capitol_3_procese_unitare_2010.pdf

Universitatea Tehnică din Cluj- Napoca Facultatea StiinŃa şi Ingineria Materialelor Catedra Ingineria Mediului Tehnici şi Echipamente de Epurare a Apelor – suport curs

- 1 -

III. PROCESE UNITARE PENTRU EPURAREA APELOR UZATE Structura cursului:

A. Evacuarea apelor uzate 1. Caracterizarea apelor uzate 2. Evacuarea apelor uzate industriale în reŃeaua de canalizare orăşenească; 3. Sisteme de canalizare

B. Procese de bază în separarea poluanŃilor 1. Egalizarea apelor uzate, uniformizarea debitelor şi a compoziŃiei apelor industriale. 2. Procese fizice (separare gravitaŃională, flotaŃia, centrifugarea, filtrarea, separarea prin membrane) 3. Procese chimice (neutralizarea, oxidarea şi reducerea, precipitarea, coagularea şi flocularea, schimb

ionic) 4. Procese biologice (aerobe, anaerobe);

Aspecte generale Orice tehnologie de transformare este constituită dintr-o serie de operaŃii succesive, continue sau ciclice,

de natură mecanică, fizică, chimică sau mixtă. Oricât de complicată ar fi o tehnologie, ea constă dintr-un număr limitat de operaŃii simple, distincte care se realizează în instalaŃii şi aparate corespunzătoare, comune pentru diverse variante de tehnologii.

Pentru fiecare operaŃie sau proces unitar sunt importante următoarele aspecte: • studiul principiilor ştiinŃifice de bază • experimentarea la scară de laborator sau pilot urmată de prelucarea datelor experimentale pentru

stabilirea de relaŃii care să permită dimensionarea instalaŃiilor (stabilirea parametrilor optimi) • alegerea instalaŃiilor şi utilajelor adecvate pentru realizarea în condiŃii optime a transformărilor dorite.

Între procesele unitare prin care se realizează tratarea apei naturale pentru obŃinerea apei potabile şi cele

de epurare a apelor uzate nu există deosebiri esenŃiale, diferenŃa constând în natura apei brute supuse tratării şi în calitatea efluentului final care trebuie obŃinută. In ambele cazuri, substanŃele nedorite sunt îndepărtate din apă şi transformate în substanŃe acceptabile. Există totuşi unele procese unitare care din considerente economice sau tehnologice, îşi găsesc aplicare curentă numai în tratarea apei sau numai în epurarea apei.

În cele ce urmează se adoptă termenul de proces unitar pentru toate transformările care intervin într-o schemă tehnologică de tratare a apelor, indiferent dacă sunt de natură fizică, chimică sau biologică.

Produsul unei staŃii de tratare este o apă de calitate superioară care corespunde cerinŃelor unei folosinŃe, iar acela al unei staŃii de epurare un efluent acceptabil care nu înrăutăŃeşte calitatea resurselor naturale de apă.

Cele mai multe procese de tratare şi de epurare a apelor aduc schimbări ale concentraŃiilor unor substanŃe care sunt fie scoase, fie introduse în apă, intervenind astfel un transfer de fază între cele trei faze existente: gazoasă, lichidă, solidă.

În fig. 1 se prezintă schematic tipurile de dispersii de poluanŃi din apele uzate, dimensiunea particulelor componente, câteva caracteristici principale şi procesele unitare de epurare care pot fi aplicate pentru îndepărtarea poluanŃilor respectivi.


- 2 -

A. Evacuarea apelor uzate 1. Caracterizarea apelor uzate 2. Evacuarea apelor uzate industriale în reŃeaua de canalizare orăşenească; 3. Sisteme de canalizare

1. Caracterizarea apelor uzate

In vederea stabilirii tehnologiei şi proiectării instalaŃiei de epurare a apelor uzate este necesar să se cunoască caracteristicile acestor ape. În acest sens trebuie să se determine următoarele caracteristici:

Fig. 1


- 3 -

• Caracteristici fizice; • Caracteristici chimice; • Caracteristici bacteriologice; • Caracteristici biologice.

Caracteristici fizice ale apelor uzate şi de suprafaŃă sunt: turbiditatea, culoarea, mirosul şi temperatura, care influenŃează în mare măsură procesele de epurare, mai ales procesele biologice.

Turbiditatea. Turbiditatea apelor uzate şi a emisarilor indică numai în mod grosier conŃinutul de materii în suspensii al acesteia, deoarece nu există o proporŃionalitate nemijlocită între turbiditate şi conŃinutul de substanŃe în suspensie. Turbiditatea se exprimă în grade în scara silicei. Turbiditatea apelor uzate orăşeneşti neîncărcate puternic cu reziduuri industriale poate varia între 400 şi 500 grade în scara silicei. În general determinarea turbidităŃii este aplicată apelor potabile şi mai puŃin apelor uzate.

Culoarea. Culoarea apelor uzate proaspete este gri deschis, apele uzate în care fermentarea materiilor organice a început au culoarea gri închis. În cazul în care în apele uzate orăşeneşti au fost deversate ape industriale, atunci apa poate avea diferite culori, funcŃie de natura compuşilor deversaŃi. De exemplu, dacă apa are o culoare galbenă, înseamnă că au fost deversate ape ce conŃin clor, dacă apa are o culoare verzuie, atunci au fost deversate ape de la fabricile de conserve, etc.

Mirosul. Apele uzate proaspete au un miros specific aproape insesizabil. Dacă apa a intrat în descompunere atunci se va simŃi mirosul hidrogenului sulfurat H2S. Mirosul specific al apei ne poate da indicii asupra compuşilor organici din apă şi atunci putem deduce sursa de poluare. Culoarea şi mai ales mirosurile specifice unor substanŃe chimice ne poate indica prezenŃa acestor substanŃe, care de regulă provin din deversările agenŃilor economici.

Temperatura. Temperatura influenŃează modul de desfăşurare a multor reacŃii chimice, precum şi procesul de sedimentare. De regulă temperatura apelor uzate este mai ridicată cu cel puŃin 2 – 3 grade 0C decât temperatura apei la intrare la agenŃii economici sau la consumatorii casnici. Este indicat să se măsoare periodic temperatura apelor uzate, preferabil chiar permanent. Urmărind temperatura apei uzate din reŃea putem obŃine o serie de informaŃii utile. De exemplu: dacă se constată o creştere continuă a temperaturii a apei din reŃea faŃă de valorile anterioare ne duce la concluzia că avem o defecŃiune care conduce la pătrunderea apei fierbinŃi în reŃeaua de canalizare, producând astfel pierderi ale apei calde din reŃeaua de încălzire centrală sau din conductele de apă caldă menajeră. Dacă asistăm la o scădere accentuată a temperaturii apei uzate, atunci este posibil să avem o infiltrare de apă din pânzele freatice sau din apele de suprafaŃă.

Caracteristici chimice ale apelor uzate sunt elemente de bază în caracterizarea apelor uzate. CompoziŃia chimică a apelor uzate este influenŃată de consumul specific de apă pe cap de locuitor. Cu cât consumul de apă pe cap de locuitor este mai mare cu atât apa uzată este mai diluată, pentru că în general cantitatea de materii deversate în apele uzate este relativ constantă.

Important pentru proiectarea staŃiilor de epurare este valoarea şi starea materiilor conŃinute în ape, respectiv cantitatea materiilor organice solide aflate în suspensie şi separabile prin decantare, materiale organice solide şi dizolvate în apă, precum şi alte materiale specifice apelor uzate, cum ar fi: Azotul sub toate formele de combinaŃii chimice, cloruri, sulfuri, hidrogen sulfurat, etc. Aceste caracteristici trebuiesc determinate prin analize de detaliu. Trebuie menŃionat faptul că trebuie făcute analize şi privind apele industriale deversate în reŃeaua de canalizare a oraşului. Materii solide. Materiile solide totale se clasifică în două categorii:

• Materii solide în suspensie; • Materii solide dizolvate (mai mici decât un micron). La rândul lor materiile solide în suspensie se clasifică după dimensiune în separabile prin decantare, dacă


- 4 -

au dimensiunea peste 100 microni şi separabile prin tratamente speciale, dacă au dimensiunea cuprinsă între 1 şi 100 de microni. Materiile solide în suspensie şi separabile prin decantare vor constitui nămolurile obŃinute în staŃiile de epurare, respectiv bazinele de decantare în timp ce materiile organice dizolvate în apele uzate sunt tratate prin oxidare în instalaŃiile de epurare biologică.

