Cercetari Experimentale Privind Producerea de Biogaz din Ape Uzate Urbane Colectate de pe Raza Localitatii Oradea

Diverse

Cercetari Experimentale Privind Producerea de Biogaz din Ape Uzate Urbane Colectate de pe Raza Localitatii Oradea

Byadmin ianuarie 1, 2024

CUPRINS

REZUMAT

La nivel internațional,dar și național, se promovează tehnologii noi de epurare ale apelor uzate, în acord cu conceptele unei dezvoltări durabile.Aceste lucruri pot fi realizate prin configurarea unor oportunități tehnologice care să aibă avantajul reducerii emisiilor de gaze generatoare de schimbări climatice (prin reducerea amprentei de carbon)și reducerea poluării apelor (Amale Mcheik & colab., 2013).Această lucrare introduce, practic, noi alternativeîn tehnologiile de epurare ale apelor uzate cu rolul îmbunătățiriitehnologiilor convenționale de epurare ale apelor uzate menajere.

Adoptarea unei tehnologii combinate anaerob – aerobe în sistemele de epurare ale apelor uzate menajere separând cele două faze: acidogenă și metanogenă, asigură un mai bun control al procesuluiși s-ar contura ca un important vector energetic, care pe lângă posibilitatea producerii de energie verde, asigură reducerea principalilor poluanți din apă, diminuarea cantităților de nămol generat, dar și micșorarea investițiilor necesare. În stațiile de epurare, problema eliminării nămolului de epurare este deosebit de importantă, iar implementarea unei tehnologii combinate ar permite reducerea cantității acestuia șia costurilor generate prin prelucrarea lor.

Conform rezultatelor obținute,apele uzate menajere ar putea costitui un substrat valoros pentru producerea de biogaz. Producția de biogaz a fost caracterizată printr-o rată ridicată de producție în funcție de condițiile de operare, dar și de condițiile de mediu.

Mai mult decât atât, biometanizarea stabilizează efluentul prin eliminarea multor efecte nocive asupra mediului (germeni patogeni, mirosuri, gaze cu efect de seră) ceea ce constituie un avantaj incontestabil.

Cuvinte cheie: digestie anaerobă, stație de epurare a apelor uzate, consum biochimic de oxigen, efluent, epurarea apelor uzate, ape uzate urbane

Lista acronime

H.G. 352/2005

INS- Institutul Național de statistică

NTPA 0012005

N2O

CCOCr

CBO5

SUA.

LISTA TABELE

LISTA GRAFICE

INTRODUCERE

Într-o lume consumatoare de resurse regenerabile, cu o gestionare ineficientă a factorilor de mediu, cu cantități semnificative de gaze cu efect de seră descărcate în atmosferă, mai repede decât pot fi absorbite de natură, atenția oamenilor de știință este îndreptată înspre asigurarea progresului economic asociat cu o susținere durabilă a mediului.

Progresul economic trebuie să fie susținut, prin măsuri sustenabile și în ceea ce privește protecția mediului, prin promovarea surselor regenerabile de energie: eoliană, solară, geotermală, hidroenergie și biocombustibili, asigurarea protecției resurselor de apă, reducerea gazelor cu efect de seră etc.

În vederea îndeplinirii obiectivelor de dezvoltare a mileniului, raportat la apă, a fost impetuos necesară stabilirea unui management eficient și integrat al apelor uzate și al resurselor de apă. Disponibilitatea limitată a apei, necesitatea conservării acesteia, stau la baza strategiilor management în contextul dezvoltării durabile în ceea ce privește protecția apei (Hotărâre nr. 352 din 21 aprilie 2005 privind modificarea și completarea Hotărârii Guvernului nr. 188/2002 pentru aprobarea unor norme privind condițiile de descărcare în mediul acvatic a apelor uzate).

Apa uzată menajeră constituie o problemă pentru societate și mediu, dar gestionată eficient poate constitui o resursă. Epurarea apelor reziduale constituie una din metodele cele mai eficiente de apărare ale elementelor mediului acvatic contra poluării. În urma acestor procese se urmărește obținerea unui efluent a cărui calitate respectă normele legislative naționale (NTPA 001/2005), dar și nămoluri, care pot fi prelucrate, depozitate, descompuse sau valorificate (Bucur A., 1999), (Callender I.J.,.& Barford J.P., 1983).

Rezultatele obținute în urma trecerii apelor uzate prin toate ciclurile de tratament poate fi întotdeauna îmbunătățit, iar această îmbunătățire ar trebui să fie orientată către sustenabilitate.

Principalele criterii de luat în considerare la alegerea metodologiei și tehnologiei de epurare a apelor reziduale sunt:

trebuie să fie ieftine atât în ceea ce privește valoarea exploatării cât și a investiției;

să fie cât mai simple în exploatare și funcționare;

să fie aplicabile atât la scară mică cât și mare;

amplasarea lor să nu deranjeze populația din jur;

eficiență mare în ceea ce privește controlul mediului înconjurător;

maximă recuperare și refolosire a substanței poluante;

să conducă la împiedicarea producerii de deșeuri sau cel puțin la o intensă reducere;

nu trebuie să necesite diluarea poluanților cu apă curată.

Coroborând diferitele metode de epurare a apelor reziduale cu criteriile expuse anterior pot fi prezentate unele criterii specifice:

A. Sistemul este necesar să asigure o eficiență suficientă pentru reducerea diferitelor categorii de reactanți cum ar fi: substanțe organice biodegradabile, suspensii, compuși cu azot (organici și anorganici), germeni patogeni, fosfor;

B. Metoda să permită o cât mai mare stabilitate în funcționare chiar și în condiții de întrerupere a energiei, a șocurilor calitative și cantitative etc;

C. Sistemul trebuie să aibă o mare flexibilitate putând fi extins ca debit necesar a fi preluat, dar și ca posibilități de mărire a eficienței de epurare;

D. Suprafața de teren ocupată să fie cât mai mică (mai ales în lipsa unui teren disponibil);

E. Sistemul trebuie să fie cât mai puțin complex, ca mod de exploatare, întreținere și control, la un astfel de nivel, încât buna sa performanță să nu depindă de prezența continuă a unui număr mare de personal calificat;

F. Numărul de trepte a sistemului de epurare să fie cât mai mic;

G. Durata de viață a sistemului trebuie să fie cât mai lungă (Pantea E.V, 2010).

1.1. Stadiul actual al cercetărilor

Tendințele distructive ale mediului sunt generate și întreținute de om, iar măsurile luate pentru a susține economia mondială pe o traiectorie sustenabilă ecologic trebuie acceptate de fiecare țară.

Preocupări în direcția gestionării apelor au existat din vechi timpuri istorice, astfel în Imperiul Mesopotamian (3500-2500 Î.Hr), unele case erau deja conectate la sistemul de drenare al apei de ploaie.

În ceea ce privește conceptul de reciclare și managementul resurselor de apă, țările nordice și Europa de Vest, au cea mai lungă tradiție în acest domeniu, iar tehnologiile de epurare a apelor reziduale sunt permanent îmbunătățite. În scopul protecției calității apelor și țările din sud depun eforturi înspre îmbunătățirea proceselor de epurare a apelor reziduale. În ultimii ani au fost marcate schimbări în tehnologia de epurare folosită, aceasta depinzând de caracteristicile apelor uzate supuse prelucrării.În Statele Unite ale Americii aproape 79% din apele menajere sunt colectate și epurate centralizat.

La ora actuală, țara noastră se află în plin proces de construcție și modernizare a sistemelor de canalizare și epurare a apelor uzate conform cerințelor H.G. 352/2005 privind modificarea și completarea H.G. 188/2002 pentru aprobarea unor norme privind condițiile de descărcare în mediul acvatic a apelor uzate, care transpune integral Directiva 91/271/CEE privind epurarea apelor uzate orășenești.

Caracteristicile apelor reziduale variază în funcție de proveniență: menajere sau industriale. Apele reziduale menajere conțin, după Imhoff, cca 42% substanțe minerale și 58% substanțe organice. Procesele de epurare pot fi de natură fizică, chimică, biologică sau combinate.

Gradele de epurare impuse de normele de protecție a mediului se pot obține doar dacă aceste metode sunt combinate (Giurconiu M., & colab., 2002).

Metodele de epurare ale apelor uzate, întâlnite în aceste procese tehnologice sunt:

epurarea mecanică – metode fizice;

epurarea chimică – metode fizico-chimice;

epurarea biologică – metode fizice, dar și biochimice (Ionescu G .L., & colab., 2013), (Cheremisinoff N. P., 2002)

Procesele chimice intervin în cazul dezinfectării apelor reziduale în compoziția cărora predomină bacterii patogene sau la eliminarea substanțelor în suspensie, coloidale și dizolvate, cu ajutorul substanțelor chimice.

Pentru eliminarea din apele reziduale a substanțelor organice în stare de soluție, acționează procesele chimice în paralel cu cele biologice, constituind așa numitele procese de natură biochimică.

Orientările cercetătorilor înspre biotehnologie, a permis posibilitatea obținerii unei noi surse de energie neconvențională. Ca urmare a cercetărilor efectuate în direcția obținerii și folosirii surselor de energie neconvențională, biotehnologia s-a dezvoltat în mod deosebit. Ca parte integrantă a biotehnologiei, epurarea biologică beneficiază de unele modele matematice elaborate pentru a înțelege mai clar fenomenele care au loc în procesele în care intervin microorganismele în scopul optimizării exploatării.

Procesele biologice care intervin la epurarea apelor reziduale sunt procese aerobe, condiționate fiind de existența microorganismelor aerobe a căror activitate de oxidare și mineralizare a substanțelor organice depinde de realizarea unui mediu aerob definit de existența oxigenului furnizat de atmosferă sau de apă.

Cele mai importante produse ale oxidării substanțelor organice sunt bioxidul de carbon (CO2), oxizi de azot și oxizi de sulf, iar CO2 se degajă parțial în atmosferă (Dima M., & colab., 2002).

Pentru epurarea apelor uzate se urmărește parcurgerea unor etape pe trei linii:

Linia apei, în care are loc reținerea substanțelor poluante din apele uzate;

Linia nămolului, în care are loc prelucrarea substanțelor reținute din ape uzate, sub formă de nămoluri.

Linia biogazului, unde sunt prevăzute principalele etape în prelucrarea biogazului obținut ca urmare a procesului de fermentare a nămolurilor (Dima M., 1998).

1.2. Necesitatea și oportunitatea studiului

Caracteristicile apelor uzate urbane și, în mod special încărcarea organică a apelor uzate menajere, ar putea costitui factori suficienți în adoptarea unor tehnologii integrative de bioconversie anaerobă, urmată de un proces biologic aerob, care ar putea genera alături de un efluent a căror caracteristici protejează resursele de apă, un nămol cu bune proprietăți de fertilizant, dar și o nouă sursă energie „verde”, biogazul (Pantea E.V., 2010).

În acord cu viziunea actuală, națională și internațională, privind asigurarea resurselor de apă și energie, dar și diminuarea efectului încălzirii globale, alegerea unei tehnologii de epurare a apelor uzate care să poată satisface aceste trei direcții constituie o soluție promițătoare atât din punct de vedere social, economic dar și al mediului (Constantinescu G., 1979).

În anul 2006, emisiile de metan din apele uzate menajere au fost estimate la 16 milioane tone metrice de doxid de carbon echivalent de la stațiile de epurare. Sistemele de epurare ale apei uzate reprezintă 4% din totalul emisiilor de metan și N2O generat antropogen, în SUA.

De asemenea, avantajele adoptării unei astfel de tehnologii, care să permită obținerea și a unei noi surse de energie neconvențională, asigură securitate energetică, cu energie competitivă și „curată”, cu escaladarea problemelor globale de energie de viitorul nesigur al accesului la resursele energetice.

Prin introducerea în fluxul de epurare al apelor uzate menajere a unor procese anaerob – aerobe, se ajută la respectarea recomandărilor planului climatic „20-20-20" – adoptat și de țara noastră – care are ca țintă reducerea cu 20% (până în anul 2020), a emisiilor de gaze cu efect de seră, diminuarea consumului de energie primară cu 20% și atingerea unei ponderi de 20% a energiei regenerabile în totalul consumului (Directiva 2009/28/EC, art.4(3) privind promovarea energiei regenerabile).

Biogazul obținut ar putea fi folosit pentru obținerea energiei electrice sau termice necesare stației de epurare, asigurând acestora independența energetică.

1.3. Scopul și obiectivele cercetării

Criza energetică declanșată în lume poate determina ca și apele reziduale provenite de pe vatra centrelor populate (cu temperaturi cuprinse între 25 – 35oC) să poată fi valorificate energetic prin introducerea în linia tehnologică, între treapta de epurare mecanică și treapta biologică, a unor digestoare cu fermentare anaerobă. Apele prelucrate astfel vor fi trecute printr-o treaptă biologică avansată cu scopul de a se asigura parametrii de calitate ceruți prin normele tehnice NTPA 001/2005.

Tema abordată susține cu un nou concept in epurarea avansată a apelor uzate menajere și își propune identificarea de noi tehnici și tehnologii pentru obținerea unor performanțe semnificative în ceea ce privește calitatea efluenților, dar și a unor metode de valorificare a încărcării organice a acestora, ca sursă de energie regenerabilă.

Obiectivul specific este orientat înspre valorificarea potențialului biogen al apelor uzate colectate de pe raza municipiului Oradea, pe o instalație pilot de digestie anaerobă formată din două reactoare legate în serie și implementarea unor tehnologii de pretratare anaerobă, cu obținere de biogaz..

BIBLIOGRAFIE CAPITOLUL I

Bucur, A (1999). Elemente de chimia apei. Ed. H.G.A. București

Callender I.J., & Barford J.P., (1983). Recent advances in anaerobic technology. Proc. Biochem.

Cheremisinoff N.P., (2002). Handbook of water and wastewater treatment technologies. Pollution Engineering. ISBN: 0-7506-7498-9.

Constantinescu G., (1979). Contribuții la soluționarea sistemelor de epurare a apelor uzate cu cantități mari de substanțe organice, Teza de doctorat București.

Dima M., Meglei V., Dima B., Badea C., (2002). Bazele epurării biologice ale apelor uzate, ETP Tehnopress. Iași.

Dima M., (1998). Epurarea apelor uzate urbane, Editura Junimea. Iași.

Giurconiu M., Mirel I., Carabeț, A., Chivereanu S., Florescu O., & Stăniloiu C., (2002). Construcții și instalații hidroedilitare, Editura de Vest, Timișoara

Ionescu Gh.-C. (2011). Sisteme de epurare a apelor uzate, MatrixRom, București.

Ionescu G. L., Ionescu C. Gh, & Sâmbeteanu A., (2013). Tehnologii moderne pentru epurarea apelor uzate, MatrixRom, București.

Pantea E.V. (2010). Studiul proceselor de epurare a apelor reziduale provenite de la unitățile alimentare, Editura Politehnica, Timișoara.

2. Articole în reviste de specialitate:

Amale Mcheik, Mohamad Fakih, Zakia Olama, & Hanafi Holail (2013). Bioremediation of four food industrial effluents, American Journal of Agriculture and Forestry; 1(1): 12-21doi: 10.11648/j.ajaf.20130101.12

3. Surse on-line:

Akica Bahri (2009). Gospodărirea unui alt aspect al ciclului de apă:Transformarea apei uzate într-un bun cu valoare, Suedia 2009, ISSN: 1652-5396, ISBN: 978-91-85321-74-2, [on-line] Disponibil pe: www.gwp-romania.ro [Accesat la data de 21.07.2014]

Plan de implementare pentru Directiva 91/271/CEE privind epurarea apelor uzate orășenești modificată prin Directiva 98/15/CE. [on-line] Disponibil pe http://www.rowater.ro/Legislatia%20internationala/Directiva%20Cadru%20Apa/Plan_implementare_Directiva_ape_uzate%20orașenești.PDF [accesat la 10.07.2014].

Planul Național de Acțiune în Domeniul Energiei din Surse Regenerabile (PNAER), București, 2010 [on-line] Disponibil pe http://www.minind.ro/energie/PNAER_final.pdf [accesat la 10.07.2014].

Hotărâre nr. 352 din 21 aprilie 2005 privind modificarea și completarea Hotărârii Guvernului nr. 188/2002 pentru aprobarea unor norme privind condițiile de descărcare în mediul acvatic a apelor uzate. [on-line] Disponibil pe http://www.icpi.ro/DBs/sustainleather/admin/download/hg352.pdf [accesat la 10.07.2014].

CAPITOLUL II. EPURAREA APELOR UZATE

Orice tehnologie de epurare a apelor uzate este constituită dintr-o serie de operații succesive, continue sau ciclice, de natură mecanică, fizică, chimică sau mixtă, care se realizează în instalații și aparate corespunzătoare, comune pentru diverse variante de tehnologii.

Procesele de epurare reprezintă un ansamblu de sisteme de epurare primară, secundară, respectiv terțiară. De asemenea, sunt utilizate în acest scop și sisteme naturale de epurare. Nămolul generat în urma proceselor de epurare a apelor uzate este tratat prin metode diferite care au drept scop îmbunătățirea calităților acestuia, astfel încât să poată fi valorificat.

Alegerea proceselor adecvate în epurarea apelor depinde de următorii factori:

Care trebuie să fie calitatea efluentului sistemului de epurare al apei uzate?

Cantitatea și calitatea apei necesar a fi epurată?

Proprietățile fizice și chimice ale poluanților care este necesar a fi neutralizați sau eliminați din apă;

Proprietățile fizice, chimice si termodinamice ale deșeurilor solide generate în urma proceselor de epurare a apei;

Aspecte economice.

Un proces unitar de epurare a apelor trebuie să se bazeze pe următoarele aspecte:

studiul principiilor științifice de bază;

experimentarea la scară de laborator sau pilot, urmată de prelucrarea datelor experimentale pentru stabilirea de relații care să permită dimensionarea instalațiilor (stabilirea parametrilor optimi);

alegerea instalațiilor și utilajelor adecvate pentru realizarea în condiții optime a transformărilor dorite.

2.1. Cerințe minime de calitate pentru apele uzate

Limitele de concentrație al poluanților în apele reziduale trebuie să se conformeze cu legislațiile locale. Este un lucru evident că atunci când apele reziduale se deversează într-un sistem de canalizare urban, epurarea acesteia urmând să se facă de către stația municipală, cerințele sunt minime și se poate efectua doar o prelucrare mecanică.

În cazul în care se deversează apa reziduală într-un sistem acvatic deschis (mare, lac, curs de apă), controlul calității acesteia este monitorizat mult mai stringent, fiind necesară adoptarea și a unei tratări biologice alături de treapta mecanică.

Reducerea poluanților organici din apele reziduale este importantă deoarece trebuie evitată instaurarea condițiilor anaerobe în ecosistemul care primește apa reziduală. De asemenea, trebuie redusă cantitatea de nutrienți, precum fosforul sau azotul, deoarece aceste substanțe în exces duc la eutrofizarea acestora (înflorirea apelor), distrugând evident ecosistemele acvatice preexistente poluării.

În următorul tabel sunt prezentate limitele concentrațiilor diferiților parametri prezenți în apele reziduale (Ionescu Gh..C., 2011).

Tabelul 2.1. Compoziția apelor uzate

În țara noastră, apa uzată deversată în emisari trebuie să respecte limitele reglementate prin NTPA 001/2005, conform tabelului 2.2.

Tabelul 2.2. Limitele de evacuare a apelor uzate conform NTPA 001/2005

2.2. Tehnologii de epurare ale apelor uzate urbane

Având în vedere volumul mare de ape impurifícate cu substanțe chimice, precum și răspândirea agenților poluanți prin intermediul lor, combaterea și limitarea poluării se realizează prin epurarea acestora înainte de evacuare în emisar, urmărindu-se recuperarea produselor utile pe care ele conțin (Ionescu Gh.C., 2011).

În funcție de natura poluantului, se utilizează metode specifice de epurare a apelor, prin care se urmărește scăderea nivelului poluanților sub limitele legale, astfel încât să nu afecteze calitatea efluentului natural.

Pentru a epura apele uzate este necesar să existe un sistem de colectare a acestora, printr- un sistem de canalizare.

Metodele de epurare a apelor reziduale se clasifică în:

convenționale;

alternative (Petre M., & Teodorescu Al., 2009).

Metodele de epurare convenționale utilizează tehnologii artificiale bazate în exclusivitate pe echipamente mecanice; fiind energointensive sunt potrivite, în special, aglomerărilor umane cu densitate mare a populației (orientativ peste 100 locuitori/ha), la care lungimea specifică a rețelei publice de canalizare exprimată în km rețea/locuitor este mică, precum și pentru industrii mari generatoare de apă uzată, unde valoarea terenului este foarte mare.

Necesitatea epurării apelor uzate orășenești a fost inițial legată de îndepărtarea materiilor în suspensie (sedimentabile sau floculente) realizată prin ceea ce numim epurare primară sau mecanică, apoi de reducerea substanțelor organice în treapta biologică sau secundară (Negulescu M., & Secară E., 1976).

În figura următoare sunt prezentate principalele procese care intervin la prelucrarea apelor uzate:

Figura 2.1. Procese implicate în epurarea apelor uzate

Sursa: prelucrarea autorului după Metcalf & Eddy Inc., 1991

2.3. Preepurarea apelor uzate

Tratamentul preliminar asigură o calitate corespunzătoare apelor uzate pentru continuarea tratamentului prin reducerea sau eliminarea componenților, care altfel ar putea împiedica funcționarea și întreținerea proceselor și echipamentelor din aval.

Procesele de epurare preliminare constă în operațiuni unitare fizice, și anume de reținere prin intermediul grătarelor, deznisipare, flotație (îndepărtarea grăsimilor). Reținerea suspensiilor mai grele decât apa are loc în grătare, în site, în deznisipatoare, în decantoare, iar a celor cu greutate specifică mai mică decât apa, în separatoare de grăsimi.

Metodele mecanice permit reducerea concentrației substanțelor în suspensie cu 40-65%, iar a CBO5, cu 25-40%, fiind obligatorii pentru epurarea apelor uzate deversate în orice emisar.

2.4. Epurarea biologică a apelor uzate

Procesele biologice de epurare a apelor uzate (reziduale) sunt procese în timpul cărora materiile organice biodegradabile din apele uzate și din nămoluri sunt descompuse cu ajutorul microorganismelor, în principal bacterii.

Transformările prin care microorganismele degradează substanțele în produși de ultimă degradare sunt:

a) descompunere aerobă (în prezență de oxigen);

b) descompunere anaerobă (în lipsa oxigenului);

c) descompunere anoxică (în prezența ionului nitrat).

Epurarea apelor se poate realiza prin una sau printr-o succesiune a acestor etape de transformare. Cel mai des utilizată este cea aerobică realizată în prezența unui nămol activ, sau prin oxidare pe straturi cu bacterii.

Cel mai ușor se supun oxidării biochimice alcoolii, acizii organici, aldehidele, hidrații de carbon, esterii simpli, compușii cu azot; mai greu sunt oxidați alcanii, di- și trietilenglicolii, compușii aromatici, detergenții. Sorbind din apa reziduală substanțele ușor solubile, nămolul activ determină o creștere a biomasei.

Bilanțul total al purificării biochimice poate fi prezentat în felul următor:

Apa uzată (CCO + CBO) + nămol activ + O2→Apă epurată (COO' + CBO') + Biomasa + CO2 + Elemente biogene (N, P)

Eliminarea substanțelor organice dizolvate în apă se face prin adsorbția lor la suprafața celulelor bacteriilor. Astfel, din acest proces rezultă noi celule de bacterii și metaboliții: CO2, săruri minerale etc. Materialul celular format se prezintă sub formă de flocoane aglomerate sau pelicule relativ ușor decantabile (Pantea E., 2010).

Populația microorganismelor care realizează epurarea are o compoziție mixtă. Ponderea o dețin bacteriile aerobe și alături de ele se dezvoltă o serie de alte microorganisme de natură vegetală și animală, cu reprezentanți din clasele: ciuperci inferioare, alge albastre, protozoare, metazoare. Toate aceste microorganisme alcătuiesc o biocenoză specifică, a cărui echilibru este în strânsă corelație cu condițiile de exploatare a instalației de epurare.

2.5. Epurarea biologică anaerobă

Energia constituie unul dintre cei mai importanți indicatori ai prosperității. Modul de viață actual solicită un consum semnificativ de energie, astfel că, necesitatea explorării și exploatării de noi surse de energie care sunt regenerabile și “eco-friendly” este inevitabilă. Schimbările climatice globale, poluarea și degradarea mediului, implicit cu efecte asupra sănătății umane au fost generate de supradependența pe combustibili fosili.

În prezent, resursele de combustibili fosili au devenit din ce în ce mai limitate și mai scumpe, astfel că găsirea unor noi oportunități de generare a energiei, și în special, producerea de biogaz, constituie o nouă provocare.

Biodigestia anaerobă poate reprezenta o opțiune de tratament biologic, pentru apele reziduale, configurându-se ca un important vector energetic, capabilă să furnizeze energie termică și electrică cu îndepărtarea eficientă a materiei organice, producere de biofertilizanți și reducerea microorganismelor patogene (Pantea E.V., 2010).

Procesul de digestie anaerobă a fost un fenomen spontan, natural, care degradează materia organică cu producere de „gaz de baltă”, gaz natural. Acest proces datează din anul 1776, când A. Volta a observat producerea de metan ca rezultat al fermentării vegetalelor în condiții anaerobe (Baere, L.D., 2000; Negulescu, M., & colab., 1977)

Dalton, în 1804, stabilește compoziția chimică a metanului. Beauchamp stabilește în 1868 că microorganismele au un rol important în digestia anaerobă. În 1884, Pasteur investighează producerea biogazului din reziduuri animale, cu propunerea utilizării acestuia la iluminatul străzilor (Lettinga, G.,& colab., 1993).

Utilizarea digestiei anaerobe pentru tratamentul apelor reziduale și stabilizarea reziduurilor nu este un proces recent.

În localități din China și India au fost utilizate reactoare simple pentru tratarea reziduurilor domestice și utilizarea produșilor procesului ca sursă de energie termică sau electrică. În 1857, în Bombay, India, a fost construită prima instalație destinată producerii de biogaz.

Odată cu criza energetică a anilor 70, în Brazilia s-a pus accent pe utilizarea energiilor regenerabile luând în considerare, în acest sens, și tratamenul anaerob al reziduurilor. Astăzi există un număr mare de tehnologii de digestie anaerobă care utilizează diferite tipuri de substrat, remarcându-se un progres continuu în acest domeniu (Kherbouche, B. Benyoucef, 2013).

În prima jumătate a secolului XX se realizează în laborator și pe instalații pilot procesul de digestie anaerob cu obținere de biogaz. Biogazul este o resursă de energie disponibilă care reduce semnificativ emisiile de gaze cu efect de seră (Aremu M .O.& Agarry, S. E., 2013).

Fiind o sursă de energie regenerabilă, aceasta a fost adoptată ca una dintre cele mai bune alternative pentru înlocuirea combustibililor fosili. Biogazul este un gaz incolor, inflamabil care poate fi produs prin digestia anaerobă a reziduurilor de natură animală, umană, vegetală, dar și a apelor uzate menajere și industriale (Gashaw A., 2014)

2.5.1. Digestia anaerobă în România

În țara noastră, lucrări de cercetare pentru introducerea reactoarelor anaerobe au fost efectuate după 1970, de Gh. Constantinescu, care a studiat cea mai eficientă metoda utilizată în perioada respectivă, epurarea anaerobă de contact. În anul 1975 s-a realizat primul echipament tehnologic de biogaz ce valorifica dejecțiile animale de la un complex de creștere a porcilor. Din anul 1982 au fost introduse echipamentele tehnologice de producere a biogazului la stațiile de epurare ale apelor reziduale din orașele: Iași, Bacău, Timișoara, Oradea.

Digestia anaerobă este o tehnică prietenoasă cu mediul care produce biogaz și nămol, care poate fi utilizat cu succes ca fertilizator (Kafle, G.K. & S.H. Kim, 2003), (Dhanalakshmi Sridevi, V., & Ramanujam, R.A., 2012).

În digestia anaeerobă, factorii de mediu cum ar fi temperatura, concentrația subtratului, pH, concentrația ionilor metalici au o influență semnificativă în producția de biogaz.

O concentrație ridicată de acizi grași volatili inhibă producția de biogaz. Limita pH este între 6,8-7,2. Rata de conversie metanică a poate fi redusă foarte mult atunci când valoarea pH-ului este mai mică de 6,6. Un pH excesiv alcalin poate duce la dezintegrarea granulelor microbiene și eșecul ulterior al procesului de digestie.

Procesul este catalizat de un consorțiu de microorganisme (inocul) care permite conversia moleculelor complexe în molecule cu mase moleculare mic (metan, dioxid de carbon, apă, amoniu) (Fantozzi & Buratti, 2009).

2.5.1. Produșii finali ai digestiei anaerobe

Principalii produși ai digestiei anaerobe sunt: biogazul, efluentul stabilizat, un nămol cu proprietăți îmbunătățite.

A. Biogazul

Este un amestec gazos format în principal din metan, dioxid de carbon și, în proporție mică, gaze ca: H2S, H2, NH3 etc. Cantitatea și compoziția gazului de fermentare (biogaz) este dependentă de compoziția organică a materialului supus degradării și de funcționarea procesului.

În tabelele 2.3 și 2.4. sunt prezentate valorile medii ale compoziției biogazului în funcție de substratul utilizat. Potențialul caloric inferior al biogazului este aproximativ de 5250 kcal/m3, pentru un conținut de metan de 60% .

Tabelul 2.3. Compoziția biogazului în funcție de tipul de substrat utilizat

Sursa: Pantea E.V., 2010

La descompunerea anaerobă a hidraților de carbon se formează biogaz cu o compoziție de CH4/CO2 = 1/1. Acest raport poate avansa până la CH4/CO2 = 2/1, cu cât este mai mare partea unor proteine și grăsimi bogate în carbon.

Tabelul 2.4. Producția și compoziția gazului pentru diferite grupe de substanțe organice

Sursa: Pantea E.V., 2010

Din punct de vedere economic, cantitatea specifică și calitatea biogazului produs ca urmare a prelucrării anaerobe a apelor reziduale și a nămolului sunt parametrii importanți ai procesului.

