Epurarea Biologica a Apelor Uzate Provenite din Industria Textila

2. PROCEDEE, TEHNOLOGII ȘI ECHIPAMENTE PENTRU epurarea biologică a apelor uzate provenite din industria textilă

2.1. ASPECTE GENERALE

Procesele biologice care intervin în cadrul epurării apelor uzate, se referă la descompunerea substanțelor organice de către bacterii și sunt de două categorii, funcție de natura bacteriilor:

– procese aerobe – în cadrul cărora se urmărește descompunerea substanțelor organice în prezența oxigenului, proces realizat de către bacteriile aerobe, care se hrănesc cu aceste substanțe;

– procese anaerobe – în cadrul cărora se urmărește descompunerea substanțelor organice, respectiv extragerea oxigenului din compușii organici, de către bacteriile anaerobe, în condițiile lipsei de oxigen.

a) Procesele aerobe sunt condiționate de existența bacteriilor aerobe, care acționează atât timp cât există oxigen în apă. În momentul în care nu mai există oxigen se dezvoltă bacteriile anaerobe, care se mulțumesc cu oxigenul aflat în combinație în substanțele organice, în nitriți, nitrați sau sulfați prezenți în apele uzate, substanțe pe care le descompun. Aceste bacterii pe de o parte extrag oxigenul din combinațiile de natură organică și pe de altă parte se hrănesc cu aceste substanțe. Dacă apele uzate, mai ales apele industriale nu conțin substanțe nutritive suficiente (ce conțin azot și fosfor), bacteriile nu se pot dezvolta suficient pentru realizarea epurării biologice eficiente și ca urmare este necesar să se introducă aceste substanțe în apele uzate. Bacteriile sunt constituite din celule microscopice care se înmulțesc prin diviziune. Ele trăiesc în colonii și sunt sensibile la variații de temperatură, la activitatea substanțelor toxice, la baze și acizi. Împreună cu bacteriile trăiesc și protozoare, precum și alte animale inferioare. Bacteriile pentru a putea trăi și a se înmulți consumă substanțe organice prin adsorbție și elimină prin învelișul celular substanțele rezultate în urma oxidării substanțelor organice, fie că sunt substanțe lichide fie că sunt gaze. Această activitate se poate desfășura numai în prezența oxigenului, care este necesar bacteriilor pentru oxidarea substanțelor organice. Schimbul de substanțe se face prin intermediul membranei ce permite trecerea substanțelor lichide și a gazelor, dar nu permite trecerea substanțelor solide sau a celor coloidale și ca urmare bacteriile trebuie să producă enzime care să dizolve aceste substanțe și astfel să permită trecerea lor prin membrana celulei.

Problema cea mai dificilă este asigurarea cu oxigen a bacteriilor aerobe, știind că apa uzată conține doar 0,8% oxigen. Bacterii aerobe se constituie ca un sistem de filtre biologice și se găsesc în nămoluri, care se mai numesc și nămoluri active, întrucât conțin aceste bacterii, și care de altfel sunt indispensabile procesului de epurare biologică. În urma proceselor aerobe de oxidare a substanțelor organice, care de regulă conțin oxigen, carbon, hidrogen, azot și mai rar fosfor, se obțin diverși compuși chimici, cum ar fi: CO2, acid azotic, anhidridă sulfurică, etc. Întrucât apele uzate conțin cantități destul de mari de substanțe alcaline, au loc reacții cu formare de săruri solubile în apă (carbonați, nitrați, sulfuri etc.). Dioxidul de carbon produs, fie rămâne în soluție, fie se degajă în atmosferă.

