ţii privind epurarea apelor uzate prin utilizarea ... · pdf filevidanjabil, iar costurile...

Simpozionul Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu 1

0 3 . 0 9 - 0 7 . 0 9 . 2 0 0 7 ; A c q u i s t e m ; A g i g e a S t a ţ i a I C P E .

Consideraţii privind epurarea apelor uzate prin utilizarea biofiltrelor imersate, cu suprafaţă specifică mare, în câmp de ultrasunete

MIRCEA CRĂCIUN, DUMITRU VÂJU∗

Keywords: epurare, biofiltre, ultrasunete, tratare electrochimică

1. Introducere

Apele uzate industriale au, de regulă, nivele înalte de încărcare cu poluant şi caracteristici diferite de cele menajere. De aceea, ele trebuie supuse unui proces de epurare specifică care să asigure o purificare suficientă a apei până la nivelul la care să poată fi evacuată în emisar (râu).

Tehnologia de epurare biologică cu nămol activ, utilizată în staţiile comunale şi orăşeneşti necesită instalaţii simple şi relativ compacte, dar acestea pot funcţiona eficient doar în sistem continuu, fără oscilaţii de debit şi încărcare a apei. De asemenea, gospodărirea nămolului rezultat este costisitoare, cantitatea de nămol fiind ridicată. Un dezavantaj major al acestor staţii este că se dezamorsează uşor în situaţii de avarie.

Agenţii economici care produc ape reziduale sunt interesaţi să achiziţioneze staţii de epurare robuste, ieftine, eficiente, compacte, containerizate, automatizate, care să nu producă miros dezagreabil, din care să rezulte cât mai puţin nămol vidanjabil, iar costurile pentru epurarea apei să fie cât mai reduse.

Compactizarea unei staţii de epurare presupune ca timpul de staţionare a apei să fie redus, bazinele având volume mici. Prin utilizarea biofiltrelor în treptele de epurare biologică procesul devine mai stabil, creşte eficienţa epurării, se reduce foarte mult cantitatea de nămol biologic în exces (de 6÷10 ori), epurarea apei fiind eficientă chiar şi la oscilaţii de debit şi încărcare. Alegerea şi utilizarea corectă a filtrelor biologice în tehnologiile de epurare biologică a apelor uzate industriale pot duce la o reducere cu peste 50 % a volumului staţiei, la îndepărtarea mirosului, la reducerea cantităţii de nămol şi la reducerea consumabilelor (chimice şi biologice).

Filtrele biologice care se autocurăţă, utilizate în mod tradiţional (pietre de râu, fascii), au suprafeţele active specifice reduse, de 75÷100 m2/m3. Filtrele moderne, alcătuite din plăci gofrate din material sau fibre plastice, au suprafeţe specifice de 100÷150 m2/m3, iar filtrele cu suport mobil pot ajunge la 500÷750 şi chiar 1000 m2

/m3. Ele pot fi utilizate cu succes atât la epurarea anoxică şi anaerobă, cât

şi la epurarea aerobă, în primele trepte de epurare biologică, atunci când apa este

∗ Mircea Crăciun, Dumitru Vâju - S.C. I.C.P.E. Bistriţa S.A.

2 Simpozionul Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu


foarte încărcată cu poluant. În acest caz, ele trebuie curăţate periodic de biofilmul format în exces.

2. Prezentarea procedeului de epurare a apelor reziduale folosind biofiltre în câmp de ultrasunete

Metoda de epurare biologică cu biofiltru şi câmp de ultrasunete prezentată se compune din două faze:

- prima fază este de stimulare a dezvoltării populaţiei de microorganisme din treapta biologică cu ajutorul câmpului de ultrasunete şi este faza normală a procesului. După un anumit timp de funcţionare a treptei biologice, datorită dezvoltării accelerate a microorganismelor, acestea aderă la biofiltru pe care îl obturează, împiedicând trecerea apei prin acesta;

- faza a doua este de curăţare parţială a biofiltrului de nămolul şi pelicula biologică depusă pentru ca procesul de tratare biologică a apei să fie reluat.

Procedeul de epurare propus constă dintr-un compartiment de tratare a apei – bazin compartimentat (1), v. Fig. 1, în care apa reziduală intră printr-un debitmetru de măsură (2) şi ajunge într-o zonă de germinaţie (3) în care apa este amestecată cu cea provenită de la ieşirea din treapta de epurare (apă bogată în microorganisme), în prezenţa oxigenului dizolvat, cu ajutorul unui sistem de dispersie cu membrană elastică (4), sistem alimentat cu aer sau oxigen de către o suflantă (5), în prezenţa unui câmp de ultrasunete generat de către un emiţător de ultrasunete (6), alimentat de un generator electronic (7) cu frecvenţă fixă şi intensitate variabilă. Pentru a favoriza cât mai intens dezvoltarea microorganismelor în zona de germinaţie, intensitatea câmpului de ultrasunete se stabileşte proporţional cu debitul apei supuse tratării, în condiţiile în care debitul apei recirculate este superior debitului de intrare, pentru a avea în zona de germinaţie o concentraţie mare a microorganismelor. În vederea atingerii acestui scop, debitul majoritar al apei rezultate din zona de tratare aerobă este preluat de către o pompă (8) cu debit reglabil, cu ajutorul unui invertor electronic (9), debitul de reacţie fiind măsurat de către un debitmetru (10), după care apa ajunge în zona de germinaţie. În compartiment există un suport biofiltrant (11) imersat, pentru dezvoltarea accelerată şi fixarea parţială a microorganismelor. Aceste module se montează în fluxul staţiilor de epurare a apelor reziduale în scopul îndepărtării avansate a substanţelor biodegradabile (Fig. 1). Pentru a explicita mai bine metoda de tratare biologică descrisă vom face următoarele presupuneri:

- temperatur apei este constantă în toate zonele bazinului şi apropiată de 20 oC;

- concentraţia oxigenului dizolvat în apă se menţine constanta în bazin cu ajutorul sistemului de dispersie a acestuia şi se situează în gama 1,5 ÷ 3 mg/litru;



- concentraţia substanţei biodegradabile (hrana pentru microorganisme) este în exes şi distribuită în toate zonele bazinului şi este de acelasi tip.

În aceste condiţii, putem scrie legea generală de creştere a unui tip de populaţie biologică care participă la procesul de epurare a apei:

)exp()( 0 ktNtN ii =

unde – 0iN este densitatea populaţiei biologice i la intrarea în treapta de tratare;

)(tN - densitatea populaţiei biologice în zonele bazinului în funcţie de timpul de

parcurgere a bazinului k - viteza de creştere a acestora. Notam cu Q debitul de apa ce trebuie procesată şi cu V volumul treptei

biologice. În aceste condiţii notam cu T timpul de parcurgere a apei prin aceasta. Numărul de microorganisme rezultate după primul ciclu de tratare este:

)exp(01 kTNN ii =

Dacă se introduce debitul de recirculare, notat cu rQ , atunci timpul de

parcurgere a apei prin bazinul biologic este rT :

rQQV

rT+

=

Dezvoltarea populaţiei de microorganisme se va face după relaţia următoare:

∑ +

+=

n

rQQ

kTQQ

jini kTNNr

rr )]exp()([)exp(

,,

Prin recircularea apei se asigura o valoare mai mare a 0iN şi implicit se va

ajunge la o valoare mai mare pentru )(tN , localizarea acestora în zona de inceput

a bazinului se face cu ajutorul biofiltrului, iar câmpul de ultrasunete acţionează asupra măririi vitezei de dezvoltare a peliculei biologice. Având în bazin o densitate cât mai mare de microorganisme, în condiţiile presupuse, acestea vor consuma o cantitate proporţională cu numărul lor şi timpul de parcurgere a bazinului de substanţa biodegradabilă.

O altă cale de stimulare a dezvoltării accelerate a microorganismelor, este introducerea unui câmp de ultrasunete de intensitate mică (până la 1 W/cm2). La aceste intensităţi viteza de dezvoltare a microorganismelor se aproximează cu relaţia: ( )rIkk 0= unde ( )rI este intensitatea câmpului de ultrasunete în regiunea

( )r− .

