Capitolul 5 PROCESE UNITARE PENTRU TRATAREA APELOR Orice tehnologie de transformare este constituit dintr-o serie de operaii succesive, continue sau ciclice, de natur mecanic, fizic, chimic sau mixt. Orict de complicat ar fi o tehnologie, ea const dintr-un numr limitat de operaii simple, distincte care se realizeaz n instalaii i aparate corespunztoare, comune pentru diverse variante de tehnologii. Pentru fiecare operaie sau proces unitar sunt importante urmtoarele aspecte: - studiul principiilor tiinifice de baz - experimentarea la scar de laborator sau pilot urmat de prelucarea datelor experimentale pentru stabilirea de relaii care s permit dimensionarea instalaiilor (stabilirea parametrilor optimi) - alegerea instalaiilor i utilajelor adecvate pentru realizarea n condiii optime a transformrilor dorite. ntre procesele unitare prin care se realizeaz tratarea apei naturale pentru obinerea apei potabile i cele de epurare a apelor uzate nu exist deosebiri eseniale, diferena constnd n natura apei brute supuse tratrii i n calitatea efluentului final care trebuie obinut. In ambele cazuri, substanele nedorite sunt ndeprtate din ap i transformate n substane acceptabile. Exist totui unele procese unitare care din considerente economice sau tehnologice, i gsesc aplicare curent numai n tratarea apei sau numai n epurarea apei. n cele ce urmeaz se adopt termenul de proces unitar pentru toate transformrile care intervin ntr-o schem tehnologic de tratare a apelor, indiferent dac sunt de natur fizic, chimic sau biologic. Produsul unei staii de tratare este o ap de calitate superioar care corespunde cerinelor unei folosine, iar acela al unei staii de epurare un efluent acceptabil care nu nrutete calitatea resurselor naturale de ap. Cele mai multe procese de tratare i de epurare a apelor aduc schimbri ale concentraiilor unor substane care sunt fie scoase, fie introduse n ap, intervenind astfel un transfer de faz ntre cele trei faze existente : gazoas, lichid, solid. n fig. 5.1 se prezint schematic tipurile de dispersii de poluani din apele uzate, dimensiunea particulelor componente, cteva caracteristici principale i procesele unitare de epurare care pot fi aplicate pentru ndeprtarea poluanilor respectivi. Scopul prezentrii acestei scheme este orientativ i ofer o imagine sintetic a sistemului de procese utilizabile pentru epurarea apelor.79

Dimensiunea particulelor, [mm] Viteza de cdere n ap linitit la 250 C, a unor particule sferice cu densitatea de 2g/cm3, [cm/s]. Categorii de particule

10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 ------- 10-9 10-6 10-3 1 Particule n suspensie micronice fine grosiere

Ioni i molecule dizolvate H2O Na+

Macromolecule i particule coloidale Funingine

Nisip de plaj Praf de crbune Bacterii

Zahr Cl-

Virui

nsuirea principal a apei sau particulelor pe care se bazeaz procesul

Procese utilizate pentru eliminarea particulelor dispersate n ap Separare pe site i ciururi Filtrare prin esturi medii, fibroase i granulare Centrifugare Sedimentare gravitaional Hidrociclonare

Dimensiunea particulelor Greutatea particulelor Volatilitatea apei Formarea reelei cristaline a gheii Transferul particulelor dispersate din faz apoas ntr-o alt faz, sub aciunea forelor intermoleculare Acumularea particulelor pe interfaa ap-aer Difuzare prin membrane a moleculelor de ap sau particulelor sub aciunea diferenelor de presiune sau concentraie Echilibrul ionic Reactivitate substanelor ap chimic prezente a n Distilare ngheare

Ultrafiltrareg

Ultracentrifugare

Extracie cu solveni Stripare Adsorbie Antrenare n spume Osmoza invers Dializa Electrodializ Schimb ionic Neutralizare Precipitare i coagulare Oxidare - reducere

Fig. 5.1. Categorii de poluani ai apei i procese utilizate pentru ndeprtarea lor 80

5.1. Egalizarea apelor uzate, uniformizarea debitelor i a compoziiei apelor industriale Apele uzate, indiferent de surs, prezint variaii n timp ale debitelor i compoziiei, datorit lipsei de uniformitate a consumurilor de ap, a cantitilor de ap eliminat din proces i a coninutului acestora n substane poluante. Sunt relativ rare cazurile n care debitul i compoziia sunt constante, cum ar fi procesele industriale cu caracter continuu, ce funcioneaz n regim staionar i n care nu intervin operaii ciclice, cum sunt industria de sintez a amoniacului, acidului azotic, metanolului, prepararea minereurilor, unele procese metalurgice, etc. n majoritatea industriilor intervin operaii discontinue care, pe ansamblu, conduc la evacuarea de ape uzate cu caracter aleator. Prezena mai multor surse de evacuare discontinue, cu periodicitate diferit, determin variaii dezordonate ale debitului i compoziiei apelor uzate. Variabilitatea compoziiei apelor uzate poate fi o consecin i a modificrii n timp a profilului i a capacitii de producie. De exemplu, n fabricile de zahr i conserve, debitele de ape uzate sunt sezoniere iar n industria chimic de sintez, de obinere a medicamentelor i coloranilor, unde se obin cantiti mici de produse pe perioade variabile de timp, se produc ape uzate numai n aceste perioade. n aceste condiii, pe platformele industriale complexe, compoziia apelor uzate este aleatoare, iar debitele prezint fluctuaii, pn la limita maxim determinat de capacitatea sistemului din care se face alimentarea cu ap. Aceste debite sunt influenate i de gradul de recirculare a apelor din industria respectiv, iar n cazul sistemelor de canalizare mixte i de regimul precipitaiilor. Variaiile de debit sunt ntotdeauna nsoite i de variaii de concentraii ale substanelor poluante. Concentraiile poluanilor sunt determinate de evacurile specifice de ap pe unitatea de produs, precum i de evacuarea materialelor nedorite. n instalaiile de tratare a apelor uzate, rezultatele depind de stabilitatea, respectiv uniformitatea regimului de intrare a apelor uzate n sistemul de tratare. Variaiile de debit n staiile de tratare au ca rezultat salturi de vitez ce perturb regimul de curgere. Instabilitatea vitezelor de curgere este duntoare mai ales n bazinele de decantare, n care vitezele mari de curgere antreneaz n efluent materiale n suspensie sau chiar materiale deja sedimentate. Uniformizarea debitelor i a compoziiei apelor uzate se face n bazine de uniformizare amplasate n serie sau n derivaie cu colectorul de canalizare i permite dimensionarea staiei de tratare la nivelul debitelor medii. n instalaiile de uniformizare a apelor uzate, respectiv n bazinele de uniformizare, cu forme i dimensiuni adaptate fiecrui caz n parte, pot avea loc i transformri chimice ntre diferiii poluani din aceste ape, cum ar fi reacii de neutralizare, de oxigenare, redox, de precipitare sau procese biochimice, toate conducnd la o degrevare a etapei de epurare.

