περίληψη
Με τη συνεχή αύξηση της βιομηχανικής παραγωγής και της απόρριψης οικιακών λυμάτων, τα ιόντα σκληρότητας στα λύματα έχουν σοβαρές επιπτώσεις στο περιβάλλον και στις επακόλουθες διαδικασίες επεξεργασίας. Αυτό το άρθρο εκθέτει συστηματικά τις βασικές αρχές της αφαλάτωσης των λυμάτων, αναλύει λεπτομερώς τα τεχνικά χαρακτηριστικά, το πεδίο εφαρμογής και τα υπάρχοντα προβλήματα διαφόρων μεθόδων αφαλάτωσης, όπως η χημική κατακρήμνιση, η ανταλλαγή ιόντων, ο διαχωρισμός μεμβράνης και η προσρόφηση, και προσβλέπει στην αναπτυξιακή τάση της τεχνολογίας αφαλάτωσης λυμάτων στο μέλλον, με στόχο την παροχή θεωρητικής αναφοράς για τη βελτιστοποίηση και την τεχνολογική καινοτομία των διαδικασιών αφαλάτωσης λυμάτων.
1、 Εισαγωγή
Η σκληρότητα των λυμάτων προκαλείται κυρίως από την παρουσία ιόντων ασβεστίου και μαγνησίου (υπό τη μορφή αλάτων όπως ανθρακικό ασβέστιο, ανθρακικό μαγνήσιο, θειικό ασβέστιο, θειικό μαγνήσιο κ.λπ.) στο νερό. Στη βιομηχανική παραγωγή, τα λύματα υψηλής σκληρότητας μπορούν να προκαλέσουν εναποθέσεις στις συσκευές, να μειώσουν την απόδοση ανταλλαγής θερμότητας, να αυξήσουν την κατανάλωση ενέργειας, ακόμη και να οδηγήσουν σε βλάβη του εξοπλισμού. Στη διαδικασία επεξεργασίας και επαναχρησιμοποίησης οικιακών λυμάτων, το σκληρό νερό μπορεί να επηρεάσει το αποτέλεσμα του πλυσίματος και να μειώσει την άνεση του οικιακού νερού. Επιπλέον, η απόρριψη λυμάτων που περιέχουν μεγάλη ποσότητα ιόντων σκληρότητας μπορεί επίσης να έχει δυσμενείς επιπτώσεις στην οικολογική ισορροπία των φυσικών υδάτινων σωμάτων. Επομένως, η αποτελεσματική απομάκρυνση των ιόντων σκληρότητας από τα λύματα έχει μεγάλη σημασία για τη σταθερή λειτουργία της βιομηχανικής παραγωγής, την ανακύκλωση των υδάτινων πόρων και την προστασία του οικολογικού περιβάλλοντος.
2、 Αρχή της Αφυδάτωσης Λυμάτων
Η σκληρότητα στα λύματα συνήθως χωρίζεται σε προσωρινή σκληρότητα και μόνιμη σκληρότητα. Η προσωρινή σκληρότητα αποτελείται κυρίως από διττανθρακικά άλατα ασβεστίου και μαγνησίου, τα οποία μπορούν να αποσυντεθούν σε κατακρημνίσματα ανθρακικού ασβεστίου και υδροξειδίου του μαγνησίου και να απομακρυνθούν με θέρμανση. Η μόνιμη σκληρότητα αποτελείται από θειικά, χλωριούχα κ.λπ. ασβεστίου και μαγνησίου, τα οποία πρέπει να απομακρυνθούν μέσω χημικών, φυσικών ή φυσικοχημικών μεθόδων. Οι βασικές αρχές της αφαλάτωσης των λυμάτων βασίζονται κυρίως στην αντίδραση κατακρήμνισης, την ανταλλαγή ιόντων, την επιλεκτική διαπερατότητα μεμβράνης, την προσρόφηση κ.λπ. Η αντίδραση κατακρήμνισης είναι η χρήση ορισμένων χημικών παραγόντων για αντίδραση με ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου για τη δημιουργία αδιάλυτων κατακρημνισμάτων, διαχωρίζοντάς τα έτσι από τα λύματα. Η μέθοδος ανταλλαγής ιόντων είναι η χρήση ρητίνης ανταλλαγής ιόντων για την ανταλλαγή ιόντων ασβεστίου και μαγνησίου στο νερό και την καθήλωσή τους στη ρητίνη. Η μέθοδος διαχωρισμού μεμβράνης βασίζεται στη διαφορά στην ικανότητα κατακράτησης μεμβράνης για διαφορετικά ιόντα για την επίτευξη του διαχωρισμού των ιόντων σκληρότητας από το νερό. Η αρχή της προσρόφησης είναι η απομάκρυνση ιόντων ασβεστίου και μαγνησίου με προσρόφηση μέσω των ενεργών θέσεων στην επιφάνεια του προσροφητικού.
