Studiul epurării apelor uzate provenite din industria chimică şi din sistemul de canalizare. Influenţa
deversării apelor meteorice asupra staţiei de epurare
Argument
Dezvoltarea vertiginoasă a industriei in ţara noastră in special in ultimii 20 ani, a condus nemijlocit şi la creşterea rapidă a necesarului de apă, a volumului apelor uzate evacuate din procesele tehnologice industriale.
Se mentioneaza ca, in prezent, din cantitatea totală de apă uzată evacuate, de peste 10000 milioane m3/an, circa 8000 milioane m3/an reprezinta apa uzata industriala, iar din numarul total al statiilor de epurare din tara, de peste 4600, circa 4300 sunt statii de epurare industriale.
Prezentul proiect abordeaza problema epurarii apelor uzate provenite din industria chimica si din sistemul de canalizare, cat si influenta deversarii apelor meteorice asupra statiilor de epurare, castig (relativ) avand primul tip de abordare.
1
Necesitatea dezinfectarii apelor uzateConsideratii generale
Apele reziduale reprezintă, prin conţinutul lor, surse de poluare a mediului inconjurător şi mijloace de imbolnăvire a oamenilor, iar substanţele organice din aceste ape constituie suportul de bază pentru dezvoltarea şi proliferarea bacteriilor patogene purtătoare de virusuri şi microbi. (Salmonella, bacilul tuberculos, vibrionul holeric, etc). Enterovirusurile se intâlnesc atât in apele uzate neepurate cât şi în cele epurate.
Dezinfecţia reprezintă distrugerea, inactivarea sau indepărtarea din apele uzate a microorganismelor de natură să producă contaminarea şi imbolnăvirea ulterioară a oamenilor. Aplicarea procesului este oportună in cazul apelor uzate industriale care conţin astfel de microorganisme. Mecanismul dezinfecţiei cuprinde două faze: Pătrunderea dezinfectantului prin peretele celular; Denaturarea materiilor proteice, inclusiv a enzimelor.
Agenţii chimici pot degrada materia celulară reacţionând direct cu aceasta, in timp ce metodele fizice induc modificări chimice ale acestui material.
Dezinfectia apelor reziduale este obligatorie atunci când acestea provin de la spitale de boli contagioase, institute de seruri şi vaccinuri, institute de microbiologie si virusologie, tăbăcării, abatoare, industrii alimetare, industrii de prelucrare a lanai, etc.
Dezinfectanţii utilizaţi trebuie să distrugă în totalitate bacteriile patogene reacţionând cu eficacitate la variaţiile de temperatură si de compoziţie ale apelor uzate, să nu fie toxici pentru om, animale şi fauna acvatică, iar la concentraţiile uzuale să persiste sub formă reziduală o anumită perioadă de timp pentru a preveni recontaminarea apei.
Pentru dezinfectarea apelor uzate se utilizează acţiunile halogenilor, efectele clorului şi cele ale dioxidului de clor, bromul şi iodul, ozonul, razele ultraviolete şi chiar efectele razelor solare.
Metoda de dezinfecţie utilizată este determinată de calitatea apelor uzate sau neepurate, de rezistenta bacteriilor patogene purtătoare de boli molipsitoare, de preţul de cost şi de mulţi alţi parametrii.
În cazul apelor uzate industriale, procesele de epurare sunt, în general, aceleaşi ca şi pentru apele uzate orăşeneşti, adică, în principal, se folosesc
2
procesele mecanice şi biologice-aerobe sau anaerobe. Acestea, pentru apele uzate industriale sunt completate de cele mai multe ori de procesele fizico-chimice de o complexitate deosebită, ca e exemplu: extracţie lichid-lichid, schimb ionic, electrodializă, etc.
Există mai multe metode de dezinfecţie, acestea fiind prezentate in urmatoarele lucrări: ,,Dezinfecţia apelor uzate cu echipamente cu raze ultraviolete“, ,,Ozonul ca agent de dezinfectare în reutilizarea apelor uzate“, ,,Necesitatea reţinerii nutrienţilor si a dezinfectării apelor uzate într-un oraş de graniţă“.
După părerea mea, cea mai eficientă metodă este cea prezentată în lucrarea ,,Dezinfectarea apelor uzate cu echipamente cu raze ultraviolete“. Această metodă scoate în evidenţă avantajele pe care le prezintă faţă de celelalte metode prin: Siguranţă în exploatare; Acţiune eficienta asupra unei game largi de agenţi patogeni; Timp scurt de tratament; Costuri reduse în exploatarea şi reducerea de compuşi cancerigeni (în
cazul clorinării).Efectul de dezinfecţie este influenţat şi de prezenţa in apă a altor
substanţe, mai ales compuşi organici, care pot reacţiona cu agenţii dezinfectanţi dezactivându-i.
Dintre metodele fizice de dezinfecţie, se menţionează metoda termică şi de iradiere cu radiaţii de energie ridicată. Dezinfecţia termică este rar aplicată datorită consumurilor mari de energie.
Iradierea este foarte eficientă ca metodă de dezinfecţie; se presupune că efectul se datorează formării în celule a unor radicali liberi în urma absorbţiei energiei radiante, mai ales de către acizii nucleici. Se pot aplica cu succes razele gama, razele X şi cele ultraviolete, cele dinurmă fiind preferate.
Având în vedere faptul că în România nu se permite achiziţionarea de noi tehnologii şi metode de dezinfecţie moderne datorită costurilor ridicate, s-a propus exploatarea unor lucrări, una dintre ele intitulându-se astfel: ,,Dezinfecţia apelor uzate epurate biologic“. Această lucrare analizează necesitatea dezinfecţia apelor uzate epurate, în care sunt prezentate efectele positive şi negative ale clorinării apelor uzate oraşeneşti, la deversarea lor in emisari, evidenţiidu-se avantajele utilizării dioxidului de clor in locul clorului gazos.