Oxigenul dizolvat. Oxigenul este un element foarte important şi de aceea el trebuie permanent monitorizat. De regulă apele uzate conŃin foarte puŃin oxigen şi de multe ori nu conŃin deloc oxigen dizolvat, dar după epurarea biologică apa poate conŃine oxigen între 1–2 mg/l. Comparativ cu acest nivel al concentraŃiei de oxigen, o apă curată de suprafaŃă poate conŃine la saturaŃie oxigen dizolvat până la nivelul de 14 mg/l la o temperatură de 0 0C, şi 7,63 mg/l la 30 0C .

Solubilitatea oxigenului în apă este dependentă de temperatură, de presiunea atmosferică, de mărimea suprafeŃei de contact aer - apă şi de turbulenŃa ei, cantitatea de oxigen care lipseşte apei pentru a atinge valoarea de saturaŃie se numeşte deficit de oxigen.

Nivelul conŃinutului de oxigen din apă caracterizează cel mai bine starea de murdărie a unei ape uzate, precum şi stadiul de descompunere a substanŃelor organice din apă, în instalaŃiile de epurare biologică .

Consumul biochimic de oxigen (CBO) este un indicator ce se defineşte ca fiind cantitatea de oxigen

consumată pentru descompunerea biochimică în condiŃii aerobe a materiilor solide organice totale cu respectarea condiŃiilor din standarde. Rezultatele determinării este influenŃat de temperatura apei şi de durata determinării. Cea mai frecventă determinare este cea efectuată la 20 grade 0C pe durata 5 zile şi se notează CBO5 .

Un alt indicator de apreciere a stării apei este aşa numitul consum chimic sau consumul imediat de oxigen, care reprezintă cantitatea de oxigen care se consumă în combinaŃiile de reducere a substanŃelor organice fără intervenŃia microorganismelor. De regulă această determinare durează o oră.

Un consum mare de oxigen chimic se constată la apele uzate care au un conŃinut ridicat de hidrogen sulfurat, precum şi la nămolurile de pe fundul apelor stătătoare, puŃin agitate.

Consumul biochimic de oxigen apreciază indirect cantitatea de materii organice care se pot descompune şi direct consumul de oxigen cerut de microorganismele care produc descompunerea. In apele uzate orăşeneşti indicatorul consum biochimic de oxigen CBO5 variază între 100 şi 400 mg/dm3, în timp ce pentru apele uzate industriale indicatorul CBO5 nu depăşeşte valoarea de 50 mg/dm3, excepŃie făcând apele industriale uzate de la societăŃile comerciale cu profil alimentar, unde valorile pot depăşi chiar şi de 50 de ori valorile obişnuite.

Determinarea consumul biochimic de oxigen, respectiv pentru descompunerea biochimică, se realizează în două faze şi anume:

a) Faza preliminară (numită şi faza carbonului). În această fază oxigenul se consumă numai pentru oxidarea substanŃelor organice. Faza începe preliminară poate începe imediat şi pentru apele menajere are o durată de aproximativ de 20 de zile la o temperatură de 20 °C. În urma descompunerii materiilor organice, în această primă fază se formează dioxid de carbon CO2 care fie că se degajă în atmosferă, fie rămâne dizolvat în apă.

b) Faza secundară (numită şi faza azotului). În această fază oxigenul se consumă în mod deosebit pentru transformarea amoniacului în nitriŃi şi apoi nitraŃi, reacŃie care de regulă începe după circa 10 zile şi se desfăşoară pe o durată foarte mare (peste 100 zile).

Determinarea consumului, respectiv a vitezei consumului de oxigen, se poate face practic pe baza unor determinări zilnice sau în anumite perioade de timp a consumului biochimic de oxigen.

Consumul chimic de oxigen (CCO). Este o determinare relativ nouă introdusă cu scopul de a clarifica unele aspecte legate de consumul biochimic de oxigen. Consumul chimic de oxigen măsoară indirect conŃinutul de carbon din compuşii organici aflaŃi în apă prin stabilirea cantităŃii de oxigen consumat din bicromatul de potasiu în soluŃie acidă sau din permanganatul de potasiu. Această determinare însă nu oferă posibilitatea de a diferenŃia materia organică stabilă şi cea instabilă, în descompunere din apa uzată.

Determinarea este de mare importanŃă pentru apele industriale, care conŃin substanŃe toxice şi la care nu se poate determina consumul biochimic de oxigen, deoarece substanŃele toxice distrug organismele


- 5 -

microscopice din apă care susŃin activitatea biochimică. În general consumul chimic de oxigen este cuprins între 500 şi 1500 mg/l pentru apele uzate industriale. Azotul. Azotul se întâlneşte în apele uzate sub forma unor compuşi dintre care se remarcă amoniacul,

azotul legat în substanŃe organice, nitriŃi şi nitraŃi, într-o cantitate în jur de 25 – 85 mg/l. Azotul organic şi amoniacul liber sunt consideraŃi indicatori de bază al materiilor organice azotoase

prezente în apa uzată, iar amoniacul albuminoidal drept indicator al azotului din substanŃele organice ce se descompune.

Amoniacul liber este rezultatul descompunerii bacteriene a materiilor organice. Cantitatea de amoniac liber mai mare de 0,2 mg/l, găsite într-o apă oarecare indică cu siguranŃă existenŃa unei impurificări cu ape uzate a acesteia. În apele brute uzate se găsesc cantităŃi de 15 – 50 mg/l de amoniac liber.

Apele uzate proaspete au un conŃinut relativ mare de azot organic şi scăzut de amoniac proaspăt, în schimb apele uzate mai vechi au un conŃinut mare în amoniac liber şi scăzut în azot organic. ConcentraŃia totală a acestor două elemente constituie un indicator de bază al gradului de impurificare a apei şi reprezintă un element principal pentru alegerea tipului instalaŃiei de tratare a apelor uzate.

În cazul tratării biologice a apelor uzate este important să se cunoască conŃinutul de azot organic şi amoniac liber, pentru că azotul este un element de bază pentru procesul de epurare biologică. Dacă se constată că procentul de azot din apă este scăzut se poate adăuga azot suplimentar.

În general se recomandă să se asigure un anumit raport între cantitatea de materii organice şi conŃinutul de azot: CBO5/N = 100/5

NitriŃii (RNO2) şi nitraŃii (RNO3), în care R reprezintă: K, Na, etc., sunt conŃinuŃi în apa uzată proaspătă în

cantităŃi extremi de mici. NitriŃi sunt nestabili şi pot fie să fie reduşi la amoniac, fie pot fi oxidaŃi până la nitraŃi. Deci prezenŃa nitriŃilor indică o apă uzată proaspătă în curs de transformare. NitriŃii pot apărea şi în mod natural în apele de ploaie sau în cele provenite din topirea zăpezilor. CantităŃile maxime de nitriŃi din apele uzate nu depăşesc 0,1 mg / l .

NitraŃii reprezintă cea mai stabilă formă a materiilor organice azotoase şi în general indică o apă stabilă din punct de vedere al transformării. PrezenŃa nitraŃilor în râuri, între anumite limite este de dorit, deoarece reprezintă o sursă de oxigen, în sensul că aceştia stimulează creşterea algelor şi plantelor verzi ce conŃin clorofilă şi prin fotosinteză îmbogăŃesc apa în oxigen.

În cazul staŃiilor de epurare, respectiv în bazinele de nămol activ, prezenŃa nitraŃilor indică o cantitate mare de nămol şi un timp mare al procesului de tratament al apei.

