Proiectarea Unei Instalatii de Indepartare a Cianurilor din Apa Industriala

INTRODUCERE

Apa este substanța cea mai răspândită de pe suprafața globului, constituind hidrosfera, cu un volum de 1370 X 109 m3. Procentual, volumul de apă dulce din fluvii, lacuri și ape subterane reprezintă aproximativ 0.7%; apa marilor și oceanelor reprezintă 97 %; iar restul de aproximativ 2,3% este apă înglobată în ghețari și calote polare [Chapman, 1996 – Water Quality Assessments]. Apa se găsește în atmosfera sub formă de vapori și nori.

Apa este o componentă foarte valoroasă pentru activitățile umane, având o contribuție importantă în dezvoltarea societății. Astfel, primele aglomerări urbane s-au dezvoltat în jurul unor surse de apa, iar majoritatea activităților industriale, comerciale, din agricultura, zootehnie sau transport utilizează apă de diferite calități, în cantități ce depind de gradul de dezvoltare național sau regional.

În asigurarea premizelor pentru dezvoltarea durabilă, dezvoltare care să permită garantarea satisfacerii necesităților de dezvoltare actuale, fără a compromite capacitatea generațiilor viitoare de a-și satisface propriile necesități [Brundtland, 1987], managementul calității factorilor de mediu deține un rol foarte important, toate programele de dezvoltare ale societății pe termen lung sau scurt, incluzând obligatoriu aceste aspecte. Din perspectiva consumurilor de apă actuale, dar și prin corelarea cu cantitatea resurselor existente, managementul calității apelor reprezintă o componentă principală a managementului factorilor de mediu, datorită atât aspectelor legate de tratarea apelor în vederea potabilizării sau a consumului industrial, cât și a celor privind generarea și posibilitățile de epurare a apelor uzate, ape care, prin deversarea ulterioară, au un impact deosebit asupra calității apelor de suprafață. [Rojanschi, V., Ognean, T. (1989) – Cartea operatorului de stații de tratare și epurare a apelor]

Dintre componentele principale ale managementului calității apelor se pot menționa[Ionescu, G., Sâmbeteanu, A., (2013) – Tehnologii moderne pentru epurarea apelor uzate, Ed. Matrixrom]

analiza costurilor pentru pretratarea apei necesare consumului populației sau în procese de producție;

monitorizarea calității efluenților produși prin consum menajer sau industrial;

minimizarea poluanților la sursa și reducerea deșeurilor rezultate în procesele industriale, evitând astfel impurificarea surselor naturale de alimentare cu apa;

utilizarea unor tehnologii nepoluante, atât în cadrul proceselor industriale de producție, cât și pentru cele de tratare a apelor sau de epurare a apelor uzate;

introducerea unor standarde calitative mai stricte pentru efluenții industriali, impunând astfel epurarea finală a efluenților rezultați din procese de producție

Tratarea apelor de suprafață, subterane și marine în scopul obținerii apei potabile și pentru utilizări industriale este absolut necesară și are drept scop: îndepărtarea impurităților și compușilor poluanți de origine organică și anorganică, a microorganismelor existente în ape în mod natural sau apărute datorită unor poluări accidentale, asigurarea necesarului de apă potabilă și industrială, corelat cu necesitățile dezvoltării societății omenești.. Având în vedere reducerea surselor disponibile de apă de calitate corespunzătoare, cât și creșterea demografică, diversificarea metodelor de tratare și utilizarea unor surse alternative au reprezentat și reprezintă principalele preocupări ale cercetătorilor și inginerilor care lucrează în domeniul exploatării și furnizării apei.

Apa joacă un rol vital în dezvoltarea comunității. În țările dezvoltate necesarul de apă este bine stabilit, făcându-se măsurători de control a calității apei de bază și măsurători statistice. Totuși, multe instalații care furnizează apă și sistemele de canalizare sunt vechi, astfel că reconstruirea lor este și va fi o problema în viitor. Peste tot în lume, controlul calității apei este vital pentru siguranța sănătății publice.

Din acest motiv protecția calității apelor capătă în prezent dimensiuni majore, această problemă fiind pe primul plan în problematica apărării mediului înconjurător de poluare.

În concepția modernă, prin protecția calității apelor înțelegem domeniul de activitate care se ocupă cu toate problemele care privesc calitatea cursurilor de apă, apelor stătătoare, apelor maritime și apelor subterane, aceste probleme referindu-se atât la fenomenele care se petrec în ape ca urmare a tulburării echilibrului natural al calității datorită intervenției omului, cat si la masurile și activitățile de gospodărire judicioasă și protecție a calității resurselor de apă.

