minescu elena-anca - rezumat

Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREŞTI

Facultatea de Hidrotehnică

TEZA DE DOCTORAT (rezumat)

Stații de epurare compacte

Doctorand

Ing. Anca MINESCU Conducător științific

Prof.univ.dr.ing. Marin SANDU

BUCUREŞTI 2011

Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREŞTI

Facultatea de Hidrotehnică

Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe întreaga perioadă a stagiului de pregătire doctorală de bursă atribuită prin proiectul „Burse doctorale pentru ingineria mediului construit”, cod POSDRU/59/1.5/S/2, beneficiar UTCB, proiect derulat în cadrul Programului Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane, finanţat din Fondurile Structurale Europene, din Bugetul naţional şi cofinanţat de către UTCB.

TEZA DE DOCTORAT (rezumat)

Stații compacte de epurare

Doctorand

Ing. Anca MINESCU Conducător științific

Prof.univ.dr.ing. Marin SANDU

BUCUREŞTI 2011

PREFAȚĂ

Lucrarea cu titlul „Stații de epurare compacte” a apărut dintr-o necesitate obiectivă

privind epurarea apelor uzate din comunităţile cu un număr mic de locuitori. Atenţia acordată

calităţii mediului şi noile cerinţe, din ce în ce mai restrictive, atât cu privire la emisiile de

substanţe poluante, cât şi la controlul acestora, impune ca aceste staţii compacte să realizeze

parametrii ceruți pentru evacuarea apelor uzate conform normativelor în vigoare.

Lucrarea are la bază sinteza cercetărilor efectuate pe plan mondial privind procesele de

nitrificare, denitrificare şi eliminarea fosforului din apele uzate precum şi cercetările “in situ”

efectuate pe o instalație pilot de capacitate N= 4 – 6 L.E.

Cercetările și experimentările efectuate au fost posibile datorită firmelor Apa Nova,

Danex și Hach Lange. Doresc să le mulțumesc în acest sens.

Doresc să îmi exprim mulţumirea şi recunoştinţa faţă de domnul prof. univ. dr. ing.

Marin SANDU care mi-a oferit un sprijin deosebit pe parcursul elaborării tezei de doctorat.

Mulţumesc membrilor catedrei de Inginerie Sanitară și Protecția Apelor pentru sprijinul

acordat pe parcursul elaborării tezei de doctorat.

Aș dori să mulțumesc în mod deosebit colegelor mele Mihaela Frățilescu, Mihaela Păun

și Violeta Păun pentru sprijinul moral acordat pe toata durata stagiului de pregătire și cercetare

doctorală.

Mulțumesc familiei și prietenilor apropiați pentru înțelegere și sprijin moral.

Ing. Anca Minescu

I

CUPRINS

1. Introducere................................................................................................................... 1

1.1 Necesitatea obiectivă ........................................................................................... 1

2. Teoria proceselor de epurare biologică....................................................................... 1

2.1 Bazele teoretice ale proceselor de epurare cu biomasă în suspensie...…………... 1

2.1.1 Modelul bioreactorului cu amestec complet....................................................... 2

2.1.2 Modelul bioreactorului secvențial....................................................................... 5

2.1.3 Modelul bioreactorului tip piston cu recircularea nămolului.............................. 7

2.2 Epurarea biologică cu biomasă în susensie.Tehnologii actuale………………..… 8

2.2.1 Scheme tehnologice pentru eliminarea substanțelor organice și azotului…… 8

3. Tehnologia stațiilor de epurare de capacitate redusă. Stadiul actual........................... 10

3.1 Procedee de epurare aplicate pentru aglomerări reduse........................................ 10

3.1.1 Procedee de epurare intensive........................................................................... 10

3.1.1.1 Contactori biologici rotativi (Biodiscuri)................................................. 11

3.1.1.2 Epurare cu biomasă în suspensie (nămol activat).................................... 11

3.1.2 Procedee de epurare extensive........................................................................ 12

3.1.2.1 Culturi fixate pe medii fine..................................................................... 13

3.1.2.2 Filtre plantate cu stuf................................................................................. 14

3.2 Tipuri caracteristice de stații de epurare compacte…..………………………….. 16

3.2.1 Stație de epurare tip Resetilovs………………………………………………. 16

3.2.2 Stație de epurare tip Dauser – Conara……...…………………………...…… 17

3.2.3 Tehnologia ICEASTM……...…………………………………………………. 18

4. Studii experimentale pe instalația pilot N = 4 – 6 L.E.………..………….......….…. 18

4.1 Descrierea instalației pilot……... …………………………….……………...…... 18

4.2 Program experimental…………... ………………………………….…………… 20

4.2.1 Date experimentale…………………….………………………...…………... 20

4.3 Interpretarea rezultatelor……………………………………………………….… 22

4.3.1 Calitatea efluentului și eficiențele instalației pilot de epurare.......................... 22

4.4 Concluzii………………………..……………………………………..……….… 25

5. Dimensionarea tehnologică a stațiilor de epurare de capacitate redusă…………...… 26

5.1 Epurarea biologică extensivă…………………………………………….............. 26

5.2 Epurarea biologică intensivă.………………...……………………………...….... 26

5.3 Diferențierea parametrilor tehnologici la reactoare biologice pentru stații de

epurare mari și stații de epurare compacte de capacitate redusă……………...…. 27

II

5.3.1 Probleme speciale caracteristice aglomerărilor reduse......………...............… 27

5.3.2 Parametrii de dimensionare ai stațiilor de epurare compacte de capacitate

redusă…………………………………………………….......………............ 27

5.3.2.1 Încărcări organice specifice...................................................................... 27

5.3.2.2 Încărcări organice ale stației de epurare.................................................... 28

5.3.2.3 Încărcări organice ale nămolului............................................................... 28

5.3.2.4 Vârsta nămolului....................................................................................... 28

5.3.2.5 Concentrația biomasei............................................................................... 28

6.Concluzii……………………………………….………………..……………...……. 31

6.1 Conținutul lucrării………………...………………………………….................... 31

6.2 Originalitatea lucrării și contribuția autorului………………...…………………. 32

Bibliografie……………………………………………………………………………… 33

Notă:

Teza de doctorat prezentată în acest rezumat conține 6 capitole, 140 de pagini, 57 figuri, 44

tabele, 87 formule și 44 referințe bibliografice.

Structura rezumatului, numerotarea figurilor, tabelelor, formulelor și referințele bibliografice

sunt în concordanță cu textul integral al tezei.

Rezumatul tezei de doctorat

– 1 –

Capitolul 1: Introducere

1.1 Necesitatea obiectivă

Studiul tehnologiei stațiilor de epurare de capacitate mică este impus de obiectivele asumate de țara noastră în conformitate cu Tratatul de Aderare.

Conform Programului Operațional Sectorial pentru infrastructura de Mediu (POS Mediu), Axa Prioritară 1 în România este „Extinderea și modernizarea sistemelor de apă și apă uzată” și are ca obiective: asigurarea serviciilor de apă și canalizare la tarife accesibile, asigurarea calității corespunzătoare a apei potabile în toate aglomerările umane,îmbunătățirea calității cursurilor de apă, îmbunătățirea gradului de gospodărire a nămolurilor provenite de la stațiile de epurare a apelor uzate.

Domeniul analizat în cadrul lucrării elaborate ca teză de doctorat și intitulată ”STAȚII DE EPURARE COMPACTE” include stațiile de epurare monobloc de capacitate redusă aplicabile pentru aglomerări cu un număr de locuitori de până la 10 000 L.E.

Avantajele folosirii staţiilor de epurare compacte sunt: − ocupă suprafeţe mici de teren; − instalațiile sunt preuzinate și asamblate containerizat și necesită perioade reduse de

implementare și execuție ; − funcționează fără personal fiind complet automatizate; − necesită personal redus de supraveghere periodică; 1 – 2 persoane/ unitate; − integrare peisagistică a stației.

Dezavantajele folosirii staţiilor de epurare compacte de capacitate mică sunt: − consum de energie ridicat ( 0,5 – 1kWh/m3 apă uzată ); − managementul nămolului este complex și scump; în lipsa stabilizării aerobe a

nămolului (primar şi secundar), îndepărtarea acestuia devine o problemă de mediu dificil ă;

− costuri de investiţie/m3 apă uzată mari.

Obiectivele prezentei lucrări au fost să obțină pe baza cercetărilor ”in situ” date și elemente tehnologice care să permită dimensionarea stațiilor de epurare de capacitate mică destinate localităților sub 10 000 L.E.

Capitolul 2: Teoria proceselor de epurare biologică

2.1. Bazele teoretice ale proceselor de epurare cu biomasă în suspensie

Principiile de proiectare ale tehnologiilor de epurare cu biomasă în suspensie pot fi împărțite în 2 categorii:

− principii bazate pe experiența în domeniu (bazine facultativ aerobe/ anaerobe); − principii bazate pe biochimia și dinamica populației bacteriene (celelalte tehnologii/

scheme de epurare cu biomasă în suspensie).


– 2 –

Decantorsecundar

Recirculare namol activat

Bazin cu amesteccomplet

Q + Qr

X,S(Q - Qw), S, Xe

Qw, S, XrQr, S, Xr

Q, S0, X0V, S, X

2.1.1 Modelul bioreactorului cu amestec complet

În 1970, Lawrence și McCarty au propus un model pentru procesele de epurare cu nămol activat bazat pe biochimia și dinamica populației microbiene. Acest model este punctul de plecare pentru a defini procesele utilizate pentru proiectarea bioreactoarelor. Modelul se bazează pe ecuația Monod și pe bilanțul masei de-a lungul unui volum definit de biomasă și substrat.[19]

�� = ��(2.1)

unde:

� = �� ∙ � �� + ��(2.2)

unde: X – concentrația biomasei din reactorul biologic, (mg/l); S – substratul reprezentat de materia organică ușor bodegradabilă, CCO, CBO5, (mg/l); μm – rata maximă de dezvoltare (specifică tipului de substrat) care va fi menținută până la

obținerea cantității necesare de substrat, (zi –1); KS – se referă la concentrația limită sub care rata de creștere devine dependentă de

concentrația substratului; are valoarea S când � = �� 2⁄ . KS are o valoare mică dar de obicei aceasta este mai mare decât limitele impuse la

evacuare.

