Il trattamento biologico convenzionale può degradare in modo efficiente la maggior parte del COD presente nell’acqua e, con l’aggiunta di processi di denitrificazione anossica, anche l’azoto totale può essere rimosso efficacemente. Tuttavia, per il fosforo, gli ioni di metalli pesanti e gli ioni di durezza, l'effetto di rimozione dei processi biologici semplici è limitato: i microrganismi possono assimilare solo una piccola quantità di fosforo attraverso la propria crescita e il proprio metabolismo, che non possono soddisfare stabilmente gli standard; mentre i metalli pesanti e gli ioni della durezza non possono essere biodegradati e i sistemi biologici non possono ottenere una rimozione efficace. Gli ioni di metalli pesanti sono tossici per i microrganismi e concentrazioni leggermente superiori possono inibire le reazioni biologiche; gli ioni di durezza sono completamente disciolti nell'acqua e i sistemi biologici non possono rimuoverli.
Per gestire queste sostanze, è necessaria la precipitazione chimica-l'aggiunta di agenti chimici per far sì che gli ioni bersaglio cambino da uno stato disciolto a uno stato insolubile e precipitino, che viene poi rimosso attraverso la separazione solida-liquida.
I. Principi di base della precipitazione chimica
La logica alla base della precipitazione chimica è la regola del prodotto di solubilità: l'aggiunta di agenti precipitanti alle acque reflue fa sì che gli ioni inquinanti disciolti nell'acqua si combinino con gli agenti, formando sostanze solide difficili da sciogliere in acqua. Quando la concentrazione di tali sostanze supera il limite di capacità di carico (prodotto di solubilità Ksp) del corpo idrico, precipiteranno automaticamente dall'acqua, formando sedimenti per la separazione.
La chiave è che la quantità di precipitante aggiunto deve essere sufficiente a ridurre la concentrazione degli ioni target al livello richiesto, ma non eccessivamente-un precipitante eccessivo può causare inquinamento secondario (come ioni metallici residui e sali) e aumentare la produzione di fanghi.
II. Rimozione chimica del fosforo
Il fosforo è il principale responsabile dell’eutrofizzazione dei corpi idrici e gli standard di scarico del fosforo totale stanno diventando sempre più rigorosi. La rimozione biologica del fosforo si basa sui batteri che accumulano polifosfati-per rilasciare il fosforo in modo anaerobico e quindi rimuovere il fosforo in eccesso con i fanghi rimanenti durante i processi aerobici. Tuttavia, il tasso di rimozione è limitato. Quando il fosforo totale nell’affluente è troppo elevato, la rimozione biologica del fosforo non è sufficiente per soddisfare in modo affidabile gli standard e la rimozione chimica del fosforo deve essere utilizzata come soluzione alternativa.
Principio: L'aggiunta di sali di alluminio (PAC) o sali di ferro (solfato poliferrico) fa reagire gli ioni metallici con gli ioni fosfato per formare precipitati di fosfato di alluminio o fosfato di ferro; può essere aggiunta anche calce (Ca(OH)₂), che forma precipitati di idrossifosfato di calcio in condizioni alcaline.
Reazione del sale di alluminio: Al³⁺ + PO₄³⁻ → AlPO₄↓;
Reazione del sale di ferro: Fe³⁺ + PO₄³⁻ → FePO₄↓;
Reazione della calce: 5Ca²⁺ + 4OH⁻ + 3PO₄³⁻ → Ca₅(OH)(PO₄)₃↓;
Posizione dell'aggiunta: sono disponibili tre opzioni. La pre-aggiunta prima del serbatoio di trattamento biologico comporta tempi di reazione lunghi, ma l'impatto dei sali di alluminio sui microrganismi rimane controverso; l'aggiunta simultanea all'estremità della sezione aerobica della vasca di trattamento biologico utilizza l'aerazione e l'agitazione per favorire la reazione, che è il metodo più comune negli impianti di trattamento delle acque reflue municipali, e il coagulante favorisce la flocculazione dei fanghi attivi; la post-aggiunta dopo la vasca di sedimentazione secondaria, nella sezione di trattamento avanzato, rimuove direttamente e con precisione il fosforo residuo, richiede il dosaggio minimo, produce meno fanghi, ma richiede un impianto separato di reazione e sedimentazione. La scelta specifica dipende dal flusso del processo e dai requisiti di conformità del fosforo.
