Zrównoważony rozwój
Referat zaliczeniowy
Oczyszczanie wody za pomocą biosorbentów
(oceniony na 4)
Jednym z najważniejszych wyznań współczesnego świata jest zrównoważony rozwój społeczno-gospodarczy. Pojęcie to zostało zdefiniowane w sposób przejrzysty i obecnie powszechnie stosowany przez Światową Komisję G. Brutland do spraw Środowiska i Rozwoju powstałą w 1983 roku. Zrównoważony rozwój został w niej określony jako taki, w którym potrzeby obecnego pokolenia mogą zostać zaspokajane bez pozbawiania możliwości zaspokojenia potrzeb przyszłych pokoleń (prościej: nie odziedziczyliśmy Ziemi po naszych rodzicach, ale wypożyczyliśmy ją od naszych dzieci) [1]. Zrównoważony rozwój można nazwać sposobem do poprawy jakości życia nie niszcząc przyrody i nie wyczerpując zasobów naturalnych. Celem zrównoważonego rozwoju jest zachowanie równości społecznej, bogactwa zasobów naturalnych i bioróżnorodności. Jeśli obecne społeczeństwo nie będzie racjonalnie gospodarować zasobami naturalnymi, to przyszłe zostanie skazane na zahamowanie rozwoju, ubóstwo i zniszczone odpadami środowisko naturalne. Polityka zrównoważonego rozwoju to odmiana sposobu myślenia ludzi, zachęcanie ich do niewielkiej konsumpcji, troski o przyrodę oraz dzielenie się nadwyżkami. Zrównoważony rozwój jest jednym z priorytetów polityki Unii Europejskiej. W 2001 roku powstała Strategia Zrównoważonego Rozwoju, a w czerwcu 2006 roku została odnowiona. Do głównych celów Strategii Zrównoważonego Rozwoju Unii Europejskiej zaliczono [2]:
ochronę środowiska naturalnego
sprawiedliwość i spójność społeczną
dobrobyt gospodarczy
realizację zobowiązań UE w skali międzynarodowej
Poprzez działanie w ramach zrównoważonego rozwoju ludzkość stara się złamać zależność pomiędzy rozwojem gospodarczym i generowaniem odpadów. Oprócz stałych śmieci zapełniających wysypiska poważny problem stanowią zanieczyszczenia, które rozpuszczają się w wodach powierzchniowych.
Woda jest niezbędna do zachowania podstawowych funkcji życiowych. Wykorzystuje się ją w rolnictwie, przemyśle (jako reagent, rozpuszczalnik oraz do czyszczenia i jako przekaźnik ciepła). Stanowi najważniejszy naturalny surowiec W przeciwieństwie do surowców przeznaczonych do produkcji energii, nie ma substytutu. Ziemia składa się w 75 % z wody, ale aż 97,4 % zasobów tej cieczy nie nadaje się do żadnych z powyższych zastosowań ze względu na zbyt wysokie stężenie soli. Woda o niższym stężeniu soli zmagazynowana jest głównie w lodowcach i pokrywach lodowych. Zaledwie 0,14 % całkowitych zasobów stanowi woda powierzchniowa dostępna dla człowieka: w rzekach, jeziorach oraz zawarta w atmosferze i w glebie [3]. Tylko ta część zasobów tego płynu może być wykorzystywany przez człowieka. Ponadto część świeżej cyrkulującej w przyrodzie wody nie jest dostępna technicznie , gdyż wsiąka w ziemię. Ogół zasobów tej krążącej w przyrodzie cieczy ocenia się na wystarczający, jednak występują ogromne różnice regionalne. Szacuje się, że ponad miliard ludzi ma utrudniony dostęp do wody pitnej, co powoduje liczne choroby i śmierć. W Polsce dyspozycyjne zasoby wody (zależne od ilości opadów) szacuje się na trzykrotnie mniejsze niż średnia europejska i aż pięciokrotnie mniej niż średnia światowa: 1600 m3/(M*a) (M - mieszkaniec, a – rok) [3]. W naszym rejonie oszczędna gospodarka wodna ma szczególne znaczenie. Za niedobór wody odpowiadają jeszcze susze i rozwój miast. Nie dość, że grozi nam problem z zasobami wodnymi, to dostępna ciecz często wykazuje się wysokim stopniem zanieczyszczenia z przyczyn naturalnych