Chemia w oczyszczaniu ścieków przemysłowych

Proces oczyszczania ścieków obejmuje zabiegi mechaniczne (np. cedzenie, sedymentację, flotację), biologiczne i chemiczne z możliwością usuwania tzw. substancji biogennych (fosforu i azotu). Coraz częściej stosuje się też zabiegi poprawy jakości ścieków oczyszczonych w celu ich ponownego wykorzystania.

Rzeczywisty przebieg oczyszczania ścieków z przemysłu spożywczego jest jednak bardziej różnorodny, bo niektóre zabiegi chemiczne występują w różnych miejscach ciągu technologicznego, a z innych, np. biologicznych, w ogóle się rezygnuje.

Koagulanty i flokulanty – różnorodność efektów

Intensyfikowanie procesów oczyszczania ścieków poprodukcyjnych powstających w zakładach spożywczych przy pomocy koagulantów i flokulantów rozpoczęto na szerszą skalę w latach 80. ubiegłego stulecia. Stosowanie koagulacji zanieczyszczeń metodą tzw. strącania bezpośredniego było początkowo sposobem szybkiej, prawie bezinwestycyjnej poprawy jakości ścieków, zwłaszcza dla słabo technicznie wyposażonych oczyszczalni.

Wraz ze wzrostem wymagań odnośnie ścieków oczyszczonych powstały kolejne koncepcje chemicznego wspomagania oczyszczania ścieków. Często wystarczające strącanie bezpośrednie uzupełniono połączeniem chemii i biologii, tworząc rozwiązanie znacznie bardziej efektywne niż każda z tych technologii stosowana oddzielnie. Obecnie wyróżnia się cztery główne metody strącania chemicznego, które znajdują zastosowanie w oczyszczaniu ścieków komunalnych i przemysłowych – strącanie bezpośrednie, strącanie wstępne, strącanie symultaniczne oraz tzw. strącanie końcowe.

Do najlepszych koagulantów przeznaczonych do wykorzystania w instalacjach oczyszczania ścieków z branży spożywczej należą z pewnością nieorganiczne sole wielowartościowych, najczęściej trójwartościowych, metali, zwłaszcza żelaza i glinu, np. Fe2(SO4)3 , Al2(SO4)3, FeCl3.

W ostatnich latach, najczęściej w połączeniu z innym procesem agregacji cząstek i przyspieszenia ich sedymentacji, tj. flokulacji i flokulantów, obserwuje się dążenie do pełnego wykorzystania kolejnych możliwości tkwiących w tych specjalistycznych preparatach. Na skutek oddziaływania z dawkowanym do zawiesiny polimerem organicznym o wysokiej masie cząsteczkowej wiązania pomiędzy poszczególnymi cząstkami fazy stałej są silniejsze niż w przypadku koagulacji. Wykorzystując współpracę odpowiednio dobranych koagulantów i flokulantów, w metodach tzw. strącania wstępnego i symultanicznego poprawia się m.in. ekonomikę oczyszczania związaną z mniejszym zużyciem energii oraz skuteczniej steruje się procesami biologicznego usuwania fosforu i azotu. Ponadto coraz ważniejszym argumentem na rzecz stosowania tych technologii w odniesieniu do ścieków zakładów spożywczych staje się polepszenie gospodarki osadowej i możliwości zagospodarowania wysokoenergetycznego osadu, np. do celów nawozowych lub energetycznych (biogazownie). Zwiększenie ilości osadów wstępnych w wyniku stosowania koagulacji i flokulacji, przy zmniejszeniu ilości osadów nadmiernych (biomasy), powoduje w odwadnianiu takie efekty jak wzrost ilości suchej masy osadów oraz zmniejszenie zużycia flokulantu (polimeru), potrzebnego do odwadniania3.

