Достижения в технологии осадка для удаления стойких органических загрязнителей

Проблема стойких органических загрязнителей в воде

Стойкие органические загрязнители (СОЗ) представляют собой одну из самых трудноразрешимых экологических угроз нашего времени. Эти химические соединения устойчивы к деградации окружающей среды посредством химических, биологических и фотолитических процессов. В результате они остаются в окружающей среде в течение длительных периодов, часто десятилетий, путешествуя на большие расстояния через воздух и воду. В Стокгольмской конвенции определены десятки СОЗ, включая полихлорированные дифенилы (ПХБ), диоксины, ДДТ и перфторалкильные вещества (ПФАС). Даже при следовых концентрациях эти соединения накапливаются в жировых тканях организмов, увеличивая пищевую цепь и вызывая эндокринные нарушения, репродуктивную недостаточность и рак у людей и диких животных.

Удаление СОЗ из воды является особенно сложным из-за их липофильной природы, низкой растворимости в воде и сильного сродства к органическим веществам в взвешенных твердых телах и отложениях. Обычные методы очистки воды - фильтрация, хлорирование и базовое осаждение - не были разработаны для этих непокорных загрязнителей. Однако последние инновации в технологии осаждения начинают устранять этот разрыв, предлагая практические, масштабируемые решения для муниципальной и промышленной очистки воды.

Основы оседания и его ограничения для СОЗ

Осадок, также известный как оседание или осветление, опирается на гравитацию, чтобы отделить частицы, более плотные, чем вода, от жидкой фазы. В типичной установке по очистке воды вода поступает в бассейн, где скорость потока уменьшается, позволяя взвешенным твердым веществам оседать на дно в виде ила. Осветленная вода перетекает на поверхность и переходит к дальнейшей обработке. В то время как эффективная для песка, ила и многих коллоидных частиц, стандартная оседание борется с мелкими частицами низкой плотности, к которым часто адсорбируются СОЗ. Кроме того, сами загрязнители часто растворяются или связаны с растворенным органическим веществом, требуя дополнительной химической кондиционирования, чтобы превратить их в осевшие флоки.

Основное ограничение заключается в том, что СОЗ не оседают естественным образом с разумной скоростью. Их связывание с очень маленькими частицами - часто в микрометровом или субмикрометровом диапазоне - приводит к незначительному гравитационному оседанию в обычных бассейнах. Без усиления оседание само по себе удаляет только часть присутствующих СОЗ, особенно когда они находятся в растворенной форме или связаны с коллоидным материалом.

Размер частиц и скорость установки

Законное соотношение Стокса показывает, что скорость оседания пропорциональна квадрату диаметра частиц. Для частиц размером менее 10 микрометров скорость становится чрезвычайно низкой — обычно менее 0,1 мм/с. Многие частицы, нагруженные СОЗ, попадают в этот диапазон. Для достижения практического удаления необходимо увеличить оседание для увеличения размера частиц или эффективной плотности. Именно здесь вступают в игру современные флокуляции и магнитные подходы.

Усиление флокуляции: химические и природные полимеры

Флоккуляция - это процесс дестабилизации взвешенных частиц, поэтому они объединяются в более крупные, более тяжелые флокуляторы, которые оседают быстрее. Последние достижения в флокуляции для удаления СОЗ сосредоточены на высокопроизводительных коагулянтах и натуральных флокулянтах на основе полимеров , которые являются эффективными и экологически чистыми.

Неорганические коагулянты для связывания с СОЗ

Традиционные соли алюминия и железа (например, квасцы, хлорид железа) были адаптированы с оптимизированным дозированием и контролем pH для повышения адсорбции СОЗ на гидроусные металлооксидные флоки. Недавние исследования показали, что предварительно гидролизованные коагулянты, такие как полиалюминиевый хлорид (PACl), производят более крупные, плотные флоки с более высокой площадью поверхности, улучшая улавливание гидрофобных СОЗ, таких как ПХБ и диоксины. Согласно исследованию в журнале Исследования воды , PACl в сочетании с высокомолекулярным анионным полимером достигал > 90% удаления PFAS, когда за ним следовала осаждение.