Indiferent de metoda de dezinfeţie utilizată, ea trebuie să fie aplicată în asociaţie cu procedeele de epurare utilizate.
3
Datorită amplasării staţiilor de epurare in apropierea cursurilor naturale de ape, face ca dezinfecţia cu clor gazos să nu fie oportună, deoarece clorul rezidual, chiar in doze admise pentru apa potabilă, ar putea afecta flora şi fauna acvatică. Pentru a neutraliza efectele nocive ale bacteriilor patogene din apele puternic contaminate, se propune ca dezinfectarea să se aplice înainte de descărcarea lor în reţelele de canalizare sau dupa staţiile de preepurare.
Prin aplicarea dezinfectării, la locul sursei de poluare se asigură şi o eficienţăsporită din partea bacteriilor mineralizatoare care se dezvoltă pe parcursul treptei biologice, iar apele rezultate în urma activităţii acestora sunt mai puţin nocive pentru personalul de exploatare din sistemele de canalizare, dar şi pentru flora şi fauna acvatică a emisarilor.
În concluzie, rezultă că dezinfecţia este o operaţiune necesară şi trebuie aplicată pentru toate categoriile de ape uzate, astfel încât să se respecte principiul prin care apa restituită naturii sau emisarilor sa fie de aceeaşi calitate cu cea primită de utilizatori.
Stadiul actual al epurării în România
4
Generalităţi
România are în prezent circa 22 milioane locuitori. Dintre aceştia 55% locuiesc în mediul urban, alcătuit din 56 municipii şi 204 oraşe.
În general predomină oraşele mici (sub 20000 locuitori – 42% din numărul oraşelor) şi mijlocii (între 100000 şi 20000 locuitori – 32% din numarul oraşelor). Doar 25 de municipii depăsesc 100000 locuitori. Localităţile urbane dispun de o reţea stradală în lungime de 21478 km, ceea ce revine în medie, 76 km de stradă la fiecare oraş (exclusiv municipiul Bucureşti). Pe teritoriile oraşelor există şi 20889 ha spaţii verzi (incluzând şi terenurile sportive) reprezentând 9,4% din suprafaţa intravilană. Din punct de vedere al echipării tehnico-edilitare, situaţia este prezentată in tabelul numărul 2.1.1 de la anexe.
Este de remarcat situaţia nesatisfacătoare din mediul rural privind aceste dotări, fie că este vorba de alimentare cu apă în system centralizat (16,1%), fie de canalizare (2,4%). Nu este abordată deloc epurarea apelor uzate. Soluţiile existente in prezent în mediul rural, de tip individual, sunt departe de a asigura siguranţa calităţii apei consumate de populaţie sau respectarea exigenţelor de protecţie a mediului în ceea ce priveşte canalizarea.
Situaţia canalizării localităţilor
5
Pe ansamblul localităţilor din Romania situaţia dotării cu sisteme centralizate de alimentare cu apă şi canalizare este prezentată în tabelul nr. 2.2.1. Încă odată este evidenţiată o discrepanţă accentuată între situaţia din mediul urban şi situaţia din mediul rural.
În ceea ce priveşte dotarea localităţilor urbane din punct de vedere al capacităţilor(debit tratat sau epurat) situaţia este prezentată în tabelul nr.2.2.2.
Se precizează încă odată că numărul localităţilor având lucrări de canalizare este de 573, din care 258 municipii şi oraşe şi 315 sate.
Dotarea străzilor cu reţele de canalizare pe ansamblul localităţilor este de 49%. În detaliu, situaţia este prezentată în tabelul numărul 2.2.3 în care este indicată şi corelarea între mărimea oraşelor şi gradul de echipare, acesta scăzând treptat, de la 76% în oraşele mari, la 19% in oraşele mici. Este de remarcat, în ceea ce priveşte staţiile de epurare, decalajul totuşi semnificativ, existent în numărul staţiilor de tratare a apei potabile şi numărul staţiilor de epurare. Sunt oraşe, chiar mari în general cele situate pe malul Dunării, care restituie apa uzată menajeră fără nici un fel de tratare. Această situaţie crează mari probleme de calitate a apei fluviului Dunărea şi în continuare a Deltei Dunării şi Mării Negre, dar şi locuitorilor situaţi în aval care captează această apă pentru alimentare cu apa potabilă.Istoria dezvoltării localităţilor din Romania, ca şi a industriei orăşeneşti, au fost orientate pe dezvoltarea unor reţele unice atât pentru apele uzate menajere, pentru cele pluviale, cât şi pentru cele industriale. Acest fapt a condus la promovarea de numeroase staţii de preepurare, ca o condiţie de acceptare în reţeaua de canalizare orăşenească a apelor uzate industriale.
Situaţia epurării apelor uzate
6
În total, luând în considerare şi staţiile de preepurare, ca si cele de epurare a apelor uzate de pe platformele industriale, numărul staţiilor de epurare se ridică la circa 4600. Dintre acestea numai 25% se pot considera că au un randament corespunzător şi respectă exigenţele de mediu. Depăşirea capacităţii tehnologice de epurare, utilaje neperformante, vechimea instalaţiilor sau construcţiilor, fluctuaţii în calitatea apelor uzate din reţeaua de canalizare sunt tot atâtea cauze ale eficienţei scăzute a staţiilor de epurare din România.În general la apele uzate orăşeneşti se aplică tehnologia mecano-biologică de epurare. La apele uzate industriale se aplică epurarea mecanică sau epurarea mecano-chimică.
