Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale [619191]

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
3

CUPRINS

CUPRINS ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 3
CAPITOLUL I. NOȚIUNI INTRODUCTIVE ………………………….. ………………………….. ………. 4
1.1 Obiectiv ele cercetării ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 5
CAPITOLUL II. CONSIDERAȚII TEORETI CE ASUPRA PROCESELOR ANAEROBE . 6
2.1. Aspecte generale ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 6
2.2. Digestia anaerobă în România ………………………….. ………………………….. ………………… 7
2.3. Produșii finali ai digestiei anaerobe ………………………….. ………………………….. …………. 7
2.3..1. Biogazul ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 7
2.3..2. Efluentul ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 10
2.3..3. Nămolul ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 10
2.4. Principiile tratamentului anaerob ………………………….. ………………………….. …………… 10
2.5. Cinetica proceselor de epurare anaerobă ………………………….. ………………………….. … 12
CAPITOLUL III. TEHNOLOGII ANAEROBE UTILIZATE ÎN EPURAREA APELOR
REZIDUALE DIN INDUSTRIA ALIMENTARĂ ………………………….. ………………………….. . 18
CAPITOLUL IV. CERCETĂRI EXPERIMENTALE ………………………….. ………………………. 31
CONCLUZII ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 47
BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 49

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
4

CAPITOLUL I. NOȚIUNI INTRODUC TIVE

Pe Pământ, existența vieții este indisolubil legată de apă care, datorit ă însușirilor sale
fizice și chimice, reprezintă un factor de prim ordin în desfășurarea multor procese
biochimice, fiziologice și ecologice esențiale.
Circa 20% din populația globului nu are acces la apă potabilă de calitate, iar în jur de
50% este lipsită de condiții igienico -sanitare corespunzătoare. Asigurarea hranei populației
globului , în continuă creștere, depinde tot mai mult de resursele de apă. Astfel, se poate spune
că a fost creată o adevărată industrie a apei, cu nimic mai simplă de cât celelalte industrii
existente.
Mai mult ca oricând, la începutul acestui mileniu, omenirea se confruntă cu o seamă
de probleme globale care influențează deopotrivă viața economică, socială și politică a
planete i, manifestându -se la nivel mondial și con stituindu -se prin aceasta în preocupări
comune ale populației globului, a căror rezolvare nu se poate înfăptui decât la nivel planetar
[7].
Faptul că aceste probleme, exist ente în decursul istoriei la nivelul diferitelor regiuni
ale globului nostru, au cre scut în intensitate pe parcursul acestui secol este în strânsă legătură
cu mondializarea vieții economice și , ca urmare firească a creșterii în proporție nemaiî ntâlnită
a producției materiale – industr iale și agricole.
Acestea au la bază rezultatele revol uției tehnico -științifice fără precedent din ultimele
decenii, care aplicate în mod diferenția t în diverse state ale lumii, au condus la creșterea
independențelor între țările producătoare de materii prime și cele puternic industrializate, cu
consecințe pe termen lung prin urbanizarea accelerată , sporirea cantității de materii prime și
hrană și a cerințelor de energie.
Una dintre mijloacele cele mai frecvente de producere a poluării ambientale este
introducerea de materiale biogene în concentrații neobișnui t de mari, care induc dezechilibre
în ecosistemele naturale [9].
Capacitatea poluantă a diferitelor reziduuri care au un conținut remarcabil de substanțe
organice este pr ezentată în tabelul următor [14 ].

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
5

Tabelul 1.1 Caracteristici ale apelor uzate
Tip apă Caracteristici
Apa de canal menajere CBO 5: 200 -600 mg/l
Reziduuri de la prelucrarea diferitelor
țesuturi vegetale CBO 5: 200 -5000 mg/l
Solide în suspensie : 50-1800 mg/l
Reziduuri de la crescătoriile de
porcine CBO 5: 25 000 mg/l
CCO Cr: 100 000 mg/l
Solide totale: 70 000 mg/l
Efluenți de la crescătoriile de bovine CBO 5: 20 000 mg/l
CCO Cr: 100 000 mg/l
Solide totale: 120 000 mg/l

1.1 Obiectivele cercetării
Prezenta lucrare intitulată “Sisteme durabile de mediu aplicate pentru obținerea de
energie verde din ape reziduale ” își propune identificarea principalelor metode de
valorificare a încărcării organice a apelo r uzate, ca sursă de energie regenerabilă .
Obiectivul specific este dat de implementarea unei tehnologii de pretratare anaerobă
cu obținere de bi ogaz, utilizând două reactoare separate fizic, conectate în serie, apelor uzate
care dispun de un potențial organic și energetic suficient, urmate de epurarea biologică pentru
eliminarea compușilor de azot și fosfor cu scopul de a asigura protecția calitat ivă a emisarilor
naturali.

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
6

CAPITOLUL I I. CONSIDERAȚII TEORETICE ASUPRA
PROCESELOR ANAEROBE

2.1. Aspecte generale

Biodigestia anaerobă poate reprezenta o opțiune de tratament biologic, pentru apele
reziduale, configurându -se ca un importan t vector energetic, capabilă să furnizeze energie
termică și electrică cu îndepărtarea eficientă a materiei organice, producere de biofertilizanți
și reducerea microorganismelor patogene.
Procesul de digestie anaerobă a fost un fenomen spontan, natural, ca re degradează
materia organică cu producere de „gaz de baltă ”, gaz natural. Acest proces datează din anul
1776, când A. Volta a observat producerea de metan ca rezultat al fermentării vegetalelor în
condiții anaerobe [11] .
Dalton, în 1804, stabilește com poziția chimică a metanului. Beauchamp stabilește în
1868 că microorganismele au un rol important în digestia anaerobă. În 1884, Pasteur
investighează producerea biogazului din reziduuri animale, cu propunerea utilizării acestuia la
ilumi natul străzilor [ 12].
Criza economică din 1973 a determinat multe țări să valorifice potențialul energetic al
reziduurilor animaliere și a celor provenite din industria alimentară.
Utilizarea digestiei anaerobe pentru tratamentul apelor reziduale și stabilizarea
reziduu rilor nu este un proces recent. În localități din China și India au fost utilizate reactoare
simple pentru tratarea reziduurilor domestice și utilizarea produșilor procesului ca sursă d e
energie termică sau electrică [6 ]. În 1857, în Bombai, India, a fost construită prima instalație
destinată producerii de biogaz. Mai târziu, în 1939, India dezvoltă această tehnologie [9].
Odată cu criza energetică a anilor 70, în Brazilia s -a pus accent pe utilizarea energiilor
regenerabile luând în considerare, în acest s ens și tratamenul anaerob al reziduurilor [3].
Astăzi există un număr mare de tehnologii de digestie anaerobă care utilizează diferite tipuri
de substrat, remarcându -se un progres continuu în acest domeniu.
În prima jumătate a secolului XX se realizează î n laborator și pe instalații pilot
procesul de digestie anaerob cu obținere de biogaz [5].

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
7

2.2. Digestia anaerobă în România

Degradarea anaerobă este propusă ca o alternativă pentru tratamentul reziduurilor
lichide cu o î ncărcare organică mare și medie. Prin digestie anaerobă pot fi prelucrate diverse
reziduuri organice ca: reziduuri industriale, abatoare, fru cte, vegetale, biomasă agricolă [10].
În țara noastră, lucrări de cercetare pent ru introducerea reactoarelor anaerobe au fost
efectuate după 1970, de Gh. Constantinescu, care a studiat cea mai eficientă metoda utilizată
în perioada respectivă, epurarea anaerobă de contact. În anul 1975 s -a realizat primul
echipament tehnologic de biogaz ce valorifica dejecțiile animale de la un complex de creștere
a porcil or. Din anul 1982 au fost introduse echipamentele tehnolog ice de producere a
biogazului la stațiile de epurare a apelor reziduale din orașele: Iași, Bacău, Timișoara, Oradea
[1], [4].
Criza energetică declanșată în lume a făcut ca și apele reziduale proven ite de pe vatra
centrelor populate (cu temperaturi cuprinse între 25 – 35oC) să poată fii valorificate energetic
prin introducerea în linia tehnologică, între treapta de tratare mecanică și treapta biologică, a
unor digestoare cu fermentare anaerobă.
Apel e prelucrate astfel vor fi trecute printr -o treaptă biologică avansată cu scopul de a
se asigura parametrii de calitate ceruți prin normele tehnice NTPA 001/2005. Aceast ă soluție
devine avantajoasă numai pentru apele reziduale colectate în sistem separati v.

