Microsoft Word - Modelarea nitrificarii apelor uzate.doc

Management

Management

Economia z 1/2004

Economia z 1/2004

Modelarea nitrificrii apelor uzate

pa eliminat dintr-un proces tehnologic menajer sau industrial se numete ap rezidual sau uzat. Compoziia ei diferAfoarte mult de cea iniial, deoarece, n timpul desfurrii procesului tehnologic, n ap se acumuleaz diferite substane, acizi, baze, sruri, ioni, compui organici, deeuri celulozice etc. Impurificatorii chimici agresivi acumulai n ap produc corodarea instalaiilor, iar substanele care stabilizeaz soluiile coloidale mpiedic dedurizarea ei. De aceea, apa rezidual este supus epurrii. Epurarea reprezint ansamblul msurilor i procedeelor prin care se reduce cantitatea de impuriti de natur mineral, chimic i bacteriologic coninut n apele uzate pn la limite stabilite de standarde, astfel nct aceste ape s nu duneze efluenilor n care se evacueaz i s nu pericliteze folosirea apelor acestora.Epurarea biologic este realizat cu ajutorul microorganismelor, care ndeprteaz substanele organice din ap utilizndu-le ca hran, respectiv drept surs decarbon. O parte din materiile organice folosite demicroorganisme servesc la producerea energiei necesare micrii i desfurrii altor reacii consumatoare de energie, legate de sinteza materiei vii, adic de reproducerea microorganismelor.n apele uzate, menajere sau evacuate de la cresctoriile de animale, se gsesc substane organice i combinaii anorganice ale azotului, n principal, sruri deamoniu, ca form primar. Unele ape uzate industriale, cumsunt cele evacuate de uzinele cocsochimice, pot conine cantiti mari de substane organice cu azot sau combinaii anorganice ale acestuia, NH4+, NO2-, NO3- .Amoniacul, srurile de amoniu, dar mai ales ionul azotit, NO2-, sunt toxice att pentru macroorganismele n care, n funcie de concentraia impuritilor coninnd azot, nitrificarea trebuie s fie urmat de cele mai multe ori de procesul de ndeprtare a acestora prin denitrificare. Unul dintre procesele prin care se poate produce este cel cu nmol activ, n care reacia de nitrificare este efectuat de un grup de bacterii autotrofe, denumite bacterii nitrificatoare (nitrifiante). Instalaiile de epurare biologic cu nmol activ pot fi folosite pentru nitrificare dac n bazinul de aerare sunt meninute condiii adecvate pentru reinerea i acumularea bacteriilor nitrifiante. Concentraia acestor bacterii depinde de viteza lor de cretere specific i de viteza cu care sunt ndeprtate din sistem prin apa epurat (wash-out) i prin nmolul excedentar.Deci instalaiile trebuie s fie proiectate i exploatate n aa fel nct, prin oxidarea biologic a ionului amoniu, s se obin o mbuntire semnificativ a calitii efluentului.Reacia global a oxidrii ionului de amoniu la ionazotat, cu ajutorul microorganismelor din ap i sol, este: NH4+ NO2 NO3-cu urmtoarea stoechiometrie:NH4+ + 1,5O2 2H+ + H2O + NO2-NO2- + 0,5O2 NO3-

Bacteriile autotrofe care produc nitrificarea sunt aerobe. Cele dou trepte ale reaciei globale sunt realizate de bacterii diferite: Nitrozomonas pentru prima treapt i Nitrobacter pentru a doua. Caracteristica lor este creterea lent.Pentru determinarea vitezei de cretere a bacteriilor nitrifiante n nmolul activ alimentat cu ap menajer, Agenia pentru protecia mediului din SUA (EPA) propune urmtoarea ecuaie:acvatice i mamiferele tinere, ct i pentru om. De aceea, seurmrete transformarea ionilor de amoniu i de azotii n = 0,47 0,098(T-15) x N/(10 0,051T-1,158 +N) x

