PROCEDEE EXTENSIVE DE EPURARE A APELOR UZATE.

Procedeele extensive de epurare sunt procedee de purificare a apelor uzate care sunt foarte apropiate de procesele naturale de purificare a apelor (procese de autoepurare) la care, după cum s-a arătat anterior, rolul principal îl joacă microorganismele (bacteriile). În mod natural, în masa de apă impurificată se găsesc alge microscopice care utilizează energia (radiaţia) solară pentru a produce prin fotosinteză oxigenul necesar culturilor bacteriene, care se găsesc dispesate sau fixate pe diferiţi suporţi în apa supusă procesului, pentru a realiza purificarea apelor printr-un proces biologic. De aceea procedeele extensive de epurare prezintă marele avantaj că în marea lor majoritate, nu au nevoie de un aport exterior de energie pentru desfăşurarea proceselor de lucru, fiind astfel extrem de economice. De asemenea instalaţiile (sistemele) extensive de epurare prezintă avantajul unor eficienţe foarte ridicate de îndepărtare a încărcărilor organice şi nutrienţilor din apa supusă tratamentului furnizând efluenţi de foarte bună calitate, care pot fi deversaţi fără nici un pericol în cursurile de ape naturale. Un alt avantaj, deloc neglijabil, al sistemelor extensive de epurare a apei este acela că acestea au un aspect foarte natural (nu aspect de instalaţie industrială), încadrându-se perfect în peisajul natural, fără a-l afecta cu nimic.

Dezavantajul principal al sistemelor extensive de epurare îl constituie faptul că acestea sunt eficiente doar la debite reduse ale influenţilor de apă uzată procesaţi, cu încărcări poluante, de asemenea, foarte reduse. Rezultă că pentru realizarea procesului de epurare a apelor, aceste sisteme necesită atât suprafeţe (spaţii) mari de amplasare (vezi figura 7.1, în care este prezentată o schemă structurală pentru luarea deciziei la alegerea tipului de sistem de epurare care să deservească o anumită localitate în funcţie de spaţiul disponibil), cât şi durate mari ale procesului de epurare, de câteva ori sau zeci de ori mai mari ca în cazul sistemelor intensive. De aceea, astfel de sisteme extensive de epurare a apelor uzate au fost dezvoltate în diferite ţări europene (Franţa, Germania, Spania, Olanda, etc.) în general pentru deservirea unor obiective (de exemplu comunităţi mici) cu o populaţie mai mică de 500 locuitori echivalenţi. Înfiinţare unor instalaţii extensive de epurare a apelor pentru deservirea unor localităţii cu o populaţie mai mare de 500 de locuitori echivalenţi, pănă la 5000 de locuitori echivalenţi, poate fi considerată posibilă, însă cu luarea în considerare a unor precauţii specifice, care vor fi subliniate în prezentarea ulterioară. De asemenea la decizia înfiinţării unui sistem extensiv de epurare a apelor uzate care să deservească o anumită localitate, trebuie avuţi în vedere şi factorii climatici din zonă, având în vedere că perioadele cu temperaturile ridicate sau periodele de îngheţ au o influenţă puternică asupra calităţii procesului de funcţionare al sistemelor, care este aproape în totalitate biologic.

În continuare vor fi descrise principalele tipuri de instalaţii extensive, care pot fi clasificate după modul în care culturile bacteriene se găsesc în apa uzată supusă procesului de epurare, şi anume: fixate pe anumiţi suporţi, sub formă de pelicule biologice, sau dispersate sub formă de nămol activ.

Astfel instalaţiile extensive cu biomasa bacteriană sub formă de peliculă biologică sunt următoarele:

- câmpuri de infiltrare –percolare;- filtre cu vegetaţie cu flux vertical;- filtre cu vegetaţie cu flux orizontal.

Instalaţiile extensive cu biomasa bacteriană sub formă de nămol activ sunt următoarele:

- lagune naturale (cu microfite);- lagune naturale cu macrofite;- lagune aerate.

De menţionat că în instalaţiile extensive, la epurarea apelor uzate, pe lângă procesele biologice, mai concură şi unele procese fizice, cum ar fi: filtrarea apei printr-un strat granular (în cazul câmpurilor de infiltrare) sau prin sistemele radiculare ale unor plante (în cazul filtrelor cu

Fig. 7.1 Schema structurală pentru luarea deciziei la alegerea tipului de sistem de epurarecare să deservească o anumită localitate în funcţie de spaţiul disponibil

vegetaţie) sau sedimentarea suspensiilor solide şi coloizilor (în cazul lagunelor naturale sau de sedimentare) sau procese chimice, cum ar fi: precipitarea compuşilor insolubili sau co-precipitarea cu compuşi insolubili (N,P), adsorbţia unor compuşi pe anumite substraturi (cu diferite caracteristici, plasate în instalaţia de epurare) sau de către plante (N,P, metale, etc.), distrugerea microorganismelor şi viruşilor prin iradiere naturală cu radiaţii UV, oxidarea sau reducerea unor compuşi (metale).

Procesele biologice produse de biomasa bacteriană, fixată sau dispersată în apa uzată supusă tratamentului, pot fi procese aerobe, acestea producând degradarea încărcării organice din ape şi nitrificare şi defosforizare sau procese anaerobe, acestea producând denitrificare. Procesele aerobe au loc în zonele aerobe care se găsesc mai ales în apropiere de suprafaţa liberă a apei (în aceste procese un rol foarte important îl are dezvoltarea algelor microscopice care furnizează prin fotosinteză oxigenul liber, dizolvat în apă, necesar acestor procese), în timp ce procese anaerobe au loc în zonele anaerobe plasate mai ales în apropirea sedimentelor de pe radier.

7.2 Câmpuri de infiltrare -percolare

Câmpurile de infiltrare- percolare sunt instalaţii extensive cu biomasa bacteriană aerobă sub formă de peliculă fixată pe un mediu granular cu granulaţie mică, care realizează epurarea apelor prin intermediul a două procese principale, şi anume:

- filtrarea superficială a apei supuse tratamentului, prin care suspensiile solide sunt înlăturate prin reţinere la suprafaţa şi în porii patului filtrant; având în vedere că suspensiile solide reţinute sunt atât de origine minerală cât şi biologică, rezultă că prin procesul de filtrare superficială se elimină şi o parte semnificativă din încărcarea organică a apei supuse tratamentului;

- fermentarea aerobă a încărcării poluante dizolvate a apei supuse tratamentului, prin care materia organică dizolvată (cuantificată prin CBO) precum şi azotul amoniacal şi organic sunt transformate biochimic de către o peliculă biologică de bacterii aerobe care se formează pe suprafeţele particulelor materialului granular al paturilor filtrante, mai ales la suprafaţa, dar şi în interiorul acestora; de fapt paturile filtrante de material granular devin adevărate reactoare biologice care oferă o zona de suport cu suprafaţă foarte mare pentru formarea peliculei biologice; aerarea în interiorul stratului granular se produce şi este chiar intensificată atât de convecţia cauzată de mişcarea de infiltrare a apei prin mediul granular, cât şi de difuzia aerului de la suprafeţele paturilor în interiorul straturilor de material granular prin adsorbţie pe mediile poroase reprezentate de acestea.

Oxidarea biochimică a materiei organice este însoţită de dezvoltarea culturii bacteriene, adică îngroşarea peliculei biologice, proces care trebuie să fie astfel dirijat încât să se evite atât înfundarea mediului granular cu biomasă bacteriană cât şi pierderile ocazionale de biomasă bacteriană prin antrenare de către apele de înfiltraţie, care sunt inevitabile atunci când încărcările hidraulice cu influent sunt prea mari şi provoacă curgerea cu viteze mari a apei prin stratul granular. Auto-ajustarea cantităţii de biomasă se poate realiza prin utilizarea unor câmpuri de infiltrare compuse din mai multe paturi de infiltrare care nu sunt alimentate permanent cu influent, ci discontinuu, după un anumit ciclu. În timpul perioadelor “de inactivitate” a paturilor de infiltrare (adică atunci când acestea nu sunt alimentate cu influent), dezvoltarea bacteriilor este mult redusă, din cauza "regimului alimentar deficitar". Perioadele de inactivitate ale paturilor filtrante nu trebuie să fie însă prea mari, astfel încât procesele de epurare biologică să poată reporni rapid, atunci când alimentarea cu influent este reluată. De cele mai multe ori, câmpurile de infiltrare sunt proiectate să aibă de regulă un număr total de paturi de material granular, care este de regulă, multiplu de trei, împărţite în grupuri de câte trei paturi, iar în fiecare grup fiecare pat este alimentat pe rând, succesiv. În general o alimentare cu apă uzată a unui pat se face pe o durată de 3 - 4 zile consecutive. De menţionat că această gestionare controlată a dezvoltării peliculei bacteriene evită necesitatea separării apei clarificate (purificate) de nămolul biologic, având în vedere că la instalaţiile cu biomasa bacteriană aerobă sub formă de peliculă fixată pe un mediu granular fin, nu sunt prevăzute în structură echipamente de decantare.