2.3. Produșii finali ai digestiei anaerobe

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

2.3..1. Biogazul
Este un amestec gazos format în principal din metan, dioxid de carbon și, în proporți e
mică, gaze ca: H 2S, H 2, NH 3 etc. Cantitatea și compoziția gazului de fermentare (biogaz) este
dependentă de compoziția organică a materialului supus degradării și de funcționarea
procesului.
În tabelele 2.1 și 2 .2 sunt prezentate valorile medii ale compo ziției biogazului în
funcție de substratul utilizat. Potențialul caloric inferior al biogazului este aproximativ de
5250 kcal/m3, pentru un conținut de metan de 60 % [1 1].

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
8

Tabelul 2 .1 Compoziția biogazului în funcție de tipul de substrat utilizat
Component e Reziduuri
agricole Nămoluri
provenite din
epurare Reziduuri
industriale Depozite de
deșeuri
metan 50-80% 50-80% 50-70% 45-65%
dioxid de
carbon 30-50% 20-50% 30-50% 34-55%
apa saturat saturat saturat saturat
hidrogen 0-2% 0-5% 0-2 % 0-1%
hidrogen
sulfurat 100-700 ppm 0-1% 0-8% 0,5-100 ppm
amoniac nesemnificativ nesemnificativ nesemnificativ nesemnificativ
monoxid de
carbon 0-1% 0-1% 0-1% nesemnificativ
azot 0-1% 0-3% 0-1% 0-20%
oxigen 0-1% 0-1% 0-1% 0-5%

La descompunerea anaerobă a hidraț ilor d e carbon se formează biogaz cu o
compoziție de CH 4/CO 2 = 1/1. Acest raport poate avansa până la CH 4/CO 2 = 2/1, cu cât este
mai mare partea unor proteine și grăsimi bogate în carbon [12].

Tabelul 2 .2 Producția și compoziția gazului pentru diferite grupe de substanțe organice
Grupa Producția de gaz
cm3/g substanță Compoziția gazului, %
Hidrați de carbon 790 50 CH 4 + 50 CO 2
Grăsimi 1250 68 CH 4+ 32 CO 2
Proteine 704 71 CH 4 + 29 CO 2

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

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
9
Studii privind calculul cantității și compoziției biogazului au fost elaborate în jurul
anilor 1930. Dacă compoziția apelor reziduale este cunoscută, cantitatea teoretică și
compoziția biogazului poate fi calculată cu ecuația Buswell [2 ]:

CcHhOoNnSs + ¼ (4c – h – 2o + 3n +2s) H 2O →
1/8 (4c – h – 2o + 3n + 2s) CO 2 + 1/8 (4c + h – 2o – 3n – 2s) CH 4 + n NH 3 + s H 2S

Conform ecuației lui Buswell, pentru tratamentul anaerob a apelor reziduale cu
poluanți carbohidrați, compoziția teoretică a biogazului este 50% CH 4 și 50% CO 2:
1 C6H12O6 → 3 CH 4 + 3 CO 2
Întrucât CO 2 este mai solubil în apă , odată cu descreșterea temperaturii și creșterea
pH-ului, CO 2 reacționează cu formare bicarbonat / carbonat și biogazul poate conține mai mult
de 80% metan. Cantitatea totală a gazului este mai scăzută cu cantitatea de CO 2 care este
absorbită și solubilizată în lichid. Apele reziduale cu un conținut de proteine și ac izi grași pot
genera mai mult de 50% metan .

Tabelul 2 .3 Cantitatea, compoziția și conținutul energetic al biogazului
Substrat Cantitatea
(cm3g-1) Compoziția Conținut
energetic
(kWh·m-3)
%CH 4
%CO 2
Carbohidrați (hexoză) 746,7 50 50 4,95
Grăsimi
(trigliceride conținând glicerol și
3 moli acid palmitic) 1434 71 29 7,02
Proteine
(polialanină și reacția amoniului la
(NH 4)2CO 3) 636 60 40 5,93

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
10

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

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

2.4. Principiile tratamentului anaerob

Fermentarea metanică a reziduurilor organice solide și lichide este un proces anaerob
prin care se realizează mineralizarea progresivă a substanțelor organice datorită proceselor
biochimice de oxido -reducere și conduce l a formarea, pe de o parte, de dioxid de carbon
prin oxidare, iar pe de altă parte , de metan prin reducere. În cadrul acestui proces de
fermentare, gazul de amestec format este cunoscut sub denumirea de gaz de fermentare
metan ică, gaz de baltă sau de biogaz [1], [10], [11].
Din punct de vedere chimic, biogazul este un amestec de gaze în care ponderea revine
metanului, restul fiind dioxid de carbon și în proporții foarte mici, oxid de carbon, azot,
hidro gen sulfura t, vapori de apă etc [13] .

Figura 2 .1 Comp oziția biogazului

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
11

Fermentarea biologică poate avea loc în mlaștini și în terenurile inundabile, în
sedimentele apelor dulci și sărate, în nămolurile provenite de la epurarea apelor reziduale
menajere orășenești și comunale, în gunoiul de grajd și în reziduurile organice de la
depozitele de gunoi, în apele reziduale din industria alimentară. Același proces
microbiologic est e similar cu procesul care are loc în stomacul oamenilor sau în rumenul
animalelor.
În cadrul proceselor de fermentare anaerobă substa nțele macromoleculare din
reziduurile organice, polizaharidele (celuloza, hemiceluloza etc), proteinele și lipidele, sub
acțiunea enzimelor extracelulare (c elulaze, hemicelulaze, proteaze etc) se descompu n în
molecule simple (glucoza sau alți produși zahar oși, aminoacizi, acizi grași volatili, apă și
alți produși organici micromoleculari ), după care, cu ajutorul bacteriilor, descompunerea
continuă formându -se acizii organici reduși (acidul formic și acidul acetic), dioxid de carbon,
hidrogen și apă.
În tim pul sistemelor anaerobe în jur de 3% din materia organică este convertită în masă
celulară, restul de 97% fiind transformate prin catabolism la CH 4 și CO 2 [13].

Figura 2 .2 Conversia compușilor organici prin anaerobie și aerobie

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
12

Procesele care stau la baza fermentării anaerobe se clasifică în trei mari categorii:
 hidroliza
 formarea acizilor și acetogeneza
 metanogeneza
Microorganismele producătoare de biogaz din reziduuri organice sunt rezultatul
metabiozei dintre următoarele trei tipuri de microorg anisme: [8].
 microorganisme nemetanogene, însă lichefiante și acidogene ;
 microorganisme nemetanogene, dar acetogene ;
 microorganisme metanogene .
Dintre organismele implicate în procesele anaerobe sunt: Clostridium sp., Peptococcus
anaerobus, Bifidobacterium sp., Desulphovibriosp., Corynebacterium sp., Lactobacillus,
Actinomyces, Staphylococcus și Escherichia coli [9].

2.5. Cinetica proceselor de epurare anaerobă

Pentru producerea biogazului este nevoie de implicarea a trei tipuri de
microorganisme: microorganis me nemetanogene, dar lichefiante și acidogene de tip A;
microorganisme nemetanogene, de tip B și microorganisme metanogene de tip C.
Lanțul de procese care au loc în procesele an aerobe sunt redate în figura 2.3 :

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
13

Figura 2.3. Diagrama schematică a procesului de fermentare anaerobă

Bacteriile producătoare de acizi descompun, în paralel cu dezvoltarea și înmulțirea lor,
compușii organici complecși în structuri organice simple, iar compușii organici intermediari
(acizi organici, al cooli etc.) constituie sursa de hrană pentru bacteriile producătoare de metan
[7].
În cadrul unui model, propus de Monod s -a considerat că sistemul poate fi
reprezentat adecvat de doi acizi organici intermediari, R și U și de trei comunități de
bacterii A , B și C.
Comunitatea de bacterii acidogene de tip A, transformă impurificarea organică S
în acizii organici intermediari R și U care, prin intermediul bacteriilor metanogene de tip
B și C conduc la formarea produsului final P.
Bacteriile producătoare de metan constituie substratul specific, iar fiecare tip din
culturile de bacterii, fermentează un grup mic de compuși organici intermediari.

