procedee avansate de epurare a apelor uzate

PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU

CuprinsIntroducere ...................................................................................pg.I

Capitolul I

Sistemul ciclului hidrologic ......................................................pg.1

Circuitul apei în natură.................................................................pg.1

Componentele sistemului hidrologic ...........................................pg.4

Modelarea sistemului hidrologic .................................................pg.11

Modelarea topologică ..................................................................pg.14

Capitolul 2

Mişcarea apei şi a poluanţilor în sol ........................................pg.19

Aspecte generale ..........................................................................pg.19

Pătrunderea apei în sol .................................................................pg.20

Apa subterană ..............................................................................pg.24

Capitolul 3

Transportul şi distribuţia agenţilor poluanţi în ape ..............pg.27

Aspecte generale .........................................................................pg.27

Caracterizarea poluanţilor şi pătrunderea lor în pânzele

freatice .........................................................................................pg.33

Ecuaţiile de transfer al poluanţilor în mediile acvatice ...............pg.36

Amestecul şi diluţia jeturilor poluante ........................................pg.40

Dispersia poluanţilor în râuri ......................................................pg.48

Modele de simulare a poluării apelor subterane .........................pg.55

Capitolul 4

Elemente de monitoring a calităţii apelor ..............................pg.64

Aspecte generale privind activitatea de monitoring ...................pg.64

Monitoringul chimic ..................................................................pg.65

1


Staţii automate de monitoring şi alarmare .................................pg.69

Biosisteme de alarmare automata ............................................pg.70

Capitolul 5

Procese unitare de tratare a apelor industriale uzate .......pg.72

Aspecte generale .....................................................................pg.72

Condiţii privind evacuarea apelor industriale uzate ...............pg.75

Egalizarea si uniformizarea apelor uzate ...............................pg.76

Stabilirea gradului de epurare necesar ...................................pg.82

Procese tehnologice de epurare a apelor uzate provenite

din industrie ..........................................................................pg.83

Sedimentarea particulelor greu solubile ...............................pg.84

Neutralizarea apelor industriale uzate ..................................pg.85

Separarea particulelor greu solubile prin centrifugarea

apei uzate ..............................................................................pg.88

Filtrarea apelor industriale uzate ..........................................pg.90

Separarea particulelor în suspensie prin flotaţie ..................pg.92

Separarea unor substanţe prin extracţie ...............................pg.99

Procesul de adsorbţie ..........................................................pg.107

Epurarea apei prin distilare .................................................pg.112

Epurarea apei prin îngheţare ..............................................pg..113

Epurarea apelor uzate prin spumare ...................................pg.114

Separarea poluanţilor cu ajutorul membranelor .................pg.115

Epurarea apelor prin schimb ionic .....................................pg.120

Electrodializa .....................................................................pg.122

Oxidarea si reducerea compuşilor poluanţi din apele

industriale uzate .................................................................pg.124

Transformarea substanţelor poluante prin precipitare........pg.129

Indepărtarea ionilor metalici prin coagulare

2


electrochimică ...................................................................pg.130

Dezinfecţia apelor uzate ...................................................pg.131

3


PREFATAApa, element vital pentru omenire, era considerat nu demult o

sursă inepuizabilă. Dezvoltarea intensă a industrie, trecerea la o

agricultură intensivă, creşterea nivelului de trai a avut ca

repercursiuni o creştere exponenţială a consumului de apă a omenirii.

Rezervele de apă dulce sunt limitate, pe de o parte şi distribuite

neuniform pe glob pe de altă parte.

Dacă la aceste considerente mai menţionăm şi schimbările

climatice evidente care pun în pericol ecosistemul acvatic, ne duce la

concluzia gravă că, apa în viitorul apropiat va devenii o mare

problemă pentru omenire, dacă nu se iau măsuri rapide şi globale de

protecţie a calităţii apei şi de reducere a consumului de apă.

La aceste probleme privind cantitatea apei se adaugă şi

problemele legate de calitatea apei. Un factor important legat de

calitatea apelor este cel al performanţelor proceselor de epurare atât a

apelor uzate urbane cât şi a celor industriale.

Aderarea României la Comunitatea Europeană implică

eforturi deosebite pentru reducerea poluării mediului în deosebi a

poluării apelor şi ca urmare cartea este utilă din acest punct de

vedere.

Manualul se doreşte a fi o sinteză a celor mai utilizate metode

de control, monitorizare şi tratare a apelor uzate.

Acest manual este destinat studenţilor de la specializarea

„Ingineria şi protecţia mediului în industrie”, precum şi studenţilor de

la cursurile de studii aprofundate de la specializarea „Procedee

speciale în ingineria şi protecţia mediului industrial”.

Autorul

4


5


CAPITOLUL 1

SISTEMUL CICLULUI HIDROLOGIC

1.1. Circuitul apei în natură

Circulaţia apei în natura este rezultatul acţiunii energiei solare

exprimată ca diferenţă dintre radiaţia incidentă şi cea reflectată.

Deoarece volumul total volumul total de apă de pe pământ este

practic constant, volumul de apă din oceane, mări, râuri, lacuri şi

atmosferă este constant, dar distribuţia apei în spaţiu şi în diferite

momente este variabilă, procesul circulaţiei apei se consideră deci ca

un sistem închis, motiv pentru care se mai numeşte şi ciclul

hidrologic.

Ecuaţia generală pentru bilanţul apei este următoarea:

In această ecuaţie avem următoarele notări:

Pu este volumul precipitaţiilor căzute pe uscat;

P0 este volumul precipitaţiilor căzute în mări şi oceane;

E0 este cantitatea de apă evaporată din mări şi oceane;

Es este evapotranspiraţia produsă pe uscat;

S este volumul scurgerii apei de pe uscat în mări şi oceane;

A sunt cantităţile acumulate de apa în atmosferă, oceane, mări,

sol şi subsol (conform notaţiilor din figura 1.1.).

6


Fig.1.1. Circuitul apei în natură

In figura de mai sus se poate scoate foarte bine în evidenţă

caracterul de sistem închis al ciclului apei în natură

Dacă am încerca sa descompunem acest circuit am obţine trei

subsisteme distincte, care se pot analiza şi separat, dar sunt totuşi într-

o strânsă corelaţie. Acestea sunt:

Sistemul meteorologic;

Sistemul oceanologic;

Sistemul hidrologic.

Sistemul hidrologic ca parte componentă a circuitului apei în

natura, reprezintă faza terestra a ciclului. Conservând volumul total

de apă la un moment dat, sistemul hidrologic este considerat un

sistem închis în care diferenţa dintre masele de apă intrate şi ieşite

dintr-un spaţiu hidrografic reprezintă volumele de apă acumulate sau

ieşite din acesta.

Intrările în sistemul hidrologic, reprezentate fizic prin

precipitaţia totală Pt sunt date de următoarea suma :

7


Pt = Pp + Pz + Pc + Pg

În care avem următoarele notaţii:

Pp este precipitaţia sub formă de ploaie;

Pz este precipitaţia sub formă de zăpada;

Pc reprezintă apa rezultată din condensarea vaporilor de la

suprafaţa solului;

Pg este precipitaţia sub formă de grindină.

Ultimele două componente, respectiv Pc şi Pg au o pondere

relativ mică în suma precipitaţiilor. In figura 1.2. este prezentată

schematizat un ciclu hidrologic.

Fig.1.2. Schema unui ciclu hidrologic

In cazul precipitaţiilor solide, acţiunea lor hidrologica are loc

din momentul în care stratul de zăpadă începe să se topească şi să

cedeze apa. In aceste situaţii, pentru a se putea stabilii cantitatea de

apă ce intră în sistem ca aport de apă total, este necesar a se cunoaşte

8


modul de transformare a zăpezii în apa, iar modul în care este cedată

depinde de evoluţia factorilor meteorologici, starea fizica a stratului

de zăpada, precum si distribuţia acesteia pe teritoriul unui bazin

hidrografic.

In consecinţă putem afirma că totalitatea factorilor

meteorologici care concură la procesul de topire a zăpezii, respectiv

temperatura, aerul, deficitul de umiditate din sol, prezenţa vânturilor,

se consideră de asemenea, pe lângă precipitaţii elemente de intrare în

sistemul hidrologic.

1.2. Componentele sistemului hidrologicComponentele sistemului hidrografic reprezintă fazele

succesive ale procesului hidrologic de transformare a precipitaţiilor

totale în scurgeri în cadrul circuitului hidrologic ca sistem închis.

Componentele principale ale sistemului hidrologic sunt :

Formarea scurgerilor de suprafaţă pe versanţi;

Formarea scurgerilor subterane;

Scurgerea lichida şi solida în reţeaua hidrografică;

Componenta rezultată din activităţile umane.

Procesul ce se desfăşoară în natură este următorul: cantitatea

total precipitaţii care cade spre sol este interceptata iniţial de învelişul

vegetal al solului, iar o parte se deplasează spre zonele depresionale

ale solului unde apa stagnează. Restul de apă, care ajunge la nivelul

solului în funcţie de condiţiile locale pot urma două trasee, în primul

rând se infiltrează în sol în zonele nesaturate cu apă şi astfel măresc

rezerva de umiditate a solului şi în al doilea rând formează scurgerile

de pe sol. In zonele urbane unde suprafaţa solului este acoperită cu

învelişuri asfaltice, beton sau clădiri, apa din precipitaţii nu se poate

9


infiltra în sol , ea de regulă se scurge fie în reţeaua hidrografică, fie

în reţeaua de canalizare.

O parte din apa de infiltraţie pătrunde la mare adâncime

contribuind la acumularea subterană de apă şi la formarea scurgerilor

subterane, iar o parte datorita impermeabilităţii solului se scurge la

mică adâncime şi vor ieşi relativ repede la suprafaţa solului

constituind aşa numita scurgere hipodermică.

Din acumularea subterană o anumită cantitate de apă va

pătrunde la mare adâncime constituind aşa numita fugă subterană, de

unde prin drenanţă apa va ajunge din nou la suprafaţa solului în

anumite zone funcţie de relief şi structura geologică a solului. Apa

care rămâne la suprafaţa solului, fie că sunt scurgeri, fie că sunt

acumulări sau staţionări se va evapora şi va ajunge din nou în

atmosferă.

Apa disponibilă pentru scurgeri la suprafaţă şi în zona

hipodermică suferă în continuare un proces de integrare pe suprafaţă

bazinului şi constituie elementele reţelei hidrografice.

In cadrul acestor componente de suprafaţă se produce prin

scurgeri o acumulare a apei în albiile minore şi majore ale râurilor,

concomitent cu o propagare a debitelor prin albie, care are ca efect

translatarea în timp a debitelor dar şi modificarea configuraţiei

bazinului hidrografic.

In figura 1.3. sunt prezentată în mod schematic principalele

componente ale sistemului hidrologic.

10


11


Procesul de propagare are loc în toate ramurile reţelei

hidrografice începând de la componentele cele mei mici: şiroaie,

făgaşe, ravene şi până la albia râului principal. Totodată trebuie să

menţionăm faptul că şi integrarea se face concomitent cu propagarea

în mod succesiv de la cele mai mici ramuri ale reţelei hidrografice

până la afluenţii cei mai mari ai râului principal.

In concluzie putem afirma că datorita faptului că aceste procese

se produc simultan, integrarea scurgerilor cât şi propagarea

scurgerilor sunt părţi ale unui proces fizic unitar şi are un caracter

continuu. Totuşi având în vedere complexitatea proceselor şi

fenomenelor ce au loc într-un bazin hidrografic, pentru a uşura

cercetarea şi modelarea proceselor de regulă se recurge la

segmentarea bazinului hidrografic în doua mari componente şi

anume:

Componenta scurgerilor pe versanţi;

Componenta de propagare în albiile râurilor.

Trebuie să precizăm marea importanţă a componentei activităţii

umane, care poate acţiona asupra celorlalte componente în mod

simultan prin modificarea formei şi structurii versanţilor, schimbând

astfel condiţiile de curgere a apei sau prin construcţii hidrotehnice

care modifica condiţiile de curgere a apei în reţeaua hidrografică.

Aceste modificări sunt de natură să modifice atât cantităţile de ape

scurse, cât şi distribuţia acestora în spaţiu şi în timp.

O problemă de loc de neglijat este aceea a faptului că apa în

mişcarea ei antrenează şi transporta cantităţi mari de materiale exista

în bazinul hidrografic. In funcţie de gradul de încărcare a acestor ape

cu substanţe dizolvate, în suspensie sau plutitoare îi conferă acesteia

anumite calităţi, dar şi oportunităţi pentru utilizare. Cu cât apa este

12


mai încărcată cu aceste componente cu atât costurile de potabilizare a

apei sunt mai ridicate dar sunt si mai restrânse domeniile de utilizare

a apei.

Referitor la calitatea apei din reţelele hidrografice în

accepţiunea generală atât aluviunile care reprezintă materia

nedizolvată, cât şi substanţele chimice dizolvate sau în suspensie în

apă precum si microorganismele , respectiv algele microscopice,

plantonul etc, sunt elemente care caracterizează calitatea apelor, de şi

provenienţa acestora este diferită.

Pe lângă substanţele menţionate mai sus si care au ca sursă

mediul natural în apele bazinelor hidrografice sunt prezente o serie

de substanţe chimice rezultate din activităţile umane, cum sunt

îngrăşămintele chimice, insecticidele, fungicidele provenite de pe

versanţii pe care au fost împrăştiate, din apelor industriale uzate

evacuate în emisari, produse evacuate din fermele zootehnice,

precum şi din apele uzate orăşeneşti mai mult sau mai puţin epurate.

In general cantitatea de aluviuni ce ajung în bazinele

hidrografice depind de condiţiile meteorologice din zonele respective,

de structura solului şi formele de relief, dar sunt mult influenţate de

activităţile umane desfăşurate pe versanţi sau în albiile râurilor, fie

ca sunt defrişări, taluzări, escavaţii sau împăduriri, în sensul că pot

accelera sau diminua unele fenomene.

Având în vedere faptul că aceste substanţe ce se pot întâlni în

ape au provenienţe diferite chiar dacă sunt transportate de aceleaşi

ape, dar si pentru că altele sunt cauzele care le produc dar şi

mecanismul de pătrundere în ape şi de mişcare este total diferit, este

necesară o separare a acestora în două mari subsisteme:

13


Subsistemul scurgerii aluvionare, care tratează scurgerile

aluvionare;

Subsistemul calităţii apei, care se ocupa de regimul

substanţelor chimice organice şi anorganice, precum si a

existenţei faunei si florei acvatice.

Privit prin această prismă putem concluziona într-un mod mai

larg că un subsistem hidrologic poate fi divizat practic în trei

subsisteme :

Subsistemul curgerii apelor;

Subsistemul curgerii aluviunilor;

Subsistemul calităţii apei.

Componentele ultimelor două subsisteme sunt de acelaşi tip cu

cele ale scurgerilor cantitative a apei şi anume : formarea pe versanţi

a scurgerilor, integrarea şi transportul apei în albiile reţelei

hidrografice, dar se ţine seama şi de influenţa activităţilor umane.

Barajele artificiale realizate pe albia multor râuri sunt elemente

de mare influenţa asupra curgerilor apelor. In primul rând pot

constituie zone de acumulare de apa pentru asigurarea necesarului de

apă potabilă, sunt mijloace de oprire a viiturilor, de reglare a

debitelor, precum şi zone de depunere a aluviunilor. Nu trebuie să

omitem şi faptul că apa este şi o importantă sursă de energie

regenerabilă şi ecologică. Defrişările masive care s-au realizat In

ultimii ani au efecte dezastruoase asupra sistemului de scurgeri cu

precădere asupra scurgerilor pe versanţi, având în vedere că vegetaţia

este un element important în asigurarea stabilităţii solului şi reducerea

volumului aluviunilor.

In figura 1.4. este reprezentată schema generală a sistemului

hidrologic, cu precizarea că în cadrul scurgerilor pe versanţi s-au luat

14


în considerare ambele componente de formare a scurgerilor, cele de

suprafaţă şi respectiv subterane.

Fig.1.4. Schema generală a sistemului hidrologic

Fiecare din sistemele considerate au ca ieşiri finale debitele de

apă scurse pe râuri, debite de aluviuni şi concentraţii de substanţe

chimice dizolvate sau în suspensie în ape.

Din fiecare din componentele sistemelor rezultă ieşirile, care de

altfel constituie intrări în sistemul următor. Dacă acceptăm o astfel de

succesiune, de altfel reală într-un bazin hidrografic, acest lucru

15


implică luarea în considerare a componentelor ca subsisteme ale

fiecărui din cele trei sisteme principale.

O altă ieşire din sistemul hidrologic este evapotranspiraţia, care

depinde atât de stările acestuia, cât şi de elementele meteorologice de

intrare privind diferenţa dintre radiaţia incidentă şi cea reflectată.

1.3. Modelarea sistemului hidrologicModelarea matematică a proceselor care au loc în sistemul

hidrologic constituie una din cele mai noi tehnici de studiu ale legilor

care guvernează formarea şi propagarea scurgerilor apei, a aluviunilor

şi dispunerea şi propagarea poluanţilor în ape.

Modelul matematic hidrologic reprezintă un sistem de ipoteze,

ecuaţii matematice şi proceduri prin care se încearcă să se simuleze în

mod cantitativ procesele hidrologice care au loc într-un bazin

hidrografic. In funcţie de variantele de abordare în identificarea

funcţională a unui bazin hidrografic. Modelele pot fi liniare sau

neliniare, după natura relaţiilor matematice care leagă variabilele ce

exprimă proprietăţile fizice ale componentelor.

Pentru a putea realiza un model matematic cât mai aproape de

realitate, respectiv să urmărească fenomenele din natură şi astfel să

permită previziuni cât mai reale trebuie să se înceapă cu faza de

elaborare a structurii şi să se stabilească relaţiile care exprimă

cantitativ si calitativ procesele hidrologice care au loc în sistemul

hidrologic. Pentru acesta se poate recurge la abordarea problemelor

pe trei cai şi anume:

Utilizarea modelul tip „black box”, care este cea mai simpla

abordare şi care consideră sistemul ca o cutie neagră sau

închisă, în care modul de operare asupra intrărilor în sistem

16


este necunoscut şi se caută relaţiile care determină ieşirile din

sistem bazate numai pe funcţia cunoscută a intrărilor. Acest

mod de abordare consideră marginile sistemului, respectiv

părţile laterale ale intrărilor şi ieşirilor impermeabile pe

direcţiile orizontale;

Utilizarea modelelor analitice, în care caz se porneşte de la

legile fizicii şi ale statisticii matematice, pe care le

considerăm ca si proprietăţi ale componentelor 1,2,3, ..., n; ale

sistemului. Sistemul se consideră omogen şi izotrop.

Cunoaşterea si aplicarea legilor fizicii asupra intrărilor în

sistem în condiţii caracteristice date ale sistemului poate

conduce la determinarea ieşirilor;

Utilizarea modelelor conceptuale, pornesc de la ideea că

fiecărei componente variabile ale sistemului hidrologic,

variabile date de legile fizicii, să i se asocieze o relaţie

matematică conceptuală, chiar dacă este mai puţin exactă, dar

este mai funcţională şi care exprimă în mod cantitativ legile

fizicii.

Determinarea parametrilor care intră în structura relaţiilor

matematice de orice tip se face prin măsurători directe, fie prin

procedee de optimizare matematică, astfel ca prin aplicarea modelului

rezultatele obţinute să fie cât mai apropiate de elementele hidrologice

de ieşire măsurate în natură. Determinarea parametrilor se mai

numeşte identificarea numerică a modelului sau calibrarea.

După definitivarea modelului, el devine un instrument de lucru

capabil să reproducă sistemul real. Cerinţele cele mai importante pe

care trebuie să le îndeplinească un astfel de model matematic sunt:

17


Să fie fundamentat fizic şi să reproducă cu mare acurateţe

caracteristicile fenomenului sau a sistemului;

Să conţină parametri fizici uşor de determinat prin măsurători,

sau de determinat prin sinteza datelor din bazinele

hidrografice;

Să aibă un mare grad de flexibilitate pentru a fi uşor

adaptabile la modificările impuse de activităţile umane sau

situaţii naturale speciale;

Să utilizeze cât mai puţine date pentru determinarea

parametrilor relaţiilor matematice care descriu procesele

hidrologice.

In studiul bazinelor hidrografice s-au impus cu precădere două

tipuri de modele matematice anume modelele de simulare şi

modelele de evaluare a influenţei activităţilor umane asupra

bazinelor hidrografice. In domeniul prognozei hidrologice se remarcă

modelele cu reactualizare în timp real, având în vedere că avem în

general o instabilitate a factorilor meteorologici care influenţează

desfăşurarea ulterioară a fenomenelor.

In cazul modelelor de simulare, acestea caută să reproducă pe

baza cunoaşterii intrărilor în sistemul hidrologic – variaţia în timp şi

spaţiu a ieşirilor, respectiv: debite de apă, debite de aluviuni,

distribuţia poluanţilor în albia râurilor, evoluţia viiturilor şi a gradului

de poluare, variaţia concentraţiilor poluanţilor etc.

Modelele de evaluare a influenţelor activităţilor umane asupra

regimului hidrologic natural trebuie să aibă în vedere modul cum

activităţile desfăşurate de om, cum sunt despăduririle, realizarea de

baraje, sisteme de irigaţii, alimentări cu apă, regularizări de cursuri de

apă influenţează fenomenele de formare a scurgerilor de ape,

18


influenţează eroziunea versanţilor, modul cum se colmatează

lacurile etc, cu un cuvânt trebuie sa estimeze efectele negative asupra

bazinului hidrografic şi asupra capacităţii bazinului hidrografic de a

asigura satisfacerea folosinţelor de apă din zonă.

Evaluarea influenţei activităţilor umane asupra regimului

hidrologic natural este necesară în două situaţii distincte şi anume:

In faza de proiectare a unei lucrări hidrotehnice,

pentru a se putea estima influenţa lucrărilor asupra regimului

hidrologic după finalizarea lucrărilor;

După finalizarea lucrărilor hidrotehnice pentru a găsii

soluţia optimă de exploatare.

In ceea ce priveşte modelele matematice cu reactualizare în

timp real, ele diferă de celelalte modele pentru că de fapt sunt modele

de prognoză hidrologică şi trebuie sa aibă relaţii proprii de

reactualizare şi de fapt ele trebuie să asigure un răspuns rapid pentru

a se putea realiza o prognoză.

1.4. Modelarea topologicăRealizarea unui model matematic performant este un proces

dificil pentru ca fiecare zonă, fiecare bazin hidrografic are anumite

particularităţi proprii legate de:

Neomogenitatea distribuţiei în spaţiu şi timp a elementelor

de intrare în bazinul hidrografic (precipitaţii, factori

meteorologici etc.) ;

Neomogenitatea caracteristicilor fizico-geografice ale

bazinului hidrografic ( relief, structura solului, vegetaţia etc.)

Neregularitatea geometrică a reţelei hidrografice;

Neomogenitatea influenţei activităţilor umane.

