หลักการและวิธีการกำจัดความกระด้างออกจากน้ำเสีย

บทคัดย่อ

ด้วยการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของการผลิตภาคอุตสาหกรรมและการปล่อยน้ำเสียในประเทศ ไอออนความกระด้างในน้ำเสียส่งผลกระทบอย่างร้ายแรงต่อสิ่งแวดล้อมและกระบวนการบำบัดในภายหลัง บทความนี้อธิบายหลักการพื้นฐานของการกำจัดความกระด้างของน้ำเสียอย่างเป็นระบบ วิเคราะห์ลักษณะทางเทคนิค ขอบเขตการใช้งาน และปัญหาที่มีอยู่ของวิธีการกำจัดความกระด้างต่างๆ เช่น การตกตะกอนทางเคมี การแลกเปลี่ยนไอออน การแยกเมมเบรน และการดูดซับอย่างละเอียด และมองไปข้างหน้าถึงแนวโน้มการพัฒนาของเทคโนโลยีการกำจัดความกระด้างของน้ำเสียในอนาคต โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อให้ข้อมูลอ้างอิงทางทฤษฎีสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพและนวัตกรรมทางเทคโนโลยีของกระบวนการกำจัดความกระด้างของน้ำเสีย

1、 บทนำ

ความกระด้างของน้ำเสียส่วนใหญ่เกิดจากการมีอยู่ของไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียม (ในรูปของเกลือ เช่น แคลเซียมคาร์บอเนต แมกนีเซียมคาร์บอเนต แคลเซียมซัลเฟต แมกนีเซียมซัลเฟต ฯลฯ) ในน้ำ ในการผลิตภาคอุตสาหกรรม น้ำเสียที่มีความกระด้างสูงอาจทำให้เกิดการเกาะตัวของอุปกรณ์ ลดประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อน เพิ่มการใช้พลังงาน และอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของอุปกรณ์ ในกระบวนการบำบัดและนำน้ำเสียกลับมาใช้ใหม่ น้ำกระด้างอาจส่งผลต่อผลการซักล้างและลดความสะดวกสบายของน้ำในประเทศ นอกจากนี้ การปล่อยน้ำเสียที่มีไอออนความกระด้างจำนวนมากอาจส่งผลเสียต่อความสมดุลทางนิเวศวิทยาของแหล่งน้ำธรรมชาติ ดังนั้น การกำจัดไอออนความกระด้างออกจากน้ำเสียอย่างมีประสิทธิภาพจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการดำเนินงานที่มั่นคงของการผลิตภาคอุตสาหกรรม การรีไซเคิลทรัพยากรน้ำ และการปกป้องสิ่งแวดล้อมทางนิเวศวิทยา

2、 หลักการของการกำจัดความกระด้างของน้ำเสีย

ความกระด้างในน้ำเสียมักแบ่งออกเป็นความกระด้างชั่วคราวและความกระด้างถาวร ความกระด้างชั่วคราวส่วนใหญ่ประกอบด้วยเกลือไบคาร์บอเนตของแคลเซียมและแมกนีเซียม ซึ่งสามารถสลายตัวเป็นตะกอนแคลเซียมคาร์บอเนตและแมกนีเซียมไฮดรอกไซด์และกำจัดออกได้โดยการให้ความร้อน ความกระด้างถาวรประกอบด้วยซัลเฟต คลอไรด์ ฯลฯ ของแคลเซียมและแมกนีเซียม ซึ่งจำเป็นต้องกำจัดออกด้วยวิธีการทางเคมี กายภาพ หรือกายภาพเคมี หลักการพื้นฐานของการกำจัดความกระด้างของน้ำเสียส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาการตกตะกอน การแลกเปลี่ยนไอออน การซึมผ่านของเมมเบรนแบบเลือก การดูดซับ ฯลฯ ปฏิกิริยาการตกตะกอนคือการใช้สารเคมีบางชนิดทำปฏิกิริยากับไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมเพื่อสร้างตะกอนที่ไม่ละลายน้ำ ซึ่งจะแยกออกจากน้ำเสีย วิธีการแลกเปลี่ยนไอออนคือการใช้เรซินแลกเปลี่ยนไอออนเพื่อแลกเปลี่ยนไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมในน้ำและตรึงไว้บนเรซิน วิธีการแยกเมมเบรนขึ้นอยู่กับความแตกต่างในการกักเก็บเมมเบรนสำหรับไอออนต่างๆ เพื่อให้ได้การแยกไอออนความกระด้างออกจากน้ำ หลักการดูดซับคือการกำจัดไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมโดยการดูดซับผ่านตำแหน่งที่ใช้งานบนพื้นผิวของสารดูดซับ