Bilanțul masic pentru biomasă

Schematic, bilanțul masic pentru biomasă este prezentat în figura 2.2 pentru un sistem cu amestec complet și recircularea nămolului. Ecuațiile bilanțului masic sunt date pentru sistemul din schemă: ecuația (2.3) definește bilanțul biomasei în condiții stabile:

�� !�� + "#!ș�!#!��!� = ��!�� !�� + ��!#�ă(2.3) Cantitatea de biomasă influentă este produsul dintre concentrația microorganismelor din

influent (X0) și debitul apelor uzate influente (Q). Concentrația microorganismelor din influent (X0)este definită de concentrația materiilor în suspensie (mg/l). Dezvoltarea biomasei în bazinul de aerare reprezintă produsul dintre volumul bazinului și ecuația Monod pentru dezvoltarea masei bacteriene:

' ∙ �� ∙ � ∙ ��( + � −*+ ∙ ��(2.4)

unde: V – volumul bazinului, (m3); kd – rata de descompunere a microorganismelor, (zi –1); S, X, μm, Ks – definite anterior.

Figura 2.2. Bilanțul de masă pentru bioreactorul cu amestec complet și recirculare.[16][19]


– 3 –

Cantitatea de biomasă efluentă este produsul dintre debitul efluent (Q – Qw) și concentrația biomasei ce nu sedimentează în decantorul secundar. Debitul influent nu este egal cu cel efluent deoarece o parte din microorganisme devin inerte (mor). Debitul biomasei inerte este dedus din debitul efluent.

Cantitatea de biomasă inertă este produsul dintre concentrația microorganismelor ce devin inerte (Xr) și debit (Qw). Ecuația (2.3) devine:

- ∙ �. + ' ∙ �� ∙ � ∙ ��( + � −*+ ∙ �� = (- − -/) ∙ �0 +-/ ∙ �1(2.5)

unde: Q – debitul influent, (m3/zi); X0 – concentrația biomasei (VSS) influente, (mg/l); V – volumul bazinului, (m3); μm – rata maximă de dezvoltare (specifică tipului de substrat), (zi –1); S – substratul, CCO – Cr ușor biodegradabil în bazin și în efluent, (mg/l); X – concentrația biomasei în bazin (MLVSS), (mg/l); K s – se referă la concentrația limită sub care rata de creștere devine dependentă de

concentrația substratului; are valoarea S când � = �� 2⁄ , (mg/l); kd – rata de descompunere a microorganismelor, (zi –1); Qw – debitul ce conține microorganismele inerte, (m3/zi); Xe – concentrația biomasei (VSS) în efluentul decantorului secundar, (mg/l); Xr - concentrația biomasei (VSS) în nămolul inert, (mg/l);

Bilanțul masic pentru substrat

Ecuația de bilanț pentru substrat poate fi descrisă de relația (2.6), în condiții stabile: � ��#�� !�� − � ��#��"�� = � ��#��!�� !�� − � ��#��!#�(2.6)

Cantitatea de substrat influent este produsul dintre concentrația CCO ușor biodegradabil și debitul influent (Q).

Cantitatea de substrat consumat în bazin este produsul dintre volumul util al bazinului (V) și gradul de consum al substratului, definit de relația 7:

' ∙ � �� ∙ � ∙ �4 ∙ (�( + �)�(2.7)

unde: Y – coeficientul de producție al biomasei;

Cantitatea de substrat efluentă este produsul dintre debitul efluent (Q-Qw) și concentrația materiei organice ușor biodegradabile (CCO) din efluent (S). Concentrația CCO din efluent (S) se presupune egală cu cea din bazin deoarece bazinul este cu amestec complet. Deoarece CCO ușor biodegradabil este solubil, decantarea secundară nu va influența concentrația acestuia din efluent.

Cantitatea de substrat inert este produsul dintre concentrația CCO ușor biodegradabil din influent (S) și debitul amestecului apă nămol inert (Qw). Relația (2.6) devine:

- ∙ �. − ' ∙ � �� ∙ � ∙ �4 ∙ (�( + �)� = (- − -/) ∙ � +-/ ∙ �(2.8)


– 4 –

Pentru dezvoltarea unor ecuații utilizate pentru proiectarea bazinelor iau în considerare ipotezele:

− Concentrația biomasei influente/ efluente este neglijabilă comparativ cu cea din bioreactor;

− Substratul influent (S0) este dizolvat imediat datorită sistemului de epurare cu amestec complet;

− Toate reacțiile au loc în bioreactorul cu amestec complet.

Luând în considerare prima ipoteză, termenii QX0 și (Q-Qw)Xe din ecuația (2.5) pot fi neglijați în comparație cu X. Astfel, relația (2.5) va deveni:

' ∙ �� ∙ � ∙ ��( + � −*+ ∙ �� = -/ ∙ �1 (2.5′)

Conform relației Monod, relația (2.5’) devine:

�� ∙ ��( + � −� = -/ ∙ �1

' ∙ � + *+ (2.5′′) Ecuația (2.8) va deveni:

�� ∙ ��( + �� = -' ∙

4� (�. − �)(2.8′)

Se observă că membrii stângi ai ecuațiilor (2.5’’) și (2.8’) au aceeași expresie deci se pot egala membrii din partea dreaptă:

-/ ∙ �1' ∙ � = -

' ∙ 4� (�. − �) −*+ (2.9)

Din ecuația (2.9) se pot determina carateristicile fizice ale bioreactorului cu amestec complet:

1. Timpul hidraulic de retenție (THR=θ):

9 = '-(2.10) 2. Vârsta nămolului (TN=θc):

9; = ' ∙ �-/ ∙ 4 (2.11) Dacă concentrația biomasei din efluent nu este neglijabilă, θc se determină astfel:

9; = ' ∙ �-/ ∙ �1 + (- − -/) ∙ �0 (2.12)

Din relațiile (2.5’’) și (2.12) rezultă:

� = �( ∙ (1 + *+ ∙ 9;)9; ∙ (�� − *+) − 1(2.13)

Concentrația biomasei din bioreactor se determină cu relația:

� = 9; ∙ 4 ∙ (�. − �)9 ∙ (1 + *+ ∙ 9;) (2.14)


– 5 –

În tabelul 2.1 sunt prezentate valori tipice ale constantelor de dezvoltare bacteriană. Se observă că CCO ușor biodegradabil efluent (S) este influențat doar de vârsta nămolului (θc) și nu de cantitatea de CBO5 influentă în bazinul de aerare sau de timpul de retenție hidraulic.

Tabel 2.1. Valori curente ale constantelor caracteristice dezvoltării bacteriene.[19][20]

Nr. crt. Parametru U.M.

Valoare* Interval Valoare curentă

1 Concentrația limită sub care rata de dezvoltare devine dependentă de concentrația substratului (K s)

mg O2/ l 25 – 100 60

2 Rata de descompunere a microorganismelor ( kd)

zi – 1 0 – 0,30 0,1

3 Rata maximă de dezvoltare (µm) zi – 1 1 – 8 3

4 Coeficientul de producție al biomasei (Y)

mg SV /mg CBO5 0,4 – 0,8 0,6

*valorile adoptate sunt pentru T=20ºC;

Vârsta nămolului este parametrul ce guvernează procesul de epurare biologică cu biomasă în suspensie deoarece valoarea sa este strâns legată de dezvoltarea bacteriană și parametrii ce o definesc pot fi cuantificați.

Alte caracteristici fizice ale biomasei ce depind de vârsta nămolului[19][20]:

19; =−4 ∙ #(<� − *+ = �(2.15)

unde: r su – rata de consum a substratului; µ – rata de creștere specifică a biomasei; Termenul (– rsu/ X) se definește ca rata specifică de utilizare a substratului:

= =−#(<� = - ∙ (�. − �)' ∙ � = �. − �

9 ∙ � (2.16) Înlocuind expresia lui U în ecuația (2.15) va rezulta:

19; = 4 ∙ = − *+(2.15′)

2.1.2 Modelul bioreactorului secvențial

Variația concentrațiilor substratului în funcție de timp în cazul bioreactorului cu funcționare secvențială se poate determina pornind de la bilanțul masei pentru reactorul cu amestec complet[19][20][33]:

�� ∙ ' = - ∙ �. − - ∙ � + #(< ∙ '(2.17)

unde:

#(< = − �� ∙ � ∙ �4 ∙ (�( + �)(2.18)

Deoarece în cadrul unui reactor cu funcționare secvențială Q=0, ecuația (2.17) va deveni:

�� ∙ ' = − �� ∙ � ∙ �

4 ∙ (�( + �) (2.17′)


– 6 –

Integrând ecuația (2.17’) vom obține:

�( ∙ �� >�?�@A +(�. −�B) = � ∙ >CDE A ∙ �(2.17′′) unde:

S0 – concentrația substratului la t=0, (mg/l); t – timpul, (zile); St – concentrația substratului la timpul t, (mg/l);

Ecuațiile cinetice ce definesc procesele din reactorul secvențial pot fi utilizate pentru a stabili dacă aerarea este corespunzătoare procesului de descompunere organică. Deoarece nu se cunosc valorile X și t, determinările se vor face iterativ. Se observă că parametrul θc nu influențează ecuația (2.17’’), dar acesta este utilizat pentru dezvoltarea parametrului X.[19]

Pentrul procesul de nitrificare, relația ce guvernează procesul secvențial:

�F ∙ �� G.GB� +(G. −GB) = �F ∙ ��F

4F � ∙ � HI�. + HI� ∙ �(2.17′′′)

unde: Kn – se referă la concentrația limită sub care rata de creștere devine dependentă de

concentrația substratului; are valoarea N când � = �� 2⁄ , (mg N – NH4/ m3);

N0 – concentrația substratului la t=0, (mg N-N-H4/ m3); Nt – concentrația substratului la timpul t, (mg N-N-H4/ m3); Xn – concentrația biomasei în bazin (MLVSS), (mg/l); µmn – rata maximă de dezvoltare (specifică tipului de substrat), (zi –1); Yn – coeficientul de producție al biomasei, DO – concentrația de oxigen dizolvat, (mg O2/l); K0 – constanta de semisaturație pentru oxigenul dizolvat , (g O2/ m

3);

Coeficienții cinetici pentru procesul de oxidare a materiilor organice biodegradabile (bCOD) prin biomasă heterotrofă și cei prezenți în procesele de nitrificare sunt prezentați în tabelele 2.2 și 2.3.

Tabel 2.2. Valori ale coeficienților cinetici pentru bacterii heterotrofe la T=20°C.[19][20]

Nr. crt.

Coeficienți U.M. Interval Valoare medie

1 µm g VSS/ g VSS,zi 3,0 – 13,2 6,0 2 K s g bCOD/ m3 5,0 – 40,0 20,0 3 Y g VSS/ g bCOD 0,3 – 0,5 0,4 4 kd g VSS/ g VSS,zi 0,06 – 0,20 0,12 5 fd

a g/g 0,08 – 0,20 0,15

fda – procentul de masă celulară inertă

Tabel 2.3. Valori ale coeficienților cinetici în cazul proceselor de nitrificare la T=20°C.[19][20]

Nr. crt.

