Подробно обяснение на процеса на химическо утаяване: Принципи на отстраняване на фосфор, тежки метали и йони на твърдостта

Конвенционалното биологично третиране може ефективно да разгради повечето COD във водата, а с добавянето на процеси на аноксична денитрификация общият азот също може да бъде ефективно отстранен. Въпреки това, за фосфор, йони на тежки метали и йони на твърдост, ефектът на премахване на простите биологични процеси е ограничен: микроорганизмите могат да усвоят само малко количество фосфор чрез собствен растеж и метаболизъм, които не могат стабилно да отговарят на стандартите; докато тежките метали и йоните на твърдостта не могат да бъдат биоразградени и биологичните системи не могат да постигнат ефективно отстраняване. Йоните на тежките метали са токсични за микроорганизмите и малко по-високи концентрации могат да инхибират биологичните реакции; йоните на твърдостта са напълно разтворени във вода и биологичните системи не могат да ги отстранят.

За справяне с тези вещества е необходимо химическо утаяване-с добавяне на химични агенти, които да накарат целевите йони да преминат от разтворено състояние в неразтворимо състояние и утайка, която след това се отстранява чрез разделяне на твърдо-течно вещество.

Основната логика на химическото утаяване е правилото за продукта на разтворимостта: добавянето на утаяващи агенти към отпадъчните води кара разтворените замърсители във водата да се комбинират с агентите, образувайки твърди вещества, които трудно се разтварят във вода. Когато концентрацията на такива вещества превиши границата на носеща способност (Ksp продукт за разтворимост) на водното тяло, те автоматично ще се утаят от водата, образувайки утайка за отделяне.

Ключът е, че количеството добавен утаител трябва да бъде достатъчно, за да намали концентрацията на целевите йони до необходимото ниво, но не прекомерно-прекомерният утаител може да причини вторично замърсяване (като остатъчни метални йони и соли) и да увеличи производството на утайки.

Фосфорът е основният виновник за еутрофикацията във водните обекти и стандартите за изхвърляне на общия фосфор стават все по-строги. Биологичното отстраняване на фосфор разчита на бактерии,-акумулиращи полифосфат, за освобождаване на фосфор анаеробно и след това премахване на излишния фосфор с останалата утайка по време на аеробни процеси. Скоростта на премахване обаче е ограничена. Когато общият фосфор във входящия поток е твърде висок, биологичното отстраняване на фосфор е недостатъчно за надеждно постигане на стандартите и трябва да се използва химическо отстраняване на фосфор като резервен вариант.

Принцип: Добавянето на алуминиеви соли (PAC) или железни соли (полижелезен сулфат) кара металните йони да реагират с фосфатните йони, за да образуват утайки от алуминиев фосфат или железен фосфат; може също да се добави вар (Ca(OH)₂), образувайки утайки от калциев хидроксифосфат при алкални условия.

Реакция на алуминиева сол: Al³⁺ + PO₄³⁻ → AlPO₄↓;

Реакция на желязна сол: Fe³⁺ + PO₄³⁻ → FePO₄↓;

Реакция на вар: 5Ca²⁺ + 4OH⁻ + 3PO₄³⁻ → Ca₅(OH)(PO₄)3₃↓;

Местоположение на добавката: Има три опции. Предварителното -добавяне преди резервоара за биологично третиране води до дълго време за реакция, но въздействието на алуминиевите соли върху микроорганизмите остава спорно; едновременното добавяне в края на аеробната секция на резервоара за биологично третиране използва аерация и разбъркване за насърчаване на реакцията, което е най-често срещаният метод в общинските пречиствателни станции за отпадъчни води, а коагулантът насърчава флокулацията на активната утайка; след-добавяне след резервоара за вторично утаяване, в секцията за усъвършенствано третиране, директно и прецизно премахва остатъчния фосфор, изисква най-малко дозиране, произвежда най-малко утайка, но изисква отделна реакция и съоръжение за утаяване. Конкретният избор зависи от потока на процеса и изискванията за съответствие с фосфора.