Studii privind calculul cantității și compoziției biogazului au fost elaborate în jurul anilor 1930. Dacă compoziția apelor reziduale este cunoscută, cantitatea teoretică și compoziția biogazului poate fi calculată cu ecuația Buswell:

CcHhOoNnSs + ¼ (4c – h – 2o + 3n +2s) H2O → 1/8 (4c – h – 2o + 3n + 2s) CO2 + 1/8 (4c + h – 2o – 3n – 2s) CH4 + n NH3 + s H2S

Conform ecuației lui Buswell, pentru tratamentul anaerob al apelor reziduale cu poluanți carbohidrați, compoziția teoretică a biogazului este 50% CH4 și 50% CO2:

1 C6H12O6 → 3 CH4 + 3 CO2

Întrucât CO2 este mai solubil în apă, odată cu descreșterea temperaturii și creșterea pH-ului, CO2 reacționează cu formare bicarbonat/ carbonat și biogazul poate conține mai mult de 80% metan.

Cantitatea totală a gazului este mai scăzută cu cantitatea de CO2 care este absorbită și solubilizată în lichid. Apele reziduale cu un conținut de proteine și acizi grași pot genera mai mult de 50% metan.

Tabelul 2.5. Cantitatea, compoziția și conținutul energetic al biogazului

Sursa: Pantea E.V., 2010

B. Efluentul

Caracteristicile efluentului depind de tipul de sistem adoptat pentru epurarea apelor reziduale și de încărcarea organică a acestora. De-a lungul procesului anaerob o parte din materia organică se transformă în metan, dar o parte este mineralizată și se regăsește în efluent.

C. Nămolul

Digestia anaerobă furnizează un nămol în cantitate mai mică comparativ cu tratarea aerobă, cu bune calități pentru a fi utilizat ca fertilizant pentru agricultură. Acest nămol conține nutrienți (N, P, Mg etc).

2.5.2. Principiile tratamentului anaerob

Fermentarea metanică a reziduurilor organice solide și lichide este un proces anaerob prin care se realizează mineralizarea progresivă a substanțelor organice datorită proceselor biochimice de oxido-reducere și conduce la formarea de biogaz.

Figura. 2.2. Compoziția biogazului

(sursa: prelucrarea autorului dup ă(Pantea E., 2010))

Fermentarea biologică poate avea loc în mlaștini și în terenurile inundabile, în sedimentele apelor dulci și sărate, în nămolurile provenite de la epurarea apelor reziduale menajere orășenești și comunale, în gunoiul de grajd și în reziduurile organice de la depozitele de gunoi, în apele reziduale din industria alimentară (Kafle, G.K. & colab., 2013).

Același proces microbiologic este similar cu procesul care are loc în stomacul oamenilor sau în rumenul animalelor.

În cadrul proceselor de fermentare anaerobă substanțele macromoleculare din reziduurile organice, polizaharidele (celuloza, hemiceluloza etc), proteinele și lipidele, sub acțiunea enzimelor extracelulare (celulaze, hemicelulaze, proteaze etc) se descompun în molecule simple (glucoza sau alți produși zaharoși, aminoacizi, acizi grași volatili, apă și alți produși organici micromoleculari), după care, cu ajutorul bacteriilor, descompunerea continuă formându-se acizii organici reduși (acidul formic și acidul acetic), dioxid de carbon, hidrogen și apă.

Procesele care stau la baza fermentării anaerobe se clasifică în trei mari categorii:

hidroliza;

formarea acizilor și acetogeneza;

metanogeneza;

Microorganismele producătoare de biogaz din reziduuri organice sunt rezultatul metabiozei dintre următoarele trei tipuri de microorganisme:

microorganisme nemetanogene, însă lichefiante și acidogene;

microorganisme nemetanogene, dar acetogene;

microorganisme metanogene.

Dintre organismele implicate în procesele anaerobe sunt: Clostridium sp., Peptococcus anaerobus, Bifidobacterium sp., Desulphovibriosp., Corynebacterium sp., Lactobacillus, Actinomyces, Staphylococcus și Escherichia coli.

Hidroliza

Hidroliza este primul pas necesar pentru degradarea anaerobă a substratului organic complex. Tipurile de polimeri organici des întâlniți în apele reziduale sunt: carbohidrații, proteinele și lipidele. Materia organică polimerică nu poate fi utilizată ca atare de către microorganisme, de aceea trebuie hidrolizată la compuși cu molecule mai mici, capabili de a traversa membrana celulară.

În această etapă, microorganisme în asociere cu enzimele extracelulare (celulaze, hemicelulaze, proteaze etc.) descompun substanțele organice complexe în acizi organici, aminoacizi, hidrogen și dioxid de carbon. Gradul de hidroliză depinde de mai mulți factori printre care: pH, temperatura, concentrația biomasei, tipul de materie organică supusă tratamentului anaerob etc.

Formarea acizilor și acetogeneza

Produșii de hidroliză sunt convertiți în acizi organici de către bacteriile acidogene fermentative. Microorganismele acidogenice și producătoare de hidrogen descompun substanțele rezultate în etapa anterioară în hidrogen, acetat și dioxid de carbon, care constituie substratul pentru metanogeneză.

Această etapă mai poartă denumirea de etapa CBO-ului constant, deoarece se realizează o rearanjare chimică a structurii moleculelor organice și se desfășoară în două etape:

1. se formează acid acetic, alcooli, echivalenți reducători de hidrogen și se poate realiza doar când hidrogenul molecular rezultat se îndepărtează imediat după formare. Prezența hidrogenului în cantități mari determină formarea de acizi grași volatili (în special acid propionic, acid butiric și alcooli).

2. acetogeneza – etapa în care acizii (acetic, propionic, butiric), precum și alcoolii produși în prima etapă sunt convertiți în acetat, bicarbonat, hidrogen molecular și echivalenți reducători sub influența microorganismelor acetogene.

Populația stadiului nemetanogen este formată din bacterii anaerobe, facultative și obligat anaerobe. Bacteriile acetogene produc hidrogen, dioxid de carbon și acetat. Speciile de microorganisme întâlnite în degradarea acetogenică sunt: Syntrophomonas wolfei și Syntrophobacter wolini.

Procesele acetogenice necesită “ajutorul” organismelor metanogene și a altor organisme consumatoare de hidrogen, iar energia liberă a reacțiilor depinde de presiunea parțială a hidrogenului din mediu. Hidrogenul reprezintă un factor important ce poate controla procesul de degradare anaerobă.

Pentru a se putea asigura ruperea legăturilor carbohidraților și a altor compuși organici este necesară menținerea unui echilibru cât mai aproape de zero a hidrogenului, realizat cu ajutorul bacteriilor hidrogenotrofice. S-a constatat că, în general, presiunea parțială a hidrogenului mai joasă de 10-4 atm asigură o stabilitate a procesului.

Această presiune corespunde la o soluție 10-8 M pentru asigurarea producției continue a acidului acetic. Peste anumite concentrații, hidrogenul poate deveni inhibitor al procesului.

O specie importantă de microorganisme acetogenice, având ca exponenți principali Acetobacterium woodii și Clostridium aceticum consumă H2 și CO2 și produc acetat.

Unii produși ai degradării acetogene pot fi utilizați direct de bacteriile metanogene (acetat, hidrogen), altele necesită transformarea în produși mai simpli (aminoacizi, propionat etc.) (vezi tabel 2.6)

Tabelul 2.6. Reacții acetogenice

Sursa:

Segundo Sachs și al. (2003) descrie procesele astfel:

CH3CH2COOH + 2 H2O → CH3COOH + CO2 +3H2 (2.1)

CH3(CH2)2COOH + 2 H2O → CH3COOH + 2H2 (2.2)

CH3COOH → CH4 + CO2 (2.3)

4 H2 + CO2 → CH4 + 2 H2O (2.4)

Metanogeneza

În această etapă microorganismele metanogene descompun produșii etapei de acetogeneză cu obținere de metan și dioxid de carbon.

