Epurarea biologicaPrin epurarea biologica se intelege complexul de operatiuni si faze tehnologice prin care materiile organice existente in apele uzate provenind din cele mai diverse activitati antropice sunt transformate cu ajutorul unor culturi de microorganisme, in produsi de degradare fara nocivitate, (CO2, H2O, CH4, si altele) si o masa celulara noua (biomasa), inofensiva.Procesul tehnologic de epurare biologica se poate organiza in doua modalitati:1 Prin cultura microorganismelor noi dispersate in intregul volum al reactorului de epurare.2- Prin cultura noilor microorganisme pe un suport.Prin sistemul de cultura in intreaga masa de apa poluanti si in tot volumul reactorului se inmulteste generic "namol activ" iar epurarea biologica ca modalitate tehnologica ii poarta numele.Al doilea sistem presupune dezvoltarea culturii in film (pelicula) biologic, iar procesul se desfasoara in constructii cu filtre biologice speciale.Namolul activ este un sistem dispers in care materialul aflat in suspensie trebuie sa fie separat de efluentul epurat biologic. In procesul de epurare biologica a apelor uzate cu incarcatura de materii organice, rol principal ii revine grupului de bacterii organofage, (mancatoare de substante organice). Aceste bacterii, in functie de predispozitia lor de a trai in prezenta sau absenta oxigenului se clasifica in trei grupuri:a) Bacterii obligat aerobe;b) Bacterii facultativ aerobe;c) Bacterii anaerobe.Bacteriile, grup heterogen de organisme microscopice, microcelulare sau grupate in colonii cu nucleu simplu, majoritatea fara clorofila, heterotrofe (care sunt obligate sa-si preia singure hrana sub forma de substante organice din mediu) indeplinesc rolul esential in acest tip de epurare a apelor cu incarcatura de materii organice.Bacteriile aerobe sunt microorganisme care intr-o proportie insemnata se pot dezvolta si reproduce numai in mediile care contin oxigen.Bacteriile obligat aerobe ca cele saprofite, nitrificatoare, o parte din sulfobacterii si microbii patogeni traiesc numai in prezenta oxigenului molecular.Bacteriile facultativ aerobe, grupeaza la un loc unele drojdii, bacterii denitrificatoare s.a.Bacteriile anaerobe sunt organisme capabile sa traiasca fara prezenta oxigenului liber.Dintre acestea remarcam infuzoriile, clostridium pasteurianum si clostridium sporogenius.Ca urmare, in legatura cu necesarul de oxigen pentru dezvoltarea culturilor de bacterii organo-fagiste vom intalni doua tipuri de procese tehnologice pentru epurare biologica:-Proces aerob, utilizat cu prioritate la indepartarea poluantilor din apele uzate;-Proces anaerob aplicat la prelucrarea namolurilor fermentate si la epurarea apelor uzate foarte concentrate in poluanti.Cercetarile au evidentiat faptul caci in stransa asociere cu bacteriile, in procese aerobe cohabiteaza protozoare (cele mai primitive forme de animale din clasele Flagellata, Sarcodia, Sporazoa, Ameobosporidia, Ciliophora), metazoare (rotifere si nematode) si ciuperci sau chiar fungi, alcatuind biocenoze.La fiecare proces tehnologic de epurare biologica vom intalni biocenoze selectate specific procesului ales.Procese de transformare bacterianaBacteriile folosite in procesul de epurare biologica preiau din mediul inconjurator in care sunt cultivate, energia si materia nutritiva folosindu-le pentru:- biosinteza si dezvoltare;

- activitati fiziologice secundare ca spre exemplu mobilitatea, luminescenta, si altele.Totalitatea proceselor prin care combinatiile bacteriene sunt implicate in activitatea biologica de eliminare a materiilor organice din apele poluante prin consumul acestora si hausformarea lor in constituentii celulari, energie si produse de uzura alcatuiesc metabolismul bacterian organofag.Procesele metabolice se clasifica astfel:- Consumatoare de energie;- Producatoare de energie.Procesele de catabolism, de dezasimilatie, de degradare a substantelor din mediu sunt exogene.Procesele in care se sintetizeaza componentii celulari corespund anabolismului si sunt consumatori de energie.Ambele tipuri de procese metabolice se produc in acelasi timp astfel incat diversele reactii biochimice care alcatuiesc metabolismul realizeaza urmatoarele functii esentiale pentru viata celulei:- asimilarea substantelor nutritive si producerea substantelor folosite la constructia edificiilor celulei;- eliberarea de energie si stocarea acesteia;- ansmiterea energiei stocate catre substantele de constitutie a edificiilor celulare;- constituirea de nou material celular, prin care folosirea materiei organice poluante.

