TEHNOLOGII AVANSATE DE TRATARE A APEI REZIDUALE

TEHNOLOGII AVANSATE DE TRATARE A APEI REZIDUALE

Operatiunile si procesele care sunt tratate in acest capitol sunt tehnicile la final de proces care sunt folosite in mod obisnuit in industria chimica; astfel ca sunt incluse tehnicile de tratare folosite in mod normal pentru eliberarile provenite de la centralele electrice si de la procesarea reziduurilor, de vreme ce amplasamentele chimice de mari dimensiuni sunt adeseori dotate cu propria unitate de productie a energiei (energie, abur) si propria unitate de incinerare a reziduurilor.

3.1. Microfiltrarea si ultrafiltrarea

Microfiltrarea (MF) si ultrafiltrarea (UF) sunt procese tehnologice bazate pe utilizarea membranei, procese care segregheaza un lichid, ce trece printr-o membrana, in permeant, care trece de membrana, si in concentrat, care este retinut. Forta conducatoare a procesului este diferenta de presiune de-a lungul membranei. Ambele sunt tehnici de filtrare complexe si speciale, fiind deja mentionate in capitolul precedent. Membranele folosite pentru MF si pentru UF sunt membrane "tip por" ce functioneaza ca niste site. Solventul si particulele de marime moleculara pot trece prin pori, in timp ce particulele suspendate, particulele coloidale, bacteriile, virusii si chiar si macromoleculele mari sunt retinute.Caracteristicile tipice sunt prezentate in Tabelul 3.1.

Tabelul 3.1.Caracteristicile microfiltrarii (MF) si ultrafiltrararii (UF)

Membranele pentru MF si pentru UF sunt disponibile in game diferite de materiale si de configuratii. Modificarea optima pentru o aplicatie speciala va depinde de natura apei reziduale, de vreme ce diferite materiale au rezistente variabile la substantele dizolvate.

Materialele din care sunt alcatuite membranele pentru MF sunt, de exemplu:

Fibra de sticla

Policarbonati

PVDF (poliflorura de vinil)

Acetat de celuloza

Poliamide

Materialele potrivite pentru UF sunt de obicei polimerii organici, de exemplu:

Acetat de celuloza

Poliamide

Polimide

Policarbonati

Policlorura de vinil

Polisulfoni

Polietersulfon

Poliacetat

Copolimeri ai acrilonitrilului si a clorurii de vinil

Complecsi polielectrolitici

Alcool polivinilic legat intre catene sau poliacrilati.

Fig.3.1. Membrane folosite la ultrafiltrare

Membranele PVDF au avantajul ca pot fi curatate cu acizi puternici, soda caustica si inalbitori. Procesul de filtrare prin membrana este de obicei aplicat cu ajutorul unui flux tangential, adica fluxul permeabil este directionat perpendicular spre fluxul de alimentare. Impuritatile raman in alimentare care, reducandu-se in volum, paraseste sistemul membranei sub forma de flux de reziduu concentrat. Ar trebui sa fie disponibile pentru concentrat amenajari pentru depozitare.

Filtrarea prin membrana (MF si UF) este aplicata cand se doreste o apa reziduala fara solide in instalatiile de dupa proces, de exemplu osmoza inversa sau indepartarea completa a agentilor contaminanti de tipul metalelor grele. Alegerea intre MF si UF depinde de marimea particulei.

Aplicatiile MF obisnuite includ:

Procese de degresare;

Recuperarea particulelor metalice;

Metalizarea in tratarea apei reziduale;

Separarea samului dupa etapa prelucrarii slamului activat din WWTP-ul central biologic, inlocuind un proces de decantare secundar (proces ce foloseste membrana activata), desi UF poate fi de asemenea utilizata.