ioni azotat. Aceasta se produce prin oxidarea azotului la forma de valen superioar, NO3-, ionul de amoniu consumnd oxigen dizolvat n ap. Teoretic, oxidarea NH4+ la NO3- prin intermediul bacteriilor specifice, deci fenomenul de nitrificare, necesit 4,5mg oxigen/mg azot din NH4+, valoare considerabil mai mare dect cea necesitat din oxidarea C biodegradabil; n cazul evacurii n ru a unui efluent epurat biologic, dar nenitrificat n mod corespunztor, acest proces poate avea importan pentru bilanul de oxigen din apa receptorului.Nitrificarea se aplic n principal pentru dou tipuri de ape uzate: menajere, n care, n funcie de emisar, este sau nu necesar ndeprtarea azotului format, i industriale, x [1 0,833(7,2 pH)] x OD/(1,3+OD)n care T reprezint temperatura n 0C, N concentraia de amoniac, iar OD concentraia de oxigen dizolvat din sistem.Coeficientul de randament celular, Y, definit ca mas de microorganisme produs de unitatea de mas de azot din NH3 oxidat, este foarte mic i greu de determinat. Valorile existente n literatur se nscriu ntre 0,03 i0,15 g/g, pentru Nitrozomonas, i ntre 0,02 i 0,084 g/g, pentru Nitrobacter.Concentraia bacteriilor nitrifiante existente ntr-un bazin de aerare cu nmol activ va depinde att de condiiile de mediu (pH optim ntre 7,5 i 8,3, temperatur, oxigendizolvat 1,5 2,5 mg/l etc. ) ct i de vrsta nmolului.

Valorile optime ale PH-ului sunt ntre 7,5 i 8,3, iar ale oxigenului dizolvat 1,5 2,5 mg/l.Prezena substanelor toxice (ionii metalelor grele, unele amine, fenol, deoarece bacteriile sunt sensibile laaciunea acestora, mai ales la nivelul azotitului, cianuri,sulfocianuri etc.) influeneaz eficiena procesului de nitrificare.

Sisteme de epurare

Pentru majoritatea apelor uzate oreneti, dar mai ales pentru apele uzate industriale, care pe lng substane organice conin i substane cu azot oxidabil, nitrificarea este efectuat n mod curent, n instalaii avnd biomasa n suspensie (sistem cu nmol activ), conform schemelor care permit ndeprtarea concomitent a impuritilor organice.Sistemele de epurare cu nmol activ care permit obinerea apei nitrificate sunt: sisteme ntr-o singur faz, n care nitrificarea i ndeprtarea substanelor organice sunt realizate n acelai bazin de aerare; sisteme n dou faze, n care cele dou procese sunt realizate n bazine distincte.

a) aer

1

Nmol primar C+N

Nmol recirculat 2

Nmol excedentar Ap nitrificat

b)

aer

1 C 2

aer

N

2Ap nitrificat

Nmol primar Nmol recirculat Nmol excedentar Nmol recirculat Nmol excedentar

Figura 1 Sisteme de epurare biologic cu nitrificarea) sistem ntr-o faz; b) sistem n dou faze: 1. decantor primar; C bazin pentru ndeprtarea substanelor organice; N bazin pentru nitrificare; 2. decantor secundar

Sistemul de epurare ntr-o singur faz reprezint o modificare a procesului cu nmol activ convenional. Epurarea se realizeaz prin creterea timpului de retenie celular () la o valoare mai mare dect valoarea minim a acestuia pentru bacteriile heterotrofe consumatoare de carbon organic din sistem. n instalaiile ntr-o singur faz, ndeprtarea carbonului i oxidarea amoniacului se petrec simultan n acelai utilaj. Viteza de cretere general a microorganismelor este determinat de cinetica creterii bacteriilor nitrifiante.Sistemul de instalaii n dou faze permite o protecie mai mare a bacteriilor nitrifiante dect sistemul ntr-o singur faz, deoarece unele substane organice,toxice pentru aceste microorganisme, pot fi degradate nprima instalaie de aerare sau absorbite de nmolul activ. Din aceste motive, pentru unele ape industriale uzate, de exemplu pentru apele evacuate din operaia de cocsificare a crbunelui cu un coninut mare de amoniac, de cteva sute de mg/l, se propune folosirea acestui sistem, care este mai rezistent la oscilaiile cantitative i calitative ale apei uzate.Costurile cerute de construirea i exploatarea acestor instalaii, ca i producia de nmol excedentar, sunt maimari dect pentru sistemul ntr-o singur faz.

