BOD και COD Απομάκρυνση υπεροξειδίου του υδρογόνου

Το υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2) έχει χρησιμοποιηθεί για τη μείωση του BOD και του COD των βιομηχανικών λυμάτων για πολλά χρόνια. Ενώ το κόστος της απομάκρυνσης BOD και COD μέσω χημικής οξείδωσης με υπεροξείδιο του υδρογόνου είναι συνήθως μεγαλύτερο από αυτό με φυσικά ή βιολογικά μέσα, υπάρχουν ωστόσο ειδικές περιπτώσεις που δικαιολογούν τη χρήση υπεροξειδίου του υδρογόνου. Αυτά περιλαμβάνουν: Προέλευση των λυμάτων που περιέχουν μέτρια έως υψηλά επίπεδα ενώσεων που είναι τοξικές, ανασταλτικές ή ανθεκτικές στη βιολογική επεξεργασία (π.χ. φυτοφάρμακα, πλαστικοποιητές, ρητίνες, ψυκτικά μέσα και χρωστικές ουσίες).

• Προεπεξεργασία των λυμάτων με υψηλή αντοχή / χαμηλή ροή - όπου η βιολογική επεξεργασία μπορεί να μην είναι πρακτική - πριν από την απόρριψη σε δημόσιο εργοστάσιο επεξεργασίας (POTW).

• Ενισχυμένος διαχωρισμός των παρασυρόμενων οργανικών με διαδικασίες επίπλευσης και καθίζησης. και

• Προμήθεια συμπληρωματικού διαλύματος οξυγόνου (DO) όταν τα συστήματα βιολογικής επεξεργασίας αντιμετωπίζουν προσωρινή υπερφόρτωση ή αποτυχία εξοπλισμού.

Όπως υποδεικνύεται από αυτά τα παραδείγματα, το H2O2 μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αυτόνομη επεξεργασία ή ως ενίσχυση των υφιστάμενων διαδικασιών φυσικής ή βιολογικής επεξεργασίας, ανάλογα με την κατάσταση.

Συζήτηση για εφαρμογές και μηχανισμούς H2O2

Άμεση χημική οξείδωση με χρήση υπεροξειδίου του υδρογόνου

Το υπεροξείδιο του υδρογόνου μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο του ή με καταλύτες - όπως ο σίδηρος (Fe2 + ή Fe3 +), το υπεριώδες φως, το όζον (O3) και το αλκάλιο - για την οξείδωση των ενώσεων που συνεισφέρουν BOD / COD στα λύματα. Ο τύπος της οξείδωσης που απαιτείται εξαρτάται από τον τύπο BOD / COD που υπάρχει. Αυτή η σχέση υπάρχει στο παρακάτω σχήμα.

Σημείωση: Το αν ένα οξειδωτικό σύστημα θα υποβαθμίσει έναν συγκεκριμένο ρύπο (δηλαδή επηρεάζει το COD του) θα εξαρτηθεί από το σύστημα οξειδωτικού και το ρύπο. Τα οξειδωτικά τύπου Α αντιδρούν μόνο με τους ρύπους τύπου Α. ενώ τα Οξειδωτικά Τύπου C, που είναι πιο δραστικά, αντιδρούν με τους περισσότερους ρύπους. Ωστόσο, τα οξειδωτικά τύπου C γενικά αντιδρούν κατά προτίμηση με ρύπους Τύπου Α. Εάν ένα μεγάλο κλάσμα του BOD και COD συμβάλλει με ανόργανες μειωμένες ενώσεις θείου όπως σουλφίδια, σουλφίδια ή θειοθειϊκά, τότε το υπεροξείδιο του υδρογόνου μόνο είναι τυπικά αποτελεσματικό. Ανάλογα με το pH του αποβλήτου, η οξείδωση αυτών των ενώσεων με Η2Ο2 αποδίδει θειικό ή κολλοειδές θείο, που δεν συμβάλλουν στο BOD και το COD. Εάν οι κύριοι συνεισφέροντες σε BOD και COD είναι διαλυμένα οργανικά, τότε απαιτείται ένα πιο δραστικό σύστημα οξείδωσης. Η μέτρια ενεργοποίηση του υπεροξειδίου του υδρογόνου μπορεί να επιτευχθεί μέσω: 1) αλκαλίων (παραγωγή του ιόντος υπερυδροξυλίου, ΟΟΗ- - του δραστικού παράγοντα σε συστήματα λεύκανσης υπεροξειδίου). 2) ορισμένα μεταβατικά μέταλλα (π.χ., βολφραμικό, βαναδικό, μολυβδαινικό) τα οποία σχηματίζουν αντιδραστικά υπεροξομεταλλικά σύμπλοκα επί τόπου. και 3) ορισμένα ανόργανα οξέα (π.χ. θειικό) τα οποία σχηματίζουν δραστικά παράγωγα υπεροξυοξέων όπως το υπεροξυμονοθειικό οξύ (Οοοοβ Acid) ex-situ. Για τα πιο ανθεκτικά οργανικά όπως οι χλωριωμένοι διαλύτες, χρειάζονται εξαιρετικά αντιδραστικά συστήματα ελεύθερων ριζών (που ονομάζονται Advanced Oxidation Processes). Μια γενικευμένη αντίδραση που χρησιμοποιεί αντιδραστήριο Fenton για τη μείωση των BOD και COD μπορεί να εκφραστεί ως εξής:

