Metode biologice de tratament a apelor uzate

Oxidarea biologica este utilizata pe scara larga pentru tratarea apelor industriale. Tratamentul biologic conventional este cel mai eficient si economic cind contaminarea apelor este in anumite limite ( se reuseste micsorarea BOD cu aprox. 90 %).

Metoda se bazeaza pe capacitatea microorganismelor de a converti compusii organici din apa in CO₂ , H₂O si alti produsi nedaunatori.

Eficienta tratamentului biologic depinde de un numar de factori :

1- temperatura optima : 20-30 ^o C;

2- pH-ul optim 5-9 si mai ales 6.5-7.5;

3- mediul trebuie sa contina in proportii adecvate principalii substituenti : compusi organici, compusi cu azot, compusi cu fosfor ( acestia se adauga de obicei suplimentar sub forma de superfosfat, acid fosforic, sulfat de amoniu). Alte saruri necesare metabolismului, cum ar fi : compusi cu Mn, Cu, Zn, Ca, Na se gasesc de obicei in cantitati suficiente ;

4- in tratamentul aerob ; sistemele de alimentare cu aer trebuie sa asigure o concentratie minima de O₂ in masa de 2 mg/l.

5- multe substante organice sau anorganice pot avea un efect toxic asupra proceselor biologice la anumite niveluri de concentratie; trebuie stabilite nivelele permisibile de concentratie (MPC) al fiecarui component individual si sa se stabileasca si actiunea concomitenta a amestecului de substante.

MPC = concentratia maxima a substantei respective care nu are un efect de frinare a procesului biologic.

MPC_b = concentratia minima la care se observa efect advers asupra procesului biologic.

Subst. anorganice cu MPCb foarte mic sunt:

Valorile MPC difera semnificativ in functie de conditiile de operare si de amestecul de componente din apele ce urmeaza a fi tratate.

6- cele mai multe substante organice pot fi oxidate de catre microorganisme. Tipul de substante si concentratia la care pot fi ele oxidate depinde de adaptabilitatea microorganismelor ( A.m).

A.m. nu este fara limite si destul de multe substante nu pot fi asimilate de catre microorganisme (asta nu inseamna ca oxidarea lor microbiologica nu este posibila ci doar ca ea are loc cu viteza mult prea mica pentru a fi luata in considerare).

S-au facut multe cercetari pentru a evidentia influenta structurii chimice asupra biodegradabilitatii. De exemplu , biodegradabilitatea scade in ordinea:

alcool primar > alcool secundar > alcool tertiar

Cu cat este mai mare gradul de ramificare al catenei de carbon, cu atat mai mica este biodegradabilitatea.

Cu cat mai mare este numarul de atomi de clor din molecula, cu atat mai mica este biodegradabilitatea.

Compusii nebiodegradabili se indeparteaza uzual prin adsorbtia pe carbune activ.

Apele industriale pot fi tratate biologic in conditii naturale sau artificiale .

Conditii naturale : filtrarea prin sol si tratarea in bazine naturale aerate.

Filtrarea prin sol. Avind un amestec complex de compusi organici, anorganici si fiind populat de un mare numar de microorganisme diferite , solul este un mijloc puternic de depoluare.

In timpul acestei operatii, compusii organici sunt fie tratati biochimic, fie adsorbiti pe carbonul organic din sol. Compusii metalici sunt imobilizati in sol.

Aceasta metoda se aplica in SUA , dar numai pentru apele pretratate .

Tratamentul biologic se poate realiza atat aerobic cat si anaerobic conducind la indepartarea a 95% din poluantii organici exprimati ca BOD.

Alegerea metodei de tratament depinde de volumul total al apelor ce urmeaza a fi tratate, de concentratia poluantilor si de toxicitatea lor.

Tab.11

II.4.1 Tratamentul cu namol activat

Tratamentul cu namol activat in tancuri aerate a devenit cel mai utilizat proces pentru tratarea apelor uzate in uzinele chimice.

Exista numeroase tipuri de echipamente. Tratamentul are loc in general in tancuri aerate (care difera intre ele prin tipul de curgere, configuratie, metoda regenerarii namolului, numarul de stadii si altele), unde biomasa activa ( bacterii ) pluteste libera ( suspendata) in apa si oxideaza substratul. Tancul este prevazut cu un sistem de aerare care serveste la imbogatirea cu oxigen a apei. Componentele esentiale ale echipamentului sunt:

- alimentarea cu oxigen;

- mentinerea namolului suspendat;

- amestecarea alimentarii cu namolul;

In unele cazuri, sistemul de aerare indeplineste concomitent toate aceste operatii , dar in rezervoarele unde se foloseste oxigen industrial in loc de aer, amestecarea cu agitare mecanica este independenta de alimentarea cu oxigen.

