Explication détaillée du processus de traitement des eaux usées par oxydation de Fenton - Adaptation de scénario typique et guide pratique précis

Le procédé d'oxydation Fenton est une technologie d'oxydation avancée de base pour le traitement des eaux usées organiques récalcitrantes. Il utilise la catalyse des ions ferreux pour générer in situ des radicaux hydroxyles fortement oxydants à partir du peroxyde d’hydrogène, décomposant efficacement les polluants organiques hautement toxiques et peu biodégradables. Il peut être utilisé comme processus de prétraitement pour améliorer la biodégradabilité des eaux usées, ou comme processus de traitement avancé pour garantir que les effluents répondent aux normes de rejet. Ce processus n'a pas de valeurs universelles fixes, seulement une plage de paramètres de base. L'optimisation nécessite-des tests de qualité de l'eau à petite échelle. Il est largement applicable à cinq scénarios industriels typiques : produits chimiques, produits pharmaceutiques, impression et teinture, lixiviats de décharge et fabrication de pâtes et papiers. Ce qui suit est le guide pratique révisé et complet.

Le processus de réaction de Fenton comprend six étapes principales : ajustement de l'acide, mélange de catalyseurs, réaction d'oxydation, neutralisation et dégazage, séparation solide-liquide et élimination des déchets dangereux. Tous les paramètres sont conformes aux spécifications techniques d’oxydation anaérobie et avancée :

1. Étape d'ajustement de l'acide : de l'acide sulfurique dilué est ajouté pour ajuster le pH des eaux usées à la plage de réaction optimale de 3,0 à 4,0. Une agitation mécanique ou hydraulique est utilisée pendant au moins 2 minutes. Un pH-mètre et une pompe doseuse en ligne sont fournis pour obtenir un contrôle automatique et précis de l'acide, évitant ainsi une sur-acidité ou une sur-alcalinité localisée.

2. Étape de mélange du catalyseur : une solution de sulfate ferreux est ajoutée comme catalyseur. La concentration de la solution est contrôlée en dessous de 30 % et en dessous de 20 % dans des conditions de basse-température. Un mode d'agitation forte est utilisé, avec la valeur G du gradient de vitesse contrôlée entre 500 et 1 000 secondes⁻¹, et l'agitation est effectuée pendant au moins 2 minutes pour assurer une dispersion complète et uniforme des ions ferreux dans les eaux usées.

3. Étape de réaction d'oxydation : ajoutez directement une solution mère de peroxyde d'hydrogène à 30 % de qualité industrielle-sans dilution ni dissolution préalable. Le rapport des réactifs est déterminé en fonction de la qualité de l'eau. Un mode d'agitation faible est utilisé pendant l'étape d'oxydation, avec la valeur du gradient de vitesse G contrôlée entre 50 et 70 secondes⁻¹, en maintenant uniquement l'état de fluidisation des boues pour éviter la perte de radicaux hydroxyles. Le temps de rétention hydraulique est de 4 à 8 heures pour le prétraitement et de 2 à 6 heures pour le traitement avancé. Le réservoir de réaction est en acier inoxydable 316L avec un revêtement en flocons de verre sur la paroi intérieure pour une protection contre la corrosion.

4. Étape de neutralisation et de dégazage : ajoutez une solution d'hydroxyde de sodium ou de carbonate de sodium pour ajuster le pH des eaux usées à 7,0-8,0. Après une agitation minutieuse, les eaux usées pénètrent dans le réservoir de dégazage pour éliminer l'oxygène dissous généré lors de la réaction. Le temps de rétention hydraulique dans le réservoir de dégazage n'est pas inférieur à 15 minutes et le rapport gaz-/eau n'est pas inférieur à 5 : 1.

5. Séparation solide-liquide : séparez les boues de fer de l'eau propre à l'aide de bassins de sédimentation ou de bassins de flottation. Si l'effet de séparation n'est pas satisfaisant, ajoutez 100 à 200 mg/L de chlorure de polyaluminium et 3 à 5 mg/L de polyacrylamide pour améliorer l'effet de décantation des matières en suspension et des boues de fer.

