Proiectarea Unei Instalatii de Indepartare a Cianurilor In Apa Industriala

Proiectarea Unei Instalatii de Indepartare a Cianurilor In Apa Industriala

Byadmin ianuarie 1, 2024

PROIECTAREA UNEI INSTALAȚII DE ÎNDEPĂRTARE A CIANURILOR DIN APA INDUSTRIALĂ

INTRODUCERE

Din activitatea industriei extractive rezultă cantități considerabile de ape reziduale cu un conținut important de suspensii solide și substanțe chimice nocive. Astfel sunt:

apele de mină evacuate din subteran și din cariere, apele de la lucrările de hidromecanizare pentru construcții hidrotehnice;

apele uzate de la uzinele de preparare a minereurilor neferoase, auroargentifere, nemetalifere de la spălarea cărbunilor și a gazelor de furnal;

apele uzate de la secțiile de acoperiri și tratamente galvanice de suprafață

Apele de mină provenite din minele de cărbuni și de minereuri sunt în general impurificate, caracteristicile lor fizico-chimice fiind foarte variabile, depinzând de natura zăcămintelor și de procesele de dezintegrare și de dizolvare specifice bazinului minier.

Impurificarea apelor de mină este cauzată de diferite substanțe dizolvate (sulfați, cianuri, cloruri, suspensii solide și coloidale). Evacuarea directă în emisar a apelor de mină, fără o epurare prealabilă, poate cauza poluarea acestuia, degradând calitățile fizico-chimice ale apei.

Pentru combaterea nocivității, apele de mină trebuie epurate atât fizic, cât și chimic, cu excepția cazurilor în care prin deversarea directă în emisar, nu se depășesc conținuturile de impurități admise în raport cu debitul acestuia. O metodă economică de epurare a apelor de mină constă în neutralizarea apei de mină cu var și deversarea într-un iaz de decantare, după ce a fost în prealabil amestecată cu apa reziduală a uzinei de preparare. Precipitatul rezultat din neutralizarea apei de mină rămâne în iaz, iar apa epurată este readusă în procesul tehnologic prin recircuitare.

Dintre procesele tehnologice aferente industriei miniere, prepararea și spălarea substanțelor utile consumă cele mai mari cantități de apă, deoarece majoritatea proceselor de concentrare a substanțelor minerale utile au loc în mediu umed. Aceste ape sunt impurificate în primul rând de suspensiile solide – sterilul rezultat din ganga minereurilor prelucrate reprezentând 40…96% din totalul minereurilor brute, cel de la spălătoriile de cărbuni și substanțe nemetalifere 10…90%, iar la operațiile de hidromecanizare 100%. Aceste suspensii solide sunt evacuate împreună cu apele uzate ce conțin și reactivi de la preparare.

Astfel, apele de la flotațiile pentru prepararea minereurilor neferoase și aurifere conțin în soluție fenoli, xantați, săruri de metale grele (cupru, zinc, plumb, fier, mangan), cianuri (conținut redus) și au pH variabil datorită sulfaților și clorurilor.

Apele de la instalațiile de preparare a minereurilor aurifere prin metoda cianurației conțin arsen, ioni cianură sub formă de cianuri simple sau complexe, metale grele (sulfați solubili), iar apele provenite de la procedeul amalgamării sunt impurificate cu mercur metalic, cianuri (conținut redus) și săruri de metale grele.

Din cercetările întreprinse până în prezent s-a constatat că 75…80% din reactivii folosiți la flotație sunt reținuți în concentrate și numai 20…25% sunt dispersați în apa uzată (procent care este redus simțitor în cursul decantării fiind reținut în sterilul sedimentat).

Procesul tehnologic în secțiile de acoperiri metalice și tratamente de suprafață este împărțit în două faze principale: operații pregătitoare și operații propriu-zise de acoperire și tratament, fiecare dintre ele urmate de operații de spălare pentru îndepărtarea precipitatelor și finisarea suprafețelor tratate.

Procedeul de bază în acoperirea suprafețelor este procedeul electrolitic, care se realizează prin acoperiri galvanice și de contact. După operațiile propriu-zise, piesele se spală cu apă curată. Pentru tratamentele de suprafață se folosesc procedee termice, electrochimice și chimice. Procedeele termice nu produc ape uzate impurificate, însă procedeele electrochimice și chimice utilizează soluții alcaline sau acide cu concentrații care variază de la caz la caz.

Apele uzate din atelierele galvanice se prezintă sub formă de soluții concentrate, provenind din evacuarea băilor epuizate, cu descărcări intermitente, sau sub forma de ape de spălare cu concentrații reduse, cu evacuare în general în emisar. Substanțele impurificătoare au un caracter toxic puternic, care chiar în cazul încercării de diluare, nu asigura posibilitatea descărcării lor în mod continuu în emisar.

Apele de spălare a pieselor după decapare sunt toxice atât datorită conținutului în acizi, cât și a conținutului în metale grele. Apele uzate din industria metalurgică prelucrătoare; de la secțiile de acoperiri metalice și tratamente superficiale ale metalelor feroase rezultă ape uzate, având ca impurificător principal cianurile. Îndepărtarea cianurilor se poate face prin evaporarea apei uzate în iazuri, unde cianurile se oxidează în contact cu aerul atmosferic (soluție costisitoare), prin oxidare catalitică sau prin colorare alcalină cu clor gazos.

Cu scopul de a evita poluarea cu cianuri a apelor se folosesc metode fizice sau chimice de tratare cum sunt: hidroliza, ozonificarea, electroliza, câmpuri ultrasonice, câmpuri electrice, osmoza, schimbătorii de ioni sau metode biologice cu filtre biochimice și nămol activ.

CARACTERISTICILE APELOR UZATE

Epurarea apelor uzate industriale reprezintă o necesitate a sociatații de astăzi în plină dezvoltare, de aceea este foarte importantă calitatea apei furnizate. Odată cu dezvoltarea societații, diversitatea poluanților în apele uzate este mai mare, precum și impactul asupra mediului înconjurător este mai seminficativ.

Modernizarea societății a condus la creșterea necesarului de apă și implicit la creșterea volumului de ape uzate deversate în râuri și mări. Dacă aceste ape nu ar fi epurate înainte de deversare, receptorii naturali nu ar capacitatea necesară pentru autoepurarea apelor proprii și, astfel, materialul organic conținut de ape ar produce un miros neplăcut și microorganismele existente în ape ar produce îmbolnăviri grave ale populaței și nu numai. (Macoveanu, ș.a., 1997).

Încărcarea cu poluanți a apelor uzate industriale constituie cea mai masivă și nocivă categorie de poluare. În poluarea cu cianuri a apelor uzate industriale au o pondere importantă apele provenite din industria minieră, industria metalurgică și industria chimică. Apele uzate de la extracția minereurilor sunt impurificate atât cu suspensii minerale cât și cu substanțe chimice.

Industria extractivă generează două categorii de ape uzate:

ape de mină provenite de la extracția minereurilor;

ape uzate rezultate din procesul de preparare a minereurilor.

Principalele surse de formare a apelor de mină sunt:

apele provenite din precipitații atmosferice și pânzele freatice ale apelor de suprafață, care se infiltrează în formațiunile litologice de profunzime;

apele subterane acumulate în formațiuni acvifere deschise prin lucrări miniere de explorare sau lucrări speciale de asecare;

apa tehnologică introdusă în exploatările miniere pentru foraj umed, combaterea prafului, rambleierea hidraulică a golurilor excavate.

Evacuarea apelor de mină se realizează prin drenaje adecvate regimului hidrologic. În cazul minelor cu regim hidrologic stabil, evacuarea apei subterane se realizează prin drenaj pasiv, constând din lucrările miniere de deschidere și exploatare obișnuite (puțuri, galerii, plane înclinate, rostogoale), iar pentru minele cu formațiuni acvifere importante și regim hidrologic variabil în limite largi se prevăd sisteme speciale de drenaj activ, constând din lucrări de asecare prealabilă exploatării (puțuri de asecare, foraje, filtre, baraje etc.).

În scopul evacuării lor, apele de mină sunt colectate în bazine și prin pompare sunt evacuate pe căile de legatură ale minei cu suprafata.

Datorită caracteristicilor apelor de mină, reprezentate îndeosebi prin turbiditate, pH acid, săruri ale unor metale grele și uneori bacterii patogene, apa emisarului își schimbă proprietațile corespunzator cu nocivitațile evacuate.

Pentru a se evita asemenea efecte, trebuie aplicate mijloace de reducere a concentrație în substanțe nocive până la capacitatea de autoepurare admisibilă pentru condițiile locale, astfel încât să fie respectate limitele admise.

În apele de mină provenite din industria minieră sunt esențiale cunoașterea debitului efluentului, compoziția chimică a acestuia, turbiditatea, precum și pH – ul și temperatura efluentului. (M. Negulescu, 1968)

Industria minieră, prin ramura ei de preparare a minereurilor, consumă cantități importante de apă, datorită faptului că majoritatea proceselor tehnologice de concentrare a substanțelor minerale utile se realizeaza în mediu umedă.

Apele uzate din atelierele galvanice se prezintă sub forma de soluții relativ concentrate, provenind din evacuarea băilor epuizate, cu descurcari intermitente, sau sub forma de ape de spălare cu concentrații reduse, cu evacuare, în general continuă, în emisar. Substanțele impurificatoare au un caracter toxic foarte puternic, care chiar în cazul încercării de diluare nu asigură posibilitatea descărcării lor în mod continuu în emisar.

Apele uzate conținând impurități mecanice sunt formate din suspensii grosiere (tunder, nisip, praf) care nu ridică probleme deosebite în ceea ce privește reținerea lor, precum și nămoluri coloidale constituite din hidroxizi metalici, rezultate în urma operațiilor de neutralizare, fiind necesară eliminarea completă a acestora inainte de descărcarea în emisar.

