resumo
Com o aumento contínuo da produção industrial e da descarga de esgoto doméstico, os íons de dureza nas águas residuais têm um impacto sério no meio ambiente e nos processos de tratamento subsequentes. Este artigo expõe sistematicamente os princípios básicos da dessalinização de águas residuais, analisa em detalhes as características técnicas, o escopo de aplicação e os problemas existentes de vários métodos de dessalinização, como precipitação química, troca iônica, separação por membrana e adsorção, e espera a tendência de desenvolvimento da tecnologia de dessalinização de águas residuais no futuro, com o objetivo de fornecer referência teórica para a otimização e inovação tecnológica dos processos de dessalinização de águas residuais.
1、 Introdução
A dureza da água residual é causada principalmente pela presença de íons cálcio e magnésio (na forma de sais como carbonato de cálcio, carbonato de magnésio, sulfato de cálcio, sulfato de magnésio, etc.) na água. Na produção industrial, águas residuais com alta dureza podem causar incrustações nos equipamentos, reduzir a eficiência da troca de calor, aumentar o consumo de energia e até levar à falha dos equipamentos; No processo de tratamento e reutilização de esgoto doméstico, a água dura pode afetar o efeito de lavagem e reduzir o conforto da água doméstica. Além disso, a descarga de águas residuais contendo uma grande quantidade de íons de dureza também pode ter efeitos adversos no equilíbrio ecológico dos corpos d'água naturais. Portanto, a remoção eficaz de íons de dureza das águas residuais é de grande importância para a operação estável da produção industrial, a reciclagem de recursos hídricos e a proteção do meio ambiente ecológico.
2、 Princípio da Desidratação de Águas Residuais
A dureza nas águas residuais é geralmente dividida em dureza temporária e dureza permanente. A dureza temporária é composta principalmente por sais de bicarbonato de cálcio e magnésio, que podem ser decompostos em precipitados de carbonato de cálcio e hidróxido de magnésio e removidos por aquecimento; A dureza permanente é composta por sulfatos, cloretos, etc. de cálcio e magnésio, que precisam ser removidos por métodos químicos, físicos ou físico-químicos. Os princípios básicos da dessalinização de águas residuais são baseados principalmente em reação de precipitação, troca iônica, permeação seletiva por membrana, adsorção, etc. A reação de precipitação é o uso de certos agentes químicos para reagir com íons cálcio e magnésio para gerar precipitados insolúveis, separando-os assim das águas residuais; O método de troca iônica é o uso de resina de troca iônica para trocar íons cálcio e magnésio na água e fixá-los na resina; O método de separação por membrana é baseado na diferença na capacidade de retenção da membrana para diferentes íons para alcançar a separação de íons de dureza da água; O princípio de adsorção é remover íons cálcio e magnésio por adsorção através dos sítios ativos na superfície do adsorvente.
3、 Métodos para remover a dureza da água residual
（1） Método de precipitação química
1. Método cinza de cal e soda
O método cinza de cal e soda é um dos métodos de precipitação química mais comumente usados para remover a dureza. Este método envolve a adição de cal (Ca (OH) ₂) e cinza de soda (Na ₂ CO3) às águas residuais. A cal reage primeiro com os íons bicarbonato na água para formar precipitado de carbonato de cálcio, enquanto os íons magnésio são convertidos em precipitado de hidróxido de magnésio. A cinza de soda reage ainda com os íons cálcio na água para formar precipitado de carbonato de cálcio. O processo de reação é o seguinte:
Ca(HCO_{3})_{2}+Ca(OH)_{2}rightarrow 2CaCO_{3}downarrow +2H_ {2}O
Mg(HCO_{3})_{2}+2Ca(OH)_{2}rightarrow 2CaCO_{3}downarrow +Mg(OH)_{2}downarrow +2H_ {2}O
CaSO_{4}+Na_ {2}CO_ {3}rightarrow CaCO_{3}downarrow +Na_ {2}SO_ {4}
As vantagens deste método são baixo custo de tratamento, ampla gama de fontes químicas e efeito de tratamento significativo em águas residuais com alta concentração de dureza. Mas as desvantagens também são bastante óbvias, como a produção de uma grande quantidade de lodo e o alto custo do tratamento do lodo; O processo de reação requer controle preciso do valor de pH e da dosagem dos reagentes, caso contrário, afetará o efeito de remoção da dureza; As águas residuais tratadas podem reter uma certa quantidade de carbonato de sódio, levando a um aumento na alcalinidade da água.