19


Un exemplu de neomogenitate sunt precipitaţiile, atât ca volum,

cât şi ca debit, care diferă de la un punct la altul al bazinului

hidrografic şi ca urmare trebuie sa stabilim o medie a distribuţiilor,

fapt ce are consecinţe negative asupra rezultatului aplicării modelului.

Pornind de la această problemă se impune împărţirea bazinului

hidrologic în subunităţi mult mai mici, pe care le analizam ca

subunităţi omogene. Această procedură de împărţire sau segmentare a

bazinului hidrografic pe criterii de omogenitate se numeşte modelare

topologică. Modelarea sau împărţirea unui bazin hidrografic în

subbazine se face pe baza variaţiilor elementelor de baza a unui

bazin, cum sunt tipul de scurgeri, gradul de mobilitate a albiei râului,

omogenitatea caracteristicilor hidraulice şi morfometrice etc. In

general un subbazin nu trebuie să depăşească o suprafaţă de 400 km2.

Pentru realizarea unei discreditări topologice a unui bazin hidrografic,

trebuie avute în vedere şi alte elemente, cum ar fi : volumul datelor

de care dispunem, scopul modelării, nivelul de precizie cerut,

dimensiunea amenajării hidrografice etc.

Pornind de la aceste cerinţe în practica s-au dezvoltat două

direcţii în care s-a dezvoltat modelarea şi anume:

Ca sistem cu parametri distribuiţi;

Ca sistem cu parametri concentraţi.

Această delimitare depinde de suprafaţa bazinului şi a

subbazinului. Dacă avem un bazin hidrografic în care o suprafaţă

poate fi considerata omogenă doar la o suprafaţă extrem de mică sub

1 km2, atunci avem un sistem cu parametri distribuiţi, iar daca

suprafaţa care este omogena este peste 10 km2 putem vorbi de un

sistem cu parametri concentraţi. De fapt orice sistem hidrologic se

poate modela în ambele cazuri, dar dacă se doreşte o mai mare

20


precizie trebuie ales sistemul cu parametri distribuiţi. In figura 1.5.

este reprezentat acest mod de discreditare a unui bazin hidrografic.

Fig.1.5. Sistemul cu parametri distribuiţi (a) şi cu parametri

concentraţi (b).

Atunci când este nevoie de o modelare în vederea unei

proiectări optimale, reţeaua hidrografică poate fi reprezentata sub

forma unor reţele cu noduri şi ochiuri, având pasul dintre noduri de

circa 1 – 2 km. In figura 1.6. este prezentată prin noduri şi ochiuri o

schemă topologică.

Fig.1.6. Schema topologică unifilară cu parametri concentraţi a

unei reţea hidrografică

In reţeaua tipografică cu noduri şi ochiuri, care este de fapt reţea

simplificată nu apare zona luncii inundabile. De aceea a apărut un

nou sistem de reprezentare a bazinului topologic care ţine seama de

lunca inundabilă şi unde apar celule ale reţelei topografice. In figura

21


1.7. este reprezentata o astfel de schemă topografică cu zonă

inundabilă şi unde pot să apară diguri, lacuri etc.

Fig.1.7. Schemă topologică cu parametri concentraţi a

unui râu luncă inundabilă.

In cazul deosebite, pentru proiectare se poate realiza reţeaua

hidrografica în sistem cu parametri distribuiţi şi sub forma unei

reţele cu noduri şi ochiuri, având pasul între noduri de circa 1 – 2 km.

Fig.1.8. Schema topologică a unei reţele hidrografice sub forma

unei reţele de noduri şi ochiuri cu parametri distribuiţi

22


Modelele matematice ale scurgerii apei cu parametri

distribuiţi, solicită ecuaţii exacte ale fizicii şi matematicii, impune o

muncă laborioasă şi în consecinţa se utilizează numai în cazuri

deosebite, când se cere o estimare foarte precisă a rezultatelor.

Astăzi cel mai frecvent se utilizează modelele conceptuale,

precum şi cele de tip „blak-box”. Fiecare din componentele de

formare a scurgerii şi de propagare în albie se tratează ca un sistem de

intrare.

Modelarea matematică a scurgeri aluviunilor utilizează în

general combinaţii de modele tip analitic şi conceptual, dar fiindcă

acest proces este influenţat de prezenţa vegetaţiei, de densitatea

vegetaţiei, de structura solului, de intensitatea ploii, deci de factori

greu de estimat şi variabili este foarte rar aplicată. De aceea se preferă

în acest caz modelul analitic al scurgerii aluvionare în albii, care se

bazează pe ecuaţiile de mişcare şi continuitatea scurgerii apei cu

aluviuni.

Modelele matematice ale calităţii apei sunt în general modele

analitice în care se utilizează, pe lângă legile hidrodinamice ale

curgerii apei, legile de difuzie a poluanţilor care conduc în final la

stabilirea distribuţiei spaţio-temporale şi propagarea acestora în albia

unui curs de apă.

23


CAPITOLUL 2MISCAREA APEI SI A POLUANTILOR

IN SOL

2.1.Aspecte generalePloile constituie elementul meteorologic principal de intrare

într-un bazin hidrologic considerat ca sistem. In funcţie de cantitatea

de precipitaţii căzută pe sol va varia şi intrarea de apă în sistemul

hidrografic. Ploaia are şi variaţii spaţiale şi are efecte importante

asupra modului de formare a scurgerilor si de transport a aluviunilor

şi a poluanţilor. La modelarea topologică determinarea ploii medii pe

subbazine este foarte importantă şi simplifica foarte mult calculele,

dar utilizarea valorii medii a ploilor poate genera abateri importante

mai ales în domeniul modelării formării scurgerilor pe versanţi.

Zăpada reprezintă una din cele mai importante componente ale

ciclului hidrologic. Ea constituie o sursă majoră pentru apa din sol şi

pentru scurgerile râurilor în perioada de primăvară. Din analizele

repartiţiei scurgerilor pe anotimpuri şi sezoane în diferitele bazine

hidrografice mai ales din zona montană s-a constatat că apele de

primăvara reprezintă circa 50 -60 % din stocul anual de apă.

Stratul de zăpada de pe un bazin hidrografic este foarte

neuniform atât ca suprafaţa de răspândire, dar şi din punct de vedere

24


al grosimii si densităţii. Se ştie că stratul de zăpada se tasează în timp

sub propria greutate când are loc şi o transformare a cristalelor de

zăpadă, procesul se numeşte metamorfismul stratului de zăpada.

Acest proces modifică proprietăţile mecanice ale zăpezii.

Pe măsură ce se topeşte zăpada, la început doar la suprafaţă,

stratul inferior de zăpadă reţine apa, în mod similar cum reţine apa si

solul. Cantitatea maxima ce poate fi reţinută de zăpadă este de circa

10 % din greutate.

Există o serie de studii privitoare la modul de cedare a apei de

către stratul de zăpadă pentru că influenţează formarea scurgerilor.

2.2. Pătrunderea apei în solApa căzuta pe sol, fie că este în stare lichidă, respectiv ploaie,

sau sub formă de zăpadă, care se topeşte, pătrunde in sol unde are loc

un proces complex de deplasare a acesteia. Mişcarea apei în sol

depinde de cantitatea de apă căzută în unitate de timp şi pe unitate de

suprafaţă, dar şi de structura solului. Solul reprezintă din punct de

vedere fizic un corp poros. El poate fi considerat ca fiind un schelet

solid cu goluri sau pori, goluri care pot fi umplute parţial sau total cu

aer, apă sau vapori. In momentul în care toţi porii din sol sunt

umpluţi cu apă atunci se spune ca avem o stare de saturaţie, iar zona

în care găseşte solul în această stare se numeşte zonă de saturaţie. Zona din sol în care golurile sunt umplute doar parţial cu apă se

numeşte zonă de aeraţie sau nesaturată.

Pe de altă parte solul este foarte diferit şi sunt situaţii în care

structura solida a solului suferă deformaţii care implica modificarea

geometriei golurilor şi în consecinţă se poate ajunge la schimbarea

25


distribuţiei umidităţii în aceste spaţii. In concluzie solul se

caracterizează atât prin distribuţia umidităţii în porii săi cât şi prin

geometria acestora privită însă nu întotdeauna ca o structură fixă, ci

ca o structură dinamică, funcţie de condiţiile externe şi interne.

Fenomenul de pătrundere a apei in sol se numeşte infiltraţie.

Pătrunderea apei în sol se face sub acţiunea gravitaţiei şi a greutăţii

coloanei de apă, precum şi sub acţiunea forţelor capilare. Solul are

proprietatea de a reţine apa datorită capilarităţii şi a faptului ca

tensiunea superficiala la nivelul suprafeţei de contact apa – sol - aer

permite umectarea solului de către apă.

Apa se poate mişca în sol ori de câte ori exista o diferenţa de

potenţial între forţele capilare aplicate în două puncte. Această

diferenţă de potenţial se datorează variaţie gradului de saturaţie a

solului în apă, a dimensiunii porilor, care se comportă ca nişte vase

capilare, dar şi variaţiilor spaţiilor intergranulare din sol.

Diferenţele de potenţial, respectiv forţele capilare pot să aibă

acelaşi sens cu a potenţialului gravitaţional z caz în care se însumează

sau pot fi de sens contrar şi în acest caz direcţia de deplasare a apei

depinde de forţa care este mai mare. Deci mişcarea apei poate fi

amplificată sau încetinită, sau poate fi chiar ascendentă funcţie de

rezultanta forţelor.

In concluzie diferenţa de potenţial capilar se poate adiţiona

potenţialului gravitaţional z sau se poate opune acesteia, accelerând

sau încetinind mişcarea apei, sau chiar apa poate să se deplaseze

ascensional.

Fenomenul de urcare a apei se numeşte ascensiune capilară şi

are ca efect procesul de mişcare a apei de la adâncime spre suprafaţa

solului. Acest fenomen fiind opus infiltraţie se mai numeşte şi

26


exfiltraţie. Apa în sol se poate deplasa nu numai pe verticală, dar si pe

orizontală, în care caz procesul se numeşte sucţiune sau sorbţie.

Procesele de exfiltraţie poate fi influenţat şi de forţele osmotice

O, forţe ce se datorează interacţiunii diferenţei de potenţial chimic

între diferitele zone apropiate.

Fenomenul de infiltraţie este influenţat şi de vâscozitatea apei

si de diferenţa de densitate a apei in diferite zone ale solului. In figura

2.1. Este prezentat în mod schematic procesul de infiltraţie, respectiv

de exfiltraţie.

Fig.2.1. Schemele proceselor de infiltraţie şi exfiltraţie

a) –mişcare amplificată; b) mişcare încetinită; c) mişcare în sens

invers; d) mişcarea este influenţată si de forţelor osmotice.

Cantitatea de apă care se infiltrează în zona aerată de sol în

unitate de timp se numeşte intensitate de infiltraţie fi sau rată de

infiltraţie. Rata de infiltraţie pentru un sol dat depinde de fluxul de

27


apa la suprafaţa solului, de cantitatea apei din sol, precum şi de

distribuţia spaţială a acesteia.

Dacă fluxul de apă la suprafaţa solului este mai mare decât rata

de infiltraţie corespunzătoare tipului de sol considerat şi condiţiilor

de cantitate şi distribuţia a umidităţii, atunci rata de infiltraţie devine

maxim posibilă şi se numeşte capacitate de infiltraţie fimax .

Capacitatea de infiltraţie a unui sol scade o dată cu creşterea

cantităţii de apa din solul respectiv şi este mai mare pentru un sol

nisipos decât pentru un sol argilos, care este puţin permeabil pentru

apă. Dacă afluxul de apa la suprafaţa solului este mai mic decât

capacitatea lui de infiltraţie, atunci întreaga cantitate de apă se va

infiltra în sol, iar dacă avem ploi succesive şi deci solul are o anumita

umiditate, atunci capacitatea de infiltrare pentru anumită ploaie va fi

inferioare capacităţii maxime de infiltraţie. După fiecare ploaie apa

din straturile de la suprafaţa solului penetrează în straturile inferioare,

chiar dacă nu avem aflux de apă la suprafaţă, ducând astfel la

creşterea capacităţii de infiltraţie a stratului de la suprafaţă. Procesul

de pătrundere a apei din straturile superioare în straturile inferioare

ale solului se numeşte percolaţie.

Apa din sol poate fi extrasa prin exfiltraţie, datorita capilarităţii

si prin procesul de evapotranspiraţie a plantelor a căror rădăcini sunt

în sol. Studiile au arătat că grosime stratului de sol activă din punct

de vedere al infiltraţiilor şi exfiltraţiilor este de circa 300 – 400 mm,

dar poate varia în funcţie de textura solului şi adâncimea rădăcinilor

plantelor chiar şi până la 2000 mm.

Cercetătorul R.O. Slattyer, care a studiat mult procesele de

infiltraţie a apei în sol, consideră că sunt 5 zone distincte de sol după

cum urmează:

28


Zona saturată aflată la suprafaţa solului în grosime de circa

1,5 cm ;

Zona de tranziţie aflată sun zona saturata, având o grosime

medie de 3 – 4 cm şi unde avem o descreştere rapidă a

umidităţii;

Zona de transmisie în care variaţia umidităţii este foarte

mică. Gradul de saturaţie în apa a porilor este de circa 80%;

Zona umedă în care conţinutul de apă are o variaţie

rapidă;

Zona frontului umed în care conţinutul de apa are un

gradient redus pe adâncime.

Această structură a solului, precum şi variaţia umidităţii poate

fi reprezentata grafic. In figura 2.2. este o astfel de reprezentare.

Fig.2.2.Reprezentarea schematică a zonelor de infiltraţie

2.3. Apa subteranăFormarea apei subterane este condiţionata de existenţa unei

anumite texturi a solului în zona de infiltraţie, şi anume de existenţa

unui pat de rocă impermeabilă sau de argila. Stratul de roca de

29


deasupra stratului impermeabil se va umple gradual cu apa, formând

aşa numitul strat acvifer.

Pentru a se forma o pânză de apa subterană sau cum se numeşte

zonă acviferă este nevoie de îndeplinirea unor condiţii specifice şi

anume:

Există o situaţie de saturaţie a solului în apă;

Gradient gravitaţional mare;

Potenţialul forţelor capilare este mic;

Permeabilitate mare a solului deasupra zonei

impermeabile;

In acest caz al formării zonelor acvifere permeabilitatea solului

se defineşte ca şi coeficient de conductivitate hidraulică care

reprezintă viteza de curgere a apei spre zona acvifera la un gradient

gravitaţional unitar. In funcţie de dispunerea spaţială a texturii solului

şi a zonelor impermeabile apa subterană poate fi cantonată în zone

acvifere deschise sau în zone acvifere închise numite şi de adâncime.

In figura 2.3. este reprezentata configuraţia posibila a apelor din

zonele acvifere în funcţie de structura solului.

Fig. 2.3. Configuraţia zonala a apelor subterane.

30


Limita superioară a unui acvifer deschis se numeşte nivelul

pânzei freatice. Dacă avem un acvifer suspendat, respectiv zona

impermeabilă este numai sub zona acviferă, vom avea o activitate

capilara pronunţată, astfel ca o cantitate însemnata de apă se va ridica

spre straturile superioare. Dacă zona acviferă este mărginită si la

partea superioară de un strat impermeabil, avem de-a face cu o pânză

freatică suspendată.

La contactul cu versantul, apa freatică dă naştere unui izvor de

versant sau de terasă. Dacă zona acviferă este închisă şi este

alimentată de pe versanţi la o cotă ridicată Z , apa din pânza freatică

se va găsi sub presiune corespunzătoare diferenţei de nivel. Apa se va

ridica printr-un puţ săpat la nivelul pânzei freatice până la aşa

numitul nivel piezometric, care corespunde nivelului Z. Dacă

versanţii sunt plasaţi de–a lungul unui râu, albia receptoare a râului

influenţează prin nivelul apei din râu nivelul pânzelor freatice de pe

versanţi prin modificarea diferenţei de nivel, respectiv a cotei Z

(figura 2.3.). De asemenea apa subterană poate să se deplaseze

aproape de suprafaţa solului de-a lungul unor straturi anizotrope, care

despart straturi cu permeabilităţi diferite. In acest caz apa poate curge

chiar şi pe direcţii orizontale şi când curgerea se numeşte scurgere

hipodermică sau curgere sub-superficială.

Aşa cum am mai precizat modul de curgere a apei este clasificat

în trei categorii: curgere superficială, curgere hipodermică şi curgere

subterană, dar nu se poate afirma că sunt strict delimitate. Ele sunt

mai mult sau mai puţin distincte funcţie de configuraţia reliefului şi

structura solului.

31


CAPITOLUL 3TRANSPORTUL SI DISTRIBUTIA

AGENTILOR POLUANTI IN APE

3.1. Aspecte generale privind poluarea apelorIn acest capitol se va studia evoluţia agenţilor poluanţi

deversaţi în mediile acvatice, începând de la momentul deversării şi

continuând cu procesul de diluţie si amestecare, sub influenţa

parametrilor fizici.

Din punctul de vedere al influenţei diverşilor parametri asupra

proceselor de poluare şi transport al poluanţilor se poate afirma ca

exista o mare varietate de parametri si caracteristici care influenţează

procesele de amestecare, diluţie, transport şi autoepurare şi ca urmare

vom analiza mediile fluide receptoare în primul rând din punct de

vedere dinamic. Astfel vom avea trei tipuri de medii acvatice şi

anume:

Cursuri de apă si lacuri;

Mări şi oceane;

Ape subterane.

Intru-cât fiecare mediu are trăsături specifice se vor trata

separat. De exemplu la râuri se tine seama de viteza de curgere, în

cazul mărilor şi oceanelor se ţine seama de curenţii marini, de vânt şi

factori termoclimatici, iar în cazul pânzelor de apa subterane de

caracteristicile mediului poros din zona pânzei freatice şi de dinamica

32


ei. Evoluţia fizică a procesului de poluare a apelor are însă un

element comun, este vorba de un transfer de substanţe poluante, de

interacţiuni mecanice de tip difuziv- convectiv şi de dispersie.

Modelul fizic de tip general al evoluţiei pătrunderii unui fluid

poluant în emisar sau receptor este rezultatul acţiunii forţelor

dinamice ce acţionează asupra volumului de apa uzate evacuate în

emisar începând cu punctul de deversare şi până la diluţia şi

amestecarea completă.

Referindu-ne cu precădere la apele de suprafaţă, din categoria

apelor curgătoare, putem distinge trei zone mai mult sau mai puţin

delimitate şi anume:

Zona de descărcare a agentului poluator;

Zona de tranziţie ;

Zona de dispersie.

In prima zona, lichidul poluant este descărcat în emisar, sau

mediul receptor, descărcarea se produce de regulă sub forma unui jet,

adică a unei mase de fluid căreia îi este asociată continuu sau

intermitent o cantitate de mişcare proprie, dar şi o forţa de împingere

arhimedică, ca urmare a unei diferenţe de densitate a lichidelor care

se amestecă. Această forţă arhimedică, numită şi portanţă este

influenţată de forţele de inerţie datorate vitezei jetului de fluid şi a

vitezei fluidului receptor. Caracterizarea importantei forţelor de

portanţă în raport cu forţele de inerţie, care de fapt definesc modul în

care se produce amestecarea celor două fluide şi se face

omogenizarea lor este dată de numărului adimensional Froude, care

are următoarea expresie:

33


unde avem următoarele notaţii:

U este viteza fluidului;

g este acceleraţia gravitaţionala;

d este o dimensiune caracteristica formei intrării fluidului în

emisar;

este diferenţa relativă de densitate dintre fluidul poluant şi

fluidul receptor;

In raport cu rezultatul obţinut în urma calculelor putem avea trei

situaţii distincte:

Daca Fr la deversare = , forţele de portanţă sunt iniţial +nule şi

vor rămâne nule în absenţa unui gradient termic extern, deci

avem un regim dinamic şi apa pătrunde într-un emisar sub

formă de jet compact;

Dacă Fr la deversare = 0, forţele de inerţie sunt nule, regimul este

pur portant şi modul de pătrundere a jetului în emisar este sub

formă de „pană”;

Dacă 0 < Fr la deversare < , avem de a face cu un regim

intermediar în care atât forţele de inerţie cât şi forţele de

portanţă au acelaşi ordine de mărime.

După pătrunderea jetului în emisar putem considera că avem 3

zone distincte, dar nu foarte precis delimitate, astfel avem:

Zona de jet, care începe o data cu pătrunderea apei în emisar

şi continuă atât timp cât sursa de energie preponderentă este

cea proprie jetului de fluid. Funcţie de condiţii avem o mai

mare sau mică turbulenţă;

Zona de tranziţie – începe atunci când energia jetului de

fluid s-a diminuat prin interacţiune cu fluidul din emisar şi se

34


termina în momentul în care viteza proprie a jetului de fluid

este egala cu cea a fluidului din emisar;

Zona de dispersie – este zona în care fluidul pătruns în

emisar şi-a pierdut toata energia proprie şi evoluează numai

sub acţiunea dinamicii mediului exterior.

In practică este destul de dificil de delimitat frontiere între zone,

dar printr-un sistem de modelare se poate totuşi face delimitările. Din

punct de vedere teoretic trebuie să se ţină seama de rezolvarea unor

ecuaţii de transfer a unei proprietăţi ce poate fi concentraţie masică,

temperatură, precum şi rezolvarea unor probleme legate de transferul

de cantitate de mişcare, de masă şi energie.

Problema principală şi care de altfel ne interesează este legată

de dimensiunea impurificarii unor râuri şi lacuri prin evacuarea unor

ape impurificate şi de estimarea concentraţiilor în substanţe poluante

în emisar indiferent dacă este râu, lac sau mare, pe baza cunoaşterii

modului de evoluţie în timp a emisarului sub acţiunea unor factori

fizici, chimici şi biologici.

Din punct de vedere constructiv modul de deversare a unui

fluent într-un emisar poate fi foarte diferit de la deversare la suprafaţa

emisarului, la adâncime, de la jet concentrat la jet dispersat, etc. In

figura 3.1. este reprezentată deversarea a unui fluent poluant într-un

lac mare la suprafaţa emisarului într-un singur jet, iar în figura 3.2.

evacuare se face în jet concentrat la adâncime.

35


Fig.3.1. Schematizarea evoluţiei unui jet de fluid deversat într-un

lac.

Fig.3.2. Evacuarea prin jet sub nivelul superior al apei

Modul cum se realizează forma geometria a jetului de fluid în

emisar depinde si de următorii factori:

36


Dimensiunea şi adâncimea jetului de fluid în raport cu

emisarul;

Orientarea şi viteza jetului în raport cu direcţia şi viteza de

curgere a emisarului;

Diferenţa de densitate dintre fluide;

Configuraţia emisarului si prezenta unor obstacole pe râu;

Schimbul de căldura între fluid şi mediul exterior

Un element demn de reţinut este faptul ca sensul de acţiune a

vântului în raport cu sensul de curgere a râului are o mare importanţă

pentru modul în care evoluează jetul de fluid deversat în emisar. In

figura 3.3. este prezentata schematic influenţa vântului.

