Kontekst badania
Postępujące zmniejszanie dostępnych zasobów wody pitnej, nasilane przez zmiany klimatyczne i wzrastające zapotrzebowanie, sprawia, że coraz większe znaczenie zyskuje ponowne wykorzystanie wody i skuteczniejsze oczyszczanie ścieków. Problemem stają się mikrozanieczyszczenia, czyli związki farmaceutyczne, środki ochrony roślin i substancje zaburzające gospodarkę hormonalną, które trafiają do środowiska wodnego nawet w niskich stężeniach, ale powodują istotne ryzyko toksykologiczne dla ekosystemów i zdrowia publicznego. Konwencjonalne procesy biologiczne stosowane w oczyszczalniach ścieków nie zapewniają ich pełnej eliminacji. Technologie hybrydowe, łączące procesy biologiczne z membranowymi, stanowią kierunek rozwoju, który ma potencjał zwiększenia skuteczności usuwania związków problematycznych.
Cele i hipotezy
Badanie miało na celu ocenę skuteczności układu MBBR połączonego z procesami membranowymi w oczyszczaniu rzeczywistych ścieków komunalnych i szpitalnych. Postawiono hipotezę, że zastosowanie membran w połączeniu z biofilmem pozwoli uzyskać wyższy poziom usuwania mikrozanieczyszczeń w porównaniu do procesów konwencjonalnych, a recyrkulacja koncentratu membranowego dodatkowo zwiększy biodegradację wybranych związków dzięki wydłużeniu czasu kontaktu z mikroorganizmami. Zakładano również, że taki układ przyczyni się do ograniczenia toksyczności ścieków w testach ekotoksykologicznych.
Metody badawcze
Badania przeprowadzono w skali laboratoryjnej, w systemie składającym się z reaktora anoksycznego, tlenowego MBBR z nośnikami biofilmu, jednostki ultrafiltracyjnej z membranami ceramicznymi oraz jednostki nanofiltracyjnej z membraną kapilarną. Przetestowano dwie kampanie: pierwszą z wykorzystaniem ścieków komunalnych, drugą na ściekach szpitalnych z ośrodka onkologicznego. Oceniano skuteczność usuwania podstawowych parametrów jakości wody (sCOD, TN, NH₄⁺, NO₃⁻, NO₂⁻), eliminację dziewiętnastu wybranych mikrozanieczyszczeń reprezentujących farmaceutyki i pestycydy, a także toksyczność ścieków z użyciem testu ostrej toksyczności na Daphnia magna. Do analiz wykorzystano m.in. chromatografię UHPLC-MS/MS, pomiary stężenia biomasy w formie osadu zawieszonego (MLSS) i biofilmu na nośnikach.
Wyniki badań i ich interpretacja
System hybrydowy charakteryzował się wysoką skutecznością usuwania związków organicznych – ponad 75% w MBBR oraz 94–98% w pełnym układzie po podłączeniu membrany NF. Efektywność usuwania azotu była zróżnicowana: amonowy azot usuwano skutecznie, natomiast całkowite usuwanie TN było ograniczone z powodu niewystarczającego stosunku C/N i warunków tlenowych w bioreaktorze. Analizy mikrozanieczyszczeń pokazały bardzo wysoką skuteczność eliminacji paracetamolu, ketoprofenu i części antybiotyków, a także istotne zatrzymanie karbamazepiny w membranie NF. Niektóre związki, takie jak metformina czy sulfametoksazol, były słabo eliminowane biologicznie. Recyrkulacja koncentratu z NF poprawiała biodegradację ketoprofenu oraz częściowo karbamazepiny, co potwierdziło hipotezę o korzystnym wpływie wydłużenia czasu kontaktu z mikroorganizmami. Dominującą formą biomasy był biofilm (ponad 90% ogółu), co wskazuje na kluczową rolę nośników w stabilności i efektywności procesu. Testy ekotoksykologiczne wykazały istotne obniżenie toksyczności ścieków w porównaniu z dopływem, co potwierdza znaczenie systemu dla poprawy bezpieczeństwa środowiskowego.
Ograniczenia zakresu badawczego
Zakres badania ogranicza się do skali laboratoryjnej, co sprawia, że trudno bezpośrednio przełożyć wyniki na pełnoskalowe oczyszczalnie. Analizy obejmowały wybrane mikrozanieczyszczenia, które reprezentują różne grupy chemiczne, jednak nie odzwierciedlają pełnej różnorodności związków obecnych w rzeczywistych ściekach. Zmienność jakości ścieków szpitalnych i komunalnych stanowi dodatkowy czynnik utrudniający jednoznaczną interpretację wyników. Wysokie koszty eksploatacyjne membran i ryzyko foulingu stanowią kolejne ograniczenia, które należy brać pod uwagę przy planowaniu wdrożeń w większej skali.
Wnioski
Zintegrowany system MBBR z membranami skutecznie usuwa zarówno makro-, jak i mikrozanieczyszczenia ze ścieków komunalnych i szpitalnych. Najwyższą skuteczność w usuwaniu mikrozanieczyszczeń zapewnia zastosowanie nanofiltracji. Recyrkulacja koncentratu NF zwiększa biodegradację wybranych farmaceutyków, poprawiając ogólną efektywność procesu. Główną barierą wdrożeniową są koszty eksploatacyjne i zjawisko foulingu membran.Konieczne są dalsze badania w skali technicznej oraz optymalizacja konfiguracji układu, aby ocenić potencjał pełnoskalowego zastosowania.
Artykuł opublikowano w Journal of Environmental Chemical Engineering