Probleme deosebite se crează mediului în special în modul de soluţionare a integrării în mediu a nămolurilor rezultate din staţiile de epurare. După procesul de fermentare, nămolurile sunt depuse direct pe paturi de uscare. Această soluţie s-a dovedit agresivă faţă de mediu : Se ocupă teren agricol valoros ; Se crează o sursă de miros dezagreabil ; O posibilă contaminare a apelor subterane ; O degradare a esteticii peisajului.
Perspective
7
Această situaţie defectuoasă a canalizării şi epurării din Romania a fost sesizată de factorii de decizie de la toate nivelele. Soluţionarea acestei probleme la nivelul exigenţelor impuse de legislaţia actuală a devenit o problemă prioritară a primăriilor şi guvernului ţării.
În prezent sunt demarate programe vaste de îmbunătăţire şi dezvoltare a lucrărilor de canalizare-epurare.
Beneficiind de sprijin financiar de la buget sau din exterior multe oraşe au demarat lucrări de : Extindere a reţelei de canalizare ; Modernizarea staţiilor de epurare existente ; Realizarea de noi staţii de epurare.
De asemenea, la nivel naţional, a fost conceput un vast ,,Program de alimentare cu apă şi canalizare în mediul rural“.
Programul este supus în prezent ideii de licitare cu caracter internaţional pentru găsirea de surse de finanţare.
Se speră astfel ca în cca 5-7 ani să fie soluţionate problemele grave ale canalizării şi epurării apelor orăşeneşti din România.
Influenţa hidrodinamicii induse de echipamentele de aerare asupra procesului
biologic de epurare a apei uzate
8
Rezumatul lucrării şi fenomenele care stau la baza procesului de epurare biologică
Lucrarea prezintă un nou model pentru studiul proceselor biologice de epurare a apelor uzate care ţine seama de epurarea biologică, factorii biochimici şi hidrodinamici fiind în strânsă interdependenţă. Se propune introducerea unui termen în relaţia care descrie viteza netă de creştere a biomasei care să considere global influenţa factorilor hidrodinamici şi de transfer. Se prezintă o parte din rezultatele obţinute prin simularea comportării sistemului de ecuaţii ale cineticii biologice pentru sistemele cu recirculare şi fără recirculare, în cazul în care se utilizează noul model propus.
Procesul de epurare biologică este deosebit de complex, iar la rezolvarea lui intervin o serie de fenomene:
1. fizice - transferul de masă la nivelul celulelor pentru oxigen şi substrat, al oxigenului din aer în apă, absorbţia particolelor coloidale şi a suspensiilor fine la suprafaţa biomasei, desorbţia produşilor metabolici, sedimentarea gravitaţională ;
2. chimice - reacţii de hidroliză, de hidratare, de oxido-reducere, de precipitare şi coagulare, modificarea pH-ului ;
3. biochimice - reacţii de oxidare biochimică a substratului, respiraţie endogenă, creşterea biomasei, inhibarea reacţiilor enzimatice ;
4. hidraulice - regim de curgere, distribuţia mediului polifazic în bazinul de aerare, curenţii de convecţie şi de densitate, timpul hidraulic de retenţie, viteze de sedimentare, încărcări hidraulice, etc.
Toate aceste fenomene se află în strânsă interdependenţă şi ele contribuie împreună la realizarea scopului epurării biologice a apelor uzate.
Se consideră două sisteme tipice de epurare biologică: sistemul fără recirculare şi sistemul cu recirculare.
Modelarea cineticii sistemelor biologice se bazează pe echilibrul masic, într-un volum de control, al microorganismelor şi substratului.
Sisteme fără recirculare
9
Se consideră figura 3.2.1 care reprezintă schematic procesul biologic fără recirculare. Se reprezintă punctat volumul de control V, cu punct de intrare 0 şi punct de ieşire 1.
Matematic ,,bilanţul masic al microorganismelor“ în volumul de control se exprimă prin:
(1)
unde: Q - debit volumic ; X – concentraţia microorganismelor ; Kd – viteza de consum a biomasei ;
Indicii mărimilor utilizate se referă la punctele de control aşa cum se observă din figura 3.2.1.
În ipoteza în care viteza de utilizare a substratului este direct proporţională cu viteza de creştere a microorganismelor, ecuaţia de bilanţ în care viteza de utilizare a substratului este direct proporţională cu viteza de creştere a microorganismelor, ecuaţia de bilanţ masic a substratului devine :
(2)
unde: S – concentraţia substratului ; y – coeficientul de producţie ;
Definind raportul de diluţie ca fiind θ
unde tr – timpul de retenţie hidraulic, se obţine
θ (3)
În funcţie de expresia lui μ(t), care reprezintă viteza netă de creştere a biomasei, se obţin diferite modele biologice de creştere a biomasei.
În lucrarea de faţă se utilizează, pentru început, modelul MONOD:
unde:
μm – viteza netă specifică maximă a microorganismelor la concentraţie infinită a substratului, [timp-1] ;
Ks – constanta de viteză Michaelis – Menton egală cu concentraţia substratului la jumătate din viteza netă specifică maximă, [timp-1] ;
Ulterior acest model va fi corectat pentru a ţine seama de mişcarea hidrodinamică din bazin.
10
Pentru a determina forma adimensională a acestor ecuaţii se definesc mărimile caracteristice:
- ;
- ;
- .Prin substituţiile
modelul iniţial se exprimă în variabile adimensionale şi rezultă :
(6)
; (7)
Sisteme cu recirculare
11
Se consideră procesul convenţional cu nămol activ reprezentat în figura 3.3.1. Pe această instalaţie se iau în vedere mărimile ce caracterizează influentul şi respectiv efluentul, precum şi cele care iau în considerare procesele ce apar în reactorul biologic.