81

5.2. Procese fizice de tratare a apelor industriale Principalele grupe de procese fizice au la baz separarea gravitaional, filtrarea i transferarea poluanilor din faz apoas n alt faz. n aceste procese substanele poluante nu sufer, n cursul separrii lor din ap, transformri n alte substane. 5.2.1. Separare gravitaional Se bazeaz pe faptul c asupra unui corp aflat ntr-un cmp gravitaional acioneaz o for, ce determin deplasarea corpului spre fundul bazinului de separare. Separarea particulelor relativ grosiere, nedizolvate n ap, sub influena cmpului gravitaional, are loc prin sedimentare sau flotaie. Dac sedimentarea gravitaional nu este eficient se utilizeaz o separare sub aciunea unui cmp de rotaie creat artificial, n care iau natere fore gravitaionale, aceast separare fiind denumit centrifugare. Dup o perioad iniial de accelerare, deplasarea, sub aciunea cmpului gravitaional, a unei particule n ap se face cu o vitez constant, datorit echilibrului dintre fora exercitat de cmpul gravitaional ( Fm) i fora de frecare ntre particul i ap ( Ff). Fm = (1- 2) gv V Ff = unde: (5.1) (5.2)

- 1 , 2 : densitile particulei i fluidului; - d, s , v : diametrul, aria i volumul particulei; - V : viteza de depunere a particulei; - g : acceleraia gravitaional; - C : coeficientul de frecare.

Cs1 v 2 2

n funcie de regimul de curgere caracterizat de numrul Reynolds (Re) i de coeficientul C, viteza de sedimentare se pate calcula cu diverse formule, dup cum se vede din tabelul 5.1 Tabelul 5.1Re 10-4< Re< 1 1 < Re< 103 103< Re< 2.105 Regim de curgere Laminar Intermediar Turbulent C 24 Re-1 18,5 Re-0,6 0,44 Formula de calcul Stokes Allen Newton

Sedimentarea particulelor ntr-un bazin ideal de form rectangular este prezentat schematic n figura 5.2, unde sunt reprezentate traiectoriile teoretice ale particulelor discrete (traiectorii drepte) i ale celor ntlnite n practic (traiectorii curbe).82

Q Debit intodus

A Aria suprafeei orizontale

Q Debit evacuat

zona de admisie

h0

Zona de sedimentare Direcia de curgere vd v0 Zona de acumulare a sedimentelor t0

t=0

t = t0 Legend: Particule discrete cu viteza v0 = h0/t0 Particule discrete cu viteza v < v0 Particule cu sedimentare stnjenit Particule care floculeaz n timpul sedimentrii

Fig. 5.2. Schema sedimentrii n ap a particulelor greu solubile ntr-un bazin rectangular (seciune vertical-longitudinal)

Bazinul de sedimentare poate fi mprit n patru zone: - zona de admisie n care amestecul de ap cu suspensii este distribuit pe seciunea transversal a bazinului; - zona de sedimentare n care particulele cad prin masa de ap, aflat n curgere orizontal cu vitez constant vd ; - zona de nmol n care se adun particulele depuse ; - zona de evacuare a apei limpezite care mai conine particulele care nu s-au depus. Traiectoriile particulelor discrete rezult din nsumarea vectorial a vitezei de sedimentare vs i a vitezei de deplasare a apei n bazin vd. Particulele cu viteza de sedimentare v0 egal cu raportul dintre adncimea bazinului (h0) i timpul de parcurgere a lungimii acestuia de ctre o particul de ap (t0), dac la intrarea n bazin (t = 0) se afl la suprafaa apei (h = 0), ating fundul zonei de sedimentare la extremitatea din aval a acesteia. Toate particulele a cror vitez de cdere este mai mare sau egal cu v0 sunt reinute n bazinul de sedimentare. n bazinele cu curgere vertical, particulele cu vitez de sedimentare mai mic dect v0 nu sunt reinute, fiind antrenate cu ap n zona de evacuare. Dimpotriv, n bazinele cu curgere orizontal, astfel de particule sunt reinute dac83

zona de evacuare

la intrarea n zona de sedimentare se afl deasupra zonei de nmol la o nlime mai mic dect produsul vt0. Decantoarele se pot construi ntr-o varietate mare de tipuri (STAS 4162-80), din decantoare eliminndu-se o ap relativ limpede i nmolul respectiv. 5.2.2. Flotaia Flotaia este procesul unitar de separare din ap, sub aciunea forelor gravitaionale, a particulelor cu densitate medie mai mic dect a apei. Astfel de particule pot fi constituite din materiale omogene sau din asocieri de materiale cu densiti diferite. n procesul de flotaie naturala, particulele materiale mai uoare dect apa (uleiuri, grsimi, hidrocarburi) formeaz asociaii cu bule de aer sau gaz din procesele microbiologice ridicndu-se la suprafaa apei care staioneaz sau care se afl n curgere liber. Stratul de material plutitor, ridicat prin flotaie, este ndeprtat prin raclare. Flotaia este procesul prin care particulele mai grele dect apa sunt antrenate la suprafa, datorit asocierii lor cu bulele de aer, ce sunt suflate n ap prin partea inferioar a bazinului. Aceast asociere cu bule de aer are consecine pozitive deoarece particulele mai grele dect apa capt o vitez ascensional datorit particulelor de aer. n flotaia cu aer, aerul este introdus fie sub form de bule, obinute prin trecerea aerului prin difuzoare poroase, fie prin degazarea aerului dizolvat n ap, ca urmare a unei detente, cnd se produce scderea brusc a presiunii gazului, aflat n echilibru n ap. Flotaia cu aer dispersat se utilizeaz la prepararea minereurilor i la ndeprtarea materiilor grase din apele uzate. Diametrul bulelor de aer este de 1-2 mm. La aceste dimensiuni bulele de aer au o vitez ascensional foarte mare i pot provoca distrugerea suspensiei coagulate din ap. Bulele mai fine (cu diametrul mai mic dect 0,1 mm) se pot obine prin destinderea apei sau prin suprasaturarea apei cu aer. Ridicarea particulelor insolubile n ap, de ctre bulele de aer, este rezultatul asocierilor reciproce, ce are loc n dou moduri: - ncorporarea de bule de aer n interiorul particulei floculate cu structur afnat; - aderarea particulelor insolubile la suprafaa bulei de aer (gaz). Mrimea forelor care rein particule insolubile pe interfaa ap-aer sau ap-gaz depind de mrimea suprafeei particulelor i de prezena unei substane tensioactive, ce are tendina de acumulare i orientare a moleculelor pe interfee. n practic, n cazul separrii prin flotaie cu aer nu este suficient doar ridicarea particulelor la suprafa ci este necesar i formarea unei spume uiliznd substane spumante. Astfel de substane pot fi chiar unii constitueni din apele uzate, iar cnd acetia nu exist n ap trebuiesc adugai. Capacitate de spumare mare au apele uzate din industria celulozei, textil, industria de prelucrare a proteinelor i n industriile fermentative.84

