STUDIU DOCUMENTAR PRIVITOR LA EPURAREA APELOR UZATE INDUSTIALE [307658]

CAPITOLUL 1

STUDIU DOCUMENTAR PRIVITOR LA EPURAREA APELOR UZATE INDUSTIALE

1.1. CALITATEA SI PROPRIETĂȚILE APELOR NATURALE. POLUAREA APELOR. CARACTERISTICILE APELOR UZATE INDUSTRIALE. EPURAREA ȘI AUTOEPURAREA APELOR UZATE INDUSTRIALE

Calitatea si proprietățile apelor naturale

Asigurarea necesarului de apă este o [anonimizat]. [anonimizat]. [anonimizat] a putea fi demonstrată generalitatea crizei este nevoie de o verificare sistematică. [1].

Apa pură este o combinație chimică între hidrogen și oxigen (H2O) care la presiunea atmosferică de 760 mm col Hg și temperaturile din intervalul 0-100 °C [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat],[2]:

Densitatea: 1000 kg/m3

Greutatea specifică (la 4oC): 9810 N/m3

Vâscozitatea dinamică: 1,31*10(-3) Ns/m2

Vâscozitatea cinematică : 1,31*10(-6) m2/s

Tensiunea specifică: 0,077 N/m2 .

[anonimizat], [anonimizat], care încadrează proba într-o categorie, astfel aceasta căpătând însușirea de a servi unui anumit scop. Planul mondial de supraveghere a [anonimizat]:

1. parametrii de bază: temperatura, pH-ul, conductivitatea, [anonimizat];

2. parametrii indicatori ai poluării persistente: cadmiu, mercur, [anonimizat];

3. parametrii opționali: [anonimizat], [anonimizat], arsenic, clor, sodiu, cianuri, [anonimizat],[3]

În tabelul 1.1. [anonimizat], precum și metodele specifice de analiză.

Calitatea apei mai poate fii apreciată și prin posibilitatea oferită de „sistemul saprobiilor” [anonimizat] o caracterizare globală a calității prin zonele saprobe definite după cum urmează:

„-poli-saprobă: apa cu un conținut foarte ridicat de substanțe organice si impurificare foarte accentuată;

-α-mezosaprobă: apa care are un conținut ridicat de substanțe organice și impurificare puternică;

-β-merosaprobă: apa cu un conținut moderat de substanțe organice și impurificare ușoară;

-oligosaprobă: [anonimizat]”.

Prin activitatea de monitorizare a [anonimizat] (râuri, lacuri), [anonimizat], apele din estuare.

[anonimizat], biologico-ecologică, toxicologică.

Potrivit reglementărilor se disting 5 clase de calitate:

Clas 1:-[anonimizat];

Clasa a2-a:- limitele corespunzătoare acestei clase prezintă nivele scăzute de modificări ale indicatorilor de calitate față de limitele normale ale acestora, datorită activităților umane; sunt condițiile apei în care nu sunt afectate viețuitoarele din apă.

Clasa a 3-a: -valorile elementelor biologice de calitate variază moderat față de valorile normale ale proprietăților naturale ale apei;

Clasa a4-a: – prezintă dovezi de alterări majore ale valorilor elementelor biologice de calitate ale apelor naturale;

Clasa a5-a:-apă de proastă calitate care prezintă alterări majore ale proprietăților apelor naturale, [4]

Tabelul 1.1. Metode de analiză actuale pentru diverse tipuri de ape.

*VIS = vizibil; AA= adsorbție atomică

Dintre criteriile de clasificare a apei cele mai importante sunt:

– sursa de proveniență;

– domeniul (sectorul) de utilizare, [5].

Calitatea apei nu se menține în timp, ci variază datorită surselor de impurificare naturale sau artificiale, fapt ce impune controlul permanent al valorilor parametrilor prin care se definește calitatea apelor de suprafața și posibilitatea lor de a se constitui în surse de alimentare a așezărilor umane ori de utilizare în procesele industriale și activități agricole.

Poluarea apelor

Figura 1.1 Ape poluate cu substanțe chimice, [6]

Termenul de „poluare” a apei se refera la acțiunea de introducere în resursele naturale, ca urmare a activității socio-economice sau în mod natural, a unor substanțe sau forme de energie care prin concentrație și caracterul lor modifică proprietățile și caracteristicile astfel încât ea devine supărătoare pentru simțurile omului sau improprie oricărei alte utilizări ulterioare.

Legislația Europeană din domeniul apelor defineste poluarea ca: „Poluarea” reprezintă introducerea în mod direct sau indirect, ca rezultat al unor activități antropice, a substanțelor sau căldurii în aer, apă sau sol, care pot afecta sănătatea umană sau calitatea ecosistemelor, care pot provoca daune proprietății materiale, pot aduce prejudicii sau pot dăuna confortului sau altor utilizări legale ale mediului.

Poluarea industrială provine de la întreprinderile industriale ca un efect al activității omului în diverse sectoare economice. Industria utilizează cantități importante de apă pentru realizarea proceselor tehnologice de producție, în care apa intră ca materie primă sau ca mediu de transport și îndepărtare a diferitelor reziduuri în procese de spălare deversând mai apoi în emisar (cursul natural) ape puternic impurifícate. Felul și gradul de impurificare este specific fiecărui tip de industrie, dar caracteristica lor comună este prezența impurităților în concentrație mare si a unor substanțe deosebit de toxice cu o mare stabilitate chimică. Uzinele de produse chimice deversează mari cantități de substanțe toxice, produși reziduali ai diverselor reacții chimice, din cele mai diferite substanțe: fenoli, azotați și azotiți, fosfați, detergenți etc.

Întreprinderile din industria petrochimică deversează ape încărcate cu produse petroliere, fenoli, grăsimi emulsionate etc.

În general se poate afirma că apele uzate din industrie, care se deversează direct în rețelele de canalizare orășenești, sunt cauza unei poluări chimice si biologice foarte grave; aceasta este si cauza pentru care prin lege s-a prevăzut obligația întreprinderilor da a-și epura parțial apele până la concentrațiile admisibile rețelei de o canalizare”.

„Poluarea termică- se datorează căldurii reziduale provenită din apele de răcire. Încălzirea emisarilor are efecte poluante importante deoarece cantitățile de căldură cedate sunt enorme și în continuă creștere. Modificarea echilibrului termic în cursurile naturale are ca efect creșterea excesivă a unor specii ale florei acvatice cu un consum exagerat de oxigen fapt care reduce posibilitățile de supraviețuire a faunei acvatice”.

Poluarea chimică are loc în urma evacuării în cursurile de apă a unor reziduuri industriale ce conțin diferite substanțe chimice, a scurgeri din cauza precipitațiilor, a îngrășămintelor chimice și pesticidelor folosite la tratamentele agricole precum și prin pătrunderea în apă a unor ape menajere.

Poluarea biologică este specifică apelor uzate urbane, apelor uzate industriale, industriei celulozei și hârtiei, apelor de la complexe zootehnice care sunt poluate cu materie organică și care pot constitui importante focare de infecții din cauza bacteriilor,virusurilor și materiilor organice fermentabile și putrescibile pe care le conțin. În aceste ape sunt prezente macro sau microorganisme care pot avea o acțiune directă asupra sănătății omului și animalelor, [3].

Acțiunea poluanților în timp:

-surse continue ca de exemplu canalizarea unui oraș, canalizarea instalațiilor industriale

– discontinue temporare sau temporar mobile cum sunt canalizările unor instalații și obiective care funcționează sezonier, nave, locuințe, autovehicule, colonii sezoniere, etc.

– accidentale – exemplu: avarierea instalațiilor, rezervoarelor,conductelor, etc.

Proveniența poluanților:

– surse de poluare organizate sunt surse de poluare cu ape reziduale și cu ape industriale

-surse de poluare neorganizate :apele meteorice, centrele populate amplasate în apropierea cursurilor de apă ce pot deversa reziduuri de diferite proveniențe și deșeuri rezultate dintr-o utilizare necorespunzătoare.

Durata degradării naturale în apă a poluanților se poate face astfel:

-surse de poluare ce conțin poluanți biodegradabili, care pot reduce concentrația de oxigen din apă (proces numit dezoxigenare);

-surse cu poluanți greu biodegradabili, nocivi atunci când microflora nu-i poate transforma; afectează astfel flora și fauna acvatică (degradarea are loc după cel puțin 30 de zile);

-surse de poluare cu poluanți nebiodegradabili, care au o acțiune remanentă o anumită perioadă, degradarea lor începe după aproximativ 60 de zile;

-surse care conțin poluanți refractari (degradarea începe după cel puțin 2 ani).

Eutrofizarea apelor, definită ca: „îmbogățirea” apei cu nutrienți, în special fosfor și compușii ai azotului. Ea provoacă creșterea excesivă a vegetației acvatice. Eutrofizarea se poate produce atât în mod natural, când se însumează un număr de factori, dar și artificial, înțelegând prin aceasta intervenția umană, că urmare a deversărilor ridicate de compuși conținând fosfor și azot.

Tabel 1.2. „Surse de poluare a apei și procesele de proveniență ale acestora[5].

Caracteristici fizice ale apelor uzate

Caracteristicile fizice ale apelor uzate sunt : temperatura, turbiditatea, culoarea si mirosul.

Temperatura este cea mai importantă caracteristică fizică care influențează reacțiile chimice

și biologice produse în apele uzate. Temperatura cestora este de obicei mai ridicată decât a apelor de alimentare, cu 2 – 3°C. Acest factor este dependent de proveniența apei si de anotimp. Apa subterană (pană la adâncimea da 50 m are o temperatură cuprinsă intre 10.. .13°C; de la această adâncime in jos temperatura crește cu cate 1° pentru fiecare 33.. .35 m);

Temperatura apelor de suprafață variază intre 0 si 27°. Temperatura apelor uzate deversate in emisar este dependentă de sursa de proveniența si variază intre 10 si 28 °.

Valorile diferite ale temperaturii apei uzate determină variații ale timpilor de retenție in decantoare, în timpul procesului de sedimentare, în timp ce în procesul biologic de epurare variația temperaturii determină obținerea unor grade diferite de epurare a apei uzate.

La temperaturi mari, viteza de descompunere a substanțelor organice este mai mare iar conținutul de oxigen scade. Coagularea substanțelor în suspensie, de asemenea sunt influențate în mod deosebit de temperatură, [4.7].

Turbiditatea apelor uzate se referă la cantitatea de particulele foarte fine aflate în

suspensie care nu sedimentează în timp. „Acestea pot fi, sub aspectul naturii lor, minerale sau organice, iar sub aspectul originii lor, naturale (din sol) sau poluante (din reziduuri). Importanța acestei caracteristici constă în primul rând în aspectul neplăcut imprimat apei, dar în același timp particulele solide pot constitui suport pentru microorganismele care persistă astfel mai mult timp în apă.

Aparatele folosite pentru determinarea turbidității se numesc turbidimetre și folosesc metode bazate pe principiul transparenței, metode fotometrice și metode prin comparare. Aparatele moderne se bazează pe principiul măsurării intensității luminii dispersate. Substanțele care determină turbiditatea sunt de natură diversă, însușirea comună fiind aceea, că nu se află în stare de soluție ideală”, [5].

„Turbiditatea nu constituie o determinare curentă a apelor uzate, deoarece nu exista o proporționalitate directă între turbiditate și conținutul lor în suspensii. Analizele de laborator se exprimă în grade de turbiditate, 1 grad de turbiditate corespunzând la 1 mg SiO2/dm3 de apă. Orientativ, apele uzate menajere prezintă valori ale gradului de turbiditate în limitele de 400 – 5000 în scara silicei”, [36].

Culoarea apelor uzate se datorează prezenței în apă a unor substanțe dizolvate si oxizi

ferici, compuși de mangan, clorofila din frunze, acizi humici etc. .

Culoarea apelor reziduale menajere proaspete este gri deschis, nuanța închisă indicând începutul procesului de fermentare al materiilor organice existente în aceste ape. Alte variații de culori dovedesc prezența apelor uzate industriale în rețea. Totodată, această proprietate fizică a apelor uzate poate fi determinată de două aspecte: culoarea „aparentă” a apei uzate, care este dată de materiile aflate in suspensie si culoarea „reală” dată de materiile dizolvate, [4,7].

Figura 1.2 Ape uzate ce conțin substanțe dizolvate, [6]

Apele uzate care au culori diferite de cele de mai sus indică pătrunderea în rețea a unor cantități importante de ape uzate industriale.

Culoarea apei se poate exprima, de asemenea prin metode instituționalizate denumite grade de culoare platină-cobalt deoarece se folosește procedeul de comparație cu soluția etalon de clorură de platină și potasiu și clorură de cobalt. Un grad de culoare, determinat prin comparația probei cu soluția etalon la aceeași sursă de lumină, corespunde unui mg/l ion de platină (maximum 20 grade).

Din acest punct de vedere culoarea, ca și turbiditatea, poate duce la limitarea utilizării apei și este un indicator valoros de poluare a apei.

Mirosul apelor uzate proaspete este aproape insesizabil de aceea prezența lui poate indica

existența anumitor poluanți în apele uzate.

Intrarea materiilor organice din apa uzată în procese aerobe și mai ales anaerobe de descompunere determină emanarea de mirosuri de hidrogen sulfurat (H2S). Alte mirosuri indică, de asemenea existența unor substanțe chimice în apele uzate industriale.

Materiile volatile din apa uzată produc degajarea unor mirosuri în timpul transportului dar și în timpul epurării apelor uzate.

Caracteristici chimice

Structura chimică a apelor uzate menajere este semnificativ influențată de proteinele, grăsimile și hidrocarbonații din produsele alimentare, precum și de compoziția apei din rețeaua de alimentare, care deține în anumite limite, carbonați, sulfați, cloruri, fier etc. Proteinele care aparțin organismului viu în procesul schimbului de substanțe conduc la formarea ureei CO(NH2)2 care, sub acțiunea bacteriilor fermentative, se transformă în azot amoniacal. Substanțele organice care intră în compoziția apelor uzate menajere, in afară de azot, mai conțin carbon, sulf, fosfor, potasiu, sodiu și clor sub formă de săruri.

Apele uzate orășenești prezintă caracteristici diferite de la un oraș la altul fapt pentru care

ele trebuiesc determinate pentru fiecare locație prin analize de detaliu.

