Szczegółowe wyjaśnienie procesu wytrącania chemicznego: zasady usuwania jonów fosforu, metali ciężkich i twardości

Konwencjonalne oczyszczanie biologiczne może skutecznie rozkładać większość ChZT w wodzie, a po dodaniu procesów beztlenowej denitryfikacji można również skutecznie usunąć azot całkowity. Jednakże w przypadku fosforu, jonów metali ciężkich i jonów powodujących twardość efekt usuwania w wyniku prostych procesów biologicznych jest ograniczony: mikroorganizmy mogą przyswoić jedynie niewielką ilość fosforu w wyniku własnego wzrostu i metabolizmu, co nie jest w stanie stabilnie spełniać standardów; podczas gdy metale ciężkie i jony powodujące twardość nie mogą ulegać biodegradacji, a systemy biologiczne nie są w stanie skutecznie ich usunąć. Jony metali ciężkich są toksyczne dla mikroorganizmów, a nieco wyższe stężenia mogą hamować reakcje biologiczne; Jony powodujące twardość są całkowicie rozpuszczone w wodzie i systemy biologiczne nie są w stanie ich usunąć.

Aby sobie poradzić z tymi substancjami, konieczne jest chemiczne wytrącanie,-dodanie środków chemicznych, które powodują zmianę jonów docelowych ze stanu rozpuszczonego w stan nierozpuszczalny i wytrącenie osadu, który jest następnie usuwany poprzez separację substancji stałych-cieczy.

Podstawową logiką strącania chemicznego jest zasada iloczynu rozpuszczalności: dodanie środków strącających do ścieków powoduje, że jony substancji zanieczyszczających rozpuszczone w wodzie łączą się ze środkami, tworząc substancje stałe, które są trudne do rozpuszczenia w wodzie. Gdy stężenie takich substancji przekroczy granicę nośności (iloczyn rozpuszczalności Ksp) zbiornika wodnego, zostaną one automatycznie wytrącone z wody, tworząc osad do oddzielenia.

Kluczem jest to, aby ilość dodanego środka strącającego była wystarczająca do zmniejszenia stężenia docelowych jonów do wymaganego poziomu, ale nie nadmiernie-nadmiar środka strącającego może spowodować wtórne zanieczyszczenie (takie jak resztkowe jony metali i sole) i zwiększyć produkcję osadu.

Fosfor jest głównym winowajcą eutrofizacji zbiorników wodnych, a normy dotyczące zrzutów fosforu całkowitego stają się coraz bardziej rygorystyczne. Biologiczne usuwanie fosforu opiera się na działaniu bakterii-akumulujących polifosforany, które uwalniają fosfor w warunkach beztlenowych, a następnie usuwają nadmiar fosforu wraz z pozostałym osadem podczas procesów tlenowych. Jednak tempo usuwania jest ograniczone. Gdy całkowita zawartość fosforu w dopływie jest zbyt wysoka, biologiczne usuwanie fosforu jest niewystarczające, aby w sposób niezawodny spełnić normy, i jako rozwiązanie awaryjne należy zastosować chemiczne usuwanie fosforu.

Zasada: Dodanie soli glinu (PAC) lub soli żelaza (siarczan poliżelazowy) powoduje reakcję jonów metali z jonami fosforanowymi, tworząc fosforan glinu lub wytrąca się fosforan żelaza; można również dodać wapno (Ca(OH)₂), w wyniku czego w warunkach zasadowych wytrąca się hydroksyfosforan wapnia.

Reakcja soli glinu: Al³⁺ + PO₄³⁻ → AlPO₄↓;

Reakcja z solą żelaza: Fe³⁺ + PO₄³⁻ → FePO₄↓;

Reakcja wapna: 5Ca²⁺ + 4OH⁻ + 3PO₄³⁻ → Ca₅(OH)(PO₄)₃↓;

Miejsce dodania: Istnieją trzy opcje. Wstępne-dodawanie przed zbiornikiem do oczyszczania biologicznego powoduje długi czas reakcji, ale wpływ soli glinu na mikroorganizmy pozostaje kontrowersyjny; jednoczesne dodawanie na końcu części tlenowej zbiornika oczyszczania biologicznego wykorzystuje napowietrzanie i mieszanie w celu przyspieszenia reakcji, co jest najpowszechniejszą metodą w komunalnych oczyszczalniach ścieków, a koagulant sprzyja flokulacji osadu czynnego; dodatek-po osadniku wtórnym, w sekcji zaawansowanego oczyszczania, bezpośrednio i precyzyjnie usuwa resztkowy fosfor, wymaga najmniejszej dawki, wytwarza najmniejszą ilość osadu, ale wymaga oddzielnego urządzenia do reakcji i sedymentacji. Konkretny wybór zależy od przebiegu procesu i wymagań dotyczących zgodności z fosforem.

