Pròleg: Les aigües residuals contenen molts indicadors, i l'alcalinitat és un dels menys notables. A diferència d'altres indicadors (com el DQO i la DBO), no apareix amb tanta freqüència, però té un paper crucial en la posada en marxa de les depuradores d'aigües residuals, servint d'indicador rector per a processos com la hidròlisi anaeròbica i la desnitrificació.
L'alcalinitat de les aigües residuals és un dels paràmetres bàsics que afecten l'eficiència del tractament d'aigües residuals, jugant un paper clau, especialment en el tractament biològic, les reaccions de neutralització i l'estabilització de la qualitat de l'aigua. Avui, explorarem la definició, les fonts, la importància orientadora dels processos de tractament d'aigües i les tècniques de detecció d'alcalinitat d'ús habitual, proporcionant suport teòric per al control científic del tractament d'aigües residuals.
I. Concepte i fonts d'alcalinitat en aigües residuals
1. Definició d'alcalinitat
L'alcalinitat de les aigües residuals es refereix a la quantitat total de substàncies alcalines a l'aigua capaços de neutralitzar àcids forts. Està compost principalment per bicarbonat (HCO₃⁻), carbonat (CO₃²⁻), hidròxid (OH⁻) i alguns anions àcids febles (com els fosfats i els silicats). La seva unitat és mg/L (calculada com a CaCO₃), reflectint la capacitat de les aigües residuals d'amortir els canvis de pH. A més, l'alcalinitat proporciona una font de carboni inorgànic, principalment per a microorganismes heteròtrofs (com els bacteris nitrificants).
2. Fonts d'alcalinitat en aigües residuals
Aigües domèstiques: descomposició de la matèria orgànica en aigües residuals domèstiques, infiltració d'aigües subterrànies, etc.
Aigües residuals industrials: Aigües residuals químiques i farmacèutiques (que contenen residus de reactius alcalins); Aigües residuals de processament d'aliments (que contenen nitrogen amoníac de la descomposició de proteïnes i greixos); Aigües residuals de tractament de superfícies metàl·liques (que contenen agents de neteja alcalins).
Control humà: Addició de calç (CaO), cendra de sosa (Na₂CO₃) i altres agents durant el tractament d'aigües residuals.
II. Paper rector de l'alcalinitat en el tractament d'aigües residuals
1. Manteniment de l'estabilitat dels sistemes de tractament biològic
Procés de fang activat: els bacteris nitrificants consumeixen alcalinitat durant la nitrificació (es requereixen 7,14 mg d'alcalinitat de CaCO₃ per nitrificar 1 mg de NH₃-N). Una alcalinitat insuficient condueix a una disminució del pH, inhibint l'activitat microbiana, que requereix l'addició de bicarbonat de sodi (NaHCO₃) o calç.
Digestió anaeròbica: els metanògens són sensibles al pH (pH òptim 6,5-7,5). L'alcalinitat (HCO₃⁻) neutralitza els àcids grassos volàtils (AGV) i prevé l'acidificació. Normalment es requereix una alcalinitat > 2000 mg/L per mantenir l'estabilitat del sistema.
2. Paràmetres clau dels processos de tractament químic
Precipitació química: per exemple, l'eliminació de fosfats afegint calç (formant hidroxiapatita) requereix una alcalinitat suficient per afavorir la reacció de precipitació.
Reacció de neutralització: les aigües residuals àcides (com ara les aigües residuals de galvanoplastia) requereixen l'addició de substàncies alcalines (NaOH, CaCO₃) per ajustar el pH. L'alcalinitat determina la dosi del reactiu.
3. Prevenció de la corrosió i descamació dels equips
Risc d'alcalinitat baix: quan el pH de les aigües residuals < 6,5, les canonades i els reactors es corroeixen fàcilment per l'àcid, alliberant metalls pesants (com el ferro i el plom).
Risc d'alcalinitat elevat: quan el pH és superior a 8,3, els ions de calci i magnesi formen fàcilment incrustacions de carbonat, obstrueixen canonades o sistemes de membranes.
4. Optimització de l'eficiència d'eliminació de nitrogen i fòsfor
Procés de desnitrificació: els bacteris desnitrificants requereixen una font de carboni i una alcalinitat adequada (pH 7-8). La recuperació d'alcalinitat pot compensar parcialment el consum d'alcalinitat durant l'etapa de nitrificació.
Eliminació biològica de fòsfor: els bacteris que s'acumulen -polifosfat alliberen i absorbeixen fòsfor en entorns alternatius anaeròbics/aeròbics. Les fluctuacions d'alcalinitat poden afectar la seva activitat metabòlica.
III. Mètodes per detectar l'alcalinitat en aigües residuals
1. Mètode de valoració (Mètode estàndard)
Principi: Titular la mostra d'aigua amb un àcid fort estàndard (per exemple, H₂SO₄) i determinar el punt final mitjançant el canvi de color d'un indicador.
Passos: 1. Punt final de fenolftaleïna (pH 8,3): Determineu la quantitat total de OH⁻ i CO₃²⁻; 2. Punt final taronja de metil (pH 4,5): Determineu l'alcalinitat total de HCO₃⁻ i CO₃²⁻.
Aplicabilitat: determinació de laboratori precisa, però s'han d'eliminar les interferències dels sòlids en suspensió (la mostra d'aigua s'ha de filtrar prèviament).
2. Titulació potenciomètrica automatitzada
Aquest mètode utilitza un elèctrode de pH per controlar el procés de valoració en temps real i calcula automàticament l'alcalinitat mitjançant un programari. És adequat per a mostres d'aigües residuals d'alt-color o tèrboles.
3. Tecnologies de seguiment en línia
Mètode-d'elèctrodes selectius d'ions: aquest mètode mesura directament l'alcalinitat de l'afluent de la planta de tractament d'aigües residuals mitjançant un elèctrode selectiu d'HCO₃⁻, la qual cosa permet un seguiment-en temps real.
Mètode espectroscòpic: l'espectroscòpia de prop{0}}infraroig combinada amb un model quimiomètric permet una predicció ràpida de l'alcalinitat, adequada per a escenaris de tractament d'aigües residuals industrials.
4. Mètode de càlcul (estimació indirecta)
Aquest mètode mesura les concentracions de pH, CO₂, HCO₃⁻ i CO₃²⁻ de les aigües residuals i calcula l'alcalinitat teòrica mitjançant la fórmula d'equilibri de l'àcid carbònic. És adequat per a la investigació o la simulació de processos.
IV. Estratègies per al control de l'alcalinitat de les aigües residuals
1. Solucions per a baixa alcalinitat
Addició d'agents alcalins
Calç (CaO): Baix cost, però pot augmentar la producció de fangs;
Hidròxid de sodi (NaOH): reacció ràpida, adequada per a l'ajust d'alcalinitat d'emergència;
Bicarbonat de sodi (NaHCO₃): alcalinitat{0}}d'alliberament lent, adequat per a sistemes de tractament biològic.
Restauració de l'alcalinitat mitjançant la desnitrificació
En els processos de desnitrificació, la reducció d'1 mg de NO₃⁻-N durant la desnitrificació genera 3,57 mg d'alcalinitat de CaCO₃.
2. Solucions per a alta alcalinitat
Addició de substàncies àcides: àcid sulfúric (H₂SO₄), àcid clorhídric (HCl) o gas CO₂ (baix cost, sense contaminació secundària).
Eliminació de l'aireació: eliminació de CO₂ mitjançant l'aireació per reduir la concentració de HCO₃⁻, adequada per a aigües residuals amb alta alcalinitat de carbonats.