Environment & Progress 14/2010 Cluj – Napoca, p. 5-11 5

NĂMOLUL REZULTAT DIN EPURAREA APELOR UZATE ORĂŞENEŞTI, VALORIFICARE CA SURSĂ DE ÎMBUNĂTĂŢIREA CALITĂŢII SOLURILOR AGRICOLE Corina BERKESY1, Ecaterina MATEI2, Laszlo BERKESY,3 Melinda VIGH3

1S.C. ICPE Bistriţa S.A. 2Universitatea Politehnică Bucureşti - CCEEM 3Universitatea Babeş-Bolyai din Cluj-Napoca, Facultatea de Ştiinţa Mediului Abstract: The sludge resulted from the urban wastewater treatment plant, recovery as a source of improving the quality of agricultural soils. In this work we will present the possibilities to use the sludge from municipal wastewater treatment plants like fertilizers in agriculture or like energy source to produce biogas. The recovery of the sludge from municipal treatment plants in agriculture is stimulated by the increasing of chemical fertilizers lack and the continuous increase of their prices. The chemical characteristics of sludge depend on the nature and type of the wastewater treatment plant. A proper management of such waste and their use in accordance with the legislation in force leads to benefits in terms of neutralizing its cheapest. Key words: sludge, heavy metals, agriculture, fertiliser, soil Introducere Construirea şi funcţionarea staţiilor de epurare orăşeneşti a dus la apariţia unor mari cantităţi de nămol ce nu şi-au găsit utilizarea decât foarte rar şi după o lungă perioadă de depozitare. Rezultarea acestor cantităţi mari de nămol de epurare reclamă cu necesitate găsirea unor soluţii care să asigure evitarea poluării mediului înconjurător. Epurarea apelor uzate este prin definiţie o activitate desfăşurată în sprijinul protecţiei mediului înconjurător, asigurând reţinerea substanţelor poluante sub formă de nămoluri. Pentru a aduce epurarea apelor uzate la nivelul de activitate ecologică ea trebuie cuplată cu acţiunea de valorificare/depozitare controlată a nămolurilor rezultate din proces. Pentru cazul concret al nămolurilor rezultate din epurarea apelor uzate orăşeneşti, reintegrarea lor în circuitul materiei în natură este realizabilă pe mai multe căi, dintre care aplicarea pe terenurile agricole este una din cele mai practice [1, 3]. Prin folosirea solului ca sistem epurator pentru aceste produse reziduale este absolut necesar să nu fie afectată, nici pentru moment şi nici pe timp îndelungat fertilitatea sa, trebuie să se asigure obţinerea unor produse sigure, stabile şi de bună calitate [4]. Tratarea sau epurarea are drept obiectiv reducerea încărcăturii poluante pe care o vehiculează astfel încât să se redea mediului acvatic o apă de calitate, care să nu afecteze echilibrele naturale şi utilizările sale viitoare. Protejarea calităţii apelor naturale determină necesitatea funcţionării unor staţii de epurare în apropierea localităţiilor pentru tratarea apelor uzate. Staţiile de epurare generează din activitatea lor, în mod inevitabil nămolul de epurare. Nămolul de epurare Procesul de epurare a apelor uzate este un proces complex, cuprinzând mai multe etape care permit eliminarea treptată a diferitelor tipuri de materii reziduale, grosiere, fine, de natură minerală sau de natură organică. La intrarea în staţie se realizează reţinerea particolelor grosiere, apoi apa încărcată cu materii organice în suspensie ajunge în bazinele de tratare chimică şi biologică. În treapta

biologică microorganismele aerobe acţionează asupra materiilor organice pe care le descompun şi le 6 mineralizează făcând posibilă decantarea nămolului de epurare şi limpezirea ulterioară a apei până la stadiul de apă convenţional curată [1]. Tratamentele biologice reproduc sau nu fenomenele de autoepurare existente în natură. Autoepurarea regrupează ansamblul de procese prin care mediul acvatic revine la calitatea sa originală după ce a fost supus unui proces de epurare: procese intensive şi procese biologice artificiale ce utilizează instalaţii cu culturi libere unde cultura bacteriană este menţinută în suspensie sau instalaţii cu culturi fixe unde cultura bacteriană (biofilm) se sprijină pe un suport (piatră, plastic, mediu granular). Valorificarea nămolurilor nu constituie un scop în epurarea apelor uzate urbane, ea trebuie considerată ca fiind o modalitate raţională de îndepărtare a substanţelor nocive din apele uzate (tabel 1). Nămolurile din staţiile de epurare urbane conţin în afară de gazele de fermentare unele substanţe care pot fi valorificate. Unele dintre acestea, cum sunt substanţele hrănitoare pentru sol şi plante şi-au găsit o largă utilizare. Valorificarea fertilizatoare a nămolului variază în funcţie de procedeul de tratare a acestuia, deşi valoarea ca îngrăşământ este redusă [4]. Tabel 1. Utilizarea nămolurilor de la staţiile de epurare municipale (2003-2006) Nămol primar (tone)

