266

6. UTILAJE ȘI INSTALAȚII PENTRU EPURAREA APEI 6.1. Stații de epurare a apei

Epurarea biologică a apelor menajere și industriale uzate are o vechime de circa 100 ani, însă aplicarea ei pe baze științifice și pe scară relativ largă este mult mai apropiată de zilele noastre (după anul 1950). Deși diferă prin dimensiuni și tehnologii folosite, cea mai mare parte a stațiilor de epurare a apelor uzate menajere au o schemă constructivă apropiată. Există și unele realizate pe verticală, tip turn, dar majoritatea sunt pe orizontală. Ocupă relativ mult teren, dar o parte din instalații se pot realiza în subteran, cu spații verzi deasupra.

Figura 6.1. Schema unei stații compacte de epurare

Încărcată cu materii biodegradabile, apa reziduală necesită un tratament biologic, unde bacteriile consumă materia organică în prezența oxigenului introdus de aeratoare. În momentul în care apa uzată întâlnește o suprafață de contact, la interferența dintre aceasta și apa uzată se dezvoltă bacterii și alte numeroase microorganisme. Acestea dau naștere imediat la membrane sau pojghițe (la filtrele biologice, la câmpurile de irigare și filtrare etc.) și la flocoane biologice (în bazinele cu nămol activ), care abundă în organisme unicelulare sau complexe, constituind așa-numita biomasă. Biomasa are mare putere de transformare a materiilor solide din apa uzată aflate sub diferite forme - suspensie, coloidale, dizolvate.

Deoarece epurarea biologică este un fenomen de suprafață, realizarea acesteia este în funcție de suprafața de contact. Suprafața flocoanelor care se formează în bazinele cu nămol activ este evaluată la 1600 m2 / m3 de volum de bazin de aerare. În cazul filtrelor biologice, mărimea peliculei poate atinge 400÷80.000 m2/m3 (800-1100 m2/m3 la filtrele imersate cu suport mobil, 200-80.000 m2/m3 la filtrele imersate cu suport fix și 150-700 la filtrele umede). Formarea și menținerea flocoanelor și peliculelor biologice se realizează prin oxigenarea (aerarea) apei sau ventilație în treptele biologice aerobe și fără oxigenare în treptele anoxice sau anaerobe.

Dacă pentru apele menajere este suficientă o singură treaptă de epurare biologică, apele industriale, cu încărcări de 3 până la 7 ori mai mari, necesită două sau mai multe trepte biologice. Acestea pot fi realizate prin utilizarea combinată a filtrelor biologice,

267

care pot trata debite mari de apă fără a se colmata, producând cantități mici de nămol (de până la 10 ori mai reduse decât în tehnologia cu nămol activ).

Apariția și dezvoltarea firmelor private mici și mijlocii, industriale și de turism, construite în zone rurale, fără canalizare și unde nu există stații de epurare comunale a crescut cererea de instalații și stații compacte de epurare a apelor uzate, cu autonomie mare de funcționare. Acestea nu se fabrică în țară și sunt importate de la firme producătoare din Belgia, Cehia, Elveția, Germania, Italia, Ungaria etc.

Figura 6.2. Microstații modulare

a - de 150 LE firma Omnia Resina Mazzotti, b - de 28-55 LE tip AS-NIKKOL

Figura 6.3. Microstație de epurare biologică din materiale plastice BIO

CLEANER cu capacitatea de 30-45 LE

S-a constatat că în stațiile de epurare care funcționează pe baza tehnologiilor de epurare convenționale cu nămol activ, în treptele de epurare biologică, rezultă cantități mari de nămol în exces care trebuie vidanjat des sau care necesită linii tehnologice de îngroșare, condiționare, deshidratare și mineralizare. Acestea măresc costurile echipamentelor, a apei epurate, măresc volumele stațiilor, micșorează fiabilitatea și mentenabilitatea și presupun personal specializat, dublând sau triplând costurile stațiilor mici și ale microstațiilor. Din aceste considerente, apare ca necesară realizarea în țară de tehnici de epurare performante, prin folosirea tehnologiilor de vârf în procesul de epurare biologică a apei, care să ducă la reducerea suprafețelor active, la reducerea dimensiunilor stațiilor de epurare și a cantității nămolului format și la micșorarea consumurilor energetice.

Stațiile de epurare compacte sunt echipamente pentru epurarea apelor uzate

268

menajere provenite de la comunități de 5-500 LE (locuitori echivalenți). Sistemele își găsesc aplicabilitatea oriunde nu există rețea de canalizare sau costurile de racordare la canalizare sunt prea ridicate. Epurează mecano-biologic apa uzată provenită de la: case, vile sau cartiere de vile, hoteluri, restaurante, campinguri, școli, unități militare, clădiri administrative ale unităților comerciale, industriale și ale fermelor.

Apele epurate de sistem pot fi deversate în orice emisar (pârău, râu, lac etc.) deoarece se încadrează în normele europene și în normele naționale. Ele reprezintă cea mai modernă și eficientă soluție de protecție a apelor freatice și de suprafață. Prin epurarea imediată și nu doar stocarea lor într-un bazin prin care se pot infiltra în sol (este cazul foselor septice), se înlătură pericolul contaminării pânzei freatice cât și a mediului ambiant în general.