Pentru a se obine o bun separare prin flotaie trebuie luate msuri pentru a reduce la minimum turbulena din zona de separaie. Datorit vitezelor mari de urcare a particulelor n procesul de flotaie, timpul de retenie a apelor uzate n bazinul de flotaie este mai mic dect n bazinul de decantare. Necesarul de aer variaz funcie de natura i concentraia suspensiilor i depind de condiiile care trebuie ndeplinite de apa tratat. ntr-o instalaie de flotaie cu aer difuzat, consumul de aer este de cca 0,2-1 m3 aer/m3 ap uzat. Pentru stabilirea parametrilor optimi ai procesului de flotaie, pentru o ap uzat dat, se recomand efectuarea de teste la scar de laborator, pe un model fizic. 5.2.3. Centrifugarea Centrifugarea este un proces de separare gravitaional a suspensiilor din ap n care intervin acceleraii superioare celei gravitaionale. n cazul centrifugrii se obin viteze mari de sedimentare, ceea ce duce la o separare a unei mase mari de suspensii n unitatea de timp. Prin centrifugare se obin concentrate mai compacte, cu un coninut mai mare de solid. Datorit costurilor mari ale instalaiilor i a consumului de energie, acest procedeu se aplic de preferin apelor uzate cu coninut mare de suspensii sau pentru concentrarea nmolurilor. n epurarea apelor se utilizeaz, de regul, centrifugele decantoare cu ax orizontal, cu funcionare continu. Acestea sunt constituite dintr-un corp cilindroconic rotativ n care se rotete, la rndul su, - cu o vitez ceva mai mic un ax melcat. Apa cu suspensii este introdus prin axul corpului melcat i este proiectat spre faa interioar a peretelui corpului centrifugei. Solidele depuse pe acest perete datorit forelor centrifuge sunt raclate i mpinse de ctre corpul melcat spre zona conic a corpului centrifugei. Lichidul limpezit, numit centrat, este evacuat pe la captul opus al centrifugei. Adncimea stratului de lichid deasupra peretelui centrifugei este stabilit cu ajutorul unor deversoare circulare reglabile, peste care se evacueaz lichidul limpezit. Transportul materialului concentrat pe zona conic este o sarcin delicat, datorit forelor mari de forfecare care intervin, precum i datorit posibilitilor de stropire cu lichid limpezit, ceea ce poate readuce materialul solid n corpul centrifugei. Astfel, prin centrifugare se obin concentrate de nmol cu un coninut mai mare de 50% de substan uscat, comparativ cu nmolurile obinute prin alte metode de separare la care concentraia n substane uscate este ntre 4% i 10%.

85

5.2.4. Filtrarea Filtrarea este procedeul de trecere a apelor printr-un mediu poros, pe care are loc reinerea prin fenomene predominant fizice a unora din constituenii apelor. Funcie de spaiile libere ale mediului poros, n instalaiile de filtrare se pot reine din ap impuriti de dimensiuni variabile, de la dimensiuni foarte mari cum ar fi poluanii grosieri, pn la poluani foarte fini. La mediile poroase cu pori mari, mecanismele de reinere pe filtre este simplu, fiind oprite toate particulele cu dimensiuni mai mari dect porii filtrelor. Se vorbete astfel de un fenomen de sitare. Pe msur ce dimensiunile porilor se micoreaz, mai intervin i alte fenomene. Mecanismele care contribuie la reinerea din ap a particulelor de impuriti pe un filtru sunt foarte complexe. Reinerea pe suprafaa filtrant depinde de caracteristicile fizico-chimice ale particulelor, de caracteristicile mediului filtrant, de viteza de filtrare i de caracteristicile fizice ale apei. Curgerea prim medii filtrante poroase este meninut n mod normal n domeniul laminar att iniial (n filtru curat), ct i dup colmatarea lui cu suspensii. n aceste condiii, curgerea are loc n conformitate cu legea lui Darcy. Varietatea mecanismelor de reinere a impuritilor din ap prin filtare i gama larg de dimensiuni a particulelor care se rein a dus la o difereniere ntre procesele n care predomin efectul de sit i cele n care primeaz alte mecanisme. n cele ce urmeaz se prezint pe scurt principalele procese de reinere prin filtrare, att pentru corpuri grosiere, ct i pentru particule de dimensiunea ionilor i moleculelor. Reinerea pe grtare i site. Grtarele servesc pentru ndeprtarea din ap a impuritilor grosiere care pot forma depuneri greu de evacuat i care ar bloca sistemele de raclare, pompele i vanele, gurile de evacuare i deversoarele. Grtarele sunt formate din bare cu grosimi de 0,81,2 cm aezate la o distan de 1260 mm, nclinate cu 30-90fa de orizontal. Materialele reinute, cu dimensiuni mai mari dect interstiiile dintre bare, formeaz ele nsele straturi filtrante care mresc treptat pierderea de sarcin a apei pe grtar i trebuiesc ndeprtate periodic. Viteza apei la intrarea apei n grtare trebuie s fie de 0,3-1 m/s pentru evitarea depunerilor n camera grtarului. Pentru reinerea impuritilor de dimensiuni mai mici se utilizeaz site statice sau mobile. Reinerea pe filtre Cele mai utilizate filtre pentru ndeprtarea suspensiilor sunt filtrele granulare i filtrele cu prestrat. Materialul granular folosit frecvent este nisipul cuaros. Filtrele cu nisip sunt formate din mai multe straturi cu densiti diferite care ntr-un curent de ap86

ascendent se stratific conform densitii i la care, dup splare, se obine spontan o aranjare a granulelor cu diametrul descrescnd n sensul de curgere din timpul fazei de filtrare, fapt care permite o folosire mai eficient a adncimii filtrului. Filtrele de nisip sunt mprite n: - filtre lente cu viteze de filtrare de 0,1 0,6 m/h; - filtre rapide cu viteze de filtrare de 3 6 m/h. Aceste dou tipuri de filtre difer prin caracteristicile granulometrice ale nisipului i prin modul de regenerare. n epurarea apelor uzate filtrele cu nisip se utilizeaz n treapta secundar de epurare sau pentru finisarea efluenilor treptei biologice. n aceste filtre au loc, pe lng procesele fizice de reinere a particulelor insolubile i procese microbiologice de degradare a unor materiale organice dizolvate sau n suspensie. Filtrele cu prestrat sunt formate din suporturi poroase rigide aezate ntr-o carcas, pe care se depune un strat subire de material filtrant granular, format din particule foarte fine de 5 100 m. Fazele unui ciclu de funcionare cuprind formarea prestratului, filtarea i regenerarea. Pentru a prelungi durata fazei de filtare, uneori se adaug n apa supus tratrii materialul granular chiar n timpul filtrrii. 5.2.5. Separarea prin membrane n procesele de epurare a apei, membrana este definit ca o faz ce acioneaz ca o barier pentru speciile moleculare sau ionice din ap, prin membran putnd trece n general numai molecule de ap. Membranele pot fi constituite din materiale solide (membrane consistente), din geluri mbibate cu solveni sau din lichide imobilizate ntr-o structur poroas i rigid. Practic o membran trebuie s aib o permeabilitate mai mare pentru unele specii dect pentru altele, deci s fie permeoselectiv. Separarea prin membrane este utilizat n cea mai mare msur pentru obinerea apei potabile, dar i pentru tratarea apelor uzate. Dintre metodele ce utilizeaz separarea prin membrane, cea mai mare utilizare o au osmoza, osmoza invers, ultrafiltrarea i electrodializa. n soluie, ionii substanelor ionice sau ionii formai prin ruperea unei molecule polare sunt hidratai astfel nct volumul ionilor este mult mai mare dect volumul unei molecule de ap, sau chiar a moleculelor de ap asociate prin legturi de hidrogen. Prin porii unei membrane semipermeabile (de dimensiuni moleculare) vor putea trece molecule de ap, dar nu vor putea trece ionii hidratai. Osmoza i osmoza invers n cazul soluiilor apoase cnd dou soluii de concentraii diferite sunt separate printr-o membran semipermeabil, apa va trece prin membran din soluia mai diluat spre cea mai concentrat.87

Acest proces, cunoscut sub numele de osmoz nceteaz cnd presiunea hidrostatic care se exercit asupra soluiei mai concentrate atinge o anumit valoare de echilibru numit presiune osmotic (fig.5.3, a i b). Presiunea osmotic variaz proporional cu concentraia substanei dizolvate n ap i cu temperatura.presiune

