abstracto
Con el aumento continuo de la producción industrial y la descarga de aguas residuales domésticas, los iones de dureza en las aguas residuales tienen un impacto grave en el medio ambiente y los procesos de tratamiento posteriores. Este artículo expone sistemáticamente los principios básicos del ablandamiento de aguas residuales, analiza en detalle las características técnicas, el alcance de aplicación y los problemas existentes de varios métodos de ablandamiento como la precipitación química, el intercambio iónico, la separación por membrana y la adsorción, y prevé la tendencia de desarrollo de la tecnología de ablandamiento de aguas residuales en el futuro, con el objetivo de proporcionar una referencia teórica para la optimización y la innovación tecnológica de los procesos de ablandamiento de aguas residuales.
1、 Introducción
La dureza de las aguas residuales es causada principalmente por la presencia de iones de calcio y magnesio (en forma de sales como carbonato de calcio, carbonato de magnesio, sulfato de calcio, sulfato de magnesio, etc.) en el agua. En la producción industrial, las aguas residuales con alta dureza pueden causar incrustaciones en los equipos, reducir la eficiencia del intercambio de calor, aumentar el consumo de energía e incluso provocar fallas en los equipos; En el proceso de tratamiento y reutilización de aguas residuales domésticas, el agua dura puede afectar el efecto del lavado y reducir la comodidad del agua doméstica. Además, la descarga de aguas residuales que contienen una gran cantidad de iones de dureza también puede tener efectos adversos en el equilibrio ecológico de los cuerpos de agua naturales. Por lo tanto, la eliminación efectiva de los iones de dureza de las aguas residuales es de gran importancia para el funcionamiento estable de la producción industrial, el reciclaje de los recursos hídricos y la protección del medio ambiente ecológico.
2、 Principio del ablandamiento de aguas residuales
La dureza en las aguas residuales generalmente se divide en dureza temporal y dureza permanente. La dureza temporal se compone principalmente de sales de bicarbonato de calcio y magnesio, que se pueden descomponer en precipitados de carbonato de calcio e hidróxido de magnesio y eliminarse por calentamiento; La dureza permanente se compone de sulfatos, cloruros, etc. de calcio y magnesio, que deben eliminarse mediante métodos químicos, físicos o fisicoquímicos. Los principios básicos del ablandamiento de aguas residuales se basan principalmente en la reacción de precipitación, el intercambio iónico, la permeación selectiva de membranas, la adsorción, etc. La reacción de precipitación es el uso de ciertos agentes químicos para reaccionar con los iones de calcio y magnesio para generar precipitados insolubles, separándolos así de las aguas residuales; El método de intercambio iónico es el uso de resina de intercambio iónico para intercambiar iones de calcio y magnesio en el agua y fijarlos en la resina; El método de separación por membrana se basa en la diferencia en la capacidad de retención de la membrana para diferentes iones para lograr la separación de los iones de dureza del agua; El principio de adsorción es eliminar los iones de calcio y magnesio por adsorción a través de los sitios activos en la superficie del adsorbente.
3、 Métodos para eliminar la dureza de las aguas residuales
（1） Método de precipitación química
1. Método de cal y ceniza de sosa
El método de cal y ceniza de sosa es uno de los métodos de precipitación química más utilizados para eliminar la dureza. Este método implica agregar cal (Ca (OH) ₂) y ceniza de sosa (Na ₂ CO3) a las aguas residuales. La cal primero reacciona con los iones bicarbonato en el agua para formar precipitado de carbonato de calcio, mientras que los iones de magnesio se convierten en precipitado de hidróxido de magnesio. La ceniza de sosa reacciona además con los iones de calcio en el agua para formar precipitado de carbonato de calcio. El proceso de reacción es el siguiente:
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}
Las ventajas de este método son el bajo costo de tratamiento, la amplia gama de fuentes químicas y el efecto de tratamiento significativo en las aguas residuales con alta concentración de dureza. Pero las desventajas también son bastante obvias, como la producción de una gran cantidad de lodos y el alto costo del tratamiento de lodos; El proceso de reacción requiere un control preciso del valor de pH y la dosis de los reactivos, de lo contrario, afectará el efecto de eliminación de la dureza; Las aguas residuales tratadas pueden retener una cierta cantidad de carbonato de sodio, lo que lleva a un aumento en la alcalinidad del agua.
1. Método de precipitación con fosfato
El método de precipitación con fosfato implica agregar fosfato a las aguas residuales para reaccionar con los iones de calcio y magnesio para formar precipitados insolubles de fosfato de calcio y magnesio. Por ejemplo, el trifosfato de sodio (Na ₅ P ∝ O ₁₀) reacciona con los iones de calcio para formar precipitados insolubles de fosfato de calcio. Este método tiene una alta eficiencia de eliminación de dureza y un buen efecto de tratamiento en aguas residuales con baja concentración de dureza. Sin embargo, este método introduce una gran cantidad de elemento fósforo, lo que puede conducir a la eutrofización de los cuerpos de agua, y el precio relativamente alto de los agentes fosfato aumenta los costos de tratamiento.
