epurarea procese-biologice

13.05.10lector dr. RaduMIHĂIESCU1

PROCESE BIOLOGICE


Epurarea biologică

epurarea realizată cu ajutorul microorganismelor

degradarea substanţelor organice dizolvate cu ajutorul microorganismelor–bacterii – folosite drept agenţi de oxidare

se desfăşoară prin reacţii de descompunere şi de sinteză, mijlocite de enzime, catalizatori biologici generaţi de către celulele vii.


Reacţii enzimatice - etape

În primă fază, între moleculele de enzimă şi de substanţă utilizată ca hrană (substrat) se formează complecşi care, în faza următoare, se descompun eliberând produsul (sau produşii) de reacţie şi enzima regenerată, care poate acţiona succesiv asupra unor noi molecule de substrat.


Epurarea biologică

se realizează pe baza unui transfer de materiale dinspre apă spre celulele vii şi dinspre acestea înapoi spre masa de apă.

În prima fază, impurităţile trec din apa uzată spre filmul, flaconul sau alte forme sub care apare masa de microorganisme (biomasă) prin contactul interfacial şi prin procese de adsorbţie - desorbţie.

Acest transfer este cu atât mai eficient cu cât aria interfeţei lichid-biomasă este mai mare, gradientul de concentraţie este mai pronunţat şi dacă pe interfaţă nu sunt acumulări de substanţe care pot frâna procesul.


Epurarea biologică

Substanţele de la interfaţă sunt adsorbite şi transferate în prezenţa enzimelor din celula vie.

Drept rezultat sunt sintetizate celule noi, iar produşii finali de descompunere trec înapoi în apă, de unde cei volatili se degajă în atmosferă.

În procesele de epurare substanţele organice sunt oxidate, în sensul general şi îşi micşorează conţinutul de hidrogen.


Procese metabolice

Procese aerobe, folosind oxigen dizolvat

Procese anoxice, folosind reducerea biologică a donorilor de oxigen

Procese anaerobe, fără furnizare de oxigen

Tabelul 1 Parametrii specifici ai proceselor

Parametru Proces

anaerob anoxic aerob

Oxigen dizolvat mg/l 0 0 >0

Consum de energie scăzut Scăzut ridicat

Producere de şlam scăzut ridicat ridicat

Sensibilitate la substanţe toxice

ridicat scăzut Scăzut

Eficienţa îndepărtării COD <85% Variabil, depinzând de nitrificare

>85%

Eficienţa îndepărtării azotului

0 45 -90% (necesară nitrificarea în prima etapă)

0

Potrivit pentru pretratare Da Da Da

Potrivit pentru tratare în ultima etapă

Nu Nu Da


Procese aerobe

Microorganismele implicate necesită pentru metabolism (ansamblul proceselor vitale de asimilare a unor substanţe din mediul înconjurător şi la eliminare a produselor de dezasimilare în mediu) oxigen.

În mod normal, necesarul de oxigen este acoperit de oxigenul molecular dizolvat în apă, prezent în proporţie foarte mică (0,8% vol.) faţă de cea de aer (21% vol.). Aceasta face mediul acvatic foarte sensibil la nevoile de oxigen ale microorganismelor, în sensul că poate deveni cu uşurinţă deficitar în oxigen.

Principalele produse finale ale degradării aerobe sunt bioxidul de carbon, apa, nitraţii.


Procese anaerobe

În absenţa oxigenului dizolvat, organismele aerobe mor, eventual trec în forme latente, iar locul lor este luat de organismele anaerobe sau facultativ anaerobe care folosesc oxigenul din materia organică sau din unele combinaţii anorganice, de exemplu din nitraţi şi din sulfaţi cu formare de amoniac, respectiv de hidrogen sulfurat.

Cei mai importanţi produşi de descompunere anaerobă sunt bioxidul de carbon şi metanul.

Figura 1. Bilanţul de carbon în compuşii organici de degradare

microbiologică aerobă (A) şi anaerobă

(B)


Capacitatea de epurare a unei instalaţii biologice depinde de masa de microorganisme (biomasă) pe care o conţine.

Ea este limitată de cantitatea de poluanţi care poate fi asimilată de unitatea de biomasă în unitatea de timp. De aceea, cantitatea de poluanţi organici aplicată în unitatea de timp unităţii de biomasă (încărcarea organică) este la rândul său limitată.