Pentru a cuantifica posibilitatile metabolice ale bacteriilor in procesul de epurare s-au facut experimente pe diverse specii de astfel de organisme si s-a aratat ca un gram de substanta uscata bacteriana, are o activitate respiratorie de cateva sute de ori mai intensa in comparatie cu cea a omului.De asemenea s-a observat ca potentialul metabolic al microorganismelor dintr-un hectar de teren arabil, analizat pe o lungime de 25cm este echivalent cu al catorva zeci de mii de oameni. Se utilizeaza prin aceste date capacitatea deosebit de mare a bacteriilor de a efectua operatiuni biologice in folosul omului. Dar ceea ce este si mai important este faptul ca aceste microfiinte dispun de o capacitate cu totul deosebit de a supravietui in cele mai deosebite conditii.Organismul uman pentru a atinge un asemenea nivel metabolic ar avea nevoie de multe mii de tone de alimente pe care sa le consume orar.Superioritatea aptitudinilor de aparare si a capacitatii de metabolizare a lumii bacteriene in raport cu restul lumii vii se datoreaza in primul rand suprafetelor foarte mari a celulelor in raport cu greutatea lor. Datorita acestei mari suprafete de contact cu mediul exterior, intensitatea schimbului de substante este de asemenea mare.La toate acestea constatari se adauga si regula din natura potrivit careia viteza metabolismului de care depinde cresterea speciei este invers proportionala cu marimea vietuitoarei.

Aceasta regula ar confirma faptul ca daca un organism viu are corpul mic, metabolismul sau este mai intens si cresterea sa este mai rapida in comparatie cu fiintele mari.Viteza mare de crestere a bacteriilor avantajeaza deosebit de mult supravietuirea populatiilor bacteriene in natura, dar in acelasi timp explica si dimensiunile extrem de mici ale reprezentantilor acestor specii.Metabolismul bacterian are la baza utilizarea celor mai diverse substante nutritive din mediul in care acestea se dezvolta si anume:- azot molecular;- dioxid de carbon;- sulf si combinatiile sale;- substante organice simple;- substante organice complexe;- hidrocarburile titeiului brut;- substante organice naturale;- asfalt (bitum);- substante anorganice;- acid oxalic si sulfuric;- fenoli;- chitina;- piele;- cauciuc, polimeri, lemn, mase plastice;- substante antibiotice.Conditia esentiala pentru producerea reactiilor biochimice metabolice este ca in mediul natural sau cultura artificiala sa existe toate materiile necesare formarii constituentilor celulari si produceri de energie.In aceste instalatii pentru epurare biologica in mediile de cultura trebuie sa existe in primul rand materiale care sa contina: C, H, O, N, P, S, si in cantitati mai mici sursa de: K, Mg, Mn, Na, Ca, Fe, Cl-, PO43-, SO42-, si in concentratii foarte reduse ligoelementele: Zn, Ca, Mo. Dezasimilatia, procesele catabolice, determina transformarea oxido-reducatoare a substantelor organice complexe preluate din mediu, in substante simple, cu eliberarea de energie.La organismele procariote cat si la cele eucariote, in protoplasma apar in decursul dezasimilatiei substante diverse si energie care sunt apoi folosite pentru obtinerea constituentilor celulari proprii.In procesele metabolice bacteriene de dezasimilatie, eliberarea energiei se produce in trei etape:a) In etapa I-a de degradare a moleculelor de origine biologica are un proces de descompunere a acestora in constituenti astfel:- proteinele se descompun in aminoacizi;- grasimile se transforma in glicerina si acizi grasi;- glucidele devin hexoze, pentoze, etc.Energia eliberata in aceasta faza este de numai 1% din totalul energiei produse si se pierde partial sub forma de caldura.b) Moleculele care provin din degradarea efectuat] in etapa I-a, sunt transformate in continuare de alti produsi cu formare de CO2 si H2O. In aceasta a II-a etapa se elibereaza circa o treime din intreaga energie continuta in substantele nutritive cu care s-au alimentat bacteriile.c) In cea de a III-a etapa de dezasimilatie, bacteriile elibereaza energia prin doua procese:- descompunerea totala a substantelor nutritive pana la CO2 si H2O ;- descompunerea numai partial a substantelor nutritive, cu formare de numerosi produsi intermediari numiti produsi de fermentatie.

