Universitatea Politehnic din Bucureti

Epurarea biologic a apelor

Student : Moise Denisia NicoletaGrupa : 1142 CEPAProfesor coordonator : Covaliu Cristina

Cuprins

IntroducereEpurarea apelor se definete ca fiind ansamblul de operaii fizice, chimice i biologice care se aplic apelor uzate pentru a reduce concentraia n substane organice, anorganice i nutrieni i a obine o ap care poate fi evacuat n mediul nconjurtor n condiii de siguran.Prinepurarea biologicse nelege complexul de operaiuni i faze tehnologice prin care materiile organice existente n apele uzate provenind din cele mai diverse activiti antropice sunt transformate cu ajutorul unor culturi de microorganisme, n produi de degradare fr nocivitate, (CO2, H2O, CH4, i altele) i o mas celular nou (biomas), inofensiv. Epurarea apelor uzate poate fi mai mult sau mai puin complex, n funcie de caracteristicile fizico-chimice i microbiologice ale apelor i de cerinele de calitate pentru evacuarea n rurile receptoare. Apele uzate, avnd un predominant caracter anorganic, pot fi tratate prin procedee fizico-chimice n care eliminarea substanelor impurificatoare se face prin procese chimice i fizice ca de exemplu: sedimentare, neutralizare, precipitare, coagulare, adsorbie de crbune activ, schimb ionic, etc. Apele uzate cu caracter pronunat organic, pot fi tratate prin procedee fizico-chimice i/ sau biologice, n ultimul caz, eliminarea substanelor organice impurificatoare fcndu-se prin procese biochimice, procesele metabolice ale microorganismelor .Pn n prezent, specialitii n domeniul epurrii apelor consider c metoda cea mai eficient i mai economic de ndeprtare a substanelor organice din apele uzate este folosirea procedeelor de epurare biologic. Aceste procedee se bazeaz pe reaciile metabolice ale unei populaii mixte de bacterii, ciuperci i alte microorganisme (n special protozoare i unele metazoare inferioare), care i desfoar activitatea n anumite construcii hidrotehnice, instalaii de epurare. n practica epurrii, aceast populaie (biocenoza) se numete biomas.Compoziia biocenozelor i randamentul de ndeprtare a substanelor organice depinde de condiiile de mediu: compoziia apei uzate i concentraia de impuriti, temperatura, condiiile de amestec, modul de exploatare a instalaiei de epurare. Diferitele specii ale biomasei coexist n echilibru dinamic; frecvena lor poate fi modificat de factorii enumerai mai sus. Fluctuaiile temporale ale factorilor de mediu sunt compensate de dinamica populaiei de microorganisme care are o bun capacitate de adaptare; n acest fel, calitatea apei epurate variaz puin. Fluctuaiile de lung durat ale condiiilor de mediu, ca i intoxicrile acute ale organismelor, datorit evacurii de poluani toxici, conduc la variaii considerabile ale biocenozei; n acest caz, efluentul 'epurat' nu mai are calitile cerute. Apele uzate menajere, reprezint amestecuri neomogene a zeci de compui organici simpli i complecsi care sunt asimilai de ctre microorganisme, n principal glucide, aminoacizi, esteri ai acizilor grai. Apele uzate industriale se evacueaz dup folosirea apei n procesele de obinere a materiilor prime i n cele de producere a bunurilor necesare activitii economice i sociale, se caracterizeaz prin variaii mari ale compoziiei i concentraiei; ntr-un timp dat, putem ntlni n aceeai ap uzatmaterii prime, produi intermediari, produi finali, i produi ai reaciilor secundare.

