Mikä on alumiinisulfaatin käyttö vedenkäsittelyssä?

Miten alumiinisulfaatti toimii koagulanttina vedenkäsittelyssä

Koagulaation ymmärtäminen ja alumiinisulfaatin rooli suspendoituneiden hiukkasten stabiloinnin purkamisessa

Vedenkäsittely alkaa koagulaatiolla, prosessilla, jossa pienet epäpuhtaudet yhdistyvät, jotta niitä voidaan myöhemmin poistaa. Alumiini sulfaatti (alumiinikupari) toimii erittäin hyvin tässä, koska sen liuetessa se vapauttaa kolisidottuja alumiini-ioneja (Al³⁺), jotka käytännössä kumoavat veden sisällä kelluvien hiukkasten, kuten savea, orgaanisten aineiden palasia ja jopa joitain haitallisia mikrobeja, negatiiviset varaukset. Kun nämä varaukset neutraloidaan, hiukkaset lopettavat toistensa hylkimisen ja alkavat tarttua toisiinsa nopean sekoituksen aikana, mikä kestää yleensä noin minuutin tai kaksi. Useimmat vesienkäsittelylaitokset huomaavat, että alumiinisulfaatin antamat tulokset ovat parhaat, kun veden pH on noin 5,5–7,5 välillä. Käytettävän alumiinisulfaatin määrä vaihtelee huomattavasti, tyypillisesti 50–300 milligrammaa litraa kohden riippuen siitä, kuinka sameaa vesi on ja mitä tyyppiä epäpuhtaudet ovat.

Alumiinisulfaatin kemiallinen mekanismi floksejen muodostumisessa ja epäpuhtauksien poistossa

Kun varaukset ovat tasapainossa, alumiini hajoaa hydrolyysin kautta muodostaen alumiinikydroksidin (Al(OH)3). Tämä aine muodostaa geelimäisen kiinteän aineen, joka on erittäin tehokas sitomaan pois vesistä poistettavia aineita. Kun näistä pienistä klustereista, joita kutsutaan flokkeiksi, kehittyy suurempia rakenteita, niiden koko voi vaihdella puolen millimetrin ja kolmen millimetrin välillä. Tämä mahdollistaa niiden hyvän laskeutumisen käsittelyaltaisiin. Kun kaikki toimii oikein, tämä menetelmä poistaa noin 85–100 prosenttia vesinäytteiden sameudesta ja hoitaa suunnilleen kaksi kolmasosaa neljään viidesosaan orgaanisista yhdisteistä. Tutkimukset osoittavat, että nämä hydroksidiflokki sitoutuvat monienlaisiin liuenneisiin saasteisiin, kuten fosfaatti-ioneihin ja erilaisiin raskasmetalleihin, pinnallaan muodostamalla sidoksia. Tämä sitoutumistoiminto parantaa koko puhdistusjärjestelmän tehokkuutta.

Verrattuna vaihtoehtoisiin koagulantteihin: Tehokkuus, kustannukset ja käytännön näkökohdat

Rautakloridi pystyy poistamaan melkein kaiken vedestä olevan fosforin, joskus jopa 98 %, mikä on huomattavasti parempi kuin alumiinin noin 70–85 %. Haittapuolena on kuitenkin se, että rautakloridi kuluttaa putkia ja laitteita paljon nopeammin, mikä tarkoittaa, että kunnat joutuvat käyttämään enemmän rahaa korjauksiin ja vaihtoihin. Synteettiset polymeerit ovat toinen vaihtoehto, ja niillä saadaan erittäin selkeää vettä ja vain vähän sedimenttiä jäljelle käsittelyn jälkeen, mutta nämä aineet ovat niin kalliita, että ne eivät ole käytännössä mahdollisia useimmille tavallisille jätevedenpuhdistamoille. Siksi monet kaupungit edelleen turvautuvat alumiiniin uusien vaihtoehtojen huolimatta. Alumiinia on käytetty jo useita vuosikymmeniä, se toimii luotettavasti monimutkaisten menettelyjen ilman ja se ei ylitä budjettia samalla tavoin kuin jotkin hienommista vaihtoehdoista. Rahan puutteen kanssa kamppaileville paikallisviranomaisille, jotka käsittelevät vanhentuvaa infrastruktuuria, on järkevää pitäytyä tutussa, vaikka se ei teknisesti olisikaan paras suorittaja markkinoilla.