Bacteriile metanogene sunt responsabile de formarea metanului, toate microorganismele metanogene studiate posedând coenzime speciale, coenzima M, care participă în etapa finală la formarea metanului.

Dacă pentru dezvoltarea microorganismelor răspunzătoare de celelalte etape ale procesului anaerob sunt necesare condiții anaerobe, dar se pot dezvolta și în condiții facultativ aerobe, pentru populația responsabilă de metanogeneză, mediul trebuie să fie obligatoriu anaerob.

Capacitatea de dezvoltare și multiplicare a microorganismelor metanogene este optimă la temperaturi mai ridicate, în domenii de mezofilie și mai ales termofilie, deosebindu-se de bacteriile nemetanogene.

Viteza reacției globale a procesului de epurare este determinată de etapa în care se formează microorganismele metanogene, fiind procesul cel mai lent.

Lichefierea acidogenă și acetogeneza se dezvoltă într-o perioadă relativ scurtă (5 zile), dar metanogeneza, are o durată mai lungă, fiind și mai sensibilă la condițiile de mediu. De asemenea, viteza de creștere a microorganismelor metanogene este relativ lentă, în general de 5-6 ori mai mică decât a microorganismelor nemetanogene.

În microbiologia anaerobă metanogenică au fost stabilite două tipuri principale de organisme: hidrogenotrofice, care consumă hidrogenul și acidul formic și metilotrofice care consumă gruparea metil din acetat, metanol și unele amine.

Principalele reacții metanogene sunt redate în tabelul 2.7.

Tabelul 2.7. Principalele reacții metanogene

Majoritatea organismelor metanogene sunt capabile să utilizeze H2 ca acceptor de electroni. În reactoarele anaerobe s-a constatat că acetatul este principalul precursor al obținerii metanului (70% din producția de metan provine din acetat).

Tabelul 2.8. prezintă reacțiile care pot fi catalizate de microorganisme metanogene și care contribuie la emisiile de metan în ecosisteme variate.

Tabelul 2.8. Reacții catalizate prin metanogeneză și schimbul energetic al acestora

2.5.2. Factori de mediu

Factorii fizici și chimici afectează habitatul microorganismelor și consecvența proceselor de tratament anaerob (Callender I.J, & Barford J.P., 1983).

Principalii factori de mediu sunt:

compoziția și concentrația substratului organic;

raportul dintre componenta minerală și cea organică;

elemente nutritive;

conținutul de acizi, valoarea pH-ului, alcalinitatea, potențial redox;

prezența sau absența compușilor toxici în efluent;

temperatura;

pH-ul;

gradul de amestec și recircularea;

inhibitori;

durata de fermentare;

sistemul de alimentare și evacuare;

doza de încărcare etc. (Hobson, P.N., & Wheatley, A.D., 1993).

A. Compoziția și concentrația substratului organic

Substanțele organice, consumate de bacteriile anaerobe notate cu CCOCr, pot fi definite ca substrat organic al procesului de epurare anaerob.

Modul de exprimare a reducerii substratului organic se poate realiza fie printr-o raportare la concentrația de substanțe organice totale din apa epurată, fie numai la substanțele organice dizolvate.

Încărcarea organică este dată de cantitatea de materie organică exprimată prin CCO pe unitatea de timp și pe unitatea de reactor, fiind direct dependentă de concentrația substratului și timpul de retenție hidraulic. Fracțiunea de materie organică degradată crește cu creșterea timpului de retenție hidraulic.

Timpul de retenție hidraulic este un parametru important care depinde de tipul de reactor utilizat. Cele două moduri de stabilire a eficienței sunt funcție de rolul treptei anaerobe în proces: ca o treaptă de preepurare sau ca etapă finală de epurare (Pantea E., 2010).

B. Conținutul de acizi

O supraîncărcare a reactoarelor anaerobe poate determina o acumulare de acizi volatili care frânează activitatea bacteriilor metanogene. Acest proces apare în situația în care valoare pH-ului scade sub 6,5.

Pentru o bună funcționare a procesului anaerob este necesar să se mențină conținutul de acizi volatili, pH-ul și alcalinitatea în limitele din tabelul 3.7. (Baere, L.D., 2000).

Tabelul 2.8. Conținutul de acizi volatili, alcalinitatea, pH-ul

Sursa: Baere, L.D., 2000

Procesul de metanogeneză bacteriană poate fi perturbat prin creșterea conținutului de acizi volatili și a celui de dioxid de carbon din gazul produs sau prin descreșterea alcalinității și a valorii pH-ului.

C. Temperatura

Temperatura este considerată unul din factorii decisivi pentru o bună funcționare a proceselor anaerobe, de ea depinzând atât metabolismul și capacitatea de reproducție a bacteriilor metanogene, cât și durata de fermentare, cantitatea și calitatea gazului produs.

În funcție de temperatura de lucru în reactoarele anaerobe s-au constatat trei domenii distincte de lucru:

zona temperaturilor joase (sub 15oC), în care se dezvoltă și acționează bacteriile criofile;

zona temperaturilor moderate (15- 43oC), în care acționează bacteriile mezofile;

zona temperaturilor ridicate (44 – 60oC), în care acționează bacteriile termofile.

Sensibilitatea la temperatura mediului depinde de diverși factori, în special de gradul de adaptare a culturii, de modul de operare și de tipul de bioreactor. Cea mai optimă temperatură pentru dezvoltarea bacteriilor termofile se consideră 55oC, iar pentru cele mezofile de 37oC; o temperatură mai mică de 5oC, paralizează activitatea bacteriilor metanogene (Song, Young-Chae & colab., 2004).

Metabolismul și rata de producție a bacteriilor metanogene sunt influențate de scăderile bruște de temperatură, astfel că este indicat ca în timpul tratării anaerobe să se mențină temperatura constantă sau aproape constantă.

Producția de metan obținută la temperatura de 50oC sub efectul bacteriilor termofile este aproximativ aceeași cu cea realizată de bacteriile dezvoltate în domeniul mezofil la temperaturile de 20oC și 30oC, însă după o durată mai lungă de timp. (Masse, D.I., Masse, L., 2001).

Limita maximă a conținutului de metan din gazul produs la temperatura de 20oC este atinsă la 90 zile, la 30oC, după 25-30 zile, iar la 50oC, după numai 10-12 zile.

D. pH-ul

Este un parametru important pentru controlul reactoarelor anaerobe. Domeniul optim de operare pentru bacteriile metanogene este cuprins între 6 și 8, dar valoarea optimă pentru acesta este în jur de 7.

Valori mici ale pH-ului indică prezența acizilor grași ceea ce impune intervenția asupra procesului pentru a regla excesul de acizi volatili, cauzatori de scăderea valorii acestuia. Alcalinitatea reprezintă capacitatea de tamponare a mediului. Unii autori susțin că un pH optim pentru bacteriile acidogene este cuprins între 5,5 și 6,0 și pentru metanogene între 6,8 și 7,2 (Romli, M., & colab.,1994).

E. Gradul de amestec

Un important factor în controlul pH-ului, în menținerea la parametrii constanți a factorilor de mediu este gradul de amestec. Un amestec bine realizat nu permite localizări de concentrații înalte a producției metabolice, cu inhibarea producției metanogenice, asigură un bun contact între substrat și populația bacteriană și eliminarea metaboliților produși; asigură o densitate uniformă a populației bacteriene; previne formarea de spumă și de asemenea, sedimentarea în reactor; previne formarea de zone ”moarte” și de canale preferențiale care reduc volumul efectiv al reactorului, în funcție de sistemul hidraulic adoptat; elimină stratificarea termică, menținând o temperatură uniformă în reactor (Pașca D., & colab., 2002).