Un pat de infiltrare-percolare este compus din (vezi figura 7.2): sistemul de distribuţie al influentului de apă uzată, format dintr-o reţea de conducte peforate, stratul de infiltrare din material granular şi sistemul de colectare a apei purificate, format dintr-o reţea de conducte de drenaj plasată într-un strat de piatră selectată plasat sub stratul de material granular. Dacă terenul de bază pe care se construieşte patul de infiltrare este impermeabil, atunci patul de infiltrare este realizat direct pe terenul de bază, fără nici un fel de izolaţie (vezi figura 7.2 a), în timp ce dacă terenul de bază pe care se construieşte patul de infiltrare este permeabil, atunci patul de infiltrare se izolează faţă de terenul de bază cu o membrană impermeabilă (vezi figura 7.2 b).

a b

Fig. 7.2 Schema unui pat al unui câmp de infiltrare-percolareSistemul de distribuţie a influentului pe unităţile de infiltrare (paturile de material

granular) trebuie să realizeze o distribuţie cât mai uniformă a acestuia, astfel încât să poată fi utilizată întreaga suprafaţă superioară a paturilor de material granular, precum şi o omogenizare a sarcinilor hidraulice de aplicare a influentului. De menţionat că influentul distribuit pe câmpurile de infiltrare-percolare nu este apă uzată brută, aşa cum vine prin sistemul de canalizare, ci o apă pretratată mecanic în scopul separării suspensiilor solide, grosiere şi decantabile, în scopul prevenirii colmatării rapide a paturilor de infiltrare; în acest scop apa uzată brută este trecută printr-o treaptă preliminară mecanică, compusă dintr-o instalaţie de sitare şi un decantor şi este de regulă prevăzută şi cu un rezervor tampon de stocare a apei pretratate mecanic. Alimentarea cu influent a paturilor de infiltrare se face în şarje, fie prin inundarea temporară a paturilor de infiltratre, fie prin stropirea uniformă a suprafeţelor lor superioare. De menţionat că această operaţie se realizează prin golirea rapidă, cu debite, mari a rezervorului tampon din treapta preliminară, utilizând diferite metode cum ar fi: sifonarea, pomparea, curgerea gravitaţională, etc. Alimentarea intermitentă cu influent a paturilor de material granular favorizează, pe lângă gestionarea echilibrată a dezvoltării biomasei bacteriene, şi menţinerea unor concentraţii ridicate ale oxigenului în straturile granulare, mai ales datorită fenomenelor de difuzie a aerului prin adsorbţia în materialul poros al straturilor granulare, care au loc în special perioadele de inactivitate dintre două alimentări consecutive cu influent. De regulă la o alimentare cu influent, sunt udate concomitent câte un pat din fiecare grup de paturi, sarcina hidraulică având valori de câteva sute de m3/m2.zi. De menţionat că suprafeţele superioare ale paturilor, pe care se face distribuţia influentului, trebuie să fie permanent menţinute în aer liber (neacoperite) şi să fie vizibile.

Materialul din care se constituie paturile filtrante este de regulă nisipul, care fie este special adus cu mijloace de transport, fie locul de constituire a instalaţiei cu câmpuri de infiltrare-percolare, se alege pe, sau în preajma unei dune de nisip existente. Nisipul utilizat la construcţia paturilor filtrante trebuie să aibă anumite caracteristici specifice pentru a se obţine un echilibru între prevenirea riscului de înfundare (care apare mai ales atunci când nisipul utilizat este prea fin) şi prevenirea apariţiei unui flux prea rapid de circulaţie a apei prin straturile granulare (care apare mai ales atunci când particulele de nisip sunt prea grosiere). Caracteristicile optime ale nisipului utilizat pentru constituirea paturilor de material granular ale câmpurilor de infiltrare-percolare sunt următoarele: nisipul trebuie să aibă constituţia pe bază de silicaţi, nisipul trebuie să fie curat (de regulă se utilizează nisip spălat), granulaţia nisipului trebuie să fie între 0,25 – 0,4 mm, gradul de uniformitate al dimensiunii particulelor de nisip trebuie să fie între 3 – 6, iar conţinutul de material fin, cu dimensiuni mai mici decât granulaţia minimă impusă, trebuie să fie mai mic de 3%. Este necesar ca aceste caracteristici ale materialului granular să fie prezervate (menţinute) pe toată durata de utilizare a câmpurilor de infiltrare-percolare.

Din punct de vedere constructiv, paturile de material granular de infiltrare ale câmpurilor de infiltrare-percolare se pot dispune supraînălţat pe suprafaţa terenului de bază, sau îngropate în terenul de bază. Circulaţia apei prin paturile de infiltrare se poate face pe direcţie orizontală, caz în care grosimea straturilor de material granular este cuprinsă între 0,8 -1 m, sau pe direcţie verticală, caz în care grosimea straturilor de material granular poate ajunge până la 3 m. Valoarea de dimensionare la înfinţarea câmpurilor de infiltrare-percolare este de cca. 1,5 m2/locuitor echivalent al obiectivului sau localităţii deservite de instalaţia de epurare cu câmpuri de infiltrare-percolare) pentru filtre cu flux orizontal, şi de cca. 3,5 m2/locuitor echivalent pentru filtre cu flux vertical.

Performanţele care se obţin cu instalaţiile de epurare cu câmpuri de infiltrare-percolare sunt următoarele:

- reduceri ale CBO5 (sub 25mg/l), CCO (sub 90mg/l), şi suspensiilor solide SS (sub 30mg/l) în efluentul rezultat din instalaţie;

- nitrificare virtual completă;

- denitrificare limitată, valorile obţinute fiind diferite în funcţie de tipul de instalaţie şi anume: reducerea cantităţii de azot cu până la 40% în instalaţiile cu flux vertical şi până la 50% în instalaţiile cu flux orizontal;

- reducerea fosforului este relativ ridicată (circa 60-70%), în primii 3-4 ani de funcţionare, după care se diminuează progresiv până la anulare, după o perioadă de 8-10 ani de funcţionare;

- posibilitatea eliminării contaminării cu bacteriile din fecale, dacă există o înălţime suficientă a stratului de material granular şi dacă filtrarea se realizează cât mai uniform în stratul granular, fără trasee preferenţiale (se obţin reduceri de 1000 de ori a numărului de bacterii fecale pentru fiecare 1 m de grosime a stratului de material granular).

Principalele avantaje ale folosirii instalaţiilor de epurare cu câmpuri de infiltrare-percolare sunt următoarele:

- rezultate excelente ale reducerii CBO5, CCO, SS din apa supusă tratmentului;- nivel înalt de nitrificare;- suprafaţa necesară pentru înfiinţarea instalaţiei este mult mai mică decât în cazul

lagunelor naturale;- o capacitate semnificativă de dezinfectare, care devine interesantă şi poate fi luată în

calcul;

Dezavantajele folosirii instalaţiilor de epurare cu câmpuri de infiltrare-percolare sunt următoarele:

- necesită un tratament mecanic preliminar al influentului (într-o treaptă preliminară mecanică compusă de regulă din instalaţie de sitare şi decantor);

- riscul înfundărilor materialului granular trebuie să fie rezolvat (mai ales prin utilizare de nisip curat cu granulaţie corespuzătoare, dar şi prin modul de alimentare cu influent);

- necesită cantităţi mari de nisip la înfiinţarea câmpurilor de infiltrare-percolare, ceea ce conduce la creşterea de costuri de capital, mai ales în cazul în care nu se găseşte nisip cu calitate corespunzătoare în apropierea locului de înfiinţare a instalaţiei de epurare;

- adaptare limitată la suprasarcinile hidrulice ale alimentării cu influent.

7.2 Filtre cu vegetaţie cu flux vertical

Filtrele cu vegetaţie cu flux vertical (vezi figura 7.3) sunt instalaţii extensive cu biomasa bacteriană aerobă sub formă de peliculă fixată pe materialul granular al unor straturi succesive de umplutură (pietriş sau nisip, de regulă cu granulaţii diferite, în funcţie de încărcarea poluantă a apei uzate tratate), plasate într-o excavaţie neizolată, dacă este realizată în teren impermeabil, sau impermeabilizată cu geomembrană izolatoare, dacă este realizată în sol permeabil. Pe suprafaţă stratului granular al filtrului este plantată şi se dezvoltată o cultură de plante specifice mlaştinilor (de exemplu: stuf, papură, etc.).