Atât în procesele aerobe cât şi în cele anaerobe înmulţirea microorganismelor determină formarea de biomasă nouă (nămol excedentar), care este unul dintre produsele concentrate ale epurării biologice.

Ambele tipuri de procese se aplică pentru epurarea apelor uzate în mai multe variante.


Biodegradabilitatea fluxului de apă reziduală poate fi, în mod empiric, estimată cu ajutorul raportului BOD/COD (înaintea începerii tratării):BOD/COD <0,2 apă reziduală relativ

nedegradbilăBOD/COD 0,2-0,4 degradabilă

moderatBOD/COD >0,4 degradabilă


Procese aerobe

Tratamentul aerob reprezintă oxidarea biologică a substanţelor organice dizolvate cu oxigen ce utilizează metabolismul microorganismelor. În prezenţa oxigenului dizolvat – injectat ca aer sau oxigen pur – compuşii organici sunt transformaţi (mineralizaţi) în dioxid de carbon, apă sau alţi metaboliţi şi biomasă, nămolul activ. Conţinutul apei uzate toxice poate inhiba procesul biologic.

Tabelul 2. Praguri de concentraţie pentru substanţele reprezentative toxice pentru nămolul activ

Substanţa Concentraţia inhibitoaremg/l

Cadmiu (Cd2+ ) 2 – 5

Bicromat(CrO42- ) 3 – 10

Cupru (Cu2+ ) 1 – 5

Nichel (Ni2+ ) 2 – 10

Zinc (Zn2+ ) 5 – 20

Clor (Cl2) 0,2 – 1

Cianură (CN-) 0,3 – 2

Uleiuri minerale > 25

fenoli 200 – 1000

Hidrogen sulfurat/sulfuros 5 - 30


Epurarea biologică aerobă

În practică, se realizează în incinte deschise, construcţii în care biomasa este fie suspendată în apă sub formă de agregate de microorganisme (flocoane), fie este fixată pe suprafaţa unui suport solid sub forma unei pelicule gelatinoase.

În ambele cazuri, sistemele sunt aprovizionate cu oxigen, de obicei din aer.

Fig. 2. Bilanţul carbonului organic în epurarea biologică


În fig. 2 este prezentat bilanţul carbonului din poluanţii organici într-un sistem de epurare biologică aerobă.

Concomitent cu asimilarea combinaţiilor organice ale carbonului, microorganismele acţionează şi asupra compuşilor cu azot. Astfel, azotul din substanţele organice este transformat treptat în amoniac, azotiţi şi azotaţi (nitrificare) şi final în azot molecular (denitrificare).


Tehnicile uzuale aerobe

Procesul complet cu amestec de nămol activ

Proces cu biorector cu membrană Proces de filtrare cu stropire şi

percolare Proces cu pat extins Proces cu biofiltru cu pat fix

Fig. 3. Schema unei instalaţii de epurare biologică prin procesul cu nămol activ


În linii mari, apa uzată (de obicei eliberată în prealabil de impurităţi nedizolvate) este introdusă în bazinul de aerare care conţine o suspensie de flocoane biologice (nămol activ) şi în care se administrează oxigenul necesar respiraţiei.

Debitul oxigenului introdus (mai frecvent prin aerare şi mai rar prin folosirea oxigenului tehnic) depinde de cantitatea de biomasă din sistem şi de debitul poluanţilor organici care trebuie degradaţi (în mod obişnuit se asigură 1,0-1,5 kg oxigen pentru 1 kg CBO5 îndepărtat).


Pe măsura admisiei de apă uzată, suspensia din bazinul de aerare trece dintr-un decantor secundar, unde biomasa este separată prin decantare, iar lichidul limpezit (apa epurată) este evacuat din sistem.

O parte din biomasa sedimentată, corespunzătoare vitezei de înmulţire a microorganismelor, este eliminată din sistem, dar cea mai mare parte este readusă în bazinul de aerare (nămolul de recirculare).

Concentraţiile obişnuite de biomasă (exprimate în s.u.) în bazinul de aerare sunt cuprinse între 0,6 şi 4 kg/mc, iar în evacuarea de fund a decantorului secundar între 5 şi 20 kg/mc.

Încărcarea cu poluanţi organici (exprimată în CBO5) aplicată nămolului activ (s.u.) este cuprinsă, în practică, între 0,05 şi 2 kg/kg zi.