Din acest punct de vedere epurarea apelor uzate, ca cel mai eficient mijloc actual de curățire a apelor uzate care urmează a fi reintegrate în resursele naturale de apă ca mediu receptor, constituie o activitate conexă a activității de control a calității apelor.

Apa este cea mai afectată de poluare, creând numeroase probleme pentru păstrarea și îmbunătățirea calității ei. Apa în natură există sub numeroase forme: apa de suprafață (fluvii, râuri, lacuri, mari și oceane) și apă subterană (straturi acvifere și izvoare).

Poluarea apelor, în măsură mai mare sau mai mică, este greu de evitat. În general, sursele de poluare și poluanții principali sunt aceeași atât pentru apele de suprafață cât și pentru cele subterane, iar impactul și măsurile de ameliorare a mediului – calității apei sunt practic asemănătoare.

Apele uzate reziduale provin de obicei din consumul casnic, industrial, precipitații și reprezintă principalele surse de poluare ale apelor de suprafața și subterane.

CARACTERISTICILE APELOR UZATE INDUSTRIALE

Caracterizarea compoziției apelor uzate din punct de vedere a depoluării acestora se face în baza analizelor de laborator ce urmăresc o serie de caracteristici fizice, chimice și biologice.

2.1 Caracteristici fizice

Principalele caracteristici fizice ce sunt urmărite în cadrul stațiilor de tratare a apelor uzate sunt: turbiditatea, culoarea, mirosul și temperatura.

Turbiditatea apei uzate indică conținutul de materii în suspensii. Această caracteristică poate fi măsurată în grade pe scara silicei, mg/l – metoda cu caolin.

Culoarea apelor uzate proaspete este gri deschis. Prin fermentarea substanțelor organice din apă, culoarea apelor uzate devine mai închisă.

Apele uzate proaspete au un miros specific greu perceptibil. Cu cât timpul de transport în sistemul de canalizare este mai mare există posibilitatea ca în apa uzată să apară procese de fermentare anaerobă, proces caracterizat de un miros specific ce seamănă cu mirosul de ouă clocite. În cazul în care apele uzate conțin diferiți poluanți peste limitele admise în rețeaua de canalizare, aceștia pot produce diferite mirosuri de cele mai multe ori neplăcute.

Cu ajutorul acestor trei analize, turbiditate, culoare, miros, se pot ușor detecta deversări cu poluanți peste limitele admisibile, ceea ce permite luarea de măsuri pentru a preveni deteriorarea proceselor de tratare a apelor uzate.

Temperatura apelor uzate este de obicei cu 2…3C mai ridicată față de apele din rețeaua de alimentare ea fiind dependentă de prezența apelor uzate industriale. Temperatura este un factor ce influențează procesele de tratare. Astfel ea poate modifica în mai mică măsură procesul de coagulare și decantare, dar modifică pregnant procesele de epurare biologică (prin modificări asupra reacțiilor biochimice și a celor de dizolvare).

2.1 Caracteristici chimice

Concentrația de ioni de hidrogen (pH-ul) este un indicator care influențează procesele de tratare biologice și chimice, în stația de tratare a apelor uzate valoarea pH-ului trebuind să fie cuprinsă între 6…8,5.

Potențialul de reducere prin oxidare furnizează informații asupra puterii de oxidare sau reducere a apei sau nămolului. În scara Redox, notația rH exprima inversul logaritmului presiunii de oxigen. Rezultatele stabilite în milivolți pot fi puse sub formă logaritmică cu ajutorul notației rH. Scara de măsură a potențialului Redox are ca valori extreme 0 și 42. Valori sub 15 înseamnă că proba se găsește în faza de reducere, corespunzătoare fermentării anaerobe; valori peste 25 caracterizează o probă în faza de oxidare anaerobă, de exemplu nămolul activ. Testul cu albastru de metilen are valori ale rH = 13,5…15,0.

Oxigenul dizolvat este unul din elementele chimice care caracterizează cel mai bine starea de poluare a unei ape. Oxigenul se găsește în cantități mici în apele uzate (1…2 mg/l), însă numai când sunt proaspete și după epurarea biologică. Oxigenul dizolvat reprezintă un parametru ce caracterizează funcționarea corectă a epurării biologice aerobe. Determinarea oxigenului dizolvat poate fi realizată prin metoda Winckler sau prin metode electrochimice.

Materii în suspensii reprezintă substanțele insolubile din apă, care se pot separa prin filtrare, centrifugare sau sedimentare. În funcție de greutatea specifică materiile în suspensie pot fi sedimentabile, nesedimentabile și plutitoare.

