De term TOC (Total Organic Carbon) verwijst naar de totale concentratie van organisch gebonden koolstof in een watermonster. De TOC-waarde is een belangrijke parameter bij wateranalyse, die van groot belang is voor zowel industriële waterbehandeling als afvalwaterbehandeling. Het dient als een indicator voor de organische vervuiling van water of afvalwater en maakt het mogelijk om de kwaliteit en zuiverheid van proceswater, drinkwater of afvalwater te controleren.
In tegenstelling tot specifieke verontreinigingsanalyses, die afzonderlijke stoffen zoals benzeen of olie registreren, geeft de TOC-waarde samengevatte informatie over alle organische verbindingen in het water. De TOC omvat zowel natuurlijke organische verbindingen (bijv. humusstoffen) als synthetische koolstofverbindingen (bijv. oplosmiddelen of koolwaterstoffen). Dit maakt TOC analyse een belangrijke controlemethode voor veel industriële toepassingen.
Inhoudsopgave
Technische achtergrond: Onderdelen van het TOC
De TOC-waarde is opgebouwd uit verschillende koolstoffracties, die duidelijk worden onderscheiden in de analyse:
Totaal koolstof (TC):
- Het totale koolstofgehalte in het water, inclusief organische en anorganische componenten.
Anorganische koolstof (IC):
- Deze omvatten opgeloste carbonaten (CO₃²-), bicarbonaten (HCO₃-) en opgelost koolzuur (H₂CO₃).
Organische koolstof (OC):
- Alle organisch gebonden koolstof die aanwezig is in opgeloste vorm of in deeltjesvorm.
Opgeloste organische koolstof (DOC):
- Het organische koolstofgehalte dat is opgelost in het water en kan worden gescheiden van deeltjes door filtratie (filtratie met 0,45 µm).
Organische koolstofdeeltjes (POC):
- Organische koolstofverbindingen die in deeltjesvorm aanwezig zijn en niet in water oplossen.
Meetmethoden voor het bepalen van de TOC
TOC-metingen worden meestal uitgevoerd door de koolstofverbindingen te verbranden of te oxideren tot koolstofdioxide (CO₂), dat vervolgens kwantitatief wordt geanalyseerd. Er zijn twee gevestigde methoden:
1. thermische oxidatie (verbranding bij hoge temperatuur)
- Hoe het werkt: Het watermonster wordt verbrand bij temperaturen van 600-1200 °C in een zuurstofrijke atmosfeer. De organische koolstofverbindingen worden volledig geoxideerd tot CO₂.
- De geproduceerde CO₂ wordt vervolgens gekwantificeerd met een NDIR-detector (niet-dispersieve infrarooddetector).
- Voordeel: hoge precisie en volledige oxidatie van alle organische stoffen.
- Nadeel: Energie-intensief en gevoelig voor monsters met veel deeltjes.
2. natte chemische oxidatie (UV/persulfaatoxidatie)
- Werking: De organische stoffen worden geoxideerd door natriumpersulfaat (Na₂S₂O₈) toe te voegen en te bestralen met UV-licht. Hierbij ontstaat ook CO₂, dat gedetecteerd wordt.
- Voordeel: vriendelijker voor onderdelen van toestellen, bijzonder geschikt voor water met een lage TOC-belasting.
- Nadeel: Onvolledige oxidatie van zeer stabiele organische verbindingen mogelijk.
Betekenis van TOC in industriële water- en afvalwatertechnologie
De TOC-waarde is een beslissende controleparameter voor de organische vervuiling van water en wordt in veel industriële gebieden gebruikt voor procesbewaking, kwaliteitsborging en wettelijke naleving.
1. productie van ultrazuiver water en gedemineraliseerd water
- De elektronica-industrie, de farmaceutische industrie en de productie van zonnecellen vereisen de hoogste zuiverheidsnormen voor water.
- Der TOC-Wert muss in Reinstwasseranlagen extrem niedrig liegen, typischerweise < 0,05 mg/L, um Verunreinigungen in empfindlichen Produktionsprozessen zu vermeiden.
- In omgekeerde osmoseen ionenwisselaarsystemen geeft TOC-monitoring een vroegtijdige waarschuwing voor membraanschade of harsvervuiling.
Afbeelding: Ons ALMA OSMO omgekeerde osmose systeem voor de productie van gedemineraliseerd water
2. koelwatercircuits
- In koelwatercircuits kan organische vervuiling leiden tot biofouling (groei van micro-organismen) en corrosie.
- Een regelmatige TOC-meting helpt om de organische belasting onder controle te houden en om noodzakelijke maatregelen, zoals het gericht toevoegen van biociden, te implementeren.
3. behandeling van afvalwater
- Bij de behandeling van industrieel afvalwater wordt de TOC-waarde gebruikt als indicator voor de totale organische belasting.
- Een verhoogde TOC-concentratie duidt op een hoge organische belasting die moet worden afgebroken in biologische of chemisch-fysische behandelingsfasen.
- Typische TOC-grenswaarden voor afvalwater:
- Einleitgrenzwert für die Industrie: < 20 mg/L (variiert je nach Region und Industrie).
Grenswaarden en normen
In veel industrieën zijn er vaste TOC-limieten om de waterkwaliteit te garanderen:
- Reinstwasser für Pharmaindustrie: < 0,5 mg/L (gemäß USP-Norm).
- Koelwatercircuits: Typische TOC-limieten liggen in het bereik van 1-5 mg/L om biofouling te minimaliseren.
- Industrieel afvalwater: TOC-waarden moeten vaak lager zijn dan 20 mg/L, afhankelijk van de regionale milieuvoorschriften.