Băile galvanice sunt în general de două tipuri: acide și alcaline. Băile acide conțin metale grele (cupru, zinc, nichel), fie separate fie combinate, ceea ce le conferă o puternică toxicitate. Din categoria băilor acide fac parte și baile galvanice de crom. Printre băile alcaline se pot enumera și băile de cianura de potasiu, care prin continutul lor de cianură sunt extrem de toxice. Metalele grele prezente chiar și după distrugerea cianurii trebuie eliminate în toate cazurile.

Determinarea caracteristicilor apelor uzate industriale este utilă pentru proiectarea stațiilor de epurare dar și pentru controlul și operarea acestora în condiții optime. Prin caracterizarea apelor uzate se înțelege determinarea indicatorilor de calitate fizici, chimici și biologici.

2.1 Surse de poluare a apelor industriale cu cianuri

Cianurile prezente în apele uzate industriale pot proveni din instalațiile de preparare a minereurilor aurifere (în urma folosirii metodei cianurației), industria metalurgică prelucrătoare, precum și secțiile de acoperiri metalice și tratamente superficiale ale metalelor feroase.

Procesul tehnologic din secțiile de acoperiri metalice și tratamente de suprafață este împărțit în două faze principale: operații pregătitoare și operații propriu-zise de acoperire și tratament, fiecare dintre ele urmate de operații de spălare pentru îndepărtarea precipitatelor și finisarea suprafețelor tratate.

Procedeul de bază în acoperirea suprafețelor care interesează din punct de vedere al apelor uzate este procedeul electrolitic, care se realizează prin acoperiri galvanice și de contact. După operațiile propriu-zise, piesele se spală cu apă curată demineralizată.

Efectele toxice ale ionilor de cianură au implicații deosebit de grave asupra sănătății umane, având o toxicitate ridicată iar eliminarea acestor compuși din mediul înconjurător fiind foarte dificilă de realizat.

Incidentele datorate prezenței cianurilor în apele uzate industriale și consecințele deosebit de grave pe care le au, au făcut ca cercetăriile din domeniu să fie îndreptate spre găsirea unui mod de rezolvare a acestor probeleme. Din această cauză, specialiști în domeniul ingineriei mediului fac eforturi deosebite pentru a găsi noi modalități, viabile din punct de vedere economic și eficiente, de a reduce cât mai mult posibil poluarea mediului datorată cianurilor.

2.2 Posibilități de epurare a apelor uzate industriale cu cianuri

Înainte de a se pune în discutie tehnologia de epurare propriu-zisă, prima măsură importantă este studierea posibilităților de reducere a debitelor de ape uzate cu conținut de cianuri. În acțiunea de reducere a folosirii apei, elementele de baza sunt înlăturarea risipei și pierderilor, prin măsuri simple cum ar fi: oprirea apei când băile și spălarile nu sunt utilizate și introducerea unor ventile de limitare a debitului de spălare în funcție de concentrația limită admisă.

În același scop se pot adopta măsuri de reducere a debitelor de apă prin: reducerea pierderilor prin antrenare, spălări în contracurent, spălări cu apă pulverizată sau refolosirea apei.

Operația de îndepărtare a cianurilor se poate realiza în două faze: în prima fază se realizează un tratament chimic necesar pentru a transforma substantele toxice solubile în produse inofensive sau în produse înca toxice dar insolubile, urmată de o fază de tratament fizic pentru eliminarea tuturor substanțelor insolubile. Tratamentul chimic necesită două reacții chimice successive: oxidarea sau reducerea produselor toxice care se gasesc fie în stare redusă, fie în stare oxidată.

Apele uzate cu conținut de cianuri, extreme de toxice, cu un continut de cianură de 20…100 mg/l, trebuie tratate astfel încât concentrația lor să ajungă, în final sub valoarea de 0,1 mg/l.

Îndepărtarea cianurilor folosind săruri de fier și convertirea cianurilor simple în cianuri complexe de fier poate fi realizată pentru soluțiile concentrate provenind din băile electrolitice uzate, prezentând însă inconvenientul ca reacțiile chimice se produc foarte lent și incomplet.

Îndepărtarea cianurilor prin oxidare se poate realize prin folosirea bioxidului de clor sau a clorurii de var sau a permanganatului de potasiu precum și a hiplocoritului de sodium, ca elemente oxidante a cianurilor continute in concentrate și apele de spălare.

Apele acide, necesită în mod obligatoriu neutralizarea inaintea deversarii în emisar la un pH între 7,5 și 8,5.

Depoluarea apelor uzate se face prin adăugarea de reactivi care provoacă precipitarea sau distrugerea substanțelor toxice. În cazul precipitării se formeaza namol, care trebuie îndepărtat din apele tratate, inainte de deversare.

Precipitarea cianurilor poate fi realizată cu săruri feroase și complecși stabili. Cea mai utilizată este precipitarea cu săruri feroase care decurge în două etape și anume:

cu formare de ferocianura feroasa netoxică (un ion complex care în condiții fotolitice poate reintroduce în apă ioni cianura), în mediu alcalin, pH=8,5 în conformitate cu următoarea reacție:

6CN- + Fe2+ [Fe(CN)6]4- (ion fercianuric netoxic)

precipitarea ferocianurii feroase prin introducerea de FeSO4 – este realizată la pH de 3,5 după adăugarea sării feroase în conformitate cu următoarea reacție:

[Fe(CN)6]4- + 2 Fe2+ Fe2[Fe(CN)6]

În aceste condiții se formează pe lângă ferocianura feroasă și o cantitate de albastru prusian Fe2[Fe(CN)6].

Reacțiile cu compușii de cupru și nichel sunt mai complicate având loc și precipitarea hidroxizilor metalici. În acest caz, nu se produce cantitativ ferocianura feroasa. Sărurile feroase ale cianurilor complexe de cupru și nichel sau cianuri cuproase sunt produsi secundari minori comparativ cu hidroxizii metalici precipitati; namolurile precipitate genereaza problemele suplimentare de depozitare și tratare.

Separarea precipitatelor formate constituie o etapă componentă a procesului tehnologic de epurare a apei uzate. În general, se realizează după coagulare și floculare prin sedimentare, cu formare și separare de sediment conținând 3% solide (namol diluat).

Apele uzate provenite din atelierele de acoperiri metalice pot fi epurate folosind procedee staționare, continuue sau în circuit închis.

Epurarea în sistem staționar constă în stocarea apelor uzate un interval de timp în functie de cantitatea acestora, urmată de o diluare pentru atingerea concentrațiilor admisibile sau de o tratare chimică în funcție de natura impurificatorilor conținuți. Tratarea chimică se poate raliza printr-o instalație de automatizare care să asigure deversarea în emisar, numai atunci când pe baza unor măsurători a fost atins gradul de epurare necesar.

Epurarea în sistem continuu se aplică în cazul unor debite mari a apelor uzate, a căror stocare nu poate fi asigurată în condițiile normale de spațiu din cadrul incintelor industriale. Apele uzate separate pe calități: cianurice, cromice, nitrice, acido-alcaline sunt conduse în mod continuu în bazine dimensionate în functie de timpii necesari realizării reactiilor chimice respective.

În cazul în care se pune problema economisirii unor debite de apă se pot utiliza scheme de tratare a apei uzate în circuit închis, procedeu prin care se reintroduce în circuit o cantitate în jur de 95% din volumul total al apei utilizate. Cel mai răspândite procedeu de tratare în circuit închis este tratarea prin schimbatori de ioni.

METODE DE EPURARE A APELOR UZATE INDUSTRIALE

Epurarea apelor uzate are la bază o serie de procese mecanice, fizice, chimice și biologice sau procese combinate, fiecare având un rol bine precizat.

3.1 Epurarea mecanică

Epurarea mecanică (primară) utilizează grătare și site cu ajutorul cărora se îndepărtează materialele grosiere cu dimensiuni mai mari de l mm; apoi prin decantare gravitațională cu ajutorul denisipatoarelor se determină depunerea nisipului.

După depunerea nisipului, apa este trecută prin decantoare primare, unde se depun suspensiile mai fine și o parte din substanțele coloidale (în decantoarele primare apa este reținută 1…3 ore). Stațiile de epurare mecanică pentru epurarea apelor uzate din industria petrolului, alimentară ș.a. sunt prevăzute și cu separatoare de produse petroliere, uleiuri etc., care sunt plasate înaintea decantorului primar.

3.2 Epurarea chimică

Epurarea chimică urmărește îndepărtarea poluanților foarte fini rămași în suspensie și a celor dizolvați, în acest scop, apele se tratează cu coagulanți (sulfatul de aluminiu, clorură ferică) și cu unele substanțe sintetice macromoleculare (numite polielectroliți). În urma unor astfel de tratamente, flocoanele rezultate, care au o greutate specifică mai mare, se sedimentează mai repede în decantor. Coagularea substanțelor poluante foarte fine se realizează în decantorul primar, ca urmare a unui proces chimic, iar sedimentarea flocoanelor are la bază un proces mecanic, de unde și denumirea metodei de epurare mecano-chimică.

Pentru eliminarea poluanților dizolvați se mai pot utiliza și substanțe care cedează oxigen, determinând oxidarea poluanților. Prin epurarea chimică se pot îndepărta poluanți primari (metale grele, cianuri, fenoli), iar ca reactivi sunt utilizate substanțe, cum ar fi: laptele de var, clorul, ozonul.

Înainte de intrarea în instalațiile de epurare, apele uzate acide și cele alcaline sunt supuse operației de preepurare, care constă în neutralizarea acestor ape în bazine utilizând substanțe chimice.

