Usuwanie detergentów i innych środków powierzchniowo czynnych obecnych w ściekach

• 1. Wylewanie detergentów i innych substancji mydlanych
• 2. Rodzaje środków powierzchniowo czynnych
• 3. Obecność środków powierzchniowo czynnych w ściekach
• 4. Usuwanie środków powierzchniowo czynnych obecnych w ściekach
• 5. Podsumowanie

1. Wylewanie detergentów i innych substancji mydlanych

Niektóre ścieki powstające w procesach przemysłowych zawierają substancje mydlane i detergenty. Odprowadzanie tych ścieków ma negatywny wpływ na środowisko naturalne, czego przykładem jest eutrofizacja, która prowadzi do powstania ekosystemu charakteryzującego się nienormalnie wysokim stężeniem składników odżywczych, takich jak fosforany.

W przypadku wycieku detergentu na powierzchni wody tworzy się warstwa, która ogranicza wchłanianie tlenu z atmosfery i jego późniejsze rozcieńczenie, co ma negatywny wpływ na wszystkie organizmy wodne.

Wypływająca woda zanieczyszczona detergentami i innymi środkami powierzchniowo czynnymi często wsiąka w glebę, pozostawiając w niej część zanieczyszczeń. W innych przypadkach zanieczyszczenia te przedostają się do wód gruntowych.

2. Rodzaje środków powierzchniowo czynnych

Środki powierzchniowo czynne, znane również jako tensydy, to cząsteczki pochodzenia organicznego, które mają zdolność do zmiany równowagi sił przyciągania występujących między cząsteczkami znajdującymi się w pobliżu powierzchni cieczy. Innymi słowy, są to substancje, które mogą zmniejszać napięcie powierzchniowe cieczy. 

Związki te znajdują szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, ponieważ umożliwiają rozpuszczanie lub emulgowanie substancji nierozpuszczalnych w wodzie, takich jak oleje, tłuszcze i inne składniki.

Środki powierzchniowo czynne są wykorzystywane do produkcji takich produktów jak:

• Środki czyszczące: Substancje powierzchniowo czynne są niezbędne do produkcji detergentów i środków czyszczących, ponieważ pomagają one oddzielać lub rozpuszczać substancje nierozpuszczalne, ułatwiając w ten sposób proces czyszczenia.
• Branża środków czyszczących: Środki powierzchniowo czynne odgrywają kluczową rolę w produkcji szamponów, płynów do mycia naczyń, detergentów do prania oraz środków do usuwania kurzu z powierzchni.
• Emulgatory i środki solubilizujące: Znajdują również zastosowanie jako emulgatory i środki solubilizujące w różnych gałęziach przemysłu.

Ze względu na swoją strukturę środki powierzchniowo czynne można podzielić na:

• Niejonowe: charakteryzują się tym, że zawierają grupy funkcyjne zdolne do jonizacji, które nie ulegają dysocjacji w wodzie. Składają się głównie z polarnej części zawierającej etery i alkohole oraz z niepolarnej części zawierającej łańcuch alifatyczny, choć mogą to być również niealifatyczne związki anionowe.
• Jonowe: charakteryzują się silnym powinowactwem do wody wynikającym z przyciągania elektrostatycznego względem jej dipolów, co nadaje im zdolność do przyciągania łańcuchów węglowodorowych.

Z kolei surfaktanty jonowe dzielą się na:

• Środki powierzchniowo czynne anionowe: są to najczęściej stosowane środki powierzchniowo czynne w przemyśle i są produkowane na dużą skalę, ponieważ zapewniają wysoką skuteczność przy niskich kosztach. Charakteryzują się tym, że ich część hydrofilowa posiada ładunek ujemny wynikający z obecności grup fosforanowych, siarczanowych, karboksylanowych i sulfonianowych.
• Środki powierzchniowo czynne kationowe: posiadają ładunek dodatni, który zapewnia im lepszą przyczepność do podłoży oraz długotrwałą stabilność. Mogą zmieniać właściwości powierzchniowe, przekształcając powierzchnie hydrofilowe w hydrofobowe i odwrotnie. Ponadto związki takie jak aminy i ich sole mają działanie bakteriobójcze, które pozwala wyeliminować niektóre mikroorganizmy lub ograniczyć ich rozwój.
• Środki powierzchniowo czynne amfoteryczne:charakteryzują się obecnością zarówno grup anionowych, jak i kationowych, a ich właściwości zmieniają się wraz ze zmianą pH.

3. Obecność środków powierzchniowo czynnych w ściekach

Jak widzieliśmy, w ściekach, zarówno bytowych, jak i przemysłowych, często występują pozostałości detergentów.

