résumé
Avec l'augmentation continue de la production industrielle et des rejets d'eaux usées domestiques, les ions de dureté présents dans les eaux usées ont un impact sérieux sur l'environnement et les processus de traitement ultérieurs. Cet article expose systématiquement les principes de base de l'adoucissement des eaux usées, analyse en détail les caractéristiques techniques, le champ d'application et les problèmes existants des différentes méthodes d'adoucissement telles que la précipitation chimique, l'échange d'ions, la séparation membranaire et l'adsorption, et anticipe les tendances de développement de la technologie d'adoucissement des eaux usées à l'avenir, dans le but de fournir une référence théorique pour l'optimisation et l'innovation technologique des processus d'adoucissement des eaux usées.
1、 Introduction
La dureté des eaux usées est principalement causée par la présence d'ions calcium et magnésium (sous forme de sels tels que le carbonate de calcium, le carbonate de magnésium, le sulfate de calcium, le sulfate de magnésium, etc.) dans l'eau. Dans la production industrielle, les eaux usées à forte dureté peuvent provoquer l'entartrage des équipements, réduire l'efficacité de l'échange thermique, augmenter la consommation d'énergie et même entraîner une défaillance des équipements ; dans le processus de traitement et de réutilisation des eaux usées domestiques, l'eau dure peut affecter l'efficacité du lavage et réduire le confort de l'eau domestique. De plus, le rejet d'eaux usées contenant une grande quantité d'ions de dureté peut également avoir des effets néfastes sur l'équilibre écologique des plans d'eau naturels. Par conséquent, l'élimination efficace des ions de dureté des eaux usées est d'une grande importance pour le fonctionnement stable de la production industrielle, le recyclage des ressources en eau et la protection de l'environnement écologique.
2、 Principe de l'adoucissement des eaux usées
La dureté des eaux usées est généralement divisée en dureté temporaire et dureté permanente. La dureté temporaire est principalement composée de sels de bicarbonate de calcium et de magnésium, qui peuvent être décomposés en précipités de carbonate de calcium et d'hydroxyde de magnésium et éliminés par chauffage ; la dureté permanente est composée de sulfates, de chlorures, etc. de calcium et de magnésium, qui doivent être éliminés par des méthodes chimiques, physiques ou physico-chimiques. Les principes de base de l'adoucissement des eaux usées sont principalement basés sur la réaction de précipitation, l'échange d'ions, la perméation membranaire sélective, l'adsorption, etc. La réaction de précipitation consiste à utiliser certains agents chimiques pour réagir avec les ions calcium et magnésium afin de générer des précipités insolubles, les séparant ainsi des eaux usées ; la méthode d'échange d'ions consiste à utiliser une résine échangeuse d'ions pour échanger les ions calcium et magnésium dans l'eau et les fixer sur la résine ; la méthode de séparation membranaire est basée sur la différence de capacité de rétention membranaire pour différents ions afin de réaliser la séparation des ions de dureté de l'eau ; le principe d'adsorption consiste à éliminer les ions calcium et magnésium par adsorption grâce aux sites actifs à la surface de l'adsorbant.
3、 Méthodes d'élimination de la dureté des eaux usées
（1） Méthode de précipitation chimique
1. Méthode de la chaux et de la soude
La méthode de la chaux et de la soude est l'une des méthodes de précipitation chimique les plus couramment utilisées pour éliminer la dureté. Cette méthode consiste à ajouter de la chaux (Ca (OH) ₂) et de la soude (Na ₂ CO3) aux eaux usées. La chaux réagit d'abord avec les ions bicarbonate dans l'eau pour former un précipité de carbonate de calcium, tandis que les ions magnésium sont convertis en précipité d'hydroxyde de magnésium. La soude réagit ensuite avec les ions calcium dans l'eau pour former un précipité de carbonate de calcium. Le processus de réaction est le suivant :
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}
Les avantages de cette méthode sont un faible coût de traitement, une large gamme de sources chimiques et un effet de traitement significatif sur les eaux usées à forte concentration de dureté. Mais les inconvénients sont également assez évidents, tels que la production d'une grande quantité de boues et le coût élevé du traitement des boues ; le processus de réaction nécessite un contrôle précis de la valeur du pH et du dosage des réactifs, sinon cela affectera l'effet d'élimination de la dureté ; les eaux usées traitées peuvent conserver une certaine quantité de carbonate de sodium, ce qui entraîne une augmentation de l'alcalinité de l'eau.
1. Méthode de précipitation au phosphate
La méthode de précipitation au phosphate consiste à ajouter du phosphate aux eaux usées pour réagir avec les ions calcium et magnésium afin de former des précipités insolubles de phosphate de calcium et de magnésium. Par exemple, le tripolyphosphate de sodium (Na ₅ P ∝ O ₁₀) réagit avec les ions calcium pour former des précipités insolubles de phosphate de calcium. Cette méthode a une efficacité d'élimination de la dureté élevée et un bon effet de traitement sur les eaux usées à faible concentration de dureté. Cependant, cette méthode introduit une grande quantité d'élément phosphore, ce qui peut entraîner l'eutrophisation des plans d'eau, et le prix relativement élevé des agents phosphatés augmente les coûts de traitement.