b) Bacteriile anaerobe acționează în direcția mineralizării substanțelor organice, de regulă fenomenul se produce în nămolurile rezultate din cadrul proceselor de decantare a apelor uzate. Procesele de descompunere anaerobă au loc în bazinele de fermentare a nămolurilor. Dacă nu se intervine în procesele de fermentare anaerobă, nămolul va avea la început un caracter acid, pH-ul fiind cuprins între 5 și 6 și doar după circa 3 – 6 luni nămolul devine alcalin, atunci când are loc așa numita fermentare metanică. În prima perioadă, cea a descompunerii acide, materiile descompuse de către bacteriile anaerobe sunt zahărul, amidonul, celuloza, precum și compușii solubili ai azotului (nitriți și nitrați). Aceste bacterii iau oxigenul necesar din compușii organici și din compușii azotului. Produsele obținute în urma descompunerii anaerobe sunt acizi organici volatili (acetic și butiric), acidul carbonic, precum și o serie de gaze, cum ar fi gazul metan și hidrogenul sulfurat. Fermentația acidă este influențată puternic de temperatură. Fermentarea metanică are un caracter alcalin. În această perioadă sunt descompuse cele mai rezistente substanțe organice, cum ar fi acizi organici și proteinele. Azotul este transformat în amoniac și fiindcă se distrug acizii organici (acidul acetic) procesul devine complet alcalin. Acizii grași formați anterior în prima fază sunt acum descompuși în dioxid de carbon și gaz metan. (Hidrogenul eliberat în urma descompunerii acizilor reacționează cu dioxidul de carbon formând metanul). Enzimele, precum și un număr mare de bacterii se acumulează în nămol și definitivează procesul de descompunere a substanțelor organice. După această perioadă nămolul poate fi deshidratat pe platformele de uscare. Facem precizarea că în cadrul proceselor aerobe bacteriile care acționează asupra compușilor azotului producând oxidarea acestora și transformarea la început în nitriți (N2O3) și ulterior în nitrați (N2O5) se numesc nitrobacterii sau nitrosmonae, iar procesul se numește nitrificare. În schimb în cadrul proceselor anaerobe, oxigenul legat de nitrați și nitriți este extras de către bacterii, procesul se mai numește și proces de denitrificare.

Epurarea biologică este o treaptă superioară a procesului de epurare a apelor uzate orășenești și se mai numește și epurare secundară. În conformitate cu legislația Comunității Europene privind protecția mediului cu precădere a apelor, este obligatorie aplicarea acestui procedeu de epurare pentru a asigura o calitate superioară procesului de epurare. În prezent în marea majoritate a țărilor europene s-a trecut la etapa de epurare terțiară, numită și epurare avansată, care urmează etapei secundare de epurare biologică. Treapta de epurare terțiară încă nu se aplică în România, dar în viitorul mai îndepărtat va trebui ca și România să introducă în mod obligatoriu această etapă de epurare a apelor care asigură calități net superioare apelor uzate epurate. Epurarea biologică este procesul tehnologic prin care impuritățile de natură organică din apele uzate sunt transformate de către o cultură de microorganisme în produși de degradare mult mai inofensivi, respectiv, CO, săruri minerale etc.

Produsele de natură organică din apele uzate sunt adsorbite și concentrate la suprafața biomasei, unde sub acțiunea enzimelor eliberate de celulele microorganismelor, substanțele organice sunt descompuse în componente mai mici și care pot pătrunde în celula microorganismelor unde sunt metabolizate. Prin metabolizare se obțin produși de descompunere, cum sunt: CO2, H2O, energie, dar și noi microorganisme prin înmulțire. Spre exemplu procesele de epurare biologică în condiții aerobe, conduc la oxidarea completă a substanțelor organice, până la CO2 și H2O cu eliberare de energie.

2.2. EPURAREA BIOLOGICĂ CU NĂMOL ACTIV

Epurarea biologică se realizează în bazine cu nămol activ în care se produce o aerare artificială, prin introducerea de aer printr-un sistem de conducte. Sunt construcții în care epurarea biologică aerată a apei are loc în prezența unui amestec de nămol și apă uzată, accelerarea procesului se realizează prin introducerea unei cantități de nămol activ, numit astfel întrucât conține microorganisme ce prelucrează substanțele organice din apă și prin insuflarea de aer ce conține oxigen pentru a susține procesele de oxidare. Bazinele de epurare biologică utilizând nămolul de la bazinele de decantare, numit și nămol activ pentru că el conține cantități însemnate de microorganisme și materii organice, sunt de formă alungită, asemenea unor canale longitudinale, în care procesul de epurare avansează pe măsură ce apele din bazin se apropie de zona de evacuare. Epurarea este activată pe de o parte de către aerul introdus forțat în apa bazinului, pe de altă parte de către agitația permanentă a apei ce asigură o omogenizare a lichidului din bazin și în mod deosebit de către nămolul introdus suplimentar. Nămolul introdus în acest bazin provine din decantorul secundar, întrucât doar o mică parte din nămol este introdus în bazin, restul nămolului, numit nămol în exces este trimis la fermentare împreună cu nămolul din decantoarele primare. Procesul tehnologic de epurare în bazine cu nămol activ are avantajul că poate fi reglat în funcție de cantitatea apei uzate, temperatură, precum și în funcție de încărcarea apei cu substanțe organice.

