Związki organiczne to obszerna klasa substancji chemicznych składających się z węgla (C) i zazwyczaj wodoru (H), często w połączeniu z tlenem (O), azotem (N), siarką (S), fosforem (P) lub halogenami. Odgrywają one kluczową rolę w przemysłowym oczyszczaniu wody i ścieków, ponieważ występują w postaci zanieczyszczeń, składników odżywczych, źródeł energii, a nawet materiałów eksploatacyjnych. Zrozumienie ich właściwości chemicznych, ich zachowania w wodzie i ich interakcji z procesami oczyszczania ma kluczowe znaczenie dla opracowania wydajnych systemów oczyszczania wody i ścieków.

Właściwości i klasyfikacja związków organicznych

Związki organiczne można podzielić na kategorie według ich struktury chemicznej, pochodzenia lub funkcji:

1. węglowodory

• Składają się wyłącznie z atomów węgla i wodoru.
• Podział na:
  • Węglowodory alifatyczne (np. metan, heksan): Pojedyncze lub rozgałęzione łańcuchy.
  • Węglowodory aromatyczne (np. benzen, toluen): Struktury pierścieniowe z rozproszonymi elektronami.
• Znaczenie: Wspólne składniki ścieków przemysłowych z przemysłu petrochemicznego.

2. chlorowcowane związki organiczne

• Węglowodory zawierające halogeny (Cl, Br, F).
• Przykłady: Trichloroetylen, dichlorometan.
• Znaczenie: Wysoce trwały i toksyczny, słabo biodegradowalny.

3. kwasy organiczne

• Grupy karboksylowe (-COOH) nadają tym związkom właściwości kwasowe.
• Przykłady: Kwas octowy, kwas cytrynowy.
• Znaczenie: Wpływ na wartość pH i procesy strącania w systemach uzdatniania wody.

4. organiczne związki azotu

• Zawierają grupy aminowe (-NH₂) lub inne związki azotu.
• Przykłady: Aminy, mocznik.
• Znaczenie: Może zwiększać dopływ azotu do zbiorników wodnych i przyczyniać się do eutrofizacji.

5. organiczne związki fosforu

• Zawierają fosfor w wiązaniach organicznych.
• Przykłady: Pestycydy, fosfolipidy.
• Znaczenie: Przyczyniają się do zanieczyszczenia substancjami odżywczymi.

6. biopolimery i substancje naturalne

• Węglowodany, tłuszcze, białka, lignina i substancje humusowe.
• Znaczenie: Często spotykany w ściekach komunalnych i rolniczych.

7. syntetyczne związki organiczne

• Tworzywa sztuczne, środki powierzchniowo czynne, pozostałości farmaceutyczne, plastyfikatory (np. BPA, PAH).
• Znaczenie: Coraz większy problem w uzdatnianiu wody ze względu na ich trwałość i toksyczne działanie.

Źródła związków organicznych w wodzie i ściekach

1. Procesy przemysłowe

   • Przemysł petrochemiczny: węglowodory, aromaty, rozpuszczalniki.
   • Przemysł chemiczny: związki chlorowcowane, środki powierzchniowo czynne, tworzywa sztuczne.
   • Przemysł spożywczy: kwasy organiczne, tłuszcze, białka.

2. Ścieki z gospodarstw domowych

   • Środki czyszczące, produkty higieny osobistej, pozostałości farmaceutyczne.
   • Związki organiczne, takie jak środki powierzchniowo czynne i substancje zapachowe, dostają się do oczyszczalni ścieków za pośrednictwem ścieków.

3. Rolnictwo

   • Wkład pestycydów, herbicydów i odchodów zwierzęcych.
   • Produkty degradacji substancji organicznych gromadzą się w wodach powierzchniowych i gruntowych.

4. Źródła naturalne

   • Rozkład materii organicznej, takiej jak pozostałości roślinne i substancje humusowe.
   • Rozpuszczony węgiel organiczny (DOC) z naturalnych procesów rozkładu.

Znaczenie związków organicznych w oczyszczaniu wody i ścieków

1. zanieczyszczenia i zanieczyszczenie środowiska

Wiele związków organicznych jest toksycznych, rakotwórczych lub mutagennych i trudno ulega biodegradacji. Należą do nich

• Związki chlorowcowane, takie jak trichloroetylen i PCB, które są trwałe i wykazują zdolność do bioakumulacji.

  • Niebezpieczeństwo: Toksyczność dla organizmów wodnych, potencjalne działanie rakotwórcze.
  • Grenzwert: AOX im Trinkwasser < 0,1 mg/L (Deutschland).

• WWA (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne), np. benzo[a]piren, które pochodzą z procesów spalania.

