Usuwanie PFAS ze ścieków metodą koagulacji i flokulacji

• 1. Nowa dyrektywa (UE) 2024/3019 zaostrza wymogi prawne dotyczące PFAS w wodzie.
• 2. Czym są PFAS i dlaczego stanowią problem?
• 3. Opis dopływu.
  4. Przykład sukcesu: ścieki z mycia podłóg na budowie
  4.1. Zastosowana sekwencja oczyszczania
  4.2. Wyniki
• 5. Wnioski

1. Nowa dyrektywa (UE) 2024/3019 zaostrza wymogi prawne dotyczące PFAS w wodzie

Dyrektywa (UE) 2024/3019 Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie oczyszczania ścieków komunalnych wzmacnia europejskie ramy prawne dotyczące nowych zanieczyszczeń i nakłada bardziej rygorystyczne obowiązki w zakresie usuwania substancji takich jak PFAS ( substancje per- i polifluoroalkilowe) w systemach kanalizacyjnych i oczyszczalniach ścieków.

Dyrektywa ta, która aktualizuje i uchyla poprzednie przepisy z 1991 roku, pokazuje, że branża wodno-kanalizacyjna potrzebuje skutecznych, skalowalnych i ekonomicznie opłacalnych rozwiązań technologicznych, aby poradzić sobie z tymi zanieczyszczeniami. W tym kontekście wyniki uzyskane przez dział badań i rozwoju firmy SIGMADAF w testach dotyczących usuwania PFAS nabierają szczególnego znaczenia.

2. Czym są PFAS i dlaczego stanowią problem?

PFAS to rodzina związków syntetycznych stosowanych od dziesięcioleci w produkcji wyrobów przemysłowych i konsumpcyjnych, takich jak piany gaśnicze, opakowania do żywności, wodoodporne tkaniny czy przybory kuchenne. Ich wysoka stabilność chemiczna i termiczna, niska biodegradowalność oraz zdolność do bioakumulacji sprawiają, że są one trwałymi zanieczyszczeniami zarówno w środowisku naturalnym, jak i w organizmie człowieka.

Woda pitna stanowi główne źródło narażenia ludzi na PFAS, a substancje te wykrywa się nawet w stężeniach rzędu zaledwie kilku ng/l.

Najczęściej wykrywanymi PFAS w środowisku są kwas perfluorooktanowy (PFOA) i kwas perfluorooktanosulfonowy (PFOS), choć do tej rodziny należą zarówno związki o krótkich, jak i długich łańcuchach, które wykazują różne właściwości w przypadku konwencjonalnych metod oczyszczania.

3. Opis ścieków

Zaawansowane technologie usuwania PFAS – granulowany węgiel aktywny, wymiana jonowa, membrany o wysokiej gęstości lub zaawansowane procesy redoks – charakteryzują się dużym potencjałem technicznym, jednak koszty eksploatacyjne i inwestycyjne sprawiają, że w wielu zastosowaniach przemysłowych są one nieopłacalne. Stąd wynika potrzeba optymalizacji konwencjonalnych procesów fizykochemicznych, w szczególności koagulacji i flokulacji, w celu maksymalizacji ich skuteczności w zwalczaniu tych mikrozanieczyszczeń.

Koagulacja koagulacja-flokulacja jest procesem referencyjnym w uzdatnianiu wody ze względu na niskie koszty i skuteczność w usuwaniu koloidów, zawiesin i rozpuszczonej materii organicznej. PFAS są adsorbowane na kompleksach koagulant-materia organiczna podczas procesu, a następnie usuwane wraz z cząstkami stałymi w powstałych flokach. Te floki o niskiej gęstości nadają się szczególnie do oddzielania metodą flotacji rozpuszczonym powietrzem (DAF).

Kluczem do maksymalnej skuteczności usuwania PFAS jest koagulacja wspomagana specjalistycznymi dodatkami: polimerami modyfikowanymi o średniej lub wysokiej gęstości ładunku, opracowanymi specjalnie w celu sprzyjania tworzeniu stabilnych kompleksów z grupami anionowymi PFAS. Dawkowanie musi być precyzyjne, ponieważ przedawkowanie lub zbyt mała dawka może odwrócić proces i spowodować ponowne wprowadzenie PFAS do fazy wodnej.

4. Przykład udanej realizacji: ścieki z mycia podłóg na budowie

Laboratorium laboratorium SIGMALAB, należące do działu badań i rozwoju SIGMADAF, przeprowadziło badania dotyczące fizykochemicznej obróbki ścieków pochodzących z mycia zanieczyszczonych podłoży w ramach projektu budowlanego. Celem było ocenienie wykonalności systemu koagulacji wspomaganej i flokulacji w celu usunięcia panelu 17 mikrozanieczyszczeń PFAS i fluorotelomerów, w tym PFOS, PFOA, PFHxS, PFHxA oraz związków FTS 6:2 i 8:2.

4.1. Zastosowana sekwencja obróbki

Najskuteczniejszym związkiem chemicznym okazał się:

• Chlorek żelaza(III) (FeCl₃) jako koagulant podstawowy
• Specjalny środek koagulujący do PFAS (SPEC-1), polimer kationowy o wysokim stopniu naładowania
• Flokulant kationowy (kationowa poliakrylamida o średniej gęstości)

Czas reakcji ma kluczowe znaczenie dla skuteczności procesu, zwłaszcza w przypadku reakcji ze specjalnym koagulantem, gdzie wymagany czas kontaktu wynosi od 15 do 30 minut. Powstałe flokule są spójne i mają niską gęstość, co sprawia, że idealnie nadają się do oddzielania za pomocą systemu flotacji z użyciem rozpuszczonego powietrza (DAF).

4.2. Wyniki

Najskuteczniejsza metoda pozwoliła na całkowite usunięcie 84% sumy mikrozanieczyszczeń PFAS, zmniejszając całkowite stężenie z 3,731 µg/l w pierwotnej próbce do 0,60 µg/l w osadzie. Związki o długim łańcuchu, takie jak PFOS, PFOA, PFHxS i PFDA, wykazały najwyższe wskaźniki indywidualnej eliminacji. PFAS o krótkim łańcuchu (PFBA, PFPeA) wykazały większą odporność na obróbkę, co jest zgodne z istniejącą literaturą naukową.

Dodanie etapu polerowania z użyciem sproszkowanego węgla aktywnego (PAC) lub adsorbentu przeznaczonego specjalnie do PFAS może zwiększyć ogólny współczynnik usuwania powyżej 95%.

5. Wnioski

Wyniki pokazują, że koagulacja i flokulacja wspomagana środkami przeznaczonymi specjalnie do PFAS, w połączeniu z systemem DAF, stanowi rozwiązanie techniczne i ekonomicznie opłacalne w zakresie oczyszczania ścieków przemysłowych zawierających PFAS. Podejście to ma szczególne znaczenie w obliczu rosnących wymagań dyrektywy (UE) 2024/3019 oraz potrzeby posiadania przez sektor realnych alternatywnych rozwiązań w zakresie nowych zanieczyszczeń.