Fig. 7.3 Filtru cu vegetaţie cu flux verticalÎn cadrul acestui tip de instalaţie epurarea apelor se realizează printr-un complex de

procese, mecanice, chimice şi biologice şi anume:

- filtrarea apei supuse tratamentului, prin straturile de umplutură ale filtrului (proces mecanic);

- adsorbţia unor compuşi ai încărcării poluante a apelor uzate, de către mediul poros adsorbant constituit de materialul granular al straturilor de umplutură (proces chimic);

- fermentarea aerobă a încărcării poluante dizolvate, de natură organică a apei supuse tratamentului, produsă de biomasa bacteriană aerobă fixată sub formă de peliculă biologică pe granulele straturilor de umplutură (proces biologic);

- sintetizarea de către vegetaţia filtrului, prin absorbţie de către sistemele radiculare ale plantelor, a unei părţi din încărcarea poluantă a apei uzate supusă tratamentului, ca atare sau descompusă de către pelicula biologică din umplutura filtrului, cum ar fi de exemplu: absorbţia nutrienţilor (N, P), dar a altor compuşi poluanţi (proces biologic).

Un sistem de epurare a apei uzate menajere cu filtre cu vegetaţie cu flux vertical este constituit de regulă dintr-o treaptă de pretratare mecanică, compusă dintr-o instalaţie de sitare (pentru înlăturarea suspensiilor grosiere din apa uzată supusă tratamentului), şi două trepte succesive, constituite din filtre cu vegetaţie cu flux vertical.

De menţionat că uneori aceste sisteme sunt alimentate cu apă uzată menajeră adusă cu cisterne sau vidanje, caz în care instalaţia de sitare este de regulă sub forma unui grătar cu curăţare manuală.

Fiecare din cele două trepte (vezi figura 7.4) sunt compartimentate în mai multe unităţi de filtrare independente, fapt care dă posibilitatea unei alimentări intermitente şi alternative cu influent, şi, ca şi în cazul paturilor din câmpurile de infiltrare, unităţile de filtrare au perioade active, când sunt alimentate cu influent şi perioade de inactivitate. Acest tip de funcţionare face posibilă o oxigenare corespunzătoare a straturilor granulare de umplutură, atât în perioadele de active atunci când aerarea se realizează prin convecţie, datorită circulaţiei apei de infiltraţie, cât şi în perioadele de inactivitate, când aerarea se realizează prin difuzie, aerul atmosferic fiind adsorbit datorită porozităţii straturilor de material granular. De menţionat că în stratul de umplutură există oxigen liber şi în zonele din vecinătatea rădăcinilor sau rizomilor plantelor, însă în cantităţi nesemnificative în raport cu necesităţile procesului de fermentare bilogică aerobă a apei uzate.

Dimensionarea treptelor sistemelor de epurare cu filtre cu vegetaţie cu flux vertical se face pe baza unei valorii impuse a sarcinii hidraulice a încărcării cu materie organică a influentului la care trebuie să lucreze instalaţia, valoare care se încadrează în intervalul dintre valorile limită zilnice, minime şi maxime, acceptabile pentru sarcină hidraulică a încărcării cu materie organică a influentului, stabilite pe baze empirice, şi anume: 20 – 25 g CBO5/m2.zi pentru întreaga suprafaţa cultivată a sisemului.

Prima treaptă va fi astfel proiectată încât să primească o sarcină hidraulică a încărcării cu materie organică a influentului de aproximativ 40 g CBO5/m2.zi, acest lucru corespunzând la 60% din suprafaţa totală cultivată a celor două trepte, cantitate care corespunde la o valoare de dimensionare de cca. 1,2 m2/locuitor echivalent al localităţii sau obiectivului deservite de sistemul extensiv de epurare cu filtre cu vegetaţie cu flux vertical. În funcţie de tipul reţelei de canalizare cuplat la sistemul de epurare cu filtre cu vegetaţie cu flux vertical (mixt sau separativ), valoarea de dimensionare a treptei întâi cu filtre cu vegetaţie cu flux vertical, poate fi majorată până la 1,5 m2/locuitori echivalenţi. Constructiv prima treaptă este compusă dintr-un număr total de filtre cu vegetaţie cu flux vertical care trebuie să fie multiplu de trei, împărţite în grupuri de câte trei. Alimentarea cu influent a filtrelor din fiecare grup se face pe rând, în mod succesiv, acest lucru permiţând ca la un ciclu complet de alimentare cu influent a tuturor grupurilor de filtre cu flux vertical, perioadele de activitate ale tuturor filtrelor să reprezinte 1/3 din durata ciclului, iar perioadele de inactivitate să reprezinte 2/3 din din durata ciclului. Acest mod de

alimentare cu influent, permite, ca şi în cazul sistemelor extensive de epurare cu câmpuri de infiltrare-percolare, o gestionare controlată a dezvoltării peliculei bacteriene fixate pe materialul granular de umplutură al filtrelor, care să evite atât înfundarea stratului granular al filtrelor din cauza dezvoltării excesive a biomasei bacteriene cât şi necesitatea introducerii unor sisteme de separare a apei clarificate (purificate) de nămolul biologic, deoarece nici la aceste instalaţii nu sunt prevăzute în structură instalaţii de decantare.

Fig. 7.4 Structura treptelor extensive ale sistemelor de epurare cu filtre cu vegetaţie cu flux vertical

Suprafaţa trepte a doua se dimensionează astfel încât aceasta să reprezinte 40% din suprafaţa totală cultivată a treptelor instalaţiei, care corespunde unei valori de dimensionare de cca. 0,8 m2/locuitor echivalent. Şi treapta doua este compartimentată, având un număr total de filtre cu vegetaţie cu flux vertical care trebuie să fie multiplu de doi, împărţite în grupuri de câte două, filtrele din fiecare grup fiind alimentate pe rând, alternativ. În acest caz, la un ciclu complet de alimentare cu influent a tuturor grupurilor de filtre cu flux vertical din treapta a doua, perioadele de activitate reprezintă 1/2 din durata ciclului, iar perioadele de inactivitate reprezintă tot 1/2 din din durata ciclului. Acest lucru este permis şi din punctul de vedere al gestionării controlate a dezvoltării peliculei bacteriene, fixate pe materialul granular de umplutură al filtrelor din treapta a două, datorită valorii reduse a sarcinii hidraulice a încărcării cu materie organică a influentului treptei a doua.

Alimentarea unităţilor de filtre cu vegetaţie cu flux vertical se face prin sisteme de distribuţie formate din reţele de conducte care distribuie prin stropire influentul, în mai multe puncte, uniform repartizate pe întreaga suprafaţa cultivată a filtrelor cu vegetaţie. La alimentarea cu influent trebuie să se ţină seama că debitul de alimentare cu influent trebuie să fie mai mare decât debitul de infiltrare a apei prin stratul de material granular în scopul unei distribuiri cât mai uniforme a influentului pe întreaga suprafaţă a umpluturii filtrului. Se menţionează că acest tip de instalaţie, depozitele de suspensii acumulate pe suprafaţa umpluturii filtrelor contribuie la reducerea intrinsecă a permeabilităţii acesteia, îmbunătăţind astfel suplimentar uniformitatea de distribuţie a influentului pe suprafaţa umpluturii. Prezenţa plantelor cultivate pe suprafaţa umpluturii filtrului limitează colmatarea acesteia, prin faptul că tulpinile plantelor străpung depozitele de suspensii acumulate.

Materialul granular de umplutură utilizat în cadrul filtrelor vegetaţie cu flux vertical din prima treaptă este pietrişul cu diferite granulaţii, stratificat după cum urmează: la suprafaţă un strat de distribuţie subţire alcătuit din pietris fin cu granulaţie sub 2 mm, apoi stratul activ (pe care se formează pelicula biologică bacteriană), cu o grosime totală de aproximativ 0,4 m, care este alcătuit din pietriş cu o granulaţie între 2 – 8 mm, după care urmează stratul de susţinere alcătuit din pietriş cu o granulaţie imtermediară între 10 – 20 mm, iar la bază se află stratul de drenaj, alcătuit tot din pietriş însă cu o granulaţie grosieră între 20 – 40 mm.

Materialul granular de umplutură utilizat în cadrul filtrelor vegetaţie cu flux vertical din treapta a doua este nisipul. Având în vedere că în treapta a doua de regulă se rafinează (finisează) tratamentul din prima treaptă, cu toate că folosit ca material de umplutură utilizat are granulaţie

mică, riscul colmatării este foarte redus. Stratul de umplutură format din nisip are de regulă grosimi de cel puţin 0,3 m.

Prin straturile de umplutură al filtrelor cu vegetaţie cu flux vertical apa se infiltrează şi circulă gravitaţional, de sus în jos. Apa purificată în urma procesului de epurare ajunge în stratul inferior, de drenaj de unde este colectată printr-o reţea de conducte de drenaj din material plastic, rigide şi prevăzute cu fante largi, în scopul prevenirii riscului colmatării. Pentru o bună circulaţie a apei purificate prin reţeaua de drenaj, conductele de drenaj sunt conectate la guri de aerisire.

Din punct de vedere al speciilor de plante care pot fi cultivate pe umplutura filtrelor cu vegetaţie cu flux vertical, teoretic, mai multe specii de plante pot fi folosite (Scirpus spp, Typha, ş.a.). Însă, dintre toate aceste plante, s-a impus stuful (mai ales din soiul Phragmites australis), datorită rezistenţei la condiţiile întâmpinate (perioade mari de inundare cu apă a filtrului, perioade de uscăciune, ape cu încărcare organică mare) şi a dezvoltării rapide a sistemelor de rădăcini şi rizomi, şi este cel mai utilizat în zonele cu climat temperat. De aceea filtrele cu vegetaţie mai sunt cunoscute şi sub denumirea des utilizată de filtre cu stuf. Densitatea recomandată de plantare este de 4 plante/m2.

