El tractament biològic convencional pot degradar de manera eficient la majoria de DQO a l'aigua, i amb l'addició de processos de desnitrificació anòxica, el nitrogen total també es pot eliminar amb eficàcia. Tanmateix, per al fòsfor, els ions de metalls pesants i els ions de duresa, l'efecte d'eliminació dels processos biològics simples és limitat: els microorganismes només poden assimilar una petita quantitat de fòsfor mitjançant el seu propi creixement i metabolisme, que no poden complir els estàndards de manera estable; mentre que els metalls pesants i els ions de duresa no es poden biodegradar, i els sistemes biològics no poden aconseguir una eliminació efectiva. Els ions de metalls pesants són tòxics per als microorganismes, i concentracions lleugerament més altes poden inhibir les reaccions biològiques; Els ions de duresa es dissolen completament a l'aigua i els sistemes biològics no els poden eliminar.
Per fer front a aquestes substàncies, és necessària la precipitació química-afegir agents químics per fer que els ions objectiu canviïn d'un estat dissolt a un estat insoluble i precipitin, que després s'elimina mitjançant la separació de líquids-sòlids.
I. Principis bàsics de la precipitació química
La lògica subjacent de la precipitació química és la regla del producte de solubilitat: l'addició d'agents precipitants a les aigües residuals fa que els ions contaminants dissolts a l'aigua es combinen amb els agents, formant substàncies sòlides que són difícils de dissoldre a l'aigua. Quan la concentració d'aquestes substàncies supera el límit de capacitat de càrrega (producte de solubilitat Ksp) de la massa d'aigua, precipitaran automàticament de l'aigua, formant sediment per a la separació.
La clau és que la quantitat de precipitant afegit ha de ser suficient per reduir la concentració dels ions objectiu al nivell requerit, però un precipitant no excessivament-pode causar contaminació secundària (com ara ions metàl·lics residuals i sals) i augmentar la producció de fangs.
II. Eliminació química de fòsfor
El fòsfor és el principal culpable de l'eutrofització de les masses d'aigua, i els estàndards de descàrrega del fòsfor total són cada cop més estrictes. L'eliminació biològica de fòsfor es basa en bacteris-acumulants de polifosfat per alliberar fòsfor de manera anaeròbica i després eliminar l'excés de fòsfor amb el fang restant durant els processos aeròbics. Tanmateix, la taxa d'eliminació és limitada. Quan el fòsfor total de l'afluent és massa alt, l'eliminació biològica de fòsfor és insuficient per complir amb els estàndards de manera fiable i l'eliminació química de fòsfor s'ha d'utilitzar com a alternativa.
Principi: l'addició de sals d'alumini (PAC) o sals de ferro (sulfat polifèrric) fa que els ions metàl·lics reaccionin amb els ions fosfat per formar fosfat d'alumini o precipitats de fosfat de ferro; També es pot afegir calç (Ca(OH)₂), formant precipitats d'hidroxifosfat de calci en condicions alcalines.
Reacció de sal d'alumini: Al³⁺ + PO₄³⁻ → AlPO₄↓;
Reacció de sal de ferro: Fe³⁺ + PO₄³⁻ → FePO₄↓;
Reacció de la calç: 5Ca²⁺ + 4OH⁻ + 3PO₄³⁻ → Ca₅(OH)(PO₄)₃↓;
Localització addicional: hi ha tres opcions. La pre-addició abans del dipòsit de tractament biològic comporta un llarg temps de reacció, però l'impacte de les sals d'alumini sobre els microorganismes segueix sent controvertit; L'addició simultània al final de la secció aeròbica del dipòsit de tractament biològic utilitza l'aireació i l'agitació per afavorir la reacció, que és el mètode més comú a les plantes de tractament d'aigües residuals municipals, i el coagulant afavoreix la floculació de fangs activats; post-addició després del dipòsit de sedimentació secundari, a la secció de tractament avançat, elimina de manera directa i precisa el fòsfor residual, requereix la menor dosi, produeix el mínim de fangs, però requereix una instal·lació de reacció i sedimentació separada. L'elecció específica depèn del flux del procés i dels requisits de compliment del fòsfor.
