BIOTEHNOLOGII UTILIZATE ÎN EPURAREA APELOR

Poluantii principali din apele uzate sunt suspensii solide, compusi organici

biodegradabili, compusi organici volatili, compusi xenobiotici recalcitranti, metale toxice,

nutrienti, agenti patogeni si paraziti.

Epurarea clasica a apelor uzate are ca obiectiv indepartarea suspensiilor solide si

materiilor organice, precum si agenti patogeni si paraziti. In ultimul timp insa, datorita

restrictiilor impuse pentru protejarea mediului, se fac eforturi si pentru indepartarea nutrientilor,

mirosurilor, compusilor organici volatili, metalelor si substantelor toxice.

Lucarea de fata se refera la epurarea biologica clasica, utilizata pe fluxul apei uzate

pentru indepartarea substantelor poluante organice nesedimentabile (dizolvate sau coloidale), iar

in tehnologiile de tratarea namolurilor rezultate din epurare, pentru stabilizarea materiilor

organice din namoluri. Epurarea biologica este un proces flexibil care se poate adapta usor la o

multitudine de ape uzate, concentratii si compozitii. De obicei, procesele biologice sunt

precedate de o treapta fizica de epurare care are rolul de a retine substantele sedimentabile, sunt

urmate de o decantare secundara - procese fizice - destinata retinerii produsilor rezultati din

epurarea biologica si de o treapta de dezinfectie inainte de deversarea apei epurate in emisar.

Comunitatea microbiologica din epurarea apelor uzate este complexa. Principalele

responsabile de epurarea biologica sunt bacteriile, dar un rol important il au si fungii, algele,

protozoarele si organisme superioare. Pentru a fi active microorganismele au nevoie de sursa de

carbon si energie.

Factorii care influenteaza procesul biologic sunt: timpul de contact sau timpul de

traversare a obiectului tehnologic in care se desfasoara procesul biologic, temperatura, pH-ul,

oxigenul, incarcarea obiectului tehnologic cu ape uzate (dilutie), cu namol, nutrienti, prezenta

inhibitorilor de proces, conditiile hidrodinamice ale procesului - omogenizare si amestecare.

Epurarea biologica se desfasoara corepunzator intr-o gama destul de restransa a parametrilor:

pH= 6-10, incarcare organica 4:1, grasimi si uleiuri < 50 mg/l, poluanti inhibitori < 10 mg/l. De

asemenea, apele uzate pot fi tratate biologic daca exista suficiente substante nutritive (azot si

fosfor), adica un raport C:N:P = 10:5:1. De obicei apele uzate menajere satisfac acest lucru.

Pentru buna functionare a procesului microbian sunt necesari si ioni anorganici cum ar fi de Na,

Ca, Mg, K, Fe, Cu, Co, Mo.

28

Procedeele biologice de epurare se desfasoara in conditii naturale (lagune, iazuri

biologice, fermentare aeroba), conditii naturale fortate (lagune aerate) sau in regim artificial.

Din punct de vedere al organizarii microorganismelor procesele biologice pot fi cu

microorganisme in suspensie, cu film biologic (biofilm) si hibride.

Procesele biologice aerobe pentru indepartarea incarcarii organice necesita un timp

suficient de contact intre apa uzata si microorganisme, precum si existenta unei cantitati

suficiente de nutrienti si oxigen.

Dintre procesele cu suspensii aerobe cel mai utilizat este cel cu namol activ, in care

microorganismele in suspensie sunt puse in contact cu apa uzata intr-un reactor biologic si

mentinute in suspensie prin amestecare continua si aerare. Procesul cu namol activ pote fi cu

amestecare completa, cu curgere de tip piston sau cu functionare secventiala. Procesul de epurare

biologica cu namol activ se poate desfasura in mai multe moduri, dupa diverse scheme, care

difera prin modul in care apa uzata vine in contact cu namolul activ, modelul de curgere,

cantitatea de namol care rezulta, incarcarea specifica a namolului activ, modelul de crestere

biologica a microorganismelor etc.

De obicei, procesul cu namol activ este precedat de decantare primara, pentru

indepartarea suspensiilor solide sedimentabile. Totusi, pentru epurarea apelor uzate de la

comunitati mici nu se utilizeza decantarea primara, utilizandu-se diferite modificari ale

procesului conventional cu namol activ, cum ar fi procesul secvential, santurile de oxidare,

lagunele aerate sau iazurile de stabilizare. Excesul de biomasa este separata gravitational sau mai

recent cu membrane, asigurandu-se in acest fel o operare corespunzatoare a procesului. Cele mai

intalnite probleme operationale in procesul cu namol activ sunt flotatia, spumarea si umflarea

namolului. In aceasta directie cercetarile din microbiologie au permis identificarea

microorganismelor responsabile de aceste fenomene astfel incat se pot lua masuri pentru

remedierea lor.

In conditii de umflare a namolului flocoanele nu se compacteaza si nu se sedimenteaza,

regasindu-se in efluent. Au fost identificate doua cauze ale umflarii namolului: bacteriile

filamentoase si cantitatea excesiva de biopolimeri extracelulari care produc namol cu consistenta

gelatinoasa. Cea mai intalnita este umflarea filamentoasa, care apare datorita caracteristicilor

apei uzate, proiectarii gresite sau conditiilor operationale. La aparitia acestui fenomen ar trebui

sa se verifice in primul rand microscopic namolul, apoi caracterul apei uzate, continutul de

29

oxigen dizolvat, incarcarea procesului, debitul de namol recirculat si debitul namolului in exces,

operarea decantorului secundar. La apele uzate industriale trebuie verificat si continutul de

nutrienti. In situatii de urgenta se poate folosi clorul sau peroxidul de hidrogen.