Nie podważając korzyści technologicznych związanych z efektywniejszym usuwaniem zanieczyszczeń lub lepszym odwadnianiem osadów przy pomocy koagulantów i flokulantów, nie można pominąć kilku problemów dotyczących ich stosowania. Przy używaniu dużych dawek chemikaliów można oczekiwać zwiększenia w ściekach oczyszczonych zawartości substancji rozpuszczalnych. Z kolei w przypadku stosowania niskiej jakości flokulantów poliakrylamidowych do środowiska mogą przedostawać się formy monomeryczne – akryloamidy, stanowiące produkty ich rozkładu. Powstaje wówczas realne zagrożenie dla człowieka z uwagi na udowodnioną aktywność kancerogenną tych substancji4. Problem biodegradowalności flokulantów, który jest ciągle niedostatecznie rozpoznany, wymaga zatem dalszych, systematycznych badań naukowych

Chemia a dezynfekcja

Ścieki z zakładów spożywczych, zwłaszcza z ubojni trzody, bydła lub drobiu, są potencjalnym źródłem zagrożeń epidemicznych, głównie w wyniku przedostawania się do nich znacznych ilości treści przewodów pokarmowych (żołądków i jelit) zwierząt rzeźnych oraz krwi. Zanieczyszczenia te skażają ścieki mikroorganizmami, w tym chorobotwórczymi. Wirusy, bakterie i pasożyty obecne w ściekach zakładów mięsnych odzwierciedlają sytuację epidemiczną populacji ludzi i zwierząt. Choć wszystkie znane i wykorzystywane technologie oczyszczania ścieków usuwają z nich nie tylko zanieczyszczenia organiczne lub nieorganiczne, ale również mikroflorę, żadna nie daje w odpływie ścieku całkowicie bezpiecznego pod względem sanitarno-higienicznym. Zastosowanie tych metod nie niszczy wszystkich różnorodnych bakterii chorobotwórczych i wirusów5.

Do dezynfekcji ścieków komunalnych lub przemysłowych proponuje się obecnie: metody fizyczne (np. promieniowanie jonizujące γ, promieniowanie UV, procesy fotokatalityczne oparte na działaniu promieniowania UV w obecności TiO2 oraz TiO2/Ag, techniki membranowe) oraz metody chemiczne (np. chlorowanie, ozonowanie, czy utlenianie poprzez zastosowanie nadtlenku wodoru, kwasu nadoctowego lub z wykorzystaniem tzw. reakcji Fentona, zachodzącej przy stosowaniu nadtlenku wodoru i jonów żelaza jako katalizatora procesu)6-8.

Wiele spośród środków chemicznych proponowanych aktualnie do dezynfekcji ścieków i innych zastosowań ma charakter silnych utleniaczy. Niejednokrotnie brakuje kryteriów ścisłego rozgraniczenia tych grup reagentów, bo np. zarówno chlor, jak i ozon mają właściwości dezynfekcyjne i utleniające. Proces utleniania używa chemicznych utleniaczy do redukcji poziomów ChZT/BZT i usuwania zarówno organicznych, jak i utlenialnych związków nieorganicznych. W jego wyniku materia organiczna może być całkowicie utleniana do dwutlenku węgla i wody, choć najczęściej w oczyszczaniu ścieków nie ma potrzeby doprowadzania procesu do tego poziomu9.

Nowością w tej grupie metod jest np. system wykorzystujący silne własności utleniające kwasu nadmrówkowego HCOOOH (ang. performic acid – PFA). Do produkcji PFA używa się dwóch reagentów, tj. nadtlenku wodoru (roztwór H2O2 w stężeniach od 35 do 49,5%) i stabilizowanego kwasu mrówkowego (roztwór HCOOH w stężeniach od 10 do 85%), mieszanych w różnych stosunkach molowych. Od momentu zmieszania składników, w zależności od stężeń użytych reagentów, uzyskuje się produkty o różnej zawartości PFA, jak również trwałości – od 1 godziny (do natychmiastowego użytku) do 7 dni (z możliwością krótkotrwałego magazynowania). Powstający w wyniku egzotermicznej reakcji kwas nadmrówkowy jest bardzo skutecznym środkiem przeciwdrobnoustrojowym o potencjale utleniającym porównywalnym z reagentem Fentona (2,70 eV ), a zatem znacznie wyższym niż w przypadku innych znanych utleniaczy (dla porównania: ozon 2,07 eV, kwas nadoctowy 1,81 eV, dwutlenek chloru 1,57 eV, podchloryn sodu 1,36 eV). Warto dodać, że kwas nadmrówkowy jest przyjazny dla środowiska, ponieważ w krótkim czasie ulega rozkładowi z wydzielaniem wody (H2O) i dwutlenku węgla (CO2). Jest to jedno z ważnych kryteriów w kompleksowej ocenie dostępnych metod dezynfekcji ścieków ( tab. 1).