3、 Μέθοδοι απομάκρυνσης της σκληρότητας από τα λύματα
（1） Μέθοδος χημικής κατακρήμνισης
1. Μέθοδος ασβέστη-σόδας
Η μέθοδος ασβέστη-σόδας είναι μια από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μεθόδους χημικής κατακρήμνισης για την απομάκρυνση της σκληρότητας. Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει την προσθήκη ασβέστη (Ca (OH) ₂) και σόδας (Na ₂ CO3) στα λύματα. Ο ασβέστης αντιδρά πρώτα με τα ιόντα διττανθρακικού στο νερό για να σχηματίσει κατακρήμνισμα ανθρακικού ασβεστίου, ενώ τα ιόντα μαγνησίου μετατρέπονται σε κατακρήμνισμα υδροξειδίου του μαγνησίου. Η σόδα αντιδρά περαιτέρω με τα ιόντα ασβεστίου στο νερό για να σχηματίσει κατακρήμνισμα ανθρακικού ασβεστίου. Η διαδικασία αντίδρασης είναι η εξής:
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}
Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι το χαμηλό κόστος επεξεργασίας, το ευρύ φάσμα χημικών πηγών και το σημαντικό αποτέλεσμα επεξεργασίας σε λύματα υψηλής συγκέντρωσης σκληρότητας. Αλλά τα μειονεκτήματα είναι επίσης αρκετά εμφανή, όπως η παραγωγή μεγάλης ποσότητας ιλύος και το υψηλό κόστος επεξεργασίας ιλύος. Η διαδικασία αντίδρασης απαιτεί ακριβή έλεγχο της τιμής pH και της δοσολογίας των αντιδραστηρίων, διαφορετικά θα επηρεάσει το αποτέλεσμα απομάκρυνσης της σκληρότητας. Τα επεξεργασμένα λύματα μπορεί να διατηρήσουν μια ορισμένη ποσότητα ανθρακικού νατρίου, οδηγώντας σε αύξηση της αλκαλικότητας του νερού.
1. Μέθοδος κατακρήμνισης φωσφορικών
Η μέθοδος κατακρήμνισης φωσφορικών περιλαμβάνει την προσθήκη φωσφορικών στα λύματα για αντίδραση με ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου για τη δημιουργία αδιάλυτων κατακρημνισμάτων φωσφορικού ασβεστίου και μαγνησίου. Για παράδειγμα, το τριπολυφωσφορικό νάτριο (Na ₅ P ∝ O ₁₀) αντιδρά με ιόντα ασβεστίου για να σχηματίσει αδιάλυτα κατακρημνίσματα φωσφορικού ασβεστίου. Αυτή η μέθοδος έχει υψηλή απόδοση απομάκρυνσης σκληρότητας και καλό αποτέλεσμα επεξεργασίας σε λύματα χαμηλής συγκέντρωσης σκληρότητας. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος εισάγει μεγάλη ποσότητα στοιχείου φωσφόρου, το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε ευτροφισμό των υδάτινων σωμάτων και η σχετικά υψηλή τιμή των παραγόντων φωσφορικών αυξάνει το κόστος επεξεργασίας.
（2） Μέθοδος ανταλλαγής ιόντων
Η μέθοδος ανταλλαγής ιόντων χρησιμοποιεί ανταλλάξιμα ιόντα σε ρητίνες ανταλλαγής ιόντων για ανταλλαγή με ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου στα λύματα. Η ισχυρή όξινη ρητίνη ανταλλαγής κατιόντων (όπως η ρητίνη σουλφονικού οξέος) είναι ένας συνήθως χρησιμοποιούμενος ανταλλάκτης ιόντων και η διαδικασία ανταλλαγής του είναι η εξής:
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^{+}
Όταν τα ανταλλάξιμα ιόντα στη ρητίνη είναι κορεσμένα με ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν οξέα (όπως υδροχλωρικό οξύ και θειικό οξύ) για αναγέννηση για την αποκατάσταση της ικανότητας ανταλλαγής της ρητίνης. Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου ανταλλαγής ιόντων είναι το καλό αποτέλεσμα απομάκρυνσης σκληρότητας, η σταθερή ποιότητα εκροής και η ικανότητα να πληρούνται υψηλότερες απαιτήσεις ποιότητας νερού. Ο εξοπλισμός καταλαμβάνει μια σχετικά μικρή περιοχή και είναι σχετικά εύκολος στη λειτουργία. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος έχει τα μειονεκτήματα των υψηλών τιμών ρητίνης και μιας μεγάλης ποσότητας όξινων και αλκαλικών λυμάτων που παράγονται κατά τη διαδικασία αναγέννησης, τα οποία πρέπει να υποβληθούν σε κατάλληλη επεξεργασία, διαφορετικά θα προκαλέσουν δευτερογενή ρύπανση. Η ρητίνη έχει υψηλές απαιτήσεις για την ποιότητα του εισερχόμενου νερού και οι ακαθαρσίες όπως αιωρούμενα στερεά και οργανική ύλη στα λύματα μπορούν εύκολα να προκαλέσουν απόφραξη και δηλητηρίαση της ρητίνης, επηρεάζοντας τη διάρκεια ζωής της και άλλα ζητήματα.