Flotatia namolului se datoreaza cel mai des aparitiei denitrificarii. Flotatia namolului

poate fi deosebita de umflare datorita bulelor de gaz atasate namolului plutitor si datorita

prezentei mai multor zone cu namol plutitor pe suprafata decantorului secundar. De obicei apare

daca timpul de retentie a suspensiilor este scurt. Pentru indepartarea fenomenului se poate creste

debitul de namol extras din decantorul secundar, se poate reduce debitul de amestec aerat care

intra in decantor sau se poate mari viteza de indepartare a namolului.

In ceea ce priveste spumarea, au fost identificate doua bacterii care sunt responsabile de

aparitia acestui fenomen, datorita suprafetelor celulare hidrofobe.

Aceste fenomene au condus la noi concepte in ceea ce priveste configuratia bazinelor, si

anume utilizarea selectoarelor. Selectorul este un bazin mic sau o serie de bazine, cu timp scurt

de contact (20..60 min) in care apa uzata intra in contact cu namolul recirculat in conditii aerobe,

anoxice si anaerobe. Astfel, se favorizeaza cresterea bacteriilor care formeaza flocoane in locul

celor filamentoase.

In ultimul timp procesul cu namol activ a fost adaptat astfel incat pe langa indepartarea

materiilor organice se realizeaza si indepartarea azotului si fosforului.

Epurarea anaeroba se foloseste pentru tratarea namolului rezultat din statia de epurare,

mai putin cunoscuta fiind aplicarea procedeului in epurarea apei. Epurarea anaeroba a apelor

uzate nu inseamna acelasi lucru cu tratarea anaeroba a namolurilor, deoarece cea mai mare parte

a materiilor organice din apa uzata sunt dizolvate. Pentru a fi indepartate din apa uzata trebuie sa

se asigure un timp suficient de contact intre substantele organice si microorganismele anaerobe,

astfel ca in epurarea anaeroba a apelor uzate exista o mare diferenta intre timpul hidraulic de

retentie si varsta namolului.

Epurarea anaeroba este utilizata pe cale larga la indepartarea materiilor organice din apele

uzate rezultate din anumite industrii (alimentara: producerea bauturilor alcoolice, a berii, a

uleiului etc.; industria celulozei si hartiei, petrochimica). Epurarea anaeroba are costuri de

operare reduse si are avantajul producerii de biogaz., dar necesita un timp lung de amorsare,

poate necesita corectia alcalinitatii, vitezele de reactie sunt mult mai sensibile la temperaturi

joase si poate produce miroauri sau gaze corozive. Ea este recomandata pentru incarcari organice

30

peste 2000 - 3000 mg CBO5/l, la care epurarea aeroba ar duce la costuri energetice foarte

ridicate. Prin epurare anaeroba se indeparteaza o mare parte din substantele organice (80…90%

eficienta pentru indepartarea CBO5), dar aproape deloc nutrientii. De aceea, daca apa epurata este

deversata intr-un curs natural, ea trebuie epurata intr-o treapta secundara aeroba.

Concluzii

Procesele biologice sunt cele mai eficiente in indepartarea poluantilor organici

biodegradabili. Cercetarile din biotehnologie au permis insa identificarea cailor de indepartare a

multor poluanti periculosi care nu pot fi indepartati prin procedee clasice. De asemenea, exista in

prezent o serie de metode, cu microorganisme cultivate independent, modificate genetic sau

mutante, utilizate pentru imbunatatirea functionarii proceselor biologice sau indepartarea unor

poluanti specifici. Probabil ca in viitor, cum procesele biologice se bazeaza pe microorganisme,

vor fi create noi tehnologii bazate pe descoperirile revolutionare din microbiologie si genetica.

În funcţie de condiţiile de mediu (presenta sau absenta oxigenului) şi de natura

microorganismelor active, tehnicile de epurare biologică formează două grupuri distincte:

- Tehnicile aerobe care include utilizarea filtrelor biologce, a nămolului activat sau

a iazurilor biologice de oxidare.

- Tehnicile anaerobe recurg la degradarea anaerobă (metantancuri) sau la iazurile

septic.

BIOTEHNOLOGII DE TRATARE AEROBĂ

Filtrele biologice

Biofiltrele, filtrele percolatoare sau picurătoare utilizeaă activitatea unei biocenoze

complexe şi heterogene alcătuită din bacterii, microfungi, alge şi protozoare, dezvoltată în cea

mai mare parte pe suprafaţa suporturilor solide din structura filtrului.

In acest scop este folosit un strat gros de materiale solide, inerte, de preferinţă rugoase

(pietriş, sfărâmături de rocă, zgură, fragmente din material plastic), de diferite dimensuni, care

asigură un suport mare suprafaţă/ volum..

Literatura de specialitate recomandă pentru apele uzate menajere o coloană înaltă de cca.

2 m şi cu diametrul de 7 m. Materialele utilizate ca suport solid sunt aranjate în aşa fel încât să

asigure menţinerea unor spaţii între ele, necesare pentru aerarea sistemului.. Oxigenarea

întregului sistem este esenţială pentru funcţionarea lui eficientă. Aerarea este asigurată în mod

31

natural, prin contactul cu atmosfera la suprafaţa filtrului, prin adăugarea intermitentă a apei

reziduale, graţie circulaţiei aerului pri spaţiile dintre elementele solide componente, sau

artificial , sau artificial (cu ajutorul aerului introdus sub presiune) de la baza instalaţiei sau din

zonele latrale ale coloanei..

