La technologie d'oxydation avancée, également connue sous le nom de technologie d'oxydation profonde, est basée sur l'utilisation de l'électricité, de l'irradiation lumineuse, de catalyseurs et parfois combinée avec des oxydants pour produire des radicaux libres hautement actifs (tels que HO•) dans la réaction, puis par l'ajout , substitution, transfert d'électrons, rupture de liaison, etc. entre radicaux libres et composés organiques, la matière organique réfractaire macromoléculaire de l'eau est oxydée et dégradée en petites molécules peu toxiques ou non toxiques, voire directement dégradée en CO2 et H2O, minéralisation presque complète. Les technologies d'oxydation avancées actuelles comprennent principalement l'oxydation chimique, l'oxydation électrochimique, l'oxydation humide, l'oxydation à l'eau supercritique et l'oxydation photocatalytique.
1. Technologie d'oxydation chimique
La technologie de l’oxydation chimique est souvent utilisée dans le prétraitement du traitement biologique. Généralement, les oxydants chimiques sont utilisés pour traiter les eaux usées organiques sous l'action de catalyseurs pour améliorer leur biodégradabilité, ou pour oxyder et dégrader directement la matière organique dans les eaux usées pour la stabiliser.
1.1 Méthode d'oxydation du réactif de Fenton
Cette technologie est née au milieu-1890des années et a été proposée par le scientifique français HJ Fenton. Dans des conditions acides, H2O2 peut oxyder efficacement l'acide tartrique sous l'action catalytique des ions Fe2+ et est appliqué à l'oxydation de l'acide malique. Pendant longtemps, le principe principal de Fenton, supposé par les gens, est d'utiliser des ions ferreux comme catalyseurs du peroxyde d'hydrogène. La réaction produit des radicaux hydroxyles de formule : Fe2++ H2O2 --Fe3++OH-+•OH, et la réaction est principalement effectuée dans des conditions acides.
Dans la méthode d'oxydation chimique, la méthode Fenton présente certains avantages dans le traitement de certaines matières organiques difficiles à dégrader (comme les phénols et les anilines). Grâce à l'étude approfondie de la méthode Fenton, la lumière ultraviolette (UV) et l'oxalate ont été introduits dans la méthode Fenton ces dernières années, ce qui améliore considérablement la capacité d'oxydation de la méthode Fenton.
Le mélange de chlorophénols a été traité par la méthode UV + Fenton et le taux d'élimination du COT a atteint 83,2 % en 1 heure. La méthode Fenton a une forte capacité d'oxydation, des conditions de réaction douces, un équipement simple et une large gamme d'applications, mais elle présente des inconvénients tels que des coûts de traitement élevés, des conditions de processus complexes et un contrôle de processus difficile, ce qui la rend difficile à promouvoir et à appliquer.
1.2 Méthode d'oxydation à l'ozone
Le système d'oxydation de l'ozone a un potentiel redox élevé et peut oxyder la plupart des polluants organiques présents dans les eaux usées. Il est largement utilisé dans le traitement des eaux usées industrielles. L'ozone peut oxyder de nombreuses matières organiques dans l'eau, mais la réaction entre l'ozone et la matière organique est sélective et ne peut pas décomposer complètement la matière organique en CO2 et H2O. Les produits après l’oxydation par l’ozone sont souvent de la matière organique acide carboxylique. Et les propriétés chimiques de l'ozone sont extrêmement instables, en particulier dans l'eau non pure, et le taux de décomposition par oxydation se mesure en minutes. Dans le traitement des eaux usées, l'oxydation par l'ozone n'est généralement pas utilisée comme unité de traitement distincte, et certaines méthodes de renforcement sont généralement ajoutées, telles que l'ozonation photocatalytique, l'ozonation catalysée par une base et l'ozonation catalytique multiphase. En outre, la combinaison de l'oxydation de l'ozone avec d'autres technologies fait également l'objet de recherches, telles que la méthode ozone/ultrasons, la méthode d'adsorption ozone/charbon bioactif, etc.