DDIIGGEESSTTIIAA AANNAAEERROOBBĂĂ
PPOOLLIIMMEERRII OORRGGAANNIICCII
MMoonnoommeerrii
AAcceettaatt CCOO22 ++ HH22
CCHH44 ++ CCOO22 Hidroliza
Acidogen eza
B.
Acetogen eza
B.
Homoacetogenic B.
Acetoclastic B. Hydrogenophilic B.

HHIIDDRROOLLIIZZAA ȘȘII
AACCIIDDOOGGEENNEEZZAA

AACCEETTOOGGEENNEEZZAA
MMEETTAANNOOGGEENNEEZZAA AAcciizzii ggrraașșii vvoollaattiillii
VVFFAA)),, aallccoooollii……
CH 4

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
14

La stabi lirea modelului cinetic, Monod consideră că procesul anaerob se desfășoară în
două faze: acidă și alcali nă (metanică). Faza acidă este formată de fapt, din două etape ce
includ lichefierea acidogenă, dar și acetogenă, iar faza alcalină este identică cu etapa de
formare a metanului.
Modelul Monod include deci, într -o formă globală, cele trei etape caracteris tice
procesului de fermentare anaerobă [141] .
Monod consideră că cele două faze ale procesului au loc în cele două bazine de
fermentare, distincte V 1 și V 2 (fig. 4.8)

Figura 2.4. Fazel e procesului de fermentare a maselor organice [9]

În cadrul acestu i model sunt necesare următoarele precizări:
 fermentarea acidă are loc în recipientul V 1, iar cea metanică în recipientul V 2;
 nămolul din cele două bazine se amestecă în permanență, cu ajutorul unor agitatoare,
dar fără recirculare;
 funcționarea sistemului are loc în condiții complet izoterme;
 fermentarea anaerobă este dependentă de existența celor trei comunități de bacterii;
 sistemul se află în permanență într -un regim stabil de funcționare.
Pentru simplificare, în treptele de transformare în schema cinet ică propusă de Monod,
se folosesc următoarele notații :

Figura 2.5. Reprezentarea simplificată a modelului de culturi mixte S
S A
A R
U R
U P B
C P

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
15
în care:
S – impurificarea organică netransformată;
A – concentrația culturilor de bacterii care pot tra nsforma impurificarea organică S în
acizii grași intermediari R și U;
B, C – concentrația culturilor de microorganisme care transformă acizii grași R și U în
metan;
P – produsul final (CH 4).
Factorii de producție Y A/S, Y R/S și Y U/S definiți de ecuațiile su nt cei care ne dau
informații despre viteza de utilizare și formare a diferitelor tipuri de culturi și de bacterii
implicate în procese:
SA
SArrY/

SR
SRrrY/

SU
SUrrY/
în care:
rA – viteza de formare a bacteriilor de tip A;
rR, rU – vitezele de formare a acizilo r organic i de tip R și U;
rS – viteza de utilizare a substratului S .
În prima etapă a procesului , impurificarea organică S este consumată de bacteriile
de tip A, obținându -se acizii grași R și U ca produși organici intermediari.
Pe baza modelului Monod se obțin, următoarele mărimi:
11
S KASkr
SA
A

1 /1
S K YASkr
S SAA
S

A
SASR
SSR R xrYYrY r
//
/ 1 

A
SASU
SSU U xrYYrY r
//
/ 1 

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
16

în care:
kA – viteza de dezvoltare specifică, maximă, a bacteriilor de tip A;
KS – constanta de saturare a impurificării organice, S;
rA, rR1, rU1 – vitezele de formare a bacteriilor de tip A și a acizilor organici R și U în
prima etapă ;
rS – viteza de utilizare a impurificării organice S, în prima etapă;
YA/S, YR/S, YU/S – factorii de producție dați de ecuațiile de mai sus .
În a doua etapă , acidul organic R este consumat de bacteriile de tip B, iar acidul U de
bacteriile C. Transformările biochimice care au loc în această fază, determină obținerea
produsului final, metanul.
Următoarele relații ne dau informații despre factorii de producție și vitezele
caracteristice de formare a bacteriilor de tip B și C, vitezele de consum a impurificării
organice R și U, vitezele de formare a metanului și vitezele de dezvoltare specifice:

2/
RB
RBrrY

2/
UC
UCrrY

21
/
RP
RPrrY

22
/
UP
UPrrY
22
R KBRkr
RB
B

RBB
R RBB
RYr
R K YBRkr
/ 2 /2
2 
22
U KCUkr
UC
C

 UCC
U UCC
UYr
U K YCUkr
/ 2 /2
2 
în care:
YB/R , YC/U; YP/R; YP/U – factorii de producție, în cea de a doua etapă;
rB, rC – vitezele de formare a bacteriilor de tip B și C, în etapa a doua;

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
17
rR2, rU2 – vitezele de consum a impurificării organice R și U, în a doua etapă;
kB, kC – vitezele de dezvoltare specifice, maxime, a bacteriilor de tip B și C;
KR, KU – constantele de saturare a impurificării organice R și U;
Deoarece metanul, ca produs final, este rezultatul activității microorganisme lor de tip
B și C, ex presia vitezei de formare a acestuia este dată de relația:
rP = r P1 + r P2
Vitezele de formare a metanului sub efectul bacteriilor de tip B și C, sunt :
rp1 = – Y P/R · rR2
rp2= – Y P/U · rU2

înlocuind în ecuația (4.41) valoarea lui r P dată de ecuația ( 4.42 și 4.43 ) rezultă :
rP = – Y P/R .rR2 – Y P/U .rU2
Înlocuind mărimile r R2 și r U2 se obține expresia vitezei de formare a
metanului, P:
r P =
C
UCUP
B
RBRPrYYrYY
//
//

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
18

CAPITOLUL III. TEHNOLOGII ANAEROBE UTILIZATE ÎN
EPURAREA APELOR REZIDUALE DIN INDUSTRIA ALIMENTARĂ

Epurarea anaerobă a apelor reziduale cu încărcări organice medii și mari își are sursa de
inspirație în procesele de fermentare a nămolurilor.
În cazul stațiilor de epurare anaerobă, microorganismele transformă substanțele
organice în absența oxigenului în biogaz, apă și mici cantități de noi celule bacteriene.
Biogazul obți nut, care conține: CH 4 (60-90%), CO 2 (10-40%), H 2S (0,1 -3%) poate constitui o
sursă de energie [2], [10] .
Cel mai simplu sistem de epurare anaerobă este reactorul cu amestecare continuă .
În aceste sisteme timpul de retenție al nămolului este egal cu timpu l hidraulic, iar capacitatea
de epurare este limitată.

Figura 3 .1 Reactor cu amestec complet [2]

influent efluent Biogaz

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
19

Epurarea anaerobă de contact se realizează în reactoare cu amestecare completă și
alimentare continuă, urmate de un decan tor. Comparativ cu reactorul cu amestecare completă,
timpul de retenție hidraulic se reduce de 2 până la 4 ori, depinzând de performanța
decantorului (pentru că nămolul anaerob este floculent și diluat acest sistem operează cu
debite volumetrice mici) [1], [4].

Figura 3 .2 Reactor anaerob de contact

Reactorul anaerob de contact a fost aplicat efluentului provenit din industria
brânzeturilor având următoarele caracteristici:
 compoziția efluentului CCO Cr 4,7 g· l-1;
 timp de retenție hidraulic (HRT ) redus de la 60 la 7 zile;
 încăr carea nămolului a fost 4,3 – 18,3 kg CCO Cr m-3·zi-1;
 producția de gaz 0,28 – 0,59 kg-1 CCO Cr îndepărtat a dus la proporția de
îndepărtare CCO Cr de 83%; compoziția biogazului este 76% CH 4, 20% CO 2 și
4% azot [ 1].
Această tehnologie a fost aplicată și în industria cărnii: instalația industrială
funcționând cu o capacitate de 5 340 m3; apele reziduale brute au avut un conținut mediu de
suspensii de 988 mg/l și CBO 5 = 1 381 mg/l.

