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!
Conceptul de epurare biologica Prof.dr.ing. Cristina Costache1, Prof.dr.ing. Diana Robescu, Prof.dr.ing. Dan Robescu Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti, România 1
cris_cos_ro@yahoo.com Rezumat: Lucrarea prezintă bazele teoretice ale epurării biologice aplicate apelor uzate. Se prezintă curba de creştere bacteriană cu explicarea fiecărei faze, modul de nutriţie al bacteriilor, epurarea biologică in condiţii aerobe şi în condiţii anaerobe. In final se prezintă o clasificare a reactoarelor utilizate în faza secundară a unui flux de epurare ape uzate. Cuvinte cheie: epurare biologică, bacterii heterotrofe, bacterii autotrofe, curba de creştere celulară, condiţii aerobe, condiţii anaerobe Introducere Epurarea apelor se defineşte ca fiind ansamblul de operaţii fizice, chimice şi biologice care se aplică apelor uzate pentru a reduce concentraţia în substanţe organice, anorganice şi nutrienţi şi a obţine o apă care poate fi evacuată în mediul înconjurător în condiţii de siguranţă. O staţie de epurare a apelor uzate cuprinde o serie de faze după cum urmează: fază de preepurare care are drept scop reţinerea poluanţilor la sursă. De obicei se aplică apelor uzate provenite din industrie sau din domeniul medical. fază de epurare preliminară cu scopul reţinerii materialelor de dimensiuni mari, mărunţirii lor şi protecţiei echipamentelor din staţie. Operaţiile se realizează pe grătare, site, desnisipatoare, dezintagratoare (tocătoare). faza de epurare primară cuprinde îndepărtarea materialelor solide în suspensie, sedimentabile sau flotabile. Operaţiile se realizează prin sedimentare în decantoare primare.
Biotehnologii pentru protectia mediului
faza de epurare secundară sau treapta biologică are drept scop distrugerea sau conversia compuşilor organici (ca CBO5 ) şi a unui procent redus de nutrienţi (10%). Tratamentul biologic se efectuează în bazine cu nămol activ, biofiltre, biodiscuri, lagune aerate. faza de epurare terţiară sau avansată cuprinde îndepărtarea compuşilor pe bază de azot şi fosfor care sunt cauza eutrofizării receptorilor naturali în care se evacuează apele uzatefaza de dezinfecţie are rolul de a îndepărta agenţii patogeni nociv pentru om şi celelalte vieţuitoare. epurare specială cu scopul de a îndepărta compuşii toxici utilizând tehnici specifice cum sunt schimbul ionic, adsorbţia pe căbune activ, extracţia. (Robescu D. şi alţii, 1999). Faza de epurare preliminară şi cea de epurare primară constituie treapta de epurare mecanică a apelor. Epurarea biologică prezintă avantajele eliminării compuşilor solubili organici din apă fără consum de reactivi şi fără un consum mare de energie. Principii generale ale epurării biologice Tratamentul biologic se aplică în cazul în care substanţele organice prezente în apele uzate sunt degradabile şi nu sunt însoţite de substanţe toxice. Bacteriile folosesc enzimele pentru a obţine hrana sub formă de hidrocarburi. In procesul de conversie a hidrocarburilor în hrană pentru bacterii, enzimele degradează hidrocarburile în condiţii aerobe (in prezenţa oxigenului) la dioxid de carbon (CO2 ) şi apă sau în condiţii anaerobe (în absenţa oxigenului sau a oxigenului în combinaţii chimice) prin intermediul ciclului Krebb’s la dioxid de carbon (CO2), hidrogen sulfurat (H2S), metan (CH4) şi apă. Pentru exemplificare se prezintă reacţiile de degradare a glucozei în cele două situaţii: C6H12O6 + 6O2 C6H12O6