Tab. 1. Wzajemne porównanie różnych metod dezynfekcji ścieków

Metoda
Skuteczność
Wpływ na
środowisko
Koszt
dwutlenek chloru
dobra
obojętny
przeciętny
podchloryn sodu
dobra
bardzo negatywny
przeciętny
chlor
dobra
bardzo negatywny
przeciętny
ozon
przeciętna
przyjazny
wysoki
membrany
bardzo dobra
bardzo przyjazny
bardzo wysoki
UV
słaba
bardzo przyjazny
wysoki
kwas nadmrówkowy
bardzo dobra
bardzo przyjazny
niski

Dla środowiska

Do praktyki związanej z oczyszczaniem ścieków komunalnych lub przemysłowych wprowadza się ostatnio zagadnienia ekotoksykologiczne. Metodami bioindykacji, czyli oceną oddziaływania wszystkich toksycznych substancji zawartych w badanym materiale na organizmy testowe (wybrane gatunki zwierząt, roślin lub bakterii), obejmuje się wszelkie substancje i preparaty chemiczne, w tym m.in. używane w dużej ilości w przemyśle spożywczym środki dezynfekujące i myjące1. Dla każdego rozcieńczenia badanej substancji chemicznej można wyznaczyć procentowy efekt toksyczności, z którego oblicza się EC50, czyli stężenie powodujące powstanie 50% efektu testowego. W badaniach zainicjowanych przez producentów koagulanty żelazowe i glinowe wykazywały EC 50 > 100 mg/l (wobec dafnii) i zakwalifikowano je do grupy „niskiego ryzyka”11.

W ostatnich latach w celu monitorowania intensywności i poprawności działalności ludzkiej w środowisku naturalnym, sięga się po kolejne narzędzia. Przykładem jest metoda służąca do oszacowania wielkości wpływów środowiskowych zarówno produktów, jak i całych procesów produkcyjnych, zwana analizą cyklu życia ( ang. Life Cycle Assessment). Jest ona ściśle powiązana z normami ISO 14000, dotyczącymi ochrony środowiska. Pozwala na ustalenie faktycznych skutków, jakie badany wyrób lub proces wywiera na środowisko, umożliwiając równocześnie skuteczne niwelowanie tego wpływu12.

Posługując się specjalistycznym oprogramowaniem komputerowym i bazą danych dotyczących różnych kategorii oddziaływań środowiskowych, zastosowano metodę LCA do oceny różnych wariantów oczyszczania ścieków z użyciem reagentów chemicznych, koncentrując się na problemie zróżnicowanego zużycia energii elektrycznej (tab. 2).

Tab. 2. Porównanie różnych metod oczyszczania ścieków w aspekcie dziennego zużycia energii

Metoda oczyszczania ścieków
Energia (kWh/dzień)
koagulanty*
produkcja osadu
czynnego*
produkcja biogazu**
transport osadu*
bilans energetyczny
Wysoko obciążony osad czynny
0
8 000
-78 00
300
-500
Strącanie bezpośrednie
1 600
0
-9 000
400
+7 000
Strącanie symultaniczne
800
5 600
-7 800
310
-1 090
Strącanie wstępne
1 200
2 800
-9 900
410
+5 490
* zużycie energii , ** wytwarzanie energii

Przyjęto, że: w oczyszczaniu ścieków komunalnych metodą osadu czynnego usuwanie 1 kg BZT wymaga dostarczenia średnio 1 kWh energii elektrycznej. Z kolei utlenienie 1 kg amoniaku do azotanów wymaga 5 kWh energii elektrycznej, przeciętnie 200 kWh energii elektrycznej potrzebujemy, aby wyprodukować 1 tonę koagulantu Fe (III), dozowanie koagulanta: w strącaniu bezpośrednim – 200 g/m3 ścieków, w strącaniu symultanicznym – 100 g/m3 ścieków, w strącaniu wstępnym – 150 g/m3 ścieków, wydajność energetyczna biogazu: 1 kg BZT dostarcza równoważną ilość 1,5 kWh energii elektrycznej, a całkowity okres eksploatacji oczyszczalni to 30 lat.

Obliczona w oparciu o zebrane dane wyjściowe (transport, energia elektryczna, koagulanty, konstrukcja betonowa) ogólna liczba tzw. ekopunktów wykazała, że procesy oczyszczania ścieków metodą strącania bezpośredniego z użyciem koagulantów żelazowych oddziałują negatywnie na środowisko w stopniu znacznie mniejszym od konwencjonalnego oczyszczania biologicznego tych samych ścieków. Ponadto korzystniejszą, wyraźnie niższą liczbą ekopunktów charakteryzowała się metoda strącania wstępnego w porównaniu z oczyszczaniem ścieków metodą symultaniczną.