Dupa tancul de aerare fluxul de ape este trimis la clarificare unde se depune namolul. Cea mai mare parte a namolului este recirculat , restul este trimis la tratare.

Se pot folosi doua tipuri de sisteme de aerare: - pneumatic

- mecanic.

In sistemul pneumatic fluxul de aer este barbotat prin rezervoare, fiind dispersat printr-o placa cu orificii la baza rezervorului. In sistemele cu agitare, aerul de la suprafata este introdus in masa de lichid cu ajutorul unui agitator. Alegerea sistemului de aerare depinde de volumul si compozitia apelor, de cinetica reactiilor biochimice. Studiul reactiilor de biooxidare a aratat ca viteza reactiei de oxidare este direct proportionala cu concentratia substratului ; ea scade pe masura ce contaminantii sunt oxidati si cu cresterea timpului de stationare.

Pentru ca tratamentul cu namol activat sa lucreze corespunzator, namolul trebuie sa aiba o proprietate imprtanta : trebuie sa se depuna usor. Proprietatile de depunere depind de capacitatea bacteriilor de a forma particole dense de namol. Uneori bacteriile produc un namol buretos care este greu de eliminat. Acest lucru poate fi prevenit prin modificarea conditiilor de tratare a apelor.

Atunci cind apele poluate contin o concentratie mare de poluanti, este preferabila utilizarea tancurilor cu amestecare mixta (pneumatica + mecanica). Daca apa este foarte poluata, anumite particole pot parasi clarificatorul ca particole disperse. De asemenea, temperatura scazuta a apei si concentratiile mari de substante anorganice dizolvate pot ingreuna procesul de sedimentare. In asemenea cazuri, se adauga un coagulant inainte de clarificare.

Tratamentul cu namol activat poate indeparta poluantii organici cu o eficienta de 95% reducind cantitatea in compusi organici la 10-15 mg BOD/l iar continutul in materiale suspendate la 30 mg/l. Metoda este preferata indeosebi atunci cand :

- se are in vedere tratarea calitativ superioara a apelor;

- suprafata de teren destinata tratarii este limitata;

- debitul de apa este de cel putin 370 m³ /zi.

Procesul necesita insa :

- supraveghere atenta fiind sensibil la socuri de concentratie sau debit;

- sisteme de tratare si depozitare a namolului.

Aerarea extinsa ( A.e)

Este tot un tratament cu namol activat, dar difera de procedura clasica prin timpul marit de stationare si prin concentratia mai mica de biomasa. Prin A.e. se pot reduce BOD la mai putin de 10 mg/l. Dupa tratament, apele necesita clarificare prin coagulare si filtrare.

Filtre biologice (f.b)

Partea cea mai importanta a unui filtru biologic este mediul de filtrare (umplutura poate fi zgura, pietris, pelicule de masa plastica) , acoperit cu un film de microorganisme anaerobe.

Filtrele biologice pot functiona :

- tip percolator ( contact in toata masa filtrului intre aer si apa si umplutura; reduc BOD cu 60-85%).

- tip incarcare completa (nu mai exista aer in umplutura), utilizat pentru tratarea apelor mai concentrate - reduc BOD cu 50-60%.

Tratarea apelor in filtre biologice este rezultatul a doua procese paralele:

- indepartarea contaminantilor prin aderarea si adsorbtia lor de catre biocenoza atasata mediului de filtrare.

- oxidarea compusilor anorganici in filmul biologic activ.

Cele mai eficiente filtre au:

- dimensiunea particolelor de 40-60 mm;

- particolele sunt din material plastic;

- inaltimea de 12m;

- debit de apa : 163 l /m² _* minut.

Desi eficienta indepartarii compusilor anorganici nu depaseste 85% BOD, procesul este ieftin si usor de condus, cu consum energetic mai mic decat tratamentul cu namol activat.

F.b. sunt considerate potrivite drept tratament preliminar in schema de tratare biologica a apelor cu incarcatura organica mare.