Filtrele biologice ale unei staŃii de epurare care funcŃionează bine sunt caracterizate printr-un flux de curgere ce conŃine nitraŃi, iar nitriŃi în cantitate foarte mică sau de loc. În apele uzate brute, cantităŃile de nitraŃi variază între 0,1 – 0,4 mg / l .

Clorurile şi sulfurile. Clorurile sunt substanŃe organice provenite din urină. Sulfurile rezultă din

descompunerea materiilor organice, precum şi din deversările apelor industriale uzate. De şi un om elimină pe zi între 8 –15 g clorură de sodiu, aceasta nu constituie un bun indicator al impurificării apei, deoarece clorurile pot proveni din multe alte surse. Sulfurile dau naştere la mirosuri neplăcute. Trebuie să precizăm faptul că în general cantitatea de cloruri sau sulfuri din apa brută nu se schimbă după trecerea apei uzate prin staŃia de epurare. Acizi volatili. Gradul de fermentare anaerobă a materiilor organice poate fi stabilit indirect prin nivelul acizilor volatili (acid acetic, acid propionic, etc.). Din aceşti acizi, rezultaŃi prin combinarea apei cu materia organică solidă, iau naştere prin descompunerea bioxidul de carbon şi gazul metan. În cazul bunei funcŃionări a fermentaŃiei în staŃiile de epurare a apelor menajere uzate, acizi volatili în principal acid acetic trebuie să rămână în apropierea valorii de 500 mg / l.

Grăsimi şi uleiuri. Grăsimile, uleiurile vegetale sau minerale sau substanŃele asemănătoare în cantităŃi mari, formând o peliculă la suprafaŃa apei, sunt dăunătoare în staŃiile de epurare deoarece pot colmata filtrele biologice, împiedecând dezvoltarea proceselor biochimice în bazinele cu nămol activ sau de fermentare al nămolurilor. Determinarea grăsimilor este importantă în cazul unor ape uzate industriale. În apele uzate brute


- 6 -

se găsesc cantităŃi de grăsimi cuprinse între 0,0 şi 40 mg/l, sau chiar mai mult.

Gazele. În tehnica epurării apelor uzate intervin trei tipuri de gaze: hidrogenul sulfurat, dioxidul de carbon şi metanul.

Hidrogenul sulfurat se poate determina chiar şi la cantităŃi mici ca urmare a mirosului său specific. PrezenŃa acestui gaz indică că apa este uzată şi a staŃionat timp îndelungat în condiŃii anaerobe. În concentraŃii mari, însă este toxic. Metanul şi dioxidul de carbon sunt indicatori ai fermentării anaerobe. Precizăm că metanul este exploziv în amestec cu aerul, în raport de 1:5 - 1:15.

Aciditate, alcalinitate, concentraŃia în ioni de hidrogen (pH). Aciditatea sau alcalinitatea apelor uzate reprezintă capacitatea acestora de a neutraliza baze respectiv acizi. În general apele uzate menajere sunt slab alcaline, în timp ce apele uzate industriale au un pronunŃat caracter acid sau bazic.

Pentru desfăşurarea în condiŃii optime a procesului de epurare a apelor uzate este de dorit ca acestea să fie slab alcaline, mai ales pentru buna desfăşurare a epurării biologice. Alcalinitatea şi aciditatea se exprimă în miliechivalenŃi la litru de apă ( mval / l ) .

Activitatea ionilor de hidrogen este determinată de valoarea pH-ului. Trebuie menŃionat faptul că pH-ul apei exprimă numai intensitatea acidităŃii sau alcalinităŃii şi că nu există o legătură directă între pH-ul unei ape şi cantitatea de acizi sau de alcali din aceasta. Astfel de exemplu, două soluŃii apoase de acizi care au pH-uri diferite pot avea aceeaşi concentraŃie ( cantitate ) de acizi.

Controlul pH-ului se face în toate punctele importante ale staŃiei de epurare, deoarece de aceasta depinde: • activitatea organismelor care acŃionează în cadrul proceselor aerobe şi anaerobe; • condiŃiile în care se produc precipitaŃii chimice; • activitatea unor compuşi ai clorului cu care se face dezinfectarea apei uzate, etc.

În staŃiile de epurare pH-ul apelor uzate trebuie să fie cuprins între 6,5 şi 8,5. Apele naturale au pH-ul 7,

dar dacă apa trece peste un strat calcaros, atunci pH-ul poate ajunge până la valoarea 10, sau alteori impurificarea unei ape naturale cu diverse substanŃe poate duce la o scădere a pH-ului.

PotenŃialul de oxidoreducere. (potenŃialul Redox, rH) PotenŃialul de oxidoreducere furnizează informaŃii asupra puterii de oxidare sau de reducere a apei sau a nămolului din staŃiile de epurare. În scara Redox, notaŃia rH exprimă inversul logaritmului presiunii de oxigen, având valori între 0 şi 42. Valori sub 15 înseamnă că acea apă se găseşte în fază de reducere, corespunzător fermentării anaerobe, iar valori peste 25 caracterizează o probă în fază de oxidare aerobă.

Putrescibilitatea, stabilitatea, stabilitatea relativă. Putrescibilitatea este o caracteristică a apelor uzate care indică posibilitatea ca o apă să se descompună, mai repede sau mai încet. Stabilitatea este inversul putrescibilităŃii. Stabilitatea relativă este definită de raportul în procente, între oxigenul disponibil în proba de analizat (sub formă dizolvată sau de nitriŃi şi nitraŃi) şi cererea de oxigen pentru a satisface faza primară de consum a oxigenului. Stabilitatea relativă este rar folosită, deoarece unele substanŃe coloidale şi dizolvate în apă precipită culoarea dată de substanŃa utilizată la determinare, respectiv albastru de metilen, iar pe de altă parte, valorile sunt nesigure.

DetergenŃi sintetici. Dintre cele trei categorii de detergenŃi sintetici: anionici, cationici, şi neionici, detergenŃi anionici evacuaŃi din gospodării şi din industrie sunt cei mai dăunători proceselor de epurare. Efectele detergenŃilor pentru apele uzate sunt negative şi pot fi grupate astfel :

• coboară tensiunea superficială a apei, astfel că apa va umecta particulele din apă şi astfel sunt mai greu de sedimentat;

• emulsionează grăsimile şi uleiurile, îngreunând îndepărtarea acestora; • dispersează materiile coloidale; • spumează şi plutesc la suprafaŃă ; • distrug bacteriile şi microorganismele care realizează epurarea biologică;


- 7 -

• scad randamentul staŃiilor de epurare; • scade producŃia de biogaz din staŃiile de fermentare a nămolurilor. Efectele detergenŃilor variază de la caz la caz, funcŃie de tipul detergentului, dar provocând o spumă

groasă la suprafaŃa apei împiedică aerarea, respectiv oxigenarea apei şi deci prezenŃa detergenŃilor este foarte dăunătoare procesului de epurare.

Caracteristicile bacteriologice

Stabilirea caracteristicilor bacteriologice ale apei au drept scop determinarea numărului, genului şi condiŃiilor de dezvoltare a bacteriilor în apele din staŃiile de epurare, precum şi în emisari. Numărul de bacterii este mai mare vara şi mai mic iarna.

Caracteristicile bacteriologice ale apei ne dau informaŃii numeroase în ceea ce priveşte evitarea propagării, precum şi controlul bolilor contagioase şi de aceea acest control al compoziŃiei bacteriologice este de mare importanŃă pentru sănătatea populaŃiei. Se determină în mod speciali colibacilii care trăiesc în intestinul uman.

Numărul de colibacili la 100 m3 de apă reprezintă un etalon de măsură pentru poluarea emisarilor în care se deversează apele uzate. Se determină în general în general aşa numitul titrul coli, care reprezintă volumul cel mai mic de apă uzată în care se mai pot cultiva colibacili. Dacă spre exemplu, acest volum a fost de 0,1 cm3, se spune că titrul coli în colibacili este de 0,1 ceea ce corespunde la aproximativ 10 colibacili /1 cm3 apă.

