Care sunt utilizările sulfatului de aluminiu în tratarea apei?

Modul în care sulfatul de aluminiu funcționează ca agent de coagulare în tratarea apei

Înțelegerea procesului de coagulare și rolul sulfatului de aluminiu în destabilizarea particulelor în suspensie

Tratarea apei începe cu coagularea, un proces care aduce împreună impuritățile minuscule pentru ca acestea să poată fi eliminate ulterior. Sulfatul de aluminiu funcționează foarte bine în acest scop, deoarece atunci când se dizolvă el eliberează ioni trivalenți de aluminiu (Al³⁺) care practic anulează sarcinile negative ale particulelor care plutesc în apă, cum ar fi particulele de argilă, fragmente de material organic și chiar unele microorganisme dăunătoare. Atunci când aceste sarcini sunt neutralizate, particulele încetează să se respingă reciproc și încep să se aglomereze în timpul fazei rapide de amestecare, care de obicei durează aproximativ un minut sau două. Majoritatea stațiilor de tratare a apei constată că sulfatul de aluminiu oferă cele mai bune rezultate atunci când pH-ul apei se situează între 5,5 și 7,5. Cantitatea necesară de sulfat de aluminiu variază destul de mult, în mod tipic între 50 și 300 de miligrame pe litru, în funcție de gradul de tulbureală al apei și de tipul de contaminanți prezenți.

Mecanismul chimic al sulfatului de aluminiu în formarea flocoanelor și eliminarea impurităților

După ce sarcinile sunt echilibrate, aluminiul începe să se descompună prin hidroliză, formând hidroxid de aluminiu (Al(OH)3). Această substanță formează un solid de tip gel care este foarte eficient în captarea particulelor pe care dorim să le eliminăm din apă. Pe măsură ce aceste mici agregate, numite floci, se dezvoltă, pot atinge dimensiuni între jumătate de milimetru și până la trei milimetri, ceea ce le permite să se depună ușor în bazinele de tratare. Atunci când totul funcționează corespunzător, această metodă elimină între 85% și aproape 100% din tulbureala mostrelor de apă și reușește să elimine aproximativ două treimi până la patru cincimi dintre compușii organici nedoriti. Studiile arată că acești floci de hidroxid aderă la diverse poluanți dizolvați, cum ar fi ionii de fosfat și diferite tipuri de metale grele, formând legături la nivelul suprafețelor lor. Această acțiune de aderență sporește într-adevăr eficiența întregului sistem de purificare.

Comparație cu coagulanții alternativi: Eficiență, cost și considerente practice

Clorura ferică poate elimina aproape tot fosforul din apă, uneori până la 98%, ceea ce este mult mai bine decât alaunul, care reușește să elimine doar 70-85%. Dezavantajul este că clorura ferică corodează conductele și echipamentele mult mai rapid, ceea ce obligă autoritățile locale să cheltuiască suplimentar pentru reparații și înlocuiri. Polimerii sintetici reprezintă o altă opțiune, oferind apă foarte clară și lăsând puțin nămol după tratare, dar aceste materiale au prețuri care le fac impracticabili pentru majoritatea stațiilor de tratare a apelor uzate. Din acest motiv, multe orașe continuă să folosească alaun, în ciuda alternativelor mai noi. Alaunul este utilizat de decenii, funcționează fiabil fără proceduri complicate de instalare și nu depășește bugetul, spre deosebire de unele dintre opțiunile mai sofisticate. Pentru guvernele locale cu bugete limitate, care se confruntă cu infrastructuri învechite, rămânerea la ceea ce cunosc are sens, chiar dacă nu este neapărat cel mai eficient din punct de vedere tehnic.

Probleme de mediu: Aluminiul rezidual și siguranța pe termen lung în apa tratată

Organizația Mondială a Sănătății a stabilit un nivel maxim admisibil de 0,2 miligrame pe litru pentru aluminiul rămas în apa de la robinet, din cauza preocupărilor legate de posibilele efecte asupra funcției cerebrale pe termen lung. Stațiile de tratare a apei care folosesc tehnici moderne de filtrare pot reduce urmele de aluminiu cu aproximativ 70 până la 90 la sută în comparație cu metodele mai vechi. Monitorizarea nivelurilor de pH în întregul proces și adăugarea unei etape suplimentare cu membrane speciale după tratare ajută la menținerea valorilor în limitele sigure stabilite de autoritățile sanitare. Acest lucru păstrează sănătatea oamenilor fără a diminua eficacitatea întregului proces de purificare.

