IX. EPURAREA BIOLOGICĂ (2)

În schemele tehnologice din cadrul unei staţii de epurare, în funcţie de regimul de funcţionare, sunt utilizate diverse tipuri de reactoare care se deosebesc între ele în ceea ce priveşte soluţiile tehnice de conducere şi control ale proceselor biochimice din sistemul substrat-biomasă.

Frecvent, se utilizează următoarele soluţii prezentate în fig. 2:1. reactor cu funcţionare discontinuă (batch reactor – BR) şi cu

amestecare totală (fig. 2 a);2. reactor cu funcţionare continuă de tipul:

2.1 – cu curgere piston (plug flow - PF) caracterizat printr-o curgere de formă tubulară la care particulele din fluid sunt evacuate în aceeaşi ordine în care ele au pătruns în reactor, după un timp de retenţie egal cu cel teoretic. Acest reactor prezintă o lungime mare şi o lăţime mică (fig. 2 b), deci dispersia longitudinală este minimă sau absentă. Încărcarea organică a nămolului scade spre capătul aval odată cu descreşterea concentraţiei substratului. Acest tip de reactor este frecvent utilizat în cazul schemelor tehnologice de mică încărcare (convenţionale), utilizând un sistem de aerare de suprafaţă sau o aerare difuză. Pentru apele uzate care prezintă variaţii mari ale CBO, nu se recomandă acest tip de reactor, deoarece la creşterea CBO din influent, calitatea efluentului poate fi necorespunzătoare, ceea ce impune, pentru mărirea zonei de respiraţie a substratului, creşterea cantităţii de oxigen, cu consecinţe negative asupra bilanţului energetic. În asemenea situaţii se pot utiliza următoarele variante tehnologice: reactoare cu distribuţia încărcării organice de-a lungul lor

(step aeration sau distributed loading) şi cu aerare uniformă pe toată lungimea bazinului;

cu aerare fracţionată, unde intensitatea aerării este descrescătoare din amonte spre aval;

cu stabilizare aerobă şi regenerarea nămolului activat înaintea introducerii lui în reactor (contact stabilisation sau biosorption).

1

2.2 cu amestec complet (compact mixing – CM), cu sau fără recirculare, în care apa uzată şi nămolul activat sunt introduse continuu, astfel încât să se obţină un amestec omogen (continuos flow stired tank). În acest mod, încărcarea organică rămâne constantă în orice punct al bioreactorului, cu condiţia asigurării posibilităţii de a varia cantitatea de oxigen introdusă. Amestecul complet este realizat în bazine cu secţiunea orizontală pătrată sau circulară (fig. 2 c).

Fig. 2 - Modele de bioreactoare. a) - Batch reactor (BR); b) - cu curgere piston (PF); c) - cu amestec complet (CM)

În procedeul cu biomasa în suspensie, pentru eliminarea substanţelor organice din soluţie prin activitate bacteriană, se consumă oxigen şi este sintetizată masă celulară nouă. De asemenea, are loc şi un proces de autooxidare a microorganismelor (o descompunere endogenă a masei celulare).

La intrarea apei uzate în reactor, poate apărea o ”sorbţie” rapidă a substanţelor organice uşor degradabile, pe flocoanele existente aici, fenomen numit biosorbţie. Pe măsură ce aerarea continuă, are loc eliminarea substanţelor organice rămase în apa uzată. Viteza de consum a oxigenului este iniţial mare, deoarece este degradată cea mai mare parte a substanţelor organice, şi scade pe măsură ce se diminuează substratul rezidual. Sinteza celulară este direct proporţională cu procesul de oxidare a substanţelor organice. Într-un amestec complex de substanţe organice în apele reziduale, la o valoare înaltă a CBO, viteza sintezei celulare este independentă de

2

a) b) c)

concentraţie, ea fiind limitată numai de timpul mediu de formare a microorganismelor (situaţie specifică fazei de creştere maxime a materialului celular).

În fig. 3 este prezentat schematic, procesul de oxidare biologică a unei ape uzate.

Fig. 3. – Schema epurării biologice cu nămol activat

Azotul şi fosforul existenţi în compoziţia apelor sunt de asemenea utilizaţi pentru sinteza celulară. Când substratul disponibil este epuizat, iar aerarea continuă, va avea loc oxidarea biomasei prin respiraţie endogenă.

Scheme tehnologice ale procesului cu nămol activatSimbolurile Q, L şi X se referă la debitul apelor uzate, concentraţia

substratului (determinată prin teste CBOu, CBO5, CCO sau COT) şi concentraţia biomasei care se exprimă în funcţie de tipul solidelor în suspensie (MTS sau

3

Celule N si P

Masa celulară totală

Viteza de consum O2

biosorbţie

faza de declineliminare liniară faza endogenă

L0

Li

X0

Substrat organic remanent

timp

SV). Obligatoriu trebuie ca parametrul X să fie însoţit de un indice în funcţie de poziţia sa în cadrul schemei tehnologice (XV, Xe, XR ).

Influentul se referă exclusiv la fluxul exterior care intră în sistem (Q, L0, XV0, XT0 - când se exprimă în MTS). Fluxul recirculat (un fenomen intern) este exclus din cel exterior. Când se exprimă în materii solide totale (MTS) la timpul t = 0, se are în vedere că: XT0 = XTi 0 + XV0 (solide inerte şi solide volatile).

În fig. 4 sunt prezentate schemele tehnologice frecvent utilizate în tehnica epurării biologice a apelor uzate.

Fig. 4 - Scheme tehnologice uzuale de epurare biologică cu nămol în suspensie; a - CM fără recirculare; b - CM cu recirculare; c - PF cu recirculare.