Punti operativi chiave: La chiave per la rimozione chimica del fosforo è far corrispondere il dosaggio della sostanza chimica con la concentrazione totale di fosforo nell'affluente. Quando la concentrazione di fosforo totale nell'affluente fluttua in modo significativo, è necessario un misuratore di fosforo totale online o un campionamento periodico per regolare il dosaggio. Il pH dell'effluente richiede attenzione-l'aggiunta di sali di alluminio e ferro consuma l'alcalinità e l'efficienza di rimozione del fosforo diminuisce quando il pH è inferiore a 6; l'aggiunta di calce aumenterà il pH dell'effluente, richiedendo un aggiustamento. I fanghi chimici prodotti dalla rimozione del fosforo contengono una grande quantità di materia inorganica e hanno buone prestazioni di disidratazione; dovrebbe essere smaltito quanto più possibile separatamente dai fanghi biologici.
III. Rimozione metalli pesanti
Le acque reflue provenienti da settori quali quello galvanico, metallurgico, minerario ed elettronico contengono ioni di metalli pesanti come rame, zinco, piombo, cadmio, nichel e cromo. I metalli pesanti sono altamente tossici e non-degradabili e richiedono un controllo rigoroso.
Principio: L'aggiunta di alcali (NaOH, Ca(OH)₂) o solfuri (Na₂S, NaHS) provoca la precipitazione degli ioni di metalli pesanti sotto forma di idrossidi o solfuri. La precipitazione dell'idrossido è un metodo semplice e a basso-costo, il che lo rende l'approccio più diffuso. La precipitazione del solfuro ha un prodotto di solubilità più piccolo e un'efficienza di rimozione più elevata (specialmente per mercurio e cadmio), ma un'aggiunta eccessiva di solfuro produce gas H₂S tossico, che richiede condizioni alcaline per impedire la fuoriuscita di H₂S. Il cromo esavalente (Cr⁶⁺) nelle acque reflue contenenti cromo- deve prima essere ridotto a cromo trivalente (Cr³⁺) con un agente riducente (bisolfito di sodio, metabisolfito di sodio) e quindi precipitato come Cr(OH)₃ con un alcalino.
Punti operativi chiave: il controllo del pH è fondamentale-ciascun metallo pesante ha un intervallo di pH ottimale per la precipitazione dell'idrossido (generalmente tra 8 e 10) e questi intervalli variano. La coesistenza di più metalli pesanti nelle acque reflue miste deve essere considerata in modo globale, selezionando un valore di pH di compromesso o una precipitazione graduale. Una volta completata la reazione di precipitazione, è necessario aggiungere un coagulante (PAC+PAM) per migliorare la separazione solido-liquido; in caso contrario, particelle fini di precipitato permeano nell'effluente. I complessi possono interferire con la precipitazione-ad esempio, i complessi di metalli pesanti contenenti cianuro-richiedono la rottura del complesso prima della precipitazione.
PIV. Rimozione della durezza (ammorbidimento)
Gli ioni di durezza sono principalmente ioni di calcio (Ca²⁺) e magnesio (Mg²⁺). Causano incrostazioni nei sistemi a membrana (RO, NF), formano incrostazioni nelle apparecchiature di scambio termico riducendo l'efficienza dello scambio termico e influiscono sulla qualità della pulizia nel settore della lavanderia.
Principio: utilizzando agenti chimici per convertire gli ioni calcio e magnesio in CaCO₃ e Mg(OH)₂, è possibile rimuovere la maggior parte degli ioni calcio e magnesio.
Punti operativi: Il pH dell'effluente addolcito è elevato e deve essere regolato a neutro aggiungendo acido prima di entrare nelle unità di trattamento successive o di essere scaricato. La reazione di precipitazione richiede un tempo di ritenzione sufficiente e deve essere combinata con coagulazione e flocculazione per migliorare l'effetto di precipitazione. Vengono prodotti in grandi quantità fanghi addolciti, composti principalmente da carbonato di calcio e idrossido di magnesio, che possono essere disidratati e utilizzati come materiale da costruzione o inviati in discarica.
V. Posizionamento dei tre processi di precipitazione nel processo di flusso
La rimozione chimica del fosforo viene spesso eseguita contemporaneamente alla fase di trattamento biologico o dopo la fase avanzata; la rimozione dei metalli pesanti è un pretrattamento all'estremità affluente per proteggere il sistema biologico; l'addolcimento per rimuovere la durezza viene solitamente effettuato nella parte anteriore del trattamento di riutilizzo (prima del sistema a membrana). I tre possono essere utilizzati in combinazione a seconda dei requisiti di qualità dell'acqua-metalli pesanti-le acque reflue contenenti solitamente sono sottoposte a precipitazione chimica per rimuovere i metalli pesanti prima di entrare nel processo di trattamento biologico; La rimozione simultanea del fosforo + la rimozione avanzata del fosforo è una pratica comune per le acque reflue municipali; e nei progetti di riutilizzo, l'ammorbidimento viene eseguito prima della membrana.