L’acqua è la fonte della vita e la qualità dell’acqua potabile ha un impatto diretto sulla salute pubblica e sulla stabilità sociale. Gli impianti di trattamento dell'acqua, in quanto hub che collega l'acqua grezza e gli utenti, sono fondamentali per un funzionamento stabile e un controllo preciso. In inverno, gli impianti di trattamento delle acque che utilizzano serbatoi come fonte spesso si trovano ad affrontare valori di pH anormalmente elevati nell'acqua non depurata. Ciò non solo influisce sulla stabilità del processo di trattamento dell’acqua, ma pone anche sfide alla stabilità chimica e agli indicatori sensoriali dell’effluente. Le variazioni del pH influiscono direttamente sull'efficienza delle unità di trattamento principali, come la coagulazione e la disinfezione, e possono causare problemi di corrosione o incrostazioni nella rete di trasmissione dell'acqua. Pertanto, un’analisi approfondita delle cause alla base dell’aumento dei valori di pH nei serbatoi durante l’inverno e lo sviluppo di strategie scientifiche ed efficaci di conseguenza per l’adeguamento dei processi, sono fondamentali per garantire la sicurezza dell’approvvigionamento idrico e migliorare il funzionamento e la gestione raffinata degli impianti di trattamento delle acque. La presente relazione elaborerà sistematicamente la questione.
I. Analisi delle cause specifiche
L'aumento del pH del giacimento durante l'inverno è un fenomeno complesso derivante dall'effetto combinato di molteplici fattori. Le principali cause possono essere così riassunte:
1. Cambiamenti stagionali nell’attività biochimica acquatica (causa principale)
1.1 Ridotta attività algale: in estate, le alte temperature dell'acqua e la forte luce solare portano a un'impennata della crescita delle alghe e a una vigorosa fotosintesi, consumando anidride carbonica (CO₂) e producendo ossigeno. Il processo chimico è: CO₂ + H₂O + Luce → (CH₂O)ₙ (materia organica) + O₂. Questo processo consuma una grande quantità di CO₂ libera nell'acqua, spostando l'equilibrio chimico CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ verso sinistra, con conseguente diminuzione della concentrazione di H⁺ e un aumento significativo del pH.
1.2 Inversione invernale: in inverno, la temperatura dell'acqua diminuisce e la luce solare si indebolisce, causando un forte calo o addirittura la cessazione della fotosintesi delle alghe. Allo stesso tempo, la respirazione nell'acqua (anche da parte di microrganismi e pesci) aumenta relativamente, consumando ossigeno e producendo CO₂. L’accumulo di CO₂ sposta l’equilibrio chimico verso destra, aumentando la concentrazione di H⁺ e teoricamente abbassando il pH. Tuttavia, la situazione è più complessa nei bacini profondi.
2. Stratificazione e inversione della temperatura dell’acqua (ragioni di accoppiamento fisico-chimico)
2.1 Stratificazione estiva: in estate, i serbatoi subiscono una stratificazione della temperatura dell'acqua. L'acqua superficiale (epilimnion) è calda, con alghe attive; le acque profonde (ipolimnio) sono fredde e carenti di ossigeno-, dove la materia organica si decompone in condizioni anaerobiche, producendo sostanze alcaline come azoto ammoniacale (NH₃) e idrogeno solforato (H₂S).
2.1 Turnover invernale: durante l'autunno e l'inverno, quando le temperature scendono, l'acqua superficiale si raffredda e diventa più densa, facendola affondare sul fondo e innescando una convezione verticale in tutto il serbatoio-un fenomeno noto come "turnover del serbatoio". Durante questo processo, l'acqua fredda ricca di sostanze alcaline (come l'azoto ammoniacale) accumulata sul fondo viene trasportata in tutto il corpo idrico. L'azoto ammoniacale si dissolve in acqua per formare idrossido di ammonio, che è alcalino: NH₃ + H₂O → NH₄⁺ + OH⁻. L'aggiunta diretta di OH⁻ aumenta rapidamente il valore del pH dell'acqua.
3. Cambiamenti nell'alcalinità dell'acqua e nei sistemi tampone
3.1 I corpi idrici naturali contengono un sistema tampone CO₂-HCO₃⁻-CO₃²⁻. In inverno, a causa della ridotta produzione di CO₂ dovuta all'attività biologica e della risalita di sostanze alcaline dal fondo, l'alcalinità totale dell'acqua (composta principalmente da HCO₃⁻ e CO₃²⁻) può relativamente aumentare. Quando la concentrazione di HCO₃⁻ è elevata e la pressione parziale di CO₂ è bassa, i corpi idrici sono più inclini a diventare alcalini.
