Abstract
Mit der kontinuierlichen Zunahme der Industrieproduktion und der häuslichen Abwassereinleitung haben die Härteionen im Abwasser einen ernsthaften Einfluss auf die Umwelt und nachfolgende Behandlungsprozesse. Dieser Artikel erläutert systematisch die grundlegenden Prinzipien der Abwasserenthärtung, analysiert detailliert die technischen Merkmale, den Anwendungsbereich und die bestehenden Probleme verschiedener Enthärtungsmethoden wie chemische Ausfällung, Ionenaustausch, Membrantrennung und Adsorption und blickt auf die Entwicklungstrends der Abwasserenthärtungstechnologie in der Zukunft, mit dem Ziel, einen theoretischen Bezugspunkt für die Optimierung und technologische Innovation von Abwasserenthärtungsprozessen zu liefern.
1、 Einleitung
Die Härte von Abwasser wird hauptsächlich durch das Vorhandensein von Calcium- und Magnesiumionen (in Form von Salzen wie Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Calciumsulfat, Magnesiumsulfat usw.) im Wasser verursacht. In der Industrieproduktion kann Abwasser mit hoher Härte zu Kesselsteinbildung in Anlagen führen, die Wärmeübertragungseffizienz verringern, den Energieverbrauch erhöhen und sogar zu Anlagenausfällen führen; Bei der Behandlung und Wiederverwendung von häuslichem Abwasser kann hartes Wasser die Waschwirkung beeinträchtigen und den Komfort von Brauchwasser verringern. Darüber hinaus kann die Einleitung von Abwasser, das eine große Menge an Härteionen enthält, auch nachteilige Auswirkungen auf das ökologische Gleichgewicht natürlicher Gewässer haben. Daher ist die effektive Entfernung von Härteionen aus Abwasser von großer Bedeutung für den stabilen Betrieb der Industrieproduktion, das Recycling von Wasserressourcen und den Schutz der ökologischen Umwelt.
2、 Prinzip der Abwasserenthärtung
Die Härte im Abwasser wird üblicherweise in temporäre Härte und permanente Härte unterteilt. Temporäre Härte besteht hauptsächlich aus Bicarbonatsalzen von Calcium und Magnesium, die in Calciumcarbonat- und Magnesiumhydroxid-Niederschläge zerlegt und durch Erhitzen entfernt werden können; Die permanente Härte besteht aus Sulfaten, Chloriden usw. von Calcium und Magnesium, die durch chemische, physikalische oder physikalisch-chemische Verfahren entfernt werden müssen. Die grundlegenden Prinzipien der Abwasserenthärtung basieren hauptsächlich auf Ausfällungsreaktionen, Ionenaustausch, selektiver Membranpermeation, Adsorption usw. Die Ausfällungsreaktion ist die Verwendung bestimmter chemischer Mittel, um mit Calcium- und Magnesiumionen zu reagieren und unlösliche Niederschläge zu erzeugen, wodurch diese vom Abwasser getrennt werden; Das Ionenaustauschverfahren ist die Verwendung von Ionenaustauscherharz, um Calcium- und Magnesiumionen im Wasser auszutauschen und sie auf dem Harz zu fixieren; Das Membrantrennverfahren basiert auf dem Unterschied in der Membranretentionsfähigkeit für verschiedene Ionen, um die Trennung von Härteionen vom Wasser zu erreichen; Das Adsorptionsprinzip besteht darin, Calcium- und Magnesiumionen durch Adsorption über die aktiven Stellen auf der Oberfläche des Adsorptionsmittels zu entfernen.
3、 Methoden zur Entfernung von Härte aus Abwasser
（1） Chemisches Ausfällungsverfahren
1. Kalk-Soda-Verfahren
Das Kalk-Soda-Verfahren ist eines der am häufigsten verwendeten chemischen Ausfällungsverfahren zur Entfernung von Härte. Bei diesem Verfahren werden Kalk (Ca (OH)₂ ) und Soda (Na₂CO₃) dem Abwasser zugesetzt. Kalk reagiert zuerst mit Bicarbonationen im Wasser unter Bildung von Calciumcarbonat-Niederschlag, während Magnesiumionen in Magnesiumhydroxid-Niederschlag umgewandelt werden. Soda reagiert weiter mit Calciumionen im Wasser unter Bildung von Calciumcarbonat-Niederschlag. Der Reaktionsprozess ist wie folgt:
Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + Mg(OH)₂↓ + 2H₂O
CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄
Die Vorteile dieses Verfahrens sind geringe Behandlungskosten, eine breite Palette an chemischen Quellen und eine signifikante Behandlungswirkung bei Abwasser mit hoher Härtekonzentration. Aber die Nachteile sind auch recht offensichtlich, wie z. B. die Produktion einer großen Menge an Schlamm und die hohen Kosten der Schlammbehandlung; Der Reaktionsprozess erfordert eine präzise Kontrolle des pH-Werts und der Dosierung der Reagenzien, andernfalls wirkt sich dies auf die Härteentfernung aus; Das behandelte Abwasser kann eine bestimmte Menge an Natriumcarbonat zurückhalten, was zu einer Erhöhung der Wasseralkalinität führt.