Modelarea procesului de nitrificare

Pentru modelarea nitrificrii apelor uzate s-au impus modele cinetice, bazate pe creterea bacterian i pe bilanul de materiale din utilaj. La scrierea lor s-a avut n vedere faptul c, n instalaia cu nmol activ, n care se

produce procesul de nitrificare, cantitatea de bacterii autotrofe specifice este foarte mic n raport cu cantitatea de bacterii heterotrofe consumatoare de C. De cele mai multe ori este imposibil de determinat direct fraciunea de bacterii nitrifiante din nmol, deoarece ionul de amoniu consumat n timpul trecerii apei uzate prin bazinul de aerare reprezint att amoniul ncorporat n biomasa total, ct i amoniul oxidat. De aceea, n majoritatea cazurilor,coeficienii determinai caracterizeaz nmolul activ cu relaiilor care exprim creterea microorganismelor, consumul de substrat (NH3) i consumul de oxigen al sistemului, care este mai mare dect n cazul nmolului activ care nu necesit nitrificare.Consumul de oxigen necesar microorganismelor din bazinul de aerare a fost calculat din ecuaia:R0 = (1 1,42Y)(dC/dt) + 4,57(dNH3/dt) + 1,42bXunde: R0 este viteza consumului de oxigen bacterian-1 -1proprieti nitrificatoare. (M*V *T ), dC/dt viteza asimilrii substratului organic,-1 -1Dintre modelele stabilite pentru procesul nitrificrii msurat ca CCO (M*V *T ); (dNH3/dt) viteza reaciei-1 -1la epurarea biologic a apelor uzate, se vor prezenta trei. de oxidare a amoniacului (M*V *T ).

MODELUL LUI DOWNING este primul model cinetic propus pentru nitrificarea cu nmol activ. Autorul pornete de la principiul c nitrificarea eficient poate avea loc n instalaia cu nmol activ numai dac viteza de cretere a bacteriilor nitrificatoare este mai mare dect ritmul de pierdere a acestora prin ap.Pe baza bilanului de materiale i a unei relaii empirice pentru producerea nmolului excedentar de ctre bacteriile heterotrofe consumatoare de C, autorul propune oformul din care se determin timpul minim de reteniehidraulic (min) necesar pentru producerea integral a nitrificrii ntr-un sistem cu nmol activ cu curgere piston, exploatat n stare de echilibru, cnd concentraia de suspensii volatile, debitul de recirculare i cantitatea de substane organice sunt date. Aceasta este:min = X/mN = L x (0,1+0,9 min-1/2 )/(1+r) x 1/mN x 1/Xunde: X este concentraia iniial n suspensii volatile la captul final al bazinului de aerare (M*V-1), X - creterea concentraiei suspensiilor volatile n bazin (M*V-1),mN - viteza de cretere specific maxim a bacteriilor nitrificatoare (Nitrozomonas), r - raportul de recirculare a nmolului fa de debitul cu care apa uzat intr n instalaie, L - CBO5-ul apei uzate.Prin determinarea experimental a valorilorcoeficientului de cretere, s-a reuit s se prevad gradul de nitrificare n instalaii cu nmol activ.

MODELUL LUI LAWRENCE I BROWN consider sistemul de nitrificare ntr-o faz descris cu ajutorul Vitezele utilizrii azotului din NH3 pot fi calculatefie pe baza diferenei dintre concentraiile azotului din NH3intrat i ieit, care include att NH3 oxidat ct i NH3ncorporat n masa celulelor organismelor heterotrofe, fieprin corectarea valorii obinute prin utilizarea NH3 cu valoarea NH3 folosit n sinteza celular. Al doilea model permite calcularea vitezei de oxidare a NH3 de ctre bacteriile nitrifiante.Prin acest model i folosind datele lui Downing Y=0,05mg suspensii volatile/mg azot din NH3 oxidat, respectiv Y = 0,02 mg/suspensii volatile/mg azot din NH2 oxidat, s-a putut calcula concentraia de bacterii nitrifiante, X, i coeficientul de utilizare specific, U, pentru instalaiile date. Astfel, pentru Nitrobacter, X a fost de 4,2 mg/l i U de 5/zi.Din model i experimentri a reieit c fenomenul nitrificrii n nmol activ poate fi controlat cu ajutorul timpului de retenie celular. n acest sens valorile experimentale ale timpului de retenie celular minim pentru nitrificarea apelor menajere (corespunztor timpului celular critic din fermentarea metanic) au fost