Ścieki: kompromis między ekonomią a ekologią

• Zakłady przemysłowe prowadzą oczyszczanie według wypracowanych procedur
• Metale ciężkie w ściekach pochodzących z branży galwanicznej są szczególnie poważnym zagrożeniem dla środowiska
• W badaniu zastosowano dwie techniki do identyfikacji rodzaju ścieków przemysłowych
• Naukowcy i przedsiębiorcy szukają rozwiązań opłacalnych, ale jak najmniej szkodliwych dla otoczenia

W zarządzaniu ściekami szczególnie istotny jest pierwszy etap. Chodzi o ograniczenie zanieczyszczeń na samym początku, u źródła ich powstawania, tak żeby jak najmniej przedostało się do środowiska. – W Polsce do gleby, wód i rzek trafia wiele szkodliwych substancji. Ważne, żeby wychwycić je jak najwcześniej – mówi prof. Paweł Lochyński z Instytutu Inżynierii Środowiska. Jest głównym autorem artykułu „Spektroskopia Ramana i identyfikacja XRF: Pierwszy krok w zarządzaniu ściekami przemysłowymi”, który ukazał się w czasopiśmie „Water Resources and Industry”.

Każdy zakład to nowe wyzwania

Ścieki odprowadza się albo do kanalizacji, albo do wód i gleb. Szczególnie uciążliwe dla środowiska są ścieki przemysłowe, pochodzące m.in. z zakładów metalurgicznych, farmaceutycznych, chemicznych, galwanizerni, garbarni czy drukarni. Wykorzystują one dużo wody, która po procesach produkcji jest zanieczyszczona. Może zawierać substancje trudno degradowalne, o dużej mobilności, zdolne do akumulacji i uciążliwe dla środowiska, jak barwniki czy pozostałości leków. W ściekach przemysłowych często znajdują się metale ciężkie, na przykład jony niklu, miedzi, chromu, cynku, które w nadmiernych stężeniach mogą być toksyczne dla ludzi, zwierząt i roślin.

Zakłady powinny więc umiejętnie zarządzać ściekami, ale nie zawsze jest to proste. Zależy to m.in. od dostępnej aparatury i sposobów oczyszczania, możliwości technicznych oraz charakteru i zmienności ścieków.

 – Każdy zakład zarządza inaczej, każdy ma własne wypracowane procedury, które powinny uwzględniać obowiązujące przepisy prawne – mówi prof. Lochyński.

Rozporządzenie Ministra Gospodarki Morskiej i Żeglugi Śródlądowej z 12 lipca 2019 r. mówi o substancjach szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego oraz warunkach, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu do wód lub do ziemi ścieków, a także przy odprowadzaniu wód opadowych lub roztopowych do wód lub do urządzeń wodnych. Ministerstwo Budownictwa z 14 lipca 2006 r. (z późniejszymi zmianami) określa warunki wprowadzania ścieków przemysłowych do kanalizacji. Dla określonych gałęzi przemysłu i dla określonych substancji są ustalone odpowiednie limity. Na przykład pół miligrama niklu na litr oczyszczonych ścieków, jeśli skierowane są do gleby i jeden miligram, jeśli do kanalizacji.

– Niektóre podstawowe parametry ścieków są sprawdzane na bieżąco, ale całość podlega tylko okresowym kontrolom – mówi profesor. – Idealną sytuację mamy wówczas, gdy spodziewamy się, co w nich będzie. Wtedy z wyprzedzeniem ustalamy parametry procesu oczyszczania oraz dobieramy właściwe ilości środków chemicznych.

Trudności w zarządzaniu wynikają także ze zmienności stężeń. Podczas produkcji wiadomo, z jakich procesów przemysłowych pochodzą zanieczyszczenia i jakie szkodliwe substancje zawierają. Skład jest więc raczej przewidywalny, ale stężenie niekoniecznie. Aby móc dobrać technologię odpowiednią do rodzaju i poziomu zanieczyszczeń, trzeba szybko oszacować ich poziom.

– Nie ma uniwersalnych metod, które pozwalają na łatwą i szybką identyfikację zanieczyszczeń w przypadku różnych gałęzi przemysłu. Zawsze bazuje się na doświadczeniu przedsiębiorcy i naukowców – dodaje autor.

