Oczyszczanie ścieków powstających podczas obróbki i malowania powierzchni metalowych

• 1. Powstawanie ścieków podczas obróbki powierzchni metalowych
• 2. Charakterystykaścieków powstających podczas obróbki i malowania powierzchni metalowych
• 3. Oczyszczalnia ścieków pochodzących z obróbki i malowania powierzchni metalowych
• 4. Wnioski

1. Produkcja wody odpadowe powstające podczas obróbki powierzchni metalowych

Obróbka i malowanie powierzchni metalowych ma zasadnicze znaczenie dla ochrony materiałów budowlanych oraz uzyskania odpowiedniego wykończenia. Oprócz funkcji estetycznej farba pełni rolę bariery ochronnej przed korozją, zużyciem mechanicznym, czynnikami atmosferycznymi i innymi czynnikami środowiskowymi.

Znajduje zastosowanie w takich sektorach przemysłowych jak motoryzacja, produkcja maszyn, konstrukcje metalowe, przemysł stoczniowy, lotnictwo czy produkcja dóbr kapitałowych, by wymienić tylko kilka przykładów.

Przed nałożeniem farby należy przygotować powierzchnie, aby usunąć nierówności i zapewnić dobrą przyczepność farby. Najczęściej stosowane metody przygotowania powierzchni to:

• Oczyszczenie i odtłuszczenie powierzchni w celu usunięcia olejów i zanieczyszczeń.
• Oczyszczanie chemiczne lub mechaniczne.
• Śrutowanie lub obróbka strumieniowo-ścierna w celu poprawy przyczepności.
• Obróbki chemiczne, takie jak fosforanowanie czy pasywacja.

Po zakończeniu obróbki powierzchniowej przystępuje się do nakładania wybranej farby, co można wykonać metodą natryskową, zanurzeniową lub elektrostatyczną, a następnie przeprowadza się odpowiedni etap suszenia lub utwardzania powłoki.

Ogólny schemat procesu malowania w przemyśle metalurgicznym wygląda następująco:

Wszystkie te procesy powodują powstawanie silnie zanieczyszczonych ścieków. Ostateczny skład ścieków zależy od zastosowanego sposobu oczyszczania, rodzaju użytej farby oraz zastosowanej metody nakładania. W poniższej tabeli przedstawiono najczęściej stosowane metody nakładania:

Sposób stosowania	Podkład	Warstwy pośrednie	Warstwa wykończeniowa	Farby o dużej lepkości
Pędzel	Tak	Tak	Tak	Nie
Wałek	Nie	Tak	Tak	Nie
Pistolet konwencjonalny (rozpylanie powietrzem)	Nie	Tak	Tak	Nie
Pistolet bezpowietrzny (Airless)	Nie	Tak	Tak	Nie
Pistolet na gorąco	Nie	Tak	Tak	Tak
Rozpylanie za pomocą pistoletu wysokociśnieniowego	Nie	Nie	Nie	Tak
Łopatka	Nie	Nie	Nie	Tak

Dobrze zaprojektowana oczyszczalnia ścieków zapewnia następujące korzyści:

• Przestrzegać przepisów dotyczących zrzutu ścieków.
• Odzyskiwanie wody i innych surowców nadających się do ponownego wykorzystania.
• Obniżenie kosztów operacyjnych (OPEX).
• Optymalizacja wpływu przedsiębiorstw na środowisko.

2. Charakterystykaścieków powstających podczas obróbki i malowania powierzchni metalowych

Ścieki powstają głównie w trzech następujących etapach:

1. Obróbka wstępna powierzchni: Elementy metalowe wymagają oczyszczenia i przygotowania przed malowaniem. Etap ten obejmuje odtłuszczanie, trawienie kwasem, fosforanowanie oraz płukanie, w wyniku których powstają ścieki zawierające oleje, smary, kwasy, zasady i rozpuszczone metale.
2. Nakładanie farby: Podczas malowania metodą zanurzeniową lub natryskową w kabinach część materiału nie przylega do elementów. Kurtyny wodne, które wychwytują nadmiar farby, ulegają zanieczyszczeniu żywicami, pigmentami, rozpuszczalnikami i dodatkami.
3. Czyszczenie sprzętu: Regularne czyszczenie pistoletów, zbiorników, filtrów i kabin powoduje powstawanie ścieków o wysokim stężeniu pozostałości farby, rozpuszczalników i środków powierzchniowo czynnych.