Parametrii care influenţează procesul biologicBiodegradabilitatea este un parametru de calitate al substratului. Biodegradabilitatea se defineşte prin calitatea unei substanţe organice de a fi degradată prin mijloace biologice într-un anumit interval de timp. Apele uzate uşor biodegradabile sunt caracterizate prin rapoarte mici CBO5/CCOCr.

Biodegradarea reprezintă procesul prin care o substanţă organică este total eliminată datorită activităţii metabolice a unei culturi de microorganisme sau îşi pierde, în măsura convenţional stabilită, proprietăţile nocive. Anumiţi compuşi organici sunt greu biodegradabili sau chiar refractari la activitatea biochimică, în timp ce alte substanţe pot fi toxice pentru bacterii.Termenii care se folosesc în tehnica epurării biologice sunt: a) degradabilitate biologică; b) persistenţă; c) recalcitranţă; d) mineralizare.

Degradabilitatea biologică este reprezentată prin posibilitatea ca un material organic să fie schimbat datorită acţiunii biochimice a unei populaţii microbiene în alt compus; aceasta nu înseamnă neapărat că noul produs este mai puţin toxic decât cel iniţial.Persistenţa este o proprietate condiţională a substanţei organice în sensul că aceasta poate fi degradată biologic numai dacă sunt îndeplinite anumite condiţii de circumstanţă care favorizează dezvoltarea procesului biochimic.Recalcitranţa – termenul se referă la o substanţă organică care nu poate fi degradată biologic în orice condiţii sau ea însăşi are o rezistenţă foarte puternică la acţiunea biochimică a biomasei.Mineralizarea reprezintă conversia completă a compuşilor organici până la ultimii produşi ai degradării biologice dioxid de carbon şi apă.

Biodegradabilitatea este o noţiune deosebit de complexă deoarece caută să lege substanţa organică de activitatea biomasei şi de valorile parametrilor de mediu în care se dezvoltă microorganismele. Substanţa influenţează biodegradabilitatea prin caracteristicile structurale tridimensionale ale moleculei, proprietăţile fizico-chimice, precum şi modul cum reacţionează cu enzimele. Acest ultim aspect – relaţia cantitativă dintre structura chimică şi activitatea biochimică a materialului celular – deosebit de importantă în aprecierea biodegradabilităţii, nu este încă complet definită. Din acest motiv exprimarea cantitativă a biodegradabilităţii se face indirect. Condiţiile de mediu în care se desfăşoară procesul au o mare importanţă în aprecierea biodegradabilităţii deoarece o substanţă uşor biodegradabilă nu va fi degradată efectiv decât dacă valorile parametrilor fizico-chimici permit desfăşurarea activităţii.

Principalii parametri de biodegradabilitate sunt:

a) pH = 6…8;b) raport optim între încărcarea organică CBO5 şi principalele elemente nutritive azot şi fosfor; c) raport CBO5/CCOCr inferior valorii 2,6; o valoare mai mică indică o viteză mare de biodegradare; d) CBO20/CBO5 inferior lui 1,5; o valoare mai mare indică o viteză foarte lentă de biodegradare; e) indice de inhibare negativ – eventuala prezenţă a inhibitorilor; f) indice de biodegradare relativă apreciat prin raportul vitezei de degradare a materiei organice studiate şi cea a vitezei unei ape uzate urban standard .Pentru a identifica legătura existentă între substrat şi eficienţă de epurare s-au introdus noţiunile: viteză specifică de biodegradare, grad sau prag de biodegradare, probabilitate de biodegradare.

Viteza specifică de biodegradare este un parametru cinetic important în caracterizarea biodegradabilităţii unei substanţe. Ea se defineşte prin cantitatea de substrat îndepărtată de unitatea de biomasă în unitatea de timp. În cazul în care o substanţă organică este greu biodegradabilă, ea se degradează cu viteză scăzută şi nu va putea fi eliminată din apă ajungând în emisar unde se va continua procesul în timp cu un consum al rezervelor de oxigen din masa de apă. Această mărime depinde de: a) natura, structura şi mărimea moleculelor organice; b) mărimea şi natura catenelor; c) grupurile funcţionale prezente în molecule şi modul de legare la atomii de carbon; d) capacitatea de adaptare a microorganismelor la degradarea substanţelor prin sinteza uneia sau mai multor enzime specifice degradării substratului respectiv.

