El tratamiento biológico convencional puede degradar eficientemente la mayor parte de la DQO en el agua y, con la adición de procesos de desnitrificación anóxica, el nitrógeno total también se puede eliminar de manera efectiva. Sin embargo, para el fósforo, los iones de metales pesados y los iones de dureza, el efecto de eliminación de procesos biológicos simples es limitado: los microorganismos sólo pueden asimilar una pequeña cantidad de fósforo a través de su propio crecimiento y metabolismo, que no pueden cumplir los estándares de manera estable; mientras que los metales pesados y los iones de dureza no pueden biodegradarse y los sistemas biológicos no pueden lograr una eliminación efectiva. Los iones de metales pesados son tóxicos para los microorganismos y concentraciones ligeramente más altas pueden inhibir reacciones biológicas; Los iones de dureza están completamente disueltos en agua y los sistemas biológicos no pueden eliminarlos.
Para tratar estas sustancias, es necesaria la precipitación química-agregando agentes químicos para hacer que los iones objetivo cambien de un estado disuelto a un estado insoluble y precipiten, que luego se elimina mediante separación sólido-líquido.
I. Principios básicos de la precipitación química
La lógica subyacente de la precipitación química es la regla de la solubilidad del producto: agregar agentes precipitantes al agua residual hace que los iones contaminantes disueltos en el agua se combinen con los agentes, formando sustancias sólidas que son difíciles de disolver en agua. Cuando la concentración de dichas sustancias excede el límite de capacidad de carga (producto de solubilidad Ksp) del cuerpo de agua, automáticamente precipitarán del agua, formando sedimentos para su separación.
La clave es que la cantidad de precipitante agregado debe ser suficiente para reducir la concentración de los iones objetivo al nivel requerido, pero no excesivamente-el precipitante excesivo puede causar contaminación secundaria (como sales y iones metálicos residuales) y aumentar la producción de lodos.
II. Eliminación química de fósforo
El fósforo es el principal culpable de la eutrofización de las masas de agua, y las normas de descarga de fósforo total son cada vez más estrictas. La eliminación biológica de fósforo se basa en la acumulación de polifosfato-bacterias para liberar fósforo anaeróbicamente y luego eliminar el exceso de fósforo con el lodo restante durante los procesos aeróbicos. Sin embargo, la tasa de eliminación es limitada. Cuando el fósforo total en el afluente es demasiado alto, la eliminación biológica de fósforo es insuficiente para cumplir de manera confiable con los estándares y se debe utilizar la eliminación química de fósforo como alternativa.
Principio: La adición de sales de aluminio (PAC) o sales de hierro (sulfato poliférrico) hace que los iones metálicos reaccionen con los iones fosfato para formar precipitados de fosfato de aluminio o fosfato de hierro; También se puede añadir cal (Ca(OH)₂), formando precipitados de hidroxifosfato de calcio en condiciones alcalinas.
Reacción de la sal de aluminio: Al³⁺ + PO₄³⁻ → AlPO₄↓;
Reacción de la sal de hierro: Fe³⁺ + PO₄³⁻ → FePO₄↓;
Reacción de cal: 5Ca²⁺ + 4OH⁻ + 3PO₄³⁻ → Ca₅(OH)(PO₄)₃↓;
Ubicación adicional: Hay tres opciones. La pre-adición antes del tanque de tratamiento biológico da como resultado un tiempo de reacción prolongado, pero el impacto de las sales de aluminio en los microorganismos sigue siendo controvertido; la adición simultánea al final de la sección aeróbica del tanque de tratamiento biológico utiliza aireación y agitación para promover la reacción, que es el método más común en las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales, y el coagulante promueve la floculación de lodos activados; La post-adición después del tanque de sedimentación secundario, en la sección de tratamiento avanzado, elimina directa y precisamente el fósforo residual, requiere la menor dosis, produce la menor cantidad de lodo, pero requiere una instalación de reacción y sedimentación separada. La elección específica depende del flujo del proceso y de los requisitos de cumplimiento de fósforo.