Природные полимеры и биофлоккалянты

Читозан (производный из ракообразных оболочек), производные крахмала и растительные танины все чаще используются в качестве флокулянтных вспомогательных средств. Эти полимеры являются биоразлагаемыми, нетоксичными и могут быть химически модифицированы для переноса положительных зарядов, которые нейтрализуют отрицательно заряженные поверхности частиц. Например, было показано, что катионный крахмал эффективно связывается с перфторалкильными кислотами (PFAA) и способствует их включению в оседаемые флоки. Преимущество заключается в уменьшении токсичности осадка и более низком углеродном следе по сравнению с синтетическими полиакриламидами.

Флоккуляция оптимизация

Современные очистные сооружения теперь используют вычислительную динамику текучей среды (CFD) для проектирования бассейнов флокуляции, которые максимизируют частоту столкновений и прочность флока, минимизируя силы сдвига, которые разрушают хрупкие флоки. Настраивая градиент скорости и время пребывания, операторы могут производить флоки, достаточно большие, чтобы осесть в доли времени, необходимого в обычных бассейнах.

Магнитная осадка: прорыв для быстрого разделения

Возможно, наиболее многообещающим новшеством в осадке для удаления СОЗ является магнитная осадка, также известная как магнитное разделение. Этот метод использует магнитные наночастицы (обычно оксид железа, Fe3O4), покрытые оболочными материалами, которые имеют высокое сродство к СОЗ.

Как работает магнитная седиментация

Процесс включает дозирование загрязненной воды функционализированными магнитными наночастицами. Эти частицы спроектированы с ядром магнетита или магемита и покрытием органических лигандов, активированного угля, циклодекстрина или молекулярно импринтированных полимеров (MIP), которые избирательно связываются с целевыми СОЗ. После короткого периода контакта, в течение которого наночастицы адсорбируют загрязняющие вещества, магнит применяется - либо электромагнит, либо постоянный магнитный массив - для агрегации и удаления частиц из воды. Чистая вода может быть деканирована, а ил (магнитные флоки) легко обезвоживается магнитом.

Лабораторные исследования продемонстрировали эффективность удаления, превышающую 99% для ПХБ, диоксинов и нескольких соединений ПФАС в течение нескольких минут. Технология особенно выгодна, поскольку она преодолевает медленное оседание обычных флоков. Магнитные флоки оседают под магнитным полем со скоростью на порядки быстрее гравитационного оседания, что позволяет гораздо меньше отпечатков обработки.

Приложения и коммерческие системы

Несколько компаний теперь предлагают высокоградиентные магнитные сепараторы (HGMS) для очистки воды. Например, серия SLon® от Outotec (теперь Metso) использует карусель магнитных матриц, которые непрерывно захватывают намагниченные частицы. В экологическом секторе такие системы, как ]Магнитный балластный кларификатор ] интегрируют магнитное посевное семя с обычными поселенцами ламелл, достигая 90% удаления органических загрязнителей менее чем за 30 минут. Пилотное исследование на бывшем промышленном участке в Германии показало, что магнитная оседание снизило уровни ПХД со 150 нг/л до ниже пределов обнаружения (2 нг/л) за один проход.

Для получения дополнительной информации о науке о магнитных наночастицах в области восстановления воды см. Обзор экологической науки: процессы и воздействия .

Балластная флоккуляция и Lamella Clarifiers

Помимо магнитных подходов, другие усовершенствования оседания оказались эффективными для удаления СОЗ. Балластированная флоккуляция включает добавление микропеска высокой плотности или магнетита к флоку, увеличивая эффективную плотность, так что флоки быстро оседают в компактном прояснителе. Процесс (например, Actiflo®) широко используется для питьевой воды и сточных вод. Недавние исследования включили порошкообразный активированный уголь (PAC) в схему балластированной флокуляции для адсорбирования растворенных СОЗ; PAC затем становится частью песчанобалластированного флока и оседает. Этот гибридный подход показал удаление > 95% для атразина и PFAS.

