Conceptul de epurare biologica

FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013

Axa prioritară nr. 3 „Creşterea adaptabilităţii lucrătorilor şi a întreprinderilor” Domeniul major de intervenţie 3.2. „Formare şi sprijin pentru întreprinderi şi angajaţi pentru promovarea adaptabilităţii” Titlul proiectului: : „COPMED – COMPETENTE PENTRU PROTECTIA MEDIULUI” Contract nr. POSDRU/81/3.2./S/52242 Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 –„Investeşte în oameni!

Biotehnologii pentru protectia mediului

Conceptul de epurare biologica

Prof.dr.ing. Cristina Costache1, Prof.dr.ing. Diana Robescu,

Prof.dr.ing. Dan Robescu

Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti, România [email protected]

Rezumat:

Lucrarea prezintă bazele teoretice ale epurării biologice aplicate apelor uzate. Se

prezintă curba de creştere bacteriană cu explicarea fiecărei faze, modul de nutriţie

al bacteriilor, epurarea biologică in condiţii aerobe şi ȋ n condiţii anaerobe. In final

se prezintă o clasificare a reactoarelor utilizate ȋ n faza secundară a unui flux de

epurare ape uzate.

Cuvinte cheie: epurare biologică, bacterii heterotrofe, bacterii autotrofe, curba de creştere

celulară, condiţii aerobe, condiţii anaerobe

Introducere

Epurarea apelor se defineşte ca fiind ansamblul de operaţii fizice, chimice şi

biologice care se aplică apelor uzate pentru a reduce concentraţia în substanţe organice,

anorganice şi nutrienţi şi a obţine o apă care poate fi evacuată ȋ n mediul ȋ nconjurător ȋ n

condiţii de siguranţă.

O staţie de epurare a apelor uzate cuprinde o serie de faze după cum urmează:

fază de preepurare care are drept scop reţinerea poluanţilor la sursă. De obicei

se aplică apelor uzate provenite din industrie sau din domeniul medical.

fază de epurare preliminară cu scopul reţinerii materialelor de dimensiuni mari,

mărunţirii lor şi protecţiei echipamentelor din staţie. Operaţiile se realizează pe

grătare, site, desnisipatoare, dezintagratoare (tocătoare).

faza de epurare primară cuprinde îndepărtarea materialelor solide în suspensie,

sedimentabile sau flotabile. Operaţiile se realizează prin sedimentare în

decantoare primare.

Septembrie 2010

faza de epurare secundară sau treapta biologică are drept scop distrugerea sau

conversia compuşilor organici (ca CBO5 ) şi a unui procent redus de nutrienţi

(10%). Tratamentul biologic se efectuează în bazine cu nămol activ, biofiltre,

biodiscuri, lagune aerate.

faza de epurare terţiară sau avansată cuprinde îndepărtarea compuşilor pe bază

de azot şi fosfor care sunt cauza eutrofizării receptorilor naturali ȋ n care se

evacuează apele uzatefaza de dezinfecţie are rolul de a îndepărta agenţii

patogeni nociv pentru om şi celelalte vieţuitoare. epurare specială cu scopul de a îndepărta compuşii toxici utilizând tehnici

specifice cum sunt schimbul ionic, adsorbţia pe căbune activ, extracţia. (Robescu D. şi alţii, 1999).

Faza de epurare preliminară şi cea de epurare primară constituie treapta de epurare

mecanică a apelor.

Epurarea biologică prezintă avantajele eliminării compuşilor solubili organici din

apă fără consum de reactivi şi fără un consum mare de energie.

Principii generale ale epurării biologice

Tratamentul biologic se aplică în cazul în care substanţele organice prezente în apele

uzate sunt degradabile şi nu sunt însoţite de substanţe toxice. Bacteriile folosesc enzimele

pentru a obţine hrana sub formă de hidrocarburi. In procesul de conversie a hidrocarburilor

ȋ n hrană pentru bacterii, enzimele degradează hidrocarburile ȋ n condiţii aerobe (in

prezenţa oxigenului) la dioxid de carbon (CO2 ) şi apă sau ȋ n condiţii anaerobe (ȋ n

absenţa oxigenului sau a oxigenului ȋ n combinaţii chimice) prin intermediul ciclului

Krebb’s la dioxid de carbon (CO2), hidrogen sulfurat (H2S), metan (CH4) şi apă.