6CO2 + 6H2O + 680kcal (condiţii aerobe)
2CO2 + 2C2H5OH + 22kcal (condiţii anaerobe, fermentaţie)
(1) (2)
Se constată că în primul caz se eliberează o cantitate mare de energie necesară activităţii celulare pentru formarea noilor structuri celulare, iar în cazul al doilea o cantitate mai redusă de energie. Descompunerea compuşilor organici în condiţii aerobe sau anaerobe poate fi considerat un mod de convertire a poluanţilor organici în compuşi nepoluanţi. Bacteriile care intervin în epurarea biologică sunt, în funcţie de modul lor de hrănire: bacterii heterotrofe şi bacterii autotrofe. Cele dintâi descompun substanţele organice şi substanţele anorganice cu azot în lipsa oxigenului molecular, pot să reducă nitraţii la nitriţi, NH3 sau N2 şi reduc sulfaţii la H2S. Bacteriile autrofe obţin energia necesară în etapa de asimilaţie prin fotosinteză sau chemosinteză din substanţe anorganice. Astfel sulfobacteriile oxidează H2S la S sau SO4-, bacteriile nitrifiante oxidează NH3 la NO2 şi NO2- la NO3-. Bacteriile au nevoie de anumite condiţii de mediu pentru a se înmulţi ceea ce se petrece prin multiplicare în timpul creşterii bacteriene. In condiţii aerobe creşterea bacteriană necesită hrană (substrat), oxigen, azot, fosfor şi conduce la eliberarea de energie şi de dioxid de carbon, iar în condiţii anaerobe evoluează după ciclul Krebb’s. Bacteriile necesită de asemenea condiţii de temperatură şi de pH şi un mediu lipsit de substanţe
Septembrie 2010
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!
toxice. In caz contrar celulele pot să moară. Când condiţiile sunt îndeplinite, creşterea bacteriană decurge după curba prezentată în figura 1. In faza de lag (acomodare), are loc adaptarea celulelor şi sintetizarea enzimelor necesare metabolizării substratului (substanţa asupra careia acţionează o enzimă în timpul unei reacţii biochimice. Substratul poate să furnizeze substanţe nutritive organismului respectiv sau este folosit numai ca suport. Această fază este importantă când apa nu este însămânţată în prealabil cu germeni adaptaţi cum este cazul unor deşeuri industriale.
număr de
5 3
celule
2 1 timp
Fig 1. Curba de creştere bacteriană: 1-faza de lag; 2-faza de creştere exponenţială; 3-faza de încetinire; 4-faza staţionară; 5-faza de declin. Celulele îşi adaptează echipamentul enzimatic la mediul în care se dezvoltă. Lungimea acestei faze depinde de durata unei generaţii, de specia bacteriană, de cantitatea de inocul şi de faza de multiplicare a culturii folosită pentru însămânţare şi nu în ultimul rând de mediul în care a fost crescută. La schimbarea mediului, faza de lag durează mai mult pentru ca în noul mediu să apară noile enzime induse. Uneori selectarea celulelor care au posibilităţi enzimatice de supravieţuire se face genetic şi faza de lag poate dura un timp îndelungat. In procesul epurării, faza de lag trebuie să aibă o durată foarte mică, de aceea este preferabil ca însămânţarea instalaţiei să se facă cu o cantitate suficientă de biomasă deja adaptată la substanţele organice existente. In timpul fazei de lag nu există reproducţie celulară. Dacă X este concentraţia celularǎ la t=0, viteza de creştere este nulă dX/dt=0.