Ламелла Плейт Поселенцы

Ламелла-прояснители используют наклонные пластины для увеличения эффективной площади оседания без увеличения площади бассейна. Для воды, нагруженной СОЗ, поселенцы ламелы в сочетании с оптимизированной флоккуляцией могут достичь эффективного разделения флокусов, содержащих адсорбированные загрязнители. Параллельная геометрия пластины уменьшает вертикальное расстояние, на которое должна упасть частица, что позволяет удалять более мелкие частицы. Хотя это и не новая технология, ее адаптация для удаления СОЗ - с использованием более высоких пропорций сторон и гладких поверхностей для предотвращения повторного приостановления - является текущей областью исследований.

Преимущества современных методов осадка

Обновленные технологии оседания предлагают несколько конкретных преимуществ по сравнению с более старыми подходами:

  • Более высокая эффективность удаления стойких загрязнителей: Передовые флокулянты и магнитное разделение могут достигать скорости удаления выше 95% для многих СОЗ по сравнению с 20-40% только при обычном осаждении.
  • Сокращение использования химических веществ и воздействие на окружающую среду: Природные полимеры и оптимизированная дозировка уменьшают количество необходимых коагулянтов металла, снижая объем и токсичность ила. Магнитные наночастицы могут быть извлечены и повторно использованы, сводя к минимуму вторичные отходы.
  • Быстрая обработка: Магнитная оседание сокращает время оседания от часов до минут, в то время как балластная флоккуляция позволяет обеспечить высокие скорости поверхностной загрузки. Это приводит к уменьшению резервуаров и снижению капитальных затрат.
  • Потенциал для интеграции с другими методами обработки: Осадок может служить в качестве предварительной обработки перед продвинутым окислением, мембранной фильтрацией или биологическими процессами. Например, магнитное разделение может удалять основную часть СОЗ, затем УФ/Н2О2 может деградировать остатки, как отмечено в Химосферное исследование по удалению ПФАС.
  • Для большинства улучшений осадочных пород требуется только низкоэнергетическое смешивание и магнитные поля; они не нуждаются в насосах высокого давления или тепле, что делает их экономически эффективными для крупномасштабных применений.

Тематические исследования и практические реализации

Удаление СОЗ из листового листа свалки

Лишат на свалках часто содержит высокие концентрации СОЗ, особенно ПФАС и ПХД. На полномасштабном объекте в Нидерландах используется последовательность коагулянтов с PACl, балластированная флоккуляция с песком и PAC и ламелла-прояснения. Система последовательно снижает общие концентрации СОЗ с >500 нг/л до <20 нг/л. Оператор сообщил, что включение PAC имеет решающее значение для захвата растворенной фракции загрязняющих веществ.

Промышленная очистка сточных вод на химическом заводе

На химическом производственном объекте в США была принята магнитная осадка для обработки технологической воды, загрязненной диоксинами. С помощью наночастиц оксида железа, покрытых полиэтиленимином, система достигла удаления на 99,5% 2,3,7,8-TCDD (наиболее токсичного диоксина). Магнитные флоки были обезвожены и сожжены, а восстановленные наночастицы были регенерированы с помощью промывки растворителем и повторно использованы пять раз без потери производительности. Это привело к снижению затрат на 40% по сравнению с предыдущим методом (активированная адсорбция углерода с тепловой регенерацией).

Внешняя ссылка: Для получения дополнительной информации о регенерации магнитных наночастиц обратитесь к этой статье Экологическая наука и техника .

Интеграция с расширенным окислением и биоремедиацией

Ни одна технология не может решить все СОЗ при любых условиях. Современная передовая практика включает в себя поезда обработки. Усиление осадка часто является первой стадией, удаляя наибольшую долю загрязняющих веществ (связанных с частицами и с высокой молекулярной массой). Затем стоки поступают в продвинутый процесс окисления (AOP) , такой как озон / H2O2 или УФ / персульфат, который разрушает оставшиеся растворенные СОЗ. Комбинирование осаждения с AOP снижает потребность в окислителях и предотвращает образование вредных промежуточных побочных продуктов.

Еще одна многообещающая интеграция с биоремедиацией. После того, как магнитная осадка удаляет токсичные СОЗ, которые ингибируют микробную активность, биофильтр ниже по течению или построенный водно-болотный угодье может полировать воду. Например, исследование в Наука общей окружающей среды показало, что предварительная обработка грунтовых вод, содержащих ПФАС, магнитными наночастицами с последующим реактором биопленки движущегося слоя привела к общему удалению >98%.

