Studium wykonalności zwiększenia biodegradowalności świeżego i starego odcieku składowiskowego przy użyciu połączonego strącania chemicznego i procesów Fentona

Dlaczego woda pod składowiskami ma znaczenie

Każde składowisko przecieka. Gdy deszcz przesiąka przez stosy odpadów, zabiera ze sobą koktajl rozpuszczonych chemikaliów, metali i związków azotowych, tworząc ciemny płyn zwany odciekiem. Jeśli ten odciek nie jest odpowiednio oczyszczony, może przenikać do rzek i wód gruntowych, zagrażając wodzie pitnej i ekosystemom. Badanie stojące za tym artykułem stawia praktyczne pytanie: czy możemy przemienić ten oporny, silnie zanieczyszczony płyn w coś, co mikroorganizmy naturalnie występujące w środowisku będą mogły łatwiej dokończyć oczyszczać?

Ukryty płyn pod naszym śmieciem

Odciek to nie tylko brudna woda. Może zawierać metale ciężkie, takie jak ołów i arsen, wysokie stężenia amoniaku oraz trwałe substancje organiczne, które nie rozpadają się łatwo. Jego skład zmienia się wraz ze starzeniem składowiska. W „świeżych” częściach, mających mniej więcej do pięciu lat, odciek jest bogaty w łatwo przyswajalne substancje organiczne, więc obróbka biologiczna działa stosunkowo dobrze. W „starych” częściach, powyżej dziesięciu lat, łatwo rozkładalna „karma” jest już wyczerpana, a to, co pozostaje, to mieszanina trudnych, złożonych cząsteczek, takich jak kwasy huminowe i fulwowe, wraz ze wzrostem stężenia amoniaku. Te starsze odcieki są trudniejsze i droższe w leczeniu i mogą przeciążyć konwencjonalne systemy biologiczne.

Trzystopniowy tor oczyszczania

Naukowcy skupili się na kompleksie składowisk Aradkooh w pobliżu Teheranu, który ma zarówno strefy z młodymi, jak i starymi odpadami, co pozwoliło na bezpośrednie porównanie świeżego i starego odcieku w tych samych warunkach klimatycznych i geologicznych. Testowali ciąg zabiegów składający się z trzech głównych kroków. Najpierw dodali wapno, prosty i tani proszek, aby podnieść pH i spowodować, że rozpuszczone metale przejdą w postać stałą, którą można osadzić. Po drugie, usunęli amoniak, uczyniając wodę silnie zasadową i przepuszczając przez nią powietrze, co wypędza amoniak z fazy ciekłej do gazowej, gdzie można go wychwycić. Po trzecie, zastosowali chemiczną metodę zwaną procesem Fentona, w której nadtlenek wodoru i żelazo reagują, generując wysoce reaktywne rodniki hydroksylowe, które atakują i rozbijają oporne cząsteczki organiczne.

Ułatwienie życia mikroorganizmom

Zespół ocenił skuteczność, obserwując, jak zmienia się stosunek „pożywienia” do całkowitego ładunku organicznego, korzystając z powszechnego wskaźnika porównującego, ile tlenu mikroorganizmy potrzebowałyby, by rozłożyć materiał, do tego, ile go faktycznie jest. Wyższe wartości oznaczają, że woda jest bardziej biodegradowalna. Samo zastosowanie wapna usunęło dużą część metali ciężkich i zmniejszyło amoniak o około 93 procent po etapie strippingu, a także nieznacznie poprawiło ten wskaźnik biodegradowalności zarówno w świeżym, jak i starym odcieku. Prawdziwa przemiana nastąpiła po etapie Fentona. Poprzez staranne dostrojenie ilości nadtlenku wodoru i żelaza oraz czasu trwania reakcji, badacze byli w stanie ponad dwukrotnie zwiększyć ten wskaźnik. W świeżym odcieku wzrósł on z około 0,29 do 0,67, a w starym z około 0,23 do 0,73, przesuwając oba w przedział, w którym obróbka biologiczna staje się znacznie skuteczniejsza.

Dostrajanie potężnego narzędzia chemicznego

Proces Fentona może zarówno pomagać, jak i przeszkadzać w oczyszczaniu w zależności od sposobu jego prowadzenia, dlatego badacze zastosowali statystyczne narzędzia projektowania, aby odwzorować, jak trzy czynniki współdziałają: stosunek nadtlenku wodoru do żelaza, całkowita dawka nadtlenku oraz czas reakcji. Stwierdzili, że zbyt mało nadtlenku lub żelaza wytwarza zbyt niewiele reaktywnych rodników, podczas gdy zbyt dużo powoduje marnotrawne reakcje uboczne, które faktycznie zużywają te rodniki. Optimum różniło się nieznacznie między świeżym a starym odciekiem, ale w obu przypadkach umiarkowany stosunek nadtlenku do żelaza, warunki zbliżone do kwaśnych oraz czasy reakcji rzędu godziny do nieco ponad godziny dały najlepszą równowagę między usuwaniem zanieczyszczeń a poprawą biodegradowalności.

Od stołu laboratoryjnego do rzeczywistych składowisk

Ostatecznie połączone zastosowanie wapna i procesu Fentona usunęło ponad 80 procent całkowitego ładunku organicznego zarówno ze świeżego, jak i ze starego odcieku, znacznie zmniejszyło stężenia toksycznych metali i amoniaku oraz przekształciło bardzo oporne ścieki w takie, które systemy biologiczne mogą znacznie łatwiej przetwarzać. Dla laika kluczowe przesłanie jest takie, że stosunkowo prosty ciąg zabiegów chemicznych może uczynić niebezpieczny płyn wydostający się ze składowisk znacznie bezpieczniejszym i łatwiejszym do oczyszczenia. Zanim takie metody zostaną szeroko wprowadzone, autorzy zauważają, że inżynierowie będą musieli przetestować je w systemach pilotażowych, zarządzać dodatkowymi osadami i zużyciem chemikaliów oraz optymalizować koszty. Jednak praca ta wskazuje obiecującą drogę do czystszej wody i bezpieczniejszych składowisk, nawet dziesięciolecia po zakopaniu śmieci.

Cytowanie: Rasolevandi, T., Naddafi, K., Hassanvand, M.S. et al. Feasibility study on enhancing the biodegradability of fresh and old landfill leachate using combined chemical precipitation and Fenton processes. Sci Rep 16, 14154 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42622-9

Słowa kluczowe: odciek ze składowiska, oczyszczanie ścieków, zaawansowana utlenianie, zanieczyszczenie środowiska, jakość wody