Η εκτεταμένη χρήση τεταρτογενών ενώσεων αμμωνίου (QACs) και άλλων επιφανειοδραστικών ουσιών προκαλεί λειτουργικά προβλήματα στις εγκαταστάσεις ανάκτησης και αξιοποίησης νερού (WRRFs) προκαλώντας τη διέλευση λιπών, ελαίων (FOG), άλλων κολλοειδών υλικών και ολικού οργανικού άνθρακα (TOC) στις προηγμένες εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού (AWTFs). Τα προβλήματα περιλαμβάνουν την επιτάχυνση της ρύπανσης των μεμβρανών μικρο/υπερδιήθησης και αντίστροφης όσμωσης (RO), που απαιτούν περισσότερη ενέργεια για τις παλινδρομήσεις και χημικά για τις διαδικασίες καθαρισμού (CIP).
Δεδομένου ότι τα QACs και οι επιφανειοδραστικές ουσίες επικαλύπτουν την επιφάνεια του νερού, των φυσαλίδων, των κολλοειδών και της βιομάζας, διαταράσσουν την επεξεργασία των λυμάτων γαλακτωματοποιώντας τα λύματα, εμποδίζοντας τη μεταφορά οξυγόνου και αναστέλλοντας τη νιτροποίηση.
Οι ενώσεις αμμωνίου (QACs) χρησιμοποιούνται από τη βιομηχανία τροφίμων και ποτών, τα ξενοδοχεία, τα νοσοκομεία και το στρατό για τις απολυμαντικές τους ιδιότητες. Η αυξημένη χρήση τους λόγω των πρόσφατων πανδημιών έχει προκαλέσει τεράστια πίεση στις εγκαταστάσεις ανάκτησης και αξιοποίησης νερού όσο και στις προηγμένες εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού.
Τι είναι τα επιφανειοδραστικά;
Η Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος των ΗΠΑ ορίζει τα επιφανειοδραστικά ως “ουσίες που μειώνουν την επιφανειακή τάση ενός υγρού, την αλληλεπίδραση στην επιφάνεια μεταξύ δύο υγρών (που ονομάζεται διεπιφανειακή τάση ή εκείνη μεταξύ ενός υγρού και ενός στερεού). Οι επιφανειοδραστικές ουσίες μπορεί να δρουν ως απορρυπαντικά, σαπούνια, διαβρεκτικοί παράγοντες, απολιπαντικά, γαλακτωματοποιητές, παράγοντες αφρισμού και διασκορπιστές”. Αναφέρουν επίσης ότι “πολλές επιφανειοδραστικές ουσίες που χρησιμοποιούνται σε συμβατικά προϊόντα βιοδιασπώνται αργά ή βιοδιασπώνται σε πιο τοξικές, ανθεκτικές και βιοσυσσωρεύσιμες χημικές ουσίες, απειλώντας την υδρόβια ζωή”.
Είναι σημαντικό για τους τελικούς χρήστες και τις εγκαταστάσεις ανάκτησης και αξιοποίησης νερού να μειώσουν τις βλαβερές συνέπειες των επιφανειοδραστικών ουσιών για πιο βιώσιμα και φιλικά προς το περιβάλλον υγρά απόβλητα.
Πως οι Νανοφυσαλίδες μπορούν να απομακρύνουν και να αποικοδομήσουν τις επιφανειοδραστικές ουσίες.
Οι νανοφυσαλίδες, διαμέτρου ~100 νανομέτρων, αποικοδομούν τους ρύπους στα υγρά απόβλητα για να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητα της επεξεργασίας και να αυξήσουν την απόδοση της διεργασίας. Τα FOG και οι επιφανειοδραστικές ουσίες έλκονται και συσσωρεύονται στην υδρόφοβη επιφάνεια των νανοφυσαλίδων. Οι νανοφυσαλίδες παράγουν ρίζες υδροξυλίου και απελευθερώνουν ενέργεια κατά την κατάρρευση τους, η οποία διασπά τις αλυσίδες άνθρακα μετατρέποντας το αργά βιοαποικοδομήσιμο χημικό απαιτούμενο οξυγόνο (sbCOD) σε εύκολα βιοαποικοδομήσιμο COD (rbCOD).