1. Phosphatausfällungsverfahren
Das Phosphatausfällungsverfahren beinhaltet die Zugabe von Phosphat zum Abwasser, um mit Calcium- und Magnesiumionen zu reagieren und unlösliche Calcium- und Magnesiumphosphat-Niederschläge zu bilden. Beispielsweise reagiert Natriumtripolyphosphat (Na₅P₃O₁₀) mit Calciumionen unter Bildung von unlöslichen Calciumphosphat-Niederschlägen. Dieses Verfahren hat eine hohe Härteentfernungseffizienz und eine gute Behandlungswirkung bei Abwasser mit geringer Härtekonzentration. Dieses Verfahren führt jedoch eine große Menge an Phosphorelementen ein, was zu einer Eutrophierung von Gewässern führen kann, und der relativ hohe Preis der Phosphatmittel erhöht die Behandlungskosten.
（2） Ionenaustauschverfahren
Das Ionenaustauschverfahren nutzt austauschbare Ionen auf Ionenaustauscherharzen, um mit Calcium- und Magnesiumionen im Abwasser auszutauschen. Stark saures Kationenaustauscherharz (wie Sulfonsäureharz) ist ein häufig verwendeter Ionenaustauscher, und sein Austauschprozess ist wie folgt:
2R - SO₃H + Ca²⁺ → (R - SO₃)₂Ca + 2H⁺
2R - SO₃H + Mg²⁺ → (R - SO₃)₂Mg + 2H⁺
Wenn die austauschbaren Ionen auf dem Harz mit Calcium- und Magnesiumionen gesättigt sind, ist es notwendig, Säuren (wie Salzsäure und Schwefelsäure) zur Regeneration zu verwenden, um die Austauschkapazität des Harzes wiederherzustellen. Die Vorteile des Ionenaustauschverfahrens sind eine gute Härteentfernung, eine stabile Abwasserqualität und die Fähigkeit, höhere Wasserqualitätsanforderungen zu erfüllen; Die Ausrüstung nimmt eine relativ kleine Fläche ein und ist relativ einfach zu bedienen. Dieses Verfahren hat jedoch die Nachteile hoher Harzpreise und einer großen Menge an saurem und alkalischem Abwasser, das während des Regenerationsprozesses entsteht und ordnungsgemäß behandelt werden muss, da es sonst zu einer Sekundärverschmutzung führt; Harz hat hohe Anforderungen an die Qualität des eingehenden Wassers, und Verunreinigungen wie suspendierte Feststoffe und organische Stoffe im Abwasser können leicht zu Harzblockaden und -vergiftungen führen, was sich auf seine Lebensdauer und andere Probleme auswirkt.
（3） Membrantrennverfahren
1. Umkehrosmose (RO)
Umkehrosmose ist eine Technologie, die gelöste Stoffe und Lösungsmittel in einer Lösung durch eine semipermeable Membran unter Druck trennt. Die Porengröße der Umkehrosmosemembran ist sehr klein (ca. 0,1-1 nm), wodurch Calcium- und Magnesiumionen effektiv abgefangen und die Abwasserhärte entfernt werden kann. Bei der Entfernung von Härte passieren Wassermoleküle unter Druck die Umkehrosmosemembran, während Härteionen abgefangen werden, was zu Wasser mit geringer Härte führt. Das Umkehrosmoseverfahren hat eine hohe Effizienz bei der Entfernung von Härte, und die Härte des Abwassers kann auf ein sehr niedriges Niveau reduziert werden. Es eignet sich für Anlässe, die eine extrem hohe Wasserqualität erfordern, wie z. B. Wasser für die Elektronikindustrie, Kesselspeisewasser usw. Aber seine Nachteile sind hoher Betriebsdruck und hoher Energieverbrauch; Membrankomponenten sind teuer und werden leicht durch organische Stoffe, Mikroorganismen und andere Schadstoffe im Abwasser kontaminiert, was eine regelmäßige Reinigung und einen Austausch erfordert, was zu hohen Wartungskosten führt; Gleichzeitig erzeugt der Umkehrosmoseprozess eine bestimmte Menge an konzentriertem Wasser, und die Behandlung von konzentriertem Wasser ist ebenfalls eine Herausforderung.
