Procese pentru epurarea apelor uzate industriale

A. Procese fiziceProcesele fizice de epurare sunt acelea în care substanţele poluante nu suferă transformări în alte

substanţe, având la bază principiile:

a) separarea gravitaţională a particulelor grosiere, nedizolvate în apă, sub influenţa câmpului gravitaţional al Pământului, prin sedimentare, prin flotaţie sau prin centrifugare. Este posibil fenomenul de aglomerare (floconare), flocoanele având mase mai mari şi care sedimentează mai repede. Ca exemplu se prezintă fig. 3.1, un decantor, care poate fi cu curgere a apei verticală şi orizontală. Eliminarea nămolului din decantor se poate face manual şi intermitent. După formă, decantoarele pot fi circulare şi rectangulare. Evacuarea apei limpezite se face prin deversoare.

Fig 3.1

b) flotaţia este un proces unitar de separare din apă, sub acţiunea câmpului gravitaţional terestru, a particulelor cu densitate medie mai mică decât a apei. Flotaţia poate fi naturală sau cu aer introdus în apă sub formă de bule fine prin difuzoare poroase. Scopul flotaţiei este de a forma o spumă stabilă care să încorporeze particulele insolubile. Flotaţia se poate face se poate face în bazine circulare sau dreptunghiulare. În fig. 3.2 se prezintă schema unei instalaţii de flotaţie cu aer sub presiune.

Fig. 3.2

c) filtrarea constă în trecerea apei printr-un mediu poros în care are loc reţinerea prin fenomene predominant fizice. Filtrarea este un proces de sitare cu ajutorul unei ţesături fine sau împâslituri.

d) reţinerea pe grătare şi site a impurităţilor grosiere (crengi, fire etc) pe grătare şi a celor mai mici pe site. Viteza apei la întrarea în grătare este de cca. 0.3 m/s pentru a evita depunerile pe grătar dar nu mai mare de cca. 1 m/s pentru a nu înţepeni corpurile grosiere între bare. Sitele servesc pentru reţinerea impurităţilor nedizolvate de dimensiuni mai mici şi sunt realizate din table metalice sau din plăci de material plastic perforat. Sitele pot fi statice şi mobile (ciururi cu mişcare de vibraţie sau giratoare). Îndepărtarea materialelor din site se face cu perii, prin simpla alunecare (fig. 3.3) unde se prezintă o sită formată din bare triunghiulare. Sitele fine din ţesături din fire metalice sau fire din materiale plastice se folosesc pentru suspensii de particule fine.

e) epurarea în filtre granulare şi filtre cu prestrat. Materialul granular folosit ca umplutură filtrantă este nisipul cuarţos. Se mai folosesc filtre cu mai multe straturi de materiale granulare, cu densităţi diferite (de ex. din antracit, nisip cuarţos, granat) care pot fi spălate, granulele aranjându-se cu diametrul descrescând în sensul de curgere.

f) epurarea prin membrane. Membrana este o barieră pentru speciile moleculare sau ionice prezente în curentul de apă care o străbate. Ca materiale pentru membrane se folosesc acetatul de celuloză, materiale polimerice stabile în timp (poliamide, polisuflone, etc.). Procesul de epurare cu membrane se numeşte osmoză, care poate fi directă sau inversă, în funcţie de direcţia apei de la o soluţie diluată la una concentrată sau invers. Pot exista mai multe tipuri de module de osmoză, ca de exemplu tubulare, fig. 3.4.

Alte metode de epurare prin membrane sunt:- ultrafiltrarea - se folosesc mai multe membrane cu permeabilitate selectivă pentru anumiţi

componenţi.- electrodializa - foloseşte membrane cu permeabilitate selectivă la anioni, respectiv cationi,

deplasarea acestora făcându-se sub influenţa unui câmp electric, ca la electroliză.

Fig. 3.3

Fig.3.4

g) transferul între faze se bazează pe trecerea poluanţilor într-o altă fază, nemiscibilă cu apa, care poate fi lichidă, solidă sau gazoasă. Astfel există extracţia lichid-lichid (se foloseşte un solvent în care poluantul este mult mai solubil decât în apă, apoi, după agitare, are loc procesul de sedimentare, când se formează două straturi: apa extrasă şi extractul), extracţia lichid-gaz (în loc de solvent se foloseşte aer, gaze de ardere).

