Cercetari Privind Optimizarea Energetica a Tehnologiilor de Epurare a Apelor Uzate
CUPRINS
INTRODUCERE
Preocuparea societății față de automatizarea instalațiilor și sistemelor tehnice a cunoscut o evoluție ascendentă. Concomitent și implicit, au crescut exigențele față de pregătirea inginerului – factor esențial în conceperea, proiectarea, realizarea și exploatarea acestor sisteme la nivelul cerut de societate [49].
Construcțiile hidroedilitare, ca parte a unui domeniu tehnic pluridisciplinar, aflat la confluența dintre mediul înconjurător geologic și biologic, tehnologie, economie și viață socială, presupune rigurozitate și precizie în abordarea tuturor etapelor existenței unui astfel de sistem [49]. Buna lui funcționare aduce bunăstare și confort, după cum proasta funcționare poate duce la catastrofe.
Stațiile de epurare din România au cunoscut o dezvoltare foarte lentă în ultimii 20 de ani. La nivelul anului 2012 situația se prezenta în România conform Figurii 1.
Fig. 1 Ponderea localităților din România prevăzute cu stații de epurare
a apelor uzate – 2012
În țara noastră, la ora actuală, un procent de 70% din apele uzate provenite de la principalele surse de poluare a ajuns în receptori naturali, în special în râuri, neepurate sau insuficient epurate, comparativ cu un procent de aproximativ 80% din apele uzate cât se înregistra în perioada
2005-2006. Cu toate acestea, procentul de ape neepurate rămâne în continuare destul de mare, astfel că obiectivul major rămâne creșterea numărului de stații de epurare și modernizarea celor existente, în vederea atingerii standardului european de calitate [23], [49].
Stațiile de epurare existente în România utilizează epurarea biologică convențională, constând în reducerea substanțelor organice. Tehnologia utilizată la acest tip de epurare este cea cu bazine cu nămol activat. Deficiențele principale sunt la sistemul de aerare care este preponderent mecanic [24], [28].
Datorită situației existente și a cerințelor impuse prin Directivele Consiliului Comunității Economice Europene, nr. 91/271/CEE, nr. 91/676 și prin Programul de Acțiune pentru Protecția Mediului în Europa, este imperios necesară reabilitarea stațiilor de epurare prin trecerea la sisteme mai performante de aerare pneumatice [24], [68].
Normele de protecția mediului impun introducerea epurării avansate a apelor uzate, care constă în reținerea compușilor de azot și fosfor. În acest context, extinderea rolului bazinelor de aerare la epurarea cu nitrificare – denitrificare și eventual pentru eliminarea fosforului, devine obligatorie.
În condițiile absenței unui concept global privind integrarea epurării avansate în treapta de epurare biologică coroborat cu absența datelor sistematizate privind compușii de azot și fosfor, implementarea tehnologiilor corespunzătoare sunt mult îngreunate. Acestea au fost motivele pentru care experții europeni au acceptat cu mare dificultate introducerea epurării avansate a apelor uzate în cadrul programelor ISPA pentru reabilitarea unor stații de epurare importante din țara noastră [23].
Datorită faptului că poziționarea României este în bazinul hidrografic al fluviului Dunărea și bazinul Mării Negre, precum și necesitatea protecției mediului în aceste zone, România a declarat întregul său teritoriu ca zonă sensibilă.
Decizia luată este concretizează în faptul că aglomerările mai mari de 10.000 locuitori echivalenți trebuie să asigure o infrastructură pentru epurarea apelor uzate urbane care să permită epurarea avansată, mai ales în ceea ce privește nutrienții azot și fosfor – HG 352/2005 art. 3 (1).
În ceea ce privește gradul de epurare, epurarea secundară (treaptă biologică) este o regulă generală pentru aglomerarile mai mici de 10.000 locuitori echivalenți [71].
Prezenta teză de doctorat, cu titlul: „Optimizarea energetică a proceselor de epurare biologică a apelor uzate provenite din industria textilă”, se dorește a fi o completare a golului existent la ora actuală în literatura de specialitate, privind abordarea problemelor de automatizare și optimizare din domeniul studiat, prin extinderea cercetărilor, în direcția performabilității, pentru o oglindire mai veridică a comportării instalațiilor hidraulice din cadrul stațiilor de epurare a apei uzate.
Apa, ca element fundamental al vieții constituie solventul universal al reacțiilor metabolice (oxido-reducătoare) și mediul de dispersie al elementelor chimice și de termoreglare ale acestor reacții. Cantitățiile crescânde de substanțe impurificatoare au drep consecință alterarea caracteristicilor calitative uneori cantitative a apei și deci perturbarea folosințelor acesteia [49].
Elaborarea și exploatarea instalaților de epurare biologică a apelor uzate, mai ales pentru cele provenite din industria textilă (impurificatori sintetici nespecifici metabolismului bacterian), constituie rezultatul unei activități complexe în care trebuie implicați specialiști biochimiști, ingineri tehnologici, hidrotehnicieni și constructori.
CAPITOLUL 1
NOȚIUNI INTRODUCTIVE PRIVIND EPURAREA BIOLOGICĂ A APELOR UZATE INDUSTRIALE
Rezumat
Acest capitol prezintă descrierea procesului de epurare biologică, prin care, impuritățile organice din apele uzate sunt transformate de către o cultură de microorganisme în produși de degradare inofensivi (CO2, H2O, alte produse) și în masa celulară nouă (biomasa).
Epurarea biologică se realizează în urma metabolismului bacterian. Acesta, reprezintă totalitatea proceselor implicate în activitatea biologică a unei celule, prin intermediul cărora energia și elementele nutritive sunt preluate din mediul înconjurător și utilizate pentru biosinteză și creștere, ca și pentru alte activități fiziologice secundare (mobilitate, luminescență). În urma acestor procese, substanțele din mediu (elemente nutritive) sunt transformate în constituenți celulari, energie și produse de uzură (metaboliți).
Metabolismele proceselor biologice implicate în epurare, pentru toți factorii de mediu (apă, aer, sol, biodiversitate) trebuie dimensionate pe baze științifice, în instalații de epurare specifice (bioecosisteme tehnice).
În continuare, este tratată la modul general, problema epurării apelor uzate provenite din industria textilă, care este o preocupare primordială pe plan mondial. Capitolul se încheie cu punctarea prevederilor legislative privind deversarea apelor uzate provenite din industria textilă.
CUPRINS
Preliminarii
Epurarea biologică a apelor uzate reprezintă cea de-a doua fază de epurare [49], [72].
Necesitatea acestei trepte de epurare, a devenit obligatorie în toate stațiile de epurare, datorită numărului mare de industrii și creșterii numărului populației la orașe.
Epurarea biologică poate fi efectuată prin două procedee și anume [72]:
epurare biologică naturală – cu ajutorul câmpurilor de irigare și filtrare, a iazurilor de stabilizare etc.;
epurare biologică artificială – prin intermediul filtrelor biologice, a bazinelor cu nămol activ etc.
Este obligatoriu ca înaintea epurării biologice, să existe un process de epurare mecanică, având ca scop îndepărtarea materiilor solide în suspensie, decantabile, deoarece, următoarea treaptă de epurare are ca sarcină principală, îndepărtarea materiilor dizolvate și coloidale [72].
Epurarea biologică este un proces complex, pentru dezvoltarea căruia intervin o serie de procese. Astfel, în momentul în care apa uzată întâlnește o suprafață adecvată, pe suprafața de separație dintre apa uzată și cea de contact se dezvoltă bacterii și alte multe microorganisme. Acestea dau naștere la membrane biologice (în cazul filtrelor biologice, al câmpurilor de irigare etc.) și la flocoane biologice (în cazul bazinelor cu nămol activ etc.), formând un mediu propice pentru dezvoltarea microorganismelor unicelulare sau complexe, constituind astfel biomasa. Biomasa astfelformată transformă materiile solide din apa uzată, absoarbe (din materiile solide) hrana sau energia necesară flocoanelor sau membranei, pentru întreținerea și dezvoltarea lor, transferă înapoi în apa uzată, produsele finale ale descompunerii (nitrații, sulfații, bioxidul de carbon etc.) și, în final, se transformă în materii solide, separabile prin decantare.
Biomasa trebuie să fie alimentată ritmic și în cantități suficiente pentru ca organismele să dezvolte o activitate maximă. Atunci când au cantități mai mari de materii organice activitatea microorganismelor se intensifică, motiv pentru care, activitatea acestora este mai intensă în straturile superioare (la filtrele biologice, de exemplu), decât în cele inferioare. Cea mai mare parte a materiilor minerale necesare este adusă de apele uzate în procesul de transformare. În general, fosforul și azotul sunt în cantități insuficiente, astfel că, se recurge la completarea (alimentarea) lor artificială [72].
Cerințele minime de fosfor și azot sunt exprimate prin relația:
CBO:N:P = 150:5:1, în apa uzată;
CBO:N:P = 90:5:1, pentru nămol.
Prin dezvoltarea peste măsură a biomasei, procesul de epurare poate fi prejudiciat; astfel, prin mărirea volumului de flocoane sau prin îngroșarea membranei, scade atât capacitatea de oxidare, cât și gradul de epurare a apelor uzate. Prin evacuarea biomasei, se obține menținerea în limite normale a acesteia. La filtrele biologice se evacuează, în permanență, o parte din membrană, care se desprinde de pe stratul filtrant, timp în care, la bazinele cu nămol activ, se evacuează mare parte din flocoane. Biomasa evacuată sub formă de materii solide în suspensie, separabile prin decantare, este reținută în decantoarele secundare, de unde, prin intermediul decantoarelor primare, ajunge în rezervoarele de fermentare a nămolului [23], [72].
Una din cele mai importante probleme ale epurării biologice, o constituie oxidarea azotului organic sau a amoniacului, deoarece, uneori, aceasta poate fi atât de avansată, încât efluentul stației de epurare să conțină cantități de azotați peste limitele normale. Prezența acestora poate stimula vegetația din emisari într-o asemenea măsură, încât echilibrul oxigenului din aceștia să fie deranjat, adică, în anumite perioade, oxigenul să scadă mult sub limitele normale. Astfel, se produce fenomenul de eutrofizare, care, în afară de micșorarea capacității de autoepurare a emisarului, are drept urmare colmatarea filtrelor pentru tratarea apei și a conductelor, cu vegetația adusă de apa captată.
Epurarea biologică depinde de o serie de factori, dintre care, cei mai importanți sunt [16], [72]:
temperatura;
oxigenul;
încărcarea organică și hidraulică;
timpul de traversare a instalației;
diverse organisme.
Dacă nu intervin ape uzate industriale, cu temperaturi diferite de cele ale apelor uzate orășenești, ape subterane etc. temperatura apelor uzate este apropiată de cea a apelor de alimentare. La schimbările de temperatură, datorită introducerii în rețea a unor ape cu temperaturi diferite de cele normale, procesul de epurare se desfășoară în condiții normale, însă, cu unele scăderi ale eficienței. O mare influență a temperaturii se manifestă în momentul amorsării, în special la filtrele biologice, deoarece, în timpul iernii, amorsarea durează 2–3 luni, iar vara, 2–3 săptămâni; bazinele cu nămol activ – indiferent de anotimp – necesită o perioadă de amorsare de 2–3 săptămâni.
Cea mai evidentă și semnificativă influență a temperaturii apelor uzate se manifestă pe câmpurile de irigare și filtrare, deoarece căldura se pierde foarte repede.
Oxigenul este necesar atât apelor uzate, cât și biomasei. Numai o parte foarte mică (515%) din oxigenul adus de aerul care pătrunde în filtrele biologice sau în bazinele cu nămol activ este folosit în acestea; de aceea, aerarea trebuie să fie foarte puternică și asigurată continuu, orice întrerupere putând prejudicia procesul de epurare.
Încărcarea organică și hidraulică, respectiv cantitatea de materie organică ce trebuie mineralizată și de apă care trece prin instalație, sunt parametri care condiționează gradul de epurare al epurării biologice [72]. Cantitățile mari de materii organice conduc la scăderea eficienței și, uneori, chiar la întreruperea procesului de epurare; același efect îl are și încărcarea hidraulică prea mare sau prea mică. În primul caz se produce desprinderea membranei bilogice peste limitele normale și deci, prin micșorarea numărului de organisme care condiționează epurarea, scade eficiența; acumularea mare de organisme acționează în același sens.
Timpul de traversare a instalației constituie, de asemenea, un factor hotărâtor al procesului de epurare.
Organismele principale, care acționează la epurarea apelor uzate și la autoepurarea apelor emisarilor sunt:
insectele;
protozoarele;
bacteriile;
ciupercile.
Dintre insecte menționăm, în primul rând, musca Psychoda, caracteristică filtrelor biologice; ea pătrunde în urechile, nările și ochii oamenilor și animalelor. Raza de zbor este destul de mică, dar vântul o transportă la distanțe mari. Infestarea cu această insectă este cu atât mai mare, cu cât membrana biologică este mai groasă și temperatura – la interiorul filtrelor biologice – este mai ridicată. În stadiul de larvă, poate fi distrusă prin inundarea filtrului biologic, la fiecare repetare a ciclului (între 7 și 22 de zile), prin clorare, administrare de substanțe toxice etc. Insecta Achorutes preferă suprafețe de apă întinse, cum ar fi iazurile de stabilizare [23], [72].
Dintre protozoare, grupul Ciliatelor este cel mai important pentru epurarea apelor uzate, având rolul de reglare a dezvoltării populației bacteriene; distrugerea bacteriilor stimulează înmulțirea lor și utilizarea stratului hrănitor. Dominarea Ciliatelor în biomasă (membrană și flocoane), în special în bazinele cu nămol activ, indică o bună desfășurare a procesului biologic. De o importanță secundară în epurarea apelor uzate, dar de o deosebită importanță din punct de vedere sanitar este funcțiunea protozoarelor în distrugerea bacteriilor din apa uzată (în special a celor patogene).
Dintre bacterii menționăm, îndeosebi, Sphaerotilus și Beggiatoa (bacteria sulfului), care pot colmata conductele, vanele etc.
Spre deosebire de filtrele biologice, unde ecologia variază cu adâncimea, în bazinele cu nămol activ există, în permanență, un mediu acvatic uniform, deoarece flocoanele sunt antrenate de curentul de apă și răspândite în mod uniform în bazin. Organisme ca muște, viermi, păianjeni, sunt aproape absente; prezența bacteriei Sphaerotilus produce umflarea nămolului, respectiv distrugerea lui; în același sens se comportă și insecta Chironomus.
În ecologia iazurilor de stabilizare, algele albastre și verzi ocupă locul cel mai important. Bacteriile aerobe alimentează cu bioxid de carbon algele care eliberează oxigenul necesar apei uzate, păstrând – astfel – iazul în condiții aerobe.
Epurarea biologică naturală
Epurarea biologică naturală se realizează [16], [72]:
pe câmpurile de irigare și filtrare;
în filtrele de nisip;
pe câmpurile de filtrare subterane;
în iazurile de stabilizare (iazuri biologice) etc.
Din punct de vedere al îndepărtării materiilor în suspensie, eficiența epurării biologice naturale variază între 95 și 98%; ea este recomandată când emisarul trebuie să primească o apă cât mai curată. Suprafețele mari, necesare unor asemenea construcții, le face de multe ori neeconomice.
Epurarea biologică artificială
În comparație cu construcțiile pentru epurarea biologică artificială a apelor uzate, cele pentru epurarea biologică naturală prezintă o serie de dezavantaje, dintre care le vom aminti pe cele mai influențabile [16], [72]:
suprafețe mari de construcție;
dependența eficienței de epurare de natura solului, climă etc.;
greutăți de exploatare în timpul iernii și în perioadele cu ploi abundente;
imposibilitatea reglării procesului de epurare.
Datorită acestor aspecte, s-a trecut la construirea de instalații de epurare artificială, dintre care, cele mai importante sunt:
filtrele biologice;
bazinele cu nămol activ.
O caracteristică deosebită a construcțiilor pentru epurarea biologică artificială a apelor uzate este aceea că, după ele sunt amplasate întotdeauna decantoare secundare, care au scopul de a reține pelicula biologică desprinsă de pe stratul filtrant, din filtrele biologice, sau flocoanele de nămol activ, din bazinele cu nămol activ.
Dezinfectarea apelor uzate
Dezinfectarea apelor uzate nu este sinonimă cu sterilizarea acestora, deoarece prin dezinfectare nu se distrug toate organismele din apă, așa cum se produce prin sterilizare.
Pentru apele uzate provenite cu precădere din industria textilă, dezinfectanții trebuie să îndeplinească următoarele condiții [72]:
să distrugă în totalitate bacteriile patogene;
la concentrații uzuale, să nu fie toxici pentru om sau animale;
să se manipuleze și să se înmagazineze ușor;
să aibă un preț rezonabil;
concentrația lor în apa uzată să poată fi determinată rapid;
într-o concentrație mică, sub formă reziduală, să persiste o anumită perioadă de timp, pentru a preveni o eventuală contaminare.
Dintre dezinfectanții chimici utilizați frecvent, menționăm:
clorul;
bromul;
iodul;
ozonul;
permanganatul de potasiu etc.
Clorul și compușii lui îndeplinesc cel mai bine condițiile prezentate anterior, ceilalți dezinfectanți fiind neeconomici.
Dezinfectarea prin căldură sau prin raze ultraviolete poate fi luată în considerare numai ocazional și doar pentru cantități mici de ape uzate, deoarece acest procedeu este, de asemenea, costisitor [24], [72].