Pentru exemplificare se prezintă reacţiile de degradare a glucozei ȋ n cele două

situaţii:

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 680kcal (condiţii aerobe) (1)

C6H12O6 2CO2 + 2C2H5OH + 22kcal (condiţii anaerobe, fermentaţie) (2)

Se constată că ȋ n primul caz se eliberează o cantitate mare de energie necesară

activităţii celulare pentru formarea noilor structuri celulare, iar ȋ n cazul al doilea o

cantitate mai redusă de energie.

Descompunerea compuşilor organici ȋ n condiţii aerobe sau anaerobe poate fi

considerat un mod de convertire a poluanţilor organici ȋ n compuşi nepoluanţi.

Bacteriile care intervin ȋ n epurarea biologică sunt, ȋ n funcţie de modul lor de

hrănire: bacterii heterotrofe şi bacterii autotrofe. Cele dintâi descompun substanţele

organice şi substanţele anorganice cu azot în lipsa oxigenului molecular, pot să reducă

nitraţii la nitriţi, NH3 sau N2 şi reduc sulfaţii la H2S. Bacteriile autrofe obţin energia

necesară ȋ n etapa de asimilaţie prin fotosinteză sau chemosinteză din substanţe anorganice.

Astfel sulfobacteriile oxidează H2S la S sau SO4-, bacteriile nitrifiante oxidează NH3 la NO2

şi NO2- la NO3

-.

Bacteriile au nevoie de anumite condiţii de mediu pentru a se ȋ nmulţi ceea ce se

petrece prin multiplicare ȋ n timpul creşterii bacteriene. In condiţii aerobe creşterea

bacteriană necesită hrană (substrat), oxigen, azot, fosfor şi conduce la eliberarea de energie

şi de dioxid de carbon, iar ȋ n condiţii anaerobe evoluează după ciclul Krebb’s. Bacteriile




necesită de asemenea condiţii de temperatură şi de pH şi un mediu lipsit de substanţe

toxice. In caz contrar celulele pot să moară. Când condiţiile sunt ȋ ndeplinite, creşterea

bacteriană decurge după curba prezentată ȋ n figura 1.

In faza de lag (acomodare), are loc adaptarea celulelor şi sintetizarea enzimelor

necesare metabolizării substratului (substanţa asupra careia acţionează o enzimă în timpul

unei reacţii biochimice. Substratul poate să furnizeze substanţe nutritive organismului

respectiv sau este folosit numai ca suport. Această fază este importantă când apa nu este

însămânţată în prealabil cu germeni adaptaţi cum este cazul unor deşeuri industriale.

Fig 1. Curba de creştere bacteriană: 1-faza de lag; 2-faza de creştere exponenţială; 3-faza de

încetinire; 4-faza staţionară; 5-faza de declin.

Celulele îşi adaptează echipamentul enzimatic la mediul în care se dezvoltă.

Lungimea acestei faze depinde de durata unei generaţii, de specia bacteriană, de cantitatea

de inocul şi de faza de multiplicare a culturii folosită pentru însămânţare şi nu în ultimul

rând de mediul în care a fost crescută. La schimbarea mediului, faza de lag durează mai

mult pentru ca ȋ n noul mediu să apară noile enzime induse. Uneori selectarea celulelor

care au posibilităţi enzimatice de supravieţuire se face genetic şi faza de lag poate dura un

timp îndelungat. In procesul epurării, faza de lag trebuie să aibă o durată foarte mică, de

aceea este preferabil ca însămânţarea instalaţiei să se facă cu o cantitate suficientă de

biomasă deja adaptată la substanţele organice existente. In timpul fazei de lag nu există

reproducţie celulară.

Dacă X este concentraţia celularǎ la t=0, viteza de creştere este nulă dX/dt=0.

1

2

3

5

nu

măr d

e celule

timp

Septembrie 2010

Faza de creştere exponenţială se caracterizează prin multiplicarea celulelor cu

viteză constantă, timpul de obţinere a unei generaţii având valoarea minimă care poate fi

obţinută în condiţiile date. Nivelul reproducerii celulare atinge maximul şi rămâne constant

în prezenţa unei concentraţii nelimitate de substrat. In această fază, celulele sunt mai

sensibile la condiţii nefavorabile decât în faza de lag. La culturi statice, faza de creştere

exponenţială nu este lungă, deoarece atât concentraţia substantelor nutritive cât şi a

produselor de dezasimilare sunt factori limitativi. Pentru multiplicarea celulară poate fi

utilizată orice concentraţie a unui substrat utilizabil, mărirea multiplicării depinde însă de

concentraţia acestuia. In cazul mediilor nutritive complexe fiecare component al mediului,

poate fi factor limitativ numai pentru anumite specii de microorganisme.

In timpul acestei faze, viteza de creştere, dX/dt variază proporţional cu X (alură

exponenţială). In coordonate semilogaritmice curba are alura unei drepte:

m=X

1•

dt

dX

(3) Unde m este nivelul maxim de creştere.

Faza de încetinire se caracterizează prin scăderea vitezei de creştere a elementelor

nutritive din soluţie sub o anumită valoare, iar la un moment dat viteza de creştere a noilor

celule devine egală cu viteza de dispariţie. In această fază se epuizează mediul de cultură

datorită dispariţiei unuia sau mai multor elemente necesare creşterii bacteriene . Uneori faza

de încetinire poate să se producă datorită acumulării produşilor de inhibiţie proveniţi din

metabolismul bacterian.

Faza staţionară este datorită acumulării de materiale. X atinge valoarea sa

maximă şi creşterea se opreşte chiar dacă celulele mai prezintă activitate metabolică.

Faza de declin (descreştere) se caracterizează prin creşterea la maxim a vitezei de

dispariţie a celulelor vii, înregistrându-se o scădere exponenţială. Concentraţia celulelor vii

scade datorită mortalităţii care creşte de asemenea. Mortalitatea se datoreşte autolizei

enzimatice a celulor. Fazele şi ecuaţiile prezentate care caracterizează creşterea bacteriană sunt valabile

atât în mediu aerob cât anaerob.

In timpul creşterii bacteriile se divid şi cresc exponenţial până când factorii de

mediu se consumă. Dacă bacteriile găsesc hrană suficientă, se ȋ nmulţesc până la

consumarea acesteia după care urmează faza de descreştere şi ȋ n final rămâne un solid

nebiodegradabil. In fig.2 se prezintă schema de principiu a nutriţiei bacteriene unde se

observă modul ȋ n care decurge degradarea compuşilor prezenţi ȋ n apele uzate şi care sunt

utilizaţi de bacterii ȋ n procesul de creştere. Totalitatea acestor compuşi formează

substratul solubil sau insolubil.

In interiorul unei celule bacteriene ajung moleculele organice care provin de la

hidroliza substratului şi sunt utilizate la obţinerea de energie şi la construirea de noi celule.

Transferul de poluanţi din apa uzată spre biomasă are loc la interfaţă cu viteză mare şi este

eficient când interfaţa apa uzata-biomasă este mare, când concentraţia de compuşi organici

care pot fi utilizaţi de către bacterii în procesul de creştere este mare şi când la interfaţă nu

se formează pelicule lichide care să blocheze transferul de substanţe sau să permită

acumularea de substanţe toxice.




Fig.2 Schema de principiu a nutriţiei bacteriene (Edeline, 1979)

Epurare biologică ȋ n condiţii aerobe

Intr-un mediu favorabil (substrat, temperatura, pH, O2) bacteriile se multiplică şi mor

după curba de creştere prezentată ȋ n fig.1. In timpul creşterii bacteriene apar noi bacterii,

se produce CO2 şi apă. Producerea de bacterii se numeşte sinteză, iar producerea de CO2 şi

apă se numeşte oxidare:

- reacţia de sinteză (ȋ n prezenţa celulelor):

compuşi organici (hrană) + O2+ N + P→celule noi + CO2 + H2O + resturi nebiodegradabile

- reacţia de oxidare (ȋ n prezenţa compuşilor organici):

celule + O2 → CO2 + H2O + N + P + resturi nebiodegradabile

In reacţia de sinteză compuşii organici ȋ n prezenţa O2 şi a nutrienţilor anorganici

(N, P) şi cu bacteriile prezente sunt convertiţi ȋ n celule noi, CO2, H2O, resturi

nebiodegradabile. Nutrienţii anorganici sunt ȋ n principal N, P şi C şi urme de fier (Fe),

mangan (Mn), potasiu (K), şi aluminiu (Al). O celulă bacteriană tipică are formula

C25H35N5O10P (Eckenfelder, 1970) şi conform formulei rezultă că ea conţine 11,7% N şi

5,2% P.