De exemplu, la valori mici de pH este posibilă îndepărtarea hidrogenului sulfurat:

S2- + 2H+ H2S (hidrogen sulfurat molecular sulfura solubilă mai greu solubil în apă)

în apăiar la valori ridicate ale pH-ului a amoniacului şi, în general, a bazelor slabe volatile:

NH4+ + OH- NH3 + H2O (amoniac molecular

ioni de amoniu greu solubil în apă)solubili în apă

h) distilarea se face prin epurarea apelor uzate prin trecerea apei în fază de vapori, prin încălzire, urmată de condensarea vaporilor, deoarece impurităţile au o volatilitate mai redusă ca apă.

i) îngheţarea constă în trecerea apei în fază solidă sub formă de cristale de gheaţă, care se separă de soluţia reziduală îmbogăţită în impurităţi.

j) spumarea este un proces de separare din apă a unor impurităţi organice dizolvate, datorită adăugării unor agenţi de spumare şi prin barbotarea apei cu aer sub formă de bule fine.

k) absorbţia are la bază fenomenul de reţinere pe suprafaţa unui corp a moleculelor unei substanţe dizolvate în apă (fig. 3.5). Materialul, lichid sau solid, pe care are loc reţinerea se numeşte absorbant, iar substanţa reţinută absorbat.

Ca absorbanţi se folosesc materiale solide cu suprafaţă specifică mare, cărbunele activ, cenuşa fină, etc. Cele mai utilizate instalaţii de epurare prin absorbţie sunt de tip dinamic , cu pături fixe de cărbune activ. Trebuie evitată colmatarea cu particule în suspensie. Cărbunele activ poate reţine o masă de substanţe organice de până la 5% din greutatea sa. Regenerarea se face pe cale termică, la circa 900 oC în atmosferă controlată.

Fig.3.5

B. Procese chimice

Prin procesele chimice de epurare, poluanţii sunt transformaţi în alte substanţe mai uşor de separat, precipitate insolubile, gaze, care pot fi stipale, care au o activitate nocivă mai redusă sau sunt mai susceptibile de a fi îndepărtate.

a) neutralizarea este un proces prin care pH-ul unei soluţii uzate este reglat prin adaos de acizi sau baze.

Neutralizarea apelor acide se face cu substanţe cu caracter bazic (oxizi, hidroxizi, carbonaţi). Neutralizanţii care sunt utilizaţi sunt: piatra de var (carbonat de calciu), dolomita (carbonat de calciu şi magneziu), varul (oxid de calciu) sub formă de hidroxid de calciu (lapte de var sau var stins praf).

Neutralizarea apelor alcaline se face cu acizi reziduali, cu gazele de ardere bogate în CO2 (14%) etc. Deoarece influenţii au debite variabile în timp, este necesară o buclă de reglare a pH, mărind debitul de agent neutralizant, fig. 3.6.

Fig.3.6

b) oxidarea şi reducereaScopul oxidării este de a converti compuşii chimici nedoriţi în alţii mai puţin nocivi. Ca oxidanţi se pot

folosi: oxigenul, ozonul, permanganaţi, apă oxigenată, clorul şi bioxidul de clor. Ca exemplu se dă distrugerea cianurilor cu clor până la formarea de cianaţi sau azot molecular:

CN- + OCl CNO + Cl-

2 CNO + 3 OCl N2 + 2HCO3- + 3Cl-

Reducerea constă în transformarea unor poluanţi cu caracter oxidant în substanţe inofensive care pot fi uşor epurate. Ca exemplu se dă reducerea cromului hexavalent la crom trivalent, în vederea precipitării acestuia ca hidroxid:

Cr2O72- + 6 Fe SO4 + 7 H2SO4 Cr2(SO4)3 + 3 Fe2(SO4)3 + 7 H2O + SO4

2-

Ca agenţi reducători se folosesc sărurile fierului trivalent, sulfaţi, acidul sulfuros.

c) precipitarea este un proces de epurare bazat pe transformarea poluanţilor din apele reziduale în produşi insolubili. Ca exemplu se dă îndepărtarea fluorului din apă prin introducerea de ioni de calciu:

2 F- + Ca2 CaF2 - precipitat

d) coagularea şi flocularea - îndepărtarea unor particule prin sedimentare (coagulare) şi destabilizarea prin absorbţia unor molecule mari de polimeri care formează punţi de legătură între particule (floculare). Se folosesc pentru particule coloidale. În acest scop se folosesc polimeri organici sintetici sau anorganici.

e) schimbul ionicSchimbătorii de ioni se utilizează mai ales pentru dedurizarea apelor, folosind cationaţi în forma sodiu

(Na), iar regenerarea lor se face cu clorură de sodiu:

2 ZNa + Ca2+ Z2 Ca + 2 Na+

Folosirea schimbătorilor de ioni este o soluţie mai scumpă.

C. Procese biologiceSubstanţele organice pot fi îndepărtate din apă de către microorganisme care le utilizează ca hrană,

respectiv sursă de carbon.Reacţiile enzimatice au două faze:

(1) moleculele de enzimă şi de substanţă utilizată ca hrană (substrat) formează complecşi (2) complecşii se descompun eliberând produsul de reacţie şi enzima

Enzima + Substrat (Enzima substrat)K2

(Enzimă substrat) Enzimă + Produs reacţie

Epurarea biologică aerobă se realizează în construcţii în care biomasa este suspendată în apă sub formă de agregate de microorganisme (flocoane), sistemele fiind aprovizionate cu oxigen.

Epurarea biologică anaerobă a apelor uzate se realizează în incinte închise (bazine de fermentare) ferite de accesul oxigenului care inhibă activitatea microorganismelor anaerobe. Prin descompunerea poluanţilor organici se obţin gaze de fermentare combustibile, datorită conţinutului ridicat de metan.

D. DezinfecţiaDezinfecţia este necesară în cazul apelor uzate care conţin microorganisme. Dacă sterilizarea

presupune distrugerea tuturor microorganismelor, prin dezinfecţie nu se distrug toate. Dezinfectantul pătrunde prin peretele celular şi denaturează materiile proteice din protoplasmă, inclusiv enzimele. Un dezinfectant pentru apă este clorul activ care acţionează sub formă de ion de hipoclorit, cu efecte pronunţate la valori mici ale pH. Dintre metodele fizice de dezinfecţie, cele mai utilizate sunt metoda termică şi iradierea cu radiaţii de energie ridicată.

7.1. Problema consumului de oxigen (Biological Oxygen Demand ) si resursele sale

a) Materia organică deversată în sistemul acvatic este atacată de bacterii şi descompusă în substanţe mai simple, folosind oxigen. De exemplu glucoza are BOD de 110mg/l, în concordanţă cu reacţia:

C6H12O6 + 6O2 ---> 6CO2 + 6H2O

Aceasta oxidare este terminată complet în mai puţin de 5 zile. Pentru amestecul de compuşi organici reacţia va fi:

celuleCOHN + O2 ---> CO2 + H2O + NH3 + celule

adică prin reacţie (2) se creează o nouă substanţă bacterială, care nu se degradează în 5 zile. Reziduurile domestice reprezintă o hrană bine echilibrată pentru microorganisme, precum tabelul (mg/l)

BOD5 150-300

N-total 25-45P-total 6-12

b) Modelele mecanice înlătură materia în unul sau mai multe trepte, folosind grătare, camere cu nisip, sedimentare, filtrare, flotare. Ca exemple, în fig. 3.7.a,b se dau doua tipuri de vase de sedimentare, primul pentru debite mici, al doilea pentru debite mari.

Fig.3.7c) Procesele de tratare biologică se bazează pe utilizarea unor organisme, care au proprietăţi specifice:

pot necesita energie radiantă pentru creştere, necesită compuşi organici ca nutrienţi, folosesc donori (electroni) anorganici (de ex. gaz hidrogen), necesita oxigen molecular pentru creştere (ca oxidant), necesita sau nu oxigen din aer. Cele mai multe sisteme biologice de tratare a reziduurilor organice depind de organisme heterotrofice, care folosesc carbonul ca sursa lor de energie. Există trei clase de metabolism cu reacţii de oxidare: fermentare, respiraţie aerobică (cu oxigen molecular) şi respiraţie anaerobică (fără oxigen). Aceste reacţii se descriu prin procese.