Dmuchawce dla Dubaju

– W naszej pracy naukowej zajmujemy się jonami metali ciężkich, bo w ściekach pochodzących z branży galwanicznej to one stanowią jedno z poważniejszych zagrożeń dla środowiska. Wyzwaniem jest dla nas znalezienie metod, które szybko dają wyniki i pomagają podjąć właściwe decyzje – mówi prof. Lochyński. W badaniach, które zainicjował w 2022 roku, wzięli udział pracownicy instytutu: dr inż. Justyna Kubicz, dr inż. Sylwia Charazińska, doktorantka doktoratu wdrożeniowego mgr inż. Magdalena Szymańska i absolwentka Inżynierii Bezpieczeństwa mgr inż. Emilia Poznańska.

Naukowcy wykorzystali ścieki technologiczne generowane przez jedną z wrocławskich firm, która zajmuje się obróbką powierzchniową metali.  

Lśniące metalowe rzeźby w Ogrodzie Botanicznym, ławki na placu Grunwaldzkim, wielkie stalowe dmuchawce w Dubaju – wszystkie te przedmioty były poddane elektropolerowaniu we Wrocławiu. Podobnie jak reaktory chemiczne, zbiorniki na mleko, filtry do wody, wymienniki ciepła czy inne elementy ze stali nierdzewnej. Najpierw są trawione: aby uzyskać powierzchnię czystą i zabezpieczoną przed korozją, zanurza się metalowy element w wannie procesowej wypełnionej mieszaniną kwasów, najczęściej kwasu fluorowodorowego i azotowego. Następny etap to elektropolerowanie, czyli kolejna kąpiel w kwasie siarkowym i ortofosforowym. Elektropolerowany element podłącza się do źródła prądu stałego. Elektrody zanurzone w kąpieli tworzą zamknięty układ elektryczny, przez który płynie prąd, powodując wygładzenie powierzchni materiału. Daje to efektowny połysk, ochronną warstwę antykorozyjną i gładkość ułatwiającą czyszczenie. Proces ten generuje jednak ścieki, mieszaninę kwasów o niskim pH.

– Poziom pH roztworu to jeden z kontrolowanych wskaźników. Ścieki odprowadzane po oczyszczaniu muszą mieścić się w przedziale 6,5-9,5 pH – mówi dr Sylwia Charazińska, współautorka tekstu.

Naukowcy monitorowali dwa strumienie ścieków z obu procesów technologicznych: trawienia oraz elektropolerowania.

– Najlepiej, jeśli da się wydzielić strumienie z różnych procesów, wówczas łatwiej je zneutralizować – tłumaczą. – Jeśli ścieki są już zmieszane, to oczyszczanie staje się bardziej kosztowne i kłopotliwe. Różne substancje wiążą się i trudniej takie ścieki oczyścić.

W branży galwanicznej do oczyszczania stosuje się kilka metod:

• tradycyjna, najbardziej rozpowszechniona metoda strąceniowa połączona z filtracją: polega na podniesieniu poziom pH roztworu, co powoduje wytrącanie się osadu z zanieczyszczeniami, który można oddzielić od roztworu;
• koagulacja i flokulacja, w której nierozpuszczalne lub zawieszone cząstki zanieczyszczeń są łączone, żeby wytworzyć koagulanty, które następnie można oddzielić/usunąć z roztworu;
• procesy membranowe (odwrócona osmoza, ultrafiltracja, nanofiltracja, elcektrodializa), w których używa się membran  podobnych do sit, które wychwytują część zanieczyszczeń;
• wymiana jonowa, która polega na zastąpieniu jonów innymi jonami stosowanymi do oczyszczania ścieków;
• metody absorpcyjne, w których stosuje się absorbenty, na przykład węgiel aktywny, które wychwytują zanieczyszczenia z roztworu.

Wygodnie, szybko i skutecznie

Prawidłowe oczyszczanie jest możliwe, jeśli odpowiednio określi się poziom zanieczyszczeń. Naukowcy do wstępnej identyfikacji rodzaju ścieków przemysłowych zastosowali dwie techniki.

Spektroskopia Ramana jest wyjątkowo czułym narzędziem analitycznym. Umożliwia uzyskanie widma, którego kształt pozwala zidentyfikować substancję.

Natomiast dzięki XRF, czyli spektrometrii fluorescencji rentgenowskiej można oszacować stężenie metali ciężkich i innych pierwiastków w zanieczyszczonych wodach. To metoda wykorzystywana od lat 50., początkowo głównie w przemyśle metalurgicznym, gdzie potrzebna była szybka detekcja stopów metali. Jednak wówczas sprzęt był drogi, duży i wymagał wyspecjalizowanego personelu. Dziś używa się przenośnych spektrometrów, co ułatwia szybką interwencję bezpośrednio w miejscu skażenia czy podczas awarii, zamiast czasochłonnego pobierania próbek do analizy w laboratorium. Technikę XRF stosuje się także do analizy gleb, próbek geologicznych, do chemicznej charakterystyki wykopalisk archeologicznych, badania żywności. I spektroskopia Ramana, i technika XRF są wygodnymi i szybkimi narzędziami, ze względu na przenośne urządzenia, które umożliwiają prowadzenie badań w dowolnym miejscu, nawet w bardzo dużych obiektach.