În procesul cu nămol activ se aplică mai multe variante, între care se menţionează: varianta epurării clasice, în care apa uzată, împreună

cu nămolul recirculat parcurge pe lungime un bazin rectangular, modificându-şi treptat conţinutul de poluanţi de la capătul amonte până la cel din aval al bazinului;

variantele în care apa uzată şi nămolul recirculat sunt distribuite uniform în întregul bazin de aerare şi în care compoziţia este practic aceeaşi în orice punct din bazin, inclusiv în amestecul evacuat spre decantorul secundar;

varianta distribuţiei în trepte a încărcării organice din nămol şi apă;


În procesul cu nămol activ se aplică mai multe variante, între care se menţionează: varianta numită cu sterilizare de contact, în care

nămolul evacuat din decantorul secundar este supus oxigenării într-un bazin separat (de „regenerare“) înainte de a fi amestecat cu apa uzată în condiţii de încărcare organică ridicată;

varianta de aerare prelungită sau oxidare totală este caracterizată prin exploatarea sistemului de aerare la încărcări organice foarte scăzute, în dorinţa de a obţine un grad ridicat de epurare şi micşorarea sau chiar anularea producţiei de nămol excedentar (acest ultim deziderat s-a dovedit practic irealizabil).


O variantă constructivă a procesului cu nămol activ, recomandată pentru debite mici de ape uzate cu poluanţi organici uşor asimilaţi de microorganisme (unităţi de industrie alimentară, industrie uşoară, unităţi zootehnice mici etc.) este şanţul de oxidare, la care bazinul de aerare este un canal, realizat direct în pământ (având pereţii şi fundul protejaţi de eroziune) şi unde aerarea se realizează, de regulă, cu aeratoarele mecanice cu ax orizontal.


O altă variantă de epurare aerobă cu cultură floculată de microorganisme, în care nu se realizează decantarea secundară şi deci recircularea biomasei, o reprezintă iazurile biologice care sunt exploatate la încărcări organice (CBO5, raportate la volum) mici de cca. 0,001 kg/mc zi (cca. 50 kg/ ha zi).


Epurarea biologică aerobă în sisteme cu biomasă fixată sub formă de peliculă pe un suport solid

se realizează, de asemenea, în mai multe variante, dintre care cea mai uzuală o constituie filtrele biologice.

Acestea constau din bazine prevăzute la fund cu un radier drenant, care sunt umplute cu material filtrant cu suprafaţă specifică (aria suprafeţei exterioare raportată la unitatea de volum) cât mai mare.

Ca material filtrant (suport pentru peliculă) se folosesc, de ex. bucăţi de rocă (granit, tufuri vulcanice etc.) concasată sau de ceramică la dimensiuni între 50 şi 80 mm, sau materiale filtrante din alte materiale (mai ales din mase plastice cu care se pot atinge suprafeţe specifice în jur de 100 mp/mc).

În cazul materialelor filtrante grele, înălţimea acestora este între 1 şi 2 m; în cazul celor mai uşoare (mase plastice) se realizează înălţimi mai mari (5 m sau mai mult).


Epurarea biologică aerobă în sisteme cu biomasă fixată sub formă de peliculă pe un suport solid

Construcţia este astfel realizată încât aerul să aibă acces în materialul filtrant prin tiraj natural sau forţat.

Pe faţa superioară a materialului filtrant este distribuită apa uzată (eliberată în prealabil de suspensii) care se prelinge pe suprafaţa granulelor materialului filtrant, fiind colectată apoi sub radierul drenant.

Încărcările hidraulice aplicate sunt de 1-5 mc/mp zi la biofiltrele de mică încărcare şi de circa 10 ori mai ridicate la cele de mare încărcare.

După un anumit timp de la începerea alimentării cu apă uzată, pe suprafaţa materialului filtrant se formează o peliculă gelatinoasă de microorganisme care elimină poluanţii organici din apă utilizând pentru respiraţie oxigenul din aer. Încărcările cu poluanţi organici (CBO5) aplicate sunt cuprinse între 0,1 şi o,4 kg/zi la 1 mc material filtrant ajungând până la circa 5 kg/mc zi la filtrele biologice de mare încărcare.


Reactoarele biologice rotative

variantă de sistem de epurare aerobă cu masa biologică fixată pe o supr. solidă, la care suportul solid sub forma unui tambur cu supr. specifică mare, imersat până sub ax într-o cuvă străbătută continuu de apa uzată, este menţinut într-o mişcare de rotaţie lentă (câteva rot/min).