6. Élimination des boues de fer : Les boues de fer produites par la réaction de Fenton sont classées comme déchet dangereux HW22. Il doit être épaissi, déshydraté par filtre-presse à plateaux et châssis, puis éliminé dans le respect de la réglementation par une unité de traitement de déchets dangereux qualifiée. Les déversements et déversements aléatoires sont strictement interdits.

1. Eaux usées chimiques (eaux usées phénoliques, benzène, hydrocarbures halogénés)

Les principales caractéristiques de ces eaux usées sont une concentration de DCO de 1 000-5 000 mg/L, contenant des phénols, des composés de la série benzénique, des hydrocarbures halogénés et d'autres matières organiques récalcitrantes. Son taux de biodégradabilité est inférieur à 0,2, présentant une toxicité biologique extrêmement élevée. Le traitement biologique direct ne peut répondre aux normes. Le procédé se positionne comme un prétraitement, avec pour objectif principal d'augmenter le taux de biodégradabilité au-dessus de 0,3. Les paramètres optimaux sont : un rapport massique peroxyde d’hydrogène/DCO de 1,5 à 2,0 : 1, un rapport massique peroxyde d’hydrogène/ion ferreux de 3 à 5 : 1, un temps de rétention hydraulique de 4 à 6 heures et un pH de réaction de 3,0 à 3,5. Les points opérationnels clés sont les suivants : pour les eaux usées phénoliques, le peroxyde d'hydrogène doit être ajouté en deux à trois étapes pour éviter une suroxydation localisée ; pour les eaux usées d'hydrocarbures halogénés, le dosage d'ions ferreux peut être augmenté de manière appropriée pour améliorer l'effet d'oxydation catalytique.

2. Eaux usées pharmaceutiques (antibiotiques, eaux usées pharmaceutiques intermédiaires)

Les principales caractéristiques de ces eaux usées sont leur composition complexe, leur concentration en DCO de 800 à 3 000 mg/L avec de grandes fluctuations, la présence d'antibiotiques, de composés organiques hétérocycliques et leur biotoxicité extrêmement élevée, ainsi que des niveaux élevés d'ions inorganiques tels que les ions chlorure et sulfate. Le processus se positionne comme une approche bimode-de prétraitement et de traitement avancé. Le prétraitement améliore la biodégradabilité, tandis que le traitement avancé élimine les polluants résiduels des effluents biologiques. Les paramètres appropriés sont les suivants : pour l'étape de prétraitement, le rapport massique du peroxyde d'hydrogène sur la DCO est de 1,2 à 1,8 : 1, le rapport massique du peroxyde d'hydrogène sur les ions ferreux est de 4 à 6 : 1, et le temps de rétention hydraulique est de 3 à 5 heures ; pour l'étape de traitement avancé, le rapport massique peroxyde d'hydrogène/DCO est de 1,0 à 1,5:1, le temps de rétention hydraulique est de 2 à 3 heures et le pH de la réaction est de 3,0 à 3,5. Les points pratiques clés sont les suivants : pour les eaux usées à forte teneur en ions inorganiques, la dose de peroxyde d'hydrogène doit être augmentée de 10 à 20 % pour contrecarrer l'effet inhibiteur des ions sur la réaction ; après le prétraitement, un processus d'acidification par hydrolyse doit être suivi pour améliorer encore la biodégradabilité des eaux usées.

