС, гарантиране здравето на населението и опазване на компонентите на околната среда. Такава е AOP (Advanced Oxidation Processes) технологията и в частност APOP (Advanced Photo Oxidation Processes) – усъвършенстван метод за окисление на специфични замърсители.

Същност на AOP-технологиите за пречистване на води
Основа на AOP-технологиите е окислението на замърсителите. Окислението се определя като прехвърляне на един или повече електрони от донор на електрони (редуктор) към електронен акцептор (окислител), който има по-висок афинитет към електрони. Тези електронни трансфери водят до химическа трансформация и на окислителя и на редуктора, в някои случаи произвеждащи химически субстанции с нечетен брой валентни електрони. Тези субстанции, известни като свободни радикали или реактивни форми на кислорода (ROS, reactive oxygen species), са много нестабилни и следователно са силно реактивни, заради свободния си електрон. Активните форми на кислорода са свободни радикали (супероксид O₂-, хидроксилен радикал ОН-, пероксилен радикал ROO-, алкоксилен радикал RO-, хидропероксилен радикал НO₂- ) и вещества, които не са радикали (хидроген пероксид H₂O₂, хидрохлорна киселина HClO, озон O₃ и синглетен кислород 1O₂).

Окислителни реакции, които произвеждат свободни радикали и други ROS обикновено са последвани от допълнителни окислителни реакции между образуваните силни окислители и други реагенти (както органични, така и неорганични), докато се образуват термодинамично стабилни продукти на окисляване. Способността на окислителя да започне химични реакции се измерва чрез неговия окислителен потенциал. Най-мощните окислители са флуор, хидроксилни радикали (OH-), озон и хлор с окислителни възможности съответно: 2.85, 2.70, 2.07 и 1.49 електронволта. Крайните продукти от пълно окисление (минерализация) на органични съединения като МТВЕ (метил тетричен бутилов етер) или бензен са въглероден диоксид (СO₂) и вода (H₂O).

AOP включват двата етапа на окисление: образуване на силни окислители (например, хидроксилни радикали) и взаимодействие на тези окислители с органични замърсители във вода. Терминът разширени процеси на окисление се отнася както до процеси, в които окисление на органични замърсители става основно чрез реакции с хидроксилни радикали, така и до обработка на вода със специфична подгрупа процеси, които включват озон, водороден пероксид и/или UV-светлина. С AOP се означава също по-широка група процеси, които включват TiO₂ катализа, кавитация и реакцията на Фентън, например. Всички тези процеси могат да произвеждат хидроксилни радикали, които от своя страна могат да взаимодействат с широк спектър от органични замърсители и да ги унищожат. Ефективността на AOP е пропорционална на способността да генерира хидроксилни радикали или други радикали с окислително действие.

Стратегии за приложение на AOP в пречиствателни станции
AOP-технологиите показват голям потенциал в третирането на замърсители както с ниски, така и с високи концентрации, и са намерили приложения при селищни и промишлени пречиствателни станции за отпадни води, за пречистване на води от болници, фармацевтични компании, производства на козметика, пестициди и горива, за подготовка на питейни води, контрол на летливи органични съединения, миризми и утайки. AOP-технологиите като цяло са евтини за инсталиране, но може да включват по-високи оперативни разходи, поради въвеждане на химикали и енергия за осъществяване на процесите. За да се ограничат разходите, AOP често се използват като предварително третиране, комбинирано с биологично пречистване или друг тип технология.

Разходите за AOP са пряко свързани с ефективността и оперативното време на процесите. Затова е полезно да се оптимизира изпълнението на AOP по точния начин, за да се ограничат разходите. В практиката са установени няколко стратегии за постигане на ефективност на процесите. Едната схема включва едновременно прилагане на различни компоненти, насърчаващи окислението на замърсителите.

Типични примери включват следните комбинации:
UV/H₂O₂;

UV/H₂O₂/TiO₂, UV/Фентън процес, каталитично озониране и ултразвук/UV/TiO₂. Тези различни видове комбинации могат да доведат до синергични ефекти, тоест ефективността на пречистване от комбинирания подход ще е по-висока, от сумарната ефективност на всички тези техники по отделно.

UV/H₂O₂ комбинацията, например, е иновативна техника за производство на хидроксилни радикали чрез пряка фотолиза на водороден пероксид под влияние на UV радиация. Получените радикали са силно реактивни и ще разградят всяка налична органична молекула. Максималната абсорбция на H₂O₂ става при 220nm дължина на вълната. С цел повишаване на ефективността на процеса, се използва UV лампа със средно налягане, която излъчва светлина в тази част от спектъра, съвпадаща с характеристиките на поглъщане на H₂O₂. Ако се постигне пълна минерализация на замърсителите, крайните продукти на окисление са въглероден диоксид и вода.