（3） Μέθοδος διαχωρισμού μεμβράνης
1. Αντίστροφη όσμωση (RO)
Η αντίστροφη όσμωση είναι μια τεχνολογία που διαχωρίζει διαλυμένες ουσίες και διαλύτες σε ένα διάλυμα μέσω μιας ημιδιαπερατής μεμβράνης υπό πίεση. Το μέγεθος των πόρων της μεμβράνης αντίστροφης όσμωσης είναι πολύ μικρό (περίπου 0,1-1nm), το οποίο μπορεί να αναχαιτίσει αποτελεσματικά τα ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου και να επιτύχει την απομάκρυνση της σκληρότητας των λυμάτων. Στη διαδικασία απομάκρυνσης της σκληρότητας, τα μόρια νερού περνούν από τη μεμβράνη αντίστροφης όσμωσης υπό πίεση, ενώ τα ιόντα σκληρότητας αναχαιτίζονται, με αποτέλεσμα την παραγωγή νερού χαμηλής σκληρότητας. Η μέθοδος αντίστροφης όσμωσης έχει υψηλή απόδοση στην απομάκρυνση της σκληρότητας και η σκληρότητα της εκροής μπορεί να μειωθεί σε πολύ χαμηλό επίπεδο. Είναι κατάλληλη για περιπτώσεις που απαιτούν εξαιρετικά υψηλή ποιότητα νερού, όπως νερό βιομηχανίας ηλεκτρονικών, νερό τροφοδοσίας λέβητα κ.λπ. Αλλά τα μειονεκτήματά της είναι η υψηλή πίεση λειτουργίας και η υψηλή κατανάλωση ενέργειας. Τα εξαρτήματα μεμβράνης είναι ακριβά και μολύνονται εύκολα από οργανική ύλη, μικροοργανισμούς και άλλους ρύπους στα λύματα, απαιτώντας τακτικό καθαρισμό και αντικατάσταση, με αποτέλεσμα υψηλό κόστος συντήρησης. Εν τω μεταξύ, η διαδικασία αντίστροφης όσμωσης δημιουργεί μια ορισμένη ποσότητα συμπυκνωμένου νερού και η επεξεργασία του συμπυκνωμένου νερού είναι επίσης μια πρόκληση.
2. Νανοδιήθηση (NF)
Το μέγεθος των πόρων της μεμβράνης νανοδιήθησης είναι μεταξύ της μεμβράνης αντίστροφης όσμωσης και της μεμβράνης υπερδιήθησης (περίπου 1-10nm) και έχει υψηλό ρυθμό κατακράτησης για δισθενή ιόντα (όπως ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου), ενώ ο ρυθμός κατακράτησης για μονοσθενή ιόντα (όπως ιόντα νατρίου και χλωριούχου) είναι σχετικά χαμηλός. Η διαδικασία νανοδιήθησης μπορεί να λειτουργήσει σε χαμηλότερες πιέσεις, γεγονός που μειώνει την κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με την αντίστροφη όσμωση. Η νανοδιήθηση μπορεί όχι μόνο να απομακρύνει αποτελεσματικά τα ιόντα σκληρότητας, αλλά και να απομακρύνει εν μέρει οργανική ύλη και ιόντα βαρέων μετάλλων. Ωστόσο, οι μεμβράνες νανοδιήθησης έχουν επίσης το πρόβλημα της εύκολης μόλυνσης και απαιτούν αυστηρή προεπεξεργασία του εισερχόμενου νερού. Επιπλέον, η διάρκεια ζωής και το αποτέλεσμα απομάκρυνσης σκληρότητας των μεμβρανών νανοδιήθησης επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από παράγοντες όπως η ποιότητα του νερού και οι συνθήκες λειτουργίας.