3、 วิธีการกำจัดความกระด้างออกจากน้ำเสีย

（1） วิธีการตกตะกอนทางเคมี

1. วิธีการใช้ปูนขาวโซดาแอช
วิธีการใช้ปูนขาวโซดาแอชเป็นหนึ่งในวิธีการตกตะกอนทางเคมีที่ใช้กันทั่วไปในการกำจัดความกระด้าง วิธีการนี้เกี่ยวข้องกับการเติมปูนขาว (Ca (OH) ₂) และโซดาแอช (Na ₂ CO3) ลงในน้ำเสีย ปูนขาวทำปฏิกิริยากับไอออนไบคาร์บอเนตในน้ำก่อนเพื่อสร้างตะกอนแคลเซียมคาร์บอเนต ในขณะที่ไอออนแมกนีเซียมจะถูกเปลี่ยนเป็นตะกอนแมกนีเซียมไฮดรอกไซด์ โซดาแอชทำปฏิกิริยากับไอออนแคลเซียมในน้ำต่อไปเพื่อสร้างตะกอนแคลเซียมคาร์บอเนต กระบวนการทำปฏิกิริยามีดังนี้:
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}

ข้อดีของวิธีนี้คือต้นทุนการบำบัดต่ำ แหล่งเคมีภัณฑ์หลากหลาย และมีผลการบำบัดที่สำคัญต่อน้ำเสียที่มีความกระด้างสูง แต่ข้อเสียก็เห็นได้ชัดเจนเช่นกัน เช่น การผลิตกากตะกอนจำนวนมากและต้นทุนการบำบัดกากตะกอนที่สูง กระบวนการทำปฏิกิริยาต้องควบคุมค่า pH และปริมาณของสารทำปฏิกิริยาอย่างแม่นยำ มิฉะนั้นจะส่งผลต่อผลการกำจัดความกระด้าง น้ำเสียที่ผ่านการบำบัดอาจยังคงมีโซเดียมคาร์บอเนตในปริมาณหนึ่ง ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของความเป็นด่างของน้ำ

1. วิธีการตกตะกอนฟอสเฟต
วิธีการตกตะกอนฟอสเฟตเกี่ยวข้องกับการเติมฟอสเฟตลงในน้ำเสียเพื่อทำปฏิกิริยากับไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมเพื่อสร้างตะกอนแคลเซียมและแมกนีเซียมฟอสเฟตที่ไม่ละลายน้ำ ตัวอย่างเช่น โซเดียมไตรโพลีฟอสเฟต (Na ₅ P ∝ O ₁₀) ทำปฏิกิริยากับไอออนแคลเซียมเพื่อสร้างตะกอนแคลเซียมฟอสเฟตที่ไม่ละลายน้ำ วิธีการนี้มีประสิทธิภาพในการกำจัดความกระด้างสูงและมีผลการบำบัดที่ดีต่อน้ำเสียที่มีความกระด้างต่ำ อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ทำให้เกิดธาตุฟอสฟอรัสจำนวนมาก ซึ่งอาจนำไปสู่การเกิดยูโทรฟิเคชันของแหล่งน้ำ และราคาของสารฟอสเฟตที่ค่อนข้างสูงทำให้ต้นทุนการบำบัดเพิ่มขึ้น

（2） วิธีการแลกเปลี่ยนไอออน

วิธีการแลกเปลี่ยนไอออนใช้ไอออนที่แลกเปลี่ยนได้บนเรซินแลกเปลี่ยนไอออนเพื่อแลกเปลี่ยนกับไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมในน้ำเสีย เรซินแลกเปลี่ยนไอออนประจุบวกชนิดกรดแก่ (เช่น เรซินกรดซัลโฟนิก) เป็นตัวแลกเปลี่ยนไอออนที่ใช้กันทั่วไป และกระบวนการแลกเปลี่ยนมีดังนี้:
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^{+}