Prin eliminarea necesității de a vidanja săptămânal sau lunar (este cazul foselor septice, în funcție de încărcare), microstațiile de epurare aduc beneficiarilor economii importante. Ele sunt construcții compacte din materiale rezistente, cu deosebite proprietăți fizico-chimice.

Se utilizează materiale compozite, materiale plastice armate, care prezintă o foarte bună rezistență fizico-chimică în timp și nu își modifică proprietățile la variațiile de temperatură. Materialele compozite reprezintă o alternativă solidă la materialele tradiționale precum oțelul, betonul sau polietilena. Acestea din urmă pot rugini, fisura, sparge sau dezlipi și facilitează apariția de depuneri pe pereții interiori ai bazinelor care în timp duc la dereglarea proceselor de epurare cât și la colmatarea conductelor.

Materialele compozite și materialele plastice în schimb, sunt cu mult mai stabile și rezistente, nu facilitează depunerile pe interior, nu sunt corodate de sol și nu necesită întreținere specială. Se elimină pericolul contaminării pânzei freatice prin infiltrarea dejecțiilor prin pereții sau radierul foselor septice. Rezervorul se instalează direct în sol, fără a mai necesita construcții suplimentare. Suprafața ocupată este minimă și este în funcție de spațiul disponibil. Costurile de exploatare sunt minime și se compun din costul energiei electrice consumate și cel al vidanjării anuale. Consumurile de electricitate variază între 0,3 kW/h pentru stația de 5 LE și 8 kW/h pentru cea de 500 LE comparativ cu fosele septice la care operația de vidanjare trebuie efectuată săptămânal, microstațiile de epurare, prin procesul biologic de epurare utilizat, necesită doar vidanjare anuală.

Motivul constă în faptul că tehnologia de epurare este mecano-biologică și nu necesită adaos de substanțe chimice; microorganismele care se dezvoltă în stație hrănindu-se cu materiile organice prezente în apa uzată menajeră.

Apa care iese din stație este perfect clară și inodoră, fără depuneri sau suspensii și nu degajă mirosuri neplăcute. Funcționarea stației nu necesită supraveghere ci doar o inspecție periodică de rutină. Pot fi instalate fără restricții în curți, în vecinătatea clădirilor sau chiar în subsolul acestora.

Folosirea de tehnologii avansate și echipamente performante în instalațiile de tratare și epurare a apelor duce la protecția bazinelor hidrografice, un domeniu tot mai important în asigurarea cantitativă și calitativă a hranei populației, o prioritate în plan național și internațional. În acest sens se înscriu și preocupările noastre de a realiza echipamente cât mai eficiente pentru epurarea apei uzate, pentru păstrarea nealterată a râurilor – sursa de bază a apei potabile din aglomerările urbane.

269

6.2. Metode de epurare biologică a apei

În funcție de elementele poluante din apele uzate se pot adopta următoarele metode de purificare : a) epurarea biologică cu nămoluri active; b) epurarea, biologică în instalații cu filme biologice fixate pe suport inert; c) epurarea biologica prin nitrificarea și denitrificarea formelor de azot; d) epurare (fermentarea) metanică. În cazul epurării biologice cu nămol activ impuritățile din influent (apă cu impurități organice, dizolvate și / sau dispersate coloidal) dintr-un bazin de aerare (figura 6.4.), vin în contact cu o cultură mixtă de microorganisme (nămol activ), care consumă impuritățile biodegradabile. Apa epurată și nămolul activ trec apoi în bazinul de decantare, unde nămolul se depune prin sedimentare. O parte din nămolul activ este reintrodus în bazinul do aerare, în care se menține o concentrație aproximativ constantă de nămol, iar nămolul excedentar este evacuat.

Figura 6.4. Schema procesului de epurare cu nămol activ

1 – bazin de aerare; 2 – bazin decantor. C - concentrația substratului (impurități organice) în influent (concentrația finală),

respectiv în bazinul de aerare; X0 – concentrația microorganismelor în influent; X, Xe Xr, – concentrația nămolului activ: în bazinul de aerare, în efluent și în fluxul

recirculat; Q, Qw – debitul de influent și al nămolului excedentar; q – debitul de nămol recirculat; V – volumul bazinului.

În funcție de procesul tehnologic adoptat în practica industrială se întâlnesc sunătoarele variante de epurare biologică cu nămol activ: - fără recirculare; - cu aerare extinsă; - în condiții de alimentare discontinuă.

În epurarea cu nămol activ instalația de aer are este vitală pentru dezvoltarea microorganismelor, procesul având loc doar în prezența oxigenului (proces de oxidare biologică). Cantitatea de oxigen necesară depinde de concentrația conjugată a impurităților și microorganismelor. Variantele de oxigenare a unei instalații de epurare sunt: utilizarea aerului atmosferic, a oxigenului pur sau a aerului îmbogățit cu oxigen. Firește soluția cea mai economică și care este mai des folosită industrial, este introducerea aerului atmosferic, care se poate face în trei moduri: insuflarea de aer comprimat, utilizarea de aeratoare de suprafață și combinat. Aerarea are dublu rol, pe lângă asigurarea oxigenului necesar supraviețuirii microorganismelor, aerul introdus trebuie să realizeze un anumit grad de turbulență, ca să asigure contactul continuu dintre

270

stratul de microorganisme și stratul de impurități din apă. Eficiența unei instalații de aerare este dată de cantitatea de oxigen introdus în apă raportată la puterea consumată. Epurarea biologică în instalații cu filme biologice fixate pe suport inert se folosește pentru cazurile când apa uzată este trecută, la începutul procesului de epurare printr-un filtru, stratul de impurități (filmul) depus pe elementele active poate fi curățat prin introducerea de microorganisme pe filmele formate în utilaj. Aceste tipuri de filtre, datorită intervenției microorganismelor, se numesc biofiltre sau biodiscuri. Datorită faptului că filmul este de grosime redusă nu toată populația de microorganisme participă la procesul de biodegradare, ci numai o parte din această populație, care se află în apropierea filmului. Schemele instalațiilor de epurare cu biofiltru și cu biodiscuri sunt prezentate în figura 6.5.

Figura 6.5. Schemele instalațiilor cu biofiltru (a) și biodiscuri (b)

1 – biofiltru; 2 – decantor; 3 – pompă.

Apele menajere (din gospodăriile umane) și apele industriale uzate conțin pe lângă substanțe organice și diferite combinații anorganice ale azotului. Există două căi de abordare a problemei epurării apelor de azotiți: apele menajere la care această epurare se face prin nitrificare și apele industriale, cu conținut ridicat de azot, în care caz nitrificarea trebuie urmată de denitrificare. Instalațiile de epurare cu nămol activ, care pot efectua și operații de nitrificare sunt de două tipuri: instalații într-o singură fază, în care cele două procese (nitrificarea și evacuarea substanțelor organice) se desfășoară în același bazin (figura 6.6., a), respectiv instalații în care cele două procese se desfășoară separat (figura 6.6., b). Sistemul cu desfășurarea ambelor procese într-un singur bazin dă rezultate bune și costul instalației este mai redus. Cel de al doilea sistem are avantajul că protejează mai bine bacteriile nitrifiante, deoarece unele substanțe organice pot fi toxice pentru acest gen de bacterii.

Procesul de denitrificare constituie treapta a treia de epurare (după îndepărtarea substanțelor organice și nitrificare. O variantă a procesului de denitrificare a fost obținută

271

prin crearea unei zone de denitrificare în instalația de epurare cu nămol activ. Însă cele mai eficiente s-au dovedit instalațiile separate, care constituie o a treia treaptă de epurare. Firește că, n acest ultim caz, costul total al instalației este mai ridicat. Dintre tipurile de instalații de denitrificare sunt prezentate cele două din figura 6.7.

Figura 6.6. Instalații de epurare biologică cu nitrificare a) instalație cu nitrificare și evacuarea substanțelor în același bazin;

b) instalație cu nitrificare și evacuarea în bazine separate. DP – decantor primar, DS – decantor secundar, N – bazin de nitrificare,

C – bazin de evacuarea substanțelor organice; a – aer, n.ex. – nămol în exces, n.r. – nămol recirculat, n.p. – nămol primar.

Figura 6.7. Schema instalației de denitrificare

a) biofiltru expandat (epurare terțiară): 1 – valvă automată de control; 2 – debitmetru magnetic; 3 – strat de pietriș; 4 – strat de nisip conținând bacterii nitrifiante;

b) reactor cu nămol activ cu alimentare ascendentă: 1 – strat de pietriș; 2 – nivelul nămolului; 3 – separator de gaz, azot lichid; 4 – agitator; 5 – vas colector pentru azot(N2)

Nisipul în primul caz și nămolul activ în al doilea caz sunt menținute în suspensie datorită vitezei de intrare controlată, a metanului (valva e comandată de debitmetru) în primul caz și a influentului în cazul al doilea. Plutirea liberă a particulelor în mediu oferă o suprafață mai mare pentru dezvoltarea biomasei. În afară de nisip, drept suport pentru creșterea bacteriană se mai poate folosi cărbune activ, antracit etc. Pentru evitarea colmatării suportului se scoate parțial din el, prin efluent se curăță în afara aparatului și se

272

introduce în utilaj sau se spală periodic cu debit ascendent de efluent și jet de aer. Operația de fermentare metanică, aplicată reziduurilor separate în decantările primare și secundare din apele uzate menajere și industriale, a reziduurilor din crescătoriile de animale, a reziduurilor din industria alimentară etc. Aceste reziduuri printr-o reacție de oxidare dau naștere bioxidului de carbon (CO2), iar în continuare printr-o reacție de reducere se obține metanul (CH4), așa numitul biogaz (deși acest termen poate fi folosit pentru orice reacție de metabolism, CO2, O2, H2S etc.). Procesul se desfășoară în două etape, în prima în care nu apare metan și în care substanțele organice, supuse procesului biochimic, se transformă în acizi grași inferiori și a doua etapă în care acizii rezultați în prima etapă sunt transformați în metan și bioxid de carbon. Fiecare din cele două stadii este realizat de o altă populație de bacterii. Procesele chimice pentru obținerea fermentației metanice sunt prezentate schematic în figura 6.8. Acest combustibil neconvențional (metanul) are capacitatea calorică de 5000 ... 6000 kcal/m3.

Figura 6.8. Schema etapelor de transformare chimică în fermentare metanică 1 - hidroliza substanțelor organice; 2 - fermentația aminoacizilor și a glucidelor; 3 - oxidarea anaerobă a acizilor grași și a alcoolilor; 4 - oxidarea anaerobă a produșilor

intermediari (mai puțin acetatul); 5 - bioconversia acetatului la metan; 6 - bioconversia hidrogenului la metan.

Instalațiile de epurare metanică sunt de două tipuri: instalații de tip convențional (figura 6.9. a), care sunt utile pentru reziduuri mai solide și instalații de tip contact (figura 6.9. b) folosite pentru reziduuri mai diluate.

273

Figura 6.9. Scheme de instalații de epurare (fermentație) metanică

a) procesul anaerob convențional; b) procesul anaerob de contact

În instalația convențională alimentarea poate fi continuă (în instalații mari) sau discontinuă (în instalații mici). În instalațiile convenționale mari reactorul poate fi încălzit, în cele mici se lucrează cel mai des fără încălzire. În instalațiile de contact, din cauza aderării gazelor la nămol (biomasă), acesta sedimentează mai greu, ceea ce obligă la introducerea unor sisteme care să permită separarea apei de nămol. Randamentul energetic (energie recuperată prin gazul combustibil / energie consumată pentru încălzire și agitare) în instalații mici, folosind reziduuri animale, este pozitiv. Tot bilanț pozitiv se obține și în cazul instalațiilor mari proiectate corect. Pentru îmbunătățirea performanțelor unor astfel de instalații cercetările continuă, existând multe aspecte neclare în modul de desfășurare a procesului de fermentație metanică. În epurarea biochimică diversele elemente componente care degradează calitatea apei nu dispar, ci ele sunt numai transformate în elemente neutre, care nu mai sunt nocive pentru flora și fauna acvatică. Pentru separarea acestor elemente în suspensie operația cea mai simplă și economică, deci și cea mai folosită practic, este operația de sedimentare, care poate fi definită ca depunerea componentelor solide sub efectul greutății proprii. Din păcate, spre deosebire de alte operații (filtrare, centrifugare etc.), acest mod de separare se desfășoară într-o perioadă de timp mult mai mare (cu atât mai mare cu cât particulele sunt mai mici, deci mai ușoare). În bazinele de sedimentare particulele se pot depune independent (sedimentarea particulelor individuale) sau prin atracție electrostatică, și se transformă în flocoane. Firește în cazul deplasării particulelor individuale, rezistența întâmpinată din partea lichidului este mult mai redusă decât în cazul flocoanelor asociate sub formă de straturi. Modul de sedimentare a particulelor în flocoane depinde de concentrația lor în fluid : a) la o concentrație redusa, de ordinul sutelor de miligrame / litru flocoanele se depun independent. S-au asociat un număr de particule și se depun separat; b) la o concentrație medie, de ordinul miilor de miligrame / litru flocoanele primare se asociază la rândul lor formând flacoane de dimensiuni mari care se depun; c) în cazul concentrațiilor mai mari flocoanele se unesc între ele, eventual formând mai multe etaje de asemenea asociații și pe măsură ce se depun straturile inferioare, sunt tasate de cele superioare.

274

6.3. Decantoare

Decantorul dreptunghiular este un bazin cu fundul înclinat (figura 6.10.), prevăzut cu o cameră de distribuție, cu vană sau stăvilar pentru evacuarea apei, iar în capătul opus un prag deversor pentru trecerea apei epurate în camera de evacuare. Camera de distribuție este prevăzută cu un perete cu orificii pentru repartizarea apei cât mai uniform pe lățimea bazinului. Fundul înclinat al bazinului este prevăzut cu un canal colector pentru nămol. Un dispozitiv mecanic raclează continuu fundul bazinului și dirijează nămolul către canalul de colectare.

Figura 6.10. Decantor cu îndepărtare mecanică a nămolului

1 - intrarea apei poluate; 2 - cameră de distribuție; 3 - perete pentru repartizarea uniformă a apei; 4 - baraj deversor; 5 - cameră pentru colectarea apei decantate; 6 - spațiu pentru

colectarea nămolului; 7 - mecanism de curățire a nămolului(cu raclete).

Figura 6.11. Decantor circular cu brațe 1 - conductă de alimentare cu apă poluată;

2 - sistem de distribuție; 3 - canal circular de evacuare a apei epurate;

4 - brațe cu raclete; 5 - conductă cu evacuarea nămolului;

6 — pasarelă de acces; 7 - sistemul de acționare;

8 - dispozitiv pentru ridicarea brațelor; 9 - canal colector pentru nămol.

Decantoarele circulare cu agitator cu brațe sunt bazine cilindrice având înălțime mică și fundul ușor înclinat spre centrul aparatului (figura 6.11.). Un braț acționat mecanic, având o turație foarte mică, prevăzut cu două sau patru brațe cu raclete orientate către centru, pentru colectarea nămolului. Apa poluată este introdusă într-un mic rezervor central, de unde, prin deversare se îndreaptă către marginea bazinului. Pe drumul parcurs de la centru spre periferie apa pierde particulele în suspensie, după care, prin deversare, se evacuează într-un canal circular și de aici, după caz, întră în alte utilaje de epurare sau este evacuată în ape curgătoare sau este recirculată în instalațiile industriale. Nămolul se adună în canalul central, de unde periodic, este evacuate. Trebuie menționat că și filtrele lente au un efect sterilizator bazat pe o membrană biologică, formată deasupra stratului filtrant.