Se deosebesc următoarele categorii importante de bacterii : • banale, care nu sunt dăunătoare organismului omenesc; • coliforme, care în număr redus sunt inofensive; • bacterii saprofite, prezente în apele uzate din reziduuri umane sau animale, relativ periculoase pentru om

şi animale; • bacterii patogene, sunt foarte periculoase pentru om deoarece produc boli grave , cum sunt : febra tifoidă,

holera, dezinteria, etc.; • bacteriofagi, ce pot fi prezenŃi în apele uzate.

Caracteristici biologice

În apele uzate cât şi în emisari se întâlnesc diferite organisme, de la cele mai mici, dar vizibile cu ochiul liber şi până la cele microscopice.

Cele mai mici sunt virusurile şi fagii, urmate de bacterii. Identificarea acestora este foarte importantă şi se face pe baza observaŃiei directe sau cu ajutorul microscopului, dar şi prin studiul comportării acestora în diferite culturi. Organismele care se pot observa cu ochiul liber sau cu ajutorul microscopului sunt ciupercile, algele, protozoarele, rotiferii, larvele de insecte, viermii, melcii, etc.

Sub aspectul periculozităŃii asupra omului şi a mediului înconjurător, organismele pot fi vătămătoare, nevătămătoare sau chiar folositoare. Trebuie remarcat faptul că lipsa acestor organisme indică faptul că apa conŃine substanŃe toxice.

Din considerentele precizate mai sus este de mare importanŃă cunoaşterea existenŃei acestor organisme în apele uzate, pentru că prezenŃa sau absenŃa lor impune un anumit mers al procesului de epurare. De regulă varietatea organismelor din apele uzate brute este mai redusă decât în apa aflată în faza de epurare biologică, unde prezenŃa unor microorganisme este favorabilă procesului de autoepurare biologică.

Dintre organismele care trăiesc în apele uzate, categoria saprobiilor, respectiv a microorganismelor care se hrănesc prin descompunerea substanŃelor organice sunt cele mai importante pentru că se pot utiliza în procesul de epurare biologică. Speciile animale şi vegetale din sistemul saprobiilor sunt grupate în 4 categorii:

• specii polisaprobii, care sunt caracteristice apelor cu impurificare puternică cu substanŃe organice (de regulă sunt în număr foarte mic);

• specii - mezosaprobii, care sunt caracteristice de asemenea apelor cu impurificare cu substanŃe organice (de regulă în număr foarte mic);

• specii - mezoprobii, care sunt caracteristici cu impurificare mică în substanŃe organice ( sunt de regulă în cantitate mare );

• specii oligosaprobii, care sunt caracteristice apelor curate, neimpurificate ( sunt în cantitate mare ).


- 8 -

Tratamentul apelor uzate în staŃiile de epurare biologică au la bază în principal această grupă de microorganisme, care sunt utilizate pentru descompunerea substanŃelor organice dizolvate în apă. In prezent se fac cercetări intense pentru găsirea de microorganisme care au afinitate pentru metale, produse petroliere sau alte substanŃe chimice şi care pot să fie utilizate la epurarea apelor şi în acelaşi timp şi la recuperarea substanŃelor utile din apele uzate orăşeneşti sau industriale.

Determinări specifice apelor uzate

Asupra apelor uzate fie că sunt orăşeneşti, fie că sunt industriale se fac unele analize specifice, dintre cele mai importante sunt : • materii solide totale; • consumul biochimic de oxigen; • consumul chimic de oxigen; • oxigenul dizolvat; • pH- ul, concentraŃia în ioni de hidrogen; • putrescibilitatea, stabilitatea şi stabilitatea relativă.

Aceste determinări sunt necesare atât pentru faza de proiectare a instalaŃiei de epurare, cât şi pentru buna funcŃionare a instalaŃiei existente.

Recoltarea probelor de apă

Recoltarea probelor de apă este o problemă foarte importantă pentru că de modul de recoltare depind în mare măsură corectitudinea rezultatelor. Recoltarea probelor de apă începe doar după identificarea clară a sursei de apă şi Ńinând seama de faptul că avem o variaŃie pronunŃată a caracteristicilor acestor ape pe ore şi zile, dar şi pe zone, funcŃie de infiltraŃii, diluŃii, ploi, etc. Trebuie să se ia în considerare faptul că apele la suprafaŃă conŃin particule plutitoare, că la adâncime conŃin în mod deosebit substanŃe decantabile, relativ mai grele şi că dacă apa nu este recoltată cu grijă se poate introduce în probe aer care modifică substanŃial rezultatele probelor.

Se recomandă ca prelevarea apei să se facă timp de 24 de ore, din oră în oră, cantitatea minimă este de 0,250 l. Apa luată de la diferite adâncimi şi zone, este omogenizată într-un vas mare, din care se vor preleva probele pentru toate analizele. Se recomandă ca pe măsură ce se prelevează apa, aceasta să fie păstrată la temperaturi scăzute, pentru a împiedica începerea descompunerii substanŃelor organice. Dacă apa nu poate fi menŃinută la temperaturi scăzute trebuie introduşi inhibitori pentru a stopa descompunerea substanŃelor organice. Ca şi inhibitori se utilizează cloroformul şi formaldehida, dar trebuie să se Ńine seama de aceşti inhibitor la efectuarea analizelor. Numărul recoltărilor diferă funcŃie de scop şi de importanŃa operaŃiei.

Pentru apele de suprafaŃă cele mai indicate zone pentru prelevarea apei este din apropierea staŃiilor hidrologice, întrucât aici se poate determina şi debitul râului. Se recomandă ca apa să fie prelevată de la o adâncime de 10 – 15 cm de suprafaŃa apei, unde datorită vitezei apei, ea este mai omogenă.

În cazul staŃiilor de epurare este obligatoriu să se facă prelevări permanente la intrarea apei în staŃie, precum şi la ieşirea din staŃie. Se recomandă corelarea analizei de la intrarea apei cu cea de la ieşire, Ńinând seama de durata procesului de epurare din staŃie şi în acest mod se poate aprecia şi eficacitatea staŃiei de epurare.

Majoritatea analizelor se fac în laborator, dar la locul de prelevare se fac următoarele determinări: • temperatura apei; • temperatura aerului; • transparenŃa apei; • culoarea apei; • mirosul apei; • pH-ul apei; • prezenŃa dioxidului de carbon liber; • oxigenul dizolvat; • prezenŃa hidrogenului sulfurat. În prezent sunt aparate automate de prelevare a apei, dar şi aparate automate de analiză a apelor cu


- 9 -

transmitere la distanŃă a rezultatelor. Se impune stocarea tuturor rezultatelor pentru a se putea monitoriza evoluŃia în timp a calităŃii apei şi de a se lua măsurile ce se impun în timp util. 2. Evacuarea apelor uzate industriale în reŃeaua de canalizare orăşenească

Apele uzate industriale, care constituie o parte, uneori destul de importantă a apelor uzate orăşeneşti,

sunt admise în reŃeaua de canalizare orăşenească, respectiv în staŃia de epurare a oraşului numai în condiŃii speciale. Epurarea în comun a apelor uzate menajere cu cele industriale este admisă conform literaturii de specialitate numai în cazul în care apele uzate industriale nu conŃin substanŃe care ar putea coroda reŃelele de canalizare şi care nu pun în pericol buna funcŃionarea staŃiei de epurare.