Factorii care influențează în cea mai mare măsură dezinfectarea chimică sunt:
natura organismelor, concentrația și distribuția lor. Bacteriile nesporiforme sunt mai puțin rezistente la dezinfecție, decât cele sporiforme. Dintre bacteriile enterice, Escherichia coli este mult mai rezistentă decât bacteriile patogene; unii viruși enterici sunt, totuși, mult mai rezistenți decât Escherichia coli (virusul de poliomielită, de exemplu); virusul de hepatită este foarte rezistent la dezifectanți. De multe ori, concentrațiile puternice de organisme pot face ineficace dozele de dezinfectanți, considerate normale;
natura, distribuția și concentrația dezinfectanților în apă influențează, în mare măsură, procesul de dezinfectare;
proveniența și caracteristicile apelor uzate care trebuie dezinfectate. În anumite condiții, materiile în suspensie din apă, pot să protejeze organismele de distrugere. În cantități mai mari decât cele normale, materiile organice conduc la creșterea necesarului de clor. Pe de altă parte, cu cât temperatura apelor uzate este mai mare, cu atât distrugerea organismelor este mai rapidă;
timpul de contact acționează în sensul măririi eficienței, pe măsură ce el crește. Pentru ca dezinfectarea să aibă loc, trebuie asigurat un timp minim de contact.
Epurarea biologică a apelor uzate provenite din
industria textilă
Problema epurării apelor uzate provenite din industria textilă este de mare actualitate, fiind o preocupare primordială pe plan mondial [70].
Protecția mediului trebuie luată cu necesitate în calcul atunci când se planifică dezvoltarea industrială, dacă se dorește prezervarea condițiilor de mediu ale planetei în forma lor actuală.
Industria textilă, și finisarea chimică textilă în special, a resimțit cu severitate rigorile noilor cerințe ale pieței și legislației în ceea ce privește protecția mediului.
Principalele probleme ce intervin sunt legate de poluarea apelor. Finisarea chimică textilă depinde de apă ca de un mijloc indispensabil de producție.
Apa servește ca mediu de transport a coloranților, auxiliarilor și a energiei termice. Pe lângă consumul mare de apă, un factor agravant îl constituie modalitatea în care această apă este utilizată. Dacă în industria chimică, de exemplu, doar 20 % din apă este folosită pentru prelucrare, iar restul pentru răcire, în industria textilă în marea majoritate a cazurilor apa se folosește pentru prelucrare, deci gradul de impurificare este sporit
(fig. 1.1).
Apele uzate rezultate în urma finisării materialelor textile au o compoziție complexă și diversă, urmare a diversității de materii prime și de procedee tehnologice utilizate. Chiar în cazul unei aceleași întreprinderi pot apărea modificări importante în ceea ce privește compoziția apelor uzate, ca urmare a schimbărilor intervenite în structura producției sau a modificării procesului tehnologic.
Marea diversitate de poluanți, precum și modificarea continuă a conținutului apelor uzate, fac deosebit de dificilă epurarea.
Fig. 1.1. Distribuția consumului de apă în cazul diferitelor industrii [70]
Principalii parametri ce caracterizează apele uzate textile, precum și factorii de influență, sunt prezentați în tabelul 1.1.
Caracterizarea câtorva dintre substanțele chimice și produsele utilizate în prelucrarea materialelor textile prin prisma efectului de poluare, cu încadrarea lor în cinci categorii de periculozitate, de la 1 – foarte puțin dăunător, la 5 – extrem de periculos, este prezentată în tabelul 1.2.
Tabelul 1. Poluanți ai apelor uzate provenite de la finisarea chimică a materialelor textile
Tabelul 1.2. Caracteristici de epurare și de impact asupra mediului ale câtorva produse chimice utilizate în finisarea chimică textilă [70]
*1 – foarte puțin dăunător, 2 – dăunător, 3 – periculos, 4 – foarte periculos,
5 – extrem de periculos.
În ceea ce privește procesele tehnologice de finisare a articolelor din bumbac și tip bumbac, acestea determină în foarte mică măsură poluarea aerului – este vorba de efectele minore produse la pârlire, vopsire, imprimare și neșifonabilizare, în timp ce gradul de poluare al apelor uzate este substanțial mai ridicat. Schematic, problemele ce pot apărea în diversele faze de prelucrare și riscul de poluare a apei și aerului sunt prezentate în tabelul 1.3 [70].
Tabelul 1.3. Caracteristici de poluare a apei și aerului de către principalele etape tehnologice de finisare chimică a produselor textile
În ceea ce privește poluarea apei, ponderea principalelor faze tehnologice, atât în privința consumului de apă cât și a gradului de poluare organică, este prezentată în tabelul 1.4 [70].
Tabelul 1.4. Caracterul poluant al operațiilor tehnologice de pregătire a materialelor textile din bumbac
Ponderea cea mai mare în poluarea apelor uzate provenite de la finisarea materialelor din bumbac sau tip bumbac o au procesele de pregătire, unde se înregistrează cel mai mare consum de apă, precum și o încărcare notabilă cu CBO (peste 80% din încărcarea totală). Problemele ce pot să apară în această fază de prelucrare, precum și modalitățile de a le preveni, sunt prezentate în tabelul 1.5 [70].
Tabelul 1.5. Factori de poluare în pregătirea materialelor textile și măsuri de reducere a efectului acestora
Reducerea încărcării organice, ce intervine în special în faza de descleiere, prin utilizarea de produse chimice biodegradabile, care să permită recircularea din apele uzate, reprezintă principala problemă. De asemenea, agenții complexanți utilizați frecvent în flotele de fierbere alcalină ridică probleme prin conținutul lor mare în fosfor, ce poate duce la fenomene de eutrofizare a apelor în care se deversează apele uzate ce-i conțin.
În procesul de albire, principalele dificultăți sunt legate de utilizarea hipocloritului de sodiu, responsabil de creșterea nivelului compușilor organici ce conțin clor, caracterizați de acțiune toxicologică puternică, motiv pentru care prezența lor în apele uzate este foarte strict limitată de legislația actuală.
În cazul apelor uzate rezultate de la finisarea materialelor textile din bumbac și tip bumbac, este necesar un proces de preepurare. Schemele de principiu a două variante de instalații de preepurare sunt prezentate în
fig. 1.2.
Fig. 1.2. Schemele de principiu unor instalații de preepurare a apelor uzate rezultate de la finisarea materialelor textile din bumbac și tip bumbac [70]
În condițiile în care deversarea apelor uzate se face direct în emisar, gradul de epurare trebuie să fie superior, urmărindu-se în plus, față de cazul preepurării:
reducerea gradului de încărcare organică;
îndepărtarea culorii;
îndepărtarea substanțelor toxice (fenol, detergenți).
Este obligatorie epurarea biologică, ce poate fi realizată în varianta bioaerării prelungite, când reducerea gradului de încărcare cu poluanți este semnificativă (tabelul 1.6). Schema de principiu a unei astfel de instalații de epurare este prezentată în fig. 1.3.
Tabelul 1.6. Reducerea gradului de poluare în urma epurării prin
bioaerare prelungită [70]
Fig. 1.3. Schema unei instalații de epurare a apelor uzate provenite de la finisarea materialelor textile din bumbac sau tip bumbac care se deversează în efluent [70]:
1 – cameră cu grătare și site; 2 – bazin de bioaerare; 3 – decantor;
4 – transportor pentru nămol.
În cazul intreprinderilor cu profil textil care au spălătorii de lână, este necesară preepurarea mecanică a apele uzate, înaintea epurării biologice.
În cazul în care acest sector lipsește, pentru desfășurarea în bune condiții a procesului de epurare biologică este necesară amestecarea apelor uzate cu ape menajere (raport 9:1), sau adăugarea de nutrienți bogați în azot și fosfor.
Schema bloc a unei instalații de epurare caracteristică unei întreprinderi ce prezintă atât sector de spălare a lânii brute cât și finisaj este prezentată în fig. 1.4.
Apele uzate rezultate în urma topirii inului și cânepii au caracter acid, miros specific, încărcare organică mare și cantități importante de substanțe în suspensie (tabelul 1.7.).
Fig. 1.4. Instalații de epurare a apelor uzate provenite de la o întreprindere ce posedă atât sector de spălare a lânii brute
cât și de finisaj [70]
Tabelul 1.7. Caracteristicile apelor uzate provenite de la topirea inului
Disponibilizarea apelor uzate provenite de la topirea inului și cânepii se poate realiza prin utilizarea lor în irigații, avându-se în vedere conținutul important în substanțe fertilizante. În prealabil este necesară neutralizarea acidității lor cu lapte de var în doză de 500 – 700 mg/l (fig. 1.5.).
Fig. 1.5. Schema unei instalații de epurare a apelor uzate provenite
de la topirea inului [70]
Fig. 1.6. Schema unei instalații de epurare a apelor uzate provenite de la o întreprindere de topire a inului [70]
1.6. Prevederi legislative privind deversarea apelor uzate provenite din industria textilă
În ceea ce privește principala cale de direcționare a substanțelor poluante din industria textilă – poluarea apelor – aceasta reprezintă „modificarea directă sau indirectă a compoziției sau stării apelor unei surse oarecare, ca urmare a activității omului, în așa măsură încât ele să devină mai puțin adecvate tuturor sau numai unora din utilizările pe care le pot căpăta în stare naturală” [70].
În țara noastră este în vigoare Normativul NTPA-002 privind condițiile de evacuare a apelor uzate în rețelele de canalizare ale localităților și direct în stațiile de epurare din 28.02.2002. Un alt act normativ, de dată mai recent, este HOTĂRÎREA Nr. 950 pentru aprobarea Regulamentului privind cerințele de colectare, epurare și deversare a apelor uzate în sistemul de canalizare și/sau în corpuri de apă pentru localitățile urbane și rurale, Publicată în Monitorul Oficial Nr. 284-289 din 06.12.2013.
Sinteza calității apelor din România, elaborată anual de Administrația Națională “Apele Române”, în perioda 2007-2011 precum și Statisticile anuale pe principalele surse de apă în România, au estimat că volumul total de apă uzată provenită de la aglomerările umane care a fost evacuat în receptorii naturali suficient epurat (tabel nr. 1.8) a crescut cu 43,925 milioane m3/an (14,6%) [71].
Tabelul 1.8. Volumul total de ape uzate urbane evacuate în receptorii naturali în perioada 2007-2011
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. 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 a transpus în întregime Directiva 91/271/CEE privind epurarea apelor uzate urbane [71].
Directiva, are ca obiectiv central, protecția mediului de efectele negative ale evacuărilor de ape uzate urbane și de ape uzate din anumite sectoare industriale (în principal prelucrarea și fabricarea produselor din industria alimentară). Legislația europeană din domeniul epurării apelor uzate și evacuării în mediul acvatic a fost transpusă în România, în perioada 2002-2005, cu toate că, în continuare, sunt necesare etape de implementare pentru conformarea integrală la cerințele Directivei.
Termenele de implementare ale Directivei variază și depind de dimensiunea aglomerării și de impactul acesteia asupra apelor receptoare.
Pentru implementarea Directivei, termenul de tranziție final a fost stabilit la 31 decembrie 2018, cu indicarea termenelor intermediare pentru colectarea și epurarea apelor uzate urbane. România a obținut perioade de tranziție în vederea implementării și conformării cu prevederile Directivei Consiliului 91/271/EEC privind epurarea apelor uzate urbane, pentru [68], [71]:
Colectarea apelor uzate urbane (art. 3 al Directivei), după cum urmează [71]:
31 decembrie 2013, conformarea cu directiva va fi realizată în aglomerări umane cu mai mult de 10.000 l.e.*;
31 decembrie 2018, conformarea cu directiva va fi realizată în aglomerări umane cu mai puțin de 10.000 l.e;
În ceea ce privește epurarea apelor uzate urbane și evacuarea acestora – art. 4 (1a,b) și art. 5(2):
31 decembrie 2015, conformarea cu directiva va fi realizată în aglomerări umane cu mai mult de 10.000 l.e.;
31 decembrie 2018, conformarea cu directiva va fi realizată în aglomerări umane cu mai puțin de 10.000 l.e.
În ceea ce privește epurarea apelor uzate urbane, țintele intermediare de realizare pentru încărcarea biodegradabilă exprimată în locuitori echivalenți sunt [71]:
31 decembrie 2010 – reprezentând 51% din încărcarea biodegradabilă totală în l.e.;
31 decembrie 2013 – reprezentând 61% din încărcarea biodegradabilă totală în l.e.;
31 decembrie 2015 – reprezentând 77% din încărcarea biodegradabilă totală în l.e.
În ceea ce privește colectarea apelor uzate urbane, țintele intermediare de realizare pentru încărcarea biodegradabilă exprimată în locuitori echivalenți sunt [71]:
31 decembrie 2010 – reprezentând 61% din încărcarea biodegradabilă totală în l.e.;
31 decembrie 2013 – reprezentând 69% din încărcarea biodegradabilă totală în l.e.;
31 decembrie 2015 – reprezentând 80% din încărcarea biodegradabilă totală în l.e.
* locuitorul echivalent (l.e.) reprezintă unitatea de măsura pentru poluarea biodegradabilă și stabilește dimensiunea poluării provenită de la o aglomerare umană. Se exprimă ca media acelei poluări produsă de o persoană într-o zi – în directivă s-a fixat valoarea de 60 grame consum biochimic de oxigen la 5 zile (CBO5) pe zi. Modul de calcul al locuitorilor echivalenți pentru o aglomerare umană este dat de raportul dintre încărcarea totală în CBO5 a apelor uzate și valoarea de 60 g CBO5/zi corespunzătoare unui locuitor echivalent.
Figura 1.7. – Datele intermediare de realizare pentru încărcarea biodegradabilă exprimată în locuitori echivalenți din punctul de vedere al colectării și epurării apelor uzate urbane [71]
O aglomerare umană se consideră a fi conformă în condițiile în care dispune de sisteme de colectare și epurare având o eficiență de cel puțin 98% din încărcarea organică biodegradabilă (locuitori echivalenți) generată de respectiva aglomerare [71]. În același timp, atât nivelul de epurare cât și tehnologia aplicată, trebuie să fie corespunzătoare dimensiunii aglomerării, adică, pentru aglomerările umane cu mai mult de 10000 l.e. este obligatorie aplicarea epurarii avansate pentru îndepărtarea nutrienților, iar pentru aglomerările cuprinse între 2000 – 10000 l.e. este obligatorie doar epurarea mecano-biologică (secundară). În zonele costiere, la aglomerări cu mai puțin de 2000 l.e. și mai puțin de 10.000 l.e., înainte de evacuarea în apele receptoare, este necesar să se realizeze „o epurare corespunzatoare”, care să aibă în vedere condițiile locale. Perioada finală de tranziție și pentru aceste tipuri de aglomerări, este 31 decembrie 2018.
În același timp, pentru aglomerările care au mai puțin de 2000 l.e., situate în zone de deal sau zone de munte, condițiile geo-morfologice și climatice obligă la soluții specifice și individuale, cum ar fi: mini stații de epurare, epurarea naturală în lagune sau alte metode de epurare neconvenționale.
Figura 1.8. – Managementul aplicării principiilor Directivei 91/271/CEE [71]
Conform prevederilor Directivei, nivelul de epurare este definit de mărimea gradului de încărcare pe întreaga aglomerare și de tipul și calitatea cursului de apă la punctul de evacuare. Având în vedere termenele de conformare stabilite prin Tratatul de aderare s-au stabilit următoarele aglomerări care trebuie sa fie dotate cu sisteme de epurare a apelor uzate:
Tabelul 1.9. Situația previzionată pentru stațiile de epurare până la sfârșitul termenului de implementare al directivei
România a făcut pași importanți în implementarea acestei directive, atât din punct de vedere legislativ, cât și al consolidării cadrului instituțional de implementare. În ceea ce privește investițiile românești în infrastructura de ape uzate, trebuie să se asigure, în viitor, fondurile necesare pentru implementarea, în bune condiții, a directivei.
Programului Operațional pentru Mediu (POS Mediu) – finanțat prin Fonduri de Coeziune asigură prin fondurile europene și de la bugetul statului, dezvoltarea infrastructurii pentru apă/apa uzată prin proiecte importante de investiții în toate județele țării.
Având în vedere proiectele în curs de derulare/finalizare, precum și portofoliul de proiecte care se află în curs de pregătire, se poate constata că România este preocupată în continuare să-și îndeplinească angajamentele referitoare la dezvoltarea infrastructurii de apă/apă uzată, prevăzute în Tratatul de Aderare.
1.7. Concluzii
Pentru apele uzate provenite cu precădere din industria textilă, este necesară o sterilizare a acestora, deoarece prin dezinfectare nu se distrug toate organismele din apă.
Industria textilă, și finisarea chimică textilă în special, a resimțit cu severitate rigorile noilor cerințe ale pieței și legislației în ceea ce privește protecția mediului.
Principalele probleme ce intervin sunt legate de poluarea apelor. Finisarea chimică textilă depinde de apă ca de un mijloc indispensabil de producție. Chiar în cazul unei aceleași întreprinderi pot apărea modificări importante în ceea ce privește compoziția apelor uzate, ca urmare a schimbărilor intervenite în structura producției sau a modificării procesului tehnologic.
Marea diversitate de poluanți, precum și modificarea continuă a conținutului apelor uzate, fac deosebit de dificilă epurarea.
CAPITOLUL 2
STUDII PRIVIND NECESITATEA EPURĂRII AVANSATE A APELOR UZATE DIN CENTRELE URBANE
Rezumat
În capitolul de față, este definit conceptul de epurare avansată, terțiară sau de finisare, făcându-se o trecere în revistă a tehnologiilor utilizate în acest scop. Sunt descrise în continuare, tehnologiile de îndepărtare a micropoluanților organici, precum și a substanțelor anorganice dizolvate.
În finalul capitolului se trage concluzia că evaluarea impactului unei stații de epurare asupra comunității și a mediului, trebuie privită prin prisma celor trei zone care trebuie să fie luate în considerare în elaborarea sau punerea în aplicare a unei abordări durabile pentru tratarea apelor reziduale, și anume: mediu, economie și societate. Se impune monitorizarea situațiilor diferite de tratare a apelor uzate din întreaga lume.