Il a été rapporté dans la littérature que la combinaison de l'oxydation de l'ozone et de l'adsorption sur charbon actif peut réduire la concentration massique d'hydrocarbures aromatiques dans les eaux usées à 0,002ug/L. L'utilisation de l'oxydation de l'ozone pour éliminer les tensioactifs dans l'eau de circulation industrielle peut augmenter efficacement le degré de purification des stations d'épuration urbaines et améliorer la qualité de l'eau de drainage. Yu Xiujuan et d'autres ont également obtenu de bons résultats dans l'élimination des micropolluants organiques dans l'eau en utilisant le procédé au charbon bioactivé à l'ozone. En raison de la faible solubilité de l’ozone dans l’eau, la manière de dissoudre plus efficacement l’ozone dans l’eau est devenue un sujet brûlant dans la recherche sur cette technologie.
2. Méthode d'oxydation catalytique électrochimique
Cette technologie est née dans les années 1940 et présente les avantages d'une large gamme d'applications, d'une efficacité de dégradation élevée, de besoins énergétiques simples, d'une automatisation facile et de méthodes d'application flexibles et diverses. L'oxydation catalytique électrochimique peut être utilisée comme mesure de prétraitement des eaux usées difficiles à dégrader afin d'améliorer la biodégradabilité, et peut également être utilisée comme technologie de traitement en profondeur pour les eaux usées phénoliques difficiles à dégrader. Le processus de réaction d’électrolyse se produit directement dans la cellule électrolytique d’oxydation électrocatalytique. Dans des conditions de pH, de température et d'intensité de courant optimisées, le phénol peut être presque complètement décomposé.
Pour les eaux usées contenant du phénol à haute concentration, difficiles à dégrader, toxiques et nocives, les méthodes biologiques et physiques traditionnelles ont perdu leurs avantages et les méthodes d'oxydation chimique sont entravées par leur coût élevé. Les méthodes d'oxydation catalytique électrochimique sont de plus en plus favorisées par les gens, mais elles présentent également certains problèmes, tels que la consommation d'énergie, les matériaux des électrodes sont principalement des métaux précieux, le coût élevé et la corrosion des anodes, et la recherche en microdynamique et en thermodynamique guidant leur promotion et leur application est toujours imparfait.
3. Technologie d'oxydation humide
L'oxydation humide, également connue sous le nom de combustion humide, est une méthode efficace pour traiter les eaux usées organiques à haute concentration. Son principe de base est d'introduire de l'air dans des conditions de température et de pression élevées pour oxyder les polluants organiques présents dans les eaux usées. Selon qu'il y a ou non un catalyseur dans le processus de traitement, celui-ci peut être divisé en oxydation à l'air humide et oxydation catalytique à l'air humide.
3.1 Oxydation de l'air humide
La première entreprise à développer et industrialiser l’oxydation par air humide (WAO) fut Zimpro aux États-Unis. La société a appliqué le procédé WAO au traitement des eaux usées industrielles toxiques et nocives telles que les liquides de lavage des déchets de production d'oléfines, les eaux usées de production d'acrylonitrile et les eaux usées de production de pesticides. La technologie WAO consiste à introduire de l'air dans des conditions de température élevée ({{0}} degrés) et de haute pression (0,5-20MPa) pour oxyder et dégrader directement la matière organique de haut poids moléculaire dans les eaux usées en matières inorganiques ou petite matière organique moléculaire.
Le taux d'élimination du phosphore organique et du soufre organique atteint respectivement 95 % et 90 % lors du prétraitement des eaux usées de production de diméthoate à l'aide de la technologie d'oxydation par air humide. Le procédé WAO de Zimpro présente une efficacité de traitement élevée et un temps de réaction court, mais comme la technologie nécessite des températures et des pressions élevées, l'investissement en équipement requis est important et les conditions de fonctionnement sont difficiles, il est difficile pour les entreprises générales de l'accepter. Par conséquent, la méthode d’oxydation catalytique à l’air humide, qui utilise un catalyseur pour réduire la température et la pression de la réaction ou raccourcir le temps de séjour de la réaction, a fait l’objet d’une attention et de recherches approfondies ces dernières années.