Aşadar, se poate considera că instalaţia de epurare este corect dimensionată şi exploatată dacă în timpul de retenţie estimat se reuşeşte eliminarea substanţelor organice. Aceasta impune un studiu atent al biodegradabilităţii substanţelor organice astfel încât să se coreleze viteza de degradare biologică cu regimul hidrodinamic de curgere şi amestecare a mediului polifazic având ca rezultat pierderea caracterului nociv al materiei organice în măsura convenţional stabilită. În acest mod se va reuşi ca substanţa organică să fie degradată în măsura acceptată într-un interval util de timp apreciat corect şi nu pe o durată oarecare.

Tratabilitatea biologică a apei uzate. În apele uzate apar multe tipuri de substanţe organice cu diferite caracteristici de biodegradabilitate care, evident, în mediul polifazic pot influenţa proprietăţile amestecului. În unele cazuri substanţele uşor biodegradabile pot favoriza şi accelera degradarea celor mai greu biodegradabile, iar în altele celulele descompun pe cele uşoare, cele grele trec nealterate sau chiar se generează o inhibiţie de substrat.

Tratabilitatea biologică a apei uzate se poate defini prin capacitatea materiei organice de a fi degradată în corelaţie cu capabilitatea biomasei de a reuşi descompunerea acesteia în timpul afectat procesului. Acest termen presupune stabilirea condiţiilor fizico-chimice, biodegradabilitatea substanţelor organice, capacitatea genetică a microorganismelor de a degrada materia organică, timpul de operare, creşterea biomasei ca urmare a proceselor de asimilare.

Tratabilitatea substanţelor organice se poate exprima prin: a) degradarea substanţelor organice totale din apă – determinată pe baza testelor CCO sau COT; b) îndepărtarea

substanţelor organice asimilabile – precizată prin CBO5. În proces, variaţia concentraţiei suspensiilor volatile şi a materiilor în suspensie indică modul de creştere şi dezvoltare a biomasei. Apele uzate se pot considera tratabile biologic dacă se realizează o degradare a substanţei organice în limita a 60…90%, iar a materiei organice asimilabile 80…98%.

Symons defineşte tratabilitatea apei uzate prin valorile raportului CBO5/CCOCr. Astfel dacă CBO5/CCOCr = 0,5…1,0 apa uzată are o bună tratabilitate, iar pentru CBO5/CCOCr = 0,1…0,2 apa uzată este dificil de epurat biologic sau conţine substanţe toxice. Între aceste valori, CBO5/CCOCr = 0,2…0,5 se impune adaptarea populaţiei bacteriene la compoziţia şi concentraţia apei uzate – apă uzată cu tratabilitate biologică medie. În decursul procesului de epurare biologică se constată reducerea încărcării organice, exprimată în CBO5; aşadar, pe parcursul desfăşurării procesului, după 24 ore, va rezulta o majorare semnificativă a raportului CCO/CBO5 de la 2,5 iniţial la circa 60. Această evaluare indirectă a tratabilităţii deseori nu este suficientă deoarece în amestecul polifazic există substanţe rezistente la atacul microorganismelor şi se acumulează metaboliţi deosebit de stabili chimic şi biochimic. Din acest motiv la aprecierea tratabilităţii apelor se recomandă efectuarea testelor de laborator corelat cu celelalte caracteristici ale apei culoare, spumare, toxicitate etc.

Determinarea biodegradabilităţii în laborator se face prin însămânţarea probei de apă uzată cu nămol activ şi punerea amestecului în condiţii normale de agitaţie, respectiv aerare. Dacă după 28 de zile, prin măsurarea concentraţiei poluanţilor, se constată reducerea cu peste 80% se poate aprecia că apa uzată este tratabilă biologic.

Evaluarea biodegradabilităţii se face pe baza datelor experimentale care arată că pentru un gram CCO, prin degradarea aerobă a substratului organic, rezultă 0,4 grame de material celular, iar un gram de biomasă pe zi consumă circa 0,1 grame de oxigen în respiraţie endogenă. Aşadar, se poate scrie ecuaţia de bilanţ CBO5 = oxigen pentru dezvoltarea biomasei pe 1…2 zile + oxigen necesar respiraţiei endogene a biomasei formate în 3…4 zile, sau CBO5 = 0,65 CCO.

Dacă se ia în considerare factorul de îndepărtare a substratului prin metabolism celular F atunci se poate scrie CBO5 = 0,65 F CCO, unde valorile lui F diferă funcţie de compoziţia şi concentraţia apei uzate (de exemplu pentru ape uzate urbane F = 0,9, ape deversate de industria alimentară F = 0,75, tăbăcării F = 0,15, industria textilă F = 0,72, celuloză şi hârtie F = 0,55).