Z uwagi na występujące w ściekach – szczególnie w ściekach przemysłowych – specyficzne substancje oraz stale zaostrzane normy sanitarne dla oczyszczanych ścieków i wód odpadowych, nastąpiła konieczność wzięcia pod uwagę „nowej” grupy zanieczyszczeń antropogennych (ksenobiotyków). Niektóre z nich pomimo że pojawiają się w ściekach nawet w bardzo niewielkich stężeniach, stanowią zagrożenie dla zdrowia człowieka i ogólnie środowiska naturalnego.

Nowa grupa zanieczyszczeń
Substancje tego typu najczęściej należą do związków bardzo trwałych chemicznie, zwykle nie są biodegradowalne, co uniemożliwia wykorzystanie procesów biologicznych do oczyszczania ścieków, a konwencjonalne metody fizykochemiczne nie zawsze są w stanie obniżyć ich stężenie do akceptowalnego poziomu. Ponadto klasyczne metody fizykochemiczne, w większości przypadków nie powodują degradacji poszczególnych zanieczyszczeń, a jedynie ich przeniesienie ze ścieków do fazy stałej (np. osadu). Sytuacja taka spowodowała potrzebę poszukiwania
skutecznych metod unieszkodliwiania trwałych zanieczyszczeń organicznych, co doprowadziło do zainteresowania się metodami utleniania oraz rozwiązaniami hybrydowymi, tzn. zastosowaniem kombinowanych metod utleniania oraz innych, np. membranowych czy adsorpcyjnych. Najważniejszym celem jest zastosowanie najlepszego rozwiązania pod względem skuteczności (np. możliwości występowania synergizmu, czyli wzmocnienia działania dwóch lub więcej czynników ponad formalną sumę efektów działania pojedynczych czynników) i uwarunkowań
ekonomicznych [2].
Możliwość techniczna i efektywność usuwania specyficznych zanieczyszczeń organicznych ze ścieków i wód jest zagadnieniem stale aktualnym i szeroko dyskutowanym. Szczególny problem stanowi usuwanie związków organicznych trudno rozkładalnych, takich jak związki aromatyczne (w tym WWA), chlorowcopochodne, alifatyczne i aromatyczne, aldehydy, aminy, nitryle, barwniki [6]. Ze względu na postępującą powszechność występowania tego rodzaju substancji w ściekach obserwuje się bardzo dużą intensywność badawczą w skali laboratoryjnej oraz coraz
częściej pilotażowej, poprzedzającej podejmowanie decyzji o wdrożeniu w skali technicznej określonego wariantu technologicznego oczyszczania, najkorzystniejszego dla konkretnych ścieków. Etapowe podejście (skala laboratoryjna – skala pilotażowa – skala docelowa – przemysłowa) zalecana jest szczególnie w odniesieniu do oczyszczania ścieków przemysłowych [3].

Procesy membranowe na poziomie molekularnym i jonowym
W ostatnich latach znacząco wzrosło zainteresowanie procesami membranowymi, wykorzystywanymi do usuwania specyficznych substancji organicznych występujących w wodach i ściekach. Zaletą procesów membranowych jest fakt, że nie trzeba stosować chemikaliów oraz nie powodują powstawania produktów przemian usuwanych
substancji. Zastosowanie procesów membranowych umożliwia separację zanieczyszczeń na poziomie
molekularnym lub jonowym. Jednak dla uzyskania zadawalających efektów eliminacji z fazy wodnej specyficznych zanieczyszczeń, stosowane membrany muszą charakteryzować się dużą wydajnością hydrauliczną, odpowiednimi właściwościami separacyjnymi oraz wysoką odpornością na działanie czynników mechanicznych, chemicznych i termicznych. Żywotność membrany określa się na podstawie czasu efektywnej jej pracy.
Istnieje wiele kryteriów klasyfikacji technik membranowych, ale najczęściej stosowany i tradycyjny podział opiera się na strukturze membrany, a w związku z tym rodzaju siły napędowej procesu (rys. 1).
Proces rozdziału we wszystkich metodach opiera się na wykorzystaniu selektywnego działania membrany i różnicy ciśnień hydrostatycznych panujących po obu stronach membrany. Pod wpływem tych czynników jedne składniki mieszaniny przenikają przez membranę, tworząc strumień permeatu, a pozostałe tworzą strumień zatężony zwany retentatem.