Coeficienți U.M. Interval Valoare medie

1 µmn g VSS/ g VSS,zi 0,2 – 0,9 0,75 2 K n g N-NH4/ m

3 0,5 – 1,0 0,74 3 Yn g VSS/ g N-NH4 0,1 – 0,15 0,12 4 kdn g VSS/ g VSS,zi 0,05 – 0,15 0,08 5 K 0 g/m3 0,40 – 0,60 0,50


– 7 –

Durata ciclului Durata unui ciclui SBR poate varia între 4 – 8 ore. În practică, cea mai utilizată perioadă, cu cel mai ridicat grad de adaptabilitate este 6 ore [16].

Durata unui ciclu influențează direct alegerea numărului de unități SBR; Recomandabilă și economică este varianta cu 2 unități SBR + bazin amonte de omogenizare influent; în cazuri particulare, unde variația debitului influent este sinusoidală, s-au adoptat 3 unități SBR (este cazul aglomerărilor mici).

Fazele procesului SBR

1. Admisia (umplerea) =TA: Perioada de admisie influent este de obicei: 2 – 4 ore. Într-un sistem SBR cu 2 unități perioada de admisie se calculează: TA = TR + TS + TD + Trep Sunt recomandate condiții anoxice pe perioada de admisie –amestec fără aerare; 2. Reacție =TR Perioada de reacție este impusă de parametrii bio – cinetici (de calitatea impusă efluentului). Raportul Admisie/ Reacție influențează sedimentabilitatea nămolului; cea mai bună viteză de sedimentare pentru nămol este îndeplinită la un raport 2/1 (TA/TR) 3. Sedimentare = TS Timpul minim de sedimentare este: TS = 30 min. (TS = 30...60 min.)[32] 4. Decantare =TD Perioada de decantare este: TD = 30 min. Deoarece faza de decantare nu influențează procesele biocinetice sau procesul de sedimentare, este faza cel mai ușor de ajustat temporal. 5. Repaus =Trep Perioada de repaus variază de la 0 la 1 h sau mai mult. Se impune această fază pentru a asigura finalizarea ciclului din unitatea de reacție activă (unitatea nr.1) și schimbarea unității de reacție (unitatea nr.2); de obicei durata fazei de repaus este dictată de debitul influent.[19][7][27]

2.1.3 Modelul bioreactorului de tip piston cu recircularea nămolului

Deoarece este dificil de dezvoltat un model de bilanț masic pentru modelul reactorului tip „piston”, s-a dezvoltat o ecuație de tipul ecuației (2.20), presupunând următoarele simplificări[19]:

1. Concentrația microorganismelor din influent este identică cu cea din efluent; acest lucru se aplică pentru rapoarte θc/θ > 5 (TN/THR > 5).

2. Rata de utilizare a CBO5 solubil va fi:

#< =�� ∙ � ∙ ��0+�( + � (2.19)

unde: Xmed – concentrația medie a microorganismelor din reactor, (mg/l); Ecuația de bilanț este:


– 8 –

19; = 4 ∙ �� ∙ (�. − �)

(�. − �) +(1 + JJ) ∙ �( ∙ ��(�K �⁄ )(2.20) unde: RR – coeficientul de recirculare, Qr/Q;

LM = N?OPP∙NQOPP – concentrația substratului (CCO, CBO5)din influent după diluția cu

debitul de recirculare, (mg/l);

2.2 Epurarea biologică cu biomasă în suspensie. Tehnologii actuale.

Procesul de epurare cu nămol activat este denumit astfel datorită biomasei formate la injectarea continuă a aerului în apa uzată. În acest tip de proces, microorganismele sunt amestecate cu materia organică din apa uzată în condiții de stimulare a creșterii acestora prin utilizarea materirei organice ca substrat. O dată cu dezvoltarea microorganismelor și amestecul acestora cu aerul insuflat, organismele individuale floculează sub forma unei biomase active denumită nămol activat.

În etapa de oxidare convențională, apa uzată este admisă continuu în reactor unde aerul este injectat pentru mixarea amestecului apă – nămol și pentru asigurarea cerințelor de oxigen ale microorganismelor necesare la oxidarea substanței organice.

Caracteristicile proceselor de epurare cu nămol activat:

1) Concentrația biomasei active din reactorul biologic: 2) Nămolul de recirculare este amestecul apă – biomasă activă ce se întoarce în

bioreactor după ce a fost sedimentat în decantorul secundar, pentru a menține o concentrație a biomasei necesară oxidării substanțelor organice. Cantitatea de nămol din decantor ce nu este recirculată în bioreactor se numește nămol în exces și este transportat în treapta de tratare a nămolului;

3) Vârsta nămolului se definește ca timpul mediu în care este reținută biomasa în bazinul cu nămol activat (TN = MCRT = θc = Mean Cell Residence Time = SRT = Solids Retention Time);

4) Oxigenul necesar proceselor de oxidare a materiei organice și menținerii biomasei în suspensie este injectat la partea inferioară a bazinului prin intermediul sistemelor de difuzie.

2.2.1 Scheme tehnologice pentru eliminarea substanțelor organice și azotului

Eliminarea biologică a azotului (nitrificare – denitrifcare)necesită atât zonă aerobă cât și zonă anoxică. În plus reducerea azotatului necesită un donor de electroni. Acesta poate fi aprovizionat din influent, din respirația endogenă sau dintr-o sursă externă de carbon (exogenă). În același timp cu eliminarea azotului se reduce și substanța organică biodegradabilă.

Tabelul 2.6 prezintă câteva din schemele utilizate pentru denitrificare.

Tabel 2.6. Scheme de denitrificare[19].

Nr. crt. Schemă preanoxică Schemă postanoxică

1 Ludzack – Ettinger Modificată BNA (1 etapă) 2 Alimentare fracționată BardenphoR (4 etape)

3 Reactor cu funcționare secvențială (RFS=SBR)

Șanț de oxidare


– 9 –

Zona anoxica Zona aeroba EfluentDecantorsecundar

Recircularea externa a namolului

Namol in exces

Influent

Recircularea interna

Recircularea namolului

Namol in exces

Decantorsecundar

zonaanoxica

zonaaeroba

Influent

Efluent

zonaanoxica

zonaanoxica

zonaaeroba

zonaaeroba

1. Shema Ludzack – Ettinger modificată

Figura 2.4. Schema Ludzack – Ettinger modificată.[19]

Schema prezentată în figura 2.4 este cea mai des întâlnită în cadrul proceselor de denitrificare. Se bazează pe recircularea azotaților din zona aerobă în zona anoxică. Recircularea internă este modificarea adusă procesului original (schema „plug flow„ – curgere tip piston). Eficiența denitrificării și eficiența eliminării azotului total cresc datorită recirculării interne.

2. Schema cu alimentare fracționată

Procesul cu alimentare fracționată ( „step – feed„ ) poate fi modificat pentru a elimina compușii pe bază de azot (fig.2.5). Concentrațiile de azotați din zonele finale (anoxică/aerobă) sunt importante deoarece definesc caracteristicile efluentului în ceea ce privește concentrația de N- NO3.

Figura 2.5. Schema cu alimentare fracționată.[19]

3. Reactor cu funcționare secvențială

Sistemul RFS pentru eliminarea substanțelor organice și a azotului este modificat față de varianta pentru epurare convențională (cuprinde etapele: 1 – admisie apă uzată, 2 – reacție (aerare), 3 – sedimentare, 4 – decantare apă epurată, 5 – repaus-evacuare nămol în exces)cu o etapă suplimentară de operare (fig. 2.6). Deși cantitatea de substanță organică influentă și timpul de reacție este suficient pentru eliminarea azotaților după etapele de sedimentare și decantare, este necesară o etapă separată de amestec în absența aerării pentru o eficiență ridicată de eliminare a azotului.


– 10 –

Zona anoxica Zona aeroba(preanoxica)

EfluentDecantorsecundar

Recircularea externa a namolului

Namol in exces

Influent


Zona aeroba(postanoxica)

Zona anoxica


Influent

Admisie

NitrificareDecantare Repaus

Sedimentare

aer

Evacuare namolin exces

Evacuareefluent

Influent

amestec anoxic/ aerob

Admisieaer(partial)

Figura 2.6. Reactor cu funcționare secvențială (RFS – nitrificare – denitrificare).[19]

4. BardenphoTM (4 etape)

Zonele anoxice și zonele aerobe sunt incluse în procesul Bardenpho – 4etape (fig.2.7). Timpul de retenție hidraulic din zona postanoxică este același sau mai mare decât cel din zona preanoxică. În practică s-a descoperit că în acest tip de proces are loc și eliminarea fosforului (denumirea procesului derivă de la inventator, Barnard 1974 + denitrificare + phosphorus).[13]

Figura 2.7. Schema BardenphoTM.[13][19]

Capitolul 3 : Tehnologia stațiilor de epurare de capacitate redusă. Stadiul actual.

3.1 Procedee de epurare aplicate pentru aglomerări reduse

Epurarea apelor uzate este un proces complex, alcătuit din etape succesive, care constituie fiecare un proces independent. Pe fondul dezvoltării zonelor de locuit, prin atenţia acordată calităţii mediului şi avand in vedere noile cerinţe din ce în ce mai restrictive, atât cu privire la emisiile de substanţe poluante, cât şi la controlul acestora, colectarea si evacuarea apelor uzate in mediul natural in comunitatile mici a devenit o problema de actualitate.

Principalele considerente tehnico – economice ce trebuie avute în vedere la proiectarea stațiilor de epurare de capacitate mică, sunt: construcție simplă preuzinată și ușor de montat;siguranță în exploatare; costuri de investiție și exploatare; consum de energie; personal pentru exploatare ; automatizarea proceselor tehnologice; spațiu ocupat;

3.1.1 Procedee de epurare intensive

Cele mai utilizate procedee de epurare in stațiile de epurare urbane sunt cele intensive care implică procese biologice. Principiul pe baza căruia funcționează acestea este operarea pe o suprafață redusă cu procese intensive de transformare și degradare a materiei organice.

Sunt utilizate trei tipuri de procedee intensive:


– 11 –

• procedee cu namol activat; • filtre biologice sau biodiscuri; • tehnici de filtrare biologica avansată.

3.1.1.1Contactori biologici rotativi (Biodiscuri)

O altă tehnologie ce poate fi utilizată pentru fixarea bacteriilor este cea cu discuri rotative. Dezvoltarea microorganismelor are loc pe aceste discuri cu formarea unui biofilm.