O staie de epurare a apelor uzate cuprinde o serie de faze dup cum urmeaz: faz de preepurare care are drept scop reinerea poluanilor la surs. De obicei se aplic apelor uzate provenite din industrie sau din domeniul medical. faz de epurare preliminar cu scopul reinerii materialelor de dimensiuni mari, mrunirii lor i proteciei echipamentelor din staie. Operaiile se realizeaz pe grtare, site, desnisipatoare, dezintagratoare (toctoare). faza de epurare primar cuprinde ndeprtarea materialelor solide n suspensie, sedimentabile sau flotabile. Operaiile se realizeaz prin sedimentare n decantoare primare. faza de epurare secundar sau treapta biologic are drept scop distrugerea sau conversia compuilor organici (ca CBO5 ) i a unui procent redus de nutrieni (10%). Tratamentul biologic se efectueaz n bazine cu nmol activ, biofiltre, biodiscuri, lagune aerate. faza de epurare teriar sau avansat cuprinde ndeprtarea compuilor pe baz de azot i fosfor care sunt cauza eutrofizrii receptorilor naturali n care se evacueaz apele uzatefaza de dezinfecie are rolul de a ndeprta agenii patogeni nociv pentru om i celelalte vieuitoare. epurare special cu scopul de a ndeprta compuii toxici utiliznd tehnici specifice cum sunt schimbul ionic, adsorbia pe cbune activ, extracia.Faza de epurare preliminar i cea de epurare primar constituie treapta de epurare mecanic a apelor. Epurarea biologic prezint avantajele eliminrii compuilor solubili organici din ap fr consum de reactivi i fr un consum mare de energie.Principii generale ale epurrii biologiceTratamentul biologic se aplic n cazul n care substanele organice prezente n apele uzate sunt degradabile i nu sunt nsoite de substane toxice. Bacteriile folosesc enzimele pentru a obine hrana sub form de hidrocarburi. In procesul de conversie a hidrocarburilor n hran pentru bacterii, enzimele degradeaz hidrocarburile n condiii aerobe (in prezena oxigenului) la dioxid de carbon (CO2 ) i ap sau n condiii anaerobe (n absena oxigenului sau a oxigenului n combinaii chimice) prin intermediul ciclului Krebbs la dioxid de carbon (CO2), hidrogen sulfurat (H2S), metan (CH4) i ap.Pentru exemplificare se prezint reaciile de degradare a glucozei n cele dou situaii:C6H12O6 + 6O2+ 6CO2 + 6H2O + 680kcal (condiii aerobe)[1]C6H12O6 +2CO2 + 2C2H5OH + 22kcal (condiii anaerobe, fermentaie) [2]Se constat c n primul caz se elibereaz o cantitate mare de energie necesar activitii celulare pentru formarea noilor structuri celulare, iar n cazul al doilea o cantitate mai redus de energie.Descompunerea compuilor organici n condiii aerobe sau anaerobe poate fi considerat un mod de convertire a poluanilor organici n compui nepoluani.Bacteriile care intervin n epurarea biologic sunt, n funcie de modul lor de hrnire: bacterii heterotrofe i bacterii autotrofe. Cele dinti descompun substanele organice i substanele anorganice cu azot n lipsa oxigenului molecular, pot s reduc nitraii la nitrii, NH3 sau N2 i reduc sulfaii la H2S. Bacteriile autrofe obin energia necesar n etapa de asimilaie prin fotosintez sau chemosintez din substane anorganice. Astfel sulfobacteriile oxideaz H2S la S sau SO4-, bacteriile nitrifiante oxideaz NH3 la NO2 i NO2- la NO3-.Bacteriile au nevoie de anumite condiii de mediu pentru a se nmuli ceea ce se petrece prin multiplicare n timpul creterii bacteriene. In condiii aerobe creterea bacterian necesit hran (substrat), oxigen, azot, fosfor i conduce la eliberarea de energie i de dioxid de carbon, iar n condiii anaerobe evolueaz dup ciclul Krebbs. Bacteriile necesit de asemenea condiii de temperatur i de pH i un mediu lipsit de substane toxice. In faza de lag (acomodare), are loc adaptarea celulelor i sintetizarea enzimelor necesare metabolizrii substratului (substana asupra careia acioneaz o enzim n timpul unei reacii biochimice. Substratul poate s furnizeze substane nutritive organismuluirespectiv sau este folosit numai ca suport. Aceast faz este important cnd apa nu este nsmnat n prealabil cu germeni adaptai cum este cazul unor deeuri industriale.Celulele i adapteaz echipamentul enzimatic la mediul n care se dezvolt. Lungimea acestei faze depinde de durata unei generaii, de specia bacterian, de cantitatea de inocul i de faza de multiplicare a culturii folosit pentru nsmnare i nu n ultimul rnd de mediul n care a fost crescut. La schimbarea mediului, faza de lag dureaz mai mult pentru ca n noul mediu s apar noile enzime induse. Uneori selectarea celulelor care au posibiliti enzimatice de supravieuire se face genetic i faza de lag poate dura un timp ndelungat. In procesul epurrii, faza de lag trebuie s aib o durat foarte mic, de aceea este preferabil ca nsmnarea instalaiei s se fac cu o cantitate suficient de biomas deja adaptat la substanele organice existente. In timpul fazei de lag nu exist reproducie celular.Dac X este concentraia celular la t=0, viteza de cretere este nul dX/dt=0. Faza de cretere exponenial se caracterizeaz prin multiplicarea celulelor cu vitez constant, timpul de obinere a unei generaii avnd valoarea minim care poate fi obinut n condiiile date. Nivelul reproducerii celulare atinge maximul i rmne constant n prezena unei concentraii nelimitate de substrat. In aceast faz, celulele sunt mai sensibile la condiii nefavorabile dect n faza de lag. La culturi statice, faza de cretere exponenial nu este lung, deoarece att concentraia substantelor nutritive ct i a produselor de dezasimilare sunt factori limitativi. Pentru multiplicarea celular poate fi utilizat orice concentraie a unui substrat utilizabil, mrirea multiplicrii depinde ns de concentraia acestuia. In cazul mediilor nutritive complexe fiecare component al mediului, poate fi factor limitativ numai pentru anumite specii de microorganisme. Faza de ncetinire se caracterizeaz prin scderea vitezei de cretere a elementelor nutritive din soluie sub o anumit valoare, iar la un moment dat viteza de cretere a noilor celule devine egal cu viteza de dispariie. In aceast faz se epuizeaz mediul de cultur datorit dispariiei unuia sau mai multor elemente necesare creterii bacteriene . Uneori faza de ncetinire poate s se produc datorit acumulrii produilor de inhibiie provenii din metabolismul bacterian. Faza staionar este datorit acumulrii de materiale. X atinge valoarea sa maxim i creterea se oprete chiar dac celulele mai prezint activitate metabolic. Faza de declin (descretere) se caracterizeaz prin creterea la maxim a vitezei de dispariie a celulelor vii, nregistrndu-se o scdere exponenial. Concentraia celulelor vii scade datorit mortalitii care crete de asemenea. Mortalitatea se datorete autolizei enzimatice a celulor.Fazele i ecuaiile prezentate care caracterizeaz creterea bacterian sunt valabile att n mediu aerob ct anaerob.In timpul creterii bacteriile se divid i cresc exponenial pn cnd factorii de mediu se consum. Dac bacteriile gsesc hran suficient, se nmulesc pn la consumarea acesteia dup care urmeaz faza de descretere i n final rmne un solid nebiodegradabil. In interiorul unei celule bacteriene ajung moleculele organice care provin de la hidroliza substratului i sunt utilizate la obinerea de energie i la construirea de noi celule. Transferul de poluani din apa uzat spre biomas are loc la interfa cu vitez mare i este eficient cnd interfaa apa uzata-biomas este mare, cnd concentraia de compui organici care pot fi utilizai de ctre bacterii n procesul de cretere este mare i cnd la interfa nu se formeaz pelicule lichide care s blocheze transferul de substane sau s permit acumularea de substane toxice.Epurare biologic n condiii aerobeIntr-un mediu favorabil (substrat, temperatura, pH, O2) bacteriile se multiplic i mor dup curba de cretere prezentat n fig.1. In timpul creterii bacteriene apar noi bacterii, se produce CO2 i ap. Producerea de bacterii se numete sintez, iar producerea de CO2 i ap se numete oxidare:-reacia de sintez (n prezena celulelor):compui organici (hran) + O2+ N + Pcelule noi + CO2 + H2O + resturi nebiodegradabile-reacia de oxidare (n prezena compuilor organici):celule + O2 CO2 + H2O + N + P + resturi nebiodegradabileIn reacia de sintez compuii organici n prezena O2 i a nutrienilor anorganici (N, P) i cu bacteriile prezente sunt convertii n celule noi, CO2, H2O, resturi nebiodegradabile. Nutrienii anorganici sunt n principal N, P i C i urme de fier (Fe), mangan (Mn), potasiu (K), i aluminiu (Al). O celul bacterian tipic are formula C25H35N5O10P (Eckenfelder, 1970) i conform formulei rezult c ea conine 11,7% N i 5,2% P.In urma oxidrii rezult conversia compuilor organici rmai n apele uzate i a celulelor produse n reacia de sintez n CO2 i H2O. In aplicarea tratamentului biologic respectiv sintez i oxidare, se impune alegerea ntre un timp de retenie scurt pentru a produce i a sedimenta o cantitate mai mare de solide sau un timp de retenie mai lung pentru a obine o cantitate mai redus de solide i a nlocui conversia substanelor organice de la sintez cu transformarea lor la oxidare.Schema clasic aplicat la epurarea n condiii aerobe cuprinde un amestector n care se pun n contact apa uzat de la decantorul primar (influent) i care conine substratul i nmolul biologic (cultura de microorganisme), un decantor secundar. Nmolul biologic separat la decantorul secundar se recircul parial la amestector i parial nainte de decantorul primar.Epurare biologic n condiii anaerobePrelucrarea apelor uzate n condiii anaerobe utilizeaz microorganisme active n lipsa oxigenului pentru degradarea compuilor organici, util pentru a stabiliza nmolurile biologice nainte de a fi deshidratate sau nainte de a fi depozitate i pentru a prelucra ape uzate industriale. Componenii substratului sunt descompui n prezena bacteriilor n urmtoarele trei faze:a) hidroliza substanelor organice cu greutate molecular mare i trecerea acestora la compui cu greutate molecular mai redus i potrivit pentru degradarea ulterioar;b) acidogeneza cnd are loc conversia compuilor cu greutate molecular mic la acizi carboxilici (acid acetic, propionic, butiric i pentanoic);c) metanogeneza cnd bacteriile metanogene degradeaz acizii carboxilici n metan i CO2.Treapta biologic de epurareObiectivul principal al treptei biologice de epurare este ndeprtarea substanelor solide organice nesedimentabile (dizolvate sau coloidale), precum i stabilizarea materiilor organice din nmoluri. Totodat se propune reducerea nutrienilor pe baz de azot i fosfor.Este un proces flexibil care se poate adapta uor la o multitudine de ape uzate, concentraii i compoziii. Procesele biologice sunt precedate de o treapt fizic de epurare care are rolul de a reine substanele sedimentabile i sunt urmate de o decantare secundar procese fizice destinat reinerii produilor rezultai din epurarea biologic.Factorii care influeneaz procesul biologic sunt: timpul de contact sau timpul de traversare a obiectivului tehnologic n care se desfoar procesul biologic, temperatura, pH-ul, oxigenul, ncrcarea obiectului tehnologic cu ape uzate (diluie), cu nmol, nutrieni, prezena inhibitorilor de proces, condiiile hidrodinamice ale procesului omogenizare i amestecare.Procesul de epurare biologic este deosebit de complex i la rezolvarea lui intervin o serie