Ympäristöön liittyvät huolenaiheet: jäämäalumiini ja pitkän aikavälin turvallisuus käsitellyssä vedessä

Maailman terveysjärjestö on asettanut maksimipitoisuuden 0,2 milligrammaa litrassa jäljelle jäävälle alumiinille hanavedessä, koska on olemassa huolia mahdollisista vaikutuksista aivojen toimintaan pitkällä aikavälillä. Uusia suodatusmenetelmiä käyttävät vesihuoltolaitokset voivat vähentää näitä alumiinijäämiä noin 70–90 prosenttia verrattuna vanhempiin menetelmiin. Prosessin aikana tapahtuva pH-tason seuranta ja erityisten kalvojen lisääminen käsittelyn jälkeiseen vaiheeseen auttavat varmistamaan, että pysytään näissä terveysviranomaisten määrittämissä turvallisissa rajoissa. Tämä pitää ihmiset terveinä tekemättä koko puhdistusprosessista tehottomampaa.

Veden läpinäkyvyyden parantaminen ja sameuden poistaminen kunnallisten vesijärjestelmien vedestä

Alumiinisulfaatti on edelleen yleinen valinta kaupunkien vedenkäsittelyssä, koska se voi vähentää vesien sameutta noin 90 prosenttia. Tämä tapahtuu siten, että se kumoaa saven hiukkasten, hienojen epäpuhtauksien ja jopa pienien organismien vesihuollossa leijuvien hiukkasten sähkövaraukset. Näiden hiukkasten seurauksena ne kiinnittyvät toisiinsa muodostaen suurempia flommeja, jotka laskeutuvat helpommin. Vuonna 2021 julkaistu tutkimus osoitti, että kun alumiinisulfaattia käytetään asianmukaisesti, sameustaso laskee alle 0,3 NTU:n, mikä täyttää Maailman terveysjärjestön ohjeet selkeälle juomavedelle. Se, että menetelmä toimii niin hyvin, tarkoittaa vähemmän rasitusta suodattimille myöhemmissä vaiheissa. Vesihuoltolaitokset toimivat tehokkaammin kokonaisuudessaan ja säästävät rahaa, mikä on erityisen tärkeää suurten kaupunkien vesijärjestelmille, jotka palvelevat miljoonia ihmisiä joka päivä.

Orgaanisen aineen, patogeenien ja raskasmetallien poisto koagulaatiolla

Alumiinin toimintaperiaate koagulaatiossa tarkoittaa, että se pystyy poistamaan kerralla monenlaisia erilaisia epäpuhtauksia. Veteen liuenneet orgaaniset aineet kiinnittyvät alumiiniklooridiflokkeihin, jotka muodostuvat käsittelyn aikana. Lisäksi bakteerit, kuten E. coli, sekä loiset, kuten Giardia, jäävät fyysisesti kiinni tähän prosessiin. Kun pH pysyy noin 6,5–7,5 välillä, tutkimusten mukaan raskasmetallien, kuten lyijyn, arseenin ja kromin, poistoprosentti vaihtelee 85–92 prosentin välillä. Tämän menetelmän arvo perustuu siihen, että se käsittelee useita saasteita yhtä aikaa, mikä vähentää lisäkäsittelytarvetta desinfiointia varten. Kuitenkin annostuksen oikea määrä on erittäin tärkeä, sillä jos alumiinia jää liikaa veteen, se voi ylittää turvallisen rajan 0,2 mg litrassa, mikä ei ole hyväksi kenellekään.