Discurile sunt parțial imersate, rotația acestora permițând biomasei sa fie oxigenată.

Pentru acest tip de instalație sunt necesare următoarele:creșterea graduală a vitezei de rotație pentru a evita desprinderea biomasei de pe discuri;marime suficientă a suprafeței discurilor;

Figura 3.2. a.Schema stație de epurare cu biodiscuri [11]; b. Biodiscuri: principiu de funcționare. [11].

Pentru aglomerări de 1 000 L.E. prin aplicarea unei încarcari organice de 9 g CBO5/m

2,zi, suprafața efectivă de dezvoltare a biomasei va fi de 3 900 m2.

3.1.1.2 Epurare cu biomasă în suspensie ( nămol activat)

Procesul constă în degradarea aerobă a materiilor organice de către biomasa în suspensie urmată de separarea apei epurate de namol.

Stația de epurare cu nămol activat presupune următoarele trepte: • Epurare primară; • Epurare biologică cu nămol activat (bazine de aerare); • Decantare secundară (și recirculare nămol); • Evacuare efluent; • Procesarea nămolului rezultat din decantoarele primare si a nămolului în exces.

Proiectarea bazinelor de epurare cu nămol activat presupune adoptarea parametrilor: • Încarcare masică (F/M): < 0,1 kg CBO5/kg MLVSS,zi; • Încarcarea volumică: < 0,35 kg CBO5/m

3,zi; • Concentrația namolului: 4 000 – 5 000 mg MLVSS/l; • Timp de retenție (THR): 24 ore (aerare prelungita); • Necesarul de oxigen: 1,8 kg O2/ kg CBO5 eliminat; • Putere de mixare:

� 30 – 40 W/m3 pentru aeratoarele de suprafață de tip turbină; � 3 – 10 W/m3 pentru mixere; � 10 – 20 W/m3 pentru sistemele de aerare cu bule fine.

Decantor secundar

Efluent


– 12 –

Prin procesul de epurare cu namol activat cu aerare prelungita poate fi degradat până la 95% din CBO5 influent.

În tabelul următor sunt prezentate avantajele și dezavantajele proceselor de epurare intensive.

Tabel 3.3. Avantaje si dezavantaje ale proceselor de epurare intensive [11][12].

Nr. Crt.

Tehnologie Avantaje Dezavantaje

1 Biodiscuri și filtre

biologice

• consum redus de energie; • operare simplă care necesită

nivel mai scăzut de întreținere și monitorizare decât în cazul nămolului activat;

• se pretează în general pentru comunități mici;

• risc de îngheț – discurile trebuie protejate.

• eficiențe de epurare mai mici decât în cazul nămolului activat;

• cost de investiție mai mare (cu 20% mai mare decat pentru tehnologia cu nămol activat);

• este necesară pre-epurarea; • sensibil la colmatare; • sunt necesare structuri mari

pentru eliminarea azotului;

2 Epurare cu nămol

activat

• se poate adapta pentru orice tip de comunitate;

• retinere eficienta a tuturor poluantilor (MTS, CCO, CBO, N prin nitrificare–denitrificare);

• se poate adapta pentru zone protejate si sensibile;

• permite implementarea usoara a defosforizarii.

• cost de investiție relativ ridicat; • consum mare de energie; • necesită personal calificat si

monitorizare regulată; • proces sensibil la supra-

încărcări hidraulice; • proprietățile de sedimentare ale

nămolului nu sunt tot timpul ușor de controlat;

3.1.2 Procedee de epurare extensive

Procedeele de epurare extensive implică procese ce conduc la purificarea apei prin utilizarea biomasei în suspensie sau fixate care utilizează energia solară pentru a produce oxigenul prin fotosinteză. Aceste instalații pot fi operate fară energie electrică, cu excepția lagunelor aerate pentru care este nevoie de energie pentru alimentarea suflantelor.

Procedeele extensive de epurare au fost dezvoltate în mai multe țări, în general pentru aglomerări sub 500 L.E. (Franța, Germania, Marea Britanie). Acestea conduc la efluenți care se încadrează în limitele impuse de Directiva Europeană 91/271/CEE din 21 Mai 1991 .

Sistemele de epurare de tip wetland reproduc procesele din cadrul ecosistemelor naturale. [12] Pentru toate sistemele de tip wetland următoarele mecanisme de reducere a

concentrațiilor de poluanți pot fi întâlnite: • Mecanisme fizice:

− filtrare în zona poroasă și în zona rădăcinilor; − sedimentarea suspensiilor și a materiilor coloidale în lagune.

• Mecanisme chimice: − precipitarea sau co-precipitarea în compuși insolubili (N și P); − adsorbția pe substrat sau plante (N, P, metale); − descompunerea de către radiațiile UV (virusuri, bacterii), oxidarea și reducerea

(metale);


– 13 –

0,80 m

0,80 m

Drenaj

Pietris: 3-5 mm

Nisip: 0,25-0,4 mm

Influent

Efluent Efluent Efluent

Influent

• Mecanisme biologice: − degradarea materiilor organice, nitrificarea in zonele aerobe si denitrificarea in zonele anaerobe; pentru sistemele fără curgere a apei la suprafață, procesele

aerobe au loc la suprafață în timp ce procesele anaerobe au loc în depozitele create la adâncime. Dezvoltarea algelor atașate (fitoplancton) alimentează cu oxigen, pe calea fotosintezei, bacteriile aerobe.

3.1.2.1 Culturi fixate pe medii fine

Procedeele de epurare a apei uzate cu biomasă fixata constau în trecerea influentului prin unități independente.

Cele 2 mecanisme principale sunt: • filtrarea superficiala (materiile in suspensie sunt reținute la partea superioară a

stratului filtrant și o dată cu acestea și o parte din materia organica (CCO aferent suspensiilor);

• oxidarea: mediul granular acționează ca reactor biologic; bacteriile aerobe responsabile de oxidarea materiei organice și a azotului amoniacal se atașeaza pe particulele stratului filtrant și se dezvoltă pe suprafața acestuia.

Aerarea este asigurata de: • convecție datorită mișcării apei la suprafață; • difuzia apei de la suprafața și canalele de aerare prin mediul poros. Oxidarea materiei organice este însoțită de dezvoltarea bacteriilor care trebuie să se

realizeze astfel încât să se prevină colmatarea biologică a mediului filtrant și pierderile ocazionale de biomasă care sunt inevitabile atunci când încarcările aplicate sunt mari. În timpul perioadei în care filtrul nu operează sau nu este alimentat, dezvoltarea bacteriilor în lipsa hranei suficiente este mult mai redusă. Aceste perioade trebuie însa să nu fie prea lungi. În mod normal instalațiile de acest tip sunt constituite din 3 filtre care sunt alimentate 3 - 4 zile consecutiv.

Mediul filtrant este uzual nisip având caracteristicile: • nisip cuarțos spălat; • d10 între 0,25 mm si 0,4 mm; • grad de uniformitate între 3 și 6; • conținut de particule fine < 3%.

Figura 3.3. Schema sistemelor de infiltrare-percolare prin nisip: secțiune transversală și vedere în plan.


– 14 –

Filtrarea apei uzate prin filtre lente de nisip este un proces de epurare aerob ce are la bază filtrarea printr-un mediu granular fin. Influentul este succesiv distribuit în câteva unitați de filtrare. Încărcările hidraulice sunt în domeniul: 200 dm3/ m2,zi – 600 dm3/ m2,zi. Influentul este distribuit în stratul de apă de la suprafața filtrului care este menținut în spații deschise.

Parametrii de proiectare

O stație de epurare în care procedeul de infiltrare-percolare este principalul proces de epurare, trebuie să conțină:

• sistem de sedimentare (pentru aglomerari de ordinul sutelor de L.E. poate fi utilizată o fosă septică mai mare;

• bazin de stocare-omogenizare influent; • sistem de distribuție al influentului la alimentare; • sistem de distribuție al influentului la bazine; • strat filtrant; • sistem de evacuare efluent; Straturile de infiltrare – percolare prin nisip se proiectează pentru o suprafață de

1,50 m2/L.E. Determinarea înalțimii stratului filtrant Când reducerea încărcării bacteriene nu reprezintă unul din obiectivele stației, o înalțime

a stratului filtrant de 80 cm este suficientă. În cazul în care infiltrarea – percolarea are ca obiectiv eliminarea bacteriilor patogene, înălțimea stratului filtrant depinde de nivelul dorit de decontaminare. Graficul din figura următoare furnizează relația între reducerea încărcării în coliformi fecali, încărcarea hidraulică și înălțimea stratului filtrant.

Dacă stratul este din nisip natural relația este mai dificil de obținut și sunt necesare determinări pentru evaluarea capacitații de decontaminare a fiecărui tip de nisip.

Tabelul 3.5 prezintă performanțele sistemelor extensive de epurare de tip sisteme de infiltrare pe suport fin.

Tabel 3.5. Performanțe, avantaje, dezavantaje sisteme de infiltrare-percolare. Indicatori de calitate

pentru efluent Avantaje Dezavantaje

CBO5 < 25 mg/l CCO < 90 mg/l MTS < 30 mg/l eP* = 60 – 70 %

• Eficiențe ridicate la eliminarea CCO, CBO5 și MTS;

• Grad ridicat de nitrificare; • Posibilitate de eliminare a

bacteriilor coliforme dacă stratul filtrant are înălțime suficientă.

• Necesită o decantare primară eficientă;

• Există riscul unei colmatări (trebuie utilizat nisip spălat cu dimensiuni ale granulelor în domeniul indicat);

• Necesită cantități mari de nisip care pot conduce la costuri ridicate;

• Adaptare limitată la supraîncărcări hidraulice.

*eP – eficiența de eliminare fosfor după 3 – 4 ani de funcționare;

3.1.2.2 Filtre plantate cu stuf

Stațiile de epurare prin filtre plantate cu stuf deservesc aglomerări reduse, până la 5 000 locuitori. Limitarea la acest număr de locuitori s-a făcut datorită ccostului terenului necesar stației; suprafețele filtrelor plantate se calculează la 2 m2/ L.E.

1. Principiul general de tratare


– 15 –

Principiul de epurare în cazul tehnologiilor de filtrare prin stuf constă în curgerea apei uzate brute prin mai multe elemente: grătar de separare a materiilor grosiere, bazin de retenție cu dispozitiv automat de evacuare, primul nivel de tratare (filtre legate în paralel), al II-lea nivel de tratare (filtre legate în paralel).