Fig.3.3. Influenţa vântului asupra jetului de adâncime

Influenţa parametrilor termici, respectiv schimbul de căldură la

interfaţa apă - atmosfera şi realizarea unei stratificări termice în apa

37


aflată în repaus este destul de semnificativă mai ales în cazul unei ape

staţionare. Efectele stratificării termice este realizarea unor densităţi

diferite a straturilor de apă. Apele reci poluate şi deversate la

adâncime vor rămâne în submersie timp mai îndelungat şi dispersia şi

omogenizarea sunt mult mai lente, iar daca apele uzate sunt mult mai

calde şi sunt deversate la suprafaţa şi în acest caz dispersia şi diluţia

este mai lentă. Importanţa acestor fenomene iese în evidenţa mai ales

în cazul apelor poluate cu substanţe organice când procesele

biologice de autoepurare implică prezenţa oxigenului şi realizarea

stratificării stagnează evoluţia favorabilă a acestui fenomen.

3.2. Caracterizarea poluanţilor şi pătrun-

derea lor în pânzele freatice.O mare parte din poluanţii care sunt pe sol sau care sunt

transportaţi de ape pot contamina pânzele freatice care sunt în cele

mai multe cazuri sursa de apa potabila a multor localităţi.

Pentru studiul procesului de poluare a acestor surse de apa

trebuie urmărite următoarele aspecte:

Tipul şi caracteristicile substanţelor poluante;

Modul de pătrundere a acestora în sol;

Transferul poluanţilor prin sol până la suprafaţa pânzei

freatice;

Evoluţia poluanţilor din punct de vedere chimic, biologic şi

fizic pe perioada transferului;

Evoluţia substanţelor poluante în pânzele freatice numite

acvifer sau zona saturată.

38


Transferul de substanţe poluante prin zona nesaturată spre

pânza freatică este însoţită aproape în totdeauna de un proces de

autoepurare, care se continuă dar într-o măsură mai mica în acvifer.

Pe traseul parcurs spre pânza freatică rolul cel mai important îi revine

solului, iar poluantul o data ajuns în apă este în primul rând diluat,

procesul de autoepurare este foarte lent.

Studiul poluării apelor subterane se deosebeşte substanţial, atât

sub aspectul analizei din punct de vedere fizic al modelării

matematice a procesului de modelarea poluării apelor de suprafaţă.

Hidrologia contaminării pânzelor freatice cuprinde o serie de

aspecte foarte complexe legate de hidrodinamica curgerii apei, de

comportarea sărurilor dizolvate în ea, de procesele ce au loc la

trecerea apei printr-un mediu poros, de probleme de hidrochimie

acvatică, de hidrogeologie.

In principal poluarea pânzelor freatice se produce ca urmare a

dispunerea unor reziduuri solide sau lichide pe terenuri cu

permeabilitate şi care sunt plasate în apropierea sau deasupra zonelor

acvifere. In prezent cele mai importante căi de poluare a pânzelor

freatice sunt următoarele:

Infiltraţii verticale în cazul poluanţilor aflaţi în stare lichidă

prin intermediul apelor de ploaie, topirea zăpezii, ape de

irigaţii. Aceeaşi situaţie se referă şi la substanţele solide care

se dizolvă în apă;

Infiltraţii din apele de suprafaţă poluante sau din apa mării, în

situaţia în care nivelul piezometric al pânzei freatice subterane

este sub nivelul apei de suprafaţă;

39


Infiltraţii din reţeaua de canalizare defectă, din iazuri de

decantare, bazinele de depozitare a produselor petroliere,

mine inundate etc.

In figura 3.4 este prezentat modul cum se produce poluarea unei

pânze freatice de către apa dintr-un iaz decantor.

Fig.3.4.Infiltratia unor substanţe poluante din iaz în pânza

freatica.

Procesele de transport al agenţilor poluanţi sub forma de săruri

dizolvate în apă se pot clasifica în două categorii:

Curgeri monofazice;

Curgeri multifazice.

In primul caz este vorba de procesele de transport în care toate

fluidele au densităţi şi fluidităţi egale şi sunt complet miscibile şi

solubile, iar al doilea caz se refera la fluide nemiscibile.

Din punct de vedere al mediului poros şi a mediului acvifer se

considera că acestea sunt omogene si izotrope sau se consideră medii

granulare şi fragmentate. Pornind de la aceste considerente putem

stabili ecuaţii pentru transportul în soluţie a poluanţilor şi se pot face

estimări privind evoluţia contaminării apelor freatice în domeniul

unidimensional, bidimensional sau tridimensional. In cazul mediilor

40


considerate poroase problemele sunt mai simplu de rezolvat pentru ca

se consideră omogene. In cazul mediilor granulare acestea

influenţează procesele de infiltraţie, ca urmare a faptului că avem

modificări sensibile ale caracteristicilor spaţiale ale stratului

considerat, iar stratul nu mai poate fi considerat omogen.

In cazul straturilor fracturate, avem de a face cu diverse straturi

cu permeabilităţi diferite şi de regulă fracturile sunt calea principala

de deplasare a apei subterane.

Fenomenul de propagare a poluanţilor în apa subterană este

însoţit de un proces complex şi intens de atenuare a gradului de

contaminare, datorita unui proces de autoepurare ca urmare a

influenţei fenomenelor de natură fizico – chimice, geochimice şi

biochimice ce au loc în mediile poroase. Dintre aceste procese

complexe amintim dispersia hidrodinamică, filtrarea mecanică,

ascensiunea gazelor, adsorţia şi precipitarea unor compuşi care devin

insolubili în apa, acţiunea microorganismelor etc.

3.3. Ecuaţiile de transfer al poluanţilor în

mediile acvaticeIntr-un mediu lichid stările de echilibru sunt caracterizate de o

distribuţie spaţială uniformă a fiecărei proprietăţi ale fluidului, astfel

că fiecare element din interiorul acestuia se află într-un echilibru cu

elementele înconjurătoare, de aceea atunci când în momentul iniţial

distribuţia proprietăţilor nu este uniformă se va produce un schimb de

proprietăţi între elementele învecinate în direcţia realizării

uniformizării proprietăţilor din interiorul fluidului.

41


O consecinţă a acestei proprietăţi este interacţiunea dintre doua

fluide cu proprietăţi diferite sau inegale care sunt amestecate, în

sensul ca se face un schimb de proprietăţi, respectiv un fluid cedează

din valoarea proprietăţii şi celălalt primeşte. Totalitatea acestor

schimburi constituie fenomene de transport. Literatura de specialitate

consideră ca sunt trei categorii de fenomene de transport:

Transfer de masă;

Transfer de energie;

Transfer de cantitate de mişcare.

Transferul de masă are loc printr-un proces de difuzie

moleculară când moleculele din fluidul a trec în fluidul b. Această

trecere se datorează agitaţiei moleculare şi are loc chiar daca lichidele

staţionează.

Transferul de energie se referă în primul rând la transferul de

căldură în sistem.

Transferul de cantitate de mişcare se referă la situaţia în care un

fluid sau ambele sunt în mişcare .

Pentru fiecare tip de transfer i se pot stabili ecuaţiile specifice şi

anume : ecuaţiile generale ale dinamicii fluidelor pentru transferul de

cantitate de mişcare, ecuaţia energiei prin aplicarea principiului

termodinamicii şi ecuaţia conservării masei în cazul transferului de

masă.

In cazul în care mişcarea fluidului este laminară, atunci avem de

a face cu curgerea în straturi paralele, traseul particulelor este uşor de

evidenţiat.

Pentru a scrie ecuaţia generală de transfer a unei proprietăţi

scalare, fie că este masă, energie sau cantitate de mişcare este necesar

să stabilim un sistem de coordonate, şi să considerăm o porţiune de

42


fluid de volum v limitat de o suprafaţă exterioara şi în acest volum

se ia în considerare un punct M. Această suprafaţă luată în

considerare este traversata în fiecare moment de un flux de particule

care poseda proprietatea scalară care se raportează la unitatea de

volum. Ecuaţia generală de conservare a masei şi energie raportată la

proprietatea ţine seama de variaţia acestei proprietăţi datorita

procesului de transfer:

In această ecuaţie termenul Nd reprezintă fluxul total al

convecţiei şi difuziei moleculare. N are următoarea expresie:

N=

In acesta expresie j este fluxul difuziv molecular, care este dat

de legea lui Fick:

J=Dn.grad

iar V este viteza elementului de suprafaţă d , iar D este coeficientul

de transport molecular pentru proprietatea . In figura 3.4. este

prezentat volumul elementar de fluid şi punctul M .

Fig.3.4. Volumul de fluid arbitrar ales pentru scrierea ecuaţiei de

conservare a masei şi energiei.

Făcând înlocuirile în ecuaţia generala de transfer a unei

proprietăţi se obţine următoarea expresie:

43


Prin integrarea acestei ecuaţii rezultă ecuaţia generala de

transfer:

Pornind de la ecuaţia generala de mişcare, daca considerăm

fluidul omogen se poate obţine ecuaţia care descrie mişcarea

fluidului, daca proiectăm ecuaţia generala pe o axă. In acest caz

înlocuim , unde este proiecţia vitezei mediului pe axa Oxi .

Daca se fac înlocuirile menţionate se obţine o ecuaţie ce

descrie mişcarea fluidului:

In aceasta formula Fi este suma proiecţiilor pe axa Oxi a

forţelor care acţionează asupra porţiunii de fluid cuprinsă în volumul

v. Aceste forţe sunt de doua tipuri:

Forţe volumice, care provin din acţiunea unor forţe externe

de tipul forţei gravitaţionale, notate fi ;

Forţe de suprafaţă, care se exercită pe suprafaţa a

volumului de fluid considerat si sunt definite de tensorul

tensiunilor de suprafaţă.

Pentru a simplifica rezolvarea problemei atunci când sunt

diferenţe mici de densitate a unor fluide care se amestecă. Acest fapt

poate fi neglijat, dar se ţine seama de influenţa gravitaţiei când se

stabilesc forţele de greutate a lichidului considerat.

Daca însă mişcarea fluidelor este turbulentă, atunci problemele

se complică mult pentru că avem un câmp de viteze complet

dezordonat, în consecinţa avem o stare nepermanentă a fluidului şi

44


deci va trebui să calculăm valori medii ale vitezelor pentru un anumit

interval de timp t0 şi t0 + T, conform ecuaţiei:

Si parametri hidrodinamici cum sunt presiunea, vâscozitatea şi

tensiunea superficială, sunt şi ele funcţii aleatorii de timp. In cazul

general al mişcării turbulente cu transfer de masa sau de căldură,

temperaturile şi concentraţiile sunt şi ele funcţii aleatorii de timp.

3.4. Amestecul şi diluţia jeturilor poluante

Mişcarea jeturilor provenind din surse întreţinute de cantitatea

de mişcare face parte din categoria mişcărilor turbulente lente, în

sensul că exista o scurgere de jet de fluid într-un alt fluid aflat într-o

stare de neturbulenţă. In fiecare moment, fluidul în curgere turbulentă

este separat de mediul în care pătrunde printr-o suprafaţă neregulată,

dar care se întrepătrunde cu fluidul receptor. In interiorul acestei

suprafeţe turbulente a jetului, se poate aprecia c turbulenţa este

practic omogenă, atât ca intensitate cât şi ca mărime.

Pornind de la ideea că avem de a face cu o curgere turbulentă

liberă, atunci răspândirea jetului în fluidul receptor se face atât în

direcţia mişcării cât şi în direcţie transversală.

Ecuaţiile mişcării în acest caz sunt foarte complexe şi pentru a

simplifica lucrurile considerăm că jetul este de forma unui strat limită

de foarte mică grosime.

45


Daca considerăm U1 viteza medie a mişcării şi p1 presiunea, în

imediata vecinătate a frontului jetului, se por scrie ecuaţiile mişcării

după axele Ox şi Oy :

In formula de mai sus avem următoarele notaţii:

U este viteza fluidului care este deversat;

este densitatea fluidului;

V este viteza medie a fluidului;

u, v şi w sunt proiecţiile vitezei jetului pe cele trei axe.

Pentru a simplifica rezolvarea problemei se fac unele aproximări, ca

de exemplu: se neglijează termenii de acelaşi ordine de mărime

( lăţime a jetului în raport cu lungimea fig 3.5) şi se considera că pe

direcţia axei Ox gradienţii valorilor vitezei sunt extrem de mici. In

acest caz se ajunge la relaţia simplificată:

Fig 3.5. Evidenţierea condiţiilor de neglijare a termenilor de

acelaşi ordin de mărime.

46


Intrucât preponderent curgerile sunt bidimensionale se poate

ajunge prin eliminarea unor termeni la următoarea formulă:

Dacă acestei ecuaţii i se adaugă condiţiile de conservare a masei

şi de conservare a cantităţii de mişcare, ecuaţie se poate integra şi se

ajunge la următoarea expresie pentru curgeri bidimensionale:

In evoluţia unei curgeri, distribuţia transversală a mărimilor

medii ale vitezei şi presiunii se schimbă de-a lungul direcţiei de

mişcare, dar putem să aproximăm că jetul îşi păstrează aceeaşi formă.

Aceasta ipoteza poartă numele de autoconservarea jetului. In realitate

însă curgerea jetului este însoţită mai în toate cazurile de fenomenul

de antrenare a fluidului din mediul în care este deversat mai ales în

zona periferică de dezvoltare a jetului.

In studiul modului de dispersia a unui jet purtător de substanţe

poluante trebuie să se ţină seama de efectele de loc de neglijat al

portantei, respectiv a diferenţei de densitate dintre fluide datorate

încărcării în substanţe poluante sau datorită temperaturii diferite.

Pătrunderea jetului de fluid într-un receptor sau emisar se poate

sub acest aspect prin două moduri şi anume:

47


Formă de pană, când diferenţa de densitate este

semnificativă, ca urmare a faptului că jetul este continuu şi

constant;

Formă de pana izolată şi scurtă, de regula este vorba de jeturi

termale şi descărcate instantaneu şi pe măsura pătrunderii

jetului în fluidul receptor acesta nu mai este influenţat de

condiţiile iniţiale.

De regulă în marea lor majoritate aceste jeturi sunt turbulente şi

ca urmare avem de a face cu antrenarea celor două fluide, care se

amestecă.

Evacuarea apelor uzate sau a apelor calde se poate face fie prin

jeturi la suprafaţa râurilor sau a lacurilor sau la adâncime.

Evacuarea apei uzate sub formă de jeturi la suprafaţa râurilor, a

lacurilor sau în zona maritimă de coasta poate avea efecte sensibile de

alterare a calităţii apei, mai ales în vecinătatea zonei de deversare

deoarece aici predomină puternic parametri proprii ai fluidului

poluant, respectiv cantitatea de mişcare, debitul, portanţa etc. Pe

măsura însă ce jetul pătrunde în emisar mai adânc are loc fenomene

de antrenare, respectiv de amestecare a celor două fluide. Practic

fluenţii de ape uzate deversate în emisari se comporta ca un jet

turbulent tridimensional şi numai în cazuri particulare putem să le

consideram bidimensionale. In figura 3.6. este prezentată evoluţia

unui astfel de jet de suprafaţă deversat într-un lac sau râu lent. Se

evidenţiază variaţia temperaturii medii Tm şi vitezei medii Um

pe lăţimea jetului la distanţe diferite de la

locul de deversare. Se observă că valorile atât în ceea ce priveşte

temperatura cât şi în ceea ce priveşte viteza scad spre exteriorul

48


jetului, existând tendinţa de aplatizare a variaţiei vitezei începând

dinspre exteriorul jetului.

Fig.3.6. Evoluţia

temperaturii şi a vitezei medii a jetului în

plan şi la adâncime la distanţa de zona de deversare

In figura de mai sus deversarea se face pe direcţia de curgere a

emisarului, dar dacă însă evacuarea jetului de apa uzata se face pe o

direcţie perpendiculară pe direcţia de curgere a râului apare o curbare

pronunţată a traiectoriei jetului sub acţiunea presiunii dinamice a

râului şi apariţia unor perechi de turbioane în planuri perpendiculare

la axa jetului. Fenomenul are o intensitate maximă în vecinătatea

locului de deversare. In zona afectata de prezenta acestor turbioane

numite „vortex” sunt foarte puternice încât se poate neglija turbiditate

fluidului. Dacă lichidul deversat are o densitate mai mare decât a apei

49


emisarului, forţa portantă acţionează în jos iar jetul este

tridimensional. In figura 3.7. este prezentat schematic modul de

formare a turbioanelor.

Fig. 3.7. Schema formării jetului portant tip vortex.

Ca urmare a acestor deficienţe constatate la deversarea apelor

uzate la suprafaţa emisarului s-a trecut la deversarea acestor ape prin

difuzori plasaţi la adâncime când s-a constatat o mărire a capacităţii

de diluţie şi dispersie a poluanţilor. Apele uzate sunt deversate printr-

o serie de orificii dispuse de-a lungul porţiunii de evacuare a

difuzorului. Dacă debitul este mai mic se poate deversa printr-un

singur orificiu. Amestecul iniţial al apelor uzate cu cele ale

emisarului se produce prin difuzia turbulentă a jetului la evacuarea în

50


emisar. Această energică amestecare se datorează în primul rând

celor doua fluxuri, respectiv cantitate de mişcare, portanţă, debit.

In cele mai multe cazuri avem de a face şi cu forţele de natură

arhimedică ca urmare a densităţii diferite ale celor două fluide.

Această forţă portantă face ca fluidul poluant să fie ridicat la

suprafaţa apei, perioada în care suferă un proces de amestecare cu

fluidul din emisar.

Analiza modului în care se realizează diluţia şi omogenizarea

celor două lichide trebuie să cuprindă cel puţin două aspecte

principale:

Factorii geometrici al difuzorului (unghiul de înclinaţie,

numărul lor);

Factorii calitativi ai fluidului poluant (debit, viteză,

temperatură, densitate );

Factori calitativ ai emisarului (debit, densitate, temperatură,

viteză ).

Construcţia tipică a unor sisteme de evacuare submersibile

constă într-o conducta plasată la fundul emisarului, sau la o oarecare

adâncime a emisarului. Această conductă are mai multe orificii

(ajutaje) practicate de regulă la distanţe egale de-a lungul conductei.

Adâncimea la care se plasează acest sistem de evacuare este

esenţial pentru asigurarea optimului şi depinde de adâncimea râului şi

de alţi parametri. Traiectoria jetului depinde în cea mai mare parte de

poziţia conductei de evacuare în raport cu direcţia de curgere a râului,

respectiv curent sau contracurent. Din acest punct de vedere se

recomandă plasarea conductei de evacuare transversal pe direcţia de

curgere a emisarului. In acest caz se recomandă ca adâncimea de

plasare a conductei sa fie cât mai mare. In figura 3.8. este

51


reprezentată schematic evoluţia unui jet deversat la adâncime, chiar

pe fundul emisarului într-o poziţie transversala faţa de direcţia de

curgere a emisarului.

Fig.3.8. Schema evoluţiei jetului de fluid evacuat la

adâncime în curent transversal.

In cazul în care viteza emisarului este foarte mică în raport cu

viteza iniţiala a jetului, se poate produce situaţia în care nu se mai

produce o bună amestecare a celor doua fluide, ca urmare a faptului

ca în lipsa unei turbulente semnificative se va forma un strat orizontal

de apa poluată, care nu se amesteca cu apa emisarului. ( figura 3.9)

52


Fig.3.9. Schematizarea evoluţiei unui jet subteran.

3.5. Dispersia poluanţilor în râuri

Dispersia şi distribuţia poluanţilor în cazul deversărilor la

suprafaţa unor emisari au loc în zona de după deversarea acestora în

emisari pe parcursul curgerii emisarului. In această zonă diluţia

poluanţilor este influenţată în mod semnificativ de două fenomene, şi

anume:

Convecţia poluanţilor de către mişcarea medie a apei din râu;

Difuzia turbulentă a poluanţilor.

In general mişcarea medie a apei unui râu este tridimensională

şi puternic influenţată de condiţiile concrete de curgere a râului,

respectiv forma geometrica a albiei şi rugozitatea fundului râului, dar

şi de factori externi, cum ar fi vântul, temperatura, etc. In aceste

condiţii a realiza un model matematic care să caracterizeze aceste

procese este un demers foarte complicat şi din punct de vedere practic

irealizabil. Singura soluţie este aceea de a încerca schematizarea şi

53


simplificarea unor elemente ale râului astfel încât să devină posibilă

realizarea unui model matematic care să caracterizeze aceste

fenomene.

Studiile care au încercat să realizeze modele pentru dispersia

poluanţilor a ajuns la concluzia că în zona de dispersie influenţa

cantităţii de mişcare proprie a jetului de fluid asupra lichidului din

emisar, deci a receptorului este neglijabilă şi ca urmare se poate lucra

cu valori medii ale vitezelor, fapt ce simplifică mult problematica

modelului, pentru că elementele de baza acum sunt ecuaţiile de

transfer de masa sau căldură. In cazul unei curgeri cu turbulenţă se

vor adopta anumiţi coeficienţi de difuzie turbulentă, care să realizeze

corecţia necesară.

Modelul dispersiei longitudinale

Modelul în acest caz este unidimensional şi descrie felul în care

descreşte concentraţia maximă a substanţelor poluatoare, definite prin

indicatori de calitate a apei, de-a lungul curgerii, prin utilizarea unei

ecuaţii de difuzie clasică de tip Fick.

Din punct de vedere teoretic dispersia unei substanţe deversate

într-un emisar este influenţată de două procese şi anume:

Convecţia de-a lungul curgerii fluidului;

Difuzia turbulentă.

Acesta două procese principale sunt descrise în ecuaţia generală

a transferului conservativ de masă, în mişcare medie şi care pentru un

anumit parametru considerat „P” are următoarea formă:

In această formulă avem următoarele notaţii:

54


P este parametru variabil care trebuie analizat în timp şi spaţiu;

Dtx , Dty , Dtz sunt coeficienţi de difuzie masică în condiţii de

turbulenţă;

Dacă vom admite că de la o secţiune la secţiunea următoare de-

a lungul curgerii, procesul este unidimensional, atunci ecuaţia se

simplifică pentru că vom considera procesul unidimensional şi se

poate definii o viteză medie U şi un parametru P mediu în secţiune cu

ajutorul următoarelor relaţii:

Introducând aceste condiţii în formula generală de mai sus şi

considerând că pe adâncime amestecul turbulent a fost realizat

(proiecţia variabilei P pe axa z este 0), se ajunge la următoarea relaţie

de transfer a proprietăţii medii sau a concentraţiei medii în element

poluator pe secţiune fluidului:

In această ecuaţie ultimul termen reprezintă convecţia asociată

fluctuaţiilor vitezei U şi a parametrului P de la valorile medii pe

secţiunea transversală. Dacă se introduce coeficientul de dispersie

longitudinală prin relaţia:

ecuaţia procesului de dispersie longitudinală ia următoarea formă:

In această formulă DL este coeficientul de difuzie masică pe direcţie

longitudinală.