275

6.4. Panoul hidraulic (sita de tip Coandă)

Este un utilaj având principiul de funcționare bazat pe efectul de alipire a stratului de lichid la profilul metalic curb în lungul căruia se scurge - efectul Coandă. Panoul de tip simplu (figura 6.12., a) sau dublu (figura 6.12., b) este realizat din tablă de oțel inoxidabil prevăzut cu fante ondulate (ca în detaliu), elementul de tablă fiind dispus înclinat, în plan vertical. La partea superioară a panoului, unde intră apa uzată, prin deversare peste marginea superioară a panoului, există un prag (umăr) pentru reglarea grosimii stratului de lichid ce se scurge în lungul panoului. În alveola de intrare a apei se poate face o neutralizare chimică dacă este cazul.

Figura 6.12. Panoul hidraulic

a) simplu; b) dublu.

Lichidul scurs prin fantele panoului, curățat de componentele solide, se evacuează la canal, de unde poate fi preluat de alt utilaj care să continue epurarea. Stratul de particule solide alunecă în lungul panoului și se evacuează într-un canal, care este prevăzut pe fund, cu un material filtrant, prin care se elimină resturile de lichid rămase încă în stratul de particule solide. O variantă a panoului are dimensiunile de 1,8 m (lățime) și 1,37 m (lungime) mărimea punților dintre fante având 1,5 mm. Înclinarea panourilor față de orizontală poate fi de 25°, 35° sau 45°. În funcție de dimensiunile panourilor și de unghiul de înclinare al lor, debitul este cuprins intre 3785 și 5677 m3/zi. Panourile pot fi montate în baterii și pot funcționa ca instalații mobile. Pot lucra de asemenea în instalații complexe, cuprinzând și alte utilaje de epurare a apei, ca și spații de depozitare și utilaje de prelucrare sau ardere a componentului solid.

O altă variantă o constituie sita realizată din bare alăturate, având trei porțiuni cu înclinare diferită (figura 6.13.). Fantele dintre bare pot avea mărimea cuprinsă între 1,25 mm și 2,5 mm. Viteza de intrare a apei poluate pe sită (în funcție de debitul de alimentare) este cuprinsă între 1,2 și 1,4 m/s. Din cauza înclinării sitei, apa poluată capătă o accelerație cu valoare ridicată. Firește că în acest caz elementele constructive sunt din

276

oțel inoxidabil. Debitul este cuprins între 50 și 150 m3/h pentru 1m de lungime a grătarului, asigurând reducerea suspensiilor cu 30 ... 35 %.

Figura 6.13. Sită tip Coandă, din bare alăturate

a) Schema instalației: 1 - carcasă; 2 – racord admisie apă poluată; 3 - sită din bare profilate; 4 - evacuare apă epurată; 5 - evacuare nămol;

b) Schema de principiu pentru separarea prin efect Coandă. 6.5. Presa cu sită bandă

Instalația este destinată epurării apelor menajere. Nămolul este introdus pe panoul 1 (figura 6.14.) de unde se scurge pe banda 2, realizată din sită împletită din sârmă de oțel inoxidabil. Banda este antrenată în mișcare de tamburul (toba) 3. Deasupra benzii din sită există o a doua bandă 4, din cauciuc cu inserție, care realizează presarea nămolului, datorita micșorării treptate a spațiului dintre cele două benzi. În zona rolelor 5, datorită schimbărilor de direcție impuse se ajunge să se inducă în material un efect de forfecare. Banda este antrenată de tamburul (toba) 6.

Figura 6.14. Presa cu sită bandă

Procesul de stoarcere a nămolului începe de la pătrunderea lui pe bandă. În zona I are loc o scurgere liberă a lichidului dintre particulele solide. În zona a II-a apare o presare a materialului, datorită reducerii spațiului dintre benzi și are loc o continuare a

277

eliminării lichidului din amestec. În ultima zonă, a III-a, datorită forfecarii se elimină o mare parte din lichidul rămas. În această ultimă zonă, particulele lipite între ele sunt separate și lichidul rămas liber se scurge. Materialul destui de bine presat părăsește utilajul sub formă de bandă continuă, deplasându-se pe panoul 7, unde este porționat cu ajutorul unui cuțit. Aceste calupuri pot fi arse sau pot fi folosite. De exemplu o firma de construcții a învelit acest calupuri cu ciment și le-a folosit ca material de construcție.

6.6. Filtre Filtrele ca și centrifugele, sunt utilajele care realizează cea mai bună separare a celor două faze (lichid și particule solide). În funcție de tipul suprafeței filtrante se poate ajunge la un grad foarte ridicat de puritate pentru lichidul supus operației de filtrare. Se folosesc filtre cu straturi granulare (pietriș, nisip), filtre cu suprafețe filtrante poroase (pulberi sintetizate, materiale ceramice) și filtre cu suprafețe filtrante dis țesături (metalică, material plastic, combinat). Spre deosebire de celelalte două operații de separare (sedimentarea și centrifugarea) filtrarea nu este condiționată de diferența de densitate dintre cele două faze ale amestecului. Operația de filtrare poate fi împărțită în patru etape : a) reținerea fazei solide de stratul filtrant (filtratul este încă tulbure); b) reținerea în continuare a fazei solide de către stratul de precipitat, deja depus; c) spălarea precipitatului (dacă este cazul); d) regenerarea suprafeței filtrante (îndepărtarea precipitatului și destuparea porilor). În prima fază a filtrării se depun în principal particulele mari, care depășesc mărimea porilor suprafeței filtrante, în faza a doua când în mare parte particulele mari sunt deja depuse, se continuă procesul cu depunerea particulelor fine pe stratul de precipitat. Acest mod natural de desfășurare a procesului permite reținerea și a particulelor mai mici decât mărimea porilor pânzei filtrante și care în mod normal ar trece prin pânză. Figura 6.15. Suport pentru stratul filtrant

1 - pereții bazinului (ciment); 2 - fante; 3 – pietriș.