Evacuarea apelor uzate industriale în reŃeaua de canalizare orăşenească şi epurarea în comun cu apele orăşeneşti oferă următoarele avantaje:

• Asigură o cooperare eficientă între industrie şi primărie, ambele urmărind reducerea costurilor operaŃiei de epurare;

• Apele uzate industriale conŃin uneori materii nutritive care pot să asigure condiŃii optime procesului de epurare biologică, care altfel ar trebui adăugate artificial;

• Întreprinderile mici nu-şi pot permite din punct de vedere economic investiŃii separate pentru construirea şi exploatarea staŃiilor de epurare;

• ExistenŃa unei staŃii centralizate pentru epurarea apelor permite coordonarea întregii activităŃi de colectare şi tratare a apelor uzate. Există şi cazuri de excepŃii, când tratarea în comun a apelor uzate urbane şi industriale nu este posibilă

întrucât unele industrii evacuează în urma proceselor tehnologice o serie de substanŃe care inhibă procesele de epurare. În această privinŃă există normative care reglementează modalitatea de evacuarea, respectiv interzice evacuarea de substanŃe în suspensie, a căror cantitate, mărime şi natură constituie factori agresivi ce pot coroda canalele colectoare, care pot provoca depuneri şi colmatarea canalelor sau frânează curgerea normală a apelor prin canale. Dintre aceste substanŃe, care nu ar trebui să fie deversate în sistemul de canalizare amintim : • Suspensii şi alte materiale care se depun în canalele colectoare; • Corpuri solide plutitoare mai mari de 20 mm; • Corpuri solide, dure care ar putea coroda canalele colectoare; • Păcură, ulei, grăsimi, care pot provoca depuneri sau aderenŃe pe pereŃii conductelor; • SubstanŃe care pot provoca fenomene de coagulare şi depuneri în canale; • SubstanŃe care pot produce amestecuri detonante, sau care se pot aprinde, cum ar fi benzină, eter,

cloroform, acetilenă, sulfură de carbon, nămoluri de la staŃiile de acetilenă, etc. • SubstanŃe nocive, care pot pune în pericol viaŃa personalului de exploatare a staŃiilor de epurare; • SubstanŃe inhibitoare ale procesului de epurare (de exemplu: Cu, Cr, Zn, Pb etc.); • Ape fierbinŃi cu temperaturi de peste 50 grade 0C.

Există anumite precizări privind compoziŃia apelor uzate industriale, care limitează accesul acestor ape în

reŃeaua de canalizare orăşenească. Aceste substanŃe, precum şi alte caracteristici principale sunt: • Temperatura maxim 40 grade; • pH – ul cuprins între 6,6 şi 8,0; • Cianuri maxim 1,0 mg/l ; • Clor liber maxim 1,0 mg/l ; • Hidrogen sulfurat şi alte sulfuri (H2S) la un pH de 6,5 este admis maxim 1,0 mg/l ; • Produse petroliere (din categoria: păcură, motorină, uleiuri grele, etc.) maxim 150 mg/l.

În cazul în care nu se pot respecta aceste limite, este necesară epurarea acestor ape în prealabil în

instalaŃii numite staŃii de preepurare, în cadrul întreprinderii, în vederea reŃinerii acestor substanŃe şi folosirea lor în procesul de fabricaŃie, după care aceste ape uzate şi tratate parŃial pot fi deversate în reŃeaua de


- 10 -

canalizare . Comunitatea Europeană recomandă ca fiecare utilizator de apă să facă o tratare prealabilă a apei uzate,

pentru reŃinerea substanŃelor ce pot colmata sau înfunda reŃeaua de canalizare şi doar după această operaŃie, apa uzată să fie deversată în reŃeaua de canalizare a oraşului.

3.Sisteme de canalizare Un sistem de canalizare cuprinde un ansamblu de conducte, canale, bazine, etc. care în mod obişnuit

colectează, transportă şi deversează apele uzate în staŃiile de epurare. Canalizarea unui centru populat sau industrial poate fi făcută prin unul sau mai multe sisteme

independente de canalizare. Schema unui sistem de canalizare este reprezentarea în plan vertical şi orizontal a obiectelor principale

care reprezintă circuitul de canalizare, cu indicarea poziŃiei relative a elementelor componente: reŃele de canale, colectoare principale, deversoare, staŃii de pompare, traversări de obstacole, guri de vărsare, precum şi alte amenajări.

Numărul, tipul, poziŃia şi amplasarea elementelor componente ale reŃelelor de canalizare depind de:

• amplasarea localităŃii; • poziŃia localităŃii faŃă de cursurile de apă, care pot juca rolul de emisar; • cantitatea şi calitatea apelor uzate; • relieful terenului; • condiŃiile impuse apei epurate la evacuarea în emisar; • amplasarea staŃiei de epurare; • condiŃiile de evacuare a nămolurilor din staŃia de epurare;

În funcŃii de aceste condiŃii, schemele reŃelelor de canalizare orăşeneşti pot avea următoarele dispuneri : • perpendiculară, directă sau indirectă; • paralelă sau în etaj; • ramificată. Dacă localitatea posedă mai multe sisteme de canalizare (independente), cu reŃele şi staŃii de epurare

diferite, atunci canalizarea poartă denumirea de radială. In conformitate cu legislaŃia europeană este interzisă realizarea unui sistem de alimentare cu apa potabila

a unei localităŃi daca nu se realizează şi un sistem de colectare şi epurare a apelor uzate menajere, pentru că în caz contrar apele uzate ar fi deversate direct în emisar şi s-ar produce poluarea acestuia sau a solului şi în mod sigur si a pânzelor freatice.

În figura 2. este reprezentată schema unui sistem de canalizare.

Fig2. Schema unui sistem de canalizare

1-canale de serviciu; 2-colectoare secundare; 3-colectoare principale; 4-sifon inversat; 5-cameră de intersecŃie; 6- camera deversorului; 7- canal deversor; 8-staŃie de epurare; 9-canal de evacuare; 10 – gură de descărcare; 11- câmpuri pentru valorificarea

nămolurilor.


- 11 -

B. Procese de bază în separarea poluanŃilor

1. Egalizarea apelor uzate, uniformizarea debitelor şi a compoziŃiei apelor industriale

Apele uzate, indiferent de sursă, prezintă variaŃii în timp ale debitelor şi compoziŃiei, datorită lipsei de uniformitate a consumurilor de apă, a cantităŃilor de apă eliminată din proces şi a conŃinutului acestora în substanŃe poluante. Sunt relativ rare cazurile în care debitul şi compoziŃia sunt constante, cum ar fi procesele industriale cu caracter continuu, ce funcŃionează în regim staŃionar şi în care nu intervin operaŃii ciclice, cum sunt industria de sinteză a amoniacului, acidului azotic, metanolului, prepararea minereurilor, unele procese metalurgice, etc. În majoritatea industriilor intervin operaŃii discontinue care, pe ansamblu, conduc la evacuarea de ape uzate cu caracter aleator. PrezenŃa mai multor surse de evacuare discontinue, cu periodicitate diferită, determină variaŃii dezordonate ale debitului şi compoziŃiei apelor uzate.

Variabilitatea compoziŃiei apelor uzate poate fi o consecinŃă şi a modificării în timp a profilului şi a capacităŃii de producŃie.

În aceste condiŃii, pe platformele industriale complexe, compoziŃia apelor uzate este aleatoare, iar debitele prezintă fluctuaŃii, până la limita maximă determinată de capacitatea sistemului din care se face alimentarea cu apă.

VariaŃiile de debit sunt întotdeauna însoŃite şi de variaŃii de concentraŃii ale substanŃelor poluante.

ConcentraŃiile poluanŃilor sunt determinate de evacuările specifice de apă pe unitatea de produs, precum şi de evacuarea materialelor nedorite.

În instalaŃiile de tratare a apelor uzate, rezultatele depind de stabilitatea, respectiv uniformitatea regimului de intrare a apelor uzate în sistemul de tratare. Instabilitatea vitezelor de curgere este dăunătoare mai ales în bazinele de decantare, în care vitezele mari de curgere antrenează în efluent materiale în suspensie sau chiar materiale deja sedimentate.

Uniformizarea debitelor şi a compoziŃiei apelor uzate se face în bazine de uniformizare amplasate în serie sau în derivaŃie cu colectorul de canalizare şi permite dimensionarea staŃiei de tratare la nivelul debitelor medii.

În instalaŃiile de uniformizare a apelor uzate, respectiv în bazinele de uniformizare, cu forme şi dimensiuni adaptate fiecărui caz în parte, pot avea loc şi transformări chimice între diferiŃii poluanŃi din aceste ape, cum ar fi reacŃii de neutralizare, de oxigenare, redox, de precipitare sau procese biochimice, toate conducând la o degrevare a etapei de epurare.