Performanţele care se obţin cu instalaţiile de epurare cu filtre cu vegetaţie cu flux vertical sunt următoarele:

- reducerea CBO5 sub 25 mg/l;- reducerea CCO sub 90 mg/l;- reducerea conţinutului de suspensii solide sub 30 mg/l;- reducerea azotului organic (determint prin metoda KjN) sub 10 mg/l, în medie, cu

maxime care nu depaşesc 20mg/l;- reducerea fosforului este de obicei mică şi depinde de capacitatea de absorbţie a

straturilor granulare şi de vârsta plantelor);- reducerea numărului de bacterii patogene (de la 10 până la 100 de ori).

Principalele avantaje ale folosirii instalaţiilor de epurare cu filtre cu vegetaţie cu flux vertical sunt următoarele:

- exploatare uşoară a instalaţiei şi costuri de întreţinere mici, fără consum de energie, dacă topografia amplasării instalaţiei o face posibilă;

- posibilitatea tratării eficiente a apei uzate menajere;- operaţiile de gestionare a nămolului reduse la minim (practic inexistente);- adaptare bună la deservirea unor locaţii cu variaţii sezoniere de producere a apei uzate

menajere (locaţii de vacanţă, campare, caravane, hoteluri).

Dezavantajele folosirii instalaţiilor de epurare cu filtre cu vegetaţie cu flux vertical sunt următoarele:

- necesitatea unor operaţii operaţii de întreţinere regulate (tăierea anuală a părţii expuse a plantelor, îndepărtarea manuală a buruienilor înainte de răsărirea şi creşterea plantelor;

- utilizarea acestor sisteme pentru deservirea unor obiective mai mari de 2000 locuitori echivalenţi rămâne încă neverificată, din punct de vedere al controlului hidraulic şi al costurilor, în comparaţie cu metodele tradiţionale; de aceea perspectiva construirii unui sistem de epurare cu filtre cu vegetaţie cu flux vertical cu capacitate mare, poate fi luată în considerare doar după studii serioase legate de adaptarea bazei modelului şi după stabilirea condiţiilor care trebuie îndeplinite pentru a asigura controlul hidraulic al instalaţiei;

- riscul apariţiei insectelor sau rozătoarelor în cadrul instalaţiilor.

7.3 Filtre cu vegetaţie cu flux orizontal

Filtrele cu vegetaţie cu flux orizonal (vezi figura 7.5), sunt instalaţii extensive cu biomasa bacteriană aerobă sub formă de peliculă fixată pe un material granular de umplutură, plasate tot în excavaţii oarecum asemănătoare cu cele ale filtrelor cu vegetaţie cu flux vertical, însă cu

anumite particularităţi, şi anume: în timpul funcţionării stratul de material granular de umplutură este permanent aproape complet saturat cu apa supusă tratamentului (adică este inundat până la câţiva centimetri de suprafaţă); influentul de apă uzată este introdus în instalaţie pe la un capăt, printr-un sistem de distribuţie îngropat în umplutură, care realizează o administrare uniformă a acetuia pe întreaga secţiunea transversală a patului de umplutură, după care apa supusă procesului de lucru al instalaţiei se deplasează gravitaţional către celălalt capăt al instalaţiei, datorită pantei radierului, pe o direcţie practic orizontală, efluentul purifiact fiind colectat la capătul opus al instalaţiei într-un sistem de evacuare plasat pe radierul instalaţiei, într-un canal de drenaj umplut cu pietriş, format dintr-o gură colectoare, cuplată la o conductă care este conectată la un sifon special, care permite ajustarea înălţimii la care se face deversarea (evacuarea) efluentului; este evident deci, că poziţia la care se realizează deversarea efluentului determină poziţia nivelulului apei în patul de umplutură, în aşa fel, încât acesta să fie cât mai complet imersat în perioada de funcţionare a instalaţiei (de regulă se recomandă ca nivelul apei să fie menţinut la cca. 5 cm sub suprafaţa patului de umplutură); se menţionează că reglarea nivelului apei în instalaţie să fie controlată, încât să nu depăşescă în nici o situaţie suprafaţa patului de umplutură, deoarece în caz contrar ar apărea un risc de scurt-circuitare a tratamentului, iar apariţia unei oglinzi (suprafeţe libere) de apă oferă un prilej de proliferare a insectelor; de regulă, în acest tip de instalaţii, alimentarea cu influent are loc continuu, lucru permis de valoarea încărcării cu materie organică a influentului, care în general este scăzută.

În cadrul acestui tip de instalaţie epurarea apelor se realizează printr-un complex de procese, mecanice, chimice şi biologice asemănător cu cel al filtrelor cu vegetaţie cu flux vertical:

Dimensionarea sistemelor extensive cu filtre cu vegetaţie cu flux orizonal a fost făcută pe cale empirică pe baza rezultatelor care se aşteptată de la acest proces purificare, şi anume:

- pentru încărcări iniţiale cu materii organice ale influentului între 150 - 300 mg/l CBO5, valorile de dimensionare pentru suprafeţele plantate sunt în jur de 5 m2/locuitor echivalent echivalent al localităţii sau obiectivului deservite de sistemul extensiv de epurare cu filtre cu vegetaţie cu flux orizontal;

- pentru încărcări iniţiale cu materii organice ale influentului între 300 - 600 mg/l CBO 5

(valori care corespund în mare măsură apele uzate urbane actuale), valoarea de dimensionare a suprafeţei cultivate a filtrului este de 10 m2/locuitor echivalent (corespunzător metodei daneze de dimensionare);

- pentru tratarea apelor provenite din precipitaţii (ape meteorice) valoarea de dimensionare a suprafeţei cultivate a filtrului este în jur de 0,5 m2/locuitor echivalent.

Dimensionarea secţiunii filtrului se face în funcţie de permeabilitatea materialului granular de umplutură utilizat (care trebuie să aibă valori iniţiale între 1 – 3·10 -3 m/s). De regulă, pentru stabilirea permeabilităţii umpluturii este recomandată consultarea unui un expert tehnic.

Dimensionarea adâncimii filtrului este în funcţie de adâncimea maximă de penetrare a radăcinilor plantelor cultivate pe suprafaţa patului de umplutură. La utilizarea stufului (soiul Phragmites australis) adâncimea recomandată este de cca. 0,6 m.

Fig. 7.5 Filtru cu vegetaţie cu flux orizontalPentru valori ale suprafeţei cultivate mai mari de 50 m2, este recomandată o partiţionare în

mai multe unităţi de dimensiuni reduse, la care este facilitată întreţinerea şi se realizează un mai bun control hidraulic.

Pentru facilitarea circulaţiei apei prin filtru pe direcţie orizontală, de la capătul de admisie către capătul de evacuare, este necesar ca radierul filtrului, pe care se aşează patul de umplutură, să fie prevăzut cu o pantă. Dimensionarea pantei radierului, care trebuie în mod normal să aibă suprafaţa netedă, trebuie să se facă astfel încât să permită golirea completă, pe cale gravitaţională a instalaţiei, însă fără a provoca ieşirea din apă a rădăcinilor plantelor în zona capătului de evacuare a apei purificate. O valoare a pantei din care să rezulte o diferenţă de nivel a radierului de cca. 10% din înălţimea patului de umplutură în zona de admisie, între poziţiile radierului la capetele de admisie, respectiv de evacuare, este admisibilă şi suficientă.

Materialul granular de umplutură utilizat iniţial în paturile filtrelor cu vegetaţie cu flux orizontal a fost solul existent, care a fost astfel prelucrat încât să se asigure, pe termen lung, o conductivitate o conductivitate a acestuia de 3∙10-3 m/s. Un numar semnifictiv de mare de astfel filtre au fost construite, în conformitate cu ipoteza că, conductivitatea hidraulică va creşte odată cu dezvoltarea rădăcinilor plantelor în paturile de umplutură. În realitate această ipoteză a fost contrazisă, fiindcă creşterea conductivităţii hidraulice datorate dezvoltării rădăcinilor este semnificativ compensată de acumularea în patul de umplutură a suspensiilor solide (SS), separate din apa supusă tratamentului, şi de dezvoltarea peliculei de materie organică care au produs colmatarea paturilor de umplutură şi au adus grave prejudicii de exploatare.

În urma acestor experienţe neplacute, în prezent este recomandată utilizarea ca material de umplutură a pietrişului spălat, cu diferite granulaţii (între 3 - 6 mm, 5 - 10 mm, 6 - 12 mm), în funcţie de gradul de încărcare (poluare) al influentului.