De la bun început trebuie să precizăm că această fază a epurării biologice cu nămol activ este influențată și de altfel nu poate funcționa performant fără existența decantorului primar în care se sedimentează cantitatea cea mai mare de nămol și care este instalat în fața bazinului de epurare biologică, precum și fără decantorul secundar ce precede bazinul de epurare și unde trebuie să se sedimenteze rezultatul procesului de epurare biologică. Ambele decantoare au ca produs nămolul care într-o mare măsură se utilizează la epurarea biologică, întrucât conțin substanțe organice și bacterii și de aceea se mai numește și nămol activ. În figura 2.1 este prezentată schema tipică a unei instalații de epurare biologică cu nămol activ.

Bazinele de epurare biologică cu nămol, din punct de vedere al modului de introducere a aerului în interiorul apei uzate se împart în două mari grupe:

– cu aerare pneumatică;

– cu aerare mecanică;

Ambele variante trebuie să îndeplinească 3 funcții esențiale:

a. să transfere cât mai intens apei uzate și flocoanelor existente oxigenul necesar ca procesul de epurare să se desfășoare în condiții aerobe.

b. Să mijlocească circulația flocoanelor în apa uzată și să creeze un contact cât mai intens între flocoane și apă.

c. Să împiedice flocoanele să se sedimenteze pe radierul bazinelor unde ar putea să intre în fermentație anaerobă și să prejudicieze calitatea procesului de epurare biologică.

Figura 2.1. Schema de principiu a unei instalații de epurare biologică cu nămol activ

În cazul bazinelor cu aerare pneumatică oxigenul necesar se introduce o dată cu aerul atmosferic. Astfel se introduce aer comprimat printr-o serie de conducte subacvatice prevăzute cu duze sau placi poroase. Oxigenul poate pătrunde în apa uzată și din atmosferă la suprafața de contact a apei din bazin cu atmosfera. În figura 2.2 este prezentat un bazin de aerare ce utilizează un sistem de conducte subacvatice ce dispun de plăci poroase prin care aerul este evacuat în bazin sub formă de bule fine.

Figura 2.2. Bazin de aerare cu bule fine pentru epurarea biologică

1 – distribuitor de aer; 2 – racord; 3 – robinet; 4 – conductă flexibilă; 5 – aerator ; 6 – conductă de legătură; 7 – inel de prindere; 8 – cablu flexibil de ridicare; A – număr de aeratoare; R – distanțele dintre aeratoare de pe un tub; B – numărul de tuburi de aerare; L – lungimea tubului

Aerarea pneumatică se caracterizează prin introducerea de bule de aer în apă. În funcție de mărimea bulelor există 3 categorii de aeratoare:

– Cu bule fine <1,5 mm

– Cu bule mijlocii 1,5<<3 mm

Cu bule mari <12 mm – Introducerea aerului în interiorul masei de apă uzată se face prin conducte, iar eliminarea aerului în apă se face prin intermediul unor difuzoare poroase fine, prin duze cu orificii mici sau prin plăci poroase. Dimensiunea bulelor depinde de presiunea aerului și de dimensiunea orificiului. Cele mai utilizate sisteme în perioada actuală sunt cele cu conducte și eliminarea aerului prin difuzoare poroase sau prin conducte găurite. În figurile 2.3, 2.4 și 2.5 sunt prezentate trei modalități de distribuire a aerului comprimat în bazin: cu difuzor poros tubular, cu plăci poroase și cu difuzoare poroase.

