הסבר מפורט על תהליך משקעים כימיים: עקרונות של סילוק יונים זרחן, מתכות כבדות וקשיות

טיפול ביולוגי קונבנציונלי יכול לפרק ביעילות את רוב ה-COD במים, ובתוספת תהליכי דניטריפיקציה אנוקסיים, ניתן להסיר ביעילות גם את החנקן הכולל. עם זאת, עבור זרחן, יוני מתכות כבדות ויוני קשיות, השפעת ההסרה של תהליכים ביולוגיים פשוטים מוגבלת: מיקרואורגניזמים יכולים להטמיע רק כמות קטנה של זרחן באמצעות הצמיחה והמטבוליזם שלהם, שאינם יכולים לעמוד בסטנדרטים ביציבות; בעוד שמתכות כבדות ויוני קשיות אינם ניתנים לפירוק ביולוגי, ומערכות ביולוגיות אינן יכולות להגיע להסרה יעילה. יוני מתכות כבדות רעילות למיקרואורגניזמים, וריכוזים מעט גבוהים יותר יכולים לעכב תגובות ביולוגיות; יוני קשיות מומסים לחלוטין במים, ומערכות ביולוגיות אינן יכולות להסיר אותם.

כדי להתמודד עם החומרים הללו, יש צורך במשקעים כימיים-הוספת חומרים כימיים כדי לגרום ליוני המטרה לשנות ממצב מומס למצב בלתי מסיס ומשקע, אשר מוסר לאחר מכן באמצעות הפרדת נוזלים-מוצקים.

ההיגיון הבסיסי של משקעים כימיים הוא כלל תוצר המסיסות: הוספת חומרי משקעים למי שפכים גורמת ליונים המזהמים המומסים במים להתאחד עם החומרים, וליצור חומרים מוצקים שקשה להמיס אותם במים. כאשר ריכוזם של חומרים מסוג זה חורג ממגבלת כושר הנשיאה (תוצר מסיסות Ksp) של גוף המים, הם יפשרו אוטומטית מהמים ויצרו משקעים להפרדה.

המפתח הוא שכמות המשקעים שנוספת חייבת להיות מספקת כדי להפחית את ריכוז יוני המטרה לרמה הנדרשת, אך לא-עודף משקעים עלול לגרום לזיהום משני (כגון שיירי יוני מתכת ומלחים) ולהגביר את ייצור הבוצה.

זרחן הוא האשם העיקרי של האאוטרופיקה במקווי מים, ותקני ההזרמה עבור זרחן כולל הולכים ונעשים מחמירים יותר ויותר. סילוק זרחן ביולוגי מסתמך על חיידקים שצוברים פוליפוספטים-לשחרר זרחן בצורה אנאירובית ולאחר מכן להסיר עודפי זרחן עם הבוצה שנותרה במהלך תהליכים אירוביים. עם זאת, שיעור ההסרה מוגבל. כאשר סך הזרחן בשפך גבוה מדי, פינוי זרחן ביולוגי אינו מספיק כדי לעמוד בסטנדרטים באופן מהימן, ויש להשתמש בסילוק זרחן כימי כמפלה.

עקרון: הוספת מלחי אלומיניום (PAC) או מלחי ברזל (סולפט פוליפרי) גורמת ליוני מתכת להגיב עם יוני פוספט ליצירת משקעי אלומיניום פוספט או ברזל פוספט; ניתן להוסיף גם סיד (Ca(OH)₂), ויוצרים משקעי סידן הידרוקסי-פוספט בתנאים אלקליים.

תגובת מלח אלומיניום: Al³⁺ + PO₄³⁻ → AlPO₄↓;

תגובת מלח ברזל: Fe³⁺ + PO₄³⁻ → FePO₄↓;

תגובת ליים: 5Ca²⁺ + 4OH⁻ + 3PO₄³⁻ → Ca₅(OH)(PO₄)₃↓;

מיקום תוספת: יש שלוש אפשרויות. הוספה מוקדמת- לפני מיכל הטיפול הביולוגי מביאה לזמן תגובה ארוך, אך ההשפעה של מלחי אלומיניום על מיקרואורגניזמים נותרה שנויה במחלוקת; הוספה בו-זמנית בקצה הקטע האירובי של מיכל הטיפול הביולוגי מנצלת אוורור וערבול לקידום התגובה, שהיא השיטה הנפוצה ביותר במפעלי טיהור שפכים עירוניים, וחומר הקרישה מקדם צניפת בוצה פעילה; לאחר-הוספה לאחר מיכל השקיעה המשני, בסעיף הטיפול המתקדם, מסירה באופן ישיר ומדויק את שאריות הזרחן, דורשת את המינון המועט ביותר, מייצרת הכי פחות בוצה, אך דורשת מתקן תגובה ושקיעה נפרד. הבחירה הספציפית תלויה בזרימת התהליך ובדרישות תאימות הזרחן.