Procedeele principale de tratare: − Filtrarea superficială: materiile totale în suspensie (MTS) sunt reținute la suprafața

filtrului și o dată cu ele o parte din materiile organice biodegradabile (CCO); − Oxidarea: straturile filtrante constituie un reactor biologic, un suport cu suprafață

specifică mare pe care se fixează și dezvoltă bacteriile aerobe care produc oxidarea materiilor organice dizolvate și a nutrienților;

2. Rolul plantelor Planta cea mai utilizată în Europa pentru filtrele plantate este stuful (Phragmites

australis); această specie a demonstrat o capacitate de adaptare la încărcări cu poluanți diferite (mici, medii, mari).

Pentru o tratare finală se pot utiliza specii variate de plante pentru zone umede și chiar specii de arbori ca sălciile (Salix L.) sau plopii (Populus L.).

3. Rolul microorganismelor Microorganismele au rolul de a decompune substanțele organice prin procese biochimce

de oxidare și reducere precum și descompunerea nutrienților prin procese de nitrificare – denitrificare.

4. Dimensionarea sistemelor de filtre plantate cu stuf

Dimensionarea sistemelor de filtre plantate cu stuf se face în funcție de numărul de locuitori echivalenți (prognoza pe 5 ani), de debitele de ape uzate și de încărcările specifice ale apelor uzate. Elementele de dimensionare ale sistemelor de filtre plantate cu stuf sunt prezentate în tabelul 3.6.

Tabel 3.6. Elemente de dimensionare ale filtrelor plantate cu stuf.[7] Nr. Crt. Parametrii de dimensionare U.M. Valori

recomandate 1 Suprafața totală m2/ L.E. 2 2 Suprafața treptei I de tratare m2/ L.E. 1,2 3 Suprafața treptei II de tratare m2/ L.E. 0,8

Adoptarea soluției de epurare a apelor uzate prin procedee extensive se va realiza pe baza: − studiilor aprofundate privind: condițiile topografice, hidrogeologice, geotehnice și

climatice ale zonei considerate; − prin calcule tehnico – economice comparative cu soluții intensive; acestea vor lua în

considerare: costul investițiilor, costurile operării, managementul nămolului și capacitatea autorităților locale și operatorilor în asigurarea funcționării optime a sistemului.

Tabel 3.13. Comparație costuri tehnologii*. Nr. Crt.

Categoria de cost Sistem de epurare cu nămol activ

Sistem de epurare cu filtre plantate cu stuf

1 Investiție 1 200 000 € 843 000 € 2 Exploatare pe 1 an 114 360 € 9 171 € 3 Cost exploatare/locuitor/an 38 € 3,05 € 4 Exploatare/ 25 ani 2 859 000 € 229 275 € 5 Cost de exploatare/locuitor/ 25 ani 953 € 76 €


– 16 –

Influent

Efluent

Nmin

Nmax

Debitmetru

Gratar mecanic

Compactorretineri

Deznisipator

Decantorprimar lamelar

Unitatedezinfectie U.V.

Stocarecoagulant

Pompanamol

Pompadozatoare

Suflanta

Modul biologic

Statie pompareinfluent

aeraer aer

Sistem de deshidratarecu saci filtranti

* prețuri Franța, 2009

Tabel 3.14. Comparație costuri exploatare – 1 an.* Nr. Crt. Categoria de cost

Sistem de epurare cu nămol activ

Sistem de epurare cu filtre plantate cu stuf

1 Energie electrică 32 970 € 291 €** 2 Consumabile 6 351 € 0 € 3 Întreținere 3 000 € 1 000 € 4 Personal de exploatare 41 600 € 3 120 € 5 Reînoire aparatură și lucrări diverse 26 000 € 1 000 € 6 Evacuare nămol 4 480 € 3 760 € 7 Total 114 360 € 9 171 €

*prețuri Franța, 2009; **dacă grătarul este automat; (în caz contrar prețul este 0 €)

3.2 Tipuri caracteristice de stații de epurare compacte

Stațiile de epurare compacte s-au dezvoltat în următoarele condiții: − necesitatea reducerii suprafețelor de teren ocupate; − asigurarea condițiilor pentru preuzinare, execuție rapidă, automatizare și centralizare; − îmbunătățirea calității execuției;

Schemele tehnologice cuprind : treaptă de pre – epurare : degrosisare, decantoare primare; tehnologia cu peliculă fixată (filtre biologice percolatoare, cu discuri, submersate); tehnologia cu peliculă în suspensie (BNA, cu/ fără nitrificare – denitrificare , cu/ fără aerare prelungită); tehnologii cu operare secvențială (SBR) în care se elimină decantoarele secundare;

Schemele tehnologice pentru stațiile de epurare compacte se completează în funcție de: − prelevarea apelor uzate de la sistemele de fose septice; se prevăd bazine speciale de

preluare a volumelor din fosele septice și sisteme de preluare în stații de epurare care să evite supraîncărcarea influentului;

− influenți cu variații mari de încărcări; − descărcarea apelor uzate epurate după o prealabilă dezinfecție (în general UV) impusă

de condițiile de calitate ale receptorului sau de soluția de reutilizare a apelor epurate[21].

3.2.1 Stație de epurare tip Resetilovs

Figura 3.8. Schemă stație de epurare tip Resetilovs.


– 17 –

by-pass SEby-pass SE

12,00

9,00

8,50

44a 5

5a

6

5b

810a

10b

12

2

3

3a 3b

1

7

9

11

n a

13

ae

Apauzata

Apaepurata

În figura 3.8 este prezentată schema unei stații de epurare monobloc tip Resetilovs. Acest tip de stație de epurare poate fi integral preuzinat (în recipienți – bazine de oțel – inox ) sau poate fi realizată în construcții îngropate de beton armat.

Avantajele stației de epurare compacte tip Resetilovs :

• permite ape uzate cu încărcări organice cu variații mari ( ± 10 % variații zilnice, ± 20 % variații orare );

• asigură elimnarea compușilor fosforului și azotului; • cantitatea de nămol redusă ( de câteva ori mai redusă față de epurarea cu nămol activ –

BNA ); • execuție în perioade scurte; • înlăturarea mirosurilor la evacuarea aerului, acesta fiind trecut prin filtru de

dezodorizare; Dezavantajele stațiilor de epurare Resetilovs: • consumuri energetice spre limita superioară admisă ( 0,7 – 1 kWh/m3 apă epurată ); • pentru gama de debite mari ( > 2.000 m3 /zi ) ocupă spații mari;

3.2.2 Stație de epurare tip Dauser-Conara

Schema tehnologică prezentată în figura 3.13 asigură epurarea biologică într-un reactor cu membrane submersate ( UF ).

Stația de epurare cuprinde: − modul compact de degrosisare: grătar des și deznisipator – separator de grăsimi; − bazin de omogenizare ( volum 20 % din Quz,zi,max ); − reactorul biologic cu pachete de membrane prevăzut în amonte cu zonă anaerobă

(anoxică) pentru nitrificare – denitrificare;


– 18 –

Figura 3.13. Schemă stație de epurare tip Dauser

3.2.3 Tehnologia ICEASTM

Procesul ICEASTM (Intermittent Cycle Extended Aeration System) este o variantă-hibrid a sistemului SBR (Sequencing Batch Reactor) ce permite ca întregul proces să aibă loc într-un singur bazin, fiind cu alimentare continuă inclusiv în timpul fazelor de sedimentare şi evacuare ale ciclului de lucru.Acest proces este un sistem complet automatizat, care raspunde la variațiile de debit și încărcări, este uşor de extins şi produce un efluent de calitate superioară. Procesul ICEASTM necesită o suprafață mai mica de teren şi mai putin echipament, deci se reduc costurile de investiții și exploatare producând în acelaşi timp un efluent de calitate mai bună în comparație cu sistemele convenționale utilizate la epurarea apelor uzate din mediul urban şi industrial.

ICEASTM este un hibrid al reactoarelor cu funcționare secvențială. Fiecare ciclu cuprinde trei etape de bază, periodice:

1. Etapa de aerare; 2. Etapa de sedimentare; 3. Etapa de evacuare efluent.

Figura 3.15. Etapele procesului ICEASTM.

4. Studii experimentale pe instalația pilot N = 4 – 6 L.E.

4.1 Descrierea instalației pilot

În Laboratorul de Alimentări cu Apă și Canalizări al catedrei de Inginerie Sanitară și Protecția Apelor a fost pusă în funcțiune o instalație pilot de epurare cu următoarele caracteristici:

• Debit influent: 0,6 ... 1,2 m3/zi; • Locuitori deserviți: 4 – 6 L.E.;

LEGENDĂ: 1-stație de pompare influent 5-zonă nitrificare 10a-dozare coagulant 2-modul compact degrosisare 5a-pachete de membrane 10b-dozare soluție hipoclorit 3-bazin omogenizare-egalizare 5b-sistem de aerare 11-instalație deshidratare nămol 3a-pompe submersibile 6-pompe submersibile 12-sistem de control automatizare 3b-mixer submersibil 7-camera suflantelor 13-bazin stocare namol 4-zonă denitrificare 8-pompe evacuare efluent a-aer; n-nămol

4a-agitatoare verticale 9-sistem dezinfecție cu U.V. ae-apă epurată (efluent)


– 19 –

1,40

1,60

Influent

Efluent

Sistemreglare aerare

EfluentInfluent

1

2 3

4

5

6 7

8

9

1010

7

1

3

2

3

4

aer

7

DN 100

DN

200

DN 200DN 100

Într–un recipient se realizează prin pereți despărțitori și sisteme hidraulice: zone de denitrificare, nitrificare și decantare secundară. Schema tehnologică a instalației pilot este prezentată în figura 4.4.

Procesul tehnologic de epurare se desfășoară astfel: • apa uzată este admisă în zona de denitrificare (2), concentrația de oxigen dizolvat

fiind menținută sub 0,5 mg/l; amestecul apei uzate brute cu nămolul recirculat se realizează cu difuzori cu bule medii (6); volumul zonei reprezintă 30 % din volumul total al stației;

• amestecul de apă – nămol trece în zona de nitrificare (3) unde se formează nămol activ cu o biocenoză aeroba CO2 = 2,5 mg/l; aerarea se realizează cu difuzori cu bule fine (7);

• în decantorul vertical (4) apa este evacuată prin deversare (8) iar nămolul este recirculat în zona de denitrificare printr-un sistem air – lift;

Figura 4.4. Instalația pilot de epurare – schemă.