Nămol secundar (tone)

Nămol chimic (tone)

Nămol mixt (tone)

Total (tone)

Folosite în agricultură 75 0 0 1645,0 1720 Incinerare 0 0 0 0 0 Depozitate la depozitul de deşeuri

19196,1 1873,9 0 20138,7 41208,7

Depozitare în stocul propriu 20138,94 17347,44 0 54150,08 3065,8 Alte forme de eliminare 935,2 23,0 0 2107,0 3065,8

Conţinutul în substanţe organice este de cca 87 % din substanţa uscată; la unele nămoluri orăseneşti acest procent depinde, în mare msură, de raportul de ape uzate industriale, care poate contribui cu elemente toxice. Humusul format de substanţele organice măreşte capacitatea solului [4]. Material şi metodă Directiva 86/268/EEC încurajează utilizarea nămolului în agricultură şi reglementează utilizarea acestuia astfel înt să prevină efectele nocive asupra solului, plantelor, animalelor şi populaţiei. Directiva 86/268/EEC stabileşte valori limită obligatorii pentru metalele grele în nămoluri şi în sol. Limitează cantitatea de metale grele adăugate la solul cultivat, fie prin stabilirea unor cantitaţi maxime ale aportului de nămoluri utilizate pe an, fie având grijă ca valorile limită ale concentraţiei de metale grele în nămoluri să nu depăşească valorile limită pentru cantităţile de metale grele ce pot fi adăugate pe sol pe baza unei medii de 10 ani. De asemenea stabileşte obligativitatea ca nămolurile să fie tratate înainte ca să fie utilizate în agricultură. Nămolurile se vor utiliza în condiţii care să garanteze protecţia solului, apelor de suprafaţă şi subterane [6].

În Ordinul nr. 344/2004 sunt stabilite „Normele tehnice privind protecţia mediului, cu precădere a solurilor, când se utilizează nămolurile de epurare în agricultură” [7]. Metode de analiză Pentru determinarea indicatorilor de calitate ai nămolului cum sunt metalele grele şi nutrienţi s-au utilizat metodele de determinare prezentate în tabelul nr. 2. 7 Tabel 2. Indicatorii de calitate ai nămolurilor şi metode de determinare Nr crt.

Parametru Metoda de analiza

1 Azot STAS 12200/85 2 Fosfor STAS 12205/84 3 Potasiu STAS 12678/88 4 Cadmiu STAS 12876/90 5 Zinc SR 13181/93 6 Crom STAS 13117/92 7 Cupru SR 13179/93 8 Mercur , Nichel STAS 13094/92 9 Plumb SR 13225/94

Probele de nămol au fost prelevate în conformitate cu SR EN ISO 5667-13:2000 şi au provenit de la staţii de epurare menajere diferite, atât probele de nămol deshidratat, cât şi cele de nămol proaspăt, fiind numerotate de la I la IV (I-II probe de nămol deshidratat şi III-IV probe de nămol proaspăt). Metale grele şi nutrienţi Compoziţia chimică a nămolurilor depinde de natura şi provenienţa apelor uzate din care s-au separat (cu impurificare minerală sau organică) şi de tipul staţiei de epurare (cu treaptă mecanică, biologică sau avansată). Principalele componente ale nămolului, din punct de vedere chimic, sunt materiile minerale şi organice din substanţă uscată, sărurile de azot, compuşi ai fosforului, potasiului, grăsimi etc. [3] În mod obligatoriu, în vederea utilizării nămolurilor în agricultură, se vor efectua analize complexe ale compoziţiei nămolurilor, în ceea ce priveşte concentraţia de metale grele şi concentraţia de substanţe organice, de azot, de fosfor şi de potasiu. Prin intensificarea proceselor de producţie agricolă solurile sunt expuse mineralizării humusului într-un ritm accelerat, astfel că utilizarea acestor surse de îngrăşământ organic este foarte importantă. Nămolul orăşenesc conţine substanţe fertilizante necesare plantelor. Aproximativ 50 % din azotul şi potasiul din nămolul fermentat se găseşte în stare lichidă, deci uscarea şi deshidratarea conţinutului de nutrient scade semnificativ. Rezultate şi discuţii Nămolurile provenite de la staţiile de epurare a apelor uzate din localităţi şi din alte staţii de epurare a apelor uzate, cu o compoziţie asemănătoare apelor uzate orăşeneşti, pot fi utilizate în agricultură numai dacă sunt în conformitate cu prevederile Directivei 86/268/EEC şi cu prevederile Ordinului 344/2004. Concentraţiile de metale grele în solurile pe care se aplică nămoluri, concentraţiile de metale grele din nămoluri şi cantităţile maxime anuale ale acestor metale grele, care pot fi