Principalele caracteristici chimice ale apelor uzate sunt :

Aciditatea apelor uzate este determinată de prezența bioxidului de carbon liber, a acizilor

minerali și a sărurilor acizilor tari cu baze slabe. Aciditatea se măsoară în mg/dm3 de CaCO3- și reprezintă de fapt proprietatea apelor uzate de a reacționa cu o bază puternică (de obicei hidroxid de sodiu – NaOH).

Aciditatea se determină prin titrarea probei de apă uzată cu soluție de NaOH cu un pH de 8,3 unit. pH.

Alcalinitatea apelor uzate este dată de prezența bicarbonaților (HCO3), carbonaților

(CO3) și a hidroxizilor (OH). Apele uzate menajere sunt ușor alcaline, caracterizate prin valoarea pH-ului în limitele de 7,21-7,6 unit. pH. Alcalinitatea se măsoară în mg/dm3 de CaCO3 și se determină prin titrare cu soluție de acid sulfuric cu un pH de 4,5 unit. pH.

pH-ul apelor uzate poate fi acid sau alcalin și reprezintă un factor important în

desfășurarea proceselor biologice dintr-o stație de epurare deoarece determină în mare măsură aceste procese, o serie de tratamente ale apei, dar și caracterul corosiv al acesteia.

pH-ul reprezintă un parametru prin care se determină activitatea ionilor de hidrogen dintr-o soluție (Pondus Hydrogenii sau o denumire mai nouă este; Power of Hydrogen – pH – “puterea hidrogenului’)

Spre deosebire de aciditatea sau alcalinitatea unei ape, pH-ul exprimă numai intensitatea acidității sau alcalinității, adică nu există o legătură directă între el și procentul de acizi sau alcali care sunt în compoziția apei respective. Este posibil ca două soluții apoase să prezinte aceleași valori ale pH-ului, cu toate că concentrația lor în acizi sau baze este diferită, [10].

„Pentru desfășurarea normală a proceselor biochimice este necesar un domeniu de pH, cuprins între 6,5-8,5. Depășirea acestor limite duce la distrugerea completă a ciclului biologic.”

Controlul pH-ului trebuie făcut în toate punctele importante ale stației de epurare, deoarece de el depinde activitatea microorganismelor care acționează atât în cadrul proceselor aerobe cat și in cele anaerobe.

Potențialul de oxidoreducere (potențialul Redox, rH-ul) – furnizează informații importante asupra puterii de oxidare sau de reducere a apei sau nămolului, [5].

Materiile solide totale: conțin materiile solide în suspensie și materiile solide dizolvate.

Ele servesc la stabilirea eficienței procesului de epurare .Materiile solide în suspensie separabile prin decantare reprezintă nămolul din decantoarele primare. Materiile organice coloidale sunt eliminate în instalațiile de epurare biologice, [21].

Oxigenul dizolvat este un parametru chimic care indică în mod global gradul de poluare al

apelor cu substanțe organice.

Proprietatea oxigenului de a se dizolva depinde și de turbulența de la suprafața apei, de presiunea atmosferică, mărimea suprafeței de contact etc. Concentrația de oxigen din apa uzată indică faza de descompunere al substanțelor organice în instalațiile biologice și în apele naturale.

Cantitatea de oxigen din apa uzată poate fi determinată prin metoda clasică in care se folosesc titrările de tip Winkler sau prin utilizarea dispozitivelor electronice ce măsoară pe lângă concentrația în mg/dm3 a oxigenului și temperatura apei uzate, [10].

Apele uzate conțin oxigen dizolvat în cantități reduse 1-2 mg/dm3, dar numai atunci când acestea sunt proaspete și după epurarea biologică. In funcție de gradul de poluare, apele de suprafață conțin cantități mai mari sau mai mici de oxigen.

Tabelul 1.3. Cantitățile de oxigen in apă la saturare, in funcție de temperatura apei, [5].

Apa care conține cantitățile de oxigen prevăzute în tabelul 1.3 este considerată saturată; peste aceste valori, se spune că apa este suprasaturată, iar sub aceste valori, este subsaturată.

„În general, o apa curată, neimpurificată conține o cantitate de oxigen care corespunde saturării ei; suprasaturarea apare foarte rar, când apa se găsește într-o turbulență excesivă, când este în prezența unor cantități mari de plante acvatice, care consumă bioxidul de carbon și elimină oxigenul în cadrul procesului de metabolism, îndeosebi în timpul zilelor însorite; subsaturarea se produce când apă este impurificată.

Cantitatea de oxigen care lipsește unei ape pentru a atinge valoarea de saturare se numește deficit de oxigen”, [5].

Conținutul de oxigen din apă reprezintă una dintre caracteristicile care indica cel mai bine starea de murdărire a unei ape, precum și stadiul de descompunere al substanțelor organice din instalațiile biologice și din apele naturale.

Consumul biochimic de oxigen (CBO) se exprimă in mg/dm3 și reprezintă cantitatea de

oxigen consumată de bacterii și alte microorganisme pentru descompunerea biochimică, a substanțelor organice biodegradabile, în condiții aerobe, la temperatura și în timpul standard, de obicei 20 °C și 5 zile, în care caz se notează cu CBO5), [10].

Consumul biochimic de oxigen măsoară indirect cantitatea de materii organice care se descompun și direct consumul de oxigen cerut de organismele ce produc descompunerea. În apele uzate brute orășenești CBO5 variază între 100 și 400 mg/dm3, iar în apele uzate industriale el poate atinge valori de 50 mg/dm3.

Consumul chimic de oxigen (CCO) sau oxidabilitatea apei este cantitatea de oxigen, necesară

pentru oxidarea tuturor substanțelor organice oxidabile.

„Carbonul organic total (COT) constituie metoda prin care se determina nivelul de poluare

organică a apelor uzate. Valoarea COT poate fi determinată prin oxidarea materiilor organice si conversia lor in bioxid de carbon si apă. Gazul care este generat fiind captat printr-o soluție caustică de concentrație standard, iar cu un analizor de carbon este determinată concentrația materiilor organice din apă, [10].

Carbonul organic total (COT) pune în evidență cantitatea de materii organice din apele uzate

prin conversia lor în dioxid de carbon.

Compușii azotului din apa uzată menajeră se găsesc sub forma de amoniac (NH3) și

amoniu (azotul amoniacal – NH4+); sunt doi compuși ai azotului care datorită instabilității chimice (NH3 – forma neionizată a amoniacului; NH4+ forma ionizată a amoniacului) pot fi determinați prin metode complementare de distilare, titrare sau spectrometrice.

Forma neionizată este nociva pentru mediul acvatic, concentrația NH3 (mg/dm3 ) fiind influențată de temperatura și pH-ul apei uzate (o valoare mare a temperaturii și pH-ului determină concentrații mai mari).

Azotul total din apa uzată menajeră se exprimă în mg/dm3 și este de fapt, suma tuturor

celorlalte forme de azot: azotul organic (NH3 ) și mineral(NH4+ ).

Azotul total se determină prin mineralizare, [10].

Amoniacul liber este rezultatul descompunerii bacteriene a substanțelor organice. Existenta unei cantități mai mari de 0,2 mg/dm3 de amoniac liber, indică impurificarea cu ape uzate a apei analizate.

Apele uzate proaspete au un conținut ridicat de azot organic și unul scăzut de amoniac liber, iar apele mai puțin proaspete conțin aceste substanțe în proporții inverse,” [5].

Concentrațiile de azot organic și amoniac liber al unei ape oferă informații prețioase supra posibilităților de tratare biologică a apelor uzate. Ținând cont de existența acestor elemente in ape, se poate stabili dacă este utila adăugarea de azot suplimentar sau dacă tratarea în comun a unor ape uzate este avantajoasă.

Nitriții (azotiții) (NO2 ) și nitrații (azotații) (NO3) conținuți in apele uzate menajere sunt

rezultați din oxidarea incompletă a amoniacului și a substanțelor organice, în prezența bacteriilor nitrificatoare,iar prezenta lor indică o apă uzată proaspătă în curs de transformare, [10].

Nitriții sunt instabili și sunt reduși la amoniac sau sunt oxidați la nitrați. Prezența lor indică o apă proaspătă în curs de transformare. Cantitățile maxime de nitriți din apele uzate nu depășesc aprox. 0,1 mg/dm3.

Nitrații reprezintă cea mai stabilă formă a materiilor organice azotoase provenind din mineralizarea substanțelor de natură proteică sau din fertilizatori și pesticide ce conțin azot. Ei sunt doriți in râuri deoarece stimulează creșterea algelor și a altor plante verzi reprezentând o sursă de oxigen. Prezența lor indică o apă stabilă din punct de vedere al transformărilor. În apa uzată proaspătă, nitriții și nitrații sunt conținuți în concentrații mai mici decât o parte per milion.

Determinarea concentrației nitriților și nitraților din apa uzată se face folosind diferite metode spectrometrice, [5,10].

Depășirea anumitor concentrații de cloruri și sulfuri din apele uzate pot influența

procesele biologice de epurare . Concentrația de cloruri se măsoară în mg/dm3.

Sulfurile sunt rezultatul descompunerii substanțelor organice sau anorganice provenind îndeosebi din apele uzate industriale. Sulfurile dau naștere la mirosuri neplăcute.

Sulfurile din apele uzate menajere pot fi determinate și puse în evidență sub formă de sulfuri totale, sulfuri de carbon și hidrogen sulfurat, [10].

Acizii volatili indică progresul fermentării anaerobe a substanțelor organice. Ei formează prin fermentare bioxid de carbon și metan.

13. „Grăsimile și uleiurile, vegetale sau minerale, în cantități mari, formează o peliculă pe

suprafața apei, care poate împiedica aerarea, colmata filtrele biologice, inhiba procesele anaerobe din bazinele de fermentare etc”, [5].

Cele mai întâlnite gaze la epurarea apelor sunt hidrogenul sulfurat, bioxidul de carbon și

metanul. Hidrogenul sulfurat indică o apă uzată ținută un timp mai îndelungat în condiții anaerobe. In concentrații mari H2S este toxic. Metanul și bioxidul de carbon sunt indicatori ai fermentării anaerobe. Metanul este exploziv în amestec cu aerul, în proporție de 1:5 -1:15, [5].

Detergenții din apele uzate menajere fiind substanțe tensioactive dețin o structură

moleculară formată atât dintr-o grupare hidrofobă cat si dintr-una hidrofilă.

Compușii fosforului din apa uzată se pot găsi sub formă dizolvată și/sau în suspensie

fiind derivați din fosfați (PO4). Compușii fosforului din apa uzată pot fi:

– organici care rezultă în urma reacțiilor biologice, concentrațiile lor măsurându-se în mg/;

– anorganici care pot fi ortofosfați sau polifosfați,

De obicei în cazul apelor uzate menajere se determină fosforul total (mg/dm3) prin metode spectrofotometrice sau prin descompunere.

Metalele grele care se găsesc in apele uzate menajere sunt toxice pentru

microorganismele participante la epurarea biologică și la fermentarea anaerobă a nămolurilor. Determinarea concentrațiilor metalelor grele din apa uzată se face în laborator prin analize standard [10].

Putrescibilitatea este o caracteristică a apelor uzate din care rezulta posibilitatea unei ape

de a se descompune mai repede sau mai încet. Stabilitatea este inversul putrescibilității. Stabilitatea relativă se exprima prin raportul, dintre oxigenul disponibil în proba de analizat (sub formă dizolvată sau sub formă de nitriți și nitrați) și cererea de oxigen pentru satisfacerea fazei primare de consum a oxigenului, [5].

Caracteristici bacteriologice si biologice

Proprietățile bacteriologice și biologice ale apelor uzate menajere sunt reprezentate de gradul de încărcare al apelor uzate cu microorganisme de tipul bacteriilor, protozoarelor, algelor etc. Aceste microorganisme descompun materia organică din apele uzate și constituie indicatorul biologic ce caracterizează gradul de încărcare al apelor uzate cu substanțe organice sau gradul său de saprobitate, [2,4,7,10].

Din punct de vedere al nutriției, bacteriile se împart în autotrofe și heterotrofe. Primele utilizează substanțele minerale pentru hrană. Ele își iau carbonul necesar pentru sinteza glucidelor, lipidelor și proteinelor din bioxidul de carbon, carbonați și bicarbonați.

Bacteriile heterotrofe au nevoie de materii organice ca sursă de energie și de carbon. Din grupa acestora fac parte: saprofitele care au rol principal în procesul de autoepurare, și parazitele, care se dezvoltă în corpul organismelor animale.

Determinarea gradului de infectare al apei cu bacterii patogene se realizează printr-o analiză a apelor, astfel punându-se în evidență existența bacteriilor din grupa Coli – ele prezentând un component tipic al microflorei intestinale[8].

Din prezența unor organisme sau din absența lor se poate urmări mersul epurării biologice din stația de epurare sau al autoepurării pe cursurile de apă.

In ultimul timp, in privința organismelor din emisar, își găsește o aplicare din ce în ce mai mare sistemul saprobiilor, care cuprinde speciile de organisme caracteristice apelor impurifícate cu substanțe organice.

Identificarea speciilor din sistemul saprobiilor ajută la stabilirea gradului de impurificare a emisarului (anumite calități ale apei corespund unor anumite tipuri de organisme) și la cunoașterea procesului de autoepurare. Speciile de animale și vegetale din sistemul saprobiilor sunt grupate in patru categorii:

„specii polisaprobe, caracteristice apelor cu impurificare organica puternica (în număr foarte mic);

specii α-mezosaprobii, caracteristice apelor cu impurități organice (în număr mic);

specii β-mezosaprobii, caracteristice apelor cu impurificare organică mai mică (in număr mai mare decât cele din categoria α- mezosaprobii);

specii oligosaprobii, caracteristice apelor curate, neimpuriflcate (in număr mare)”.

Epurarea si autoepurarea apelor uzate

„Pentru protecția apelor de suprafață receptoare, evacuarea apelor uzate este permisă, în cele mai multe cazuri, numai după ce acestea au fost epurate în instalații speciale de epurare numite stații de epurare. Aceste instalații (construite sau adaptate pentru acest scop) realizează accelerarea proceselor de epurare naturală și/sau folosesc diverse procedee fizico-chimice pentru diminuarea cantității/concentrației poluanților pe care îi conține apa uzată, astfel încât să fie respectate condițiile de evacuare impuse prin reglementările in vigoare (NTPA001/2002 sau avizul/autorizația de gospodărire a apelor)”.