LEGENDĂ: 1-grătar-coș 6-difuzori bule medii 2-zonă denitrificare 7-difuzori bule fine 3-zonă nitrificare 8-deversor apă epurată 4-decantor secundar 9-eliminare plutitori 5-conductă recirculare nămol 10-perete submersat


– 20 –

4.2 Program experimental

Instalația pilot de epurare a funcționat continuu o perioadă de 9 luni, timp în care s-au urmărit: • Variațiile calității influentului și efluentului: • Eficiențele în îndepărtarea suspensiilor, • Eficențele în îndepărtarea substanțelor organice, • Eficiențele în îndepărtarea compușilor pe bază de azot; • Eliminarea biologică a fosforului; • Stabilitatea în timp a proceselor de epurare. Pe toată perioada funcționării instalației de epurare s-au făcut determinări ale calității influentului

și efluentului, astfel: 1. Determinarea temperaturii și pH-ului (SR ISO 10523:2009); 2. Determinarea conținutului de materii totale în suspensie (SR EN 872: 2005); 3. Determinarea consumului chimic de oxigen (CCO-Cr, SR ISO 6060:1996); 4. Determinarea consumului biochimic de oxigen (CBO5, SR EN 1899-2 :2003 ); 5. Determinarea conținutului de azot amoniacal (metoda fotometrică); 6. Determinarea conținutului de azot din azotați; 7. Determinarea sedimentului Imhoff (indexul volumetric al nămolului);

Pe toată perioada de funcționare, s-a măsurat debitul influent, menținându-se la o valoare de 1,2 m3/zi; măsurătorile s-au realizat utilizându-se metoda volumetrică.

4.2.1 Date experimentale

În tabelul 4.1 sunt prezentați parametrii de calitate (influent/efluent) din instalația de epurare (pentru perioada de amorsare = 65 zile).

Tabel 4.1. Variația parametrilor de calitate ai influentului / efluentului în perioada de amorsare.

Nr. crt.

Data CCO – Cr

(mg/l) CBO5 (mg/l)

MTS (mg/l)

N-NH4

(mg/l) N-NO3

(mg/l) I VN (cm3/g)

INF EF. INF EF. INF EF. INF EF. INF EF.

1

25.01

462 153 338 100 241

90

42,5 41,4 0,6 1,1 3

2

26.01

410

148

325

135

118

98

44,1

42,5

1,1

0,8

2,5

3

2.02

425

161

367

142

179

82

40,8

40,1

1,5

1

3

4

4.02

432

124

257

60

213

123

43,5

40,3

4

2,6

15

5

16.02

395

130

309

76

235

96

49,9

57

7,0

6,5

18

6

19.02

327

126

232

106

240

120

54,4

27,6

0,2

3,8

110

7

25.02

249

105

174

84

154

86

31,5

33,8

1,9

1,1

150

8

9.03

250

115

196

55

107

73

67,8

45,2

7,9

11,2

300

9

18.03

340

96

286

60

100

65

45,4

59,5

2,6

3,2

400

10

30.03

404

58

232

45

181

85

43,3

35,5

0,8

2,1

450


– 21 –

ML

VS

S (

kg/

m 3 )

IVN ( cm 3/ g)

0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

10050 150 200

tth=1,0 hRS = 0,75

tth=2,5 hRS =1,0

Figura 4.6. Eficiențe obținute în îndepărtarea substanțelor organice

în funcție de indexul volumetric al nămolului (IVN).

În figura 4.6 sunt prezentate eficiențele obținute în îndepărtarea substanțelor organice (exprimate în CBO5) o dată cu mărirea dezvoltarea biomasei active și amorsarea procesului biologic. Concentrația nămolului activ crește într-o perioadă de timp de 65 zile de la 1 kg s.u./m3 până la 3 kg s.u /m3; valoarea concentrației nămolului recomandată în literatura de specialitate în cazul proceselor de epurare avansată (nitrificare-denitrificare) este 3 – 5 kg/m3 [2].

Figura 4.7. Valori aproximative pentru concentrația MLSS în reactorul biologic depinzând de IVN [2]

MLVSS=concentrația de MLSS din bioreactor

IVN = indexul volumetric al nămolului tTh =timpul de retenție al nămolului

în decantorul secundar RS=rata de recirculare a nămolului

1

10

100

1000

0 2 4 6 8 10 12

IVN (cm³/g) Eficienta de eliminare CBO₅ (%)

IVN(cm3/g)

Nr. probe

ECBO(%)

500

50

5

50

100


– 22 –

IVN este un parametru ce caracterizează procesul de sedimentare a nămolului activat în decantorul secundar. Indiferent de tipul epurării, se recomandă ca indicele volumetric să nu depășească 180 … 200 cm3/g . Când influentul în reactor conține cantități mari de substanță organică biodegradabilă, nămolul activat va avea un indice volumetric mare (> 200 cm3/g) cu proprietăți de sedimentare slabe.

Valori ale indicelui de nămol IVN = 50 … 150 cm3/g indică o bună sedimentare în decantoarele secundare; pentru valori IVN > 200 cm3/g, procesul de sedimentare este necorespunzător, obținându-se un nămol înfoiat, cu proprietăți de decantare extrem de reduse și care poate conduce la flotarea acestui nămol în decantorul secundar.

Indicele nămolului poate fi exprimat în ml/l (cm3/dm3), caz în care poartă denumirea de sediment sau indice comparativ al nămolului și reprezintă raportul dintre volumul de nămol separat într-un con Imhoff de 1dm3, umplut până la reper, după o sedimentare de 30 de minute și volumul inițial al probei de nămol;

• pentru Ion ≤ 0,3 kg CBO5/ kg s.u,zi→ IVN = 100 cm3/g; • pentru Ion > 0,3 kg CBO5/ kg s.u,zi→ IVN = 150 cm3/g; [44]

4.3 Interpretarea rezultatelor

4.3.1 Calitatea efluentului și eficiențele instalației pilot de epurare

În perioada aprilie – august instalația de epurare a realizat următoarele eficiențe :

• Eliminarea substanțelor organice (CBO5): 80% ... 97%; • Eliminarea materiilor totale în suspensie ( MTS): 50% ... 90%; • Eliminarea compușilor pe bază de azot (N – NH+4): 80% ...99%; • Eliminarea fosforului (P – PO-4): 20% ...70%;

Graficele din figurile 4.8 – 4.11 prezintă variația calității influentului/efluentului în timp (valori instantanee și curbe de durată) precum și depășirea concentrațiilor maxime admisibile pentru efluent impuse de NTPA 001-2002.


– 23 –

Figura 4.8. Concentrațiile CCO-Cr (influent/efluent).

Observații : 1. CCO-Cr influent variază între 544 mg O2/l și 192 mg O2/l (media: 304,8 mg O2/l) 2. Valorile efluentului pentru acest indicator variază între 100 mg O2/l și 14 mg O2/l cu o valoare medie de: 33,9 mg O2/l.

3. Efluentul îndeplinește cerințele NTPA 001 ( 125 mg O2/l).

0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80

mg

O2/

l

Nr. probe

curba de durata (influent) curba de durata (efluent) valori instantanee (influent) valori instantanee (efluent)

NTPA 001


– 24 –

Figura 4.11. Concentrațiile de azot amoniacal (influent/efluent).

Observații : 1.N-NH4 influent variază între 58,3 mg /l și 16 mg /l (media: 40,6 mg /l)

2. Valorile efluentului pentru acest indicator variază între 29,07 mg /l și 0,05 mg /l cu o valoare medie de: 3,5 mg /l. 3.Depășirea CMA pentru efluent ( 3 mg N – NH4/l) se realizează doar în 17,8% din cazuri;

0.03125

0.0625

0.125

0.25

0.5

1

2

4

8

16

32

64

0 20 40 60 80

mg/

l

Nr. probe

curba de durata (influent) curba de durata (efluent) valori instantanee (influent) valori instantanee (efluent)

NTPA 001


– 25 –

4.4 Concluzii

Programul de cercetare ” in situ ” a cuprins următoarele etape: • prelevarea de probe pe influent/ efluent; • determinarea caracteristicilor influentului/ efluentului; • determinarea variației biomasei în reactorul biologic. După efectuarea analizelor și după calculul eficiențelor în îndepărtarea materiilor în

suspensie, a substanțelor organice, a compușilor pe bază de azot și fosfor, s-au constatat următoarele:

• influentul are încărcări organice mari (CCO – Cr = 500 mg O2/l); • eficiențele optime de eliminare a substanțelor organice și compușilor pe bază de azot

(90% substanțe organice, 98% azot amoniacal); • eliminarea fosforului nu se realizează conform cerințelor de evacuare impuse de

NTPA 001; concentrația maximă admisibilă este de 1mg P/l iar valorile înregistrate în efluentul instalației de epurare variază între 1,3 – 3,9 mg P/l;

• consumurile specifice de energie: 0,9 ... 1,4 kWh/m3; • eficiențele de reducere a compușilor pe bază de carbon și pe bază de azot nu depind

de valoare indicelui volumetric al nămolului (fig.4.13 – 4.16): − pentru IVN = 450 cm3/g au fost obținute eficiențe de 90,1 % pentru CBO5 și de

99,4 % pentru N-NH4; − pentru IVN = 250 cm3/g s-au obținut eficiențe de 79,1 – 90,3 % pentru CBO5 și

de 92,3 – 96,0 % pentru N-NH4;

Figura 4.14. Eficiențele de eliminare a CCO-Cr în funcție de IVN.

1

10

100

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Nr. probe

Eficienta de eliminare CCO (%) IVN (cm³/g)

eCCO (%)

50

5 5

50

10

100

500

1


– 26 –

Figura 4.16. Eficiențe de eliminare a azotului amoniacal în funcție de IVN.

5. Dimensionarea tehnologică a stațiilor de epurare de capacitate

redusă

5.1 Epurarea biologică extensivă

Epurarea biologică extensivă reprezintă totalitatea fenomenelor biochimice ce decurg din metabolismul microorganismelor existente în apele uzate și are ca scop reținerea din aceste ape a substanțelor organice coloidale sau dizolvate. Această tehnologie de epurare se bazează pe capacitatea naturală de autoepurare a solului și a apelor și se realizează pe câmpuri de irigare, câmpuri de infiltrare, filtre de nisip și iazuri biologice (de stabilizare).

Datorită eficienței ridicate pe care o asigură (95 – 99 %), epurarea biologică naturală este recomandată acolo unde emisarul impune evacuarea unei ape curate, sau în acele cazuri în care această metodă se dovedește avantajoasă din punct de vedere tehnico – economic.

Tehnologiile de epurare biologică naturală includ: − Câmpuri de irigare și infiltrare; − Iazuri biologice (de stabilizare);

5.2 Epurarea biologică intensivă

Epurarea biologică intensivă reproduce în mod intensiv fenomenele de autoepurare a solurilor şi apelor de suprafaţă, realizând condiţiile necesare (masă biologică, temperatură, pH, timp de contact, hrană, tip bacterii) dezvoltării masei bacteriene în mod artificial.