  • Niebezpieczeństwo: rakotwórczość i szkody w ekosystemach.
  • Grenzwert: PAK (Benzo[a]pyren) im Trinkwasser < 0,01 µg/L (EU).

• Pozostałości leków, np. diklofenaku i antybiotyków, które są biologicznie aktywne i trudne do rozkładu.

  • Niebezpieczeństwo: Rozwój odporności u mikroorganizmów, zakłócenie systemów hormonalnych.
  • Richtwert: Empfohlen < 100 ng/L (keine gesetzlichen Grenzwerte).

Wpływ na ekosystemy:

• Nawet niskie stężenia mogą mieć toksyczny wpływ na ryby i płazy, upośledzając reprodukcję i wzrost.
• Substancje trwałe gromadzą się w osadach i pozostają aktywne przez dziesięciolecia.

Wyzwania i wymagania:

• Konwencjonalne oczyszczalnie ścieków nie są w stanie całkowicie usunąć wielu z tych związków. Trwałe substancje wymagają specjalistycznych procesów, takich jak adsorpcja lub utlenianie.
• Grenzwertbeispiele: EU-Wasserrahmenrichtlinie: Benzo[a]pyren in Oberflächengewässern < 0,03 µg/L.

2. składniki odżywcze i eutrofizacja

Związki organiczne zawierające azot i fosfor są ważnymi składnikami odżywczymi. Jednak w wysokich stężeniach sprzyjają eutrofizacji, która znacząco zaburza równowagę zbiorników wodnych.

• Związki azotu (np. amon, mocznik):

  • Właściwości: Szybko biodostępny, wspomaga wzrost glonów.
  • Konsekwencje: Zakwity glonów (fitoplanktonu) prowadzą do niedoboru tlenu (niedotlenienia) i szkodzą organizmom wodnym.
  • Grenzwert: Ammonium im Trinkwasser < 0,5 mg/L (Deutschland).

• Związki fosforu (np. ortofosforany, fosfolipidy):

  • Właściwości: Nawet niewielkie ilości mogą wywoływać efekty eutrofizujące.
  • Konsekwencje: Powstawanie toksycznych sinic i pogorszenie jakości wody.
  • Grenzwerte: Gesamtphosphor in Kläranlagen < 1 mg/L (EU), Phosphat im Trinkwasser < 6,7 mg/L (Deutschland).

Wpływ na oczyszczanie ścieków:

• Wysokie stężenia organicznych składników odżywczych, np. pochodzących z rolnictwa lub przemysłu, obciążają procesy oczyszczania biologicznego.
• Nadmiar składników odżywczych jest usuwany przez nitryfikację/denitryfikację (azot) lub chemiczne wytrącanie (fosfor).

Proces usuwania związków organicznych 

Usuwanie związków organicznych z wody i ścieków jest kluczowym aspektem przemysłowego oczyszczania wody. Ze względu na różne właściwości związków organicznych - od łatwo degradowalnych do wysoce trwałych - stosowane są różne procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne. Są one często łączone w celu zapewnienia maksymalnej wydajności.

1. procesy biologiczne

Zasada: Procesy biologiczne wykorzystują mikroorganizmy do rozkładania lub przekształcania związków organicznych. Mikroorganizmy utleniają substancje organiczne do CO₂ i wody lub redukują je do metanu i innych produktów pośrednich.

Przykłady procesów biologicznych:

• Aerobowe oczyszczanie ścieków:

  • Mikroorganizmy utleniają substancje organiczne w warunkach tlenowych.
  • Zastosowanie: Oczyszczalnie ścieków komunalnych i przemysłowych.
  • Proces: Tlen jest wprowadzany do zbiornika napowietrzającego przez aeratory w celu promowania aktywności bakterii.
  • Typowe produkty degradacji: CO₂ i biomasa (osady ściekowe).

• Beztlenowe oczyszczanie ścieków:

  • W reaktorach beztlenowych mikroorganizmy przekształcają związki organiczne w biogaz (metan i CO₂).
  • Zastosowanie: Nadaje się do silnie zanieczyszczonych ścieków (np. z przemysłu spożywczego).
  • Proces: Substraty organiczne są rozkładane etapami przez mikroorganizmy hydrolityczne, kwasotwórcze, acetogenne i metanogenne.

Zalety procesów biologicznych:

• Opłacalność, ponieważ nie są wymagane żadne drogie środki chemiczne.
• Zrównoważony, zwłaszcza dzięki produkcji biogazu.

Wady procesów biologicznych:

• Nie nadaje się do słabo degradowalnych (ogniotrwałych) związków organicznych, takich jak WWA lub chlorowcowane węglowodory.
• Wrażliwość na wahania temperatury i substancje toksyczne.