Dezvoltarea iniţială a microorganismelor care îndepărtează poluanţii biodegradabili din apă se face într-un timp îndelungat, iar menţinerea unei concentraţii a acestor microorganisme în apă peste nivelul minim de dezvoltare este dificil de controlat. De asemenea, suportul biofiltrelor trebuie să prezinte spaţii mari de circulaţie a apei (25 ÷ 50 mm) pentru autocurăţare, ceea ce face ca suprafaţa specifică activă să fie mică, de maximum 150 m2/m3.



Procedeul descris mai sus se poate aplica în bazinele biologice cu nămol activ existente pentru îmbunătăţirea parametrilor acestora. Pentru a favoriza cât mai mult dezvoltarea microorganismelor în zona de germinaţie, intensitatea câmpului de ultrasunete se stabileşte proporţional cu debitul apei supuse tratării, cu ajutorul unui generator electronic care alimentează un emiţător de ultrasunete imersat în apă, cu frecvenţă fixă şi intensitate variabilă. Emiţătorul este compus din nişte ceramici piezoelectrice fixate într-o cuvă din oţel inoxidabil şi acoperite cu o membrană elastică tot din oţel inoxidabil, cu rolul de transfer de la emiţătorii ceramici către apă al oscilaţiilor ultrasonice. Factorul de proporţionalitate între debitul apei la intrare în modulul de tratare şi intensitatea câmpului de ultrasunete prezent în zona de germinaţie se menţine constant, pentru a asigura o viteză de creştere constantă a microorganismelor.

Fig. 1. Configuraţia treptei biologice de epurare a apelor.

Menţinerea unei concentraţii mărite a microorganismelor în zona de germinaţie se face şi prin montarea în acea zonă a unui suport biofiltrant din material plastic pe care să se fixeze culturile de microorganisme, care se dezvoltă în prezenţa oxigenului dizolvat, a câmpului de ultrasunete şi a materiilor organice biodegradabile.

După un anumit timp de funcţionare a treptei de epurare, în zona de germinaţie concentraţia microorganismelor ajunge la saturaţie şi acestea se depun în exces pe materialul biofiltrant, împiedicând trecerea apei în celelalte zone ale bazinului



de tratare. Astfel, nivelul apei în această zonă creşte; nivelul apei este măsurat de un senzor care trimite un semnal de comandă către generatorul de ultrasunete, pentru mărirea intensităţii câmpului de ultrasunete până la limita de desprindere şi dispersie a microorganismelor de pe biofiltru, care trec prin acesta odată cu apa. În momentul în care materialul biofiltrant a fost curăţat de aglomerările de microorganisme prin intermediul câmpului de ultrasunete de intensitate mare, nivelul apei în zona de germinaţie scade la valoarea normală, iar generatorul de ultrasunete va schimba intensitatea câmpului la valoarea de stimulare a dezvoltării microorganismelor. În general, ultrasunetele sunt dăunătoare creşterii celulelor, însă acestea pot creşte la o intensitate joasă a ultrasunetelor. O intensitatea mare este folosită, de obicei, pentru a desprinde celulele de pe suprafeţe, însă chiar şi în acest caz nu toate bacteriile se desprind. S-a experimentat la Proteus mirabilis o expunere la 100 kHz la o intensitate în jur de 40 W/cm2. În acest caz s-a constatat o desprindere în proporţie de 87,5% pe 50 cm (lungimea unui tub).

Procedeul de epurare a apelor reziduale descris prezintă următoarele avantaje: 1) obţinerea unei ape epurate cu parametrii superiori faţă de soluţiile actuale; 2) controlul simplu al procesului de epurare; 3) consum energetic specific mai mic faţă de soluţiile actuale, pentru obţinerea aceloraşi valori ale parametrilor apei epurate; 4) deoarece se pot utiliza filtre cu suprafaţă specifică mare (350 ÷ 1000 m2/m3), care se curăţă automat în momentul colmatării, această instalaţie prezintă un grad de compactare de 2,5÷10 ori mai mare decât cele similare neprevăzute cu ultrasunete; 5) epurează eficient şi ape uzate industriale cu încărcare organică mare (CBO5 până la 5000 mg/l).

