Xử lý sinh học thông thường có thể phân hủy hầu hết COD trong nước một cách hiệu quả và với việc bổ sung các quá trình khử nitrat an khí, tổng lượng nitơ cũng có thể được loại bỏ một cách hiệu quả. Tuy nhiên, đối với phốt pho, ion kim loại nặng và ion cứng, hiệu quả loại bỏ của các quá trình sinh học đơn giản còn hạn chế: vi sinh vật chỉ có thể đồng hóa một lượng nhỏ phốt pho thông qua quá trình sinh trưởng và trao đổi chất của chính chúng, không thể đáp ứng ổn định tiêu chuẩn; trong khi kim loại nặng và các ion cứng không thể bị phân hủy sinh học và các hệ thống sinh học không thể loại bỏ hiệu quả. Các ion kim loại nặng gây độc cho vi sinh vật và nồng độ cao hơn một chút có thể ức chế các phản ứng sinh học; các ion cứng được hòa tan hoàn toàn trong nước và các hệ thống sinh học không thể loại bỏ chúng.
Để xử lý các chất này, cần phải kết tủa hóa học-thêm các tác nhân hóa học để làm cho các ion mục tiêu thay đổi từ trạng thái hòa tan sang trạng thái không hòa tan và kết tủa, sau đó được loại bỏ thông qua quá trình tách-chất lỏng rắn.
I. Nguyên tắc cơ bản của kết tủa hóa học
Logic cơ bản của kết tủa hóa học là quy luật tích số hòa tan: thêm chất kết tủa vào nước thải làm cho các ion ô nhiễm hòa tan trong nước kết hợp với các tác nhân, tạo thành chất rắn khó hòa tan trong nước. Khi nồng độ các chất đó vượt quá giới hạn khả năng mang (sản phẩm hòa tan Ksp) của thân nước, chúng sẽ tự động kết tủa khỏi nước, tạo thành trầm tích để phân tách.
Điều quan trọng là lượng chất kết tủa được thêm vào phải đủ để giảm nồng độ của các ion mục tiêu xuống mức yêu cầu, nhưng không-quá nhiều chất kết tủa có thể gây ô nhiễm thứ cấp (chẳng hạn như các ion và muối kim loại dư) và tăng sản lượng bùn.
II. Loại bỏ phốt pho hóa học
Phốt pho là thủ phạm chính gây ra hiện tượng phú dưỡng trong các vùng nước và tiêu chuẩn xả thải đối với phốt pho tổng ngày càng trở nên nghiêm ngặt. Quá trình loại bỏ phốt pho sinh học dựa vào vi khuẩn tích lũy polyphosphate{1}}để giải phóng phốt pho trong điều kiện kỵ khí và sau đó loại bỏ phốt pho dư thừa cùng với bùn còn lại trong quá trình hiếu khí. Tuy nhiên, tỷ lệ loại bỏ còn hạn chế. Khi tổng lượng phốt pho trong dòng chảy vào quá cao, việc loại bỏ phốt pho sinh học không đủ để đáp ứng các tiêu chuẩn một cách đáng tin cậy và việc loại bỏ phốt pho hóa học phải được sử dụng như một biện pháp dự phòng.
Nguyên tắc: Thêm muối nhôm (PAC) hoặc muối sắt (polyferric sunfat) làm cho ion kim loại phản ứng với ion photphat tạo thành kết tủa nhôm photphat hoặc sắt photphat; vôi (Ca(OH)₂) cũng có thể được thêm vào, tạo thành kết tủa canxi hydroxyphosphate trong điều kiện kiềm.
Phản ứng muối nhôm: Al³⁺ + PO₄³⁻ → AlPO₄↓;
Phản ứng muối sắt: Fe³⁺ + PO₄³⁻ → FePO₄↓;
Phản ứng vôi: 5Ca²⁺ + 4OH⁻ + 3PO₄³⁻ → Ca₅(OH)(PO₄)₃↓;
Vị trí bổ sung: Có ba lựa chọn. Việc bổ sung trước{1}}trước bể xử lý sinh học dẫn đến thời gian phản ứng lâu nhưng tác động của muối nhôm đối với vi sinh vật vẫn còn gây tranh cãi; bổ sung đồng thời vào cuối phần hiếu khí của bể xử lý sinh học sử dụng sục khí và khuấy trộn để thúc đẩy phản ứng, đây là phương pháp phổ biến nhất trong các nhà máy xử lý nước thải đô thị, và chất keo tụ thúc đẩy quá trình keo tụ bùn hoạt tính; sau{2}}bổ sung sau bể lắng thứ cấp, trong phần xử lý nâng cao, loại bỏ trực tiếp và chính xác phốt pho dư, yêu cầu liều lượng ít nhất, tạo ra ít bùn nhất nhưng yêu cầu cơ sở phản ứng và lắng riêng biệt. Sự lựa chọn cụ thể phụ thuộc vào quy trình và yêu cầu tuân thủ phốt pho.