Pentru a preveni infundarea filtrului ( mai ales cind se trateaza ape cu incarcatura mare), o parte din apa tratata este recirculata , obtinindu-se astfel un sistem mai suplu.

Contactoare biologice rotative( C.b.r.)

C.b.r. , cunoscute si sub denumirea de biodiscuri sau filtre biologice imersabile, ocupa o pozitie intermediara intre tancurile de aerare si filtrele biologice.

Sunt economice in exploatare, combinind avantajele microflorei in suspensie si cele ale microflorei depuse pe suport.

Un c.b.r. consta dintr-o coloana rotativa imersata (1/3 la 1/2) intr-un rezervor de tratare. Discurile au 1-3 m diametru, sunt montate la 25 mm departare, iar numarul lor pe o singura coloana poate fi de 20 la 200.

Pe discuri exista un strat biologic de 1 la 4 mm grosime. Stratul fiind periodic scufundat in apa, indeparteaza poluantii si le asigura oxidarea direct cu aerul atmosferic. Excesul de biomasa este separat intr-un clarificator.

Apa din tanc este aerata prin rotatia discului care concomitent asigura mentinerea materialelor organice in suspensie. 70-90% din microorganisme sunt fixate pe discuri, restul fiind in suspensie in apa.

C.b.r. se folosesc de obicei cate 2-3 in serie , putand astfel realiza o indepartare a BOD in proportie de 90%.

Bazinele naturale ( aerare facultativa)

Sunt folosite indeosebi pentru epurarea naturala a apelor dupa tratamentul biologic.

Aerarea se face : - natural - doar la suprafata bazinului

- artificial - prin agitare

- prin barbotarea aerului.

Un bazin natural are 2.4-5 m adincime si se extinde pe 1 ha sau mai mult.

Aceasta metoda poate reduce incarcarea organica la mai putin de 25mg/l BOD si materialele in suspensie la mai putin de 50 mg/l. Dezavantajele metodei constau in :

- timp mare de stationare a apelor in bazin;

- operare sezoniera;

- mult spatiu ocupat.

Pentru cresterea eficientei , in SUA exista sisteme de trei bazine in serie:

1) - Un bazin cu aerare fortata : oxideaza substantele organice solubile si creste concentratia biomasei - timp de stationare 1-3 zile.

2) - Un bazin cu aerare naturala : o parte din materialele in suspensie cad la fund , sunt degradate anaerob; CH₄ si alte produse de descompunere se ridica la suprafata, unde sunt oxidate aerob ; timpul de stationare : 3-6 zile.

3) - Un bazin de decantare - namolul se acumuleaza in zeci de zile si apoi este curatat. Se obtin ape cu mai putin de 50 mg/l suspensii. Ph-ul trebuie mentinut la aprox. 7. Se adauga zilnic aproximativ 40 kg de var.

Se obtin rezultate asemanatoare cu procesul de tratare cu namol activat, la costuri de operare de 2-4 ori mai mici.

Tratamentul anaerob al apelor (T.a.)

Ca rezultat al dezvoltarii microbiologiei, in sfera oxidarii biologice a componentilor organici, in conditii anaerobe si datorita noilor tipuri de reactoare biologice, tratamentul anaerob al apelor uzate s-a dezvoltat puternic indeosebi dupa anii '70.

Avantajele tratamentului anaerob :

consum specific de energie si de nutrienti mai mic decat in tratamentul anaerob;

se pot trata ape cu incarcatura organica foarte mare;

obtinerea de biogaz ce poate fi folosit drept combustibil;

se produce mult mai putin namol;

grad inalt de stabilizare a apelor tratate;

flexibilitatea procesului;

Dezavantaj:

- viteza mica de crestere a bacteriilor producatoare de metan ceea ce conduce la timpi lungi de intrare in regim de operare.

Tratamentul anaerob este recomandat apelor cu incarcatura organica mare: COD = 1.5-10g/l ;

Fermentarea anaeroba este un proces cu doua stadii:

1) - microorganismele transforma prin hidroliza si rupere enzimatica substantele organice complexe in acizi grasi mici (acidogeneza), alcooli, amoniac si alte substante.

2) - bacteriile producatoare de metan convertesc produsii primului stadiu in CH₄ , CO₂ si alte gaze. Biogazul obtinut ( 65-70% CH₄) poate fi folosit drept combustibil, chiar pentru incalzirea reactorului.

Tratamentul anaerob poate fi realizat in bazine naturale sau in reactoare.

