Waste Water Treatment Technology-AOP

download Waste Water Treatment Technology-AOP

of 12

Transcript of Waste Water Treatment Technology-AOP

  • 8/9/2019 Waste Water Treatment Technology-AOP

    1/12

    Wastewater Treatment

    Technology – AOP

  • 8/9/2019 Waste Water Treatment Technology-AOP

    2/12

  • 8/9/2019 Waste Water Treatment Technology-AOP

    3/12

    33

     

    Table of  Contents Cinkarna Celje and green technologies ................................................................................................... 4  

    Ultrafine titanium dioxide as water treatment catalyst.......................................................................... 4 

    Magnetic photocatalyst (MP).................................................................................................................. 5 

    The efficiency of  the MP in comparison to other photocatalysts........................................................... 5 

    Wastewater treatment technology using MPs ....................................................................................... 6 

    Wastewater treatment ....................................................................................................................... 6 

    Retrieving and re‐using MPs ............................................................................................................... 6  

    Development approach to the custom‐made solution for the user................................................... 6 

    MP technology advantages in comparison to other AOP technologies ............................................. 7 

    MP technology limitations .................................................................................................................. 8  

    General information concerning photocatalysis  – MP energy source.................................................... 8 

    AOP globally  – overview.......................................................................................................................... 9 

    Existing AOP technologies ..................................................................................................................... 10 

    References............................................................................................................................................. 10 

  • 8/9/2019 Waste Water Treatment Technology-AOP

    4/12

  • 8/9/2019 Waste Water Treatment Technology-AOP

    5/12

    5

     

    Magnetni fotokatalizator (MF) Z razvojem lastnega produkta smo združili več pozitivnih lastnosti zgoraj naštetih metod v prid  čim več ji 

    učinkovitosti  in  enostavnosti  čiščenja  onesnaženih  vod.  Magnetni  fotokatalizator  (MF)  izkorišča 

    fotokatalitične  lastnosti  titanovega  dioksida  za  razgradnjo onesnažil  ter magnetne  lastnosti  nosilca  za 

    recikliranje  materiala.  Za  pripravo  magnetnega  fotokatalizatorja  uporabljamo  lasten  ultrafini  titanov 

    dioksid, tip CCA 100 AS. 

    Učinkovitost  MF v primerjavi z drugimi fotokatalizatorji 

    Za  določevanje  fotokatalitske  učinkovitosti  uporabljamo  v  Cinkarni  Celje  interno  metodo  razgradnje 

    mravljinčne  kisline. Na  spodnjem  grafu  so prikazane učinkovitosti  različnih  vzorcev  (MF,  suspenzije  in 

    nanosi na steklu lastnih ter konkurenčnih proizvodov) kot sprememba konverzije v časovni enoti. 

    Graf  1: Hitrost razgradnje vzorcev TiO2 v suspenziji in na trdnih nosilcih ter MF v suspenziji. 

    Najnižjo  aktivnost  izkazujeta  vzorca,  ki  sta  nanesena  na  trdnih  nosilcih  (CCA  100  AS  na  ploščah  in konkurenčni  vzorec  na  ploščah).  Pri  teh  vzorcih   je  aktivna  površina  dosti  manjša,  kot  v  primeru 

    suspendiranih nanodelcev. Temu primerno  je aktivnost mnogo nižja, vendar  je njihovo odstranjevanje po 

    čiščenju  enostavno.  Suspenzije  lastnih  in  konkurenčnih  proizvodov  izkazujejo  primerljivo  aktivnost, 

    najhitrejšo razgradnjo mravljinčne kisline pa smo dosegli z magnetnim fotokatalizatorjem. 

    Photocatalyc HCOOH degradaon

    [H]/[Ho]

    Time

    CCA 100 AS

    1

    0,8

    0,6

    0,4

    0,2

    0

    0 2 4 6

    CCA 200 BS

    MF CC 2.4.2013

    CCA 100 AS on plates

    Competng sample

    in a suspension

    Competng sample

    on plates

     

    Magnetic 

    photocatalyst  

    (MP) 

    By developing our own product, we combined numerous positive features of  the methods that were 

    listed above in order to benefit the maximum efficiency and simplicity of  wastewater treatment. A 

    magnetic 

    photocatalyst 

    (MP) 

    uses 

    the 

    photocatalytic 

    properties 

    of  

    titanium 

    dioxide 

    to 

    disintegrate 

    pollutants 

    and 

    the 

    magnetic 

    properties 

    of  

    the 

    carrier 

    to 

    recycle 

    material. 