introduse în solurile cu destinaţie agricolă, conform Ordinul nr. 344, sunt prezentate în tabelele nr. 3, 4 şi 5. Se interzice utilizarea nămolurilor atunci când concentraţia unuia sau a mai multor metale grele din sol depăşeşte valorile limită stabilite în tabelul 3 şi trebuie luate măsuri pentru ca aceste valori limită să nu fie depăşite ca urmare a utilizării nămolurilor. Pe terenurile agricole se pot aplica numai nămolurile al căror conţinut în elemente poluante nu depăşeşte limitele prezentate în tabelul 4. Pentru alte elemente poluante care nu sunt existente în tabelele prezentate mai sus, restricţiile şi utilizarea nămolurilor vor fi stabilite de către autoritatea teritorială de protecţie a mediului, în baza recomandărilor primite din partea autorităţilor centrale de mediu pentru fiecare staţie de epurare, pe baza analizelor de sol şi nămol. 8 Tabel 3. Valorile limită ale concentraţiilor de metale grele în nămolurile destinate utilizării în agricultură (mg/kg subst. uscată) Parametrii Valori limită

Ord. 344/2004 Cadmiu 20-40 Cupru 1000-1750 Nichel 300-400 Plumb 750-1200 Zinc 2500-4000 Mercur 16-25 Crom -

Tabel 4. Valorile limită ale concentraţiilor de metale grele în soluri (mg/kg subst. uscată, pH=6,7) Parametrii Valori limită

Ord. 344/2004 Cadmiu 1-3 Cupru 50-100 Nichel 30-75 Plumb 50-300 Zinc 150-300 Mercur 1-1,5 Crom -

Tabel 5. Valori limită pentru cantităţile anuale de metale grele ce pot fi introduse in solurile cultivate pe baza unei medii de 10 ani (kg/ha/an) Parametrii Valori limită

Ord. 344/2004 Cadmiu 0,15 Cupru 12 Nichel 3

Plumb 15 Zinc 30 Mercur 0,1 Crom -

La probele de nămol prelevate în cazul I şi II s-au efectuat analizele de metale grele în scopul de a fi prelucrate pentru utilizarea ca fertilizator pentru terenuri agricole sau în silvicultură. După cum se poate observa în tabelul 6, valorile metalelor grele din probele analizate sunt cu mult sub limitele prevăzute în Ord. 344/2004, astfel încât pot fi utilizate ca fertilizator după operaţia de condiţionare. Totuşi între cele două probe există diferenţe, nivelul de cupru, plumb şi zinc este mai mare la proba prelevată de la staţia de epurare din cazul II. 9 Tabel 6. Concentraţia de metale grele a nămolului în cazul celor două staţii de epurare luate în studiu Nr.crt. Parametru U.M. Valori obţinute

Caz I Caz II 1 Cadmiu mg/kg 0,008 0,05 2 Crom mg/kg 0,21 1,46 3 Cupru mg/kg 0,72 2,00 4 Nichel mg/kg 0,28 0,02 5 Plumb mg/kg 0,37 4,05 6 Zinc mg/kg 9,14 52,3 7 Mercur mg/kg <0,001 0,22

Conţinutul de nutrienţi (K, P, N) prezintă o importanţă deosebită atunci când se are în vedere valorificarea nămolului ca îngrăşământ agricol sau agent de condiţionare a solului. De asemenea, utilizarea agricolă a nămolului este condiţionată de prezenţa şi cantitatea metalelor grele care prezintă grad ridicat de toxicitate. Dacă nămolul menajer conţine cantităţi reduse de metale grele, în general sub limitele admisibile, nămolul rezultat din epurarea în comun a apelor orăşeneşti cu cele industriale conduce, în funcţie de profilul industriei, la creşterea concentraţiei de metale grele în nămol. Prezenţa şi concentraţia metalelor în nămolurile industriale depinde de profilul şi procesul tehnologic al industriei. Tabel 7. Conţinutul nămolului deshidratat în nutrienţi provenit de la două staţii de epurare a apelor uzate menajere diferite Nr. crt. Parametru U.M. Valori obţinute