Biogaz

Efluent

Influent
Nămol recirculat

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
20

Timpul de staționare în rezervorul d e contact era de 3,5 h, vîrsta nămolului de 10 -17
zile, concentrația optimă de nămol de 13 – 14 g/l substanțe solide în suspensie, din care 10 –
11 g/l substanțe volatile, iar temperatura de fermentare de circa 32,2°C.
Efluentul instalației de contact an aerob a avut un conținut de suspensii de 198 mg/l și
CBO 5 = 129 mg/l, ceea ce corespunde la o eficiență în înde părtarea suspensiilor de 80,2% și ,
respectiv a CBO 5-ului, de 90,8% [12].
Efluentul instalației a fost introdus apoi într -un iaz de stabilizare cu un timp de
staționare de 2,5 zile. În iaz, CBO 5-ul rezidual s -a redus în proporție de 80%, iar suspensiile în
proporție de 88%. Eficiența totală realizată este de 98,2% CBO 5 și de 97,6% suspensii,
efluentul iazului are un conținut în CBO 5 de 26 mg/l și în suspensii de 23 mg/l.
Schema fluxului tehnologic este prezentată în figura următoare [12].

Figura 3 .3 Schema procedeului anaerob de contact

În țara noastră, epurarea anaerobă de contact a fost studiată de c ătre Gh.
Constantinescu, în anii ´70, utilizând ape reziduale din industria alimentară.
Rezultatele obținute au fost sintetizate sub forma următoarelor concluzii:
 eficiențele obținute în reducerea încărcării organice, exprimate în CBO 5 au fost 60 -95%
pentru încărcări organice ale bazinelor de fermentare de 0,66 -3 kg CBO 5/m3· zi;
 amorsarea la pornire a instalațiilor s -a realizat în 5 -10 zile, fără a apela la nămol preluat de
la alte instalații;

Apa uzată
Încălzitor Rezervor
contact
degazeificare Decantor
Efluent
nămol
Nămol în exces Gaz produs

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
21

 tratând apele epurate biologic anaerob cu var în doze de 10 0 mg/dm3, eficiența de eliminare
a substanțelor organice (CBO 5), a crescut de la 80 -85% la 95 -96%;
 după instalarea stării de echilibru a procesului la toate e xperiențele au rezultat gaze de
fermentație: CH 4, CO 2 etc;
 la încărcări organice de peste 20 000 m g O2/dm3, indiferent de gradul de recirculare, s -a
constatat că sistemul este ineficient [7 ].
Odată cu intensificarea cercetării, în epurarea anaerobă s -au introdus o serie de
reacto are ce asigură o eficiență mult mai mare a procesului.

Filtrele anaerobe (utilizează un material –suport pe care sunt fixate microorganismele.
Neajunsul acestui sistem constă în pericolul apariției de „scurtcircuite” și „zone moarte în
reactor”. În epurarea biologică a apelor reziduale din industria cărnii, o lungă și frecvent ă
utiliza re au avut -o filtrele biologice -turn [8].
Filtrele biologice au fost utilizate la epurarea unor ape concentrate de la fabricarea
glutenului și a amidonului din grâu. S -au utilizat trei filtre cu diametrul de 9,1 m și înălțimea
de 6,1 m. Pentru fi ecare filtru s -au aplicat zilnic 490 m3 apă uzată, cu o încărcare de 6500
mg/l CBO, 8800 mg/l CCO, respectiv, 2650 mg/l MTS. Pentru amorsare, filtrele au fost
aclimatizate timp de 45 zile cu nămol fermentat. S -au obținut reduceri ale CCO Cr de 64%, iar
a materiilor în suspensie de 45%.
Pentru îmbunătățirea desfășurării proceselor biologice de epurare, în literatura de
specialitate sunt menționate efectele adăugării unor substanțe în ap a aflată în reactorul
biologic [4].
Astfel, pentru reducerea mirosurilor s-a folosit cărbune activ introdus în
fermentatoare, pentru corectarea valorilor pH -ului s -a folosit bicarbonat de sodiu.
Introducerea unor doze de bicarbonat de sodiu de 15 mg/l în zona grătarului stației a permis
ca în treapta de biof iltre să se obțină un efluent cu CBO 5 mai mic de 10 mg/l, corespunzător
unei eficiențe de 95%.

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
22

Figura 3 .4 Reactoare anaerobe [6]

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

Reactorul UASB este cel viabil și cel ma i des folosit si stem anaerob pentru epurarea
apelor reziduale din industria alimentară. Conceptul reactorului anaerob are ca scop epurare a
unui influent de concentrație scăzută sau medie la un raport de încărcare volumetrică înalt și
toate acestea cu un timp de retenție h idraulic scurt [9].
Conceptul reactorului UASB a fost dezvoltat ca un sistem cu o rată înaltă de epurare
anaerobă bazat pe imortalizare a biomasei sub formă de ag lomerări sau granule de nămol [2] .
Reactoarele UASB sunt complet lipsite de materiale de suport . Influentul este
distribuit cu ajutorul unui sistem sofisticat de admisie situat la baza reactorului. Datorită
operării în contracurent se creează un strat suspensional la partea inferioară a reactorului.
Producerea biogazului în stratul de nămol induce u n amestec bun al nămolului cu influentul.
În partea superioară a reactorului este montat un separator trifazic care permite separarea
biogazului de efluentul tratat. Nămolul granular este rețin ut în interiorul reactorului [5 ].

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
23

Figura 3 .5 Reactor anaerob cu strat suspensional de nămol [5]

Epurarea în acest tip de reactor se realizează cu ajutorul coloniilor de microorganisme
granulare cu un diametru cuprins între 1 -3 mm. Acest tip de reactor a fost proiectat pentru a
putea prelua producții mari de gaz ș i rate îna lte de încărcări hidraulice [7] .
Dezavantajele reactorului anaerob cu strat suspensional:
perioadă mai lungă de pornire;
durata de staționare mare a apei (2 -6 ori mai mare decât pentru epurarea aerobă);
nereducerea formelor de azot, fosfor, sulf etc.
Avantajele reactorului anaerob cu strat suspensional:
conversia unei cantități însemnate de compuși organici în biogaz cu un conținut
ridicat de metan;
calități îmbunătățite ale nămolului, cu caracteristici stabile, fără a exista riscul
neplăcerilor c auzate de degajare de mirosuri neplăcute;
se reduce ca ntitatea de nămol ob ținut la epurare, deci și costurile legate de
prelucrarea acestuia;
reducerea concentrației de germeni patogeni;

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
24

creșterea capacității de epurare a treptei de epurare biologică aer obă cu 1,5 -2,0 ori
[11].
Reactorul anaerob de tip UASB a fost aplicat în epurarea apelor reziduale din industria
brânzeturilor având următoarele caracteristici: timpul de retenție hidraulic: 2,5 zile, valoarea
CCO Cr: 4,6 g· l-1, încă rcarea nămolului: 0,5 -9,0 kg CCO Cr m-3zi-1 și producția de biogaz 0,20 –
18,5 l· zi-1.
Compoziția gazului produs a fost de 78% CH 4, 20% CO 2 și 2% azot. Degradarea
încărcării organice a fost de 98%. Reactorul UASB este mult mai eficient în îndepărtarea
materiei organice, dar nu și pentru îndep ărtarea azotului și fosforului. Concentrațiile
fosforului și amoniului cresc de la 38,5 la 79 mg P totl-1 și de la 190 la 638 mg N tot/l [17 ].
Cu toate ca reactorul UASB își realizează sarcinile mulțumitor, după 1990, o nouă
generație de reactoa re a apărut în epurare a apei reziduale generate de industria alimentar ă:
reactoarele cu pat fluidizat (FB), cu nămol granular expandat (EGSB) și cu circulație internă
(IC) [13].
Reactorul cu pat fluidizat utilizează ca material suport (nisip, bile de sticl ă, PVC) pe
care sunt fixate microorganismele și menținute în stare de suspensie, datorită faptului că apa
circulă în contracurent (este nevoie de o foarte bună decantare înainte de treapta biologică)
[7].
Acest tip de reactor este des utilizat în industri a berii și a brânzeturilor [8].
În epurare a apei reziduale provenite din industria alimentar ă se mai folosesc
reactoarele cu nămol granular expandat (EGSB) .