Procesy membranowe zalecane są do usuwania tzw. mikrozanieczyszczeń, do których zalicza się m.in. wtórne produkty dezynfekcji wód i utleniania chemicznego substancji zawartych w wodach i ściekach, związków endokrynnie aktywnych (EAC, EDC), mikrozanieczyszczeń organicznych aktywnych farmaceutycznie (PhACs).
Usuwanie mikrozanieczyszczeń w procesach uzdatniania wody i oczyszczaniu ścieków prowadzi się również metodą sorpcji na węglu aktywnym lub z wykorzystaniem metod zaawansowanego utleniania.
Jednak coraz częściej stosuje się ciśnieniowe techniki membranowe, jako procesy samodzielne oraz w układach hybrydowych z koagulacją, sorpcją na węglu aktywnym lub w bioreaktorach membranowych.
W wielu przypadkach osiąga się całkowite usunięcie PhACs i EDC, poniżej poziomu wykrywalności.Retencja PhACs metodą odwróconej osmozy (RO) lub nanofiltracji (NF) zależy od fizykochemicznych własności poszczególnych cząsteczek (wielkość, polarność, moment dipolowy i ładunek), warunków operacyjnych procesu filtracji membranowej (szczególnie pH wody surowej) i własności samych membran (wielkość porów, hydrofobowość, przepuszczalność
i ładunek). Dla membran NF, wykazujących niską retencję jonów, ważne są zarówno efekt sitowy, jak i adsorpcja, natomiast rozdzielenie oparte na wielkości cząstek i porów dominuje w retencji zwartych membran NF lub RO [4].
Problemem w eksploatacji technik membranowych jest fouling membran, powodujący ciągły spadek wydajności membrany oraz pogarszanie się jakości permeatu. Jako metody zapobiegające foulingowi poleca się stosowanie systemów hybrydowych łączących filtrację membranową z koagulacją, adsorpcją na węglu aktywnym, filtracją biologiczną, utlenianiem i wymianą jonową [4].

* * *
Problem obecności w oczyszczonych ściekach i wodach niebezpiecznych dla środowiska substancji substancji
organicznych pochodzenia antropogenicznego wymusza dynamiczny rozwój nauki w zakresie poszukiwania możliwie tanich i wysoko skutecznych metod ich degradacji, separacji i utylizacji. Można zatem oczekiwać, że coraz szerzej będą stosowane praktycznie układy technologiczne, wykorzystujące rozwiązania bazujące na procesach zaawansowanego utleniania.
Jak potwierdzają badania składu ścieków i jakości wód naturalnych w Polsce istnieje już potrzeba stosowania
np. technologii z grupy AOPs. Zaawansowane metody AOP obecnie uważane są za najbardziej obiecujące, alternatywne sposoby oczyszczania wód i ścieków w stosunku do metod konwencjonalnych.
Metody konwencjonalne często nie sprawdzają się w odniesieniu do substancji opornych na degradację, a w większości przypadków nie powodują rozkładu zanieczyszczeń, lecz jedynie ich przeniesienie z jednej fazy np. ze ścieków do innej, np. do osadu.
W przypadku obecności substancji toksycznych nie rozwiązuje to problemu. Wzrost zainteresowania procesami membranowymi, jak np. nanofiltracją i w pewnym zakresie odwróconą osmozą – jako metodami stosowanymi do usuwania prekursorów produktów ubocznych dezynfekcji oraz mikrozanieczyszczeń z wody i ścieków – wynika z poszukiwań najbardziej efektywnych sposobów eliminacji specyficznych zanieczyszczeń z fazy wodnej. Wykorzystanie mikrofiltracji i ultrafiltracji w usuwaniu mikrozanieczyszczeń jest również praktykowane w systemach zintegrowanych z procesem koagulacji lub adsorpcji. Do usuwania zanieczyszczeń organicznych stosuje się też bioreaktory z membranami UF/MF. Zagadnienie eliminacji niebezpiecznych substancji z fazy wodnej dotyczy również stosowania nowoczesnych technologii oczyszczania ścieków w zakładach przemysłowych. Wymóg respektowania
przepisów prawa, czy też konkurencja wymuszają spełnianie określonych norm środowiskowych, co z kolei napędza działania i postęp we wprowadzaniu tych technologii w skali technicznej, jako jednych z najbardziej efektywnych rozwiązań w oczyszczaniu ścieków przemysłowych zawierających trudno rozkładalne zanieczyszczenia.
Zakłady przemysłowe odprowadzające niebezpieczne substancje wraz ze ściekami oraz przedsiębiorstwa wodociągowe mają więc do wyboru: albo biernie śledzić postępy tworzenia innowacyjnej technologii, albo aktywnie uczestniczyć w jej tworzeniu, a tym samym stać się katalizatorem dalszego postępu technologicznego oraz przyczynić się do bardziej efektywnego dbania o środowisko naturalne.

Więcej przeczytacie Państwo w magazynie Chemia Przemysłowa 3/2014

Literatura dostępna w redakcji

fot. freeimages