„Epurarea apelor uzate constituie ansamblul procedeelor fizice, chimice, biologice și bacteriologice prin care se reduce încărcarea în substanțe poluante organice sau anorganice și în bacterii. Ea are ca rezultat obținerea unor ape curate, în diferite grade de purificare funcție de tehnologiile și echipamentele folosite, și un amestec de corpuri și substanțe care sunt denumite generic nămoluri. Atât apele cât și nămolurile trebuie să fie deversate fără ca prin aceasta să se aducă prejudicii mediului înconjurător. Această condiție se poate realiza numai printr-o purificare avansată a apelor uzate. Astăzi se ține cont de faptul că anumite elemente precum azot și fosfor, care produc fenomene de eutrofizare în cursurile naturale, trebuie reținute în proporție cât mai mare”[4].

Epurarea apelor uzate este un proces complex ce cuprinde două mari grupe de operații succesive:

– reținerea si/sau neutralizarea substanțelor nocive sau valorificabile prezente în apele uzate;

– prelucrarea materialului rezultat din prima operație.

De aici rezultând:

– ape epurate, în diferite grade, care pot fi vărsate în emisar sau valorificate în alte scopuri;

– nămoluri, care sunt prelucrate, depozitate, descompuse sau valorificate.

Metodele principale de epurare a apelor reziduale sunt diferite în funcție de poluanții existenți:

Procedeele de epurare a apelor uzate, se pot clasifica, in funcție de procesele pe care se bazează, in următorul mod:

„ epurarea mecanică – in care procedeele de epurare sunt de natură fizică;

epurarea chimică – in care procedeele de epurare sunt de natura fizico-chimică;

epurarea biologica – in care procedeele de epurare sunt atât de natură fizică cat și biochimică;

treapta terțiară – are rolul de a înlătura compuși in exces

Combinarea acestor metode permite o purificare avansată, efluenții epurați putând fi reintroduși in circuitul economic”.

O alta clasificare a procesului de epurare a apelor uzate menajere, este in funcție de natura acestuia:

autoepurare: se desfășoară prin procese naturale

epurare antropică: se clasifică mai departe în:

“epurare în sistem centralizat: totalitatea procedeelor și tehnicilor de colectare și epurare

a apelor uzate menajere folosind un sistem complex de instalații de canalizare și epurare pentru localități;

epurarea în sistem descentralizat: procedeele și tehnicile prin care problema colectării și

a epurării apelor uzate menajere se rezolvă la nivel local, gospodăresc, instituțional etc. Acest tip de sistem de epurare se poate subclasifica în:

procedee și tehnici de epurare extensivă, reprezentate de procedeele care necesită un timp îndelungat

procedee și tehnici de epurare intensivă, care sunt de tipul sistemelor de colectare și epurare primară precum și a stațiilor de epurare de capacitate mică”.

„Adoptarea unui anumit procedeu depinde de:

– cantitatea efluentului;

– conținutul în poluanți;

– condițiile de calitate impuse la evacuarea apei epurate în emisar;

– mijloacele financiare ale agentului economic respectiv”.

După evacuarea în receptori apele uzate epurate sau neepurate sunt supuse unor procese de natură fizică, chimică și biologică, asemănătoare celor din stațiile de epurare. Toate aceste procese duc în final la autoepurarea apei din receptor.

Autoepurarea apelor uzate presupune totalitatea proceselor fizice, chimice si biologice desfășurate în mediul natural, fără intervenția omului și care duc la micșorarea cantității de substanțe poluante din apă până la nivelul care nu prezintă pericol pentru buna funcționare a ecosistemelor.

Din punct de vedere al proceselor care intervin pentru realizarea autoepurării are loc următoarea clasificare:

– autoepurare fizică și fizico-chimică, în cadrul căreia acționează procese ca diluare, sedimentare, absorbție, dizolvarea oxigenului în apă, oxidare, precipitare, neutralizare, coagulare etc.

-autoepurare biologică si biochimică in care are loc procesul de descompunere (biodegradare) a materiilor organice

Ținându-se seama de materiile poluante care pătrund in emisari, autoepurarea se mai poate clasifica astfel:

-autoepurare organică;

-autoepurare anorganica radioactivă;

-autoepurare microbiană

„Cunoașterea procesului de autoepurare, precum și a factorilor care contribuie la aceasta, este de o importanță deosebită, deoarece, pe emisar și in zonele unde se poate lua in considerare autoepurarea, cantitatea de impurități evacuate direct poate fi mai mare, micșorându-se capacitatea stațiilor de epurare, [9].

1.2.METODE DE EPURARE ALE APELOR UZATE

Apele uzate care ajung în stația de epurare conțin: corpuri mari, suspensii grosiere minerale, grăsimi emulsionate sau neemulsionate, suspensii grosiere de natură organică, suspensii fine de natură organică sau minerale, suspensii coloidale minerale sau organice, substanțe minerale si/sau organice dizolvate, microorganisme; compuși pe bază de azot, fosfor.

Epurarea apelor uzate este un proces ce cuprinde etape a căror denumire provine de la fenomenele pe baza cărora sunt formate:

a) epurarea mecanică- are la bază exclusiv procedee fizice care constau in: eliminarea corpurilor plutitoare, sedimentarea suspensiilor, flotare;

b) epurarea chimică sau fizico-chimica – bazată pe fenomene chimice si fizice cuprinde procese de: neutralizare, precipitare,coagulare, floculare, oxidare, sorbtie;

c) epurarea biologică – bazată pe activitatea unor microorganisme care descompun substanțele organice prin procese metabolice. Aceasta cuprinde: iazuri biologice, campuri de aspersie si infiltrare, filtre biologice, bazine de aerare cu namol activ;

d) epurarea finala sau avansata- consta in indepartarea impurificatorilor care nu au putut fi retinuti in celelalte trepte de epurare.

Indiferent de proveniența lor, apele uzate, prezintă variații în timp ale debitelor și compoziției, datorită lipsei de uniformitate a consumurilor de apă și a conținutului acestora în substanțe poluante. Variațiile de debit în stațiile de tratare duc la instabilitatea vitezelor de curgere care este dăunătoare mai ales in bazinele de decantare, deoarece care vitezele mari de curgere antrenează în efluent materiale în suspensie sau chiar materiale deja sedimentate. In procesul de uniformizare au loc transformări chimice intre diferiții poluanți, cum ar fi reacții de neutralizare, de oxigenare, redox, de precipitare sau procese biochimice, ceea ce duce la o degrevare a etapei de epurare.

„Epurarea mecanică a apelor uzate constituie prima treaptă de epurare a apelor uzate (primary treatment) și se bazează pe procese fizice de separare a poluanților. În această treaptă se îndepărtează, în special, materiile solide (cu densitatea mai mare de 1g/cm3) sau cele solide și lichide cu densități mai mici decât 1 g/cm3. De asemenea sunt reținute și substanțele organice, dar cu o eficiență relativ redusă (între 20 și 30%)”.

În cadrul epurării fizico mecanice se disting următoarele etape:

1. Reținerea corpurilor și suspensiilor mari;

2. Prelucrarea depunerilor de pe grătare și site;

3. Sedimentarea;

4. Deznisiparea;

5. Decantarea

Eliminarea suspensiilor din apa se poate realiza cu următoarele utilaje principale: grătare si site; deznisipatoare; decantoare; filtre.

Procesul de separare gravitațională are la bază principiul mișcării într-un fluid aflat în câmp gravitațional. „Asupra particulelor relativ grosiere se exercită un ansamblu de forțe concurente format din: forța gravitațională, forța arhimedică și forța de frecare cu fluidul (Stokes). Rezultanta forțelor și inerția particulelor conduc la separarea acestora de masa fluidului fie prin sedimentare, cazul particulelor cu densitate mai mare decât a fluidului, fie prin flotație, cazul particulelor cu densitate mai mică decât cea a fluidului”.

Prelucrarea suspensiilor reținute din apele uzate (nămolurile): ele pot fi îndepărtate și depozitate în starea în care se obțin, sau trebuiesc supuse în prealabil unor operații care le modifică o parte din calități.

Treapta fizico-chimică este formată din bazinul de floculare, decantoarele flotatoare și stația de dizolvare a aerului.

În cadrul etapei fizico-chimice, tratarea chimică a apelor reziduale are ca scop:

– coagularea materiilor solide în suspensie aflate în stare coloidală sau dispersate în particule foarte fine;

Coagulanții reprezintă substanțele chimice sub forma de dispersie care, adăugate în apă, ajută la aglomerarea particulelor sub forma unor flocoane din ce în ce mai mari, cu rezistenta mai buna care, sub acțiunea gravitației, se depun pe fundul bazinului, antrenând și particulele neaglomerate.

În bazinul de floculare se realizează tratarea apelor reziduale cu soluții de reactivi (solutie de var si acid sulfuric pentru neutralizare, clorura ferica si polielectrolit), coagularea si flocularea. Potrivit acestor funcții bazinul de floculare cuprinde două compartimente pe care fluxul apelor reziduale îl parcurge succesiv.

În primul compartiment sunt introduse soluțiile de reactivi și se produce amestecul rapid al acestor soluții datorita agitației produse de agitatorul cu palete, montat în acest compartiment.

În al doilea compartiment (de reacție) are loc procesul de floculare si coagulare. Agitația necesară este realizată cu ajutorul aerului comprimat difuzat prin intermediul unei rețele de conducte montate pe fundul bazinului, prevăzută cu difuzoare cu clapeta.

Apele reziduale care au străbătut bazinul de floculare în amestec cu reactivii, sunt dirijate prin cădere liberă în decantoarele flotatoare. O parte din cantitatea de ape reziduale care a parcurs decantoarele flotatoare și este epurată chimic, reprezentând aproximativ 20-25% din debitul total, este recirculată după ce în ea a fost dizolvat aer la presiunea de 5-5,5 bar.

În decantoarele flotatoare se realizează în paralel doua fenomene:

– sedimentarea suspensiilor mai grele decât apa, sedimentare intensificată de acțiunea de coagulare a polielectrolitului ;

– flotația produselor cu o densitate mai redusă decât a apei, flotație accelerată prin ridicarea la suprafața apei a aerului dizolvat anterior sub presiune. O însemnată parte de impurități conținute în apele reziduale sunt astfel eliminate, adsorbite pe suprafața suspensiilor ce sedimentează sau a bulelor de aer ce se ridică la suprafața lichidului, sub forma de nămol sau de spumă.

Precipitarea chimică reprezintă combinarea procesului de floculare cu cel de sedimentare.

– corectarea pH-ului;

„Se face fie în scopul asigurării condițiilor necesare treptei de tratare biologică, fie pentru mărirea eficienței coagulării. Corectarea pH-ului se face prin introducerea de acizi sau baze în apa uzată. Tipul acestora este funcție de cantitatea, aciditatea sau alcalinitatea apei uzate, de volumul apei uzate, de caracteristicile ei chimice, de costul reactanților, de metoda de lucru, etc.”

– recarbonatarea se face prin introducerea de CO2 în apa uzată în scopul corectării pH-ului; în cele mai multe din cazuri, coagularea se face cu ajutorul varului.

– adăugarea de nutrienți în vederea epurării biologice;

„Toate microorganismele necesită o serie de elemente de bază cum sunt carbonul, azotul, fosforul, și sulful ca și urme de elemente ca potasiu, calciu, magneziu, fier, etc. Multe din apele uzate conțin aceste elemente, dar, unele nu le au în cantitate suficientă. Pentru obținerea concentrațiilor necesare, se adaugă substanțe care conțin aceste elemente.”

– condiționarea pentru filtrare etc.

Amestecarea și flocularea

„Flocularea este procesul prin care particulele se aglomerează în flocoane care sedimentează cu ușurință. Amestecarea apei în procesul de floculare este mai rapidă la început, apoi mai lentă, în avalul bazinului, pentru a evita distrugerea flocoanelor formate. Pe de altă parte, mișcarea trebuie să fie suficient de rapidă pentru a împiedica depunerea flocoanelor în vasul de reacție”.

Flotația este procedeul prin care se elimina particulele fine aflate în suspensie, cu ajutorul bulelor de aer insuflate în apa; se aplică in funcție de densitatea particulelor. în apa uzată se mai introduce un spumant care are rolul de a menține spuma în care se găsesc particulele mai mult timp la suprafața apei,altfel exista riscul ca bulele să se spargă și particula să cadă din nou pe fundul bazinului.

Nămolurile rezultate din aceasta etapa a procesului de epurare sunt conduse în decantoarele primare iar de aici, la instalațiile fermentare.

În prezent, epurarea biologică a apelor uzate este considerată cea mai eficientă metodă de eliminare a substanțelor solide organice nesedimentabile (dizolvate sau coloidale), stabilizarea materiilor organice din nămoluri, reducerea nutrienților pe bază de azot și fosfor

În epurarea biologică intervin o serie de fenomene: fizice, chimice, biochimice,. hidraulice, ceea ce ii oferă o complexitate deosebita.

Biomasa existenta in proces reprezintă populația mixtă de bacterii, ciuperci și alte microorganisme care își desfășoară activitatea metabolică în instalația de epurare.

Transformările prin care microorganismele degradează substanțele în produși de ultimă degradare sunt:

a) descompunere aerobă (în prezență de oxigen)

b)descompunere anaerobă (în lipsa oxigenului), clasificare realizata in funcție de microorganismele care activează in procese.

Microorganismele anaerobe sunt folosite in fermentarea nămolurilor și la stabilizarea unor ape uzate industriale concentrate.

Microorganismele aerobe sunt utilizate de obicei în epurarea apelor uzate ce au caracter predominant organic, cum sunt compușii pe bază de carbon, azot sau fosfor – și pentru stabilizarea anumitor categorii de nămoluri.

Pentru epurarea biologică în regim aerob cele mai utilizate procedee sunt: cu nămol activ, cu peliculă biologică sau cu flocoane de nămol ce conțin atât bacterii aerobe cât și anaerobe.