3. Eaux usées de teinture et d’impression (eaux usées de colorants azoïques et anthraquinoniques)

Les principales caractéristiques de ces eaux usées sont une intensité de couleur extrêmement élevée, atteignant des centaines à des milliers de fois supérieure, contenant des colorants azoïques et anthraquinoniques, une concentration de DCO de 300 à 1 000 mg/L et un taux de biodégradabilité inférieur à 0,25. L’intensité de la couleur est l’indicateur de contrôle principal. Certaines eaux usées contiennent des tensioactifs, ce qui rend la floculation difficile. Le processus se positionne comme un traitement avancé, dont l'objectif principal est d'éliminer la couleur résiduelle et la DCO des eaux usées biologiques afin de garantir que les effluents répondent aux normes. Les paramètres appropriés sont : un rapport massique peroxyde d'hydrogène/DCO de 1,0 à 1,5 : 1, un rapport massique peroxyde d'hydrogène/ion ferreux de 5 à 8 : 1, un temps de rétention hydraulique de 2 à 4 heures et un pH de réaction de 3,5 à 4,0. Les points pratiques clés incluent l’augmentation appropriée du dosage d’ions ferreux pour améliorer la floculation et la décoloration ; pour les eaux usées contenant des tensioactifs, le dosage de chlorure de polyaluminium peut être augmenté pendant l'étape de neutralisation pour améliorer l'efficacité de la séparation solide-liquide.

4. Lixiviat de décharge (lixiviat de stade intermédiaire-à-de décharge et d'usine d'incinération)

Les principales caractéristiques de ces eaux usées sont une concentration de DCO de 800 à 5 000 mg/L, un taux de biodégradabilité inférieur à 0,2, la présence d'acide humique, d'acide fulvique et d'autres matières organiques récalcitrantes, et une teneur élevée en azote ammoniacal, ce qui en fait une eau usée typique à haute difficulté. Le processus se positionne comme un traitement avancé, s'intégrant au MBR, à l'A/O et à d'autres processus biologiques pour éliminer les polluants résiduels dans l'effluent. Les paramètres optimaux sont : un rapport massique peroxyde d’hydrogène/DCO de 1,8 à 2,0 : 1, un rapport massique peroxyde d’hydrogène/ions ferreux de 2 à 4 : 1, un temps de rétention hydraulique de 6 à 8 heures et un pH de réaction de 3,0 à 3,5. Les points pratiques clés incluent le renforcement du processus de dégazage pour empêcher l’oxygène dissous d’affecter les processus de filtration ultérieurs ; un procédé combiné Fenton + filtre biologique aéré est recommandé pour réduire davantage la DCO des effluents jusqu'à la limite acceptable.

5. Eaux usées des pâtes et papiers (eaux intermédiaires et eaux résiduaires)

Les principales caractéristiques de ces eaux usées sont la présence de lignine, de cellulose et d'autres matières organiques récalcitrantes ; Concentration de DCO de 300 à 800 mg/L ; haute couleur; et une teneur élevée en matières en suspension. Le rejet direct peut facilement provoquer une pollution de l’eau. Le processus peut être soit un prétraitement, soit un traitement avancé. Le prétraitement de l'eau intermédiaire améliore sa biodégradabilité, tandis que le traitement avancé de l'eau résiduaire élimine la couleur et la DCO résiduelle. Les paramètres appropriés sont : un rapport massique peroxyde d’hydrogène/DCO de 1,0 à 1,5 : 1, un rapport massique peroxyde d’hydrogène/ion ferreux de 4 à 6 : 1 et un temps de rétention hydraulique de 3 à 4 heures. Les points pratiques clés incluent l'ajout d'un prétraitement de coagulation et de sédimentation à l'avant du processus pour éliminer les matières en suspension et empêcher les ions ferreux d'être adsorbés et rendus inefficaces. Pour les projets ayant des exigences strictes en matière de coûts de réactifs et de production de boues, un procédé Fenton à lit fluidisé peut être sélectionné pour améliorer l'utilisation des réactifs et réduire la production de boues.

1. Contrôle précis du pH : Le pH doit être contrôlé entre 3,0 et 4,0 pendant l'étape de réaction d'oxydation. Un pH inférieur à 3,0 inhibera le cycle catalytique des ions ferreux, tandis qu'un pH supérieur à 4,0 provoquera l'hydrolyse des ions ferreux et la formation de précipités d'hydroxyde, perdant ainsi leur effet catalytique. Le pH lors de l'étape de neutralisation doit être strictement contrôlé entre 7,0 et 8,0 pour répondre aux exigences de rejet.