Separarea materiilor în suspensie se face prin filtrare sau centrifugare urmată de uscare la 105 și cântărirea reziduului. Rezultatul se exprimă în mg/l. Materiile în suspensie sedimentabile se determină prin metoda volumetrică cu ajutorul conurilor Imhoff sau a cilindrilor gradați, măsurându-se în ml/l. O altă posibilitate este determinarea gravimetrică folosindu-se conuri Imhoff și metoda de determinare a materiilor în suspensie, măsurându-se în mg/l. Materiile în suspensie sedimentabile raportate procentual față de materiile în suspensie totale ne indică randamentul procesului de decantare. Determinările materiilor în suspensie plutitoare se face după metode folosite la cele sedimentabile, cu modificarea că se urmăresc materiile în suspensie ridicate la suprafață

Pentru a determina raportul dintre substanțele minerale și cele organice din materiile în suspensie, se recurge la calcinarea acestora la 600-800C. Pierderea prin calcinare reprezintă substanțele organice, iar reziduul rezultat la calcinare reprezintă substanțe minerale.

Materii solide totale reprezintă suma materiilor solide în suspensie și a materiilor solide dizolvate. Pentru determinarea materiilor solide totale se recurge la evaporarea probei de apă naturală, reziduul reprezentând conținutul total de materii solide. Pentru determinarea materiilor solide dizolvate se procedează la fel ca mai sus, cu apa rezultată în urma filtrării, la stabilirea materiilor în suspensie. Prin preluarea de probe după diferite trepte de tratare putem aprecia randamentul epurării apelor uzate, cunoscând materiile solide totale (minerale și organice).

Substanțele organice ca prezență în apele uzate reprezintă un indicator foarte important pentru că acestea constituie un factor de poluare predominant, care urmează a fi eliminat în treapta biologică. Tehnologiile de tratare a apelor uzate sunt concepute cu scopul de a elimina conținutul global de substanțe organice.

Concentrația substanțelor organice din apele uzate se poate determina prin consumul de oxigen necesar pentru descompunerea lor. S-a adoptat ca echivalent al substanței organice consumul de oxigen deoarece la evacuarea apelor uzate în emisar se produce o diminuare a oxigenului dizolvat existent în acestea ca urmare a descompunerii lor ceea ce poate provoca distrugerea fondului piscicol și în general a tuturor organismelor acvatice. Pe de altă parte oxigenul este necesar proceselor anaerobe de epurare sau de autoepurare, folosindu-se consumul de oxigen la dimensionarea treptei biologice. Consumul chimic de oxigen (CCO-Cr) măsoară conținutul de carbon din toate felurile de materii organice prin stabilirea oxigenului consumat din bicarbonatul de potasiu în soluție acidă.

Determinarea nu oferă posibilitatea de a diferenția materia organica biodegradabilă și nebiodegradabilă din apa uzată. Din această cauză este folosit un alt indicator, consumul biochimic de oxigen (CBO) care reprezintă cantitatea de oxigen necesară pentru descompunerea sub influența microorganismelor, a substanțelor organice. Consumul biochimic de oxigen caracterizează partea biodegradabilă din materiile organice exprimate în CCO, CBO măsoară direct consumul de oxigen cerut de organismele care produc descompunerea și indirect cantitatea de materii organice ce se pot descompune.

Deci CBO poate fi mai mic sau egal cu CCO. Valoarea CBO/CCO ne dă informații privind eficiența treptei biologice în reducerea de substanțe organice. Când raportul CBO/CCO este mai mic sau egal cu 0,5 se recomandă folosirea treptei biologice. Cu cât descompunerea substanțelor organice sub influența microorganismelor este mai mare cu atât raportul CBO/CCO este mai mic.

Azotul total reprezintă suma amoniacului liber, azotului organic, nitriților și a nitraților. Azotul organic și amoniacul liber sunt luați ca indicatori ai substanțelor organice azotoase prezente în apa uzată, iar amoniacul proteic drept indicator al azotului organic care se descompune. Amoniacul liber este rezultatul descompunerii bacteriene a materiilor organice și se regăsește în cantități de 15-50 mg/l în apa uzată brută (la intrarea în stația de epurare).

Apele uzate proaspete au un conținut relativ mare de azot organic și scăzut de amoniac proaspăt, iar cele mai puțin proaspete au un conținut mare de amoniac liber și scăzut de azot organic. Amoniacul constituie o formă intermediară în ciclul complex al azotului. În stadiul său inițial amoniacul este un gaz solubil, dar în anumite condiții ale pH-ului el se transformă fie într-un compus necombinat, fie sub formă ionizată, formă denumită azot amoniacal, ce este asimilabilă de către bacterii și folosită la generarea celulelor noi.

Se recomandă pentru funcționarea în bune condiții a treptei biologice ca proporțiile între concentrația de materii organice exprimate în CBO și azot

să fie CBO/N=100/5.