55


In cazul unui transfer neconservativ se adaugă termenul care

descrie contribuţia fenomenelor fizice, chimice sau biologice care

participă la aportul sau la scăderea concentraţiei în elementul P, sub

forma :

Făcând înlocuirile în ecuaţia procesului de transfer

neconservativ longitudinal a poluanţilor sau a unei proprietăţi, se

obţine ecuaţia ce caracterizează distribuţia masică a poluantului pe

întreaga secţiune transversală a curgerii fluidului:

In această formulă A reprezintă secţiune transversală a curgerii.

Pentru rezolvarea numerică a acestei ecuaţii se consideră curgerea

formată dintr-un sistem de elemente volumetrice dispuse într-o reţea

liniară, fiecare element fiind caracterizat de lungime, lăţime şi aria

secţiunii transversale. In figura 3.10 este prezentat modul de

discreditare a pentru bilanţul hidrologic, respectiv masic.

56


Fig.3.10. Schema discreditării numerice pentru un bilanţ

hidrologic ( a ) şi bilanţ masic ( b).

In cazuri concrete, când avem situaţia deversării fluentului sau a

unui râu poluat într-un râu mare sau fluviu se constată influenţa

puternică a aportului de substanţe poluante asupra râului mai ales

atunci când în aval sunt prize de apă pentru utilizatorii din aval de

locul deversării. Condiţiile amestecării depind de o serie de parametri

ce caracterizează procesul şi anume:

Diferenţa de calitate a apei din cele două fluide

;

Raportul dintre debite Q / qa ;

Vitezele celor două curgeri de fluide: Uc şi Ua ;

57


Unghiul de incidenţa a fluidelor ;

Raportul lăţimilor celor două curgeri B / b0 .

In figura 3.11 este schematizat modul de descărcare a unui

fluent într-un râu mare.

Fig.3.11. Schema de descărcare a unui fluid într-un râu

Practic în urma unor experimentări s-a constatat că în aval şi în

zona de confluenţa distribuţia poluanţilor în secţiunea transversală a

fluviului este puternic neuniformă şi că există o lungime

semnificativă pe care se observă o neuniformitate pe secţiunea

transversală. Ca urmare s-au căutat modele care să stabilească

lungimea zonei de amestec şi intensitatea amestecului.

Intensitatea amestecului în aval de locul de confluenţă a celor

două fluide se poate caracteriza prin gradul de amestec:

In care avem următoarele notaţii:

58


este abaterea maximă a valorii lui C într-o secţiune i ;

C concentraţia într-un anumit element a receptorului

C0 concentraţia în elementul considerat a fluidului poluator.

Prin urmare se poate aprecia că lungimea globală de amestec,

adică distanţa de la locul de deversare şi până şi până în zona în care

se constată o uniformizare a concentraţiei în elementul respectiv pe

secţiune transversală reflectă capacitatea de diluţie a apelor uzate în

apa receptorului.

Modelul bi şi tridimensional al distribuţiei poluanţilor

Modelul tridimensional este reprezentat de ecuaţia de

continuitate, ecuaţia de mişcare pentru cele trei direcţii x , y z şi

ecuaţiile de transfer de masă sau de căldură. In figura 3.12 este

prezentat schematic modelul pentru difuzie în sistem tridimensional.

Fig.3.12. Schematizarea pentru modelul difuziei

59


Ecuaţia generală a mişcării este de forma :

In această formula U, V, U, sunt vitezele fluidului. Pornind de

la această formulă generală şi ţinând seama de unghiul de înclinare

se poate continua dezvoltarea formulei prin introducerea şi a altor

parametri. Cele mai frecvente cazuri sunt cele în care avem de a face

cu descărcări laterale ale fluidelor poluate în râuri sau fluvii şi când

intervine ca element important adâncimea de curgere, fapt ce aduce în

plus apariţia unui sistem de recirculare turbională. Acest fapt a fost

constatat experimental când s-au observat turbulenţe de scară mare în

râuri în zona centrală a evacuării, dar la nivel lateral al curgerii

emisarului s-au constatat curgeri neperturbate chiar pe distanţe foarte

mari de ordinul kilometrilor.

Modelarea matematică tridimensională în acest caz este extrem

de dificilă mai ales în zona de intersecţie a două scurgeri cu suprafaţă

liberă când apare în plus şi fenomenul de reataşare la mal a curgerii

fluidului, fapt ce face ca în zona centrală să avem turbulenţă majoră şi

lateral la nivelul malurilor o curgere neturbulentă. In acest caz nu mai

putem adopta metoda de analiză integrală a celor două fluide pentru

că este exclusă ipoteza antrenării totale a fluidelor în toată secţiunea.

Prin urmare în acest caz este justificată adoptarea unui model

bidimensional în care se introduce dispersia longitudinală şi laterală

în ecuaţia de transfer de masă şi se ajunge la expresia:

60


In formula de mai sus şi sun coeficienţi ce ţin seama de

caracteristicile naturale ale râului.

Justificarea utilizării modelului bidimensional rezidă şi din

faptul că s-a constatat experimental că diluţia pe verticală a celor

două fluide se realizează foarte rapid comparativ cu diluţia pe direcţia

transversală şi longitudinală.

3.6. Modele de simulare a poluării apelor

subteranePătrunderea poluanţilor în pânzele freatice este un proces

complex în care intervine porozitatea şi permeabilitatea solului.

Porozitatea se referă la volumul total al porilor în raport cu un

anumit volumul de sol. Acest raport depinde în mare măsură de

modul de aşezare a granulelor, de dimensiunea granulelor şi de forma

sedimentelor. Cercetările întreprinse pe diverse soluri a scos în

evidenţă că chiar şi pentru acelaşi depozit de sedimente valorile

porozităţii sunt diferite.

In ceea ce priveşte permeabilitatea ea se referă la uşurinţa cu

care fluidul se deplasează în acel mediu poros.

Definirea permeabilităţii se face pornind de la legea lui Darcy

care exprima raportul de proporţionalitate dintre debitul specific al

fluidului ce parcurge corpul poros şi gradientul hidraulic pe direcţia

de curgere a fluidului. Ecuaţia permeabilităţii specifice are

următoarea formă;


k este permeabilitatea specifică;

61


Q este debitul volumic de fluid ce trece prin secţiunea

transversală a stratului poros;

A este aria secţiuni transversale;

este vâscozitatea dinamică afluidului;

este gradientul hidraulic.

In hidrologie apare noţiunea de conductivitate hidraulică, care

are următoarea expresie:

;

Pornind de la această formulă legea lui Darcy se poate scrie şi

astfel:

Această formulă este valabilă pentru cazul curgerii laminare,

respectiv pentru viteze relativ mici de curgere. Determinarea vitezei

de curgere a fluidelor poluate prin sol înspre pânzele freatice (acvifer)

este de mare importanţă. Astăzi se admite teoretic următoarea relaţie

de definiţie a vitezei fluidului printr-un mediu poros pe direcţia x:

;

In care n este porozitatea mediului prin care curge fluidul.

In practică fiindcă este greu de determinat porozitatea unui

material se utilizează noţiunea de porozitate efectivă ne, care se

determină în laborator pe eşantioane de material şi se defineşte ca

fiind acel volum de apă, procentual din volumul total saturat al

spaţiilor goale din eşantion ce poate fi drenat sub acţiunea propriei

greutăţi.

62


In realitate sunt multe cazuri în care apa se infiltrează în acvifer

nu datorită porozităţii ci prin fracturi sau falii, adică sisteme de

suprafeţe plane sau semiplane. In acest caz permeabilitatea este mult

mai mare şi ca urmare se defineşte permeabilitatea specifică pentru o

familie de fracturi:

unde este mărimea medie a interstiţiului fracturilor;

bi este semilăţimea medie a fracturii.

In mod similar se defineşte şi conductivitatea hidraulica prin

zona cu fracturi:

In natură întâlnim situaţii mai complexe când rocile conţin mai

multe familii de fracturi cu diferite direcţii şi cu diferite deschideri.

Pentru acest caz general trebuie să stabilească permeabilitatea fiecărei

zone sau strat de fracturi şi apoi să se stabilească valoarea totală.

La realizarea modelului de simulare a procesului de pătrundere

a poluanţilor în acvifer se porneşte de la ecuaţia de transport a

poluanţilor aflaţi în soluţie în apele subterane, care are următoarea

expresie:


C este concentraţia maximă a soluţiei;

Cs este concentraţia masică a soluţiei;

Q este debitul sursei externe;

63


jv este fluxul masic provenit din reacţiile din interiorul

sistemului;

Vi este viteza apei în porii sau fisură pe direcţia i;

Dij este tensorul valorilor coeficienţilor de dispersie;

Cn este concentraţia nominală a soluţiei pe direcţia i de

deplasare.

Vitezele Vi de deplasare a fluidului pe direcţia i se poate

determina din formula lui Darcy:

In acest formula expresia este sarcina hidraulică.

Curgerea apei în mediul poros este descrisă de către funcţia de

potenţial exprimată ca energie pe unitate de masa, sub forma :


Z este cota geodezică a punctului dat deasupra unui nivel de

referinţă;

p este presiunea manometrică;

p0 este presiunea atmosferică.

Pentru a putea realiza un model matematic cu care să putem

face predicţii trebuie să rezolvăm ecuaţiile de mai sus. Pentru aceasta

trebuie să parcurgem următoarele etape:

Specificarea condiţiilor la limită a surselor şi a parametrilor;

Determinarea funcţiei de potenţial prin rezolvarea ecuaţiei

regimului hidraulic;

Determinarea câmpului vitezelor utilizând legea lui Darcy;

64


Determinarea distribuţiei poluanţilor prin rezolvarea ecuaţiei

de transport.

Ecuaţia generală ce caracterizează procesul de transfer a

poluanţilor în acvifer este foarte complexă şi deci greu de aplicat, în

consecinţa s-a încercat particularizarea pentru anumite cazuri mai

frecvent întâlnite.

Pornind de la ecuaţia generala se poate stabili ecuaţia pentru

cazul unidimensional:

Dacă admitem că viteza V în pori este constantă în timp şi

spaţiu, că la momentul t = 0 apare instantaneu o valoare a

concentraţiei în elementul poluant C0, în punctul x=0 ea rămâne

constantă în timp, că densitatea apei este constantă şi că mişcarea

poluatorului se face de-a lungul axei OX, atunci ecuaţia se simplifică

şi mai mult şi obţinem următoarea expresie:

In această formulă apare coeficientul R, numit coeficient de

întârziere care are o valoare diferită de 1 şi are expresia:


este densitatea fazei solide;

Kd coeficient de distribuţie a fazei lichide în stratul considerat;

Modelul în cazul bidimensional este mai complex şi are

următoarea expresie:

65


In această formulă avem următoarele notaţii:

Dx= x.V şi Dy = y V.

Acest model se referă la situaţia în care sursa de poluare este

instantanee şi constantă.

După pătrunderea substanţelor poluante în sol are loc o

dispersie a acestora în mediile granulare în care au pătruns. Acest

proces de dispersie este puternic influenţat de proprietăţile stratului

poros. In zonele acvifere sedimentele au o mare variaţie

tridimensională a proprietăţilor mai ales în cazul nostru a

conductivităţii hidraulice.

Anizotropia şi eterogeneitatea stratului acvifer au ca şi

consecinţă variaţia permeabilităţii în diferitele straturi care produce

modificarea liniilor de curgere a fluidului în strat. In figura 3.13 este

prezentata această modificare a liniilor de curgere.

Fig.3.13 Modificarea liniilor de curgere ca urmare a

variaţiei permeabilităţii

Cu cât distanţa de transport este mai mare cu atât este mai mare

dispersia mediului. In concluzie abordarea modelelor de predicţie a

transportului poluanţilor în medii eterogene necesită o cunoaştere

66


detaliată în teren a structurii staturilor şi a proprietăţilor şi necesită de

asemenea realizarea de experimente pe aceste straturi în laborator

Referitor la curgerea prin fisuri sau fracturi este cunoscut faptul

în acest caz avem de a face cu o mai mare capacitate de pătrundere a

fluidului. De fapt fracturile sunt traiectorii efective ale curgerii apei

subterane. Viteza de transport a poluanţilor Vc are următoarea

expresie:


Vs este viteza curgerii apei subterane;

ka este coeficientul de distribuţie al fracturilor;

Rf este raportul dintre aria suprafeţelor fracturilor şi volumul

porilor.

In figura 3.14. este schematizat transportul poluanţilor printr-o

fractură de grosime 2b luând în considerare faptul ca are loc şi un

proces de difuzie şi punând condiţia că avem o concentraţie constantă

a fluidului în substanţa poluatoare C0 .

67


Fig.3.14. Transportul poluantului într-o fractură de

deschide 2b in cazul unei surse constante de poluare .

In majoritate cazurilor mediile în poroase sunt prezente procese

multifazice dintre care sunt şi medii parţial saturate. Astfel

conductivitatea relativă a mediului poros pentru un anumit lichid sau

gaz se defineşte ca raport între conductivitatea fluidului pentru

mediul parţial saturat şi respectiv mediul complet saturat.

Experimental se poate constată că viteza efectivă de migraţie a

poluatorului într-un mediu saturat este mult mai mică decât în mediul

parţial saturat.

In această categorie de probleme se situează problema

transportului în cazul unor lichide miscibile, cum este pătrunderea

apei sărate în pânza freatică cu apă dulce în cazul acviferelor de

coastă. In figura 3.15 este prezentată o astfel de situaţie a unei pânze

freatice de coastă la contactul cu apa mării.

68


Fig.3.15. Interfaţa apă dulce cu apa sărată de mare în

cazul acviferelor de coastă.

In acest caz se pune problema utilizării a unor modele

matematice complexe utilizând ecuaţia legii lui Darcy combinat cu

ecuaţiile de dispersie.

Trebuie să avem în vedere pentru studiul calităţii apelor

subterane, faptul în perioada de transfer a poluanţilor au loc o serie de

reacţii fizico – chimice, pentru că au un rol semnificativ.

Dintre aceste fenomene enumerăm pe cele mai importante:

Filtrarea mecanică a particulelor transportate de apă;

Mişcarea gazelor care contribuie la procesul biologic de

autoepurare a apei poluante;

Procesele geochimice ce se desfăşoară în starturile

străbătute de apele poluante;

Procesele de autoepurare se referă la degradarea compuşilor

organici de către bacterii în cadrul unor procese aerobe. Procesele

geochimice se referă la combinaţii ionice, reacţii în condiţiile

69


variaţiei pH-ului, precipitarea unor soluţii şi adsorbţia prin schimburi

ionice.

70


CAPITOLUL 4ELEMENTE DE MONITORING A

CALITATII APELOR

4.1. Aspecte generale privind activitatea de

monitoring

In activitatea complexa de protecţie a calităţii apelor elementul

principal îl constituie cunoaşterea calităţii acesteia în fiecare moment,

şi pe baza datelor obţinute şi analizate se poate face o prognozare a

tendinţei de evoluţie a calităţii apelor pe bazine hidrografice s-au pe

arii mai restrânse.

Activităţile principale ce concură la realizarea acestor obiective

sunt următoarele:

1. Activităţi de urmărire şi de efectuare de măsurători, pe o

durată limitată de timp, pentru un anumit scop, cum ar fi

înfiinţarea de unităţi piscicole;

2. Supravegherea continuă prin măsurători şi observaţii a

calităţii apelor, pe anumite tronsoane sau afluenţi pentru

cazul când apele au anumite utilizări importante, cum ar fi

sursă de apă potabilă;

3. Activitate de monitoring de lungă durată, bazată pe

măsurători standardizate pentru studiul calităţii resurselor de

apă şi evoluţia calităţii apei în timp şi spaţiu.

71


Activitatea de monitoring în general şi a apei în special are

următoarele scopuri principale:

Alarmare pentru cazul când sunt detectate creşteri de valori

ale poluării ce pot deveni periculoase;

Verificarea valabilităţii strategiilor pentru protecţia calităţii

apelor;

Evaluarea si prognozarea tendinţei de evoluţie a calităţii

apelor;

Instrument de determinarea a poluatorilor apelor în cazul unor

investigaţii pentru accidente ecologice

Din punct de vedere al domeniilor în care acţionează

monitoringul menţionam pe cele mai importante:

Monitoringul chimic;

Monitoringul biologic;

Monitoringul ecotoxicologic.

4.2. Monitoringul chimicInventarul de substanţe chimice ce pot fi deversate în ape este

de circa 100.000 compuşi chimici, dar de regula în activităţile de

monitoring chimic se urmăresc în general doar 30 – 40 de compuşi,

datorită în primul rând costurilor ridicate ale acestor determinări.

In general în funcţie de domeniul de activitate al agenţilor

economici se pot aprecia compuşii chimici ce rezultă în urma

proceselor de fabricaţie şi care pot fi deversaţi în râuri. Pentru aceştia

se pot stabili procedurile de determinare a valorilor emisiilor în

emisari si se pot stabilii limitele de alerta în caz de deversare

accidentală.

Monitoringul chimic al apelor se bazează pe trei proceduri

standard, şi anume:

72


Monitoringul chimic al apei, suspensiilor, sedimentelor şi

organismelor;

Utilizarea metodelor de bioalarmare;

Biomonitoringul.

La realizarea unui sistem performant de monitoring al calităţii

apelor trebuie sa se pornească de la stabilirea problemelor şi a

criteriilor de bază. In tabelul 4.1. sunt prezentate criteriile specifice

pentru stabilirea unui sistem performant de monitoring al apelor.

Criterii specifice de performanţă tabelul 4.1.

Selectarea Criterii de selecţie şi elemente importante

Stabilirea listei cu substanţele ce vor fi urmărite

- lista cu substanţele chimice ce trebuie urmărite;- caracteristicile toxice de acumulare şi persistenţă;- disponibilitatea metodelor analitice;- fonduri pentru finanţare;

Metode de investigaţie

- metode standard; - staţii automate; - analize chimice clasice;

Locul de ampla -sare a staţiilor

- în aval de localitate;- în amonte de localitate

Frecvenţa analizelor

- monitorizare continua;- cu o anumită periodicitate;

Metode de prelevare

- continua cu urmărire în timp;- cu o anumită periodicitate fixa;- cu frecvenţă mare în caz de risc major .

Metode analitice - analize prevăzute în reglementările APM; - metode de mare acurateţe.

Tehnici de stocare a datelor

- raportări periodice tip standard; - tabele centralizatoare;- grafice de evoluţie în timp.

Tehnici de prezentare a rezultatelor

- prezentare doar a datelor esenţiale;- utilizarea tehnicilor din statistică.

Trebuie însă să se facă precizare privind diferenţa dintre imisii

şi emisii, pentru că sunt probleme diferite care necesita strategii

diferite de interpretare a rezultatelor.

73


In cazul monitoringului emisiilor, se porneşte de la premisa că

limitele compuşilor poluatori din apele evacuate în emisari nu depind

de modificarea nivelului de calitate a râului şi că elementul de bază

este acela de a prevenii poluarea emisarului. Cerinţele privind

reducerea cantităţii de substanţe poluante din apele evacuate în

emisari depind de toxicitatea acestor substanţe şi de persistenţa şi

tendinţa de acumulare şi bioacumulare a acestora în mediul acvatic.

Referitor la monitoringul imisiilor acesta trebuie să asigure o

imagine de ansamblu a întregului bazin cu toţi afluenţii ce introduc

ape cu diverse grade de poluare, să urmărească efectele asupra

mediului acvatic, precum şi asupra scopului în care sunt folosite

apele, dar şi să studieze efectul cumulat al poluanţilor şi a produselor

de descompunere şi să evidenţierea surselor de poluare difuză.

Dacă se doreşte proiectare unui sistem de monitoring pentru un

anumit bazin hidrografic sau afluent trebuie în mod obligatoriu să se

parcurgă cel puţin doua etape:

Inventarierea tuturor emisiilor posibile, din punct de

vedere al caracteristicilor: componenţi, concentraţii,

frecvenţă, amplitudini de variaţie;

Detectarea şi evaluarea sistematica a gradului de

complexitate a compoziţiei chimice şi a probelor ce

trebuiesc efectuate în laborator.

O data stabilite aceste faze preliminare, se vor stabili variabilele

de monitorizare, se stabilesc zonele de amplasare a staţiilor de

monitorizare, frecvenţa de prelevare a probelor, modul în care se face

analiza în laborator a probelor şi interpretarea rezultatelor.

74


In practică se urmăresc o multitudine de indicatori de calitate,

peste 200 de indicatori, care pot fi grupaţi în 12 clase, după cum

urmează:

1. Regimul oxigenului;

2. Indicatori de agresivitate a apei ( pH, etc);

3. Indicatori de salinitate;

4. Prezenţa nutrienţilor;

5. Poluanţi anorganici generali;

6. Poluanţi organici generali;

7. Micropoluanţi – metale grele;

8. Micropoluanţi –pesticide.

9. Radioactivitatea;

10. Microbiologie;

11. Biologie;

12. Debite.

Valoarea admisă pentru indicatori de bază ce apreciază gradul

de poluare a apei, este prevăzută în Normativele Tehnice pentru

Protecţia Apelor ( NTPA).

Staţiile de monitorizare a calităţii apelor fac parte integrantă din

Sistemul Naţional de Supraveghere a Calităţii Apelor din România

(SNSCA), aflat în răspunderea Regiei Autonome Apele Române şi

se integrează în Sistemul Integrat de Monitoring al Calităţii Mediului

din România (SMIR).

România în prezent face eforturi pentru compatibilizarea

sistemelor şi valorile prevăzute în normative cu cele din normativele

Comunităţii Europene, mai ales ca în cazul apelor avem de a face cu

transport transfrontalier al poluanţilor o data cu apele râurilor ce

părăsesc teritoriul României.

75


4.3. Staţii automate de monitoring şi

alarmareProblema unor sisteme automate de monitoring al calităţii

apelor de suprafaţă nu este nouă în România, dar România nu a

dispus de sumele necesare pentru astfel de investiţii.

Primele încercări în acest domeniu au apărut în SUA la nivelul

bazinului Ohaio începând cu anii 1060 – 1970. Astfel au fost realizate

staţii multiparametrice de supraveghere a calităţii apelor emisarilor,

cu posibilitatea stocării datelor şi de transmitere la un sistem

centralizat a datelor culese. In cazul în care se constată depăşirea unui

parametru de calitate, se preleva o nouă probă de apa şi se efectuau

investigaţii amănunţite în laborator.

In ţările europene au apărut primele staţii de monitorizare

automate la staţiile mari de epurare la început în Germania după

1960. Concomitent au apărut astfel de staţii şi în Japonia.

După anii 1970 a apărut o nouă generaţie de staţii automate de

monitorizare care utilizau senzori de imersie permanenta în apă.

Acest fapt a eliminat posibilitatea erorilor datorate prelevării şi

pompării apei din rău în staţia automată, iar după anii 1980 au apărut

o a treia generaţie de staţii automate complet submersibile cu stocare

de date şi teletransmiterea datelor. Aceste staţii au putut fi plasate

chiar şi în lacuri şi mări la adâncimi mari.