1. Método de precipitação por fosfato
O método de precipitação por fosfato envolve a adição de fosfato às águas residuais para reagir com íons cálcio e magnésio para formar precipitados insolúveis de fosfato de cálcio e magnésio. Por exemplo, o trifosfato de sódio (Na ₅ P ∝ O ₁₀) reage com íons cálcio para formar precipitados insolúveis de fosfato de cálcio. Este método tem alta eficiência de remoção de dureza e bom efeito de tratamento em águas residuais com baixa concentração de dureza. No entanto, este método introduz uma grande quantidade de elemento fósforo, o que pode levar à eutrofização dos corpos d'água, e o preço relativamente alto dos agentes fosfato aumenta os custos de tratamento.
（2） Método de troca iônica
O método de troca iônica utiliza íons trocáveis em resinas de troca iônica para trocar com íons cálcio e magnésio nas águas residuais. A resina de troca catiônica fortemente ácida (como resina de ácido sulfônico) é um trocador iônico comumente usado, e seu processo de troca é o seguinte:
2R - SO_ {3}H + Ca^{2 + }rightarrow (R - SO_{3})_ {2}Ca + 2H^{+}
2R - SO_ {3}H + Mg^{2 + }rightarrow (R - SO_{3})_ {2}Mg + 2H^{+}
Quando os íons trocáveis na resina estão saturados com íons cálcio e magnésio, é necessário usar ácidos (como ácido clorídrico e ácido sulfúrico) para regeneração para restaurar a capacidade de troca da resina. As vantagens do método de troca iônica são bom efeito de remoção de dureza, qualidade estável do efluente e a capacidade de atender a requisitos de qualidade de água mais altos; O equipamento ocupa uma área relativamente pequena e é relativamente fácil de operar. No entanto, este método tem as desvantagens de altos preços de resina e uma grande quantidade de águas residuais ácidas e alcalinas geradas durante o processo de regeneração, que precisam ser devidamente tratadas, caso contrário, causarão poluição secundária; A resina tem altos requisitos para a qualidade da água de entrada, e impurezas como sólidos suspensos e matéria orgânica nas águas residuais podem facilmente causar bloqueio e envenenamento da resina, afetando sua vida útil e outros problemas.
（3） Método de separação por membrana
1. Osmose reversa (RO)
A osmose reversa é uma tecnologia que separa solutos e solventes em uma solução através de uma membrana semipermeável sob pressão. O tamanho dos poros da membrana de osmose reversa é muito pequeno (cerca de 0,1-1nm), o que pode interceptar efetivamente íons cálcio e magnésio e alcançar a remoção da dureza da água residual. No processo de remoção da dureza, as moléculas de água passam pela membrana de osmose reversa sob pressão, enquanto os íons de dureza são interceptados, resultando em água produzida com baixa dureza. O método de osmose reversa tem alta eficiência na remoção da dureza, e a dureza do efluente pode ser reduzida a um nível muito baixo. É adequado para ocasiões que exigem qualidade de água extremamente alta, como água da indústria eletrônica, água de alimentação de caldeiras, etc. Mas suas desvantagens são alta pressão de operação e alto consumo de energia; Os componentes da membrana são caros e facilmente contaminados por matéria orgânica, microrganismos e outros poluentes nas águas residuais, exigindo limpeza e substituição regulares, resultando em altos custos de manutenção; Enquanto isso, o processo de osmose reversa gera uma certa quantidade de água concentrada, e o tratamento da água concentrada também é um desafio.
2. Nanofiltração (NF)
O tamanho dos poros da membrana de nanofiltração está entre a membrana de osmose reversa e a membrana de ultrafiltração (cerca de 1-10nm), e tem uma alta taxa de retenção para íons divalentes (como íons cálcio e magnésio), enquanto a taxa de retenção para íons monovalentes (como íons sódio e cloreto) é relativamente baixa. O processo de nanofiltração pode operar em pressões mais baixas, o que reduz o consumo de energia em comparação com a osmose reversa. A nanofiltração pode não apenas remover efetivamente os íons de dureza, mas também remover parcialmente matéria orgânica e íons de metais pesados. No entanto, as membranas de nanofiltração também têm o problema de fácil contaminação e exigem pré-tratamento rigoroso da água de entrada; Além disso, a vida útil e o efeito de remoção da dureza das membranas de nanofiltração são muito afetados por fatores como qualidade da água e condições de operação.
（4） Método de adsorção
O método de adsorção é o uso de sítios ativos na superfície dos adsorventes para adsorver e remover íons cálcio e magnésio. Os adsorventes comuns incluem carvão ativado, zeólita, bentonita, óxidos metálicos, etc. Por exemplo, a zeólita tem uma estrutura de poros única e desempenho de troca iônica, e seus cátions trocáveis podem sofrer adsorção de troca com íons cálcio e magnésio nas águas residuais. O método de adsorção é simples de operar e tem um certo efeito de tratamento em águas residuais com baixa concentração de dureza. Além disso, alguns adsorventes podem ser reutilizados por meio de regeneração. No entanto, a capacidade de adsorção do adsorvente é limitada, o que resulta em baixa eficiência de tratamento para águas residuais com alta concentração de dureza; O processo de regeneração dos adsorventes é relativamente complexo, e o efeito de regeneração é instável, o que pode afetar a vida útil e o efeito de remoção da dureza dos adsorventes.