Punts operatius clau: la clau per a l'eliminació química del fòsfor és fer coincidir la dosi del producte químic amb la concentració total de fòsfor a l'afluent. Quan la concentració total de fòsfor a l'afluent fluctua significativament, cal un mesurador de fòsfor total en línia o un mostreig periòdic per ajustar la dosi. El pH de l'efluent necessita atenció-l'addició de sals d'alumini i ferro consumeix alcalinitat i l'eficiència d'eliminació del fòsfor disminueix quan el pH és inferior a 6; l'addició de calç augmentarà el pH de l'efluent, requerint un ajust. El fang químic produït per l'eliminació de fòsfor conté una gran quantitat de matèria inorgànica i té un bon rendiment de deshidratació; s'ha d'eliminar en la mesura del possible per separat dels fangs biològics.
III. Eliminació de metalls pesats
Les aigües residuals d'indústries com la galvanoplastia, la metal·lúrgia, la mineria i l'electrònica contenen ions de metalls pesants com ara coure, zinc, plom, cadmi, níquel i crom. Els metalls pesants són altament tòxics i no-degradables, i requereixen un control estricte.
Principi: L'addició d'àlcali (NaOH, Ca(OH)₂) o sulfurs (Na₂S, NaHS) fa que els ions de metalls pesants precipitin com a hidròxids o sulfurs. La precipitació d'hidròxid és un mètode senzill i-de baix cost, per la qual cosa és l'enfocament principal. La precipitació de sulfur té un producte de solubilitat més petit i una major eficiència d'eliminació (especialment per al mercuri i el cadmi), però l'addició excessiva de sulfur produeix gas H₂S tòxic, que requereix condicions alcalines per evitar l'escapament de H₂S. Per al crom hexavalent (Cr⁶⁺) en aigües residuals que contenen crom-, primer s'ha de reduir a crom trivalent (Cr³⁺) amb un agent reductor (bisulfit de sodi, metabisulfit de sodi) i després precipitar-se com a Cr(OH)₃ amb un àlcali.
Punts operatius clau: el control del pH és primordial-cada metall pesat té un rang de pH òptim per a la precipitació d'hidròxid (generalment entre 8 i 10) i aquests intervals varien. S'ha de considerar exhaustivament la coexistència de múltiples metalls pesants en aigües residuals mixtes, seleccionant un valor de pH compromès o una precipitació gradual. Un cop finalitzada la reacció de precipitació, s'ha d'afegir un coagulant (PAC+PAM) per millorar la separació de sòlids-líquids; en cas contrari, les partícules fines de precipitats penetraran a l'efluent. Els complexos poden interferir amb la precipitació-per exemple, els complexos de metalls pesants que contenen cianur- requereixen una ruptura complexa abans de la precipitació.
PIV. Eliminació de duresa (suavització)
Els ions de duresa són principalment ions calci (Ca²⁺) i magnesi (Mg²⁺). Causen escala en sistemes de membrana (RO, NF), formen escala en equips d'intercanvi de calor que redueixen l'eficiència de l'intercanvi de calor i afecten la qualitat de la neteja a la indústria de la bugaderia.
Principi: mitjançant l'ús d'agents químics per convertir ions de calci i magnesi en CaCO₃ i Mg(OH)₂, es poden eliminar la majoria dels ions de calci i magnesi.
Punts de funcionament: El pH de l'efluent suavitzat és alt i s'ha d'ajustar a neutre afegint àcid abans d'entrar a les unitats de tractament posteriors o de ser abocat. La reacció de precipitació requereix un temps de retenció suficient i s'ha de combinar amb la coagulació i la floculació per millorar l'efecte de la precipitació. Els fangs suavitzats es produeixen en grans quantitats, compostos principalment per carbonat de calci i hidròxid de magnesi, que es poden deshidratar i utilitzar com a material de construcció o enviar-los a abocadors.
V. Posicionament dels tres processos de precipitació en el procés de flux
L'eliminació química del fòsfor sovint es realitza simultàniament a l'etapa de tractament biològic o després de l'etapa avançada; l'eliminació de metalls pesants és un pretractament a l'extrem de l'afluent per protegir el sistema biològic; el suavització per eliminar la duresa es realitza normalment a l'extrem frontal del tractament de reutilització (abans del sistema de membrana). Els tres es poden utilitzar en combinació en funció dels requisits de qualitat de l'aigua-metalls pesants-les aigües residuals solen sofrir una precipitació química per eliminar metalls pesants abans d'entrar al procés de tractament biològic; l'eliminació simultània de fòsfor + l'eliminació avançada de fòsfor és una pràctica habitual per a les aigües residuals municipals; i en els projectes de reutilització, es realitza un suavització abans de la membrana.