1 3

2

p

1 3

2

1 3

2

a)

b)

c)

Fig. 5.3. Osmoza direct i osmoza invers

Procesul normal de osmoz poate fi inversat dac asupra soluiei concentrate se va exercita o presiune mai mare dect presiunea osmotic (fig.5.3 c). n acest caz, se va produce, datorit presiunii exterioare mari, o circulaie a apei n sens invers. Astfel, dintr-o ap bogat n sruri se va obine n compartimentul 1 o ap curat. Acest proces este utilizat pentru obinerea apei dulci din apa de mare. Primul material folosit la confecionarea membranelor semipermeabile a fost acetatul de celuloz, obinut n condiii speciale (celofan cu caliti speciale). Ulterior s-au obinut i membrane semipermeabile din materiale polimerizate stabile (poliamide, esteri micti de acetat - butirat de celuloz, amestecuri de acetat i nitrat de celuloz, .a.). n prezent se obin membrane ce permit o eliminare a substanelor dizolvate, mai ales a speciilor ionice, n proporie de 95-99%. Membranele folosite n separarea prin osmoz sunt foarte subiri (0,2 m) i au o fragilitate ridicat. Membranele utilizate n osmoza invers sunt supuse la diferene mari de presiune de 20 100 bar, ceea ce determin dificulti deosebite la realizarea instalaiilor practice care trebuie s aib o bun etaneitate, o structur compact, durabilitate mare i s evite colmatarea i polarizarea de concentraie. Aplicaiile osmozei inverse pentru tratarea apelor uzate sunt satisfctoare n urmtoarele condiii: - reducerea cantitilor de ape uzate prin obinerea unor soluii concentrate cu volum mai mic dect al celor de ape uzate; - dac exist posibilitatea recuperrii de materiale utile; - dac se impune recuperarea apei n zonele srace n ap; - dac se poate realiza concentrarea poluanilor n volume mici de ap, reducndu-se cheltuielile de evacuare a poluanilor.88

Ultrafiltrarea Ultrafiltrarea este procesul de separare prin membrane sub influena unei diferene de presiune. Membranele utilizate sunt caracterizate printr-o permeabilitate selectiv pentru anumii componeni ai unei soluii lichide. Se aplic mai ales pentru a separa substanele dizolvate cu greutate molecular peste500,care la concentraii mici au presiuni osmotice mici i nu pot fi separate prin osmoz. Prin ultrafiltrare pot fi ndeprtate din ap bacterii, virui, amidon, proteine, pigmeni din vopsele. Limita superioar a greutii moleculare a substanelor care pot fi reinute prin ultrafiltrare este de circa 500 000, peste aceast limit separarea avnd loc prin filtrare obinuit. n cazul ultrafiltrrii prin membrane, mecanismul principal este sitarea selectiv, n funcie de diametrul particulelor de substane poluante i diametrul porilor. Capacitatea de reinere a unei membrane pentru o substan dat depinde de dimensiunea, forma i flexibilitatea moleculelor constituente ale membranei, precum i de condiiile de exploatare. Pentru scopuri practice, se cere ca membranele de ultrafiltrare s manifeste reinere selectiv pe un domeniu relativ ngust de greuti moleculare i un flux mare de solvent la diferen mic de presiune. Pentru epurarea apelor uzate separarea selectiv nu prezint importan dect n cazul n care concentratele separate pot fi valorificate. In acest caz, ultrafiltrarea are un efect echivalent cu cel realizat prin coagulare, floculare, decantare i ngroare. Prin acest proces pot fi ndeprtate materii organice inerte i microorganisme. Electrodializa Electrodializa constituie un proces de separare prin membrane cu permeabilitate selectiv la anioni, respectiv la cationi, deplasarea acestora realizndu-se sub aciunea unui cmp electric ca n procesul de electroliz. Utilizarea unei instalaii de electrodializ cu o singur celul este neeconomic, din cauza consumurilor mari de energie n compartimentele electrozilor (pentru deshidratarea ionilor). Dac numrul de compartimente dintre electrozi este mrit (figura 5.4.), proporia de energie consumat pentru transportul ionilor crete n raport cu aceea pentru deshidratarea acelor ioni care ajung n compartimentele electrozilor. n practic se folosesc baterii de electrodializ cu 40-500 compartimente. Modul de funcionare al unei instalaii de epurare prin electrodializ reiese din figura menionat. n practic, prin electrodializ se obine o ap demineralizat numai parial. Dac demineralizarea este mpins peste anumite limite, consumurile de energie pe unitatea de ap produs cresc foarte mult, iar produsul devine asemntor cu electroliza. Electroliza poate fi utilizat pentru ndeprtarea srurilor din apele uzate (de exemplu a nitrailor din apele evacuate de pe terenurile agricole), cu condiia ca substanele organice, eventual prezente n acestea, s fi fost ndeprtate n prealabil.89

Eliminare de hidrogen gazos Ap de splare catod

Ap uzat cu salinitate ridicat

Eliminare de oxigen sau clor Ap de splare anod

catod

Na+ OHCl-

C A C A C A Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ HClClClClClCl-

anod

Reziduu catodic Ap parial demineralizat

Reziduu anodic Soluie concentrat de sruri

Legend: A - Membrane permeabile de anioni C - Membrane permeabile de cationi

Figura 5.4. Schema unei instalaii de electrodializ

Membranele pentru electroliz se realizeaz prin turnare de plci dintr-un amestec de rini schimbtoare de ioni, sub form de granule, liani ineri i solveni. Ele pot fi obinute din filme de polimeri poroase, n care se introduc prin reacie chimic, grupe funcionale schimbtoare de ioni.

Prin electroliz se pot recupera din apele uzate o varietate de substane utile: acizi carboxilici (acetic, citric, lactic), lignite, cromai, etc.5.2.6. Procese unitare care utilizeaz transferul ntre faze n timp ce n cazul proceselor fizice descrise mai nainte, dup izolarea din ap, impuritile rmn tot n faza apoas sub forma unor concentrate, exist alte procese n care epurarea are la baz transferul poluanilor din ap ntr-o alt faz nemiscibil cu apa lichid, solid sau gazoas. ntre aceste procese se ncadreaz extracia lichid-lichid, antrenarea poluanilor volatili cu abur sau cu gaz (stripare), distilarea, spumarea i adsorbia. Extracia lichid-lichid Extracia este o operaie de separare bazat pe diferena de solubilitate a componenilor din ap n unul sau mai muli solveni nemiscibili cu apa. Notnd apa cu A, poluantul cu P i solventul cu S , iar cantitile mici ale acestora n diferite faze cu a, p, i respectiv s, principiul extraciei este redat prin schema:90

(A+P) + S = (A-a) + a + p + s + (P-p) +(S-s). apa de epurat solventul apa extras extrasul

(5.3)

Apa de epurat este pus n contact cu solventul S n care poluantul P este mult mai solubil dect apa. Dup agitare ( pentru realizarea unei suprafee ct mai mari de contact ntre cele dou lichide) i dup sedimentare se formeaz conform schemei de mai sus dou straturi: apa extras i extractul. Dup separarea acestora urmeaz recuperarea solventului (de obicei prin distilare), ceea ce n cazul ideal al recuperrii totale a solventului duce la rezultatul final exprimat prin schema: (A+P) = (A-a) + p + a + (P-p) ap uzat ap epurat concentratul de poluant (5.4)