Puntos operativos clave: La clave para la eliminación química del fósforo es hacer coincidir la dosis del producto químico con la concentración total de fósforo en el afluente. Cuando la concentración de fósforo total en el afluente fluctúa significativamente, es necesario un medidor de fósforo total en línea o un muestreo periódico para ajustar la dosis. El pH del efluente necesita atención-la adición de sales de aluminio y hierro consume alcalinidad y la eficiencia de eliminación de fósforo disminuye cuando el pH es inferior a 6; la adición de cal elevará el pH del efluente, lo que requerirá un ajuste. El lodo químico producido por la eliminación de fósforo contiene una gran cantidad de materia inorgánica y tiene un buen rendimiento de deshidratación; En la medida de lo posible, debe eliminarse por separado de los lodos biológicos.
III. Eliminación de metales pesados
Las aguas residuales de industrias como la galvanoplastia, la metalurgia, la minería y la electrónica contienen iones de metales pesados como cobre, zinc, plomo, cadmio, níquel y cromo. Los metales pesados son altamente tóxicos y no-degradables, por lo que requieren un control estricto.
Principio: La adición de álcali (NaOH, Ca(OH)₂) o sulfuros (Na₂S, NaHS) hace que los iones de metales pesados precipiten como hidróxidos o sulfuros. La precipitación de hidróxido es un método simple y de bajo costo-, lo que lo convierte en el enfoque principal. La precipitación de sulfuro tiene un producto de solubilidad más pequeño y una mayor eficiencia de eliminación (especialmente para mercurio y cadmio), pero la adición excesiva de sulfuro produce gas H₂S tóxico, lo que requiere condiciones alcalinas para evitar el escape de H₂S. Para el cromo hexavalente (Cr⁶⁺) en aguas residuales que contienen cromo-, primero se debe reducir a cromo trivalente (Cr³⁺) con un agente reductor (bisulfito de sodio, metabisulfito de sodio) y luego precipitar como Cr(OH)₃ con un álcali.
Puntos operativos clave: el control del pH es primordial-cada metal pesado tiene un rango de pH óptimo para la precipitación de hidróxido (generalmente entre 8 y 10), y estos rangos varían. Se debe considerar exhaustivamente la coexistencia de múltiples metales pesados en aguas residuales mixtas, seleccionando un valor de pH de compromiso o una precipitación gradual. Una vez completada la reacción de precipitación, se debe agregar un coagulante (PAC+PAM) para mejorar la separación sólido-líquido; de lo contrario, las finas partículas del precipitado penetrarán en el efluente. Los complejos pueden interferir con la precipitación-por ejemplo, los complejos de metales pesados que contienen cianuro- requieren que el complejo se rompa antes de la precipitación.
PIV. Eliminación de dureza (ablandamiento)
Los iones de dureza son principalmente iones de calcio (Ca²⁺) y magnesio (Mg²⁺). Causan incrustaciones en los sistemas de membranas (RO, NF), forman incrustaciones en los equipos de intercambio de calor, lo que reduce la eficiencia del intercambio de calor y afectan la calidad de la limpieza en la industria de la lavandería.
Principio: Al utilizar agentes químicos para convertir los iones de calcio y magnesio en CaCO₃ y Mg(OH)₂, se pueden eliminar la mayoría de los iones de calcio y magnesio.
Puntos de operación: El pH del efluente ablandado es alto y debe ajustarse a neutro agregando ácido antes de ingresar a las unidades de tratamiento posteriores o ser descargado. La reacción de precipitación requiere un tiempo de retención suficiente y debe combinarse con coagulación y floculación para mejorar el efecto de precipitación. Los lodos ablandados se producen en grandes cantidades, compuestos principalmente de carbonato cálcico e hidróxido de magnesio, que pueden deshidratarse y utilizarse como material de construcción o enviarse a vertederos.
V. Posicionamiento de los Tres Procesos de Precipitación en el Proceso de Flujo
La eliminación química del fósforo suele realizarse simultáneamente con la etapa de tratamiento biológico o después de la etapa avanzada; la eliminación de metales pesados es un pretratamiento en el extremo del afluente para proteger el sistema biológico; El ablandamiento para eliminar la dureza generalmente se realiza al final del tratamiento de reutilización (antes del sistema de membranas). Los tres se pueden usar en combinación dependiendo de los requisitos de calidad del agua.-Las aguas residuales que contienen metales pesados- generalmente se someten a precipitación química para eliminar los metales pesados antes de ingresar al proceso de tratamiento biológico; la eliminación simultánea de fósforo + eliminación avanzada de fósforo es una práctica común para las aguas residuales municipales; y en proyectos de reutilización el ablandamiento se realiza antes de la membrana.