Typowy skład

Ścieki powstające podczas obróbki powierzchni metalowych mają skład zależny od rodzaju procesu, ale zazwyczaj zawierają:

• Metale ciężkie: chrom, cynk, nikiel, ołów, żelazo i aluminium pochodzące z etapu wstępnej obróbki oraz niektóre pigmenty.
• Związki organiczne: żywice akrylowe, epoksydowe i poliuretanowe, rozpuszczalniki, oleje i smary.
• Ciała stałe w zawiesinie: cząstki farby, pigmenty (tlenki metali) oraz osady z etapu wstępnej obróbki.
• Sole nieorganiczne: fosforany, siarczany, chlorki i fluorki powstające w procesie fosforanowania i trawienia.

Często spotyka się również inne zanieczyszczenia, takie jak środki powierzchniowo czynne, inhibitory korozji i biocydy. Skład analityczny tych ścieków charakteryzuje się dużą zmiennością typowych parametrów i zazwyczaj przekracza dopuszczalne limity zrzutu. Typowa analiza przedstawiona jest w poniższej tabeli:                     

PARAMETR	JEDNOSTKA	ZBIÓR
pH	–	2–12
ChZT	mg/l	1 000 – 15 000
DBO5	mg/l	300 – 5 000
TSS	mg/l	500 – 8 000
Metale ogółem	mg/l	10 – 500
Oleje i tłuszcze	mg/l	50 – 2 000

Odprowadzanie ścieków bez uprzedniego oczyszczania powoduje:

• Zanieczyszczenie wód powierzchniowych i podziemnych.
• Toksyczność metali ciężkich dla organizmów wodnych.
• Bioakumulacja zanieczyszczeń.
• Zmiany pH.
• Eutrofizacja spowodowana fosforanami.
• Zagrożenia dla zdrowia ludzkiego wynikające z zanieczyszczenia źródeł wody pitnej.

Prawidłowa charakterystyka tych ścieków ma zasadnicze znaczenie dla zaprojektowania wydajnego i stabilnego systemu oczyszczania.

3. Oczyszczalnia ścieków pochodzących z obróbki i malowania powierzchni

Chociaż skład ścieków jest bardzo zróżnicowany, typowy proces oczyszczania składa się z następujących etapów:

3.1. Obróbka wstępna poprzez homogenizację – neutralizacja

Na tym pierwszym etapie poszczególne zrzuty są ujednolicanie, a następnie neutralizowane za pomocą kwasów (H₂SO₄, HCl) lub zasad (NaOH, Ca(OH)₂) w zależności od potrzeb.

3.2. Oczyszczanie fizykochemiczne metodą koagulacji i flokulacji

W celu zniesienia ładunku cząstek koloidalnych dodaje się środki koagulujące (_Al₂(_SO₄)₃,_FeCl₃ lub PAC). Następnie dodaje się środki flokulujące (polimery), które łączą powstałe koagulat w flokule, umożliwiając oddzielenie zawiesin stałych oraz części substancji organicznej.

Na tym etapie znaczna część metali ciężkich obecnych w ściekach wytrąca się w postaci wodorotlenków, siarczków lub węglanów dzięki regulacji pH i dodaniu odpowiednich odczynników.

3.3. Utlenianie i redukcja chemiczna

W przypadku oczyszczania ścieków zawierających chrom (^Cr+6) należy najpierw ustawić kwaśne pH i dodać środek redukujący (_NaHSO₃), a następnie wyodrębnić chrom w postaci wytrąconego wodorotlenku Cr(OH)₃ w środowisku zasadowym.                               

Cyjanury (^CN–) ulegają utlenieniu pod wpływem NaOCl lub_H₂O₂.       

3.4. Wyjaśnienie

Oddzielanie cząstek stałych zawieszonych w cieczy można przeprowadzić poprzez sedymentację lub flotację z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza (DAF).