Apa provenită din decantorul primar este dispersată printrun sistem special pe suprafaţa

suporturilor solide. Ea se prelinge lent pe suprafaţa acestora, venind în contact cu

microorganismele care degradează substanţele organice şi este colectată întro reţea de drenuri

aflate la baza filtrului.

În cazul unei instalalaţii noi, formarea şi maturarea peliculei biologice, care necesită

câteva săptămâni, trebuie realizată înainte de punerea ei în stare de funcţionare.

Un rol important revine bacteriilor care produc diferite tipuri de polizaharide

extracelulare, ce aderă de suprafaţa pietrelor, determinând o creştere zoogleală. Pelicula

bacteriană mucoidă favorizează aderenţa altor microorganisme, precum şi captarea materiei fin

particulate din apele uzate.

Spre deosebire de nămolul activat, care constă dintro masă de bacterii, protozoare,

substanţe reziduale în suspensie şi apă uzată, biofilmul este aderent de suprafaţa suporturilor

solide ale filtrului.

Biofilmul microbian se dezvoltă o anumită perioadă de timp, după care se detaşază de

suportul solid, pentru a se reface din nou. În funcţie de condiţiile specifice (natura instalaţiei,

proprietăţile apei uzate, fluxul acesteia), desprinderea peliculei biologice se poate realiza

continuu, la interval de câteva luni sau în cicluri scurte de frmare şi detaşare la câteva săptămâni.

În apariţia acestui fenomen intervine:

- Acţiunea apei care se scurge

- Formarea de gaze în zonele profunde ale biofilmului (în care oxigenul nu are

acces) sub acţiunea metabolismului microorganismelor anaerobe

- Moartea şi liza celulelor ataşate de suportul solid.

Substanţele organice particulate, în suspensie coloidală sau dizolvate din apa de canal

care se prelinge pe suprafaţa peliculei biologice, sunt absorbite de aceasta.

Când cantitatea de materie organică din stratul fixat de lichid este mai mică decât cea din

apa supusă epurării, substanţele organice din aceasta sunt transferate în stratul fixat. Invers, când

32

substanţa organică din stratul de lichid fixat este mai mare, o parte diin aceasta trece spre apa

care percolează.

Activitătile microorganismelor din biofiltre corespund unei culturi staţionare de

microorganisme imobilizate pe un suport solid, aprovizionate în mod continuu cu nutrienţi aduşi

prin cantitătile mereu reînnoite de ape poluate ce se preling pe suprafaţa lor.

Cea mai mare parte din materia organică este degradată de bacterii şi de microfungi în

zona aerobă, unde o parte din constituienţii rezultaţi sunt utilizaţi pentru biosinteza de biomasă

microbiană iar cealaltă parte ca sursă de energie. Bacteriile şi alte microorganisme sunt

consumate de unele protozoare, iar acestea sunt, la rândul lor, preluate de rotifere, larve de

insecte, etc. În felul acesta in biofiltru se realizează un lanţ trofic miniatural, foarte eficient în

epurare, pentru că la fiecare treaptă a lanţului, o parte din materia organică este convertită la CO 2

prin procese de respiraţie. Consecinţa este că prin acest mecanism este eliminată o mare parte din

materia organică.

Oxidarea materialului organic în pelicula biologică este însoţită de dezaminarea

compuşilor organici ai azotului, cu precădere NH3, care este convertit de către bacteriile

nitrificatoare la nitriţi şi apoi la nitraţi. H2S produs prin descompunerea compuşilor organici cu S

este convertit la SO42- de către bacteriile chemolitotrofe sulfoxidante. În mod asemănător,

fosforul din acizii nucleici şi din fosfaţii organici, în general, este convertit la fosfat anorganic

(PO43-).

Substanţele anorganice oxidate eliberate în efluent ca atare sunt nutrieni foarte buni

pentru alge. Eliminarea lor ca atare întrun lac sau râu riscă să determine înfloriri algale şi

consecutiv acestora, îmbogăţîrea mediului respectiv în substanţe organice cu consecinţele

negative cunoscute.

Eficienţa biofiltrelor este variabilă în funcţie de încărcătura organică a apei şi de viteza de

acţiune. În condiţii normale se consideră că, în medie, filtrul percolator asigură îndepărtarea a

85-95% din particulele suspendate şi respectiv din CBO5, precum şi a 90 – 95% din virusurile

prezente iniţial în apa de canal.

Eficianţa biofiltrelor este maximă când biofilmele sunt foarte subţiri şi, ca atare, bine

oxigenate. Pe măsură ce grosimea biofilmului creşte, difuzia oxigenului devine tot mai dificilă

sau chiar este împiedicată, regiunea respectivă devenind anaerobă. În plus, dezvoltarea exagerată

33

a peliculei biologice prezintă riscul colmatării, al blocării spaţiilor de aerare, de moarte a

microorganismelor şi de îmbogăţire cu substanţe organice.

Substanţele solide şi celulele microorganismelor nu sunt reţinute permanant în filtru. Ele

sunt descărcate mai mult sau mai puţin intermitent în lichidul efluent. Îndepărtarea lor este

posibilă prin sedimentare secundară. Există, de asemenea, posibilitatea recirculării efluentului

obţinut după filtrare. Ea îmbunătăţeşte performanţele filtrării şi calitatea efluentului final, reduce

concentraţia în substanţe organice, îndepărtează bacteriile rămase în suspensie şi asigură

menţinerea funcţionării biofiltrului.

BIOTEHNOLOGIA DE TRATARE A APEI UZATE CU NĂMOL ACTIVAT

Această tehnologie are la bază observaţia că aerarea puternică a unei ape de canal uzate

(conţinând materie organică biodegradabilă), depozitată întrun bazin, are drpt consecinţă

agregarea materiei fin suspendată şi coloidală pentru a forma flocoane de diferite dimensiuni.

Acestea reprezintă substratul nutritiv şi de ancorare a unor bacterii producătoare de

exopolizaharide. Flocoanele astfel formate au o mare capacitate de absorbţie a substanţelor

organice, care sunt mineralizate de microorganisme. Ele formează nămolul activat, care, odată

produs, persistă în condiţii normale şi se dezvoltă atâta timp cât necesităţile de oxigen şi de

nutrienţi ale microorganismelor aerobe sunt satisfăcute prin aportu de apă de canal proaspătă.

În principiu, procesul seamănă cu biofiltrarea, numai că locul microorganismelor

adsorbite pe pietriş, nisip sau alte suporturi solide este luat de particulele de nămol activat

suspendate în lichidul de epurat. Funcţionarea sistemului implică o etapă iniţială, de sedimentare

primară, după care apele uzate sunt transferate în tancul de aerare (aerotanc), în care substanţele

organice sunt expuse acţiunii de mineralizare de către microorganismele aerobe heterotrofe.

Aerarea este menţinută la un nivel adecvat prin agitare mecanică, prin care suprafeţe noi de

lichid sunt aduse în contact cu atmosfera din care absorb O2 sau prin introducere de aer sub

presiune.

Ambele procedee asigură în acelaşi timp menţinerea nămolului activat în suspensie. Din

motive de ordin economic, rata maximă de transfer a O2 din aer este relativ limitată –

aproximativ 0,25 mmoli/l/oră, în cazuri speciale 0,60 mmoli/l/oră. Prin comparaţie,

bioreactoarele industriale beneficiază de o rată ridicată d etransfer a O2: 30 – 80 mmoli O2/l/oră,

34

iar cele utilizate pentru producţia de biomasă proteică chiar de mai multe sute de mmoli/l/oră.

Aceasta demonstrează că în staţiile de epurare convenţionale creşterea şi activitatea

microorganismelor aerobe, precum şi mineralizarea substanţelor organice se realizează la

tensiuni moderate de O2. După o etapă de decantare secundară eate obţinut efluentul epurat. O

parte din nămulul depus, bogat în microorganisme, este reciclat şi utilizat pentru inocularea

influentului care aduce apă reziduală proaspătăşi a tancului de aerare (fig.1).

Figura 1. Schema treptei biologice dintro staţie de epurare cu nămol activat

Excedentul este tratat pe cale anaerobă. Evacuarea ca atare pe suprafaţa solului sau

deversarea în ape nu este indicată.

Structura şi modul de formare a flocoanelor de nămol activat

Nămolul activat este format din flocoane. Prezente fie ca un gel amorf, fie ca un sistem

ramificat, precum şi din apa reziduală în care acestea sunt suspendate.

Există numeroase controverse privind natura substanţelor chimice care formează matricea

flocoanelor, bacteriile care o produc, identitatea diferitelor bacterii din flocon şi actiitatea lor.

Bacteriile vii, care reprezintă 10 – 25 % din greutatea flocoanelor sunt cimentate întro matrice

organică de mucus bacerian.

Flocularea bacteriilor poate fi produsă experimental prin adăugarea î concentraţii optime

a unor polielectroliţi cationici. În consecinţă, flocularea apărută în stadiile de epurare a apelor

uzate ar putea fi produsă de prezenţa naturală în mediul lichid a unor polielectroliţi (acizi

humici, acizi poliaminaţi) sau eliminaţi la suprafaţa celulelor bacteriene în cursul fazelor de

declin saude metabolism endogen.

35

Modul de formare a flocoanelor nu este cunoscut. Au fost incriminate pe rând nivelul

energetic al bacteriilor, sarcina lor de suprafaţă în raport cu valoarea pH şi activitatea ionică a

mediului, care influenţează forţele de repulsie, densitatea populaţiilor bacteriene în lichid, etc.

Formarea flocoanelor în namolul activat este esenţială pentru funcţionarea satisfăcătoare a

acestei tehnici de epurare biologică aerobă, deoarece celulele agregate sedimentează mai repede

decât cele libere, în suspensie,. În aerobioză, aproximativ 50% din materia organică este

convertită la CO2, iar restul este fixat în biomasa microorganismelor. În absenţa sedimentării ele

formează o nouă sursă de materie organică şi necesită CBO5.

Microbiota bazinelor cu nămol activat reprezintă o comunitate specializată, mai

puţinvariată decât cea a biofiltrelor, dominată de către microorganisme heterotrofe dispersate

liber în masa de lichid şi mai ales agragate în flocoane. Este formată î special din

microorganisme prezente iniţial în apa uzată şi din această cauză natura speciilor prezente este

diferită în funcţie de particularităţile microbiene ale sursei.

Numărul de bacterii este greu de apreciat exact, datorită dificultăţilortehnice. În

preparatele bine omogenizate, în care s-a asigurat dispersarea agregatelor bacteriene, numărul

celulelor este cu 1 – 2 ordine de mărime mai mare decât în apa din care provin. Determinarea

numărului de colonii nu permite o apreciere reală, deoarece nu există un mediu de cultură

universal care să permită dezvoltarea tuturor speciilor prezente. Foarte multe bacterii sunt

muribunde sau moarte. Se estimează un număr de bacterii de 1,4 x 1012 per gram de biomasă

suspendată uscată (tabel1).