Important de reținut este faptul că introducerea apei în bazin trebuie să imprime apei o mișcare în spirală a apei de la intrarea spre ieșirea acesteia din bazin.

Acest curent de apă cu bule de aer în formă de spirală ce se realizează în apă asigură antrenarea tuturor particulelor din apă și astfel se împiedică formarea de depuneri de nămol pe fundul bazinelor. Se recomandă la construcția bazinelor rotunjirea colțurilor de la fundul bazinului și de la partea superioară, pentru a dirija circulația apei în spirală.

Viteza de circulație a apei pe secțiunea transversală a bazinului este cuprinsă între 0,30 – 0,50 m/s. Debitul de aer insuflat trebuie să fie de peste 1 m3 aer / minut / m3 apă. De regulă din 15 în 15 m în bazine sunt montate deflectoare de apă, respectiv pereți cu o anumită înclinație care realizează amestecarea apei din centrul spiralei cu apa de la periferia spiralei. În cazul bazinelor cu aerare mecanică pătrunderea oxigenului se poate realiza pe următoarele căi:

– circulația intensă a apei uzate la suprafață pentru un contact cu aerul

– împingerea aerului în apa uzată prin tuburi de aspirație

– agitația intensă a apei când apa este aruncată de agitatori în aer și se produc mulți stropi, crescând astfel contactul cu aerul.

În cazul aerării mecanice se realizează o agitație puternică a apei din bazin, ceea ce face să se producă o amestecare intensă între apă, nămol și aerul atmosferic. După modul în care se realizează absorbția aerului, sistemele de aerare mecanică sunt de următoarele tipuri:

– aeratoare mecanice cu aspirație;

– aeratoare mecanice cu rotor;

– aeratoare mecanice cu palete sau perii.

În figura 2.6 este prezentat principiul de funcționare a unui bazin de aerare cu palete.

Aeratoarele mecanice cu palete sau perii au apărut în 1916 în Anglia, când s-a trecut la epurarea biologică. Sunt de fapt rotoare cu palete care amestecă apa, aerul, nămolul și dirijează apa spre zona de evacuare (Fig. 2.7).

Pornind de la tipul clasic al bazinului de aerare s-au dezvoltat multe variante constructive de regulă pentru debite mici. Sunt variante mult mai simple și mai ușor de realizat și sunt destinate unor zone mai izolate, aceste stații de epurare deservind fie hoteluri, fie mici comunități. În figura 2.8 este prezentată în secțiune un bazin de aerare de tip INKA. Pentru scăderea costurilor instalațiilor de epurare de mici dimensiuni s-a trecut la realizarea unor instalații care îndeplinesc mai multe roluri, respectiv: aerare, oxidarea biologică și decantare. Instalația dispune de mai multe zone de lucru, astfel deosebim:

– zonă centrală foarte activă;

– zonă secundară de reacție;

– zonă de decantare a nămolului.

Introducerea apei brute se face axial pe la partea inferioară, rotorul central realizează o bună amestecare a apei cu aerul insuflat sub presiune în zona respectivă. În continuare amestecul apă plus aer este trimis spre zona secundară de reacție unde se vor continua procesele de oxidare aerobă a substanțelor organice.

Din zona secundară apa este trimisă în zona de decantare. Acest circuit se repetă continuu, durata procesului poate fi reglat în funcție de debitul de intrare a apei brute. Nămolul depus pe fundul bazinului este evacuat printr-o conductă legată de o pompă pentru nămol.

Figura 2.8. Secțiune printr-un bazin de aerare tip INKA 1 – canal pentru introducerea aerului;

2 – conducte pentru introducerea aerului în bazin; 3 – canal pentru aducțiunea apei uzate;

4 – conducte de aer cu orificii; 5 – ecran din lemn pentru dirijarea circulației apei în bazin.

În cazul bazinului de aerare cu „perie”, secțiunea bazinului nu este simetrică ea trebuie să asigure dirijarea apei spre a urma o spirală în bazin. În acest scop bazinul dispune și de un perete de ghidare a circulației apei. În figura 2.9 este prezentă secțiunea unui astfel de bazin.