Внешняя ссылка: Более широкое обсуждение о лечебных поездах для СОЗ см. в исследовании EPA по комбинированным технологиям .

Расчеты затрат и масштабируемость

Экономическая жизнеспособность продвинутой оседания для удаления СОЗ зависит от нескольких факторов: начальная концентрация и тип СОЗ, требуемое качество стоков и масштаб работы. Магнитная оседание имеет более высокие первоначальные затраты из-за необходимости производства наночастиц и магнитных сепараторов, но способность повторно использовать наночастицы и гораздо меньший след может привести к более низким затратам жизненного цикла по сравнению с адсорбцией активированного угля. Анализ затрат на установку с активированным углем 10 MGD (миллион галлонов в день) для обработки ПФАС показал, что магнитная оседание плюс АОП имели общую годовую стоимость 0,50 долларов США за 1000 галлонов, в то время как гранулированная замена активированного угля была 0,80 долларов США за 1000 галлонов (с более частыми изменениями из-за конкуренции ПФАС).

Для балластных поселенцев флокуляции и ламеллы капитальные и эксплуатационные расходы аналогичны обычным коагуляционным-флоккуляции-осадкам, но с добавлением полимера и обработки песка. Общая премия за стоимость является скромной - обычно 10-20% - для значительного улучшения удаления СОЗ. По мере улучшения методов производства магнитных наночастиц ожидается снижение цены, что сделает технологию доступной для небольших муниципалитетов.

Будущие направления и потребности в исследованиях

Исследования продолжают расширять границы технологии осаждения для удаления СОЗ. К числу ключевых областей деятельности относятся:

  • Селективные покрытия наночастиц: Молекулярно импринтированные полимеры и металлоорганические каркасы (MOF) разрабатываются для нацеливания на конкретные семейства СОЗ, такие как устаревшие ПХБ по сравнению с новыми ПФАС. Эти покрытия могут быть регенерированы in situ.
  • Непрерывные системы магнитного разделения: Новые конфигурации магнитов (например, сверхпроводящие магниты) обещают еще более высокие градиенты поля, что позволяет обрабатывать очень тонкие частицы с высокими скоростями потока.
  • Схема осадочных датчиков: Мониторинг мутности, распределения размеров частиц и концентрации СОЗ в режиме реального времени с использованием спектрометрии или флуоресценции UV/Vis может позволить автоматизировать корректировку дозирования, оптимизируя использование химических веществ и эффективность удаления.
  • Био-вдохновленные флокулянты: Исследователи имитируют внеклеточные полимерные вещества (EPS) из биопленки для создания флокулянтов, которые связывают СОЗ с высокой селективностью и являются биоразлагаемыми.
  • Гибридные мембранно-осадочные системы: Комбинирование осаждения с мембраной низкого давления (например, ультрафильтрацией) в одном резервуаре может удерживать даже самые мелкие флоки, увеличивая общее удаление при одновременном уменьшении загрязнения.

Конечная цель заключается в разработке набора инструментов на основе технологий осаждения, которые могут быть адаптированы к конкретному профилю СОЗ любого источника воды, от промышленных стоков до питьевого водоснабжения. С ростом нормативного давления во всем мире, особенно для ПФАС, ожидается, что развертывание этих передовых систем осаждения ускорится в ближайшее десятилетие.

Внешняя ссылка: Для последних нормативных ландшафтов и приоритетов исследований посетите веб-сайт EPA PFAS .

Заключение

Технология осадка, долгое время считавшаяся основным единичным процессом, претерпела ренессанс в своем применении для удаления стойких органических загрязнителей. Усовершенствованная флоккуляция современными коагулянтами и природными полимерами, магнитная осадка с использованием функционализированных наночастиц и балластированные системы со средами высокой плотности в настоящее время предлагают надежные, экономически эффективные способы снижения уровней СОЗ до следовых количеств. Эти методы могут быть интегрированы в существующие поезда обработки или использоваться в качестве автономных решений в зависимости от загрязняющих веществ и требуемого качества стоков. Продолжение эволюции материалов и контроля процесса только расширит роль осадка в защите водных ресурсов от этих опасных химических веществ.