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
25

Figura 3 .6 Reactor EGSB [5]

La fel ca și reactoa rele UASB și la cele reactoarele de tip EGSB se produce separarea
biogazului tot într -o singură treaptă, în vârful reactorului.
Reactorul EGSB este utilizat pentru epurarea apelor reziduale de la fabrica de bere
Estrella Galicia. Instalația de epurare est e formată din bazin de omogenizare, reactor de
preacidificare și reactor cu pătură de nămol granular expandat [8].
Instalația a fost pusă în funcțiune în august 2001 tratând imediat în medie rate a
influentului de 80 m3/h cu CCO Cr de 3000 – 4000 mg/l, asig urând o eficiență de îndepărtare a
CCO Cr de 85 -90%.
Volumul reactorului EGSB este de 800 m3, 26 m înălțime și 6,5 m diametru. El
operează cu un debit constant de 200 m3/h. Valorile medii pentru acest sistem sunt de 6 -9 kg
CCO Cr /m3·zi, cu o viteză superfi cială de 6 m/h.
Tabelul 3.1 prezintă principalele caracteristici pentru influentul și efluentul unei stații
de epurare a apei uzate de la fabrica de bere Estrella Galicia [1].

influent efluent biogaz

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
26

Tabelul 3.1 Caracteristicile influentului și efluentului fabricii de ber e
Parametri Influent Efluent
CCO Cr total (mg/l) 3500 500
CCO Cr solubil (mg/l) – 250
MTS (mg/l) 800 200
TKN (mg/l) 80 50
P (mg/l) 50 30
AVG (mg/l) – 30

Concentrația solidelor în reactor este 30 g SSV/l și activitatea specifică 0,7 kg
CCO Cr/kg SSV· zi.
Creșterea cerințelor pieții pentru sistemele de tratare cu încărcări organice mari care
necesită un spațiu de amplasare redus a determinat conceperea unui nou tip de reactor, cu
denumirea IC, reactor cu circulație internă [3].
Acesta constă din două se cțiuni de reactor UASB montate într -un cilindru având
înălțimea de 16 -24 m. În acest reactor, influentul este pompat printr -un sistem de distribuție
care permite un amestec efectiv cu efluentul recirculat și nămolul.
Amestecul dintre apa uzată și nămolul granular este mărit de debitul ascensional a
influentului și a biogazului primar format și recirculat în patul fluidizat. Datorită contactului
efectiv și intens apă uzată și biomasă permite ratelor de încărcare organică extrem de mari să
atingă rate înalte de conversie. O particularitate specială a acestuia constă în separarea
biogazului care se face în două etape.

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
27

Figura 3 .7 Reactor cu circulație internă, IC [11]

Biogazul colectat în prima etapă induce formarea unei circulații interne a apei uzate și
a nămolului. Influentul este amestecat cu efluentul recirculat și cu nămolul realizându -se o
diluție directă și o condiționare a nămolului. Contactul intens între apa reziduală și biomasă,
cu o activitate înaltă a nămolului granular, permite în cazul unor încărcări organice extrem de
mari să se atingă rate înalte de co nversie [ 7].
Biogazul produs este colectat într -un separator trifazic (nămol, apă și gaz) denumit și
decantor primar, de unde este condus către o conductă ascendentă de gaz. O parte din
amest ecul lichid este transportat în acest fel către separatorul gaz/ lichid la partea superioară a
reactorului unde biogazul este separat de lichid și înlăturat.
După ce se realizează separarea biogazului, amestecul lichid este condus către radierul
reactorul ui printr -o conductă descendentă, realizându -se și fenomenul de recirculare.
Împreună cu apa reziduală este recirculat și nămolul granular.

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
28

După trecerea prin decantorul primar, apa reziduală continuă traseul ascendent în
compartimentul de șlefuire, un de se reduce și cantitatea rămasă de CCO Cr biodegradabil, iar
nămolul rezultat se colectează în decantorul secundar. Acest compartiment permite
continuarea tratamentului anaerob și o retenție a biomasei datorită ratei de încărcare scăzute a
nămolului.
Ca rezultat a reducerii în proporție mare a compușilor organici biodegradabili în
secțiunea de pat fluidizat și a colectării gazului de către primul separator, turbulența produsă
de biogaz în compartimentul de șlefuire este redusă. Acest factor împreună cu vi teza
superficială a lichidului relativ redusă asigură o retenție optimă a biomasei solide,
comparabile cu a reactorului UASB.
În cel de -al doilea compartiment al reactorului, concentrația nămolului este scăzută,
ceea ce permite o mărire a patului deja exi stent, evitându -se pierderile de nămol pe perioada
încărcărilor de vârf.
Activitatea metanogenică a nămolului granular în reactorul IC este de două ori mai
mare decât în reactoarele UASB și cele convenționale; timpul de retenție în reactorul IC este
mai mic cu 50% decât în cazul reactorului UASB, poate prelua valori ridicate ale ratelor de
încărcare volumetric ă estimate la 35 – 40 kg/m3·zi la viteze ascensionale de 8 -10 m/h.
În plus, la avantajele enumerate pentru reactoarele cu nămol granular se mai p ot
menționa:
 cerințele minime pentru recircularea nămolului;
 nu necesită consum de energie pentru amestecul conținutului din reactor;
 amorsarea rapidă a sistemului;
 producție minimă de nămol în exces datorită concentrației înalte a nămolului granular
și a activității sale metanogenice;
 nămol granular în exces cu proprietăți foarte bune, fiind bine stabilizat și deosebit de
valoros ca material de amorsare pentru alte sisteme anaerobe;
 module de decantare compacte cu un design standardizat, ușor de instalat.

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
29

Ponderea în care reactoarele prezentate sunt utilizate în industria alimentară este redată
în figura 3.31. Datorită eficienței, precum și gradului ridicat de adaptabilitate la diferite
concentrații ale apelor reziduale aceste reactoare se utilizeaz ă în cea mai mare măsură, nu
numai în industria alimentară ci și în alte ramuri ale industriei (chimică, farmaceutică, diferite
ramuri ale industriei agro -alimentare etc.)
67%7%3% 2%1%1%1% UAS B
E G S B
AF
HY B R
FB
C S TR
L AG

Figura 3 .8 Sistemele anaerobe de tratare al apei uzate din industria alimentară (n=401)

În tabelul următor sunt redați principalii parametri de proiectare a reactoarelor
prezentate anterior :

Tabelul 3.1 Parametri de proiectare a unor sisteme de epurare biologică anaerobă
Tipul
sistemului Rata de încărcare
volumetrică kg
CCO/m3·zi Biomasă/ retenție Biomasă/ contact apă
reziduală
CSTR 1-5 suspensi e/
sedimentare externă
agitatoare mecanice/ biogas
Filtru
anaerob 5-10 atașat/ suspensie/
purtător
–
UASB 5-15 granular/ separator
în 3 faze
flux hidraulic a scendent/ flux
ascendent de biogaz
EGSB 15-25 granular/ separator
în 3 faze
flux hidraulic ascendent/ flux
ascendent de biogaz

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
30
IC 20-30 granular/ separator
în 2×3 faze
flux hidraulic ascendent/flux
ascendent de biogaz/ circulare
internă

Încărcarea organică a reactoarelor anaerobe este prezentată în tabelul 3.2.

Tabelul 3.2. Încărcarea organică a reactoarelor anaerobe [14]
Reactor anaerob de contact 1 la 5.5 kg CCO Cr/m3/zi
Filtru anaerob 30 la 40 kg CCO Cr /m3/zi
Reactor cu pat fluidizat 10 la 15 kg CCO Cr /m3/zi
UASB 15 la 25 kg CCO Cr /m3/zi
Digestor multiplu 9 la 15 kg CCO Cr m3/zi
Reactor IC 30 la 40 kg CCO Cr/m3/zi

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
31

CAPITOLUL IV. CERCETĂRI EXPERIMENTALE

Epurarea biologică anaerobă considerată, inițial, ca treaptă de epurare biologică unică,
în ultimii ani, luând în considerare avantajele și dezavantajele procesului, s -a transformat în
treaptă de pre -epurare biologică.
Prin acest proces se poate asigura reducerea substanțelor organice cu 70 -90%, în
principal a substan țelor organice dizolvate, ceea ce pentru apele uzate cu încărcări organice
medii și mari asigură reducerea semnificativă a treptei de epurare biologică aerobă.
Apele uzate din industria alimentară pot fi tratate prin digestie anaerobă, deoarece
posedă o î ncărcare organică biodegradabilă, alcalinitate suficientă, concentrații adecvate de
fosfor, azot și micronutrienți. Indiferent de tipul de reactoare anaerobe utilizate este esențială
alegerea și utilizarea unui tratament primar adecvat pentru îndepărtarea materiilor în
suspensie.
În majoritatea reactoarelor anaerobe care funcționează într -o singură fază s -a observat
un dezechilibru între cele două tipuri de microorganisme definitorii: acidogene și metanogene,
iar unele condiții favorizante pentru bacteriile acidogene pot fi inhibitoare pentru cele
metanogene [7].
Digestia anaerobă în două faze a fost pusă în evidență de către Pohland și Ghosh, fiind
tipul de configurație care favorizează creșterea populației microbiene în reactoare distincte
asigurând o sel ectare a speciilor bacteriilor, controlate independent de condițiile de operare în
reactor [8], [9].
Bacteriile acidogene și populația metanogenă reprezintă caracteristici diferite ca de
exemplu: cerințe nutritive, pH, fiziologie, dezvoltarea și rezistenț a la condiții de mediu [4].
Microorganismele acidogene prezintă o rată de creștere mare într -un timp relativ mai
scurt, cuprins între trei minute și câteva ore, în timp ce populația microbiană acetogenă și
metanogenă se dezvoltă într -un ritm mai lent, cu un timp de înmulțire necesar între două și
zece zile [13]

.

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
32

Această lucrare își propune:
 stabilirea parametrilor tehnologici ai reactorului(filtrului) anaerob;
 evaluarea rezultatelor obținute pe ape uzate cu diferite încărcă ri organice .
4.1. Efectul ratei de încărcare hidraulică în procesele anaerobe
În cadrul proceselor de fermentare anaerobă substanțele macromoleculare din
reziduurile organice, polizaharidele (celuloza, hemiceluloza etc), proteinele și lipidele, sub
acțiunea enzimelor extracelulare (ce lulaze, hemicelulaze, proteaze etc.) se descompun în
substanțe zaharoase simple (glucoza sau alți produși zaharoși, aminoacizi, acizi grași volatili,
apă etc.), după care, cu ajutorul bacteriilor, descompunerea continuă formându -se acizii
organici reduși ( acidul formic, acidul acetic etc.), dioxid de carbon, hidrogen și a pă.
Bacteriile metanogene pot reduce dioxidul de carbon și oxida hidrogenul molecular,
producând metan și apă.
Tratamentul anaerob al apei reziduale are loc fără transfer de căldură din pa rtea
reacției, încălzirea substratului până la temperatura reacției este cerința esențială pentru
proces. În procesele anaerobe trebuie să se țină cont de asigurarea unui amestec optim între
elementele implicate în procesele de transfer de masă și energie . De asemenea, este necesar ca
să se prevadă eliminarea rapidă a produșilor gazoși, pentru a nu exista riscul ca “suprafața
lichidă catalizatoare” să fie blocată de bulele gazoase.
Degradarea anaerobă este propusă ca o alternativă pentru tratamentul rezid uurilor
lichide cu o încărcare organică mare și medie. Prin digestie anaerobă pot fi prelucrate diverse
reziduuri organice ca: reziduuri industriale, abatoare, fructe, vegetale, biomasă agricolă [5].
Temperatura este considerată unul din factorii importanț i pentru buna funcționare a proceselor
anaerobe, de ea depinzând atât metabolismul, capacitatea de reproducție a bacteriilor
metanogene cât și durata de fermentare, cantitatea și calitatea gazului produs.
Epurarea apelor uzate la temperaturi mai înalte, sp orește cantitatea de gaze produse,
scade durata procesului, crește cu 5 -10 % cantitatea de substanțe organice descompuse,
reducând t otodată și bacteriile patogene. Rata de încărcare hidraulică aplicată unui sistem
anaerob afectează direct stabilitatea și p erformanțele procesului.

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
33

Timpul de contact necesar pentru a realiza descompunerea depinde de complexitatea
substratului tratat. Astfel, timpul de retenție hidraulică, în directă corelație cu rata de încarcare
hidraulică, este unul din factorii cheie ai proceselor anaerobe. Acest fenomen poate fi
demonstrat prin încărcarea hidraulică diferită a celor două reactoare.
4.2. Material și metodă
Principalul scop a fost cercetarea fezabilității procesului biologic cu biomasă fixată
pentru epurarea apelor uzat e cu încărcări organice mari, în condiții anaerobe.
Obiectivele specifice acestei cercetări sunt:
1. estimarea eficienței reactoarelor anaerobe dispuse în serie în ceea ce
privește reducerea încărcării organice (exprimată prin CCO Cr) lucrând în
domeniu mezofi l și monitorizarea parametrilor care influențează acest
proces;
2. estimarea producției de biogaz.

4.2.1 Descrierea echipamentului de lucru
Autoclava anaerobică Armfield W8 este un echipame nt din dotarea laboratorului de la
Facultatea de Protecția Mediului care poate furniza informații legate de potențialul energetic
al maselor organice prelucrate în procesele anaerobe. Echipamentul oferă informații utile care
pot fi transpuse în instalații industriale.
Procesul de degradare anaerobă are loc în două reactoar e. Fiecare din cele două
reactoare ( 1) și (2) are un volum total de 11 litri.

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
34

Figura 4.1 . Instalația de digestie anaerobă

Amestecul materialului organic cu biomasa este asigurat pe o secțiune compactă a
fiecărui reactor, de 8 litri. Fluxul de materia l supus degradării anaerobe este pompat de o
pompă peristaltică cu viteza variabilă dintr -un vas de depozitare, în reactorul ( 1),prin
intermediul unei conducte centrale având un punct de contact cât mai aproape de baza
reactorului.
Lichidul este evacuat d in reactor într -un dispozitiv etanșat care nu permite gazului
produs să scape și constituie un regim de evacuare a lichidului mai scăzutdecât nivelul de
operare al reactorului prevenind, astfel, formarea de spumă la suprafața lichidului înaintea
evacuării.
Contactul cât mai intens între materialul supus prelucrării anaerobe și
microorganismele anaerobe este realizat de materialele de umplutură având forma din figura
4.2.

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
35

Figura 4.2 Materiale care asigură suportul dezvoltării biomasei

Apa uzată prelucra tă din primul reactor intră într -un recipient tampon . Acest recipient
are rolul de a permite primului reactor ( 1) să opereze la un debit mai mare decât al doilea
reactor ( 2), excesul f iind preluat de către deversor . În mod similar, se alimentează cel de al
doilea reactor prin intermediul pompei pe ristaltice cu viteza variabilă .
Biogazul produs în reactoarele ( 1) și ( 2) a fost colectat în tancurile colectoare de gaz
cu un volum de 5 litri . Colectarea gazului s -a realizat prin dezlocuirea apei prin intermed iul
unui limitator care asigură și o închidere hidraulică între tancul de gaz și reactor.
Covorașele încălzitoare permit menținerea temperaturii de lucru în reactoare. Acestea
sunt acoperite de o plasă izolatoare în vederea reducerii pierderilor de căldură și prevenirii
arsurilor.
Senzorii de temperatură localizați în reactorul ( 1) respectiv, ( 2), transmit temperatura
din reactor către regulatorii PID (A) și (F) care ajustează automat puterea electrică în
covorașele încălzitoare pentru a menține temperatur a dorită la un nivel constant. Temperatura
maximă de lucru a ambe lor reactoare este 6 5°C.

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
36
.

Figura 4.3 . Colectare biogaz

Apa dezlocuită de către gaz, care depășește nivelul de supraplin, curge din recipientul
de bază către soclul unității și apoi, către scurgere. Pentru a permite gazului produs să intre
din furtunul flexibil și să treacă prin intermediul valvei în tancul colector, valva trebuie
deschisă.

4.2.2. Modul de lucru
Rata de încărcare hidraulică aplicată unui sistem anaerob afectează dire ct stabilitatea și
performanțele procesului. Timpul de contact necesar pentru a realiza descompunerea depinde
de complexitatea substratului tratat. Astfel, timpul de retenție hidraulică, în directă corelație
cu rata de încarcare hidraulică, este unul din f actorii cheie ai proceselor anaerobe.
Acestfenomenpoate fi demonstratprinîncărcareahidraulicădiferită a celordouăreactoare
Se utilizeaz ă reactorul 2 numai împreună cu pompa de alimentare și colectorul de gaz.
Fluxul de alimentare în timpul experimentului v a fi de la un vas plasat lângă echipament (care
conține reziduurile lichide) prin pompa 2 și reactorul 2 către un recipient de colectare a
efluentului plasat lângă echipament .