Prin aceasta, la fiecare rotaţie, elementele supr. suportului pătrund în apă şi apoi revin în aer, ceea ce asigură contactul peliculei biologice, formate pe supr. suportului, atât cu poluanţii din apa uzată cât şi cu oxigenul atmosferic.

Apa uzată este trecută continuu prin cuvă cu un debit coresp. unei încărcări cu subst. organice (CBO5) cuprins între 0,01 şI 0,03 kg/zi la 1 mp supr. de umplutură; aceasta revine la o încărcare volumetrică de 1-3 kg/mc zi.

În aceste condiţii se realizează eficienţe de epurare de 70-90%.


Procesul cu biorector şi membrană o combinaţie a tratamentului cu nămol activ şi separare

cu membrane este un proces utilizat pentru apa uzată industrială şi

urbană. Există diferite variante ale acestui proces:

ciclul extern de recirculare între rezervorul de nămol activ şi modulul de membrane

imersia modului membrană în rezervorul cu nămol activ aerat, unde efluentul este filtrat printr-o membrană fibroasa găurita, biomasa rămânând în rezervor; această variantă consumă mai puţină energie şi se utilizează în instalaţii mai compacte.

Aceste variante împreună cu procesul de nămol activ convenţional sunt prezentate în Fig. 4.

Figura 4. Variante de bioreactor cu membrană,

comparativ cu procesul de nămol activ

convenţional


Un bioreactor cu membrană reprezintă o facilitate compactă (până la de 5 ori mai compact decât o instalaţie convenţională cu nămol activ, modulul membranei înlocuind rezervorul de decantare) acesta producând mai puţin exces de nămol.

Ca dezavantaj, consumul de energie poate fi semnificativ mai mare decât la procesele convenţionale cu nămol activ, datorită pompării.


Procesul de filtrare prin picurare sau percolare

microorganismele sunt ataşate de un mediu foarte permeabil prin care apa uzată va picura – sau percola.

Mediul de filtrare constă dintr-o rocă sau diferite tipuri de plastic.

O imagine schematică este ilustrată în Fig. 5. Lichidul este colectat într-un sistem de drenaj

subteran şi trimis către un rezervor de sedimentare iar o parte din lichid este recirculat pentru a dilua rezistenţa apei uzate.

Figura 5. Imaginea schematică a filtrului picurător Q: Apa uzată

QR: Apa recirculată


Procesul cu pat extins

funcţionează ca tratarea anaerobă cu distincţia că aerul sau oxigenul este introdus iar bacteria aerobă (în loc de anaerobă) este fixată în biofilm.

Avantajul acestei versiuni a tratamentului aerob este reducerea necesarului de spaţiu cu aceeaşi performanţă.


Procesul cu biofiltru cu pat fix debitul de apă uzată este tratat când trece

prin biofilm; substanţele solide suspendate sunt reţinute

în filtru, din care sunt spălate în contra-curent cu regularitate.

Această tehnologie (cu o randament ridicat pe volum şi cu renunţarea la decantorul secund şi fără miros) a fost dezvoltată ca alternativă compactă la procesul convenţional cu nămol activ (vezi Figura 6).

Figura 6: Procesul cu biofiltru comparativ cu procesul convenţional cu nămol activ


Tratamentul aerob al apei uzate reprezintă în general etapa finală biologică.


Procese anaerobe

Epurarea anaerobă a apelor uzate se realizează în incinte închise (bazine de fermentare) ferite de accesul oxigenului care inhibă activitatea microorganismelor anaerobe.


Procese anaerobe

Tratamentul anaerob al apei reziduale transformă conţinutul organic al apei reziduale, cu ajutorul microorganismelor şi fără input de aer, într-o varietate de produse precum metanul, dioxidul de carbon, sulfura etc.

Biogazul constă în 70% metan, 30% dioxid de carbon şi alte gaze precum hidrogenul şi hidrogenul sulfurat.

Procesul are loc în reactorul rezervor etanş la aer, microorganismele sunt reţinute în rezervor ca biomasă (nămol).


Procese anaerobe

Epurarea anaerobă a apelor uzate poate fi intensificată prin ridicarea temperaturii în bazinul de fermentare la valori de 20 - 40°C (domeniul mezofil) sau mai mari, de 45 - 60°C (domeniul termofil), dar poate avea loc şi la temperaturi de 10 - 20°C (domeniul criofil).