Sistemele biologice cu recircularea nămolului activ (a substanţelor solide) pot creşte concentraţia de microorganisme şi pot genera alternative adiţionale. Decantorul secundar, unitatea de sedimentare din sistem, are un rol deosebit de important deoarece cantitatea de solide recirculată şi calitatea efluentului depinde de eficienţa separării. În raport cu procedeul fără recirculare, acest sistem oferă o mai mare flexibilitate şi adaptabilitate a culturii microbiene la condiţiile de lucru cu substratul organic.
Bazinul de aerare cu nămol activ este un reactor biologic paralelipipedic în care apare un curent longitudinal cu o curgere de tip piston. Apa uzată, amestecată cu nămol activ, parcurge bazinul de aerare de la emisie la evacuare; regimul hidraulic este identic cu cel teoretic. Reactorul biologic are o lungime mare şi o lăţime mică ceea ce face ca dispersia longitudinală să fie minimă. Bazinele paralelipipedice de tip curent longitudinal sunt folosite în următoarele scheme: convenţională de mică încărcare; cu aerare de suprafaţă sau cu aerare difuză; cu distribuţie în trepte în lungul bazinului a apei uzate şi a nămolului şi
cu aerare difuză; stabilizare prin contact cu reaerarea nămolului şi cu aerare difuză; cu aerare în trepte cu distribuţia nămolului în lungul bazinului;
Ipotezele de bază pentru modelare sunt: amestecarea completă a celor trei faze apă-aer-nămol activ prin generarea
unor mişcări induse de echipamentele de aerare; procesul de degradare se realizează integral în bazinul de aerare; regim permanent hidraulic şi staţionar chimic; reţinerea totală în decantorul secundar.
Utilizând aceeaşi metodă ca şi în cazul precedent şi ţinând seama de faptul că Q3 = αQ1 şi Q4 = βQ3 se obţin ecuaţiile de bilanţ masic pentru microorganisme şi substrat scrise adimensional:
(8)Ecuaţiile 6 şi 7, respectiv 8 şi 9 au fost utilizate pentru simularea
evoluţiei concentraţiei microorganismelor, respectiv concentraţiei substratului în timp, cu ajutorul programului Matlab-Simulink, program specific pentru modelarea, analiza şi simularea sistemelor dinamice. S-a
12
conceput un model Simulink unic pentru cele două cazuri studiate (fig. 3.3.2) în care dacă α = 0 şi β = 0 se obţine cazul sistemului fără recirculare, iar când aceşti parametri sunt diferiţi de zero se obţine cazul sistemului cu recirculare.
Pentru realizarea modelului s-au utilizat blocurile din biblioteca standard Simulink, valorile parametrilor pentru fiecare bloc fiind setate la valorile corespunzătoare sistemului de ecuaţii studiat. Analiza modelului s-a realizat prin simularea cu ajutorul barei de meniu Simulink şi vizualizarea comportării sistemului prin intermediul ferestrei de tip ,,Scope“, notată ,,X1S1“ în figura 3.3.2, în care se observă variaţia în funcţie de timp atât a concentraţiei biomasei cât şi a concentraţiei substratului. Acest lucru a permis comportarea directă, pe aceeaşi diagramă a evoluţiei în timp a celor două mărimi studiate. Din metodele de integrare a ecuaţiilor diferenţiale ordinare puse la dispoziţie de programul Simulink s-a ales integrarea prin metoda Rung-Kutta de ordinul S cu condiţiile iniţiale pentru concentraţia
substratului 0 =1, unde 0 = 0 şi concentraţia microorganismelor 0=
0,5, unde 0= 0 .
În literatura de specialitate se indică următoarele valori pentru mărimile care caracterizează procesul biologic aerob de epurare a apelor uzate: , cu media ;
, cu media de ;, cu media de .
Dacă se exprimă în mărimile adimensionale utilizate în această lucrare, cu un timp de retenţie tr=3…6ore şi o concentraţie a substratului la intrarea în bazinul de aerare se va obţine:
, rezultă ;;
;S-au realizat simulări pentru următoarele valori ale mărimilor
adimensionale:0.1; 0.5; 1; 1.5; 2; 2.5; 3; 3.5; 5; 10.0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1; 2; 2.5; 5; 10.0.01.
0; 0.3; 0.5; 0.8.0.9.
O parte din rezultate sunt prezentate în figura 3.3.3, pentru sistemul de ecuaţii 6-7 şi în figura 3.3.4 pentru sistemul de ecuaţii 8-9.
13
Deoarece pentru valorile parametrilor care influenţează procesul biologic s-a observat că substratul nu se reduce în timpul de retenţie la valoarea legală impusă, sau conform notaţiilor anterioare, se propune un model biologic care sş ţină seama de condiţiile hidrodinamice din bazinul de aerare. Lucrările din literatura de specialitate cuprind în ecuaţiile de echilibru ale biomasei şi ale substratului influenţa factorilor biochimici şi de creştere a biomasei. Totodată apar în viteza netă specifică de creştere a biomasei termeni ce conţin influenţa factorilor inhibitori, care pot fi de natură biologică sau chimică. Esenţial este ca întregul proces de epurare biologică să fie un proces complex în care factorii biochimici şi hidrodinamicisunt în strânsa interdependenţă. Ceea ce este important de semnalat este faptul că în lucrările consultate nu se ia în considerare influenţa factorilor hidrodinamici asupra procesului,mai ales în cazul ipotezei amestecării perfecte.
Factorii hidrodinamici pot conduce la intensificarea procesului de transfer atât a oxigenului cât şi a substanţelor organice în flacon şi celule, la amestecarea şi omogenizarea fazelor la un contact mai bun între flacon şi materia organică.
