I metalli pesanti come piombo, arsenico, cadmio, cromo e mercurio contaminano frequentemente le fonti di acqua attraverso lo scarico industriale, il deflusso minerario e la leaching geologico naturale. L'esposizione cronica a questi metalli provoca gravi risultati di salute, tra cui danni neurologici, insufficienza renale e cancro.

Panoramica delle tecnologie di rimozione dei metalli pesanti

La scelta dipende dalla speciazione dei metalli, dalla concentrazione, dal pH, dai contaminanti e dai limiti di scarico dei bersagli, e dalle seguenti sezioni si trovano i metodi più adottati, insieme ai nuovi approcci che acquisiscono la trazione.

Precipitazione chimica

Le precipitazioni chimiche possono essere il trattamento più antico e più comune per le acque reflue ad alta concentrazione, ma i prodotti chimici come il calce (idrossido di calcio), l'idrossido di sodio o il solfuro di sodio sono aggiunti per aumentare il pH o la forma di idrossidi di metallo insolubile o solfuri.

Adsorbimento

L'assorbimento dei costi di assorbimento è di tipo solido, il più comunemente attivato, ma anche biocar, zeoliti o nanoparticelle di ossido di metallo, per legare ioni di metallo disciolti. Il carbonio attivo è efficace per la rimozione organica e del metallo e può essere rigenerato termicamente o chimicamente, anche se la rigenerazione aggiunge costi energetici.

Filtrazione Membrana

I costi di investimento permeabili sono elevati, con una riduzione dei costi di produzione e di riduzione dei costi di produzione di energia (in particolare, 3-8 kWh per m3).

Scambio di ioni

Le resine a scambio ionico (cazione o chelatura) scambiano innocue ioni di sodio o di idrogeno per gli ioni metallici nell'acqua. Il processo può ridurre i metalli a livelli molto bassi (parts-per-billion) ed è particolarmente efficace per la rimozione mirata di metalli specifici come piombo o cadmio.

Elettrocoagulazione

L'elettrocoagulazione utilizza una corrente elettrica per sciogliere gli elettrodi sacrificali (comune ferro o alluminio) nell'acqua, formando idrossidi metallici che coagulo e precipitano metalli pesanti. Il metodo elimina l'aggiunta di coagulante chimico e produce meno fango rispetto alle precipitazioni chimiche. I costi di capitale sono moderati a causa della necessità di approvvigionamenti di energia e elettrodi, ma i costi operativi sono fortemente influenzati dalle tariffe elettriche e dal consumo di elettrodo.

Biorimediazione

I batteri, le alghe o le piante possono accumulare o trasformare i metalli. La riduzione microbica (ad esempio, i batteri che riducono il solfato a precipitare i solfuri metallici) e la fitomediazione (utilizzando le piante metallurgiche-iperaccumulanti) sono i più sviluppati. La biorimediazione offre costi operativi ridotti, spesso solo nutrienti e manutenzione minore, ma richiede tempi di contatto più lunghi (giorni a settimane) e

Variabili chiave che influenzano l'efficienza del costo

Il confronto dei costi di trattamento richiede una metodologia standardizzata che rappresenta l'intero ciclo di vita. I seguenti fattori portano il maggior peso nelle valutazioni economiche.

Costi di capitale e di funzionamento

I costi operativi comprendono energia, prodotti chimici, parti di lavoro, parti di ricambio e smaltimento dei rifiuti. Una metrica comune è il costo per metro cubo di acqua trattata ($/m3). Le precipitazioni chimiche e l'assorbimento di solito hanno costi operativi bassi ma moderati ad alti, mentre i sistemi a membrana hanno un capitale elevato ma i costi operativi relativamente bassi dell'unità se l'energia è economica.

Chimica dell'acqua e concentrazione dei metalli

I costi aumentano con concentrazioni metalliche superiori perché sono necessari più mezzi di trattamento o sostanze chimiche, e perché aumentano i volumi di fango o di concentramento. I livelli di fondo di ioni concorrenti (calcio, magnesio, solidi disciolti totali) possono ridurre l'efficienza del trattamento, costringendo gli operatori a sistemi di sovradimensionamento o implementare il pre-trattamento.

Scala e produttività

Le economie di scala beneficiano di tutte le tecnologie ma di vari gradi. I sistemi di precipitazione e di membrana chimica vedono significative riduzioni dei costi per unità di misura, in quanto i tassi di flusso superano 1.000 m3/giorno. Lo scambio di adsorbimento e ioni sono meno sensibili alla scala, poiché i costi di sostituzione dei media sono approssimativamente proporzionali al volume.

Gestione dei residenti

Ogni processo di trattamento genera un flusso di rifiuti: fanghi da precipitazione chimica e elettrocoagulazione, resine esausti spesse, o salamoia da sistemi di scambio e membrana ioni. I costi di smaltimento variano per regione e classificazione dei rifiuti.