3.2.1 Epurarea chimică prin schimb ionic

Ca metodă de îndepărtare a ionilor anorganici din apă, schimbul ionic este un procedeu cunoscut de multă vreme și aplicat în diverse industrii. Reacțiile de schimb ionic sunt utilizate în: demineralizarea (deionizarea) apelor, dedurizarea apelor, epurarea unor ape uzate cu conținut de impurități minerale (în special ioni de metale grele), iar în ultimii ani, s-a încercat utilizarea schimbătorilor de ioni pentru îndepărtarea fosfaților, azotului amoniacal, coloranților, cianurilor, fenoli, pesticide clorurate și pentru reținerea materiilor organice din apele proaspete supuse apoi demineralizării, în scopul prelungirii duratei de funcționare a coloanei de deionizare.

În reținerea poluanților organici pe rașini sintetice, poate apare fie mecanismul de schimb ionic, fie adsorbția (mecanisme similare adsorbției pe cărbuni activi), dar în cele mai multe cazuri apar ambele mecanisme.

Regenerarea rășinilor epuizate prin reținerea poluanților, poate fi efectuată cu diverși reactivi chimici, stabiliți în funcție de mecanismele ce au intervenit în procesul de reținere: acizi sau baze, metanol, soluții de sare, acetonă, etc.

Utilizarea rășinilor schimbătoare de ioni pentru îndepărtarea poluanților, este, uneori, mai eficientă decât utilizarea cărbunilor activi.

3.2.2 Schimbul ionic

Procesul de schimb ionic reprezintă interacțiunea unei specii ionice aflată într-o soluție apoasă de electrolit cu un material solid absorbant. Absorbția prin schimb ionic are loc în sistem eterogen bifazic, schimbător de ioni – soluție de electrolit și se produce exclusiv pe suprafața materialului solid. În forma generală, un proces de schimb ionic poate fi reprezentat prin echilibrul:

RA + Mn+ RM + An+

unde: R – materialul schimbător de ioni; A – ion mobil; M – ioni aflat în soluție.

Schimbători de ioni sunt în general, materiale solide insolubile care conțin în structura lor ioni mobili, care sunt capabili de a fi schimbați cu ioni de aceeași sarcină din soluțiile de electroliți cu care vin în contact.

În urma eluției ionii metalici reținuți prin schimb ionic sunt trecuți din nou în soluție, iar schimbătorul de ioni poate fi folosit din nou.

Principalele avantaje ale utilizării proceselor de schimb ionic pentru reținerea ionilor toxici din apele uzate sunt legate de:

eficiența ridicată a procesului de îndepărtare a ionilor toxici;

consum mic de energie;

posibilitatea reutilizării aceleiași cantități de schimbător de ioni după regenerare.

Dezavantajele acestei metode sunt determinate de necesitatea regenerării periodice a schimbătorului de ioni, etapă care implică costuri suplimentare și generează deșeuri.

3.2.3 Oxidarea anodică a cianurilor

Principiul metodei se bazează fie pe oxidarea anodică directă a ionului CN- la azot și dioxid de carbon, fie pe oxidarea cianurilor cu hipoclorit și regenerarea continuă a hipocoritului pe cale electrochimică.

Oxidarea directă a cianurilor se utilizează la tratarea efluenților rezultați din băile de galvanizare electrochimică pe bază de cianuri. Mecanismul de oxidare are la bază oxidarea anodică a ionilor CN- și a compușilor metalici cianurici până la faza de cianat, conform reacțiilor:

CN- + 2OH- – 2e- → CNO- + H2O

[Cu(CN)3]2- + 6HO – 6e- → Cu2 + 3CNO- + 3 H2O

[Zn(CN)4]2- + 8 HO- – 8e- → Zn2+ + 4CNO- + 4H2O

Etapa următoare constă într-o reacție cu viteza lentă a ionului de cianat format anterior cu ionii OH-

2CNO- + 4OH- – 6e- → N2 + 2CO2 + H2O

Concomitent cu această reacție are loc o reacție secundară de hidroliza a ionului cianat:

CNO- + 2H2O → NH4+ + CO32-

(CN)2 + 4H2O → C2O42- + 2NH4+

Valorile de pH la care are loc oxidarea sunt importante pentru menținerea în parametrii optimi de operare. Valorile acestuia se situează între 9.5…13.5.

Randamentul procesului crește odată cu creșterea, concentrației cianurilor din apele supuse decianurării electrochimice. Acesta implică fie evitarea diluării efluenților la punctul de descărcare, fie o etapă preliminară de concentrare a acestora. Din cauza volatilității și toxicității ridicate a HCN, este de preferat prima variantă.

Un efect benefic asupra vitezei de decianurare îl au și ionii de cationi metalici, cum ar fi: Cu2+ și Ni2+, sau de anioni de halogeni, viteza reacției anodice crescând sensibil în prezența ionilor Cu2+.

În ceea ce privește anionii, ex. Cl-, efectul benefic al acestora se datorează participării competitive a acestuia în procesul anodic, având loc, simultan cu oxidarea CN-, și oxidarea ionilor Cl-:

2Cl- – 2e- → Cl2

Temperatura are un efect redus asupra reacției electrochimice propriu-zise, dar o contribuție însemnată asupra vitezei de oxidare anodică a ionilor CN-. Acesta influențează o serie de etape și procese intermediare cum ar fi: difuzia, adsorbția, desorbția, conductibilitatea electrică.

Catodul celulei de electroliză este confecționat din oțel inoxidabil, iar anodul poate fi alcătuit dintr-o serie variată de materiale, cum ar fi: cupru, dioxid de plumb, grafit, grafit vitros, titanul,nichelul, oțelul inoxidabil, etc.

Conținutul de cloruri din efluentul de tratat determină un proces de oxidare indirectă a cianurilor, proces care are loc din punct de vedere cinetic cu viteză mult mai mare decât reacția de oxidare directă. Astfel, în prezența unei cantități mai mari de Cl- în apă reziduală cianurică, reacția anodică principală este cea de producere a clorului activ, care oxidează cianurile simple și complexe după următorul mecanism:

2Cl- – 2e- → Cl2

Cl2 + 2OH- → Cl- + ClO- + H2O

2CN- + 2ClO- + 2H2O → 2CNCl + 4HO-

2CNCl + 4HO- → 2CNO- + 2Cl- + 2H2O

2CN- + 2ClO- → 2CNO- + 2Cl-

Procesul de oxidare completă poate fi descris prin următorul lanț de reacții care au loc în soluție (cu excepția clorului care ia naștere la anod):

5Cl- + 10OH- – 10e- → 5ClO- + 5H2O

2CN- + 5ClO- + H2O → 2CO2 + N2 + 2 OH- + 5Cl-

La interfața anod/electrolit mai are loc și reacția secundară de formare a dicianatului:

2CN- – 2e- → (CN)2

Cantitatea de hipoclorit necesară oxidării cianurilor se regenerează din produșii de reacție, procesul putând fii clasificat ca un proces autocatalitic.

Procesul poate fi accelerat alegând corespunzător materialul din care este construit anodul. Natura materialului are un rol mai mult sau mai puțin pronunțat, cu influențe directe asupra cineticii reacției globale.

Viteza reacției de oxidare a cianurilor crește cu creșterea conținutului de clorură și cu creșterea densității de curent (dacă valoarea concentrație de clor este peste 0.5 N, aceasta nu mai influențează semnificativ cinetică procesului de oxidare a cianurilor).

Gradul de conversie al cianurilor prin acest procedeu poate atinge valoarea de 97%, dar pentru mărirea acestuia, instalațiile moderne folosesc instalații combinate de tratare electrochimică în prima treaptă, urmată de o tratare chimică finală, în cea de-a doua treaptă, soluția conținând urme reziduale de cianură fiind oxidată prin adăugarea de soluție de permanganat de potasiu.

3.3 Epurarea biologică

Epurarea biologică, denumită și secundară, se folosește în scopul eliminării poluanților organici biodegradabili, care pot constitui hrană pentru unele microorganisme, în special pentru bacterii. Asemenea poluanți organici formează flocoane sau pelicule care se separă de apă prin decantare, de unde și denumirea metodei de epurare mecanico-biologică, care include atât procesul de separare natural.

În procesul de epurare naturală, după separarea mecanică a poluanților, apa trece într-un bazin de colectare și poate fi folosită la irigații.

Filtrele biologice sunt de fapt bazine umplute cu material filtrant sub formă de rocă minerală, cocs, cărămidă spartă, material plastic, cărora li se asigură o bună ventilație. Pe suprafața granulelor de material filtrant apar pelicule de material organic și bacterii aerobe, care descompun materia organică din apele industriale uzate. Comunitățile speciilor de microorganisme sunt diferențiate pe adâncimea filtrelor, în funcție de compoziția diferită pe care o capătă materia organică transformată prin procesele biochimice, cât și de gardul diferit de aprovizionare cu oxigen în diferitele straturi ale apelor uzate.

Bazinele cu nămol activ (bazine de aerare) sunt formate din dispozitive de aerare sub forma unor plăci poroase, prin care se insuflă aer pentru aprovizionarea cu oxigen a bacteriilor aerobe care descompun materia organică din apele uzate, în afară de bacterii, în asemenea bazine se înmulțesc si algele, care în urma fotosintezei, eliberează oxigenul utilizat de bacteriilor aerobe și valorifică azotul și fosforul din apele uzate, provenite din descompunerea materiilor organice, contribuind la epurarea apei.

Astfel, aceste microorganisme formează flocoane, care se depun în decantoarele secundare – plasate după biofiltre, respectiv după bazinele cu nămol – constituind materialul activ. O parte din acest nămol este folosit pentru "însămânțarea" cu microorganisme a bazinelor (filtrelor biologice).