Viteza de degradare a substanțelor organice de către microorganisme este influențată de mai mulți factori:

temperatura apei reziduale (variază sezonier);

timpul de parcurgere a treptei biologice;

concentrația și felul substanțelor organice (biodegradabile sau nebiodegradabile)

cantitatea de oxigen dizolvat;

starea vremii (umedă sau uscată).

factori inhibitori

O parte din apele uzate provenite din industrie conțin poluanți specifici care nu pot fi înlăturați prin cele trei metode, ca de exemplu apele uzate ce conțin substanțe minerale solubile și substanțe organice nedegradabile biologic. În aceste cazuri se apelează la tehnici de epurare avansate.

Procedeele de epurare cu adsorbție permit eliminarea unor cantități mici de substanțe

organice rămase după etapa biologică. Acest procedeu se aplică, în special, pentru îndepărtarea avansată a fenolilor, detergenților și a altor substanțe ce pot da un miros sau gust neplăcut apei de băut.

Procedeele de epurare cu schimbători de ioni se utilizează in mod frecvent pentru

eliminarea poluanților minerali care se găsesc în apă sub formă ionică: calciu, magneziu, sodiu, sulfați, nitrați, fosfați, amoniu, metale grele etc.

Procedeele de oxidare chimică se aplică pentru eliminarea substanțelor poluante

anorganice (cianuri, sulfuri, anumite metale grele etc.) și organice(fenoli, coloranți, anumite pesticide etc.), [5].

1.3.TIPURI DE STAȚII DE EPURARE ALE APELOR UZATE

Stațiile de epurare reprezintă ansambluri de construcții si instalații care au ca obiectiv îndepărtarea din apele uzate a substanțelor solide in suspensie, a substanțelor dizolvate, a microorganismelor si a substanțelor toxice, in scopul aducerii calității apelor rezultate la o valoare cat mai apropiata de cea inițială poluării.

Ele se pot clasifica în funcție de rolul pe care i1 au față de epurarea totalității apelor uzate de pe un anumit teritoriu sau centru industrial în stații de epurare locale sau stații de epurare generale.

Figura 1.3.Elementele componente ale unei stații de epurare, [7]

În funcție de complexitatea lor stațiile de epurare pot fi:

-într-o treaptă (mecanică) – se folosesc numai pentru epurarea apelor cu încărcătură minerală

-în două trepte: mecano-chimică sau mecano-biologică

-în trei trepte: mecanica, biologica si treapta de epurare terțiară/avansată

În treapta avansata are loc eliminarea nutrienților ( azot, fosfor), a suspensiilor solide, a unor substanțe organice greu biodegradabile sau nebiodegrabile, a substanțe chimice, a unor substanțe anorganice sau dezinsecția.

Figura 1.4. Stație de epurare cu o singura treapta (mecanica), [10]

Apa uzată care vine către stația de epurare conține: corpuri mari, suspensii grosiere minerale, suspensii minerale fine, suspensii de natura organica grosiere, etc. Pentru reținerea și/ sau neutralizarea fiecărui tip de impurități menționate mai sus trebuie prevăzut un procedeu, realizată o instalație și aceasta dotată cu echipamente adecvate.

Stație de epurare cu o singura treapta se adresează apelor cu conținut redus de substanțe chimice, având rolul de a reține substanțele insolubile exclusiv prin procedee fizico-mecanice. În acest tip de proces se folosesc instalații mecanice și hidraulice, realizându-se o reducere semnificativă a particulelor în suspensie.

Acest tip de stații rețin intre 40 si 60 % din suspensii, reduc cu 20 pana la 40% încărcarea cu substanțe organice CBO5 si reduc cu 10-20% încărcătură cu nutrienți (N,P), [10].

Figura 1.5. Stație de epurare mecano-chimica, [10]

Stațiile mecano-chimice sunt mai complexe fiind formate dintr-o treaptă mecanică și una chimică care prin coagulare-floculare, neutralizare, schimb ionic, oxidare chimică,dezinfectare (realizate prin tratarea apei cu reactivi chimici), reușesc să elimine din apă substanțele chimice dizolvate și în stare de suspensie coloidală.

Neutralizarea este operația care se aplică apelor pentru corectarea pH-ului (apele acide se tratează cu baze, iar cele preponderent bazice cu acizi).

Precipitarea este operația de destabilizare a soluțiilor coloidale în vederea formării, prin coagulare și floculare, a unor complecși care se depun gravimetric.

Schimbul ionic, oxidarea chimică a substanțelor organice biodegradabile dar foarte rezistente le acțiunea oxidanților obișnuiți.

Eficienta unor astfel de instalații: reducerea cantităților de suspensii si coloizi din apele uzate cu 65-85% (prin coagulare-floculare), [11].

Figura 1.6. Stație mecano-biologică în condiții apropiate de cele naturale, [10]

Figura 1.7. Stație mecano-biologică in condiții artificiale, [10]

Stațiile de epurare mecano-biologice, conform denumirii lor sunt alcătuite dintr-o treaptă biologică, ce urmează celei mecanice si se bazează pe activitatea unor microorganisme care mineralizează substanțele organice prezente în apă.

Eliminarea substanțelor organice în stare de suspensie coloidală sau dizolvate se realizează numai în urma reacțiilor biochimice din metabolismul celular.

Epurarea mecano-biologică se poate realiza atât in condiții apropiate de cele naturale ( câmpuri de irigații, de infiltrații, iazuri biologice, piramidă biologica din care varsă în emisar apele de drenaj ca ape epurate), cat si in condiții artificiale: (filtre biologice, bazine cu nămol activ), [3].

1.4. ECHIPAMENTE SI INSTALAȚII DIN TREAPTA BIOLOGICA A STAȚIILOR DE EPURARE ALE APELOR UZATE INDUSTRIALE

Epurarea biologica aeroba

Procesele de epurare biologică aerobă a apelor uzate se pot clasifica după modul de depunere a biomasei, astfel:

Procese în care microorganismele sunt suspendate în apă sub formă de flocoane, numite

procese de epurare biologică cu nămol activ.

Influentul cu impurități organice, dizolvate sau dispersate coloidal ajunge într-un bazin de aerare unde este pus în contact cu nămolul activ care consuma impuritățile biodegradabile din apa uzată.

Pentru a se desfășura în condiții optime, procesele de epurare biologică aerobă necesită sisteme de aerare care să asigure microorganismelor specifice oxigenul necesar, el trebuind să asigure două funcții de bază :

– transferul oxigenului din aer (sau gazul introdus) în apă intr-un mod cât mai intens;

– să asigure circulația și omogenizarea flocoanelor de nămol activ în apa uzată, favorizând astfel interacțiunea sistemului format de apă, aer și flocoanele de nămol activ.

Figura 1.8. Schema tipica a unei instalații de epurare biologica cu nămol activ.

Metodele de aerare ale bazinelor biologice cu nămol activ:

„a)metodă de aerare mecanică cu rotor imersat;

b) metodă de aerare mecanică cu rotor și ax orizontal;

c) metodă de aerare pneumatică cu sifon;

d) metodă de aerare pneumatică cu bule fine de aer

e) și f) metode de aerare mixte”.

Aeratoarele de tip HAFI reprezintă un procedeu modern de aerare utilizat in treapta biologică stației de epurare.

Instalația este proiectată pentru controlul automat al sistemului de aerare, astfel: pe fiecare conductă care asigură alimentarea cu aer în cele șase compartimente ale treptei biologice este prevăzut câte un robinet de reglare acționat electric, iar în fiecare compartiment este prevăzut câte un analizor de oxigen. Dacă valoarea reală a conținutului de oxigen găsita în bazinul de aerare diferă de valoarea de setare, cantitatea de aer va fi reglată automat.

Pe fiecare subcolector de aer este prevăzut câte un manometru și câte un traductor de presiune și alarmare, iar pe colector este prevăzut un manometru si un traductor de presiune, control și alarmare, care comandă depresurizarea (Blow Down Cycles) prin deschiderea unei electrovalve. Operația este necesară pentru a evita colmatarea panourilor de aerare și se realizează automat. Depresurizarea se poate realiza și manual, ori de cate ori este necesar.

Presiunile de setare pentru depresurizare și alarmare se vor stabili astfel încât să nu se ajungă la deteriorarea membranelor datorită colmatării.

Datele de proces ale instalației de aerare sunt măsurate și înregistrate de un automat programabil.

Din conductele de alimentare aerul este trimis prin conducte de alimentare către panourile de aerare fixate pe fundul bazinelor de aerare cu elemente de prindere din oțel inoxidabil.

Componentele panourilor de aerare sunt placa de bază fabricată din oțel inoxidabil austenitic, rezistent la coroziune și membrană elastică poroasă din material rezistent la medii agresive, montată etanș prin intermediul unor benzi periferice. Prin umflarea membranei, porii se deschid și apar bule fine de aer care se ridică lent spre suprafața apei din bazin. În acest mod, apa reziduală se îmbogățește în oxigen.

Pe fiecare conductă de alimentare există un robinet cu bilă care permite izolarea în vederea reparării în cazul în care apare o deteriorare a panoului (de exemplu, dacă membrana suferă în timp unele deteriorări determinate de contactul cu corpuri dure în timpul reviziilor sau datorită unor particule mari în suspensie, apărute accidental, aceasta se poate lipi cu adeziv special).

În cazul în care unul sau câteva panouri se deteriorează, activitatea acestora, datorită dispunerii în sistem, este acoperită de panourile învecinate, urmând ca repararea panoului să se facă cu ocazia reviziei generale a instalației.

Durata de viață a panourilor de aerare este de peste 10 ani, fără a se constata mărirea bulelor de aer emise, colmatarea, scăderea eficienței sau deteriorarea acestora, [2].

Procesele de epurare biologică aerobă in care cultura de microorganisme se dezvolta pe

dispozitive mobile, formând astfel instalații denumite contactoare biologice rotative.

Dezvoltarea microorganismelor pe suprafața discurilor conduce la formarea unui strat subțire de biomasă realizând așa numitele biodiscuri. Prin rotire, acestea pun în contact biomasa dezvoltată pe acestea cu substanțele organice din apa uzată și cu oxigenul din aer.

Apa epurată este separata gravitațional de nămolul activ într-un decantor secundar. O parte din nămolul activ separat în decantorul secundar este recirculată, ajungând din nou în bazinul de aerare, iar alta parte este evacuată ca nămol în exces în decantorul primar.

Decantoarele secundare au ca scop reținerea nămolului, (materiile solide în suspensie separabile prin decantare, numite si pelicula biologică sau flocoanele de nămol activ).

Cele mai recomandate decantoare pentru separarea nămolului activ sunt cele verticale. La stațiile mari de epurare se recurge însă la decantoare radiale sau longitudinale, .

Figura1.9 Imaginile principalelor tipuri de aeratoare, [2]

a)aerator mecanic cu rotor imersat;

b) aerator mecanic cu rotor și ax orizontal,

c) aerator pneumatic;

d) aerator mixt.

Filtrele biologice sunt construcții ale stațiilor de epurare în care cultura de microorganisme este depusă pe un suport inert constituit dintr-un material granular de umplutură (pietriș, zgură, cocs, material plastic) astfel formându-se o pelicula biologică ce contribuie la biooxidarea impurităților din apa uzata

-Filtru anaerob: mediul filtrant poros (in care se dezvolta microorganismele anaerobe);

-Filtru anaerob de contact: funcționează prin intermediul recirculării unei cantități de nămol activ sedimentat în decantorul secundar;

-Filtru anaerob în pat fluidizat: in cazul acestui tip de instalație este necesar sa se recircule o cantitate mai mare de apa uzata;

-Filtru anaerob cu alimentarea apei uzate în mai multe puncte;

Figura 1.10. Filtrul biologic, [12]

Reactoarele biologice rotative: aceste echipamente constau in fixarea masei biologice pe un suport solid sub forma unui tambur cu suprafață specifică mare. El este imersat până sub ax intr-o cuvă străbătută continuu de apa uzată, fiind menținut intr-o mișcare de rotație lentă pentru ca la fiecare rotație, elementele suprafeței suportului sa poată pătrunde in apă și apoi sa revină in aer, asigurând astfel contactul peliculei biologice, formate pe suprafața suportului, cu poluanții din apa uzată și cu oxigenul atmosferic.

Epurarea biologică naturală se poate realiza pe câmpuri de irigare si filtrare, prin intermediul filtrelor de nisip sau în iazuri de stabilizare (iazuri biologice)..

Decantoare

Sedimentarea este procesul fizic in timpul căruia particulelor solide organice sau anorganice sunt separate prin depunere gravimetrică în spații cu regim hidraulic controlat. Operația mai poate fi denumită și decantare sau după rolul procesului în tehnologia de tratare/epurare limpezire, clarificare sau îngroșare.

Decantorul este echipamentul din stația de epurare sau tratare capabil să rețină marea majoritate a suspensiilor conținute in apele uzate respectiv brute prin sedimentare – depunere gravitațională. Decantoarele reprezintă construcții complexe din beton, cu diferite forme geometrice, în care trebuie să se asigure condiții hidrodinamice favorabile procesului.

Ele se clasifică după următoarele criterii, [4,18]:

1. In funcție de modul in care se realizează procesul de sedimentare (decantare):

a) decantoare cu sedimentare liberă, naturală;

b) decantoare cu sedimentare activată cu reactivi chimici de coagulare-floculare și cu separare gravitațională sau suspensională;

2. După modul de îndepărtare a nămolului depus decantoarele pot avea:

a) curățire manuală;

b) echipamente mecanice de colectare și evacuare a nămolului;

c) echipamente hidromecanice sau pneumatice pentru îndepărtarea nămolului;

3. După direcția de curgere a apei prin decantor :

„ a) decantor longitudinal în care curgerea apei se realizează în lungul laturei mari a bazinului de formă paralelipipedică;

b) decantor vertical – curgerea apei se realizează pe verticală în sens ascendent, în contracurent cu particulele care se depun gravitațional, într-un bazin de formă cilindro-conică;

c) decantor radial – mișcarea apei se realizează pe direcția razei vectoare de la centru către periferia bazinului de formă cilindro-conică sau numai cilindrică.”

4.În funcție de destinația și poziția lor în schemă decantoarele se clasifică în:

„ a) decantor pentru tratarea apei de consum;

b) decantor pentru separarea nisipului din apă, este un decantor specializat – deznisipator;

c) decantor pentru ape uzate brute;

d) decantor pentru nămol activ – fiind în general al doilea în schemă el se numește decantor secundar;

e) decantor terțiar – decantor după treapta chimică sau existent în schemă după treapta de nitrificare;

f) decantor specializat pentru îngroșarea nămolului – concentrator de nămol.