Metodologię LCA można postrzegać jako narzędzie ułatwiające dokonywanie wyboru technologii oczyszczania ścieków.

Zarówno w przypadku ścieków komunalnych, jak i przemysłowych, można rekomendować te rozwiązania, których efektywność (tj. efekt ekologiczny w stosunku do nakładów finansowych) będzie wysoki. Spośród dostępnych technologii należy wybrać tę, która w mniejszym stopniu w bezpośredni sposób wpływa na środowisko, a jednocześnie charakteryzuje się najmniejszą energochłonnością.

Celowemu wprowadzeniu wybranych reagentów chemicznych do strumienia ścieków towarzyszy wiele ciekawych efektów technologicznych. W odniesieniu do ścieków powstających w zakładach przemysłu spożywczego stosowanie takich metod ma wieloletnie tradycje, ale podlega nieustannemu rozwojowi. Przy wysokiej efektywności odpowiednio dobrane reagenty i metody chemiczne pozwalają nie tylko obniżyć koszty oczyszczania ścieków, ale ich stosowanie ma charakter prośrodowiskowy, dobrze wpisując się tym samym w realizację założeń zrównoważonego rozwoju.

Źródła

1.Konieczny P., Szymański M.: Ścieki i osady z przemysłu spożywczego – charakterystyka problemu w aspekcie zagrożeń i korzyści. „Zeszyty Komunalne” 2(49). „Przegląd Komunalny” 2/2007.

2. Konieczny P., Uchman W.: Wybrane działy z technologii mięsa: Zakład mięsny a środowisko naturalne.. Wyd. Akademii Rolniczej w Poznaniu. Poznań 1997.

3. Konieczny P.: Strącanie wstępne – pływ na technologię oczyszczania ścieków i gospodarkę osadową. Materiały Konferencji Naukowo-Technicznej KEMIPOL. Sopot 2009.

4. Friedman M.: Chemistry, biochemistry, and safety of acrylamide. A review. „Journal Agricoulture Food Chemistry” 51/ 2003.

5. Pezacki W.: Przetwarzanie surowców rzeźnych – wpływ na środowisko przyrodnicze. WN PWN. Warszawa 1991.

6. Solecka M.: Dezynfekcja ścieków miejskich za pomocą kwasu nadoctowego. „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” 5/2009.

7. Lipiak D.: Dwutlenek chloru – środek dezynfekujący w browarnictwie i przetwórstwie spożywczym. Materiały firmy BRENNTAG.

8. Dębowski M., Zieliński M., Krzemieniewski M.: Metoda oczyszczania ścieków o wysokim stężeniu krwi z wykorzystaniem odczynnika Fentona. Materiały opracowania Środkowo-Pomorskie Towarzystwa Naukowego Ochrony Środowiska. 2006.

9. Konieczny P., Szymański M.: Różnorodność zastosowań chemii. [w:] Oczyszczanie ścieków przemysłu spożywczego – wybrane zagadnienia. „Zeszyty Komunalne” 2(62) „Przegląd Komunalny” 2/2008

10. Kvant M., Konieczny P., Szafarczyk-Dobrucka R.: HyProform – nowa metoda dezynfekcji wody wg koncepcji KEMIRA WATER. [w:] Materiały seminarium pt. „Różnorodność zastosowań chemii w oczyszczaniu ścieków, obróbce osadów, i zwalczanie odorów”. Wyd. KEMIPOL Police. Darłówek 2007.

11. Information Regarding some Ecotoxicological Testing of some Iron and Aluminum salts – KEMIRA KEMWATER. Denmark (unpublished data) 2003.

12. Konieczny P., Dobrucka R.: Zastosowanie analizy cyklu życia (LCA) do globalnej oceny wpływu chemicznego oczyszczania ścieków na środowisko. „Forum Eksploatatora” 5-6/2008.

 

prof. dr hab. Piotr Konieczny, Katedra Zarządzania Jakością Żywności, Wydział Nauk o Żywności i Żywieniu, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

Opublikowano: Ecomanager Numer 9/2011 (18)

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *