Page1

Simpozionul ARA 2014 Titlul lucrarii:

MODULE AUTOMATE DE POTABILIZARE A APEI UTILIZND PROCESE DE OXIDAREA AVANSAT I BIOFILTRARE (BARIERE MULTIPLE).

STUDII DE CAZ Autori: Dumitru Vju1, Grigore Vlad1, Sorin Claudiu Ulinici1, Mihaela Hetvary1, Gabriela Bisan1, Varvari Sever1 1S.C. ICPE-BISTRITA S.A., Str.Parcului, Nr. 7, BISTRIA, cod 420035-ROMNIA Tel/Fax: 0263-210938, Email: dvaju@icpebn.ro Abstract

The paper presents an innovative technological process for water treatment to obtain drinking water from raw

water (e.g. using surface water or underground water) which contains a wide range of pollutants such as: iron ions,

hydrogen sulphide, arsenic, manganese, ammonium, nitrites, nitrates, humic acids, pesticides, herbicides, petroleum

products, residues of drugs and cosmetics. Following treatment, after final processing, the parameters of drinking

water will be in compliance with the in force law (law of water no. 458/2002 modified through law no. 311/2004). The

automatic modules for drinkable water include the following stages: a pressurized aeration stage, a pre-oxidation

stage with oxidants obtained by electrochemical processes, a bio-filtration stage and a disinfection stage with ozone

which can be completed with sodium or calcium hypochlorite. The ammonium and nitrate concentration reduction from

the water is done in a bio filter with sequential operation. In the filter volume, the ammonium ions are converted to

nitrates by a nitrification process by fostering the nitrification conditions, following that during standby filtration, the

nitrates are reduced to nitrogen gas through a denitrification process. The innovative technological system, here

presented, is optimally controlled in order to minimize energy consumption and maximize performance. The work also includes a mathematical model of the main biochemical and physical processes used by the presented technology.

INTRODUCERE Datorit implementrii programului de alimentare cu ap al localitilor din Romnia, n

faza actual, pentru multe localiti rurale a cror consum nu depete 100...300 m3/zi, singurele surse de ap disponibile n vecintate sunt sursele de ap subteran- apa subteran extras din puuri de medie adncime (150...200 m), i, mai rar sursele de ap de suprafa cu un debit suficient i constant. Sursele de ap subteran au, n general, parametrii constani n timp, dar n multe regiuni (Criana, Banat, Oltenia, Brgan, Moldova, Dobrogea) acestea sunt impurificate cu ioni de fier, mangan, amoniu, nitrai i arsen, n concentraie mai mare dect valoarea maxim admis de ctre normele legale n vigoare. Pentru comunitile cu consumuri de ap relativ mici nu se justific implementarea de staii de potabilizare a apei compuse din multe trepte de tratare, care s utilizeze n procesul de potabilizare reactivi chimici relativ greu de aprovizionat i care s necesite personal de operare cu experien avansat n domeniu. n scopul rezolvrii acestor cerine, pentru reducerea poluanilor menionai sub nivelul concentraiilor maxim admisibile, la consumuri energetice i de reactivi moderate, relativ uor de automatizat, se preteaz foarte bine modulele de potabilizare a apei bazate pe procese de oxidare avansat a poluanilor din ap urmate de procese de biofiltrare [1, 2]. Fluxul de tratare a apei se bazeaz pe oxidarea avansat a poluanilor printr-un tratament electrochimic [3] i, eventual ozon, astfel nct substanele organice macromoleculare, nebiodegradabile, s fie transformate/oxidate n substane cu molecule mai mici, uor biodegradabile, astfel nct acestea s poat fi metabolizate i consumate de ctre bacteriile dopate n biofiltru [4].

Biofiltrul este un filtru n care pe suprafaa materialelor filtrante se dezvolt pelicule biologice (biofilme) alctuite din bacterii care se hrnesc cu anumii poluani din ap. Pe lng fenomenul de reducere biologic a poluanilor n biofiltru, biofilmele dezvoltate micoreaz porii materialelor filtrante din acesta, astfel nct caracteristicile de filtrare ale biofiltrelor se mbuntesc, ajungnd n domeniul microfiltrrii i ultrafiltrrii [5]. Astfel, ntr-un singur biofiltru multistrat pot fi reduse concentraiile pentru o gam extins de poluani. Procesul de biofiltrare a poluanilor din apa destinat potabilizrii a fost pus n eviden, din ntmplare, n anumite staii de potabilizare a apei n momentul n care pentru anumite perioade nu s-au mai adugat reactivi n treapta chimic de tratare, iar splarea filtrelor s-a fcut la intervale mai mari de timp, fiind observat, n timp, o evoluie pozitiv a parametrilor apei procesate. n momentul n care s-a fcut

Page2

corelaia dintre parametrii apei procesate (intrare-ieire), cu populaia de culturi bacteriene dezvoltate n mediile filtrante, procesele au nceput s fie nelese.

Aceste procese au fost aplicate ulterior pentru a crete preformanele unor procese existente, i, n special pentru a servi ca baz pentru o nou generaie de procese biologice de tratare oferind o mbunatire evident a performanelor de filtrare. Apa rezultat din procesul de biofiltrare, srac n oxigen, este tratat cu ozon n scopul creterii gradului de oxigenare, a corectrii gustului i a reducerii eventualilor nitrii. n scopul pstrrii parametrilor apei potabile n reeaua de distribuie a acesteia, la ieirea din modulul de potabilizare, n ap, se dozeaz un biocid (hipoclorit de sodiu sau calciu).

PREZENTAREA PROCESELOR DIN FLUXUL DE POTABILIZARE AL APEI Procesul de potabilizare a apei utilizat n cadrul modulelor automate de oxidare avansat i

biofiltrare (bariere multiple), aa cum s-a amintit mai sus, include trei trepte de tratare. I. Treapta a-I-a- Precondiionare in vederea biofiltrrii. Aceasta se face prin tratament

electrochimic i aerare sub presiune, sau prin ozonizare urmat de o treapt de tratare electrochimic. Att procesul de ozonizare, ct i procesul de tratament electrochimic urmat de aerare, au rolul de a oxida ionii dizolvai n ap la o stare de valen superioar n vederea reinerii lor n materialele filtrante [6]. De asemenea, au rolul de a reduce materia organic natural (NOM) prin oxidare total sau parial pn la oxizi anorganici sau materie organic biodegradabil, i de mbogaire a apei cu oxigen pentru favorizarea reaciilor de nitrificare-denitrificare din biofiltru. Reacia ozonului cu materia organic natural poate avea loc pe calea ozonului molecular sau pe calea radicalilor liberi. Ambele ci au ca rezultat formarea unor compui organici puternic oxidai, cu mas molecular mic, rezultnd o bun biodegradabilitate a apei. n figura 1 este reprezentat concentraia de carbon organic asimilabil (AOC) obinut n urma tratamentului cu ozon a acizilor humici [7]. La doze specifice de ozon mici (de ex. pn la 1,5 mg O3/mg DOC ) s-a observat o relaie liniar ntre doza de ozon i formarea AOC. Pentru doze mari de ozon, ratele de formare AOC ajung la saturatie. Acest lucru se poate datora efectului urmtor: doze mai mari de ozon oxideaz o parte dintre compuii cu mas molecular mic la CO2, i, n paralel, crete concentratia AOC datorit compuilor cu mas molecular mare rmai. Atunci cnd se utilizeaz ozon in tratamentul de obinere a apei potabile sunt necesare msuri de protecie speciale pentru a ne asigura c urmtoarele etape de tratare sunt bine proiectate pentru a elimina compuii uor biodegradabili.

Figura 1 Efectul dozei de ozon asupra formrii AOC [7]

Tratamentul electrochimic urmat de oxigenarea apei (cu oxigen pur sau cu aer) are un efect similar ozonizrii apei. n procesul electrochimic de tratare a apei, electrozii (cel puin un catod i un anod) sunt imersai fie direct n volumul de ap ce trebuie tratat, fie ntr-o conduct de by-pass. Un curent continuu sau pulsatoriu este aplicat ntre electrozi, conducnd la electroliza apei, n acest mod reacia producndu-se in situ.

Page3

La anod principalul produs este oxigenul, avnd loc acidificarea apei n vecinatatea

anodului: 2 + 4

+ 4 (1) La catod, se formeaz hidrogen, astfel apa din apropierea catodului devine alcalin [8]:

2 + 2 + 2

(2) Prin utilizarea pulsurilor de curent i prin curgerea turbulent pe muchii cu raz mic se

obin zone locale cu densitate mare de energie disipat care fac posibile unele reacii chimice, care n condiii obinuite nu au loc, fiind urmate de o difuzie la scara nanometric a produilor de reacie. Oxidarea electrochimic este o tehnic electrochimic eficient, care este folosit pentru oxidarea diferiilor compui din ap. Aceast tehnic este, de asemenea, ecologic, deoarece nu se utilizeaz reactivi chimici [9]. Oxidarea electrochimic depinde de alegerea anodului, putnd fi iniiat prin transferul direct a unuia sau a mai muli electroni de la substrat la anod, sau substratul poate fi oxidat indirect de ctre intermediari formai n urma oxidrii apei. n urma tratamentului electrochimic, la catod se degaj i hidrogen n cantiti mici (aprox. 0,4 l de hidrogen n condiii normale este produs de un amper*or-Ah), care nu creaz probleme n majoritatea cazurilor, iar n cazul biofiltrrii faciliteaz procesele. Att n urma ozonizrii, ct i a tratrii electrochimice se obin urmtoarele efecte: oxidarea substanelor dizolvate n ap, pre-dezinfecia apei, i reducerea concentraiei de substane organice [10]. Un avantaj suplimentar al tratrii electrochimice n raport cu procesul de ozonizare este dat de generarea apei cu un potenial redox (ORP) sczut sau chiar negativ, potenial care favorizeaz reaciile biochimice din biofiltru. Apa obinut n urma tratamentului electrochimic are o tensiune superficiala mai sczut, rezultnd o cdere de presiune hidraulic pe biofiltru mai mic, ceea ce duce la o scdere a consumului energetic necesar funcionrii modulului de potabilizare, iar produii de reacie rezultai sunt dispersai n ap ataai unor structuri nanometrice, fiind astfel utilizai mai eficient de