În afara bacteriilor, microbiota bazinelor cu nămol activat mai conţine:

- fungi (levuri, mucegaiuri), puţin numeroşi, rol nesemnificativ

- alge,în cantitate foarte mică

- virusuri patogene

- bacteriofagi

- protozoare

36

Tabel 1. Numărul total şi cel al bacteriilor viabile în diferite stadii de tratare a apelor uzate şi în biomasa suspendată (după Pike şi Curds, citat de Zarnea, 1994)

Surse*Numărul bacteriilor %

Bacterii viabile

În probe de apă (nr/ml) În biomasă (nr/g)Total Viabile Total Viabile

Apă de canal după sedimentare (22)

6,8 x 108 1,4 x 107 3,2 x 1012 6,6 x 1010 2,0

Lichid amestecat cu nămol activat (20)

6,6 x 109 5,6 x 107 1,4 x 1012 1,2 x 1010 0,85

Biofilm din filtre percolatoare (18)

6,2 x 1010 1,5 x 109 1,3 x 1012 3,2 x 1010 2,5

Efluenţi secundari (10) 5,2 x 107 5,7 x 105 4,3 x 1012 4,7 x 1010 1,1Efluenţi terţiari (10) 3,4 x 107 4,1 x 104 3,4 x 1012 4,1 x 1010 0,12

*În paranteze, numărul probelor studiate.

Protozoarele reprezintă 5% din particulele suspendate în lichid, fiind, în general, în

număr de aproximativ 50000 celule/ml. Considerate iniţial ca dăunătoare procesului de epurare,

protozoarele au un rol pozitiv în procesele de tratare aerobă a apelor reziduale. Ele contribuie la

foemarea flocoanelor şi la ”sănătatea masei zoogleice”. Fără protozoare, efluenţii sunt foarte

tulburi (datorită numărului mare de bacterii) şi de calitate inferioară. Adăugarea de protozoare

nămolurilor stinulează producerea de flocoane, probabil datorită mucusului polizaharidic produs

de acestea. Efectul de prădare asupra bacteriilor şi alte activităţi încă nedescifrate în întregime,

explică efectul benefic global al ciliatelor asupra calităţii efluenţilor staţiilor de epurare cu nămol

activat. Urmărirea evoluţiei protozoarelor permite aprecierea condiţiei nămolului şi a mersului

procesului de epurare (tabel. 2).

Tabel 2. Efectul protozoarelor ciliate asupra efluentului rezultat la epurarea cu nămol activat

37

Analiza efluentului ValoareFără ciliate Cu ciliate

CBO5 (mg/l) 53 – 70 7 – 24CDO (mg/l) 198 – 250 124 – 142Valoarea testului cu permanganat 83 – 106 52 – 72N organic (mg/l) 14 – 21 7 – 10Substanţe solide suspendate (mg/l) 86 – 118 26 – 34Densitatea optică (la 620 nm) 9,95 – 1,42 0,23 – 0,34Numărul bacteriilor (x 106/ml) 106 - 160 1 - 9

Flagelatele predomină în apele uzate proaspete. Ele scad numaric pe măsură ce nămolul este

progresiv activat, astfel incât întrun nămol „bun” predomină ciliatele.

În faza iniţială, în prezenţaunui mare număr de bacterii libere, domină ciliatele libere.

Ulterio numărul lor scade în favoarea ciliatelor fixe, care consumă mai puţine bacterii. Prădarea

excesiva a bacteriilor este nocivă, deoarece grăbeşte apariţia levurilor şia rotiferelor (ecestea din

urmă se hrănesc cu bacterii şi particule de materiale solide). Prezenţa unui mare număr de ciliate

libere indică un proces de epurare în fază avansată de evoluţie, iar aceea a ciliatelor fixe şi a

rotiferelor o epurare eficientă.

„Umflarea” nămoluui activat.

Evoluţia eficientă a proceselor de epurare biologică cu nămol activat este condiţionată de

creşterea floculantă, care asigură o sedimentare eficientă şi un efliuent clar, cu CBO5 mult

diminuat.

Microorganismele pot influenţa negativ proprietăţile nămolului activat, în special prin

modificarea proprietăţilor de sedimentare pe diferite căi:

- Prin producerea de bule de azot gazos (N2), rezultat din procesul de denitrifucare,

în cazul „nămolului plutitor”, care se ridică la suprafaţa lichidului;

- Prin dezvoltarea excesivă a microorganismelor anaerobe producătoare de gaze

(CO2, CH4, H2S), în cazul nămolului „septic”, care stagnează în anumite regiuni ale decantoarelor

secundare.

Se adaugă unele perturbări indirecte, care pot determina fragmentarea flocoanelor cum

sunt cele rezultate din aerare şi agitare excesivă, variaţii de pH, prezenţa substanţelor toxice, etc.

Condiţia perturbatoare cea mai importantă rezultă din creşterea laxă a microorganismelor,

care face nămolul activat mult mai voluminos şi nesedimentabil, cunoscută sub denuirea de

„umflare” a nămolului. Ea este atribuită , în mare măură, creşterii filamentoase a bacteriilor şi, în

proncipal, a bacteriei Sphaerotilus natans Aceasta este o bacterie Gram-negativă, cu dimensiuni

de 1,2÷2,4 x 3÷10 μm, dispusă, în lanţuri, întro teacă cu grosime uniformă. Celulele izolate, din

afara tecii, sunt mobile datorită unui smoc de flageli subpolari, adesea încâlciţi, încât dau

impresia unui flagel gros mic.