Aceste staţii automate de monitorizare şi alarmare asigură o

serie de avantaje de loc de neglijat, cum ar fi:

76


Asigură posibilitatea măsurătorilor în situ, respectiv elimina

erorile legate de containerele în care se introduc probele, de agitarea

probelor la transport sau de operaţia de pompare;

Integrează continuu datele, deci se poate urmării tendinţa şi se

pot face previziuni;

Măsurând în paralel şi debitele se pot face estimări ale

debitelor masice ale poluanţilor;

Alarmează în mod automat în cazul depăşirii limitelor

admisibile pentru substanţele poluante;

Elimina erorile datorate activităţii umane.

In prezent aceste tipuri de staţii automate de monitorizare a

apelor s-au extins în toata Europa, chiar dacă sunt foarte scumpe.

4.4. Biosisteme de alarmare automată

După anii 1970 alături de introducerea unor sisteme automate

de urmărire a gradului de poluare a apelor s-au efectuat cercetări în

direcţia găsirii unor soluţii naturale de urmărire a gradului de poluare.

Astfel au apărut sisteme biologice de alarmare a prezentei unor

substanţe toxice în ape. Subiecţii testaţi în acest scop sunt din

categoria peştilor, moluşte, larve, alge, bacterii, la care s-au adăugat

şi o serie de materiale biologice cum sunt celule izolate, celule de

organe, enzime, antigene şi în ultimul timp s-au proiectat si realizat

biosenzori.

Un astfel de sistem biologic de alarmare cuprinde doua aspecte

de baza şi anume:

Organismul de testare şi care operează în situ;

77


Sistemul de măsurare a răspunsului fiziologic al senzorului

biologic la acţiunea substanţei poluante.

In perioada actuala cercetările s-au extins în domeniul realizării

de biosenzori. Pe scurt un biosenzor este de fapt un senzor chimic la

care se imobilizează pe suprafaţa activă un material biologic

(organisme vii, ţesuturi, celule, enzime până la nivelul acizilor

nucleici si molecule organice). Cei mai mulţi biosenzori provin din

domeniul industriei medicamentelor si a industriei alimentare.

In principiu utilizarea biosenzorilor se bazează pe faptul că

prezenţa unor poluanţi în apă conduce la perturbarea directa a

microorganismelor vii, în sensul ca le agresează cu implicaţii asupra

proceselor de respiraţie, fotosinteză, afectând integritatea membranei

celulare, fapt ce poate fi pus în evidenţă de anumiţi substanţe chimice

numite „mediatori chimici”.

78


CAPITOLUL 5PROCESE UNITARE DE TRATARE A

APELOR INDUSTRIALE UZATE

5.1. Aspecte generaleOrice tehnologie de prelucrare a apelor este constituită dintr-o

serie de operaţii succesive, continue sau ciclice, de natură mecanică,

fizică, chimică, biologică sau mixtă, înlănţuite într-o ordină logică

funcţie de specificul apei. Oricât de complicat ni s-ar părea să fie o

anumită tehnologie, ea constă dealtfel dintr-un număr limitat de

operaţii distincte şi relativ simple şi care se realizează în instalaţii şi

aparate de conducere a proceselor în diverse variante funcţie de

natura substanţelor poluante şi de gradul de încărcare a apei în aceste

substanţe.

Pentru fiecare proces unitar sau operaţie distinctă este important

de reţinut în vederea proiectării optime a procesului de tratare a

apelor uzate să se urmărească următoarele aspecte:

Cunoaşterea principiilor ştiinţifice de bază a proceselor;

Experimentarea la scară de laborator sau staţie pilot a

fiecărei operaţii tehnologice, urmată de prelucrarea datelor

experimentale;

Analiza procesului ca un tot unitar şi alegerea variantei

optime de proiectare;

79


Alegerea pe criterii de preţ şi calitate a celor mai bune

instalaţii şi utilaje, dar ţinând seama şi de costurile de

exploatare şi întreţinere.

Scopurile principale ale existenţei unei staţii de epurare, fie că

este pentru apele uzate urbane, fie că este pentru ape uzate

industriale, sunt acelea de a procesa apa uzată în aşa mod încât

această să poată fi reutilizată în procesele de fabricaţie şi astfel să se

reducă consumul de apă proaspătă, să permită eliminarea apei epurate

într-un emisar fără ai modifica acestuia nivelul calitativ şi domeniile

posibile de utilizare în aval, precum şi de a reţine din apele uzate

substanţe utile ce pot constitui materii prime pentru procesele de

fabricaţie ale firmei.

Cele mai multe procese de tratare a apelor uzate aduc

schimbări majore în concentraţia acestora, fie ca sunt extrase

substanţele chimice fie că sunt introduse alte substanţe chimice care

reacţionează cu cele din apa făcându-le mai puţin toxice sau

asigurând condiţiile pentru a fi separate mai uşor. De regulă se

acţionează asupra celor trei faze existente în apele uzate: faza lichidă

ce este predominantă, precum şi fazele solide şi gazoase.

Funcţie de natura poluanţilor, starea lor de agregare,

dimensiunea particulelor, se pot face referiri asupra celor mai

adecvate metode de extragere a acestora din apele uzate. In tabelul

5.1. sunt prezentate schematic modalităţile posibile de îndepărtare a

substanţelor poluante din apele industriale uzate.

Dacă apele uzate conţin mai multe categorii de substanţe

poluante care se pot îndepărta doar prin mai multe procese, este

necesară alegerea ordinii de amplasarea a acestor instalaţii funcţie de

80


specificul substanţelor, astfel încât să se asigure cele mai mici

cheltuieli de investiţii şi de exploatare.

Indepărtare poluanţilor din apele uzate. Tabelul 5.1 ____

81


5.2. Condiţii privind evacuarea apelor

industriale uzateDe la bun început trebuie să facem precizarea că în mod ideal

trebuie ca orice agent economic ce utilizează apa în procesele de

fabricaţie şi produc ape uzate să-şi recicleze întreaga cantitate de apa

şi în acest mod scade consumul de apă proaspătă şi pe de alta parte

se reduc efectele negative asupra mediului datorate apelor uzate

poluate.

Apele industriale uzate pot fi deversate în reţeaua de canalizare

a oraşului cu respectarea unor condiţii foarte stricte impuse de firma

ce exploatează staţie de epurare a oraşului, privind uniformizarea

debitelor, compoziţia chimică etc., pentru că există riscul ca apa

industriala puternic încărcată cu diverse substanţe mai puţin sau mai

mult toxice să pericliteze buna funcţionare a staţiei de epurare, mai

ales a treptei biologice.

Legislaţia Comunităţii Europene care este aplicată în mod

obligatoriu în ţările europene prevede în mod explicit ca orice agent

economic care utilizează apa dintr-un râu trebuie să deverseze în

emisar numai apa epurata corespunzător, iar locul de deversare

trebuie sa fie în amonte de locul de captare a apei. Astfel agentul

economic este obligat în acest caz să-şi epureze cât mai performant

apa uzată, deoarece în caz contrar va capta pentru necesităţile

tehnologice o apă necorespunzătoare din punct de vedere calitativ.

Cei mai performanţi agenţi economici au reuşit să-şi recicleze

toată apa industrială şi preiau din reţeaua oraşului doar o mică

cantitate de apă, pentru acoperirea unor pierderi normale. Acest fapt

asigură economii însemnate deoarece s-au redus costurile aferentei

82


consumului de apă pe de o parte, dar şi cele referitoare la taxa de

utilizare a reţelei de canalizare a oraşului şi taxa de epurare pe de altă

parte. In plus trebuie sa menţionăm şi faptul că în acest mod s-a

redus mult poluarea mediului, dar şi riscul unor amenzi din partea

Gărzii de Mediu şi a Regiei Apele Române.

Nu este lipsit de interes faptul că multe ape industriale

tehnologice uzate conţin substanţe valoroase pentru procesele de

fabricaţie cum sunt: produse petroliere, uleiuri, grăsimi, oxizi ai

metalelor, diverse substanţe organice, fibre celulozice, etc., care pot fi

recuperate, constituind astfel surse de materii prime pe de o parte şi

prin recuperare se reduce şi poluarea mediului cu aceste substanţe.

5.3. Egalizarea si uniformizarea apelor uzate

Indiferent de faptul ca apele industriale uzate sunt preepurate

sau epurate în incinta agentului economic sau sunt trimise prin

intermediul reţelelor de canalizare spre staţiile de epurare ale

oraşelor, este necesar ca în prealabil să se procedeze la egalizarea şi

uniformizarea debitelor şi a concentraţiilor pentru a reduce şocul pe

care altfel îl va suporta staţia de epurare, pentru că o staţie de epurare

lucrează mult mai eficient la un debit si o concentraţie medie, pentru

care de altfel este dimensionată staţia de epurare.

In acest sens se impune de la început realizarea unei convenţii

cu agenţii economici ce deversează apa în reţeaua de canalizare

pentru a găsi o soluţie de eşalonare a debitelor acestora în reţea

pentru ca de la început să micşorăm variaţiile de debite şi

83


concentraţii şi astfel să micşorăm volumul bazinului de egalizare –

uniformizare.

Egalizarea este practic o metoda de reţinere a apelor uzate în

bazine special construite până în momentul în care se obţin

caracteristici uniforme a acestora şi ne referim la pH, turbiditate,

consum biochimic de oxigen, temperatură etc.

Uniformizarea reprezintă metoda prin care se reţine în bazine

mari apa uzată care soseşte în staţia de epurare cu debite variabile şi

printr-un sistem de vane se asigură un debit constant de intrare a apei

uzate în procesul de epurare.

Practic se poate spune că procesul de egalizare – uniformizare

este primul pas în epurarea apelor.

Bazinele de egalizare – uniformizare sunt de diverse forme şi

tipuri constructive. In figura 5.1. sunt prezentate două variante

constructive de bazine de egalizare – uniformizare.

Fig. 5.1. Sisteme de distribuţie a apei în bazinele de

egalizare - uniformizare

a - cu conductă perforată (1- sosire apă uzată, 2- plecare apă

uniformizată, 3 – pereţi tip timpan, 4 - conductă ); b – cu rigole

84


(1 - sosire apă uzată, 2- plecare apa uniformizată, 3 – rigole de

distribuţie);

Procesul de accelerare a omogenizării poate fi accelerat prin

agitarea apei cu sisteme mecanice sau prin insuflare de aer.

In figura 5.2 este prezentat un astfel de bazin pentru egalizare –

uniformizare prevăzut cu insuflare de aer şi care accelerează

procesul.

Fig.5.2. Bazin de egalizare – uniformizare cu insuflare de

aer comprimat prin conducte.

In situaţii relativ simple atât în ceea ce priveşte debitul, dar şi în

ceea ce priveşte concentraţia, respectiv variaţii destul de reduse a

acestora, se poate realiza un sistem cu plutitor pentru reglarea

debitului de evacuare a apei din bazin spre staţia de epurare. Acest

sistem simplu de regalare a evacuării nu ţine seama de eventualele

situaţii accidentale.

In figura 5.3. este prezentat un astfel de sistem de reglare a

evacuării apei pe baza unui volum minim necesar pentru egalizare Ve

şi unui volum fluctuant Vf .

Uniformizarea debitelor apelor uzate industriale se face pe baza

cunoaşterii variaţiilor debitelor şi a concentraţiilor apelor uzate ce se

evacuează într-o zi de lucru, sau pe un ciclu de fabricaţie. In acest

sens este utilă întocmirea unei cronograme a debitelor evacuate pe

85


ore, fapt ce permite o dimensionare corespunzătoare a capacităţii

bazinului de egalizare – uniformizare.

Fig. 5.3. Schema bazinului de egalizare – uniformizare cu

dispozitiv de reglare a evacuării a apelor uzate cu plutitor.

(1 – sosire apă uzată, 2 – plecare apă, 3 – dispozitiv cu plutitor

pentru asigurarea unui debit constant la evacuare)

In figura 5.4. este prezentat un exemplu clasic al întocmirii unei

cronograme a debitelor de ape uzate evacuate spre staţia de epurare şi

de stabilire a debitului mediu Qmediu , pentru o zi.

Fig. 5.4. Cronograma debitelor de ape uzate evacuate.

Capacitatea bazinului de egalizare – uniformizare trebuie astfel

stabilita încât sa permită egalizarea atât a concentraţiilor cât şi a

debitelor. Astfel dimensionarea se face conform formulei:

86



Vt este volumul total al apei uzate;

Ve este volumul necesar pentru egalizare;

Vf este volumul fluctuant de apă uzată.

La stabilirea volumului necesar pentru egalizare se porneşte de

la durata unui ciclu de fabricaţie din care rezultă un anumit volum de

apă uzată. Dacă avem mai multe cicluri de fabricaţie pe zi se poate

considera că apele uzate au cam aceeaşi concentraţie pe cicluri.

Volumul necesar pentru egalizare se stabileşte cu formula:


n este numărul de cicluri de fabricaţie în 8 ore sau în 24 de ore;

este cel mai mare dintre debitele medii orare pe ciclu.

Pentru stabilirea volumului fluctuant Vf se procedează pentru

început la însumarea debitelor pe ciclu şi se împarte acest rezultat la

numărul de cicluri, obţinându-se debitul mediu Qmed:

In această formula avem următoarele notaţii:

Qc este debitul de apă uzată pe fiecare ciclu de fabricaţie;

Nc este numărul de cicluri pe schimb sau pe 24 de ore

In continuare se stabileşte cât reprezintă procentual fiecare debit

pe ciclu din total debit pe schimb sau 24 de ore. Se compara acest

procent cu procentul mediu stabilit pe baza debitului mediu calculat.

Se alege valoarea procentuală cea mai mare si cea mai mică, iar

volumul fluctuant se calculează cu formula:

87


In aceasta formula avem următoarele notaţii:

pmed este procentul mediu corespunzător debitului mediu de apă

uzata pe ciclu;

pminim este procentul corespunzător debitului minim de apa uzată;

pmax este procentul corespunzător debitului maxim de apa uzata;

Având astfel toate datele se poate calcula volumul total al

bazinului cunoscând atât volumul de egalizare necesar Ve şi

volumul fluctuant Vf .

Literatura de specialitate recomandă pentru accelerarea

procesului de omogenizare insuflarea de are comprimat în bazinul de

omogenizare de regulă în jur de 4 m3 / 1 m3 de apa uzată.

Construcţia unui astfel de bazin de omogenizare este relativ

simplu. Problema cere se pune în mod deosebit este de a asigura ca

indiferent de debitul de intrare a apei uzate în bazin să avem un debit

constant la evacuarea apei spre staţia de epurare. Cel mai simplu

procedeu tehnic este de reglare a evacuării apei din bazin este cu

dispozitiv plutitor de reglare. Acesta are rolul de a obtura orificiul de

evacuare a apei uzate spre staţia de epurare atunci când creşte nivelul

apei din bazin, întrucât altfel ar creşte debitul ca urmare a creşterii

nivelului apei, respectiv a presiuni hidrostatice sau de a deschide mai

mult orificiu când nivelul apei scade pentru a păstra acelaşi debit de

evacuare.

5.4. Stabilirea gradului de epurare necesar

88


Din punctul de vedere al legislaţiei europene privitoare la

Protecţia Mediului, gradul de epurare care trebuie asigurat apelor

uzate este acela care dacă apa este evacuată într-un emisar nu trebuie

să îi schimbe categoria de apă. Este preferabil ca gradul de epurare să

fie atât de ridicat încât apa după epurare să poată fi folosită din nou în

procesele de fabricaţie. In acest mod cercul s-ar închide şi am reduce

la minim consumul de apa proaspătă. In acest sens foarte mulţi agenţi

economici au trecut la reutilizarea completă a apei prin aplicarea unor

procedee performante pentru epurarea apelor uzate şi astfel le readuce

la nivelul calitativ necesar proceselor de fabricaţie.

In cazul apelor uzate industriale pentru determinarea gradului

de epurare necesar se porneşte de la ideea că pentru fiecare substanţă

din apa uzată trebuie să i se stabilească gradul de epurare, dar trebuie

să se ţină seama şi de valoarea cumulată a poluării de către suma

tuturor substanţelor din apă.

Gradul de epurare necesar G pentru o anumită substanţă

prezentă în apa uzata se determina cu formula:

In aceasta formula avem următoarele notaţii:

Mi este concentraţia apei brute uzate în substanţa i;

mi este valoarea concentraţiei apelor uzate epurate în substanţa

i admisă de lege de a deversata în emisar.

In legislaţia de mediu veghe se prevedea şi posibilitatea

corelării concentraţiei şi a debitelor apelor uzate cu debitul

emisarului. In aceste condiţii cu cât debitul emisarului este mai mare

cu atât gradul de epurare poate fi mai mic, astfel se poate ajunge în

situaţia absurdă ca un oraş sau agent economic plasat pe malul unui

89


râu sau fluviu cu debit foarte mare cum este Dunărea să nu fie

necesar să facă nici o epurare, ca urmare a gradului mare de diluţie ce

se obţine. Acest fapt nu este admis de noua lege care prevede

obligativitatea epurării apelor indiferent de mărimea emisarului, dar

şi stabileşte valorile maxime admise apelor epurare pentru a putea fi

deversate în emisari.

5.5 Procedee tehnologice de epurare a apelor

uzate provenite din industriePentru epurarea apelor uzate industriale se utilizează metode

specifice pentru fiecare tip de substanţe prezentă în ape, metode care

se completează cu cele clasice, respectiv: deznisiparea, decantarea,

separarea uleiurilor, epurare biologica etc.

Dintre metodele de epurare specifice apelor industriale uzate

amintim:

Sedimentarea particulelor greu solubile;

Neutralizarea;

Flotaţia;

Adsorţia;

Extracţia;

Evaporarea;

Arderea;

Aerarea pentru eliminarea substanţelor volatile;

Spumarea;

Electrodializa;

Osmoza inversă;

Ingheţarea;

90


Schimbul ionic;

Oxidarea chimică;

Centrifugarea;

Oxidarea electrochimică.

5.5.1. Sedimentarea particulelor greu solubile din apele

industriale uzate

Sedimentarea este prima operaţie la care este supusă apa

industrială uzată şi are drept scop reţinerea particulelor greu solubile

din apele uzate. Sedimentarea particulelor se face în bazine de formă

rectangulară. In figura 5.5. este prezentată schema principială de

funcţionare a unui bazin de sedimentare.

Fig.5.4. Schema sedimentării particulelor din apele uzate

Bazinul de sedimentare poate fi împărţit în patru zone distincte:

91


Zona de admisie – în care apa industrială uzată conţinând

particule în suspensie este distribuită pe toata secţiunea

transversală a bazinului;

Zona de sedimentare – în care particulele se depun pe fundul

bazinului ca urmare a diferenţei de densitate şi în condiţiile

reducerii vitezei de curgere a apei;

Zona de acumulare a nămolului – unde se concentrează

nămolul, fiind periodic evacuat;

Zona de evacuare – este zona de evacuare a apei limpezite de

sedimente.

Traiectoriile particulelor discrete în apa uzată din bazin rezultă

prin însumarea vectoriala a vitezei de sedimentare vs şi a vitezei de

deplasare a apei în bazin vd . La dimensionarea lungimii bazinului de

sedimentare se porneşte de la ideea ca viteza minimă de sedimentare

v0 a particulelor de la suprafaţa apei şi până pe fundul bazinului se

calculează ca raport între înălţimea bazinului h0 şi timpul de

parcurgere a lungimii bazinului t0 de către o particulă. Deci cu cât

viteza de curgere apei în bazin este mai mare cu atât lungimea

bazinului trebuie să fie mai mare pentru ca particula să aibă timp să

se sedimenteze. Particulele care au o viteza de sedimentare mai mică

decât v0 nu se sedimentează în bazin şi ca urmare aceste particule vor

fi antrenate de apă în zona de evacuare. In acest caz este nevoie de

filtrarea apei uzate pentru a reţine aceste particule.

5.5.2. Neutralizarea apelor industriale uzate

Neutralizarea apelor industriale uzate este un procedeu des

utilizat şi are drept scop corectare pH-ului apei atunci diferă mult de

92


valoarea considerata normală, respectiv apă neutră cu valoarea pH-

ului 7.

Legea apelor permite mici variaţii ale pH-ului în jurul valorii 7

ce indică neutralitatea. Dacă apa industriala este mult diferită de

valoarea 7 se impune corectarea pH-ului, cel puţin din doua motive:

corodează conductele şi în general toate instalaţiile staţiei de

epurare şi prezintă riscuri de accidente;

afectează grav fauna şi flora în cazul evacuării ulterioare a

apei în emisar.

In figura 5.5 este prezentat principiul de funcţionare a unei

instalaţii de neutralizare a apelor industriale uzate.

Fig.5.5. Instalaţie de neutralizare a apei uzate

1- agent neutralizant, 2 – intrare apă uzată, 3 – evacuare apă

neutralizată, 4 şi 5 – regulatoare pH.

Neutralizarea apelor uzate acide

Apele acide de regulă provin de la fabricile de acizi, din

industria metalurgică, din secţiile de acoperiri galvanice, rafinării de

petrol, fabrici de îngrăşăminte chimice etc.

93


Dacă în întreprinderea respectivă în urma proceselor de

fabricaţie rezultă atât apă cu caracter acid, cât şi apă cu caracter

bazic, acestea se pot neutraliza reciproc, fapt ce duce la scăderea

costurilor de tratare a apelor.

Pentru apele cu caracter acid cea mai bună substanţă pentru

neutralizare este hidroxidul de sodiu, dar are un cost mai ridicat şi de

aceea în general se utilizează fie carbonatul de calciu ( piatra de var)

sau dolomita, (care este un carbonat de calciu şi de magneziu) sau

varul, respectiv oxidul de calciu.

Cantităţile necesare de substanţe pentru neutralizare se stabilesc

pe baza determinării pH-ului şi a volumului de apa uzată. Durata

procesului de neutralizare depinde de viteza de amestecare a

substanţelor şi de gradul de omogenizare, dar de regulă este de circa

15 minute. In cazul utilizării pentru neutralizare a carbonatului de

calciu şi acidităţii apei uzate datorate acidului sulfuric, reacţia

decurge astfel:

H2SO4 +CaCO3 = CaSO4 + CO2 + H2O

Produsul rezultat CaSO4 este greu solubil în apă şi se depune

pe fundul bazinului de neutralizare.

In practică se procedează şi la realizarea unui filtru granular

ce conţine granule de CaCO3 . Apa trece prin acest filtru şi are loc

reacţia de mai sus. Avantajul acestei metode consta în faptul ca nu

mai trebuie determinat permanent pH-ul apei şi calculat necesarul de

carbonat de calciu, precum şi faptul ca procesul de neutralizare a apei

este continuu. Singura problemă este de a controla viteza de consum

al carbonatului de calciu şi de a completa periodic filtru cu material

granular.

94


Procesul de corectare a acidităţii apei uzate poate fi accelerat

prin introducerea de materiale ce reacţionează mai rapid cu acidul din

apa uzată. Dintre aceste materiale amintim varul stins, respectiv

hidroxidul de calciu Ca (OH)2 sau oxidul de calciu CaO, numit şi praf

de var.

Neutralizarea apelor uzate alcaline

In general apele uzate industriale au un caracter acid, adică au

pH-ul sub valoarea 7, dar sunt şi cazuri rare când apele industriale

uzate au caracter bazic.

