APLICAREA BIOTEHNOLOGIILOR IN STATIILE MODULATE DE EPURARE by Octavian Turcu

FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 Axa prioritară nr. 3 „Creşterea adaptabilităţii lucrătorilor şi a întreprinderilor” Domeniul major de intervenţie 3.2. „Formare şi sprijin pentru întreprinderi şi angajaţi pentru promovarea adaptabilităţii” Titlul proiectului: : „COPMED – COMPETENTE PENTRU PROTECTIA MEDIULUI” Contract nr. POSDRU/81/3.2./S/52242 Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 –„Investeşte în oameni!

APLICAREA BIOTEHNOLOGIILOR ÎN STAŢIILE MODULATE DE EPURARE Dan Niculae Robescu, Diana Robescu, Cristina Costache Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti, România

Rezumat Staţiile modulate sunt destinate să epureze apele uzate colectate de la comunităţi mici. Ele trebuie să asigure o purificare avansată în condiţiile unei tehnologii simplificate, să aibă o fiabilitate ridicată şi să lucreze în regim automat. Lucrarea prezintă criteriile care stau la baza proiectării şi exploatării staţiilor compacte de epurare, variante ale tehnologiilor adoptate de diferiţi constructori. Se dau informaţii despre pelicula aerobă utilizată frecvent în reactoarele biologice ale acestor staţii care poate fi ataşată unor suprafeţe fixe sau unor corpuri mobile antrenate în mediul apos de aerul dispersat în proces. Cuvinte-cheie Staţie compactă de epurare; peliculă biologică; microorganisme; biotehnologie Introducere Staţiile modulate – compacte sunt destinate epurării apelor uzate provenite de la comunităţi de mici dimensiuni, hoteluri izolate de munte, tabere militare, şantiere de Septembrie 2010

construcţii etc. Trebuie menţionat faptul că pentru o staţie mică de epurare, compactă – modulată, nu se poate respecta o trehnologie clasică aşa cum se aplică la staţile municipale cu mulţi locuitori echivalenţi. În acest caz se consideră o tehnologie mai simplă, sigură, cu mai puţine procese unitare succesive. Totodată bazinele destinate separării fazelor, precum şi cele în care se desfăşoară procese biologice sunt concepute astfel încât să asigure separarea bună a particulelor, respectiv viteze maxime de reacţie. Decantoarele sunt de tip cu plăci paralele înclinate care să permită separarea foarte bună a nămolului din mediul apos. Aspecte generale ale biotehnologiei Condiţiile de concepţie, proiectare şi realizare a staţiilor compacte de epurare a apelor uzate sunt foarte dure: 1. dimensiuni limitate de condiţiile de transport pe trailer până la locul de amplasare şi racordare la reţeaua de canalizare; 2. eficienţă ridicată de epurare deoarece, de cele mai multe ori, apa epurată se poate deversa în cursuri la condiţiile NTPA 013 mult mai dure decât cele cuprinse în NTPA 001; 3. fiabilitate şi anduranţă ridicată; 4. consum redus de energie; 5. funcţionare automată fără intervenţia operatorului, dar cu revizia periodică a unei echipe de întreţinere care face mentenanţa preventivă după grafic; 6. utilizarea unor materiale rezistente la uzura prin coroziune chimică şi biochimică; 7. izolaţie termică pentru evitarea îngheţării apei; 8. staţia trebuie să facă faţă atât la eliminarea produşilor pe bază de carbon cât şi pe bază de azotr şi fosfor pentru a elimina riscul eutrofizării cursurilor naturale. În general, biotehnologiiile utilizate în aceste staţii sunt de tip aerob cu peliculă ataşată unor suprafeţe solide. Aceste suprafeţe pot avea o structură şi formă variabile – plane paralele, structură de tip fagure sau de tip particule, figurile 1, 2, 3. Cerinţa de bază este asigurarea unei suprafeţe mari de contact între apa uzată şi pelicula biologică ataşată suportului solid.