（5） Outros métodos
1. Método de eletrodiálise
A eletrodiálise utiliza a permeabilidade seletiva e o efeito do campo elétrico das membranas de troca iônica para induzir a migração direcional de íons na água, alcançando assim a remoção da dureza da água residual. Durante a eletrodiálise, as membranas de troca catiônica permitem apenas a passagem de cátions, enquanto as membranas de troca aniônica permitem apenas a passagem de ânions. Sob a ação de um campo elétrico, os íons cálcio e magnésio nas águas residuais migram para o eletrodo negativo através das membranas de troca catiônica, separando-se assim da água. O método de eletrodiálise para remoção da dureza não requer a adição de agentes químicos e não produz lodo, tornando o processo de operação relativamente ecologicamente correto. No entanto, este método requer um grande investimento em equipamentos, consome energia elétrica durante a operação e tem altos requisitos para a qualidade da água de entrada, exigindo pré-tratamento rigoroso para evitar o incrustamento da membrana.
2. Método microbiano
O método microbiano é usar a atividade metabólica de microrganismos ou a reação entre polímeros extracelulares de microrganismos e íons cálcio e magnésio para alcançar a remoção da dureza da água residual. Por exemplo, alguns microrganismos podem aumentar o valor de pH do ambiente circundante secretando substâncias alcalinas, o que promove a precipitação de íons cálcio e magnésio; Grupos funcionais em polímeros extracelulares microbianos, como grupos carboxila e hidroxila, também podem sofrer complexação e adsorção com íons cálcio e magnésio. Os métodos microbianos têm as vantagens de baixo custo de tratamento e respeito ao meio ambiente, mas o processo de tratamento é lento e muito afetado pelas condições de crescimento microbiano, como temperatura, valor de pH, oxigênio dissolvido, etc. Atualmente, ainda existem certas limitações em aplicações práticas.
4、 Comparação e seleção de diferentes métodos para remover a dureza
Diferentes métodos para remover a dureza da água residual têm suas próprias vantagens e desvantagens, e sua aplicabilidade também varia. Em aplicações práticas, é necessário considerar de forma abrangente fatores como as características de qualidade da água das águas residuais (como concentração de íons de dureza, outros componentes poluentes, etc.), escala de tratamento, custo de tratamento, requisitos de qualidade do efluente e requisitos de proteção ambiental, e selecionar métodos apropriados para remover a dureza. Para águas residuais com alta concentração de dureza, a precipitação química pode ser um método mais econômico e eficaz; Para tratamento em pequena escala que requer alta qualidade da água, os métodos de troca iônica ou osmose reversa são mais adequados; Para águas residuais com baixa concentração de dureza que são sensíveis ao custo, a adsorção ou os métodos microbianos podem ter um certo potencial de aplicação. Além disso, em muitos casos, uma combinação de múltiplos métodos para remover a dureza pode ser usada para aproveitar totalmente as vantagens de cada método, melhorar o efeito de remoção e reduzir os custos de processamento.
5、 Conclusão e Perspectiva
A tecnologia de remoção da dureza da água residual é de grande importância para garantir a produção industrial, realizar a reciclagem de recursos hídricos e proteger o meio ambiente ecológico. Atualmente, vários métodos para remover a dureza, como precipitação química, troca iônica, separação por membrana, adsorção, etc., têm sido amplamente utilizados na engenharia prática, mas cada método tem certas limitações. No futuro, a tendência de desenvolvimento da tecnologia de descalcificação de águas residuais inclui principalmente os seguintes aspectos: em primeiro lugar, desenvolver novos agentes de descalcificação e materiais de adsorção eficientes, ecologicamente corretos e econômicos para melhorar a eficiência da descalcificação, reduzir os custos de tratamento e a poluição secundária; O segundo é fortalecer a pesquisa e o desenvolvimento de materiais de membrana, melhorar o desempenho anti-poluição, a taxa de retenção e a vida útil das membranas e reduzir os custos operacionais da tecnologia de separação por membrana; O terceiro é conduzir pesquisas aprofundadas sobre o mecanismo de remoção da dureza microbiana, otimizar os processos de tratamento microbiano e melhorar sua estabilidade e eficiência de tratamento; O quarto é explorar o processo de aplicação conjunta de múltiplos métodos para remover a dureza, alcançar vantagens complementares e melhorar o efeito geral do tratamento. Por meio da inovação tecnológica contínua e da otimização do processo, a tecnologia de descalcificação de águas residuais desempenhará um papel mais importante na utilização sustentável dos recursos hídricos e na proteção ambiental no futuro.