Aplicatiile UF obisnuite includ:

Indepartarea poluantilor degradabili non-toxici cum ar fi proteinele si alti compusi macromoleculari si componente nedegradabile toxice, de exemplu colorantii si vopselele, care au mase moleculare mai mari de 1000;

Segregarea emulsiilor ulei/apa;

Separarea metalelor grele dupa complexare sau precipiate;

Separarea componentelor nedegradabile usor din efluentii de tratare din canalizare care mai apoi vor fi reciclate in stadiul biologic ;

Etapa de pretratare inainte de osmoza inversa sau de schimbul de ion.

Fig.3.2 Tipuri de membrane

Tabelul.3.2. Avantajele si dezavantajele proceselor cu ajutorul membranelor

Tratarea cu ajutorul membranelor produce un reziduu (concentrat) in procent de aproximativ 10% din volumul original de alimentare, in care substantele tinta sunt prezente in concentratii de aproximativ 10 mai mari decat concentratia lor din fluxul de alimentare initial. O evaluare trebuie facuta pentru a se sti daca acest reziduu poate fi indepartat. In cazul substantelor organice suspendate cresterea concentratiei ar putea sa imbunatateasca conditiile necesare procesului oxidant subsecvent de distrugere. In cazul substantelor anorganice suspendate, etapa concentrarii poate fi utilizata ca parte a procesului de recuperare. In ambele cazuri, apa permeabila dintr-un proces ce foloseste o membrana are potentialul de a fi re-utilizata sau reciclata in cadrul procesului tehnologic industrial, reducandu-se astfel alimentarea cu apa si deversarea.

Consumul de energie este direct legat de rata fluxului tangential si de necesarul de presiune. In general este asociat cu mentinerea unei dinamici minime de aproximativ 2 m/s de-a lungul suprafetei membranei. O sursa de zgomot este echipamentul de pompare ce poate fi izolat.

3.2. Nanofiltrarea(NF) si osmoza inversa(RO)

Fenomenul de osmoza se produce cand doua solutii apoase de concentratii diferite sunt situate in doua celule despartite printr-o membrana semipermeabila.

  In mod natural apa pura difuzeaza prin membrana semipermeabila din celula cu concentratie mai mica in celula cu concentratie mai mare, avand tendinta de egalizare a concentratiilor in ambele celule si deci, de stabilire a echilibrului.

Fig.3.3. Procesul de osmoza inversa

Pe principiul fenomenului invers celui prezentat anterior, adica prin osmoza inversa, apa pura va trece prin membrana semipermeabila din solutia concentrata in cea diluata, in final obtinandu-se apa pura.
    Acest lucru se va realiza prin aplicarea unei forte asupra coloanei cu solutie concentrata care va invinge presiunea osmotica si va determina trecerea apei in celula cu solutie diluata.
    Filtrarea pe principiul osmozei inverse se realizeaza prin intermediul unor module compuse dintr-un vas sub presiune in care se introduc membranele filtrante.

    Pentru realizarea procesului este necesar o sursa de presiune de minimum 3 bari.
Sistemele cu osmoza inversa pentru uz casnic se bazeaza pe un proces ce se desfasoara in mai multe trepte de filtrare a apei pentru a furniza in final o apa potabila de cea mai buna calitate.

Membranele din cadrul NF si RO pot sa retina toate particulele pana la marimea unor molecule organice sau chiar a unor ioni. Cu conditia ca fluxul de alimentare sa fie fara particule, aceste membrane pot fi utilizate in principal atunci cand se doreste reciclarea completa a permeantului si/sau a concentratului.

Caracteristici tipice ale membranelor din procesele NF si RO sunt ilustrate in Tabelul 3.3:

Tabelul 3.3. Caracteristici ale nanofiltrarii (NF) si a osmozei inverse

Membranele sunt disponibile in diferite variante de configurare si de materiale. Modificarea optima ce trebuie efectuata pentru o aplicatie particulara va depinde de natura apei reziduale, de vreme ce materialele diferite au rezistente diferite la dizolvarea substantelor. Materiale din care este alcatuita membrana pentru procesul NF:

Acetat de celuloza

Poliamide

Materialele din care este alcatuita membrana pentru procesul RO sunt polimerii organici, de tipul:

Acetat de celuloza

Poliamide

Polimide

Policarbonati

Policlorura de vinil

Polisulfonati

Polietersulfonati

Poliacetati

Copolimeri de acrilonitril si clorura de vinil

Complecsi polielectrolitici

Alcool polivinilici reticulati

Poilacrilati

   

Fig.3.4. Membrane cu zeolit Fig.3.5. Membrane polimerice

Membranele constituite din poliamide sunt in mod normal superioare celor constituite din acetati, membrane necesare indepartarii urmelor de molecule organice.

