Metode alternative de epurare a apelor

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!

Metode alternative de epurare a apelor Prof.dr.ing. Cristina Costache1, Prof.dr.ing.Dan Robescu, Prof.dr.ing. Diana Robescu Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti, România 1

cris_cos_ro@yahoo.com

Rezumat: Apele uzate din domeniul industrial şi menajer trebuie epurate ȋ nainte de a fi deversate ȋ n mediul ȋ nconjurător. O metodă alternativăde epurare constă ȋ n Un utilizarea epurării ”naturale” ȋ n iazuri şi lacuri. Se prezintă epurarea cu ajutorul plantelor ȋ n varianta cu flux orizantal, cu flux vertical şi cu flux superficial precum şȋ mecanismele care stau la baza ȋ ndepărtării principalilor poluanţi din ape.

Cuvinte cheie: fitoepurare, plante emergente, fitoepurare cu flux orizontal, fitoepurare cu flux vertical, fitoepurare cu flux superficial, epurare biologică Introducere Apele uzate provenite din domeniul menajer sunt colectate intr-un sistem de canalizare şi conduse spre staţia de epurare. Metodele de epurare a apelor uzate care utilizează echipamente mecanice şi care necesită un consum de energie sunt considerate metode convenţionale. Alături de acestea există tehnici care simulează acţiunea „naturală” de epurare şi care se desfăşoară ȋ n iazuri şi/sau ȋ n lacuri care se pot denumi metode alternative. Metodele alternative de epurare se aplică apelor uzate provenite de la comunităţi de peste 50 le (1 locuitor-echivalent este încărcarea organică biodegradabilă cu un consum biochimic de oxigen la 5 zile (CBO5) de 60 g O2/zi. Se consideră că un om produce zilnic această cantitate de materii organice poluante ȋ n urma metabolismului şi a activităţilor menajere).

Fitoepurarea (epurarea apelor cu ajutorul plantelor) O metodă de epurare utilizată din vechi timpuri şi aprofundată la sfârşitul anilor ’70 ȋ n Germania este fitoepurarea sau epurarea cu ajutorul plantelor.

Septembrie 2010

2

BIOTEHNOLOGIA – TRATAREA APELOR POLUATE

Aplicarea acesteia este utilă în treapta a doua sau a treia de epurare şi poate conduce la următoarele randamente de îndepărtare: (Vyzamal, 1998).

CBO5........................................70-90% SS..............................................70-90% Azot...........................................50-80% Fosfor........................................30-50% Bacterii......................................90-99% Fitoepurarea prezintă o serie de avantaje cum sunt: - construcţie simplă care constă dintr-un bazin cu un consum energetic redus, - un impact limitat asupra mediului, - manipulare şi gestionare simple şi cu costuri reduse, - operarea nu este influenţată de variaţia încărcării hidraulice şi organice - absenţa mirosului.

Totuşi există câteva dezavantaje care se referă la: - necesitatea unor spaţii mari - timp relativ lung până la atingerea regimul de funcţionare (10-15 luni.)

Sistemele de fitoepurare se prezintă ȋ n multe variante legate de plantele folosite, sensul de curgere al apei, modul de impermeabilizare a spaţiului de lucru. Plantele acvatice sunt plutitoare, emergente când rădăcina este pe fundul bazinului, iar restul este deasupra apei şi plante submergente cu rădăcina şi restul plantei sub nivelul apei.

Fluxul de apă uzată este sub nivelul apei (subteran) ceea ce determină o protecţie

Fig.1 Epurarea apelor uzate cu curgere orizontală sub nivelul apei (Brix, 1993) termică a sistemului în timpul iernii şi ȋ mpiedică dezvoltarea insectelor. Sistemul posedă o zonă în care plantele sunt adaptate.

O primă variantă de sistem de fitoepurare este cel ȋ n care curgerea este de la stânga la dreapta, orizontală. Bazinul în care plantele sunt adaptate este impermeabilizat şi umplut cu materiale inerte de preferinţă pietriş. La intrarea şi la ieşirea din bazin a fluxului de apă există 2 zone în care granulometria este mare pentru a asigura drenajul corespunzător al efluentului. Materialele inerte au rolul de suport în care se dezvoltă rădăcinile macrofitelor emergente (Phragmites, Scirpus, Typha). Fluxul de apă rămâne

Biotehnologii pentru protectia mediului

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!

constant sub nivelul patului de pietriş şi curge orizontal datorită unei uşoare înclinări a fundului bazinului (1 %). Nivelul apei în interiorul bazinului se reglează prin intermediul unei conducte de evacuare.