Proces voor TOC-reductie in afvalwaterbehandeling
De reductie van de totale hoeveelheid organische koolstof (TOC) in de behandeling van industrieel afvalwater wordt voornamelijk bereikt door middel van biologische processen. Deze maken gebruik van het vermogen van micro-organismen om organische koolstofverbindingen af te breken en om te zetten in biomassa en koolstofdioxide (CO₂). Afhankelijk van de belasting, de samenstelling van het afvalwater en de vereiste zuiveringsdoelen worden verschillende biologische processen gebruikt:
1. actief slibproces
Het actief slibproces is het meest gebruikte biologische proces voor het verminderen van TOC in afvalwaterbehandeling. Het is gebaseerd op de gerichte bevordering van aerobe micro-organismen die organische verbindingen oxideren.
Functionaliteit:
- Het afvalwater wordt met zuurstof belucht in een beluchtingstank om de aerobe bacteriën van voldoende zuurstof te voorzien.
- De micro-organismen gebruiken de organische koolstofverbindingen als een bron van energie en voedingsstoffen en breken ze af tot koolstofdioxide (CO₂), water en biomassa (actief slib).
- Het actieve slib wordt vervolgens bezonken in een secundaire klaringsinstallatie, waar het gezuiverde water wordt afgescheiden.
TOC-reductieprestaties:
- Het actiefslibproces kan 70-95 % van de TOC verwijderen, afhankelijk van de samenstelling van het afvalwater en de hydraulische retentietijd.
Afbeelding: Beluchtingstank van ons ALMA BHU BIO-proces
2. biofiltratie
De biofiltratie is een ander biologisch proces voor de reductie van TOC. In dit proces worden de organische koolstofverbindingen afgebroken door micro-organismen die zich hechten aan een vast dragermateriaal.
Functionaliteit:
- Het afvalwater wordt door een filterbed geleid dat bestaat uit materialen zoals zand, actieve kool, plastic dragers of keramische materialen.
- Op deze dragermaterialen vormen zich biofilms van micro-organismen. De bacteriën metaboliseren de organische verbindingen tot CO₂ en biomassa.
- Biofiltratie kan zowel in aerobe omstandigheden (met zuurstof) als in combinatie met anaerobe gebieden plaatsvinden.
TOC-reductieprestaties:
- Hoge TOC-reductie van 80-98%, vooral voor afvalwater met een lage organische restbelasting.
Toepassingsgebieden:
- Nabehandeling van biologisch behandeld afvalwater (polijsten).
- Behandeling van afvalwaterstromen met lage TOC-concentraties.
- Als voorbehandeling voor omgekeerde osmosesystemen voor interne waterrecycling.
3. anaerobe behandeling
De anaerobe behandeling is een proces voor TOC-reductie dat plaatsvindt zonder zuurstof. Micro-organismen breken de organische stoffen af onder anaerobe omstandigheden en zetten ze om in biogas (methaan en koolstofdioxide).
Functionaliteit:
- Het afvalwater wordt behandeld in een anaerobe reactor, bv. in een UASB-reactor (omhoogstroom anaerobe slibdeken) of een EGSB-reactor (Expanded Granular Sludge Bed)..
- De afbraak wordt uitgevoerd door anaerobe bacteriën, die de organische verbindingen in verschillende stadia (hydrolyse, zuurvorming en methaanvorming) omzetten in methaan (CH₄) en CO₂.
- Het resulterende biogas kan worden gebruikt om energie op te wekken, bijvoorbeeld in warmtekrachtkoppelingscentrales om elektriciteit en warmte op te wekken.
TOC-reductieprestaties:
- De TOC-reductie is 80-95%, vooral voor afvalwater met een hoge organische belasting.
Toepassingsgebieden:
- Afvalwater met een hoge organische belasting, zoals in de voedingsmiddelen- en drankenindustrie of bij de productie van biobrandstoffen.
4e MBBR proces (Moving Bed Biofilm Reactor)
Het MBBR proces combineert de voordelen van het actiefslibproces en biofiltratie. Het maakt gebruik van mobiele dragermaterialen die drijven in een beluchte reactor en waarop biofilms groeien.
Functionaliteit:
- De dragermedia bestaan uit speciale plastic lichamen met een groot specifiek oppervlak waarop de micro-organismen koloniseren.
- Het afvalwater wordt belucht in de reactor, waardoor het dragermedium in beweging blijft. De micro-organismen in de biofilm breken de organische koolstofverbindingen af.
- De biomassa hecht zich stabiel aan het dragermateriaal, waardoor er geen secundaire zuivering nodig is om het slib af te scheiden.
TOC-reductieprestaties:
- Het MBBR proces bereikt een TOC reductie van 70-95 %, afhankelijk van de hydraulische retentietijd en de belasting.
Afbeelding: Onze anaerobe biogasinstallatie ALMA BHU GMR met bezinktank en biomassa recirculatie
Conclusie
De TOC-waarde is een onmisbare parameter in industriële water- en afvalwaterzuivering voor het bewaken en controleren van de organische vervuiling van water. Dankzij de betrouwbare bepaling ervan kan worden voldaan aan kwaliteitsnormen, kunnen fouten in zuiveringsinstallaties vroegtijdig worden opgespoord en kan worden voldaan aan de wettelijke voorschriften voor de lozing van afvalwater.
TOC kan nauwkeurig en betrouwbaar worden bepaald met moderne meetmethoden zoals thermische oxidatie of UV/persulfaatoxidatie.
Voor meer informatie over onze producten kunt u altijd contact met ons opnemen!