O extracie naintat a poluantului din ap se realizeaz prin repetarea operaiei de extracie cu poriuni noi de solvent proaspt. Cea mai raional variant a procesului este extracia n contracurent. n figura 5.5 este ilustrat schematic extracia cu contact multiplu n contracurent. Eficiena este i mai mare n cazul extraciei difereniale n contracurent, unde nu exist uniti distincte de amestecare i de decantare. n acest caz, apa i solventul circul n contracurent ntr-o coloan cu icane sau cu umplutur, pe baza diferenei de densitate (figura 5.6). ntr-o astfel de coloan se menin pe tot parcursul, diferene de concentraie diferite de cele de echilibru, fapt care promoveaz difuzia poluantului din ap n solvent. Un bun solvent pentru extracia poluanilor din ape uzate trebuie s ndeplineasc Amestecare 1 urmtoarele condiii: - s posede fa de impuriti o afinitate ct mai Decantare 1 ridicat n comparaie cu a apei, s aib o solubilitate ct mai sczut n ap i s dizolve Amestecare 2 ct mai puin ap pe un domeniu larg de temperatur, - s nu formeze emulsii cu apa, Decantare 2 Extract 1 - s aib o densitate ct mai diferit de a apei, Solvent - s nu sufere transformri chimice n timpul Amestecare 3 utilizrii, - s aib punct de fierbere ct mai ndeprtat de Decantare 3 al apei, Extract 2 - s fie ieftin. Ap epurat Pentru epurarea apelor uzate se folosesc, n Fig. 5.5. Schema extraciei cu special, hidrocarburi alifatice, dintre care hexanul contact multiplu n contracurent este utilizat cel mai frecvent. O variant de aplicare a extraciei n purificarea apei este aceea n care substana extras din amestec este nsi apa, nu substane dizolvate n aceasta. n91Extract final Ap brut

acest scop s-au dovedit eficieni ca solveni aminele alifatice cu 5 i 6 atomi de carbon (de exemplu diizopropilamina),care extrag n mod selectiv apa i n care impuritile (mai ales cele minerale) au o solubilitate sczut. Solubilitatea apei n dizolvanii de acest fel variaz puternic cu temperatura, astfel c prin nclzirea extractului are loc separarea apei i a dizolvantului, acesta din urm fiind refolosit n proces. Extracia se folosete la scar industrial pentru separarea i recuperarea fenolului din apele condensate de la prelucrarea termic a crbunilor i pentru extracia din apele uzate a unor metale ce sunt transformate n prealabil n compleci organici, solubili n solveni nemiscibili cu apa. Transferul lichid-gaz Substanele volatile prezente n ap pot fi ndeprtate (stripate) prin antrenare cu gaze sau vapori (aer, gaze de ardere, vapori de ap). Procesul este analog cu acela de extracie descris mai sus, rolul solventului fiind preluat de faza gazoas sau de vapori. Desfurarea procesului este favorizat de crearea unor condiii care duc la micorarea solubilitii n ap a substanei poluante, aceasta putndu-se obine, de obicei, prin modificarea pH-ului i prin ridicarea temperaturii, pH-ul acionnd favorabil prin transformarea unor poluani n forma lor neionizat, molecular, mai greu solubil. Astfel, la valori mici ale pH-ului, devine posibil ndeprtarea hidrogenului sulfurat, S2+ 2 H+ H2 S (5.5) sulfur solubil hidrogen sulfurat molecular n ap greu solubil n ap a mercaptanilor i a bioxidului de carbon i, n general, a acizilor slabi volatili, iar la valori ridicate ale pH-ului a amoniacului, aminelor alifatice inferioare i n general a bazelor slabe volatile, NH4+ + OH NH3 + H2O (5.6) ioni de amoniu amoniac molecular solubili n ap greu solubil n ap cald Striparea componenilor volatili din apele uzate se face prin realizarea unei suprafee mari de contact ntre ap i faza gazoas sau de vapori, fiind avantajoas circulaia n contracurent a celor dou faze. Contactul lor se poate asigura prin barbotarea gazului n ap n bazine deschise sau coloane cu talere, ori prin prelingerea apei peste o umplutur prin care circul n contracurent faza gazoas, n acest din urm caz putndu-se folosi instalaii asemntoare cu turnurile de rcire. Un contact bun poate fi obinut i prin pulverizarea apei n faza gazoas (de obicei n aer). Striparea cu gaze i vapori d rezultate pozitive i n cazul poluanilor organici volatili nepolari, care n mod natural au o solubilitate sczut n ap, n deosebi la temperaturi mai ridicate. Metoda este convenabil mai ales n cazul92

apelor uzate care rezult din procesul de producie i deci, nu mai necesit consum de energie pentru nclzire. Striparea poluanilor n atmosfer conduce la impurificarea acesteia i, de aceea, se recomand descrcarea gazelor de stripare prin couri nalte. O soluie mai raional este captarea i valorificarea poluanilor. Astfel, substanele volatile cu caracter bazic pot fi absorbite n soluii ale unor acizi tari cu obinerea de sruri, de exemplu n cazul amoniacului care absorbit n acid sulfuric formeaz sulfat de amoniu, folosit ca ngrmnt agricol, iar substanele acide n soliii ale unor baze tari, de exemplu, prin absorbia hidrogenului sulfurat n hidroxid de sodiu se obine sulfura de sodiu utilizabil n industria celulozei. Din date experimentale a reieit c pentru a ndeprta 1 kg. de hidrogen sulfurat sunt necesari 100-200 m3 aer/m3 ap uzat. n cazul striprii amoniacului, literatura menioneaz (n cazul folosirii instalaiilor de tipul turnurilor de rcire cu funcionare la temperatur ambiant) consumuri de aer foarte ridicate de 20003500 m3 aer/1m3 ap uzat. n epurarea apelor uzate, pentru unele scopuri, prezint importan practic i procesul invers, de transfer n ap a unor componeni din faza gazoas. Cel mai important caz este acela de introducerii de oxigen n ap. Aceasta se realizeaz cu ajutorul oxigenului gazos, dar, mai eficient, cu ajutorul aerului (aerare). Pentru aerare sunt folosite numeroase tipuri de dispozitive, clasificate, de obicei, n mecanice i pneumatice, acestea asigurnd dispersia apei n aer sau /i a aerului n ap pentru crearea unei arii ct mai mari a suprafeei de separare ap-aer pe care are loc transferul. Distilarea Distilarea este procesul de epurare a apelor uzate prin trecerea apei n faz de vapori prin nclzire , urmat de condensarea vaporilor. Datorit volatilitii reduse a majoritii impuritilor dizolvate, se obine, de obicei, o ap cu calitate net mbuntit. Prin distilare se ndeprteaz i materii n suspensie , iar microorganismele sunt distruse aproape n totalitate. n comparaie cu alte procese de epurare a apelor uzate, distilarea este n prezent dezavantajoas datorit consumului relativ ridicat de energie. Chiar n cazul utilizrii unor sisteme raionale de nclzire, cum ar fi evaporatoare cu efect multiplu, consumul de cldur este semnificativ, de cca 45 kcal./1 kg ap. Totui, distilarea poate fi justificat cnd este folosit pentru concentrarea unor eflueni cu toxicitate mare, care urmeaz a fi distrui prin incinerare. nghearea nghearea ca proces de epurare, const n trecerea apei din faz lichid n faz solid sub form de cristale de ghea constituite din ap aproape pur, care se separ de soluia rezidual mbogit n impuriti. Prin topirea cristalelor de ghea (dup prealabila lor splare cu ap curat) se obine o ap de puritate ridicat.93