2. Contrôle d'agitation par étapes : une forte agitation est utilisée pendant l'étape de mélange des réactifs pour assurer une dispersion uniforme des réactifs ; une faible agitation est utilisée pendant l'étape de réaction d'oxydation pour maintenir uniquement la fluidisation des boues, en évitant une forte agitation qui pourrait endommager les radicaux hydroxyles et réduire l'efficacité du traitement.

3. Normes de dosage des réactifs : Le peroxyde d'hydrogène est ajouté directement à l'aide d'une solution mère industrielle à 30 %, sans qu'il soit nécessaire de le dissoudre ou de le diluer ; le sulfate ferreux est préparé et utilisé immédiatement, et stocké dans des récipients scellés pour empêcher l'oxydation en ions ferriques, évitant ainsi la perte complète de l'activité catalytique dans les procédés Fenton conventionnels.

4. Contrôle des ions interférents : des concentrations élevées d’ions chlorure, sulfate et phosphate inhiberont la réaction. Le dosage des réactifs doit être ajusté à l'avance grâce à des tests à petite échelle, ou un processus de prétraitement doit être ajouté pour éliminer les ions interférents.

5. Contrôle de la température de réaction : La température de réaction optimale est de 25 à 35 degrés. Les températures supérieures à 40 degrés accéléreront la décomposition spontanée du peroxyde d'hydrogène, réduisant considérablement l'efficacité de l'oxydation ; le contrôle de la température est donc crucial.

Concernant le stockage des réactifs, le peroxyde d'hydrogène doit être stocké à l'abri de la lumière et de la chaleur, dans des récipients hermétiques, et tenu à l'écart des sources de chaleur et des matières inflammables et explosives ; le sulfate ferreux doit être stocké de manière-résistante à l'humidité et à l'oxydation- ; les réactifs acides et alcalins doivent être stockés séparément pour éviter tout mélange et toute réaction de sécurité potentielle. Concernant la sélection des équipements, le réservoir de réaction utilise de l'acier inoxydable 316L avec un revêtement anticorrosion en flocons de verre-, adapté aux environnements fortement oxydants ; il est équipé d'un pH-mètre en ligne, d'une pompe doseuse de haute-précision et d'un débitmètre pour obtenir un dosage automatique et précis des réactifs ; il est équipé d'un réservoir d'épaississement des boues et d'un filtre-presse à plaques et cadres pour compléter la déshydratation et le stockage temporaire des boues de fer, répondant aux exigences de pré-traitement des déchets dangereux.

Les principales raisons de la faible efficacité du traitement sont un écart de pH par rapport à la plage, une agitation excessive dans la section d'oxydation et des rapports de réactifs déséquilibrés. Les solutions consistent à calibrer le pH-mètre, à réduire l'intensité de l'agitation dans la section d'oxydation et à ré-optimiser le rapport des réactifs grâce à des tests à petite échelle-. Les principales raisons d'une mauvaise décantation des boues de fer sont un excès de matières en suspension à l'avant ou un ajout inapproprié de coagulant. Les solutions consistent à renforcer le prétraitement pour éliminer les matières en suspension et à ajuster le dosage et la méthode d'ajout du polyacrylamide. La principale raison de la présence de peroxyde d’hydrogène résiduel dans les effluents est l’ajout excessif d’oxydant. Les solutions consistent à réduire le dosage de peroxyde d’hydrogène et à prolonger de manière appropriée le temps de réaction d’oxydation.

Les exigences d'acceptation pour le prétraitement sont : un taux de biodégradabilité des eaux usées de 0,3 ou plus et un taux d'élimination de la DCO de 40 % à 60 %. Les exigences d'acceptation pour le traitement avancé sont : les valeurs de DCO, de couleur et de pH des effluents répondant aux normes d'émission industrielles correspondantes ; concentration de matières en suspension inférieure ou égale à 30 mg/L ; et séparation complète des boues de fer sans perte. Les exigences d'acceptation pour la conformité sont les suivantes : remplir des registres complets d'élimination des boues de fer et des déchets dangereux ; fonctionnement stable de l'équipement; et des systèmes de dosage automatique et de surveillance des paramètres précis et fiables.