（2） Método de intercambio iónico
El método de intercambio iónico utiliza iones intercambiables en resinas de intercambio iónico para intercambiar con iones de calcio y magnesio en las aguas residuales. La resina de intercambio catiónico fuertemente ácida (como la resina de ácido sulfónico) es un intercambiador iónico comúnmente utilizado, y su proceso de intercambio es el siguiente:
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^{+}
Cuando los iones intercambiables en la resina están saturados con iones de calcio y magnesio, es necesario usar ácidos (como ácido clorhídrico y ácido sulfúrico) para la regeneración para restaurar la capacidad de intercambio de la resina. Las ventajas del método de intercambio iónico son el buen efecto de eliminación de la dureza, la calidad estable del efluente y la capacidad de cumplir con los requisitos de mayor calidad del agua; El equipo ocupa un área relativamente pequeña y es relativamente fácil de operar. Sin embargo, este método tiene las desventajas de los altos precios de la resina y una gran cantidad de aguas residuales ácidas y alcalinas generadas durante el proceso de regeneración, que deben tratarse adecuadamente, de lo contrario, causará contaminación secundaria; La resina tiene altos requisitos para la calidad del agua entrante, y las impurezas como los sólidos en suspensión y la materia orgánica en las aguas residuales pueden causar fácilmente el bloqueo y el envenenamiento de la resina, lo que afecta su vida útil y otros problemas.
（3） Método de separación por membrana
1. Ósmosis inversa (OI)
La ósmosis inversa es una tecnología que separa solutos y solventes en una solución a través de una membrana semipermeable bajo presión. El tamaño de poro de la membrana de ósmosis inversa es muy pequeño (aproximadamente 0.1-1 nm), lo que puede interceptar eficazmente los iones de calcio y magnesio y lograr la eliminación de la dureza de las aguas residuales. En el proceso de eliminación de la dureza, las moléculas de agua pasan a través de la membrana de ósmosis inversa bajo presión, mientras que los iones de dureza son interceptados, lo que resulta en agua producida con baja dureza. El método de ósmosis inversa tiene una alta eficiencia en la eliminación de la dureza, y la dureza del efluente se puede reducir a un nivel muy bajo. Es adecuado para ocasiones que requieren una calidad de agua extremadamente alta, como el agua de la industria electrónica, el agua de alimentación de calderas, etc. Pero sus desventajas son la alta presión de funcionamiento y el alto consumo de energía; Los componentes de la membrana son caros y se contaminan fácilmente con materia orgánica, microorganismos y otros contaminantes en las aguas residuales, lo que requiere una limpieza y reemplazo regulares, lo que resulta en altos costos de mantenimiento; Mientras tanto, el proceso de ósmosis inversa genera una cierta cantidad de agua concentrada, y el tratamiento del agua concentrada también es un desafío.
2. Nanofiltración (NF)
El tamaño de poro de la membrana de nanofiltración está entre la membrana de ósmosis inversa y la membrana de ultrafiltración (aproximadamente 1-10 nm), y tiene una alta tasa de retención para iones divalentes (como iones de calcio y magnesio), mientras que la tasa de retención para iones monovalentes (como iones de sodio y cloruro) es relativamente baja. El proceso de nanofiltración puede operar a presiones más bajas, lo que reduce el consumo de energía en comparación con la ósmosis inversa. La nanofiltración no solo puede eliminar eficazmente los iones de dureza, sino también eliminar parcialmente la materia orgánica y los iones de metales pesados. Sin embargo, las membranas de nanofiltración también tienen el problema de la fácil contaminación y requieren un pretratamiento estricto del agua entrante; Además, la vida útil y el efecto de eliminación de la dureza de las membranas de nanofiltración se ven muy afectados por factores como la calidad del agua y las condiciones de funcionamiento.
（4） Método de adsorción
El método de adsorción es el uso de sitios activos en la superficie de los adsorbentes para adsorber y eliminar iones de calcio y magnesio. Los adsorbentes comunes incluyen carbón activado, zeolita, bentonita, óxidos metálicos, etc. Por ejemplo, la zeolita tiene una estructura de poros única y un rendimiento de intercambio iónico, y sus cationes intercambiables pueden someterse a adsorción de intercambio con iones de calcio y magnesio en las aguas residuales. El método de adsorción es simple de operar y tiene un cierto efecto de tratamiento en aguas residuales con baja concentración de dureza. Además, algunos adsorbentes se pueden reutilizar mediante regeneración. Sin embargo, la capacidad de adsorción del adsorbente es limitada, lo que resulta en una baja eficiencia de tratamiento para las aguas residuales con alta concentración de dureza; El proceso de regeneración de los adsorbentes es relativamente complejo, y el efecto de regeneración es inestable, lo que puede afectar la vida útil y el efecto de eliminación de la dureza de los adsorbentes.