de fenomene: 1. fizice transferul de mas al oxigenului i substratului la nivelul celulelor, al oxigenului din aer n ap, adsorbia particulelor coloidale i a suspensiilor fine la suprafaa biomasei, desorbia produilor metabolici, sedimentare gravitaional etc.; 2. chimice reacii de hidroliz, de hidratare, de oxido-reducere, de precipitare i coagulare, modificarea pH-ului; 3. biochimice reacii de oxidare biochimic a substratului, respiraie endogen, creterea biomasei, inhibarea reaciilor enzimatice; 4. hidraulice regimul de curgere, distribuia mediului polifazic n bazinul de aerare, cureni de convecie i de densitate, timpul hidraulic de retenie, viteze de sedimentare, ncrcri hidraulice etc.Metodele biologice sunt cele mai eficiente i economice pentru eliminarea substanelor organice poluante din apele uzate. Procedeele biologice de epurare utilizeaz activitatea metabolic a unor grupe de microorganisme capabile s degradeze substanele organice pn la dioxid de carbon i ap. Ele se bazeaz pe reaciile biochimice din cadrul metabolismului unei populaii mixte de bacterii, ciuperci i alte microorganisme inferioare n special protozoare. n practica epurrii apelor uzate aceste biocenoze (masa microorganismelor active, a celulelor viabile) sunt denumite biomas.Biomasa reprezint populaia mixt de bacterii, ciuperci i alte microorganisme n special protozoare i metazoare inferioare care i desfoar activitatea metabolic n instalaia de epurare. Rezultatul final al procesului biologic de epurare se concretizeaz n degradarea substanei organice, pn la diferite stadii corespunztoare tehnologiei i echipamentelor, i creterea biomasei (apreciat la 4060%) sub forma materialului celular insolubil, sedimentabil, precum i unii produi ai metabolismului, mai uor de ndeprtat.Procedeele de epurare biologic, utilizate n practic, folosesc una din dou grupe de microorganisme: aerobe sau anaerobe. Microorganismele anaerobe se folosesc n procesele de fermentare a nmolurilor i la stabilizarea unor ape uzate industriale concentrate. Microorganismele aerobe sunt utilizate n mod curent n epurarea majoritii apelor uzate cu caracter predominant organic compui pe baz de carbon, azot sau fosfor i pentru stabilizarea anumitor categorii de nmoluri.Pentru epurarea biologic n regim aerob a apelor cele mai utilizate procedee sunt: cu nmol activ, cu pelicul biologic sau cu flocoane de nmol ce conin att bacterii aerobe ct i anaerobe. Dei aceste trei procese difer ntre ele n ceea ce privete timpul de contact dintre microorganisme i apa uzat, modul de realizare al amestecului fazelor, necesarul de oxigen, modul de utilizare al nmolului biologic etc. totui fenomenele biochimice eseniale sunt similare sau identice.Optimizarea tehnologiei de epurare prin procese biologice are n vedere sistemul costurilor efective. Ea se realizeaz n dou etape. n prima etap este necesar selecionarea sistemului optim din mai multe variante analizate de proiectant. n etapa a doua se pune problema alegerii i dimensionrii optime a unitilor din sistemul adoptat. Se menioneaz c aceast analiz tehnico-economic trebuie s considere i costurile de investiie i exploatare ale subsistemului de tratare a nmolului reinut n decantorul secundar caracterizat prin concentraia n solide i debitul recirculat. Desfurarea procesului biologic este dependent de meninerea unor parametri constani la intrarea apei uzate n instalaia de epurare. Procedeele biologice de epurare se desfoar n condiii naturale (lagune, iazuri biologice, fermentare aerob), condiii naturale forate (lagune aerate) sau n regim artificial. n condiii artificiale se pot desfura procedee n pelicul biologic filtre biologice, echipamente cu pelicul aderent sau procedeul cu nmol activ.