2. Procese fizice de tratare a apelor industriale

Principalele grupe de procese fizice au la bază separarea gravitaŃională, filtrarea şi transferarea

poluanŃilor din fază apoasă în altă fază. În aceste procese substanŃele poluante nu suferă, în cursul separării lor din apă, transformări în alte

substanŃe. 2.1. Separare gravitaŃională Se bazează pe faptul că asupra unui corp aflat într-un câmp gravitaŃional acŃionează o forŃă, ce determină

deplasarea corpului spre fundul bazinului de separare. Separarea particulelor relativ grosiere, nedizolvate în apă, sub influenŃa câmpului gravitaŃional, are loc prin sedimentare sau flotaŃie. Dacă sedimentarea gravitaŃională nu este eficientă se utilizează o separare sub acŃiunea unui câmp de rotaŃie creat artificial, în care iau naştere forŃe gravitaŃionale, această separare fiind denumită centrifugare.

După o perioadă iniŃială de accelerare, deplasarea, sub acŃiunea câmpului gravitaŃional, a unei particule în apă se face cu o viteză constantă, datorită echilibrului dintre forŃa exercitată de câmpul gravitaŃional (Fm) şi forŃa de frecare între particulă şi apă (Ff).

Fm = (ρ1- ρ2) g V


- 12 -

2

21 vsC

Ff

⋅⋅⋅= ρ

unde: ρ1 , ρ2 - densităŃile particulei şi fluidului; d, s , v - diametrul, aria şi volumul particulei; V - viteza de depunere a particulei; g - acceleraŃia gravitaŃională; C - coeficientul de frecare.

În funcŃie de regimul de curgere caracterizat de numărul Reynolds (Re) şi de coeficientul C, viteza de sedimentare se pate calcula cu diverse formule, după cum se vede din tabelul 1

Tabelul.1

Re Regim de curgere C Formula de calcul

10-4< Re< 1 Laminar 24 Re-1 Stokes

1 < Re< 103 Intermediar 18,5 Re-0,6 Allen 103< Re< 2.105 Turbulent 0,44 Newton

Sedimentarea particulelor într-un bazin ideal de formă rectangulară este prezentată schematic în figura 3,

unde sunt reprezentate traiectoriile teoretice ale particulelor discrete (traiectorii drepte) şi ale celor întâlnite în practică (traiectorii curbe).

Fig.3. Schema sedimentării în apă a particulelor greu solubile într-un bazin rectangular

(secŃiune verticală-longitudinalã)


- 13 -

Bazinul de sedimentare poate fi împărŃit în patru zone: • zona de admisie în care amestecul de apă cu suspensii este distribuit pe secŃiunea transversală a

bazinului; • zona de sedimentare în care particulele cad prin masa de apă, aflată în curgere orizontală cu viteză

constantă vd; • zona de nămol în care se adună particulele depuse; • zona de evacuare a apei limpezite care mai conŃine particulele care nu s-au depus.

Traiectoriile particulelor discrete rezultă din însumarea vectorială a vitezei de sedimentare vs şi a vitezei de deplasare a apei în bazin vd. Particulele cu viteza de sedimentare v0 egală cu raportul dintre adâncimea bazinului (h0) şi timpul de parcurgere a lungimii acestuia de către o particulă de apă (t0), dacă la intrarea în bazin (t = 0) se află la suprafaŃa apei (h = 0), ating fundul zonei de sedimentare la extremitatea din aval a acesteia. Toate particulele a căror viteză de cădere este mai mare sau egală cu v0 sunt reŃinute în bazinul de sedimentare.

În bazinele cu curgere verticală, particulele cu viteză de sedimentare mai mică decât v0 nu sunt reŃinute, fiind antrenate cu apă în zona de evacuare. Dimpotrivă, în bazinele cu curgere orizontală, astfel de particule sunt reŃinute dacă la intrarea în zona de sedimentare se află deasupra zonei de nămol la o înălŃime mai mică decât produsul vt0.

Decantoarele se pot construi într-o varietate mare de tipuri (în conformitate cu STAS 4162-80), din decantoare eliminându-se o apă relativ limpede şi nămolul respective.

2.2. FlotaŃia FlotaŃia este procesul unitar de separare din apă, sub acŃiunea forŃelor gravitaŃionale, a

particulelor cu densitate medie mai mică decât a apei. Astfel de particule pot fi constituite din materiale omogene sau din asocieri de materiale cu densităŃi diferite. În procesul de flotaŃie naturală, particulele materiale mai uşoare decât apa (uleiuri, grăsimi, hidrocarburi) formează asociaŃii cu bule de aer sau gaz din procesele microbiologice ridicându-se la suprafaŃa apei care staŃionează sau care se află în curgere liberă.

Stratul de material plutitor, ridicat prin flotaŃie, este îndepărtat prin raclare. FlotaŃia este procesul prin care particulele mai grele decât apa sunt antrenate la suprafaŃă, datorită

asocierii lor cu bulele de aer, ce sunt suflate în apă prin partea inferioară a bazinului. Această asociere cu bule de aer are consecinŃe pozitive deoarece particulele mai grele decât apa capătă o viteză ascensională datorită particulelor de aer.

În flotaŃia cu aer, aerul este introdus fie sub formă de bule, obŃinute prin trecerea aerului prin difuzoare poroase, fie prin degazarea aerului dizolvat în apă, ca urmare a unei detente, când se produce scăderea bruscă a presiunii gazului, aflată în echilibru în apă. FlotaŃia cu aer dispersat se utilizează la prepararea minereurilor şi la îndepărtarea materiilor grase din apele uzate. Diametrul bulelor de aer este de 1-2 mm. La aceste dimensiuni bulele de aer au o viteză ascensională foarte mare şi pot provoca distrugerea suspensiei coagulate din apă.

Bulele mai fine (cu diametrul mai mic decât 0,1 mm) se pot obŃine prin destinderea apei sau prin suprasaturarea apei cu aer.

Ridicarea particulelor insolubile în apă, de către bulele de aer, este rezultatul asocierilor reciproce, ce are loc în două moduri:

• încorporarea de bule de aer în interiorul particulei floculate cu structură afânată; • aderarea particulelor insolubile la suprafaŃa bulei de aer (gaz). Mărimea forŃelor care reŃin particule insolubile pe interfaŃa apă-aer sau apă-gaz depind de mărimea

suprafeŃei particulelor şi de prezenŃa unei substanŃe tensioactive, ce are tendinŃa de acumulare şi orientare a moleculelor pe interfeŃe.

În practică, în cazul separării prin flotaŃie cu aer nu este suficient doar ridicarea particulelor la suprafaŃă ci este necesară şi formarea unei spume uilizând substanŃe spumante. Astfel de substanŃe pot fi chiar unii constituenŃi din apele uzate, iar când aceştia nu există în apă trebuiesc adăugaŃi. Capacitate de spumare mare au apele uzate din industria celulozei, textilă, industria de prelucrare a proteinelor şi în industriile fermentative.


- 14 -

Pentru a se obŃine o bună separare prin flotaŃie trebuie luate măsuri pentru a reduce la minimum turbulenŃa din zona de separaŃie. Datorită vitezelor mari de urcare a particulelor în procesul de flotaŃie, timpul de retenŃie a apelor uzate în bazinul de flotaŃie este mai mic decât în bazinul de decantare.

Necesarul de aer variază funcŃie de natura şi concentraŃia suspensiilor şi depind de condiŃiile care trebuie îndeplinite de apa tratată.

Într-o instalaŃie de flotaŃie cu aer difuzat, consumul de aer este de cca 0,2-1 m3 aer/m3 apă uzată. Pentru stabilirea parametrilor optimi ai procesului de flotaŃie, pentru o apă uzată dată, se recomandă

efectuarea de teste la scară de laborator, pe un model fizic. 2.3. Centrifugarea Centrifugarea este un proces de separare gravitaŃională a suspensiilor din apă în care intervin acceleraŃii

superioare celei gravitaŃionale. În cazul centrifugării se obŃin viteze mari de sedimentare, ceea ce duce la o separare a unei mase mari de suspensii în unitatea de timp. Prin centrifugare se obŃin concentrate mai compacte, cu un conŃinut mai mare de solid.