oraz przez działalność człowieka. Głównymi naturalnymi źródłami zanieczyszczeń w wodzie są obumarłe resztki roślin i zwierząt wodnych, spłukiwane cząstki mineralne i organiczne, zanieczyszczenia spowodowane podsiąkaniem z głębokich warstw słonych wód podziemnych oraz wtargnięcia słonych wód morskich do zbiorników wód słodkich (np. przybrzeżnych wód poziemnych, ujść rzek). Jednak część tych przyczyn jest tylko pozornie naturalna. Poprzez ogołocenie powierzchni ziemi z szaty roślinnej przez człowieka (np. wycinkę lasu pod pola uprawne) następuje często spłukiwanie cząstek do wód podziemnych – działalność człowieka jest pośrednią przyczyną zanieczyszczeń. Mimo to woda posiada zdolność samooczyszczania z powyższych zanieczyszczeń. Dopiero głęboka działalność człowieka i wprowadzanie znaczącej ilości zanieczyszczeń sprawia, że środowisko naturalne nie potrafi temu sprostać . Ścieki przemysłowe nie nadają się do ponownego wykorzystania czy do spożywania. W Polsce norma dotycząca jakości wody pitnej ustalana jest w formie rozporządzenia przez Ministra Zdrowia. Aktualnie obowiązuje rozporządzenie z dnia 29 marca 2007. Określa wymagania dotyczące jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, np. dopuszczalna zawartość substancji chemicznych, twardość czy brak chorobotwórczych mikroorganizmów i pasożytów. Ochrona środowiska staje się realną koniecznością. W związku z nadmiernym zużyciem wody w stosunku do wielkości jej zasobów, koszty dostarczania wody i oczyszczania ścieków będą rosły. Dlatego szczególnie ważne jest znalezienie tańszych sposobów na usuwanie zanieczyszczeń.
Biosorbenty cieszą się coraz większym zainteresowaniem ze względu na niską cenę i szeroką dostępność. Terminem biosorbent można określić biomasę żywą lub martwą sorbującą zanieczyszczenia z roztworów wodnych. Według definicji zawartej w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 „za biomasę można uznać stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także przemysłu przetwarzającego ich produkty, a także części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji” [4]. Rolę biosorbentów naturalnych mogę pełnić różnorodne materiały organiczne. Głównie wykorzystuje się odpady pochodzące z przemysłu rolniczego (słoma), drzewnego (trociny) czy spożywczego (skórki pomarańczowe). Ponadto zaletą biosorbentów jest ich łatwa dostępność, niski koszt i wysoką zdolność do adaptacji do celów przemysłowych o małej skali. Koszty biosorpcji zależą również od specyficznego przygotowania jakiego wymaga biomasa przed jej użyciem w procesie biosorpcji. Często materiał wcześniej należy zmielić, wysuszyć czy oczyścić, poddać obróbce ciśnieniowej czy chemicznej (np. działanie HCl czy NaOH). Przetwórstwo fizyczne i chemiczne zwiększają zdolności sorpcyjne biomasy. Za pomocą gotowania i obróbki ciśnieniowej pozbawia się sorbent składników mineralnych. Pozwala to na odsłonięcie wcześniej zakrytych centrów aktywnych. Podobnie można zwiększać skuteczność biosorbentu rozkładając materię organiczną poprzez ogrzewanie. Obróbka chemiczna wykazuje się większą skutecznością w porównaniu z fizyczną. Za pomocą kwasów można zwiększyć powierzchnię aktywną i porowatość sorbentu. Zasady niszczą lipidy i białka maskujące miejsca aktywne [5]. Ponadto biomasa może nie tylko być samodzielnym biosorbentem, ale może również stanowić materiał wyjściowy do produkcji węgli aktywnych. Te adsorbenty o wysokiej wydajności można uzyskać poprzez aktywację chemiczną lub fizyczną takich odpadów jak np. miąższ jabłek czy pestki śliwek.