În reactorul de tip PF, L va exprima concentraţia substratului solubil (fiind fără indice, reprezintă singura excepţie admisă faţă de cele specificate mai sus). Într-un reactor CM, concentraţia substratului din efluent (Le) este egală cu concentraţia substratului din reactor. Într-un reactor tip PF, concentraţia substratului (L) - fără indice - variază în lungul bazinului fiind o funcţie de timp.

4

Q-Qw

Xe, Le

V L

Q+RQ XV, Le

V, XV, Le

Q, L0 Q·XV Q-QW, Le V, XV, Le

Qw

Q, L0Q-QW, Le XVe

RQ, XVR, Le QW, XVR

Q, L0

Q+RQXV, Le

RQ, XR, Le QW, XR

a)

b)

c)

c)

REACTOR DECANTOR SECUNDAR

Totuşi, variaţia concentraţiei solidelor din biomasă nu este prea mare, admiţându-se o concentraţie medie ( ) în reactor care va fi egală cu cea din efluent.

Efluentul evacuat din decantorul secundar prezintă caracteristici de calitate identice cu cele de la ieşirea din reactor, deoarece în clarificator nu are loc nici un fel de epurare biologică, ci numai separarea solidelor din apă sub formă de nămol de recirculare (RQ) şi nămol în exces (QW).

Spre deosebire de fluxul discontinuu (batch), fluxul continuu va avea permanent reactorul plin la nivel constant (la epurarea cu mai multe trepte, primul reactor va fi plin, iar celelalte reactoare se vor găsi în alte faze ale ciclului de funcţionare).

În prezent se admite ipoteza conform căreia creşterea SV din reactor este direct proporţională cu viteza eliminării substratului, care, uneori, poate conduce la rezultate eronate.

În realitate, eliminarea substratului depinde de concentraţia biomasei active, care reprezintă un procentaj destul de scăzut (30…60%) din cantitatea suspensiilor volatile (XV); cantitatea de suspensii volatile reprezintă un parametru în calculul biomasei din reactor. În general, aprecierea cantitativă a biomasei se face prin determinarea concentraţiilor suspensiilor totale solide exprimate prin MTS, sau prin substanţe totale solide volatile exprimate în TSV. Partea funcţională a nămolului activat din reactor este constituită din celule vii, adică “biomasă” care este definită de masa microorganismelor viabile, adică fracţiunea activă a nămolului. Deoarece “viabilitatea” nămolului activat dificil de determinat, în calcule se admite concentraţia substanţelor volatile (XV) corectată printr-un coeficient (fb) cu valori subunitare, care va exprima fracţiunea activă (viabilă) a nămolului din bioreactor.

Substanţele anorganice adsorbite de flocon din mediu, precum şi resturile componentelor celulare moarte, sau ale substanţelor organice nedegradabile în condiţiile procesului, constituie partea inertă a nămolului activat. Acumularea acestei fracţiuni inerte se datoreşte, în unele cazuri, unei durate prea mari de retenţie a nămolului în reactor.

Se poate considera că eliminarea materiilor organice din apele uzate ce intră în reactor, se realizează în două faze: în prima fază are loc eliminarea rapidă a materiilor organice aflate în

suspensie, în stare coloidală şi parţial, cele solubile, uşor degradabile; în faza a doua, sunt eliminate, progresiv, materiile organice solubile.

După forma în care se găsesc materiile organice în apele uzate, procesele biochimice care conduc la îndepărtarea lor din apele uzate, pot fi: un proces de înglobare a materiilor organice în flocoanele biomasei; un proces de adsorbţie pe flocoane a celor aflate în stare coloidală;

5

un proces prin care materiile organice în soluţie sunt eliminate prin biosorbţie, proces a cărui intensitate este direct proporţională cu concentraţia biomasei, cu vârsta nămolului etc.Dinamica degradării materiilor organice în concordanţă cu procesele

biochimice, se prezintă astfel: CBO degradat în prima fază de oxidare biochimică, se oxidează uşor până

la stadiul de CO2 şi H2O. În această fază se degajă energia care este utilizată de microorganisme pentru sinteza substanţei celulare;

CBO format prin sinteza restului de materii organice este acumulat în materialul celular;

Are loc, în timpul respiraţiei endogene, oxidarea substanţelor organice al căror conţinut este apreciat prin CBO, aceasta fiind faza oxidării substanţei celulare a biomasei;

parte din CBO este utilizat ca biomasă recirculată, restul fiind evacuat în receptor conform reglementărilor NTPA 001/1997.

Reactoare cu flux discontinuu (Reactoare Batch - RB)Modelul de funcţionare este arătat în fig. 5.

Fig. 4 - Ciclul de operare al unui reactor discontinuu (R.B.)

6

Q,L0 Le

e

W

LQQ

aer

QW

QW, XVRQR XVR

reacţie decantareevacuare

repaos (liniştire)

Q,L0

umplere

Acest tip de reactor poate fi considerat un hibrid, deoarece prezintă unele caracteristici comune cu sistemele în flux continuu tip PF şi CM, în schimb predomină alte caracteristici care sunt într-adevăr unice. Astfel în timpul fazei de umplere, conţinutul din reactor este permanent amestecat, iar aerarea poate să fie întârziată pentru a favoriza sedimentarea nămolului şi a permite creşterea microorganismelor sub formă de flocoane. În timpul fazei a doua de reacţie, întregul conţinut al reactorului este agitat şi intens aerat. La sfârşitul acestei faze, aerarea şi agitarea se întrerup, pentru a permite sedimentarea amestecului apă-nămol.

7

8