เมื่อไอออนที่แลกเปลี่ยนได้บนเรซินอิ่มตัวด้วยไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียม จำเป็นต้องใช้กรด (เช่น กรดไฮโดรคลอริกและกรดซัลฟิวริก) ในการสร้างใหม่เพื่อฟื้นฟูความสามารถในการแลกเปลี่ยนของเรซิน ข้อดีของวิธีการแลกเปลี่ยนไอออนคือมีผลการกำจัดความกระด้างที่ดี คุณภาพน้ำทิ้งคงที่ และความสามารถในการตอบสนองความต้องการคุณภาพน้ำที่สูงขึ้น อุปกรณ์ใช้พื้นที่ค่อนข้างน้อยและใช้งานค่อนข้างง่าย อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้มีข้อเสียคือราคาเรซินสูงและน้ำเสียที่เป็นกรดและด่างจำนวนมากที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการสร้างใหม่ ซึ่งจำเป็นต้องได้รับการบำบัดอย่างเหมาะสม มิฉะนั้นจะทำให้เกิดมลพิษทุติยภูมิ เรซินมีความต้องการสูงสำหรับคุณภาพของน้ำที่เข้ามา และสิ่งสกปรก เช่น ของแข็งแขวนลอยและสารอินทรีย์ในน้ำเสียสามารถทำให้เรซินอุดตันและเป็นพิษได้ง่าย ซึ่งส่งผลต่ออายุการใช้งานและปัญหาอื่นๆ

（3） วิธีการแยกเมมเบรน

1. รีเวิร์สออสโมซิส (RO)
รีเวิร์สออสโมซิสเป็นเทคโนโลยีที่แยกตัวถูกละลายและตัวทำละลายในสารละลายผ่านเมมเบรนกึ่งซึมผ่านได้ภายใต้แรงดัน ขนาดรูพรุนของเมมเบรนรีเวิร์สออสโมซิสมีขนาดเล็กมาก (ประมาณ 0.1-1nm) ซึ่งสามารถสกัดกั้นไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมได้อย่างมีประสิทธิภาพและกำจัดความกระด้างของน้ำเสีย ในกระบวนการกำจัดความกระด้าง โมเลกุลของน้ำจะผ่านเมมเบรนรีเวิร์สออสโมซิสภายใต้แรงดัน ในขณะที่ไอออนความกระด้างจะถูกสกัดกั้น ส่งผลให้น้ำที่ผลิตมีความกระด้างต่ำ วิธีการรีเวิร์สออสโมซิสมีประสิทธิภาพสูงในการกำจัดความกระด้าง และความกระด้างของน้ำทิ้งสามารถลดลงให้อยู่ในระดับที่ต่ำมาก เหมาะสำหรับโอกาสที่ต้องการคุณภาพน้ำสูงมาก เช่น น้ำสำหรับอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ น้ำป้อนหม้อไอน้ำ ฯลฯ แต่ข้อเสียคือแรงดันใช้งานสูงและการใช้พลังงานสูง ส่วนประกอบเมมเบรนมีราคาแพงและปนเปื้อนได้ง่ายจากสารอินทรีย์ จุลินทรีย์ และสารมลพิษอื่นๆ ในน้ำเสีย ซึ่งต้องทำความสะอาดและเปลี่ยนเป็นประจำ ส่งผลให้มีค่าบำรุงรักษาสูง ในขณะเดียวกัน กระบวนการรีเวิร์สออสโมซิสจะสร้างน้ำเข้มข้นในปริมาณหนึ่ง และการบำบัดน้ำเข้มข้นก็เป็นความท้าทายเช่นกัน

2. นาโนฟิลเตรชัน (NF)
ขนาดรูพรุนของเมมเบรนนานอฟิลเตรชันอยู่ระหว่างเมมเบรนรีเวิร์สออสโมซิสและเมมเบรนอัลตราฟิลเตรชัน (ประมาณ 1-10nm) และมีอัตราการกักเก็บสูงสำหรับไอออนสองวาเลนต์ (เช่น ไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียม) ในขณะที่อัตราการกักเก็บสำหรับไอออนหนึ่งวาเลนต์ (เช่น ไอออนโซเดียมและคลอไรด์) ค่อนข้างต่ำ กระบวนการนาโนฟิลเตรชันสามารถทำงานได้ที่แรงดันต่ำกว่า ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานเมื่อเทียบกับรีเวิร์สออสโมซิส นาโนฟิลเตรชันไม่เพียงแต่สามารถกำจัดไอออนความกระด้างได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังสามารถกำจัดสารอินทรีย์และไอออนโลหะหนักบางส่วนได้อีกด้วย อย่างไรก็ตาม เมมเบรนนานอฟิลเตรชันยังมีปัญหาเรื่องการปนเปื้อนได้ง่ายและต้องมีการปรับสภาพน้ำที่เข้ามาอย่างเข้มงวด นอกจากนี้ อายุการใช้งานและผลการกำจัดความกระด้างของเมมเบรนนานอฟิลเตรชันได้รับผลกระทบอย่างมากจากปัจจัยต่างๆ เช่น คุณภาพน้ำและสภาพการทำงาน