Septembrie 2010

Fig.1. Suport fix de tip fagure la biofiltru

Fig.2. Instalaţie de epurare cu biodiscuri rotitoare în reactorul biologic

Septembrie 2010

Fig.3. Suporturi mobile de mici dimensiuni pentru ataşarea peliculei biologice pe spiţele roţilor Sistemul de ataşare a unei pelicule biologice aerobe pe suporturi mobile permite asigurarea unei mari suprafeţe de contact. Prin mişcarea acestor suporturi mobile, generată de sistemul de aerare cu bule medii, se favorizează contactul dintre pelicula bioloigcă şi materia organică din apă şi transferul de masă dintre mediul biologic şi oxigenul din apă. Între procesul de epurare cu nămol activ şi cel din filmul biologic sunt deosebiri structurale. În procesul cu nămol activ floconul este unitatea structurală de bază care conţine toate speciile comunităţii din lanţul trofic necesare înlăturării substanţelor organice; în procesul cu film biologic speciile sunt organizate în lungul tehnologiei de epurare, în sensul reacţiilor succesive de degradare a materiei organice, astfel că apa uzată, pe măsura descompunerii substanţelor organice, în fiecare etapă a desfăşurării fenomenului biochimic întâlneşte bacteriile următoare din lanţul trofic.

Septembrie 2010

Pelicula biologică utilizează o succesiune de comunităţi biologice stabilite la diferite niveluri ale filmului şi asociate cu diferite grade de epurare. Microorganismele din filmul biologic sunt mai uşor adaptabile la şocurile încărcării organice datorită acestei succesiuni ale asociaţiilor populaţiilor biologice existente în peliculă. În tehnologiile de epurare cu nămol activ amestecul polifazic, ce conţine flocoane, trebuie să fie mereu agitat pentru a le menţine în stare de suspensie, ceea ce conduce la un consum ridicat de energie. În procesele cu film biologic pelicula este fixată pe o suprafaţă solidă, dură, dar se consumă o cantitate de energie pentru pompajul şi împrăştierea apei uzate pe suprafaţa filmului biologic. În raport cu procedeul cu nămol activ cel cu peliculă biologică are următoarele avantaje: - Activitate biologică superioară; - Randamentul de epurare creşte prin recircularea nămolului; - Economie de energie; - Repopularea rapidă a peliculei după desprinderea filmului; - Exploatare simplă - Adaptare la şocurile de încărcare în materie organică . Când microorganismele din filmul biologic mor pelicula se fragmentează, se desprinde de pe suportul solid şi este antrenată de curentul lichid. Materialul celular distrus este reţinut în decantorul secundar sub formă de nămol. Pentru realizarea procesului de degradare biochimică în peliculă biologică apare necesitatea respectării următoarelor cerinţe de bază: - Crearea unei suprafeţe mari de contact, pentru materialul solid inert pe care să se fixeze pelicula biologică, trebuie să fie caracterizată printr-o suprafaţă specifică ridicată; - Aprovizionarea cu oxigen trebuie să se facă cu un debit corespunzător asigurării condiţiilor aerobe necesare procesului biochimic; - Tratabilitatea biologică a apei uzate trebuie să corespundă populaţiei microbiene.

Septembrie 2010

Mediul biologic utilizat în reactoarele microstaţiei este de tip aerob. În funcţionare apare un procedeu mixt (hibrid) în ceea ce priveşte tehnologia utilizată. Pe lângă pelicula biologică ataşată suportului fix sau mobilş se formează în mediul apos şi flocoane de nămol activ. În acest mod mediul biologic hibrid contribuie la o eficienţă ridicată de degradare microbiană a materiilor organice din mediul apos. Astfel, corpurile de umplutură se caracterizează prin: - Suprafaţa specifică de contact – raportul dintre suprafaţa exterioară a corpurilor de umplutură şi volumul lor. Pentru o epurare cât mai eficientă a apelor uzate este necesar ca acest parametru să fie cât mai mare posibil; - Permeabilitatea – parametru ce apreciază posibilitatea scurgerii fluidelor prin spaţiile dintre corpurile de umplutură. Având în vedere grosimea peliculei biologice, spaţiul necesar de curgere a apei uzate şi a aerului, interstiţiile trebuie să fie de minimum 10 mm. - Porozitatea – trebuie să fie suficient de mare pentru a permite schimbul substanţelor în exces din biomasă şi o circulaţie corectă a aerului în interiorul biofiltrului. Este de precizat că porozitatea ε scade cu reducerea diametrului echivalent al corpurilor de umplutură. Porozitatea şi rugozitatea materialului de umplutură joacă un rol important în fixarea şi oxidarea peliculei biologice. Un filtru bun asigură un compromis între suprafaţa specifică s maximă şi porozitatea ε suficientă pentru a permite evacuarea biomasei şi circulaţia optimă a fazelor; - Uniformitatea mare a materialului de umplutură – permite o permeabilitate ridicată şi favorizează dispersia aerului şi a materiei organice în pelicula biologică; - Rezistenţa mecanică – trebuie să corespundă preluării sarcinii de compresiune, în special dacă corpurile stau la baza construcţiei ce lucrează prin tehnologia peliculei biologice; depinde direct de greutatea specifică a materialului de umplutură; - Rezistenţa chimică – este impusă de necesitatea menţinerii formei şi a grosimii corpurilor de umplutură. Corpurile se cer a fi construite din materiale inerte care nu trebuie să intre în reacţie chimică cu apa, constituenţii din apa uzată sau cu enzimele biochimice generate de pelicula biologică; Septembrie 2010

