Tecnologías avanzadas de oxidación para el tratamiento profundo de aguas residuales: comparación y selección

Con la publicación de las normas de vertido de contaminantes por parte de los gobiernos locales, las plantas de tratamiento de aguas residuales se enfrentan al problema de su modernización y renovación. Incluso en las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales, a veces se mezcla una cierta proporción de aguas residuales industriales con el agua entrante, lo que complica la composición del agua bruta y aumenta el contenido de materia orgánica difícil de degradar. Esto plantea grandes dificultades para el cumplimiento de la CODCr en la modernización y renovación de las plantas de tratamiento de aguas residuales.

El gobierno ha emitido sucesivamente las "Diez Medidas para el Agua" y las "Directrices para la Remediación de Cuerpos de Agua Urbanos con Olor Negro y Maloliente", proponiendo plazos para mejorar la calidad del entorno hídrico a nivel nacional y la remediación de estos cuerpos. Los gobiernos locales también han introducido normas de vertido de contaminantes para las plantas de tratamiento de aguas residuales. El objetivo principal es reducir el contenido de DQO en el agua a 50 mg/L, 30 mg/L según los requisitos de las diferentes normas, e incluso por debajo de 20 mg/L para lograr un valor de reutilización. La aplicación de tecnología avanzada de oxidación en el tratamiento profundo de las plantas de tratamiento de aguas residuales está en aumento.

Existen tres procesos de oxidación avanzados para eliminar CODcr del agua: el proceso de oxidación Fenton, el proceso de oxidación catalítica de ClO2 y el proceso de oxidación catalítica de O3. Ahora, se realiza una comparación económica y técnica para los tres procesos de oxidación catalítica anteriores.

Proceso de oxidación de Fenton

La combinación de sales ferrosas y peróxido de hidrógeno se denomina reactivo Fenton, y puede oxidar y eliminar eficazmente compuestos orgánicos difíciles de degradar que no pueden eliminarse mediante técnicas tradicionales de tratamiento de aguas residuales. Su esencia radica en que el H₂O₂ genera radicales hidroxilo (·OH) altamente reactivos bajo la acción catalítica del Fe₂+, que pueden reaccionar con la mayoría de los compuestos orgánicos para degradarlos.

Características del proceso de oxidación de Fenton

1) La oxidación no es selectiva y tiene una fuerte capacidad para eliminar materia orgánica;

2) La materia orgánica finalmente se descompone en CO2 y H2O, sin productos intermedios tóxicos o nocivos, lo que garantiza la seguridad y la protección del medio ambiente;

3) El valor de pH de las aguas residuales debe estar entre 2 y 4. Las aguas residuales deben ajustarse a ácidas y luego a neutras una vez completada la oxidación;

4) El elevado consumo de productos químicos necesarios para la completa degradación de la DQO implica unos costes de tratamiento elevados;

5) El tiempo de respuesta rápida es corto.

La oxidación Fenton es adecuada para aplicaciones elevadas, lo que genera altos costos de procesamiento;

El método de oxidación del reactivo Fenton es difícil de aplicar en plantas de tratamiento de aguas residuales de tamaño grande y mediano debido a la necesidad de ajuste de ácido y álcali, alto consumo de reactivo, largo tiempo de reacción y gran volumen de lodos.

El método de oxidación del reactivo Fenton es adecuado para plantas de tratamiento de aguas residuales pequeñas y micro con agua entrante ácida, especialmente para el tratamiento de aguas residuales ácidas en algunas empresas intermedias de tintes, pesticidas y productos farmacéuticos.

Proceso de oxidación catalítica de ClO2

El método de oxidación catalítica con dióxido de cloro es una de las tecnologías de oxidación más avanzadas para el tratamiento de aguas, mejorada y desarrollada a partir del método de oxidación química. El principio de la oxidación catalítica con dióxido de cloro consiste en utilizar un oxidante potente (dióxido de cloro) para catalizar la oxidación de contaminantes orgánicos en aguas residuales a temperatura y presión normales, en presencia de catalizadores de superficie. Los contaminantes orgánicos se oxidan directamente a dióxido de carbono y agua, o bien los contaminantes orgánicos de moléculas grandes se oxidan a contaminantes orgánicos de moléculas pequeñas, lo que mejora la biodegradabilidad de las aguas residuales y elimina eficazmente los contaminantes orgánicos.

Características del proceso de oxidación catalítica de ClO2

1) La capacidad de oxidación del ClO2 es duradera;

2) La reacción entre el ClO2 y los compuestos orgánicos no produce prácticamente ningún cloruro orgánico divergente ni triclorometano cancerígeno;

3) La reacción con compuestos orgánicos presenta una selectividad significativa, y la capacidad de oxidación está altamente correlacionada con los tipos de sustituyentes en los compuestos orgánicos. El uso de catalizadores eficientes supera su selectividad para la oxidación de materia orgánica.

4) La degradación de la materia orgánica genera principalmente compuestos de moléculas pequeñas con grupos de oxígeno, que pueden aumentar el valor de DBO5 de las aguas residuales y mejorar la biodegradabilidad;

5) El valor de pH de las aguas residuales debe ser ligeramente ácido (alrededor de 6), por lo que es necesario ajustar las aguas residuales a ácidas y luego ajustarlas a neutras después de la oxidación.