5. După poziția construcției în raport cu nivelul terenului decantoarele pot fi, [18,4]:

a) îngropate;

b) semiîngropate;

c) aparente.”

Figura1.11 Schema unui decantor longitudinal curățat mecanic, [18]

„1 – canal de aducțiune a apei brute;2 – sistem de liniștire;3 – antecameră;4 – conductă pentru evacuarea grăsimilor;5 – podul raclor;6 – lamă împingătoare pentru spumă;7 – bașa de nămol;

8 – zonă liniștită pentru sedimentare;9 – lamă racloare;10 – cochilă pentru colectarea flotanților;11 – canal cu deversor pentru colectarea și evacuarea apei tratate”

Figura1.12. Decantor secundar orizontal longitudinal, [29]

„1 — Rigolă pentru colectarea apei decantate; 2 — pod raclor; 3 — deversor; 4 — rigolă pentru evacuarea nămolului; 5 — dispozitiv de sifonare a nămolului; 6 — pompă pentru evacuarea nămolului; -da — conductă de aducțiune a apei; ds — dispozitiv de distribuție a apei; de — conductă de evacuare a apei decantate”

Figura1.13. Decantor radial cu pod raclor, [12]

„1 – decantor; 2 – conductă admisie apă brută; 3 – zonă de sedimentare; 4 – suportul pivotului central și al jupei; 5 – canalul de colectare apă tratată; 6 – conul central; 7 – evacuare nămol; 8 – lame racloare; 9 – bașă; 10 – cale de rulare; 11 – mecanismul de antrenare.”

Figura 1.14. Decantor orizontal radial secundar, [12]

„1 — Camera de distribuție cu dispozitivul de distribuție a apei;2 — pod raclor;3 — jgheab colector inelar fix;4 — jgheab colector mobil;5 — instalație de sifonare;6 — guri de aspirație;

7 — țevi verticale de aspirație;8 — deversor;9 — rigolă pentru colectarea apei decantate;

10 — pâlnie pentru colectarea nămolului;da—conductă de aducțiune a apei;de — conductă de evacuare a apei decantate;dn — conductă de evacuare a nămolului activat”

Decantoarele secundare sunt construcții descoperite care au rolul de a reține nămolul biologic produs în bazinele cu nămol activat sau în filtrele biologice. Decantoarele secundare orizontale longitudinale și radiale, se proiectează în conformitate cu prevederile STAS 4162/2 „Canalizări.

Decantoarele secundare sunt amplasate în aval de bazinele cu nămol activat sau de filtrele biologice, în funcție de schema de epurare adoptată. Substanțele reținute în decantoarele secundare poartă denumirea generică de nămol biologic, iar în cazul în care decantoarele secundare sunt amplasate după bazinele de aerare, substanțele reținute poartă denumirea de nămol activat. Decantoarele secundare nu pot lipsi din schemele de epurare biologică, acestea funcționând în tandem cu bazinele de aerare sau cu filtrele biologice.[2,9]

CAPITOLUL 2

OPTIMIZAREA FUNCTIONALA A TREPTEI BIOLOGICE A UNEI STATII DE EPURARE A APELOR UZATE INDUSTRIALE DINTR-O RAFINARIE DE PRELUCRARE A PETROLULUI

2.1 CARACTERISTICI SPECIFICE STATIILOR DE EPURARE DINTR-O RAFINARIE DE PRELUCRARE A PETROLULUI

Apele uzate din industria petrolului provin de la extractia petrolului si de la rafinarii. Caracteristica acestor ape uzate este continutul lor in titei sau produse petroliere.

Cele mai mari cantitati de ape uzate provin din rafinariile de petrol unde se folosesc cantitati importante de apa in procesul tehnologic.

Printr-o buna gospodarire a apei in rafinarii si printr-o ingrijita exploatare a statiilor de epurare de la schele sau de la rafinarii se pot recupera cantitati importante de titei sau produse petroliere si respectiv se poate protejaemisarul contra impurificarii lui cu ape uzate.

Procese tehnologice din rafinariile de prelucrare a petrolului si formarea apelor uzate si caracteristicile acestora

Schemele tehnologice ale rafinariilor pot avea mai multe variante dupa materiile prime prelucrate precum si dupa calitatile si cantitatile de preoduse comerciale stabilite. Acest fapt, precum si materia prima prelucrata au o deosebita importanta pentru calitatea apelor uzate si implicit pentru stabilirea tehnologiei de epurare a acestora.

In general, intr-o rafinarie de petrol se folosesc procesele si se obtin derivatele indicate in figura 2.1

Fig. 2.1 Schema generala a proceselor folosite intr- o rafinarie de petrol si a derivatelor obtinute[13]

Prima prelucrare la care este supus titeiul este distilarea care se realizeaza intr-o instalatie ce efectueaza desalinizarea si distilarea la presiune atmosferica si in vid. Schema tehnologica a acestei instalatii poate fi diferita dupa cum se urmareste fabricarea numai de combustibil sau de combustibil si uleiuri.

Etapa urmatoare consta din fractionarea benzinelor si separarea gazelor; etapa ulterioara de prelucrare este reformarea, prin care benzinele isi imbunatatesc calitatea, mai ales proprietatile antidetonante. Procesul de reformare este termic sau catalitic, datorita caruia hidrocarburile liniare si partial cele ramificate se transforma in aromatice, cu formarea cantitatilor mari de hidrocarburi C1-C4.

Reziduul obtinut de la distilarea titeiului poate fi comercializat ca atatare, dar poate fi prelucrat in continuare. In acest caz se supune distilarii in vid, obtinandu-se uleiuri si bitum.

Fractiunile medii produse la distilarea titeiului si a reziduului sunt supuse proceselor de cracare termica sau catalitica, pentru a obtine componenti mai usori (benzine de buna calitate).

Fig.2.2 Schema formarii apelor si reziduurilor petroliere intr-o rafinarie de petrol,[13]

1-rezervoare de titei brut; 2-deshidratarea primara a titeiului; 3-rafinarea primara a titeiului;4- procesele de cracare, reformare, polimerizare, alchilare, etc.; 5- rezervoare intermediare pentru depozitarea produsului;6- rafinarea produselor petroliere;7- deparafinarea uleiurilor, fabricarea parafinei si a altor derivate;8-depozit de produse finite;9-depozit de parafina si derivate;10- fabricarea produselor chimice speciale;11-depozite de produse speciale; 12- fabricarea bitumului; 13- depozit pentru produse bituminoase; 14- titei pierdut la alimentarea si spalarea rezervoarelor; 15-reziduu de pe fundul rezervoarelor de titei brut; 16-titei pierdut prin scurgerea si spalarea aparaturii;17-solutii saline uleioase;18-reziduul din separatoarele de apa si namol;19-apa de condensare; 20-cocs din conducte si coloane; 21-produse petroliere pierdute la separatoarele de apa si benzina si la distilarea in vid si in atmosfera;22-solutii de adaos anticorozive si solutii apoase de combiantii organice, apa de condensare si reziduul din rezervoare; 23-scurgeri de la cataliza; 24-apa de condensare;25- reziduul din rezervoare; 26- solutii de adaos anticoroziv si solutie de la separatoarele de benzina si apa, apa de condensare si reziduu de condensare; 27-produse petroliere ce se pierd prin scurgere si alimentare din separatoarele de benzina si apa de condens; 28-cocs din conducte si coloane; 29- reziduuri de la curatirea rezervoarelor;30-titei ce se pierde prin scurgere la alimentare si spalarea rezervoarelor;31-reziduul dinrezervoare;32-solutii uzate de soda caustica de la operatiile de rafinare a petrolului;33-solutii chimice uzate de la purificarea selectiva; 34-produse petroliere si chimice ce se pierd prin scurgere si transportare;35-substante absorbante si catalizatori uzati;36-pierderi de ulei de la deparafinarea uleiului;37-pierderi de solventi selectivi la deparafinarea uleiului;38 apa de condensare; 39-reziduuri parafinice;40-produse petroliere din scurgeri, transporturi si spalarea rezervoarelor;41-scurgeri de la spalarea rezervoarelor;42-apa de condensare;43- produse speciale din scurgeri;44-ape uzate de la rafinarea uleiurilor;45-ape uzate de la rafinarea produselor petroliere;46 solutii uzate de la deparafinarea gazelor;47-bitum pierdut prin scurgeri;48-reziduu de la curatirea rezervoarelor;49-instalatii de uz comun ale rafinariei; 50-namolul de la epurarea chimica a apei de cazane, apa de la purjarea cazanelor;51-ape uzate menajere;52-namol menajer;53-produse petroliere din laboratoare;54-reziduuri rezultate in urma curatirii rezervoarelor pentru produse speciale; 55-produse speciale din scurgeri;56-scurgeri de titei si bitum;57-apa de condens;

De la toate procesele de obtinere a produselor petroliere se formeaza ape uzate (fig. 2.2).

Scurgerile de la parcurile de rezervoare pentru materia prima si produsele finite constituie de asemenea ape uzate, desi la rafinariile moderne aceste surse sint eliminate.

Intr-o rafinarie se deosebesc urmatoarele categorii de ape uzate: tehnologice, de racire, pluviale si menajere.

Pentru problemele de epurare, categoria cea mai importanta de ape uzate din rafinarie o formeaza apele uzate tehnologice provenite din procesele de prelucrare.

In mod obisnuit, apa uzata tehnologica se defineste ca fiind ,,apa sau condensul de vapori care a fost in contact direct cu produsele petroliere, in stare lichida sau de vapori, si deci care poate contine produse petroliere sau impurificatori chimici” .

Se raporteaza urmatoarele consumuri specifice de ape uzate tehnologice: 2 m3/m3 titei prelucrat; 0,8—1,4 m3/m3; 1,2—l,3m3/t ; 1 m3/t . La aceste valori s-a ajuns prin imbunatatirea tehnologiei de prelucrare si prin recircularea apelor de racire.

Asemanator altor ape industriale, nici la apele uzate de la rafinariile de petrol nu este posibila o generalizare calitativa a efluentului total. Aceasta depinde de productia zilnica de rafinate, de tipul titeiului prelucrat, de complexitatea prelucrarii, de consumurile de apa, de vechimea instalatiilor tehnologice, de instalatiile locale de preepurare etc. De aceea referirea cantitatii de impurificari la unitatea de produs prelucrat poate conduce la interpretari eronate. De exemplu, o rafinarie complexa poate prelucra aceeasi cantitate de titei de doua-trei ori mai mult decit o rafinarie simpla, producind o gama larga de sortimente. Evident, rafinaria complexa va avea ape uzate tehnologice cu impurificatori mai variati si mai concentrati decit o rafinarie simpla, la aceeasi capacitate de prelucrarea titeiului.

In apele uzate tehnologice se gasesc produse petroliere sub forma separabila sau emulsionate si anume : produse petroliere libere (plutitoare), produse petroliere semisolubile, emulsii de tipul apa-ulei, emulsii stabihzate cu ajutorul substantelor superficial active, hidrocarburi legate chimic §i hidrocarburi adsorbite pe substantele in suspensie [2].

In afara de produse petroliere, in apele uzate obtinute din diferite procese se gasesc impurificatori specifici, astfel:

-desalinizarea titeiului produce ape uzate cu continut mare de clorura de sodiu si cu cantitati mici de fenoli si sulfuri;

-distilarea primara a titeiului produce un condens care contine H2S si NH3, precum si cantitati mici de fenoli;

-distilarea in vid produce ape uzate cu sulfuri si fenoli;

-cracarea catalitica si termica produc ape uzate puternic impurificate cu fenoli, tiofenoli, sulfuri neorganice si organice, amoniac si cianuri;

-hidrocracarea — un proces care a inceput sa fie folosit extensiv in ultimii 5 ani — produce ape puternic impurificate cu sulfuri si amoniac;

-polimerizarea catalitica produce uneori ape acide (dupa catalizatorul folosit);

-alchilarea catalitica cu acid sulfuric produce acid sulfuric uzat si ape de spalare alcaline.

De la procesele de rafinare si de solventare se obtin de asemenea ape incarcate cu substante orgauice si cu sulfuri.

Importante prin problemele pe care le pun sunt si apele uzate acide care provin din procesele de tratare pentru extractia compusilor olefinici, asfaltenici si a mercaptanilor. Cele mai multe dintre aceste procese conduc la obtinerea unor gudroane acide. dificil de inlaturat. De asemenea. rafinarea uieiurilor produce ape uzate alcaline, puternic impurificate, care provoaca formarea emulsiilor stabile de hidrocarburi

Literatura de specialitate prezinta date extreni de variate in ceea ce priveste compozitia fizico-chimica a efluentilor totali ai rafinariilor. Pentru indicatorii principai de poluare sunt date urmatoarele valori:

-produse petroliere, mg/1 ………………………………………100-200

400-600

1000-10000

-consum chimic de oxigen, mg O.,/l …………………………………….500

-consum biochimic de oxigen, mg O,/l . ……………………….100-200

-materii in suspensie, mg/1 ……………………………………150-200

200- 300

In cazul recircularii apei de racire, o parte a adaosului de apa proaspata (necesar inlocuirii pierderilor prin evaporare si mentinerii unei concentratii adecvate de saruri) si care se evacueaza in reteaua de canalizare, este impurificata cu saruri minerale.

Apele de ploaie sunt de cele mai multe ori impurificate cu produse petroliere si suspensii sedimentabile, mai ales cele provenite de pe platformele betonate ale instalatiilor si parcurilor de rezervoare ale produselor finite, de aceea trebuie §i ele introduse in instalatiile de epurare.

Influenta apelor uzate asupra emisarului.

Produsele petroliere si apele uzate provenite de la rafinarii sunt strict controlate din punctul de vedere al protectiei calitatii apelor datorita influentelor nocive deosebite produse in emisari.

Din punctul de vedere al potabilitatii apelor de suprafata si de adancime se mentioneaza ca diluarea apelor cu con|inut de produse petroliere in raportul 1 : 500 000 sau chiar 1 : 1 000 000 cu apele emisarului face apa improprie de baut .

In afara de aceasta, o serie de efecte negative sint descrise in literatura de specialitate este necesar de mentionat distrugerea faunei acvatice si micsorarea posibilitatilor de autoepurare a raului.