    The 

    ultrafine 

    titanium 

    dioxide, CCA 100 AS, which is used for preparing the magnetic photocatalyst (MP), is also Cinkarna 

    Celje’s 

    own 

    product. 

    The efficiency of  the MP in comparison to other 

    photocatalysts 

    At Cinkarna Celje, we have been using our own method for decomposing formic acid in order to 

    determine the efficiency of  the photocatalyst. The diagram below shows the efficiency of  various 

    samples (MP, the suspension, and the deposits on the glass of  our products and competing products) 

    as the change of  the conversion in a certain time period. 

    Diagram 

    1: 

    degradation 

    speed 

    of  

    TiO2 samples in a suspension and on solid carriers as well as MP in a 

    suspension 

    The lowest activities are noticed in the samples that were applied on the solid carriers (CCA 100 AS 

    on 

    plates 

    and 

    the 

    competing 

    product 

    on 

    plates). 

    In 

    these 

    samples, 

    the 

    active 

    surface 

    is 

    much 

    smaller 

    than 

    in 

    suspended 

    nano 

    particles 

    and 

    the 

    activity 

    levels 

    are 

    corresponding. 

    However, 

    their 

    removal 

    is 

    simple. The activity of  the suspensions of  our own products and the competing products are 

    comparable. The fastest degradation of  formic acid was achieved with a magnetic photocatalyst. 

  • 8/9/2019 Waste Water Treatment Technology-AOP

    6/12

    6

     

    Wastewater treatment  technology using MPs The treatment technology includes two main stages: 

    1.  Wastewater treatment, 

    2.  Retrieving and re‐using MPs. 

    Wastewater treatment  The catalyst, the amount of  which is determined beforehand by a lab device (the concentrations tend 

    to range between 20 and 250 mg/L), is dispersed in the water that we wish to treat. A pump then 

    moves the water including the suspended MP particles through a UV reactor (see Figure 1) where the 

    pollutant degradation takes place. The residence time changes according to the water pollution level, 

    pollutant type, and required treatment level. 

    The residence time is determined according to the type of  the water pollutant  – the degradation 

    level is measured as the change of  COD and BOD5 values. In the event of  more complex pollutants, 

    more complex

     analytical

     methods

     are

     applied

     that

     help

     us

     precisely

     determine

     the

     concentration

     of 

     

    the selected pollutant. 

    Figure 1: Depiction of  treatment plant operation 

    Retrieving and re-using MPs The catalyst is prepared in the form of  a water suspension which is added to wastewater. After the 

    reaction is concluded, the treated water with the MP is led through a magnetic separator (MS). The 

    separation is

     performed

     on

     the

     basis

     of 

     magnetism

     and

     does

     not

     require

     an

     additional

     energy

     source.

     

    After the separation process is concluded, the catalyst remains in the separator. The treated water is 

    pumped out of  the system (Figure 2) and replaced with new wastewater that first needs to circulate 

    through the separator to collect the catalyst particles. The treatment and recycling stages are then 

    interchanged until all of  the water that is brought to the system is treated. 

    Development  approach to the custom-made solution for the user The vision of  the company is to use its own high‐tech products with the purpose of  reducing harmful 

    substances in the environment. The development of  the wastewater treatment application using a 

    magnetic photocatalyst requires a solution custom‐made for the buyers because the application 

    Treatment cycle description: 

    1.  Polluted water is put into the mixer 

    reactor, 

    2.  the catalyst is added to the polluted 

    water, 

    3.  the water with the catalyst circulates 

    through the

     UV

     reactor,

     

    4. 

    the treated water flows out through 

    the magnetic separator, 

    5.  the catalyst is recycled. 

    UV 

    reactor 

    Mixer 

    reactor 

    Magnetic 

    separator 

    Polluted water inflow 

    Treated water 

    outflow 

  • 8/9/2019 Waste Water Treatment Technology-AOP

    7/12

    7

     

    depends 

    on 

    the 

    water 

    pollutant 

    type. 