Nitriții reprezintă faza intermediară între amoniac și nitrați iar prezența lor se datorează oxidării bacteriene a amoniacului. Nitrații reprezintă stadiul final de oxidare a azotului organic și amoniacal. Prezența nitraților indică o epurare biologică completă a apelor uzate și caracterizează o apă stabilă în ce privește transformările ce pot avea loc.

Fosforul ca prezență în apele uzate ne interesează sub formă de fosfați, aceștia fiind compuși biogeni. Pentru desfășurarea corectă a proceselor biologice de epurare este necesar ca acești compuși biogeni ai fosforului și cei ai azotului să fie prezenți în apele uzate în raport CBO5/N/P=100/5/1.

Clorurile și sulfurile nu aduc modificări esențiale proceselor de epurare, Insă ele trebuie cunoscute deoarece clorurile într-o cantitate mai mare de 200 mg/l trebuie luate în considerare la stabilirea CCO-ului și eliminate din calcul, iar sulfații în condiții anaerobe sunt reduși la sulfuri. Acestea din urmă prezintă agresivitate față de materialele din care este executată stația de tratare.

Substanțele extractibile din apele uzate pot fi grăsimile (animale și vegetale), hidrocarburile (uleiuri minerale, hidrocarburi grele, ș.a.), acizi grași, unele insecticide, săpunuri, grăsimi, gudroane, ș.a. Substanțele extractibile cu eter de petrol se determină sub două forme: substanțe total extractibile și săpunuri și esteri complecși.

Detergenții sunt de trei categorii: anionici, cationici și neionici. Detergenții anionici evacuați din gospodărie și industrii sunt cei mai dăunători în procesele de epurare. Cele mai importante prejudicii produse de detergenți sunt: coboară tensiunea apei la suprafață sau a interfețelor și în acest fel mărește umiditatea substanțelor cu care intră în contact, emulsionează grăsimile și uleiurile, dispersează sau defloculează materii coloidale, plutesc și înspumează, distrug bacterii sau alte organisme necesare epurării

biologice.

Cu toate că acest consum biochimic de oxigen al detergenților sintetici este mai mic decât al săpunurilor, emulsionarea uleiurilor și deflocularea substanțelor coloidale produc prejudicii grave în sedimentarea materiilor solide în suspensie, lăsând să treacă mai departe numai unele dintre acestea. Se produce astfel o creștere a încărcării organice în instalația biologică, scăzând randamentul acestora precum și producția de gaz în metantancuri.

În bazinele de nămol activ procesul de oxigenare este redus datorită prezenței la suprafața apei a spumei produse de detergenți.

Substanțele toxice din apa uzată sunt caracteristice pentru apele uzate industriale, ele având o limită admisibilă în cazul deversării în rețeaua de canalizare. Principalele substanțe toxice urmărite în analizele de laborator ale apelor uzate sunt: crom total (Cr), cupru (Cu), cadmiu (Cd), nichel (Ni), zinc (Zn), plumb (Pb), cu concentrația maximă admisibilă de 1 mg/l.

1.3.3. Caracteristici biologice

Din gama caracteristicilor biologice ne interesează indicatorii bacteriologici care cuprind numărul total de bacterii care se dezvoltă pe agar și numărul de bacili coli. În mod suplimentar conform situației și posibilităților existente se mai pot efectua determinări de streptococ fecal, salmonella, bacteriofagi, euterici, enterovirusuri, ouă de paraziți, leptospire, ș.a

PROCESE PENTRU EPURAREA APELOR INDUSTRIALE

Procesele fizice de epurare sunt acelea în care substanțele poluante nu suferă transformări în alte substanțe.

Separarea gravitațională a particulelor grosiere, nedizolvate în apă, are loc sub influența câmpului gravitațional, prin sedimentare, prin flotație sau prin centrifugare.

Flotația este un proces unitar de separare, sub acțiunea câmpului gravitațional, a particulelor cu densitate medie mai mică decât a apei. Flotația poate fi naturală sau cu aer introdus în apă sub formă de bule fine prin difuzoare poroase. Scopul flotației este de a forma o spumă stabilă care să încorporeze particulele insolubile. Flotația se poate face în bazine circulare sau dreptunghiulare. [Ionescu, G., (2011) – Sisteme de epurare a apelor uzate, Ed. Matrixrom] și [Ionescu, G., Sâmbeteanu, A., (2013) – Tehnologii moderne pentru epurarea apelor uzate, Ed. Matrixrom]

Filtrarea constă în trecerea apei printr-un mediu poros în care are loc reținerea prin fenomene predominant fizice. Filtrarea este un proces de sitare cu ajutorul unor țesături fine sau împâslituri. Impuritățile grosiere sunt reținute pe grătare sau site. Sitele fine din țesături din fire metalice sau fire din materiale plastice se folosesc pentru suspensii de particule fine. Materialul granular folosit ca umplutură filtrantă este nisipul cuarțos. Se mai folosesc filtre cu mai multe straturi de materiale granulare, cu densități diferite (din antracit, nisip cuarțos, granat) care pot fi spălate.