O altă variantă de stație monobloc de epurare biologică este prezentată în figură 2.10. Se remarcă sistemul de aerare cu axă orizontală tip „perie” plasat în bazinul de aerare. Particularitatea acestui sistem constă în faptul că există două bazine de epurare biologică, precum și un bazin decantor secundar.

După această operație de tratare biologică apei uzate, apa cu suspensiile conținute, trebuie să treacă în decantoarele secundare unde se vor sedimenta materialele aflate în suspensie. Sedimentarea este o operație importantă a acestei faze de epurare biologică. Din punct de vedere constructiv, aceste decantoare sunt asemănătoare cu decantoarele primare.

2.3. EPURAREA BIOLOGICĂ CU BIOFILM FIXAT

Cele mai recente cercetări și tehnologii se bazează pe fixarea biofilmului de diferite medii. Astfel o posibilitate o reprezintă suportul fix, care se află în permanență imersat în masa de apă. Cum sistemul este amplasat în masa de apă uzată este prevăzut un sistem de aerare cu bule fine. Sistemul este realizat din membrane elastomer care produc bule fine de aer cu ajutorul unei suflante. În figura 2.11 se prezintă un astfel de sistem. În cazul de față sistemul de aerare poate fi scos din bioreactoare fără a fi necesară scoaterea suportului fix. De asemenea, în caz de colmatare suportul fix se poate scoate și spăla.

Figura 2.11. Bioreactor prevăzut cu sistem fix de susținere și dezvoltare a biofilmului

Alte două sisteme de suport fix pentru biofilm sunt prezentate în figura 2.12.

Figura 2.12. Suport fix de susținere a biofilmului

Discurile biologice sau biodiscurile, (Figura 2.13), sunt executate sub forma unor plăci circulare, din aluminiu, masă plastică poroasă etc. montate pe arborele antrenat în mișcare de rotație de la un motoreductor. Acest pachet de discuri, 20…25 bucăți, este montat într-o carcasă care, la rândul ei, este amplasată în cuva exterioară. Pe arbore se pot monta mai multe pachete cu discuri. Cuva exterioară are rol de protecție contra înghețului, cu un capac prevăzut cu fante de circulație a aerului atmosferic. În acest caz se reduce influența factorilor de mediu care pot mări diluția sau reduce timpul de staționare. Pelicula care se desprinde de pe discuri cade între cuve unde formează un strat de nămol. Așadar, în apa supusă procesului de epurare din cuvă sunt și flocoane de nămol care plutesc și microorganisme izolate ce măresc gradul de degradare al materiei organice. Nămolul dintre cuve intră în anaerobie și gazele rezultate se degajă în atmosferă. Periodic se impune evacuarea nămolului din zona de fund a instalației.

Discurile au o grosime de 0,7-15 mm, cu diametrul de 500-3000 mm, fiind amplasate la o distanță de 15…20 mm. Această distanță dintre discuri va permite, ca în cazul unei pelicule biologice cu grosimea de 4 mm, pe fețele laterale ale două discuri alăturate, să rămână loc pentru circulația apei și a aerului.

Figura 2.13. Echipament de epurare biologică cu discuri și peliculă biologică

Discurile sunt parțial imersate în apa uzată supusă procesului de epurare, cu nivelul static al apei sub lagărele arborelui. În perioada de imersare pelicula biologică adsoarbe materia organică din apa uzată și o fixează în scopul degradării. Filmul de lichid, în contact cu pelicula biologică, este continuu reînnoit prin fenomen de capilaritate. În perioada când partea umectată iese din apă, datorită deficitului de oxigen față de saturație, va apare în mod natural fenomenul de oxigenare – transferul oxigenului din aer în apă. Apa uzată parcurge cuva în lungul arborelui, perpendicular pe discuri. Epurarea biologică poate să aibă loc în una până la patru trepte corespunzătoare seturilor de discuri.

Turația seturilor de discuri este de 2-5 rot/min limitată din considerentul de a evita detașarea prematură a peliculei biologice; așadar, viteza periferică se limitează superior la valoarea de 20 m/min, cu un optim de 18 m/min. În general se recomandă ca la aceste echipamente să se utilizeze variatoare de turație în scopul adaptării vitezei periferice la necesitățile procesului. Turația setului de discuri influențează direct debitul de oxigen transferat din aer în apă, figura 2.18.