În această lucrare se propune introducerea unui termen [s-1] care se numeşte factor hidrodinamic şi de transfer şi care să considere global influenţa factorilor hidrodinamici şi de transfer.
Se va considera viteza netă de creştere a biomasei astfel:
(9)
Conform unui studiu de similitudine efectuat anterior şi prezentat în lucrare, se poate considera ca factorul hidrodinamic şi de transfer cuprinde influenţa mai multor factori adimensionali. Se consideră astfel o dependenţă
de tipul : , care ia în considerare atât
regimul de curgere prin puterea aplicată la echipamentele mecanice de amestecare şi omogenizare şi numărul Reynolds penru amestecarea cât şi influenţa convecţiei forţate asupra coeficienţilor de difuziune turbulentă, dispersie şi de transfer. În acest mod se poate considera că procesul de epurare biologică este studiat în deplină conexiune a factorilor care intervin. În acest caz ecuaţiile de bilanţ masic la sistemul fără recirculare pentru biomasă şi substrat devin:
(11)
14
(12)
(13)
(14)S-au realizat simulări pentru factorul hidrodinamic şi de transfer :
0; 0.1; 1; 10. O parte din rezultate sunt prezentate în figurile 3.3.5 şi 3.3.6.
Concluzii: Pentru μm’ = constant din figurile 2 şi 3, se observă influenţa
constantei Michaelis-Menton adimensionale Ks’asupra dinamicii procesului şi anume pe măsură ce ea creşte, scade concentraţia de biomasă şi creşte concentraţia substratului. Valoarea Ks’= 1 reprezintă un caz important deoarece în această situaţie constanta Michaelis-Menton Ks este egală cu concentraţia substratului din influent, conform mărimilor adimensionale definite anterior.
Dacă se menţine constantă Ks se observă că pe măsură ce μm’ creşte, scade concentraţia substratului şi creşte concentraţia biomasei.
Din figurile 4..7 se observă că prin introducerea factorului hidrodinamic şi de transfer( ; ) concentraţia substratului este mai mică pentru acelaşi timp t’. Reducerea concentraţiei substratului la o anumită valoare are loc într-un interva de timp mai scurt pe măsură ce creşte valoarea factorului hidrodinamic. La depăşirea valorii de concentraţia substratului devine negativă, ceea ce nu are sens fizic, deci valorile reale care pot caracteriza acest nou parametru introdus trebuie să fie subunitare.
Corelarea factorilor hidrodinamici cu cei biochimici prin considerarea unui termen de influenţă dependent de echipamentul de oxigenare permite: optimizarea procesului de epurare biologică ; obţinerea unor importante economii a costurile de investiţie ; reducerea consumurilor energetice ;
Prin introducerea acestui termen, pe care l-am numit factor hidrodinamic şi de transfer, în ecuaţiile de cinetică biologică, se observă că procesul biologic are loc în timpul de retenţie, aşa cum este şi în realitate, ceea ce înseamnă ca fenomenul este bine modelat.
15
Tehnologii noi în epurarea apelor uzateTehnologii de reţinere a fosforului şi azotului
Generalităţi
16
Seminarul ştiinţific organizat de către U.T.C.B şi A.R.A are ca scop întrunirea specialiştilor din ţară şi străinătate care să dezbată unele probleme deosebit de importante pentru ţara noastră în ceea ce priveşte domeniul epurării apelor uzate şi anume: ,,Tehnologii pentru reţinerea azotului şi fosforului din apele uzate şi necesitatea dezinfectării apelor epurate”.
Pregătirea seminarului s-a concretizat în 34 lucrări care au fost editate sub forma unui volum de comunicări ştiinţifice.
Având în vedere numărul important de comunicări şi specificul diferit al problemelor abordate, în cadrul seminarului s-au întocmit 3 referate de sinteză axate pe probleme de eliminare a azotului, a fosforului şi de dezinfecţie a apelor uzate.
Fosforul, ca şi azotul reprezintă un element indispensabil vieţii, dar în anumite condiţii devine factor limitativ al dezvoltării algelor. În cazul în care cursurile de apă sunt îmbogăţite cu elemente nutritive constituite din carbon, fosfor şi azot au ca rezultat creşterea excesivă a algelor şi a plantelor acvatice, fenomen cunoscut sub denimirea de eutrofizare.
Apariţia proceselor de eutrofizare în cursurile de apă prejudiciază fauna acvatică, calitatea apei de alimentare pentru centrele populate, industriale şi agricole, cât şi activităţile recreative.
Gravitatea problemelor generate de excendentul de fosfor şi azot a condus la impunerea unor limitări severe ale concentraţiilor acestor poluanţi în efluenţii descărcaţi în receptori naturali.
Astfel prin normativul 91/271 al U.E. pentru fosfor se impun maxim 1-2 mg / l, iar prin N.T.P.A – 001/97 concentraţia maximă admisă la evacuare în receptorii naturali este de 1 mg/l.
Aceste concenraţii limită nu pot fi asigurate într-o staţie de epurare a apelor uzate unde se aplică procedee mecano-biologice convenţionale.
În acest sens, pe plan mondial cât şi în ţară se remarcă o preocupare deosebită legată de dezvoltarea de noi tehnologii de epurare avansată, în vederea obţinerii de efluenţi cu o calitate corespunzătoare standardelor în vigoare.
Tehnologii de reţinere a azotului
17
În referatul de sinteză,pe baza probelor de eliminare a azotului, se vorbeşte de noile tehnologii de reţinere a acestuia, iar unul din cele mai importante procese îl constituie cel de nitrificare-denitrificare.