Actiunile nocive ale apelor uzate provenite de la rafinariile de petrol asupra organismelor acvatice sunt urmatoarele:

-pelicula de uleiuri si produse petroliere deranjeaza respiratia pestilor si a organismelor inferioare prin impiedicarea schimbului de oxigen ;

-organismele animale inferioare, ca si fitoplanctonul, sunt prinse in masa uleioasa si antrenate pe fundul raului;

-uleiurile, ca si produsele petroliere, lezeaza branhiile, producand in continuare intoxicarea organismelor ;

-componentele cele mai toxice ale acestor ape sunt acizii naftenici, mercaptanii si derivati fenolici;

O influenta secundara a apelor uzate asupra fondului piscicol se manifesta prin distrugerea florei si faunei ce servesc ca hrana pentru pesti.

Din punct de vedere chimic, reziduurile petroliere sunt periculoase din cauza consumului de oxigen. Datorita combinarii cu oxigenul pot lua nastere produse toxice, dar se pot forma ,si produse secundare, rasinoase, ceea ce provoaca prinderea malurilor si fundului emisarului intr-o masa viseoasa.

Trebuie mentionat ca actiunea produselor petroliere asupra organismelor variaza in functie de compozitia lor.

Hidrocarburile actioneaza in primul rind bacteriostatic din cauza solubilitatii scazute in apa. [9]. Asupra protozoarelor, hidrocarburile alifatice in solutie saturata actioneaza initial prin paralizarea lor; dupa un interval de o ora devin mortale. Hidrocarburile aromatice (benzen, toluen, xilen) prezinta toxicitati ridicate in functie de organismele asupra carora actioneaza.

Foarte periculoase pentru organismele acvatice sunt componentele cu sulf, mai ales mercaptanii.

Rezolvarea in conditii cat mai economice si mai eficiente a epurarii apelor uzate dintr-o rafinarie de petrol consta in executarea in mod judicios a retelei de canalizare

Figura. 2.3. Schema canalizarii si a instalatiilor de epurare propusa penlru rafinariile din Romania,[13].

Pentru epurarea mecanica a apelor uzate de la rafinariile de petrol se folosesc diferite tipuri de separatoare-decantoare. Trebuie accentuat faptul ca aici nu se retin substantele petroliere emulsionate si dizolvate.

Principiul separatoarelor-decantoare de produse petroliere consta in folosirea diferentelor in greutati specifice ale componentelor sistemului substante petroliere-apa-substante solide.

Pentru proiectarea decantoarelor- separatoare sunt decisivi trei factori: viteza ascensionala a picaturilor de ulei, calculate teoretic dupa legea lui Stokes, diferentele in greutate specifica a fazelor uleioasa si apoasa si raporturile medii temperatura- vascozitate a apelor de tratat.

Pana, in prezent parametrii constructivi sunt stabiliti in mare masura prin prescriptiile API (Inst. American al Petrolului) suferind modificari si imbunatatiri individuale.

In principal aceste prescriptii recomanda ca viteza in directie orizontala, sa nu depaseasca de 15 ori viteza particulei in directie verticala si sa fie de maximum 75 cm/min. Raportul dintre adincimea si latimea decantorului-separator sa fie egala cu 0,3. Aceasta cifra este empirica, dar s-a confirmat in practica. Adancimea decantorului-separator variaza intre 70 cm si 2 m, rezultand deci o latime de 1,5—5 m; daca este necesar sa fie mai lat, API recomanda construirea a doua sau a mai multor decantoare- separatoare paralele.

Figura. 2.4. Decantor-separator cu doua trepte Tip API ,[12].

1 — caraera de intrare: 2 — tuburi de intrare; 3 — filtru de coalescenta,; 4 — jgheab de distributie; -5 — conducta pentru captarea produsului petrolier; 6 — banda transportoare cu racleti; 7 — perete pentru raclarea produsului petrolier; 8 — camera de iesire

La unele rafinarii s-au construit si decantoare-separatoare radiale pentru retinerea substantelor petroliere, care au randamente foarte bune.

Amplasarea decantoarelor-separatoare in imediata vecinatate a sectiilor care evacueaza ape uzate conduce la randamente mai bune in separarea substantelor petroliere, deoarece apa si substante petroliere nu au timp sa se amestece, iar emulsiile sa imbratineasca.

Pentru o buna eficienta se recomanda construirea de decantoare- separatoare avand cel putin doua compartimente, intrarea si iesirea apei facandu-se peste deversoare. Pentru evacuarea substantelor petroliere ridicate la suprafata se recomanda folosirea de tevi orizontale cu orificii longitudinale in forma de fanta.

Flotatia, uneori combinata cu tratarea chimica, este o metoda avansata de epurare a apelor uzate din rafinarii .

Pentru debite pina la 200 m3/h se recomanda constructia de instalatii de flotatie sub presiune, iar pentru debite mai mari — instalatii eu difuzare mecanica a aerului.

In instalatiile de flotatie, intra numai ape epurate mecanic, in orice caz eu un continut de produse petroliere sub 250 mg/1. Eficienta de tratare a apelor uzate din rafinarii prin flotatie, este de 90—95% pentru indepartarea produselor petroliere, circa 50% pentru reducerea CBO5 si de circa 70% pentru indepartarea substantelor in suspensii sedimentabile.

Flotatia, consuma o cantitate mai mica de substante chimice, spre deosebire de coagulare.

Flotatia prin difuzarea mecanica a aerului se realizeaza in conditii bune cu ajutorul impelerelor (turbinelor de aerare) de diferite tipuri, amplasate in camere de beton armat.

Figura. 2.5. Sectiune prin camera de flotatie,[13] :

1 — raclor de namol; 2 — difuzor: 2 — supapa pentru reglarea presiunii; 4 — raclor pentru indepartarea produsului petrolier plutitor; 5, 10 — guri de vizitare: 6 — planseul camerei; 7 — conducta pentru evacuarea vaporilor: 8 — inchidere hidraulica; 9 — supapa de siguranta; 11 — colector pentru produsul petrolier plutitor; 12 — deversor; 13 — iesirea produsului captat; 14 — motor electric de actionare a raclorului;15 — dispozitiv pentru reglarea supapei de presiune 3.

Epurarea biologica reprezinta o treapta de tratare a apelor uzate de la rafinarii, necesara pentru realizarea unui grad de epurare superior. Trebuie amintit ca apele tratate mecanic si chiar chimic contin inca substante dizolvate, care datorita mirosului, gustului si toxicitatii provocate in emisari necesita aceasta treapta de epurare.

Pentru ca epurarea biologica a acestui tip de ape sa fie posibila, este necesar ca impurificatorii specifici (produse petroliere, sulfuri, mercaptani, acizi naftenici etc.) sa existe in cantitate mica. Se cere ca sulfurile si mercaptanii sa nu depaseasca concentratii de 10 mg/1, iar cantitatile de produse petroliere sa nu fie mai mari de 100 mg/1 in cazul epurarii biologice in biofiltre si decit 50 mg/1 in cazul epurarii biologice in aerotancuri.

Indicele pH al apelor uzate trebuie mentinut intre 6,5 si 8,5; de multe ori este necesar adaosul de saruri nutritive (azot si fosfor). Dintre metodele biologice de epurare, in acest caz o larga raspandire o are epurarea cu namol activ.

Dintre instalatiile moderne sint folosite cu succes instalatiile Biolator (fig. 2.6) si aeroaccelator[13].

Figura. 2.6. Biolator tip Wabag[13]

2.2 MONITORIZAREA TREPTEI BIOLOGICE PENTRU DETERMINAREA STADIULUI ACTUAL DE FUNCTIONARE

În urma proceselor tehnologice specifice rafinarii petrolului rezulta volume importante de apă generându-se astfel cantități semnificative de ape reziduale.

Apele reziduale din instalatiile tehnologice sunt directionate catre statia de epurare a rafinariei.

Debitul maxim de capacitate ce poate fi tratat in statia de epurare este de 1.500m³/h.

estInstalatia de tratare ape uzate este alcatuita din 3 etape de purificare: mecanica, chimica si biologica.

Treapta mecanică este o separare gravitațională a particulelor în suspensie și se realizează prin decantare, separarea făcându-se pe baza diferenței de densitate. Apa și nisipul fiind mai grele, cad la fund, iar țițeiul și produsele petroliere se ridică la suprafață.

Decantarea este influențată de următorii factori:

mărimea particulelor în suspensie;

temperatura care prin schimbarea densității produce curenți interni;

viteza apei la intrare care poate crea vârtejuri;

viteza de depunere în apa liniștită;

raportul dinte distanța de trecere a apei prin bazin și adâncimea acestuia

Treapta fizico-chimică

Coagularea fizico – chimică are loc prin floculare care are ca efect schimbarea mărimii particulelor în suspensie prin aglomerarea lor electrochimică și în consecință mărirea vitezei de depunere. Ca agenți de floculare se folosesc polielectroliți organici.

Avantajul folosirii acestora este atât din punct de vedere tehnic cât și economic. Pentru corectarea pH-ului în vederea asigurării domeniului optim de coagulare se folosește laptele de var (hidroxidul de calciu) sau acidul sulfuric, in functie de pH. Dintre metodele de eliminare a particulelor fine de hidrocarburi, care nu pot fi separate prin decantare obișnuită, s-a impus metoda flotației cu aer. Aceasta metodă se bazează pe principiul emersiunii accelerate a particulelor de produs cu ajutorul unei dispersii foarte fine cu bule de aer în apa reziduală care străbate masa de jos în sus. Particulele de produs absorb bulele de aer, devin mai ușoare și se ridică la suprafață cu o viteză mult mărită. Dispersia de aer trebuie să îndeplinească două condiții esențiale:

– bulele de aer trebuie să fie foarte fine pentru a nu crea turbulență în mișcarea lor ascensională;

– desimea acestor bule trebuie să fie cât mai ridicată.

Principala problemă a flotației este tocmai modalitatea de obținere a unei astfel de dispersii.

Epurarea biologică este procedeul cel mai eficient și generalizat de epurare a impurităților organice în suspensie sau dizolvate în apele reziduale și se bazează pe metabolizarea acestora de către culturi de microorganisme aerobe sau anaerobe.

În funcție de caracterul fizic și chimic al substanțelor organice dizolvate ,etapele de micșorare a consumului biochimic de oxigen au loc prin următoarele mecanisme:

eliminarea substanțelor în suspensie prin concentrarea în flocoanele de nămol, la o bună amestecare și la un conținut suficient de nămol, această eliminare fiind cea mai rapidă;

biosorbția de către microorganisme a substanțelor organice dizolvate chimic, aceasta fiind o etapă lentă. Biosorbția are loc fie pe seama unor fenomene de suprafață, fie pe seama formării unor complecși enzimatici după cum substanța organică se depozitează pe suprafața sau în interiorul celulelor.

Reacțiile menționate intervin imediat ce are loc contactul nămolului cu apa reziduală. Suspensiile și substanțele coloidale trebuie să fie supuse ulterior fărâmițării în particule mai mici pentru a putea fi folosite de celule în procesul de sinteză. Substanțele organice dizolvate se îndepărtează inițial din soluție sub forma unor complecși de suprafață sau ca material acumulat în interiorul celulelor. Aceste substanțe sunt utilizate de către celule ca material pentru sinteză [16].

Datele de intrare

In tabelul 2.1 sunt prezentate valorile de pH, CCO, materii in suspensie si produs petrolier, monitorizate pe parcursul a doua luni.

In functie de aceste date se va calcula gradul de epurare atat la iesirea din treapta fizico-chimica cat si la iesirea din treapta biologica.

Variatile parametrilor la intrarea in treapta fizico-chimica

Variatia parametrilor la iesirea din treapta biologica

Calculul gradelor de epurare

Gradul de epurare (GE) este definit ca procentul de reducere, ca urmare a epurarii, aunei parti din elemente poluante de natura fizica, chimica si biologica din apele uzate astfelincat concentratia ramasa in apa epurata sa reprezinte sau sa se incadreze in valoare limitaadmisibila stabilita prin NTPA 001/2005.[14]

Formula generala pentru calculul gradului de epurare (GE) este:

unde: ci -concentratia initiala medie a poluantilor (mg/l);

cf – concentratia finala medie a poluantilor (mg/l);

Gradele de epurare conforme materiilor in suspensie si produsului petrolier la iesirea din treapta fizico-chimica

Materii in suspensie

GEla iesirea din treapta fizico-chimica= %

Produs Petrolier

GEla iesirea din treapta fizico-chimica= %

Gradele de epurare conforme materiilor in suspensie si produsului petrolier la iesirea din treapta biologica.

Materii in suspensie

GEla iesirea din treapta fizico-chimica= %

Produs Petrolier

GEla iesirea din treapta fizico-chimica= %

2.3 IMPLEMENTAREA UNUI REACTOR BIOLOGIC CU NAMOL ACTIV IN MISCARE

Apele reziduale provenite din instalatiile rafinariei de prelucrare a petrolului sunt îndreptate către stația de epurare pentru tratarea lor cu scopul de a avea o înaltă calitate la varsarea in emisar în vederea respectarii standardelor legale de protecția mediului.

Scopul unei stațiinde epurare într-o rafinărie este acela de a reduce emisiile poluante din apele reziduale și pentru a obține o calitate corespunzătoare pentru reutilizarea apei tratate în rafinărie.

Apa urmeaza un tratament primar care implică îndepărtarea materiei organice biodegradabile dizolvate și coloidale folosind procese aerobe de tratare biologică. Tratamentul biologic aerob este realizat în prezența oxigenului de către microorganisme aerobe care metabolizeaza materia organică din apa reziduală, producând astfel mai multe microorganisme și produsele finale anorganice (în principal CO2, NH3 și H2O). O parte din procesele biologice aerobe sunt utilizate pentru tratamentul secundar care diferă în principal în modul în care oxigenul este furnizat microorganismelor și procentul la care organismele metabolizează materia organică. După procesul de tratare biologică,microorganismele trebuie să fie separate de apele uzate tratate prin sedimentare pentru a produce apă uzată secundară clarificata. Indepartarea rezidurilor solide eliminate în timpul sedimentarii secundare, nămolul biologic, în mod normal este combinat cu nămol primar pentru procesare de deseuri petroliere.In treapta cu nămol activ, reactorul care creste dispersia se afla in bazinul de aerare care conține ape reziduale și microorganisme. Conținutul din bazinul de aerare se amestecă energic cu ajutorul unor dispozitive de aerare, care, de asemenea, furnizeaza oxigen pentru sustinerea procesului biologic. Dispozitivele de aerare utilizate includ deflectoare scufundate care eliberareaza aer comprimat.