Figura 2.14. Variația coeficientului de transfer a oxigenului funcție de turația discului

Imersiunea optimă a discurilor este corespunzătoare unei cote de 100-150 mm între nivelul static al apei și arborele pachetului. Instalațiile moderne au discurile cu suprafață ondulată pentru a mări mult indicele de suprafață specifică.

Cantitatea de biomasă fixată pe disc este de circa 5 gr/m2 pentru etajul final al biodiscurilor amplasate în serie. Ea poate să ajungă până la 45 gr/m2. Biomasa este îndepărtată de pe fețele laterale după circa 15 zile. Membrana care se desprinde rămâne în suspensie în bazinul de apă uzată sub formă de flocoane, asemănătoare celor din procedeul cu nămol activ cu deosebirea că lucrează alternativ în regim aerob-anaerob, fapt care mărește eficiența îndepărtării substanțelor organice.

Cel mai avantajos sistem de susținere a biofilmului este reprezentat de sistemul mobil. Elemente de mici dimensiuni, realizate din materiale speciale cu densitatea apropiată de cea a apei, sunt imersate în bioreactoare. Elementele sunt menținute în suspensie și chiar amestecate cu ajutorul bulelor de aer. Acest tip de suport este cel mai eficient, deoarece nu se colmatează și spre deosebire de contactoarele rotative nu necesită consum suplimentar de energie. Suprafața specifică a elementelor mobile este foarte mare, la nivel mondial existând câteva modele de astfel de piese. Câteva dintre acestea sunt prezentate în figura 2.15.

Figura 2.15. Elemente mobile de fixare și susținere a biofilmului

Materialele solide care se introduc în instalațiile de epurare cu peliculă biologică, denumite și corpuri de umplutură, trebuie să răspundă unor cerințe de bază impuse de tehnologie și de consumul de energie.

Astfel, corpurile de umplutură se caracterizează prin:

– Suprafața specifică de contact – raportul dintre suprafața exterioară a corpurilor de umplutură și volumul lor. Ea caracterizează suprafața activă a peliculei biologice. Pentru o epurare cât mai eficientă a apelor uzate este necesar ca acest parametru să fie cât mai mare posibil;

– Permeabilitatea – parametru ce apreciază posibilitatea scurgerii fluidelor prin spațiile dintre corpurile de umplutură. Având în vedere grosimea peliculei biologice, spațiul necesar de curgere a apei uzate și a aerului, interstițiile trebuie să fie de minimum 10 mm. Corpurile de umplutură trebuie să evite riscul de atașare și fixare;

– Porozitatea – trebuie să fie suficient de mare pentru a permite schimbul substanțelor în exces din biomasă și o circulație corectă a aerului în interiorul biofiltrului. Este de precizat că porozitatea ε scade cu reducerea diametrului echivalent al corpurilor de umplutură. Porozitatea și rugozitatea materialului de umplutură joacă un rol important în fixarea și oxidarea peliculei biologice. Un filtru bun asigură un compromis între suprafața specifică s maximă și porozitatea ε suficientă pentru a permite evacuarea biomasei și circulația optimă a fazelor;

– Uniformitatea mare a materialului de umplutură – permite o permeabilitate ridicată și favorizează dispersia aerului și a materiei organice în pelicula biologică;

– Rezistența mecanică – trebuie să corespundă preluării sarcinii de compresiune, în special dacă corpurile stau la baza construcției ce lucrează prin tehnologia peliculei biologice; depinde direct de greutatea specifică a materialului de umplutură;

– Rezistența chimică – este impusă de necesitatea menținerii formei și a grosimii corpurilor de umplutură. Corpurile se cer a fi construite din materiale inerte care nu trebuie să intre în reacție chimică cu apa, constituenții din apa uzată sau cu enzimele biochimice generate de pelicula biologică;

– Costurile – reprezintă un parametru deosebit de important în achiziționarea corpurilor de umplutură.

În tabelul 2.1 sunt prezentate principalele caracteristici ale diferitelor tipuri de elemente mobile.

Tabelul 2.1. Forme și caracteristici ale elementelor mobile