Având în vedere problemele care sunt puse în discuţie şi nivelul la care s-a ajuns, multe lucrări prezintă unele aspecte comune legate de: provenienţa surselor de azot ; compoziţia apelor uzate în ceea ce priveşte azotul şi compuşii săi ; procesele, procedeele şi schemele tehnologice de bază privind nitrificarea
şi denitrificarea apelor uzate ; necesitatea reţinerii azotului ; efectele nocive ale azotului şi compuşilor săi asupra emisarilor şi
sănătăţii oamenilor.Ca urmare, în cele ce urmează, se vor reliefa numai aspecte principale
şi originale conţinute de fiecare comunicare în parte, astfel :1. Eliminarea compuşilor de azot din apele uzate orăşeneşti şi industriale
În lucrare se abordează eliminarea biologică a azotului din apele uzate industriale de la fabricarea drojdiilor.
Apele uzate industriale se caracterizează prin următoarele caracteristici, la evacuarea în reţeaua de canalizare:
conţinut ridicat de azot amoniacal ( 300…700 mg/l ) ; consum mare de oxigen pentru nitrificare ; decantare proastă în decantorul secundar datorită fluxului ascendent de
bule de azot generat de denitrificările spontane ; apele au caracter acid ( pH= 3,9…4,5 ) ; conţinut mare de substanţe organice biodegradabile ( CBO5 = 2000…
2400 mg/l ) ; conţinut ridicat de materii în suspensie ( 1200…1600 mg/l ).
S-au efectuat experimentări cu nitrificare biologică în bazine cu nămol activat şi cu precipitarea chimică a azotului prin intermediul ionilor şi rezultând un sediment greu solubil care poate servi ca îngraşământ în agricultură ( în acest fel staţia de preepurare beneficiază de lipsa nămolului ce trebuie tratat suplimentar ).
2. Unele aspecte asupra teoriei procesului de nitrificare-denitrificareÎn lucrare se fac aprecieri asupra :
caracteristicilor şi compoziţei apelor uzate menajere ; formele sub care se gaseşte azotul în apele uzate : 60% amoniac, 35%
azot organic, 5% nitriţi şi nitraţi.
18
eficienţei de reducere a compuşilor de azot în treapta mecanică şi mecano-biologică ;
bazele teoretice ale nitrificării şi denitrificării ; schemele tehnologice pentru eliminarea azotului ( predenitrificare, post-
denitrificare, schema combinată denitrificare- nitrificare- denitrificare ) ; elementelor de calcul şi algoritmului de proiectare în schema cu
predenitrificare, mai frecvent folosită.3. Procesele denitrificare şi denitrificare a apelor uzate
Lucrarea tratează următoarele aspecte : necesitatea reţinerii nutrienţilor şi efectelor negative ale acestora asupra
oamenilor şi mediului înconjurător ; se face o analiză detaliată a formelor sub care se gaseşte azotul în apa
uzată ; se prezintă bazele proceselor de nitrificare şi de denitrificare şi principalii
factori care influenţează aceste procese ; se arată şi se comentează principalele scheme tehnologice de epurare cu
nitrificare şi denitrificare ; se insistă şi în mod deosebit asupra efectelor azotului asupra mediului
înconjurător şi asupra sănătăţii oamenilor ;4. Poluarea cu azot amoniacal. Consecinţe şi soluţii
În scopul tratării apelor de suprafaţă pentru obţinerea apei potabile, autorii analizează cinetica reacţiei de neutralizare a azotului amoniacal în condiţii de poluare accidentală, în vederea stabilirii unei scheme de tratare corespunzătoare.
În acest scop s-a efectuat un studiu experimental utilizând o instalaţie pilot, în condiţiile simulării unei poluări cu NH4Cl.
În lucrare se arată provenienţa azotului şi a compuşilor acestuia în apele de alimentare pentru sănătatea oamenilor.
Autorii prezintă principalele metode de reducere a poluării surselor de apă, reactivii utilizaţi, alcătuirea instalaţiilor pilot, variante şi scheme experimentale analizate, precum şi rezultatele obţinute, interpretarea lor şi propunerile făcute privind filiera de tratare ce trebuie adoptată pentru înlăturarea efectelor unor poluări accidentale cu azot amoniacal.
Este de ştiut că aceste două metode de reţinere a fosforului şi azotului se pot utiliza atât separat cât şi împreună.
19
Tehnologii de reţinere a fosforului
Îndepărtarea fosforului din apele uzate se poate realiza prin :
20
procese chimice care se bazează pe precipitarea sărurilor de Fe, Al sau Ca, folosindu-se în acest scop clorura ferică ( ), sulfatul de aluminiu ( ) sau amestecul unor săruri de fier şi aluminiu.
Procesele biologice care se bazează pe acumulareapolfosfaţilor în nămolul activat şi utilizarea în metabolismul de creştere a microorganismelor. Aceste procese sunt cunoscute în literatura de specialitate sub denumirea de ,, adsorbţie biologică de lux“.
Tehnologiile de îndepărtare a fosforului bazate atât pe procese chimice sau biologice pot fi asociate cu cele de îndepărtare a azotului prin procese biologice de nitrificare-denitrificare şi se pot desfăşura în construcţii separate sau cuplate prin funcţionare simultană sau alternativă.