CUPRINS
2.1. Obiectivele epurării avansate
Epurarea apelor reziduale (orășenești sau industriale) au fost inițial legate de îndepărtarea materiilor în suspensie (sedimentabile sau flotabile), realizată prin ceea ce numim epurare primară sau mecanică, apoi de reducerea substanțelor organice în treapta biologică sau secundară [23]. Datorită substanțelor reziduale existente în apele uzate, problema a devenit mult mai complexă. Aceste substanțe creează probleme deosebit de grave mediului înconjurător, fiind extrem de puțin îndepărtate sau practic neschimbate prin treptele de epurare clasică mecano-biologică (detergenți, fosfați, compuși pe bază de azot, săruri anorganice, compuși organici persistenți, pesticide, diverși compuși chimici) [15], [23], [24]. Pentru reținerea acestor substanțe rezistente, a fost nevoie de introducerea unei tehnologii de epurare care să completeze epurarea clasică în scopul protecției mediului și al oamenilor, obținând o apă care să poată fi utilizată în diverse alte scopuri. Această tehnologie se numește terțiară, avansată sau de finisare [24].
Denumirea inițială de „epurare terțiară”, s-a dovedit a fi nesatisfăcătoare, dat fiind că la fel era denumită, cu ani în urmă, filtrarea intermitentă pe nisip a efluentului secundar [49].
S-a încercat o a doua denumire, „recondiționarea apei” care, a fost de asemenea folosită pentru o perioadă de timp și are încă o utilizare restrânsă, limitată la cazurile în care este cerută recondiționarea apei la o calitate corespunzătoare apei de alimentare. Termenul preferat la ora actuală este cel de „epurare avansată” a apei uzate. Denumirea este una generală și acoperă toate formele de epurare suplimentară aplicate după treapta de oxidare biologică a substanței organice.
Denumirea este sugestivă, lăsând să se înțeleagă că este vorba despre o îmbunătățire substanțială a calității efluentului, peste cea asigurată de epurarea secundară. În această denumire generală sunt cuprinse o varietate de tipuri de procese și procedee, variind de la simpla clorare sau filtrare, la precipitarea chimică, adsorbția și oxidarea chimică, la osmoza inversă sau alte forme de desalinizare [24], [21], [23].
Cerințele impuse pentru calitatea efluentului epurat descărcat în emisari, au devenit tot mai stricte, o dată cu dezvoltarea cunoașterii științifice a elementelor poluante găsite în apa uzată, precum și disponibilitatea unei baze informaționale extinse, provenită din studiile de monitorizare a mediului.
În majoritatea situațiilor, sunt impuse condiții severe în privința reținerii substanțelor organice, a suspensiilor, a nutrienților și a compușilor toxici specifici, condiții ce nu pot fi respectate numai cu ajutorul tehnologiilor clasice de epurare convențională [49].
Cerințele impuse prin standardele de calitate, în zonele în care emisarul ce preia efluentul stației de epurare, constituie sursă de alimentare cu apă potabilă pentru folosințele din aval, sunt extrem de severe.
2.2. Consecințele deversării apelor uzate în emisari naturali
Majoritatea stațiilor de epurare din țara noastră, în momentul actual, sunt dotate numai cu trepte de epurare mecanică și biologică. Treapta mecanică permite reținerea substanțelor în suspensie, decantabile și grăsimile, în timp ce treapta biologică asigură îndepărtarea parțială a substanței organice aflată fie sub formă dizolvată, fie sub formă coloidală.
Prin aceste tehnici de epurare nu sunt reținute o serie de substanțe denumite rezistente sau refractare, ca de exemplu compuși ai azotului (N), fosforului (P), metale grele, micro-poluanți organici persistenți, pesticide, anumiți germeni patogeni, precum și alte substanțe ne-biodegradabile. Substanțele respective se regăsesc în efluentul epurat mecano-biologic și ajung în emisar [23], [24].
În cazul în care, emisarul constituie sursă de alimentare cu apă pentru comunitățile din aval de punctul de deversare, efectul lor cumulativ și expunerea continuă a oamenilor la aceste substanțe poate avea efecte negative (uneori, chiar letale) asupra sănătății umane. Mai mult, unele dintre ele constituie hrană ideală pentru alge și plante acvatice. Consecințele deversării apelor uzate epurate mecano-biologic (conținând poluanți reziduali de tipul celor amintiți anterior) în emisarii naturali se manifestă pe planuri diverse, de la afectarea sănătății umane, până la probleme complexe de natură ecologică, tehnică și economică [23], [49].
Gazul amoniac este toxic, având efecte cumulative sub-letale, încetinind creșterea și dezvoltarea copiilor și a adolescenților. Germenii patogeni, virușii, compușii azotului din efluentul epurat mecano-biologic periclitează grav sănătatea oamenilor. Cei mai periculoși sunt azotiții, atât pentru oameni (produce cancerul gastric), cât și pentru fauna acvatică. Azotații reprezintă o formă mai puțin periculoasă, nederanjantă pentru adulți (poate determina anumite afecțiuni gastrice); pentru nou-născuți însă, provoacă methemoglobinemia (boala albastră). Efectele negative ale existenței poluanților reziduali în efluentul epurat mecano-biologic se resfrâng și asupra mediului, asupra peisajului, deoarece [49]:
se produce eutrofizarea lacurilor și a râurilor cu curgere lentă (fenomen datorat compușilor de azot și de fosfor, substanțe nutritive pentru alge și microplancton, constând în dezvoltarea accelerată și masivă a microplanctonului și vegetației acvatice);
consumă oxigenul dizolvat din apa lacurilor și a râurilor cu curgere lentă, conținutul în oxigen al straturilor de adâncime fiind și așa foarte sărac. Nămolul căzut pe fundul lacurilor intră în fermentație anaerobă și la fluctuații de nivel se produc mirosuri neplăcute;
apa devine toxică pentru fauna piscicolă datorită variației pH-ului, care modifică echilibrul ionic din apa emisarilor;
culoarea apei emisarilor se modifică, cu toate consecințele (în special asupra peisajului) care decurg din aceasta.
Efectele tehnico-economice ale deversării efluenților epurați mecano-biologic, conținând substanțe reziduale, în emisarii naturali, nu trebuie omise, în sensul că:
se impun tehnologii de tratare a apei pentru potabilizare, complicate tehnic și costisitoare din punct de vedere economic;
apele sunt îmbogățite cu uleiuri eterice care imprimă gust neplăcut și sunt foarte greu de îndepărtat în procesele de tratare pentru potabilizare;
datorită eutrofizării sunt împiedicate activitățile legate de navigație și agrement.
2.3. Metode eficiente utilizate pentru eliminarea poluanților reziduali din apele uzate
Poluanții conținuți în apele uzate sunt îndepărtați mai mult sau mai puțin în treptele de epurare convențională, iar alții sunt reținuți extrem de puțin sau deloc în stațiile de epurare clasice. Condițiile severe legate de concentrațiile limită admise în efluentul epurat, deversat în emisarii naturali, au fost impuse de problemele acute legate de protecția apelor [24], [28], [32].
Deosebit de importantă, în stabilirea modalităților de epurare avansată, în scopul respectării standardelor de calitate în vigoare, este cunoașterea poluanților existenți în efluentul epurat mecano-biologic și a efectelor pe care aceștia le au asupra mediului. Este bine cunoscut faptul că efectele potențiale ale substanțelor reziduale existente în efluenții mecano-biologici pot varia considerabil. Deși suspensiile solide și compușii organici biodegradabili sunt reținuți în special prin epurare mecano-biologică, sunt unele situații în care pot fi impuse rețineri suplimentare.
Pe la mijlocul anilor ’60, compușii azotului și fosforului din deversările de ape uzate au atras atenția datorită efectului lor în accelerarea eutrofizării lacurilor și stimularea culturilor acvatice. În prezent însă, pentru statele în care domeniul epurării este deosebit de avansat, controlul nutrienților a devenit o parte obișnuită a epurării apelor uzate, mai ales în preocupările de refacere a proviziei de apă subterană. În multe cazuri, pentru reducerea toxicității amoniacului sau reducerea impactului asupra resurselor de oxigen în cursurile de apă sau estuare, nitrificarea debitelor de apă uzată este de asemenea necesară.
O atenție deosebită s-a acordat încă din anii ’80, nemetalelor, metalelor, compușilor organici, compușilor halogenați, pesticidelor, ierbicidelor, insecticidelor și compușilor organici volatili, toți acești poluanți fiind considerați toxici pentru oameni și mediul acvatic.
Deși în România problema epurării avansate a apelor uzate a luat amploare mai ales în ultimii 10 ani, pe plan mondial au fost cercetate o serie de tehnici și tehnologii menite să asigure efluentului unei stații de epurare, caracteristici corespunzătoare limitelor admisibile stabilite prin standardele de calitate.
La nivel mondial, de peste 40 de ani, au fost studiate o mare varietate de tehnologii de epurare, dezvoltate și aplicate pentru reținerea poluanților existenți în apele uzate (suspensii, substanțe organice biodegradabile, germeni patogeni, nutrienți, compuși organici sau anorganici cu acțiune cancerigenă, mutagenă, teratogenă sau cu toxicitate acută, substanțe refractare, metale grele, substanțe anorganice dizolvate).
În Tabelul 2.1 sunt prezentați poluanții caracteristici apelor uzate epurate mecano-biologic, precum și efectele pe care le au asupra mediului și sănătății umane [23], [24].
Tabelul 2.1 Poluanții caracteristici apelor uzate epurate mecano-biologic și efectele lor
În tabelul 2.2 sunt prezentate modalitățile de reducere a poluanților reziduali prin procedee de epurare avansată a apei uzate [23], [24].
Tabelul 2.2. Modalități de reducere a poluanților reziduali
prin procedee de epurare avansată a apei uzate
EM – efluentul treptei de epurare mecanică;
EBD – efluentul decantat al treptei de epurare biologică;
EBND – efluentul nedecantat al treptei de epurare biologică;
AUB – apă uzată brută;
NAR – nămol activat recirculat.
Figura 2.1 prezintă căteva exemple de scheme de epurare avansată a apelor uzate [21], [23], [24], [49].
a) Schema cu nămol activat și filtrare
b) Schema cu nămol activat, filtrare și cărbune activ
c) Schema cu nitrificare în BNA (o singură treaptă)
d) Schema cu nitrificare în BNA și denitrificare folosind metanol
e) Schema cu adiție de săruri pentru reducerea fosforului
f) Schema cu nitrificare și adiție de săruri în BNA pentru reducerea fosforului și denitrificare folosind metanol
g) Schema cu îndepărtarea biologică a fosforului pe linia apei
h) Schema cu reducerea biologică a azotului și fosforului și filtrare
Figura 2.1. Exemple de scheme de epurare avansată a apelor uzate
AUB – apă uzată brută; DP – decantor primar; BNA – bazin cu nămol ctivat;
DS – decantor secundar; E – efluent; BNA cu nitrif. – nitrificare în bazinul cu nămol activat; D interm. – bazin de decantare intermediară; DS final – bazin de decantare finală; n.a.r. – nămol activ recirculat; Bazin denitrif. – bazin în care se realizează etapa de denitrificare.
În funcție de procedeul ales sau de combinația de procedee aleasă, se pot obține diverse performanțe în ceea ce privește reținerea poluanților reziduali în treapta de epurare avansată.
Tabelul 2.3 Niveluri de epurare atinse cu diverse combinații de procedee și operații individuale utilizate pentru epurarea avansată a apelor uzate
În tabelul 2.3 sunt prezentate nivelurile de epurare (exprimate prin concentrațiile diverșilor poluanți reziduali în efluentul „terțiar”), atinse cu diverse combinații de procedee și operații utilizate pentru epurarea avansată a apei uzate (respectiv combinațiile prezentate în figura 2.1).
În funcție de poluanții reziduali care trebuie îndepărtați și de analizele tehnico-economice ale soluțiilor, sunt posibile o multitudine de combinații de procedee și operații individuale [21], [23], [24], [49].
2.4. Tehnologii utilizate în procesul de epurare avansată
Principalii nutrienți existenți în efluenții epurați mecano-biologic sunt azotul și fosforul. Aceștia au o influență majoră în ceea ce privește epurarea avansată. Deversările de ape uzate epurate conținând N și P pot accelera eutrofizarea lacurilor și a acumulărilor și pot stimula dezvoltarea algelor și a plantelor acvatice [19], [21], [23], [24], [49].
Prezența algelor și a vegetației acvatice, pe lângă faptul că dă aspecte estetice neplăcute, poate afecta utilizarea benefică a resurselor de apă, mai ales în situațiile când ele sunt folosite ca resurse de apă de alimentare, de înmulțire a peștilor și agrement. Concentrațiile semnificative ale N în efluentul epurat mecano-biologic pot avea efecte adverse incluzând consumarea oxigenului dizolvat în emisari, conducând la un mediu acvatic toxic, afectând eficiența dezinfectării cu clor, punând în pericol sănătatea publică și afectând posibilitatea de reutilizare a apei uzate epurate. Controlul nutrienților a devenit un obiectiv important în ceea ce privește managementul calității apei și în proiectarea stațiilor de epurare.
2.4.1. Procedee de control al nutrienților
Pentru alegerea procedeelor de control al nutrienților este important a se stabili: caracteristicile apei uzate brute, tipul stației de epurare existente, concentrațiile impuse în privința N și P pentru efluent și necesitatea reducerii nutrienților sezonier sau permanent.
Metodele utilizate pentru controlul nutrienților pot implica introducerea unui proces individual pentru controlul unui anumit nutrient (de exemplu, adaosul de Al2(SO4)3 pentru precipitarea P) sau pot implica integrarea procesului de îndepărtare a nutrienților în treapta de epurare biologică.
Îndeplinirea cerințelor impuse referitoare la calitatea efluentului, depind de modul și tehnologia aleasă, de flexibilitatea în funcționare și de costul acestora. Inițial, diverse variante de epurare au utilizat sisteme chimice, fizice și biologice pentru limitarea sau controlul cantităților sau formelor de nutrienți din efluentul stațiilor de epurare.
Cele mai utilizate procedee au fost:
nitrificarea în treapta biologică pentru oxidarea amoniacului;
denitrificarea biologică folosind metanol pentru reținerea N;
precipitarea chimică a P.
În ultimii ani, au fost dezvoltate o serie de procedee biologice, axate fie pe reținerea individuală a azotului sau a fosforului, fie pe reținerea simultană a N și P.
Aceste procedee s-au bucurat de o atenție deosebită din partea specialiștilor din domeniu, dat fiind faptul că utilizarea masivă a reactivilor chimici a fost eliminată sau redusă substanțial, cu toate consecințele economice care decurg din aceasta.
2.4.2. Clasificarea procedeelor de nitrificare/denitrificare
Procedeele de nitrificare/denitrificare pot fi procedee anoxice cu biomasă în suspensie sau procedee anoxice cu biomasă fixată. Se preferă utilizarea termenului „anoxic” și nu „anaerob” pentru descrierea procesului de denitrificare, deoarece principalele procese bio-chimice nu sunt procese anaerobe, ci numai modificări ale proceselor aerobe [21], [23], [28], [42], [69].
Clasificarea se bazează pe modul în care are loc denitrificarea:
sisteme combinate de oxidare a C și nitrificare/denitrificare utilizând surse interne și endogene de C;
în bazine separate, folosind metanol sau alte surse similare de C organic.
2.4.3. Nitrificarea biologică
2.4.3.1. Nitrificarea biologică propriu-zisă
Prin „nitrificare biologică” se înțelege procedeul prin care azotul din apa uzată brută sau decantată este transformat în nitrați [69].
Nitrificarea este un proces autotrof (de exemplu, energia necesară dezvoltării bacteriene (fiind vorba de bacteriile autotrofe chimio-sintetizante) derivă din oxidarea compușilor de N, în primul rând a amoniacului).
Spre deosebire de bacteriile heterotrofe, nitrificatorii folosesc CO2
(C anorganic) și nu C organic pentru sintetizarea noilor celule [21], [23], [28], [42], [49].
Nitrificarea amoniacului este un proces în două faze care implică două tipuri de microorganisme: nitrosomonas și nitrobacter.
În prima etapă, amoniul este transformat în nitriți:
Faza I: (2.1)
În etapa a II-a, nitriții sunt transformați în nitrați:
Faza a II-a: (2.2)
(2.1) și (2.2) sunt reacții producătoare de energie. Nitrosomonas și Nitrobacter consumă energia derivată din aceste reacții pentru dezvoltarea celulară și supraviețuire.
Reacția energetică totală este:
(2.3)
În același timp cu producerea energiei, câte un ion de amoniu este asimilat în țesutul celular.
2.4.3.2. Clasificarea procedeelor de nitrificare biologică
Procedeele de nitrificare pot fi clasificate în funcție de modul de separare al proceselor de oxidare a carbonului (C) și nitrificare. Oxidarea C și nitrificarea pot avea loc într-un singur bazin (procedeu denumit „într-o singură treaptă”) sau pot avea loc în bazine diferite („nitrificare în treaptă separată”). În cele ce urmează sunt prezentate exemple de nitrificare în aceeași treaptă în care se produce oxidarea substanței organice sau în treaptă diferită de cea în care se produce faza de C.
Nitrificarea într-o singură treaptă (fig. 2.2) este procedeul cu oxidarea carbonului și nitrificarea în bazinul cu biomasă în suspensie, într-o singură treaptă.
Nitrificarea poate fi realizată în orice procedeu cu nămol activat cu biomasă în suspensie. Procedeele cele mai des utilizate sunt aerarea convențională, și o varietate de modificări ale șanțului de oxidare.
Realizarea nitrificării presupune asigurarea și menținerea tuturor condițiilor necesare dezvoltării organismelor de nitrificare.