Pe suprafaţele paturilor de umplutură a filtrelor cu vegetaţie cu flux orizontal se pot cultiva diferite specii de plante specifice mlaştinilor. Însă, ca şi la filtrele cu vegetaţie cu flux vertical, planta cel mai des utilizată este stuful din soiul Phragmites australis datorită creşterii rapide a acestuia, a dezvoltării rădăcinilor sale şi a rezistenţei la condiţiile de saturare cu apă ale terenului (patul de umplutură) pe care se dezvoltă. Cultivarea stufului pe suprafeţele paturilor de umplutură se face utilizând folosind seminţe, muguri tineri sau rizomi la o densitate de circa 4 plante/m2.

Performanţele care se obţin cu instalaţiile de epurare cu filtre cu vegetaţie cu flux orizontal sunt următoarele:

- reducerea cu 70 – 90% a CBO - ului efluentului, pentru diferite încărcări poluante ale influentului care variază între 50 - 200 mg/l CBO5, şi pentru valori de dimensionare între 3 - 5 m2/locuitor echivalent ale instalaţiilor care utilizează ca material de umplutură pietrişul; aceste valori ale indicatorilor de performanţă sunt totuşi prea scăzute pentru a fi considerate reprezentative la epurarea apelor uzate urbane şi este mai indicat să fie prezentate performaţele instalaţiilor cu filtre cu vegetaţie cu flux orizontal, de concepţie daneză a anilor 80, dimensionate

la o valoari de cca. 10 m2/locuitor echivalent, cu care s-au obţinut reduceri de 86% pentru CBO5

şi suspensii solide SS, de 37% pentru azotul total şi de 27% pentru fosforul total;- nitrificare limitată, dar denitrificarea foarte bună;- eliminarea fosforului depinde de tipul de umplutură utilizat, dar rămâne totuşi relativ

scazută.

Principalele avantaje ale folosirii instalaţiilor de epurare cu filtre cu vegetaţie cu flux orizontal sunt următoarele:

- consum mic de energie;- nu este necesar personal cu înaltă pregătire pentru întreţinere;- nu este necesară o pantă semnificativă a radierului pentru curgerea gravitatională a apei

prin instalaţie (valori ale pantei sub 1m);- reactionează bine la variaţii ale încărcării poluante a influentului.

Dezavantajele folosirii instalaţiilor de epurare cu filtre cu vegetaţie cu flux orizontal sunt următoarele:

- este necesară o suprafaţă mare de teren pentru înfiinţare (comparabilă cu cea necesară pentru lagunele naturale);

- construcţia unor sisteme de epurare extensive cu filtre cu vegetaţie cu flux orizontal care să deservească locaţităţi sau obiective cu peste 4000 locuitori echivalenţi poate fi luată în considerare numai dacă s-au analizat minuţios toţi parametrii de proiectare, în special parametrii hidraulici.

7.4 Lagune naturale (iazuri de stabilizare)

La modul general, lagunele sunt instalaţii extensive în care în apa uzată supusă tratamentului este purificată (epurată) de încărcarea poluantă organică prin acţiunea biologică a unor culturi bacteriene, în principal, de tip aerob, care sunt dispersate în apa supusă tratamentului. Oxigenul necesar procesului de fermentare aerobă poate proveni, în funcţie de împrejurări, din surse naturale sau artificiale, modul de aerare dând chiar denumirea tipului de instalaţie instalaţie extensivă, care poate fi cu lagune naturale sau cu lagune aerate. De regulă, după finalizarea tratamentului de epurare biologică, cultura bacteriană este separată din apa purificată prin sedimentare în bazine de decantare, de asemene naturale, denumite lagune de sedimentare.

Sistemele extensive cu lagune naturale (denumite şi iazuri de stabilizare) sunt sisteme de lagune în care oxigenul necesar dezvoltării şi menţinerii biomasei de bacterii aerobe este produs, pe cale naturală, prin fotosinteza de către o biomasă de alge microscopice care se dezvoltă în stratul de apă din lagună din vecinătatea suprafeţei libere (oglinzii) a apei, care este expus radiaţiei (luminii) solare (vezi schema din figura 7.6).

Fig. 7.6 Schema procesului biologic din interiorul unei lagune naturale

Prin intermediul metabolismului propriu, bacteriile aerobe descompun materia organică din apa uzată în care sunt dispersate, pe care o transformă şi o sintetizează pentru propria dezvoltare, eliminând cantităţi semnificative de dioxid de carbon şi apă. Dioxidul de carbon produs de bacteriile aerobe, precum şi sărurile minerale conţinute în apa uzată supusă procesului, permite algelor planctonice sa se multiplice şi să dezvolte. Prin urmare la procesul de epurare biologică din cadrul lagunelor naturale, iau parte şi se proliferează două populaţii de microorganisme interdependente şi anume: bacteriile aerobe şi algele planctonice, acestea din urmă fiind denumite "microfite". Acest proces biologic se auto-menţine atât timp cât sistemul primeşte energie solară şi materie organică prin influentul de apă uzată. De menţionat că în partea inferioară a lagunelor, în vecinătatea radierului acestora, acolo unde nu pătrunde lumina solară, se dezvoltă biomase de bacterii anaerobe care descompun nămolurile de natură organică sedimentată. În urma acestui proces, de fermentare anerobă a materiei organice se degajă dioxid de carbon şi metan, sub formă de gaz de fermentaţie.

De menţionat că aceste procese biologice naturale se desfăşoară relativ lent, şi de aceea, pentru a se obţine un grad satisfăcător de purificare al apei supuse procesului, este nevoie de un timp de retenţie mare. De obicei sistemele extensive cu lagune naturale sunt formate din mai multe lagune (bazine) plasate în serie prin care apa supusă tratamentului circulă succesiv. În practică, configuraţia de sistem cu lagune naturale cel mai frecvent întâlnită este cea cu 3 bazine. Cu toate acestea, utilizând o configuraţii ale sistemelor cu 4 - 6 bazine, pe lângă obţinerea unei purităţi avansate a efluentului, se realizează şi o dezinfecţie mai profundă a efluentului.

În măsura în care nu dezinfectarea apei este preocuparea principală, utilizarea sistemelor cu trei lagune, asigura un bun nivel de fiabilitate de funcţionare pentru eliminarea încărcării organice a apei uzate. În cadrul acestor sisteme, rolurile fiecăruia dintre diferitele bazine sunt următoarele:

- primul bazin asigură, mai presus de toate, o reducere însemnată a încărcării organice a apei uzate;

- al doilea bazin asigură eliminarea azotului şi fosforului (nutrienţilor);- al treilea bazin rafinează (finisează) tratamentul aplicat apei uzate în bazinele anterioare

şi face sistemul fiabil, în cazul unor defecţiuni apărute la primele două bazine sau în timpul lucrărilor de întreţinere a sistemului.

Încărcarea specifică zilnică cu materie organică a influentului introdus în sistemele de lagune naturale este de aproximativ 4,5 g CBO5/m2.zi (încărcarea se raportează la aria oglinzii apei), ceea ce corespunde unei dimensionări a suprafaţei totale a sistemului de lagune naturale, măsurată la oglinda apei, de aproximativ 10 - 15 m2/locuitor echivalent al localităţii sau obiectivului deservite de sistemul extensiv de epurare cu lagune naturale.

Chiar şi la aceste încărcări reduse de materie organică, aplicate prin influent, pentru o purificare corespuzătoare a apei sunt necesare durate foarte mari de rezidenţă în bazinele sistemului. De exemplu, pentru purificarea apei uzate menajere, neamestectă cu apă meteorică (din precipitaţii), timpul de retenţie în sistemul dec lagune naturale este în jur de 70 de zile. Totuşi în condiţiile unor zone cu climă caldă şi uscată (ţările din sudul Europei), suprafaţă rezultată prin modul de dimensionare prezentat anterior, poate fi redusă chiar la jumătate, datorită temperaturii care accelerează procesele biologice şi datorită evaporării care diminuează timpul de retenţie. Din acest motiv, de multe ori volumele influente de apă uzată, care urmează a tratate în sistemele extensive cu lagune naturale, pot în multe momente, complet diferite de volumele efluente de apă purificată, evacuate din sisteme în mediul natural. De aceea pentru controlul bunei funcţionări hidraulice a structurilor sistemului, este deci foarte important ca să existe întotdeauna posibilitatea comparării debitelor de apă din amonte şi avalul sistemului extensiv de lagune naturale, folosind instrumente adecvate de măsurare directă sau indirectă a debitelor, mai ales în scopul detectării unor posibile infiltrari sau scurgeri în/din fluxul de apă supus tratamentului.