În acest sens, în lucrarea intitulată ,,Unele consideraţii cu privire la reţinerea azotului şi fosforului din apele uzate menajere“, colectivul de elaboratori de la Universitatea Politehnică din Timişoara prezintă 8 scheme de epurare biologică avansată pentru îndepărtarea azotului şi fosforului din apele uzate menajere, care pot fi grupate astfel : 2 scheme pentru nitificare-denitrificare şi defosforizare biologică
realizabile în instalaţii distincte ; o schemă de nitificare-denitrificare şi defosforizare biologică realizabilă
într-o instalaţie compactă ; 3 scheme cu post-denitrificare şi predenitrificare în una sau două trepte,
în care se realizează şi îndepărtarea fosforului prin precipitare cu reactivi chimici ;
2 scheme pentru nitificare-denitrificare cu sau fără adaos de sursă suplimentară de carbon ( metanol ) ;
Pentru alegerea schemelor tehnologice sunt necesare studii tehnico-economice. Este prezentată spre exemplificare o schemă tehnologică a unei staţii de epurare pentru o localitate de cca 200000 locuitori prevăzută cu nitificare-denitrificare şi defosforizare.
Prin tehnologia propusă se realizează eficienţe de îndepărtare a azotului total de până la 96.6% , iar a fosforului total de până la 97.5% .
De asemenea în lucrarea ,,Tendinţe actuale în adoptarea tehnologiilor de reţinere a compuşilor pe bază de azot şi fosfor din apele uzate orăşeneşti“, se prezintă unele aspecte privind aplicarea tehnologiilor de reţinere pe cale bilogică a nutrienţilor la staţii de epurare din partea estică a Canadei respectiv la staţia Penctincton şi West Bank unde se obţin rezultate foarte bune în privinţa calitătii efluenţilor şi anume concentraţii sub 6 mg/l azot total şi respectiv sub 0.25 mg/l fosfor.
21
Tehnologii noi de epurarea a apelor uzate
Având în vedere că în România staţiile de epurare şi tehnologiile prezente sunt vechi, ele trebuiesc îmbunătăţite şi introduse tehnologii noi
22
care să purifice apa cât mai mult posibil. Unele dintre aceste noi tehnologii sunt menţionate în următoarele lucrări :
STUDIU PE INSTALAŢIE PILOT PRIVIND EPURAREA BIOLOGICĂ CU NITRIFICARE-DENITRIFICARE A APELOR UZATE MENAJERE DIN MUNICIPIUL TÂRGU-MUREŞ.
În lucrare se prezintă unele din cele mai utilizate tehnologii pentru eliminarea pe cale biologică a fosforului şi azotului din apele uzate şi anume: tehnologia Wuhrman care are la bază schema de post-denitrificare ; tehnologia Ludzack-Ettinger, bazată pe schema de predenitrificare ; tehnologia MLE (Ludzack-Ettinger modificată) care introduce în schema
cu predenitrificare recircularea internă a lichidului din zona aerată în zona anoxică ;
tehnologia A2O sau Kruger, care suplimentează tehnologia MLE cu un bazin anaerob situat în amonte, care are rolul de a reţine fosforul şi compuşii acestuia pe cale biologică ;
tehnologia UTC (University of Cape-Town) care introduce faţă de tehnologia A2O recircularea lichidului din zona anoxică în zona aerobă, în scopul minimizării alimentării zonei anaerobe cu azotaţi şi pentru favorizarea procesului de defosforizare.
Alte două noi tehnologii de epurare avansată sunt : sistemul ,,SHARON“ prin care se promovează nitrificare la nitrit în loc
de nitrat cu realizarea proceselor la temperaturi ridicate. Acest sistem a fost dezvoltat la Delf University of Tehnology şi a fost pus în aplicare la staţii de epurare din Olanda respectiv la Rotherdam, Utrecht, Amsterdam şi în Belgia.
Sistemul 3-S (,,Three sludge process“) testat la scară pilot cu rezultate foarte bune privind calitatea efluentului epurat.
Sistemul 3-S cuprinde trei trepte de epurare, în care prima treaptă este constituită dintr-un bazin cu nămol activ de mare încărcare unde se asigură reducerea CCO şi îndepărtarea pe cale biologică a fosforului, urmat de un bazin de decantare. Celelalte două trepte sunt constituite din două bazine în care sunt creeate condiţiile pentru realizarea nitrificării şi denitrificării. Aceste bazine sunt bazine cu biomasă fixată. Sistemul este avantajos din punct de vedere tehnico-economic.
Rezultatele experimentale privind îndepărtarea fosforului şi azotului din apele uzate menajere obţinute într-o instalaţie pilot de epurare avansată realizată la Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Protecţia Mediului-ICIM Bucureşti care prevede un sistem de epurare biologică cu nămol activ, fără sursă suplimentară de carbon, în care se realizează o
23
alternanţă a condiţiilor anaerobe, anoxe, aerobe, sunt prezentate în lucrarea elaborată de dr. ing. C.A.L. Negulescu, chim. Anica Ilisescu, chim. Maria Negoianu şi ing. Sevăstiţă Vraicu.
Sunt evidenţiate eficienţe de 84.3% pentru îndepărtarea fosforului şi de 82.5% de îndepărtare a azotului obţinute în condiţiile unui debit influent de 0.5 m3/h.
Din punct de vedere calitativ, efluentul epurat se înscrie în prevederile actelor de reglementare în vigoare din ţară, respectiv N.T.P.A. 001/97.
Îndepărtarea azotului şi fosforului din apele uzate prin utilizarea unui procedeu combinat de decantare/îngroşare la mare viteză, cu biofiltrarea în flux ascendent este prezentată în lucrarea domnului Jean-Claude Bourdelot din Degremond-Franţa.
Procedeul poate fi aplicat în diverse variante tehnologice şi anume : îndepărtarea fosforului în treapta primară prin procedee fizico-chimice,
prin folosirea decantoarelor lamelare-Densadeg TGV ; îndepărtarea azotului în reactoare biologice cu peliculă fixată – BIOFOR.Reactoarele sunt prevăzute pentru nitrificare si denitrificare.Rezultatele obţinute pe instalaţii pilot sau pe o instalaţie la scară naturală evidenţiază că efluenţii epuraţi au un conţinut de azot şi fosfor care se încadrează în normele U.E.