Unele nămoluri rezultate se pot folosi, direct sau după o uscare prealabilă, ca îngrășământ. Uscarea acestora se face în pături de uscat reprezentate prin unele suprafețe de teren înconjurate de diguri de pământ.

Pentru unele folosințe, epurarea apelor uzate impune o depoluare cât mai completă a acestora, în acest scop, apa epurată prin metodele uzuale continuă să fie supusă unor procese folosite în tehnologiile de fabricație, cum ar fi: adsorbția, distilarea, schimbul de ioni.

PROCESE DE EPURARE A APEI UZATE INDUSTRIALE

Tratarea apelor uzate industriale reprezintă ansamblul de măsuri și procedee prin care impuritățile de natură chimică (minerală și organică) sau bacteriologică conținute în apele uzate sunt reduse sub anumite limite, astfel încât aceste ape să nu dăuneze receptorului în care se evacuează și să nu pericliteze folosirea apelor acestuia.

Procesele de epurare sunt asemănătoare cu cele care au loc în timpul autoepurării apelor de suprafață, numai că sunt dirijate de către om și se desfășoară cu o viteză mult mai mare. Instalațiile de tratare a apelor uzate sunt realizate în scopul intensificării și favorizării proceselor care se desfășoară în decursul autoepurării.

Procesele de epurare (de natură fizico-mecanică, chimică și biologică) sunt realizate în cadrul stațiilor de tratare a apelor uzate prin utilizarea procedeelor precum și a instalațiilor (de dedurizare, deferizare, demanganizare, dezacidare etc.) și construcțiilor adaptate în funcție de tipul și proprietățile poluanților.

Sedimentarea este prima operație la care este supusă apa industrială uzată și are ca scop reținerea particulelor greu solubile din apele uzate. Sedimentarea particulelor se face în bazine de formă rectangulară.

Pentru a îmbunătăți procesul de decantare a apelor uzate se introduce în apă un coagulant. Coagulantul este o substanță chimica solubilă care reacționează cu unele substanțe aflate în soluție în apa rezultând particule foarte fine încărcate cu sarcină electrica pozitivă, neutralizând câmpul electric negativ al particulelor solide, aliate în apă în suspensie coloidală. Coagulantul permite astfel aglomerarea particulelor fine în fulgi (flocoane) de dimensiuni din ce în ce mai mari, care se depun sub acțiunea căderii libere, antrenând în căderea lor și particule necoagulate. Operația de aglomerare a particulelor se numește floculare. Reactivii chimici folosiți în mod obișnuit pentru coagulare nu sunt dăunători organismului omenesc, atunci când sunt utilizați cu discernământ.

Ca reactivi pentru coagulare se folosesc, de obicei, sulfatul de aluminiu și sulfatul feros, iar mai rar clorura ferică, sulfatul feric, silicatul de sodiu și alte substanțe.

Sulfatul de aluminiu, A12(SO4)3 • 18H2O, este un produs industrial în stare solidă, cu greutatea specifică l 620 daN/m3.

Prin dizolvare în apă, sulfatul de aluminiu se combină cu bicarbonatul de calciu sau de magneziu, reducând astfel duritatea temporară a apei și rezultând hidroxidul de aluminiu. Hidroxidul de aluminiu care rezultă este dispersat în apă în particule fine încărcate cu sarcină electrică pozitivă și neutralizează sarcina electrică negativă a particulelor coloidale din apa oare se supune epurării. Sulfatul de aluminiu este un reactiv care produce și decolorarea apei.

Sulfatul feros, FeSO4 • 7 H2O, este un produs industrial în stare solidă, cu greutatea specifică l 890 daN/m3. Dizolvat în apă, sulfatul feros reacționează cu bicarbonatul de calciu sau de magneziu, rezultând bicarbonat acid de fier și sulfat de calciu sau de magneziu. Bicarbonatul acid de fier se comportă asemănător hidroxidului de aluminiu, cu privire la neutralizarea sarcinii electrice a particulelor coloidale.

Astfel, pentru a se putea produce fenomenul de coagulare a suspensiilor coloidale din apă, este necesar ca aceasta să aibă alcalinitate, exprimată de obicei prin duritatea temporară a apei. În cazul când apa nu are duritate suficientă, ea trebuie să fie alcalinizată cu var sau cu sodă.

În procesul de coagulare, au o mare importanță pH-ul și temperatura apei. Astfel, pentru sulfatul de aluminiu, reacțiile chimice de coagulare se produc într-un domeniu al pH-ului de 5,5…8,0; iar pentru sulfatul feros, reacțiile chimice de coagulare se produc într-un alt domeniu al pH-ului (8,5…11,0). La temperaturi ale apei sub 4…5°C și la concentrații reduse de impurități coloidale cu sarcină negativă în apa de tratat, reacțiile chimice de coagulare se produc foarte lent, ceea ce duce la dificultăți în exploatarea stațiilor de tratare a apei. Introducând în apă o soluție coloidală cu sarcini negative, are loc coagularea reciprocă a celor două soluții coloidale cu sarcină electrică opusă și se produce flocularea rapidă a coagulantului.

Această soluție coloidală formată din particule cu sarcini electrice negative care favorizează procesul de floculare se numește ajutător sau adjuvant al coagulării

Ajutătorul de coagulare cel mai des utilizat este bioxidul de siliciu (sau silice activată), preparat din acționarea soluției de silicat de sodiu cu ajutorul unui acid, rezultând acidul metasilicic. Acidul metasilicic format se polimerizează dând naștere soluției coloidale de acid silicic. Ca reactivi de activare se pot utiliza : acidul sulfuric, acidul clorhidric, acidul carbonic, acidul sulfuros, sulfatul de aluminiu, clorul gazos. În practică activarea se face fie cu acid sulfuric, fie cu clor sau cu sulfat de aluminiu. Alegerea activantului nu influențează esențial nici procesul de activare, nici activitatea produsului obținut, aceasta fiind determinată exclusiv de condițiile tehnico-economice.

Utilizarea silicei activate sau a altui ajutător de coagulare (bentonită, cărbune activ, nalcolit etc.) prezintă următoarele avantaje tehnico-economice:

se mărește viteza de floculare, obținându-se fulgi mai mari, mai denși, mai rezistenți, care se sfărâmă mai greu;

procesul de coagulare este eficient într-un domeniu mai larg al pH-ului;

procesul de coagulare are eficiență mărită într-un domeniu extins al temperaturii apei și la temperaturi scăzute;

eficiența coagulării se manifestă și pin creșterea vitezei de sedimentare a fulgilor formați, ceea ce conduce la obținerea unei ape mai bine decantate, care crește și eficiența instalației de filtrare.

În categoria instalațiilor pentru limpezirea apei prin sedimentarea particulelor în suspensie sunt cuprinse: deznisipatoarele, instalațiile pentru tratarea cu coagulant și decantoarele.

Deznisipatoare. Deznisiparea este procesul de sedimentare pentru reținerea nisipului (particule solide mai mari de 0,2 mm), care se află în suspensie în apă; acest proces având loc în bazine numite deznisipatoare.

Deznisipatoarele se clasifică după direcția de curgere a apei în deznisipatoare orizontale și deznisipatoare verticale.

Un deznisipator orizontal se compune din: camera de liniștire și distribuție a apei brute, camera de depunere a nisipului, camera de colectare a apei deznisipate, dispozitivul de curățire și golire și stavilele. Camera de liniștire și distribuție a apei brute face trecerea de la conducta (canalul) de apă brută la camerele de deznisipare. Camerele de depunere a nisipului sunt în număr de cel puțin două, dacă spălarea deznisipatorului nu se face continuu.

Nisipul depus în camera de deznisipare poate fi evacuat manual (numai la instalații cu debite foarte mici), mecanic sau hidraulic, în mod intermitent sau continuu.

Deznisipatoarele verticale se folosesc în locuirile unde amplasarea unui deznisipator ar necesita lucrări mari de terasamente, unde terenul trebuie să fie economisit și unde construirea în adâncime nu necesită excavări costisitoare. La acest tip de deznisipator depunerea nisipului se face într-o cameră în care apa circulă de jos în sus cu o viteză inferioară vitezei de depunere a nisipului.

Instalațiile pentru tratarea apei cu coagulant se compun din: stația de gospodărire a reactivilor, bazinul de amestec și bazinul de reacție, urmate de decantoare.

Stația de gospodărire a reactivilor cuprinde spațiile necesare pentru înmagazinarea reactivilor, pentru pregătirea formei sub care pot fi administrați reactivii (soluție, pulbere) și pentru dozarea acestora.

Decantarea este procesul de sedimentare în care sunt reținute până la 98 % din suspensiile de orice mărime, atât gravimetrice, cât și coloidale (care se depun după o prealabilă tratare cu coagulant). Decantarea se face în bazine numite decantoare, care după sensul de circulație a apei, pot fi orizontale, longitudinale, radiale sau verticale.

Un decantor orizontal se compune din: camera de distribuție, camera de decantare cu groapa de nămol, camera de colectare a apei decantate, galeria de colectare și evacuare a nămolului și conductele de deservire (intrare, ieșire, golire și preaplin). Apa este adusă prin conducte până la decantor și introdusă în camera de distribuție, de unde trece în camera de decantare printr-un perete cu orificii, care asigură o distribuție uniformă, a apei pe toată lățimea decantorului. Camera de decantare are la intrare o adâncitura în forma de pâlnie pentru colectarea nămolului.

După parcurgerea camerei de sedimentare, apa trece peste un deversor, la coronamentul căruia se afla un grătar metalic des necesar pentru reținerea frunzelor și ajunge în camera de apă decantată, de unde este luată printr-o conductă prevăzută cu vană de închidere.

Decantoarele verticale sunt bazine, de obicei cilindrice prin care apa circulă de jos în sus. Decantoarele verticale se utilizează pentru debite mici, când construcția în adâncime nu prezintă dificultăți.