2. Nanofiltration (NF)
Die Porengröße der Nanofiltrationsmembran liegt zwischen der Umkehrosmosemembran und der Ultrafiltrationsmembran (ca. 1-10 nm) und weist eine hohe Rückhalterate für zweiwertige Ionen (wie Calcium- und Magnesiumionen) auf, während die Rückhalterate für einwertige Ionen (wie Natrium- und Chloridionen) relativ gering ist. Der Nanofiltrationsprozess kann bei niedrigeren Drücken betrieben werden, was den Energieverbrauch im Vergleich zur Umkehrosmose reduziert. Die Nanofiltration kann nicht nur Härteionen effektiv entfernen, sondern auch organische Stoffe und Schwermetallionen teilweise entfernen. Nanofiltrationsmembranen haben jedoch auch das Problem der leichten Kontamination und erfordern eine strenge Vorbehandlung des eingehenden Wassers; Darüber hinaus werden die Lebensdauer und die Härteentfernungswirkung von Nanofiltrationsmembranen stark von Faktoren wie Wasserqualität und Betriebsbedingungen beeinflusst.
（4） Adsorptionsverfahren
Das Adsorptionsverfahren ist die Verwendung von aktiven Stellen auf der Oberfläche von Adsorptionsmitteln, um Calcium- und Magnesiumionen zu adsorbieren und zu entfernen. Häufige Adsorptionsmittel sind Aktivkohle, Zeolith, Bentonit, Metalloxide usw. Beispielsweise hat Zeolith eine einzigartige Porenstruktur und Ionenaustauschleistung, und seine austauschbaren Kationen können einen Austausch mit Calcium- und Magnesiumionen im Abwasser eingehen. Das Adsorptionsverfahren ist einfach zu bedienen und hat eine gewisse Behandlungswirkung bei Abwasser mit geringer Härtekonzentration. Darüber hinaus können einige Adsorptionsmittel durch Regeneration wiederverwendet werden. Die Adsorptionskapazität des Adsorptionsmittels ist jedoch begrenzt, was zu einer schlechten Behandlungseffizienz bei Abwasser mit hoher Härtekonzentration führt; Der Regenerationsprozess von Adsorptionsmitteln ist relativ komplex, und die Regenerationseffizienz ist instabil, was sich auf die Lebensdauer und die Härteentfernungswirkung von Adsorptionsmitteln auswirken kann.
（5） Andere Verfahren
1. Elektrodialyseverfahren
Die Elektrodialyse nutzt die selektive Permeabilität und den elektrischen Feldeffekt von Ionenaustauschmembranen, um die gerichtete Migration von Ionen im Wasser zu induzieren und so die Entfernung von Härte aus dem Abwasser zu erreichen. Während der Elektrodialyse lassen Kationenaustauschmembranen nur Kationen passieren, während Anionenaustauschmembranen nur Anionen passieren lassen. Unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes wandern Calcium- und Magnesiumionen im Abwasser durch Kationenaustauschmembranen zur negativen Elektrode und trennen sich so vom Wasser. Das Elektrodialyseverfahren zur Entfernung von Härte erfordert keine Zugabe von chemischen Mitteln und erzeugt keinen Schlamm, wodurch der Betriebsprozess relativ umweltfreundlich ist. Dieses Verfahren erfordert jedoch eine große Investition in die Ausrüstung, verbraucht während des Betriebs elektrische Energie und hat hohe Anforderungen an die Qualität des eingehenden Wassers, was eine strenge Vorbehandlung erfordert, um Membranfouling zu verhindern.