Îmbunătățirea clarității apei și eliminarea turbidității în sistemele municipale de apă

Sulfatul de aluminiu rămâne o alegere comună pentru tratarea apei în orașe, deoarece poate reduce tulbureala apei cu aproximativ 90%. Ce se întâmplă este că anulează sarcinile electrice ale particulelor mici, cum ar fi fragmente de argilă, praf fin și chiar organisme microscopice care plutesc în sursa de apă. Aceste particule se aglomerează formând fulgi mai mari care se depun mai ușor. O cercetare publicată în 2021 a indicat că, atunci când este aplicat corect, nivelul de turbiditate scade sub 0,3 NTU, ceea ce respectă chiar și recomandările Organizației Mondiale a Sănătății pentru apa potabilă clară. Faptul că acest proces funcționează atât de bine înseamnă o sarcină mai mică pentru filtrele din etapele ulterioare ale sistemului. Stațiile de tratare funcționează mai eficient în ansamblu și economisesc și bani, lucru deosebit de important pentru sistemele mari de apă din orașe care deservesc milioane de oameni în fiecare zi.

Eliminarea materiei organice, a patogenilor și a metalelor grele prin coagulare

Modul în care funcționează sarea de alum atunci când vine vorba de coagulare înseamnă că poate elimina simultan o varietate de contaminanți. Substanțele organice dizolvate în apă se fixează de flocii de hidroxid de aluminiu formați în timpul tratamentului. De asemenea, bacteriile precum E. coli și paraziții precum Giardia sunt reținuți fizic în acest proces. Când pH-ul este menținut între 6,5 și 7,5, cercetările arată rate de eliminare cuprinse între 85% și 92% pentru metalele grele, inclusiv plumb, arsensic și crom. Ceea ce face această abordare atât de valoroasă este capacitatea sa de a gestiona mai mulți poluanți simultan, reducând astfel necesitatea unor tratamente suplimentare de dezinfecție. Totuși, stabilirea dozajului corect este foarte importantă, deoarece un exces de aluminiu rămas în urmă ar putea depăși limita sigură de 0,2 mg per litru, ceea ce nu este benefic pentru nimeni.

Îmbunătățirea eficienței sedimentării și filtrării după tratarea cu saramură de alum

Atunci când sunt tratați cu alaun, fulgii tind să se sedimenteze cu aproximativ 40-60 la sută mai repede în bazinele de decantare, comparativ cu particulele netratate, ceea ce face ca separarea solidelor să fie mult mai eficientă. Sedimentarea mai rapidă înseamnă că filtrele se obturează mai rar, astfel încât pot funcționa mai mult timp înainte de a necesita curățare, reducând spălarea inversă cu aproximativ 30%. Ce este interesant este modul în care consistența lipicioasă a fulgilor de hidroxid de aluminiu acționează precum un strat suplimentar de filtrare în interiorul straturilor de nisip. Acești fulgi rețin particule minuscule, mai mici de un micrometru, care au scăpat cumva în etapa inițială de coagulare. Toate aceste îmbunătățiri împreună înseamnă că sistemele de tratament de calitate pot elimina efectiv peste 99,9% din toate particulele din apa finală obținută.

Eliminarea eficientă a fosforului din apele uzate municipale și industriale

Aluminiul funcționează destul de bine în eliminarea fosforului datorită reacțiilor de schimb de liganzi despre care vorbim atât de mult în cercurile de tratare a apei. În esență, când ionii Al3+ întâlnesc ionii de ortofosfat (PO4^3-), se combină pentru a forma fosfat de aluminiu (AlPO4), care nu se dizolvă în apă. Această substanță se depune apoi și este eliminată mecanic prin filtrare. Analizând datele provenite de la 45 de instalații diferite de epurare din Europa, cercetătorii au observat că utilizarea aluminelui a redus nivelurile totale de fosfor sub 0,5 mg/L în aproximativ 88 la sută dintre aceste stații. Acest rezultat corespunde chiar cerințelor Directivei-cadru a UE privind apa pentru standardele de apă curată. Substanța dă rezultate excelente în tratarea efluenților proveniți de la prelucrătorii de alimente și de la producătorii de textile, deoarece scurgerile lor tind să conțină niveluri foarte ridicate de fosfor, ajungând uneori mult peste 15 mg/L în testele de concentrație.