Alegerea tipului de decantor se face pe baza unui studiu tehnico-economic, ținând seama de mărimea stației de epurare, de condițiile locale (mărimea terenului ce poate fi folosit, relieful terenului, natura terenului de fundație, nivelul apei subterane), de costul de investiție și de exploatare, precum și de dificultățile de exploatare.

Operațiile de exploatare a decantoarelor constau în urmărirea calității apei decantate și în curățirea periodică a depunerilor de nămol.

Evacuarea nămolului se poate face continuu și intermitent. La instalațiile mari, unde operația este mecanizată, evacuarea se face continuu, iar la instalațiile mici și mijlocii, intermitent. Pentru o bună curățire a decantorului se amenajează dispozitive mobile, care adună depunerile în pâlnia de nămol, de unde sunt evacuate prin gravitație cu ajutorul unor pompe.

Totuși prin decantare nu se poate obține limpezirea apei până la gradul necesar unei ape potabile. Pentru a se obține o limpezire practic completă a apei, trebuie să se folosească și procedeul filtrării apei printr-un strat de nisip.

Reținerea suspensiilor din apă de către nisipul filtrant se face printr-un proces complex, în care este preponderent fenomenul de adsorbție, particulele în suspensie fixându-se de suprafața boabelor de nisip, iar uneori și efectul de sită, fenomenul de sedimentare a suspensiilor în pori etc.

Un filtru este alcătuit dintr-un bazin, prevăzut cu un fund drenant care susține un strat de nisip și este dotat cu toate instalațiile necesare.

Apa decantată intră în filtru prin conductă, traversează stratul de nisip de sus în jos, străbate fundul drenant și ajunge în camera de apă filtrată. Nivelul liber al apei în camera de apă filtrată este mai coborât decât nivelul apei de deasupra nisipului cu o diferență, care reprezintă pierderea de sarcină prin filtru. Apa iese din filtru printr-o conducta. Filtrul este completat cu o conductă de golire și una de preaplin.

Reținerea particulelor în suspensie se face printr-un proces fizic, chimic și biologic în stratul superior de nisip, în care se formează o membrană biologică de l…2 cm grosime, alcătuită în mare parte din microorganisme vegetale și animale aerobe (care se dezvoltă în medii cu oxigen mult). Această membrană reține și aproape toate bacteriile ce se află în apă; de aceea, filtrele lente dau în general o apă potabilă, fără a mai fi necesară o dezinfectare ulterioară. Restul masei filtrante de nisip rămâne aproape complet lipsită de impurități.

Un filtru se compune dintr-un bazin (de beton sau beton armat), de formă paralelipipedică, prevăzut cu un fund drenant care susține stratul filtrant de nisip, prin intermediul unui strat de pietriș care face trecerea de la dimensiunea granulelor de nisip la mărimea orificiilor fundului drenant.

Filtrul este prevăzut cu o conductă de aducere a apei decantate, o conductă de ieșire a apei filtrate, o conductă de golire completă a bazinului, o conductă de golire a apei de deasupra nisipului, o conductă de preaplin și o conductă de umplere cu apă a filtrului în sens invers curentului normal de funcționare.

Pentru funcționarea normală a filtrelor este necesară tratarea prealabilă a apei cu reactivi de coagulare (floculare).

Spălarea filtrelor reprezintă operația cea mai importantă din procesul de filtrare a apei, deoarece de aceasta depinde, într-o mare măsură, calitatea apei filtrate în ciclul următor. Impuritățile neeliminate prin spălare din masa nisipului astupă porii acestuia, ceea ce duce la neuniformitatea filtrării și la mărirea vitezei reale a apei în unele zone ale filtrului, iar pe de altă parte substanțele organice rămase în filtru intră în descompunere, alterând calitatea apei.

Prin dezinfectarea apei de alimentare se înțelege operația de reducere a numărului de bacterii sub limita admisibilă, astfel încât acestea să nu fie dăunătoare organismului uman. Uneori, pentru operația de dezinfectare a apei se utilizează termenul de sterilizare, deși apa care rezultă mai conține încă germeni.

Limpezirea apei prin decantare și filtrare reduce numărul de bacterii conținute în apă, prin reținerea impurităților pe a căror suprafață sunt fixate bacteriile, dar nu într-o măsură suficientă. Pentru asigurarea calității bacteriologice, apa trebuie supusă procesului de dezinfectare.

Dezinfectarea apei se poate face prin următoarele metode :

metode bazate pe agenți chimici (clor și ozon);

metode bazate pe agenți fizici (căldură, electricitate, raze ultraviolete);

metode biologice (membrana biologică a filtrelor);

metode oligodinamice (acțiunea bactericidă a ionilor metalelor grele, argint, cupru).

Dintre metodele de dezinfectare a apei enumerate mai înainte, se utilizează în mod curent acelea bazate pe agenți chimici (clorul și ozonul).

Metoda dezinfectării apei cu clor are avantajul unei instalații relativ simple și a unui cost foarte redus de investiție și exploatare, în raport cu toate celelalte metode; de aceea este folosită în practică în mod curent. Dezavantajele metodei constau în faptul că reactivul trebuie transportat cu vehiculele, ceea ce poate avea inconveniente în perioadele de viscol și că, în anumite condiții, apa capătă un gust neplăcut, în special în cazul existenței fenolului în apă.

La introducerea clorului în apă se produc o serie de reacții chimice, din care rezultă acid hipocloros și acid clorhidric. Acidul hipocloros este nestabil și se descompune în acid clorhidric și oxigen atomic.

Oxigenul atomic rezultat acționează ca un puternic oxidant asupra materiilor organice, în general, și asupra bacteriilor aflate în apă, în special.

După introducerea clorului în apă, trebuie să se facă o bună amestecare și apoi să se asigure un timp de contact de cel puțin 30 minute înainte de folosirea apei.

Pentru dezinfectarea cu clor se folosesc două dispozitive :

o instalație de dozare automată a clorului gazos comprimat în butelii;

o instalație de preparare și dozare cu clorură de var.

Clorul se introduce în apă prin aparate automate de dozare, numite cloratoare. Aparatele pot fi cu doză constantă și cu doză variabilă, schimbată automat în funcție de debitul apei care trece prin instalație.

Instalația de clorare folosind clorura de var se utilizează la instalațiile mici, la instalațiile provizorii sau ca instalație de rezervă pentru cele definitive cu clor gazos.

Dezinfectarea apei cu clor se poate face după mai multe procedee: clorarea simplă, preclorarea, clorarea dublă, supraclorarea urmată de declorare și cloraminarea.

Clorarea simplă constă în introducerea în apa de dezinfectat, după limpezirea completă, a unor doze mici de clor, pentru a menține condițiile bacteriologice cerute unei ape potabile.

Preclorarea apei constă în tratarea apei cu clor înainte de intrarea în decantoare, iar uneori înainte de intrarea apei în filtre. Preclorarea apei îmbunătățește funcționarea instalațiilor de corectare a calității, prin faptul că, oxidând substanțele organice care împiedică procesul de coagulare, permite reducerea dozei de coagulant. Pe lângă aceasta, existența clorului în apa care trece prin filtru împiedică dezvoltarea microorganismelor în nisipul filtrant și evită într-o mare măsură colmatarea acestuia.

Preclorarea necesită doze mari de clor, deoarece o mare parte din clor se consumă cu oxidarea substanțelor organice conținute în apa încă nelimpezită.

Clorarea în exces, în practică, în corectarea calității apei se folosește, uneori, procedeul dezinfectării apei cu clor. Acest procedeu este justificat în cazul unor ape care suferă variații bruște de calitate, care nu pot fi urmărite în exploatare și ar exista pericolul ca, în anumite perioade, să se livreze în rețeaua de distribuție apă nepotabilă. În același timp, acest procedeu permite reducerea timpului de contact dintre clor și substanțele organice din apă. Procedeul clorării apei în exces se poate aplica în cazul decolorării apei, precum și în cazul îndepărtării mirosului și a gustului neplăcut al apei.

Clorul în exces se introduce la intrarea apei în instalația de îmbunătățire a calităților. La ieșirea din instalație, trebuie să se facă declorarea apei, deoarece, de obicei, clorul rezidual depășește cu mult limita admisibilă.

Declorarea apei se poate face fie cu ajutorul unor substanțe chimice capabile să neutralizeze excesul de clor (amoniac, bioxid de sulf, hiposulfit de sodiu), fie cu ajutorul unui material adsorbant (cărbune activ).

Dezinfectarea apei cu ozon constă în introducerea în apă a unei doze de aer ozonizat. Ozonul se produce în instalații speciale, prin descărcări electrice oarbe ale curentului alternativ de înaltă tensiune (10000…20000 V) efectuate în aer uscat. Ozonul are un efect oxidant puternic și rapid asupra substanțelor organice, îmbunătățind colorația, gustul și mirosul apei.

Consumul de ozon pentru dezinfectare este de 0,5…5 mg/dm3 de apă. La aceeași apă, doza de ozon pentru dezinfectare reprezintă 67…80% din doza de clor. Consumul de energie electrică necesară pentru producerea unui gram de ozon este de 20…30 Wh.

Schema unei instalații pentru dezinfectarea apei cu ozon este destul de complicată și cuprinde:

instalația pentru purificarea și aspirația aerului;

instalația pentru producerea aerului ozonizat,compusă din: baterie de ozonizare și transformator de curent electric de la tensiunea din rețea, la tensiune înaltă;

turnul de dezinfectare în care se introduce apa de dezinfectat pe la partea superioară și aerul ozonizat pe la partea inferioară; timpul de contact se recomandă să fie 10…12 minute;

desaturatorul, pentru eliminarea excesului de ozon din apa dezinfectată.