6) Tiempo de reacción: entre 45 y 60 minutos.

2. Ocasiones aplicables para la oxidación catalítica de ClO2

Debido al valor de pH ácido (alrededor de 6) requerido por la tecnología de oxidación catalítica con dióxido de cloro, las aguas residuales deben ajustarse a ácidas y luego a neutras después de la oxidación, lo que limita su aplicación en plantas de tratamiento de aguas residuales de tamaño grande y mediano.

Debido a la alta selectividad de la reacción entre el dióxido de cloro y los compuestos orgánicos, es necesario seleccionar catalizadores adecuados. En la práctica, la selección de catalizadores es compleja y difícil, lo que limita su promoción y aplicación en aguas residuales industriales.

En la actualidad, los campos donde se ha aplicado con éxito la tecnología de oxidación catalítica de dióxido de cloro incluyen:

1) Se han logrado buenos resultados en el tratamiento de aguas residuales de gas de carbón, aguas residuales que contienen cianuro en alta concentración, aguas residuales de éter paraaminobencílico, aguas residuales de fenol formaldehído y aguas residuales de impresión y teñido, que pueden eliminar la mayoría de los contaminantes orgánicos difíciles de degradar y mejorar la biodegradabilidad de las aguas residuales;

2) Tiene buenos efectos de decoloración y eliminación de DQO en tintes solubles en agua fácilmente oxidables, como tintes catiónicos, tintes azoicos y tintes insolubles en agua fácilmente oxidables, como tintes de sulfuro.

Proceso de oxidación catalítica del ozono

La oxidación catalítica con ozono consiste en el uso de radicales hidroxilo [·OH] generados por el ozono bajo la acción de un catalizador para oxidar y descomponer contaminantes orgánicos en el agua. Gracias a la alta capacidad oxidante del ·OH y a la reacción de oxidación no selectiva, puede oxidar y descomponer rápidamente la gran mayoría de los compuestos orgánicos (incluidos algunos altamente estables y difíciles de degradar).

Los catalizadores de carbón activado cargados con metales son materiales compuestos que consisten en una mezcla de pequeñas partes cristalinas y amorfas, y su superficie contiene una gran cantidad de grupos funcionales ácidos o básicos. La presencia de estos grupos funcionales ácidos o básicos, especialmente los grupos hidroxilo y fenólicos, confiere al catalizador no solo capacidad de adsorción, sino también capacidad catalítica. En el proceso sinérgico ozono/catalizador, el ozono se descompone bajo la acción del catalizador para producir [·OH], lo que desencadena una reacción en cadena. Esta reacción también produce oxígeno monoatómico [·O] altamente reactivo y fuertemente oxidante.

Características de la oxidación catalítica del ozono

1) Capacidad extremadamente fuerte para oxidar contaminantes orgánicos y eliminar materia orgánica;

2) La participación de catalizadores reduce en gran medida la selectividad de oxidación y es de aplicación casi universal;

3) La materia orgánica finalmente se descompone en CO2 y H2O, sin productos intermedios tóxicos o dañinos, lo que garantiza la seguridad y la protección del medio ambiente;

4) El valor del pH puede ser neutro o alcalino, y no es necesario ajustar el valor del pH de las aguas residuales;

5) El generador de ozono genera ozono a partir de electricidad y aire, sin agentes químicos, garantizando la seguridad e higiene en el lugar;

6) El tiempo de reacción de oxidación es relativamente corto, generalmente controlado en alrededor de 30 minutos, y el volumen del reactor es pequeño.

Ocasiones aplicables para la oxidación catalítica del ozono

Debido a las características mencionadas, la tecnología de oxidación catalítica con ozono es prácticamente idónea para la degradación de DQOcr en plantas de tratamiento de aguas residuales grandes, medianas y pequeñas, para todo tipo de aguas residuales. Al comparar los tres procesos de oxidación mencionados, el proceso de oxidación catalítica con ozono presenta un buen efecto de tratamiento, una amplia aplicabilidad y una tecnología consolidada. Asimismo, cuenta con numerosas aplicaciones exitosas en plantas de tratamiento de aguas residuales nacionales e internacionales.

Debido a que las aguas residuales que se someten a un tratamiento profundo provienen de un tanque de sedimentación sometido a un tratamiento aeróbico biológico, su relación DBO/DQO ya es bastante baja. Para reducir aún más el valor de DQO, se deben utilizar métodos de tratamiento avanzados. Entre todos los métodos de tratamiento avanzados, la tecnología de oxidación catalítica con ozono presenta buenos resultados, amplia aplicabilidad y una tecnología consolidada. Asimismo, cuenta con numerosas aplicaciones exitosas en plantas de tratamiento de aguas residuales nacionales e internacionales. En comparación con otros métodos de oxidación avanzada, ofrece las ventajas de un bajo costo de inversión, alta tolerancia a los cambios en la calidad del agua, fácil operación y mantenimiento, y bajos costos operativos.