Stația de suflante și aeratoarele mecanice de suprafata introduc aer agitând lichidul din bazin. Timpul de retenție hidraulică în bazinele de aerare de obicei, variază de la 3 la 8 ore. După etapa de aerare, microorganismele sunt separate din lichid prin sedimentare și lichidul limpede este trimis in decantoarele secundare. O parte din nămolul biologic este recirculat în bazinul de aerare pentru a menține un nivel de amestec omogen ,urmand restul trebuie să fie eliminat din process și trimis catre procesarea namolului pentru a menține o concentrație relativ constantă de microorganisme în sistem.

Exista situatii in care functionarea statiei de epurare este contestată din cauza gradului de contaminări ridicat, care rezulta din perturbarea sistemului de tratare biologică. Aceasta duce mai departe la depasirea limitelor la ieșirea din stația de epurare, precum și în emisar, cu repercusiuni directe asupra mediului.

Pentru cazurile in care apele uzate din rafinarie au incarcatura mare de contaminări, este posibil că ele sa fie depozitate in decantoare pentru stocarea apei uzate, insa in cazurile în care, după etapele de mecanică și fizico-chimice apel reziduale au incarcari mari de contaminanți, nu există posibilitatea de stocare a apei impurificate pentru a fi returnate și tratate.

Pentru ca statia de epurare a unei rafinarii petrochimice sa poata deversa in emisar apele uzate acestea trebuie sa urmareasca lagislatia in viguare si anume NTPA 001/2002 ce are ca scop stabilirea limitelor de incarcare cu poluanti a apelor uzate industriale si urbane in receptori naturali.

Pentru a rezolva situația actuala o nouă tehnologie biologică va fi implementată în treapta biologica existenta a statiei de epurare a apelor uzate din rafinarie.. Bazinul de aerare existent va fi prevăzut cu un sistem MBBR (Pat Filtrant Flotant).

Procedeul asigura o rata mare de biodegradare in sistem si in acelasi timp ofera fiabilitate procesului si usurinta in exploatare. Această tehnologie se implementeaza cu un cost scazut si cu o întreținere minimă, deoarece MBBR menține un nivel optim al biofilmelor produse.

Atat pentru respectarea normelor legislative cat si pentru optimizarea procesului de tratare a apei in treapta biologica s-a studiat instalarea unui reactor biologic cu namol activ in miscare in bazinul de aerare.[14,15]

Echipamentul necesar pentru implementarea acestui proiect consta in punerea in functiune a reactorului in bazinul de aerare ce are urmatoare dimensiuni:

-54 m lungime;

-54,2 m latime;

-3,44 m inaltimea de nivel de apa;

-aproximativ 10100 m3 volum util.

Procesul de tratare a apei uzate industriale este ingreunat de variatia continutului de contaminanti (amoniac, cianuri, componenti sulfurici etc), de sarcinile de varf a anumitor instalatii din rafinarie spre exemplu cocsare, cracare sau DAV.

Pentru realizarea acestui proiect echipamentul trebuie sa fie conceput intr-o maniera moderna ce poate face fata situatiei actuale si trebuie sa respecte coduri, standarde si reglementari aplicabile in UE.

In vederea montarii reactorului se tine cont de fluidul existent in bazinul aerat si presiunea aerului neceara mentinerii unui densitati optime a lichidului si a barbotarii apei.

In prezent tratarea biologica a apelor uzate se face utilizand decantoarele existente si sistemul de aerare HAFI corespunzator aerului dat de suflante.

Dupa doua etape de pretratament mecanic realizat cu ajutorul sistemului API si fizic ce are loc in DAF-Dizolv Air Flotation; apele uzate sunt directionate in treapta biologica in vederea continuarii procesului de epurare si anume: eliminarea carbonului si indepartarea azotului. La iesirea din statia de epurare apa trebuie sa respecte limitele impuse de prevederile legislatiei mai sus mentionate

Caracteristicile și beneficiile MBBR sunt:

Costul efectiv –este alcatuit din Proiectarea si implementarea eficienta care au costurile de capital și de operare mai mici decât alternativele convenționale;modificari minore necesare implementarii sistemului; este un proces simplu care ajuta la extinderea instalatiei si la cresterea populatiei de microorganisme, ceea ce duce insamantari mult mai rare; noul sistem este caracterizat de o funcționare stabilă ceea ce implica faptul ca eliminarea degajarilor toxice și hidraulice nu afectează întreaga populație microbiană dn biofilm, asigurând recuperarea sistemului rapidă și fără probleme.

Proceselor de nitrificare pot avea loc si la temperaturi joase si este activat chiar și la o vârstă scăzuta a nămolului activat.

Sistemul MBBR presupune un transfer de oxigen imbunatatit, costuri de exploatare reduse si un proces de mentenanta scazut.

Pelicula de biomasa filtranta este gandita sa ramana in bazinul de aerare chiar si in conditii hidraulice necorespunzataoare. Din cauza straturilor biofilm din mediu toxicitatea de obicei, nu afectează toate biomasa activă, iar recuperare este mult mai rapida decât a celorlalte sisteme de microorganisme.

Sistemul de nămol existent nu functioneaza in parametrii optimi deoarece este foarte vechi: pompele submersibile fiind deteriorate, linia de evacuare subterana prezinta fisuri. In cazul in care noua tehnologie MBBR va fi implementată debitul apelor uzate tratate va creste semnificativ.

În scopul eficientizarii treptei biologice bazinul aerat va fi actualizata cu un sistem MBBR,pentru montarea caruia se va lua in considerare faptul ca structura de beton existenta nu va fi deteriorate din cauza conductelor de transport.

Problemele actuale existente in decantorul cu namol activ vor fi rezolvate in tmpul reviziei intregii unitati.

Figura. 2.7 MBBR in activivitate in SEAU[6]

Statiile de epurare de tip MBBR prezinta urmatoarele avantaje tehnologice:

-rizurile si fantele de pe suprafata purtatorilor mobili, maresc suprafata de contact si ajuta aderarea si dezvoltarea coloniilor de bacterii, care sunt mult mai rezistente la variatiile parametrilor procesului de epurare, decat bacteriile libere din namolul activ;

-purtatorii mobili ajuta la cresterea suprafetei de aerare;

-circulatia continua a mediului biologic, previne depunerea bacteriilor intr-o parte a bazinului si nu prezinta risc de colmatare:

Oxigenul necesar proceselor biologice de epurare, se asigura prin aerare cu bule fine, prin intermediul echipamentului de aerare compus din suflanta (sursa de aer comprimat) si difuzoare amplasate pe fundul bazinului.[14]

2.4 SIMULARE PRIVIND IMPLEMENTAREA SISTEMULUI MBBR INTR-O STATIE DE TRATARE APE UZATE INDUSTRIALE

Bazinul de pompare are un rol important si in treapta de epurare biologica.

Dimensionarea lui s-a facut astfel incat sa permita desfasurarea procesului de denitrificare in avans, chiar inainte de pomparea apei uzate in reactorul biologic.

Volumul acestui bazin a fost calculat astfel incat sa rezulte un timp de retentie incare sa aibe loc reducerea consumului biologic de oxigen in proportie de cel putin30%

Figura 2.8. Procent de indepartare CBO5

Dupa cum se observa in fig. 2.8., in primele doua ore in care apa uzata stationeaza in bazinul de egalizare, omogenizare si pompare, se produce oindepartare semnificativa a CBO5 – aproximativ 35%.

Astfel, in reactorul biologic patrunde apa cu un continut de 75% CBO5 fata de valoarea initiala avuta la intrarea in statie.

Dimensionarea bazinelor betonate se face astfel incat suprafata ocupata sa fie minima, dar volumul util sa ajute la inlesnirea celor mai bune conditii de desfasurare pentru procesele biologice.

Mixerul de omogenizare pozitionat in bazinul de pompare are un rolimportant in acest proces de reducere: asigura omogenitatea continutului desuspensii din apa astfel incat bacteriile responsabile cu reducerea cantitatii de CBO5 sa aibe eficienta maxima

Pompele de alimentare asigura transferul apei uzate omogenizatecatre reactorul biologic, iar reactorul biologic asigura desfasurarea proceselor biologice de epurare a apei uzate menajere.

Procesul de epurare biologica este un proces de epurare avansata cualimentare continua, nitrificare si denitrificare, cu biomasa fixata pe suportmobil si in suspensie.

Pentru a se putea realiza aceste procese , reactorul este impartit in doua zone:

Zona oxica (aeroba) sau de nitrificarea,

Zona anoxica sau de denitrificarea

In zona aeroba (nitrificare) in prezenta oxigenului, bacteriile heterotrofe indeparteaza substantele organice pe baza de carbon, iar cele autotrofe aerobe (nitrificatori) realizeaza oxidarea biologica a azotului aflat in apa sub forma ionilor de amoniu in azotiti si azotati.

Oxigenul necesar proceselor biologice este asigurat prin aerare cu bule fine, sursa de aer comprimat fiind asigurata de suflante.

Functionarea suflantelor (Fig.2.9.) este comandata de panoul de control, montat in cabina de echipamente, care mentine o concentratie de 2-4mg O2/l.

In zona de denitrificare apa uzata decantata primar, deznisipata si lipsita de grasimi este mixata cu namolul recirculat si apa cu azotati care intra din nitrificare. Zona de denitrificare este o zona anoxica, unde O2 este cel mult 0,1mg/l.

In fenomenul de denitrificare, pentru descompunerea substantelor organice pe baza de carbon in cazul lipsei oxigenului dizolvat, bacteriile heterotrofe anoxice, descompun azotatul existent in apa, pe cale biologica, in urmatoarele elemente: azot liber (N2 ), bioxid de carbon (CO2 ) si apa (H2O), oncomitent cu consum de carbon organic. Fig. 2.9. Suflanta

Procesul de epurare biologica, exprimat detaliat, se desfasoara astfel: cu ajutorul microorganismelor se indeparteaza substantele organice din apa, bacteriile utilizandu-le ca hrana, respectiv drept sursa de carbon.

O parte din materiile organice folosite de microorganisme servesc la producerea energiei necesare miscarii si desfasurarii altor reactii consumatoare de energie, legate de sinteza materiei vii, adica de reproducerea microorganismelor.

In apele uzate, menajere sau evacuate de la crescatoriile de animale, se gasesc substante organice si combinatii anorganice ale azotului, in principal, saruri de amoniu, ca forma primara.

Unele ape uzate industriale, pot contine cantitati mari de substante organice cu azot sau combinatii anorganice ale acestuia, NH4+, NO2-, NO3- .

Unul dintre procesele prin care se poate produce este cel cu namol activ, in care reactia de nitrificare este efectuata de un grup de bacterii autotrofe, denumite bacteria nitrificatoare (nitrifiante).

Figura. 2.9 Suflanta

Instalatiile de epurare biologica cu namol activ pot fi folosite pentru nitrificare daca in bazinul de aerare sunt mentinute conditii adecvate pentru retinerea si acumularea bacteriilor nitrifiante.

Concentrația acestor bacterii depinde de viteza lor de creștere specifică și de viteza cu care

sunt îndepărtate din sistem prin apa epurată (wash -out).

In sistemul avansat de epurare cu biofilm, coloniile de bacterii fixate pe purtatorii plutitori sunt mult mai eficiente datorita faptului ca ele nu pot fi evacuate ca in cazul epurarii cu namol activ.

İn aceasta camera de aerare plutesc liber in apa uzata biofilme (Fig. 2.10.) cu suprafata mare de aderenta pe care se prind colonii de bacterii care realizeaza procesele biologice de epurare.

Fig. 2.10. Biofilme plutitoare nefolosite[16]

Microorganismele prinse pe biofilm sunt cu mult mai rezistente la tulburarile intervenite in proces decat bacteriile libere din namolul activ intalnit in procesul SBR.Fig. 2.11.

Folosirea biofilmului ajuta la cresterea suprafetei de aerare.

De asemenea, un alt mare avantaj al bio-purtatorilor plutitori este acela ca,spre deosebire de

biofilmul pe suport fixat, nu prezinta risc de colmatare.

Nitrificarea este procesul de oxidare a amoniacului (NH4+  -N) în nitrit și apoi înnitrat, cu

ajutorul a două grupe de bacterii:nitrosomonas și nitrobacteriile.

Aceste bacterii au o dezvoltare lentă și se numesc bacterii nitrifiante (nitrificatoare).

Figura. 2.11. Biofilme plutitoare in reactor[16]

Reactia globala a oxidarii ionului de amoniu la ion azotat, cu ajutorul microorganismelor

din apa și sol, este:

NH4 + → NO2 → NO3 – cu urmatoarea stoechiometrie:

NH4 + + 1,5O2→ 2H+ + H2O + NO2  – (ionul de amoniu este descompus in reactive cuoxigenul in compusi mai simpli si inofensivi: hidrogen,apa si nitriti)

NO2 – + 0,5O2 →NO3 – (compusii nitriti sunt descompusi la randul lor pana la nitrati)

Bacteriile autotrofe care produc nitrificarea sunt aerobe. Cele doua trepte alereactiei globale sunt realizate de bacterii diferite [13].

Institutul de studii și proiectări energetice prezintă un model matematic ce poate fi implementat în programe de calcul specializate, pentru determinarea concentrației de oxigen dizolvat din cadrul unor bioreactoare de tip Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), plecând de la ecuația generală a dispersiei. Scopul cercetărilor este de a determina poziția optimă a sistemului de aerare în interiorul bioreactorului, astfel încât concentrația de oxigen dizolvat din masa de apă uzată să fie situată în limitele indicate de literatura de specialitate.

De asemenea, se prezintă și rezultatele unor seturi de cercetări experimentale realizate pe un bazin de tip MBBR. Concentrația de oxigen dizolvat este determinată experimental pentru un sistem de aerare cu țevi perforate cu orificii de 2 mm.

În acest context este necesar să se răspundă unor probleme grave cu care se confruntă România și anume, să se găsească metode adecvate de epurare a apelor uzate. Astfel se analizează utilizarea tehnologiei Mobile Bed Biofilm Reactor (MBBR) în cadrul proceselor de epurare biologică, ținând seama ca aceasta este considerată în literatura de specialitate una dintre cele mai eficiente la nivel mondial.