（4） วิธีการดูดซับ

วิธีการดูดซับคือการใช้ตำแหน่งที่ใช้งานบนพื้นผิวของสารดูดซับเพื่อดูดซับและกำจัดไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียม สารดูดซับทั่วไป ได้แก่ ถ่านกัมมันต์ ซีโอไลต์ เบนโทไนท์ ออกไซด์ของโลหะ ฯลฯ ตัวอย่างเช่น ซีโอไลต์มีโครงสร้างรูพรุนและประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนไอออนที่ไม่เหมือนใคร และไอออนบวกที่แลกเปลี่ยนได้สามารถแลกเปลี่ยนการดูดซับกับไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมในน้ำเสียได้ วิธีการดูดซับใช้งานง่ายและมีผลการบำบัดต่อน้ำเสียที่มีความกระด้างต่ำ นอกจากนี้ สารดูดซับบางชนิดสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้โดยการสร้างใหม่ อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการดูดซับของสารดูดซับมีจำกัด ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพการบำบัดสำหรับน้ำเสียที่มีความกระด้างสูงไม่ดี กระบวนการสร้างใหม่ของสารดูดซับค่อนข้างซับซ้อน และผลการสร้างใหม่ไม่เสถียร ซึ่งอาจส่งผลต่ออายุการใช้งานและผลการกำจัดความกระด้างของสารดูดซับ

（5） วิธีการอื่นๆ

1. วิธีการอิเล็กโทรไดอะไลซิส
อิเล็กโทรไดอะไลซิสใช้การซึมผ่านแบบเลือกและการทำงานของสนามไฟฟ้าของเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนเพื่อกระตุ้นการเคลื่อนที่ของไอออนในน้ำในทิศทางเดียว ซึ่งจะช่วยกำจัดความกระด้างออกจากน้ำเสีย ในระหว่างอิเล็กโทรไดอะไลซิส เมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนประจุบวกอนุญาตให้ไอออนบวกผ่านเท่านั้น ในขณะที่เมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนประจุลบอนุญาตให้ไอออนลบผ่านเท่านั้น ภายใต้การทำงานของสนามไฟฟ้า ไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมในน้ำเสียจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วลบผ่านเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนประจุบวก ซึ่งจะแยกออกจากน้ำ วิธีการอิเล็กโทรไดอะไลซิสสำหรับการกำจัดความกระด้างไม่จำเป็นต้องเติมสารเคมีและไม่ก่อให้เกิดกากตะกอน ทำให้กระบวนการทำงานค่อนข้างเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ต้องมีการลงทุนในอุปกรณ์จำนวนมาก ใช้พลังงานไฟฟ้าในระหว่างการทำงาน และมีความต้องการสูงสำหรับคุณภาพของน้ำที่เข้ามา ซึ่งต้องมีการปรับสภาพอย่างเข้มงวดเพื่อป้องกันการเปรอะเปื้อนของเมมเบรน

2. วิธีการจุลินทรีย์
วิธีการจุลินทรีย์คือการใช้กิจกรรมการเผาผลาญของจุลินทรีย์หรือปฏิกิริยาระหว่างโพลิเมอร์นอกเซลล์ของจุลินทรีย์และไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมเพื่อให้ได้การกำจัดความกระด้างออกจากน้ำเสีย ตัวอย่างเช่น จุลินทรีย์บางชนิดสามารถเพิ่มค่า pH ของสภาพแวดล้อมโดยรอบได้โดยการหลั่งสารที่เป็นด่าง ซึ่งส่งเสริมการตกตะกอนของไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียม กลุ่มฟังก์ชันในโพลิเมอร์นอกเซลล์ของจุลินทรีย์ เช่น กลุ่มคาร์บอกซิลและไฮดรอกซิล ยังสามารถเกิดการซับซ้อนและการดูดซับกับไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมได้อีกด้วย วิธีการจุลินทรีย์มีข้อดีคือต้นทุนการบำบัดต่ำและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม แต่กระบวนการบำบัดช้าและได้รับผลกระทบอย่างมากจากสภาพการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ เช่น อุณหภูมิ ค่า pH ออกซิเจนที่ละลาย ฯลฯ ปัจจุบันยังมีข้อจำกัดบางประการในการใช้งานจริง