Proba I Proba II 1 Umiditate % 70,5 61,2 2 Substanţa uscată % 29,5 38,8 3 Azot total % 2,66 3,09

4 Fosfor total % 0,12 0,18 5 Potasiu (K20) % 0,65 0,46

Tabel 8. Conţinutul nămolului proaspăt în nutrienţi provenit de la două staţii de epurare a apelor uzate menajere diferite Nr. crt. Parametru U.M. Valori obţinute

Caz III Caz IV 1 Azot total % 4,3 3,9 2 Fosfor total % 2,2 0,59 3 Potasiu (K20) % 0,53 0,42

Raportul N/K/P al nămolului este mic faţă de nevoile plantelor. În consecinţă, folosirea nămolului fermentat la o normă care să satisfacă necesarul de azot al unei culturi nu va îndeplini şi necesarul pentru potasiu. În cazul nămolului proaspăt, proporţiile între N/P/K sunt de 1/0,5/0,11, iar pentru nămolul fermentat sunt de 1/0,67/0,22 [5]. 10 La cele două probe de nămol fermentat (probele I şi II) care au fost prelevate din două staţii de epurare orăşeneşti se evidenţiază o cantitate de azot mai mare decât pentru un nămol fermentat - 2,66 %, 3,09 % (tabel 7), faţă de 1,13 %; conţinutul în fosfor este mult mai mic - 0,12 %, 0,18 % (tabel 7), faţă de 0,75%, pe când conţinutul în potasiu este crescut 0,65 %, 0,46 % (tabel 7) faţă de 0,25 %. Din această cauză raportul de nutrienţi este diferit. Astfel: în primul caz avem un raport 1/0,05/0,24, iar în cazul al doilea raportul între nutrienţi este 1/0,06/0,15. Nămolul proaspăt a fost prelevat din alte două staţii de epurare şi au fost notate proba III şi IV, iar caracterizarea acestora din punct de vedere a conţinutului în nutrienţi este prezentată în tabelul 8. În ceea ce priveşte cantitatea de nutrienţi în cazul probei III, raportul între nutrienţi - 1/0,51/0,12 este apropiat de cel prezentat de Roedinger (1982) - 1/0,5/0,11. În cazul probei IV raportul între nutrienţi este de 1/0,15/0,11. Prima condiţie pentru acceptarea utilizării nămolurilor pe terenurile agricole este prelucrarea nămolurilor orăşeneşti prin: fermentare anaerobă, deshidratare mecanică sau naturală, stocare de minim 60 de zile. Perioada de stocare este necesară pentru finisarea procesului de stabilizare şi dezinfecţie, cunoscut fiind faptul că fermentarea anaerobă nu distruge în totalitate agenţii patogeni şi paraziţii. Germenii patogeni avantajaţi de condiţiile anaerobe din bazinele de fermentare, dispar treptat în cursul depozitării sub acţiunea factorilor fizici şi chimici din mediul natural; de asemenea, ouăle de paraziţi intestinali care pot supravieţui procesului de fermentare îşi reduc viabilitatea pe măsura creşterii duratei de stocare a nămolurilor orăşeneşti. Staţia de epurare are obligaţia de a oferi utilizatorilor de nămoluri buletine de analize referitoare la conţinuturile de materie organică, de azot, fosfor, potasiu precum şi de metale grele din nămolurile orăşeneşti. Este necesar ca în continuare să se preleveze probe de sol, din zonele unde urmează să se distribuie nămolul şi în funcţie de concentraţia în metale grele şi nutrienţi să se stabilească cantitaţile de nămol. Înainte de utilizarea ca fertilizator nămolul trebuie tratat.