Procese anaerobe

Epurarea anaerobă a apelor uzate prezintă faţă de cea aerobă avantaje mai ales din punct de vedere energetic, întrucât treapta de aerare, mare consumatoare de energie electrică, este eliminată, iar din descompunerea poluanţilor organici rezultă gaze de fermentare combustibile (datorită conţinutului ridicat de metan) care pot servi la acoperirea unor nevoi de energie din staţia de epurare.

Pe de altă parte, producţia de nămol excedentar este nulă şi neînsemnată, prin aceasta evitându-se cheltuielile legate de evacuarea finală a unor astfel de nămoluri.


Procese anaerobe

Şi la epurarea anaerobă a apelor uzate se utilizează variante cu masa biologică, fie sub formă de suspensie, fie sub formă de peliculă fixată pe un suport solid.


Există mai multe tipuri de reactoare disponibile.

reactorul anaerob de contact reactorul cu strat de namol anaerob

cu flux ascendent reactorul cu pat fix reactor cu pat extins.


Procesul anaerob de contact apa uzată este agitată cu suspensia de

microorganisme în bazinul de fermentare şi amestecate într-un reactor etanş,

amestecul de nămol/apă uzată este separat extern (sedimentare sau flotaţie în vid) iar partea plutitoare (supernatantul) este deversată către un tratament ulterior.

Nămolul anaerob sedimentat este recirculat în reactor.

O imagine schematică este prezentată în figura 7.

Figura 7. Procesul de contact anaerob


Procesul cu flux ascendent apa uzată este introdusă pe la baza

reactorului, de unde curge ascendent printr-un strat de nămol format din granule sau particule formate biologic.

Gazele produse determină amestecarea cantităţii de apă uzată.

Apa uzată trece într-o cameră de sedimentare unde conţinutul solid este separat iar gazele sunt colectate în vârful reactorului.

Principiul este ilustrat în figura 8.

Figura 8: Reprezentarea schematica a procesului cu flux ascendent

a) intrare nămol–lichidb) filtru de gaz

c) nămolul sedimentat se întoarce spre intrare


Procesul cu pat fix sau anaerob

apa uzată curge ascendent sau descendent (în funcţie de conţinutul de solide din influent) printr-o coloană cu tipuri variate de substanţe solide pe care microorganismele anaerobe cresc şi sunt reţinute.


Procesul cu pat extins

apa uzată este pompată ascendent prin stratul unui mediu adecvat (nisip, cărbune, polietenă, etc.) pe care s-a dezvoltat un strat biologic în formă de biofilm.

Efluentul este recirculat pentru a dilua fluxul de apă uzată şi pentru a furniza un flux adecvat menţinrii stratului-pat într-o condiţie extinsă.

Excesul de biomasă este îndepărtat de la suprafaţă şi tratat după bioreactor. Acolo nu mai este necesară o recirculare de nămol, purtătorul biofilmului asigurând o concentraţie ridicată a biomasei în interiorul reactorului.

Pentru creşterea eficienţei tratamentului anaerob a fost introdusă o variantă în două etape (Fig. 9).


Figura 9


Procese anaerobe

Prin pot fi obţinute grade de îndepărtare din apă a poluanţilor organici (măsuraţi prin CBO), cuprinse între 50 şi 90% la încărcări organice care uneori pot să le depăşească pe cele realizate la instalaţiile de epurare aerobă, ceea ce duce la scăderea cheltuielilor de investiţii.

Experienţa a demonstrat că procesele de epurare anaerobă, mai ales ultimele două variante, pot fi aplicate şi apelor uzate cu conţinut relativ scăzut de poluanţi organici. În acest fel, epurarea anaerobă poate asigura în multe cazuri îndepărtarea înaintată a substanţelor organice fără a mai fi necesară asocierea unei trepte finale de epurare biologică aerobă.

Procesele anaerobe se aplică pentru epurarea apelor uzate din zootehnie, industria alimentară, industria textilă şi a pielăriei, precum şi anumitor ape uzate din industria chimică.

Figura 10: Exemplu de epurare Mecanică-Biologică-Chimică

Fig. 11. Instalaţie de tratare biologică în mai multe etape, folosită într-o fabrică de bere

Fig. 12. Proces anaerob cu reactor strat de namol

Fig. 13. Biologie aerobă

Fig. 14. Instalaţie de tratare anaerobă de contact biologic

epurarea procese-biologice

Documents