Distilarea se face prin epurarea apelor uzate prin trecerea apei în fază de vapori, prin încălzire, urmată de condensarea vaporilor, deoarece impuritățile au o volatilitate mai redusă ca apă.

Spumarea este un proces de separare din apă a unor impurități organice dizolvate, datorită adăugării unor agenți de spumare și prin barbotarea apei cu aer sub formă de bule fine.

Absorbția are la bază fenomenul de reținere pe suprafața unui corp a moleculelor unei substanțe dizolvate în apă. Materialul, lichid sau solid, pe care are loc reținerea se numește absorbant, iar substanța reținută absorbat. Ca absorbanți se folosesc materiale solide cu suprafață specifică mare, cărbunele activ, cenușa fină, etc. Cele mai utilizate instalații de epurare prin absorbție sunt de tip dinamic, cu pături fixe de cărbune activ. Trebuie evitată colmatarea cu particule în suspensie. Cărbunele activ poate reține o masă de substanțe organice de până la 5% din greutatea sa. Regenerarea se face pe cale termică, la circa 900oC în atmosferă controlată. [Ionescu, G., (2011) – Sisteme de epurare a apelor uzate, Ed. Matrixrom]

Prin procesele chimice de epurare, poluanții sunt transformați în alte substanțe mai ușor de separat, precipitate insolubile, gaze, care au o activitate nocivă mai redusă sau sunt mai susceptibile de a fi îndepărtate.

Neutralizarea este un proces chimic prin care pH-ul unei soluții uzate este reglat prin adaos de acizi sau baze.

Neutralizarea apelor acide se face cu substanțe cu caracter bazic (oxizi, hidroxizi, carbonați). Neutralizanții care sunt utilizați sunt: piatra de var (carbonat de calciu), dolomita (carbonat de calciu și magneziu), varul (oxid de calciu) sub formă de hidroxid de calciu (lapte de var sau var stins praf).

Neutralizarea apelor alcaline se face cu acizi reziduali, cu gazele de ardere bogate în dioxid de carbon. [Ionescu, G., Sâmbeteanu, A., (2013) – Tehnologii moderne pentru epurarea apelor uzate, Ed. Matrixrom]

Oxidarea apelor industriale are ca scop conversia compușilor chimici nedoriți în alții mai puțin nocivi. Ca oxidanți se pot folosi: oxigenul, ozonul, permanganați, apă oxigenată, clorul și bioxidul de clor. De exemplu distrugerea cianurilor cu clor până la formarea de cianați sau azot molecular are loc conform următoarelor reacții:

CN- + OCl CNO + Cl-

2 CNO + 3 OCl N2 + 2HCO3- + 3Cl-

Reducerea constă în transformarea unor poluanți cu caracter oxidant în substanțe inofensive care pot fi ușor epurate. Ca agenți reducători se folosesc sărurile fierului trivalent, sulfați, acidul sulfuros.

Precipitarea este un proces de epurare bazat pe transformarea poluanților din apele reziduale în produși insolubili.

Coagularea și flocularea constă în îndepărtarea particulelor prin sedimentare (coagulare) și destabilizarea prin absorbția unor molecule mari de polimeri care formează punți de legătură între particule (floculare). Se folosesc pentru particule coloidale. În acest scop se folosesc polimeri organici sintetici sau anorganici.

Epurarea biologică a apelor uzate se realizează în incinte închise (bazine de fermentare) ferite de accesul oxigenului care inhibă activitatea microorganismelor anaerobe. Prin descompunerea poluanților organici se obțin gaze de fermentare combustibile, datorită conținutului ridicat de metan. [Simionescu, C., (2009) – Epurarea biologică a apelor uzate, Ed. Matrixrom]

METODE DE EPURARE

Procesele tehnologice de epurare a apelor uzate au ca scop reducerea sau eliminarea completă a impurităților de natură minerală, organică și bacteriologică astfel încât apele epurate să nu afecteze caracteristicile calitative ale emisarilor în care se evacuează.

Epurarea apelor uzate, indiferent de procedeele utilizate, are ca obiective: reținerea substanțelor poluante sau a celor ce pot fi valorificate ulterior având ca efect final obținerea apei epurate ce poate fi reintrodusă în circuitul natural sau recirculată în procese tehnologice și prelucrarea depunerilor (nămolurilor) rezultate din epurarea apelor.