Septembrie 2010

In urma oxidării rezultă conversia compuşilor organici rămaşi ȋ n apele uzate şi a

celulelor produse ȋ n reacţia de sinteză ȋ n CO2 şi H2O. In aplicarea tratamentului biologic

respectiv sinteză şi oxidare, se impune alegerea ȋ ntre un timp de retenţie scurt pentru a

produce şi a sedimenta o cantitate mai mare de solide sau un timp de retenţie mai lung

pentru a obţine o cantitate mai redusă de solide şi a ȋ nlocui conversia substanţelor organice

de la sinteză cu transformarea lor la oxidare.

Fig.3 Schema de epurare cu nămol activ (NR-nămol recirculat, NE-nămol excedentar, A-

amestecător, D-decantor, E-efluent, I-influent)

Schema clasică aplicată la epurarea ȋ n condiţii aerobe (fig. 3) cuprinde un amestecător

ȋ n care se pun ȋ n contact apa uzată de la decantorul primar (influent) şi care conţine

substratul şi nămolul biologic (cultura de microorganisme), un decantor secundar. Nămolul

biologic separat la decantorul secundar se recirculă parţial la amestecător şi parţial ȋ nainte

de decantorul primar.

Epurare biologică ȋ n condiţii anaerobe

Prelucrarea apelor uzate ȋ n condiţii anaerobe utilizează microorganisme active ȋ n

lipsa oxigenului pentru degradarea compuşilor organici, utilă pentru a stabiliza nămolurile

biologice ȋ nainte de a fi deshidratate sau ȋ nainte de a fi depozitate şi pentru a prelucra ape

uzate industriale. Componenţii substratului sunt descompuşi ȋ n prezenţa bacteriilor ȋ n

următoarele trei faze: (fig.4)

a) hidroliza substanţelor organice cu greutate moleculară mare şi trecerea acestora la

compuşi cu greutate moleculară mai redusă şi potrivită pentru degradarea

ulterioară;

a. acidogeneza când are loc conversia compuşilor cu greutate moleculară

mică la acizi carboxilici (acid acetic, propionic, butiric şi pentanoic);

b. metanogeneza când bacteriile metanogene degradează acizii carboxilici

ȋ n metan şi CO2.

E

NE

A D I

NR




Fig.4. Procesele de degradare la fermentaţie metanogenă (Edeline, 1979)

Concluzii

materii organice

complexe

acetat H2+CO2

CH4+CO2

hidrogenare acetogena

decarboxilare reducerea CO2

hidroliza şi

fermentatie

acizi graşi

dehidrogenare

acetogenă

Septembrie 2010

Epurarea biologică se bazează pe activitatea unor microorganisme şi prezintă

avantajul că nu necesită consum de energie şi nu se consumă reactivi. Se desfăşoară ȋ n

reactoare biologice care operează ȋ n regim aerob sau anaerob, ȋ n reactoare denitrifiante şi

nitrifiante şi ȋ n iazuri de stabilizare, pe filtre lente de nisip.

Bibliografie

1. F.Edeline, L’epuration biologique des eaux residuaires. Teorie et technologie, ed.

CEBEDOC, Liege, 1979.

2. E.Roberts Alley, P.E. Water Quality Control Handbook, McGraw-Hill, Inc, 2000

3. Sigmund C., Teoria e practica della depurazione delle acque reflue, Dario

Flaccovio Editore, 2005.

4. Ianculescu O., Ionescu Gh., Racoviţanu Raluca, Epurarea apelor uzate, MATRIX

ROM, 2005.

5. Robescu D, Robescu Diana Procedee, instalaţii şi echipamente pentru epurarea

avansată a apelor uzate, Ed. Bren, 1999.

6. Boari G., Mancini I.M., Trulli E., Technologies for water and wastewater

treatment, Options Méditerranéenes, Ser A/nr.31, 1997, Seminaires

méditerranéens

Conceptul de epurare biologica

Documents

Transcript of Conceptul de epurare biologica