Neutralizarea acestor tipuri de ape uzate din motive

economice se face cu acizi industriali reziduali proveniţi din diverse

procese industriale sau prin insuflare în apa uzată de CO2 care provine

din instalaţiile de ardere a combustibililor. CO2 insuflat în apa uzată

alcalină reacţionează cu hidroxizi alcalini dând naştere la carbonaţi şi

bicarbonaţi, conform reacţiilor următoare:

CO2 + 2NaOH = Na2 CO3 + H2 O

CO2 + Na2 CO3 +H2 O = 2NaHCO3

5.5.3. Separarea particulelor solide prin centrifugarea

apei uzate

Unele ape industriale uzate conţin particule solide aflate în

suspensie în cantităţi mari. Dacă aceste particule au o densitate

comparativ cu apa mult mai mare un procedeu economic şi rapid de

separare a acestor particule este utilizarea forţei centrifuge.

Daca debitul de apa este mare atunci se poate utiliza instalaţia

tip ciclon, în care apa intră tangenţial cu mare viteza şi apoi are un

traseu ascendent axial. Particulele cu densitate mare sub acţiunea

forţei centrifuge se deplasează spre pereţii exteriori şi apoi cad în

partea de jos a hidrociclonului de unde sunt evacuate. Avantajul

95


acestor hidrocicloane este şi faptul că în partea superioara axială se

concentrează grăsimile şi uleiurile, care au densitate mai mică. In

figura 5.5 este prezentat un astfel de hidrociclon.

Fig.5.5. Forma constructivă a unui hidrociclon

Acest tip de instalaţie nu realizează o separare perfecta a

particulelor şi uleiurilor, doar o separare relativ grosiera, dar prezintă

avantajul simplităţii în construcţie şi funcţionare. Pentru debite mici

ale apelor uzate şi performante ridicate de separare a particulelor

solide se pot utiliza separatoarele centrifugale de mare turaţie, ce pot

fi cu axă verticala de rotaţie sau cu axa orizontală. In zona axei de

rotaţie se concentrează particulele mai uşoare iar în zona pereţilor

exterior faţa de axa de rotaţie se concentrează particulele mai grele.

Şi aceste instalaţii por funcţiona în regim continuu sau intermitent.

Datorate costurilor energetice relativ ridicate de funcţionare a

acestor instalaţii ele se utilizează frecvent doar în cazul apelor uzate

cu o mare concentraţie de suspensii sau pentru concentrarea

nămolurilor.

5.5.4. Filtrarea apelor industriale uzate

96


Filtrarea este procedeul de trecere a apelor printr-un mediu

poros, unde particulele de mici dimensiuni aflate în suspensie sunt

reţinute.

Funcţie de dimensiunea porilor filtrului acesta poate retine

particule cu dimensiuni mai mari sau mai mici. In consecinţa avem

filtre grosiere si filtre foarte fine. La filtrele grosiere reţinerea

particulelor se face simplu în sensul că particulele cu dimensiuni mai

mari decât pori vor fi reţinute. In cazul unor filtre foarte fine reţinerea

particulelor în filtru este un proces mult mai complex apărând o serie

de fenomene fizico – chimice ce depind de caracteristicile

materialului filtrant şi de natura particulelor aflate în suspensie în

apele uzate.

Curgerea prin medii filtrante poroase se desfăşoară în condiţii

de curgere laminară atât în condiţiile iniţiale când filtrul este curat cât

şi după ce filtru a fost parţial colmatat de către suspensiile reţinute de

către filtru. Deci curgerea are loc în condiţiile legii lui Darcy.

Varietatea mare a mecanismelor de reţinere a impurităţilor din

apa filtrată precum şi gama larga de dimensiuni a particulelor aflate

în suspensie funcţie de specificul procesului tehnologic a dus la o

diferenţiere între procesele în care predomina efectul de sită şi

respectiv în care primează procese complexe ce se petrec la interfaţa

granulei sitei şi particula aflata în suspensie.

Din categoria filtrelor grosiere menţionam grătarele şi sitele.

Acestea servesc la reţinerea particulelor grosiere şi care dacă ar

ajunge în fazele superioare ale epurării ar deranja buna funcţionare a

întregului proces de epurare.

Grătarele servesc la reţinerea din apa a impurităţilor de mari

dimensiuni care ar putea duce la blocarea pompelor sau a vanelor.

97


Grătarele sunt de fapt o reţea de bare cu grosimi cuprinse între

0,8 – 1,2 cm aşezate la o distanţa între ele de 1,2 – 6 cm şi poziţionate

înclinat la 30 – 900 grade faţa de orizontală. Viteza de intrare a apei

pe grătare este de 0,3 – 1 m / sec. Datorită faptului că materialele

plutitoare rămân depuse pe grătare, acestea trebuie periodic curăţate,

pentru a nu obtura grătarul.

Sitele sunt utilizate pentru reţinerea suspensiilor de dimensiuni

mijlocii şi se caracterizează prin mărimea ochiului sitei ce depinde de

dimensiunea suspensiilor ce doresc a fi reţinute. De regulă sunt

realizate din plase de sârmă din oţel inoxidabil sau cupru, dar pot fi

şi site din tablă găurită. Si aceste site trebuiesc curăţite periodic

pentru că altfel depunerile obturează orificiile şi scade debitul apei

spre staţia de epurare.

Cele mai fine particule aflate în suspensie în apele uzate sunt

reţinute de către filtre. Cele mai utilizate sunt filtrele care au ca si

materiale de filtrare granule de diverse materiale şi dimensiuni. Cele

mai simple filtre sunt cele ce au ca şi material filtrant nisipul cuarţos,

se pot utiliza şi alte materiale atunci când se doreşte reţinerea doar a

unor anumite substanţe în suspensie.

Din punct de vedere al vitezei de trecere al apei prin filtru vom

avea:

Filtre lente cu viteze de filtrare de cuprinse între 0,1 şi 0,6

m/h;

Filtre rapide cu viteza de trecere a apei prin filtru cuprinsă

între 3 şi 6 m/h.

Filtrele din punct de vedere al presiunii fluidului pot fi de doua

categorii şi anume:

Filtre cu presiune;

98


Filtre cu presiune atmosferică.

Având în vedere ca filtrele după o anumită perioadă de

funcţionează se colmatează, respectiv porii din filtru sunt obturaţi de

către suspensiile depuse, este necesară atunci când pierderea de

sarcina pe filtru este prea mare să se procedeze la curăţirea filtrului.

5.5.5. Separarea particulelor în suspensie prin flotaţie

Flotaţia este procedeul tehnic de eliminare a particulelor fine

aflate în suspensie într-un lichid cu ajutorul bulelor de aer introduse

forţat în lichid. In general în cazul apelor uzate menajere, aplicarea

acestui procedeu fără adaosuri de coagulanţi nu a dat rezultate

semnificative, în schimb în cazul apelor ce conţin grăsimi, cum sunt

apele uzate de la fabricile de ulei, de la procesarea cărnii, fabrici de

săpun, de conserve etc, rezultatele au fost remarcabile reducându-se

mult volumul nămolurilor în decantoare.

De asemenea aceasta tehnologie se poate aplica la îndepărtarea

uleiurilor din apele uzate din industria metalurgica şi din industria

celulozei şi hârtiei.

Trebuie să precizam faptul că înainte de aplicarea procedeului

trebuie realizate o serie de teste pentru a evalua eficacitatea

procedeului şi pentru a alege metoda de epurare.

Flotaţia ca procedeu tehnologic se aplica în două variante

funcţie de densitatea particulelor. Dacă particulele au o densitate

mare, cum este cazul minereurilor, flotaţia este posibilă numai dacă

granulaţia materialului este sub diametrul de 0,4 mm. Pentru acest tip

de particule trebuie sa se lucreze cu bule mari de aer, cu diametrul

bulei de peste 2 mm, de care trebuie să adere bulele. Pentru a sigura

aceasta aderenţă se adaugă anumite substanţe care se fixează pe

99


suprafaţa particulelor le fac hidrofobe, fapt ce are ca efect eliminarea

acestora din masa de apa la suprafaţa de separaţie apă – aer - particulă

solida, (apa nu le mai umectează), şi astfel sunt ridicate la suprafaţa

apei de către bulele de aer. Având în vedere riscul ca bulele sa se

spargă şi particula să cadă din noul pe fundul bazinului, se mai

introduce în apa uzată un spumant, care are rolul de a menţine spuma

în care se găsesc particulele mai mult timp la suprafaţa apei. Spuma

trebuie mereu îndepărtata de pe suprafaţa bazinului. In figura 5.6 este

prezentată schema de principiu a flotaţiei pentru particule grele si

pentru particule uşoare.

Fig. 5.6. Schema flotaţie pentru particule solide

a) – particule grele; b) – particule uşoare

Procedeul de flotaţie pentru particule grele este relativ costisitor şi ca

urmare trebuie aplicat doar acolo unde particulele reţinute au o

valoare economica ridicată, sau sunt toxice. In caz contrar se prefera

decantare acestora în bazine decantoare.

In cazul particulelor uşoare, când o singura bulă de mică

dimensiune poate ridica particula este preferabil ca simultan sa se

realizeze şi o coagulare a particulelor si obţinerea unor particule mai

mari si mai uşor de separat. In acest sens este necesara introducerea

de substanţe floculante care pe de o parte aglomerează particulele şi

astfel reducându-le numărul, uşurând separarea acestora şi pe de altă

parte structura relativ afânata a acestor flocoane permite alipirea

100


uşoara a bulelor de gaze de ele şi ridicarea flocoanelor la suprafaţa

apei.

Fig. 5.7. Realizarea flotaţiei suspensiilor fine utilizând

substanţe floculante şi bule fine de aer.

a) - ridicarea particulei de către bula de aer ce a aderat ( I –

bulele sunt prea mici pentru a ridica particula, II - bule mai

mari ce asigura ridicarea particulei; b) - ciocnirea bulei de aer

cu particula ( I ) şi ridicarea particulei de catre bula ce a aderat

la particulă ( II ); c) – intrarea bulei de aer în floconul format;

d) – intrarea bulei de aer în interiorul floconului.

In figura 5.7. este prezentata modalitatea de realizare a

flotaţiilor suspensiilor particulelor uşoare utilizând substanţe

floculante şi bule fine de aer.

101


Producerea bulelor în apele uzate se poate realiza prin mai

multe procedee, cel mai utilizat procedeu este acela dea a introduce

sub presiune aer printr-un sistem de duze sau plăci poroase plasate pe

fundul bazinului. De regula apele uzate cu foarte mici excepţii conţin

particule uşoare şi ca urmase se lucrează cu bule mici de aer, foarte

rar bule peste 1 mm diametru.

Cel mai frecvent se utilizează insuflarea , respectiv barbotarea

apei în instalaţiile pentru separarea grăsimilor. Separatoarele de

grăsimi cu insuflare de bule au în general doua zone de lucru şi

anume o zona turbulentă, respectiv zona de aerare şi o zona de

liniştire a apei în care are loc separarea particulelor. In figura 5.8 este

prezentat principiul de funcţiune a unui separator de grăsimi model

Imhoff. Grăsimile se ridica la suprafaţa apei de unde sunt periodic

sau în mod continuu evacuate.

Fig.5.8. Separator de grăsimi cu insuflare de bule fine

a) – secţiune transversală; b) –secţiune longitudinală; 1- intrarea

apei , 2 –difuzoare pentru insuflarea bulelor de aer; 3- ieşire

apă.

Utilizarea acestui procedeu de separare cu bule fine nu se

recomanda în totdeauna ca urmare a faptului că o data cu grăsimile

se pot ridica la suprafaţa apei şi alte particule care au aderat la

grăsimi şi care sunt ulterior mai greu de separat din grăsimi.

102


Un procedeu mai evoluat de separare a particulelor fine este cel

ce utilizează şi vidul. In figura 5.9. este prezentat principiul de

funcţionare a unei instalaţii de flotaţie în vid tip „Vacuator” produs de

firma„Dorr”.

Fig. 5.9. Scheme instalaţiei de flotaţie tip „Vacuator”

a)- scheme generala a instalaţiei; b)- secţiune prin camera de

vidare; 1 – intrare apa; 2- compartiment admisie apă; 3-

compartiment pentru aerarea apei; 4- compartiment pentru

eliminarea bulelor mari; 5- camera vidată; 6- compartiment de

închidere hidraulica pentru evacuarea apei; 7- evacuare apă; 8-

conductă cu închidere hidraulica pentru evacuarea suspensiilor

concentrate la suprafaţa apei; 9- conductă pentru evacuarea

nămolului sedimentat pe fundul bazinului vidat; 10- conductă

pentru intrarea apei în incinta vidata; 11- conductă aspiraţie aer;

12- pod raclor pentru colectarea spumei ce conţine suspensii;

13- pod raclor pentru curăţitul fundului incintei vidate; 14 –

perete separator.

Aceasta metodă constă în introducerea de aer în apa uzata până

la nivelul saturaţiei, după care apa este introdusă într-un spaţiu închis

care va fi depresurizat. In această situaţie aerul dizolvat în apa se

103


degajă sub forma unor bule extrem de fine care asigură flotaţia

substanţelor aflate în suspensie. De regula acest procedeu se aplică

apelor uzate din industria prelucrării cărnii şi a conservelor.

Avantajul metodei este dată de faptul că ridicarea bulelor se face fără

turbulenţă, fapt ce previne spargerea flocoanelor, dar prezintă

dezavantajul că staţionarea apei asigura condiţiile pentru

sedimentarea particulelor grele şi ca urmare se impune curăţirea

periodica a fundului bazinelor prin utilizarea de racloare de fund.

Depresiunea utilizata este relativ redusă, fiind cuprinsă între

0,35 şi 0,3 atm. şi ca urmare consumurile energetice sunt relativ

reduse.

Faptul că utilizarea vidului prezintă unele inconveniente, a dus

la căutarea şi a altor metode de flotaţie, dintre care se remarcă

metoda ce utilizează suprapresiunea aerului. In principiu procedeul

constă în introducerea apei într-o incintă în care se introduce aer sub

presiune. Datorită presiunii ridicate aerul se dizolvă în cantitate mult

mai mare în apa uzată. La deschiderea bruscă a unei supape presiunea

scade brusc şi în aceste condiţii aerul dizolvat în apa uzată din camera

de flotaţie este eliminata sub formă de bule extrem de fine. Această

metoda de flotaţie se numeşte „flotaţie cu suprapresiune” şi este

utilizată în mod deosebit la recuperarea fibrelor celulozice din apele

reziduale de la fabricile de celuloza şi hârtie.

Astfel de tipuri de instalaţii de flotaţie cu suprapresiune se

utilizează şi la separarea suspensiilor din apele uzate de la rafinării.

Realizarea suprapresiunii de aer în apa uzata se poate face prin

mai multe moduri. Astfel aerul poate fi introdus o dată cu apa prin

aspiraţie sau aerul poate fi pompat sub presiune în apa uzată aflată

într-o incintă închisă. Indiferent de mod trebuie să existe un sistem

104


pentru eliminarea bulelor mari. In funcţie de natura suspensiilor se

por introduce în apă diverşi reactivi şi floculanţi pentru creşterea

eficienţei procesului.

Astfel în figura 5.10. este prezentata o astfel de instalaţie după

un sistem conceput de Gibbs şi Barry.

Fig.5.10. Instalaţie de flotaţie cu suprapresiune tip Gibbs

1- intrare apă brută; 2- conductă pentru adăugare reactivi; 3-

recipi ent pentru amestecare; 4- agitator; 5- conductă apa uzata cu

bule de aer; 6- compartiment cilindric pentru floculare; 7- pompă; 8-

racord pentru aspiraţia aerului; 9- ieşire apă tratată; 10- raclor la

suprafaţa apei pentru colectarea suspensiilor; 11- sistem de evacuare

a suspensiilor colectate.

Dimensiunea acestor instalaţii asigura tratarea a circa 6 – 12

m3 de apa uzata. Durata procesului este de circa 10 -20 minute.

Cantitatea de aer ce trebuie introdusa în apa uzată depinde de gradul

de încărcare apei, dar de regulă este cuprinsă între 10 şi 100 litri de

aer la 1 m3 de apă uzată. Presiunea de lucru este cuprinsă între 1 şi 4

105


atm., iar consumul energetic este cuprins între 0,05 şi 0,25 kWh /m3

de apă uzată.

Utilizarea acestor procedee de flotaţie la separarea unor

particule în suspensie se recomandă mai puţin pentru apele menajere

uzate pentru că în absenţa unor aditivi efectul flotaţie este minor şi nu

se justifica din punct de vedere economic, dar se recomanda pentru

îngroşarea nămolurilor. Cele mai bune rezultate s-au obţinut în

industria alimentara, unde s-a obţinut o diminuare a compuşilor

organici din apele uzate cu până la 80 – 90 %.

Metoda este utilizată şi la îndepărtarea uleiurilor uzate din apele

uzate industriale din industria metalurgica, industria celulozei şi

hârtiei, rafinăriile de petrol, precum şi la tratarea apelor uzate

provenite din şantierele navale şi de la spălarea tancurilor petroliere.

Pentru asigurarea eficienţei maxime a procedeului se impune

experimentări de laborator atât sub aspectul utilizării aditivilor, a

floculanţilor, precum şi sub aspectul debitului şi a presiunii aerului.

In anumite cazuri adoptarea flotaţiei ca variantă de modernizare

a staţiei de epurare poate constitui o soluţie pentru creşterea eficienţei

procesului de epurare, sau pentru creşterea capacităţii de epurare.

5.5.6. Separarea unor substanţe prin extracţia

Extracţia este un procedeu de separare a unor substanţe dintr-un

lichid pe baza diferenţei de solubilitate a componenţilor aflaţi într-un

amestec de două sau mai multe componente în raport cu un anumit

solvent sau mai mulţi solvenţi. Procedeul se alica la epurarea apelor

industriale uzate mai ales atunci când componentul care trebuie

separat poate fi valorificat. Este de exemplu cazul recuperării

fenolului din apele reziduale de la cocserii. De asemenea sunt cazuri

106


în care scopul este acela de a extrage anumite substanţe toxice din

apele uzate în vederea distrugerii şi astfel se reduce riscul poluării

mediului prin deversarea apei uzate în emisar.

Principiul extracţiei lichid – lichid poate fi explicat în felul

următor: dacă notăm cu „A” componenta majoritară, respectiv apa, cu

„B” componentul ce trebuie extras, cu „S” solventul utilizat la

extracţie şi cu litere mici cantităţile acestor componenţi dar în procent

mic, aflate în diferitele faze ale procesului, atunci putem prezenta

schema de principiu al extracţiei astfel:

(A+B) + S = [(A – a ) + b + s] + [a + (B – b) + (S - s)]

amestec rafinat extract

Amestecul omogen de apă uzată din care dorim să extragem

componentul B este pus în contact cu solventul selectiv S , în care

apa, respectiv componentul A are o solubilitate mică în comparaţie cu

componentul ce dorim să-l extragem B care are o mare solubilitate.

După amestecarea solventului cu apa uzată se lasă timp pentru

sedimentare şi se formează două straturi şi anume:

Rafinatul, care conţine aproape întreaga cantitate din

componentul A, respectiv apă, precum şi mici cantităţi din

componentul b si din solventul s;

Extractul, care conţine mici cantităţi de apa, respectiv

componentul a, cea mai mare parte din componentul B şi

cea mai mare parte din solventul S.

După separarea celor două lichide prin diverse procedee se trece

la recuperarea solventului, de regulă prin distilare, obţinându-se

separat solventul S şi substanţa separată B. Se ajunge astfel la

următoarea rezultat final:

(A + B) = [(A – a) + b] + [a + (B – b)]

107


amestec iniţial fracţiune bogată în A(apă) fracţiune bogata în B

In figura 5.11. este prezentată schematic principiul de lucru a

extracţiei simple.

Fig. 5.11. Schema principiala a extracţiei simple

Aprecierea eficacităţii procesului de extracţie se face utilizând

coeficientul de selectivitate şi constanta de distribuţie.

Constanta de distribuţie K este raportul dintre concentraţiile

unuia dintre componenţi în extract faţă de aceea a concentraţiei din

rafinat, atunci când acestea sunt în contact în condiţii de echilibru.

Concentraţiile se exprima de regula în mg/l, moli/l sau chiar în

procente de masa sau fracţie molară.

De regula notaţiile se fac cu x pentru substanţa din rafinat şi cu

y din extract. De exemplu pentru componentul B din apa uzată,

constanta de distribuţie se calculează cu relaţia:

108


Constanta de distribuţie nu depinde de concentraţia soluţiei doar

dacă soluţiile sunt diluate, solvenţii sunt nemiscibili, compusul B nu

se disociază, nu se asociază nu dă reacţii chimice în soluţia în care se

găseşte.

In practică se utilizează o diagrama, numită diagrama x – y,

care se realizează de regula pe baza unor experimente sau teoretic pe

baza constantelor fizico – chimice ale substanţelor. In diagramă

figurează curba de echilibru precum şi o linie de operaţie, care

corespunde condiţiilor reale în care decurge procesul de extracţie,

întrucât în practică nu se poate decât foarte greu să se stabilească

condiţiile de echilibru.

Fig.5.12. Diagramele x – y pentru un component

Linia de operaţie ( fig.5.12.) este determinată de următoarea

expresie:

109



yi şi yf sunt concentraţiile iniţiale, respectiv finale în solvent a

componentului ce se extrage din soluţie, în mg / l;

xi şi xf sunt concentraţiile iniţiale şi finale în amestecul ce

trebuie epurat( apa uzată) a componentului B care trebuie extras, în

mg / l;

A – debitul de apă uzată, în l / sec;

S – debitul de solvent, în l / sec.

Al doilea element ce caracterizează procesul de extracţie este

selectivitatea, notată cu care reprezintă raportul constantelor de

distribuţie pentru cei doi componenţi din amestec atât în extract cât şi

în rafinat.

Dacă valoarea lui > 1 , atunci solventul este selectiv pentru

componentul B şi deci poate fi utilizat cu bune rezultate.

Procesul de separaţie prin extracţie este puternic influenţat de

temperatură, pentru că sunt cazuri în care două lichide nemiscibile la

temperaturi scăzute devin miscibile la temperaturi mai ridicate.

Pentru a se vedea cum se comportă aceste lichide la diferite

temperaturi trebuie realizate experimente care să ducă la stabilirea

temperaturii optime al procesului de extracţie.

O altă problemă importantă este alegerea solventului. Criteriile

de alegere a solventului sunt următoarele:

Să aibă o solubilitate redusă în apă;

Să aibă o constantă de distribuţie ridicata faţă de impuritatea

care trebuie extrasă;

Să aibă o densitate cât mai diferită faţa de cea a apei;

110


Să nu formeze emulsii cu apa;

Să nu hidrolizeze sub acţiunea apei, a acizilor sau bazelor;

Să aibă o temperatură de fierbere mult diferită de a apei;

Să fie stabil la variaţii ale temperaturii;

Să fie cât mai ieftin.