Procedeele tehnologice de epurare realizate în cadrul stațiilor de epurare municipale sau industriale utilizează operații bazate pe fenomene fizice de reținere a poluanților sau procese bazate pe procese chimice și biologice de transformare a poluanților în compuși mai simpli.

În cazul fiecărei metode se asigură reținerea diferitelor substanțe din apele de scurgere folosind mijloace fizice (la epurarea mecanică), chimice (la epurarea chimică) sau biochimice (la epurarea secundară și cea terțiară) – figura 1.

Asocierea celor trei faze de epurare a fost concepută în vederea obținerii unui randament sporit de îndepărtare a impurităților existente în apele reziduale brute, pentru redarea lor în circuitul apelor de suprafața la parametrii avizați de normele în vigoare.

Figura 1 – Schema generală de epurare completă a apelor uzate

Metode mecanice (primare)

Procesele de epurare mecanică asigură reținerea prin procese fizice, a substanțelor solide (nisip, pietriș, solide în suspensie) din apele uzate. Pentru reținerea acestora se folosesc grătare și site; pentru separarea, prin flotație sau gravitațională, a grăsimilor și uleiurilor care plutesc în masa apei uzate, se folosesc separatoare de grăsimi, iar sedimentarea materiilor solide în suspensie, are loc în deznisipatoare, decantoare, fose septice. În decantoare se reține și o parte din material organică biodegradabilă, datorită asocierii acesteia cu solidele în suspensie.

Dacă sunt deversate mari cantități de ape uzate industriale, pentru a proteja desfășurarea normală a proceselor de epurare în treaptă mecanică, se prevede o treaptă preliminară, realizată în bazine de uniformizare a debitelor și a concentrațiilor.

Metode biologice (secundare)

Metodele biologice sau secundare constau din reținerea substanțelor coloidale și dizolvate din apele de scurgere și în mineralizarea aerobă a substanțelor organice reținute. Substanțele solubile care au trecut de lucrările de epurare mecanică sunt reținute de lucrările de epurare biologică. O parte din substanțele transformate se dizolvă în apă și rămân ca substanțe inofensive antrenate de curentul de apă, iar altă parte se depun sau se degajă în stare gazoasă.

Epurarea biologică constă în degradarea compușilor chimici organici sub acțiunea microorganismelor în prezența oxigenului dizolvat și transformarea acestor produși în substanțe nenocive. [Simionescu, C., (2009) – Epurarea biologică a apelor uzate, Ed. Matrixrom]

Epurarea biologică a apelor uzate nu este o operație unică ci o combinație de operații intermediare care depind de caracteristicile apei și de cerințele evacuării în emisar.

Schematic procesele chimice de degradare a substanțelor organice se pot reprezenta astfel:

Oxidarea substanței organice se face în trepte succesive, fiecare treaptă fiind catalizată de enzime specifice și constă în transferul molecular de hidrogen de la substanță către un acceptor, până la ultimul acceptor de hidrogen. [Simionescu, C., (2009) – Epurarea biologică a apelor uzate, Ed. Matrixrom]

Exprimate în formule chimice fenomenele care au loc în timpul formării și distrugerii nămolului activ sunt următoarele:

CnHmOpNr= nCO2+ m/2 H2O + r/2 N2

În aceste reacții se eliberează în principal CO2 și H2O și ca produs secundar de reacție, se formează un strat celular nou capabil sa degradeze alte molecule organice.

Schematic, procesul de epurare biologică are loc astfel: substanțele asimilabile, exprimate în CBO5 concentrate la suprafața biomasei sunt absorbite, substanțele absorbite fiind apoi descompuse de către enzimele celulare vii în unități mici care pătrund în celulă, se metabolizează și se formează noi celule. Substanțele metabolizate rezultate (CO2, azotați, etc.) sunt eliberate în mediu, fiind mai puțin nocive. [Simionescu, C., (2009) – Epurarea biologică a apelor uzate, Ed. Matrixrom] și [Ionescu, G., (2011) – Sisteme de epurare a apelor uzate, Ed. Matrixrom]

În procesul de epurare biologică în afară de aportul de substanțe organice asimilabile, trebuie ținut seama de existența elementelor indispensabile vieții și în primul rând de azot și fosfor. După datele din literatură, conținutul de substanțe nutritive raportat la CBO este minim de CBO:N:P=150:5:1 și maxim de CBO:N:P= 90:5:1.

Epurarea biologică în condiții artificiale se realizează în filtre biologice de mică încărcare, filtre biologice de mare încărcare și bazine de aerare.