Datorită costurilor mari ale instalaŃiilor şi a consumului de energie, acest procedeu se aplică de preferinŃă apelor uzate cu conŃinut mare de suspensii sau pentru concentrarea nămolurilor.

În epurarea apelor se utilizează, de regulă, centrifugele decantoare cu ax orizontal, cu funcŃionare continuă. Acestea sunt constituite dintr-un corp cilindro-conic rotativ în care se roteşte, la rândul său, - cu o viteză ceva mai mică – un ax melcat. Apa cu suspensii este introdusă prin axul corpului melcat şi este proiectată spre faŃa interioară a peretelui corpului centrifugei. Solidele depuse pe acest perete datorită forŃelor centrifuge sunt raclate şi împinse de către corpul melcat spre zona conică a corpului centrifugei. Lichidul limpezit, numit centrat, este evacuat pe la capătul opus al centrifugei. Adâncimea stratului de lichid deasupra peretelui centrifugei este stabilită cu ajutorul unor deversoare circulare reglabile, peste care se evacuează lichidul limpezit. Transportul materialului concentrat pe zona conică este o sarcină delicată, datorită forŃelor mari de forfecare care intervin, precum şi datorită posibilităŃilor de stropire cu lichid limpezit, ceea ce poate readuce materialul solid în corpul centrifugei.

Astfel, prin centrifugare se obŃin concentrate de nămol cu un conŃinut mai mare de 50% de substanŃă uscată, comparativ cu nămolurile obŃinute prin alte metode de separare la care concentraŃia în substanŃe uscate este între 4% şi 10%.

2.4. Filtrarea Filtrarea este procedeul de trecere a apelor printr-un mediu poros, pe care are loc reŃinerea prin

fenomene predominant fizice a unora din constituenŃii apelor. FuncŃie de spaŃiile libere ale mediului poros, în instalaŃiile de filtrare se pot reŃine din apă impurităŃi de

dimensiuni variabile, de la dimensiuni foarte mari cum ar fi poluanŃii grosieri, până la poluanŃi foarte fini. La mediile poroase cu pori mari, mecanismele de reŃinere pe filtre este simplu, fiind oprite toate particulele cu dimensiuni mai mari decât porii filtrelor. Se vorbeşte astfel de un fenomen de sitare. Pe măsură ce dimensiunile porilor se micşorează, mai intervin şi alte fenomene.

Mecanismele care contribuie la reŃinerea din apă a particulelor de impurităŃi pe un filtru sunt foarte complexe. ReŃinerea pe suprafaŃa filtrantă depinde de caracteristicile fizico-chimice ale particulelor, de caracteristicile mediului filtrant, de viteza de filtrare şi de caracteristicile fizice ale apei.

Curgerea prin medii filtrante poroase este menŃinută în mod normal în domeniul laminar atât iniŃial (în filtru curat), cât şi după colmatarea lui cu suspensii. În aceste condiŃii, curgerea are loc în conformitate cu legea lui Darcy.

ReŃinerea pe grătare şi site

Grătarele servesc pentru îndepărtarea din apă a impurităŃilor grosiere care pot forma depuneri greu de evacuat şi care ar bloca sistemele de raclare, pompele şi vanele, gurile de evacuare şi deversoarele. Grătarele sunt formate din bare cu grosimi de 0,8–1,2 cm aşezate la o distanŃă de 12–60 mm, înclinate cu 30-90°faŃă de orizontală. Materialele reŃinute, cu dimensiuni mai mari decât interstiŃiile dintre bare, formează ele


- 15 -

însele straturi filtrante care măresc treptat pierderea de sarcină a apei pe grătar şi trebuiesc îndepărtate periodic. Viteza apei la intrarea apei în grătare trebuie să fie de 0,3-1 m/s pentru evitarea depunerilor în camera grătarului. Pentru reŃinerea impurităŃilor de dimensiuni mai mici se utilizează site statice sau mobile. ReŃinerea pe filtre

Cele mai utilizate filtre pentru îndepărtarea suspensiilor sunt filtrele granulare şi filtrele cu prestrat. Materialul granular folosit frecvent este nisipul cuarŃos. Filtrele cu nisip sunt formate din mai multe straturi

cu densităŃi diferite care într-un curent de apă ascendent se stratifică conform densităŃii şi la care, după spălare, se obŃine spontan o aranjare a granulelor cu diametrul descrescând în sensul de curgere din timpul fazei de filtrare, fapt care permite o folosire mai eficientă a adâncimii filtrului.

Filtrele de nisip sunt împărŃite în: - filtre lente cu viteze de filtrare de 0,1 – 0,6 m/h; - filtre rapide cu viteze de filtrare de 3 – 6 m/h. Aceste două tipuri de filtre diferă prin caracteristicile granulometrice ale nisipului şi prin modul de

regenerare. În epurarea apelor uzate filtrele cu nisip se utilizează în treapta secundară de epurare sau pentru finisarea

efluenŃilor treptei biologice. În aceste filtre au loc, pe lângă procesele fizice de reŃinere a particulelor insolubile şi procese microbiologice de degradare a unor materiale organice dizolvate sau în suspensie.

Filtrele cu prestrat sunt formate din suporturi poroase rigide aşezate într-o carcasă, pe care se depune un strat subŃire de material filtrant granular, format din particule foarte fine de 5 – 100 µm. Fazele unui ciclu de funcŃionare cuprind formarea prestratului, filtarea şi regenerarea. Pentru a prelungi durata fazei de filtare, uneori se adaugă în apa supusă tratării materialul granular chiar în timpul filtrării.

2.5. Separarea prin membrane În procesele de epurare a apei, membrana este definită ca o fază ce acŃionează ca o barieră pentru

speciile moleculare sau ionice din apă, prin membrană putând trece în general numai molecule de apă. Membranele pot fi constituite din materiale solide (membrane consistente), din geluri îmbibate cu solvenŃi sau din lichide imobilizate într-o structură poroasă şi rigidă.

Practic o membrană trebuie să aibă o permeabilitate mai mare pentru unele specii decât pentru altele, deci să fie permeoselectivă.

Separarea prin membrane este utilizată în cea mai mare măsură pentru obŃinerea apei potabile, dar şi pentru tratarea apelor uzate.

Dintre metodele ce utilizează separarea prin membrane, cea mai mare utilizare o au osmoza, osmoza inversă, ultrafiltrarea şi electrodializa.

În soluŃie, ionii substanŃelor ionice sau ionii formaŃi prin ruperea unei molecule polare sunt hidrataŃi astfel încât volumul ionilor este mult mai mare decât volumul unei molecule de apă, sau chiar a moleculelor de apă asociate prin legături de hidrogen.

Prin porii unei membrane semipermeabile (de dimensiuni moleculare) vor putea trece molecule de apă, dar nu vor putea trece ionii hidrataŃi.

Osmoza şi osmoza inversă În cazul soluŃiilor apoase când două soluŃii de concentraŃii diferite sunt separate printr-o membrană

semipermeabilă, apa va trece prin membrană din soluŃia mai diluată spre cea mai concentrată. Acest proces, cunoscut sub numele de osmoză încetează când presiunea hidrostatică care se exercită

asupra soluŃiei mai concentrate atinge o anumită valoare de echilibru numită presiune osmotică (fig. 4, a şi b). Presiunea osmotică variază proporŃional cu concentraŃia substanŃei dizolvate în apă şi cu temperatura.

Procesul normal de osmoză poate fi inversat dacă asupra soluŃiei concentrate se va exercita o presiune mai mare decât presiunea osmotică (fig.4 c). În acest caz, se va produce, datorită presiunii exterioare mari, o circulaŃie a apei în sens invers. Astfel, dintr-o apă bogată în săruri se va obŃine în compartimentul 1 o apă curată. Acest proces este utilizat pentru obŃinerea apei dulci din apa de mare.