De exemplu, în zonele cu climat cald, intensificarea nitrificării se poate face prin creșterea timpului mediu de retenție a celulelor și insuflare de aer. Această tehnică este cel mai des utilizată pentru realizarea temporară a nitrificării [21], [23], [42], [49].
Figura 2.2. Schemă tehnologică pentru nitrificare într-o singură treaptă:
DP – decantor primar; BNA – bazin cu nămol activat;
D nitrif. – decantor pentru efluentul nitrificat.
Biofiltrul și filtrul biologic cu discuri sunt procedee cu biomasă fixată, care pot asigura oxidarea C și nitrificarea.
Nitrificarea în treaptă separată (fig. 2.3) este un procedeu cu oxidarea carbonului și nitrificarea în bazine cu biomasă în suspensie, în trepte distincte.
Figura 2.3. Schemă tehnologică pentru nitrificare în treaptă separată:
DP – decantor primar; BNA – bazin cu nămol activat; DS – decantor secundar; D. nitrif. – decantor pentru efluentul nitrificat;
n.r. – nămol de recirculare; I – influent; E – efluent.
Pentru nitrificarea în treaptă separată sunt utilizate atât procedeul cu biomasă în suspensie cât și procedeul cu biomasă fixată. Nitrificarea în bazin separat permite flexibilitate mai mare și fiabilitate (siguranță în funcționare), iar fiecare proces (oxidarea C și nitrificarea), poate fi operat independent, pentru a se atinge performanțe optime.
Efectele toxice potențiale datorate materiilor organice biodegradabile asupra bacteriilor nitrificante pot fi reduse în faza de oxidare a C.
Avantajele și dezavantajele alternativelor de nitrificare
Alegerea unei anumite scheme tehnologice depinde de o serie de factori, incluzând:
modul în care treapta de nitrificare poate fi încorporată în stația de epurare existentă sau într-o stație de epurare nouă;
caracteristica sezonieră sau permanentă a concentrației limită ce trebuie atinsă pentru efluent;
domeniul temperaturilor de lucru;
concentrația dorită a amoniacului în efluentul stației de epurare;
valori standard pentru alți parametri;
costuri.
Tabelul 2.4 prezintă avantajele și dezavantajele diverselor procedee de nitrificare.
Tabelul 2.4. Avantajele și dezavantajele alternativelor de nitrificare
2.4.3.3. Nitrificare/denitrificare în treapta biologică
Nitrificarea/denitrificarea biologică este cea mai bună metodă de reținere a azotului, deoarece:
are o eficiență ridicată în privința reducerii azotului;
stabilitatea funcțională și fezabilitatea sunt ridicate;
proces relativ ușor de supravegheat;
necesită suprafețe restrânse de teren;
costul este moderat.
Reducerea N prin nitrificare/denitrificare biologică este un proces care are loc în două etape. În prima etapă, amoniacul este transformat în nitrat (), în mediu aerob (prima fază este deci de nitrificare). În etapa a doua, nitratul este transformat în azot gazos (faza de denitrificare).
Reținerea nitratului prin transformarea în azot gazos poate fi îndeplinită biologic, în condiții anoxice.
În reducerea azotului ca nitrat sunt implicate două tipuri de sisteme enzimatice: asimilatoare și dezasimilatoare. În procesul asimilator al reducerii nitratului, azotul ca nitrat este transformat în azot amoniacal pentru utilizarea lui de către celule în biosinteză și are loc când azotul ca nitrat este singura formă de N disponibil.
În procesul dezasimilator de îndepărtare a nitratului, N gazos este format din nitrat; în acest proces constă denitrificarea apei uzate. În majoritatea sistemelor biologice de nitrificare/denitrificare, apa uzată ce trebuie denitrificată trebuie să conțină suficient C (materie organică) pentru a asigura sursa de energie pentru transformarea nitratului la N gazos de către bacterii.
Necesarul de C poate fi asigurat de surse interioare, cum ar fi apa uzată și materialul celular, sau de surse exterioare (de exemplu, metanol). Viteza de denitrificare scade liniar la valoarea 0 atunci când concentrația oxigenului dizolvat atinge valoarea de 1 mg/l.
2.4.4. Îndepărtarea fosforului pe cale biologică
Procedeele de îndepărtare biologică a fosforului, a constituit în ultimii ani, o alternativă la metodele chimice. Fosforul este reținut în treapta biologică prin procedee de încorporare a ortofosfaților, polifosfaților și a fosforului legat organic în țesutul celular. Cantitatea totală de fosfor îndepărtată, este funcție de flocoanele produse efectiv. Fosforul conținut în țesutul celular este de cinci ori mai mic decât conținutul în azot al țesutului.
Conținutul real de fosfor este de 7 până la 3 ori mai mic decât conținutul de azot din țesutul celular, funcție de condițiile locale de mediu. În medie, cantitatea de fosfor îndepărtat în cadrul epurării secundare prin nămolul rezidual poate varia între 10–30% din cantitatea influentă. Prin utilizarea unui procedeu biologic de îndepărtare a fosforului, se pot obține performanțe semnificative în afara acestui domeniu.
Conceptul îndepărtării biologice a fosforului este expunerea microorganismelor la condiții alternativ anaerobe și aerobe. Expunerea la condiții alternante determină suprasolicitarea microorganismelor, astfel încât capacitatea de adsorbție depășește nivelurile normale. P nu este utilizat numai pentru supraviețuire, sinteză și energie ci este stocat și folosit ulterior de către microorganisme. Nămolul conținând fosfor în exces este fie rezidual, fie îndepărtat în fluxul de epurare lateral (linia nămolului). Expunerea alternativă la condiții anaerobe și aerobe poate fi realizată fie pe linia apei, fie în procesul de recirculare a nămolului.
Procedeele specifice de epurare biologică utilizate pentru îndepărtarea fosforului sunt:
procedeul A/O – care presupune îndepărtarea P pe linia apei, în treapta biologică;
procedeul PHOSTRIP – implică îndepărtarea P pe linia nămolului;
procedeul cu bazin secvențial (B.S.) – utilizat pentru debite mici de apă uzată, cu condiția flexibilității funcționale, permite reținerea azotului și a fosforului.
2.4.4.1 Procedeul de reținere a fosforului (P) pe linia apei (A/O)
Procedeul A/O (fig. 2.4) este folosit pentru reținerea P combinată cu oxidarea C din apa uzată. Este un sistem cu biomasă în suspensie „single-sludge” (un singur bazin, deci nămol unic), care combină zone anaerobe și aerobe consecutive [23].
Pentru nitrificare, aprovizionarea poate fi făcută prin suplimentarea timpului de retenție necesar în zona aerobă. Nămolul depus este returnat influentului pe la capătul bazinului și amestecat cu apa uzată influentă.
Figura 2.4. Schemă tehnologică pentru procedeul A/O:
I – influent; D – decantor; E – efluent; n.r. – nămol de recirculare
În condiții anaerobe, P conținut în apa uzată și în masa celulară recirculată este eliberat sub formă de fosfați solubili. În acest stadiu se poate realiza parțial reducerea substanțelor organice (ca CBO5). P este absorbit de masa celulară în zona aerobă și este reținut din debitul de fluid în nămolul activat.
Concentrația de fosfor în efluent depinde în mare măsură de raportul CBO5:P al apei uzate. La raporturi mai mari de 10:1, se pot obține concentrații ale P solubil în efluent sub 1 mg/l. Când valorile raportului sunt mai mici de 10:1, pentru obținerea unei concentrații scăzute a efluentului în P trebuie adăugate săruri metalice.
2.4.4.2. Procedeul Phostrip (îndepărtarea P pe linia nămolului)
În acest procedeu (fig. 2.5.), parte din nămolul activat recirculat din epurarea biologică este dirijat într-un rezervor anaerob de stripare a P [23].
Timpul de retenție în acest bazin variază în general între 8 și 12 ore. P eliberat în bazinul de stripare iese din bazin ca supernatant iar nămolul activat sărac în P este returnat în bazinul de aerare.
Supernatantul bogat în P este tratat cu var sau alt coagulant într-un bazin separat și descărcat în DS sau într-un rezervor separat de floculare decantare pentru separarea suspensiilor solide.
Figura 2.5. Schemă tehnologică pentru procedeul Phostrip [23]:
I – influent; D – decantor; E – effluent
Fosforul este îndepărtat din sistem prin precipitare chimică. Sistemele de tip PHOSTRIP asociate cu cele cu nămol activat pot asigura un efluent cu un conținut total de P sub 1,5 mg/l, înainte de filtrare.
2.4.4.3. Procedeul cu bazine cu funcționare secvențială
Reducerea acestor constituenți poate fi realizată cu sau fără adiție chimică la schimbarea funcționării bazinului.
P poate fi îndepărtat prin adiție chimică cu reactivi de coagulare sau biologic, fără adaos de reactivi de coagulare. În configurația prezentată în figura de mai sus, eliberarea P și reducerea CBO5 pot avea loc în faza de amestecare anaerobă, iar reducerea P în faza următoare de amestecare aerobă. Modificând timpii de reacție se poate obține nitrificarea sau îndepărtarea N. Sistemul (fig. 2.6) poate funcționa asigurând orice combinație a oxidării C, cu reducerea N și îndepărtarea P. O reprezentare simplistă a acestui sistem este arătată în figura de mai jos.
Figura 2.6. Sistem cu bazine cu încărcare secvențială [23]
Timpul total al unui ciclu complet poate varia de la 3 la 24 ore. În faza anoxică este necesară o sursă de C ca suport al denitrificării, reprezentată fie de o sursă externă, fie de respirația endogenă a biomasei existente.
Avantajele și dezavantajele alternativelor biologice
de îndepărtare a fosforului
În tabelul 2.5 este prezentată o comparație generală a procedeelor alternative de îndepărtare a P pe cale biologică.
Tabelul 2.5. Avantajele și dezavantajele alternativelor de îndepărtare biologică a fosforului
Procedeele biologice oferă mai multe avantaje în ceea ce privește integrarea în procesul de îndepărtare a nutrienților în stațiile de epurare. Deoarece multe dintre performanțele procedeelor analizate depind mai ales de condițiile locale specifice, se recomandă realizarea testărilor pe stații pilot.
2.4.5 Tehnologii pentru reținerea simultană a azotului și fosforului pe cale biologică
Reducerea simultană a azotului și fosforului au constituit în ultimii ani preocupări în vederea optimizării procedeelor biologice clasice [6]. Multe dintre acestea utilizează procedeul cu nămol activat, introducând suplimentar combinații de zone sau compartimente anaerobe, anoxe și aerobe pentru asigurarea reținerii azotului și fosforului. Unele dintre aceste procedee s-au dezvoltat pe baza unor sisteme a căror destinație inițială a fost de îndepărtare a fosforului.
Procedeele de îndepărtare simultană a azotului și fosforului cele mai des utilizate sunt:
procedeul A2/O;
procedeul Bardenpho în 5 stadii;
procedeul UCT;
procedeul VIP.
2.4.5.1 Procedeul A2/O
Acest sistem (fig. 2.7.) este o modificare a procedeului A/O, având prevăzută în plus o zonă anoxică pentru denitrificare [6].
Perioada de retenție hidraulică în zona anoxică este de aproximativ 1 h. Zona anoxică este deficitară în oxigen dizolvat, dar oxigenul legat chimic în forma nitraților sau nitriților este introdus prin recircularea amestecului nitrificat în zona aerobă.
Se poate obține fără filtrare un efluent cu o concentrație în ceea ce privește fosforul, sub 2 mg/l. Dacă schema de epurare conține și filtrare, concentrația efluentului în P poate fi adusă sub 1,5 mg/l.
Figura 2.7. Schemă tehnologică pentru procedeul A2/O:
I – influent; E – efluent; D – decantor; n.r. – nămol de recirculare
2.4.5.2 Procedeul BARDENPHO în 5 trepte
Procedeul Bardenpho (fig.2.8) [6] inițial proiectat pentru asigurarea nitrificării/denitrificării în treapta de epurare biologică, poate fi modificat pentru a asigura reținerea combinată a azotului și fosforului pe cale biologică.
Figura 2.8. Schemă tehnologică pentru procedeul Bardenpho
în cinci trepte [49]:
I – influent; E – efluent; D – decantor; n.r. – nămol de recirculare
În cazul reținerii fosforului s-a făcut o modificare, constând în adăugarea celei de-a cincea zone (anaerobă). Succesiunea stadiilor și metodele de recirculare diferă față de procedeul A2/O și anume: Trei compartimente: aerob, anoxic 1, aerob – pentru reținerea azotului, fosforului și oxidarea carbonului; compartiment anoxic 2, pentru denitrificare suplimentară, folosind nitratul produs în faza aerobă ca electron acceptor și carbonul organic endogen ca electron donator; compartimentul final, aerob, utilizat pentru striparea azotului gazos rezidual din soluție și pentru diminuarea eliberării fosforului în decantorul final. Amestecul din prima zonă aerobă este recirculat în zona anoxă.
Procedeul utilizează un timp mai lung de retenție a suspensiilor
(10–40 zile), față de procedeul A2/O, ceea ce crește capabilitatea de oxidare a carbonului [23], [49].
2.4.5.3. Procedeul UCT
Studiat de University of Cape Town (UCT), acest sistem (fig. 2.9) este similar procedeului A2/O, cu două excepții: nămolul activat recirculat este returnat zonei anoxe înainte de zona anaerobă; recircularea internă se face din zona anoxică în zona anaerobă [23].
Prin returnarea nămolului activ în stadiul anox, este eliminată introducerea nitratului în zona anaerobă, prin aceasta fosforul eliminându-se în zona anaerobă. Recircularea internă caracteristică procedeului permite creșterea utilizării organice în zona anaerobă.
Amestecul din stadiul anoxic conține o concentrație substanțială de substanță organică solubilă, dar puțin nitrat. Recircularea amestecului anoxic este prevăzut pentru realizarea de condiții optime a fermentării ce are loc în stadiul anaerob [23].
Figura 2.9. Schemă tehnologică pentru procedeul UCT [49]:
I – influent; E – efluent; D – decantor; n.r. – nămol de recirculare
2.4.5.4 Procedeul VIP
Sistemul VIP (Virginia Iniatiative Plant, Norfolk, Virginia), figura 2.10, este similar procedeelor A2/O și UCT, diferind metodele utilizate pentru recirculare. Nămolul activat recirculat este descărcat în zona de admisie a stadiului anoxic, împreună cu recircularea amestecului nitrificat din stadiul aerob [23].
Figura 2.10. Schemă tehnologică pentru procedeul VIP [49]:
I – influent; E – efluent; D – decantor; n.r. – nămol de recirculare
Amestecul din zona anoxică este returnat în zona de admisie în stadiul anaerob. Experimental, s-a constatat că o parte din materialul organic din influentul procesului este stabilizată prin mecanisme anaerobe în stadiul anaerob, ceea ce reduce necesarul de oxigen suplimentar [23].
Avantajele și dezavantajele procedeelor de reținere simultană
a azotului și fosforului
Ca o concluzie generală privind avantajele procedeelor de reținere simultană a azotului și fosforului, arată că, producția de nămol caracteristică sistemelor de epurare convențională cu nămol activ, este comparabilă cu cantitățile de nămol generate, necesitând o cantitate infimă de reactivi chimici pentru îndepărtarea fosforului [19], [49].
Majoritatea acestor procedee, sunt utilizate, într-o formă modificată, fie pentru reținerea fosforului, fie numai a azotului.
2.5. Concluzii
Datorită substanțelor reziduale existente în apele uzate care, extrem de puțin îndepărtate sau practic neschimbate prin treptele de epurare clasică mecano-biologică (detergenți, fosfați, compuși pe bază de azot, săruri anorganice, compuși organici persistenți, pesticide, diverși compuși chimici), creează probleme deosebit de grave mediului înconjurător, se impune necesitatea epurării avansate a apelor uzate orășenești.
Pentru rețineriea acestor substanțe rezistente, se impune introducerea unei tehnologii de epurare care să completeze epurarea clasică în scopul protecției mediului și al oamenilor, obținând o apă care să poată fi utilizată în diverse alte scopuri. Această tehnologie se numește terțiară, avansată sau de finisare.
Studiile de monitorizare a mediului, dezvoltarea cercetărilor privind elementele poluante găsite în apa uzată, precum și disponibilitatea unei baze informaționale extinse, impun cerințe tot mai stricte pentru calitatea efluentului epurat descărcat în emisari.
În privința reținerii substanțelor organice, a suspensiilor, a nutrienților și a compușilor toxici specifici, se impun condiții severe ce nu pot fi respectate numai cu ajutorul tehnologiilor clasice de epurare convențională.
Cerințele impuse prin standardele de calitate sunt extrem de severe în zonele în care emisarul ce preia efluentul stației de epurare, constituie sursă de alimentare cu apă potabilă pentru folosințele din aval.
CAPITOLUL 3
CERCETĂRI PRIVIND OPTIMIZAREA ENERGETICĂ A TEHNOLOGIILOR DE EPURARE A APELOR UZATE
Rezumat
Prezentul capitol prezintă principalele metode de optimizare energetică a proceselor de epurare, prin implementarea tehnologiilor bazate pe calculatoare.
Sunt trecute în revistă, atât posibilitățile de control al proceselor utilizând logica fuzzy, pentru situațiile în care modelul procesului nu este foarte sigur, dar acesta trebuie bine cunoscut, cât și utilizarea rețelelor neuronale artificiale, de tip feedforward, antrenate prin metoda backpropagation folosind mecanismul învățării supervizate (utilizând programul Matlab).
CUPRINS
3.1. Metode de optimizare energetică a proceselor de epurare
Optimizarea din punct de vedere energetic a tehnologiilor de epurarea a apelor uzate, nu poate fi concepută în ziua de azi decât prin implementarea tehnologiilor bazate pe calculatoare. În urmă cu mai bine de 50 de ani, prin controlul avansat al proceselor, se înțelegea orice algoritm sau strategie care nu se încadra în regulatoarele clasice PID. Dezvoltarea calculatoarelor de proces a permis aplicarea unor algoritmi ce nu puteau fi realizați prin tehnologia analoagă. Astfel, au devenit posibile controlul feed forward, controlul multivariabil și controlul optim al proceselor. Controlul avansat al proceselor a devenit posibil în special datorită progreselor realizate de industria electronică. Prin controlul avansat nu trebuie înțeleasă doar utilizarea calculatoarelor multiprocesor sau a pachetelor software moderne și nici utilizarea unui algoritm de control sofisticat [8], [42], [49]. Controlul avansat are un caracter multidisciplinar, bazându-se pe elemente de ingineria controlului, procesarea semnalelor, statistică, teoria deciziei, inteligența artificială, ingineria hardware și software.
3.1.1. Implementarea logicii fuzzy în reglarea și comanda avansată a proceselor de epurare
În teoria controlului, atunci când sistemele au un caracter neliniar, iar stările lor nu pot fi descrise în mod exact, ci doar prin enunțuri, care au un anumit grad de ambiguitate, intervin conceptele vagi.
Manipularea conceptelor vagi care nu pot fi modelate prin concepte matematice exacte (numere, mulțimi sau funcții clasice), poate fi făcută prin calculul fuzzy, care permite recunoașterea formelor; aproximarea funcțiilor; controlul sistemelor; compresia imaginilor [24].
Caracteristicile specifice utilizării cu succes a logicii fuzzy în conducerea sistemelor sunt:
aplicabilitate în cazul sistemelor neliniare al căror modele nu sunt cunoscute sau există o variație a parametrilor;
utilizare cu succes în cazul lipsei unor intrări precise, neafectate de zgomot;
regulile definite de utilizator care guvernează problema de conducere fuzzy, sunt procesate de către regulatorul fuzzy, acestea putând fi modificate în scopul îmbunătățirii sau alterării performanțelor sistemului;
posibilitatea generării numeroaselor intrări și ieșiri, ceea ce face accesibilă aplicarea logicii fuzzy la conducerea sistemelor complexe.
Procedurile de conducere fuzzy comportă și unele dezavantaje, cum ar fi [49]:
lipsa unei metode generale de analiză a stabilității;
regulile fuzzy generează numai funcții statice neliniare;
lipsa unei proceduri sistematice generale pentru instruirea și acordarea automată a regulilor.
Utilitatea controlului proceselor utilizând logica fuzzy este evidentă atunci când modelul procesului nu este foarte sigur, dar procesul trebuie bine cunoscut, altfel, neglijând o regulă, controlerul poate funcționa necorespunzător.
3.1.1.1. Fundamentele logicii fuzzy
Bazele teoriei mulțimilor fuzzy au fost puse în anul 1965 de către L.A. Zadeh, profesor la Universitatea Berkeley din California. După apariția lucrării de referință a lui Zadeh, teoria mulțimilor fuzzy a cunoscut un progres rapid, mai ales după 1970 când devine o teorie matematică avansată, cu numeroase domenii abstracte de dezvoltare. Implicațiile teoriei mulțimilor fuzzy asupra proceselor cognitive sunt profunde și conduc la o înțelegere dintr-o perspectivă mai largă a problemelor științifice și tehnice abordate prin prisma inteligenței artificiale [24], [49].
Aplicațiile actuale ale teoriei mulțimilor fuzzy sunt foarte diverse, materializate fiind în industria electrocasnică, conducerea vehiculelor de transport, roboți industriali, luarea deciziilor în mediile economico-financiare, sisteme expert, diagnoză tehnică și medicală, etc.
Dezvoltările spectaculoase din tehnologia electronicii și tehnicii de calcul au deschis calea utilizării teoriei mulțimilor fuzzy în practica sistemelor de reglare automată.
Primele utilizări în acest domeniu sunt atribuite lui E.H.Mamdani, care în 1974 a realizat primul regulator fuzzy pentru comanda unui motor cu aburi [42], [49].
Experiența și comportamentul uman în luarea deciziilor, sunt definitorii în sistemele bazate pe logică fuzzy.
Conducerea satisfăcătoare a proceselor complexe și puternic neliniare, în foarte multe cazuri, este dificil de realizat folosind tehnicile convenționale de reglare, care sunt dependente de utilizarea modelelor matematice liniare sau liniarizate, Dar liniarizarea este o idealizare matematică care poate fi utilizată numai ca o aproximare a sistemelor reale.
Utilizarea regulatoarelor bazate pe logică fuzzy nu necesită cunoașterea unui model exact pentru procesele reglate și pot fi aplicate cu succes și proceselor cu neliniarități esențiale.
Conducerea fuzzy pornește de la formularea acțiunilor de reglare cu ajutorul unor reguli lingvistice DACĂ-ATUNCI, care în mod uzual au forma [24], [42], [49]:
DACĂ (premisă) ATUNCI (concluzia)
în care premisa conține o serie de condiții, care sunt satisfăcute, iar concluzia conține comenzile care trebuie aplicate în cazul validării premisei.
Acest tip de comandă bazată pe cunoștințe devine foarte utilă pentru conducerea proceselor complexe, la care este dificil de construit un model matematic precis, în schimb un operator uman poate conduce acest proces.
Așadar spre deosebire de sistemele clasice, în care acțiunile de reglare se bazează pe mărimi ferme, cu valori numerice bine precizate, sistemele cu logică fuzzy folosesc o caracterizare calitativă a proceselor exprimată lingvistic pe care o adaptează permanent în funcție de modul de evoluție a acestor procese.
În contextul celor menționate mai sus, pot fi evidențiate următoarele avantaje ale sistemelor de conducere bazate pe logică fuzzy [42], [49]:
sistemele fuzzy asigură un raport performanțe-cost ridicat față de majoritatea sistemelor clasice;
conducerea fuzzy nu necesită o modelare riguroasă a procesului facilitând o abordare inginerească a acestuia;
sistemele fuzzy pot modela mult mai exact experiența unui operator uman, decât sistemele clasice și ca urmare pot implementa o bază de reguli lingvistice foarte dezvoltată;
abilitatea de a lucra cu informație imprecisă și imperfectă;
modelarea sistemelor complexe neliniare.
În cazul reglării fuzzy, algoritmii de reglare convențională sunt înlocuiți printr-o serie de reguli lingvistice de forma dacă (premisă) atunci (concluzie).
Astfel, se obține un algoritm euristic și poate să se ia în considerare experiența operatorului uman pentru conducerea proceselor. În aceste condiții, logica fuzzy se pretează foarte bine conducerii proceselor [49].
Reglarea fuzzy este o versiune simplificată a logicii fuzzy, prin aceea că în reglarea fuzzy se folosește o singură metodă de inferență, care este o combinație între valori exacte de intrare și reguli dacă-atunci (if-then). Aceste reguli sunt reprezentate printr-o relație fuzzy binară.
Configurația de bază a unui regulator fuzzy are aspectul din
figura 3.1.
Fig. 3.1. Schema de principiu a unui regulator fuzzy
Pe baza schemei din figura 3.1. se poate spune că un regulator fuzzy este alcătuit din [24], [42], [49]:
Baza de reguli. Aceasta este alcătuită din toate regulile dacă-atunci. În premise sunt introduse valorile de intrare x, astfel încât să se poată decide care regulă poate fi utilizată și care nu și în ce mod anume poate fi utilizată. Ieșirile regulilor care au fost activate sunt puse împreună și trimise spre interfața de defuzificare. Această bază de reguli este formulată de către un expert în conducerea procesului respectiv.
Fuzificarea. Mărimile de intrare nu sunt mulțimi fuzzy, ci valori reale precise. Deci ele trebuie fuzificate, adică acestora trebuie să li se atribuie valori fuzzy. Aceste valori fuzzy se introduc în premisele dacă-atunci. Ca și rezultat se determină care regulă poate fi activată împreună cu gradul de apartenență rezultat de la fiecare regulă. Acest grad depinde de cât de mult intrarea și premisele regulii corespund una alteia.
Blocul de inferență. În acest bloc se realizează, pe baza informațiilor fuzificate, evaluarea bazei de reguli în vederea obținerii concluziei vagi.
Defuzificarea. Mulțimea fuzzy care vine spre a fi defuzificată are o formă foarte complicată, deoarece ea este o combinație de câteva mulțimi cu grade de apartenență limitate. Scopul interfeței de defuzificare este de a găsi o singură valoare reală precisă u care să cuprindă mulțimea fuzzy de ieșire.
În domeniul reglării fuzzy s-au dezvoltat numeroase structuri de reglare, care se bazează pe teoria logicii fuzzy.
Etapele de dezvoltare ale unui regulator fuzzy sunt:
analiza structurală și funcțională a procesului de reglare în vederea cunoașterii comportării acestuia la diverse semnale de intrare și perturbații;
modelarea matematică a procesului condus, simularea acestuia pe calculator și compararea cu eventuale date experimentale;
alegerea schemei de reglare, a numărului și tipurilor de regulatoare fuzzy folosite;
stabilirea mărimilor de intrare și ieșire din regulator, domeniile de variație a acestora;
definirea termenilor lingvistici asociați mărimilor de intrare și ieșie și definirea funcțiilor de apartenență corespunzătoare;
stabilirea bazei de reguli care realizează conectarea premiselor de concluzii, în acord cu descrierea lingvistică a comportării regulatorului;
alegerea tipului de interfață și a metodei de defuzificare în funcție de caracteristicile și performanțele dorite pentru procesul condus;
simularea în buclă deschisă a comportării regulatorului;
simularea pe calculator a întregului sistem de reglare automată;
acordarea regulatorului pentru optimizarea funcționării sistemului de reglare;
implementarea practică a regulatorului fuzzy, care se poate face software sau hardware;
validarea soluției și integrarea regulatorului în aplicația practică și acordarea finală a acestuia în vederea optimizării conducerii procesului.
3.1.1.2. Tipuri de regulatoare fuzzy utilizate în procesele de epurare
În scopul optimizării energetice a proceselor din cadrul stațiilor de epurare a apelor uzate, se utilizează tot mai des anumite tipuri de regulatoare fuzzy, în diverse scheme de reglare, dintre care cele mai frecvente sunt prezentate în figura 3.2 și sunt descrise în continuare [24]:
Fig. 3.2 Scheme de reglare a proceselor utilizând logică fuzzy
Reglare directă a nivelului H în stația de pompare a apelor uzate din treapta fizică constă în faptul că ieșirea din proces este comparată cu referința și, dacă există un semnal de eroare, regulatorul emite o comandă conform cu strategia de control [24].
Avantaje: se poate folosi pentru sisteme cu intrări și ieșiri multiple (MIMO); pot fi încorporate cunoștințele operatorului uman; nu este necesar modelul procesului.
Dezavantaje: proiectarea și implementarea unui astfel de regulator depinde foarte mult de experiența inginerilor proiectanți.
Fig. 3.3 Reglare directă a nivelului H în stația de pompare a apelor uzate din treapta fizică
Reglarea nivelului din sistemul de grătare cu ajutorul unui regulator PID și supervizor fuzzy (fuzzy PID supervizor) (fig.3.4), constă din două bucle de reacție: prima este o buclă a unui sistem standard de reglare a unui proces liniar cu regulator PID; cea de-a doua este un sistem supervizor fuzzy neliniar [24].
Avantaje: se poate aplica la schemele clasice de reglare deja implementate în practică; poate fi utilizat la sisteme cu dinamică rapidă; ușor de proiectat.
Dezavantaje: se poate aplica numai dacă regulatorul PID poate fi proiectat.
Fig. 3.4 Reglarea cu regulator PID și supervizor fuzzy a nivelului
din sistemul de grătare
Fig. 3.5 Reglarea supervizată fuzzy a debitului din bazinul de ape pluviale
Avantaje: permite utilizarea tuturor informațiilor despre proces (modele analitice, modele empirice, modele euristice etc.); se poate folosi pentru intrări și ieșiri multiple (MIMO).
Dezavantaje: timpul de răspuns relativ mare conduce la creșterea complexității algoritmului de control.
Fig. 3.6 Reglarea cu predicție bazată pe model fuzzy a concentrației de nămol din decantorul primar
Reglarea cu predicție bazată pe model fuzzy (fuzzy model based predictive control) (fig.3.6) presupune cunoașterea, cu o precizie mai mare sau mai mică a unor evenimente, care urmează să se producă după un timp predefinit. În cazul predicției se poate spune că efectul se cunoaște înaintea cauzei. În cazul sistemelor dinamice, dacă se cunoaște ținta impusă (fiind doar o condiție necesară nu și suficientă), atunci se poate elabora comanda, astfel încât la momentul dorit să avem realizarea impusă [24].
Pentru a anticipa corect evenimentele care urmează să se producă, se impune să se cunoască toate aspectele care contribuie la obținerea efectului dorit. În cazul structurilor de reglare cu predicție, se cunoaște atât valoarea prescrisă pentru un orizont de timp predefinit, cât și modelul care permite calculul predictorului (fig.3.7).
Fig. 3.7 Principiul reglării cu predicție
Reglarea cu predicție se aplică în general sistemelor cu timp mort și/sau în cazul în care se dorește să se obțină reproducerea fidelă a mărimii prescrise sistemului.
În general sinteza legii de comandă presupune cunoașterea următoarelor elemente:
mărimea prescrisă pentru un orizont finit de timp care trebuie să fie cel puțin mai mare decât timpul mort;
modelul procesului pentru sinteza legii de comandă.
Fig. 3.8 Reglare adaptivă parametrică fuzzy a concentrației de nămol rezidual din decantorul secundar
În prezența incertitudinilor parametrice și structurale inerente proceselor reale, soluțiile robuste de conducere nu au eficiența dorită în asigurarea invariației performanțelor sistemului de reglare. Astfel, în afara buclei de reglare convențională (reacția negativă) se introduce în structura de reglare o buclă de adaptare al cărei rol este de a asigura adaptarea continuă a comenzii la variația parametrilor sau structurii modelului ce caracterizează procesul condus [24].
Verificarea stabilității sistemelor de reglare fuzzy este o problemă deoarece acestea sunt sisteme neliniare complexe. Nu există teorii particulare pentru astfel de sisteme, ci se folosesc metodele cunoscute pentru aprecierea stabilității sistemelor neliniare.
Principalele dificultăți care apar în dezvoltarea regulatorului fuzzy cu model intern (fuzzy internal model control) (fig.3.9) sunt legate de:
numărul foarte mare de grade de libertate în proiectare;
necesitatea asigurării unor proprietăți dinamice suplimentare (de exemplu, forțări, efect de integrare ș.a);
în unele situații, baze de cunoștințe incomplete.
Fig. 3.9 Reglare cu regulator fuzzy cu model intern a debitului de aer
din bazinul de aerare
Din aceste motive, în practică se apelează adeseori la variante fuzificate ale regulatoarelor convenționale, (de poziție, viteză, variabile de stare, polinominale).
Utilizarea regulatoarelor fuzzy în procesele de epurare a apelor uzate, comportă și asumarea unor dezavantaje, cum ar fi:
necesită experiență din partea proiectantului în ceea ce privește selectarea unor parametri liberi ai regulatorului astfel încât să se obțină cel mai bun comportament al sistemului de reglare automată;
datorită volumului mare de calcule implementarea este mai dificilă în comparație cu implementarea regulatoarelor convenționale.
Reglarea fuzzy se realizează în practică cu ajutorul unor echipamente numerice. De aceea este necesară o tratare în timp discret a sistemelor de reglare cu regulatoare fuzzy [24].
Datorită marii dezvoltări pe care au luat-o sistemele fuzzy, se poate vorbi de sisteme de conducere complexe, în care teoria reglării fuzzy este combinată cu teoria clasică a reglării adaptive, optimale sau combinată cu sisteme bazate pe rețele neuronale.
3.1.2. Modelarea și conducerea procesului biologic de epurare prin utilizarea rețelelor neuronale
3.1.2.1. Preliminarii
Printr-o rețea neuronală artificială se înțelege un sistem distribuit de prelucrare paralelă a informației, software și/sau hardware, dotat cu anumite performanțe comune rețelelor neuronale biologice. Rețeaua este alcătuită dintr-un număr finit de elemente neliniare de procesare, numite neuroni artificiali, care se află în interconexiune, conform cu un model dat. Rețeaua asfel formată are capacitatea de a-și modifica valorile din punct de vedere cantitativ, asemănătoare conexiunilor și parametrilor proprii de procesare.
Rețelele neuronale, sunt caracterizate prin capacitatea de învățare și reprezintă o soluție pentru dezvoltarea unor regulatoare robuste și adaptive, cu precădere în situațiile în care, dinamica procesului este complexă, neliniară sau necunoscută. În aplicații de conducere, utilitatea rețelelor neuronale este dovedită prin capacitatea de a face față la trei probleme majore: incertitudine, complexitate, neliniaritate [24], [49].
Utilizarea rețelelor neuronale (RN) în scopul optimizării din punct de vedere energetic al proceselor de epurare al apelor uzate, comport o serie de avantaje, și anume:
rețelele neuronale pot manipula date imperfecte, prin generalizare, dând dovada unei toleranțe la erori;
au o capacitate de învățare generalizată, oferind soluții prin prelucrarea datelor avute la dispoziție;
au capacitatea de înglobare în rețea, a unor relații mai subtile sau mai puțin sesizabile. Dependența rețelelor neuronale de reguli și cunoștințe apriorice este mai scăzută decât a structurilor bazate pe modele matematice;
rețelele neuronale se pretează la rezolvarea unor probleme care nu au găsit soluții prin procedeele clasice;
au capacitatea de aproximare universală. În acest sens, RN pot aproxima foarte bine comportarea oricărei funcții, cu orice ordin de precizie;
RN fiind neliniare, pot reține interacțiuni complexe între variabilele unui sistem. Într-un sistem liniar, modificând o intrare se produce o variație proporțională la ieșire și efectul intrării depinde numai de propria ei valoare. Într-un sistem neliniar, efectul depinde și de valoarea altor intrări, iar relația este o funcție complexă;
RN fiind puternic paralele, pot executa un număr mare de operații identice simple, simultan și în paralel;
RN pot construi, prin învățare, într-un proces care se desfășoară în timp, modele estimate ale proceselor analizate direct din date multidimensionale culese de traductoare din proces.
3.1.2.2. Principiile biologice care stau la baza realizării rețelelor neuronale artificiale (RN)
Cercetările în domeniul rețelelor neuronale artificiale, au fost inspirate și influențate de cunoștințele despre sistemul nervos biologic. Creierul uman este un sistem complex, capabil să gândească, să-și aducă aminte și să rezolve probleme [8], [23], [42].
Fig. 3.10. Structura neuronului biologic uman
Un neuron biologic (fig. 3.10) care este unitatea celulară fundamentală a sistemului nervos al creierului uman, are capacitatea de a recepționa stimuli electrochimici de la surse multiple (senzori) și de a răspunde prin generarea unor impulsuri electrice transmise altor neuroni sau celule efectoare (mușchi sau glande).
Neuronul are în componență un nucleu, corpul celulei, o serie de legături arborescente care produc conexiuni de la alți neuroni prin sinapse și prelungire a celulei nervoase ce transportă o acțiune potențială de ieșire la un alt neuron, prin legături terminale și sinapse [24], [49].
Prin analiza neuronului biologic se pot detecta o serie de caracteristici capabile de a fi preluate de către un model de neuron artificial. Aceste caracteristici sunt:
neuronul biologic fiind un element de procesare, poate primi mai multe semnale corespunzătoare stimulilor de intrare care pot fi modificate prin asocierea unei ponderi variabile sinapsei receptoare;
neuronul transmite un singur semnal de ieșire;
ieșirea unui neuron poate fi transmisă mai multor neuroni;
prelucrarea informației este locală;
capacitatea de memorare a neuronului este distribuită :
memoria de lungă durată, care rezidă în ponderi sau în sinapsele neuronilor;
memoria de scurtă durată corespunzătoare semnalelor transmise de neuroni.
prin experiența acumulată, durabilitatea unei sinapse poate fi modificată;
neurotransmițătorii biologici pot fi excitatori sau inhibitori.
Marele avantaj al unui sistem biologic este toleranța la defecte, în sensul că suportă defectarea sistemului însuși. Neuronii creierului uman, în decursul vieții mor, dar sunt înlocuiți. Omul continuă să învețe, în ciuda pierderii continue de neuroni, deoarece alții „se antrenează” pentru preluarea funcțiilor acelor neuroni care își încetează activitatea. În același mod, rețelele neuronale artificiale sunt insensibile la mici avarii și reantrenabile în cazul unor avarii semnificative [8], [23], [49].
Rețelele neuronale sunt compuse din unități simple de procesare interconectate între ele.
Ponderile legăturilor dintre unități sunt cele care memorează informația învățată de rețea. Rețeaua învață prin ajustarea acestor ponderi, conform unui algoritm sau reguli de învățare [23], [49].
Fiecare unitate sau neuron poate fi gândită ca un procesor operând independent de celelalte unități din rețea. Modelul unui neuron artificial este prezentat în fig. 3.11 [23].
Fig. 3.11. Modelul de bază al unui neuron artificial [23]
Elementul de procesare al neuronului artificial are două componente:
un comparator care realizează suma intrărilor ponderate;
o funcție neliniară definită printr-o caracteristică statică.
Ieșirea yj a neuronului j din rețea este calculată conform relațiilor de mai jos:
(3.1)
(3.2)
unde: yi – intrări;
– ponderea legăturii dintre nodul i și nodul j;
b – prag de polarizare (bias) a nodului j și reprezintă influența unei intrări constante (+1) permițând modificarea focarului funcției de activare;
f (·) – funcția de activare a nodurilor din rețea;
yj – ieșirea neuronului j.
3.1.2.3. Structuri de sisteme de conducere cu rețele neuronale
Problema care se pune în cazul utilizării rețelelor neuronale în conducerea proceselor de epurare este aceea de a determina ieșirile regulatorului reprezentat de o rețea neuronală, ieșiri ce vor deveni intrări ale procesului, dându-se starea curentă a procesului [24].
Avantajele regulatoarelor neuronale în raport cu cele convenționale sunt următoarele:
în comparație cu regulatoarele clasice, regulatorul neuronal poate utiliza în mod eficient, atât în proiectarea cât și în execuția unei acțiuni de comandă, o mai mare cantitate de informație de la senzori;
regulatorul neuronal, având o capacitate de procesare ridicată, poate să ofere un răspuns rapid la intrări complexe, în timp ce, într-un regulator convențional, viteza de execuție a unor algoritmi complecși are limitări severe;
datorită „învățării” regulatorul neuronal permite realizarea unei conduceri mai eficiente.
În figura 3.12 sunt prezentate principalele metode de control bazate pe rețele neuronale [23], [24]:
Fig. 3.12. Metode de control bazate pe rețele neuronale
Categoriile principale ale sistemelor de control, bazate pe RN, pot fi de două feluri:
controlul direct – rețeaua neuronală este antrenată să lucreze ca un regulator, determinând acțiunile de control în mod direct;
controlul indirect – rețeaua neuronală este antrenată să reprezinte inversul procesului de condus, calculând intrările necesare în proces care conduc la ieșirile dorite ale procesului regulatorul. În acest caz, regulatorul nu este o RN, acesta fiind bazat pe modelul RN al procesului.
Controlul neuronal direct
Rețeaua neuronală, este antrenată să lucreze ca un regulator tradițional (de tip PID), adică, dându-se eroarea ε, rețeaua va produce mărimea de control u care micșorează valoarea erorii ε (fig.3.13).
Inițial, rețeaua va fi antrenată cu un set de date extrase din funcționarea regulatorului PID, urmând ca ponderile rețelei să fie rafinate ulterior, atât off-line, cât și on-line, cu date adiționale [23].
Fig. 3.13. Control neuronal direct
Structurile de conducere de tip control neuronal direct sunt de următoarele tipuri:
direct inverse control – controlul neuronal invers;
internal model control – controlul neuronal bazat pe model intern;
feedback liniarization – controlul neuronal bazat pe liniarizare prin reacție;
feed-forward control – controlul neuronal de tip feed-forward bazat pe modelul invers;
optimal control – controlul optimal.
Controlul neuronal indirect
Prin această tehnică de control se încearcă găsirea unui model invers al procesului, cu ajutorul uneia dintre următoarele două metode:
Inversarea unei rețele neuronale care modelează procesul;
antrenarea directă a unei RN, care va avea ca intrări în rețea, ieșirile procesului și care va produce ca ieșiri ale rețelei, intrările în proces.
Prin intermediul primei metode, având la dispoziție o rețea neuronală care reprezintă modelul direct al procesului, problema este de a căuta acele intrări ale rețelei care produc ieșirile dorite. În cazul implementării celei
de-a doua metode, RN va fi antrenată folosind drept intrări în rețea, ieșirile anterioare, curente și viitoare ale procesului.
Controlul neuronal invers, (fig.3.14), denumit și control invers direct, are un principiu de bază prezintat în cele ce urmează [23].
Fig. 3.14. Controlul neuronal invers
Dacă procesul poate fi descris prin relația:
(3.3)
atunci rețeaua neuronală este antrenată ca fiind inversul procesului, adică:
(3.4)
Modelul invers poate fi stabilit prin două metode de învățare:
general training, adică metoda de învățare generalizată off-line;
specialized training, adică metoda de învățare specializată
on-line.
General training sau „Metoda de învățare generalizată off-line”, constă în utilizarea procesului pentru a furniza un set de perechi de date intrare/ieșire. Aceste perechi vor fi utilizate ca date pentru antrenarea rețelei neuronale [24].
Menirea regulatorului neuronal este ca să învețe să furnizeze, drept ieșiri (comenzi), valori corespunzătoare, având ca intrări țintele dorite (valori dorite ale ieșirii). Comenzile vor fi alese în mod aleator, într-un domeniu corespunzător, pe toată durata procesului de antrenare. Aceste valori, vor fi aplicate ca intrări în proces, obținându-se drept ieșiri, valorile y. Valorile y, vor fi utilizate în final, ca date de intrare pentru RN. Pentru a se cunoaște valoarea comenzii corespunzătoare ieșirii dorite, rețeaua trebuie antrenată într-un domeniu suficient de extins de comenzi, care să permită ieșirii y să includă valorile referinței pe durata învățării.
Dintre dezavantaje metodei, amintim:
regulatorul nu este operațional pe durata învățării;
rețeaua nu are capacitatea de a limita domeniul de lucru numai la valorile care sunt cu adevărat relevante în funcționarea procesului;
metoda nu este adaptivă.
Specialized training sau „Metoda de învățare specializată on-line” (fig.3.15) diferă de învățarea generalizată prin faptul că regulatorul nu învață din perechile intrare/ieșire, ci printr-o evaluare directă a preciziei rețelei în raport cu ieșirea procesului [23], [49].
Rețeaua neuronală va utiliza, eroarea dintre ieșirea actuală a procesului și ieșirea dorită, pentru modificarea ponderilor.
Metoda de învățare specializată on-line evită unele dintre dezavantajele învățării generalizate:
nu există o etapă specială de antrenare;
rețeaua învață direct în domeniul relevant al ieșirilor.
Fig. 3.15. Metoda de învățare specializată on-line (specialized training)
Faptul că antrenarea poate fi realizată în regiunea de interes a valorilor referinței, fără a fi necesară cunoașterea domeniului de variație a semnalului de intrare în proces, constituie un avantaj major. În plus, rețeaua fiind adaptivă, are capacitatea de învățare în mod continuu.
Prin această metodă de control, se pot prezice ieșirile viitoare ale procesului, pe baza unui model al procesului și apoi se minimizează eroarea dintre model și proces. Structura de conducere clasică cu model intern (fig. 3.16), presupune o anume parametrizare a regulatorului [49].
Fig. 3.16. Controlul neuronal bazat pe model intern
(internal model control)
Referința r și ieșirea (măsurată) a procesului, y(t), constituie intrările sistemului de conducere cu model intern.
Printre avantajele utilizării unei astfel de structuri de conducere, se pot aminti [49]:
deoarece modelul procesului este o reprezentare perfectă a acestuia, semnalul de reacție conține doar efectul perturbațiilor de la ieșirea procesului și nu va fi afectat de acțiunea comenzii u(t). În felul acesta, eliminându-se efectul comenzii din ieșirea procesului, sistemul va opera efectiv în bucla deschisă și nu vor mai exista probleme de stabilitate, asociate reacției negative;
prin modificarea referinței regulatorului în mod corespunzător, se va compensa efectul perturbațiilor (nemăsurabile);
în cazul în care, modelul nu reprezintă exact procesul, semnalul de reacție va conține atât influența perturbațiilor (nemăsurabile), cât și efectul erorii de modelare e(y) = y(t) – y(t). Eroarea, în acest caz, va reprezenta un semnal de reacție real care poate genera probleme de stabilitate, forțând modificarea regulatorului ideal în scopul obținerii unor performanțe robuste.
Controlul neuronal bazat pe liniarizare prin reacție
(feedback linearization)
Una dintre metodele cele mai cunoscute de proiectare a unui sistem de conducere a unui proces, pentru cazul neliniar, o reprezintă liniarizarea în jurul unui punct de funcționare. Doar după aducerea modelului în formă liniară, pot fi utilizate metodele clasice de proiectare pentru cazul liniar.
Liniarizarea prin reacție, reprezintă o altă metodă pentru proiectarea regulatoarelor în cazul neliniar. Tehnica se bazează pe următorul principiu: la intrarea sistemului neliniar se consideră semnalul alcătuit din două componente, prima fiind neliniară și va fi utilizată în scopul eliminării neliniarităților din proces [24].
Cea de-a doua componentă, este un regulator liniar de reacție după stare. Alegerea parametrilor regulatorului de stare, este făcută de către utilizator, în scopul obținerii unei comportări dorite a sistemului. Funcțiile f(·) și g(·) (fig.3.17) pot fi aproximate prin utilizarea unor rețele neuronale, iar aceste estimații sunt utilizate în elaborarea legii de comandă [23].
Fig. 3.17. Controlul neuronal bazat pe liniarizarea discretă feedback intrare-ieșire
Printre avantajele acestei metode de conducere, amintim:
implementarea simplă a regulatorului;
posibilitatea acordării în buclă închisă, fără reantrenarea modelului.
Ca dezavantaje semnalate, amintim:
dificultăți în selectarea structurii modelului, deoarece sunt necesare două arhitecturi de RN;
când modelul este la marginea de stabilitate sau instabil, apar probleme.
Controlul neuronal de tip feedforward bazat pe modelul invers
În figura 3.18 este prezentată o structură de conducere, bazată pe controlul neuronal de tip feedforward, numindu-se și structură ierarhică de conducere.
Sistemul este alcătuit din două subsisteme [23], [49]:
primul subsistem este reprezentat de o buclă de reacție negativă convențională, cunoscută și sub denumirea de reacție externă. Bucla de reacție respectivă, se bazează pe semnalul de eroare dintre ieșirea dorită a procesului, r, și ieșirea măsurată, y.
rețeaua neuronală RN din al doilea subsistem, monitorizează ieșirea dorită r și intrarea în proces u. Această rețea învață să modeleze dinamica inversă a procesului. După învățare, rețeaua primește la intrare, ieșirea dorită r, și produce intrarea uff în proces.
Fig. 3.18. Controlul neuronal de tip feedforward
Structura operează astfel: în etapa de învățare, reacția externă este efectivă. Bucla furnizează un semnal de reacție convențional pentru conducerea procesului. Datorită senzorilor, răspunsul sistemului este lent, fapt care limitează și viteza de învățare.
RN învață dinamica inversă a procesului, pe toată durata învățării. O dată ce învățarea progresează, reacția internă preia treptat rolul buclei externe ca reglare principală. Procesul va fi condus în final, de regulatorul feedforward (deoarece eroarea de ieșire este aproape nulă).
3.1.2.4. Reglarea, conducerea avansată și monitorizarea
procesului de epurare biologică
În vederea optimizării procesului de epurare biologică a apelor uzate, se propune o rețea neuronală artificială de tip feedforward, antrenată prin metoda backpropagation folosind mecanismul învățării supervizate.
Schema de principiu al optimizatorului neuronal, care lucrează la nivelul ierarhic superior reglării automate, este redată în figura 3.19.
Fig. 3.19. Schema de principiu a optimizatorului neuronal
Conform schemei propuse, rețeaua neuronală primește la intrare cei patru parametri caracteristici apei uzate intrate în instalația de epurare biologică și anume: debitul Q, concentrația de încărcare organică L, concentrația de nămol activ S și concentrația de oxigen O. Toți acești parametri au în general o variație aleatoare pe perioade lungi de timp, motiv pentru care, ei se măsoară cu ajutorul traductoarelor dedicate și se aplică rețelei neuronale ca valori de intrare.
În strictă dependență cu valoarea acestor vectori, la ieșire din rețeaua neuronală, se obțin vectorii corespunzători de comandă care au ca și componente, mărimile α, β și Oref , aplicate regulatoarelor aflate la nivelul de bază.
În faza de simulare a sistemului de epurare biologică, se va stabili corelația optimă dintre vectorii de intrare și cei de ieșire, operație realizată anterior optimizării.
Datele de antrenament ale rețelei se vor prezenta tabelar. Cu toate că în tabel pot fi trecute numai anumite situații concrete întâlnite mai des în practică, ulterior, orice situație reală sesizată de către traductoare, va fi interpolată de către rețeaua neuronală care va furniza la ieșire un vector de comandă corespunzător.
Programul de proiectare și antrenare supervizată a rețelei neuronale a fost elaborat în Matlab. Antrenarea a necesitat 1176 de epoci până la atingerea unei erori de 0,001. Pentru antrenare s-a utilizat algoritmul backpropagation implementat prin funcția Matlab trainbox. După antrenare ponderile optime ale rețelei sunt reținute în vectorii W1, b1, W2, b2.
Datele obținute se pot utiliza în realizarea și simularea funcționării rețelei, în diferite situații practice, folosind funcția Matlab simuff. O dată antrenată rețeaua neuronală, aceasta se poate utiliza în cadrul sistemului de conducere a procesului de epurare biologică. Se construiește o matrice de variație a valorilor care se controlează în proces [8], [23], [42].
Sistemul neuronal controlează în mod continuu variația parametrilor, prin traductori adecvați, și caută valorile în matricea dată. În final, sistemul va interpola mărimea de reglare și va da comanda corespunzătoare pentru menținerea sistemului în funcțiune la valorile indicate.
3.2. Concluzii
Pentru asigurarea unor regimuri optime de funcționare a proceselor industriale, cu consum minim de energie și materiale, se impune automatizarea complexă, care poate asigura o funcționare sigură, în toate domeniile industriale, reprezentând astăzi o necesitate și nu o opțiune.
În aceste condiții, se impune necesitatea asigurării unor regimuri de funcționare stabile și optime economic, acționarea la distanță a diverselor părți componente ale proceselor complexe, prelucrarea, memorarea și transmiterea unor volume mari de informație, asigurarea unor relații de interdependență între diverșii parametri ai procesului cu satisfacerea unor criterii de performanță globale la valori optime [24].
În condițiile actuale, se impune, ca atât proiectarea, cât și implementarea unui sistem informatic care să asigure anumite cerințe, să se facă într-un timp cât mai scurt, adică un ciclu de realizare mic, cu o economie însemnată de resurse umane și financiare.
În dinamica fluidelor polifazate, vehiculate prin instalațiile de epurare, apar probleme deosebit de complexe care pot fi studiate foarte bine prin modelarea proceselor unitare. Acest lucru permite un studiu al evoluției procesului natural, cu costuri reduse și, ceea ce este mai important, în exteriorul gamei normale de evoluție al parametrilor, fapt care conduce la identificarea zonelor de optim în operare. Modelarea permite eficientizarea proceselor de epurare, reducerea costurilor de operare în cadrul tehnologiei aplicate, precum și obținerea performanțelor maxime a parametrilor de calitate ai apei.
În urmă cu mai bine de 50 de ani, prin controlul avansat al proceselor, se înțelegea orice algoritm sau strategie care nu se încadra în regulatoarele clasice PID. Controlul avansat are un caracter multidisciplinar, bazându-se pe elemente de ingineria controlului, procesarea semnalelor, statistică, teoria deciziei, inteligența artificială, ingineria hardware și software.
Este necesară o tratare în timp discret a sistemelor de reglare cu regulatoare fuzzy care, se realizează în practică cu ajutorul unor echipamente numerice.
În prezent, datorită marii dezvoltări pe care au luat-o sistemele fuzzy, se poate vorbi de sisteme de conducere complexe, în care teoria reglării fuzzy este combinată cu teoria clasică a reglării adaptive, optimale sau combinată cu sisteme bazate pe rețele neuronale.
În situațiile în care dinamica procesului este neliniară, complexă sau necunoscută, o soluție de a dezvolta regulatoare robuste și adaptive, este și utilizarea rețelelelor neuronale, caracterizate de paralelism și capacitate de învățare. În domeniul rețelelor neuronale artificiale, majoritatea cercetărilor au fost influențate de cunoștințele existente despre sistemul nervos biologic. Creierul uman este un sistem complex, capabil să gândească, să-și aducă aminte și să rezolve probleme.
Optimizarea energetică a tehnologiilor de epurare biologică a apelor uzate, poate fi realizată de către o rețea neuronală artificială de tip feedforward, antrenată prin metoda backpropagation folosind mecanismul învățării supervizate (utilizând programul Matlab).
Rezultatele obținute, conduc la concluzia că se poate realiza și simularea funcționării rețelei în diferite situații practice, folosind funcția Matlab simuff. Rețeaua neuronală o dată antrenată, se poate utiliza în cadrul sistemului de conducere a procesului de epurare biologică. Se construiește o matrice de variație a valorilor care se controlează în proces.
CAPITOLUL 4
SOLUȚII DE OPTIMIZARE ENERGETICĂ A PROCESELOR DE EPURARE BIOLOGICĂ A APELOR UZATE PROVENITE DIN INDUSTRIA TEXTILĂ
Rezumat
În capitolul de față, sunt trecute în revistă principalele preocupări privind procesele de epurare a apelor uzate provenite din industria textilă ce condțin coloranți de tip azot fiind elaborată și o metodă pentru epurarea biologică a acestor ape.
În urma consultării rezultatelor cercetării în acest domeniu de epurare a apelor uzate pe plan mondial, se pot lua drept exemple pozitive, o serie de metode eficiente, descrise în capitol.
În continuare, sun propuse căteva metode de epurare biologică a apelor uzate din industria textilă și de pielărie.
CUPRINS
4.1. Prezentarea situației pe plan internațonal
Pe plan internațional există preocupări privind procesele de epurare a apelor uzate provenite din industria textilă ce conțin coloranți de tip azot fiind elaborată și o metodă pentru epurarea biologică a acestor ape.
În urma consultării rezultatelor cercetării în acest domeniu de epurare a apelor uzate pe plan mondial, se pot lua drept exemple pozitive, următoarele metode eficiente:
Doi inventatori chinezi, LIU FENGMING și LIU XIANGJUN propun un material biologic adsorbant pentru epurarea de înaltă eficiență a apelor uzate textile, care este caracterizat prin faptul că, cuprinde următoarele componente în următoarele părți de greutate: 30-40 părți de pulbere de coajă, 35-55 părți de pulbere de paie, 19-23 părți de trestie de zahăr, 0.001-0.003 parți din Metarrhizium anisopliae praf, 0.001 la 0.003 parți din Hirsutella thompasonii Fisher, 0.001 – 0.003 parți din praf verticicladiella, 1-4 părți de hidroxiapatita, 14-16 părți de acid de sodiu fosfat, 1-7 părți de agent de dispersie și 3-9 părți de stearamidă. Prin folosirea unui material de calciu natural ca substrat, materialul biologic are avantajele unei materii prime ieftine, fără poluare, costuri reduse de pregătire, economie înaltă și randament ridicat, reduce încărcătura de mediu, poate trata eficient vopsirea apelor uzate și este simplu de utilizat.
În ceea ce privește oferta de variante mixte pentru epurarea apelor uzate textile care conțin colorant azotic dispersat, a fost concepută o metodă de epurare biologică a apelor uzate textile, care elimina în mod eficient și economic din punct de vedere al oxigenului necesar, coloranții respectivi. Pentru a elimina cromaticele și consumul chimic de oxigen al apei uzate textile, o sursă de carbon suplimentară este injectată în apele uzate textile, în care se aplică tulpini mixte. Sursa de carbon este glucoza suplimentară.
Tot în China, în 2012, s-a inventat un dispozitiv secundar de epurare a apei rezultată de la vopsirea textilelor. Dispozitivul secundar de epurare a apei cuprinde un rezervor de dizolvare, în care este legată o pompă de presurizare printr-o conductă, și care este conectat la un rezervor de reglare de către pompa de presurizare; rezervorul de reglare este în legătură cu o mașină de filtrare printr-o conductă și este conectat cu un rezervor de reacție prin aparatul de filtrare; o pompă de circulație pentru controlul debitului nămolului înapoi în rezervorul de reglare este conectat deasupra rezervorului de reacție; o pompă de presare-filtrare este conectată la o priză de capătul inferior al rezervorului de reacție; aparatul de filtrare este o mașină de filtrare cu spirale stivuite, format din cel puțin un grup de unități de filtrare stivuite de tip spirală. Dispozitivul secundar de epurare a apelor uzate cuprinde, de asemenea, aparatul de presare-filtrare care este dispus deasupra unui vehicul de transport sau o zonă de concentrare a nămolului și este în legătură cu pompa de presare-filtrare prin conducta principală. Dispozitivul secundar de epurare a apelor uzate are avantajul că eficiența de lucru este mare, performanța este stabilă, capacitatea de eliminare a nămolului este puternică, se adoptă un design integrat, corpul mașinii este ușor și durabil, se realizează controlul automat și fiabilitatea este mare. Dispozitivul secundar de epurare a apelor uzate este un dispozitiv de epurare a apelor ecologic, care este simplu în funcțiune, convenabil de folosit și prestează o eficiență de înaltă calitate.
4.2. Soluții propuse
În ceea ce privește epurarea biologică microbiană, recomand utilizarea unei matrițe pentru tratament biologic, care este capabilă de scurtarea timpului de creștere pentru a atinge starea de stabilitate de la începutul funcționării unui aparat încorporat și care are performanțe excelente de îndepărtare a materialelor organice din apa care urmează să fie tratată, și de a oferi un procedeu de epurare biologică folosind epurarea biologică ca purtător microbian.
Epurarea biologică a apelor uzate din industria textilă și de pielărie, cuprinde o etapă anaerobă de pre-tratament, o treaptă facultativă, cu stadiu de activare aerobică sau anaerobică și o etapă aerobă de post-tratament, care cuprinde adăugarea de ozon și, opțional, peroxid de hidrogen, pentru apa tratată și reciclarea acesteia, care conține colorant ca apă de proces.
Epurarea biologică a apelor uzate cu conținut de colorant din industria textilă și piele cuprinde:
(a) supunerea apei uzate unei pretratări anaerobe la un potențial redox negativ pentru un timp minim de retenție în funcție de natura vopselei;
(b) supunerea apei uzate la o activare facultativă anaerobă sau aerobă, având un consum biochimic de oxigen la 5 zile (CBO5) de încărcare de cel puțin 1 kg/m3 pe zi și un potențial redox pozitiv de 0-180 mV pentru a produce nămol activ;
(c) separarea nămolului de partea de sedimentare și reciclare în mai multe părți (a) și (b) și îndepărtarea restului după deshidratare;
(d) adăugarea de nutrienți în apă în etapa (a) și/sau etapa (b);
(e) supunerea apei din etapa (c) pentru post-tratament aerobic; și
(f) adăugarea de ozon și eventual oxigen, în apa tratată și reciclarea unei cantități majore din ea ca apă de proces.
Un proces de bioepurare și echipamente pentru apele uzate care conțin colorant din industriile de textile și pielărie include trecerea canalizării în etapa inițială anaerobă cu potențial redox negativ, stând în scenă pentru cel mai scurt timp, trecând-o atât prin etapa de activare anaerobă cât și prin etapa de activare aerobă, unde namolul activ este cultivat în unități de volum mai mari de 1,0 Kg CBO5 și 0-180 MV de potențial redox pozitiv, precipitațiile, returnând parte din nâmolul activ înapoi la etapa inițială, o altă parte din nămolul activ înapoi la stadiul de activare, și, în final, îngroșarea și apoi descărcarea restulului. Nutrienții se adaugă în faza inițială și/sau etapa de activare. Un asemenea procedeu ar fi adecvat pentru epurarea apelor uzate conținând colorant de azot și colorant de sulf.
O altă soluție propusă ar fi un sistem de epurare regenerativ a apelor uzate provenite din industria textilă, care cuprinde:
un grilaj;
un rezervor de reglare;
un rezervor de sedimentare;
un rezervor biochimic;
un decantor de apă;
un aerator;
un rezervor de concentrare a nămolului, în care grilajul este dispus la un orificiu de admisie a apelor uzate și utilizat pentru separarea diverselor particule; rezervorul de reglare este dispus la fluxul de jos a grilajului și în legătură cu o conductă de lichid alcalin pentru deșeuri; rezervorul de decantare este în legătură cu rezervorul de reglare prin intermediul unei pompe de ridicare.
Rezervorul biochimic este dispus la fluxul jos a rezervorului de decantare; decantorul și bazinul de aerare sunt dispuse la fluxul jos a rezervorului biochimic; rezervorul de concentrație a nămolului este în legătură cu rezervorul de sedimentare și rezervorul de reglare prin pompe de nămol; evacuarea apei din bazinul de aerare se face printr-o conductă de evacuare a apelor uzate.
În sistemul de epurare a apelor uzate textile, de canalizare, apa de canal este secvențial supusă la ajustarea valorii pH-ului în rezervorul de reglare, la sedimentarea nămolului în suspensie în rezervorul de decantare, oxigenarea materiei organice în rezervorul biochimic, coagularea, prin adaugarea unui coagulant, și decolorarea, prin adăugarea unui decolorant în bazinul de aerare, în final fiind asigurat efectul de epurare a apelor uzate.
Crearea unui dispozitiv de canalizare a apelor uzate din industria textilă și de reprocesare a acestora prin intermediul unui tratament secundar convențional, ar conduce la următoarele avantaje:
materia organică poate fi degradată mai departe, pe faze;
fiecare fază obținută prin separarea prin membrană rezultă într-o calitate mai bună a apei;
faza de concentrare satisface standardele de emisii curente, astfel rezultând performanța de tratament avansat al apelor uzate textile;
creșterea ratei de recuperare a apei și reducerea emisiilor totale poluanți.
Pentru apele uzate provenite din industria textilă românească, propun includerea unei trepte biologice de epurare, cu ajutorul unui reactor cu pat fix.
Fig. 4.1 Reactor cu pat fix pentru tratarea biologică a apelor uzate
1 – pereți laterali reactor; 2 – support – bază camere reactor; 3 – canal colector; 4 – jgheaburi colectoare; 5 – vană fluture; 6 – oglinda apei;
7 – țevi de colectare; 8 – profile ale fluxului; 9 – linie de aerare; 10 – strat din material granular; 11 – zid de compartimentare; 12 – pat fix;
13 – strat superior.
Ca elemente de susținere pentru biomasă, recomand medii de țesătură textilă, folositoare în procesele de contact biologic. Panourile de susținere a biomasei, cu flexibilitate limitată și expansiune substanțială a suprafeței, cu sau fără rame, formează o varietate de elemente de susținere a biomasei (de tip țesătură textilă sau nu), care pot să conțină procesele de epurare biologică prin intermediul panourilor de biomasă.
În Fig. 4.2 este prezentată o porțiune de suport pentru biomasă, care cuprinde o masă alungită flexibilă de fibre (fire de execuție), sub formă de structură deschisă, și anume buchete de fibre alungite – filamente în ghem
(Fig. 4.3) pentru susținerea biomasei care sunt destul de aglomerate în masă în număr suficient pentru a atribui masei în cauză cel puțin unul dintre următoarele proprietăți:
a. o valoare generală a grosimii de cel puțin 20mm;
b. un raport de grosime (T) a elementului față de lățimea firelor ponderate de cel puțin 3;
c. o valoare medie a valorii de transmisie la luminii mai mică de 70;
d. raportul dintre greutate și apa absorbită pe unitate de greuate a elementului în exces de 3.7;
e. capacitatea de greutate a atașamentului de biomasă pe unitate de greutate a elementului curat de cel puțin 0,8.
Fig. 4.2 Placă suport pentru biomasă Fig. 4.3 Filamente din ghem
Placa suport cuprinde filamente ondulate adunate în ghemuri, care sunt, în cazul general, poziționate unul după celălalt într-o direcție comună, poziționate în paralel în masă și care sunt suprapuse cu ghemurile adiacente din masă.
Filamentele au de asemenea, lungimea și lățimea de 15 ori mai mare decât grosimea și sunt deschise din punct de vedere hidraulic, adică apa poate să curgă prin ele, de la un capăt la altul când sunt încărcate cu biomasă.
Fig. 4.4 Secțiune transversală ipotetică a ghemurilor unui element care are fețele aproximativ plate atunci când este dispus vertical
Fig. 4.5 Vedere asemănătoare cu cea din fig. 4.4, de-a lungul unei sectiuni 4-4 a fig. 4.2
Fig. 4.7 Plan al stației de epurare cu diferitele elemente
Fig. 4.8 Vedere de perspectivă a stației din fig. 4.7
Fig. 4.9 Secțiunea transversală parțială a zonei A din fig. 4.7
Fig. 4.10 Perspectivă secționată a unui panou de stocare (suport/raft) a elementelor de reținere a biomasei (acele ghemuri de fibre)
Fig. 4.11
A – vedere în plan a rezervorului de digestie; B – secțiune transversală a rezervorului A; C – porțiune lărgită a unei secțiuni a rezervorului.
4.3. Concluzii
Pe plan internațional există preocupări privind procesele de epurare a apelor uzate provenite din industria textilă ce conțin coloranți de tip azot fiind elaborată și o metodă pentru epurarea biologică a acestor ape.
În urma consultării rezultatelor cercetării în acest domeniu de epurare a apelor uzate pe plan mondial, se pot da drept exemple pozitive, unele metode eficiente aplicate pe plan mondial, în special în China, unde industria textilă a cunoscut o amploare deosebită.
Capitolul de față, enumeră cele mai importante invenții din lume, care au avut ca subiect de cercetare procesele de epurare a apelor uzate provenite din industria textilă.
S-a ajuns la concluzia că realizarea unui dispozitiv de canalizare a apelor uzate din industria textilă și de reprocesare a acestora prin intermediul unui tratament secundar convențional, ar conduce la numeroase avantaje.
Pentru apele uzate provenite din industria textilă românească, s-a propus includerea unei trepte biologice de epurare, cu ajutorul unui reactor cu pat fix, al cărei scheme tehnologice de funcționare este descrisă în amănunțime.
În continuare, sunt făcute recomandări de medii de țesătură textilă, folositoare în procesele de contact biologic. Panourile de susținere a biomasei, cu flexibilitate limitată și expansiune substanțială a suprafeței, cu sau fără rame, formează o varietate de elemente de susținere a biomasei (de tip țesătură textilă sau nu), care pot să conțină procesele de epurare biologică prin intermediul panourilor de biomasă.
CAPITOLUL 5
CONCLUZII, CONTRIBUȚII PERSONALE, DIRECȚII VIITOARE
DE CERCETARE
5.1. Concluzii
Schimbările care au avut loc în ultimii ani privind modul de realizare a proceselor tehnologice legate de sporirea gradului de complexitate, înăsprirea condițiilor de siguranță și creșterea performanțelor impuse în funcționare, precum și reducerea consumurilor energetice, au repercusiuni importante în domeniul automatizării instalațiilor existente în stațiile de epurare a apelor uzate.
Pe parcursul tezei, am recurs la o trecere în revistă a principalelor tipuri de scheme folosite în automatică. Interacțiunile dintre diferitele procese unitare fac ca operarea la nivelul unei stații de epurare să nu fie una simplă. După cum am remarcat deja, nu este suficient să iei în considerare o singură operațiune unitară la un moment dat. Principalul flux de ape uzate va influența lanțul proceselor unitare. Reciclarea are o influență considerabilă asupra complexității generale. Asta înseamnă și că operarea unui proces unitar trebuie să țină cont de celelalte procese unitare.
Datorită faptului că în țara noastră stațiile de epurare reprezintă mai întotdeauna lucrări cu valoare de investiție ridicată, a fost necesară și pentru prelucrarea nămolurilor elaborarea normativului NP 118-06/2006 care tratează tehnologiile de prelucrare a nămolurilor reținute în stațiile de epurare și propune parametri și metodologiile cele mai avantajoase pentru proiectarea construcțiilor și instalațiilor respective, precum și modul de alegere a utilajelor și echipamentelor necesare, astfel încât acestea să fie simple ca exploatare, sigure, fiabile, cu randamente energetice ridicate, și care să se preteze la automatizarea proceselor de epurare.