Filtrele biologice de mică încărcare funcționează cu epurare completă, iar filtrele biologice de mare încărcare și bazinele de aerare funcționează cu epurare completă sau incompletă.

Înainte de lucrările de epurare biologică se prevăd lucrări de epurare mecanică cu decantoare primare, pentru reținerea celei mai mari părți din substanțele insolubile aflate în apele de scurgere, iar după lucrările de epurare biologică artificială se prevăd decantoare secundare cu scopul de a reține nămolul activ adus de apele de scurgere.

Metode avansate (terțiare)

Metodele avansate de epurare cuprind toate acele mijloace și procese prin care se pot obține grade de epurare mai ridicate decât cele asigurate prin procedeele clasice de epurare primară și secundară, precum și îndepărtarea unor poluanți care trec neschimbați prin treptele primară și secundară: compuși organici toxici sau rezistenți la acțiunea microorganismelor, săruri minerale.

Epurarea terțiară cuprinde acele procese de finisare care se aplică după epurarea primară și secundară, având drept scop completarea și perfecționarea epurării pentru desăvârșirea îndepărtării substanțelor organice și a suspensiilor, eliminarea fosforului și a azotului sau a altor poluanți.

Există procese de epurare avansată care pot modifica sau înlocui una sau mai multe (eventual toate) faze ale tehnologiei clasice de epurare. Pentru instalații noi, procesele de epurare avansată folosite independent pot reprezenta uneori variante mai economice comparativ cu procedeele convenționale, avantaje determinate în special de procedeele fizico-chimice utilizate la adaptarea la variația debitelor și respectiv a încărcărilor, insensibilitatea la efectele substanțelor toxice.

Scopul epurării avansate este de a diminua debitul poluanților descărcați în emisari și de a produce o apă de o calitate adecvată pentru a se putea refolosi. [Ionescu, G., (2011) – Sisteme de epurare a apelor uzate, Ed. Matrixrom]

Prin aplicarea unor metode de epurare avansată, de mare eficacitate, capabile să îndepărteze chiar și substanțele refractare la procesele clasice, se ajunge la obținerea unei ape de foarte bună calitate.

Factorii care influențează procesul de epurare

Selecția proceselor și operațiilor în vederea alcătuirii procesului tehnologic de epurare a apelor uzate este cea mai importantă etapă în proiectarea unei stații de epurare a apelor uzate.

Aspectul cel mai important, în procesul de selecție, este evaluarea diverselor combinații de operații și procese și interacțiunile dintre acestea, cu referiri atât la treptele de epurare, dar și la egalizarea debitelor și concentrațiilor, alternativelor de prelucrare a nămolului rezultat, bilanțul de masă.

Determinarea capacității stației de epurare, precum și eficienta sa, sunt calculate funcție de valorile gradului de epurare necesare pentru principalii indicatori de calitate ai apelor uzate industriale.

Prin grad de epurare necesar se înțelege procentul de reducere, ca urmare a epurării, aunei părți din elementele poluante de natură fizică, chimică și biologică din apele uzate, astfel încât, partea rămasă în apa epurată să reprezinte valoarea limită admisibilă.

Conform definiții, gradul de epurare se calculează cu relația:

,

în care:

Ci – reprezintă valoarea concentrației inițiale a indicatorului fizic, chimic din apele uzate, pentru care se determină gradul de epurare, (mg/L);

Cf- reprezintă valoarea concentrației finale a aceluiași indicator după epurarea apei uzate, (mg/L);

Un parametru care intervine în calculele de proiectare a unei stații de epurare de ape uzate industriale, care deversează în emisar, apa de suprafață este gradul sau raportul de diluție notat cu “d” și care este dat de relația :

, în care:

Q – este debitul emisarului, (m3/s), Q=5 m3/s;

q – reprezintă debitul maxim zilnic ape uzate, (m3/s), q=0,315 m3/s.

Într-o secțiune intermediară de la gura de vărsare până la secțiunea de amestecare completă raportul de diluție real va fi exprimat prin relația și anume:

, în care:

a – coeficientul de amestecare corespunzător secțiunii considerate a cărei valori poate varia între 0,7…0,9; se adoptă a=0,85.

În cazul în care amestecarea ar fi perfectă valoarea lui va fi a = 1 și corespunde formulei de calcul.

În unele calcule și studii hidraulice valoarea coeficientului de amestecare este dată de relația lui I.D. Rodziler:

, în care:

a – reprezintă coeficientul de amestec ;

– reprezintă coeficientul exprimat prin relația lui V.A. Frolov;

, în care:

ξ = coeficient ce ține cont de locul și tipul evacuării apei uzate în emisar; Se adoptă ξ= 1,5 corespunzător evacuării la talveg;

Ф = coeficient de sinuozitate al receptorului; Ф = 1,2.