O altă variantă a fitoepurării se prezintă ȋ n fig.2. Diferenţa faţă de varianta anterioară se referă la materialul de umplutură dispus în straturi după cum urmează nisip, nămol şi pietriş, la curgerea verticală a fluxului de apă şi cu evacuarea apei epurate la fundul bazinului. Alimentarea cu apă uzată se face uniform şi la suprafaţă.

Fig.2 Epurarea apelor uzate cu curgere verticală sub nivelul apei (Brix, 1993) A treia variantă de lucru constă ȋ n alimentarea cu apă uzată la suprafaţă (free water surface-FWS) a bazinului cu macrofite a căror rădăcini sunt emergente şi/sau macrofite plutitoare. Plantele folosite în acest sistem sunt aceleaşi ca şi în cazul sistemului în care fluxul de apă este subteran la care se mai adaugă şi altele cum este Carex aquatilis.

Fluxul de apă este orizontal şi bazinul ese prezintă sub forma unui canal cu adâncimea maximă de 40 m. Terenul din vecinătate trebuie protejat şi de aceea bazinul trebuie impermeabilizat. Un astfel de sistem prezintă o eficienţă redusă de epurare în comparaţie cu sistemul subteran şi necesită spaţii foarte mari motiv pentru care este recomandat în următoarele cazuri:

Septembrie 2010

2

BIOTEHNOLOGIA – TRATAREA APELOR POLUATE

- când plantele reproduc o zonă umedă, adică prezintă importanţă din punctul de vedere al naturii: bazinul este integrat ȋ n mediu, se ȋ mbunătăţeşte peisajului natural şi este favorizată biodiversitatea;

Fig.3 Epurarea apelor cu flux superficial (macrofite emergente) (Brix, 1993) - când rezultă o dezinfecţie a efluentului avansată ca urmare a unui timp lung de şedere ȋ n bazin sub expunere permanentă la radiaţiile solare; - când este posibilă ȋ ndepărtarea azotului; - când apa care intră ȋ n bazin este deja parţial epurată şi nu există riscul apariţiei de mirosuri şi nici de dezvoltare a insectelor ȋ n această zonă.

Dacă ȋ n sistemele de epurare convenţionale, factorii fizici, chimici şi biologici contribuie la epurarea efluentului, ȋ n cazul sistemelor alternative de epurare, rolul principal ȋ l au bacteriile care găsesc condiţiile ideale pentru a se dezvolta datorită substratului organic existent dispus pe materialele inerte şi pe rădăcinile plantelor care funcţionează ca suport pe care acestea să adere. In acest sens fitoepurarea este similară cu procesele traditionale de epurare cu biomasă aderentă pe biodiscuri sau filtre percolante cu deosebirea că acestea din urmă necesiţă o energie mecanică suplimentară pentru a oxigena biomasa.

In fitoepurare plantele sunt cele care transferă oxigenul din atmosferă ȋ n faza lichidă (efluentul poluat), de la părţile aeriene ale plantelor spre rădăcinile lor; cu ajutorul rădăcinilor oxigenul se ȋ mprăştie ȋ n zonele ȋ nconjurătoare venind astfel ȋ n contact cu apa poluată. Datorită zonelor cu material solid difuzia gazelor este uşor ȋ mpiedicată şi ca urmare există porţiuni de lichid fără oxigen, dar nu reprezintă un neajuns ci este utilă ȋ n epurarea apelor.

In tabelul 1 se prezintă mecanismele de ȋ ndepărtare a principalilor poluanţi prezenţi ȋ n apele uzate.

Tabel 1 Mecanisme de ȋ ndepărtare a principalilor poluanţi la fitoepurare (Sigmund, 2005)

Biotehnologii pentru protectia mediului

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!

Poluant solide ȋ n suspensie solide coloidale CBO5 azot fosfor

sacterii şi viruşi

Mecanismul de ȋ ndepărtare sedimentare filtrare metabolismul bacterian adsorbţie filtrare metabolism bacterian sedimentare metabolism bacterian absorbţia plantelor sedimentare adsorbţie metabolism bacterian precipitare absorbţia plantelor sedimentare distrugere naturală metabolismul plantelor sedimentare

Solidele se retin prin filtrare şi sedimentare ȋ n zona de la intrarea ȋ n bazin. In apele uzate menajere, solidele aflate ȋ n suspensie sunt de natura organică şi de aceea ȋ n prezenţa bacteriilor o parte sunt transformate ȋ n substante inerte sau gaze şi o altă parte sunt absorbite de plante; datorită tendinţei de acumulare a solidelor pe plante şi pentru a se evita colmatarea stratului de material inert este important ca la intrarea ȋ n bazin să există o zonă cu pietriş aşezat ȋ n straturi cu granulometrie ȋ n descreştere.