Tratamentul anaerob realizat in bazine naturale produce mirosuri neplacute, de aceea cel mai folosit este tratamentul anaerob in reactoare.

unt realizate patru tipuri de bioreactoare pentru t.a. al apelor:

1)- biofiltre anaerobe;

2)- reactor de contact anaerob;

4)- reactor cu strat fluidizat;

3)- reactor anaerob cu curgere ascendenta a apelor printr-un strat de namol activat.

Biofiltre anaerobe (b.a.) sunt recipiente inchise continind un mediu prin care este filtrata apa , in curgere ascendenta, fara contactul cu aerul.

Biofilmul se realizeaza pe umplutura. Procesele de oxidare au loc cu formarea de CH₄ ( de aceea intrarea apei este pe jos) .B.a. se pot folosi pentru tratarea apelor cu incarcatura organica mare, dar cu putine materii in suspensie.

Reactorul de contact anaerob ( R.c.a.)

R.c.a. este similar procesului cu namol activat; se desfasoara intr-un reactor cu agitare, dupa care apele merg intr-un tanc de sedimentare. O parte din namol este recirculat.

Cel mai eficient este reactorul anaerob cu strat fluidizat, in care nisipul este utilizat ca suport pentru microorganisme - pina in 1983 s-a studiat in instalatii pilot, dar si in instalatii industriale.

Tab.1

Chemical Engineering 2 Sept.1985

In tratamentul anaerob, eficienta indepartarii compusilor organici (COD = 85-90 % ).

Dupa tratament, apele mai contin COD pina la 100 mg/l sau mai mult. Din acest motiv, ele trebuie prelucrate in continuare - preferabil prin metodele biologice aerobe.

Ca si in cazul tratamentului cu namol activat , procesele anaerobe sunt dificil de operat, fiind sensibile la socuri de concentratie si hidraulice.

Tratamentul apelor cu reactor fluidizat anaerob in 2 stadii

Reactorul fluidizat a fost introdus in exploatare in SUA in 1984 de catre firmele Ecolotrol; Dorr-Olive; Gist-brocodes.

Comparatia intre reactoarele biologice anaerobe fluidizate si procesul traditional cu namol activat scoate in evidenta avantajele primului:

Tab.2

Datorita concentratiei mari a biomasei si datorita inaltei activitati in reactorul cu strat fluidizat, se ating productivitati inalte.

In tratamentul anaerob, o problema importanta este decizia de a desfasura procesul in doua stadii distincte, sau in unul singur.

Cercetarile au dovedit ca utilizarea a doua stadii are mai multe avantaje:

- activitate marita a namolului - stadiul I : 0.8 g COD/g.zi;

- stadiul II : 2 gCOD/g.zi, conduce la o crestere a debitului de metan;

- control mai usor al pH-ului , si deci un consum mai mic de alcalii;

- stabilitate mai buna la socurile din alimentare si control mai bun al grosimii filmului.

Toate acestea asigura o productivitate mai buna.

Pentru pornirea reactoarelor este de importanta vitala alegerea suportului pentru microorganisme, fixarea microorganismelor pe suport si alegerea unui debit de alimentare corespunzator pornirii.

Nisipul optim este cel cu dimensiunea particulelor de 0.3-0.5 mm. Sunt doua cai de a alimenta namolul in reactor:

- intermitent : namolul este adaugat inainte de a alimenta apa si urmeaza un tratament de cateva saptamini pentru fixarea pe granulele de nisip.

- continuu : se alimenteaza concomitent cu apa. O pornire rapida a reactorului este posibila cind incarcarea organica a apei este maxima si timpul de stationare este scurt ( o zi ) .

Grosimea filmului biologic este de aproximativ 60-200  pentru particolele de nisip cu = 0.3-0.6 mm iar conversia substantelor organice este de aproximativ 40 kg COD/ m³.zi.

Caracteristici pentru procesul Giot- brocades:

- incarcatura organica a apei la intrare: 3.6 g/l;

- temperatura : 37 ^o C;

- pH 7.4

- timp de stationare ( in ambele reactoare , la functionare continua ) 3.2 ore;

- eficienta : 75 % COD;

- debit apa : 50 m³ /h;

- conversie realizata : 20 kg COD/m³.zi.

- concentratie biomasa: 20 g/l;

- continut in acizi grasi la iesire : 100 mg/l;

- diametrul stratului fluidizat: 3m, inaltimea 11m; inaltimea totala17m.