1

10

100

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80

IVN (cm3/g)

Nr. probe

Eficienta de eliminare amoniu IVN (cm³/g)

50

5

500

100

10

50

eN

(%)

1

5


– 27 –

Fenomenul de epurare biologică se bazează pe reacţiile metabolice ale unor populaţii mixte de bacterii, ciuperci şi alte microorganisme inferioare, în special protozoare. În practica epurării aceste biocenoze poartă denumirea de biomasă.

Substanţele organice din apă pot fi îndepărtate de către microorganisme care le utilizează ca hrană, respectiv drept sursă de carbon. Ele constituie aşa numitul substrat organic.

O parte din materiile organice utilizate de către microorganisme servesc la producerea energiei necesare pentru mişcare sau pentru desfăşurarea altor reacţii consumatoare de energie cum ar fi sinteza de materie vie, respectiv reproducerea (înmulţirea) microorganismelor.

Materialul celular nou creat se grupează pe un suport solid, dacă acesta există, realizând în jurul său o peliculă denumită membrană biologică, sau se grupează în flocoane (fulgi) care plutesc în masa de apă.

În funcţie de procedeele de epurare predominante, epurarea mecano – biologică convențională se poate clasifica:

− epurare biologică cu biomasă sau peliculă fixată, realizată în filtre biologice clasice ori echipate cu biodiscuri;

− epurare biologică cu biomasă în suspensie realizată în bazine cu nămol activat, șanțuri de oxidare;

− epurare biologică mixtă realizată în instalaţii de tip special;

5.3 Diferențierea parametrilor tehnologici la reactoare biologice pentru stații

de epurare mari și stații de epurare compacte de capacitate redusă

5.3.1 Probleme speciale caracteristice aglomerărilor reduse

În cazul epurării apelor uzate provenite de la aglomerări mici ( ≤ 2 000 L.E.) pot apărea probleme ce pot deregla procesele biologice de epurare și operarea instalațiilor. Dintre aceste probleme se pot menționa:

− Variații mari ale debitelor și încărcărilor influentului; − Lipsa personalului de operare calificat; − Lipsa laboratoarelor de proces;

5.3.2 Parametrii de dimensionare ai stațiilor de epurare compacte de capacitate redusă

5.3.2.1 Încărcări organice specifice

Încărcările organice specifice pe L.E. și zi conform normelor românești în vigoare influente în stațiile de epurare (mari și mici) sunt[44]:

a) Consum biochimic de oxigen (CBO5): 60 g O2/ L.E.,zi; b) Consum chimic de oxigen (CCO – Cr): 120 g O2/L.E.,zi; c) Materii totale în suspensie (MTS): 70 g /L.E.,zi; d) Azot total Kjeldahl (NTK): 11 g / L.E.,zi; e) Fosfor total (PT): 4 g / L.E.,zi;


– 28 –

Conform literaturii de specialitate [Metcalf& Eddy,Ed. 1991] încărcările recomandate pentru stații de epurare compacte de capacitate redusă sunt:

a) Consum biochimic de oxigen (CBO5): 81 g O2/ L.E.,zi; b) Materii totale în suspensie (MTS): 90 g /L.E.,zi; c) Azot total Kjeldahl (NTK): 25 g / L.E.,zi; d) Fosfor total (PT): 10 g / L.E.,zi;

5.3.2.2 Încărcări organice ale stației de epurare

Încărcarea organică (Iob)a stației de epurare se definește ca raportul dintre cantitatea de materii organice biodegradabile (exprimate în CBO5) și volumul reactorului biologic.

Valorile recomandate pentru încărcarea organică a reactorului biologic sunt cuprinse în intervalul 0,3 – 1,5 kg CBO5/m

3,zi (Water Treatment Handbook,Degremont, 2007) și valori recomandate de 0,1 – 0,7 kg CBO5/m

3,zi (Metcalf&Eddy, 4th Edition,2004).

Nu sunt specificate valori destinate exclusiv pentru stațiile de epurare compacte de capacitate mică.

Stațiile de epurare compacte de capacitate redusă pot admite variații mari ale debitelor, ale încărcărilor hidraulice și organice.

În unele manuale (Mackenzie, 2010) nu se recomandă alegerea Iob ca parametru de proiectare al instalațiilor de epurare ci doar pentru verificarea proceselor de epurare.

5.3.2.3 Încărcări organice ale nămolului

Încărcarea organică a nămolului (Ion = F/M) se definește ca raportul dintre cantitatea de materie organică biodegradabilă influentă (exprimată în CBO5) și cantitatea de biomasă din bazinul de epurare.

Pentru Ion se recomandă valori cuprinse între 0,07 – 0,5 kg CBO5/kg s.u,zi (Water Treatment Handbook,Degremont,2007) și valori de 0,04 – 0,1 kg CBO5/kg s.u,zi Metcalf&Eddy, 4th Edition,2004).

Conform Metcalf& Eddy,Ed. 1991, Ion pentru stații de epurare compacte de capacitate redusă se recomandă: 0,05 – 0,15 kg CBO5/kg s.u,zi.

5.3.2.4 Vârsta nămolului

Vârsta nămolului se definește ca timpul mediu în care este reținută biomasa în bazinul cu nămol activat (TN = MCRT = θc = Mean Cell Residence Time = SRT = Solids Retention T ime).

Valorile recomandate pentru vârsta nămolului depind de cantitățile de poluanți influente și de tipul procesului de epurare după cum se poate observa în tabelele 5.14, 5.15.

5.3.2.5 Concentrația biomasei

Valorile recomandate pentru concentrația biomasei active din reactoarele biologice (cna=MLVSS) variază de la 2 000 – 5 000 mg MLVVS/dm3 după cum se poate urmări în tabelele 5.14 – 5.15.

Conform Metcalf & Eddy,Ed. 1991, pentru stații de epurare compacte de capacitate redusă se recomandă o concentrație a biomasei active de 2 500 mg MLVSS/dm3.

Tehnologiile performante de epurare avansată admit concentrații ale biomasei active mai mari de 5 000 mg MLVSS/ dm3 și chiar peste 10 000 mg MLVSS/ dm3.


– 29 –

Tabel 5.14. Parametrii de proiectare compacte pentru stații compacte. [Metcalf & Eddy cap.14,1991]

Nr. crt. Parametru de proiectare U.M. Valori

Interval Valoare

recomandată 1 CBO5 g/L.E.,zi 59 – 108 81 2 MTS g/L.E.,zi 59 – 110 90 3 NTK mg/l 15 – 20 25 4 NH3 mg/l 5 – 25 15 5 P – PO4 mg/l 5 – 15 10

1. Procese cu aerare prelungită Pre – epurare Grătare rare, dese

6 Timpul de retenție (tR) h 18 – 36 24 7 Încărcarea organică a nămolului (Ion) kg CBO5/ kg s.u,zi 0,05 – 0,15 0,1 8 Concentrația nămolului activat (cna) mg/l 1.500 – 5.000 2.500

Necesarul de oxigen 9 Mediu (20°C) kg O2/ kg CBO5 redus 0,9 – 1,4 1,2 10 Maxim (20°C) kg O2/ kg CBO5 redus 0,6 – 0,9 0,7 11 Nămol în exces (nes) kg/ kg CBO5 redus 0,14 – 0,34 0,18

2.Procese de reacție și stabilizare Pre - epurare Grătare rare, dese

12 Timpul de retenție – bazinul de reacție h 0,33 – 0,66 0,5 13 Timpul de retenție – bazinul de reaerare h 0,33 – 0,6 0,4 14 Concentrația nămolului activat (bazinul de reacție) mg/l 1.000 – 3.000 1.800 15 Concentrația nămolului activat (bazinul de stabilizare) mg/l 4.000 – 8.000 5.000

Necesarul de oxigen 16 Mediu (20°C) kg O2/ kg CBO5 redus 0,9 – 1,4 1,2 17 Maxim (20°C) kg O2/ kg CBO5 redus 0,6 – 0,9 0,7 18 Nămol în exces (nes) kg/ kg CBO5 redus 0,14 – 0,34 0,18

3.Reactoare cu funcționare secvențială (SBR) Pre - epurare Grătare rare, dese

19 Timpul de retenție (tR) h 0,2 – 0,6 0,4 20 Încărcarea organică a nămolului (Ion) kg CBO5/ kg s.u,zi 0,05 – 0,15 0,1 21 Concentrația nămolului activat (cna) mg/l 1.500 – 5.000 2.500

Necesarul de oxigen 23 Mediu (20°C) kg O2/ kg CBO5 redus 0,9 – 1,4 1,2 24 Maxim (20°C) kg O2/ kg CBO5 redus 0,6 – 0,9 0,7


– 30 –

Tabel 5.15. Parametrii proiectare BNA [Metcalf &Eddy, 4th Edition,2004]

Nr crt

Tipul epurării TN

(zile)

I on

(kg CBO5/ kg s.u,zi)

I ob (kg CBO5/

m3,zi)

cna (mg/ dm3)

ta (h)

r (%)

1 Aerare de mare încărcare 0,5 – 2 1,5 – 2 1,2 – 2,4 200 – 1000 1,5 – 3 100 – 150

2 Bazine de stabilizare și reacție

5 – 10 0,2 – 0,6 1,0 – 1,3 1000 – 3000a 6000 – 10000b

0,5 – 1a 2 – 4b

50 – 150

3 Aerare cu introducere de oxigen pur

1 – 4 0,5 – 1 1,3 – 3,2 2000 – 5000 1 – 3 25– 50

4 Curgere în bloc convențională

3 – 15 0,2 – 0,4 0,3 – 0,7 1000 – 3000 4 – 8 25 – 75d

5 Alimentare fracționată 3 – 15 0,2 – 0,4 0,7 – 1,0 1500 – 4000 3 – 5 25 – 75 6 Amestec complet 3 – 15 0,2 – 0,6 0,3 – 1,6 1500 – 3000 4 – 8 25 – 75d 7 Aerare prelungită 20 – 40 0,04 – 0,1 0,1 – 0,3 2000 – 5000 20 – 30 50 – 150 8 Șanțuri de oxidare 15 – 30 0,04 – 0,1 0,1 – 0,3 3000 – 5000 15 – 30 75 – 150

9

Procese de aerare și decantare grupate în același bazin

15 – 25 0,04 – 0,1 0,1 – 0,3 2000 – 5000c 20 – 40 N

10 Bazine cu funcționare secvențială

10 – 30 0,04 – 0,1 0,1 – 0,3 2000 – 5000 15 – 40c N

11 Aerare în contracurent 10 – 30 0,04 – 0,1 0,1 – 0,3 2000 – 4000 15 – 40 25 – 75d

a) Concentrația nămolului activat și timpul de retenție în bazinul de contact TN – vârsta nămolului, (zile) b)Concentrația nămolului activat și timpul de retenție în bazinul de stabilizare I on – încărcarea organică a nămolului, (F/M)(kg CBO5/ kg s.u,zi) c)Utilizată și la vârste ale nămolului intermediare I ob – încărcare organică a bazinului,(kg CBO5/ m

3,zi) d)Pentru nitrificare, ratele pot fi crescute cu 25 – 50 % cna – concentrația nămolului activat, (mg/dm3) N-neaplicabil ta = V/Qc – timpul de retenție la debitul de calcul, (h) V – volumul bazinului, (m3) r = Qnr/Qc – rata de recirculare a nămolului, (%) Qnr – debitul de recirculare, (m3/zi) Qc – debitul de calcul, (m3/zi)


– 31 –

6. Concluzii

6.1 Conținutul lucr ării

Lucrarea ”STAȚII DE EPURARE COMPACTE” cuprinde 140 pagini, 57 figuri, 44 de tabele, 87 formule și 44 referințe bibliografice.