Sedimentoinnin ja suodatuksen tehokkuuden parantaminen alumiinikäsittelyn jälkeen

Alumilla käsiteltynä floskut tulevat noin 40–60 prosenttia nopeammin kasaantumaan sedimentaatiobasississa verrattuna käsittelyttömiin hiukkasiin, mikä tehostaa kiintoaineiden erotusta huomattavasti. Nopeampi laskeutuminen tarkoittaa, että suodattimet tukkeutuvat harvemmin, joten niitä voidaan käyttää pidempään ennen puhdistusta, mikä vähentää takaisinhuuhtelua noin 30 prosentilla. Mielenkiintoista on, kuinka alumiinihydroksidifloskujen tahmea rakenne toimii ikään kuin lisäsuodattimena hiekkasuodattimien sisällä. Nämä floskut sieppaavat mikrometriä pienemmät hiukkaset, jotka ovat jotenkin päässeet karkuun ensimmäisessä koagulaatiovaiheessa. Kaikki nämä parannukset yhdessä tarkoittavat, että laadukkaasti toteutetut käsittelyjärjestelmät voivat poistaa yli 99,9 prosenttia kaikista hiukkasista lopullisesta vedestä.

Tehokas fosforin poisto kunnallis- ja teollisuusjätevesistä

Alumiini poistaa tehokkaasti fosforia ligandinvaihtoreaktioiden ansiosta, joista keskustellaan paljon vedenpuhdistuksen piireissä. Kun Al3+-ionit kohtaavat orttofosfaatti-ioneita (PO4^3-), ne yhdistyvät muodostaen veteen liittymättömän alumiinifosfaatin (AlPO4). Tämä aine laskeutuu ja poistetaan mekaanisesti suodatuksella. Tutkimalla tietoja 45 eri jätevedenpuhdistamolta Euroopassa, tutkijat huomasivat, että alumiinin käyttö saattoi kokonaisfosforipitoisuudet alle 0,5 mg/l noin 88 prosentissa laitoksista. Tämä täyttää EU:n vesilainsäädännön vaatimukset puhtaan veden standardien osalta. Aine on erityisen tehokas elintarviketeollisuuden ja tekstiiliteollisuuden jätteiden käsittelyssä, koska niiden valumavesissä on usein erittäin korkeat fosforipitoisuudet, jotka voivat joskus nousta yli 15 mg/l:in pitoisuuksiin.

Epäpuhtauksien ja sameuden vähentäminen suurta kuormitusta sisältävissä jätevesivirroissa

Alumin kaksinkertainen koagulaatio-flokulointi toimii tehokkaasti monimutkaisen, suuren kuormituksen omaavan jäteveden käsittelyssä:

• Kolloidisuodokset : Neutraloi negatiivisesti varautuneet hiukkaset vesissä, joiden sameus ylittää 1 000 NTU:n
• Raskasmetallit : Raskasmetallit: Kostuu Pb²⁺- ja Cr³⁺-ioneja hydroksidimuodostuksen kautta pH-tasolla 9–9,5
• Orgaaninen kuorma : Vähentää kemiallista happea tarvitsevaa kuormaa (COD) 65–80 % paperitehtaiden jätevesissä sitoutumalla ligniiniin ja proteiineihin

Kreikkavalmisteluiden mukaan seitsemän teollisuusalueen tiedot Kiinasta osoittavat, että alumiini saavuttaa 98 %:n kokonaishivenaineiden (TSS) poiston virtauksissa, joiden alkuperäinen kiintoainesisältö on yli 5 000 mg/L, mikä osoittaa vahvan suorituskyvyn vaativissa olosuhteissa.

Tapauskertomus: Onnistunut toteutus kaupunkien jätevedenpuhdistamoilla

Eurooppalainen kunnallinen puhdistamo, joka palvelee 1,2 miljoonaa asukasta, saavutti merkittäviä parannuksia siirryttyään rikkihappohapon koagulaatioon. Käsitellen 300 000 m³/päivä jätevettä laitos raportoi:

18 kuukauden kokeen aikana alumiinipitoisuus säilyi alle 0,2 mg/l:lla samalla saavuttaen 94 %:n fosforin poiston ja 82 %:n COD-vähennyksen, mikä vahvisti alumin tehokkuuden ja taloudellisen kannattavuuden suurjakoisessa jäteveden käsittelyssä.