Biotehnologii pentru protectia mediului
Faza de creştere exponenţială se caracterizează prin multiplicarea celulelor cu viteză constantă, timpul de obţinere a unei generaţii având valoarea minimă care poate fi obţinută în condiţiile date. Nivelul reproducerii celulare atinge maximul şi rămâne constant în prezenţa unei concentraţii nelimitate de substrat. In această fază, celulele sunt mai sensibile la condiţii nefavorabile decât în faza de lag. La culturi statice, faza de creştere exponenţială nu este lungă, deoarece atât concentraţia substantelor nutritive cât şi a produselor de dezasimilare sunt factori limitativi. Pentru multiplicarea celulară poate fi utilizată orice concentraţie a unui substrat utilizabil, mărirea multiplicării depinde însă de concentraţia acestuia. In cazul mediilor nutritive complexe fiecare component al mediului, poate fi factor limitativ numai pentru anumite specii de microorganisme. In timpul acestei faze, viteza de creştere, dX/dt variază proporţional cu X (alură exponenţială). In coordonate semilogaritmice curba are alura unei drepte:
dX 1 • = dt X Unde
m
(3)
m este nivelul maxim de creştere.
Faza de încetinire se caracterizează prin scăderea vitezei de creştere a elementelor nutritive din soluţie sub o anumită valoare, iar la un moment dat viteza de creştere a noilor celule devine egală cu viteza de dispariţie. In această fază se epuizează mediul de cultură datorită dispariţiei unuia sau mai multor elemente necesare creşterii bacteriene . Uneori faza de încetinire poate să se producă datorită acumulării produşilor de inhibiţie proveniţi din metabolismul bacterian. Faza staţionară este datorită acumulării de materiale. X atinge valoarea sa maximă şi creşterea se opreşte chiar dacă celulele mai prezintă activitate metabolică. Faza de declin (descreştere) se caracterizează prin creşterea la maxim a vitezei de dispariţie a celulelor vii, înregistrându-se o scădere exponenţială. Concentraţia celulelor vii scade datorită mortalităţii care creşte de asemenea. Mortalitatea se datoreşte autolizei enzimatice a celulor. Fazele şi ecuaţiile prezentate care caracterizează creşterea bacteriană sunt valabile atât în mediu aerob cât anaerob. In timpul creşterii bacteriile se divid şi cresc exponenţial până când factorii de mediu se consumă. Dacă bacteriile găsesc hrană suficientă, se înmulţesc până la consumarea acesteia după care urmează faza de descreştere şi în final rămâne un solid nebiodegradabil. In fig.2 se prezintă schema de principiu a nutriţiei bacteriene unde se observă modul în care decurge degradarea compuşilor prezenţi în apele uzate şi care sunt utilizaţi de bacterii în procesul de creştere. Totalitatea acestor compuşi formează substratul solubil sau insolubil. In interiorul unei celule bacteriene ajung moleculele organice care provin de la hidroliza substratului şi sunt utilizate la obţinerea de energie şi la construirea de noi celule. Transferul de poluanţi din apa uzată spre biomasă are loc la interfaţă cu viteză mare şi este eficient când interfaţa apa uzata-biomasă este mare, când concentraţia de compuşi organici care pot fi utilizaţi de către bacterii în procesul de creştere este mare şi când la interfaţă nu se formează pelicule lichide care să blocheze transferul de substanţe sau să permită acumularea de substanţe toxice.
Septembrie 2010
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!