נקודות תפעוליות עיקריות: המפתח להסרת זרחן כימי הוא התאמת מינון הכימיקל לריכוז הזרחן הכולל בשפך. כאשר ריכוז הזרחן הכולל בנחל משתנה באופן משמעותי, יש צורך במד זרחן כולל מקוון או דגימה תקופתית כדי להתאים את המינון. ה-pH של הקולחים זקוק לתשומת לב-התוספת של מלחי אלומיניום וברזל צורכת בסיסיות, ויעילות סילוק הזרחן יורדת כאשר ה-pH נמוך מ-6; תוספת של סיד תעלה את ה-pH של הקולחין, הדורשת התאמה. הבוצה הכימית המיוצרת על ידי סילוק זרחן מכילה כמות גדולה של חומר אנאורגני ובעלת ביצועי הסרת מים טובים; יש להיפטר ממנו בנפרד מהבוצה הביולוגית ככל האפשר.

שפכים מתעשיות כגון ציפוי אלקטרוניקה, מטלורגיה, כרייה ואלקטרוניקה מכילים יוני מתכות כבדות כגון נחושת, אבץ, עופרת, קדמיום, ניקל וכרום. מתכות כבדות רעילות מאוד ואינן-מתכלות, הדורשות בקרה קפדנית.

עקרון: הוספת אלקלי (NaOH, Ca(OH)₂) או סולפידים (Na₂S, NaHS) גורמת ליוני מתכות כבדות לשקוע כמו הידרוקסידים או סולפידים. משקעי הידרוקסיד היא שיטה פשוטה-בעלות נמוכה, מה שהופך אותה לגישה המרכזית. למשקעי סולפיד יש תוצר מסיסות קטן יותר ויעילות הסרה גבוהה יותר (במיוחד עבור כספית וקדמיום), אך תוספת סולפידית מוגזמת מייצרת גז H₂S רעיל, הדורש תנאים בסיסיים כדי למנוע בריחת H₂S. עבור כרום משושה (Cr⁶⁺) בשפכים המכילים כרום-, יש להפחיתו תחילה לכרום תלת ערכי (Cr³⁺) עם חומר מפחית (נתרן ביסולפיט, נתרן מטביסולפיט), ולאחר מכן לזרז אותו כ-Cr(OH)₃ עם אלקלי.

נקודות תפעול עיקריות: בקרת pH היא חשיבות עליונה-לכל מתכת כבדה יש ​​טווח pH אופטימלי עבור משקעי הידרוקסיד (בדרך כלל בין 8 ל-10), וטווחים אלה משתנים. יש לשקול באופן מקיף את הקיום המשותף של מתכות כבדות מרובות בשפכים מעורבים, תוך בחירת ערך pH פשרה או משקעים שלבים. לאחר השלמת תגובת המשקעים, יש להוסיף חומר קרישה (PAC+PAM) כדי לשפר את הפרדת הנוזלים המוצקים-; אחרת, חלקיקי משקעים עדינים יחלחלו לתוך הקולחים. קומפלקסים יכולים להפריע למשקעים-לדוגמה, ציאניד-המכיל קומפלקסים של מתכות כבדות דורשים שבירה מורכבת לפני משקעים.

יוני קשיות הם בעיקר יוני סידן (Ca²⁺) ומגנזיום (Mg²⁺). הם גורמים לאבנית במערכות ממברנות (RO, NF), יוצרים אבנית בציוד לחילופי חום ומפחיתים את יעילות חילופי החום ומשפיעים על איכות הניקוי בתעשיית הכביסה.

עקרון: על ידי שימוש בחומרים כימיים להמרת יוני סידן ומגנזיום ל-CaCO₃ ו-Mg(OH)₂, ניתן להסיר את רוב יוני הסידן והמגנזיום.

נקודות הפעלה: ה-pH של השפכים המרוככים גבוה ויש להתאים אותו לנייטרלי על ידי הוספת חומצה לפני כניסה ליחידות טיפול עוקבות או פריקה. תגובת המשקעים דורשת זמן שמירה מספיק ויש לשלב אותה עם קרישה וציפוי כדי לשפר את אפקט המשקעים. בוצה מרוככת מיוצרת בכמויות גדולות, המורכבת בעיקר מסידן פחמתי ומגנזיום הידרוקסיד, אותם ניתן לרוקן ולהשתמש כחומר בניין או לשלוח למזבלות.

פינוי זרחן כימי מתבצע לרוב במקביל לשלב הטיפול הביולוגי או לאחר השלב המתקדם; הסרת מתכות כבדות היא טיפול מקדים בקצה המשפיע כדי להגן על המערכת הביולוגית; ריכוך להסרת קשיות מתבצע בדרך כלל בקצה הקדמי של הטיפול לשימוש חוזר (לפני מערכת הממברנות). ניתן להשתמש בשלושה בשילוב בהתאם לדרישות איכות המים-מתכת כבדה-המכילה שפכים עוברים בדרך כלל משקעים כימיים כדי להסיר מתכות כבדות לפני הכניסה לתהליך הטיפול הביולוגי; סילוק זרחן סימולטני + פינוי זרחן מתקדם הוא נוהג מקובל בשפכים עירוניים; ובפרוייקטים של שימוש חוזר, ריכוך מתבצע לפני הממברנה.