O variant a procesului de ngheare se bazeaz pe formarea, la temperaturi apropiate de 00C, ntre ap i anumite substane, cum ar fi hidrocarburi alifatice cu greutate molecular mic sau derivai halogenai ai acestora, a unor combinaii solide care cuprind n reeaua lor cristalin molecule de ap pur i de hidrocarbur. Dup separarea din lichidul iniial i topirea cristalelor rezult dou faze nemiscibile, apa curat i agentul de hidratare. Dac acesta din urm este, de exemplu, propanul, temperatura de topire a hidratului este de circa 5,70C. Spumarea Spumarea este procesul de separare din ap a unor impuriti organice dizolvate ca urmare a tendinei de acumulare a lor pe interfaa ap-aer, respectiv datorit respingerii lor din masa de ap. Cantitatea de poluant separat este proporional cu aria interfeei aer-ap, i n acest caz este avantajoas existena unei arii ct mai mari, care poate fi obinut prin spumare. Formarea spumei este condiionat de prezena n ap a substanelor superficial-active, care au capacitatea de a micora tensiunea superficial a apei. Astfel de substane, de exemplu detergenii, proteinele i hidrolizate de proteine, sruri ale unor acizi organici sulfonici i carboxilici, saponine etc., pot fi prezente ca poluani n apele uzate. Exist i situaii n care, pentru formarea spumei sau pentru a mbunti separarea unor impuriti se adaug ageni de spumare, cum ar fi detergenii cationici n doz minim de circa 0,5 mg/l. Formarea spumei este indus prin barbotarea n ap a aerului, de preferin difuzat sub form de bule fine. Consumurile de aer sunt de ordinul a 4-8 m3/m3 ap uzat, iar timpii de retenie hidraulic n bazinul de spumare de 5-10 min. Spuma acumulat la suprafaa apei n bazinul de spumare se ndeprteaz continuu prin raclare, n asemenea cantitate i de la o astfel de diferen de la suprafaa masei de lichid, nct coninutul n ap al spumei s fie ct mai sczut. Este de dorit ca volumul de concentrat lichid, rezultat dup spargerea spumei, s nu depeasc 1% din volumul apei epurate. Separarea prin spumare a fost aplicat la ndeprtarea detergenilor din ape i la epurarea apelor uzate din industria celulozei i a hrtiei. Adsorbia Adsorbia, ca proces de epurare, are la baz fenomenul de reinere pe suprafaa unui corp a moleculelor unei substane dizolvate n ap. Materialul solid sau lichid pe care are loc reinerea se numete adsorbant iar substana care este reinut adsorbat. Substanele reinute pot fi ndeprtate prin nclzire sau extracie, astfel nct adsorbantul i recapt aproape n ntregime proprietile iniiale. Adsorbia permite reinerea unor poluani chiar cnd acetia sunt prezeni n concentraii mici i prezint selectivitate pentru anumite substane. Procesul de adsorbie este caracterizat prin echilibrul de adsorbie, care exprim repartiia cantitativ, la echilibru, a substanei adsorbite ntre faza de94

adsorbant i faza apoas supus epurrii i prin cinetica de adsorbie, care urmrete mecanismul procesului i viteza cu care se desfoar acesta. Raportul de distribuie al adsorbantului ntre adsorbant i ap la o temperatur dat, dup un timp de contact suficient pentru stabilirea echilibrului, se exprim prin izoterma de adsorbie (figura 5.7). Pe baza unor teorii cu privire la mecanismul adsorbiei sau pe baza rezultatelor experimentale au fost propuse ecuaii care reuesc s descrie izotermele de adsorbie (pe poriuni limitate).Valoarea de saturaie103 mg/l Cantitatea adsorbit , (mg/g) 100 75 50 25 1 2 3 4 5 6

Concentraia (c), (mg/l)

Figura 5.7. Izoterma de adsorbie a fenolului pe crbune activ, la temperatura camerei

O ecuaie frecvent utilizat, dezvoltat pe baze empirice, a fost propus de Freundlich a = K Cn, (5.7) unde: a - cantitatea adsorbit pe un gram de adsorbant, n mg/g; K i n - constante C - concentraia adsorbatului n faza lichid, n mg/l.

Ca adsorbani se utilizeaz materiale solide caracterizate printr-o suprafa specific foarte mare. La crbunele activ, adsorbantul cel mai folosit n epurarea apelor, suprafaa specific ajunge la valori n jurul a 1000 m2/g. Crbunele activ se utilizeaz sub form de granule (diametre de 1-6 mm) sau de pulberi (0,10,5 mm).n afara crbunelui activ au fost folosii ca adsorbani pentru epurare i cocsul, cenuile fine de la arderea combustibililor, cenuile de la arderea nmolurilor etc. Cercetrile privind adsorbia pe crbune activ a impuritilor dizolvate n ap au condus la urmtoarele concluzii: - capacitatea de adsorbie este puternic influenat de greutatea molecular a adsorbatului , crescnd o dat cu aceasta; - creterea temperaturii micoreaz capacitatea de adsorbie, dar mrete viteza de adsorbie; - scderea pH-ului influeneaz de obicei favorabil capacitatea de adsorbie; - capacitatea de adsorbie i viteza de adsorbie cresc la micorarea dimensiunilor particulelor de adsorbant; - capacitatea de adsorbie depinde de timpul de contact, fiind maxim la atingerea echilibrului. Adsorbia se aplic, de regul, pentru ndeprtarea din ap a unor impuriti n concentraie sczut, rmase dup aplicarea altor procese de epurare i atunci cnd se impune un grad de epurare foarte ridicat. Sunt rare cazurile n care substanele adsorbite din ap sunt separate din adsorbant prin desorbie n vederea

95

valorificrii; adsorbanii epuizai sunt fie aruncai, n cazul adsorbanilor ieftini, fie regenerai pentru refolosire. Dup modul n care se realizeaz contactul ntre apa de epurat i adsorbant se disting adsorbia static i dinamic. n primul caz adsorbantul fin divizat este agitat cu apa i dup un timp anumit este separat prin decantare sau filtrare, n timp ce n cazul adsorbiei dinamice, apa uzat strbate n flux continuu un strat fix, mobil sau fluidizat de adsorbant. Cele mai multe instalaii de epurare prin adsorbie sunt de tipul dinamic i utilizeaz paturi fixe de crbune activ cu granulaia de 0,5-2,0 mm, mai ales n filtre nchise, nlimea stratului de crbune n aceste filtre fiind de 1-3 m. n unele cazuri, au fost folosite i filtre deschise, cu viteze mai mici i cu nlimi ale stratului de 0,5-1,0 m. Creterea timpului de contact ntre ap i crbune influeneaz semnificativ eficiena epurrii, n timp ce, o vitez mrit de circulaie a apei favorizeaz adsorbia. La filtrele cu crbune activ se adopt viteze de filtrare de 5-30 m / h. Pentru a evita colmatarea filtrelor este important ndeprtarea prealabil a poluanilor n suspensie. Din experien rezult c un crbune activ de bun calitate poate adsorbi o mas de substane organice reprezentnd cca. 5% din masa sa, dup care este necesar regenerarea. Aceasta se face mai ales pe cale termic; la cca. 9000C n atmosfer cu compoziie controlat de aer i vapori de ap. Pentru alegerea adsorbantului i pentru stabilirea condiiilor de exploatare optime se recomand efectuarea prealabil de teste de laborator. 5.3. Procese chimice Procesele chimice de epurare sunt acelea n care poluanii sunt transformai n alte substane mai uor de separat, cum ar fi precipitate insolubile sau gaze care pot fi stripate, cu nocivitate mai sczut sau mai susceptibile de a fi ndeprtate prin alte procese de epurare, de exemplu prin procese biologice. 5.3.1. Neutralizarea Neutralizarea este procesul prin care pH-ul unei ape uzate, avnd valori n afara intervalului favorabil dezvoltrii florei i faunei acvatice (pH=6,5-8,5), este reglat prin adaus de acizi sau baze dup caz. Neutralizarea apei are ca efect i micorarea nsuirilor corozive ale apei care pot determina degradarea materialelor cu care vine n contact, cum ar fi conducte , construcii i instalaii de transport sau de epurare.