Pentru asigurarea unor regimuri optime de funcționare a a proceselor industriale, cu consum minim de energie și materiale, cu o siguranță în funcționare deosebită, automatizarea complexă s-a impus în aproape toate domeniile industriale reprezentând astăzi nu o opțiune, ci o necesitate.
În aceste condiții, apare necesitatea asigurării unor regimuri de funcționare stabile și optime economic, acționarea la distanță asupra diverselor părți componente ale proceselor complexe, culegerea, transmiterea, memorarea și prelucrarea unor volume mari de informație, asigurarea unor relații de interdependență între diverșii parametri ai procesului cu satisfacerea unor criterii de performanță globale la valori optime.
În dorința realizării unui sistem informatic care să asigure anumite cerințe, se impune, ca atât proiectarea, cât și implementarea acestuia să se facă într-un timp cât mai scurt, deci un ciclu de realizare mic, cu o economie însemnată de resurse umane și financiare.
O soluție de a dezvolta regulatoare robuste și adaptive, mai ales în situații în care dinamica procesului este neliniară, complexă sau necunoscută este și utilizarea rețelelelor neuronale, caracterizate de paralelism și capacitate de învățare. Majoritatea cercetărilor, în domeniul rețelelor neuronale artificiale, au fost inspirate și influențate de cunoștințele, existente la un moment dat sau altul, despre sistemul nervos biologic. Creierul uman este un sistem complex, capabil să gândească, să-și aducă aminte și să rezolve probleme.
Pentru optimizarea procesului de epurare biologică a apelor uzate s-a propus un reactor cu pat fix.
5.2. Contribuții personale
În prezenta teză se pot evidenția o serie de contribuții personale, dintre care cele mai reprezentative sunt:
Au fost identificați principalii parametri ce caracterizează apele uzate textile, precum și factorii de influență;
S-a făcut o caracterizare a câtorva dintre substanțele chimice și produsele utilizate în prelucrarea materialelor textile prin prisma efectului de poluare, cu încadrarea lor în cinci categorii de periculozitate, de la 1 – foarte puțin dăunător, la 5 – extrem de periculos;
Au fost identificate și enumerate problemele ce pot apărea în diversele faze de prelucrare și riscul de poluare a apei și aerului în urma proceselor tehnologice de finisare a articolelor din bumbac și tip bumbac, la care, gradul de poluare al apelor uzate este substanțial mai ridicat;
S-au elaborat schemele de principiu a două variante de instalații de preepurare, deoarece acest proces este obligatoriu în cazul apelor uzate rezultate de la finisarea materialelor textile din bumbac și tip bumbac;
S-a elaborat o schemă bloc a unei instalații de epurare caracteristică unei întreprinderi ce prezintă atât sector de spălare a lânii brute cât și finisaj;
Pe baza unei consultări bibliografice consistente, au fost întocmite studii privind necesitatea epurării avansate a apelor uzate din centrele urbane;
S-a făcut o evaluare a impactului unei stații de epurare asupra comunității și a mediului, impact care trebuie privit prin prisma celor trei zone luate în considerare în elaborarea sau punerea în aplicare a unei abordări durabile pentru tratarea apelor reziduale, și anume: mediu, economie și societate;
Au fost studiate și trecute în revistă, procedeele utilizate pentru reținerea simultană a azotului și fosforului pe cale biologică, fiind subliniate avantajele și dezavantajele acestora;
S-a propus automatizarea complexă a proceselor industriale, cu consum minim de energie și materiale, pentru asigurarea unor regimuri optime de funcționare;
Pentru optimizarea energetică a tehnologiilor de epurare biologică a apelor uzate, se sugerează utilizarea unei rețele neuronale artificiale de tip feedforward, antrenată prin metoda backpropagation folosind mecanismul învățării supervizate (utilizând programul Matlab);
Au fost propuse mai multe soluții pentru epurarea biologică microbiană, soluție necesară și optimă în cazul apelor uzate din industria textilă și de pielărie;
S-a propus un sistem de epurare regenerativ a apelor uzate provenite din industria textilă;
Pentru apele uzate provenite din industria textilă românească, s-a propus includerea unei trepte biologice de epurare, cu ajutorul unui reactor cu pat fix, schema de lucru a acestuia fiind prezentată în detaliu;
5.3. Direcții viitoare de cercetare
Prezenta teză de doctorat este un început în ceea ce privește tendința mondială de optimizare a proceselor de epurare biologică a apelor uzate provenite din industria textilă, deoarece una dintre problemele majore de interes mondial ale sfârșitului de secol este cea a protecției mediului. În aproape toate țările se iau măsuri pentru limitarea poluării; s-au semnat o serie de convenții internaționale care armonizează aceste măsuri la nivel mondial. Pe plan național, problemele legate de protecția mediului se pun cu acuitate mai ales ca urmare a poluării locale intense a factorilor de mediu de către industrie, cu precădere de către industria textilă, precum și a existenței unei poluări transfrontiere, ce au condus la dereglarea unor ecosisteme și la înrăutățirea condițiilor de viață ale oamenilor în unele zone.
Pe plan național, în urma eforturilor susținute, depuse pentru o mai bună protecție a calității apelor, au fost impuse o serie de condiții restrictive cu privire la evacuarea apelor în emisari. Aceste condiții sunt stipulate prin Normele Tehnice de Protecția Apelor.
BIBLIOGRAFIE
BLAGA A.C., GLIGOR E. – “Recovering heat from discharged water from the emissary of the treatment plant from Oradea ”, Analele Universității din Oradea, Fascicula de Energetică, vol. XV, 2009, pg. 176-180 – iunie 2009.
FRANK W., Industrial Waste Treatment Handbook, 2001.
GLIGOR E., BLAGA A.C. – “Techniques for removing Nitrogen and Phosphorus through chemical addition”, Analele Universității din Oradea, Fascicula de Energetică, vol. XV, 2009, pg. 232-239 – iunie 2009.
GLIGOR E., IONESCU G.L. – “Considerații privind tratarea nămolului și obținerea biogazului în cadrul stației de epurare a apelor uzare din Oradea”, A 44-a Conferință Națională de Instalații – Instalații pentru începutul mileniului trei – Creșterea performanțelor energetice a clădirilor și a instalațiilor aferente, vol. I, 2009, pg. 221-228 – Sinaia, octombrie 2009.
GLIGOR E., IONESCU Gh.C., DAN F., IONESCU G.L., SÂMBETEANU Aura – „Mud treatment processer and biogas production at Oradea wastewater treatment plant”, Analele Universității din Oradea, Fascicula Construcții și instalații hidroedilitare, vol. XIII, 2010, pg. 295-305 – iulie 2010– B+.
GLIGOR E., IONESCU G.C., DAN F., IONESCU G.L., SÂMBETEANU Aura – „Optimization and profitability of fermentation gas production facilities in wastewater treatment plants, using unconvetional sources”, Analele Universității din Oradea, Fascicula Construcții și instalații hidroedilitare, vol. XIII, 2010, pg. 305-311 – iulie 2010 – B+.
GLIGOR E., DAN F., IONESCU G.L., BLAGA C.A. – „Considerations relating to the integrated control of water station”, Analele Universității din Oradea, Fascicula Construcții și instalații hidroedilitare, vol. XIII-2, 2010,
pg. 349-359 – noiembrie 2010.
GLIGOR E., Contribuții la optimizarea energetică a instalațiilor și echipamentelor din cadrul stațiilor de epurare a apelor uzate. Teză de doctorat, Oradea, 2011.
IANCULESCU O., IONESCU Gh. C., RACOVIȚEANU R., Epurarea apelor uzate, Editura Matrix Rom, București, 2002.
IANCULESCU O., MOLNAR A., CSABA D., Stații de epurare de capacitate mică, Editura Matrix Rom, București, 2002.
IANCULESCU O., IANCULESCU D., Procesul de coagulare-floculare în tratarea apei de alimentare. Optimizarea camerelor de reacție din stațiile de tratare, Editura Matrix Rom, 2008, București.
IANCULESCU S., IANCULESCU D., Utilizarea filtrelor de nisip la epurarea avansată a apelor uzate, Editura Matrix Rom, 2008, București.
IMHOFF, K., Taschebuch der Stadtenttwasserung, Ed. 22, Munchen, Verlag von R. Oldenbourg, 1996.
IONESCU G.L., GLIGOR E., IONESCU G.C., BLAGA C.A., DAN F. – „Aeration control and dissolved oxygen at Oradea wastewater treatment system”, Analele Universității din Oradea, Fascicula Construcții și instalații hidroedilitare , vol. XIII, 2010, pg. 339-349 – iulie – 2010.
IONESCU G.L., IONESCU G.C., SÂMBETEANU Aura – Tehnologii moderne pentru epurarea apelor uzate, Editura Matrix Rom, 2013, București.
IONESCU, Gh. C., Sisteme de canalizare, Editura Matrix Rom – București, 2010.
IONESCU G.C, GLIGOR E., IONESCU G.L, BLAGA C.A., DAN F. – „Observation regarding the chemical precipitation at Oradea wastewater treatment system”, Analele Universității din Oradea, Fascicula Construcții și instalații hidroedilitare, vol. XIII, 2010, pg. 349-359 – iulie – 2010.
IONESCU, Gh. C., Instalații de canalizare, Editura Didactică și Pedagogică R.A. – București, 1997.
IONESCU, Gh. C., IONESCU Daniela – Smaranda; Phisycal and Chemical Techniques for Removing Nitrogen and Phosphorus from Residual Waters – International Symposia Risk Factors for Environment and Food Safety & Natural Resources and Sustainable Development, Faculty of Environmental Protection, Nov. 6-7 Oradea, 2009
IONESCU, GH. C., Procedee de reținere simultană a azotului și fosforului din apele uzate, pe cale biologică – Conferința Națională (cu participare internațională) „TEHNOLOGII MODERNE PENTRU MILENIUL III” – Analele Universității din Oradea – Fascicula – Construcții și instalații hidroedilitare, 2007.
IONESCU GEORGE – LUCIAN, HEDUK ERNST, Techniques for removing nitrogen and phosphorus through chemical addition – Conferința Națională (cu participare internațională) „TEHNOLOGII MODERNE PENTRU MILENIUL III” – Analele Universității din Oradea – Fascicula – Construcții și instalații hidroedilitare, 2009.
IONESCU GEORGE – LUCIAN, IONESCU GH. C.; SÂMBETEANU AURA, Tehnologii moderne pentru epurarea apelor uzate, Editura MatrixRom – București, 2013 (315 pg.) ISBN 978-606-25-0007-8.
IONESCU GEORGE – LUCIAN – Cercetări pentru stabilirea unor tehnologii moderne de epurare a apelor uzate în vederea reutilizării acestora, Teză de doctorat, București, octombrie 2014.
IONESCU GEORGE-LUCIAN – Optimizarea tehnologiilor de epurare a apelor uzate în vederea reutilizării acestora, Editura MatrixRom București, 2015.
IONESCU Gh. C., IONESCU G. L., GLIGOR E., Optimizarea procesului și rentabilizarea instalațiilor de obținere a gazului de fermentație în stațiile de epurare ale apelor uzate prin folosirea surselor neconvenționale – Revista Română de Inginerie Civilă, Volumul II (2011) nr. 1.
IONESCU, GH. C., IONESCU Daniela – Smaranda; Advanced Water Treatment Technologies – International Symposia Risk Factors for Environment and Food Safety & Natural Resources and Sustainable Development, Faculty of Environmental Protection, Nov. 6-7 Oradea, 2009.
IONESCU, GH. C., IANCULESCU, O., IONESCU DANIELA – Fiabilitatea instalațiilor hidraulice, Editura Treira, Oradea, 2000.
IONESCU, Gh. C., Sisteme de epurare a apelor uzate, Editura MatrixRom – București, 2010.
IONESCU, Gh. C., Gligor Emil, Ionescu George – Lucian, Tratarea nămolului și producția de biogaz la Stația de epurare Oradea – Revista Română de Inginerie Civilă, Volumul I (2010) nr. 2.
IONESCU, Gh. C., COLDEA Speranța, Elemente de fizica fluidelor și hidraulică, Editura MatrixRom – București, 2005.
Manualul național al operatorilor de apă și canalizare, Ministerul Mediului și Pădurilor, 2010.
DUMINICĂ DESPINA, AVRAM MIHAI, APOSTOLESCU TUDOR CĂTĂLIN, „Fuzzy logic used in FMEA analysis”, Romanian Review Precision Mechanics, Optics and Mechatronics, no. 39/2011, ISSN 1584 – 5982, p. 37-40, indexat SCOPUS.
MEGLEI, V., Fermentarea anaerobă de contact, Conferința de instalații pentru construcții și economia de energie, Iași, 1996.
MEIROȘU G., Contribuții la conducerea automată prin calculator de proces a stațiilor de epurare mecano-biologice, Teză de doctorat U.P. București, 2002.
MICHAEL H. G., The microbiology of anaerobic digesters, Canada, 2003.
MICHAEL H. G., Nitrification and denitrification in the activated sludge process, Canada, 2002.
MIREL, I., Considerații privind epurarea apelor uzate de la gospodării și unități izolate, Simpozionul Instalații pentru construcții și confort, Timișoara, 1993.
OGNEAN, T. ș.a., Modelarea proceselor de epurare biologicã, Editura Academiei, București, 1987.
RACOVIȚEANU, G, Teoria decantării si filtrării apei, Editura MatrixRom – București, 2008.
ROBESCU, Diana. ș.a., Modelarea și simularea proceselor de epurare, Editura Tehnică București, 2004.
ROBESCU, Diana. – Modelarea proceselor biologice de epurare a apelor uzate, Editura Politehnica Press București, 2009.
ROBESCU, Diana, ILIESCU, S., ROBESCU D. ș.a., Controlul automat al proceselor de epurare a apelor uzate, Editura Tehnică București, 2008.
ROBESCU, D. ș.a. – Tehnologii, instalații și echipamente pentru epurarea apei, Editura Tehnică București, 2000.
ROBESCU, D. ș.a. – Fiabilitatea proceselor, instalațiilor și echipamentelor de tratare și epurare a apei, Editura Tehnică București, 2002.
ROJANSCHI, V., Cartea operatorului din stații de tratare și epurare a apelor, Editura Tehnică București, 1989.
RUSU, G., ROJANSCHI, V. Filtrarea în tehnica tratării și epurării apelor, Editura Tehnică București, 1980.
RUSU, T., BEJAN, M. Deșeul – sursa de venit, Editura Mediamira, Cluj, 2006.
ROQUES, H., Fondaments theoretiques du traitment biologique des eaux. Technique et Documentation, Paris, 1980.
SÂMBETEANU Aura – optimizarea proceselor de epurare biologică a apelor uzate – Teză de doctorat – Oradea, 2013.
SIMONESCU, C.M., Epurarea biologică a apelor uzate, Editura Matrix Rom, București.
US EPA. Guiding Principles for Constructed Treatment Wetlands, 2000.
VASILACHE, A.F., Analiza proceselor de fermentare anaerobã metanogenã a substanțelor organice, în instalații locale de epurare cu producere de biogaz, Conferința Asociației Inginerilor de Instalații din România, Sinaia, 2007.
VASILACHE, A.F., șa, Normativ pentru proiectarea, executarea și exploatarea instalațiilor sanitare din clădiri și de alimentare cu apă și canalizare din ansambluri de clãdiri-I9, Ministerul dezvoltării, lucrărilor publice și locuințelor, 2009.
VASILACHE, A.F., șa, Normativ pentru proiectarea, executarea și exploatarea instalațiilor de stingere a incendiilor – NP 086-05, Ministerul dezvoltării, lucrărilor publice și locuințelor, 2009.
***, Revista „Instalatorul”, colecție, 2000-2010.
***, Standarde de stat, 1343, 1478, 1504, 1795, 1846, 3051, etc.
Indicativ NP 118 – 2006 "Normativ pentru proiectarea construcțiilor și instalațiilor de epurare a apelor uzate orășenești – partea a V-a: Prelucrarea nămolurilor”
NTPA – 001/2005 – Normativul privind stabilirea limitelor de încărcare cu poluanți a apelor uzate industriale și orășenești la evacuarea în receptorii naturali (HG nr. 352/2005).
NTPA – 002/2005 – Normativul privind condițiile de evacuare a apelor uzate în rețelele de canalizare ale localităților și direct în stațiile de epurare (HG nr. 352/2005).
NTPA – 011/2005 – Norme tehnice privind colectarea, epurarea și evacuarea apelor uzate orășenești (HG nr. 352/2005).
***, Regulament de exploatare și funcționare a S.E.A.U. Oradea.
Capturi ecran (Print Screen) de pe computerul camerei de comanda a Stației de epurare a apelor uzate Oradea.
www.euroguard-insurance.com/Background.html
www.en.wikipedia.org/wiki/Captiveinsurance
www.conceptlabs.co.uk
*** Directiva 86/278/EEC privind protecția mediului și în special a solurilor când se folosesc nămoluri de la stațiile de epurare în agricultură.
http://www.ecoconstructing.ro/produse/staii-de-epurare-pentru-case-individuale/produs-nou-staii-de-epurare-eco-cleaner-vfl.html
Directiva Consiliului 91/271/EEC din 21 mai 1991
https://ro.scribd.com/doc/262143641/Optimizarea-epurarii
http://www.readbag.com/qserver-utm-md-carti-scanate-carti-carti-in-pdf-manualul-inginerului-textilist-vol-ii-sectiunea-viii-cap-9
http://biblioteca.regielive.ro/referate/biologie/epurarea-biologica-a-apelor-uzate-275172.html
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Cercetari Privind Optimizarea Energetica a Tehnologiilor de Epurare a Apelor Uzate (ID: 162097)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.