În funcție de viteza de trecere a apei prin filtru există filtre lente (viteza apei este de 0,1 … 0,5 m/h) și filtre rapide (2,0... .5,0 m /h și în mod excepțional 25 .... 100 m/h). Filtrele lente sunt realizate dintr-un suport pentru stratul filtrant (figura 6.15.), depus în bazine de formă cilindrică sau paralelipipedică. Stratul suport este format din pietriș, cu granulația (8...10) mm, consolidat cu lapte de ciment (care să nu obtureze spațiile dintre pietre). Stratul filtrant (gros de 0,6.... 1,2 m) este realizat din nisip fin (granulația 0,5 ... l,0 mm). La punerea în funcțiune apa circulă de jos în sus prin filtru pentru îndepărtarea aerului dintre straturile de nisip, după care se trece la exploatarea normală, cu apa curgând de sus în jos. Înălțimea stratului de apă se menține la o valoare de cca. 1 m. În perioada de început (10 ... 12 ore) apa este tulbure, după care se limpezește datorită

278

formări, la suprafața stratului filtrant, a unei membrane biologice care reține chiar și bacteriile din apă. În funcție de gradul de poluare al apei, filtrul se colmatează într-o perioadă de 2 ... 6 luni de funcționare. După oprirea filtrului, într-o primă perioadă curățirea se face prin îndepărtarea stratului de nămol împreună cu o parte din stratul de nisip ( 20 ... 30 mm grosime), după care se repornește filtru. După mai multe astfel de curățări, când colmatarea a pătruns în adâncime, se schimbă complet stratul filtrant (nisip) sau se recurge la spălarea nisipului și reintroducerea din nou în lucru. La acest tip de filtru construcția și întreținerea curentă sunt simple, dar manopera și cantitatea de apă pentru decolmatarea stratului filtrant îi restrâng aria de folosire. Filtrele rapide folosesc nisip cu granulație mai mare și permit viteze sensibil mai mari de circulație a apei, deci debit ridicat de apă epurată, însă acest avantaj implică și un dezavantaj, lipsa peliculei biologice sterilizatoare. Construcția filtrelor rapide (figura 6.16.) este asemănătoare cu a celor lente. Bazinele de filtrare sunt formate dintr-un strat de susținere (pietriș) și un strat filtrant (nisip). Apa epurată este colectată de un sistem de drenaj (figura 6.16.), sau la unele tipuri de filtre, la care fundul aparatului este construit dintr-o placă poroasă, apa se adună într-un bazin de sub această placă poroasă. Sistemul de drenaj poate fi format dintr-o rețea de țevi (figura 6.16., a), elemente metalice speciale (ca niște duze), numite crepine (figura 6.16., b) plasate pe fundul aparatului, elemente din profil cornier (figura 6.16., c) fixate tot pe fundul aparatului, sau placa poroasă, de care s-a discutat (figura 6.16., d). Curățirea filtrului se face prin introducerea apei sub presiune, de jos în sus, însoțită de insuflare de aer, acesta din urmă având rolul de afânare a nisipului. Trebuie menționat că un strat filtrant de calitate superioară pentru filtrarea apei, este antracitul, însă acest material este sensibil mai scump decât nisipul. Folosirea filtrelor de construcție complexă, care necesită o investiție și întreținere costisitoare și un consum de energie însemnat, se dovedesc neeconomice pentru domeniul epurării apelor. În această categorie intră filtrele cu vid (filtre nuce, filtre cu tambur cu sau fără celule, filtre cu bandă) sau de alte tipuri (filtre cu discuri, filtre presă, filtre cu plăci) etc. În situația când este necesară obținerea apei de înaltă puritate se recurge la operația de centrifugare. Deși în acest caz costul utilajului este ridicat, totuși capacitatea mult mai mare de epurare și debitul sensibil superior face ca acest tip utilaj să fie preferat, față de filtrele de construcție mai simplă. Mai sunt de semnalat filtrele cu cartuș filtrant de hârtie (ca de exemplu filtrul Aquator Buzău) pentru epurarea apei de băut, în gospodării individuale, dar ele au un debit foarte redus.

279

Figura 6.16. Sisteme de drenaj pentru filtre rapide

6.7. Centrifuge

Separarea prin decantare a unui lichid eterogen, pentru debite mari, necesită, pe

lângă utilaje de dimensiuni mari, care ocupă un spațiu industrial însemnat și un timp de retenție al amestecului îndelungat pentru desfășurarea operației. Într-un cuvânt această metodă de separare, la debite mari, devine neeconomică. Viteza de sedimentare poate fi mărită prin modificarea constantelor fizice ale particulei, respectiv coagularea sau încălzirea lichidului, ceea ce nu reprezintă soluții economice și în plus în multe cazuri nu pot fi aplicate (se poate ajunge la degradarea materialului). Din aceste motive operația cea mai eficientă este centrifugarea, în care caz, deși investiția inițială este ridicată, totuși timpul de separare foarte redus și randamentul mult superior operațiilor de decantare sau filtrare, justifică în final folosirea acestor utilaje.