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
37

Experimentul s -a realizat menținând temperatura reactorului la 35oC, iar alim entarea s –
a realizat cu apa reziduală sintetică (cf. tabelului 4.1) pentru o perioadă de 5 zile la o rată de
tranzit de 1,5 –2,5 litri/zi. În această perioadă, indicatorii reactorului au monitorizați cum este
evidențiat în tabelul 4.2.
Rezultatele orienta tive sunt prezentate în tabelul următor. Rezultatele obținute
experimental au fost comparate cu cele previzionate, iar diferențele au fost interpretate.
Caracteristicile influentului supus analizei, în reactorul nr. 2, sunt prezentate în tabelul 4.1.

Tabe lul 4.1. Caracteristicile influentului
Substanț e chimice (g/l)
Glucoza/sucroza 8,0 (g/l)
Carbonat acid de amoniu 0,4 (g/l)
Fosfat acid de potasiu 0,4 (g/l)
Carbonat acid de sodium 0,4 (g/l)
Solutie cu reziduuri de metal A 1,0 (ml)
Solutie cu reziduur i de metal B 1,0 (ml)
Solutie cu reziduuri de metal A:
MgSO 47H2O 5,0 (g/l)
Solutie cu reziduuri de metal B:
FeCl 3 5,0 (g/l)
CaCl 2 5,0 (g/l)
KC1 5,0 (g/l)
CoCl 2 1,0 (g/l)
NiCl 2 1,0 (g/l)

Experimentul a fost efectuat alimentând continuu unul di n cele două reactoare pentru
o perioadă de cinci zile.
Zilnic au fost făcute următoarele determinări:
Influent:
 CCO Cr
 Azot amoniacal
 Fosfor total

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
38

Efluent:
 CCO Cr
 Azot amoniacal
 Fosfor total .

Figura 4.4 . Pregătirea substratului supus prelucrării digest iei anaerobe

4.2.3 Metodologia analitică
4.2.3.1 Determinarea substanțelor oxidabile cu ajutorul fotometrului Hanna HI 82334
D1. Domeniu 0 -1500 mg/l
1. Se îndepărtează capacele a două flacoane cu reactiv
2. Se adaugă exact 2 ml de probă într -unul din flacoane și 2 ml de apă deionizată în
celălat flacon(proba martor) păstrând în același timp flacoanele la un unghi de 45
de grade. Agitați amestec ul.
3. Se introduc probele în reactor și se încălzesc timp de 2 h la 150oC.

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
39

Figura 4.5. Digestia probei

4. La sfîrșitul pe rioadei de digestie se așteaptă aproximativ 20 minute pentru a se răci
probele la aproximativ 120oC.
5. Se agită fiecare flacon (încă cald) timp de mai multe apoi se pun în suportul pentru
eprubete.
6. Se lasă flacoanele în suport să se răcească la temperatura c amerei fara a le agita
deoarece pot deveni tulburi.
7. Se selectează Oxygen Demand Chemical LR.
8. Se introduce proba martor in aparat.
9. Se apasă Zero și se așteaptă identificarea probei. Dacă aceasta a fost identificată
după câteva secunde va apărea 0.0.
10. Se înde părtează proba martor.
11. Se introduce flaconul cu proba.
12. Apasă “Read” și așteaptă identificarea probei.
13. Pe ecran va fi afișată valoarea corespunzătoare pentru CCO în mg/l.

B. Determinarea azotului totalcu ajutorul fotometrului Hanna 83224
Modul de lucru
 Se selectează meoda de analiză, respectiv Ammonia HR
 Se adaugă 5 ml probă în flacon, se agită. Aceasta reprezintă proba martor
 Se introduce flaconul cu proba în orificiul specific fotocolorimetrului

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
40
 Se apasă și se așteaptă apariția pe ecran a “0.0”
 Se scoate flaconul, se adaugă 4 picăruri din reactivul Nessler HI 93764 -0 și se agită.
Aceasta constituie proba.
 Se introduce în fotocolorimetru.
 Se apasă ”Timer” și se așteaptă 3 minute 30 sec.
 Pe ecran se va afișa valoarea corespunzătoare concentrației de N -NH 3, în mg/l.
 Apăsând tasta ”Chem Frm” rezultatul este convertit in mg/l NH 3.
4.2.3 Prelucrarea datelor
De-a lungul acestei perioade, principalii indicatori ai procesului au fost monitorizați
prin analiza probelor de apă uzată. Performanțele obținute pentru epu rarea apelor uz ate sunt
sintetizate în tabelul 4.2. Substratul supus prelucrarii a fost menținut trei zile pentru
aclimatizare.

Tabel 4.2. Evoluția parametrilor semnificativi ai influentului digestorului anaerob
Calitate apa 27.03.2015 28.03.2015 29.03.20 15 30.03.2015 31.03.2015
CCO Cr 2727 2391 2124 1545 878
Azot total 10 10 10 10 10
Fosfor total 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6

Tabel 4.3. Cantitatea de biogaz obținută
27.03.2015 28.03.2015 29.03.2015 30.03.2015 31.03.2015
Cantitate biogaz 165 168,9 169,5 172,6 177,3

Tabel 4.4. Eficiența procesului raportat rata de îndepărtare a CCO Cr(%)
27.03.2015 28.03.2015 29.03.2015 30.03.2015 31.03.2015
Rata de îndepărtare a
CCO Cr(%) 10,23 12,31 12,5 27,25 43,17

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
41

Evoluția acestor caracteristici este prezentată în figurile 4.4, 4.5, 4.6.

Figura 4. 6. Evoluția CCO Cr în digestia anaerobă

Figura 4.5 . Evoluția N total și P total în digestia anaerobă

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
42

Figura 4.7. Rata îndepărtare a CCO Cr

Pe parcursul efectuării experimentului s -au constatat următoarele diferențe între cele două
etape ale procesului de digestie anaerobă:
 nivelul scăzut al CCO Cr îndepărtat în primele trei zile de prelucrare a substratului,
acest lucru observându -se și prin rata de rejecție scăzută, 10,23%.
Biogazul produs în urma prelucrării anaerobe este colectat în tancurile colectoare de
gaz. Analizând compoziția biogazului am constatat că în primele zile de operare, specifice
etapei de aclimatizare, acesta are un c onținut scăzut de metan, predominând dioxidul de
carbon.

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
43

Figura 4.8 Calitatea biogazului în perioada de aclimatizare

În schimb, în cea de a cincea zi , supunând conținutul aceluiași mod de ver ificare, s -a
observat o prezența metanului într -o concentra ție mai m are de 4 5%.
În concluzie, sistemele anaerobe reprezintă o soluție avantajoasă pentru epurarea
apelor uzate cu concentrație medie și mare a poluanților de natură organică, asigurând pe de o
parte reducerea substanțială a încărcării organice, fără a reduce însă azotul și fosforul, dar și
obținerea de biogaz ca sursă de energie neconvențională, nepoluantă.

B. Monitorizarea eficienței digestiei anaerobe pentru același timp de retenție hidraulic,
dar la temperaturi de lucru diferite
Substratul proasp ăt cu o încărcare organică, exprimată prin CCO Cr = 4070 mg/l, a fost
alimentat în digestoare. Temperatura d e lucru a fost cuprinsă între 35 -55oC, iar ti mpul de
retenție hidraulic de 5 zile.

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
44

Figura 4.9. Instalația de digestie anaerobă cu funcționarea rea ctoarelor în serie

Pe parcursul efectuării experimentului au fost monitorizați următorii parametrii:
concentrația CCO Cr efluent și producția de biogaz obținută.
Rezultatele obținute au fost sintetizate în următorul tabel:

Tabelul 4.5 . Monitorizarea proce sului desfășurat la temperaturi diferite de lucru(media
aritmetică a valorilor obținute pe perioada monitorizării)
Temperatura de
lucru (oC) CCO Cr
mg/l Rata de îndepărtare
a CCO Cr
(%) Producția de
biogaz,
l/zi
40 1536 62,2 3,7
45 1408 65,7 4,4
50 1216 70,12 5,2
55 1472 63,83 3,4

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
45

Figura 4.10. Evoluția ratei de îndepărtare a CCO Cr în funcție de temperatură

Eficiența maximă de îndepărtare a CCO Cr, 70,12 %, a fost obținută pentru cazul în care
digestorul operează la 50oC, pen tru un timp de retenție hidraulic de 5 zile. La 55oC, se
observă ca rata de reducere a încărcării organice exprimate prin CCO Cr, a descrescut la
63,83 %.