Ключови оперативни точки: Ключът към химическото отстраняване на фосфор е съпоставянето на дозата на химикала с общата концентрация на фосфор във входящия поток. Когато общата концентрация на фосфор във входящата течност варира значително, е необходим онлайн измервател на общ фосфор или периодично вземане на проби за коригиране на дозировката. Трябва да се обърне внимание на рН на отпадъчните води-добавянето на алуминиеви и железни соли изразходва алкалност, а ефективността на отстраняване на фосфор намалява, когато рН е под 6; добавянето на варовик ще повиши рН на отпадъчните води, което изисква корекция. Химическата утайка, получена от отстраняването на фосфор, съдържа голямо количество неорганична материя и има добро обезводняване; трябва да се изхвърля отделно от биологичната утайка, доколкото е възможно.

Отпадъчните води от индустрии като галванопластика, металургия, минно дело и електроника съдържат йони на тежки метали като мед, цинк, олово, кадмий, никел и хром. Тежките метали са силно токсични и не-разградими, изискващи строг контрол.

Принцип: Добавянето на алкали (NaOH, Ca(OH)₂) или сулфиди (Na₂S, NaHS) води до утаяване на йони на тежки метали като хидроксиди или сулфиди. Утаяването с хидроксид е прост и евтин-метод, което го прави основният подход. Утаяването на сулфид има по-малък продукт на разтворимост и по-висока ефективност на отстраняване (особено за живак и кадмий), но прекомерното добавяне на сулфид произвежда токсичен H₂S газ, изискващ алкални условия, за да се предотврати изтичането на H2S. За шествалентен хром (Cr⁶⁺) в отпадъчни води, съдържащи хром-, той трябва първо да се редуцира до тривалентен хром (Cr³⁺) с редуциращ агент (натриев бисулфит, натриев метабисулфит) и след това да се утаи като Cr(OH)3 с основа.

Ключови оперативни точки: Контролът на pH е от първостепенно значение-всеки тежък метал има оптимален диапазон на pH за утаяване на хидроксид (обикновено между 8 и 10) и тези диапазони варират. Съвместното съществуване на множество тежки метали в смесените отпадъчни води трябва да бъде обмислено изчерпателно, като се избере компромисна стойност на pH или стъпаловидно утаяване. След завършване на реакцията на утаяване трябва да се добави коагулант (PAC+PAM), за да се подобри отделянето на твърдо-течно вещество; в противен случай фините частици на утайката ще проникнат в отпадъчните води. Комплексите могат да попречат на утаяването-например цианид-съдържащите комплекси на тежки метали изискват разрушаване на комплекса преди утаяване.

Йоните на твърдостта са главно калциеви (Ca²⁺) и магнезиеви (Mg²⁺) йони. Те причиняват котлен камък в мембранните системи (RO, NF), образуват котлен камък в оборудването за топлообмен, намалявайки ефективността на топлообмена, и влияят върху качеството на почистване в пералната индустрия.

Принцип: Чрез използване на химически агенти за превръщане на калциеви и магнезиеви йони в CaCO₃ и Mg(OH)₂, повечето калциеви и магнезиеви йони могат да бъдат отстранени.

Работни точки: рН на омекотените отпадъчни води е високо и трябва да се коригира до неутрално чрез добавяне на киселина, преди да влезе в следващите пречиствателни единици или да бъде изпуснат. Реакцията на утаяване изисква достатъчно време на задържане и трябва да се комбинира с коагулация и флокулация, за да се подобри ефектът на утаяване. Омекотената утайка се произвежда в големи количества, съставена главно от калциев карбонат и магнезиев хидроксид, която може да бъде обезводнена и използвана като строителен материал или изпратена на депа.

Химичното отстраняване на фосфор често се извършва едновременно с етапа на биологично третиране или след напредналия етап; отстраняването на тежки метали е предварителна обработка във входящия край за защита на биологичната система; омекотяването за премахване на твърдостта обикновено се извършва в предния край на обработката за повторна употреба (преди мембранната система). Трите могат да се използват в комбинация в зависимост от изискванията за качество на водата-съдържащите тежки метали-отпадъчни води обикновено се подлагат на химическо утаяване за отстраняване на тежките метали, преди да влязат в процеса на биологично третиране; едновременното отстраняване на фосфора + усъвършенстваното отстраняване на фосфора е обичайна практика за битови отпадъчни води; а при проектите за повторна употреба омекотяването се извършва преди мембраната.