    There 

    is 

    pilot 

    device 

    set 

    up 

    at 

    the 

    company 

    which 

    demonstrates 

    the 

    treatment 

    technology 

    using 

    various 

    types 

    of  

    wastewater. 

    Table 

    1: 

    The 

    level 

    of  

    the 

    degradation 

    of  

    industrial 

    wastewater 

    sample 

    with 

    magnetic 

    photocatalyst. 

    54.21 

     – 

    23 

    Jan 

    2012 

    BOD5 

    COD mg/L

     

    O2 

    mg/L  O2 27

     

    165 

    UV 0,1 TiO2  – 24 Jan 2012  BOD 

    COD 

    mg/L  O2 

    mg/L 

    O2 

  • 8/9/2019 Waste Water Treatment Technology-AOP

    8/12

    8

     

    -  MP particles are dispersed in polluted water and thus have a significantly larger specific 

    surface in comparison with catalysts that are fixed on reactor or carrier surfaces, 

    -  during the treatment reaction, no substances need to be added to enable the pollutant 

    degradation reaction, 

    -  in order to function, the technology only uses UV energy and MPs, 

    -  the catalyst is recycled following each treatment cycle, 

    - MPs

     cause

     the

     degradation

     of 

     a wide

     range

     of 

     organic

     pollutants

     (hormone

     disruptors,

     

    pesticides, antibiotics, carbohydrates, phenols, bacteria, algae, etc.), 

    -  MPs degrades microorganisms and not merely deactivates their reproduction, 

    -  the catalyst is not harmful to the environment and people. 

    MP 

    technology 

    limitations 

    -  the water pH value needs to be between 3 and 9, 

    -  the water may not include any non‐dissolved pollutants1, 

    -  the oxygen concentration in the water needs to be as close as possible to saturated 

    concentration, 

    - water

     temperature

     may

     not

     be

     higher

     than

     45

     °C,

     -  this technology is more suitable for lower concentration pollution, except in the case of  

    specific pollutants where the highest efficiency level is achieved. 

    General 

    information 

    concerning 

    photocatalysis 

    – 

    MP 

    energy 

    source 

    The term photocatalysis denotes types of  reactions that take place in the presence of  light and a 

    catalyst. Ultrafine titanium dioxide needs a UV light source for its functioning. This light then induces 

    the process of  charge separation in material a  – TiO2 is a semi‐conductor that becomes charged 

    under the influence of  UV light with specific energy. 

    The electrons and electron holes that are created due to the migration of  electrons contribute to the 

    creation of  active radicals. On the surface of  the catalyst, the electrons and electron holes react with 

    oxygen and water molecules. The products of  this reaction are hydroxyl and superoxide radicals that 

    trigger the degradation of  pollutants in water [2]. 

    Oxidant 

    Oxidation 

    Potential 

    (eV) 

    •OH 

    O3 

    H2O2 

    Hydroperoxyl Radicals 

    Permanganate 

    Chlorine Dioxide 

    Chlorine 

    O2 

    2.80 

    2.07 

    1.77 

    1.70 

    1.67 

    1.50 

    1.36 

    1.23 

    Table 2: The comparison of  oxidation potential values of  individual oxidants [3]. 

    1 In the event of  non‐dissolved substances, preliminary filtration is required. 

  • 8/9/2019 Waste Water Treatment Technology-AOP

    9/12

    9

     

     AOP globally – overview The technology of  advanced oxidation methods has been known in the world for approximately 20 

    years. Nowadays, mainly the combination of  UV light and an oxidation agent is used for wastewater 

    treatment, and not so much any individual methods. 

    Photocatalysis with titanium dioxide is an AOP wastewater treatment method that requires a UV 

    light source

     for

     its

     functioning.

     In

     addition

     to

     the

     strength

     of 

     the

     UV

     light

     source,

     the

     lifespan

     of 

     UV

     

    light bulbs is also very important from the technoeceonomic point of  view. In practice, this lifespan is 

    12 to 18 months if  used 24/7. Equipment costs are calculated on the basis of  the amount of  

    wastewater and the desired effect of  the degradation of  the pollutant (power input). 