Alun suorituskyvyn optimointi: annostus, pH ja vesiolosuhteet

Ihanteellinen pH-alue ja annostelustrategiat maksimaalista koagulaatiotehokkuutta varten

Parhaat tulokset koagulaatiolle saavutetaan, kun pH-taso pysyy noin 5,5–7,5 välillä. Tällä alueella prosessi käy huomattavasti tehokkaammaksi, ja tehokkuus voi joskus parantua jopa 40–60 prosenttia verrattuna tilanteisiin, joissa arvot ovat tämän välin ulkopuolella. Aluminiumpiiatin käyttömäärästä on kyse, kun suurin osa käsittelyistä edellyttää 5–200 milligrammaa litraa kohden. Jos vesi on kuitenkin erittäin sameaa tai sisältää paljon epäpuhtauksia, jotkut tilanteet voivat vaatia jopa 500 mg/l:n annoksen. Tarkimman toimivan määrän paikalliseen olosuhteisiin selvittämiseksi purkkikoe on yhä yksi luotettavimmista saatavilla olevista menetelmistä. Se auttaa välttämään liiallisen aluminiumpiiatin käyttöä, joka voisi jättää veteen liiallisia määriä alumiinia maailman terveysjärjestön (WHO) turvallisen rajan 0,2 mg/l yli. Kun pH kuitenkin nousee yli 7,5, alkaa tilanne heikentyä, koska alumiinikydroksidi muuttuu vähemmän liukoiseksi. Tämä vaikeuttaa kelan muodostumista ja heikentää lopulta koko käsittelyprosessin tehokkuutta.

Veden lämpötilan, emäksisyyden ja ionikoostumuksen vaikutus

Vesi, jonka lämpötila pysyy alle 10 asteen Celsius-asteikolla, hidastaa huomattavasti reaktioiden nopeutta käsittelyprosesseissa. Tämä tarkoittaa, että flokkulointi tapahtuu paljon hitaammin, ja floskien muodostumiseen voi mennä jopa 30–50 prosenttia enemmän aikaa kuin normaalisti, ja myös sekoitusjaksot on pidentettävä. Emäksisyystasojen osalta niillä on suuri merkitys siinä, että järjestelmä ei muutu liian hapan alumiinia lisättäessä. Jos emäksisyys laskee alle 50 milligrammaa litrassa kalsiumkarbonaattina, useimpien käsittelylaitosten on lisättävä limeä tai soodakalaa, jotta pH pysyy riittävän vakiona asianmukaiselle toiminnalle. Toisen haasteen muodostaa korkea ionivahvuus vedessä, yli 1000 mikrosiemenssiä senttimetrissä. Tämä olosuhde kutistaa hiukkasten ympärillä olevia pieniä sähköisiä kerroksia, mikä heikentää niiden tehokasta ryhmittyymistä. Tuloksena on, että koagulaatio toimii noin 40 prosenttia huonommin näissä olosuhteissa. Kaikki nämä tekijät selittävät, miksi tehokkaat reaaliaikaiset valvontajärjestelmät tekevät niin suuren eron, erityisesti laitoksille, jotka kohtaavat vaihtelevia vesilaatuja eri vuodenaikoina.