System DAF jest bardziej wydajny, ponieważ zapewnia wyższą skuteczność separacji zarówno w przypadku cząstek stałych, które mają tendencję do osiadania, jak i cząstek pływających (oleje, tłuszcze, detergenty itp.). Ponadto pozwala uzyskać osad o wysokim stężeniu (4–6 %), co upraszcza proces oczyszczania osadu, ponieważ nie jest konieczne stosowanie pośredniego zagęszczacza.

3.5. Drugorzędne oczyszczanie biologiczne

W przypadkach, gdy wartość DQO jest wysoka, a ścieki ulegają biodegradacji, należy zastosować oczyszczanie biologiczne.

Najczęściej stosowaną metodą biologiczną, zarówno ze względu na jej skuteczność, jak i prostotę, jest technologia MBR, która łączy reaktor biologiczny tlenowy z półprzepuszczalnymi membranami do ultrafiltracji lub mikrofiltracji.

Dzięki bioreaktorowi membranowemu uzyskuje się oczyszczone ścieki o wysokim stopniu czystości, które można odprowadzać lub ponownie wykorzystywać, często w ramach tego samego zakładu przemysłowego.

3.6. Zaawansowane metody leczenia

Biorąc pod uwagę różnorodność zanieczyszczeń, które mogą powstawać podczas obróbki i malowania powierzchni metalowych, poniżej przedstawiono różne zaawansowane techniki oczyszczania, które można stosować jako etapy pośrednie lub trzeciorzędne.

• Adsorpcja na węglu aktywnym: Oddziela poprzez adsorpcję rozpuszczone związki organiczne i barwniki.
• Wymiana jonowa: Żywice o specyficznej zdolności wymiany jonowej, które umożliwiają odzyskiwanie cennych metali i uzyskiwanie wody o lepszej jakości.
• Membrany półprzepuszczalne: Osmoza odwrotna pozwala uzyskać wodę o wysokim stopniu czystości poprzez oddzielenie znacznej części rozpuszczonych soli (TDS), którą można ponownie wykorzystać do płukania.
• Elektrokoagulacja: Proces ten zastępuje koagulację chemiczną. W tym celu stosuje się elektrody aluminiowe lub żelazne, które powodują tworzenie się skrzepów oraz usuwają metale i substancje organiczne.
• Zaawansowane procesy utleniania (POA): Jeśli ChZT jest trudne do usunięcia, stosuje się utleniacze chemiczne (_O₃,_H₂O₂) w obecności katalizatorów lub promieniowania UV, co pozwala na rozkład złożonych i trudno rozkładalnych związków organicznych.

3.7. Przetwarzanie osadów

W wyniku tych procesów oczyszczania ścieków powstają osady o wysokim stężeniu metali i substancji organicznych, które należy odwodnić i poddać analizie, aby następnie skierować je do miejsca przeznaczenia – czy to na specjalne wysypisko, czy też do odzysku, o ile jest to możliwe.

W przypadku odzyskiwania metali szlachetnych można zastosować inne technologie uzupełniające lub alternatywne, takie jak odparowywanie próżniowe.

Wybór systemu zależy od składu ścieków, ustawowych limitów zrzutu, objętości ścieków do oczyszczenia oraz opłacalności każdej z technologii.

4. Wnioski

Obróbka i malowanie powierzchni metalowych powodują powstawanie złożonych ścieków, zanieczyszczonych metalami ciężkimi, związkami organicznymi i substancjami chemicznymi. Ścieki te zazwyczaj przekraczają dopuszczalne limity zrzutu i wymagają specjalistycznego oczyszczania, dlatego konieczna jest ich prawidłowa charakterystyka.

Oczyszczanie tych ścieków polega na połączeniu kilku technologii, wśród których na szczególną uwagę zasługują neutralizacja, koagulacja i flokulacja, flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza oraz strącanie chemiczne. W razie potrzeby stosuje się oczyszczanie biologiczne (MBR) lub zaawansowane metody oczyszczania (POA), których konfiguracja zależy od rodzaju wytwarzanych ścieków oraz od tego, czy planuje się ponowne wykorzystanie wody lub odzysk cennych metali.

Bibliografia i źródła

Obróbka i malowanie powierzchni metalowych

Kompletny przewodnik po obróbce powierzchniowej metalu | Artizono