4. Fattori umani e ambientali
4.1 Inquinamento agricolo da fonti non-puntuali: se sono presenti terreni agricoli all'interno del bacino del serbatoio, il deflusso invernale dai terreni agricoli può contenere componenti di fertilizzanti alcalini o percolati del suolo che non sono stati completamente assorbiti dalle colture, influenzando il pH dopo essere entrati nel serbatoio.
4.2 Cambiamenti nelle condizioni idrologiche: la riduzione delle precipitazioni e l'afflusso dei serbatoi in inverno indeboliscono la capacità di diluizione degli inquinanti, portando potenzialmente ad un aumento della concentrazione relativa di alcune sostanze alcaline.
Riepilogo: I fattori principali che determinano l’aumento del pH del serbatoio in inverno sono il ridotto consumo di CO₂ dovuto alla ridotta fotosintesi delle alghe e il fattore cruciale della stratificazione e del ribaltamento della temperatura dell’acqua, che trasporta le sostanze alcaline dallo strato inferiore all’intero corpo idrico.
II. Adeguamento efficace del processo e gestione dei problemi
Di fronte a acqua non trattata con pH elevato, gli impianti idrici devono adottare una strategia completa di "monitoraggio e allarme tempestivo, controllo multi-livello e garanzia della sicurezza".
1. Rafforzare il monitoraggio delle fonti e l'allarme rapido
1.1 Stabilire un sistema di reporting giornaliero sulla qualità dell’acqua grezza: aumentare la frequenza degli indicatori di test come pH, temperatura dell’acqua, alcalinità, azoto ammoniacale e densità di alghe dell’acqua grezza nel punto di presa per cogliere tempestivamente le tendenze in cambiamento.
1.2 Collaborare con i Dipartimenti di Protezione Idrologica e Ambientale: Comprendere la dinamica idrologica del bacino e la situazione delle fonti di inquinamento all'interno del bacino, prevedere il possibile momento di "traboccamento del bacino" e prepararsi in anticipo.
2. Adeguamento delle unità di processo principali
2.1. Regolazione del processo di coagulazione
2.1.1 Problema: Un pH eccessivamente elevato influenzerà gravemente la forma di idrolisi dei tradizionali coagulanti di sali di alluminio/ferro, generando complessi caricati negativamente, con conseguente scarso effetto di coagulazione, piccoli fiocchi, difficoltà di sedimentazione, aumento della torbidità dell'effluente e potenziale aumento del contenuto residuo di alluminio.
2.2 Contromisure:
2.2.1 Sostituire il coagulante: dare priorità alla sostituzione del solfato di alluminio con cloruro di polialluminio (PAC). L'idrolisi del PAC è meno influenzata dal pH, mantenendo buone prestazioni di coagulazione in un ampio intervallo di pH (in particolare da neutro a leggermente alcalino).
2.2.2 Aggiunta di coadiuvanti coagulanti: utilizzare coadiuvanti coagulanti polimerici (come poliacrilammide, PAM) per migliorare la struttura dei fiocchi e le proprietà di sedimentazione.
2.2.3 Regolazione del pH pre-della coagulazione (misura chiave): aggiungere sostanze acide prima della coagulazione per abbassare il pH dell'acqua grezza all'intervallo ottimale per l'azione coagulante (tipicamente 6,5-7,5 per il solfato di alluminio e 6,5-8,0 per il PAC).
2.3. Regolazione del pH (aggiunta di acido)
2.3.1 Scopo: non solo garantire le prestazioni di coagulazione, ma anche garantire la stabilità chimica dell'effluente e prevenire la corrosione o le incrostazioni dei tubi.
2.4. Selezione del punto di aggiunta dell'acido:
2.4.1. Aggiunta di pre-coagulazione: serve principalmente a ottimizzare il processo di coagulazione.
2.4.2. Aggiunto dopo la filtrazione o prima del serbatoio dell'acqua pulita: utilizzato per la regolazione finale precisa del pH dell'acqua trattata, stabilizzandolo entro l'intervallo standard nazionale (solitamente 6,5-8,5) e il più vicino possibile al neutro o leggermente alcalino (ad esempio, 7,0-7,8) per mantenere la stabilità chimica dell'acqua.