Materie organică + O2 + NH3 + celule ---> CO2 + H2O + noi celule

Nitrificarea are 2 paşi: (1) amoniacul este oxidat în nitrit; (2) nitritul este oxidat în nitraţi

2NH+4 + 3O2 ---> 2NO-

2 + 2H2O + 4H+

2NO-2 + O2 ---> 2NO3

Operaţia de denitrificare este:

2NO-2 + H2O ---> N2 + 2OH- + 5O

Nitratul se poate folosi ca o sursă de oxigen pentru procesele de descompunere biologică.d) Sisteme de tratare mecanico-biologice, sunt foarte utilizate pentru reducerea BOD5 în ape

municipale. Însă combinaţii de metode fizice, chimice şi irigaţii sunt folosite şi pentru ape industriale. Comparând, metodele chimico-fizice nu sunt sensibile la şocuri de sarcină şi la prezenţa unor componente toxice, ele necesită un spaţiu mai mic, ele permit recuperarea de grăsimi, de proteine din industria alimentară, dar au un cost de investiţie mai mare. Cele mai utilizate metode fizico-chimice de reducere a BOD sunt: precipitaţie chimică, schimb ionic, adsorbţia şi osmoza reversibilă (ultima fiind scumpă).

În fig.. 3.8. se dă un exemplu de combinare a metodelor precipitării chimice şi a schimbului de ioni pentru tratare apelor uzate din industria alimentară, de exemplu un abator.

Comparativ se dau datele în diferite faze în mg/l:

Materie primă

După filtru biologic

După precipitare chimică cu glucoză

După schimb ioni

BDO5

1500 400 600 50

KMnO4

950 350 460 60

N total

140 42 85 15

NH3-N

20 15 18 2

NO3-N

4 5 4 1

P 45 38 39 1.5

Pentru apele uzate din industria alimentară se pot folosi irigări de suprafeţe agricole, dar trebuie acordată atenţie adâncimii solului până la ape freatice (să fie mare), conţinutului iniţial al apei în raport cu forma terenului (în pantă se obsorb mai puţine substanţe) şi naturii solului (solul nisipos este mai filtrant, cel cleios nu).

3.2.2. Recuperarea nutrienţilorSursele de nutrienţi în ape sunt date în tabel (mg/m2*an)

Pământ Fosfor AzotIgne

ousSedim

entarIgne

ousSedim

entarPădure 4.7 11.7 200 340Pădure+păşuni 10.2 23.3 400 600Arii culturi

agricole22 - 100 500 - 1200

În apa de ploaie (mg/l)

0.07 10

Fosforul poate fi recuperat prin precipitare chimică sau schimb de ioni, iar azotul prin nitrificare şi denitrificare, schimb de ioni şi ambele elemente prin alge în heleştee.

a) Precipitarea chimica a compuşilor de fosfor se face folosind sulfat de aluminiu (Al2(SO4)3, 18H20), hidroxid de calciu (Ca(OH)2) sau clorat de fier (FeCl3), dar trebuie examinată fiecare situaţie separat.

De exemplu precipitarea fosfaţilor folosind hidroxid de calciu se bazează pe formarea de Ca10(PO4)6(OH)2, care impune un pH mare, de 10.5 - 12.0. Acest fenomen este ilustrat în fig. 3.9., unde se prezintă dependenţa eficienţei precipitării de pH, pentru principalii coagulanţi folosiţi industrial.

Punctat sunt prezentate aceleaşi curbe pentru cazul prezenţei ionilor de calciu, ceea ce arată complexitatea fenomenelor care au loc în epurarea apelor.

b) Nitrificarea şi denitrificareaProcesul de nitrificare înseamnă oxidarea amoniacului

NH+4 + 2O2 ---> NO-

3 + H2O + 2H+

Nitraţii pot fi reduşi cu bacterii heterotrofice, care însă necesită o sursă de carbon organic, de exemplu acetat:

5CH3COO- + 8NO3 ---> 4N2 + 7HCO-3 + 3CO2-

2 + 4H20

Fig.3.8.