Fig.2 Schema de principiu a nutriţiei bacteriene (Edeline, 1979) Epurare biologică în condiţii aerobe Intr-un mediu favorabil (substrat, temperatura, pH, O 2) bacteriile se multiplică şi mor după curba de creştere prezentată în fig.1. In timpul creşterii bacteriene apar noi bacterii, se produce CO2 şi apă. Producerea de bacterii se numeşte sinteză, iar producerea de CO2 şi apă se numeşte oxidare: -
reacţia de sinteză (în prezenţa celulelor):
compuşi organici (hrană) + O2+ N + P→celule noi + CO2 + H2O + resturi nebiodegradabile -
reacţia de oxidare (în prezenţa compuşilor organici):
celule + O2 → CO2 + H2O + N + P + resturi nebiodegradabile In reacţia de sinteză compuşii organici în prezenţa O2 şi a nutrienţilor anorganici (N, P) şi cu bacteriile prezente sunt convertiţi în celule noi, CO2, H2O, resturi nebiodegradabile. Nutrienţii anorganici sunt în principal N, P şi C şi urme de fier (Fe), mangan (Mn), potasiu (K), şi aluminiu (Al). O celulă bacteriană tipică are formula C25H35N5O10P (Eckenfelder, 1970) şi conform formulei rezultă că ea conţine 11,7% N şi 5,2% P. Biotehnologii pentru protectia mediului
In urma oxidării rezultă conversia compuşilor organici rămaşi în apele uzate şi a celulelor produse în reacţia de sinteză în CO2 şi H2O. In aplicarea tratamentului biologic respectiv sinteză şi oxidare, se impune alegerea între un timp de retenţie scurt pentru a produce şi a sedimenta o cantitate mai mare de solide sau un timp de retenţie mai lung A
I
NR
D
E
NE
pentru a obţine o cantitate mai redusă de solide şi a înlocui conversia substanţelor organice de la sinteză cu transformarea lor la oxidare. Fig.3 Schema de epurare cu nămol activ (NR-nămol recirculat, NE-nămol excedentar, Aamestecător, D-decantor, E-efluent, I-influent) Schema clasică aplicată la epurarea în condiţii aerobe (fig. 3) cuprinde un amestecător în care se pun în contact apa uzată de la decantorul primar (influent) şi care conţine substratul şi nămolul biologic (cultura de microorganisme), un decantor secundar. Nămolul biologic separat la decantorul secundar se recirculă parţial la amestecător şi parţial înainte de decantorul primar. Epurare biologică în condiţii anaerobe Prelucrarea apelor uzate în condiţii anaerobe utilizează microorganisme active în lipsa oxigenului pentru degradarea compuşilor organici, utilă pentru a stabiliza nămolurile biologice înainte de a fi deshidratate sau înainte de a fi depozitate şi pentru a prelucra ape uzate industriale. Componenţii substratului sunt descompuşi în prezenţa bacteriilor în următoarele trei faze: (fig.4) a)
hidroliza substanţelor organice cu greutate moleculară mare şi trecerea acestora la compuşi cu greutate moleculară mai redusă şi potrivită pentru degradarea ulterioară; a.
acidogeneza când are loc conversia compuşilor cu greutate moleculară mică la acizi carboxilici (acid acetic, propionic, butiric şi pentanoic);
b.
metanogeneza când bacteriile metanogene degradează acizii carboxilici în metan şi CO2.
Septembrie 2010
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!
materii organice complexe
hidroliza şi fermentatie
acizi graşi
dehidrogenare acetogenă acetat
H2+CO2 hidrogenare acetogena
decarboxilare
reducerea CO2 CH4+CO2
Fig.4. Procesele de degradare la fermentaţie metanogenă (Edeline, 1979) Concluzii
Biotehnologii pentru protectia mediului
Epurarea biologică se bazează pe activitatea unor microorganisme şi prezintă avantajul că nu necesită consum de energie şi nu se consumă reactivi. Se desfăşoară în reactoare biologice care operează în regim aerob sau anaerob, în reactoare denitrifiante şi nitrifiante şi în iazuri de stabilizare, pe filtre lente de nisip. Bibliografie 1. 2. 3. 4. 5. 6.
F.Edeline, L’epuration biologique des eaux residuaires. Teorie et technologie, ed. CEBEDOC, Liege, 1979. E.Roberts Alley, P.E. Water Quality Control Handbook, McGraw-Hill, Inc, 2000 Sigmund C., Teoria e practica della depurazione delle acque reflue, Dario Flaccovio Editore, 2005. Ianculescu O., Ionescu Gh., Racoviţanu Raluca, Epurarea apelor uzate, MATRIX ROM, 2005. Robescu D, Robescu Diana Procedee, instalaţii şi echipamente pentru epurarea avansată a apelor uzate, Ed. Bren, 1999. Boari G., Mancini I.M., Trulli E., Technologies for water and wastewater treatment, Options Méditerranéenes, Ser A/nr.31, 1997, Seminaires méditerranéens
Septembrie 2010