2. Mikrobielles Verfahren
Das mikrobielle Verfahren besteht darin, die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen oder die Reaktion zwischen extrazellulären Polymeren von Mikroorganismen und Calcium- und Magnesiumionen zu nutzen, um die Entfernung von Härte aus dem Abwasser zu erreichen. Beispielsweise können einige Mikroorganismen den pH-Wert der Umgebung durch die Ausscheidung alkalischer Substanzen erhöhen, was die Ausfällung von Calcium- und Magnesiumionen fördert; Funktionelle Gruppen in extrazellulären Polymeren von Mikroorganismen, wie z. B. Carboxyl- und Hydroxylgruppen, können auch eine Komplexierung und Adsorption mit Calcium- und Magnesiumionen eingehen. Mikrobielle Verfahren haben die Vorteile geringer Behandlungskosten und Umweltfreundlichkeit, aber der Behandlungsprozess ist langsam und stark von mikrobiellen Wachstumsbedingungen wie Temperatur, pH-Wert, gelöstem Sauerstoff usw. beeinflusst. Derzeit gibt es noch bestimmte Einschränkungen in praktischen Anwendungen.
4、 Vergleich und Auswahl verschiedener Verfahren zur Entfernung von Härte
Verschiedene Verfahren zur Entfernung von Härte aus Abwasser haben ihre eigenen Vor- und Nachteile, und ihre Anwendbarkeit variiert ebenfalls. In praktischen Anwendungen ist es notwendig, Faktoren wie die Wasserqualitätsmerkmale des Abwassers (wie Härteionenkonzentration, andere Schadstoffkomponenten usw.), den Behandlungsumfang, die Behandlungskosten, die Anforderungen an die Abwasserqualität und die Umweltschutzanforderungen umfassend zu berücksichtigen und geeignete Verfahren zur Entfernung von Härte auszuwählen. Für Abwasser mit hoher Härtekonzentration kann die chemische Ausfällung eine wirtschaftlichere und effektivere Methode sein; Für die Behandlung im kleinen Maßstab, die eine hohe Wasserqualität erfordert, sind Ionenaustausch- oder Umkehrosmoseverfahren besser geeignet; Für Abwasser mit geringer Härtekonzentration, das kostenempfindlich ist, können Adsorptions- oder mikrobielle Verfahren ein gewisses Anwendungspotenzial haben. Darüber hinaus kann in vielen Fällen eine Kombination aus mehreren Verfahren zur Entfernung von Härte verwendet werden, um die Vorteile jedes Verfahrens voll auszuschöpfen, die Entfernungswirkung zu verbessern und die Verarbeitungskosten zu senken.
5、 Schlussfolgerung und Ausblick
Die Technologie zur Entfernung von Härte aus Abwasser ist von großer Bedeutung für die Sicherstellung der Industrieproduktion, die Realisierung des Wasserressourcenrecyclings und den Schutz der ökologischen Umwelt. Derzeit werden verschiedene Verfahren zur Entfernung von Härte, wie z. B. chemische Ausfällung, Ionenaustausch, Membrantrennung, Adsorption usw., in der praktischen Technik weit verbreitet, aber jedes Verfahren hat bestimmte Einschränkungen. In Zukunft umfasst der Entwicklungstrend der Abwasserenthärtungstechnologie hauptsächlich die folgenden Aspekte: Erstens die Entwicklung effizienter, umweltfreundlicher und wirtschaftlicher neuer Enthärtungsmittel und Adsorptionsmaterialien zur Verbesserung der Enthärtungseffizienz, zur Reduzierung der Behandlungskosten und der Sekundärverschmutzung; Zweitens die Stärkung der Forschung und Entwicklung von Membranmaterialien, die Verbesserung der Anti-Verschmutzungsleistung, der Rückhalterate und der Lebensdauer von Membranen sowie die Reduzierung der Betriebskosten der Membrantrenntechnologie; Drittens die Durchführung eingehender Forschung zum Mechanismus der mikrobiellen Härteentfernung, die Optimierung mikrobieller Behandlungsprozesse und die Verbesserung ihrer Stabilität und Behandlungseffizienz; Viertens die Erforschung des gemeinsamen Anwendungsverfahrens mehrerer Verfahren zur Entfernung von Härte, die Erzielung komplementärer Vorteile und die Verbesserung der Gesamtbehandlungswirkung. Durch kontinuierliche technologische Innovation und Prozessoptimierung wird die Abwasserenthärtungstechnologie in Zukunft eine wichtigere Rolle bei der nachhaltigen Nutzung von Wasserressourcen und dem Umweltschutz spielen.