4、 การเปรียบเทียบและการเลือกวิธีการต่างๆ ในการกำจัดความกระด้าง

วิธีการต่างๆ ในการกำจัดความกระด้างออกจากน้ำเสียมีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง และการนำไปใช้ได้จริงก็แตกต่างกันไป ในการใช้งานจริง จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ อย่างครอบคลุม เช่น ลักษณะคุณภาพน้ำของน้ำเสีย (เช่น ความเข้มข้นของไอออนความกระด้าง ส่วนประกอบมลพิษอื่นๆ ฯลฯ) ขนาดการบำบัด ต้นทุนการบำบัด ข้อกำหนดคุณภาพน้ำทิ้ง และข้อกำหนดด้านการปกป้องสิ่งแวดล้อม และเลือกวิธีการที่เหมาะสมในการกำจัดความกระด้าง สำหรับน้ำเสียที่มีความกระด้างสูง การตกตะกอนทางเคมีอาจเป็นวิธีที่ประหยัดและมีประสิทธิภาพมากกว่า สำหรับการบำบัดขนาดเล็กที่ต้องการคุณภาพน้ำสูง วิธีการแลกเปลี่ยนไอออนหรือรีเวิร์สออสโมซิสมีความเหมาะสมกว่า สำหรับน้ำเสียที่มีความกระด้างต่ำซึ่งมีความอ่อนไหวต่อต้นทุน การดูดซับหรือวิธีการจุลินทรีย์อาจมีศักยภาพในการใช้งานบางอย่าง นอกจากนี้ ในหลายกรณี สามารถใช้การรวมกันของวิธีการหลายวิธีในการกำจัดความกระด้างเพื่อใช้ประโยชน์จากข้อดีของแต่ละวิธีอย่างเต็มที่ ปรับปรุงผลการกำจัด และลดต้นทุนการประมวลผล

5、 บทสรุปและแนวโน้ม

เทคโนโลยีการกำจัดความกระด้างออกจากน้ำเสียมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรับรองการผลิตภาคอุตสาหกรรม การตระหนักถึงการรีไซเคิลทรัพยากรน้ำ และการปกป้องสิ่งแวดล้อมทางนิเวศวิทยา ปัจจุบัน วิธีการต่างๆ ในการกำจัดความกระด้าง เช่น การตกตะกอนทางเคมี การแลกเปลี่ยนไอออน การแยกเมมเบรน การดูดซับ ฯลฯ ได้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในงานวิศวกรรมจริง แต่แต่ละวิธีมีข้อจำกัดบางประการ ในอนาคต แนวโน้มการพัฒนาของเทคโนโลยีการกำจัดความกระด้างของน้ำเสียส่วนใหญ่ประกอบด้วยประเด็นต่อไปนี้: ประการแรก การพัฒนาสารกำจัดความกระด้างและวัสดุดูดซับใหม่ที่มีประสิทธิภาพ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และประหยัด เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการกำจัดความกระด้าง ลดต้นทุนการบำบัด และมลพิษทุติยภูมิ ประการที่สองคือการเสริมสร้างการวิจัยและพัฒนาวัสดุเมมเบรน ปรับปรุงประสิทธิภาพการป้องกันมลพิษ อัตราการกักเก็บ และอายุการใช้งานของเมมเบรน และลดต้นทุนการดำเนินงานของเทคโนโลยีการแยกเมมเบรน ประการที่สามคือการดำเนินการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับกลไกการกำจัดความกระด้างของจุลินทรีย์ เพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการบำบัดจุลินทรีย์ และปรับปรุงความเสถียรและประสิทธิภาพการบำบัด ประการที่สี่คือการสำรวจกระบวนการประยุกต์ร่วมกันของวิธีการหลายวิธีในการกำจัดความกระด้าง บรรลุข้อได้เปรียบที่เสริมกัน และปรับปรุงผลการบำบัดโดยรวม ด้วยนวัตกรรมทางเทคโนโลยีและการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการอย่างต่อเนื่อง เทคโนโลยีการกำจัดความกระด้างของน้ำเสียจะมีบทบาทสำคัญยิ่งขึ้นในการใช้ทรัพยากรน้ำอย่างยั่งยืนและการปกป้องสิ่งแวดล้อมในอนาคต