（4） Μέθοδος προσρόφησης
Η μέθοδος προσρόφησης είναι η χρήση ενεργών θέσεων στην επιφάνεια των προσροφητικών για την προσρόφηση και την απομάκρυνση ιόντων ασβεστίου και μαγνησίου. Τα κοινά προσροφητικά περιλαμβάνουν ενεργό άνθρακα, ζεόλιθο, μπεντονίτη, οξείδια μετάλλων κ.λπ. Για παράδειγμα, ο ζεόλιθος έχει μια μοναδική δομή πόρων και απόδοση ανταλλαγής ιόντων και τα ανταλλάξιμα κατιόντα του μπορούν να υποστούν ανταλλακτική προσρόφηση με ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου στα λύματα. Η μέθοδος προσρόφησης είναι απλή στη λειτουργία και έχει ένα ορισμένο αποτέλεσμα επεξεργασίας σε λύματα χαμηλής συγκέντρωσης σκληρότητας. Επιπλέον, ορισμένα προσροφητικά μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν μέσω αναγέννησης. Ωστόσο, η ικανότητα προσρόφησης του προσροφητικού είναι περιορισμένη, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα κακή απόδοση επεξεργασίας για λύματα υψηλής συγκέντρωσης σκληρότητας. Η διαδικασία αναγέννησης των προσροφητικών είναι σχετικά περίπλοκη και το αποτέλεσμα αναγέννησης είναι ασταθές, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει τη διάρκεια ζωής και το αποτέλεσμα απομάκρυνσης σκληρότητας των προσροφητικών.
（5） Άλλες μέθοδοι
1. Μέθοδος ηλεκτροδιάλυσης
Η ηλεκτροδιάλυση χρησιμοποιεί την επιλεκτική διαπερατότητα και το φαινόμενο ηλεκτρικού πεδίου των μεμβρανών ανταλλαγής ιόντων για να προκαλέσει κατευθυντική μετανάστευση ιόντων στο νερό, επιτυγχάνοντας έτσι την απομάκρυνση της σκληρότητας από τα λύματα. Κατά την ηλεκτροδιάλυση, οι μεμβράνες ανταλλαγής κατιόντων επιτρέπουν μόνο τη διέλευση κατιόντων, ενώ οι μεμβράνες ανταλλαγής ανιόντων επιτρέπουν μόνο τη διέλευση ανιόντων. Υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου, τα ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου στα λύματα μεταναστεύουν στο αρνητικό ηλεκτρόδιο μέσω μεμβρανών ανταλλαγής κατιόντων, διαχωρίζοντας έτσι από το νερό. Η μέθοδος ηλεκτροδιάλυσης για την απομάκρυνση της σκληρότητας δεν απαιτεί την προσθήκη χημικών παραγόντων και δεν παράγει ιλύ, καθιστώντας τη διαδικασία λειτουργίας σχετικά φιλική προς το περιβάλλον. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος απαιτεί μεγάλη επένδυση σε εξοπλισμό, καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια κατά τη λειτουργία και έχει υψηλές απαιτήσεις για την ποιότητα του εισερχόμενου νερού, απαιτώντας αυστηρή προεπεξεργασία για την αποφυγή ρύπανσης της μεμβράνης.
2. Μικροβιακή μέθοδος
Η μικροβιακή μέθοδος είναι η χρήση της μεταβολικής δραστηριότητας των μικροοργανισμών ή της αντίδρασης μεταξύ εξωκυτταρικών πολυμερών μικροοργανισμών και ιόντων ασβεστίου και μαγνησίου για την επίτευξη της απομάκρυνσης της σκληρότητας από τα λύματα. Για παράδειγμα, ορισμένοι μικροοργανισμοί μπορούν να αυξήσουν την τιμή pH του περιβάλλοντος, εκκρίνοντας αλκαλικές ουσίες, γεγονός που προάγει την κατακρήμνιση ιόντων ασβεστίου και μαγνησίου. Λειτουργικές ομάδες σε μικροβιακά εξωκυτταρικά πολυμερή, όπως καρβοξύλιο και υδροξύλιο, μπορούν επίσης να υποστούν σύμπλεξη και προσρόφηση με ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου. Οι μικροβιακές μέθοδοι έχουν τα πλεονεκτήματα του χαμηλού κόστους επεξεργασίας και της φιλικότητας προς το περιβάλλον, αλλά η διαδικασία επεξεργασίας είναι αργή και επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες ανάπτυξης των μικροβίων, όπως η θερμοκρασία, η τιμή pH, το διαλυμένο οξυγόνο κ.λπ. Επί του παρόντος, υπάρχουν ακόμη ορισμένοι περιορισμοί στις πρακτικές εφαρμογές.