- Εύκολα βιοδιασπώμενο (rbCOD, SS): Αποτελείται από μικρά μόρια που είναι άμεσα διαθέσιμα για βιοαποικοδόμηση από ετερότροφους μικροοργανισμούς (πτητικά λιπαρά οξέα, αλκοόλες, αμινοξέα, απλά σάκχαρα)
- Αργά βιοαποικοδομήσιμα (sbCOD, XS): Αποτελείται από μεγαλύτερα μόρια που απαιτούν εξωκυτταρική διάσπαση (υδρόλυση) πριν βιοαποικοδομηθούν από τους ετερότροφους μικροοργανισμούς (πρωτεΐνες, FOG, σύνθετοι υδατάνθρακες)
Οι Νανοφυσαλίδες απομακρύνουν τα επιφανειοδραστικά και βελτιώνουν την αποδοτικότητα των εγκαταστάσεων μειώνοντας το κόστος.
Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία των νανοφυσαλίδων κατά την προεπεξεργασία των λυμάτων η εγκατάσταση της GSD ‘’Goleta Sanitation District WRRF’’ στο Λος Άντζελες των Η.Π.Α:
- Αύξησε την απομάκρυνση των στερεών από την πρωτοβάθμια επεξεργασία κατά 10%.
- Αύξησε τη χωρητικότητα της δευτεροβάθμιας επεξεργασίας κατά 40%.
- Μείωσε την κατανάλωση ενέργειας από τον αερισμό κατά 43%.
- Μείωσε τη χρήση χλωρίου κατά 44%.
- Εξάλειψε τις οσμές και τον αφρό.
- Εξάλειψε την ανάγκη για βιοενίσχυση.
Αυτές οι βελτιώσεις οδηγούν σε συνολικά χαμηλότερο αποτύπωμα άνθρακα στις διεργασίες ανάκτησης και αξιοποίησης νερού για την απελευθέρωση πόρων για εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού, συμπεριλαμβανομένης της δυνατότητας χρήσης νερού μικροφίλτρου λόγω της μείωσης των TOC (ολικού οργανικού άνθρακα) που θα συνέβαλε στη βιολογική ρύπανση και στην αυξημένη κατανάλωση χημικών και τη χρήση ενέργειας κατά την επεξεργασία των λυματων.
Στην Καλιφόρνια βρίσκονται σε εξέλιξη δύο επιπλέον πιλοτικές εφαρμογές με στόχο την ποσοτικοποίηση των αποτελεσμάτων της χρήσης νανοφυσαλίδων για την απομάκρυνση του TOC (ολικού οργανικού άνθρακα) πριν από τη μικροδιήθηση.
Τα δεδομένα της GSD δείχνουν ότι με την απομάκρυνση των περιβαλλοντικών πιέσεων του sbCOD από τα επιφανειοδραστικά και τα FOG (Fats, Oils, and Grease )στα υγρά απόβλητα, η δευτεροβάθμια επεξεργασία διατηρεί μια βιομάζα που ανταποκρίνεται με αυξημένη ευελιξία στις αλλαγές στο θρεπτικό φορτίο και στους ελέγχους της διεργασίας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα σημαντική αύξηση της δυναμικότητας της δευτεροβάθμιας επεξεργασίας και σημαντική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας αερισμού, μειώνοντας το συνολικό αποτύπωμα άνθρακα του κύκλου του νερού.
Τα δεδομένα δείχνουν επίσης ότι με τη μετατροπή του sbCOD σε rbCOD, η βιολογική διεργασία μετατρέπει πιο αποτελεσματικά το BOD σε TSS για να βελτιώσει περαιτέρω την ποιότητα του νερού εκροής στις εγκατάστασης επεξεργασίας και μειώσει τη ζήτηση χλωρίου. Το τελικό αποτέλεσμα είναι μια υψηλότερη ποιότητα εκροής (χαμηλότερη TOC και θρεπτικά συστατικά) που μειώνει την κατανάλωση τις ενέργειας καθώς απαιτείτε λιγότερη χημική επεξεργασία.