3. Instalaţie experimentală de epurare a apelor uzate cu biofiltre imersate în câmp de ultrasunete

3.1. Componenţa instalaţiei

Instalaţia este concepută ca o microstaţie de epurare a apei şi are următoarele trepte:

- treapta de tratare fizico-chimică compusă din tratare chimică cu substanţe coagulante şi corecţie de pH, tratare electrochimică pentru accelerarea proceselor de decantare şi conversia substanţelor organice în substanţe biodegradabile şi decantare;

- treapta de tratare biologică cu biofiltre imersate în câmp de ultrasunete; - treapta de dezinfecţie a apei cu ozon pentru a putea fi deversată. Instalaţia are următoarele componente (Fig. 2): 1. rezervoare de apă cu volumul

util de 100 litri şi pereţi transparenţi din material plastic, pe schelet metalic; baza se face la 45o pentru evacuarea nămolului rezultat, în rezervorul al treilea se montează biofiltrul; 2. P-1 pompă de apă monofazică cu puterea de 500 W şi supapă de sens; 3. debitmetru de apă -1; 4. ejector de aer ½; 5. cameră de reacţie



cu electroplasmă; 6. compresor de aer cu membrană P = 90 W. D:20÷50 l/min.; 7. debitmetru de aer; 8. P-2 pompă de apă cu puterea de 450 W şi supapă de sens; 9. debitmetru de apă -2; 10. R-1 rezervor gradat pentru soluţie de coagulare, volum util 2 litri; 11. R-2 rezervor gradat pentru soluţie de floculare, volum util 2 litri; 12. EP- sursă de alimentare pentru camera de reacţie cu electroplasmă.- 25 KHz, impulsuri de curent cu amplitudine reglabilă; 13. generator de ultrasunete; 14. sistem de injecţie a aerului în biofiltru; 15. generator ozon; 16. injector ozon; 17. biofiltre.

Fig. 2. Schema tehnologică a instalaţiei.

În cutia de comandă, se montează sursa de alimentare în impulsuri, generatorul de ultrasunete şi releul inteligent. Apa de tratat se introduce în rezervorul 1. Este preluată de pompa 2 şi trimisă în rezervorul de tratare chimică prin camera de reacţie cu electroplasmă. După tratarea cu reactivi (coagulanţi şi floculanţi), apa este preluată de pompa 2 şi trimisă în coloana cu biofiltre sau direct în coloana de tratare cu ozon. Biofiltrele sunt aerate de către difuzorul cu bule fine alimentat cu aer comprimat de la compresor. Dezinfecţia se realizează cu ajutorul generatorului de ozon şi al injectorului de ozon. Există posibilitatea recirculării apei prin coloana cu biofiltre şi a dozării unei cantităţi de ozon înainte de camera de reacţie cu electroplasmă, pentru creşterea eficienţei de tratare electrochimică.

Cantitatea de apă tratată este urmărită cu ajutorul debitmetrelor. În Fig. 3 este redată realizarea fizică a microstaţiei de epurare.



Fig. 3. Instalaţie experimentală de epurare ape uzate.

3.2. Schema emiţătorului de ultrasunete utilizat în treapta biologică a standului

Fig. 4. Schema de principiu a emiţătorului de ultrasunete.

Ultrasunetele sunt vibraţii sonore a căror frecvenţã este mai mare de 20000 Hz. Importanţa lor practică este legatã de lungimea de undă mică a acestora. Ele pot fi emise şi se propagă precum razele de lumină, sub formă de fascicule, spre



deosebire de sunetele obişnuite care se împrăştie în toate direcţiile. În cadrul microstaţiei de epurare ele au fost utilizate pentru stimularea dezvoltării peliculei biologice şi pentru desprinderea acesteia de pe biofiltru. Trecerea de la un regim la celălalt se face prin schimbarea puterii de emisie a câmpului de ultrasunete. Curăţarea automată a filtrelor se poate realiza sub influenţa câmpului de ultrasunete cu un echipament având consum redus de energie.

