Avloppsrening inom tryck- och färgindustrin

• 1. Inledning: Avloppsvatten inom tryckeribranschen.
• 1.1. Typ av tryckavfall.
• 2. Rening av tryckavloppsvatten.
• 2.1. Fysikalisk-kemiska behandlingar.
• 2.2. Biologiska behandlingar.
• 2.3. Avlägsnande av ammoniakkväve.

1. Inledning: Avloppsvatten inom tryckeribranschen

Praktiskt taget alla branscher som tillverkar konsumtionsvaror (förpackningar inom livsmedels-, kosmetik-, textil-, läkemedels-, pappers-, plast- och leksaksindustrin samt flaskfyllning m.m.) använder pigment och tryckfärger i stor utsträckning, både vid tillverkningen av produkten och vid förpackningen, och anlitar tryckerier. I allmänhet används syntetiska pigment för att tillgodose den industriella efterfrågan på färgämnen, eftersom de erbjuder stor flexibilitet när det gäller att ändra kemiska egenskaper och färg, tillverkningsprocessen är välutvecklad och produktionskostnaden är låg, men allt oftare används organiska pigment.

Avloppsvatten som innehåller tryckfärger har en mycket komplex föroreningsprofil och innehåller en stor variation av föreningar: cykliska organiska pigment, syntetiska pigment, pigment baserade på titandioxid (TiO₂), krom och andra tungmetaller, lösningsmedel, nitrocellulosa, glykol, hartser, bindemedel, hjälpämnen, dispergeringsmedel och så vidare.

Avloppsvattnet som uppstår vid användning av dessa pigment i tryckfärg har en intensiv färg och höga halter av förorenande ämnen: halten av organiskt material, mätt som COD, är mycket hög, vanligtvis omkring 20 000 mg/l, pH-värdet är mer eller mindre alkaliskt, ammoniakkvävet kan vara högt och de suspenderade fasta ämnena kan ligga mellan 2 000 och 10 000 mg/l, förutom att det innehåller oljor, fetter, tungmetaller och processegna föreningar (bläck, lösningsmedel, hartser, svårnedbrytbara och giftiga kemiska föreningar, etc.)

Avloppsvattnet från tryckerierna får inte släppas ut direkt i avloppsnätet, eftersom det skulle orsaka allvarliga skador på reningsverken, och det får inte heller släppas ut i vattendrag på grund av dess skadliga effekter på miljön och människor.

Reningprocessen bör väljas och utformas utifrån avloppsvattnets sammansättning och de ekonomiska kostnaderna, både vad gäller investeringar och drift.

Det andra målet med reningen är att återanvända vattnet för sekundära ändamål inom industrin, till exempel för tvätt av maskiner, spolning eller bevattning av trädgårdar.

1.1. Olika typer av tryckavloppsvatten

Det finns olika typer av avloppsvatten från tryckerier, beroende på tryckmetod eller vilken typ av tryckfärg som används, och varje typ kräver en anpassad reningsprocess. Nedan redogörs för de vanligaste typerna.

• Flexotryck: innehåller stora mängder tungmetaller såsom zink, bly, koppar och krom, intensiva färger, hög halt av suspenderade fasta ämnen, höga värden för kemisk syreförbrukning (CSB) och biologisk syreförbrukning (BOD5), ammoniakkväve, förekomst av oljor och fetter samt syntetiska och organiska polymerer. Den vanligaste behandlingen för denna typ av avloppsvatten är en förbehandling med syra och koagulering-flockning, utfällning av ammoniakalt kväve om nödvändigt, allt följt av en biologisk MBR-behandling som inkluderar ultrafiltrering och en efterbehandling med membran för omvänd osmos eller multimediefilter med aktivt kol.
• Tvättvatten: kan behandlas effektivt genom koagulering och flockning med hjälp av järnklorid, som avlägsnar lack och lim, samt ett lämpligt flockningsmedel. En efterbehandling bör genomföras för att helt avlägsna färgen, vanligtvis genom användning av filter med aktivt kol.
• Restfärg: ett extremt förorenande avloppsvatten som innehåller färg, syntetiska gummin och tillsatser, samt har extremt höga halter av kemisk syreförbrukning (KSB) och fasta ämnen. Det kräver en förbehandling med koagulering-flockning och syra, eftersom behandlingen är mest effektiv vid låga pH-värden, både när det gäller fasta ämnen och organiskt material samt för att minska färghalten.

2. Rening av tryckavloppsvatten

Det finns olika metoder för behandling av avloppsvatten från tryckning med tryckfärger, och varje metod innebär anpassningar beroende på vilken typ av avloppsvatten det rör sig om, vilket beskrivits ovan, men de viktigaste och mest effektiva metoderna är följande:

i) fysikalisk-kemiska reningsmetoder, ii) biologiska reningsmetoder och iii) specifika reningsmetoder för kvävereduktion.