Dintre cele mai uzuali solvenţi amintim: benzenul, clorbenzenul,

eter etilic, alcoolul butilic, acetatul de etil, eter izopropilic,

fenosolvanul etc.

In practică s-au dezvoltat o serie de procedee de extracţie mai

complexe, care sa asigure un randament ridicat şi costuri cât mai

reduse, Dintre procedeele cele mai întâlnite amintim:

Extracţia simplă cu un singur contact ( vezi fig. 5.11.);

Extracţia simpla cu contact multiplu ( vezi fig. 5.13.);

Extracţia cu contact multiplu în contracurent (vezi fig. 5.14.);

Extracţia simplă cu un singur contact, constă practic în agitarea

intensa a apei uzate în care s-a introdus un solvent specific pentru

substanţa care trebuie extrasă, urmata de o decantare, pentru ca cele

doua lichide să se separe în două straturi distincte. Extractul este

separat din apa uzată, iar prin distilare solventul este recuperat şi este

din nou folosit pentru extracţia compusului din apa uzată.

Extracţia simplă cu contact multiplu este practic o extracţie

simplă cu un singur contact care se repeta de mai multe ori. La

fiecare repetare a procesului se adaugă solvent proaspăt. Cu cât

operaţia se repeta de mai multe ori se consuma mai mult solvent, dar

se realizează o mai intensa purificare a apei uzate. Procedeul poate

funcţia în regim continuu sau în şarje periodice.

111


Fig.5.13 Extracţia simplă cu contact multiplu

Extracţia cu contact multiplu în contracurent permite o mai

raţională folosire a solventului, fapt ce reduce substanţial consumul

de solvent. Principiul de funcţionare este următorul: apa uzata este

introdusă în prima unitate de extracţie, iar solventul proaspăt în

ultima unitate. Apa parţial epurată şi extractele parţiale circulă în

sensuri contrare. Calitatea procedeului depinde în cea mai mare

măsura de nemiscibilitatea solventului în apa uzată, în sensul că cu

cât solventul este mai nemiscibil cu atât procesul de separare este mai

performant.

112


Fig. 5.14. Extracţia cu contact multiplu în contracurent

In timp s-au perfecţionat procedeele de extracţie, în dorinţa de a

scădea costurile procesului şi a creşte calitatea extracţie. Un astfel de

procedeu este extracţia diferenţiala în contracurent, care în principiu

funcţionează nu ca un sistem distinct de unităţi de extracţie ci ca un

sistem în care atât apa uzată cât şi solventul circulă în contracurent

pe baza diferenţei de densitate. Transferul impurităţilor din apa uzată

în solvent se face în mod continuu, diferenţa de concentraţie este

113


elementul motor care determina transferul poluantului din apa uzată

în solvent.

5.5.7. Procesul de adsorbţie

Adsorbţia este procesul de epurare care are la bază fenomenul

de reţinere pe suprafaţa unui corp a moleculelor unei substanţe

dizolvate în apă. Material care realizează adsorbţia poate fi un solid

sau lichid şi poartă denumirea de adsorbant, iar substanţa care este

reţinută din apa uzată se numeşte adsorbat.

Procedeul este utilizat pentru purificarea unor produse sau

pentru reţinerea unor substanţe dintr-un lichid. După reţinerea

substanţelor de regulă prin încălzire în cazul substanţelor solide sau

prin extracţie în cazul substanţelor lichide, adsorbantul îşi recapătă

aproape integral proprietăţile şi deci poate fi folosit din nou. Acest

procedeu prezintă avantajele următoare:

Se pot reţine substanţe aflate în concentraţii mici;

Adsorbanţii au selectivitate pentru anumite substanţe.

Procesul de adsorbţie este caracterizat prin indicatorul numit

echilibru de adsorbţie, care exprimă repartiţia cantitativă la echilibru

a substanţei adsorbite între adsorbant şi soluţia care conţine substanţa

respectivă, precum şi prin indicatorul cinetica de adsorbţie, care

urmăreşte mecanismul procesului şi viteza cu care se desfăşoară

procesul.

Elementul principal al dimensionării procesului de adsorbţie

este izoterma de echilibru, care exprima raportul de distribuţie a

substanţei care trebuie adsorbită între adsorbant şi mediul din care se

face adsorbţia la o anumita temperatură data şi după un timp

suficient de mare pentru stabilirea echilibrului.

114


In figura 5.15. este prezentată izoterma de adsorbţie a fenolului

pe cărbune activ, la temperatura ambiantă.

Fig.5.15 Izoterma de adsorbţie a fenolului pe cărbune activ,

la temperatura ambiantă

Fenomenul de adsorbţie a fost mult studiat căutându-se relaţii

care să exprime condiţiile de echilibru ale procesului. Astfel au apărut

o serie de teorii care s-au concretizat în ecuaţii. Astfel Langmuir a

emis teoria care consideră că adsorbantul formează pe suprafaţa

absorbantului un strat monomolecular şi a ajuns la următoarea

expresie pentru izotermă, numită şi izoterma lui Langmuir:

In ecuaţia de mai sus avem următoarele notaţii:

a este cantitatea de adsorbat reţinut pe un gram de adsorbant la

concentraţia de echilibru C, în moli / g;

C este concentraţia adsorbantului în soluţie (apă) la echilibru, în

moli / l;

am este cantitatea maximă de adsorbant reţinută pe un gram de

adsorbant pentru a forma un strat monomolecular, în moli / g;

b este o constantă referitoare la energia de adsorbţie.

115


Tinând seama de unele teorii cu privire la mecanismul

adsorbţiei dar în principal pe baza unor experimente Freundlich a

propus o ecuaţie a izotermei care se verifică practic şi are următoarea

expresie:

iar pentru viteza de adsorbţie:

In cele două expresii avem următoarele notaţii:

a este cantitatea adsorbită pe un gram de adsorbant, în g / g;

t este durata procesului de adsorbţie în secunde;

k este coeficientul de viteză;

C este concentraţia adsorbantului în faza fluida în mg / l;

Ce este concentraţia adsorbantului în faza fluidă în condiţii de

echilibru, în mg / l.

Datorita faptului ca nu a fost cercetat suficient din punct de

vedere teoretic acest proces, aplicarea în practica a procedeului se

bazează mai mult experimente practice. O serie de experimente s-au

realizat pe cărbune activ în vederea reţinerii unor substanţe organice

aflate în apele uzate. După lungi experimente s-a ajuns la următoarea

concluzie:

Capacitatea de adsorbţie este puternic influenţată de greutatea

moleculara a substanţei reţinute, în sensul că creşte cu

aceasta;

Creşterea temperaturii duce la micşorarea capacităţii de

adsorbţie;

Scăderea pH-ului apei are ca efect o creştere a capacităţii şi a

vitezei de adsorbţie;

116


Capacitatea de adsorbţie creşte o data cu micşorarea

granulaţie adsorbantului;

Capacitatea de adsorbţie creşte o data cu creşterea perioadei

de contact între adsorbant şi adsorbat, deci condiţiile statice

favorizează procesul.

Ca materiale adsorbante fie pentru gaze sau pentru lichide se

utilizează o mare diversitate, funcţie de afinitatea faţa de substanţele

ce trebuiesc reţinute şi funcţie de costul acestor materiale. Este de

dorit ca granulaţia acestor substanţe să fie cât mai mica pentru a avea

astfel la o aceeaşi greutate o suprafaţa de contact cât mai mare.

Pentru epurarea apelor uzate se utilizează încă de foarte mult

timp ca materiale adsorbante cărbunele activ, cocsul granulat, cenuşi

de la furnale, de la centralele de termoficare, cărbune fosil, talaş,

rumeguş, diverse minerale granulate, cum sunt calcarul, dolomita etc.

Cel mai bun material adsorbant este cărbunele activ, care se

obţine prin încălzirea la temperaturi ridicate în spaţii închise a unor

materiale din categoria resturilor vegetale, cum ar fi coji de nucă,

sâmburi de fructe, cu sau fără adaosuri de substanţe minerale, cum ar

fi clorura de zinc, de magneziu sau calciu sau acidul fosforic, urmata

de un proces de activare prin tratare cu vapori de apa, oxizi de

carbon, clor, sau aer. Cărbunele activ este sub formă granulară cu un

diametru cuprins între 1 – 6 mm, sau sub formă de pulbere cu

diametrul cuprins între 0,1 şi 0,5 mm.

Procedeul se aplică de regula la epurarea apelor uzate, pentru

îndepărtarea din apa a unor impurităţi în concentraţii scăzute şi care

au rămas în apă după aplicarea celorlalte procedee şi când se impune

un grad ridicat de epurare.

După modul de aplicare a adsorbţiei putem avea doua situaţii:

117


Adsorbţia statică;

Adsorbţia dinamică.

Adsorbţia statică se considera ca fiind aceea in care materialul

adsorbant sub formă de praf sau granulara este introdusă în apa uzată,

care apoi este agitată o anumită perioada de timp, după care

adsorbantul este separat prin sedimentare sau filtrare şi apoi

adsorbantul este regenerat.

Fig.5. 16 Schema instalaţiilor de adsorbţie în regim dinamic

a) instalaţie cu trei coloane de adsorbţie; b) instalaţie cu o

coloană de adsorbţie.

Procedeul de adsorbţia dinamică ( vezi fig.5.16.) este numită

astfel întrucât apa cu impurităţi străbate în mod continuu un strat fix

de adsorbant, stat mobil sau strat în suspensie.

Cele mai multe instalaţii de acest tip au un strat de cărbune activ

de o înălţime cuprinsă între 1 şi 3 metri, iar granulaţia cărbunelui este

cuprinsa între 0,5 şi 2,5, mm. Practic aceste instalaţii funcţionează ca

118


nişte filtre ce pot fi deschise, deci cu presiune atmosferică sau închise

cu suprapresiune.

Pentru prelungirea duratei de utilizare a materialului adsorbant

se recomanda aplicarea metodelor clasice de epurare şi doar în final

să se utilizeze acest procedeu. Datele practice arată că un astfel de

filtru de cărbune activ poate reţine circa 5 % din greutatea sa

substanţe toxice. Cărbunele activ după utilizare poate fi regenerat

prin metode termice, respectiv încălzire la o temperatură de 925 0 C

într-o atmosfera formată din 66% aer şi 34 % vapori de apa, dar după

circa 10 astfel de regenerări capacitatea de adsorbţie a cărbunelui a

scăzut la 50 %.

Pentru alegerea celei mai economice metode de aplicare a

metodei de adsorbţie este necesar efectuarea unor experimentări

pentru obţinerea optimului, fapt ce ar asigura costurile minime.

5.5.8. Epurarea apei prin distilare

Procedeul este cunoscut de mult timp şi constă în transformarea

prin încălzire a apei în vapori şi apoi condensarea vaporilor. Datorita

faptului că în general impurităţile dizolvate în apă, de natură minerală

sau organică au o volatilitate mult mai redusa decât a apei se obţine o

apă de bună calitate, dar cu costuri mai ridicate. Dacă în viitor se vor

găsii surse de energie ieftine sau regenerabile atunci probabil că

procedeul va lua o mare amploare.

Prin distilare se îndepărtează şi microorganismele din apa uzată.

In zonele globului unde este lipsa de apa procedeul se aplica la

obţinerea apei potabile din apa mărilor, dar cu costuri încă ridicate.

Dacă se fac eforturi pentru recuperarea căldurii din vapori în faza de

condensare se pot reduce mult costurile energetice cu acest procedeu.

119


Deocamdată procedeul se aplica doar în zonele cu mare deficit

de apa si unde apa este extrem de scumpă.

5.5.9. Epurarea apei prin îngheţare

Procedeul se bazează pe faptul că la îngheţarea apei,

impurităţile se separa într-o soluţie reziduală, iar cristalele de gheaţă

formate sunt constituite din apă aproape pură.

Fazele procesului sunt prezentate în figura 5.17

Fig.5.12. Fazele procesului de epurare prin îngheţare

Procesul se desfăşoară după următoarele etape: răcirea bruscă a

apei până la punctul de îngheţare, cu producerea de cristale solide de

gheaţă, urmată de separarea cristalelor şi topirea acestora cu apa

curată.

O variantă a acestui procedeu de epurare prin îngheţare este cel

referitor la formarea de hidraţi. Această tehnologie se bazează pe

proprietatea unor substanţe, cum sunt hidrocarburile cu greutate

120


moleculara mică sau derivaţi lor hidrogenaţi, de a forma cu apa la

temperaturi joase combinaţii solide în care moleculele unuia dintre

componenţi sunt prinse în reţeaua cristalină a celuilalt. Ca şi în cazul

cristalelor de apă şi aceste substanţe sau combinaţii ale acestora nu

includ în reţeaua lor decât apa lipsita de impurităţi. După separarea

cristalelor astfel formate de lichidul cu impurităţile rămase se trece la

topirea cristalelor formate si astfel se obţin două lichide nemiscibile,

apa si respectiv hidrocarbura care se poate separa relativ uşor.

Avantajul metodei este faptul că obţinerea de astfel de cristale se

poate face şi la temperaturi mai ridicate decât temperatura de

îngheţare a apei. De exemplu în cazul folosirii ca agent de hidratare a

propanului, temperatura la care se formează cristalele este +5, 7 0C în

loc de 0 0C, cât este pentru apă.

Procedeul s-a aplicat pentru desalinizarea apei sau pentru

epurarea superioara a unor ape uzate, după treapta biologică şi au dat

rezultate extrem de bune.

5.5.9. Epurarea apelor uzate prin spumare

Este o metoda relativ simplă pentru epurarea apelor uzate şi

constă în insuflarea de aer comprimat în apa uzată şi formarea de

spumă în care se acumulează o serie de impurităţi. Procesul este

influenţat pozitiv de introducerea în apa a unor substanţe tensoactive,

care asigură formarea uşoara a spumei şi menţinerea un timp mai

îndelungat.

Daca apele conţin aceste substanţe tensoactive, cum sunt

detergenţii sau proteinele în descompunere, atunci procesul se

desfăşoară fără a necesita adaosuri suplimentare. După separarea

spumei acesta conţine cantităţi însemnate de impurităţi.

121


Procedeul este aplicat experimental în Statele Unite ale

Americii şi în Franţa şi a contribuit la scăderea cantităţii de substanţe

organice din apă, uşurând astfel faza de epurare biologică.

Consumul de aer comprimat este de circa 3,7 – 7,5 l / litru de

apă uzată. Se remarca faptul ca în urma spumării concentraţia în

substanţe minerale a rămas nemodificată.

5.5.10. Separarea poluanţilor cu ajutorul membranelor

In procesele de epurare a apei, membrana este definită ca fiind o

faza ce acţionează ca o bariera pentru anumite molecule sau ioni din

apa, prin membrană putând trece în general numai moleculele de apa.

Membrane pot fi constituite din următoarele materiale:

Materiale solide (membrane consistente);

Geluri îmbibate cu diferiţi solvenţi;

Lichide imobilizate în materiale poroase şi rigide.

Practic astăzi s-au realizat forte multe tipuri de membrane şi

care au o mare permeabilitate pentru anume molecule sau ioni, deci

sunt membrane permeoselective. Cele mai multe instalaţii de acest

gen sunt utilizate pentru obţinerea apelor potabile de regula din apa

mărilor şi oceanelor, dar se utilizează şi pentru epurarea apelor.

Dintre metodele practice ce utilizează separarea prin

membrană amintim următoarele:

Osmoza;

Osmoza inversă;

Ultrafiltrarea;

Electrodializa.

Din punct de vedere teoretic separarea prin membrane se

bazează pe faptul că în soluţie ionii substanţelor ionice sau ioni

122


formaţi prin ruperea unei molecule polare sunt hidrataţi astfel încât

volumul ionilor hidrataţi este mult mai mare decât volumul unei

molecule de apă, sau chiar a moleculelor de apă asociate prin legături

de hidrogen. Prin porii unei membrane semipermeabile (de

dimensiuni moleculare) vor putea trece moleculele de apa, dar nu vor

putea trece ionii hidrataţi.

Osmoza şi osmoza inversă

Fenomenul de osmoză apare în cazul soluţiilor apoase, când

între cele două soluţii diferite ca şi concentraţii se plasează o

membrana semipermeabilă şi când apa va trece prin membrană din

soluţia mai diluată spre soluţia mai concentrată.

Acest proces, cunoscut sub denumirea de osmoză încetează în

momentul în care presiunea hidrostatică care se exercită asupra

soluţiei mai concentrate atinge o anumita valoare de echilibru numită

presiune osmotică. Presiunea osmotică variază proporţional cu

concentraţia substanţei dizolvate în apă şi cu temperatura.

Procesul normat de osmoză poate fi inversat dacă asupra

soluţiei concentrate se va exercita o presiune mai mare decât

presiunea osmotică. In acest caz se produce, datorita presiunii

exterioare mari, o circulaţie a apei în sens invers. Astfel, dintr-o apă

bogată în săruri se poate obţine o apa curată. Procedeul este utilizat

astăzi pentru obţinerea apei potabile din apa marilor. In figura 5.13

este prezentat schematic procesul de osmoză şi de osmoză inversă.

123


Fig.5.13 Schema de principiu a osmozei şi osmozei inverse

a)- osmoza normală; b)- echilibru osmotic; c)- osmoza inversă

1- compartiment apă curata; 2- compartiment apa impurificată;

3- membrana permeabilă la apă.

Primul material folosit la confecţionarea membranei

semipermeabile a fost acetatul de celuloză (un tip de celofan).

Ulterior s-au obţinut membrane semipermeabile din materiale

polimerizate stabile, respectiv din poliamide, esteri micşti de acetat -

butirat de celuloză, amestecuri de acetat şi nitrat de celuloză. In

prezent se obţin membrane ce permit eliminarea substanţelor

dizolvate mai ales a ionilor în proporţie de peste 95%.

Membrane folosite pentru osmoza sunt foarte subţiri (circa 0,2

m) şi au o fragilitate ridicată. Membranele utilizate la osmoza

inversă sunt supuse unor presiuni de lucru relativ mari de circa 20 –

100 bar, fapt ce ridica o serie de dificultăţi legate de etanşarea

membranelor, de asigurarea durabilităţii membranelor şi evitarea

colmatării. In figura 5.14.este prezentat schematic principiul de

funcţionare o osmozei inverse pentru obţinerea apei potabile din apa

de mare.

124


Fig.5.14 Procedeul de osmoză inversa pentru desalinizarea apei

Aplicaţiile osmozei inverse sunt recomandate pentru

următoarele situaţii:

Reducerea volumului de apă uzată prin obţinerea unei

concentrări mari a soluţiei în vederea depozitării acestor

substanţe sau a transportului;

Posibilitatea recuperării şi utilizării materialelor din soluţii;

Obţinerea apei potabilă în zonele fără apă dulce;

Separarea substanţelor toxice din apele uzate;

Obţinerea unor soluţii cu o concentraţie precisă în anumite

substanţe, soluţie ce poate fi folosită în procesele de

fabricaţie;

Acest procedeu de osmoza inversă este deocamdată mai puţin

utilizat la epurarea apelor menajere si mai mult la obţinerea apei

potabile şi la epurarea unor ape industriale. In figura 5.15 este

prezentata schematic o instalaţie industriala de osmoză inversă.

125


Fig.5.15. Schema unei instalaţii de osmoză inversă

1- pompă de alimentare; 2- filtru; 3- pompă pentru creşterea

presiunii; 4- baterie pentru osmoză inversa; 5- rezervor de apă

curata; 6-turbină hidraulică pentru recuperarea energiei apei.

Ultrafiltrarea

Ultrafinisarea este un proces de separare a unor compuşi aflaţi

în soluţie lichidă utilizând membrane cu permeabilitate selectivă sub

influenţa unei diferenţe de presiune.

Membranele utilizate în acest procedeu se caracterizează printr-

o permeabilitate selectivă pentru anumiţi componenţi ai unei soluţii

lichide. Procedeul se aplică mai ales pentru a separa substanţe

dizolvate în lichide care au greutatea moleculară peste 500 şi care la

concentraţii mici au presiuni osmotice mici şi nu pot fi separate prin

osmoză.

Prin ultrafinisare se pot îndepărta din apă bacterii, viruşi,

amidon, proteine, pigmenţi din vopsele. Limita superioară a greutăţii

moleculare a substanţelor care pot fi reţinute prin ultrafinisare este de

126


circa 500.000, peste această limita separarea se face prin filtrare

clasică.

Principiul de funcţionare pe care se bazează acest procedeu este

sitarea selectivă în funcţie de diametrul particulelor substanţelor

poluante şi de diametrul porilor. Capacitatea de reţinere a particulelor

de către o membrană pentru o anumită substanţă depinde de

dimensiunea, forma şi flexibilitatea moleculelor ce constituire

membrana, precum şi de condiţiile de exploatare. In cazuri industriale

concrete membrane ce se utilizează la procesul de ultrafinisare

trebuie să manifeste reţinere selectivă pe un domeniul relativ îngust

de greutăţi moleculare şi un flux relativ mare de soluţie la o diferenţa

mică de presiune.

Din punct de vedere tehnico – economic procedeul se justifica

numai atunci când substanţele reţinute sunt foarte utile şi pot fi

valorificate, sau pentru cazul în care dorim eliminarea unor

microorganisme din apă.

5.5.11. Epurarea apelor prin schimb ionic

Acest procedeu de epurare se bazează pe proprietăţile unor

materiale care puse în contact cu o apa mineralizată, ce conţine săruri

sub forma de ioni, sunt capabile să schimbe ionii aflaţi în apă cu ioni

proveniţi din materialul din care este confecţionat. In industrie se

utilizează schimbători de ioni de două tipuri:

Schimbători de cationi numiţi cationiţi;

Schimbători de anioni numiţi anioniţi.

In practică cei mai utilizaţi schimbători de ioni sunt cei în stare

solidă. Principial modul în care se realizează schimbul ionic pentru

127


cazul reţinerii de cationi şi pentru cazul reţinerii de anioni este

prezentat mai jos.

demineralizare

2ZH + Ca++ --------------------------- Z2 Ca + 2H++

cationit regenerare cationit epuizat

demineralizare

2ROH + SO4 - - ----------------------- R2 SO4 + 2 OH-

anionit regenerare anionit epuizat

In ecuaţiile prezentate se eliberează în cazul cationiţilor ioni de

hidrogen şi în cazul anioniţilor ioni ai grupării OH. Reacţiile sunt

reversibile şi ca urmare prin tratarea schimbătorilor de ioni epuizaţi

cu acizi în cazul cationiţilor şi cu baze în cazul anioniţilor se reface

cationitul şi respectiv anionitul.

Dacă punem succesiv apa mineralizata în contact cu cantităţi

suficiente de astfel de schimbători de ioni se obţine o apă aproape

pură, iar daca ionii de H şi ionii de OH sunt în proporţii

corespunzătoare ei se combină şi formează apă.

Demineralizarea prin schimbători de ioni se aplica la obţinerea

apei utilizate în industria alimentară, dar procedeul se poate aplica si

la epurarea apelor industriale uzate în deosebi pentru reţinerea ionilor

de metale grele, care sunt deosebit de toxici.