Reducerea turbidității și a contaminanților în fluxurile de ape uzate cu sarcină mare

Acțiunea duală de coagulare-floculare a aluminelui îl face potrivit pentru tratarea apelor uzate complexe, cu sarcină mare:

• Suspendii coloidale : Neutralizează particulele încărcate negativ în apele cu turbiditate peste 1.000 NTU
• Metale grele : Metale grele: Coprecipită Pb²⁺ și Cr³⁺ prin formarea de hidroxizi la pH 9 - 9,5
• Încărcături organice : Reduce cererea chimică de oxigen (COD) cu 65-80% în efluenții de la fabricile de hârtie prin legarea de lignină și proteine

Datele din teren provenite din șapte parcuri industriale din China arată că alumin realizează o eliminare de 98% a substanțelor în suspensie totale (TSS) în cursurile de apă cu conținut inițial de solide peste 5.000 mg/L, demonstrând o performanță robustă în condiții dificile.

Studiu de caz: Implementare reușită în stații de epurare urbană

O stație municipală europeană care deservește 1,2 milioane de locuitori a obținut îmbunătățiri semnificative după trecerea la coagularea cu sulfat de aluminiu. Procesând 300.000 m³/zi de apă uzată, instalația a raportat:

Pe parcursul unui test pe o perioadă de 18 luni, instalația a menținut niveluri reziduale de aluminiu sub 0,2 mg/L, în timp ce a realizat o eliminare a fosforului de 94% și o reducere a COD-ului de 82%, confirmând eficacitatea și rentabilitatea utilizării aluminii în gestionarea apelor uzate la scară largă.

Optimizarea performanței sulfatului de aluminiu: dozaj, pH și condițiile apei

Intervalul ideal de pH şi strategiile de dozaj pentru eficienţa maximă a coagulării

Cele mai bune rezultate pentru coagulare apar atunci când nivelul pH rămâne între 5,5 şi 7,5. În acest interval, procesul devine mult mai eficient, uneori îmbunătățindu-se cu până la 40 până la 60% în comparație cu ceea ce se întâmplă în afara acestor numere. Când vine vorba de cantitatea de alun pe care trebuie să o folosească, majoritatea tratamentelor presupun între 5 şi 200 de miligrame pe litru. Dar dacă apa este foarte noroioasă sau are multe contaminante, în unele situaţii ar putea fi necesară o cantitate de până la 500 mg/l. Pentru a afla exact ce funcţionează cel mai bine într-o anumită locaţie, testarea în borcan rămâne una dintre cele mai fiabile metode disponibile. Acest lucru ajută la evitarea utilizării unei cantităţi excesive de aluminiu, care poate lăsa în apă un exces de aluminiu peste limita de siguranţă stabilită de Organizaţia Mondială a Sănătăţii de 0,2 mg/l. Acest lucru face mai dificilă formarea unor flocuri adecvate și, în cele din urmă, reduce eficiența totală a tratamentului.

Influenţa temperaturii apei, alcalinităţii şi compoziţiei ionice

Apa care rămâne sub 10 grade Celsius încetinește reacțiile în timpul proceselor de tratament. Asta înseamnă că flocurile se formează mult mai lent, uneori durează cu 30 până la 50% mai mult decât în mod normal, iar operatorii trebuie să amestece lucrurile pentru perioade lungi de timp. Când vine vorba de nivelul de alcalinitate, ele joacă un rol important în a împiedica sistemul să devină prea acid după adăugarea de alun. Dacă alcalinitatea scade sub 50 miligrame pe litru ca carbonat de calciu, majoritatea instalaţiilor de tratare au nevoie de cal sau de cenuşă de sodiu pentru a menţine pH-ul suficient de stabil pentru o funcţionare corectă. O altă provocare apare când există o rezistență ionică ridicată în apă, peste 1000 de microsiemen per centimetru. Această condiție de fapt stârnește aceste straturi electrice mici în jurul particulelor, făcându-le să se aglomereze mai puțin eficient. Ce rezultat a avut? Coagularea funcţionează cu aproximativ 40% mai rău în aceste condiţii. Toate aceste variabile arată de ce un sistem bun de monitorizare în timp real face o diferență atât de mare, în special pentru instalațiile care se ocupă de schimbarea calității apei în diferite anotimpuri.