Fosforul din apele uzate se reţine prin adsorbţie, complexare sau precipitare.

Reacţiile sunt influenţate de o serie de factori: tipul de sol, pH, potenţialul redox. Adsorbţia este un proces electrostatic ȋ n care fosforul sub formă de ion fosfat se leagă de un metal, fier sau aluminiu sau de carbonatul de calciu prezent pe particulele solide ale materialului care căptuşeşte bazinul.

Argila prezintă o capacitate mare de adsorbţie spre deosebire de pietrişul prezent ȋ n bazin a cărui capacitate este limitată. Capacitatea de adsorbţie a unui sol este valabilă Septembrie 2010

2

BIOTEHNOLOGIA – TRATAREA APELOR POLUATE

până la ocuparea tuturor poziţiilor disponibile adică până când nu mai există ioni de Fe şi Al disponibili să formeze precipitatul de fosfat de fier şi fosfatul de aluminiu.

Metabolismul bacterian contribuie ȋ ntr-o mică măsura la ȋ ndepărtarea fosforului ceea ce explică de ce randamentul de epurare este puţin peste 50% după primii ani de activitate a plantelor.

Substantele organice (CBO5) sunt parţial degradate de bacterii aerobe heterotrofe prezente ȋ n rădăcinile plantelor şi o altă parte de bacteriile anaerobe sau facultative (ultimele trăiesc ȋ n prezenţa şi ȋ n absenţa oxigenului) care sunt prezente ȋ n zonele mai depărtate de rădăcini. Procesele aerobe sunt importante, sunt localizate ȋ n zona ȋ nconjurătoare unui sistem de fitoepurare şi sunt mai rapide decât cele anaerobe. Acest fapt se explică prin aceea că degradarea anaerobă decurge ȋ n mai multe etape cu formarea acidului lactic, metanolului şi etanolului. Azotul din apele uzate se găseşte mai ales sub formă amoniacală ( ion NH4+) ca produs de descompunere al proteinelor şi sub formă organică (aminoacizi, uree, particule organice). Intr-o mică măsură se mai găseşte ca ion azotat sau ȋ n forma oxidată ca acid azotic care este neglijabil. Indepărtarea azotului decurge după reacţiile următoare: azot organic→ NH4+ NH4+ + 1,5 O2 → 2H+ + H2O + NO2NO2- + 0,5 O2 → NO3NO3- + substante organice → O2+ N2 Aceste reacţii au loc ȋ n prezenţa microorganismelor specializate şi astfel ȋ n sistemele de fitoepurare o parte din biomasă participă la reacţiile azotului. Alte mecanisme de ȋ ndepartare a azotului sunt degajarea amoniacului gazos, absorbţia de către unele părţi ale plantelor şi adsorbţia amoniacului de către materialul de umplutură al bazinului.

Alternarea ȋ n mediul de filtrare a zonelor aerobe cu cele anaerobe contribuie de asemenea la distrugerea bacteriilor patogene şi a viruşilor.

Concluzii Plantele indicate ȋ n aceste sisteme sunt: Phargmites, Scyrpus, Typha datorită următoarelor caracteristici: -capacitate bună de dezvoltare pe orice teren cu granulometrie diversă, in conditii climatice diferite; -rezistenţă la ȋ ncărcare organica mare; -datorită unei dezvoltări considerabile a sistemului radicular formeaza o suprafaţă mare de contact mare cu apa uzată.

Bibliografie 1. Brix H., Use of subsurface constructed wetlands for wastwater treatment-an overview, Proc of IAWQ International seminar, 1995 2. Vymazal J. et al., Constructed wetlands for wastewater treatment in Europe, Backhuys Publishers, Leiden, 1998 3. Stottmeister U. şi col., Effects of plants and microorganisms in constructed wetlands for wastewater treatment, J.Biotechnology Advances 22 (2003), 93-117 4. Sigmund C., Teoria e practica della depurazione delle acque reflue, Dario Flaccovio Editore, 2005.

Biotehnologii pentru protectia mediului

2

BIOTEHNOLOGIA – TRATAREA APELOR POLUATE

Biotehnologii pentru protectia mediului