（2） Méthode d'échange d'ions
La méthode d'échange d'ions utilise des ions échangeables sur les résines échangeuses d'ions pour échanger avec les ions calcium et magnésium dans les eaux usées. La résine échangeuse de cations fortement acide (telle que la résine d'acide sulfonique) est un échangeur d'ions couramment utilisé, et son processus d'échange est le suivant :
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^{+}
Lorsque les ions échangeables sur la résine sont saturés d'ions calcium et magnésium, il est nécessaire d'utiliser des acides (tels que l'acide chlorhydrique et l'acide sulfurique) pour la régénération afin de restaurer la capacité d'échange de la résine. Les avantages de la méthode d'échange d'ions sont un bon effet d'élimination de la dureté, une qualité d'effluent stable et la capacité de répondre à des exigences de qualité de l'eau plus élevées ; l'équipement occupe une surface relativement petite et est relativement facile à utiliser. Cependant, cette méthode présente les inconvénients de prix de résine élevés et d'une grande quantité d'eaux usées acides et alcalines générées pendant le processus de régénération, qui doivent être correctement traitées, sinon cela provoquera une pollution secondaire ; la résine a des exigences élevées pour la qualité de l'eau entrante, et les impuretés telles que les solides en suspension et la matière organique dans les eaux usées peuvent facilement provoquer le blocage et l'empoisonnement de la résine, affectant sa durée de vie et d'autres problèmes.
（3） Méthode de séparation membranaire
1. Osmose inverse (OI)
L'osmose inverse est une technologie qui sépare les solutés et les solvants dans une solution grâce à une membrane semi-perméable sous pression. La taille des pores de la membrane d'osmose inverse est très petite (environ 0,1-1 nm), ce qui peut intercepter efficacement les ions calcium et magnésium et réaliser l'élimination de la dureté des eaux usées. Dans le processus d'élimination de la dureté, les molécules d'eau traversent la membrane d'osmose inverse sous pression, tandis que les ions de dureté sont interceptés, ce qui entraîne la production d'eau à faible dureté. La méthode d'osmose inverse a une grande efficacité pour éliminer la dureté, et la dureté de l'effluent peut être réduite à un niveau très bas. Elle convient aux occasions qui nécessitent une qualité d'eau extrêmement élevée, telles que l'eau de l'industrie électronique, l'eau d'alimentation des chaudières, etc. Mais ses inconvénients sont une pression de fonctionnement élevée et une consommation d'énergie élevée ; les composants membranaires sont chers et facilement contaminés par la matière organique, les micro-organismes et autres polluants dans les eaux usées, nécessitant un nettoyage et un remplacement réguliers, ce qui entraîne des coûts de maintenance élevés ; en même temps, le processus d'osmose inverse génère une certaine quantité d'eau concentrée, et le traitement de l'eau concentrée est également un défi.
2. Nanofiltration (NF)
La taille des pores de la membrane de nanofiltration se situe entre la membrane d'osmose inverse et la membrane d'ultrafiltration (environ 1-10 nm), et elle a un taux de rétention élevé pour les ions divalents (tels que les ions calcium et magnésium), tandis que le taux de rétention pour les ions monovalents (tels que les ions sodium et chlorure) est relativement faible. Le processus de nanofiltration peut fonctionner à des pressions plus basses, ce qui réduit la consommation d'énergie par rapport à l'osmose inverse. La nanofiltration peut non seulement éliminer efficacement les ions de dureté, mais aussi éliminer partiellement la matière organique et les ions de métaux lourds. Cependant, les membranes de nanofiltration ont également le problème d'une contamination facile et nécessitent un prétraitement strict de l'eau entrante ; de plus, la durée de vie et l'effet d'élimination de la dureté des membranes de nanofiltration sont fortement affectés par des facteurs tels que la qualité de l'eau et les conditions de fonctionnement.
（4） Méthode d'adsorption
La méthode d'adsorption consiste à utiliser des sites actifs à la surface des adsorbants pour adsorber et éliminer les ions calcium et magnésium. Les adsorbants courants comprennent le charbon actif, la zéolite, la bentonite, les oxydes métalliques, etc. Par exemple, la zéolite a une structure poreuse unique et des performances d'échange d'ions, et ses cations échangeables peuvent subir une adsorption d'échange avec les ions calcium et magnésium dans les eaux usées. La méthode d'adsorption est simple à utiliser et a un certain effet de traitement sur les eaux usées à faible concentration de dureté. De plus, certains adsorbants peuvent être réutilisés grâce à la régénération. Cependant, la capacité d'adsorption de l'adsorbant est limitée, ce qui entraîne une faible efficacité de traitement pour les eaux usées à forte concentration de dureté ; le processus de régénération des adsorbants est relativement complexe, et l'effet de régénération est instable, ce qui peut affecter la durée de vie et l'effet d'élimination de la dureté des adsorbants.