Utilizarea echipamentului Aqua Turbo pentru îndepărtarea biologică a nutrienţilor
Lucrarea prezintă o parte din gama de produse Aqua Turbo, care, singure sau în diverse combinaţii se prestează la creşterea condiţiilor anaerobe, anoxice şi aerobe.
Aceste condiţii permit realizarea schemelor de epurare dorite pentru îndepărtarea pe cale biologică a nutrienţilor.
Se prezintă de asemenea, reactorul cu funcţionare secvenţială (SBR) dotat cu echipamente Aqua Turbo.
Se arată ce condiţii trebuie să îndeplinească echipamentele utilizate în procesele de nitrificare/denitrificare, avantajele echipamentelor Aqua Turbo, beneficiile obţinute prin utilizarea aeratoarelor, mixerelor şi echipamentelor mixte de aerare-mixare Aqua Turbo.
Cascada de separare NDN, un pas important către nitrificarea şi denitrificarea avansată
Din lucrare trebuie evidenţiate următoarele aspecte : nitrificarea şi denitrificarea sunt procese scumpe. Tehnologiile avansate
realizează o reducere importantă a costurilor, o calitate foarte bună pentru efluentul epurat şi stabilitatea proceselor de epurare ;
24
metoda se bazează pe optimizarea tehnicii de cascadă (intensificând condiţiile de reacţie) şi pe o treaptă finală de separare prin flotare cu bule fine, care conduc la o concentraţie de nămol activat mai ridicată, deci la bazinul de aerare mai reduse ca volum ;
metoda se aplică, de asemenea, la retehnologizarea staţiilor de epurare existente ;
metodele din ATUA 131 conduc la bazine de aerare mari şi scumpe ; ecranele de separare a zonelor aerate de cele anoxice permit realizarea de
concentraţii mari ale nămolurilor activate din zonele aerate şi deci micşorarea volumelor bazinelor de aerare.
Sistemul NitroStrip al firmei Preussag, poate fi o soluo soluţie profitabilă şi eficientă în problema încărcării cu azot reintrodus în procesul de epurare prin supernatantul provenit de la tratarea nămolurilor.
În lucrare se arată următoarele :Supernatantul rezultat din tratarea nămolurilor stabilizate încarcă
staţia de epurare în special cu amoniu. Efectele negative sunt : consumul crescut de energie ; necesitatea unei denitrificări suplimentare ; necesitatea unui volum mai mare pentru bazinele de aerare ; reduce stabilitatea proceselor de epurare biologică din staţia de epurare. De aceea, încărcarea suplimentară cu amoniu adusă de supernatant nu trebuie neglijată.
Sistemul NitroStrip este un proces de stripare a amoniului la amoniac prin purificarea acidă a aerului evacuat.
Pretratarea supernatantului constă în mai multe trepte de precipitare, floculare alcalină, urmate de sedimentare.
În acest proces azotul amoniacal se transformă în amoniac într-o pondere mai mare de 99%. Amoniacul este stripat în continuare într-o instalaţie specială în care superatantul este introdus pe la partea superioară a coloanei şi distribuit uniform pe suprafaţa transversală a coloanei. Aerul, introdus în contracurent în coloană, se va îmbogăţi cu amoniac, asigurând eliminarea amoniului din supernatantcu peste 96%.
Avantajele sistemului sunt : unitate compactă cu un necesar scăzut de spaţiu ; timp redus de instalare ; adaptare minimă la staţiile existente ; costuri minime de exploatare şi întreţinere ; exploatare complet automată ; capacitate flexibilă ; îmbunătăţirea raportului C/N a influentului epurării biologice ;
25
stabilitatea procesului de epurare mai mare ; reducerea consumului de energie pentru aerare ; îmbunătăţirea eliminării fosforului .
Bibliografie
Eckenfelder, W.W.Oconnor, D.J : ,,Biological wastewater treatment“, Ed. Pergamon Press, New York, 1961 ;
Negulescu M. : ,,Epurarea apelor uzate orăşeneşti“, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1971 ;
26
Robescu Dan, Robescu Diana : ,,Procedee, instalaţii şi echipamente pentru epurarea avansată a apelor uzate“, Ed. Bren, 1999 ;
Stoianovici Şerban, Robescu Dan : ,,Procedee şi echipamente pentru tratarea şi epurarea apei“, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1982 ;
Vaicum, L.M. : ,,Epuarea apelor uzate cu nămol activ“, Ed. Academiei, Bucureşti, 1981 ;
Seteanu Ion, Robescu Diana : ,,Modelarea cineticii procesului de epurare biologică a apelor uzate cu nămol activ“, al VII-lea Simpozion ,,Tehnologii, instalaţii şi echipamente pentru îmbunătăţirea calităţii mediului“, Bucureşti, 9-13 noiembrie 1998 ;
Seteanu Ion, Robescu Diana : ,,Simulation of bological wastewater treatment“,al VII-lea Simpozion ,,Tehnologii, instalaţii şi echipamente pentru îmbunătăţirea calităţii mediului“, Bucureşti, 9-12 noiembrie 1999 ;
Robescu Diana : ,,Similitudinea generală proceselor de epurare biologică a proceselor de epurare biologică a apei uzate“, ,,Lucrările primei conferinţe a hidroenergeticienilor din România“, volumul II, Bucureşti, 26-27 mai 2000 ;
Manescu Al., Sandu M. Ianculescu : ,,Alimentări cu apă“, Ed. Didactică şi Pedagogică, 1994 ;
27