Do najbardziej szkodliwych skutków działania środków powierzchniowo czynnych w ściekach należą:

• Podnoszą one pH ścieków, co wpływa na cykl życiowy gatunków wodnych.
• Powodują one wzrost stężenia składników odżywczych w wodach, do których są odprowadzane, co prowadzi do znacznego rozrostu glonów i powstawania nieprzyjemnych zapachów w wyniku dostarczania dużych ilości fosforu.
• Fosforany zastępuje się substancjami takimi jak kwas nitrilotrioctowy (NTA) lub kwas etylenodiaminotetraoctowy (EDTA), które zawierają jony metali ciężkich rozpuszczające się w wodzie i mogące zostać spożyte przez ludzi.
• Rtęć, ołów i chrom to metale ciężkie, które mogą rozpuszczać się w wodzie, powodując zaburzenia w łańcuchu pokarmowym lub uszkodzenia genetyczne u wielu gatunków.
• Stężenie chloru i związków chloroorganicznych w ściekach może wzrosnąć, co stanowi zagrożenie ze względu na ich działanie mutagenne i rakotwórcze.
• Rozkład związków organicznych pochodzących z detergentów wymaga zużycia dużych ilości tlenu, co prowadzi do powstania warunków beztlenowych i powoduje śmierć fauny i flory wodnej.
• Mają bezpośredni wpływ na procesy sedymentacji, flokulacji i koagulacji w oczyszczalniach ścieków.
• Zanieczyszczają wody gruntowe.
• Powodują one powstawanie dużych ilości piany, która unosi się na wodzie i wpływa na stężenie tlenu, a jednocześnie oddziałuje na środowisko.

Środki powierzchniowo czynne obecne w ściekach powodują poważne problemy po dotarciu do oczyszczalni ścieków. Pod wpływem napowietrzania wytwarzają ogromne ilości pływających osadów, które nie tylko psują wygląd, ale także utrudniają przenikanie tlenu i powodują problemy z funkcjonowaniem instalacji.

Środki powierzchniowo czynne wpływają na jakość wody, ponieważ biorą udział w różnych procesach, takich jak wymiana tlenu, co ogranicza jego dostępność i wpływa na procesy biologiczne.

Tworzenie miceli

Kiedy środki powierzchniowo czynne rozpuszczają się w cieczy, tworzą się małe struktury kuliste (10–30 nm) zwane„micelami”. Mają one kluczowe znaczenie w różnych zastosowaniach, takich jak czyszczenie i tworzenie emulsji. Micele powstają w oparciu o następujące cechy:

• Środki powierzchniowo czynne mają część polarną (hydrofilową) i część niepolarową (hydrofobową).
• W cieczy cząsteczki środka powierzchniowo czynnego spontanicznie łączą się w grupy, aby zminimalizować energię powierzchniową.
• Części hydrofilowe zwracają się w stronę wody, podczas gdy części hydrofobowe gromadzą się w środku, tworząc kulistą strukturę zwaną micelą.
• Micele pęcznieją, tworząc mikroemulsje, i ułatwiają rozpuszczanie olejów, tłuszczów, węglowodorów lub związków aromatycznych, takich jak benzen i jego pochodne itp.

Właściwości miceli

• Solubilizacja: Micele mogą otaczać substancje nierozpuszczalne w wodzie, takie jak tłuszcze i oleje, zwiększając ich rozpuszczalność.
• Działanie myjące: Micele pomagają usuwać zabrudzenia i tłuszcz z twardych powierzchni.
• Emulsja: W produktach takich jak kremy i balsamy micele emulgują składniki nierozpuszczalne w wodzie.
• Stabilność koloidalna: Micele utrzymują cząsteczki w stanie zawieszenia w zawiesinach koloidalnych.

Podsumowując, micele są kluczowymi strukturami w chemii środków powierzchniowo czynnych. Odgrywają one zasadniczą rolę w zapewnianiu skuteczności środków powierzchniowo czynnych w wielu zastosowaniach przemysłowych i kosmetycznych, ale mogą również zwiększać rozpuszczalność niepożądanych zanieczyszczeń w ściekach.

4. Usuwanie środków powierzchniowo czynnych obecnych w ściekach

Ze względu na obecność miceli w ściekach zawierających środki powierzchniowo czynne proces oczyszczania tych ścieków wymaga destabilizacji miceli poprzez odpowiednią koagulację w środowisku o odpowiednim pH.

Z drugiej strony często występują w niej oleje, tłuszcze lub węglowodory, które należy oddzielić wraz z pozostałymi zanieczyszczeniami obecnymi w wodzie poprzez tworzenie kłaczków przy użyciu odpowiedniego polielektrolitu.  