Dezinfectarea apei cu ozon este aplicată la noi mai rar, atât din cauza instalației complicate și costisitoare, cât și din cauza costului mare de exploatare (consum mare de energie electrică), în comparație cu dezinfectarea apei cu clor.

Metodele bazate pe agenți fizici se aplică rar în alimentările cu apă, fiind mai costisitoare decât metodele bazate pe agenți chimici.

Fierberea apei la temperatură mai mare de 100°C și la o presiune de câțiva bari distruge bacteriile. Metoda nu poate fi folosită pe scară industrială, ci numai în gospodării izolate, din cauza costului foarte ridicat al energiei consumate pentru încălzirea apei și apoi pentru răcirea acesteia la temperatura ambiantă.

Electricitatea poate fi folosită pentru dezinfectarea apei, cu ajutorul unor aparate constituite din trei celule. Celulele laterale sunt separate de celula centrală, prin care circulă apa de dezinfectat, prin intermediul unor membrane permeabile, în fiecare din cele două celule laterale se află fixat câte un electrod, legat de câte unul din polii unei surse de curent continuu. Microorganismele și ionii sărurilor dizolvate în apă sunt dirijați către unul din cei doi poli, obținându-se în celula centrală o apă pură atât din punct de vedere bacteriologic, cât și chimic. Această metodă este foarte costisitoare și, având în vedere rezultatul care se obține, se aplică numai în laboratoare și numai pentru prelucrarea unor cantități mici de apă.

Razele ultraviolete cu lungimi de undă de 100…300 µm au acțiune bactericidă. Radiații ultraviolete în această gamă pot fi produse cu lămpi de cuarț cu vapori de mercur, folosind curentul electric. Această metodă nu se aplică în practică deoarece nu prezintă siguranță deplină în exploatare, iar costul instalației și consumul de energie electrică sunt mari.

Epurarea apelor industriale uzate prin spumare reprezintă o metodă relativ simplă de epurare a apelor uzate și constă în insuflarea de aer comprimat în apa uzată și formarea de spumă în care se acumulează o serie de impurități. Procesul poate fi influențat pozitiv prin introducerea în apă a unor substanțe tensioactive, care contribuie la formarea ușoară a spumei și menținerea acesteia un timp îndelungat.

Oxidarea și reducerea poluanților din apele uzate industriale. Oxidarea și reducerea sunt procese chimice în care substanțele aflate în apele uzate sunt transformate prin schimb de atomi, în substanțe mai puțin toxice sau mai ușor de separat. Deoarece, din punct de vedere chimic, un proces de oxidare trebuie cuplat cu un proces de reducere, procesul se numește de oxido-reducere.

Scopul oxidării în epurarea apelor uzate este de a converti compușii chimici nedoriți din apele uzate în alții care nu sunt atât de toxici, sau se pot ușor îndepărta. În acest scop nu întotdeauna este necesară oxidarea completă; de exemplu în cazul substanțelor organice nu este necesară transformarea lor până la CO2, H2O și alți oxizi. Oxidarea se aplică atât substanțelor anorganice ce conțin ioni din categoria Mn2+, S2-, CN-, cât și substanțelor de natură organică, cum sunt: fenoli, aminele, acizi humici și diverși alți compuși care au un caracter toxic.

Oxidarea clasică cu oxigenul din aer decurge cu viteze relativ mici și depinde de temperatură, presiune și concentrația de oxigen. Viteze mari de oxidare se obțin dacă oxigenul se găsește sub forma activată, cum ar fi ozon, oxigen atomic, sau gruparea hidroxid (OH). În cazul epurării apelor uzate în faza epurării biologice, oxidarea substanțelor organice se face utilizând bacterii, dar procesul decurge lent și ca urmare sunt necesare bazine de mari dimensiuni. Pentru oxidarea chimică a impurităților de natură organică din apele uzate, pentru ca procesul să decurgă mult mai rapid se utilizează oxidanți energici cum sunt ozonul, clorul. Față de alte procedee, oxidarea chimică prezintă avantajul că odată cu impuritățile de natură organică sunt oxidate și impuritățile de natură anorganică cum sunt sulfurile, sulfiții și cianurile, dar și microorganismele din apă.

Clorul poate oxida eficient hidrogenul sulfurat, mercaptanii, nitriții, amoniacul, fierul și manganul, cianurile și unele substanțe organice. Este mult utilizat procedeul de distrugere a cianurilor cu clor până la formarea de cianați sau chiar de azot molecular, conform reacțiilor:

CN- + OCl CNO + Cl-

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

Principalul dezavantaj al utilizării clorului este faptul ca în urma reacțiilor se produc compuși organici halogenați cu nocivitate ridicată. Acest efect este eliminat în cazul folosirii bioxidului de clor, care, datorită stabilității sale scăzute se prepară direct în mediul de lucru. În afară de clor se utilizează pentru epurarea apelor și compuși ai clorului ce conțin clor activ. Este vorba de hipocloritul de sodiu și de calciu, clorura de var, precum și o gamă de cloramine. Ca și substanțe oxidante se utilizează și ferații de sodiu și potasiu: Na2FeO5 și K2 FeO4 în mediu acid. Ferații au marele avantaj că au și efect de coagulant, ca urmare a formării hidroxidului feric.

Procesele chimice de reducere sunt folosite mai ales pentru transformarea unor poluanți care au un caracter oxidant și nociv în substanțe inofensive sau care pot fi îndepărtate din apă prin aplicarea altor procedee de epurare.

Agenții reducători folosiți curent în practica industrială sunt săruri ale fierului bivalent, sulfiții, acidul sulfuros.

Precipitarea este procesul de epurare bazat pe transformarea poluanților din apele uzate în produși greu solubili. Precipitarea apare ca rezultat al unor reacții chimice din care rezultă substanțe mai greu solubile, dar ea poate avea loc și în urma unor schimbări ale condițiilor fizice, cum ar fi:

suprasaturarea apei prin concentrare;

micșorarea solubilității unor substanțe organice prin sporirea concentrației de electroliți;

micșorarea solubilității unei sări prin mărirea concentrației unuia dintre ioni, care o compun, respectiv a ionului cu nocivitate redusă.

Precipitarea pe scară industrială se aplică pentru îndepărtarea din apă a ionilor metalelor grele din apele industriale uzate rezultate în urma unor procese metalurgice, acoperiri galvanice, colectarea apele de mină, spălări de minereuri.

GRADUL DE EPURARE

La intrarea în stația de tratare apele uzate sunt caracterizate din punct de vedere fizic, chimic și biologic de apele ce provin de la diferiți consumatori (menajeri și industriali). Pentru rețeaua de canalizare publică există o serie de normative ce reglementează condițiile de descărcare a apelor uzate.

Unitățile industriale la care gradul de încărcare cu substanțe poluante este mai mare decât valorile maxime admisibile sunt obligate să dispună de stații de epurare a apelor uzate care să satisfacă condițiile impuse. Apele uzate evacuate în emisari trebuie să îndeplinească condițiile de calitate normate.

Prin grad de epurare necesar (GE), definit și ca eficiență necesară realizată în stația de epurare a apelor uzate, se înțelege procentul de reducere, ca urmare a epurării unor părți din anumite substanțe poluante conținute în apa uzată, astfel încât părțile ce au mai rămas din aceste substanțe în apa epurată, după amestecul acestora cu apa emisarului, să se încadreze sub valoarea limită indicată de normativele în vigoare. În stabilirea gradului de epurare se ține seama de calitatea corespunzătoare folosințelor din avalul punctului de deversare.

La deversarea apelor uzate tratate într-un emisar se stabilesc secțiunile de control indicate în figura 1.

Figura 1 Secțiuni caracteristice pentru calculul gradului de epurare necesar

R.C.P. – rețea de canalizare publică; S.E. – stație de epurare; G.V. – gură de vărsare; E – emisar; lT – lungimea cursului de apă; F – folosința apei din emisar; 1, 2, 3, 4, 5 – secțiuni de control calitativ

[%],

unde: Cinf – concentrația inițială a substanței pentru care se determină gradul de epurare, din apele influente în stația de tratare (mg/l);

Cef – concentrația finală a aceleiași substanțe din efluent, după epurarea apei uzate, (mg/l).

Valoarea concentrației Cef poate fi stabilită cu ajutorul ecuației de bilanț a cantității de masă poluantă, alcătuită conform schemei din figura 1, corespunzător secțiunii de calcul 4.

Cantitățile de poluanți din secțiunile 1 – 6 care influențează stabilirea gradului de epurare sunt prezentate astfel:

secțiunea 1 – cantitatea de poluanți efluentă în stația de tratare (Ginf):

[kg/zi]

secțiunea 2 – cantitatea de poluanți efluentă din stația de tratare (Gef):

[kg/zi]

secțiunea 3 – cantitatea de poluanți din emisar în amonte de punctul de vărsare a apelor uzate epurate (Gem):

[kg/zi]

secțiunea 4 – cantitatea de poluanți în secțiunea de control și de calcul admisibilă în emisar cu 1 km în amonte de secțiunea de folosință (Gadm):

unde: a – coeficient de amestec

secțiunea 5 – secțiunea de folosire a apei emisarului

Ecuația bilanțului de materii poluante se poate scrie astfel:

sau

În baza ecuației de mai sus se poate exprima concentrația în poluanți a apelor uzate epurate (Cef) astfel:

Concentrația în poluanți a apelor efluentului variază în funcție de diluție și de capacitatea de autoepurare a emisarului.

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 – reprezintă debitul maxim zilnic ape uzate, (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;

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;

Ф = coeficient de sinuozitate al receptorului;

Dt = m2/s; în care:

v – viteza medie a receptorului,

H – adâncimea medie a receptorului,

q – debitul maxim zilnic al apei uzate.