Aceste procese depind de timpul de reţinere.

c) Barbotare (stripping)

Procesul este folosit pentru a recupera gaze volatile, precum NH4, hydrogen sulphide, hydrogen cyanide, din apele uzate prin suflarea de aer. În fig. 3.10. se dă ca exemplu construcţia unui turn de barbotare. Deoarece aceste substanţe sunt acide, eficienta procesului va depinde de pH-ul soluţiei. Dar gazele emise în atmosferă pot polua aerul:

NH+4 ---> NH3 + H+

Fig.3.10

d) Clorurarea si adsorbţia pe cărbuneOxidarea amoniacului se face conform reacţiilor:

Cl2 + H2O ---> HOCl + HClNH3 + HOCl ---> NH2Cl + H2ONH2Cl + HOCl ---> NHCl2 + H2O

NHCl2 + HOCl ---> NCl3 + H2O

Adsorbţia pe cărbune activat pentru cloramină este:

C + 2NHCl2 + H2O ---> N2 + 4H+ + 4Cl- + CO

Aceste reacţii depind de puritatea carbonului.

e) Schimbul de ioni pentru recuperarea nutrienţilorSchimbul de ioni este un proces în care ionii de pe suprafaţa unui solid sunt schimbaţi cu ioni similar

încărcaţi în soluţia cu care solidul este în contact. Schimbul de ioni are ca scop să se recupereze ionii nedoriţi din ape uzate. Cationii (ioni pozitivi) sunt schimbaţi pentru hidrogen sau sodiu, ca de exemplu înlăturarea ionilor de calciu (Ca2+) ce cauzează duritatea apei.

H2R + Ca+2 ---> CaR + 2H+, unde R reprezintă o răşină.

Anionii (ionii negativi) se folosesc pentru ionii de hidroxid sau cloride. Selectivitatea în schimbul de ioni depinde de sarcina ionică, astfel selecţia anionilor va fi în ordinea:

PO3-4 > SO2-

4 > Cl-, iar pentru cationiAl3+ > Ca2+ > Na+

f) Alge pentru lacuriPentru a scoate nutrienţii cu alge se folosesc heleştee. Pentru 100g. de masă uscată de fitoplancton, se

obţin 4-10g. azot şi 0.2-0.5g. fosfor. Dar metoda se poate folosi la tropice şi subtropice, unde este suficientă energie solară într-un an, unde se pot folosi suprafeţe mari de teren şi nu sunt compuşi organici în ape, ca de exemplu uleiuri.

3.2.3.. Recuperarea compuşilor organici toxici

În general substanţele toxice organice sunt scoase până la deversarea apelor uzate în sistemul municipal. Pentru scoaterea lor se folosesc:

- separatoare pentru uleiuri- flocularea pentru coloidale organice- flotarea pentru impurităţi cu greutate specifică mai mare ca 1- adsorbţia, pentru insecticide pe carbon activat- sedimentarea, împreună cu precipitarea chimică- oxidarea şi reducerea pentru cyanide, chlormate, folosind aer si O2

- distilarea, pentru ape radioactive, pentru că este scumpa- filtrarea pentru suspensii materiale în volume reduse de apă- neutralizarea, când trebuie deversate soluţii cu pH=6-8, folosind neutralizanţi ca hidroxid de

calciu, H2SO4 şi CO2

3.2.4. Recuperarea metalelor (grele )

Metalele grele sunt vătămătoare în ecosisteme. Scoaterea lor prin procedee mecanice are o eficienţă de 30-70%, nu poate fi folosită tratarea biologică, acestea fiind exemple de inhibatori. Pentru recuperare se pot folosi metodele: precipitarea chimică, extracţie si osmoza reversibilă.

Ca exemplu se dă scoaterea cromatului din ape uzate care poate fi sub forma CrO 3; Na2Cr2O7*2H2O. Agenţii folosiţi pentru oxidare sunt sulfaţi de fier, sulphur dioxide, după reacţiile:

CrO3 + H2O ---> H2CrO4

2H2CrO4 + 6FeSO4 + 6H2SO4 ---> Cr2(SO4)2 + 3Fe2(SO4)3 + 8H2OCr2O2-

7 + 6FeSO4 + 7H2SO4 ---> Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO2)3 + 7H2O + SO2-4

Prin sedimentare se înlătură din apă substanţele nocive.Ca exemplu de folosire a metodei schimbului de ioni se dă folosirea cationilor pentru scoaterea ionilor

de metal, ca Fe2+, Fe3+, Cr3+, Al3+, ZN2+, Cu2+.