- Costurile – reprezintă un parametru deosebit de important în achiziţionarea corpurilor de umplutură.

Variante ale staţiilor compacte de epurare Staţie pentru comunităţi mici şi medii de tip CN Separarea şi sedimentarea se face gravitaţional sau prin flotare în compartimentele de separare-sedimentare 1, 2 şi 3, care au şi rolul de digestie anaerobă, denitrificare a nămolului recirculat şi stocare a nămolului în exces.

Fig. 4. Structura internă a staţiei ce deserveşte 200 – 500 persoane Compartimentul 6 realizează sedimentarea solidelor provenite din procesul de digestie aerobă. Nămolul produs se recirculă către compartimentele primare, de unde ciclul se reia. Compartimentul 7 are funcţia de dezinfecţie prin contact controlat cu tablete de clor. Staţia individuală de epurare ape menajere MCH-N Gama de epuratoare Astec MCH-N tratează apele menajere provenite dintr-o gospodărie (mai puţin apele pluviale), purificându-le până la obţinerea calităţii cerută de Septembrie 2010

legislaţia de mediu. Este o instalaţie monobloc de epurare, care preia totalitatea apelor uzate menajere provenite de la gospodării cu 5-12 membri şi în care se desfăşoară procese de biodegradare. Epuratorul Astec este prevăzut cu un sistem de dezinfecţie cu tablete de clor. Structura internă (fig. 5) este în 5 trepte: 2 trepte de sedimentare şi digestie anaerobă, 1 treaptă digestie aerobă, 1 treaptă sedimentare finală şi 1 treaptă clorinare, având un grad înalt de fiabilitate şi mentenabilitate dat de modul de funcţionare (trecerea apei dintr-un compartiment în altul se face gravitaţional, iar funcţiile de aerare, recirculare nămol şi întreţinere-curăţare sunt asigurate de o suflantă externă).

Fig. 5. Structura internă a epuratorului Fig. 2.18. Diagrama de proces

Septembrie 2010

Apa uzată menajeră intră în staţia de epurare printr-o conductă Dn 110 mm în compartimentul 1 de sedimentare a corpurilor solide şi digestie anaerobă care are şi rolul de separare a grăsimilor. Compartimentul 2 are acelaşi rol ca şi primul realizând încă o separare a solidelor şi grăsimilor. MICROSTAŢIE DE EPURARE DE TIP SBR Această staţie compactă asigură epurarea apelor menajere şi industriale provenite din comunităţi medii şi mari (500 – 10.000 persoane) şi sunt constituite din mai multe rezervoare din oţel căptuşit cu strat izolator anticoroziv din sticlă inclusiv marginile, conectate cu şuruburi şi garnituri hidroizolante în care se desfăşoară întregul proces. Sistemul SBR este format dintr-un singur bazin în care secvenţial au loc procese unitare de epurare (fig. 6). Este un bazin de nămol activ în care are loc: egalizarea, aerarea şi decantarea. SBR permite eliminarea azotului şi fosforului prin mixarea anaerobă în timpul procesului FILL şi prin pornirea/oprirea electro-suflantelor pe durata proceselor REACT FILL şi REACT. Toate sunt uşor de programat prin sistemul de control automat.