La proiectarea primului bazin din sistemul de lagune naturale se consideră o valoare de dimensionare de 6 m2/locuitor echivalent, valoare care corespunde la o încarcare specifică a influentului cu materie organică de aproximativ 8,3 g CBO5/m2.zi. În cazul sistemelor cu lagune naturale care deservesc obiective cu o populaţie variabilă, sau în cazul sistemelor cu lagune naturale care operează în zone calde şi însorite, dimensionarea poate fi efectuată pe baza debitului zilnic maxim de apă uzată influentă. De asemenea forma primului bazin al sistemului cu lagune naturale trebuie să fie astfel adoptată încât să nu fie favorizată dezvoltarea bacteriilor aerobe în detrimentul algelor, sau invers. Echilibru între cele două specii de microorganisme trebuie să fie respectat, astfel încât cantitatea de oxigen din apa supusă procesului sa rămână suficientă. Pentru a se respecta această condiţie, forma cea mai potrivită pentru primul bazin este mai degrabă mai adancă, decât lungă şi îngustă. Astfel (vezi schema din figura 7.7), raportul L/l dintre lungimea şi laţimea primului bazin, trebuie să fie mai mică decât 3 (valoare recomandată în Franţa).

Fig. 7.7 Schema de dimensionare a bazinelor dinsistemele extensive cu lagune naturale cu 3 bazine

Adâncimea primului bazin al sistemului cu lagune naturale trebuie să fie astfel adoptată încât să se respecte urmatoarele:

- evitarea creşterii şi dezvoltării în bazin a unor forme superioare de plante acvatice;- obţinerea unui maxim de penetrare a luminii în bazin în scopul oxigenării volumului de

apă;

Rezultă o valoare optimă a adâncimii a apei în lagună de circa 1 metru (± 0,2 m). Cu toate acestea, pentru a facilita curăţarea depozitelor de nămol, care în mod normal se dezvoltă mai ales în jurul punctului de alimentare cu influent, în această parte a lagunei poate fi construită o zonă de sedimentare mai adâncă. Zona de sedimentare, care poate avea o adâncime suplimentară de maxim 1 metru, se referă deci, doar la câteva zeci de m2 din vecinătatea punctului de alimentare cu influent. Pătrunderea în zona de sedimentare trebuie să fie întotdeauna asigurată, atât dinspre pereţii laterali ai bazinului, cât şi prin intermediul unei rampe de acces, construită în acest scop.

La proiectarea bazinelor 2 şi 3 din sistemul de lagune naturale, se impune ca bazinele să aibă dimensiuni similare, iar pentru stabilirea suprafeţei totale a celor două bazine se consideră o valoare de dimensionare de 5 m2/locuitor echivalent al localităţii sau obiectivului deservite de sistemul extensiv de epurare cu lagune naturale. De asemenea se impune ca adâncimea apei în cele două bazine trebuie să fie de cca. 1 metru (± 0,2 m). Forma de ansamblu a bazinelor poate varia în conformitate cu anumite constrângeri topografice sau pe baza recomandărilor din certificatul de urbanism, în scopul integrării adecvate în peisaj.

În scopul unei funcţionări corespunzătoare, sistemele extensive cu lagune naturale, pe lângă amsamblurile de bazine, sunt este dotate şi cu o treaptă preliminară mecanică compusă dintr-o instalaţie de sitare (pentru înlăturarea suspensiilor grosiere din apa uzată supusă tratamentului). De menţionat că în cazul sistemelor de epurare cu lagune naturale care deservesc localităţi sau obiective cu populaţie sub 500 locuitori echivalenţi, treapta preliminară mecanică se înlocuieşte cu un grătar plutitor mobil pentru reţinerea suspensiilor grosiere care este amplasat în zona de alimentare cu influent al primului bazin. De altfel, în general, la toate sistemele extensive cu lagune naturale, în zona de alimentare cu influent a primului bazin, sunt plasate bariere de reţinere imersate pănă la adâncimi de 0,3 – 0,4 m, care reţin suspensiile solide plutitoare.

Pentru înfiinţarea unui sistem extensiv cu lagune naturale alegerea terenului depinde mai ales de mărimea suprafeţei de dispunere pe care sistemul lagunar îl ocupă. Suprafaţa de dispunere include atât suprafeţele corpurile de apă, precum şi suprafeţele celorlalte utilităţi, care trebuie să prevăzute pentru a facilita exploatarea şi întreţinerea sistemului. De exemplu, pentru tratarea apelor uzate rezultate de la o populaţie de 400 locuitori echivalenţi pentru care rezultă o suprafaţa totală a corpurilor de apă de 4400 m2, dacă se consideră o valoare de dimensionare a suprafeţei totale a întregului sistem de aproximativ 15 m2/locuitor echivalent, rezultă o suprafaţă totală necesară de 0.6 hectare.

Amplasarea sistemelor extensive cu lagune naturale trebuie astfel aleasă încât să fie situată în zone ale reliefului cât mai joase, în care vânturile să contribuie la aerarea suprafeţei apei din bazine. Însă dacă în astfel de zone, nu sunt disponibile soluri impermeabile (lutoase sau argiloase), atunci se poate lua în considerare şi amplasarea sistemului extensiv cu lagune naturale şi în zone ale reliefului mai înalte, dar cu condiţii corespunzătoare, chiar dacă în acest caz se poate lua în calcul necesitatea pompării influentului de apă uzată. De asemenea la amplasarea bazinelor sistemului trebuie ţinut cont că nu tebuie existe nici un copac la distanţe mai mică de 10 metri de bazine, întrucât rădăcinile copacilor ar putea crea căi preferenţiale prin diguri bazinelor. În plus, frunzele copacilor ar putea cădea în bazine şi pot determina o supraîncărcare organica, precum şi un risc de obstrucţionare a conductelor de conectare între bazine. Se recomandă ca terenurile de amplasare a sistemelor extensiv cu lagune naturale să fie de tip lutos sau argilos, al căror substrat de susţinere nu trebuie să fie carstic sau fragmentat.

Topografia terenului pe care se înfiinţează sistemele extensive cu lagune naturale trebuie în aşa fel ales încât gravitaţia să ajute curgerea apei spre zonele de evacuare. Orice formă a terenului care ar putea minimiza volumul de lucrări de construcţii trebuie utilizată. Trebuie menţionat că totuşi, terenurile care sunt prea abrupte nu este recomandabil să fie utilizate la construcţia sistemelor de lagune naturale din cauza riscurilor de prăbuşire, eroziune şi alunecări de teren către zonele de colectare şi evacuare a apei limpezite (dacă pantă terenului de dispunere a bazinelor este prea abruptă, orice ploaie mai torenţială sau furtună ar determina creşteri importante şi foarte brusce a nivelului apei în zonele de colectare ale bazinelor, perturbând procesul de lucru normal al sistemului de lagune, putându-se produce chiar şi inundaţii).

La realizarea bazinelor sistemelor extensive cu lagune naturale o atenţie deosebită trebuie acordată construcţiei malurilor, care pentru a asigura o etanşare naturală trebuie să fie stabile. Pentru aceasta taluzurile malurilor trebuie să aibă pante cu un raport înălţime/lăţime de cel puţin 1/2,5 astfel încât:

- să limiteze acţiunea erozivă cauzată de sfărâmare;- să faciliteze întreţinerea periodică;- să permită accesul echipamentelor de întreţinere la toate bazinele.

În scopul protejării malurilor împotriva eroziunii cauzate de sfărâmare şi a posibilelor stricăciuni cauzate de rozătoare, este util ca înainte să se umple bazinele cu apă, feţele către apă ale malurilor să fie plantate cu gazon, sau să se consolideze contra surpării cu dale autoblocante sau cleonaje, geogrile, materiale geotextile sau orice alt material care oferă protecţie.

Malurile şi digurile trebuie construite prin compactări succesive a unor straturi de 15-20 cm, astfel încât pe toată lungimea acestora trebuie să se asigure o structură omogenă până la „inima” terasamentului. Compactarea taluzurilor (spatele) malurilor şi digurilor trebuie să se efectueze abia după ce s-a finalizat compactarea inimii şi a feţelor acestora.

În scopul consolidării malurilor şi digurilor este posibilă instalarea pe suprafaţa lor a unei geomembrane etanşe, dar această variantă constructivă are dezavantajul creşterii semnificative a costurilor de capital (de investiţii) la înfiinţarea sistemului de epurare. Trebuie menţionat totuşi că în această situaţie, panta digurilor poate fi mărită (la 1/1,5), rezultând o micşorare semnificativă a suprafeţei totale ocupată de bazine.

Conductele de sifonare dintre bazine trebuie să fie astfel amplasate încât să împiedice transmiterea între bazine a unor materialelor care se găsesc la suprafaţă apei sub formă de pelicule (de exemplu: lintiţa sau eventuale hidrocarburi).

În scopul facilitării operaţiile de întreţinere şi reparaţii a bazinelor sistemelor extensive cu lagune naturale (golire, curăţare, intervenţii care necesită izolarea şi scoaterea bazinelor din fluxul tehnologic) soluţia cel mai frecvent utilizată este instalarea unor conducte de by-pass (scurt-circuitare) pentru fiecare bazin în parte la construcţia sistemului.