S. natans utilizează un număr mare de compuşi organici şi sintetizează cantităţi mari de

material celular şi de substanţe de rezervă. Creşte aerob, dar tolerează cantităţi mici de O 2 şi se

dezvoltă bine între 50 şi 250C.

38

În namolul umflat creşte sub forma unor mase de filamente lungi, care împiedică

sedimentarea, iar în apele curgătoare formează mase de filamente mucilaginoase vizibile cu

ochiul liber, ancorate de pietre sau de alte substraturi solide. Dezvoltarea excesivă în unele ape a

creat impresia falsă a existenţei unei dezvoltări fungice, de unde şi denumirea greşită de fungi ai

apelor poluate.

Cercetările mai noi au demonstrat complexitatea fenomenului de umflare a nămolului

activat, incriminând un spectru mai larg de microorganisme în geneza acestuia. Ea este

consecinţa marii varietăţi a nutrienţilor prezenţi în apele menajere şi industriale, care pot crea

condiţii pentru dezvoltarea unui număr mare de bacterii uicelulare sau coloniale filamentoase.

Indiferent de natura cauzelor, acestea favorizează înmulţirea excesivă a formelor filamentoase

capabile să utilizeze mai eficient substratul în condiţii modificate de mediu. Alţi factori incrimaţi

în proces: supra- sau subaerarea, concentraţiile prea mari sau prea mici de nămol, deficitul de N,

efectul combinat al unui raport mare de C/N şi de C/F, încărcarea organică necorespunzătoare.

Nămolul umflat scade cantitatea de nămol activat din aerotanc şi determină pierderea de

nămol din decantorul secundar prin efluentul limpezit, interferă cu activitatea

microorganismelor, cu procesul de epurare, diminuând calitatea acestuia.

Epurarea biologică cu nămol activat reproduce particularităţile unei culturi continue de

microorganisme în medii lichide. Continuitatea este asigurată, pe de o parte, prin inocularea de

culturi aerate de microorganisme provenite din influentul nou adăugat şi, pe de altă parte, prin

transferul (recircularea) unei părţi din nămolul activat. Esenţial este ca în condiţiile tancurilor de

aerare să se menţină creşterea compactă „floculantă”, care asigură atât mineralizarea, cât şi

sedimentarea rapidă a nămolului activat. Un rol esenţial în procesul de mineralizare şi de epurare

revine bacteriilor care acţionează cu viteză maximă în faza lor de creştere activă. Procesul este

atât de activ încât în absenţa unui aport continuu de nutrienţi ar putea duce la dispariţia tuturor

microorganismelor. Acest fenomen nu se poate întâmpla datorită intervenţiei substanţelor

organice asociate cu microorganismele din influent care rstimulează creşterea.

Dezvoltarea logaritmică a bacteriilor este asociată cu dispariţia celei mai mari părţi din

substanţele organice. Procesul de mineralizare oxidativă este urmat de trecerea bacteriilolr în

faza de declin a multiplicării. Numărul lor scade, evoluând spre faza de deficit de substanţe

energetice, care favorizează agregarea lor şi formarea de noi flocoane. Această situaţie

declanşează o serie de succesiuni în natura şi numărul microorganismelor, corelate cu marea lor

39

diversitate metabolică şi fiziologică: creşterea temporară a flagelatelor, a rizopodeor, a

suctoriilor, a ciliatelor libere, a celor fixate şi final, a rotiferelor.

Metoda nămolului activat este considerată ca deosebit de eficientă şi flexibilă, fiind

adaptată la o gamă largă de concentraţii de substanţe organice şi la variaţii de flux ale

influentului. Ea asigură reducerea considerabilă a numărului microorganismelor patogene

datorită unor mecanisme complexe (sedimentare, adsorbţie, competiţie, prădare, a ciliatelor şi

arotiferelor). Pe această bază este considerată ca utilă atât pentru apele menajere, cât şi pentru

cele industriale.

Figura 2. Comparaţie între procesul de epurae cu nămol activat şi cel cu film microbian

40

BIOTEHNOLOGII DE TRATARE ANAEROBĂ

Degradarea anaerobă este folosită uzual pentru tratarea materialelor care conţin cantităţi

importante de materie organică insolubilă, cum sunt nămolul rezidual de la staţiile de epurare

biologică, reziduurile industriale concentrate, materiale cu consecinţă similară (de ex. dejecţiile

animale).

Procedeul implică participarea unor comunităţi complexe de microorganisme care

determină procese de degradare şi fermentaţie prin care materialele organice sunt final convertite

la metan şi CO2. El se realizează în sistem semicontinuu, în tancuri mari, perfect închise,

prevăzute cu dspozitive de colectare a metanului sau în bazine anaerobe deschise, în care,

datorită adâncimii mari, încăcării organice mari a mediilor reziduale şi barbotării continue

provocată de metanul care se degajă, serealizează o epuizare a oxigenului.