    The largest users of  UV equipment are municipal treatment plants that need UV light for tertiary 

    treatment (systems with a flow rate of  a few hundred m3/min). The MP technology is an upgrade of  

    the UV water treatment/preparation system that combines the removal of  microorganisms and the 

    degradation of  toxic substances which may not be degraded using standard methods or the removal 

    of  which is not economically viable. The use of  MP treatment technology also makes sense for users 

    who already have set‐up UV disinfection/wastewater treatment systems because it reduces the 

    residence time

     (saves

     energy)

     or

     increases

     the

     level

     of 

     treatment,

     even

     up

     to

     40

     percent2.

     However,

     

    the main advantage that the use of  the MP technology has over other technologies is that the use of  

    MPs does not require the addition of  chemicals or other substances in order to achieve the desired 

    treatment effect. 

    The largest AOP water treatment systems are currently in the USA (the removal of  NDMA, 1,4‐

    dioxane) where treatment costs are already approximately 0.01 EUR/m3 of  wastewater [5]. 

    2 The percentage of  the increased treatment effect depends on the type of  water. 

    Conduction band 

    Electron 

    excitation 

    Valence band 

    Photon 

    absorption 

    OXIDATION 

    REDUCTION 

    UV 

    photon

    Figure 3: Depiction of  the photocatalysis process on TiO2 nano particle  4. 

  • 8/9/2019 Waste Water Treatment Technology-AOP

    10/12

    10

     

    The application for ballast water treatment is also very interesting. In the future, this application will 

    be required by law. There are systems on the market that provide the removal of  all microorganisms 

    with the help of  TiO2 UV technology [6]. 

    This application is also suitable in the field of  providing drinking water. Within the projects of  the 

    European research inititative Seventh Framework Programme, the photocatalytic removal of  various 

    pollutants that

     affect

     the

     end

     quality

     of 

     drinking

     water

     is

     being

     tested

     [7].

     

    Existing 

     AOP 

    technologies 

    AOP or advanced oxidation processes consist of  a dozen pollutant removal technologies, in which 

    hydroxyl radicals serve as the active medium. The methods are separated according to the source of  

    the formation of  OH* radicals [8]: 

    -  TiO2 photocatalysis, 

    -  ozonization, 

    -  UV disinfection, 

    -  UV wastewater treatment, 

    - the

     application

     of 

     hydrogen

     peroxide

     (H2O2),

     

    -  Fenton/Photo‐Fenton reaction, 

    -  various combinations of  the above methods. 

    References 

    [1] Mohajerani M, Mehrvar M., Ein‐Mozaffari F. An overview of  the integration of  advanced oxidation 

    technologies and other processes for water and wastewater treatment. International   journal  of  

    Engineering 3, 120 (2009). 

    [2] Chong M. N., Jin B., Chow C., Saint C. Recent developments in photocatalytic water treatment 

    technology: A

     review.

     Water 

     

    research 44,

     2997

     (2010).

     

    [3] Sharma S., Ruparelia J.P., Patel M.L. A general review on advanced oxidation processes for waste 

    water treatment. International  conference on current  trends in technology , Nuicone (2011) 

    [4] http://projekti.gimvic.org/2009/2a/kataliza/fotokataliza_teorija.html  (6 June 2013). 

    [5] Kaneko M., Okura E. Photocatalysis Science and  Technology . Springer, Japan, 2002. 

    [6] Matheickal J., Raaymakers S. 2nd

     International ballast water treatment R&D symposium. 

    Globallast  monograph series 15 (2003). 

    [7] http://www.observatorynano.eu/project/ (6 June 2013). 

    [8] Kommineni, S. et. al. 3.0 Advanced Oxidation Processes. http://www.nwri‐

    usa.org/pdfs/TTChapter3AOPs.pdf  (11 June 2013). 

  • 8/9/2019 Waste Water Treatment Technology-AOP

    11/12

    11

  • 8/9/2019 Waste Water Treatment Technology-AOP

    12/12

    Contact:

    Peter Bastl M.Sci.

    Product sales manager

    tel.: 00386 3/427 - 6083

    gsm: 00386 41/271 - 615

    e-mail: [email protected]

    Aljaž Selišnik 

    Research and development

    tel.: 00386 3/427 - 6087

    fax.: 00386 3/427 - 6116

    e-mail: [email protected]