Înainte pe punerea în funcţiune a sistemelor cu lagune naturale se face o umplere rapidă cu apă curată a tuturor bazinelor atât în scopul verificării etanşeităţii acestora şi depistării şi înlăturării unor eventuale scurgeri, cât şi pentru iniţierea condiţiilor pentru dezvoltarea ecosistemului lagunar (inclusiv vegetaţia malurilor). De altfel, în scopul evitării apariţiei scurgerilor din sau între bazinele lagunare este absolut necesar ca înainte de începerea construcţiei sistemelor cu lagune naturale să se facă un studiu hidrogeologic şi pedologic al terenului vizat.

De menţionat că în timpul exploatării sistemelor extensive cu lagune naturale pot să apară mirosuri neplăcute, mai ales la schimbarea anotimpurilor, legate de fenomenul de anaerobioză, în cazul în care influentul introdus în prima lagună este prea concentrat în materie organică. Este posibilă rezolvarea acestei situaţii prin recircularea apei din primul bazin sau prin diluarea influentului introdus în primul bazin, folosind în acest scop un curent de apă epurată din sistem.

Performanţele care se obţin cu sistemele extensive de epurare cu lagune naturale sunt următoarele:

- reducerea cu mai mult de 75% a încărcării cu materie organică a efluentului, calculată pe baza valorilor încărcării poluante ale influentului, corespunzător unei valori de aproximativ de 125 mg/l CCO; în plus atât debitul de apă uzată supusă procesului în sistemul lagunar, cât şi debitul efluentului sistemului lagunar pot fi în mod frecvent mult reduse în timpul verii (cu până la 50%) prin fenomenului de evapotranpiraţie;

- concentraţiile de azot total, la nivelul efluentului sistemul lagunar natural, sunt foarte mici pe timpul verii, dar pot ajunge la valori de câteva zeci de mg/l (exprimate în N), în timpul iernii;

- reducerea fosforului este semnificativă în primii câţiva ani de exploatare a sistemului lagunar (de peste 60%), apoi se diminuează progresiv, scăzând până la zero după aproximativ 20 de ani; această scădere a eficienţei de reducere a fosforului este cauzată de apariţia unor degajări de fosfor din sedimentele naturale; în scopul eliminării acestui inconvenient se caută restabilirea condiţiilor iniţiale prin curăţarea bazinelor (astfel, în cazul în care instalaţia este sensibilă la reducerea fosforului, curăţarea trebuie să aibe loc la fiecare 10 ani, şi nu la fiecare 20 de ani, aşa cum se procedează la instalaţiile insensibile la reducerea fosforului);

- dezinfecţia efluentului sistemelor lagunare naturale este importantă, în special în timpul verii (reducerea încărcării microbiane de peste 10000); această performanţă este legată de perioadele lungi de retenţie a apei uzate supuse tratamentului în sistem (aproximativ 70 de zile pentru un tratament complet) sub acţiunea radiaţiilor UV şi a competiţiei microbiologice.

Principalele avantaje ale folosirii sistemelor extensive de epurare cu lagune naturale sunt următoarele:

- nu este necesară alimentarea cu energie a instalaţiei în cazul în care există o diferenţă de nivel favorabilă circulaţiei gravitaţionale a apei în sistem;

- exploatare sistemelor cu lagune naturale este simplă, cu condiţia păstrării curăţeniei generale, care dacă nu este efectuată la timp, reduce accentuat performanţele sistemului;

- se elimină o mare parte din poluarea cu nutrienţi (azot şi fosfor), mai ales în timpul verii;

- se realizează o foarte bună eliminare a organismelor patogene în timpul verii (reducere a numărului de microorganisme cu 4-5 unităţi logaritmice), şi eliminare bună în timpul iernii (reducere cu 3 unităţi logaritmice);

- sistemele cu lagune naturale se adaptează bine la variaţiile mari ale sarcinii hidraulice a influentului;

- construcţiile şi instalaţiile necesare la înfiinţarea sistemelor cu lagune naturale nu sunt foarte complexe şi de amploare, ingineria necesară realizării acestora rămânând simplă;

- se integrează bine în peisaj;- lipsa producerii poluării sonore;- se poate constitui într-un echipament pedagogic pentru iniţierea elevilor şi studenţilor în

microbiologie;- nămolul rezultat în urma curăţării bazinelor este bine stabilizat (cu excepţia celui de la

partea frontală a primului bazinului) şi poate fi răspândit pe terenurile agricole fără nici un pericol pentru mediu.

Dezavantajele folosirii sistemelor extensive de epurare cu lagune naturale sunt următoarele:

- necesită un suprafeţe mari de teren pentru înfiinţare;- costurile de capital (de investiţii) depind foarte mult de substratului terenului pe care se

înfiinţează sistemul lagunar; în cazul unor terenuri instabile sau nisipoase, este de preferat să nu se ia în considerare înfiinţarea sistemelor de epurare cu lagune naturale;

- performanţa reducerii încărcării organice este mai mică decât a altor instalaţii extensive; cu toate acestea, încărcarea organică a efluenţilor rezultaţi din lagune constă preponderent din alge şi are efecte mai puţin nocive decât încărcarea cu materie organică dizolvată, pentru calitatea receptorilor în acre sunt deversaţi; mai mult decât atât, încărcarea cu materie organică a

apelor supuse tratamentului în sistemul lagunar natural rămâne foarte scăzută în timpul verii (ca rezultat al evapotranspiraţiei) ca şi debitele de efluent, cu efecte deosebit de favorabile pentru calitatea receptorilor naturali, pentru care vara este perioada cea mai nefavorabilă din punct de vedere a poluării;

- calitatea efluenţilor sistemelor lagunare variază în funcţie de sezon.

7.5 Lagune naturale cu macrofite

Lagunele naturale cu macrofite sunt instalaţii extensive în care sunt reproduse ecosistemele din zonele mlăştinoase cu suprafeţe libere (oglinzi) de apă, căutându-se utilizarea beneficiilor ecologice ale acestor ecosisteme naturale în tratarea apelor uzate. Acest tip de sisteme sun rar utilizate în Europa, însă sunt destul de frecvent utilizate în Stalele Unite aleAmericii, mai ales ca instalaţii de epurarea avansată (trepte de tratare terţiare) în completarea sistemelor de epurare cu lagune naturale sau sistemelor de epurare cu lagune aerate în scopul îmbunătăţirii performanţelor acestora (mai ales în reducerea încărcării cu materie organică CBO sau suspensii solide SS) sau pentru rafinarea (finisarea) procesului acestora (în eliminarea nutrienţilor sau metalelor). Totuşi, trebuie menţionat că utilizarea sistemelor de epurare cu lagune naturale cu microfite este mult mai profitabilă datorită eficienţei de epurare mai ridicate şi uşurinţei de întreţinere şi exploatare.

7.6 Lagune aerate

Sistemele extensive cu lagune aerate sunt sisteme de lagune în care oxigenul necesar dezvoltării şi menţinerii biomasei de bacterii aerobe, preluat din aer, este introdus prin intermediul unor aeratoare mecanice de suprafaţă sau sisteme pneumatice de insuflare. Acest tip de instalaţii extensive sunt asemănătoare cu instalaţiile intensive de tip bazin de aerare cu nămol activ, cu diferenţele că în acest caz nu are loc nici evacuarea continuă a nămolului activ din bazinul de aerare şi nici recircularea nămolului activ separat prin sedimentare din efluent. De menţionat că în cazul instalaţiilor cu lagune aerate este nevoie de alimentarea cu energie pentru desfăşurarea procesului de lucru, consumul de energie fiind similar instalaţiilor intensive cu bazine de aerare cu nămol activ, cu valori în intervalul 1.8 – 2 kW/kg de CBO5 eliminat.

Mecanismele majore care realizeză procesul de lucru în lagunele aerate sunt următoarele:

- aerarea, necesară producerii şi desfăşurării procesului biologic de fermentare aerobă, în care apa supusă tratamentului intră în contact cu microorganismele aerobe (specii bacteriene şi de fungii similare cu cele prezente în nămolul activ din instalaţiile intensive), care transformă şi asimilează încărcarea poluantă de materie organică şi nutrienţi (aflaţi în general în stare dizolvată) din apă;

- decantarea suspensiile solide, care se găsesc în apa supusă procesului sub formă de grupări de microorganisme, produse de fermentaţie şi particule solide înglobate, cu densitate mai mare decât cea a apei, se depun formând astfel un sediment de nămol biologic (activ).

Această combinaţie a mecanismelor procesului din lagunele aerate a determinat configurarea sistemelor extensive cu lagunele aerate care în mod tipic, sunt compuse din două trepte distincte succesive (vezi schema din figura 7.), o treaptă anterioară, având în componenţă lagune aerate, în care are loc procesul de fermentare biologică, şi o treaptă posterioară, având în componenţă lagune simple, de decantare, în care are loc clarificare apei şi decantarea nămolului care este eliminat în mod regulat din bazine, de regulă prin pompare, atunci când volumul ocupat de acesta în bazinele de decantare, creşte peste anumite limite.