Figura 4.11. Producția de biogaz obținută la diferite temperaturi de luc ru

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
46

Din reprezentarea anterioară se constată că producția de biogaz obținută în digestoare
anaerobe depinde de temperatura de lucru și de timpul de retenție hidraulic adoptat. Cea mai
mare cantitate de biogaz se obține la o temperatură de operare a dig estorului de 50oC.
Adoptând același timp de retenție hidraulic, se observă în intervalul 40 -50oC o creștere a
cantității de biogaz obținut odată cu creșterea temperaturii, ca la 55oC, aceasta să descrească.
În urma cercetării experimentale efectuate a rei eșit faptul că temperatura are un impact
considerabil în variația factorilor biologici și fizici ai procesului de conversie anaerobă.
Metabolismul și rata de producție a bacteriilor metanogene sunt influențate de scăderile bruște
de temperatură, astfel că este indicat ca în timpul tratării anaerobe să se mențină temperatura
constantă sau aproape constantă.

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
47

CONCLUZII

Utilizarea tratamentului biologic anaerob cu separarea etapelor de degradare biol ogică,
în două digestoar e dispuse în serie, pentru epurarea apelor uzate industriale și menajere, are
numeroase avantaje, dintre care amintim:
 un efluent cu calități bune, astfel încât să se asigure protecția emisarului;
 permit o selecție și o dezvoltare a microorganismelor speci fice fiecărei etape a
procesului în fiecare reactor. Totodată primul reactor poate funcționa ca un tampon
pentru a evita șocurile de pH pentru populația metanogenă;
 înlătură și problema legată de acumularea acizilor grași volatili, precum și stoparea
creșt erii concentrației amoniacului care constituie un inhibi tor pentru populația
metanogenă;
 posibilitatea de operare cu rate de încărcare mari raportate la un timp de retenție
hidraulic mai scurt, condiție care, pentru reactoarele într -o singură fază, poate duce
la instabilitate;
 epurarea apelor uzate la temperaturi mai înalte, sporește cantitatea de gaze produse,
scade durata procesului, crește cu 5 -10% cantitatea de substanțe organice
descompuse; O problemă constatată în sistemele de tratare termofile este bioflocularea
slabă. De aceea, pentru reducerea acestui fenomen ar putea fi indicată utilizarea unui
polimer cationic de aluminiu;
 obținerea de biogaz, care poate fi utilizat ca sursă de energie neconvențională;
Aplicarea digestiei anaerobe are beneficii asupra mediului prin reducerea potențialului
încălzirii globale. Cele două gaze CH 4 și CO 2 sunt gaze care duc la apariția efectului de seră
cu implicații asupra încălzirii globale și schimbări climatice.
Digestia anaerobă este utilizată la producerea de c ombustibil i regenerabili care pot
înlocui combustibilii fosili cum ar fi: cărbune, țiței, gaz natural, eliminând astfel de emisiile
de CO 2. Emisia de CO 2 de la arderea biogazului provine din carbonul de la reziduurile
organice, dar nu afectează nivelul de CO 2 din atmosferă deoarece închide ciclul carbonului;
 reducerea cantităților de nămol generat;
 utilizarea nămolului ca fertilizant. Digestia anaerobă în special, cea termofilă poate
furniza un nămol cu bune calități pentru a fi utilizat ca fertilizant pent ru agricultură.

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
48
Acest nămol conține nutrienți (N, P, Mg etc). Rezultatul final al aplicării este creșterea
calității solului, creșterea producției agricole, producție de calitate mai bună
comparativ cu solul nefertilizat sau fertilizat artificial;
 utilizar ea digestiei anaerobe, în special a celei termofil e, permite eliminarea în
proporție de 99% a microorganismelor patogene .

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
49

BIBLIOGRAFIE

1. Alvarez, J. M., Macé, S. and Llabrés, P. , 2000 – Anaer obic digestion of organic
solid wastes. An overview of research achievements and perspectives ,
Bioresource Technol. 74:3-16
2. Angelidaki, I, Ahring B.K, 1992 – Effect off free long -chain fatty acids on
thermophilic anaerobic digestion , Appl. Microbiol. Biotechnolog., 37, 802 -812
3. Antoniu R., 1987 – Epurarea apelor uzate industriale, vol. I, Ed. Tehnică,
București
4. Azeiteiro, C., Capela, I.F., Duarte, A. C., 2001 – Dynamic model simulations as a
tool for evaluating the stability of an anaerobic process , Water SA, v. 27, n. 1, p.
109 -114
5. Bade a Gh., Pașca Daniela, 2006 – Procesele de degradare anaerobă a
reziduurilor și rolul lor în diminuarea poluării mediului , A-41 – Conferință
Națională de instalații ”Instala ții pentru începutul mileniului trei ”, Sinaia,
România ”
6. Badea Gh., Vitan E., Giurcă I., 2006 – Poluarea mediului în contextul deciziilor
în sectorul energiei , A – 41 – Conferință Națională de instalații ”Instala ții pentru
începutul mileniului trei ”, Sinaia, România ”
7. Badea Gh., Mureșan D., Buică A., 2005 – Considerații privind sistemele
ecologice de epurare de tip Technology restore, A- 40 – Conferință Națională de
instalații ”Instala ții pentru începutul mileniului trei ”, Sinaia, România ”
8. Baere, L.D., 2000 – Anaerobic Digestion of solid waste: state -of-the-art., Water
Science and Technolog y, 41(3): p. 283 -290
9. Karena M. ș.a., 2003 – Anaerobic Digestion of Organic Waste, Wast e – To-
Energy Research and Tehnology Counci l Meeting, Columbia University
10. Samani, H.W.Y., Samani, Z., Hanson, A., Smith, G., 2002 – Energy recovery
from grass using two -phase anaerobic digestion. Waste Management 22: 1 -5
11. Sanders, W.T.M, Zeeman, G. and Lettinga, G., 2002 – Hydrolysis kinetics of
dissolved polymers . Wat. Sci. Technol . 45 (10): 99 –104

Sisteme d urabile de mediu aplicate pentru obținerea de energie verde din ape reziduale
50
12. Sanders, W.T.M., Geerink, M., Zeeman, G. and Lettinga, G., 2000 – Anaerobic
hydrolysis kinetics of particulate substrates , Wat. Sci. Technol . 41 (3): 17 -24
13. Schnellen, P, 2006 – Anaerob -aerob IC/CIRCOX – Anlage zur Vorbehandlung
Braureiabwasser, Seminar der Institut fűr Siedlungswasserwirtschaft und
Abfalltechnik – University of H annover – Hannover, Germania
14. Schomaker, A.H.H.M., et al., 2000 – Anaerobic Digestion of Agro – Industrial
Wastes: Information networks; Technical Summary on Gas Treatment,
Haskoning en Novem: Nijmegen, The Netherlands
15. Seghezo, L., Zeeman, G., Lier, J.B., Hamelers, H.V.M., Lettinga, G., Review,
1998 – The anaerobic treatment of sewage in UASB and EGSB reactors,
Bioresourse technology, v. 65, p.175 -190
16. van Lier, J.B., Rebac, S. and Lettinga , G., 1997 – High -rate anaerobic wastewater
treatment under psychroph ilic and thermophilic conditions , Water Sci. Tech. 35:
199-206
17. Vavilin, V.A., Rytov, S.V. and Lokshina, L.Y., 1996 – A description of the
hydrolysis kinetics in anaerobic degradation of particulate organic matter ,
Bioresource Technol. 56: 229 –237
18. Yspeert, Y., Vereijken, T., Vereijken, T., Vellinga, S., De Vegt A., 1993 – The IC
reactor anaerobic treatment of industrial wastewater , Proceedings of the Food
Industry Environmental Conference, Atlanta, U.S.A., pp.487 – 497