4. Rezultate experimentale

Experimentările redate în această lucrare se referă la variaţia vitezei de dezvoltare a microorganismelor din treapta de epurare aerobă în prezenţa câmpului de ultrasunete. Pentru aceasta, în compartimentul biologic al standului (microstaţia de epurare descrisă anterior) s-au făcut însămânţări cu trei tipuri de culturi:

• 1-Staphylococcus epidermidi. • 2- Pseudomonas aeruginosa. • 3- Escherichia coli.

Fig. 5. Dezvoltarea populaţiei biologice în funcţie de intensitatea câmpului de ultrasunete.

Aceste însămânţări s-au facut în apa în care cantitatea de substanţă organică biodegradabilă (CBO5) a fost iniţial de 350 mg/l şi concentraţia de oxigen dizolvat în apă s-a menţinut constantă la valoarea de 2 mg/l în toate seturile de experimenţe şi de asemenea temperatura apei s-a menţinut la 22 oC.Timpul cât a durat un experiment (aerarea unei apei însămânţate) a fost de 4 ore, după care s-au prelevat probe pentru numărarea populaţiei biologice existente. Prezenţa bacteriilor şi a exopolizaharidelor în biofilmul din apă a fost măsurată prin proceduri



de colorare prin filtrarea unei cantităţi de 100 ml prin suporturile destinate acestui scop. În timpul experimentelor s-a urmărit dezvoltarea microorganismelor la diferite intensităţi ale câmpului ultrasonic. Frecvenţa acestuia a fost de 1640 kHz, cât este frecvenţa de rezonanţă a ceramicilor piezoelectrice din componenţa emiţătorului. Rezultatele după 4 ore de expunere a probelor sunt detaliate în Fig. 5. Axa ox indică variaţiile intensităţii ultrasunetelor la care au fost supuse baghetele, iar axa oy indică cantitatea de microorganisme.

5. Concluzii

Biofiltrele pot fi utilizate cu succes atât la epurarea anoxică şi anaerobă, cât şi la epurarea aerobă, în primele trepte de epurare biologică, atunci când apa este foarte încărcată cu poluant. În acest caz, ele trebuie curăţate periodic de biofilmul format în exces. Dacă filtrul este alcătuit din material plastic, curăţarea automată se poate face prin utilizarea ultrasunetelor. Acest procedeu se poate utiliza şi la depunerea accelerată a biofilmului, pentru amorsarea rapidă a filtrului biologic (de 4÷6 ori mai repede decât în mod normal, adică 5 zile faţă de 28÷30 de zile, cât e necesar pentru amorsarea cu nămol activ).

Bibliografie

[1] Dan Robescu, S. Lanyi, Diana Robescu, I. Constantinescu – Tehnologii, instalaţii şi echipamente pentru epurarea apei, Ed. Tehnică, Bucureşti 2000.

[2] V. Vasilescu, Nagy I. Iosif – Ultrasunetele în medicină şi biologie – Ed. Medicală, Bucureşti 1984. [3] Ioan Anton – Cavitatia – Ed. Academiei, Bucureşti 1984. [4] Prakash B. Veeregowda, B. M., Krishnappa, G., Bio-films: a survival strategy of bacteria, Current

Science, Vol. 85, number 9, 10 Nov 03, 1299÷1307. [5] Dunning, R.D., Losordo, T.M., and Hobbs, A.O., The Economics of recirculating tank systems: A

spreadsheet for individual analysis. Southern Regional Aquaculture Center, Publication No. 456 (1998).

[6] Losordo, T.M., Masser, M.P., and Rakocy, J. Recirculating aquaculture tank production systems, an overview of critical considerations. Southern Regional Aquaculture Center, Publication No. 451 (1998).

[7] Pitt, W. G., Aaron Ross, S. - Ultrasound increases the rate of bacterial cell growth, Biotechnol. Prog., 19 (3): 1038÷1044, 2003.

ţii privind epurarea apelor uzate prin utilizarea ... · pdf filevidanjabil, iar costurile...

Documents