2.1. Fysikalisk-kemiska reningsmetoder:

Koagulering-flockning

Processen avlägsnar färgämnesmolekyler, kolloider, fasta aggregerade partiklar, partiklar, suspenderade fasta ämnen, olöst organiskt material och andra olösta föreningar.

Metoden bygger på att dessa olösliga föroreningar aggregeras och flockas så att de kan avlägsnas i form av flockar genom mekaniska separationsmetoder, varav en av de mest effektiva är flotation med upplöst luft (DAF).

Koagulerings- och flockningsprocessen är enkel, flexibel att driva och lätt att hantera.

Vanligtvis används oorganiska koaguleringsmedel av aluminium (aluminiumklorid och aluminiumsulfat) och järn (järn(III)klorid är det vanligaste, men även järn(II)sulfat kan användas) eller organiska sådana som kitosan; alla dessa bildar stabila flockar. Efter agglomereringen av föroreningarna med koaguleringsmedlet tillförs ett flockningsmedel som avsevärt förbättrar kvaliteten på flocken och det renade vattnet. En väl utformad koagulerings- och flockningsprocess kan eliminera mer än 90 % av färgen och de suspenderade fasta ämnena samt mer än 50 % av COD och BOD5.

Koagulering-flockning är den förbehandling som rekommenderas vid stora flöden.

Vilka doser och vilka typer av koagulerings- och flockningsmedel som ska användas beror på avloppsvattnets beskaffenhet och sammansättning. Därför är det nödvändigt att utvärdera processen genom laboratorietester, så kallade Jar-Test, samt analyser av suspenderade fasta ämnen och kemisk syreförbrukning (COD) för att snabbt kunna uppskatta prestandan. På SIGMADAF utför vi dessa tester i vårt eget laboratorium.

Kemisk oxidation

Vid kemisk oxidation används järnjoner (Fe²⁺), väteperoxid (H₂O₂), ozon, natriumhypoklorit (NaClO) eller andra starka oxidationsmedel. Dessa ämnen orsakar oxidation av reducerande ämnen i avloppsvattnet.

När oxidationsmedel används i tryckavloppsvatten med hög färgkoncentration bryter de ned de kolringar som färgämnena består av, vilket gör att de förlorar sin förmåga att absorbera ljus och därmed försvinner färgen. Dessa nedbrutna ringar bildar små organiska och oorganiska molekyler, som kan avlägsnas med hjälp av andra metoder, såsom koagulering-flockning och biologisk rening.

Kemisk oxidation kan även utföras med ozon, elektrolys eller Fenton-processen. Ozon har en stark oxidationsförmåga, vilket gör att färgämnen med hög molekylvikt bryts ned till organiska och oorganiska föroreningar med låg molekylvikt, vilket leder till att ljusabsorptionsförmågan går förlorad och därmed färgen försvinner. Oxidationsmetoden med ozon är snabb, ger inga biprodukter, genererar inget slam, kräver lite utrymme och är lätt att kontrollera, men kan inte tillämpas på stora flöden eftersom det medför höga kostnader och låg effektivitet vid eliminering av COD.

Fenton-oxidationsprocessen sker under sura förhållanden, där katalysen mellan Fe²⁺ och H₂O₂ ger upphov till ett starkt oxidationsmedel: hydroxylradikalen ·OH.

Adsorption

Vattnet passerar genom ett adsorberande bädd av ett poröst material. De vanligaste typerna av adsorbenter för tryckavloppsvatten är aktivt kol, zeoliter, leror och aska. Färgämnen och andra föroreningar fäster vid ytan på adsorbenten genom molekylär attraktion.

Adsorption fungerar väl för avloppsvatten med låg färgbelastning eller som en slutrening för att avlägsna kvarvarande färg efter förbehandling och biologisk rening. Det uppstår inget slam, och metoden kännetecknas av låga investeringskostnader och enkel drift. Adsorptionsreningens effektivitet påverkas av temperatur, pH-värde och adsorptionstid, och adsorbentmaterialet måste bytas ut med jämna mellanrum när det når sin mättnadsgräns.

Av alla adsorbentmaterial har aktivt kol och zeoliter visat sig vara de mest effektiva när det gäller att avlägsna färg och andra svårborttagna föroreningar.

Membranfiltrering

Det har visat sig att ultrafiltreringsmembran kan kvarhålla föroreningar i tryckavloppsvatten. När biologisk rening kombineras med ett UF-membran som slamavskiljare kallas systemet för en membranbiologisk reaktor (MBR) och förenar den aeroba reaktorns effektivitet med separation genom ultrafiltrering.