II.4.3. Procese biologice pentru indepartarea compusilor cu azot

In urma tratamentului biologic, compusii organici ce contin azot sunt partial convertiti in amoniac sau saruri de amoniu. Prin nitrificare biologica intelegem actiunea bacteriilor autotrofe asupra sarurilor de amoniu, pentru a le transforma in nitriti si nitrati.

Prin formarea acestor ioni ( nitriti si nitrati ) se consuma cationii din solutie, de aceea se va adauga periodic var pentru mentinerea pH-ului in limita de 7-7.5. Nitrifierea are nevoie de o concentratie minima de oxigen de 2mg/l; de aceea se vor folosi tancurile aerate (pneumatic sau mecanic).

Nitrifierea biologica se utilizeaza  dupa tratamentul biologic ( anerob sau aerob) de micsorare a concentratiei compusilor organici si inaintea denitrificarii (daca concentratia in nitrati , nitriti este prea mare).

Prin denitrificare intelegem procesul biologic de transformare a nitritilor si nitratilor in oxizi de azot si azot molecular, ce sunt eliberati in atmosfera.

Pentru realizarea denitrificarii biologice, apa trebuie sa contina nutrienti organici necesari microorganismelor ( substante organice usor oxidabile : hidrocarburi, alcooli, acizi organici ; daca acestea nu sunt in cantitati suficiente in apa , se mai adauga o anumita cantitate de alcool metilic cu rol de nutrient).

Concentratia de oxigen din apa trebuie sa fie de 0.5 mg/l ( o concentratie prea mare inhiba procesul redox , o concentratie prea mica nu permite dezvoltarea microorganismelor de denitrificare).

Spre deosebire de nitrificare, denitrificarea creste pH-ul mediului. Astfel, nitrificarea -denitrificarea trebuiesc desfasurate succesiv in conditii aerobe , cu un control al oxigenului dizolvat in apa si al nutrientilor organici specifici.

Canale circulare in care exista succesiv zone aerate (nitrificare) si zone neaerate (denitrificare) cu diametru de 30-150 m.

Eficienta indepartarii compusilor cu azot este de 70-95%.

Intensificarea proceselor biologice de tratare

Tratamentul biologic este cel mai eficient si economic atunci cind nivelul de contaminare al apelor se afla in anumite limite. Exista numerosi compusi organici a caror indepartare este dificila si care actioneaza negativ asupra microorganismelor.

Procesele biologice pot fi intensificate prin:

1)- utilizarea oxigenului tehnic in loc de aer - creste astfel concentratia de namol activ la 15g/l;

2)- reproiectarea echipamentelor ( reactoarelor).

3)- utilizarea de microorganisme cu actiune specifica asupra unei anumite clase de compusi - se pot astfel biooxida chiar si cei mai stabili compusi; astfel in procesul de fabricare a h

hirtiei se obtin ape cu continut ridicat de lignina clorurata - aceasta poate fi biodegradata doar de o anumita ciuperca: Pharesochoetum chrysoporium ; o alta ciuperca folosita : Gibberella - pentru cianuri.

4 )- adaugarea de carbune activ pulbere in reactorul cu namol activ , pentru retinerea componentilor organici ce nu pot fi oxidati biochimic. Se obtine astfel o eficienta a indepartarii compusilor organici de peste 95% si o crestere a capacitatii de coagulare a namolului activat, se usureaza si indepartarea apei din namol , in vederea depozitarii lui.

Procesul este brevetat de firma Zimpro Inc.din SUA , care foloseste pentru instalatii cu debit mare de ape si o regenerare a carbunelui ( prin oxidare umeda la 250 ^o C si 50 at. ).

Tab.3

Caracteristici tehnice ale tratamentului biologic dupa/ inaintea adaugarii de carbune activ

- adaugarea de carbune activ se poate face si in reactorul anaerob cu strat fluidizat

- o alta posibilitate de imbunatatire este imobilizarea microorganismelor pe o anumita umplutura ( fibre de sticla, fibre sintetice).

II.45 Prevenirea cresterii microorganismelor in apele recirculate

Se pot naste dificultati serioase de operare daca in apa recirculata se dezvoltanecontrolat ciuperci , alge, bacterii.

Prevenirea unei asemenea dezvoltari se face adaugind clor in apa recirculata. Pentru prevenirea dezvoltarii de alge in turnurile de racire, periodic se face o spalare cu sulfat de cupru.