Các điểm vận hành chính: Chìa khóa để loại bỏ phốt pho bằng hóa học là kết hợp liều lượng hóa chất với tổng nồng độ phốt pho trong dòng chảy vào. Khi tổng nồng độ phốt pho trong dòng chảy vào dao động đáng kể, cần phải có máy đo tổng phốt pho trực tuyến hoặc lấy mẫu định kỳ để điều chỉnh liều lượng. Độ pH của nước thải cần được chú ý-việc bổ sung muối nhôm và sắt sẽ tiêu tốn độ kiềm và hiệu quả loại bỏ phốt pho giảm khi độ pH dưới 6; việc bổ sung vôi sẽ làm tăng độ pH của nước thải, cần phải điều chỉnh. Bùn hóa học tạo ra từ quá trình loại bỏ phốt pho có chứa một lượng lớn chất vô cơ và có hiệu suất khử nước tốt; nó nên được xử lý tách biệt khỏi bùn sinh học càng nhiều càng tốt.
III. Loại bỏ kim loại nặng
Nước thải từ các ngành công nghiệp như mạ điện, luyện kim, khai thác mỏ và điện tử có chứa các ion kim loại nặng như đồng, kẽm, chì, cadmium, niken và crom. Kim loại nặng có độc tính cao và không-có thể phân hủy nên cần phải có sự kiểm soát nghiêm ngặt.
Nguyên tắc: Thêm chất kiềm (NaOH, Ca(OH)₂) hoặc sunfua (Na₂S, NaHS) vào sẽ khiến các ion kim loại nặng kết tủa dưới dạng hydroxit hoặc sunfua. Kết tủa bằng hydroxit là một phương pháp đơn giản và có chi phí{1} thấp, khiến nó trở thành phương pháp phổ biến. Kết tủa sunfua có sản phẩm hòa tan nhỏ hơn và hiệu quả loại bỏ cao hơn (đặc biệt đối với thủy ngân và cadmium), nhưng việc bổ sung quá nhiều sunfua sẽ tạo ra khí H₂S độc hại, cần điều kiện kiềm để ngăn H₂S thoát ra. Đối với crom hóa trị sáu (Cr⁶⁺) trong nước thải chứa crom-, trước tiên nó phải được khử thành crom hóa trị ba (Cr³⁺) bằng chất khử (natri bisulfite, natri metabisulfite), sau đó kết tủa thành Cr(OH)₃ bằng chất kiềm.
Các điểm vận hành chính: Kiểm soát độ pH là điều tối quan trọng-mỗi kim loại nặng có phạm vi pH tối ưu cho kết tủa hydroxit (thường là từ 8 đến 10) và các phạm vi này khác nhau. Sự cùng tồn tại của nhiều kim loại nặng trong nước thải hỗn hợp phải được xem xét một cách toàn diện, lựa chọn giá trị pH phù hợp hoặc kết tủa từng bước. Sau khi phản ứng kết tủa hoàn tất, chất keo tụ (PAC+PAM) phải được thêm vào để tăng cường khả năng tách chất lỏng-rắn; nếu không, các hạt kết tủa mịn sẽ thấm vào nước thải. Các phức chất có thể cản trở quá trình kết tủa-ví dụ: xyanua-có chứa các phức kim loại nặng đòi hỏi phải phá vỡ phức hợp trước khi kết tủa.
PIV. Loại bỏ độ cứng (Làm mềm)
Các ion có độ cứng chủ yếu là các ion canxi (Ca2⁺) và magie (Mg2⁺). Chúng gây cặn trong hệ thống màng (RO, NF), tạo cặn trong thiết bị trao đổi nhiệt, làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt và ảnh hưởng đến chất lượng làm sạch trong ngành giặt là.
Nguyên tắc: Bằng cách sử dụng tác nhân hóa học để chuyển đổi ion canxi và magie thành CaCO₃ và Mg(OH)₂, hầu hết các ion canxi và magie đều có thể được loại bỏ.
Điểm vận hành: Độ pH của nước thải đã được làm mềm cao và cần được điều chỉnh về mức trung tính bằng cách thêm axit trước khi đi vào các đơn vị xử lý tiếp theo hoặc thải ra. Phản ứng kết tủa đòi hỏi thời gian lưu đủ và nên kết hợp với quá trình đông tụ và keo tụ để cải thiện hiệu quả kết tủa. Bùn được làm mềm được sản xuất với số lượng lớn, chủ yếu bao gồm canxi cacbonat và magie hydroxit, có thể khử nước và sử dụng làm vật liệu xây dựng hoặc gửi đến các bãi chôn lấp.
V. Vị trí của ba quá trình mưa trong quá trình dòng chảy
Việc loại bỏ photpho hóa học thường được thực hiện đồng thời với giai đoạn xử lý sinh học hoặc sau giai đoạn xử lý nâng cao; loại bỏ kim loại nặng là quá trình tiền xử lý ở đầu dòng chảy vào để bảo vệ hệ thống sinh học; làm mềm để loại bỏ độ cứng thường được thực hiện ở phần đầu của quá trình xử lý tái sử dụng (trước hệ thống màng). Có thể sử dụng kết hợp cả ba tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng nước-nước thải chứa kim loại nặng-thường trải qua quá trình kết tủa hóa học để loại bỏ kim loại nặng trước khi đưa vào quy trình xử lý sinh học; Loại bỏ phốt pho đồng thời + loại bỏ phốt pho nâng cao là phương pháp phổ biến đối với nước thải đô thị; và trong các dự án tái sử dụng, quá trình làm mềm được thực hiện trước màng.