Proces separacji metodą flotacji z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza (DAF), w którym SIGMADAF posiada bogate doświadczenie, jest najbardziej odpowiedni, ponieważ oprócz wysokiej wydajności separacji pozwala uzyskać osad pływający o większym stężeniu niż w przypadku innych procesów oczyszczania.

Istnieją branże, które ze względu na swoją działalność związaną z substancjami powierzchniowo czynnymi mogą odprowadzać ścieki o wysokim stężeniu zanieczyszczeń. Oto przykład analizy ścieków o wysokiej zawartości substancji powierzchniowo czynnych i innych zanieczyszczeń. 

• Środki powierzchniowo czynne (≥10 mg/l)
• BZT (≥3000 mg/l O₂)
• ChZT (≥9000 mg/l O₂)
• Oleje i tłuszcze (≥950 mg/l)
• Składniki aromatyczne, takie jak fenole (≥ 1 mg/l)
• Środki czyszczące (≥10 mg/l)

Wysokowydajna oczyszczalnia ścieków zawierających detergenty i inne środki myjące składa się z następujących etapów:

• Homogenizacja i regulacja pH
• Koagulacja / flokulacja
• Flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza (DAF)
• Oczyszczanie biologiczne tlenowe
• Oczyszczanie trzeciego stopnia z wykorzystaniem systemu MBR w celu odzysku lub odprowadzenia
• Odwadnianie osadów oddzielonych w celu wywiezienia na wysypisko śmieci.

W większości przypadków system DAF nie wystarcza do osiągnięcia odpowiednich limitów zrzutu lub ponownego wykorzystania. Dlatego konieczne jest zastosowanie oczyszczania wtórnego, składającego się z aerobowego reaktora biologicznego oraz systemu DAF z recyrkulacją osadu czynnego do strefy utleniania. Jeśli zamierza się odzyskać część lub całość oczyszczonych ścieków, wskazane jest zainstalowanie systemu ultrafiltracji membranowej (MBR).

W zakładzie produkującym środki powierzchniowo czynne stężenie zanieczyszczeń i obecność glicerydów mogą być wysokie, dlatego konieczne jest wcześniejsze rozbicie emulsji w środowisku kwaśnym, a następnie koagulacja, flokulacja i flotacja DAF, jak pokazano na poniższym schemacie:

5. Podsumowanie

Środki powierzchniowo czynne to wszechstronne cząsteczki, które odgrywają kluczową rolę w procesach czyszczenia, emulgowania i solubilizacji substancji, zarówno w przemyśle, jak i w gospodarstwie domowym.

Ścieki zawierające środki powierzchniowo czynne mogą wywierać bardzo negatywny wpływ na środowisko naturalne ze względu na obecność zanieczyszczeń, które zwiększają rozpuszczalność substancji toksycznych, takich jak węglowodory, metale, oleje i tłuszcze, a także inne.  Ponadto wysokie stężenia składników odżywczych (zwłaszcza fosforanów) sprzyjają zjawisku eutrofizacji, zaburzając równowagę tlenową w wodzie i zagrażając życiu wodnemu w miejscach, gdzie są one odprowadzane.

Linie do oczyszczania ścieków stosowane do uzdatniania tych ścieków zazwyczaj obejmują proces koagulacji i flokulacji, mający na celu destabilizację miceli tworzących emulsje, a następnie system flotacji powietrzem rozpuszczonym (DAF), w którym oddziela się większość zawiesin stałych oraz znaczną część zanieczyszczeń organicznych (oleje, tłuszcze i pozostałości detergentów).

Te systemy flotacji DAF są również wykorzystywane jako osadniki wtórne, po procesie biologicznego oczyszczania tlenowego, który służy do utleniania substancji organicznych w tych ściekach. W przypadku ponownego wykorzystania części lub całości oczyszczonych ścieków stosuje się system membran ultrafiltracyjnych (MBR), który pozwala osiągnąć wysoki stopień redukcji zanieczyszczeń oraz znacznie uprościć instalację.

Źródła i bibliografia

• ŚRODKI POWIERZCHNIOWO CZYNNE – EMULSJE: WŁAŚCIWOŚCI I METODY PRZYGOTOWANIA (1library.co)
• S302.pdf (firp-ula.org)
• Jak zwalczać środki powierzchniowo czynne w strumieniach ścieków za pomocą preparatu Hipo SS5600 firmy Bac-asili?
•  Odpady przemysłowe. Mydła i detergenty. | PDF | Mydło | Detergent (scribd.com)