Cele mai recente cercetări și tehnologii de epurare biologică se bazează pe fixarea biofilmului pe diferite medii. Astfel, o posibilitate o reprezintă suportul fix, care se află în permanență imersat în masa de apă. Cum sistemul este amplasat în masa de apă uzată este prevăzut un sistem de aerare de cele mai multe ori realizat din membrane elastomer care produc bule fine de aer cu ajutorul unei suflante. Un suport fix pentru biofilm este prezentat în figura 2.12. Discurile biologice sau biodiscurile, (fig. 2.13), sunt executate sub forma unor plăci circulare, din aluminiu, masă plastică poroasă etc. montate pe arborele antrenat în mișcare de rotație de la un motoreductor.

Acest pachet de discuri, 20…25 bucăți, este montat într-o carcasă care, la rândul ei, este amplasată în cuva exterioară. Pe arbore se pot monta mai multe pachete cu discuri. Pelicula biologică care se desprinde de pe discuri cade la baza bazinului, unde formează un strat de nămol. Cel mai avantajos sistem de susținere a biofilmului este reprezentat de sistemul mobil. Elemente de mici dimensiuni, realizate din materiale speciale cu densitatea apropiată de cea a apei, sunt imersate în bioreactoare. Elementele sunt menținute în suspensie și chiar amestecate cu ajutorul bulelor de aer. Acest tip de suport este cel mai eficient, deoarece nu se colmatează și spre deosebire de contactoarele rotative nu necesită consum suplimentar de energie. Suprafața specifică a elementelor mobile este foarte mare, la nivel mondial existând câteva modele de astfel de piese (fig. 2.14).

Suportul artificial mobil (SAM) trebuie să răspundă unor cerințe de bază impuse de tehnologie și de consumul de energie. Suportul artificial mobil utilizat în cadrul cercetărilor experimentale prezentate în actualul studiu este obținut prin tehnologii specifice prelucrării maselor plastice (injecție, extrudare etc.) și are o formă circulară fiind susținută în interior de 6 spițe (fig. 2.15).

Acestea conferă piesei de fixare a biofilmului o rezistență la deformare mai bună. În plus, spițele sporesc suprafața de expunere și fixare a micro-organismelor care formează biofilmul. Piesa de fixare a biofilmului este prevăzută cu aripioare fine pe partea exterioară care, propulsate de bulele de aer, induc o mișcare de revoluție a elementului în jurul axei generând astfel un efect de autocurățire, prevenind colmatarea. Densitatea specifică permite elementelor purtătoare să plutească liber “între ape”, iar datorită mișcării permanente de revoluție și a formei rotunde, să nu permită aderarea nămolului pe partea exterioară, fiind astfel un mediu necolmatabil și autocurățitor.

Avantajul incontestabil al elementelor mobile este reprezentat de marea suprafață specifică per unitate de volum oferită pentru dezvoltarea peliculei biologice. În figura 4 sunt prezentate elementele mobile din cadrul diferitelor aplicații. În prima poză se observă biofilmul dezvoltat în interiorul suportului. Următoarele două poze sunt realizate în momente diferite ale procesului de epurare, astfel în centru este cazul umplerii stației de epurare a apelor uzate (SEAU), unde suportul artificial nu este încă umezit.

În ultima poză se observă treapta biologică a stației de epurare a apelor uzate care se află în operare.

Oxigenarea apelor este un proces de transfer de masă a gazului în masa de lichid. El se poate utiliza în tratarea apelor în scopul deferizării sau demanganizării și în epurarea apelor la treapta biologică. Procesul se poate baza pe oxigenul din aer, pe aerul ozonizat sau direct pe oxigenul pur. Aerul se introduce cu ajutorul unei suflante într-un bioreactor ce conține suport artificial mobil.

Se dorește determinarea concentrației de oxigen din masa de apă uzată cu ajutorul modelărilor matematice și simulărilor numerice. Pentru construcția modelului matematic, se consideră ecuația generală a dispersiei:

unde εx, εy, εz reprezintă coeficienții de dispersie longitudinală, transversală și respectiv pe verticala curentului fluid, iar mărimile se consideră mediate [2].

Pentru determinarea concentrației de oxigen dizolvat în masa de apă s-au utilizat senzori de tip optic conectați la un controler ce permite stocarea valorilor înregistrate (oxigen dizolvat, temperatură, dată, oră) și transmiterea acestora către un calculator. Senzorul situat în capac este acoperit cu un material fluorescent ce este luminat de un LED. Substanța chimică fluorescentă devine instantaneu excitată și apoi, pe măsură ce aceasta se relaxează emite o lumină de culoare roșie. O soluție completă a acestei ecuații, la care trebuie să se atașeze și ecuațiile de mișcare și de continuitate, este imposibil de obținut din cauza dependenței coeficienților de dispersie de regimul de curgere, de natura, forma și dimensiunile particulelor dispersate, precum și de proprietățile fizice ale mediilor. Din acest motiv se apelează la modele simplificate.

Pentru simplificarea ecuației se consideră sistemul ortogonal cartezian Oxy în care ecuația de dispersie devine:

unde mărimile sunt mediate pe o durată de timp caracteristică.

In aceste figuri sunt prezentate câteva dintre simulările numerice realizate pentru procesul de oxigenare a apei. Analizând figurile b și d se observă foarte clar faptul că suportul artificial mobil ajută acest proces de oxigenare. Bulele de aer rezultate se ridică la suprafața apei, dar în drumul lor acestea întâlnesc SAM. Ca urmare bulele de aer se divid și datorită faptului că ocolesc SAM stau mai mult în masa de apă. În acest interval de timp are loc un mai bun transfer de masă al oxigenului din aer în masa de apă. Cu cât volumul de SAM introdus în masa de apă este mai mare cu atât bulele de aer formate ajung mai greu la suprafața liberă.

La creșterea concentrației de oxigen lumina roșie emisă de senzor este redusă și timpul necesar substanței fluorescente pentru revenirea la starea de relaxare este mult mai scurt.

Determinarea curbelor de oxigenare s-a realizat prin metoda regimului tranzitoriu la variația concentrației oxigenului dizolvat în masa de apă. Principiul metodei constă în măsurarea vitezei de oxigenare a apei curate începând de la un conținut nul de oxigen până la concentrația la saturație. Concentrația la zero a oxigenului s-a reglat prin adăugarea în exces a sulfitului de sodiu în prezența ionilor de cobalt, pentru consumarea oxigenului dizolvat din apa inițială. Excesul de sulfit de sodiu, maxim 10 – 20%, se consumă prin introducerea unei cantități de oxigen, considerând drep

moment inițial al determinărilor momentul premergător apariției primei cantități de oxigen dizolvat nereținut de sulfitul de sodiu.

S-a stabilit o valoare constantă a debitului de aer insuflat în bazin Qaer = 50 Nm3/h și au fost stabilite punctele de măsură din bazin. Au fost utilizați 2 senzori amplasați la adâncimi de imersie diferite astfel: primul senzor a fost amplasat în centrul bazinului la o distanță de 0,5 m față de radier și cel de-al doilea la 0,3 m. După stabilirea parametrilor de lucru instalația a fost lăsată să funcționeze 2 ore pentru a se ajunge la un regim hidraulic permanent apoi s-a început procesul de dezoxigenare prin adăugare de sulfit de sodiu și catalizator. S-a determinat concentrația oxigenului dizolvat la un interval de 20 secunde pentru 40 de minute. Pentru rezultatele experimentale obținute a fost reprezentată grafic variația concentrației de oxigen dizolvat în timp (figura 2.16).

S-au realizat 250 de măsurători pentru fiecare senzor de măsurare a concentrației de oxigen. Din analiza graficelor obținute se observă faptul că pentru cei 2 senzori s-au obținut valori foarte apropiate.

Se precizează faptul că senzorii au fost amplasați la adâncimi diferite și în diferite locații ale bazinului. După aproximativ 25 de minute în masa de apă s-a atins o valoare a concentrației de oxigen de 8 mg/l. Curba experimentală se apropie de curba descrisă în literatura de specialitate. Se observă că în prima parte, în primele 20 de minute concentrația oxigenului dizolvat în masa de apă crește rapid, iar după această perioadă se intră pe un palier aproximativ constant valorile măsurate tinzând către valoarea concentrației la saturație. Panta dreptei la curba de concentrație pentru intervalul 0,2 – 0,8 din concentrația la saturație ne oferă indicii asupra coeficientului global de transfer de masă.

Un al doilea set de măsurători a fost efectuat pentru apă curată, fără suport artificial mobil și un debit de aer insuflat în bazin Qaer = 100 Nm3/h și au fost stabilite punctele de măsură din bazin. Senzorii au fost amplasați la adâncimi de imersie diferite, la fel ca la primul set de măsurători. Setul de măsurători a fost efectuat în aceleași condiții ca și primul, s-au respectat aceleași etape. S-au realizat 232 de măsurători pentru fiecare senzor de măsurare a concentrației de oxigen.

Pentru rezultatele experimentale obținute a fost reprezentată grafic variația concentrației de oxigen dizolvat în timp (figura 2.17). Ca și în cazul primului set de măsurători s-a constatat faptul că se obține o curbă similară cu cea din literatura de specialitate. Senzorul al doilea, fiind situat mai aproape de baza bazinului, a înregistrat valori ale oxigenului dizolvat mai reduse față de primul senzor, care a fost amplasat mai sus.

În continuare s-a căutat să se identifice ce se întâmplă în cazul în care se introduce SAM în bazin. A fost introdus un volum de SAM echivalent cu 50% din volumul total al bazinului. În acest caz a fost utilizat doar un senzor de măsură a nivelului de oxigen dizolvat, deoarece nu s-a cunoscut dacă ciocnirea dintre SAM și senzor va afecta echipamentul de măsură. Măsurătorile au fost efectuate pentru un debit de aer insuflat de 75 m3/h. Măsurătorile s-au efectuat pe o perioadă de 45 de minute. În figura 2.18 se prezintă curba de oxigenare obținută.

Pentru a putea trage concluzii asupra eficienței aerării cu SAM raportat la cazul în care se testează sistemul de aerare doar cu apă s-a realizat graficul comparativ prezentat în figura 12. Din analiza graficului reiese faptul că în condițiile introducerii SAM în bazin concentrația de oxigen dizolvat în masa de apă crește (aceeași concluzie a rezultat și din urma realizării simulărilor numerice prezentate în cadrul capitolului anterior).

Graficul obținut pentru cazul cu SAM și un debit de 75 m3/h este similar cazului fără SAM, dar cu un debit insuflat mai mare, de 100 m3/h. Aceste rezultate arată faptul că introducerea SAM în bazin conduce la creșterea timpului de ridicare la suprafață a bulelor de aer și transferul de masă al oxigenului din aer în masa de apă este mai eficient.

CAPITOLUL 3

CONCLUZII

Această tehnologie, de epurare biologică cu suport artificial mobil pentru susținerea biofilmului, poate fi implementată cu succes pe stațiile de epurare a apelor uzate și industriale.

Prin utilizarea suportului artificial mobil se dispune de o mare suprafață specifică unității de volum pentru formarea peliculei biologice. În acest mod o instalație cu un volum mic are capacitatea de a prelucra încărcări organice mari.

Elementele purtătoare pot avea diferite forme și mărimi. Acest aspect oferă o flexibilitate în ceea ce privește utilizarea acestei tehnologii pentru diferite încărcări ale apei, pentru diferite dimensiuni ale bazinelor etc.

Avantajele folosirii suportului mobil sunt următoarele:

Suprafață ocupată minimă;

Funcționare complet automată;

Construcție modulară;

Suport garantat până la 20 ani;

Adaptabilitate la șocuri de sarcină;

Produce extrem de puțin nămol;

Investiții reduse;

Forță de muncă minimă;

Instalare rapidă și facilă;

Performanță constantă;

Corespunde standardelor Uniunii Europene;

Reduce costurile de operare;

Poate fi folosită în aproape orice fel de bazin (formă și mărime);

Metodă de creștere a eficienței unei SEAU existente;

În concluzie, datorită faptului că această tehnologie îndeplinește condiția utilizării unor spații reduse precum și datorită numeroaselor avantaje, enumerate mai sus, se recomandă utilizarea acesteia în procesele de tratare a apei uzate. Simulările matematice realizate au condus la rezultate asemănătoare cu cele obținute prin cercetări experimentale. Modelele matematice care au stat la baza simulărilor numerice pot fi utilizate și în cadrul altor situații, pentru alte geometrii de bazine sau alte configurații ale sistemului de aerare.

REFERINȚE BIBLIOGRAFICE

[1] Daniela Cîrtîană, Epurarea apelor uzate

[2] Diana Robescu, Felix Stroe, Aurel Presura, Dan Robescu – Tehnici de epurare a apelor uzate, Editura Tehnica, București, 2011, Epurarea fizică a apelor uzate

[3] Gabriela Cristina Simion, Monitorizarea si controlul factorilor de mediu

[4] Dan Robescu, Diana Robescu, Tehnologii si echipamente pentru epurarea apei

[5] *** http://www.upg-ploiesti.ro/fisiere/1669/apa_poluare_depoluare.pdf

[6] ***www.google.ro/images

[7] Cristina Jilavu, Proiect: Epurarea mecanică a apei

[8]***http://www.adiss.ro/ro/produse/echipamente-de-proces-137/sedimentare-in-decantoare/adirac-rss-pod-raclor-cu-suctiune-radial-decantoare-circulare

[9] Dan Robescu ,Instalații de depoluare a apei si aerului

[10] 61200290-Licenta-Huluta-Vasile

[11] 58469707-Lucrare-Licenta-Epurarea-Apelor-Uzate-Menajere

[12] STAS 4162/2-89, Decantoare secundare, Prescripții de proiectare

[13]Dr. Ing.Mircea Gh. Niculescu, epurarea apelor uzate industriale

[14] Victor Viorel Safta,Universitatea Politehnica Bucuresti, Note de curs – „Sisteme de depoluare”

[15] Victor Viorel Safta, Magdalena Laura Toma, „Elemente de proiectare a echipamentelor si instalatiilor din treapta mecanica a statiilor de epurare a apelor uzate”

[16] http://www.ispe.ro/wp-content/uploads/nano2/buletin/nr1_2012.pdf