3.2 Oxydation catalytique par air humide
L'oxydation catalytique par air humide (CWAO) est une méthode d'ajout d'un catalyseur approprié au processus d'oxydation humide traditionnel pour permettre à la réaction d'oxydation d'être achevée dans des conditions plus douces et dans un délai plus court. Cela peut réduire la température et la pression de la réaction, améliorer la capacité de décomposition par oxydation, accélérer la vitesse de réaction, raccourcir le temps de séjour et ainsi réduire la corrosion des équipements et les coûts d'exploitation. Le problème clé de l’oxydation catalytique à l’air humide réside dans le catalyseur à haute activité et facilement recyclable. Les catalyseurs CWAO sont généralement divisés en trois catégories : les sels métalliques, les oxydes et les oxydes composites. Selon la forme du catalyseur dans le système, l'oxydation catalytique à l'air humide peut être divisée en oxydation catalytique humide homogène et oxydation catalytique humide hétérogène.
(1) Oxydation catalytique humide homogène. Dans la méthode d'oxydation catalytique humide homogène, étant donné que le catalyseur (principalement des ions métalliques) est un sel de métal de transition soluble, ces sels existent dans les eaux usées sous forme d'ions. Au niveau ionique ou moléculaire, ils catalysent la réaction d'oxydation de la matière organique présente dans l'eau en initiant la réaction radicalaire de l'oxydant et en le régénérant continuellement. Dans la méthode d'oxydation catalytique humide homogène, puisque le catalyseur fonctionne indépendamment au niveau moléculaire ou ionique, l'activité moléculaire est élevée, ce qui entraîne un meilleur effet d'oxydation. Cependant, étant donné que le catalyseur du procédé d'oxydation catalytique humide homogène existe sous forme d'ions, il est difficile de le récupérer et de le réutiliser à partir des eaux usées, et il est facile de provoquer une pollution secondaire.
(2) Méthode d’oxydation catalytique humide hétérogène. L'oxydation catalytique humide hétérogène consiste à ajouter un catalyseur solide insoluble au système réactionnel. Son action catalytique s'exerce à la surface du catalyseur. La surface spécifique du catalyseur a une grande influence sur le taux de dégradation de la matière organique. En raison des différents types de composition des catalyseurs solides et des propriétés des eaux usées, l'effet de l'oxydation catalytique humide est également différent. Dans la méthode d'oxydation catalytique humide hétérogène, puisque le catalyseur solide ne se dissout pas et ne coule pas, il est plus facile à activer, régénérer et recycler, ses perspectives d'application sont donc très larges.
4. Technologie d'oxydation de l'eau supercritique
La technologie d’oxydation à l’eau supercritique est une amélioration et une amélioration de la technologie d’oxydation à l’air humide. Il a été développé avec succès par la société américaine MODAR en 1982. Son principe est d'utiliser l'eau supercritique comme moyen d'oxydation et de décomposition des matières organiques. Il utilise également de l'eau comme phase liquide principale et de l'oxygène de l'air comme oxydant, et réagit à haute température et haute pression.
Cependant, son amélioration et sa valorisation résident dans l’utilisation des propriétés de l’eau à l’état supercritique. La constante diélectrique de l'eau est réduite à une valeur proche de celle de la matière organique et du gaz, de sorte que le gaz et la matière organique peuvent être complètement dissous dans l'eau, l'interface de phase disparaît et un système d'oxydation homogène se forme, qui élimine la masse d'interphase. La résistance au transfert existant dans le processus d'oxydation humide augmente la vitesse de réaction et, du fait que l'activité indépendante des radicaux libres oxydés dans le système homogène est plus élevée, le degré d'oxydation est également augmenté. L'eau supercritique est un bon solvant pour les matières organiques et l'oxygène. La matière organique est oxydée de manière homogène dans de l'eau supercritique riche en oxygène et la vitesse de réaction est très rapide. À 400-600 degré, la structure de la matière organique peut être détruite en quelques secondes, et la réaction est complète et approfondie, de sorte que le carbone organique et l'hydrogène sont complètement convertis en CO2 et H2O.