Vantaggi per la conformità e la salute

Il livello di contaminazione massimo dell’EPA per l’arsenico (10 μg/L) costringe molti piccoli sistemi ad installare filtri adsorbenti o a membrana piuttosto che affidarsi a una precipitazione chimica più economica. Tuttavia, i benefici per la salute pubblica della conformità - hanno ridotto i costi medici, una maggiore produttività e ha evitato la risanamento ambientale - devono essere valutati in dollari completi.

Costo-efficacia comparata da Applicazione

Le generalizzazioni possono essere disegnate per scenari di trattamento comuni, anche se le condizioni specifiche del sito li sovrascrive sempre.

L'alimentazione dell'acqua rurale su larga scala (< 50 m³/day).] Per la rimozione dell'arsenico, del fluoro e del piombo a basse concentrazioni (oltre 500 μg/L), l'assorbimento utilizzando l'allumina attiva o i mezzi basati sul pH offre il miglior equilibrio di costi e semplicità.

Il trattamento dell'acqua municipale (500–10.000 m3/giorno). L'osmosi o la nanofiltrazione inversa è spesso l'opzione più conveniente se l'acqua di sorgente ha più contaminanti o solidi dissolti ad alta quantità. Il costo di capitale per m3 di capacità installata scende nettamente superiori a 2.000 m3/giorno, e i dispositivi di recupero dell'energia possono tagliare l'uso dell'elettricità del 40%.

Le acque reflue industriali (alto carico di metallo, 100–1.000 m3/giorno). Le precipitazioni elettrocoagulanti e chimiche competono direttamente. L'elettrocoagulazione mostra tipicamente costi totali inferiori quando l'elettricità è inferiore a 0,10/kWh e quando il recupero di metallo è fattibile.

Studi di casi in implementazione economica

Rimozione armonica nel Bengala occidentale, India. Un progetto su scala comunitaria installato unità di adsorbimento sabbia rivestito in ferro che servono 500 famiglie. Ogni filtro costa circa $2,000 e tratta 2000 L/giorno con sostituzione media ogni tre anni a $400. Il costo totale di oltre 10 anni è stato di $0.04 per L, paragonabile ad un'acqua imbottigliata, ma molto più conveniente rispetto a qualsiasi tubo-progetto, è dimostrato.

La rimozione del cromo dalle acque reflue elettroplaccanti (Taiwan). Un impianto di galvanica passa da precipitazione chimica ad un sistema combinato di scambio e di osmosi inversa. L'investimento iniziale di $ 150.000 è stato recuperato in 3,5 anni attraverso un consumo chimico ridotto, un minor costo di smaltimento dei fanghi (40% di riduzione) e 85% di riciclo dell'acqua.

Il trattamento di drenaggio di una miniera di rame La miniera utilizza precipitazione chimica di fanghi ad alta densità, ottenendo molibdeno e rimozione di rame al di sotto di 1 mg/L. La struttura tratta 8.000 m3/giorno ad un costo di 0,18 dollari al m3, compresa la gestione di fanghi in un impoundment di clima allineato.

Approcci di trattamento a basso costo emergenti

Varie innovazioni promettono di ridurre ulteriormente i costi, in particolare per le regioni a basso reddito.

  • I biocarri e gli additivi a base di rifiuti agricoli. I materiali usati come la cenere di riso, il carbone di cocco, e le bucce di frutta possono essere convertiti in adsorbenti efficaci ad una frazione del costo dei materiali attivi commerciali.
  • Le membrane di ossido di grefeno. Le membrane di ossido di grafine a scala di laboratorio hanno mostrato tassi di rifiuto heavy metal eccezionali (>99%) con requisiti energetici inferiori rispetto al RO convenzionale.
  • Elettrocoagulazione a pilotaggio solare.[] Integrare pannelli fotovoltaici con elettrocoagulazione elimina i costi di energia elettrica, rendendo la tecnologia adatta alle aree off-grid. I sistemi pilota in India rurale hanno raggiunto la rimozione arsenica ad un costo totale di $ 0,12 per m3, competitivi con qualsiasi metodo convenzionale.
  • Celle di combustibile microbiali. Questi sistemi trattano simultaneamente le acque reflue e generano energia elettrica, ma le uscite di corrente sono basse. Rimangono sperimentali per la rimozione dei metalli, anche se mostrano la promessa per la correzione dei cavi-pod dove i tempi di conservazione lunghi sono accettabili.

Conclusioni

I sistemi di trattamento delle acque pesanti e di alta concentrazione, che offrono prestazioni più elevate per una rigorosa conformità alle normative in termini di dimensioni maggiori, offrono vantaggi per la sicurezza delle acque e dei costi di nicchia, in cui la logistica chimica o i costi energetici sono problematici.