Dt = m2/s; în care:

v – viteza medie a receptorului, v=1,5 m/s

H – adâncimea medie a receptorului, H= (se adoptă);

q – debitul maxim zilnic al apei uzate, q=0,315 m3/s;

;

L – distanța totală după talveg de la puctul de vărsare al apei uzate până la secțiunea examinată privind calitatea emisarului, m (în calcule secțiunea examinată se consideră situată la amonte de secțiunea de folosință)

L = Ltemă- 1km=15-1= =

Se adopta L temă =

Se calculează lungimea de amestecare indicată cu ajutorul relației (se calculează utilizând ambele valori ale lui „a”

Deci, .

După determinarea gradului de diluție real se calculează gradul de epurare necesar pentru poluanții importanți considerați în tema de proiectare, așa încât, după epurare și amestecare cu apele emisarului să se încadreze în condițiile de calitate, categoria a II-a de ape de suprafață.

Pentru determinarea gradului de epurare pentru materii în suspensii se va aplică formula generală de determinare a gradului de epurare (GE) particularizată pentru materiale în suspensii:

, în care:

– reprezintă cantitatea de materii în suspensii din apele uzate brute, ce intră în stația de epurare, =410;

– reprezintă cantitatea de materii în suspensii, ce poate fi evacuată în emisar,concentrația limită pentru materiile în suspensie este 35mg/l.

Determinarea gradului de epurare necesar pentru substanțe organice (CBO5) se definește în următoarele situații:

când în afară de diluții și amestecare intervine și procesul natural de autoepurare a apei prin oxigenare la suprafață;

când în ecuația de bilanț calculele se bazează numai pe diluție și amestecare și nu iau în considerare procesul de autoepurare;

Se ia în considerare diluția, amestecarea și procesul de autoepurare prin oxigenarea apei.

CBO5a.u.·q∙10-k1t + a∙ Qe·CBO5 r ∙10-k1rt = (a∙Qe +q) ∙CBO5 a.m.

unde:

CBO5 a.m – reprezintă cantitatea de CBO5 admisibilă a fi evacuată în emisar pentru amestec, în secțiunea de calcul (7 mg/L);

k1 = 0,1 zi-1 – coeficient de oxigenare sau constanta de consum a oxigenului în ape uzate;

k1r = 0,1 zi-1 – constanta de consum a oxigenului din apele emisarului în amonte de gura de vărsare;

q –debitul zilnic maxim, q=0,315 m3/;

Q – debitul emisarului, Q=5 m3/s;

a = 0,8;

t – timpul de curgere a apei între secțiunea de evacuare și secțiunea de calcul;

CBO5 r-reprezintă cantitatea de substanță organică, exprimată prin CBO5, al apelor emisarului în amonte de gura de vărsare, (2 mg/l);

==

72,7095·0,315·

30,214930,205

Se ia în considerație numai amestecarea și diluția, ecuația de bilanț fiind:

CBO5 au·q+a·Q·CBO5r=(q+a·Q) ·CBO5am

CBO5 am=(CBO5am – CBO5r)+ CBO5am

==

70,492·0,315+0,8·5·2=(0,315+0,8·5) ·7

30,205= 30,205

În general, gradul de epurare privind oxigenul dizolvat se va calcula funcție de CBO5 la amestecare folosind relația:

CBO5am=F·Dmax

în care: factor cu valori între 1,5-2,5, se adoptă F= 2

Dmax- deficit maxim de oxigen în aval de secțiunea de avacuare și rezultă din diferențele între concentrația oxigenului dizolvat la saturație (= 9,2 mg/l) și concentrația oxigenului dizolvat ce trebuie să existe în orice moment în apa receptorului (COr).

Concentrația CBO5, într-o apă uzată, se determină folosind următoarea relație de calcul care ia în considerație bilanțul în ceea ce privește CBO5.

Se calculează în continuare CBO20 pentru ape uzate:

CBO20au= 1,46∙CBO5au mg/L = 1,46·72,7095=106,1554mgO2/L

CBO20r= 1,46∙CBO5r mg/L = 1,46*2=2,92 mgO2/L

Se calculează deficitul de oxigen ca fiind :

DO=COs- COr

COs(la )= 11,35 mgO2/L

DO=11,35- 6=5,35 mgO2/L

Se determină timpul critic la care se realizează deficitul maxim de oxigen (după gura de vărsare) din apa râului:

Calculul deficitului critic (maxim de oxigen):

Se compară concentrația oxigenului necesar vieții acvatice într-o apă de suprafață (>4mg/l) cu concentrația minimă de oxigen:

ELABORAREA SCHEMEI BLOC – TEHNOLOGICE