În domeniul epurării apelor se utilizează centrifugele de sedimentare orizontale,

280

cu descărcare cu melc, centrifugele de sedimentare pe trei coloane, centrifugele filtrante cu platou pulsator și centrifugele cu talere.

Figura 6.17. Centrifugă de sedimentare cu melc

1 - orificii pentru descărcarea sedimentului (descărcare radială); 2 - arbore tubular; 3 - carcasă; 4 - orificii pentru alimentare cu suspensie; 5 - tambur; 6 - melc;

7 - conductă de alimentare cu suspensie; 8 - orificii pentru evacuarea lichidului; 9 - conductă pentru apă de spălare.

Centrifugele de sedimentare cu melc au tambur conic (figura 6.17.) sau cilindrico - conice (figura 6.18.), în interiorul căruia se află un melc a cărui turație este cu 1 … 2 % mai mare decât a tamburului. Evacuarea sedimentului (împins de melc) se face pe la capătul conului de diametru mai mic, iar lichidul se evacuează, prin fante practicate în capacul tamburului, pe la capătul de diametru mai mare al conului sau a părții cilindrice. Orificiile de evacuare ale sedimentului sunt dispuse radial (figura 6.17.) sau axial (figura 6.18.). În funcție de poziția găurilor de evacuare a lichidului diferă și lungimea zonelor de sedimentare (Lsed) și de zvântare (Lz).

Centrifugele filtrante cu descărcare cu melc uneori sunt evitate (în special în cazul particulelor solide fine), deoarece în lichidul centrifugat este antrenată o parte relativ însemnată de fază solidă, ceea ce impune fie recircularea filtratului, fie limpezirea ulterioară a acestuia. În plus suspensia trebuie să conțină un procent însemnat de component solid (40%) și nu este recomandat pentru suspensiile cu component solid abraziv care uzează melcul excesiv.

281

Figura 6.18. Centrifugă de sedimentare cu melc

1 - tambur cilindrico - conic; 2 - arborele melcului (tabular); 3 - spira melcului; 4 — capacul tamburului; 5 - disc cu orificii; 6- lagăr; 7 - roată de curea; 8 - conductă de alimentare cu suspensie; 9 - element de capăt al arborelui melcului; 10 - racord pentru

evacuarea lichidului; 11 - racord pentru evacuarea sedimentului; 12 - baie de ulei; 13 - reductor diferențial (planetar); 14 - lagăr; 15 - arbore de ieșire al reductorului pentru

antrenarea melcului; 16 - manșon de cuplare al melcului: 17 - capacul tamburului; 18 - carcasă; 19 - manșon exterior al reductorului; 20 - dispozitiv de protecție la

suprasarcină; a - orificii pentru suspensie; b - orificii frontale pentru evacuarea lichidului;

c - orificii axiale pentru evacuarea sedimentului.

Figura 6.19. Schema de acționare independentă la centrifugele cu melc

Figura 6.20. Reductoare pentru acționarea de la un singur motor

la centrifugele cu melc a – reductor obișnuit (modificat); b – reductor planetar; c,d – reductor diferențial.

Tamburul centrifugelor de sedimentare cu melc este întâlnit sub diverse forme constructive:

282

♦ conic sau cilindrico-conic, cu zonă conică lungă și zonă cilindrică scurtă, în cazul unor suspensii cu particule solide mai grosolane; ♦ cilindrico-conic, cu zonă conică scurtă și cea cilindrică lungă, pentru particule foarte fine; ♦ cilindrico-conic, cu cele două zone de lungime relativ egale, care îmbină avantajele dar și dezavantajele celorlalte două cazuri.; ♦ cilindrico-conic-cilindric, în special la centrifugele de diametru mare.

Melcul pe lângă rolul de transportor al sedimentului joacă și rolul de frână pentru lichidul care are tendința să se evacueze rapid, permițând prin aceasta o sedimentare cât

mai bună a particulelor mai fine din suspensie. Centrifugele de acest tip ajuns să rețină particule cu dimensiuni de 3 ... 15 µm. În cazul particulelor abrazive vârful spirei melcului se plachează cu plăcuțe din oțel de scule călit. Figura 6.21. Cuplaj hidraulic utilizat la acționarea centrifugelor

Acționarea tamburului și melcului se poate face individual (figura 6.19., firma engleză Dynokon) sau de la un singur motor prin intermediul unui reductor (figura 6.20.), toate variantele fiind utilizate de firma suedeză a Alfa Laval.

Acționarea de la un singur motor conduce la uzură intensă a reductorului deoarece sedimentul joacă rolul unui "cuplaj" între tambur și melc (așa numita recirculare a puterii). Deși legătura prin intermediul sedimentului nu este rigidă, totuși se ajunge la uzări premature ale reductorului. Varianta cu acționare separată a celor două subansambluri evită acest neajuns. De asemenea, în cazul folosirii reductoarelor, o soluție mult mai elastică a transmisiei, cu evitarea în mare măsură a neajunsului menționat anterior, este utilizarea unui cuplaj hidraulic (figura 6.21.), între motor și reductor.