L – distanța totală de la puctul de vărsare al apei uzate până la secțiunea examinată privind calitatea emisarului

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;

– 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;

k1 – coeficient de oxigenare sau constanta de consum a oxigenului în ape uzate;

k1r – constanta de consum a oxigenului din apele emisarului în amonte de gura de vărsare;

q –debitul zilnic maxim, Q – debitul emisarului, 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;

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

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

CBO5am=F·Dmax

în care: F – factor cu valori între 1,5-2,5, iar Dmax- deficit maxim de oxigen în aval de secțiunea de evacuare 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).

Deficitul de oxigen se calculează ca fiind :

DO=COs- COr

Timpul critic la care se realizează deficitul maxim de oxigen (după gura de vărsare) din apa râului se determină cu relația:

SCHEME DE EPURARE A APELOR UZATE

Aceste procese se bazează pe folosirea capacității microorganismelor, îndeosebi a bacteriilor, de a asimila și mineraliza substanțele organice dizolvate în apele uzate care au suportat de obicei prima treaptă de tratare – tratare primară.

În funcție de bacteriile participante la tratarea biologică a apei se deosebesc procese aerobe, care se realizează în prezența oxigenului, folosit de bacteriile aerobe pentru oxidarea substanțelor organice cu producere de CO2 și H2O și procese anaerobe, care se desfășoară în absența oxigenului și au la baza lor reducerea substanțelor organice cu eliminarea de produși intermediari (acizi) și gaze (metan, azot, hidrogen sulfurat, dioxid de carbon).

Tratarea biologică poate avea loc în condiții apropiate de cele naturale sau în condiții create artificial. Epurarea biologică în condiții naturale se poate realiza în câmpuri de irigare sau infiltrare și iazuri biologice. Epurarea biologică în condiții artificiale se realizează în filtre biologice aerobe sau anaerobe și bazine de aerare sau de epurare anaerobă cu nămol activ.

Atunci când apele uzate au concentrații relativ mici de substanță organică se prevede treapta biologică cu procese aerobe, iar când concentrațiile sunt mari se prevede treapta biologică cu procedee combinate (tratare cu procedee anaerobe urmată de procedee aerobe).

Tratarea biologică a apelor uzate mai este cunoscută sub numele de epurare secundară. Ea mai poate fi urmată și de o epurare terțiară atunci când condițiile de evacuare a apelor tratate în emisari impun un grad de epurare mai avansat decât cel posibil la o epurare mecano – biologică clasică sau atunci când se impune și eliminarea compușilor de azot și fosfor.

În ceea ce privește eficiența – randamentul – diferitelor instalații, el este de obicei exprimat prin posibilitatea acestora de a reduce materiile organice (exprimate prin CBO), materiile în suspensie separabile prin decantare și bacteriile.

Schemele tehnologice de epurare a apelor uzate sunt aplicate în vederea reducerii sau eliminării complete a impurităților de natură minerală, organică și bacteriologică. Principalele obiective în procesele de epurare a apelor uzate, indiferent de procesele tehnologice utilizate, sunt: reținerea substanțelor poluante sau a celor ce pot fi valorificate ulterior și prelucrarea depunerilor rezultate din epurarea apelor.

Schemele tehnologice de epurare realizate în cadrul stațiilor de epurare utilizează operații bazate pe fenomene fizice de reținere a poluanților sau procese bazate pe transformarea poluanților în compuși cât mai simpli.

Adoptarea schemei tehnologice de epurare reprezintă o succesiunea în plan a obiectelor principale ale acesteia cu arătarea pozițiilor relative între ele precum și cu indicații asupra fluxului tehnologic al apei, nămolului. Schema stației de tratare nu trebuie să fie confundată cu planul de situație al acesteia, în care obiectele, elementele de legătură, instalațiile sunt prezentate cu cote de nivel, dimensiuni și distanțe între obiecte.

Schemele tehnologice ale stațiilor de epurare se aleg în funcție de următorii factori:

debitul și componența apelor uzate. Debitul influențează alegerea instalațiilor, al căror domeniu de utilizare este diferit. Componența apelor uzate depinde de proporția apelor uzate industriale, acestea din urmă influențând și tratabilitatea amestecului de ape prin metodele mecanice și biologice în componența clasică a instalațiilor.

gradul de epurare necesar. Valoarea minimă a CBO al efluentului tratat fizico-biologic atât cu folosirea bazinelor de aerare cu nămol activ, precum și a filtrelor biologice, este de ordinul 15…25 mg/l. Dacă prin calculul gradului de epurare necesar este impusă o valoare inferioară, schema trebuie să includă o tratare terțiară. În cazul obținerii unor valori de CBO 15…25 mg/l al efluentului tratat se mai obișnuiește a se folosi termenul de tratare biologică completă (totală). O tratare biologică incompletă (parțială) are o valoare a CBO – ului efluentului tratat superioară celei de 25…30 mg/l. În funcție de gradul de epurare necesar pot fi utilizate atât procedee separate (din cele enumerate mai sus) cât și combinări diferite din ele. Unele recomandări din acest punct de vedere sunt date în tabelul 1.

condițiile locale (climaterice, geotehnice, spațiul disponibil pentru construcția stației)

modul de tratare a nămolului – impune alegerea schemei de tratare a nămolurilor în interdependență cu schema instalațiilor de tratare a apelor uzate și ținând cont de reîntoarcerea în circuit a apelor provenite din tratarea nămolurilor.

Tabelul 1

Recomandări pentru alegerea schemelor de epurare a apelor uzate funcție de gradul de epurare necesar

Pentru alegerea unei scheme de stație de epurare trebuie ca obiectele funcționale să ocupe o suprafață cât mai mică, transportul apei uzate și a nămolului să se facă pe distanțe cât mai scurte și să evite încrucișări repetate ale conductelor și canalelor.

Pentru o exploatare optimă trebuie prevăzute canale de ocolire (by-pass) atât pentru întreaga stație, cât și pentru treptele de epurare.

În figura 2 este dată o schemă de epurare fizico-biologică în condiții naturale pentru debite mai mici de 10000 m3/zi.

Treapta fizică este prezentată prin grătare sau site pentru înlăturarea materiilor grosiere. Există două posibilități de lichidare a deșeurilor reținute de grătare: în prima variantă materiile grosiere sunt dezintegrate în utilaje speciale, diluate cu apă și evacuate în canalul de aducțiune a apelor uzate, în amonte de grătare, iar în a doua variantă ele ar putea fi stocate în containere și apoi transportate la depozitele de gunoi ale orașului.

Figura 2 – Schema procedeu epurare fizico-biologică ape uzate

Materiile în suspensie sunt separate în denisipatoare, iar cele organice în mod special în decantoare de tip Imhoff, acestea din urmă reprezentând o construcție combinată dintr-un decantor propriu-zis, destinat sedimentării materiilor în suspensie, și o fosă septică, unde are loc fermentarea anaerobă a nămolului rezultat din decantor. Nămolul, atât cel din denisipatoare cât și cel fermentat este supus unei deshidratări naturale pe platforme de uscare, dotate cu conducte de drenaj. Apele de drenaj sunt refulate în canalul apelor uzate în aval de decantoare.

Pentru debite mai mari de 10000 m3/zi se prevăd decantoare verticale, orizontale, radiale, în locul decantoarelor cu etaj de tip Imhoff, iar pentru fermentarea nămolului din decantoare, înainte ca acesta să fie evacuat pe platformele de uscare se folosesc rezervoare separate de fermentare metanică. În acest caz este nevoie de o pompare a nămolului.

În figura 3 este reprezentată schema clasică de tratare fizico-biologică cu bazine de aerare. Treapta primară din această schemă se deosebește de cea precedente prin prezența unui denisipator aerat cuplat cu un separator de grăsimi și uleiuri pentru eliminarea grăsimilor și uleiurilor în suspensie, după care urmează un bazin de preaerare, care are menirea de a intensifica procesul de limpezire a apelor uzate în decantoarele primare. Această necesitate apare la o concentrație de materii în suspensie la intrarea în stația de tratare a apelor uzate care depășesc 300 mg/l, nămolul activ în exces este refulat în bazinele de preaerare, jucând rolul unui coagulant natural.

Figura 3 – Schema clasică procedeu epurare fizico-biologică ape uzate

Pentru funcționarea corectă a bazinelor de aerare, nămolul activ este refulat după o separare de apele uzate epurate în decantoarele secundare din nou în bazinele de aerare (nămol recirculat). Nămolul activ în exces este reținut împreună cu nămolul primar în decantoarele primare, iar acest amestec de nămoluri este refulat în fermentatoare metanice în scopul stabilizării anaerobe a substanței organice conținută în nămoluri. Din fermentarea anaerobă a nămolurilor în metantancuri rezultă biogazul, care este folosit drept carburant. Pentru compensarea volumelor de biogaz sunt prevăzute gazometrele. Prin folosirea biogazului drept carburant în centrala termică se obține agentul termic necesar pentru menținerea regimului termic al fermentării anaerobe, transferul de căldură realizându-se prin schimbătoare de căldură. Surplusul de biogaz poate fi folosit și pentru alte necesități ale stației de tratare.

Pentru asigurarea oxigenului necesar microflorei aerobe din bazinele de aerare este necesară o stație de suflante care alimentează cu aer comprimat atât bazinele de aerare din treapta biologică cât și desnisipatoarele aerate ale treptei fizice. În bazinele de contact se depune o anumită cantitate de nămol, care este refulat și el la instalațiile de tratare a nămolului.

ANALIZA PROCESELOR ȘI PROIECTAREA UTILAJELOR

Datorită compoziției apele uzate industriale cu conținut de cianuri, necesită o atenție deosebită în ceea ce privește epurarea lor. Astfel, ținând cont de compoziția apelor și de proveniența acestora, procesul de epurare a apelor poate fi mai complex.