（5） Otros métodos
1. Método de electrodiálisis
La electrodiálisis utiliza la permeabilidad selectiva y el efecto del campo eléctrico de las membranas de intercambio iónico para inducir la migración direccional de iones en el agua, logrando así la eliminación de la dureza de las aguas residuales. Durante la electrodiálisis, las membranas de intercambio catiónico solo permiten el paso de cationes, mientras que las membranas de intercambio aniónico solo permiten el paso de aniones. Bajo la acción de un campo eléctrico, los iones de calcio y magnesio en las aguas residuales migran al electrodo negativo a través de las membranas de intercambio catiónico, separándose así del agua. El método de electrodiálisis para eliminar la dureza no requiere la adición de agentes químicos y no produce lodos, lo que hace que el proceso de operación sea relativamente respetuoso con el medio ambiente. Sin embargo, este método requiere una gran inversión en equipos, consume energía eléctrica durante la operación y tiene altos requisitos para la calidad del agua entrante, lo que requiere un pretratamiento estricto para evitar la incrustación de la membrana.
2. Método microbiano
El método microbiano consiste en utilizar la actividad metabólica de los microorganismos o la reacción entre los polímeros extracelulares de los microorganismos y los iones de calcio y magnesio para lograr la eliminación de la dureza de las aguas residuales. Por ejemplo, algunos microorganismos pueden aumentar el valor de pH del entorno circundante al secretar sustancias alcalinas, lo que promueve la precipitación de iones de calcio y magnesio; Los grupos funcionales en los polímeros extracelulares microbianos, como los grupos carboxilo e hidroxilo, también pueden someterse a complexación y adsorción con iones de calcio y magnesio. Los métodos microbianos tienen las ventajas de un bajo costo de tratamiento y respeto al medio ambiente, pero el proceso de tratamiento es lento y se ve muy afectado por las condiciones de crecimiento microbiano, como la temperatura, el valor de pH, el oxígeno disuelto, etc. Actualmente, todavía existen ciertas limitaciones en las aplicaciones prácticas.
4、 Comparación y selección de diferentes métodos para eliminar la dureza
Los diferentes métodos para eliminar la dureza de las aguas residuales tienen sus propias ventajas y desventajas, y su aplicabilidad también varía. En las aplicaciones prácticas, es necesario considerar exhaustivamente factores como las características de calidad del agua de las aguas residuales (como la concentración de iones de dureza, otros componentes contaminantes, etc.), la escala de tratamiento, el costo de tratamiento, los requisitos de calidad del efluente y los requisitos de protección ambiental, y seleccionar los métodos apropiados para eliminar la dureza. Para las aguas residuales con alta concentración de dureza, la precipitación química puede ser un método más económico y eficaz; Para el tratamiento a pequeña escala que requiere una alta calidad del agua, los métodos de intercambio iónico u ósmosis inversa son más adecuados; Para las aguas residuales con baja concentración de dureza que son sensibles al costo, la adsorción o los métodos microbianos pueden tener un cierto potencial de aplicación. Además, en muchos casos, se puede utilizar una combinación de múltiples métodos para eliminar la dureza para aprovechar al máximo las ventajas de cada método, mejorar el efecto de eliminación y reducir los costos de procesamiento.
5、 Conclusión y Perspectiva
La tecnología de eliminación de la dureza de las aguas residuales es de gran importancia para garantizar la producción industrial, la realización del reciclaje de los recursos hídricos y la protección del medio ambiente ecológico. En la actualidad, varios métodos para eliminar la dureza, como la precipitación química, el intercambio iónico, la separación por membrana, la adsorción, etc., se han utilizado ampliamente en la ingeniería práctica, pero cada método tiene ciertas limitaciones. En el futuro, la tendencia de desarrollo de la tecnología de ablandamiento de aguas residuales incluye principalmente los siguientes aspectos: en primer lugar, el desarrollo de nuevos agentes de ablandamiento y materiales de adsorción eficientes, respetuosos con el medio ambiente y económicos para mejorar la eficiencia de ablandamiento, reducir los costos de tratamiento y la contaminación secundaria; El segundo es fortalecer la investigación y el desarrollo de materiales de membrana, mejorar el rendimiento anti-contaminación, la tasa de retención y la vida útil de las membranas, y reducir los costos operativos de la tecnología de separación por membrana; El tercero es llevar a cabo una investigación en profundidad sobre el mecanismo de eliminación de la dureza microbiana, optimizar los procesos de tratamiento microbiano y mejorar su estabilidad y eficiencia de tratamiento; El cuarto es explorar el proceso de aplicación conjunta de múltiples métodos para eliminar la dureza, lograr ventajas complementarias y mejorar el efecto general del tratamiento. A través de la innovación tecnológica continua y la optimización de procesos, la tecnología de ablandamiento de aguas residuales desempeñará un papel más importante en la utilización sostenible de los recursos hídricos y la protección del medio ambiente en el futuro.