Avantaje şi provocări ale utilizării sulfatului de aluminiu în tratarea apei

Beneficii cheie: Eficienţă economică, fiabilitate şi versatilitate în toate sistemele de tratament

Alum, sau sulfat de aluminiu, se remarcă ca un coagulant economic şi fiabil utilizat în multe instalaţii de tratare a apei, atât în mediile municipale, cât şi în cele industriale. Comparativ cu opțiuni precum clorura ferrică, reduce cheltuielile de funcționare cu aproximativ 30 până la 50 la sută, toate în timp ce menține ratele de eliminare peste 95% pentru lucruri precum turbiditatea și agenții patogeni dăunători. Ceea ce face această substanță atât de versatile este modul în care funcționează, fie că se ocupă de sisteme mici de apă rurale sau de instalații de tratare a apei din orașe mari. Operatorii pot ajusta dozele în funcţie de calitatea apei cu care se confruntă în fiecare zi. Când nivelul pH rămâne în intervalul de 5,5 până la 7,5 de grade, alumul reuşeşte să elimine 70 până la 90% din aceşti contaminanţi organici enervanţi. Şi să recunoaştem, când banii contează cel mai mult, aluminişti înving adesea soluţiile PAC pentru facilităţi care îşi urmăresc bugetele de aproape.

Limitări comune: generarea de nămol, nevoile de ajustare a pH-ului şi considerente de mediu

Alum vine cu unele dezavantaje, totuși. Ea creează cu 15 până la 30% mai mult nămol decât polimerii sintetici, ceea ce înseamnă costuri mai mari de eliminare și logistică mai complicată pentru gestionarea deșeurilor. Când alumul se descompune în procesele de tratare a apei, acesta reduce de fapt nivelul pH-ului. Pentru a contracara acest efect, instalaţiile de tratare a apei trebuie să cheltuie bani pe substanţe alcaline, cum ar fi cal. Aceste achiziţii de produse chimice pot ocupa aproape 20% din bugetul lor de operare general doar pentru a menţine apa la nivelul corect de aciditate. Autorităţile de reglementare a mediului monitorizează îndeaproape cantitatea de aluminiu care rămâne în apa tratată după procesare, aşa că este esenţial să se respecte recomandarea Organizaţiei Mondiale a Sănătăţii de nu mai mult de 0,2 mg pe litru. Vestea bună este că cercetările recente arată că atunci când operatorii își îmbunătățesc metodele de dozare și le îmbină cu sisteme de filtrare mai noi, pot reduce crearea nămolului cu aproximativ 40%. Această abordare ajută, de asemenea, la îndeplinirea acestor standarde importante EPA și AWWA pentru apa potabilă sigură, fără a compromite calitatea.

Întrebări frecvente

Care este rolul principal al sulfatului de aluminiu în tratarea apei?

Sulfatul de aluminiu acționează ca un coagulant în tratarea apei, ajutând la destabilizarea particulelor în suspensie, astfel încât acestea să poată fi eliminate eficient prin procese suplimentare de tratare.

Cum afectează sulfatul de aluminiu nivelurile de pH ale apei tratate?

Sulfatul de aluminiu tinde să scadă nivelul pH al apei tratate, motiv pentru care instalațiile trebuie adesea să adauge substanțe alcaline, cum ar fi cal, pentru a menține intervalul optim de pH pentru un tratament eficient.

Există preocupări de mediu asociate cu utilizarea sulfatului de aluminiu?

Da, reziduurile de aluminiu din apa tratată reprezintă o preocupare, deoarece pot avea potențiale efecte asupra sănătății. Astfel, sistemele de tratament au ca scop menţinerea nivelurilor rezidualului sub 0,2 mg/l, aşa cum este recomandat de Organizaţia Mondială a Sănătăţii.

De ce este preferat sulfatul de aluminiu în locul altor coagulanţi, în ciuda limitărilor sale?

Sulfatul de aluminiu este eficient din punct de vedere al costurilor, fiabil și versatile, ceea ce îl face o alegere preferată pentru multe municipalități, în special cele cu constrângeri bugetare și infrastructură existentă.