Kluczowe punkty operacyjne: Kluczem do chemicznego usuwania fosforu jest dopasowanie dawki środka chemicznego do całkowitego stężenia fosforu we wlocie. Jeżeli stężenie fosforu całkowitego we ścieku ulega znacznym wahaniom, w celu dostosowania dawkowania konieczne jest wykonanie pomiaru całkowitego fosforu online lub okresowe pobieranie próbek. Należy zwrócić uwagę na pH ścieków.-Dodatek soli glinu i żelaza powoduje utratę zasadowości, a skuteczność usuwania fosforu spada, gdy pH spada poniżej 6; dodatek wapna podniesie pH ścieków, co wymaga regulacji. Szlam chemiczny powstający w wyniku usuwania fosforu zawiera dużą ilość substancji nieorganicznych i ma dobrą skuteczność odwadniania; należy go w miarę możliwości usuwać oddzielnie od osadów biologicznych.

Ścieki z branż takich jak galwanizacja, hutnictwo, górnictwo i elektronika zawierają jony metali ciężkich, takich jak miedź, cynk, ołów, kadm, nikiel i chrom. Metale ciężkie są wysoce toksyczne i nie-degradowalne, dlatego wymagają ścisłej kontroli.

Zasada: Dodanie zasad (NaOH, Ca(OH)₂) lub siarczków (Na₂S, NaHS) powoduje wytrącanie się jonów metali ciężkich w postaci wodorotlenków lub siarczków. Wytrącanie wodorotlenków to prosta i tania-metoda, co czyni ją podejściem głównego nurtu. Wytrącanie siarczków ma mniejszą rozpuszczalność i wyższą skuteczność usuwania (zwłaszcza rtęci i kadmu), ale nadmierne dodanie siarczków powoduje wytworzenie toksycznego gazowego H₂S, wymagającego zasadowych warunków, aby zapobiec ulatnianiu się H₂S. W przypadku chromu sześciowartościowego (Cr⁶⁺) w ściekach zawierających chrom-należy go najpierw zredukować do chromu trójwartościowego (Cr³⁺) za pomocą środka redukującego (wodorosiarczyn sodu, pirosiarczyn sodu), a następnie wytrącić jako Cr(OH)₃ za pomocą zasady.

Kluczowe punkty operacyjne: kontrola pH jest najważniejsza.-każdy metal ciężki ma optymalny zakres pH do wytrącania wodorotlenków (zwykle od 8 do 10), a zakresy te są różne. Należy kompleksowo rozważyć współistnienie wielu metali ciężkich w ściekach zmieszanych, wybierając kompromisową wartość pH lub stopniowe wytrącanie. Po zakończeniu reakcji wytrącania należy dodać koagulant (PAC+PAM), aby usprawnić oddzielanie substancji stałych-cieczy; w przeciwnym razie drobne cząstki osadu przedostaną się do ścieków. Kompleksy mogą zakłócać wytrącanie,-na przykład cyjanek-zawierający kompleksy metali ciężkich wymagają złożonego rozbijania przed wytrąceniem.

Jony twardości to głównie jony wapnia (Ca²⁺) i magnezu (Mg²⁺). Powodują osadzanie się kamienia w systemach membranowych (RO, NF), tworzą kamień w urządzeniach wymiany ciepła zmniejszając efektywność wymiany ciepła oraz wpływają na jakość czyszczenia w przemyśle pralniczym.

Zasada: Stosując środki chemiczne do konwersji jonów wapnia i magnezu w CaCO₃ i Mg(OH)₂, można usunąć większość jonów wapnia i magnezu.

Punkty pracy: pH zmiękczonych ścieków jest wysokie i należy je ustawić na neutralne poprzez dodanie kwasu przed wprowadzeniem do kolejnych jednostek oczyszczania lub wypuszczeniem. Reakcja wytrącania wymaga odpowiedniego czasu retencji i powinna być połączona z koagulacją i flokulacją, aby poprawić efekt wytrącania. W dużych ilościach powstają zmiękczone osady, składające się głównie z węglanu wapnia i wodorotlenku magnezu, które można odwodnić i wykorzystać jako materiał budowlany lub wywieźć na składowiska.

Chemiczne usuwanie fosforu często przeprowadza się jednocześnie z etapem oczyszczania biologicznego lub po etapie zaawansowanym; usuwanie metali ciężkich to obróbka wstępna na końcu dopływowym, mająca na celu ochronę układu biologicznego; zmiękczanie w celu usunięcia twardości przeprowadza się zwykle na początku procesu ponownego użycia (przed systemem membranowym). Można je stosować łącznie, w zależności od wymagań dotyczących jakości wody.-Metale ciężkie-Ścieki zawierające metale ciężkie są zwykle poddawane strącaniu chemicznemu w celu usunięcia metali ciężkich przed wejściem do procesu oczyszczania biologicznego; jednoczesne usuwanie fosforu + zaawansowane usuwanie fosforu jest powszechną praktyką w przypadku ścieków komunalnych; a w projektach ponownego użycia zmiękczanie przeprowadza się przed membraną.