Există deosebiri fundamentale între procesele aerobe şi cele anaerobe. În epurarea

biologică aerobă (prin biofiltre sau nămol activat), mediile reziduale sunt amestecate cu cantităţi

mari de microorganisme şi de aer. Microorganismele cresc rapid şi convertesc o buna parte din

reziduurile organice la biomasă microbiană, creînd o altă sursă de materie organică. În

anaerobioză, creşterea lentă asigură conversia celei mai mari părţi din substanţele organice la

CO2 şi CH4, cu producerea unei mici cantităţî de biomasă. În plus, metanul format este colectat şi

folosit ca sursă de energie. Deşi CBO5 nu este diminuat în acelaşi grad ca în metabolismul aerob,

tratarea anaerobă are avantajul că poate fi utilizată în medii cu o încărcătură organică de 10 – 20

de ori mai mare decât cele epurate aerob. În plus, ea produce o cantitate mică de nămol biologic

final, foarte stabilizat şi nenociv, cu conţinut mic de substanţe organice, care poate fi uşor

sedimentat, uscat şi redus la o pulbere inofensivă, relativ inertă la atacul microorganismelor,

utilizabilă ca fertilizator. Bacteriile active (heterotrofe convenţionale şi metanogene) au nevoie

de o aprovizionare adecvată cu surse de azot şi fosfor, precum şi cu diferiţi factori de creştere,

condiţii care sunt realizate constant în cazul apelor uzate orăşneşti.

Condiţiile de pH variază puţin, între 6,6 şi 7,6 (pH optim = 7,0 – 7,2). Între factorii

perturbatori posibili ai evoluţiei normale a procesului sunt menţionate modificările bruşte de

temperatură, de încărcare organică sau ale naturii apelor reziduale. De asemenea ei includ

prezenţa materialelor toxice, scăderea pH-ului sau orice alt factor care încetineşte ritmul d

41

edezvoltare a bactriilor. Anumite modificări ale mediului din digestor reprezintă indicatori

imporanţi ai unui proces de dezechilibru. Ele includ:

- Creşterea concentraţiei acizilor volatili şi/sau a CO2 în compoziţia gazelor

- Scăderea pH

- Scăderea producerii de gaze

- Diminuarea gradului de stabilitate a reziduurilor finale

Dezavantajele (mici comparativ cu avantajele) ţin de necesitatea asigurării temperaturii

de 30 – 370C în cazul bacteriilor mezofile sau de 50 - 600C, al celor termofile.Digestoarele

moderne lucrează în general la 300C, asigurând reducerea duratei de menţinere a reziduurilor la

20 – 30 zile, în loc de 2-3 luni cât este necesar la temperatura ambiantă şi evitând influenţele

negative ale mediului extern.

Viteza de reacţie este mult mai mare în condiţiile activităţii microorganismelor termofile,

procesul este mai eficient, mult scurtat şi permite utilizarea unor metantancuri cu dimensiuni mai

mici.

Eficianţa tratării este exprimată în raport cu scăderea procentuală a CBO5 iniţial, care

poate să ajungă până la 90% sau mai mult în staţiile care funcţionează perfect.

Produsul final – biogazul- conţine 65-70% metan şi 30% CO2.

ÎNDEPĂRTAREA COMPUŞILOR AZOTULUI PRIN

NITRIFICARE ŞI DENITRIFICARE BACTERIANĂ

Materia organică din apele uzate conţine, pe lângă cantităţi importante de C, şi

diferiţi compuşi ai N, S, P, H şi O, caracteristici pentru fiecare fază a ciclului de epurare. Pe

măsură ce cantitatea de C şi N organic scade, aceşti compuşi sunt diferiţi în funţie de procesul de

tratare utilizat. Acest fenomen este cel mai bine reflectat de natura produsilor finali rezultaţi. În

procedeele aerobe predomină produşii finali oxidaţi (nitraţi, sulfaţi, etc),iar în cele anaerobe se

formează în special NH3, metan şi sulfuri. Compuşii azotului (în special nitraţii) rezultaţi din

epurarea apelor uzate pot fi dăunători pentru calitatea apelor receptoare. Ei pot acţiona în apele

naturale ca fertilizatoricare stimlează creşterea algelor şi a altor plante acvatice, determinând o

42

accelerare a eutrofizării. Şi compusii redusi sunt nocivi, având efecte adverse asupra resurselor

de oxigen dizolvat din apele receptoare, care sunt consumate prn procesele de nitrificare.

Ideea eliminării compuşilor anorganici excedentari, în special N şi P, este relativ recentă

şi sepractică relativ rar, ca parte a tratamentului terţiar. Este însă cert că mineralizarea

substanţelor organice în cursul proceselor de epurare fără îndepărtarea mineralelor prezintă riscul

de eutrofizare a apelor naturale utilizate ca receptor, prin creşterea bruscă şi uneori masivă a

concentraţiei nutrienţilor anorganici.

Nitrificarea şi denitrificarea bacteriană sunt considerate drept cele mai promiţătoare

metode biologice de îndepărtare a azotului, datorită potenţialului înalt de eficienţă, costului

moderat şi necesităţilor relativ reduse de teren necesar.

În timp ce compuşii organici ai N, P, S, sunt îndepărtaţi prin sedimentare, precipitare

chimică şi biodegradare relizată de microorganisme, pentru compuşii anorganici se recurge la

tehnici ce reproduc mecanisme de conversie realizate şi în condiţii naturale.

ÎNDEPĂRTAREA NH3

Rezenţa unei concentraţii mai mari de NH4+ indică existenţa unor procese recente de

descompunere a materiei organice şi implicit riscul ca apa respectivă să fie potenţial infectată.

Îndepărtarea se poate realiza pe mai multe căi:

1. În prezenţa oxigenului, NH3 este oxidat de bacterii la nitriţi şi final la nitraţi:

NH3 NO2- NO3

-

Procesul este stimulat prin aerare intensă şi prelungită, în tancuri sau bazine de aerare,

care favorizează nitrificarea.