2.4.3. Selezione dell'acidificante: anidride carbonica (CO₂)-per uso alimentare, acido solforico (H₂SO₄), acido cloridrico (HCl).
2.5. CO₂ (consigliato): massima sicurezza, nessun rischio di corrosione e reagisce con l'alcalinità dell'acqua per produrre HCO₃⁻. Il processo di aggiustamento è graduale e non causerà sovra-acidità localizzate. La formula di reazione è: CO₂ + OH⁻ → HCO₃⁻. Tuttavia, l’investimento in attrezzature e i costi operativi potrebbero essere più elevati.
2.5.1 Acido solforico/acido cloridrico: forte capacità di regolazione del pH e basso costo, ma altamente corrosivo. Sono necessarie rigorose procedure operative di sicurezza e controllo del dosaggio per evitare cadute localizzate di pH che potrebbero corrodere le apparecchiature o influenzare i processi successivi.
2.6 Ottimizzazione del processo di disinfezione
2.6.1 Problema: L'aumento del pH influisce in modo significativo sull'efficacia della disinfezione con cloro. L'acido ipocloroso (HOCl) è il principale componente disinfettante, esistente in equilibrio con l'ipoclorito (OCl⁻): HOCl ⇌ H⁺ + OCl⁻. Più alto è il pH, maggiore è la proporzione di OCl⁻, mentre la capacità di disinfezione di OCl⁻ è solo 1/80-1/100 di quella di HOCl.
2.6.2 Contromisure:
2.6.3 Garantire il tempo di contatto (valore CT): a livelli di pH più elevati, il requisito del valore CT deve essere soddisfatto aumentando il dosaggio di cloro o estendendo il tempo di contatto della disinfezione per garantire l'efficacia della disinfezione.
2.6.4 Considerare metodi di disinfezione alternativi: la disinfezione con cloramina può essere utilizzata come metodo ausiliario o alternativo. La cloramina ha una maggiore stabilità ed è meno influenzata dal pH, ma il suo effetto disinfettante è più lento. È inoltre possibile valutare la fattibilità della disinfezione combinata con raggi ultravioletti (UV) e cloro.
3. Gestione operativa e risposta alle emergenze
3.1 Condurre test in bicchiere: condurre quotidianamente test in bicchiere in base alla qualità dell'acqua non depurata per determinare dinamicamente il tipo e il dosaggio ottimali di coagulante e se è necessaria la pre-acidificazione e il relativo dosaggio.
3.2 Rafforzare il monitoraggio del processo: impostare punti di monitoraggio della qualità dell'acqua dopo ciascuna unità di processo (coagulazione, sedimentazione, filtrazione) per monitorare da vicino i cambiamenti di torbidità e pH e fornire feedback e regolazioni tempestivi.
3.3 Piano di emergenza: Sviluppare un piano di emergenza per un forte aumento del pH dell'acqua non depurata, definendo chiaramente la capacità di dosaggio massima del sistema di acidificazione, la riserva di sostanze chimiche di riserva e l'intervallo di controllo dei parametri di processo a diversi livelli di pH.
In sintesi, il problema dell’aumento del pH dell’acqua grezza negli acquedotti durante l’inverno è un risultato inevitabile degli effetti combinati dei cicli idrologici naturali e dei processi biochimici acquatici. Gli operatori degli impianti idrici devono possedere-strategie di risposta sistematiche e lungimiranti per affrontare questo problema. Rafforzare il monitoraggio in tempo reale-e l'allarme tempestivo sulla qualità dell'acqua non depurata, comprendere a fondo il meccanismo di impatto intrinseco delle variazioni di pH sui processi principali come la coagulazione e la disinfezione e applicare in modo flessibile una regolazione sinergica multi-livello attraverso tecniche come la regolazione del pH, l'ottimizzazione dei coagulanti e la disinfezione avanzata sono fondamentali per risolvere efficacemente questa sfida stagionale. In definitiva, garantire che la qualità degli effluenti soddisfi pienamente gli standard consentirà il funzionamento sicuro, stabile ed economico del sistema di approvvigionamento idrico, salvaguardando efficacemente la sicurezza dell '"acqua del rubinetto" delle persone. Questo non è solo un requisito tecnico ma anche un riflesso concentrato della responsabilità sociale e delle capacità professionali delle società di approvvigionamento idrico.