Membran för omvänd osmos används som en avslutande reningssteg för att avlägsna svårnedbrytbara ämnen och färgrester. De bör installeras efter andra reningssteg, eftersom organiskt material som kan orsaka biofouling inte får nå membranen; därför installeras de vanligtvis efter ett MBR-system. (Upptäck våra biologiska membranreaktorer).

• Tvätt och rengöring av tankar och rörledningar.
• Tvätt av fat och utrustning.
• Flasktvätt.
• Pressnings- och jäsningsprocesser.
• Utsläpp av avfall i form av produkter eller slam.
• Golvstädning och skurning.
• Förluster av vin, must och biprodukter.
• Förorenat kylvatten.

De flesta föroreningarna i avloppsvattnet från vinkällare är av organisk natur, men man kan även hitta:

• Mineralrester
• Mark
• Fetter
• Rengörings- och desinfektionsmedel
• Exogena giftiga ämnen som finns i druvorna,
• osv.

Förutom föroreningar som härrör från rengöringsåtgärder kännetecknas dessa avloppsvatten av en hög föroreningsbelastning som härrör från mustens eller vinets torrsubstans eller från mikroorganismer. Det handlar främst om färgämnen, tanniner, proteiner, organiska syror, kolhydrater och mikroorganismer (jäst, mjölksyra- och ättiksyrabakterier, svampar etc.). De mineraliska resterna består vanligtvis av kaliumtartrat som fälls ut under vinframställningsprocessen.

De grundläggande egenskaperna hos dessa utsläpp kan sammanfattas enligt följande:

• Hög halt av BOD₅ och biologiskt nedbrytbar COD.
• Surt pH-värde i avloppsvattnet från vinkällaren och basiskt pH-värde i avloppsvattnet från tappningsanläggningen.
• Höga halter av totala suspenderade fasta ämnen (TS), varav många förekommer i kolloidal form.
• Låg toxicitet.
• Fetter, oljor och jord från skörden, som spolas med i de processer och maskiner som används vid skörden.
• Rengöringsmedel såsom: oorganiska syror, organiska syror,  anjoniska, katjoniska och amfotera tensider, komplexbildare och desinfektionsmedel såsom klor och dess föreningar, kvartära ammoniumföreningar, oxidationsmedel såsom ozon, väteperoxid etc.
• Det förekommer även rester av växtskyddsmedel i druvorna. Dessa giftiga ämnen överförs till musten och vinet, men de flesta av dem avlägsnas under de olika processerna, såsom pressning, omhällning och stabilisering av vinet.

2.2. Biologiska behandlingar

Biologiska reningsmetoder utnyttjar mikroorganismernas metaboliska aktivitet för att bryta ned det organiska materialet i avloppsvattnet. Man använder biologiska reningsmetoder med luftning, där mikroorganismerna befinner sig i en syrehaltig miljö, vilket gör att de kan bryta ned det organiska materialet. Dessutom uppnås rening av avloppsvattnet genom att en stor del av färgen och det organiska materialet avlägsnas tack vare verkan av specialiserade mikrobiella enzymer som bryter ned färgmolekylerna.

Innan den biologiska behandlingen av tryckerivattnet påbörjas måste en förbehandling genomföras, vilken utformas utifrån avloppsvattnets ursprung och sammansättning och bygger på en eller flera av de fysikalisk-kemiska processer som beskrivits ovan. Förbehandlingen gör det möjligt att först bryta ned de mest komplexa molekylerna, vilket ökar den biologiska nedbrytbarheten och därmed det biologiska systemets effektivitet.

MBR-system är den mest lämpliga lösningen för rening av organiska eller oorganiska föroreningar i industriellt avloppsvatten i allmänhet. MBR-system fungerar mycket effektivt och uppnår jämna reningsresultat. MBR är en mer kostnadseffektiv reningsmetod om man beaktar kraven på reningsresultat och nödvändigt volym. Dessutom är de enkla att driva och kräver inte särskilt avancerad styrning.

Konventionella system med aktivt slam, sekventiella diskontinuerliga system och perkolationsfilter är konstruerade för att fungera med en lägre volymmässig reningsgrad, vilket kräver större tankar och mer utrymme. Dessa konventionella system drabbas ofta av störningar när de behandlar komplexa avloppsvatten, såsom avloppsvatten från tryckerier, vilket kan hämma mikroorganismernas aktivitet, och är därför inte ett lämpligt alternativ för sådana avloppsvatten.

2.3. Avskiljning av ammoniakkväve

Ammoniakalt kväve härrör från tillsatser av ammoniumhydroxid (NH₄OH) som används i vissa tryckpressar. För effektiv avskiljning måste en förbehandling med försurning med svavelsyra genomföras, följt av utfällning med magnesiumoxid MgO och fosforsyra H3PO4. Därefter måste pH-värdet justeras före den biologiska behandlingen genom tillsats av kalciumhydroxid Ca(OH)2.