Utilizarea acestei tehnici pentru epurarea apelor uzate sau la

demineralizarea apelor marine pe scară larga se poate justifica numai

în cazul în care în zona respectiva este un mare deficit de apa ce

poate fi potabilizată, sau s-a impus din motive de poluare reutilizarea

apei uzate în procesele de fabricaţie.

128


Inconvenientul principal al metodei consta în faptul că în urma

epuizării şi regenerării materialelor utilizate la schimbătoarele de ioni

rezulta o serie de materiale toxice ce trebui depozitate în condiţii

ecologice.

5.5.12. Electrodializa

Electrodializa constituie un proces de separare prin membrane

cu permeabilitate selectivă la anioni şi respectiv la cationi.

Deplasarea acestora făcându-se sub acţiunea unui câmp electric ca

într-un proces de electroliză clasică. In figura 5.16. este prezentată

schema de principiu al procesului de electrodializă.

Fig. 5.16. Schema de principi al electrodializei

1- catod; 2 – anod; C- membrană permeabilă pentru cationi; A-

membrana permeabilă pentru anioni.

Prin migrarea ionilor spre catozi, respectiv spre anozi are loc

o scădere a concentraţiei de săruri în compartimentul central.

129


O astfel de celulă simplă nu este economică pentru că necesita

consumuri energetice mari în deosebi pentru deshidratarea ionilor la

depunerea pe electrozi. Dacă însă, cresc numărul de celule de

electrodializă, atunci consumul specific energetic se reduce, în sensul

că se modifica raportul între consumul de energie pentru

deshidratarea ionilor pe electrozi şi consumul de energie pentru

transportul ionilor. In practica se utilizează baterii de 50 – 400 de

astfel de celule de electrodializă. In figura 5.17 este prezentată

schema unei instalaţii de electrodializa cu mai multe compartimente.

Fig.5.17. Schema unei instalaţii de electrodializă

A- membrană permeabilă la anioni; C- membrană permeabilă

la cationi.

După cum rezulta din schema de principiu de funcţionare a

instalaţiei de electrodializă se introduce în fiecare compartiment apa

mineralizată, rezultând apa parţial demineralizata, respectiv produsul

dorit şi apa cu o concentraţie mai mare în săruri.

130


In practica din motive economice se obţine o apă parţial

demineralizată. Dacă demineralizarea este continuata la valori foarte

ridicate, atunci consumurile energetice cresc foarte mult şi procesul

devine practic o electroliză. Se considera un consum rezonabil cel ce

asigură o cantitate de substanţe mineral care sa permită ca apa sa fie

potabilă sau să poată fi utilizata în procesele de fabricaţie

S-au făcut încercări şi pentru utilizarea procedeului la

epurarea apelor menajere uzate, dar procedeul este costisitor şi în plus

trebuie în prealabil să fie îndepărtate din apa uzata toate substanţele

organice.

5.5.13. Oxidarea si reducerea compuşilor poluanţi din

apele industriale uzate

Oxidarea si reducerea sunt procese chimice în care substanţele

aflate în apele uzate sunt transformate prin schimb de atomi, în

substanţe mai puţin toxice sau mai uşor de separat.

Intru-cât din punct de vedere chimic un proces de oxidare

trebuie cuplat cu un proces de reducere, procesul se numeşte de oxi-

reducere.

Oxidarea.

Scopul oxidării în epurarea apelor uzate este de a converti

compuşii chimici nedoriţi din apele uzate în alţii care nu sunt atât de

toxici, sau se pot uşor îndepărta. In acest scop nu întotdeauna este

necesar oxidarea completă, de exemplu în cazul substanţelor organice

nu este necesara transformarea lor până la CO2 , H2 O şi alţi oxizi.

Oxidarea se aplică atât substanţelor anorganice ce conţin ioni

din categoria Mn2+ , S2- , CN- , SO3 2- etc., cât şi substanţelor de natură

organică, cum sunt: fenoli, aminele, acizi humici, şi diverse alte

combinaţii care au un caracter toxic , inclusiv bacteriilor.

131


Oxidarea clasica cu oxigenul din aer decurge cu viteze relativ

mici şi depinde de temperatura, presiune şi concentraţia de oxigen.

Viteze mari de oxidare se obţin daca oxigenul se găseşte sub forma

activata, cum ar fi ozon, oxigen atomic, sau gruparea OH.

In cazul epurării apelor uzate urbane în faza epurării biologice,

oxidarea substanţelor organice se face utilizând bacterii, dar procesul

decurge lent şi ca urmare sunt necesare bazine de mari dimensiuni.

Pentru oxidarea chimică a impurităţilor de natură organică din

apele uzate provenite din industria alimentară, pentru ca procesul să

decurgă mult mai rapid se utilizează oxidanţi energici cum sunt

ozonul, clorul, săruri ale unor peracizi ca de exemplu permanganatul

de potasiu, dar care au preţ mai ridicat şi ca urmare nu se pot

recomanda din motive economice deocamdată pentru epurarea apelor

uzate urbane.

Faţă de alte procedee, oxidarea chimică prezintă avantajul că

poate fi aplicat atât la apele uzate industriale, dar şi la soluţii

concentrate, precum şi faptul deloc de neglijat, că o dată cu

impurităţile de natură organică sunt oxidate şi impurităţile de natură

anorganică cum sunt sulfurile, sulfiţii şi cianurile, dar şi

microorganismele din apă.

Dintre cele mai utilizate procedee de oxidare chimica în

procesele de epurare a apelor uzate amintim:

Insuflare de aer, ce conţine o cantitate însemnată de oxigen;

Folosirea de oxidanţi ce conţin oxigen activ: ozon, apă

oxigenată, radicali liberi – OH;

Oxidarea accelerată cu oxigen molecular, bazată pe reacţia în

lanţ cu radicali liberi OH, drept promotori de radicali liberi

OH se foloseşte apa oxigenată în prezenta fierului bivalent;

132


Oxidarea catalitică, ce utilizează catalizatori paladiu şi nichel,

când se utilizează oxigen molecular şi substanţele de natură

organică sunt reţinute prin adsorbţie pe suprafaţa unui

material solid;

Oxidarea substanţelor organice prin procese electrochimice,

când au loc reacţii de reducere la catod şi de oxidare la anod.

Ozonul este un oxidant mult mai energic şi este capabil să

reacţioneze rapid cu o gamă larga de poluanţi şi cu microorganismele

din apă. El se generează prin descărcări electrice la tensiuni înalte în,

respectiv 5000 – 30.000 V, în aer sau în oxigen uscat. Consumurile

energetice pentru generarea ozonului nu sunt prea ridicate, ele variază

în jurul valorii de 7 kWh / 1 kg ozon.

Aerul împreuna cu ozonul sunt introduşi în apă la adâncime

printr-un sistem de conducte cu difuzori poroşi, urmată de o agitaţie

mecanică a apei pentru o mai bună dispersie a ozonului. Ozonul este

utilizat pentru decolorarea apelor, pentru dezinfecţie, pentru oxidarea

parţiala a unor substanţe nocive din categoria fenolilor, detergenţilor,

cianurilor etc. Ozonul trebuie utilizat cu precauţie pentru că

expunerea organismului omenesc la ozon timp îndelungat îl

afectează, de fapt concentraţia ozonului în mediul de lucru al

personalului este limitat la 0,1 mg / m3 .

Permanganaţii sunt oxidanţi puternici şi sunt folosiţi mai ales

pentru finisarea unor procese de epurare pentru eliminarea culorii şi a

mirosului, precum şi pentru oxidarea fierului, sulfurilor şi cianurilor.

In urma tratamentului cu permanganat rezultă ca reziduu bioxidul de

mangan hidratat, care pe de o parte acţionează ca un absorbant şi

coagulant, dar în final el trebuie îndepărtat din apă.

133


Clorul poate oxida eficient hidrogenul sulfurat, mercaptanii (ce

rezulta în procesele de obţinere a celulozei şi hârtiei), nitriţii,

amoniacul, fierul şi manganul, cianurile şi unele substanţe organice.

Este mult utilizat procedeul de distrugere a cianurilor cu clor până la

formarea de cianaţi sau chiar de azot molecular, conform reacţiilor:

CN- + OCl- ------ CNO- + Cl-

2CNO- + 3OCl- ------ N2 + 2HCO3 - + Cl-

Principalul dezavantaj al utilizării clorului este faptul ca în urma

reacţiilor se produc compuşi organici halogenaţi cu nocivitate

ridicată. Acest efect este eliminat în cazul folosirii bioxidului de clor,

care datorită stabilităţii sale scăzute, se prepara direct în mediul de

lucru.

In afara de clor se utilizează pentru epurarea apelor şi compuşi

ai clorului ce conţin clor activ. Este vorba de hipocloritul de sodiu şi

de calciu, clorura de var, precum si o gama de cloramine.

Ca şi substanţe oxidante se utilizează şi feraţii de sodiu si

potasiu: Na2 FeO5 şi K2 FeO4 în mediu acid. Feraţii au marele

avantaj ca au si efect de coagulant ca urmare a formării hidroxidului

feric. Cercetările realizate in domeniul îndepărtării compuşilor

organici utilizând feratul de potasiu, la un pH de 2,2 şi la o durata de

contact de 5 minute au demonstrat ca indicele CCO a scăzut cu 70 %.

In cazul reziduurilor apoase concentrate, cum sunt colectările de

levigabil de la gropile de deşeuri menajere s-a experimentat

procedeul de oxidare cu oxigen molecular la presiune de 85 – 125 at

şi o temperatură ridicata de circa 250 – 370 0 C. Procedeul se numeşte

Zimmermann. Daca concentraţia în substanţe organice este suficient

de ridicată procesul este exoterm şi energia termică produsă

autoîntreţine procesul.

134


Reducerea

Procesele chimice de reducere este folosit mai ales pentru

transformarea unor poluanţi care au un caracter oxidant şi nociv în

substanţe inofensive sau care pot fi îndepărtate din apă prin aplicarea

altor procedee de epurare. Este cazul de exemplu al reducerii

cromului hexavalent la crom trivalent în vederea precipitării acestuia

ca hidroxid, conform reacţiei:

Cr2 O7 2- + 6FeSO4 + 7H2 SO4 ----------- Cr2 (SO4 )3 + 3Fe2 (SO4 )3 + 7H2

O + SO4 2-

Reducerea se poate face cu fier bivalent sau cu acid sulfuros în mediu

acid. Agenţii reducători folosiţi curent în practica industrială sunt

săruri ale fierului bivalent, sulfiţii, acidul sulfuros, precum şi alte

combinaţii cu sulf la valenţe mai mici decât 6.

In afară de tratarea apelor cu conţinut de cromaţi şi bicromaţi,

procesul chimic de reducere se aplică şi pentru:

eliminarea clorului activ în exces cu sulfiţi sau cu dioxidul de

sulf;

insolubilizarea unor ioni metalici, prin reducerea cu metale

ordinare, de regulă fier;

transformarea nitroderivaţilor aromatici în amine, prin

reducere cu hidrogen;

transformarea compuşilor organici halogenaţi prin înlocuirea

halogenului cu hidrogen etc.

5.5.14. Transformarea substanţelor poluante prin precipitare

135


Precipitarea este procesul de epurare bazat pe transformarea

poluanţilor din apele uzate în produşi greu solubili. Precipitarea este,

de regulă rezultatul unor reacţii chimice din care rezultă substanţe

mai greu solubile, dar ea poate avea loc şi în urma unor schimbări ale

condiţiilor fizice, cum ar fi:

suprasaturarea apei prin concentrare;

micşorarea solubilităţii unor substanţe organice prin sporirea

concentraţiei de electroliţi;

micşorarea solubilităţii unei sări prin mărirea concentraţiei

unuia dintre ioni, care o compun, respectiv a ionului cu

nocivitate redusă.

Un astfel de exemplu de aplicare a precipitării este cel al

îndepărtării prin precipitare a flururilor din apa, sub forma de florură

de calciu, prin introducerea de ioni de calciu, eventual adaos de

CaCl2. Această introducere de ioni de calciu duce la deplasarea

echilibrului în direcţia transformării unei cantităţi mai mari de ion F-

în florură de calciu care este o sare greu solubilă. Procesul se

desfăşoară astfel:

2 F- + Ca2+ ------ CaF2

precipitat

Precipitarea pe scară industrială se aplica pentru îndepărtarea

din apă a ionilor metalelor grele din apele industriale uzate rezultate

în urma unor procese metalurgice, acoperiri galvanice, colectarea

apele de mină, spălări de minereuri, etc.

Procesul se bazează pe faptul că aceştia formează hidroxizi cu

solubilitate scăzuta la anumite valori ale pH-ului.

In tabelul 5.2. sunt prezentate în mod centralizat poluanţii ce

pot

136


fi îndepărtaţi prin precipitare şi agenţii de precipitare.

Eliminarea poluanţilor prin precipitare Tabelul 5.2.

Poluantul Agentul de precipitare Produşii obţinuţi

Cianuri Săruri de fier bivalent Ferocianuri greu solubile,

slab disociate, cu

nocivitate redusă

Săruri ale metalelor

alcaline

Var, hidroxizi alcalini,

Sulfaţi

Carbonat de calciu si

hidroxid de magneziu

greu solubili.

Formarea de sulfaţi greu

solubili

Săruri ale unor metale

grele

Xantaţi, Sulfuri solubile,

Proteine(deşeuri de par,

coarne, copite, sânge)

Xantaţi metalici (ex.Cd)

Sulfuri insolubile(de Hg,

Cd etc.)

Combinaţii greu

solubile(ex. îndepărtarea

Hg)

Sulfuri Săruri sau hidroxid de fier Sulfură de fier greu

solubilă

5.5.15. Indepărtarea ionilor metalici prin coagulare

electrochimică

Indepărtarea ionilor de metale prin procedeul de coagulare

electrochimica, procedeu numit si electrocoagulare, consta în

introducerea în apa a ionilor metalici necesari coagulării printr-un

proces de electroliză. Pentru realizarea acestui procedeu se folosesc

celule de electroliză cu anozi metalici realizaţi din metale, cum ar fi

aluminiu fierul, cupru etc. Prin procesul de electroliză, metalul din

anod este dizolvat şi elementul metalic este trecut în stare ionica,

conform reacţiei:

Al – 3e- ------- Al3+

137


Fe – 2e- -------- Fe2+

Cu – 3e- ------- Cu2+

Procesul continuă prin hidrolizarea ionilor , după cum urmează:

Al3+ + 3HOH ----- Al(OH)3 + 3H+

Fe2+ + 2HOH ------ Fe(OH)2 + 2H+

Cu2+ + 2HOH ------ Cu(OH)2 + 2H+

De exemplu în cazul anozilor de fier, hidroliza conduce la

formarea de Fe(OH)2 . Fe2+ se oxidează pe baza oxigenului din apă la

fier trivalent cu formarea de Fe(OH)3, care coagulează particulele

coloidale, prin adsorbţia acestora pe suprafaţa coloizilor.

Trebuie precizat faptul că, în acest proces au loc şi alte reacţii

secundare, cum ar fi faptul ca la nivelul electrodului anodic în afara

de formarea ionilor Al3+ , ionii de clor din apa se transforma în clor

gazos şi în continuare pot reacţiona cu formarea de acid clorhidric,

care reduce pH-ul apei uzate, conform reacţiilor:

2Cl- ------ Cl2 + 2e- : E0 = 1,26 V

Cl2 + H2 O ------ HOCl + HCl

In schimb la catod au loc reacţii de formare atât a hidrogenului

gazos, cât şi a ionilor hidroxil, conform reacţiilor:

H+ + e- ------ 1 / 2 H2

H2 O + e- ----- 1 / 2 H2 + OH-

O2 + 2H2 O + 4e- ------ 4OH-

Ca urmare a cestor reacţii pH-ul soluţiei suferă modificări.

5.5.16. Dezinfecţia apelor uzate

Dezinfecţia este procesul de îndepărtare din apele uzate a

microorganismelor patogene. Aplicarea procesului de dezinfectare

este necesară în cazul apelor industriale provenite din abatoare,

138


unităţi de creştere a animalelor tăbăcării, fabrici de conserve,

industria alimentara unde au loc procese de fermentaţie.

De la bun început trebuie făcută distincţie între dezinfectare şi

sterilizare. In timp ce dezinfectarea nu distruge decât o parte a

microorganismelor din apă, sterilizarea presupune distrugerea tuturor

microorganismelor: bacterii, alge, spori, virusuri etc.

Mecanismul dezinfecţie cuprinde doua faze:

Pătrunderea dezinfectantului prin peretele celular;

Denaturarea materiilor proteice din protoplasmă, inclusiv a

enzimelor.

Agenţii chimici cum sunt ozonul, clorul, dioxidul de clor,

bromul, iodul etc. pot degrada materia celulara, reacţionând direct cu

aceasta, în timp ce agenţii fizici introduc modificări chimice în cadrul

materialelor componente ale celulelor.

Viteza de distrugere a microorganismelor corespunde unei

reacţii de ordinul întâi, respectiv viteza de dispariţie a

microorganismelor este proporţionala cu concentraţia acestora în

momentul considerat:


N este numărul de organisme pe unitatea de volum la timpul t;

k este o constantă.

Prin integrarea ecuaţiei de mai sus se obţine o relaţie ce exprimă

numărul de microorganisme aflate în apa la timpul t faţa de situaţia

iniţiala, respectiv timpul t0 :

N = N0 . e-kt

139


Viteza de distrugere a microorganismelor este influenţată şi de

concentraţia dezinfectantului C. Intre acest element şi timpul necesar

distrugerii microorganismelor exista relaţia:

Cn . t = constant.

Procesul de dezinfectare este influenţat de mai mulţi factori,

dintre care amintim:

Temperatura apei ;

Prezenta unor substanţe organice care reacţionează cu

dezinfectantul, respectiv îl consumă.

Dintre metodele fizice de dezinfecţie menţionăm:

Tratamentul termic al apei;

Iradierea cu raze gama sau raze X;

Tratament cu ultraviolete;

Tratament cu microunde.

Metodele mai sus menţionate sunt costisitoare, presupun

instalaţii speciale, şi ca urare se recomandă a fi utilizare în fazele

finale ale epurării apelor industriale.

140


B I B L I O G R A F I E

[1] Arad, Susana, Arad, V. Chindriş Gh. Geotehnica Mediului

Editura Plaidava 2000 ISBN – 973-994-58-0-5

[2] Creţu, Gh. Economia apelor Ed Didactică şi Pedogogică

Bucureşti 1976

[3] Culea, Monica. Nicoară, Simona. Culea, E. Pop, I. Monitorizarea

factorilor de mediu. Editura Risoprint Cluj-Napoca 2003 ISBN 973-

656-484-3

[4] Dima. M. Epurarea apelor uzate urbane. Editura Junimea Iaşi

1999.

[5] Gavril, L. Gavrilă Daniela. Apele industriale. Editura Tehnică

Chişinău 2002ISBn 9975-63-173-8

[6] Iliuţă, I, Bulearcă, Maria. Acte normative referitoare la mediu.

Editura Univ. Politehnica Bucureşti 2004

[7] Macoveanu, M. Teodosiu, C. Epurarea avansată a apelor uzate

conţinând compuşi organici nebiodegradabili, Ed. Gh. Asachi Iaşi

1997 ISBN 973-9178-43-X

[8] Mohan, Gh. Ardelean, A. - Ecologia şi Protecţia Mediului.

Editura “Scaiul” Bucureşti, 1993.

[9] Muntean, L. Stirban, M. - Ecologie. Editura Dacia, 1995.

[10] Negulescu, M. şi alţii - Politica mediului înconjurător. Editura

Tehnică Bucureşti, 1995.

[11] Negulescu, M. Epurarea apelor uzate orăşeneşti. Editura

Tehnică Bucureşti 1978.

[12] Negulescu; M. Epurarea apelor uzate industriale. Editura

Tehnică Bucureşti 1968.

141


[13] Negulescu, M. Epurarea apelor uzate industriale. vol. I şi II

Editura Tehnică Bucureşti 1989 . ISBN – 973-31-0068-4

[14] Negrei, C., Instrumente şi metode în managementul mediului.

Editura Economică 1999

[15] Neag, Gh. Culic, Ana. Gerard, V. Soluri şi ape subterane

poluate – tehnici de depoluare. Editura Dacia Cluj-Napoca 2001

ISBN 973-35-1246-X

[16] Niac, G. Naşcu, H. Chimie ecologică. Editura Dacia Cluj-napoca

1998 ISBN 973-35-0779-2

[17] Pănuescu, Daniela. Rusu, T. Ecologia sistemelor de fabricaţie.

Editura Alma mater 2004 ISBN 973-9358-81-0

[18] Roman, P. Introducere în fizica poluării fluidelor. Editura

Stiinţifica şi enciclopedică Bucureşti 1980

[19] Rojanschi, V. şi alţii - Legislaţia de mediu şi activitatea

agenţilor economici. Buletin Economic Legislativ Nr. 7/1996.

[20] Rojanschi, V. şi alţii - Economia şi protecţia mediului Editura

Tribuna Economică 1997.

[21] Rusu, Gh. Rojanschi, Gh. Filtrarea şi tehnica tratării şi epurării

apelor. Editura Tehnica Bucureşti 1980

[22] Rusu, T - Protecţia mediului industrial Editura Mediamira

Cluj-Napoca 1997 ISBN 973-9358-81-0

[23] Rusu, T. Moldovan, L. Avram, Simona. - Managementul

activităţilor pentru protecţia mediului industrial Editura

Mediamira Cluj-Napoca 2003 ISBN – 973-9358-80-2

[24] Rusu, T. Protecţia mediului şi a muncii. Editura Mediamira

Cluj-Napoca 1999. ISBN – 973-3358-39-X

[25] Serban, P. Stanescu, Al. Roman, P. Hidrologie dinamică.

Editura Tehnică Bucureşti 1989 ISBN 973-31-0101-X

142


[26] Varduca, A Monitoringul integrat al calităţii apelor Editura

H.G.A. Bucureşti ISBN 973-98530-9-9

[27] Vasilescu, I. - Protecţia mediului înconjurător C.I.D.E.

Bucureşti, 1994.

[28] Vida, S. Popescu, Violeta. Metode de separare a poluanţilor.

Editura U.T. Pres Cluj-Napoca 2003 ISBN – 973-662-008-5

[29] Vişan,S., şi alţii – Mediul înconjurător - poluare şi protecţie

Editura Economică 2000

[30] Zamfir, Gh. - Poluarea mediului ambiant. Editura Junimea Iaşi,

1974.

[31] Zamfir, Gh. - Poluarea mediului ambiant. Editura Junimea Iaşi,

1975.

[32] Zamfir, Gh. - Efectele unor poluanţi şi prevenirea lor. Editura

Academiei României, 1979.

[33] * * * Colecţia revistei “Mediul Înconjurător”. Editura

I.C.I.M. Bucureşti 1990-1995.

[34] * * * Colecţia revistei “Ecologia industrială”. Editura

O.I.D.P. Bucureşti.

[35] * * * Standardul Internaţional ISO 14.000

http://www.agir.ro/carte/ecotehnologie-121328.html

143

procedee avansate de epurare a apelor uzate

Documents