În capitolul 1 se prezintă necesitatea obiectivă a abordării subiectului şi obiectivele studiului şi cercetării staţiilor compacte de capacitate mică.

În capitolul 2: Teoria proceselor de epurare biologică. este prezentată o sinteză a proceselor de reducere a azotului şi fosforului din apelele uzate conform literaturii tehnice de specialitate.Sunt analizate 3 modele de bioreactoare: modelul bioreactorului cu amestec complet (”complete mix”), modelul bioreactorului tip curgere piston (”plug-plow”) cu recircularea nămolului și modelul bioreactorului secvențial (”sequencing batch reactor”).

Modelul bioreactorului cu amestec complet se bazează pe ecuația Monod și pe bilanțul masei de-a lungul unui volum definit de biomasă și substrat ( § 2.2.2); modelul bioreactorului secvențial este analizat în § 2.2.3 și prezintă variația concentrațiilor substratului în funcție de timp pornind de la bilanțul masei pentru reactorul cu amestec complet. Modelul bioreactorului tip piston cu recircularea nămolului este analizat în § 2.2.4 și a fost dezvoltat pe baza modelului bioreactorului tip „piston”, presupunând 2 ipoteze simplificatoare:

Ip.1) Concentrația microorganismelor din influent este identică cu cea din efluent (aplicabil pentru rapoarte TN/THR > 5).

Ip. 2) Rata de utilizare a CBO5 solubil dată de relația (2.19).

În capitolul 3: Tehnologia stațiilor de epurare de capacitate redusă. Stadiul actual. sunt prezentate procedeele de epurare intensivă și extensivă aplicabile aglomerărilor reduse; sunt prezentate performanțele acestora la eliminarea compușilor organici biodegradabili, ai compușilor pe bază de azot și fosfor precum și avantajele /dezavantajele acestor tipuri de sisteme. Procedeele de epurare extensive (filtre plantate cu stuf, culturi fixate pe mediu fin, sisteme wetland, lagune naturale, lagune aerate) au avantajul unor procese de epurare biologică economice din punct de vedere al consumului energetic dar necesită spații mari, nu se adaptează tuturor tipurilor de climă și impun proceduri de mentenanță specifice.

În subcapitolul 3.2 sunt prezentate 5 tipuri de staţii de epurare compacte. Epurarea biologică în toate staţiile compacte prezentate se realizează fie cu masă biologică în suspensie (nămol activat) fie cu masa biologică fixată (peliculă biologică).

Experimentările “in situ” sunt prezentate în capitolul 4. Acestea au fost efectuate pe o instalație de epurare pilot compactă peentru N = 4 – 6 L.E în care epurarea biologică se realizează cu biomasă în suspensie. Principalele obiective urmărite au fost: stabilirea eficienţelor de epurare; stabilitatea în timp a proceselor de epurare; monitorizarea calității efluentului.

Rezultatele obţinute sunt prezentate în subcapitolul 4.2. şi sintetizate în tabelele 4.1, 4.3, 4.4. Concluziile experimentărilor “in situ” pe instalația de epurare pilot sunt:

• eficienţele determinate la reducerea substanţelor organice (CCO -Cr) au depășit valori de 88,8 % ; același lucru se poate preciza și despre eliminarea substanțelor organice biodegradabile exprimate în CBO5 (eficiențe medii de 91,8 %);

• azotul amoniacal a fost eliminat cu eficienţe medii de 90,7 %;


– 32 –

• calitatea efluentului îndeplinește limitele impuse de norma de protecția apelor în vigoare, respectiv NTPA 001 exceptând eliminarea compușilor pe bază de fosfor (eficiențe calculate de 20,8 %);

• eliminarea fosforului s-a realizat de la valori medii în influent: 4,4 mg P/l până la valori medii în efluent: 3,5 mg P/l;

• consumuri energetice: 1,4 kWh/m3 apă epurată.

Capitolul 5: Dimensionarea tehnologică a stațiilor de epurare de capacitate redusă. prezintă elementele utilizate la dimensionarea reactoarelor biologice.

În § 5.3 sunt analizate diferențele și asemănările între elementele tehnologice de dimensionare a stațiilor compacte de capacitate redusă și bioreactoarele de capacitate mare; acestea se sistematizează după cum urmează:

• referitor la încărcarea organică a bioreactoarelor nu sunt precizate valori destinate exclusiv stațiilor de epurare compacte; la dimensionare se adoptă aceeași parametrii caracteristici stațiilor de epurare de capacitate mare;

• referitor la încărcarea organică a nămolului se poate preciza că stațiile de epurare de capacitate redusă admit încărcări organice ale nămolului mai mari decât bioreactoarele de capacitate mare (tabelele 5.14 – 5.17);

• în ceea ce privește vârsta nămolului, valoarea calculată pentru instalația de epurare de compactă de capacitate redusă este 11,7 zile față de valori recomandate în literatura de specialitate de 20 – 40 zile (tabelele 5.13 – 5.19); rezultă deci un nămol în exces nestabilizat ce necesită adoptarea unor procedee speciale de tratare.

6.2 Originalitatea lucrării și contribu ția autorului

Lucrarea ”STAȚII DE EPURARE COMPACTE” elaborată ca teză de doctorat are la bază: o sinteză amplă din literatura națională și internațională cu privire la procesele biologice de epurare pentru aglomerări reduse, cercetările ”in situ” pe instalație de epurare compactă de capacitate mică .

Cercetările ”in situ” confirmă teoria susținută de Dick, 1976, citată de Mackenzie în Water and Wastewater Engineering, cap.23, pag. 38 – 39, 2010 referitoare la indexul volumetric al nămolului: ”… se admite că IVN nu poate fi adoptat ca parametru de proiectare al instalațiilor de epurare; se poate adopta o concentrație a biomasei active cuprinsă în anumite intervale, pentru dimensionarea sistemelor de epurare cu nămol activat…”.

În cadrul studiilor și cercetărilor prezente s-a pus în evidență faptul că indicele nămolului IVN nu influențează direct eficiența reactoarelor biologice (bazin anoxic – bazin aerob – decantor secundar); aceasta rezultă în diagramele 4.13 – 4.16 din capitolul 4 unde se pune în evidență:

• la o variație a IVN în intervalul 100 ... 440 cm3/g eficiența de reducere a CBO5 s-a situat în intervalul 72,9 % ... 97,1 %; pentru CCO – Cr eficiențele înregistrate sunt de 60 % ... 95,6 % la aceeași variație a IVN;

• eficiențele de reducere a azotului amoniacal au înregistrat valori de 12,6 % ... 99,8 % pentru IVN situat în intervalul: 100 cm3/g ...400 cm3/g;

• eliminarea fosforului se realizează doar biologic (nu s-au utilizat reactivi de precipitare fosfor); concentrațiile reduse sunt cuprinse în intervalul: 0,9 mg P/l ... 1,0 mg P/l.


-33-

BIBLIOGRAFIE

[2] ATV–DVWK–A131E– Dimensioning of Single – Stage Activated Sludge Plants, May 2000.

[4] Barnard, J.L. – Biological Nutrient Removal without the Addition of Chemicals, Water Research, 1975.

[6] Boutin C., Duchène P., Liénard A. – Filières adaptées aux petites collectivités, Document technique FNDAE no°22, 1997.

[7] Boutin, C., Iwema, A., Liénard, A., Merlin, G., Molle, P. – Traitement des eaux usées domestiques par marais artificiels: état de l’art et performances des filtres plantés de roseaux en France, Ingenieries No. special, 2004

[10] Călin, A. – Epurarea avansată a apelor uzate – Stații compacte de capacitate mică, Teză de doctorat, UTCB, 2008.

[12] Cooper P., Griffin P. – A review of the design and performance of vertical-flow and hybrid reed bed treatment systems, Water Science and Technology 40, 1999.

[13]Davis, M.L., Cornwell, D.A. – Introduction to Environmental Engineering, McGraw-Hill, 2008.

[14] Dègremont – Water treatment Handbook, Volume 2, 7th Edition, France, May 2007.

[18] International Office of Water – Office of publications of the European Community – Extensive westwater treatment processes adapted to small and medium sized communities ; http://www.oieau.org, 2001.

[19] Mackenzie, L.D. – Water and Waste Water Engineering, McGraw Hill Professional; 1th Edition, March 2010.

[20] Metcalf & Eddy – Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4th Edition, McGraw-Hill, 2003, 3th edition,1991

[22] Minescu, A. – Raport de cercetare II: Studii privind operarea stațiilor de epurare de capacitate redusă, octombrie 2010.

[24] Minescu, A. – Wastewater treatment plant operation. Pilot studies, 1th Danube – Black Sea Regional Young Water Professionals Conference, Bucharest, june 2011.

[27] Negulescu, M. – Epurarea apelor uzate orășenești, Editura Tehnică București, 1988.

[28] NEIWPCC – Sequencing Batch Reactor Design and Operational Consideration, New England Interstate Water Pollution Control Commission, 2005.

[31] Racovițeanu, G., Vulpașu, E., Racovițeanu M.R. – Comparație între procedeele de epurare extensive și intensive pentru comunități mici (500 – 5.000 p.e.), Conferința Tehnico – Științifică: Dezvoltarea sistemelor de alimentare cu apă și canalizare în comunități rurale, EXPO APA, București, iunie 2010.

minescu elena-anca - rezumat

Documents

rata de utilizare

teza de doctorat

curba de durata

sequencing

la controlul

proceselor

ce mai restrictive

valoare medie