Zaawansowane metody oczyszczania wód z mikrozanieczyszczeń   

Zaawansowane metody oczyszczania wód z mikrozanieczyszczeń – takich jak farmaceutyki, pestycydy czy substancje hormonalne – harmonizują z dawnym szacunkiem Słowian do wody, który opierał się na przekonaniu o jej świętości i czystości. Słowianie wierzyli, że woda jest źródłem życia i posiada właściwości oczyszczające, zarówno fizycznie, jak i duchowo. Traktowali rzeki, jeziora i źródła jako miejsca święte, wymagające szacunku, a zanieczyszczenie wód mogło być traktowane jako profanacja.

 

Współczesne metody, można uznać za nowoczesny wyraz tego tradycyjnego szacunku. Zostały one zaprojektowane, aby przywracać wodom pierwotną czystość i minimalizować wpływ człowieka na naturalne ekosystemy wodne. Dzięki nim możliwe jest usuwanie trudnych do degradacji mikrozanieczyszczeń, które zagrażają jakości wód oraz zdrowiu człowieka i zwierząt.

 

Zaawansowane metody oczyszczania wód z mikrozanieczyszczeń, w tym z farmaceutyków, zyskują coraz większe znaczenie ze względu na rosnący poziom tych substancji w ściekach i wodach powierzchniowych. Mikrozanieczyszczenia, zwłaszcza farmaceutyki, pestycydy i hormony, są trudne do usunięcia przy zastosowaniu tradycyjnych metod oczyszczania, dlatego wprowadzane są technologie oparte na bardziej zaawansowanych procesach fizycznych, chemicznych i biologicznych.

 

1. Zaawansowane Procesy Utleniania (AOP)

• Procesy utleniania zaawansowanego (AOP) obejmują technologie, które generują silnie reaktywne rodniki hydroksylowe (•OH) zdolne do rozkładu mikrozanieczyszczeń organicznych na proste i mniej toksyczne związki. Do najczęściej stosowanych metod należą:
  • Ozonowanie – Ozon (O₃) jest silnym utleniaczem skutecznie usuwającym mikrozanieczyszczenia, np. pestycydy i farmaceutyki, jednak jego efektywność rośnie w połączeniu z innymi metodami, np. promieniowaniem UV.
  • Fotokataliza z TiO₂ – Fotokataliza wykorzystuje półprzewodniki, np. dwutlenek tytanu (TiO₂), które pod wpływem promieni UV generują rodniki zdolne do rozkładu mikrozanieczyszczeń. Wprowadzenie światła widzialnego (np. przez modyfikację TiO₂) także poprawia efektywność procesu.
  • Technologia ozonowania i fotokatalizy, które wykorzystują silne reakcje chemiczne, pomagają neutralizować toksyczne pozostałości mikrozanieczyszczeń, np. farmaceutyków i ich metabolitów, przywracając wodzie czystość zbliżoną do naturalnej.

2. Membranowe Procesy Filtracyjne

• Nano-filtracja i osmoza odwrócona są technikami, które skutecznie usuwają mikrozanieczyszczenia poprzez bardzo drobne membrany. Nano-filtracja jest szczególnie efektywna przy usuwaniu związków o mniejszych masach cząsteczkowych, podczas gdy osmoza odwrócona usuwa praktycznie wszystkie rozpuszczone substancje. Wadą tych metod jest konieczność zarządzania skoncentrowanymi ściekami, które zawierają odfiltrowane zanieczyszczenia.

3. Adsorpcja z Użyciem Węgla Aktywnego

• Węgiel aktywny, szczególnie w formie granulatu, jest szeroko stosowany do usuwania organicznych mikrozanieczyszczeń dzięki dużej powierzchni i wysokiej pojemności adsorpcyjnej. Obecnie rozwijane są zaawansowane materiały adsorpcyjne, takie jak nanorurki węglowe, modyfikowane zeolity czy materiały polimerowe, które są jeszcze bardziej selektywne i mogą usunąć trudniejsze do rozkładu mikrozanieczyszczenia, w tym farmaceutyki.