Друга възможност е ускоряване на процесите на озониране с използване на хетерогенни или хомогенни катализатори. Няколко метални оксиди и метални йони (Fe₂O₃, MnO₂, TiO₂, Fe₂+, Fe₃+, Mn₂+, и т.н.) значително ускоряват разлагането на замърсителите при озониране. Подобно е каталитичното разлагане на водороден прекис до хидроксилни радикали с наличие на катализатор Fe₂+, т.н. реагент на Фентън.

Друга стратегия е последователното прилагане на различни AOP-техники за пречистване на отпадъчни води, съдържащи смес от органични замърсители. Този подход е полезен, когато съединенията в сместа имат различни нива на реактивност към различни окислители. Възможен вариант за повишаване на ефективността е и чрез разделяне и прехвърляне на замърсители в различна фаза преди АОР-третиране. Така те могат по-лесно и по-евтино да се пречистят. Такива стратегии включват отделяне чрез коагулация, флокулация, утаяване, филтриране, адсорбция и други.

Справяне с ендокринно опасните и други замърсители с APOP
Замърсители, опасни за хормоналната система на хора и животни, могат да бъдат намерени във фармацевтични медикаменти, козметика, прах за пране, сапуни и много други продукти, които се използват във всяко съвременно домакинство. След попадане в отпадъчните води, ако не бъдат отстранени при пречистването и се заустят във водоприемниците, те крият риск от взаимодействие с ендокринната система и нарушаване на функциите й.

АРОР-системата е в състояние да елиминира патогенните микроорганизми и ендокринните разрушители от отпадъчни води. Принципът на системата е базиран на светлината от ултравиолетови лампи, която е в състояние да унищожи жизнено важни механизми в бактериалните клетки и да премахне химически вещества от отпадъчните води с използване на окислител, например озон. Премахват се вируси и бактерии като криптоспоридиум (причинител на чревни инфекции), хепатит A, полиомиелитен вирус, аденовирус, ротавирус, ешерихия коли, стрептококи, жиардия и други. Използват се дължини на UV светлината от 240 до 280nm за пълно унищожаване на патогените.

Ултравиолетовите лъчи разграждат замърсителите чрез пряка и непряка фотолиза. В директна фотолиза, усвояването на ултравиолетова светлина, кара замърсителите по електронен път да преминат в реактивно състояние. Така те реагират с други съединения, и в крайна сметка се разграждат. При непряка фотолиза реактивността на замърсителя се подпомага с хидроксилни радикали, които са произведени при озониране или прибавяне на пероксид преди или по време на UV облъчване.

Напредналите процеси на фотоокисление са показали, че могат да постигнат качество на отпадъчните води от пречиствателни станции по отношение на патогенни микроорганизми, което се оценява като отлично за къпане, съгласно Директивата на ЕС за качество на водите за къпане. Експлоатационните разходи се равняват на около 1,5 евро цента за кубичен метър обработена отпадъчна вода. По отношение на ендокринно опасните замърсители и други опасни съединения, APOP-системите могат да постигнат степен на отстраняване до неопасни нива (пречистване до 99.9%). Експлоатационните разходи за това се равняват на около 2,0 евро цента за кубичен метър обработени отпадъчни води за озон.

APOP-системата е гъвкава и може да бъде инсталирана в пречиствателна станция от всякакъв мащаб. Първата такава система е инсталирана в пречиствателна станция Usserød (Дания). Тя има капацитет от 50 000 еквивалент жители. Системата се състои от два канала с три поставки за всеки канал. На всяка поставка има по 16 ултравиолетови лампи с високо налягане. Освен това има и система за диспергиране на различни оксиданти за отстраняване на опасни съединения в отпадъчните води. Хидравличният капацитет на системата е 700m³/h.

На фона на нарастващото безпокойства относно ендокринните замърсители в цял свят, APOP-технологията е сред най-резултатните налични технологии за дезинфекция и премахване на тези опасни вещества.

Съвременните UV окислителни технологии използват лампи със средно или високо налягане и амалгамни лампи, съчетани с кварцови реактори и радиационни профили с висока плътност, което гарантира постоянно и необратимо инактивиране на вредните компоненти. Днес, модерни пречиствателни станции разчитат по-скоро на близко разположени тръбни системи, а не толкова на традиционните системи с отворен канал. Системите със затворен цикъл спестяват подово пространство, предотвратяват растежа на водорасли, защитават операторите и позволяват гъвкаво проектиране и експлоатация на потока. UV лампи, включени в системата, са разположени перпендикулярно на потока, принуждавайки микроорганизмите да преминават през района на лампите в близост до или в зона с висок интензитет на UV облъчване. Докато в UV системи тип отворен канал микроорганизмите преминават през зона с по-ниска интензивност на UV, следователно има по-ниска ефективност. UV реакторите се правят от висококачествена неръждаема стомана. Вътрешната структура на някои съвременни модели е с кварцови тръби със специална конфигурация, така че улавят светлината с помощта на огледален ефект. Този уникален ефект на структурата дава възможност за увеличаване на плътността в областта на излъчване и следователно постигане на по-висока ефективност на реактора.