În anaerobioză, capacitatea de a folosi NH3 este limitată la un număr redus de

microorganisme.

2. Îndepărtarea NH3 pe cale chimică poate fi realizată printr-o serie de reacţii bazate

pe tratarea cu acid hipocloros şi formare de monocloramină:

NH3 + HOCl NH2Cl + H2O

Dicloramină:

NH2Cl + HOCl NHCl2 + H2O

43

Şi final azot gazos, după reacţia:

2 NHCl2 + H2O N2 + HOCl + 3H+ + 3Cl-

3. Îndepărtarea prin procedee fizice prin stripare, respectiv prin mecanisme care

favorizează volatilizarea. Rezultatele sunt considerate incerte, deoarece o parte din NH3 se poate

reîntoarce în sol şi în ape cu precipitaţiile.

Nitriţii, în general, nu se acumulează, deoarece sunt convertiţi de bacterii la nitraţi.

Acumularea este asociată cu toxicitatea pentru organismele vii.

Nitraţii provin din degradarea pâna la mineralizare a substantelor organice în condiţii

oxidative. Formarea lor este, în anumite limite, dorită, pe de o parte, pentru că scade concentraţia

NH3 (care este toxic), şi, pe de altă parte, pentru că sunt folosiţi ca nutrienţi de către alge şi

macrofitele acvatice. Prezenţa nitratilor în efluent în concentraţie mare arată că apa a fost poluată

şi epurată. Cercetătorii englezi consideră prezenţa nitraţilor în efluenţi ca un test al bunei epurări.

Realizată în cursul tratării aerobe a apelor uzate, nitrificarea este condiţionată de

menţinerea unei populaţii de bacterii active şi a unui grad semnificativ de aerare.

DENITRIFICAREA

Denitrificarea efluenţilor care conţin nitraţi se realizează în bazine anaerobe, însămânţate

cu nămol recirculat, după adăugarea unei surse de C şi energie (cel mai frecvent metanolul),

după reacţiile:

NO3- + 1/3CH3OH NO2

- + 1/3 CO2 + 2/3 H2O

NO2- + ½ CH3OH ½ N2 + ½ CO2 + ½ H2O + (OH)-

Reacţia globală este:

6 NO3 + 6 H+ + 5 CH3OH 3 N2 + 5 CO2 + 13 H2O

44

Reducerea a 30 mg/l N din NO2- necesită 74 mg/l metanol şi duce la formarea a 16 mg/l

celule bacteriene, care conţin 2mg/l N asimilat (deci, în cursul denitrificării, mai puţin de 6% din

azotul anorganic este asimilat sub formă de proteine celulare).

Există trei variante ale tehnologiilor bacteriene de îndepărtare a excesului de nitraţi din

apele epurate:

1. Nitrificarea are loc în tancul cu nămol activat în care se realizează degradarea

materiei organice. Amestecul lichid obţinut este transferat întrun tanc separat, neaerat, în care se

realizează denitrificarea. Eficienţa denitrificării este de 50 - 70%.

2. Tehnologia prin care se asigură, de asemenea, separarea oxidării materiei organice

şi a nitrificării. Denitrificarea este realizată separat după adăugarea de metanol. Eficienţa

indeoărtării NO3- este de 80 – 90%.

3. Cele trei procese (degradarea materiei organice, nitrificarea şi denitrificarea) sunt

complet separate, putând fi controlate riguros şi cu eficienţă maximă.

Practic, fiecare din aceste tehologii are avantaje şidezavantaje. Opţiunea pentru una dintre

ele ţine de gradul de îndepărtare a nitraţilor dorit.

Câteva tipuri de staţii de epurare pot realiza procese de eliminare a azotului. Unul dintre

aceste tipuri, larg rǎspândite, este sistemul cu pre-denitrificare (fig. 2).

Pentru a fi satisfǎcut necesarul de materie organicǎ uşor degradabilǎ în procesul de

denitrificare, reactorul de denitrificare este poziţionat astfel încât sǎ poatǎ folosi biomasa din apa

uzatǎ de la intrare. Pentru a asigura prezenţa nitratului în acest reactor, apa uzatǎ provenitǎ de la

urmǎtorul reactor biologic, de nitrificare, este recirculată printr-un circuit intern. Menţinerea

nǎmolului activ în sistem este realizatǎ prin circuitul de recirculare a nǎmolului, care

suplimenteazǎ aportul de nitrat adus de circuitul intern reactorului biologic de denitrificare.

Reactorul de denitrificare este este menţinut anoxic, în timp ce reactorul de nitrificare este

alimentat cu oxigen prin aerare. Parametri principali de control ai acestui sistem sunt: debitul de

aer, al recirculǎrii interne, al nǎmolului recirculat şi cel evacuat.

45

Figura 3. Staţie de epurare a apei uzate cu predenitrificare

Epurarea apelor uzate industriale pune probleme speciale legate de prezenţa compuşilor toxici,

cu acţiune antimicrobiană sau a celor recalcitranţi la biodegradare. Compuşii nedegradabili, cum

sunr, de ex. unii detergenţi evacuaţi cu apele uzate în râuri rămân caatare şi produc spumarea

apei, chiar după ce au parcurs kilometri în aval.

Unele ape industriale sunt bogate în glucide şi deficitare in N şi alte elemente necesare

microorganismelor. Ele nu pot fi supuse procedeelor de epurare biologică decât dacă li se adaugă

nutrienţii care lipsesc.

46