Детальне пояснення процесу хімічного осадження: принципи видалення фосфору, важких металів та іонів жорсткості

Звичайне біологічне очищення може ефективно розщепити більшість ГПК у воді, а з додаванням безкисневих процесів денітрифікації можна також ефективно видалити загальний азот. Однак для фосфору, іонів важких металів та іонів жорсткості ефект видалення простих біологічних процесів обмежений: мікроорганізми можуть засвоювати лише невелику кількість фосфору через власний ріст і метаболізм, який не може стабільно відповідати стандартам; в той час як важкі метали та іони жорсткості не можуть бути біологічно розкладені, а біологічні системи не можуть досягти ефективного видалення. Іони важких металів токсичні для мікроорганізмів, і трохи вищі концентрації можуть пригнічувати біологічні реакції; Іони жорсткості повністю розчинені у воді, і біологічні системи не можуть їх видалити.

Для боротьби з цими речовинами потрібне хімічне осадження-додавання хімічних агентів, які змушують цільові іони переходити з розчиненого стану в нерозчинний стан і випадати в осад, який потім видаляється шляхом відділення твердої-рідини.

В основі логіки хімічного осадження лежить правило добутку розчинності: додавання осаджувачів до стічної води призводить до того, що розчинені забруднюючі іони у воді поєднуються з агентами, утворюючи тверді речовини, які важко розчинити у воді. Коли концентрація таких речовин перевищує граничну пропускну здатність (добуток розчинності Ksp) водного тіла, вони автоматично випадають у осад із води, утворюючи осад для відділення.

Ключовим є те, що кількість доданого осаджувача має бути достатньою для зниження концентрації цільових іонів до необхідного рівня, але не надмірно-надмірна кількість осаджувача може спричинити вторинне забруднення (наприклад, залишкові іони металів і солі) і збільшити утворення осаду.

Фосфор є головним винуватцем евтрофікації у водоймах, і стандарти скидання загального фосфору стають дедалі суворішими. Біологічне видалення фосфору покладається на поліфосфат{1}}акумулюючі бактерії, які вивільняють фосфор анаеробно, а потім видаляють надлишок фосфору разом із залишками мулу під час аеробних процесів. Однак швидкість видалення обмежена. Коли загальний вміст фосфору у припливній рідині занадто високий, біологічного видалення фосфору недостатньо, щоб надійно відповідати стандартам, і хімічне видалення фосфору слід використовувати як запасний варіант.

Принцип: Додавання солей алюмінію (PAC) або солей заліза (полісульфат заліза) змушує іони металу реагувати з іонами фосфату з утворенням осаду фосфату алюмінію або фосфату заліза; також можна додати вапно (Ca(OH)₂), утворюючи осад гідроксифосфату кальцію в лужних умовах.

Реакція солі алюмінію: Al³⁺ + PO₄³⁻ → AlPO₄↓;

Реакція солі заліза: Fe³⁺ + PO₄³⁻ → FePO₄↓;

Реакція вапна: 5Ca²⁺ + 4OH⁻ + 3PO₄³⁻ → Ca₅(OH)(PO₄)3₃↓;

Місце додавання: Є три варіанти. Попереднє-додавання перед резервуаром для біологічної обробки призводить до тривалого часу реакції, але вплив солей алюмінію на мікроорганізми залишається суперечливим; одночасне додавання в кінці аеробної секції резервуара для біологічної очистки використовує аерацію та перемішування для сприяння реакції, що є найпоширенішим методом на міських очисних спорудах, а коагулянт сприяє флокуляції активного мулу; пост-додавання після вторинного відстійника, у секції вдосконаленої обробки, безпосередньо й точно видаляє залишковий фосфор, вимагає найменшого дозування, утворює найменшу кількість осаду, але потребує окремої реакції та седиментації. Конкретний вибір залежить від технологічного процесу та вимог до фосфору.