Septembrie 2010

Fig. 6. Procesul secvenţial desfăşurat în SBR STAŢIE DE EPURARE BIOLOGICĂ MONOBLOC AS-NIKKOL AS-NIKKOL este o combinaţie de sistem de decantare şi o staţie de epurare cu nămol activ, cu posibilitatea de a preleva monstre, amplasată într-un recipient din polipropilenă rezistent la apele uzate. În faza de decantare primară (A/E) se reţin impurităţile solide din apele reziduale. Decantarea primară are loc gravitaţional într-un spaţiu cu două încăperi. O parte a acestui spaţiu este rezervată stabilizării anaerobe a nămolului şi compactării şi depozitării acestuia (E). Apa predecantată fizic curge apoi în zona de epurare biologică (B/C). Reactorul fix (B) este prevăzut cu un biorotor cu elemente din material plastic care, prin mişcarea de rotaţie, expune elementele biologice alternativ apei reziduale şi atmosferei. În zona nămolului activ (C) se formează, pe de o parte datorită biorotorului, pe de altă parte prin permanenta revenire nămol-apă (a) din decantorul

Septembrie 2010

secundar (D), un nămol de înaltă calitate, în suspensie, care se completează din punct de vedere calitativ cu microorganismele biorotorului.

Fig. 7. Schema funcţională În bazinul de decantare şi depozitare (A, E) are loc separarea flocoanelor din nămolul activ, de apă şi nămol. Apa şi nămolul curg împreună cu apa admisă brută în zona biologică (C). În acest fel este asigurată comunicarea între zona biologică, bazinul de decantare primară şi bazinul de decantare finală. Toate componentele instalaţiei sunt executate fie din material plastic, fie din oţel inoxidabil, respectiv piese turnate. Partea de acţionare electrică se conectează la reţea printr-un panou de comandă. STAŢIE DE EPURARE ANAEROB – AEROBĂ A APEI UZATE TIP AS – MONOCOMP A Staţia de epurare AS-MONOcomp A este alcătuită dintr-un container din material plastic compartimentat în spaţii tehnologice, acesta cuprinzând decantorul primar, bazinul de activare şi decantorul final. Partea anaerobă a staţiei este acoperită cu un capac etanş, toată staţia având un capac detaşabil, termoizolant. În partea aerobă sunt montate

Septembrie 2010

elementele de aerare cu bule fine şi sistemul de distribuţie al aerului, furnizat de o suflantă montată în afara staţiei. Staţia de epurare AS-MONOcomp A este destinată epurării anaerob-aerobe a apei uzate menajere. Schema tehnologică a staţiei este prezentată în figura 8. Apa uzată curge gravitaţional în decantorul primar. Acesta este împărţit, cu ajutorul unui perete, într-un compartiment de reţinere a substanţelor plutitoare (A) şi unul de stocare şi stabilizare anaerobă a nămolului (B). Aici are loc pre-tratarea apei uzate. Apa trece apoi în zona de epurare biologică, datorită suprapresiunii create de aerul insuflat în decantorul primar, cu ajutorul suflantei. Această parte este divizată în compartimentul de epurare anaerobă (C) şi aerobă (D). Compartimentul anaerob (C) este un reactor cu o concentraţie ridicată de biomasă pe suport. Apa uzată este distribuită uniform la radierul acestui reactor şi curge prin aria secţiunii reactorului anaerob alternativ în sus şi în jos. Reactorul lucrează la o temperatură între 8 şi 20°C, astfel încât nu este necesară încălzirea. Aici are loc eliminarea a 40-70% din substanţa organică şi descompunerea parţială a substanţelor foarte stabile.

Fig. 8. Schema tehnologică: A - decantor primar; B - bazin de omogenizare; C - reactor anaerob; D - reactor aerob; E - decantor final Septembrie 2010