4、 Σύγκριση και επιλογή διαφορετικών μεθόδων για την απομάκρυνση της σκληρότητας
Διαφορετικές μέθοδοι για την απομάκρυνση της σκληρότητας από τα λύματα έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα και η εφαρμοσιμότητά τους ποικίλλει επίσης. Στις πρακτικές εφαρμογές, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη συνολικά παράγοντες όπως τα χαρακτηριστικά ποιότητας νερού των λυμάτων (όπως η συγκέντρωση ιόντων σκληρότητας, άλλα συστατικά ρύπων κ.λπ.), η κλίμακα επεξεργασίας, το κόστος επεξεργασίας, οι απαιτήσεις ποιότητας εκροής και οι περιβαλλοντικές απαιτήσεις και να επιλεγούν κατάλληλες μέθοδοι για την απομάκρυνση της σκληρότητας. Για λύματα υψηλής συγκέντρωσης σκληρότητας, η χημική κατακρήμνιση μπορεί να είναι μια πιο οικονομική και αποτελεσματική μέθοδος. Για επεξεργασία μικρής κλίμακας που απαιτεί υψηλή ποιότητα νερού, οι μέθοδοι ανταλλαγής ιόντων ή αντίστροφης όσμωσης είναι πιο κατάλληλες. Για λύματα χαμηλής συγκέντρωσης σκληρότητας που είναι ευαίσθητα στο κόστος, η προσρόφηση ή οι μικροβιακές μέθοδοι μπορεί να έχουν ορισμένες δυνατότητες εφαρμογής. Επιπλέον, σε πολλές περιπτώσεις, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας συνδυασμός πολλαπλών μεθόδων για την απομάκρυνση της σκληρότητας για την πλήρη μόχλευση των πλεονεκτημάτων κάθε μεθόδου, τη βελτίωση του αποτελέσματος απομάκρυνσης και τη μείωση του κόστους επεξεργασίας.
5、 Συμπέρασμα και Προοπτική
Η τεχνολογία απομάκρυνσης της σκληρότητας από τα λύματα έχει μεγάλη σημασία για τη διασφάλιση της βιομηχανικής παραγωγής, την πραγματοποίηση της ανακύκλωσης των υδάτινων πόρων και την προστασία του οικολογικού περιβάλλοντος. Επί του παρόντος, διάφορες μέθοδοι για την απομάκρυνση της σκληρότητας, όπως η χημική κατακρήμνιση, η ανταλλαγή ιόντων, ο διαχωρισμός μεμβράνης, η προσρόφηση κ.λπ., έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στη πρακτική μηχανική, αλλά κάθε μέθοδος έχει ορισμένους περιορισμούς. Στο μέλλον, η αναπτυξιακή τάση της τεχνολογίας αφαλάτωσης λυμάτων περιλαμβάνει κυρίως τις ακόλουθες πτυχές: πρώτον, την ανάπτυξη αποτελεσματικών, φιλικών προς το περιβάλλον και οικονομικών νέων παραγόντων αφαλάτωσης και υλικών προσρόφησης για τη βελτίωση της απόδοσης αφαλάτωσης, τη μείωση του κόστους επεξεργασίας και τη δευτερογενή ρύπανση. Το δεύτερο είναι η ενίσχυση της έρευνας και ανάπτυξης υλικών μεμβράνης, η βελτίωση της απόδοσης κατά της ρύπανσης, του ρυθμού κατακράτησης και της διάρκειας ζωής των μεμβρανών και η μείωση του λειτουργικού κόστους της τεχνολογίας διαχωρισμού μεμβράνης. Το τρίτο είναι η διεξαγωγή σε βάθος έρευνας σχετικά με τον μηχανισμό μικροβιακής απομάκρυνσης σκληρότητας, η βελτιστοποίηση των μικροβιακών διαδικασιών επεξεργασίας και η βελτίωση της σταθερότητας και της απόδοσης επεξεργασίας τους. Το τέταρτο είναι η διερεύνηση της κοινής διαδικασίας εφαρμογής πολλαπλών μεθόδων για την απομάκρυνση της σκληρότητας, η επίτευξη συμπληρωματικών πλεονεκτημάτων και η βελτίωση του συνολικού αποτελέσματος επεξεργασίας. Μέσω της συνεχούς τεχνολογικής καινοτομίας και της βελτιστοποίησης της διαδικασίας, η τεχνολογία αφαλάτωσης λυμάτων θα διαδραματίσει έναν πιο σημαντικό ρόλο στη βιώσιμη χρήση των υδάτινων πόρων και την προστασία του περιβάλλοντος στο μέλλον.