Schimbul de ioni înseamnă îndepărtarea constituenților ionici periculoși sau nedoriți din apa uzată și înlocuirea lor cu ioni mai acceptabili proveniți dintr-o rășină schimbătoare de ioni, unde ei vor fi temporar reținuți și apoi eliberați într-un lichid prin regenerare sau pentru spălare în contracurent.

Schimbătorii de ioni sunt în general, materiale solide insolubile (sau lichide nemiscibile) care conțin în structura lor ioni mobili, care sunt capabili de a fi schimbați cu ioni de aceeași sarcină din soluțiile de electroliți cu care vin în contact.

7.1 Mecanismul procesului

Instalația cu schimbători de ioni este formată din două coloane de schimb ionic ce funcționează alternativ (una este pusă în funcțiune, iar a doua este pentru regenerarea schimbătorului de ioni).

Schimbătorii de ioni se prezintă sub formă de granule, având o structură macromoleculară de sinteză și au proprietatea de a schimba în contactul cu o soluție apoasă anumiți ioni.

Procesul de schimb ionic reprezintă interacțiunea unei specii ionice aflată într-o soluție apoasă de electrolit cu un material solid absorbant. Acest proces are loc în sistem eterogen bifazic, schimbător de ioni – soluție de electrolit și se produce exclusiv pe suprafața materialului solid. Procesul de schimb ionic este utilizat pentru îndepărtarea formelor dizolvate a ionilor metalici prin interacțiuni electrostatice pe un material schimbător de ioni, natural sau sintetic.

În structura unei rășini schimbătoare de ioni se disting un schelet insolubil, pe care sunt fixate grupe (radicali) cu caracter acid sau bazic și datorită cărora în prezența soluțiilor de ioni se produc reacții de schimb ionic, care, de fapt sunt reacții chimice de echilibru.

Etapele procesului de schimb ionic sunt: epuizarea, afânarea, regenerarea și spălarea.

Epuizarea are loc prin trei faze schimbul ionic propriu–zis, încărcarea si săturarea. Ionii din soluție sunt preluați de schimbătorul de ioni și sunt reținuți o parte în structura rășinii și altă parte, în concentrație mult mai mică, trece în efluent. Odată cu saturarea centrilor de schimb ionic, concentrația ionilor din efluent crește, astfel, ajungându-se la un moment în care concentrația ionilor din efluent și influent sunt egale, iar procesul de schimb ionic este ineficient.

O rășină este considerată a fi epuizată când ionii rășinii sunt în marea majoritate înlocuiți cu ioni care au fost îndepărtați din soluție.

Afânarea este operația prin care se face detașarea straturilor de rășini, îndepărtarea eventualilor impurități mecanice reținute în stratul de rășini. De aceea are loc o rearanjare a particulelor și o distrugere a eventualelor canale hidraulice de curgere preferențială a soluțiilor. Pentru a se putea afânarea coloana este parțial ocupată cu rășină.

Regenerarea are drept scop readucerea schimbătorului de ioni la forma sa inițială. Regenerarea este procesul invers epuizării și este realizată printr-o concentrație ridicată a ionului respectiv din soluția agentului regenerant, care poate fi trecut în echicurent sau în contracurent.

O rășina schimbătoare de ioni în utilizările industriale este de regulă regenerată între 12 și 48 ore. Depinzând de utilizarea rășinii, aceasta poate fi utilizată în câteva diferite feluri, fiecare cu avantajele și dezavantajele lui, depinzând de cei doi factori: chimic si economic.

Ca agent regenerant poate fi folosită: soluție de HCl pentru cationit, soluție de NaOH pentru anionit.

Spălarea se face în scopul îndepărtării urmelor de reactivi de la regenerare, rășina fiind supusă unei spălări cu apă, clătirea apei fiind determinată de tipul rășinii.

Regenerarea rășinilor din procesul schimb de ionic are ca rezultat un volum mic de acid concentrat sau de soluție de sare, conținând ionii îndepărtați ce își au originea în rășină. Acest lichid îmbogățit trebuie să fie tratat separat pentru îndepărtarea acestor ioni.

Influentul și efluentul din recipientul în care are loc schimbul de ionic trebuie monitorizați cu mare atenție pentru a observa apariția vreunei crăpături. Parametrii ce trebuie controlați sunt: conductivitatea electrică, pH-ul, concentrația în efluent a ionilor ce trebuie controlați.

Rășinile cationice utilizate, sunt cele slab acide, deoarece prezintă o mare afinitate pentru cationit, însă nu extrag cationii din mediul acid. Pe măsură ce pH-ul scade, capacitatea de schimb scade, devenind nulă în mediul acid. De aceea, cationiții slab acizi sunt inutilizabili în mediul acid.

Rășinile cationice slab acide sunt polimeri acrilici, ramificați cu divinilbenzen, având grupări funcționale carboxilice. Acestea pot fi de tip gel (cu microporozitate) sau de tip macroporos (cu porozitate discretă). Structura nesaturată a matricii acrilice permite o foarte mare concentrare a grupărilor schimbătoare carboxilice.

7.2 Capacitatea de schimb ionic

Capacitatea de schimb reprezintă cantitatea de ioni de schimb (contraioni), exprimată în milimoli sau miliechivalenți, conținuți în unitatea de masă (gram) sau de volum aparent (ml) al unui schimbător de ioni.

Se deosebește o capacitate totală (teoretică) de schimb și o capacitate utilă (de lucru sau practică).

Capacitatea totală (teoretică ) de schimb, Qs este o măsură a numărului total de grupări ionizabile sau poziții de schimb ale unității de sarcină și ia în considerație întreaga cantitate de contraioni din schimbător. Teoretic, capacitatea totală de schimb ionic este o mărime constantă pentru un schimbător și un ion dat. Ea variază puțin cu forma ionică a schimbătorului (funcție de contribuția masei ionului la masa totală a schimbătorului) și poate fi afectată de acțiunea unor agenți chimici, a radiațiilor și a temperaturii asupra schimbătorilor de ioni.

Capacitatea utilă (practică) de schimb se referă numai la acea parte din contraioni care este implicată în procesul de schimb, în condiții specifice. Capacitatea utilă sau activă este o mărime variabilă (poate varia de la zero la capacitatea teoretică) și este puternic dependentă de factori experimentali cum sunt: natura și concentrația ionilor de schimb, raportul dintre cantitatea de schimbător și volumul soluției, pH-ul soluției, granulația și porozitatea schimbătorului, numărul de cicluri sorbție – regenerare etc.

Pentru determinarea capacității de schimb se utilizează metode standardizate: statice și dinamice. În metodele statice o cantitate cântărită de schimbător uscat este contactată cu un volum determinat din soluția unui electrolit ce conține ioni de schimb. După un timp, suficient pentru realizarea schimbului, se analizează schimbul de ioni în faza lichidă prin titrare chimică sau instrumentală. Prin metode statice se determină de obicei capacitatea totală și capacitatea utilă de schimb în condiții experimentale specifice.

În modele dinamice, o cantitate cunoscută de schimbător îmbibat se plasează într-o coloană prin care trece continuu o soluție de electrolit, până când compoziția filtratului este identică cu cea a soluției inițiale.

Valorile capacității de schimb sunt cuprinse, de obicei, între 2 și 10 mechiv/gr, depinzând de natura schimbătorului de ioni.

Bibliografie

Dima, M., (2005) – Epurarea apelor uzate urbane, Editura Tehnopress

Ianculescu O., Ionescu Gh., Racovițeanu R., (2001) – Epurarea apelor uzate, Editura Matrixrom, București

Ionescu, G., (2011) – Sisteme de epurare a apelor uzate, Ed. Matrixrom, București

Ionescu, G., Sâmbeteanu, A., (2013) – Tehnologii moderne pentru epurarea apelor uzate, Ed. Matrixrom, București

Macoveanu, M., Bîlbă, D., Bîlbă, N., Gavrilescu, M., Șoreanu, G., (2002) – Procese de schimb ionic în protecția mediului, Ed. Matrix Rom, București

Robesen, D., ș. a. (2000) – Tehnologii, instalații și echipamente pentru epurarea apei, Editura Tehnică, București

Robescu, D., Lanyi, S., Verestoy, A., Robescu, D., (2004) – Modelarea și simularea proceselor de epurare, Editura Tehnică București

Robescu, D., Lanyi, S., Verestoy, A., Robescu, D., (2004) – Wastewater treatment technologies, installations and equipments. Editura Tehnică, București

Robescu, D., Lanyi, S., Verestoy, A., Robescu, D., (2002) – Fiabilitatea proceselor, instalațiilor și echipamentelor de tratare și epurare a apelor. Editura Tehnică, București

Rojanschi, V., Bran, F., (1997) – Protecția și ingineria mediului, Ed. Economică, București

Rojanschi, V., Ognean, T. (1989) – Cartea operatorului de stații de tratare și epurare a apelor

Simionescu, C., (2009) – Epurarea biologică a apelor uzate, Ed. Matrixrom, București

Stoianovici, S., Robescu, D., (1986) – Calculul și construcția echipamentelor de oxigenare a apelor uzate, Editura Ceres, București

Stoianovici, S., Robescu, D., (1982) – Procedee și echipamente necesare pentru tratarea și epurarea apei. Editura Tehnică, București

*** NTPA-001/2002 – Normativ din 28 februarie 2002 privind stabilirea limitelor de încărcare cu poluanți a apelor uzate industriale și orășenești la evacuarea în receptorii naturali

*** NTPA-002/2002 – Normativ din 28 februarie 2002 privind condițiile de evacuare a apelor uzate în rețelele de canalizare ale localităților și direct în stațiile de epurare