Η έκταση της οξείδωσης (και επομένως ο βαθμός άμεσης αναγωγής BOD / COD) εξαρτάται τυπικά από την ποσότητα του χρησιμοποιούμενου υπεροξειδίου του υδρογόνου. Η θεωρητική απαίτηση για υπεροξείδιο του υδρογόνου είναι περίπου 2,1 lbs (ως 100%) ανά lb-BOD και COD οξειδωμένη. Σε πολλές περιπτώσεις, ωστόσο, δεν απαιτείται πλήρης πέψη των οργανικών ενώσεων σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Μερική οξείδωση σε ενδιάμεσες ενώσεις ελαχιστοποιεί την κατανάλωση χημικών ουσιών και συχνά έχει ως αποτέλεσμα σημαντικές μειώσεις του BOD και του COD και της τοξικότητας.

Βελτιωμένος φυσικός διαχωρισμός του BOD και του COD με το υπεροξείδιο του υδρογόνου

Ο ενισχυμένος φυσικός διαχωρισμός του BOD και του COD με το υπεροξείδιο του υδρογόνου μπορεί να συμβεί είναι δύο τρόποι. Στην πρώτη περίπτωση, η μερική οξείδωση των οργανικών μολυσματικών ουσιών οδηγεί σε πιο πολικές (φορτισμένες) ουσίες οι οποίες είναι περισσότερο επιδεκτικές σε προσρόφηση επί πηκτικών και κροκιδωτικών. Όπως φαίνεται στο παρακάτω παράδειγμα, αυτό επιτρέπει την αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης BOD και COD με λιγότερες από τις στοιχειομετρικές δόσεις υπεροξειδίου του υδρογόνου. Στη δεύτερη περίπτωση, ο αυξημένος φυσικός διαχωρισμός (λίπανση) λιπών, ελαίων και γράσων (FOG) παρέχεται από το H2O2. Αυτό συμβαίνει με τη φυσική αποσύνθεση του υπεροξειδίου του υδρογόνου στο οξυγόνο και το νερό, δηλαδή το υπεροξείδιο του υδρογόνου θα υπερκορεσθεί το απόβλητο με οξυγόνο, πράγμα που οδηγεί στον σχηματισμό ομοιόμορφα διασκορπισμένων μικροφυσαλίδων που καθαρίζουν τα συστατικά του FOG καθώς ανεβαίνουν στην επιφάνεια του νερού. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτό μπορεί να αυξήσει την απομάκρυνση BOD μέσω κυττάρων επίπλευσης διαλυμένου αέρα από π.χ. 50% έως 90-95%. Οι τυπικές δόσεις είναι 25-100 mg / L H2O2, το κόστος των οποίων συχνά μπορεί να αντισταθμιστεί από την εξοικονόμηση σε θρομβωτική χρήση - γενικά απαιτείται ακόμα ένα πολυμερές πολυ-ηλεκτρολυτών.

Υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2) ως συμπληρωματική πηγή οξυγόνου

Η αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης BOD των διεργασιών αερόβιας βιολογικής επεξεργασίας εξαρτάται από διάφορους παράγοντες που περιλαμβάνουν (αλλά δεν περιορίζονται σε): τη φόρτωση BOD με επιρροή, την αναλογία F: M, τη θερμοκρασία, τα επίπεδα θρεπτικών συστατικών και το διαλυμένο οξυγόνο (DO). Πολλές εγκαταστάσεις βιολογικής επεξεργασίας χρησιμοποιούν υπεροξείδιο του υδρογόνου για τη συμπλήρωση των επιπέδων DO όταν περιορισμένες συνθήκες οξυγόνου σε λεκάνες αερισμού ή λιμνοθάλασσες καταλήγουν σε κακή αφαίρεση BOD. Αυτές οι συνθήκες μπορούν να προκληθούν από απροσδόκητες κορυφές στη φόρτωση εισροής BOD. εποχικές μεταβολές στη φόρτωση του BOD (π.χ. επεξεργασία οπωροκηπευτικών) · και ζεστός καιρός - ο οποίος μειώνει την απόδοση της μεταφοράς οξυγόνου με μηχανικό εξοπλισμό αερισμού (δηλ., η διαλυτότητα του Ο2 μειώνεται όσο αυξάνεται η θερμοκρασία). Αυτές οι συνθήκες μπορεί να είναι ή να μην συνοδεύονται από συσσωμάτωση νημάτων (βλ. Εφαρμογές Δημοτικών Αποβλήτων: Δοκιμαστικός Έλεγχος Συγκόλλησης). Όταν το υπεροξείδιο του υδρογόνου χρησιμοποιείται για να συμπληρώσει το DO, μετριέται απευθείας στη λεκάνη αερισμού ενός συστήματος βιολογικής επεξεργασίας για να παρέχει άμεση πηγή ΚΑΝΩ. Η μετατροπή του υπεροξειδίου του υδρογόνου σε DO σε ένα μεικτό υγρό ενεργοποιημένης ιλύος προχωρά σύμφωνα με την ακόλουθη αντίδραση:

Θεωρητική απαίτηση υπεροξειδίου του υδρογόνου: 0,48 lbs H2O2 (100%) ανά mg / L Το ένζυμο DOCatalase είναι ένας φυσικός καταλύτης αποσύνθεσης για το υπεροξείδιο του υδρογόνου και βρίσκεται σε όλα τα μικτά υγρά ενεργοποιημένης ιλύος που παράγονται από τους περισσότερους αερόβιους οργανισμούς. Επειδή αυτή η ενζυματική αποσύνθεση του υπεροξειδίου του υδρογόνου είναι πολύ γρήγορη, το οξυγόνο που παρέχεται από το υπεροξείδιο του υδρογόνου είναι άμεσα διαθέσιμο για πρόσληψη από τους αερόβιους οργανισμούς. Η παραπάνω αντίδραση δείχνει ότι δύο μέρη υπεροξειδίου του υδρογόνου θα αποδώσουν ένα μέρος του DO. Συνεπώς, η ποσότητα υπεροξειδίου του υδρογόνου που απαιτείται για την οξυγόνωση των λυμάτων είναι εκπληκτικά μικρή. Για παράδειγμα, η θεωρητική ποσότητα υπεροξειδίου του υδρογόνου που απαιτείται για την αύξηση του DO κατά 1 mg / L σε μονάδα επεξεργασίας που είναι κατά μέσο όρο ροή 5 MGD είναι περίπου 17 gpd-50%. Στην πραγματική πρακτική, η απαίτηση μπορεί να είναι υψηλότερη λόγω ανεπαρκειών στην πρόσληψη οξυγόνου και πλευρικών αντιδράσεων με οξειδώσιμες ενώσεις.

Σημείωση: Κατά τη μέτρηση των αποβλήτων που έχουν υποστεί επεξεργασία με υπεροξείδιο του υδρογόνου BOD ή COD, είναι σημαντικό να προσδιοριστεί η συγκέντρωση υπολειμματικού υπεροξειδίου του υδρογόνου (εάν υπάρχει) πριν από την ανάλυση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το H2O2 θα επηρεάσει και τις δύο μεθόδους ανάλυσης. Στην τυπική δοκιμή BOD, το υπολειμματικό υπεροξείδιο του υδρογόνου στο δείγμα θα απελευθερώσει οξυγόνο κατά τη διάρκεια της δοκιμαστικής περιόδου, με αποτέλεσμα την τιμή «BOD» (1 mg / L H2O2 = 0,5 mg / L DO) «ψευδώς χαμηλή». Στην τυποποιημένη δοκιμή COD, το υπολειμματικό υπεροξείδιο του υδρογόνου θα αντιδράσει με το αντιδραστήριο διχρωμικού καλίου, με αποτέλεσμα την τιμή «ψευδώς υψηλών» τιμών COD. Για μεθόδους για την απομάκρυνση υπολειμματικού υπεροξειδίου του υδρογόνου πριν από την ανάλυση BOD και COD, ή για να υπολογίσετε μαθηματικά το υπολειπόμενο H2O2, ανατρέξτε στην ενότητα Interferences with Analytical Methods.

βιβλιογραφικές αναφορές

• Cole, CA, et.al., J.Water Pollut. Contr. Τάισα. 46: 2579-2592 (1974).

• Cole, CA, et.al., J.Water Pollut. Contr. Τάισα. 45: 829-836 (1973).

• Houtmeyers, J. et.al. "Υπεροξείδιο του υδρογόνου ως συμπληρωματική πηγή οξυγόνου για ενεργοποιημένη ιλύ: μικροβιολογικές έρευνες", Ευρωπαϊκή. J. Appl. Microbiol. 4: 295-305 (1977).

• Steiner, Norbert, et.al. "Εργασιακή εμπειρία με υπεροξείδιο του υδρογόνου για αυξημένη πτώση λίπους και απομάκρυνση BOD", Environ. Progress 11 (4): 261-264 (Νοέμβριος 1992).

• Perley, William J., et.al. "Χρήση υπεροξειδίου του υδρογόνου για τον έλεγχο των αναταραχών στην επεξεργασία των συνδυασμένων ζαχαροπλαστικών και υγειονομικών αποβλήτων", που παρουσιάστηκε στο Calif Pollux. Contr. Fed., 64th Annual Conf., Sacramento, CA (9 Απριλίου 1992).