（5） Autres méthodes
1. Méthode d'électrodialyse
L'électrodialyse utilise la perméabilité sélective et l'effet de champ électrique des membranes échangeuses d'ions pour induire la migration directionnelle des ions dans l'eau, réalisant ainsi l'élimination de la dureté des eaux usées. Pendant l'électrodialyse, les membranes échangeuses de cations ne permettent qu'aux cations de passer, tandis que les membranes échangeuses d'anions ne permettent qu'aux anions de passer. Sous l'action d'un champ électrique, les ions calcium et magnésium dans les eaux usées migrent vers l'électrode négative à travers les membranes échangeuses de cations, se séparant ainsi de l'eau. La méthode d'électrodialyse pour éliminer la dureté ne nécessite pas l'ajout d'agents chimiques et ne produit pas de boues, ce qui rend le processus de fonctionnement relativement respectueux de l'environnement. Cependant, cette méthode nécessite un investissement important en équipement, consomme de l'énergie électrique pendant le fonctionnement et a des exigences élevées pour la qualité de l'eau entrante, nécessitant un prétraitement strict pour éviter l'encrassement des membranes.
2. Méthode microbienne
La méthode microbienne consiste à utiliser l'activité métabolique des micro-organismes ou la réaction entre les polymères extracellulaires des micro-organismes et les ions calcium et magnésium pour réaliser l'élimination de la dureté des eaux usées. Par exemple, certains micro-organismes peuvent augmenter la valeur du pH de l'environnement environnant en sécrétant des substances alcalines, ce qui favorise la précipitation des ions calcium et magnésium ; les groupes fonctionnels des polymères extracellulaires microbiens, tels que les groupes carboxyle et hydroxyle, peuvent également subir une complexation et une adsorption avec les ions calcium et magnésium. Les méthodes microbiennes présentent les avantages d'un faible coût de traitement et du respect de l'environnement, mais le processus de traitement est lent et fortement affecté par les conditions de croissance microbienne telles que la température, la valeur du pH, l'oxygène dissous, etc. Actuellement, il existe encore certaines limites dans les applications pratiques.
4、 Comparaison et sélection de différentes méthodes d'élimination de la dureté
Différentes méthodes d'élimination de la dureté des eaux usées ont leurs propres avantages et inconvénients, et leur applicabilité varie également. Dans les applications pratiques, il est nécessaire de prendre en compte de manière globale des facteurs tels que les caractéristiques de qualité de l'eau des eaux usées (tels que la concentration en ions de dureté, les autres composants polluants, etc.), l'échelle de traitement, le coût de traitement, les exigences de qualité des effluents et les exigences de protection de l'environnement, et de sélectionner des méthodes appropriées pour éliminer la dureté. Pour les eaux usées à forte concentration de dureté, la précipitation chimique peut être une méthode plus économique et efficace ; pour le traitement à petite échelle qui nécessite une qualité d'eau élevée, les méthodes d'échange d'ions ou d'osmose inverse sont plus appropriées ; pour les eaux usées à faible concentration de dureté qui sont sensibles aux coûts, l'adsorption ou les méthodes microbiennes peuvent avoir un certain potentiel d'application. De plus, dans de nombreux cas, une combinaison de plusieurs méthodes d'élimination de la dureté peut être utilisée pour tirer pleinement parti des avantages de chaque méthode, améliorer l'effet d'élimination et réduire les coûts de traitement.
5、 Conclusion et perspectives
La technologie d'élimination de la dureté des eaux usées est d'une grande importance pour assurer la production industrielle, réaliser le recyclage des ressources en eau et protéger l'environnement écologique. À l'heure actuelle, diverses méthodes d'élimination de la dureté, telles que la précipitation chimique, l'échange d'ions, la séparation membranaire, l'adsorption, etc., ont été largement utilisées dans l'ingénierie pratique, mais chaque méthode a certaines limites. À l'avenir, la tendance de développement de la technologie d'adoucissement des eaux usées comprend principalement les aspects suivants : premièrement, développer de nouveaux agents d'adoucissement et matériaux d'adsorption efficaces, respectueux de l'environnement et économiques pour améliorer l'efficacité de l'adoucissement, réduire les coûts de traitement et la pollution secondaire ; la seconde est de renforcer la recherche et le développement de matériaux membranaires, d'améliorer les performances anti-pollution, le taux de rétention et la durée de vie des membranes, et de réduire les coûts d'exploitation de la technologie de séparation membranaire ; la troisième est de mener des recherches approfondies sur le mécanisme d'élimination de la dureté microbienne, d'optimiser les processus de traitement microbiens et d'améliorer leur stabilité et leur efficacité de traitement ; la quatrième est d'explorer le processus d'application conjointe de plusieurs méthodes d'élimination de la dureté, d'obtenir des avantages complémentaires et d'améliorer l'effet de traitement global. Grâce à l'innovation technologique continue et à l'optimisation des processus, la technologie d'adoucissement des eaux usées jouera un rôle plus important dans l'utilisation durable des ressources en eau et la protection de l'environnement à l'avenir.