Ca metode de tratare a nămolului amintim: pasteurizarea, fermentarea aerobă mezofilă, fermentarea aerobă termofilă, compostare (vrac sau grămadă aerată). Statele membre ale UE pot autoriza totuşi utilizarea nămolurilor de epurare netratate, dar fără să exisrte riscuri privitoare la sănătatea omului şi a animalelor atunci când sunt injectate sau încorporate în soluri. Compostarea nămolului În cazul nămolurilor de epurare, procesul de compostare constă în a amesteca acest tip de reziduu cu un agent de volum (talaj de lemn, rumeguş, scoarţă de copaci tocată, paie de cereale etc.) înainte să înceapă descompunerea aerobă ce durează câteva săptamâni. Este o tehnică de stabilizare şi tratare aerobă a deşeurilor organice biodegradabile, este bine aplicată la deşeurile organice solide şi semisolide, este o modalitate de distrugere prin intermediul căldurii a germenilor, paraziţilor şi seminţelor nedorite, este o tehnică biologică de reciclare a materiei organice care duce în final la formarea humusului, este rezultatul unei activităţi microbiologice complexe. Concluzii Cu toate că din analizele efectuate reiese că nămolurile din cele două staţii de epurare luate în studiu sunt corespunzătoare pentru a fi utilizate în agricultură sau silvicultură pentru fertilizarea solului, încă nu s-au luat măsuri de utilizare a lor în acest scop. Cu toate că aplicarea nămolurilor pe terenurile agricole are avantajul de a fi cea mai puţin costisitoare metodă de neutralizare şi reciclare a acestor deşeuri organice, fiind în acelaşi timp în concordanţă cu conceptul general ecologic al reciclării, neutralizării şi ameliorării în cadrul unor ecosisteme date, o mică parte din nămolurile formate în staţiile de epurare este utilizată. 11 Bibliografie 1. Dima M., 2005 - Epurarea apelor uzate urbane, Ed. Tehnopress, Iaşi, 526 p. 2. Leonard I., 2005 - Riscul de translocare a metalelor grele provenite din nămolul orăşenesc, din sol în plantă, Revista de Politica Ştiinţei şi Scientometriei, Număr Special, Bucureşti 3. Negulescu C. A. L., 2006 - Prelucrarea şi valorificarea nămolurilor rezultate din epurarea apelor uzate orăşeneşti, industriale şi din zootehnie, AgroTehnica, Bucureşti 4. Nicolae A. şi colab., 2009 - Proiect: “Modalităţi de valorificare a nămolurilor provenite din deşeuri biodegradabile (din bazinele hidrotehnice de acumulare şi staţii de epurare) în vederea reducerii poluării mediului”, Faza de execuţie I/2009: Studiu privind metode de identificare, control, gestionare şi/sau valorificare a deşeurilor/nămolurilor biodegradabile în România şi Uniunea Europeană, Bucureşti 5. Rodinger, H., 1960 - Die anaerobische alkalische Schlammfaulung”, Verlag R. Oldenbouirg, Munchen 6. *** Directiva Consiliului 86/278/CEE, 1986 privind protecţia mediului şi în special a solurilor când se utilizează nămoluri de epurare în agricultură, amendată de Regulamentul (CE) nr. 807/2003 7. *** Ordinul comun al Ministrului Mediului şi Gospodăririi apelor nr. 344/16.08.2004 şi al Ministrului Agriculturii, Pădurilor şi Dezvoltării Rurale nr. 708/01.10.2004 (M. Of. nr. 959/19.10.2004) pentru aprobarea Normelor tehnice privind protecţia mediului şi în special a solurilor, când se utilizează nămolurile de epurare în agricultură. (modificat şi completat prin Ordinul Ministrului Mediului şi Gospodăririi Apelor nr. 27/10.01.2007

pentru modificarea şi completarea unor ordine care transpun acquis-ul comunitar de mediu – M. Of. nr. 194/21.03.2007) THE SLUDGE RESULTED FROM THE URBAN WASTEWATER TREATMENT PLANT, RECOVERY AS A SOURCE OF IMPROVING THE QUALITY OF AGRICULTURAL SOILS (Summary) The wastewater treatment to discharge into the natural receivers or for recirculation, leads to retention and formation of large quantities of sludge which includes the impurities contained in raw water and those formed in the process of treatment. The chemical characteristics of sludge depend on the nature and type of the wastewater treatment plant. The recovery of the sludge from municipal treatment plants in agriculture is stimulated by the increasing of chemical fertilizers lack and the continuous increase of their prices, where the soil requires an increased quantities of fertilizers to obtain high yields, stable and efficient. It also envisages the need to maintain and to increase the humus content in soil, like an essential factor of its fertilization, and the reserve of a source of nutrients, the key factor in the increasing of the water retention capacity, the thermal regulation, the increasing of the biological activity. By using the soil as a scrubber system for these waste products it is essential to be not affected the fertility temporarily or for a long time; it was necessary to ensure the achievement of safe products, stable and of good quality. In the present study, we analyzed the sludge from several municipal wastewater treatment plants in order to consider its possible use in agriculture as fertilizer or as an energy source, to produce biogas. A proper management of such waste and their use in accordance with the legislation in force leads to benefits in terms of neutralizing its cheapest. Date de contact Corina BERKESY: S.C. ICPE Bistriţa S.A., str. Parcului, nr. 7, 420035, Bistriţa, ju