– Obie te techniki uzupełniają się. Pokazały nam, z jakiego procesu pochodzą ścieki: z trawienia, elektropolerowania lub czy jest to mieszanina. Pozwoliło to lepiej oszacować ich skład i dobrać najlepszy sposób oczyszczania – mówi dr Charazińska.

Naukowcy, korzystając m.in. z przenośnych urządzeń należących do Jednostki Ratowniczo-Gaśniczej nr 3 we Wrocławiu, badali stężenie kwasu azotowego, fluorowodorowego, fosforowego, siarkowego oraz jonów żelaza, chromu, niklu, miedzi, siarki, fosforu. Wyniki pomiarów próbek stały się bazą do dalszej analizy i stworzenia schematu decyzyjnego.

– Pokazaliśmy, jak szybko i skutecznie, za pomocą przenośnych spektrometrów określić skład ścieków w miejscu ich powstawania. Pozwala to dobrać najskuteczniejszy sposób ich neutralizacji i skrócić czas podejmowania decyzji – mówi prof. Lochyński. 

Inspiracje wprost z przyrody

Badanie, którego wyniki opublikowano w „Water Resources and Industry”, to kontynuacja współpracy z tą samą wrocławską firmą. Celem projektu Pionierski model monitorowania zanieczyszczeń kąpieli procesowych do elektropolerowania (IonsMonit) było opracowanie modelu matematycznego, który umożliwia kontrolę zanieczyszczenia kąpieli stosowanych w elektropolerowaniu. Udało się określić graniczne zanieczyszczenie kąpieli przy jednoczesnym uwzględnieniu kosztów procesu.

– Wspólnie szukaliśmy odpowiedzi na pytanie, przy jakim zanieczyszczeniu kąpieli jonami żelaza, chromu czy niklu proces staje się coraz mniej opłacalny i jaki ma to wpływ na jakość powierzchni stali po elektropolerowaniu – mówi prof. Lochyński.

Interdyscyplinarny projekt na styku technologii chemicznej, inżynierii środowiska, inżynierii powierzchni oraz matematyki zakończył się w 2020 roku. Za jego realizację Paweł Lochyński otrzymał nagrodę w konkursie Naukowiec Przyszłości 2021 w kategorii Nauka dla lepszego życia w przyszłości, za „pozytywne podejście do upowszechnia dotychczasowych wyników przedsięwzięć wśród całego społeczeństwa”.

– Przedsiębiorcy oczekują, żeby było dobrze, szybko i tanio. Czyli jak zredukować koszty, zachować jakość, a przy tym ograniczyć zanieczyszczenie środowiska – mówi prof. Lochyński. Przyznaje, że trzeba szukać kompromisu między ekonomią a ekologią.

– Człowiek nie potrafi się obejść bez wielu przedmiotów, które ułatwiają życie. Samochody, lodówki, pralki, kuchenki… To wszystko trzeba przecież wyprodukować, a niemal każda produkcja wiąże się z powstawaniem ścieków i odpadów. Często nie da się ich uniknąć. Chodzi o to, żeby zredukować ich ilość i dążyć do zminimalizowania szkodliwość dla otoczenia – mówi naukowiec.

W czerwcu we Francji był jednym z gości konferencji N.I.C.E. an international conference on Bio-inspiration & Biobased approaches, na której przedstawił możliwości wykorzystania materiałów naturalnych do usuwania jonów metali ze ścieków z procesu elektropolerowania.

– Tematyka konferencji obejmowała chemię, biologię, fizykę, nauki o materiałach. Pozwala to na multidyscyplinarny przegląd biomimetycznych podejść do inżynierii nowych materiałów i systemów. Nawiązałem tam cenne kontakty z naukowcami z Korei Południowej, Niemiec i Rumunii, z którymi chciałbym rozwinąć współpracę. To był naprawdę wartościowy czas, zwłaszcza jeśli chodzi o szukanie inspiracji w przyrodzie i wykorzystanie naturalnych materiałów w inżynierii środowiska. Przyroda sama podpowiada nam rozwiązania.

Aneta Augustyn