Assessment of an advanced oxidation process reactor with UV/H2O2 for the removal of contaminants of emerging concern

The preservation of water quality has become a priority due to the exponential increase of the population and the contamination caused by human activities. Improvements in the detection techniques of contaminants brought the attention to a new class of organic compounds, denominated emerging organic contaminants (EOCs), that have been proven to be harmful for humans and aquatic organisms. New technologies for the removal of these contaminants have emerged, such as Advanced Oxidation Processes (AOPs). In particular, UV/H2O2 AOP is capable of achieving the degradation of EOCs by generating hydroxyl radicals (OH•) from the UV photolysis of H2O2. In this research, the performance of a pilot-scale UV/H2O2 advanced oxidation reactor was evaluated with the use of Computation Fluid Dynamics (CFD) for the removal of EOCs present in wastewater and the influence of operating conditions, including the type of water matrix, on the performance of the reactor was assessed. The procedure for CFD modelling consisted of (i) reproducing reactor geometry and meshing, (ii) developing three sub-models for involved multi-physical phenomena, namely fluid dynamics, radiation transfer, and reaction kinetics. The modelling allowed to determine EOC concentrations at the outlet of the reactor operating at steady state. Fluid dynamics modelling results successfully reproduced experimental tracer test under various flowrate conditions. Radiation transfer simulations proved the strong influence of water matrix and reactor optical properties on the radiation distribution. Such effect was observed for UV dose distribution results, showing that particles entering water matrices with lower absorbance received higher UV dose than those in water matrices with higher absorbance. Lastly, kinetic modelling proved good applicability in the prediction of chemical degradation and the increase of reactor performance when H2O2 is added. Results also pointed to the negative influence of water absorbance as well as the presence of light absorbing species. Future investigations could be performed on the influence of the flow rates to degradation.

La conservazione della qualità dell'acqua è diventata una priorità a causa dell'aumento esponenziale della popolazione e della contaminazione causata dalle attività umane. I miglioramenti nelle tecniche di rilevamento dei contaminanti hanno portato l'attenzione su una nuova classe di composti organici, denominati contaminanti organici emergenti (EOC), che si sono rivelati dannosi per l'uomo e gli organismi acquatici. Sono emerse nuove tecnologie per la rimozione di questi contaminanti, come i processi di ossidazione avanzata (AOP). In particolare, UV/H2O2 AOP è in grado di ottenere la degradazione degli EOC generando radicali idrossilici (OH•) dalla fotolisi UV dell'H2O2. In questa ricerca sono state valutate le prestazioni di un reattore ad ossidazione avanzata UV/H2O2 su scala pilota con l'uso della Computation Fluid Dynamics (CFD) per la rimozione delle EOC presenti nelle acque reflue e l'influenza delle condizioni operative, compreso il tipo di matrice acquosa, è stata valutata la prestazione del reattore. La procedura per la modellazione CFD consisteva in (i) riprodurre la geometria e il meshing del reattore, (ii) sviluppare tre sottomodelli per i fenomeni multifisici coinvolti, vale a dire fluidodinamica, trasferimento di radiazioni e cinetica di reazione. La modellizzazione ha permesso di determinare le concentrazioni di EOC all'uscita del reattore funzionante a regime. I risultati della modellazione fluidodinamica hanno riprodotto con successo il test sperimentale del tracciante in varie condizioni di portata. Le simulazioni di trasferimento di radiazioni hanno dimostrato la forte influenza della matrice d'acqua e delle proprietà ottiche del reattore sulla distribuzione della radiazione. Tale effetto è stato osservato per i risultati della distribuzione della dose UV, mostrando che le particelle che entrano in matrici d'acqua con un'assorbanza inferiore hanno ricevuto una dose UV più elevata rispetto a quelle nelle matrici d'acqua con un'assorbanza più elevata. Infine, la modellazione cinetica ha dimostrato una buona applicabilità nella previsione della degradazione chimica e nell'aumento delle prestazioni del reattore quando viene aggiunta H2O2. I risultati hanno anche evidenziato l'influenza negativa dell'assorbimento d'acqua e la presenza di specie che assorbono la luce. Indagini future potrebbero essere eseguite sull'influenza delle portate sul degrado.