96

Neutralizarea apelor acide Industriile care evacueaz acizi sunt foarte variate : fabrici de acizi i de explozivi , industria metalurgic , decapri i acoperiri metalice, rafinrii de petrol , fabrici de ngrminte , instalaii de obinere a derivailor organici halogenai , etc. nainte de a stabili msurile de neutralizare este necesar, n primul rnd , s se epuizeze toate posibilitile de a micora cantitatea de acizi evacuat ; prin aceasta , n afar de economia de acizi se obine i micorarea cheltuielilor pentru neutralizare. n al doilea rnd , trebuie examinat posibilitatea de neutralizare reciproc , total sau parial , a apelor uzate acide i alcaline , rezultate din aceeai ntreprinderea sau din ntreprinderi nvecinate. n astfel de cazuri, se prevd bazine de egalizare separate pentru ape acide i cele alcaline, bazine din care se poate realiza apoi o dozare proporional cu debitele medii ale celor dou categorii. Pentru neutralizarea apelor acide se poate folosi o gam larg de substane cu caracter bazic (oxizi, hidroxizi, carbonai). Alegerea neutralizantului se face n funcie de natura acidului care trebuie neutralizat, de costul neutralizantului, de volumul i caracteristicile sedimentelor formate dup neutralizare. Neutralizanii care pot fi luai n consideraie n practic sunt : piatra de var CaCO3 i dolomita CaMg(CO3)2; varul CaO sub form de hidroxid de calciu(lapte de var sau var stins praf); NaOH i Na2CO3. Pentru neutralizare se pot folosi i unele deeuri industriale cum sunt nmolurile de la fabricile de sod, unele sterile de la preparaiile miniere, nmolurile de la obinerea acetilenei din carbid, etc. Piatra de var (CaCO3) este unul dintre primii neutralizani folosii pentru neutralizarea apelor acide. Dup proveniena ei, piatra de var prezint reactivitate variabil fa de acizii minerali. Aceasta depinde de compoziia chimic i mai ales de structura cristalin a materialului. Reactivitatea diferitelor feluri de carbonai de calciu naturali scade n ordinea: dolomit, cret, ardezie, marmur, calcar de scoici. Filtrarea printr-un strat de calcar granular are efect de neutralizare numai n cazul apelor cu coninut mic de acizi pn la 0,3-0,5 % ;dac concentraia este mai mare, n afar de scderea reactivitii , se produce o cimentare a granulelor din patul filtrant. Avnd n vedere c prin reacia calcarului cu acidul sulfuric rezult sulfat de calciu greu solubil, calcarul nu este indicat pentru ape uzate care conin acest acid, ntruct sulfatul de calciu format pe suprafaa granulelor mpiedic contactul ulterior al acidului cu carbonatul de calciu. Reactivitatea pietrei de var este micorat chiar i n cazul acizilor clorhidric i azotic, dac acetia sunt prezeni n concentraii mai mari (peste 1,2 %), dei dau compui de reacie solubili. Explicaia pare a fi aceea c la concentraii mari de acizi rezult o cantitate sporit de bioxid de carbon care, acoperind o mare parte din granulele de calcar, le micoreaz suprafaa de contact. Neutralizarea prin filtrare peste piatr de var nu este posibil cnd n ap sunt prezeni ioni ai metalelor grele care formeaz pelicule de hidroxizi pe suprafaa granulelor. Piatra de var se poate folosi la neutralizare i sub form de pulbere care se adaug ca atare, n stare uscat, sau sub97

form de suspensie apoas. i n acest caz apar limitele menionate, legate de natura i concentraia acizilor. Varul stins sub form de praf (var hidratat) prezint avantajul c poate fi manipulat, transportat i dozat n aceast stare cu mult uurin. Dozarea varului sub form de praf are n plus avantajul c reduce timpul de decantare i volumul sedimentelor Laptele de var (suspensie de hidroxid de calciu n ap) se folosete la neutralizare n concentraie de 5-10 % CaO. Doza de var se calculeaz astfel nct s reprezinte circa 105 % din valoarea calculat stoichiometric. n cazul neutralizrii acidului sulfuric, se recomand ca reglarea adausului s fie fcut astfel nct pH-ul amestecului s fie ct mai aproape de valoarea pH=7, cnd rezult un precipitat cu granule mai mari care sedimenteaz mai repede. Hidroxidul i carbonatul de sodiu sunt neutralizani foarte eficieni, uor de transportat, depozitat i dozat, care duc la formarea unor sedimente mai puin voluminoase dect calcarul i varul. n schimb, costul lor este mai ridicat. Cele dou substane pot fi achiziionate ca produse solide, hidroxidul de sodiu putnd fi achiziionat i sub form de leie concentrat. Neutralizarea apelor alcaline Cantitile de alcalii care se evacueaz cu apele uzate industriale sunt n general mai mici dect cele de acizi. Pentru neutralizarea apelor alcaline se pot folosi acizii reziduali rezultai din diferite procese industriale, cu condiia ca acetia s nu conin n concentraii suprtoare alte impuriti. Un neutralizant ieftin pentru apele uzate alcaline l constituie gazele de ardere bogate n bioxid de carbon, circa 14 % vol., care rezult de exemplu de la centralele termice. Se poate utiliza i bioxidul de carbon mbuteliat, n acest caz, instalaia i exploatarea ei sunt foarte simple, dar cheltuielile sunt ridicate. Bioxidul de carbon pentru neutralizare poate fi produs i direct n apele uzate, prin combustie cu ajutorul unui arztor scufundat. La instalaiile de neutralizare cu funcionare continu se recomand automatizarea dozrii reactivilor n funcie de pH-ul urmrit. Cum n practic aciditatea sau alcalinitatea apelor uzate brute este foarte variabil, nu este posibil reglarea manual a dozei de reactivi de neutralizare. n cazul debitelor mici de ape uzate se pot adopta instalaii de neutralizare cu funcionare discontinu, simple, uor de exploatat i sigure. In fig.5.8. este prezentat schema unei instalaii de neutralizare n regim continuu.