La technologie d’oxydation de l’eau supercritique attire de plus en plus d’attention en raison de sa réaction rapide et de son oxydation approfondie. Comment réduire la température et la pression de la réaction ou raccourcir le temps de séjour de la réaction grâce aux catalyseurs est un point chaud de la recherche dans ce domaine. À l'heure actuelle, la plupart des catalyseurs couramment utilisés sont des catalyseurs utilisés dans les procédés d'oxydation catalytique humide. Trouver des catalyseurs dotés de propriétés catalytiques à large spectre pour la technologie d’oxydation de l’eau supercritique constitue une difficulté dans la promotion de cette technologie.
5. Technologie d'oxydation photocatalytique
La technologie d'oxydation photocatalytique est développée sur la base de la technologie d'oxydation photochimique. La technologie d'oxydation photochimique est un processus de réaction dans lequel les polluants organiques sont oxydés et dégradés sous l'action de la lumière visible ou de la lumière ultraviolette. Une partie de la lumière proche de l'ultraviolet (290-400 nm) présente dans l'environnement naturel est facilement absorbée par les polluants organiques. Lorsque des substances actives sont présentes, de fortes réactions photochimiques se produisent, dégradant ainsi la matière organique. Cependant, en raison des limites des conditions de réaction, la dégradation par oxydation photochimique n'est souvent pas suffisamment approfondie et il est facile de produire une variété d'intermédiaires organiques aromatiques, ce qui est devenu un problème que l'oxydation photochimique doit surmonter.
Depuis Carey et al. a utilisé pour la première fois le TiO2 pour dégrader photocatalytiquement le biphényle et le chlorobiphényle en 1976, le point chaud de la recherche sur la technologie d'oxydation photocatalytique s'est orienté vers la dégradation par oxydation photocatalytique des polluants organiques en utilisant le TiO2 comme catalyseur.
En raison de la structure simple de l'équipement d'oxydation photocatalytique, des conditions de réaction douces, du contrôle facile des conditions de fonctionnement, de la forte capacité d'oxydation, de l'absence de pollution secondaire et de la stabilité chimique élevée, de la non-toxicité et du faible prix du TiO2, la technologie d'oxydation photocatalytique du TiO2 est une nouvelle technologie de traitement de l’eau avec de larges perspectives d’application.
6. Méthode d'oxydation par ultrasons
Le développement de la sonochimie a attiré de plus en plus d’attention sur son application dans le traitement de l’eau et des eaux usées. La source d’énergie de l’oxydation ultrasonique est la cavitation acoustique. Lorsque des ondes ultrasonores (15 kHz-20 MHz) d'intensité suffisante traversent une solution aqueuse, l'amplitude de la pression acoustique dépasse la pression statique à l'intérieur du liquide dans le demi-cycle de pression négative de l'onde sonore, et le noyau de cavitation dans le liquide se développe rapidement; dans le demi-cycle de pression positive de l'onde sonore, la bulle se rompt en raison de la compression adiabatique et la durée est d'environ 0,1 μs. Au moment de la rupture, un environnement local à haute température et haute pression d'environ 5 000 K et 100 MPa est généré, et un microjet à fort impact avec une vitesse de 110 m/s est généré.
L'équipement utilisé pour l'oxydation ultrasonique est un transducteur ultrasonique magnétoélectrique ou piézoélectrique, qui génère des ondes ultrasonores par transduction électromagnétique. Les plus couramment utilisés en laboratoire sont les instruments à ultrasons de type plaque de rayonnement, les réacteurs de type sonde et NAP. Les conditions de réaction d'oxydation par ultrasons sont douces, généralement réalisées à température ambiante, avec de faibles besoins en équipement, et constituent une technologie de traitement écologique sans pollution avec de larges perspectives d'application.
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