De menţionat că lipsa recirculării nămolului biologic în cazul lagunelor aerate, conduce la:

- concentraţie redusă a bacteriilor aerobe în bazinul aerat, fapt care determină o perioadă mai lungă de retenţie a apei supuse tratamentului pentru obţinerea calităţii impuse a efluentului;

- reducerea floculării nămolului biologic, din această cauză fiind neapărat necesar să se prevadă instalarea unor lagune specializate de decantare, dimensionate corespunzător.

Fig. 7.8 Sisteme extensive cu lagune aerate (schemă de principiu şi de dimensionare)

În scopul înfiinţării unei sistem extensiv de epurare cu lagune aerate este pentru dimensionarea suprafeţei totale se ia în considerare o valoare de dimensionare între 1,5 – 3 m2/locuitor echivalent al localităţii sau obiectivului deservite de sistemul extensiv de epurare.

Dimensionarea lagunei aerate trebuie să fie făcută astfel încât să asigure un timp (durată) de retenţie al apei supuse procesului de cca. 20 de zile (de menţionat că timpii de retentie pot fi reduşi la aproximativ 2 săptămâni dupa câtiva ani de operare, în functie volumul de nămol biologic rezultat).

Volumul lagunei aerate se va dimensiona la o valoare de 3 m3/locuitor echivalent (vezi schema din figura 7.8).

Adâncimea lagunei aerate poate fi dimensionată la valori de: 2 – 3,5 m atunci când sunt utilizate aeratoare de suprafata, 2,5 – 3 m atunci când sunt sunt folosite turboaeratoare şi peste 4 m atunci sunt utilizate sisteme pneumatice de insuflare a aerului, prevăzute cu suflante.

Forma în plan orizontal a lagunei aerate va fi astfel prevăzută încât să se asigure zone de formă pătrată cu dimensiuni corespunzătoare specifice, în jurul fiecărui utilaj de aerare mecanică, şi în funcţie de topografia spaţiului disponibil în cazul utilizării sistemelor pneumatice de insuflare a aerului.

Având în vedere că pentru reducerea unui kg de CBO5 din încărcarea poluantă a apei sunt necesare 2 kg de O2, şi că în plus sunt necesare şi reducerea sedimentelor de nămol biologic la volume care să nu afecteze tratamentul şi prevenirea formării algelor microscopice (fitoplancton), puterea specifică de aerare necesară trebuie să aibă valori între 5 - 6 W/m 3 de apă procesată. De menţionat că în timpul operării lagunelor aerate este totdeauna recomandată limitarea duratelor de operare ale utilajelor de aerare de mare putere, în favoarea duratelor de operare a unor utilaje cu puteri mai mici, pentru evitarea supraîncărcărilor reţelelor de alimentare.

Dimensionarea volumelor lagunelor de decantare se face la valori de 0,6 – 1 m3/locuitor echivalent. Adâncimea lagunelor de decantare poate avea avea valori de cca. 2 m, pentru a asigura în perioadele anterioare extragerii nămolului, un strat superior de apa curată cu adâncimea de cel puţin 1 m.

Forma recomandată a lagunelor de decantare este dreptunghiulară, cu un raport lungime/lăţime cu valoarea între 2 – 3.

Utilizarea în treapta posterioară, de decantare, a unui sistem de două lagune de decantare cu timpi de retenţie de 4 zile şi volume de 0,6 m3/locuitor echivalent (vezi schema din figura

7.8), care funcţionează alternativ, facilitează atât exploatarea sistemului cât şi extragerea nămolului, operaţie care trebuie făcută la fiecare doi ani.

La înfiinţarea sistemelor de epurare cu lagune aerate, spre deosebire de sistemele de lagunele naturale, impermeabilizarea bazinelor, în special a celor aerate, cu geomembrană este recomandabilă, în scopul reducerii riscului de degradare a malurilor din cauza agitării excesive a apei din bazine. În cazul utilizării unor terenuri care asigură o impermeabilizare naturală, se recomandă folosirea unor soluţii care asigură protecţia malurilor împotriva agitaţiei apei (utilizarea unor cleonaje din beton, utilizarea de geogrile plus plantarea de papură), întrucât durabilitatea instalaţiei depinde mult de acest lucru. De asemenea se menţionează că utilizarea unor dale sau grinzi de beton îmbunătăţesc semnificativ protecţia fundaţiei bazinelor aerate atunci când se folosesc turboaeratoare.

Performanţele care se obţin cu sistemele extensive de epurare cu lagune aerate sunt următoarele:

- asigură o calitate bună a efuentului din punct de vedere al încărcării organice (o reducere cu mai mult de 80% a CBO);

- pentru nutrienţi, eliminarea este limitată la pragul de asimilare bacteriană (reduceri de 25 - 30%); aceaste performanţe pot fi însă îmbunătăţite prin utilizarea unor aditivi fizico-chimici în vederea eliminării ortofosfatilor.

Principalele avantaje ale folosirii sistemelor extensive de epurare cu lagune aerate sunt legate de faptul că acest tip de instalaţie este deosebit de tolerant cu variaţiile unor factori care ar determina proastă funcţionare şi performanţe la celelalte tipuri de instalaţii extensive, şi anume:

- variaţii mari în ceea ce priveşte încărcarea hidraulică a influenţilor;- influenţi cu încărcari poluante extrem de ridicate;- neuniformitatea dispersării în apă a biomasei bacteriene active care conduce la

obţinerea unor efluenţi un conţinut variabil de nutrienţi;- influenţi obţinuti din amestecarea apelor uzate menajere, uşor biodegradabile, cu ape

uzate din deversărilor industriale.Alte avantaje semnificative ale sistemelor extensive de epurare cu lagune aerate sunt

următoarele:

- integrare foarte bună în peisaj;- nămolul rezulat din proces este stabilizat, şi poate fi evacuat în mediu fără pericol;- evacuarea nămolului din instalaţie se face la perioade îndelungate (din doi ani în doi

ani).

Dezavantajele folosirii sistemelor extensive de epurare cu lagune aerate sunt următoarele:

- evacuarea unor efluenti de calitate medie (din punctul de vedere al tuturor parametrilor);- prezenţa unor echipamentelor electromecanice, a căror întreţinere necesită personal

calificat;- poluarea fonică datorată prezenţei sistemului de aerare;- consum mare de energie.

7.7 Sisteme extensive combinate

Asocierea mai multor instalaţii extensive, de diferite tipuri, în structuri în serie sau în paralel, este uneori adoptată în scopul adaptării tratamentului la realizarea unor sarcini specifice (obţinerea nuei anumite calităţi a efluenţilor, tratarea concomitentă a apelor meteorice, tratarea unor influenţi speciali, etc.).

În Europa, deşi experienţa în acest domeniu este destul de redusă, se pot prezenta mai multe variante promiţătoare de sisteme extensive combinate şi anume:

- sisteme formate din filtre cu vegetaţie cu flux vertical şi cu flux orizontal, plasate în serie,

care se pot constitui în soluţii eficiente de reducere a nutrienţilor (azot şi fosfor), mai ales în funcţie de tipurile de material de umplutură utilizate; un astfel sistem, poate asigura, într-o treaptă anterioară, compusă dintr-un filtru cu flux vertical, o bună reducere a conţinutului de suspensii solide SS şi materie organică CBO şi realizează o nitrificare aproape totală, iar într-o treaptă posterioară, compusă dintr-un filtru cu flux orizontal, o rafinare a reducerilor de SS şi CBO, o bună denitrificare precum şi o bună eliminare a fosforului prin adsorbţie în stratul de umplutură al filtrului, dacă materialul granular folosit are caracteristici bune de adsorbţie (se recomandă materiale pe bază de Fe, Al, Ca);

- sisteme cu configuraţii mai complexe, care sunt utilizate la rafinarea (finisarea) efluenţilor secundari sau terţiari şi anume: sisteme cu lagune naturale sau aerate completate cu o combinaţie de lagune cu macrofite, elimină riscul unor efluenţi cu calitate mediocră temporară; de asemenea, sisteme cu lagune completate cu lagune cu macrofite sau relativ frecvent folosite la tratarea apei meteorice.

O multitudine de variante de sisteme de instalaţii extensive ar putea fi proiectate în scopul reproducerii a numeroase variante de ecosisteme naturale specifice mlaştinilor, însă trebuie avut în vedere că creşterea complexităţii sistemelor se face în detrimentul facilităţii de exploatare şi întreţinere, precum şi a creşterii costurilor de capital şi exploatare.

De asemenea trebuie că la fundamentarea înfiinţării unor sisteme extensive complexe care să deservească obiective cu populaţie de peste 4000 locuitori echivalenţi, trebuie făcută o comparaţie între costurile de capital şi exploatare estimate pentru astfel de sisteme cu costurile de capital şi exploatare ale unor sisteme intensive cu performanţe similare. În această analiză nu trebuie să fie ignorate nici suprafeţele de teren necesare pentru înfiinţarea sistemelor de epurare extensive.

Bibliografie

1. *** - Guide - Extensive Wastewater Treatment Processes - adapted to small and medium sized communities (500 to 5000 population equivalents) - Office of official publications of the European Community, Luxembourg , 2001.