Alumiinisulfaatin etuja ja haasteita vedenkäsittelyssä

Keskeiset edut: Kustannustehokkuus, luotettavuus ja monikäyttöisyys eri käsittelyjärjestelmissä

Alumiini sulfaatti (alum) erottuu edullisena ja luotettavana koagulanttina, jota käytetään laajasti sekä kunnallisten että teollisten vedenpuhdistamoiden yhteydessä. Vertailussa rautakloridiin nähden se vähentää käyttökustannuksia noin 30–50 prosenttia samalla kun poistoprosentti säilyy yli 95 %:n tasolla esimerkiksi sameudelle ja haitallisille patogeenimuodoille. Aineen monipuolisuuden taustalla on sen hyvä tehokkuus niin pienten maaseutuvesisysteemien kuin suurten kaupunkien käsittelylaitostenkin yhteydessä. Käyttäjät voivat säätää annostusta päivittäisen vedenlaadun mukaan. Kun pH-taso pysyy optimaalisella alueella noin 5,5–7,5, alum poistaa noin 70–90 prosenttia häiritsevistä orgaanisista epäpuhtauksista. Ja totuus on, että silloin kun budjetti on tärkeintä, alum usein pullistaa PAC-ratkaisuja selkeästi paremmin taloudellisesti.

Yleiset rajoitukset: Sakeuttamisjätteen muodostuminen, pH-säädön tarve ja ympäristönsuojelulliset näkökohdat

Alumiinipiiroksidi aiheuttaa kuitenkin joitakin haittoja. Se tuottaa noin 15–30 prosenttia enemmän sakaletta verrattuna synteettisiin polymeereihin, mikä tarkoittaa korkeampia hävityskustannuksia ja monimutkaisempaa logistiikkaa jätteiden käsittelyssä. Kun alumiinipiiroksidi hajoaa vedenkäsittelyprosesseissa, se itse asiassa laskee pH-tasoa. Tämän vaikutuksen torjumiseksi vedenkäsittelylaitosten on käytettävä rahaa emäksisiin aineisiin, kuten kalkkiin. Näihin kemikaalien ostoihin voi mennä lähes 20 prosenttia niiden kokonaiskäyttökustannuksista pelkästään sen varmistamiseksi, että veden happamuustaso pysyy oikealla tasolla. Ympäristöviranomaiset tarkkailevat tarkasti, kuinka paljon alumiinia jää käsitellyssä vedessä jalostuksen jälkeen, joten on olennaista noudattaa Maailman terveysjärjestön suositusta, jonka mukaan alumiinipitoisuus ei saa ylittää 0,2 mg litrassa. Hyvä uutinen on, että viimeaikainen tutkimus osoittaa, että kun käyttäjät säätävät annostelumenetelmiään tarkasti ja yhdistävät ne uudempiin suodatusjärjestelmiin, he voivat vähentää sakaaleen muodostumista noin 40 prosentilla. Tämä menetelmä auttaa myös täyttämään tärkeät EPA:n ja AWWA:n standardit turvalliselle juomavedelle laadun heikentymättä.

UKK

Mikä on alumiinisulfaatin päärooli vedenkäsittelyssä?

Alumiinisulfaatti toimii koagulanttina vedenkäsittelyssä, ja se auttaa epävakauttamaan suspendoituneita hiukkasia, jotta ne voidaan tehokkaasti poistaa lisäkäsittelyprosesseissa.

Miten alumiinisulfaatti vaikuttaa käsitellyn veden pH-tasoihin?

Alumiinisulfaatti pyrkii alentamaan käsitellyn veden pH-tasoa, minkä vuoksi laitokset usein lisäävät emäksisiä aineita, kuten kalkkia, ylläpitääkseen optimaalisen pH-alueen tehokasta käsittelyä varten.

Onko alumiinisulfaatin käytöllä ympäristöön liittyviä huolenaiheita?

Kyllä, jäljelle jäävä alumiini käsitellyssä vedessä on huolenaihe, koska sillä voi olla mahdollisia terveysvaikutuksia. Siksi käsittelyjärjestelmien tavoitteena on pitää jäämätasot alle 0,2 mg/l, kuten Maailman terveysjärjestö suosittelee.

Miksi alumiinisulfaattia suositaan muiden koagulanttien edellä huolimatta sen rajoituksista?

Alumiinisulfaatti on kustannustehokas, luotettava ja monikäyttöinen, mikä tekee siitä suositun valinnan monille kunnille, erityisesti niille, joilla on budjettirajoitteita ja olemassa oleva infrastruktuuri.