F. Inhibitori

Concentrațiile prea ridicate a unor metale grele, detergenți, metale alcaline și alcalino-pământoase pot influența negativ activitatea bacteriilor metanogene.

Concentrațiile admise pentru o serie de inhibitori sunt prezentate în tabelul 2.9

Tabelul 2.9. Limita de concentrație a unor inhibitori

Sursa:

G. Elemente nutritive

În cadrul proceselor de fermentare anaerobă, substanțele organice reprezintă sursa principală de materii prime pentru dezvoltarea bacteriilor metanogene.

Microorganismele implicate în fermentarea anaerobă au nevoie, pentru activitatea și dezvoltarea lor, atât de carbon cât și de azot, însă consumul de carbon este 30 – 35 de ori mai rapid decât consumul de azot.

Valorile minime necesare pentru o creștere corectă a microorganismelor sunt redate în tabelul 2.10.

Tabelul 2.10. Limitele concentrației de nutrienți necesare pentru dezvoltarea microorganismelor anaerobe

Sursa:

H. Durata de fermentare

Timpul optim de staționare se stabilește în funcție de considerente tehnico-economice, depinzând de caracteristicile maselor organice și de gradul de fermentare dorit.

Durata de fermentare influențează direct producția de gaz ce se poate obține, la o anumită temperatură de fermentare.

I. Sistemul de alimentare și evacuare

Sistemul de alimentare și evacuare determină în mare măsură randamentul instalațiilor de epurare. Alimentarea și evacuarea trebuie făcută în concordanță cu ritmul și gradul de descompunere al substanțelor organice existente în masa supusă degradării biologice.

Este de preferat ca alimentarea instalației de tratare biologică anaerobă să se facă în mod continuu, deoarece materialul organic în stare proaspătă contribuie la menținerea unui mediu alcalin, ferind volumul total de șocuri cu materiale organice de calitate mult diferită. Randamentul maxim al sistemelor de tratament anaerob alimentate în sistem continuu sau intermitent se poate obține numai atunci când substanța organică introdusă corespunde cu cantitatea de substanță organică descompusă (Popescu D.C., 2006).

Amestecul și recircularea

Amestecul și recircularea sunt mijloace prin care se stimulează dezvoltarea procesului de metanogeneză bacteriană, având drept scop omogenizarea amestecului supus degradării biologice, evitarea formării crustei și a uniformizării pH-ului masei din reactor.

2.6. Tehnologii anaerobe utilizate în epurarea apelor reziduale

Cel mai simplu sistem de epurare anaerobă este reactorul cu amestecare continuă. În aceste sisteme timpul de retenție al nămolului este egal cu timpul hidraulic, iar capacitatea de epurare este limitată.

Figura 2.2. Reactor cu amestec complet

Sursa: prelucrarea autorului după Blonskaja V., & colab., 2006

Epurarea anaerobă de contact se realizează în reactoare cu amestecare completă și alimentare continuă, urmate de un decantor. Comparativ cu reactorul cu amestecare completă, timpul de retenție hidraulic se reduce de 2 până la 4 ori, depinzând de performanța decantorului (pentru că nămolul anaerob este floculent și diluat acest sistem operează cu debite volumetrice mici) (Atudorei A., 1990).

Figura 2.3. Reactor anaerob de contact

Sursa: Constantinescu G., 1979

În țara noastră, epurarea anaerobă de contact a fost studiată de către Gh. Constantinescu, în anii ´70, utilizând ape reziduale din industria alimentară (Constantinescu G., 1979).

Rezultatele obținute au fost sintetizate sub forma următoarelor concluzii:

eficiențele obținute în reducerea încărcării organice, exprimate în CBO5 au fost 60-95% pentru încărcări organice ale bazinelor de fermentare de 0,66-3 kg CBO5/m3· zi;

amorsarea la pornire a instalațiilor s-a realizat în 5-10 zile, fără a apela la nămol preluat de la alte instalații;

tratând apele epurate biologic anaerob cu var în doze de 100 mg/dm3, eficiența de eliminare a substanțelor organice (CBO5), a crescut de la 80-85% la 95-96%;

după instalarea stării de echilibru a procesului la toate experiențele au rezultat gaze de fermentație: CH4, CO2 etc;

Filtrele anaerobe (figura 2.4) utilizează un material–suport pe care sunt fixate microorganismele. Neajunsul acestui sistem constă în pericolul apariției de „scurtcircuite” și „zone moarte în reactor”.

Figura. 2.4. Reactoare anaerobe

1 – Filtru anaerob; 2,3 – Reactor cu strat suspensional; 4 – Reactor cu pat fluidizat

Sursa: Pantea E., 2010

Reactorul UASB este cel viabil și cel mai des folosit sistem anaerob pentru epurarea apelor reziduale, în special a celor din industria alimentară. Conceptul reactorului anaerob are ca scop epurarea unui influent de concentrație scăzută sau medie la un raport de încărcare volumetrică înalt și toate acestea cu un timp de retenție hidraulic scurt.

Reactoarele UASB sunt complet lipsite de materiale de suport. Influentul este distribuit cu ajutorul unui sistem sofisticat de admisie situat la baza reactorului.

Datorită operării în contracurent se creează un strat suspensional la partea inferioară a reactorului. Producerea biogazului în stratul de nămol induce un amestec bun al nămolului cu influentul. În partea superioară a reactorului este montat un separator trifazic care permite separarea biogazului de efluentul tratat.

Figura 2.5. Reactor anaerob cu strat suspensional de nămol

Sursa: Pantea E., 2010

Dezavantajele reactorului anaerob cu strat suspensional:

perioadă mai lungă de pornire;

durata de staționare mare a apei (2-6 ori mai mare decât pentru epurarea aerobă);

nereducerea formelor de azot, fosfor, sulf etc.

Avantajele reactorului anaerob cu strat suspensional:

conversia unei cantități însemnate de compuși organici în biogaz cu un conținut ridicat de metan;

calități îmbunătățite ale nămolului, cu caracteristici stabile, fără a exista riscul neplăcerilor cauzate de degajare de mirosuri neplăcute;

se reduce cantitatea de nămol obținut la epurare, deci și costurile legate de prelucrarea acestuia;

reducerea concentrației de germeni patogeni;

creșterea capacității de epurare a treptei de epurare biologică aerobă cu 1,5-2,0 ori.

2.6. Epurarea avansată a apelor uzate

Epurarea avansată este definită ca ansamblul de construcții și instalații cu care se completează tehnologiile clasice de epurare pentru îndepărtarea substanțelor organice și suspensiilor, eliminarea azotului și fosforului sau a altor poluanți. Se poate aplica după treapta mecanică, ca o completare a epurării biologice, secundare sau după treapta secundară, ca o treaptă terțiară (Giurconiu I. & colab, 2005).

Principalele substanțele poluante, care este necesar a fi eliminate din apele uzate sunt:

– combinațiile azotului și a fosforului, care în cantități mari au acțiune eutrofizantă asupra emisarului fiind consumatoare de oxigen și constituind toxine pentru pești;

– substanțe nedegradabile biologic;

Kherbouche, B. Benyoucef, 2013

(Dhanalakshmi și Ramanujam, 2012)

(Fantozzi & Buratti, 2009). (Hobson, P.N., Wheatley, A.D., 1993).

NU-I GASESC

BIBLIOGRAFIE

Atudorei A., (1990). Procese de reducere a poluanților organici din apele uzate prin anaerobie, Teza de doctorat, București.

Callender I.J., & Barford J.P., (1983). Recent advances in anaerobic technology. Proc. Biochem.

