Wie man schwer abbaubares Industrieabwasser behandelt

Wie man schwer abbaubares Industrieabwasser behandelt

Üblicherweise gibt es zwei Möglichkeiten: die eine ist die Adsorption an Aktivkohle, die andere das fortgeschrittene Oxidationsverfahren (AOP).

Die Adsorption mit Aktivkohle ist zwar im Allgemeinen effektiv, aber auch teuer. Zudem muss die Schlammproduktion nach der Anwendung berücksichtigt werden. Daher kommt sie erst zum Einsatz, wenn das Ziel fast erreicht ist – kurz vor der endgültigen Einhaltung der Vorschriften – und kann nicht häufig angewendet werden.

Die fortgeschrittene Oxidation bietet mehr Möglichkeiten: Ozon, Elektrokatalyse, Nassoxidation und Fenton-Verfahren.

Ozon eignet sich für Szenarien mit niedrigem Salzgehalt und niedrigem CSB-Wert, die Nassoxidation eignet sich für Szenarien mit hohem CSB-Wert und die Elektrokatalyse eignet sich für Szenarien mit hohem Salzgehalt.

Das Fenton-Verfahren ist vielseitig einsetzbar und eignet sich für niedrige und hohe Salzgehalte sowie niedrige und hohe CSB-Werte – im Prinzip für alle Anwendungsfälle. Allerdings weist es auch Nachteile auf, wie beispielsweise einen hohen Chemikalienverbrauch, den Umgang mit gefährlichen Chemikalien, die Entstehung erheblicher Mengen an Eisenschlamm und hohe Betriebskosten.

Deshalb wurden die Forschung und Entwicklung zur Behebung der Mängel des Fenton-Verfahrens nie eingestellt.

Fenton-Reaktion Version 1.0: Konventionelle Fenton-Reaktion

Die Version 1.0 des Fenton-Prozesses beinhaltet im Wesentlichen die katalytische Zersetzung von H₂O₂ durch Fe²⁺ unter sauren Bedingungen, wodurch eine Kettenreaktion freier Radikale initiiert und fortgeführt wird.

Im Verlauf dieser Kettenreaktion entstehen starke Oxidationsmittel, repräsentiert durch ·OH (Oxidationspotential von 2,83 V, das zweithöchste nach Fluor). Diese Oxidationsmittel greifen organische Moleküle im Wasser an und zersetzen sie.

Nach Abschluss der Oxidation wird der pH-Wert mit Alkali wieder eingestellt, wodurch Fe³⁺ in der Lösung Eisensalzflocken bildet. Dies entfernt durch Adsorption und Flockungssedimentation weitere verbleibende organische Stoffe und führt so zu einer doppelten Reduzierung des CSB.

Hinsichtlich der Reaktionseffektivität ist die Version 1.0 des Fenton-Reagenz voll leistungsfähig und erreicht ihr strategisches Ziel, den CSB-Wert deutlich zu senken und gleichzeitig das B/C-Verhältnis der verbleibenden organischen Substanz zu verbessern.

Der Nachteil liegt im hohen Chemikalienverbrauch und der übermäßigen Produktion von Eisenschlamm. Meistens entsprechen die Kosten für die Behandlung des Eisenschlamms allein den Gesamtkosten aller verwendeten Chemikalien, was ein erhebliches Problem darstellt.

Fenton-Verfahren Version 2.0: Wirbelschicht-Fenton-Verfahren

Durch Zugabe einer bestimmten Menge Füllstoff, wie z. B. 1 mm Quarzsand, zur traditionellen Fenton-Reaktion und Verwendung einer externen Umwälzpumpe zur Fluidisierung des Füllstoffs fließt dieser kontinuierlich im System und kommt dabei ständig mit Komponenten wie Fe²⁺, Fe³⁺, Fe(OH)₃ und FeOOH in Kontakt.

Mit der Zeit bildet sich auf der Oberfläche des Füllmaterials ein Eisenschlamm-Biofilm – zunächst gelb, dann rot und schließlich braun.

Dieser unscheinbare Biofilm enthält eine große Menge angereicherten FeOOH, das Fe²⁺ ersetzen und so die Produktion von Eisenschlamm direkt reduzieren kann.

An diesem Punkt ist der Reaktionszustand in der Fenton-Reaktor Es handelt sich nicht mehr nur um die Version 1.0 der homogenen chemischen Oxidation. Stattdessen umfasst es die homogene chemische Oxidation (Fe²⁺/H₂O₂), die heterogene chemische Oxidation (H₂O₂/FeOOH), die Wirbelschichtkristallisation und die Reduktionslösung von FeOOH, wodurch die CSB-Abbauraten verbessert und gleichzeitig der Chemikalienverbrauch und die Schlammproduktion reduziert werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass im Vergleich zur homogenen Reaktion des Fenton-Prozesses der Version 1.0 das bedeutendste Merkmal der Version 2.0 die Einführung eines heterogenen Konzepts ist.