Ключові робочі моменти: ключем до хімічного видалення фосфору є узгодження дозування хімікату із загальною концентрацією фосфору у витоку. Якщо загальна концентрація фосфору у воді значно коливається, необхідний онлайн-метр загального фосфору або періодичний відбір проб для коригування дозування. Необхідно звернути увагу на pH стічних вод-додавання солей алюмінію та заліза споживає лужність, а ефективність видалення фосфору знижується, коли pH нижче 6; додавання вапна підвищить pH стічної води, що потребує коригування. Хімічний осад, утворений видаленням фосфору, містить велику кількість неорганічних речовин і має хороші характеристики зневоднення; його слід утилізувати якомога більше окремо від біологічного мулу.

Стічні води таких галузей промисловості, як гальванічна, металургійна, гірничодобувна та електроніка, містять іони важких металів, таких як мідь, цинк, свинець, кадмій, нікель і хром. Важкі метали є дуже токсичними та не-розкладаними, тому потребують суворого контролю.

Принцип: додавання лугу (NaOH, Ca(OH)₂) або сульфідів (Na₂S, NaHS) призводить до випадання іонів важких металів у вигляді гідроксидів або сульфідів. Осадження гідроксидом є простим і недорогим-методом, що робить його основним підходом. Опади сульфідів мають менший добуток розчинності та вищу ефективність видалення (особливо для ртуті та кадмію), але надмірне додавання сульфідів утворює токсичний газ H₂S, що вимагає лужних умов для запобігання витоку H₂S. Для шестивалентного хрому (Cr⁶⁺) у хром-містких стічних водах його необхідно спочатку відновити до тривалентного хрому (Cr³⁺) за допомогою відновника (бісульфіту натрію, метабісульфіту натрію), а потім осадити у вигляді Cr(OH)3 за допомогою лугу.

Основні робочі моменти: контроль рН має першочергове значення-кожен важкий метал має оптимальний діапазон рН для осадження гідроксиду (зазвичай між 8 і 10), і ці діапазони можуть бути різними. Співіснування кількох важких металів у змішаних стічних водах має бути всебічно розглянуто, вибираючи компромісне значення pH або поступове осадження. Після завершення реакції осадження необхідно додати коагулянт (PAC+PAM), щоб посилити відділення твердої-рідини; інакше дрібні частинки осаду проникнуть у стічні води. Комплекси можуть перешкоджати осадженню-наприклад, комплекси важких металів,-що містять ціанід, вимагають розщеплення комплексу перед осадженням.

Іони жорсткості - це переважно іони кальцію (Ca²⁺) і магнію (Mg²⁺). Вони викликають утворення накипу в мембранних системах (RO, NF), утворюють накип в теплообмінному обладнанні, знижуючи ефективність теплообміну, і впливають на якість очищення в пральній промисловості.

Принцип: за допомогою хімічних агентів для перетворення іонів кальцію та магнію на CaCO₃ та Mg(OH)₂ можна видалити більшість іонів кальцію та магнію.

Робочі моменти: Рівень рН пом’якшених стоків є високим і його необхідно відрегулювати до нейтрального, додавши кислоту, перш ніж надходити в наступні очисні установки або скидати. Реакція осадження вимагає достатнього часу утримування і повинна поєднуватися з коагуляцією та флокуляцією для покращення ефекту осадження. Розм’якшений осад утворюється у великих кількостях, в основному складається з карбонату кальцію та гідроксиду магнію, який можна зневоднювати та використовувати як будівельний матеріал або відправляти на звалища.

Хімічне видалення фосфору часто виконується одночасно зі стадією біологічного очищення або після розширеної стадії; видалення важких металів є попередньою обробкою на вході для захисту біологічної системи; пом'якшення для видалення твердості зазвичай виконується на передньому кінці повторного використання (перед мембранною системою). Ці три можна використовувати разом залежно від вимог до якості води-стічні води, що містять важкі метали-, зазвичай проходять хімічне осадження для видалення важких металів перед тим, як потрапити в процес біологічної очистки; одночасне видалення фосфору + поглиблене видалення фосфору є звичайною практикою для міських стічних вод; а в проектах повторного використання розм’якшення виконується перед мембраною.