Giurconiu M., Mirel I., Carabeț, A., Chivereanu S., Florescu O., & Stăniloiu C., (2002). Construcții și instalații hidroedilitare, Editura de Vest, Timișoara

Ionescu Gh.-C. (2011). Sisteme de epurare a apelor uzate, MatrixRom, București

Ionescu G.L, Ionescu C. Gh. & Sâmbeteanu A., (2013). Tehnologii moderne pentru epurarea apelor uzate, MatrixRom, București.

Lettinga, G., A.C. Haandel (1993). Anaerobic digestion for energy production and environmental protection, in Renewable energy; Sources for fuels and electricity, T.B. Johansson, et al., Editors., Island press, California: London. p. 817-839.

Negulescu M., & Secară E., (1976). Exploatarea instalațiilor de epurare a apelor uzate, Editura Tehnică, București

Pantea E.V. (2010). Studiul proceselor de epurare a apelor reziduale provenite de la unitățile alimentare, Editura Politehnica, Timișoara.

Pașca D., Drăgan – Bularda M. (2002). Bazele microbiologice de producere a biogazului, Știința Modernă și Energie, Ediția XXI, Cluj-Napoca

Petre M., & Teodorescu Al. (2009). Biotehnologia protecției mediului, Editura CD PRESS.

Popescu D.C.(2006). Contribuții la studiul proceselor de fermentare anaerobă în vederea obținerii de biogaz – teza de doctorat, Timișoara

2. Articole în reviste de specialitate:

Alemayehu Gashaw (2014). Anaerobic co-digestion of biodegradable municipal solid waste with human excreta for biogas production: A review American Journal of Applied Chemistry, 2014; 2(4): 55-62 http://www.sciencepublishinggroup.com/j/ajac

Aremu, M .O.; Agarry, S. E. (2013). Enhanced Biogas Production From Poultry Droppings Using Corn-Cob And Waste Paper As Co-Substrate, International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST), 5(02) , 247-253

Baere, L.D., (2000). Anaerobic Digestion of solid waste: state-of-the-art, Water Science and Technology, 41(3): p. 283-290.

Blonskaja V., Tarmo Vaalu, (2006). Investigation of different schemes for anaerobic treatment of food industry wastes in Estonia, Proc. Estonian Acad. Sci. Chem., 55, 1, 14 – 28.

Dhanalakshmi Sridevi, V.; Ramanujam, R.A. (2012). Biogas Generation in a Vegetable Waste Anaerobic Digester: An Analytical Approach. Research Journal of Recent Sciences, 1(3), 41-47.

Kafle, G.K., & S.H. Kim (2013). Anaerobic treatment of apple waste with swine manure for biogas production: Batch and continuous operation. Applied Energy, 2013. 103(0): p. 61-72.

Masse, D.I., & Masse, L., (2001). The effect of temperature on slaughterhouse wastewater treatment in anaerobic sequencing batch reactors, Bioresource Technology, v.76, p.91-98.

Romli, M., Keller, J., Lee, P.L., & Greenfield, P.F., (1994). The influence of pH performance of a two-stage anaerobic treatment system: model prediction and validation, Water Science and Technology, v.30, n.8, p.35-44

Song, Young-Chae; Kwon, Sang-Jo and Woo, Jung-Hui, (2004). Mesophilic and thermophilic temperature co-phase anaerobic digestion compared with single-stage mesophilic-and thermophilic digestion of sewage sludge, Water Research, vol. 38, nr. 7, p. 1653-1662.

CAPITOLUL III. CERCETĂRI EXPERIMENTALE

„Dezvoltarea durabilă constituie fundamentul acestui secol pentru creșterea economică globală o dată cu reducerea resurselor, lumea și–a orientat eforturile spre producția de bioenergie din surse regenerabile, iar când aceasta este asociată cu protecția resurselor de apă prin epurarea apelor uzate urbane se va reduce și poluarea mediului. Procedeele de epurare a apelor uzate pot fi de natură fizică, chimică, biologică sau combinate. Aceste metode sunt combinate, deoarece numai astfel se pot obține gradele de epurare impuse de normele de protecție a mediului” (Pantea E.V., 2014).

Cele mai importante consecințe ale sanitației îmbunătățite sunt beneficiile sociale și de mediu, economice și de sănătate. Prin urmare, sanitația necesită să fie tratată ca un drept și responsabilitate (Bahri A., 2009).

„Asigurarea standardelor de viață pentru populație și dezvoltarea economică solicită excesiv resursele de apă și pot face, în unele regiuni sau în anumite perioade de timp, ca aceste resurse să fie insuficiente. Repartizarea neuniformă a resurselor de apă pe teritoriul țării, gradul insuficient de regularizare a debitelor pe cursurile de apă, poluarea semnificativă a unor râuri sunt principalii factori care pot face ca zone importante ale țării să nu dispună de surse suficiente de alimentare cu apă în tot cursul anului, mai ales în perioadele de secetă sau în iernile cu temperaturi scăzute. Acest fenomen se poate manifesta atât din punct de vedere cantitativ, cât și calitativ, atunci cand există apă, dar nu poate fi utilizată pentru că este poluată. De aceea, este necesar să utilizăm în mod rațional și să protejăm această resursă” (www.rowater.ro).

Procesele de epurare ale apelor reziduale menajere și industriale, cu o aplicabilitate de peste 100 de ani au apărut ca o necesitate privind asigurarea protecției emisarilor și a așezărilor umane împotriva poluării.

Strategia României de aderare la Uniunea Europeană a implicat necesitatea rezolvării problemelor de protejare a mediului prin modernizarea tehnologiilor existente, prin realizarea și punerea în funcțiune a unor instalații noi, performante și prin oferirea unor servicii adaptate exigențelor normelor de mediu.

„Directiva Consiliului 91/271/EEC din 21 mai 1991 privind epurarea apelor uzate urbane, modificată și completată de Directiva Comisiei 98/15/EC în 27 februarie 1998, este baza legală a legislației comunitare în domeniul apelor uzate. Directiva 91/271/CEE privind epurarea apelor uzate urbane a fost transpusă în întregime în legislația românească prin Hotarârea Guvernului nr.188/2002 pentru aprobarea normelor privind condițiile de descărcare ale apelor uzate în mediul acvatic, modificată și completată cu Hotarârea Guvernului nr. 352/2005” (www.rowater.ro).

Termenul de tranziție final pentru implementarea Directivei a fost stabilit la 31 decembrie 2018, cu termene intermediare pentru colectarea și epurarea apelor uzate urbane.

La baza identificării modului de gestionare a apelor reziduale orășenești și industriale la nivelul regiunii Nord –Vest a României, respectiv în județul Bihor, stau date preluate de la Institutul Național de Statistică a României. Perioada de raportare a fost de 8 ani, în perioada 2006-2013.

În ultimii 20-25 de ani, tehnologiile de epurare ale apelor uzate menajere colectate la nivelul localităților, au avut evoluții considerabile, generate atât de legislația pentru protecția mediului internațională (Directiva privind epurarea apelor uzate urbane ”(91/271/EEC, Directiva Parlamentului European privind promovarea utilizării energiei din surse regenerabile), cât și naționale (Legea apelor nr.107/1996 completată și modificată cu Legea nr. 310/2004, Normativul NTPA 001/2005 – Normativ privind stabilirea limitelor de încărcare cu poluanți a apelor uzate evacuate în resursele de apă, Monitorul Oficial al României, nr. 187/20.03.2002, Legea 265/2006 privind protecția mediului înconjurător).

Debitul zilnic prelucrat în stațiile de epurare: orășenești, industriale respectiv independente, la nivelul țării noastre, este prezentat în figura 3.1.

Graficul 3.1: Debitul zilnic al apelor uzate pe diferite stații de epurare din România