Centrifuga cu platou pulsator utilizată în domeniul epurării este de tipul cu un singur platou pulsator (figura 6.22.). Suspensia intră prin conul repartizor care o conduce la fundul tamburului. Lichidul trece prin stratul filtrant, iar sedimentul este împins cu pași mici spre evacuare de pe suprafața tamburului. Lichidul poate fi evacuat cu diverse procente de component lichid, prin împărțirea zonei de evacuare a sedimentului în mai multe compartimente. Pe traseul dintre fundul tamburului și capătul său lichidul este tot mai limpede, mai ales că într-o anumită zonă a tamburului este făcută și o spălare cu apă.

Tamburul 1 este antrenat în mișcare de rotație de arborele tubular 2. Tija 3 care trece prin interiorul arborelui, se rotește cu aceeași turație cu a tamburului și susține platoul pulsator 4. Acest platou, pe lângă mișcarea de rotație are și o deplasare axială scurtă, înainte-înapoi (cursa maximă de 40 mm). Suspensia alimentată prin conducta 7 este orientată de conul repartizor 5, fixat de tambur cu patru șuruburi la distanță de fundul tamburului. O conductă permite introducerea apei pentru spălarea sedimentului, înainte de evacuare, pentru eliminarea resturilor de lichid pe care le mai conține (dacă este necesar).

Centrifuga de filtrare pe trei coloane se dovedește foarte utilă în special pentru amestecurile care nu se așează perfect centrat în tamburul centrifugei, cea ce se poate întâmpla și cu unele nămoluri care conțin particule solide de diverse dimensiuni (de

283

exemplu dejecțiile din crescătoriile de porcine sau unele nămoluri industriale). Sistemul elastic al celor trei coloane ale centrifugei (figura 6.23.) preia forța centrifugă suplimentară datorată încărcării excentrice. În cazul când componentul poluant din apa reziduală este un lichid, în emulsie (de exemplu uleiuri naturale sau minerale) se folosește centrifuga de sedimentare.

Centrifuga pe trei coloane are, în linii mari, următoare componență (figura 6.23.): tamburul (1), funcționând în carcasa (2), se sprijină pe grupul de rezemare (3) prevăzut cu două lagăre și este acționată de motorul (4), prin intermediul roții de curea (5). care face corp comun cu tamburul de frână. Carcasa centrifugei pe care este plasat și motorul de acționare, este rezemată pe coloanele (6), prevăzute cu arcuri elicoidale. Oprirea rapidă a tamburului centrifugei se face cu frâna comandată de sistemul de pârghii (7). Ca măsură de protecție sistemul de frânare este cuplat și cu capacul centrifugei. Deschiderea accidentală a capacului întrerupe funcționarea motorului și acționează și frâna, oprind rapid mișcarea tamburului. Descărcarea sedimentului din centrifugele de sedimentare se poate face manual sau mecanizat, în ultimul caz fundul centrifugei este prevăzut cu găuri mari pentru evacuarea (fundul este realizat ca o roată cu spițe). Leșia, care iese prin peretele filtrant, se evacuează prin racordul din carcasă. În cazul centrifugelor de sedimentare evacuarea celor două lichide, așezate în straturi suprapuse, în funcție de densitate, se evacuează prin două conducte separate, care pătrund prin capacul centrifugei până la nivelul stratului corespunzător. Găurile din peretele tamburului sunt ușor evazate spre exterior pentru a facilita evacuarea lichidului. Găurile sunt dispuse fie după o rețea hexagonală fie după o rețea pătratică. În cazul rețelei pătratice rezistența tamburului este mai mare, pentru că pasul pentru acest tip de rețea este mai mic decât în cazul celălalt. Centrifugele pe trei coloane simt prevăzute cu o conductă pentru apă de spălare a sedimentului (dacă este cazul).

Figura 6.22. Centrifugă filtrantă cu descărcare prin pulsații

Raportul tamburului înălțime / diametru recomandat este H / D = 0,4 ... 0,6. În cazul unor tambururi pentru materiale în bucăți (rufe, blănuri etc.) se merge până la H / D = 0,7. Pe de altă parte din considerente de stabilitate a rotorului (calculul la turația critică a subansamblului tambur + arbore) pot impune chiar restrângerea intervalului la H / D = 0,3 ... 0,5.

284

Figura 6.23. Centrifuga pe trei coloane

Centrifuga cu talere se folosește pentru separarea unor particule cu densitate apropiată de densitatea lichidului în care sunt imersate.

285

Suspensia introdusă în tambur se repartizează în straturi subțiri pe talere ceea ce permite o separare foarte bună. Suspensia este introdusă în tambur (figura 6.24.) prin racordul central superior de unde prin orificiile din talere se repartizează pe toate talerele. Faza ușoară urcă spre centrul tamburului pe fața superioară a talerului, iar faza grea coboară, spre periferia talerului, pe fața inferioară a acestuia și este evacuată prin racordul lateral inferior. Faza ușoară se deplasează către zona centrală și iese pe la partea superioară, prin capul de distribuție al centrifugei.

Figura 6.24. Centrifugă cu talere