98

Agent neutralizant

Regulator pH Influent

Regulator pH Ap neutralizat

Figura 5.8. Instalaie de neutralizare

5.3.2. Oxidarea i reducerea Oxidarea i reducerea sunt procese n care substanele se transform n altele ca urmare a schimbului de electroni. Despre materialele care se transform cednd electroni se spune c se oxideaz, iar despre cele care accept electroni, c se reduc, cele din prima categorie fiind materiale reductoare, iar cele din a doua, materiale oxidante. ntruct nu poate exista o reacie de oxidare fr o reacie cuplat de reducere, procesul n ansamblul su este numit o reacie de oxidoreducere. Aceast interpretare a reaciilor de oxido-reducere este aplicabil compuilor anorganici. n cazul celor organici, oxidarea se poate defini ca avnd loc atunci cnd are loc un transfer de specii diferite de cele ionice normale, i anume: electronul e-, atomul liber de hidrogen H, atomul liber de oxigen O, radicalul hidroxil OH, atomul liber de clor Cl, ionul de clor Cl+ sau alte specii asemntoare. Pentru scopuri practice, n domeniul epurrii apelor se poate accepta interpretarea reaciei de oxidare ca aceea n care are loc adiie de oxigen sau ndeprtare de hidrogen. Oxidarea Scopul oxidrii n epurarea apelor uzate este de a converti compuii chimici nedorii n alii care nu sunt, sau sunt mai puin suprtori. n acest scop, nu este necesar oxidarea complet, de exemplu, n cazul substanelor organice, nu este necesar transformarea lor pn la bioxid de carbon, ap i ali oxizi. Oxidarea se aplic att substanelor anorganice (de exemplu Mn2+, S2-, CN-, SO32- etc.) ct i celor organice (de exemplu fenoli, amine, acizi humici, diverse combinaii cu nsuiri toxice, bacterii etc.). Oxidarea chimic cu oxigen din aer decurge cu viteze satisfctoare numai la temperaturi i presiuni peste cele ordinare i, eventual, n prezen de catalizatori. n practic se recurge la ageni oxidani mai energici: ozonul, permanganaii, feraii, apa oxigenat, clorul i bioxidul de clor. Costul ridicat al unora dintre acetia, cum sunt feriii i apa oxigenat, a limitat mult aplicarea lor n practic. Exist i alte metode de oxidare, indirecte, dintre care cea mai important este oxidarea anodic direct prin intermediul unor produi de electroliz, de exemplu cu clor activ. Activitatea agenilor chimici oxidani poate fi intensificat99

prin asociere cu introducerea n sistem de energie sub diferite forme pentru a favoriza apariia speciilor de oxigen cu mare potenial oxidant (radicali liber OH, oxigen atomic, ozon, peroxizi etc.). n acest sens, se aplic iradiere cu raze gama, raze ultraviolete, ultrasunete, producerea fenomenului de cavitaie etc., sau prin folosirea unor catalizatori (oxizi de cupru, nichel, cobalt, zinc, crom, fier, magneziu, platin poroas, chinone, etc.). Oxigenul, care are o mare importan n epurarea biologic aerob, este introdus n apa uzat de epurat, de obicei, prin aerare. Oxigenul molecular este folosit, de exemplu, pentru oxidarea ionilor bivaleni de fier i mangan i a sulfurilor, n prezen de catalizatori). Ozonul este oxidant mult mai energic, capabil s reacioneze rapid cu o gam larg de poluani i cu microorganismele din ap. El este generat prin descrcri electrice la tensiuni nalte (5000-30000 V) n aer sau n oxigen uscat, aplicnd concomitent rcirea pentru a evita descompunerea. n practic, pentru a produce 1 kg. ozon se consum o cantitate de energie de cca. 7 kWh. Aerul i oxigenul ozonizat sunt introduse n ap prin difuzorii poroi sau prin sisteme mecanice de dispersie. n epurarea apelor uzate, ozonul este folosit pentru decolorare, dezinfecie, oxidarea parial a unor substane nocive (fenoli, detergeni, cianuri etc.). Este de subliniat c ozonul are o toxicitate ridicat, pentru expunere continu concentraia n aer fiind limitat 1a circa 0,1 mg/m3). Permanganaii sunt oxidani puternici folosii mai ales pentru finisarea efluenilor care au fost supui anterior altor procese de epurare, pentru eliminarea culorii i a mirosului, oxidarea fierului, sulfurilor i cianurilor. La tratarea cu permanganai rezult bioxid de mangan hidratat, care, pe de o parte funcioneaz ca absorbant i coagulant, dar pe de alt parte necesit a fi ndeprtat din ap. Clorul poate oxida eficient hidrogenul sulfurat, mercaptanii, nitriii, amoniacul, fierul i manganul, cianurile i unele substane organice. Deosebit de rspndit este distrugerea cianurilor cu clor pn la formare de cianai sau chiar de azot molecular, conform reaciilor: CN- + OCI- CNO- + Cl(5.8) 2 CNO- + 3 OCl- N2 + 2 HCO3- + 3 Cl(5.9) Un dezavantaj al folosirii clorului la tratarea apelor care conin substane organice este formarea compuilor organici halogenai cu nocivitate ridicat. Acest efect este eliminat n cazul folosirii bioxidului de clor, care, datorit stabilitii sale sczute, se prepar n situ. n afara clorului molecular, pentru epurarea se utilizeaz i alte produse cu coninut de clor activ, cum ar fi hipocloriii de sodiu i de calciu, clorura de var, cloraminele. Reducerea Ca i oxidarea poluanilor, reducerea este folosit pentru transformarea unor poluani cu caracter oxidant, nociv, n substane inofensive sau care pot fi ndeprtate din ap prin aplicarea altor procese de epurare. Un caz tipic este100

reducerea cromului hexavalent la crom trivalent n vederea precipitrii acestuia ca hidroxid, conform reaciei: Cr2O72- + 6FeSO4 + 7H2SO4 Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + 7H2O + SO42(5.10) Reducerea se poate face cu fier bivalent sau cu acid sulfuros n mediu acid. Agenii reductori folosii curent n practic sunt srurile fierului bivalent, sulfiii, acidul sulfuros i alte combinaii cu sulf la valene mai mici dect 6, fierul metalic n mediu acid. n afar de tratarea apelor cu coninut de cromai i bicromai, reducerea este aplicat pentru eliminarea clorului activ n exces cu sulfii sau cu bioxid de sulf, insolubilizarea unor ioni metalici, Cu, Ag, prin reducere cu metale ordinare (de exemplu cu fier), transformarea nitroderivailor aromatici n amine, prin reducere cu hidrogen nscnd, transformarea compuilor organici halogenai prin nlocuirea halogenului cu hidrogen etc. 5.3.3. Precipitarea Precipitarea este procesul de epurare bazat pe transformarea poluanilor din apele uzate n produi greu solubili. Precipitarea este, de regul, rezultatul unor reacii chimice din care rezult substane mai greu solubile, dar ea poate avea loc i n urma schimbrii unor condiii fizice, cum ar fi suprasaturarea unei ape prin concentrare, micorarea solubilitii unor substane organice prin sporirea concentraiei de electrolii, micorarea solubilitii unei sri prin mrirea concentraiei unuia dintre ionii care o compun respectiv a ionului cu nocivitate sczut. n legtur cu acest ultim exemplu, este ilustrativ mrirea eficienei de ndeprtare a fluorurilor din ap, la precipitarea lor ca fluorur de calciu, prin introducerea de ioni de calciu, eventual prin adaus de CaCl2. Acest adaus deplaseaz echilibrul n favoarea transformrii unei cantiti mai mari de ion F- n fluorur de calciu greu solubil, conform reaciei: 2 F- + Ca2+ CaF2 (5.11) precipitat Tabelul 5.1. Valorile pH la care solubilitatea hidroxizilor unor metale se situeaz sub 10mg/l respectiv sub 1 mg/l.Ionul metalic Mg2+ Mn2+ Fe2+ Ni2+ Co2+ Zn2+ Cr3+ Al3+ Fe3+ Valorile pH-ului pentru: S