- 16 -

Fig. 4. Osmoza directă şi osmoza inversă

Primul material folosit la confecŃionarea membranelor semipermeabile a fost acetatul de celuloză, obŃinut

în condiŃii speciale (celofan cu calităŃi speciale). Ulterior s-au obŃinut şi membrane semipermeabile din materiale polimerizate stabile (poliamide, esteri micşti de acetat - butirat de celuloză, amestecuri de acetat şi nitrat de celuloză, ş.a.). În prezent se obŃin membrane ce permit o eliminare a substanŃelor dizolvate, mai ales a speciilor ionice, în proporŃie de 95-99%. Membranele folosite în separarea prin osmoză sunt foarte subŃiri (0,2 µm) şi au o fragilitate ridicată. Membranele utilizate în osmoza inversă sunt supuse la diferenŃe mari de presiune de 20 – 100 bar, ceea ce determină dificultăŃi deosebite la realizarea instalaŃiilor practice care trebuie să aibă o bună etanşeitate, o structură compactă, durabilitate mare şi să evite colmatarea şi polarizarea de concentraŃie.

AplicaŃiile osmozei inverse pentru tratarea apelor uzate sunt satisfăcătoare în următoarele condiŃii: • reducerea cantităŃilor de ape uzate prin obŃinerea unor soluŃii concentrate cu volum mai mic decât al celor

de ape uzate; • dacă există posibilitatea recuperării de materiale utile; • dacă se impune recuperarea apei în zonele sărace în apă; • dacă se poate realiza concentrarea poluanŃilor în volume mici de apă, reducându-se cheltuielile de

evacuare a poluanŃilor. Ultrafiltrarea Ultrafiltrarea este procesul de separare prin membrane sub influenŃa unei diferenŃe de presiune.

Membranele utilizate sunt caracterizate printr-o permeabilitate selectivă pentru anumiŃi componenŃi ai unei soluŃii lichide. Se aplică mai ales pentru a separa substanŃele dizolvate cu greutate moleculară peste 500, care la concentraŃii mici au presiuni osmotice mici şi nu pot fi separate prin osmoză.

Prin ultrafiltrare pot fi îndepărtate din apă bacterii, viruşi, amidon, proteine, pigmenŃi din vopsele. Limita superioară a greutăŃii moleculare a substanŃelor care pot fi reŃinute prin ultrafiltrare este de circa 500.000, peste această limită separarea având loc prin filtrare obişnuită.

În cazul ultrafiltrării prin membrane, mecanismul principal este sitarea selectivă, în funcŃie de diametrul particulelor de substanŃe poluante şi diametrul porilor. Capacitatea de reŃinere a unei membrane pentru o substanŃă dată depinde de dimensiunea, forma şi flexibilitatea moleculelor constituente ale membranei, precum şi de condiŃiile de exploatare. Pentru scopuri practice, se cere ca membranele de ultrafiltrare să manifeste reŃinere selectivă pe un domeniu relativ îngust de greutăŃi moleculare şi un flux mare de solvent la diferenŃă mică de presiune. Pentru epurarea apelor uzate separarea selectivă nu prezintă importanŃă decât în cazul în care concentratele separate pot fi valorificate. In acest caz, ultrafiltrarea are un efect echivalent cu cel realizat prin coagulare, floculare, decantare şi îngroşare. Prin acest proces pot fi îndepărtate materii organice inerte şi microorganisme.

Electrodializa Electrodializa constituie un proces de separare prin membrane cu permeabilitate selectivă la anioni,

respectiv la cationi, deplasarea acestora realizându-se sub acŃiunea unui câmp electric ca în procesul de electroliză. Utilizarea unei instalaŃii de electrodializă cu o singură celulă este neeconomică, din cauza


- 17 -

consumurilor mari de energie în compartimentele electrozilor (pentru deshidratarea ionilor). Dacă numărul de compartimente dintre electrozi este mărit (fig. 5.), proporŃia de energie consumată

pentru transportul ionilor creşte în raport cu aceea pentru deshidratarea acelor ioni care ajung în compartimentele electrozilor. În practică se folosesc baterii de electrodializă cu 40-500 compartimente. Modul de funcŃionare al unei instalaŃii de epurare prin electrodializă reiese din figura menŃionată.

În practică, prin electrodializă se obŃine o apă demineralizată numai parŃial. Dacă demineralizarea este împinsă peste anumite limite, consumurile de energie pe unitatea de apă produsă cresc foarte mult, iar produsul devine asemănător cu electroliza.

Electroliza poate fi utilizată pentru îndepărtarea sărurilor din apele uzate (de exemplu a nitraŃilor din apele evacuate de pe terenurile agricole), cu condiŃia ca substanŃele organice, eventual prezente în acestea, să fi fost îndepărtate în prealabil.

Membranele pentru electroliză se realizează prin turnare de plăci dintr-un amestec de răşini schimbătoare de ioni, sub formă de granule, lianŃi inerŃi şi solvenŃi. Ele pot fi obŃinute din filme de polimeri poroase, în care se introduc prin reacŃie chimică, grupe funcŃionale schimbătoare de ioni.

Prin electroliză se pot recupera din apele uzate o varietate de substanŃe utile: acizi carboxilici (acetic, citric, lactic), lignite, cromaŃi, etc.

Fig.5. Schema unei instalaŃii de electrodializã

2.6. Procese unitare care utilizează transferul între faze În timp ce în cazul proceselor fizice descrise mai înainte, după izolarea din apă, impurităŃile rămân tot în

faza apoasă sub forma unor concentrate, există alte procese în care epurarea are la bază transferul poluanŃilor din apă într-o altă fază nemiscibilă cu apa lichidă, solidă sau gazoasă. Între aceste procese se încadrează extracŃia lichid-lichid, antrenarea poluanŃilor volatili cu abur sau cu gaz (stripare), distilarea, spumarea şi adsorbŃia.

ExtracŃia lichid-lichid ExtracŃia este o operaŃie de separare bazată pe diferenŃa de solubilitate a componenŃilor din apă în unul

sau mai mulŃi solvenŃi nemiscibili cu apa. Notând apa cu A, poluantul cu P şi solventul cu S, iar cantităŃile mici ale acestora în diferite faze cu a, p, şi respectiv s, principiul extracŃiei este redat prin schema:


- 18 -

(A+P) + S = (A-a) + a + p + s + (P-p) +(S-s) apa de epurat solventul apa extrasă extrasul Apa de epurat este pusă în contact cu solventul S în care poluantul P este mult mai solubil decât apa.

După agitare (pentru realizarea unei suprafeŃe cât mai mari de contact între cele două lichide) şi după sedimentare se formează conform schemei de mai sus două straturi: apa extrasă şi extractul. După separarea acestora urmează recuperarea solventului (de obicei prin distilare), ceea ce în cazul ideal al recuperării totale a solventului duce la rezultatul final exprimat prin schema:

(A+P) = (A-a) + p + a + (P-p) apă uzată apă epurată concentratul de poluant O extracŃie înaintată a poluantului din apă se realizează prin repetarea operaŃiei de extracŃie cu porŃiuni

noi de solvent proaspăt. Un bun solvent pentru extracŃia poluanŃilor din ape uzate trebuie să îndeplinească următoarele condiŃii:

• să posede faŃă de impurităŃi o afinitate cât mai ridicată în comparaŃie cu a apei, să aibă o solubilitate cât mai scăzută în apă şi să dizolve cât mai puŃină apă pe un domeniu larg de temperatură,

• să nu formeze emulsii cu apa, • să aibă o densitate cât mai diferită de a apei, • să nu sufere transformări chimice în timpul utilizării, • să aibă punct de fierbere cât mai îndepărtat de al apei, • să fie ieftin.

Pentru epurarea apelor uzate se folosesc, în special, hidrocarburi alifatice, dintre care hexanul este utilizat

cel mai frecvent.

capitol_3_procese_unitare_2010.pdf

Documents