Biosorpcją nazywa się proces fizykochemicznej sorpcji substancji chemicznych na powierzchni biologicznej. Zachodzi na martwym materiały w sposób jednoetapowy: poprzez szybkie i nieodwracalne wiązanie zanieczyszczeń z roztworów wodnych przez biomasę. Jest to proces nieaktywny biologicznie, nie ogranicza go metabolizm komórki. Nie następują niepożądane reakcje (np. strącanie, kompleksowanie, chelatowanie) metabolitów ze składnikami pożywki. Nie występuje konieczność utrzymania sterylnych warunków oraz zaspokojenia wymagań pokarmowych mikroorganizmów jak w przypadku bioakumulacji. Ponadto można prowadzić procesu biosorpcji przy dużo wyższych stężeniach zanieczyszczeń (nie istnieje ryzyko zatrucia mikroorganizmu toksycznymi związkami). Dodatkowymi zaletami procesu biosorpcji są: niskie koszty, możliwość zagospodarowania zbędnych odpadów, których składowanie stanowi problem oraz możliwość biodegradacji wykorzystywanej biomasy [5], możliwość minimalizacji osadów biologicznych lub chemicznych, brak dodatkowych wymogów dotyczących składników odżywczych, możliwość regeneracji biosorbentu i odzysku cennych mikroelementów powiększają przewagę biosorpcji nad konwencjonalnymi metodami oczyszczania ścieków (cykl regeneracyjny można przeprowadzić nawet do 33 razy w zależności od rodzaju biomasy). Głównym minusem procesu jest niska pojemność sorpcyjna biosorbentów. W przypadku błękitu metylenowego najwyższa pojemność sorpcyjna znaleziona w literaturze wynosiła 294,12 mg/g dla węgla aktywnego z trocin rattanu, a najniższa tylko 1,33 dla węgla aktywnego z łupin migdałów [6]. W moich badaniach zastosowałam fusy z zielonej herbatę. Jej pojemność sorpcyjna dla błękity metylenowego wynosiła maksymalnie 43,67 mg/g w sprzyjających warunkach (pH=8). Wynik satysfakcjonuje, jeśli weźmie się pod uwagę, że materiał został poddany tylko wstępnej obróbce.
Podsumowując, mimo że Ziemia składa się w 75 % z wody, to jej zapasy dostępne dla człowieka wciąż kurczą się przy jednoczesnym wzroście zapotrzebowania. Rozwijający się przemysł pochłania coraz więcej tego surowca, produkując coraz większą ilość ścieków. Zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju należy minimalizować zużycie wody i maksymalizować jej recykling. Biosorbenty pozwolą na odzysk wody ze ścieków i jednocześnie same nie przyczynią się do zatruwania środowiska, gdyż mają naturalne pochodzenie. Nie wymagają specjalistycznej obróbki tak jak syntetyczne adsorbenty. Ponadto, często biosorbentami są materiały odpadowe. Zastosowanie biomasy do adsorpcji niesie dużą nadzieję na oczyszczanie wody zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju.
Literatura:
[1] Gerwin M., Plan zrównoważonego rozwoju dla Polski. Lokalne inicjatywy rozwojowe, Earth Conservation, Sopot 2008 http://www.sopockainicjatywa.org/earth/pdf/LIR-new.pdf
[2] Wskaźniki zrównoważonego rozwoju dla Polski, Główny Urząd Statystyczny, Urząd Statystyczny w Katowicach, Katowice 2011
[3] Obarska-Pempkowiak H., Gajewska M., Wojciechowska E., Hydrofitowe oczyszczanie wody i ścieków, PWN, Warszawa 2010
[4] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii (Dz.U. Nr 156, poz. 969)
[5] Gala A., Sanak-Rydlewska S., Sorpcja jonów metali toksycznych z roztworów wodnych
na odpadach naturalnych ⎯ przegląd literaturowy, Górnictwo i Geoinżynieria , Zeszyt 4/1, 2010
[6] B.H. Hameed, , A.L. Ahmad, K.N.A. Latiff, Adsorption of basic dye (methylene blue) onto activated carbon prepared from rattan sawdust, Dyes and Pigments, Volume 75, Issue 1, 2007, Pages 143–149