4. Biologiczne Procesy Oczyszczania

• Biologiczne metody wykorzystują mikroorganizmy zdolne do rozkładu mikrozanieczyszczeń. Stosowane są różnorodne podejścia:
  • Bioreaktory membranowe (MBR), które łączą biologiczną degradację z filtracją membranową, zapobiegając przedostawaniu się nieusuniętych związków do wód. W bioreaktorach membranowych stosuje się mikroorganizmy zdolne do rozkładania np. farmaceutyków czy pestycydów na prostsze związki. Najczęściej są to różnego rodzaju gatunki bakterii, grzybów lub pierwotniaków, które mają zdolność częściowego lub całkowitego rozkładu wielu związków organicznych.
  • Nowsze podejścia wykorzystują także mikroorganizmy zmodyfikowane genetycznie lub pochodzące z ekosystemów o dużej tolerancji na zanieczyszczenia substancjami chemicznymi. Proces ten, chociaż obiecujący, jest wciąż przedmiotem badań ze względu na trudności z degradacją niektórych związków. Biodegradacja z użyciem mikroorganizmów nawiązuje do naturalnych procesów samooczyszczania się wód, stosowanych w dawnych wierzeniach, gdzie uważano, że natura ma zdolność do regeneracji i powrotu do równowagi. 
  • Przykładem takich prac podjętych na rzecz ochrony wód przed mikrozanieczyszczeniami są prace prowadzone w IOŚ-PIB. Zespół Zakładu Ekotoksykologii realizuje nowatorski projekt opracowania szczepionki bakteryjnej środowiskowej dedykowanej rozkładowi farmaceutyków w ściekach. Szczepionka będzie mogła służyć eksploatatorom oczyszczalni ścieków do zwiększenia biodegradacji mikrozanieczyszczeń już na etapie oczyszczania biologicznego. Ponadto w Zakładzie prowadzone są również obiecujące badania nad wykorzystaniem różnych gatunków glonów do biodegradacji powierzchni plastików. 

5. Techniki Elektrochemiczne

• Metody elektrochemiczne, takie jak elektro-kataliza i elektrokoagulacja, polegają na przeprowadzaniu reakcji chemicznych pod wpływem prądu elektrycznego. Elektro-kataliza umożliwia degradację zanieczyszczeń przy użyciu elektrod, co jest skuteczne, zwłaszcza w połączeniu z AOP, aby jeszcze bardziej rozłożyć skomplikowane (wielkocząsteczkowe) związki organiczne.

6. Procesy Hybrydowe

• Łączenie różnych technologii oczyszczania (np. AOP z bioreaktorami) pozwala na bardziej efektywne usuwanie zanieczyszczeń poprzez łączenie ich zalet i niwelowanie wad. Procesy hybrydowe pozwalają na wstępny rozkład zanieczyszczeń chemicznie, a następnie ich całkowitą biodegradację.

Ø  Procesy fotochemiczne

·     Łączone działanie ozonu i promieniowania UV (UV/O3);

·     Łączone działanie nadtlenku wodoru i promieniowania UV (H2O2/ UV);

·     Reakcja foto – Fentona (H2O2/Fe2+ /UV);

·     Fotoliza UV;

·     Łączone działanie ozonu, nadtlenku wodoru i promieniowania UV (O3/UV/H2O2 );

·     Łączone działanie ozonu i ultradźwięków (O3/ US);

·     Łączone działania ozonu i kawitacji hydrodynamicznej;

·     Foto-katalityczne działanie TiO2 z udziałem ozonu (TiO2/ O3).

Ø  Procesy chemiczne

·     Utlenianie ozonem przy wysokim pH (O3/·OH);

·     Łączone działanie ozonu i nadtlenku wodoru (O3/ H2O2);

·     Utlenianie odczynnikiem Fentona (H2O2/Fe2+);

·     Utlenianie odczynnikiem Fentona  połączone z działaniem ozonu (H2O2/Fe2+, O3);

Zadowalające efekty, rzędu 90% usunięcia farmaceutyków, uzyskuje się dopiero łącząc procesy konwencjonalne z zastosowaniem osadu czynnego wraz z metodami zaawansowanymi.

7. Nowoczesne Metody Adsorpcyjne i Katalityczne

• W badaniach coraz częściej pojawiają się również adsorbenty i katalizatory o wysokiej specyficzności, takie jak nanocząstki tlenków metali i związki opierające się na technologii zielonej chemii, które charakteryzują się niską toksycznością i dużą efektywnością.

 

Wyzwania i przyszłość

 

Zastosowanie zaawansowanych metod oczyszczania wód wiąże się z wysokimi kosztami, koniecznością odpowiedniego zarządzania pozostałościami oraz wymaganiami technologicznymi. Prace badawcze koncentrują się na poprawie wydajności procesów, zmniejszeniu kosztów i wprowadzeniu ekologicznych metod, które będą zgodne z zasadami zrównoważonego rozwoju.

Metody zaawansowanego oczyszczania wód pozwalają skuteczniej usuwać farmaceutyki niż tradycyjne procesy oczyszczania. Dalsze badania nad ich optymalizacją i wdrażaniem na szeroką skalę są konieczne, aby poradzić sobie z wyzwaniami, jakie stawia obecność tych zanieczyszczeń w wodach powierzchniowych i podziemnych.

 

Pierwsza część artykułu - czytaj tutaj 

 

 

Autor: Dr Marlena Wilk

Biolog, chemik środowiska rolniczego, ekspert w dziedzinie ekotoksykologii, od lat zajmujący się badaniem wpływu związków chemicznych (pestycydów, farmaceutyków, metali ciężkich, bisfenoli i in.) na środowisko i organizmy żywe. Twórca środowiskowej szczepionki bakteryjnej mającej na celu wspomóc eksploatatorów oczyszczalni ścieków w redukcji mikrozanieczyszczeń farmaceutycznych w ściekach. Marlena jest związana z działalnością URS od początków jej powstania.