Bei der Wirbelschicht-Fenton-Technologie werden einige nicht recycelbare homogene Katalysatoren durch wiederverwendbare heterogene Füllstoffe ersetzt, wodurch durch einen gemischten Zustand homogener und heterogener Reaktionen eine reduzierte Eisenschlammproduktion erreicht wird.

In der Praxis steht die Version 2.0 der Wirbelschicht-Fenton-Technologie jedoch vor drei Hauptproblemen:

(1) Nach einer gewissen Betriebszeit, wenn die Kristallpartikel allmählich größer werden, muss das Füllmaterial regelmäßig gereinigt und ersetzt werden, was zu periodischen Verbrauchskosten führt.

(2) Wird das Füllmaterial nicht rechtzeitig gereinigt und ersetzt, neigt es zur Aushärtung und Verstopfung, was die Betriebseffizienz verringert und die Gesamtbetriebskosten erhöht.

(3) Mit zunehmender Leistung der Geräte steigt natürlich auch die Ausfallrate.

Fenton Version 3.0: Magnetisches Fenton

Diese Version verwendet einen neuen Reaktor und ein neues Funktionsprinzip und führt das Konzept der Magnetisierung ein. Durch den Einbau von Permanentmagneten oder elektromagnetischen Geräten innerhalb oder außerhalb des Geräts wird ein externes Magnetfeld erzeugt, das das Wasser im Reaktor kontinuierlich magnetisiert.

Nach der Magnetisierung ändert sich die Anordnung der Schadstoff- und Wassermoleküle. Es treten Effekte wie erhöhte Energie, reduzierte Reaktionsschwellen und eine verbesserte Elektronentransfer-Effizienz auf, wodurch der Kontakt von ·OH mit dem chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) erleichtert wird.

Durch gezielte Oxidation des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) lässt sich der H₂O₂-Verbrauch effektiv reduzieren. Bei sachgemäßer Anwendung kann die Version 3.0 der magnetischen Fenton-Technologie sogar einen H₂O₂-Verbrauch von 30–40 % gegenüber der Version 2.0 erreichen.

Im Vergleich zu den Fenton-Technologie-Versionen 1.0 und 2.0 bietet die magnetische Fenton-Technologie-Version 3.0 vier Hauptmerkmale:

(1) Quarzsand oder Eisen-Kohlenstoff-Füllstoffe sind nicht erforderlich.

Magnetisiertes Abwasser erleichtert die oxidative Wirkung von ·OH, wodurch der Verbrauch von Fe²⁺ und H₂O₂ deutlich reduziert wird, das Spektrum der Schadstoffbehandlung erweitert wird und Reaktionen in einem breiteren pH-Bereich ermöglicht werden, wodurch der Chemikalienverbrauch sinkt.

(2) Vermeidet Verhärtungen und Verstopfungen, bietet eine gute Systemstabilität und ist wartungsarm.

Bei der Fenton-Technologie der Version 2.0 kommt es häufig zu Kalziumkristallisation und Kristallwachstum, was zu Verstopfungen und Verhärtungen des Systems führt.

Die Version 3.0 des magnetischen Fenton-Verfahrens benötigt keine Füllstoffe, Kristallisations-, Adsorptions- oder Filtrationssysteme, wodurch Probleme wie Verstopfungen durch Adsorption oder Sättigungsregeneration vermieden werden.

Durch die grundlegende Beseitigung der Betriebsprobleme der Version 2.0 reduziert die Version 3.0 die Systemausfallraten deutlich und gewährleistet einen langfristig stabilen Betrieb.

(3) Deutlich reduzierte Schlammproduktion.

Durch die Magnetisierung verringert die Version 3.0 der magnetischen Fenton-Technologie den Fe²⁺-Verbrauch und senkt somit die Eisenschlammproduktion erheblich. Im Vergleich zur Wirbelschicht-Fenton-Reaktion kann die Schlammproduktion um etwa 30 % reduziert werden.

(4) Beseitigung von Abwasserverfärbungen und Schwimmschlamm.

Die Version 3.0 der magnetischen Fenton-Technologie reduziert den Einsatz von Fe²⁺ und H₂O₂ und senkt dadurch den Restgehalt an Fe³⁺ und H₂O₂ im Abwasser erheblich. Dies behebt effektiv Probleme wie Verfärbungen und Schwimmschlamm und führt zu klarerem und transparenterem Abwasser.