Trecerea apei din zona anaerobă în cea aerobă se face gravitaţional. Această zonă aerobă (D) este reprezentată printr-o activare combinată cu aer şi suportul de biomasă, urmată de o sedimentare verticală în decantorul final. În bazinul de activare are loc eliminarea restului de substanţă organică şi nitrificarea azotului amoniacal. Sursa de aerare este suflanta care distribuie aerul de la radier prin aeratoarele cu bule fine. SEAU CU ELEMENTE MOBILE PURTĂTOARE DE BIOFILM În multe cazuri de SEAU – staţii de epurare a apelor uzate – pentru care s-au analizat mai multe posibilităţi de creştere a randamentului s-a luat în considerare şi utilizarea acestei noi tehnologii. În multe cazuri de SEAU s-au analizat 3 posibilităţi de îmbunătăţire a gradului de epurare. Cele trei metode analizate sunt: utilizarea unui sistem hibrid de epurare denumit şi IFAS (nămol activ combinat cu elemente purtătoare de biofilm), utilizarea bioreactoarelor aerobe ce conţin elemente mobile purtătoare de biofilm şi utilizarea bioreactoarelor cu membrană. Deosebirea dintre utilizarea elementelor purtătoare şi utilizarea proceselor hibride constă în faptul că în cazul utilizării celei de a doua metode se realizează recirculare nămolului. Cea de a treia tehnologie testată în cadrul SEAU analizate şi menţionată anterior constă în utilizarea biofiltrelor. Tehnologia MBBR (Mobile Bed Biofilm Reactor) este robustă şi reprezintă o soluţie viabilă pentru îndepărtarea CBO5 şi a azotului. Pe această configuraţie se poate aplica şi nitrificarea-denitrificarea apelor uzate. În acest sistem recircularea nămolului nu este necesară. De asemenea, nu este necesară intervenţia operatorului uman, decât în cazul monitorizării procesului de epurare. Schema procesului este reprezentată în figura 9.

Septembrie 2010

Fig. 9. Staţie modulată de epurare de mici dimensiuni cu elemente mobile şi peliculă ataşată (1 - compartiment aerob pentru îndepărtare materie organică; 2 - compartiment aerob pentru nitrificare) CONCLUZII Staţiile de epurare monobloc au avantajul de a fi gata pregătite pentru instalare în locul dorit de utilizator. Ele se transportă pe trailer direct de la fabricant şi se racordează rapid la canalizarea utilizatorului. Aceste staţii de epurare nu pot să fie concepute după schemele clasice de succesiune a proceselor unitare, aşa cum este cazul SEAU urbane pentru debite mari. În cazul lor se adoptă o tehnologie simplificată în funcţie de compoziţia apei uzate şi concentraţia principalilor poluanţi (organici, anorganici). Tehnologia de epurare bazată pe elementele mobile, are ca principiu de bază dezvoltarea şi fixarea unei populaţii de bacterii pe un suport de plastic intens aerat, eliminând necesitatea recirculării nămolului activat. Datorită mişcării permanente de revoluţie şi a formei rotunde nu se permite aderarea nămolului, fiind un mediu necolmatabil şi autocurăţitor. Biofilmul se dezvoltă în special pe suprafaţă internă a suportului, unde este protejat. Elementele purtătoare se găsesc în toată masa de lichid şi sunt antrenate în mişcare de către bulele de aer ce realizează oxigenarea apei uzate. În cadrul tehnologiei trebuie acordată o atenţie deosebită sistemului de aerare. Un sistem de oxigenare, situat la baza bazinului asigură menţinerea în suspensie a elementelor purtătoare. Folosind această tehnologie nu vor exista probleme de colmatare şi pot fi tratate ape cu mari încărcări organice. Septembrie 2010

Bibliografie [1]. Droste, R.L. Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment. New York: John Wiley and Sons, 1996; [2]. Heijnen, J.J., Weberl, H., Mathematical modelling of biofilm structures, 2002; [3]. Metcalf and Eddy, Inc. Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, fourth edition. New York: McGraw-Hill, 2003; [4]. Robescu, D., Lanyi, Sz., Robescu, Diana, Constantinescu, I., Verestoy, A., Wastewater treatment. Technologies, installations and equipment. Editura tehnică, Bucureşti, 2001. [5]. Robescu, D., Lanyi, Sz., Robescu, Diana, Verestoy, A., Fiabilitatea proceselor, instalaţiilor şi echipamentelor pentru tratarea şi epurarea apelor. Editura tehnică, Bucureşti, 2003. [6]. Robescu Diana, Modelarea proceselor biologice de epurare a apelor uzate, Editura Politehnica Press, 2009; [7]. Rojanschi, Vladimir, Bran, Sorina, Protectia si ingineria mediului, Editura Economica Bucuresti, 1997.

Septembrie 2010