Procesele NF si RO sunt aplicate prin flux in cruce, adica fluxul permeabil este directionat perpendicular pe fluxul de alimentare. Impuritatile raman in alimentare care, reducandu-si volumul, paraseste sistemul prevazut cu membrana sub forma unui flux rezidual concentrat. Chiar si cu aplicarea celor mai bune programe si regimuri de pretratare, membranele se vor murdari si se vor deteriora, scazandu-le performanta daca nu este asigurata curatarea. Astfel ca sistemele prevazute cu membrana trebuie proiectate astfel incat acele module sa fie preluate din linia de lucru si curatate fie mecanic, fie chimic. O uzina ce foloseste acest sistem cu membrana, de obicei, este alcatuita din trei sectiuni separate:

Sectiunea pretratare, unde alimentarea este tratata prin decantare chimica (precipitare, coagulare/floculare sau flotatie) si filtrare subsecventa sau prin filtrare si UF subsecvent.

Sectiunea in care se foloseste membrana, unde presiunea este aplicata ridicata si apa reziduala curge de-a lungul membranei.

Sectiunea post-tratare, unde permeabilul este preparat pentru a fi re-utilizat sau pentru a fi deversat si amestecul de concentrat este colectat pentru finisari ulterioare sau pentru depozitare.

   

Fig.3.6. Membrana NF-270 Fig.3.7. Membrane RO

Un exemplu de instalatie RO este ilustrat in Figura 3.8.

Unitatile membranei sunt aranjate ca niste module fie in paralel - pentru a furniza capacitatea hidraulica necesara - sau in serie - pentru a creste gradul de eficienta.

Fig. 3.8.: Aranjament RO

NF si RO au aplicatii diferite din cauza proprietatilor lor diferite manifestate in cadrul migratiei particulelor moleculare peste suprafata lor.

NF se aplica pentru a indeparta moleculele organice mari si ionii multivalenti pentru a recicla si re-utiliza apa reziduala sau pentru a-i reduce volumul si, in acelasi timp, sa-i creasca concentratia de contaminanti astfel incat procesele subsecvente de distrugere sa fie fezabile.

RO este un proces prin care se separa apa si constituientii dizolvati pana la specii ionice. Este aplicata atunci cand este necesar un grad ridicat de puritate. Apa segregata este reciclata si reutilizata.

Exemple:

Desalinare

Indepartarea finala a, de exemplu:

- Componentelor degradabile daca tratarea biologica nu este disponibila

- Metalelor grele

- Componentele toxice

Segregarea poluantilor in scopul concentrarii lor sau pentru procesarea lor ulterioara.

NF si RO sunt adeseori utilizate in combinatie cu tehnici de post-tratare a permeabilului, de exemplu schimb de ion sau adsorbtie GAC.

Tabelul.3.4. Avantajele si dezavantajele NF si RO

Tabelul.3.5. Nivelurile de emisii ce pot fi atinse / Randamente

Tratarea ce foloseste membrana produce un flux rezidual (concentrat) de aproximativ 10% din volumul de alimentare original, in care substantele sunt prezente la nivele de 10 ori mai mari decat concentratia avuta in apa reziduala. O evaluare trebuie facuta pentru a vedea daca acest reziduu poate fi reciclat, depozitat sau are nevoie de tratare ulterioara, de exemplu: oxidare umeda (concentrat rezultat din producerea colorantilor. Prin substante organice atunci cresterea concentratiei ar putea imbunatati conditiile de desfasurare a proceselor subsecvente oxidative distructive. Prin substante anorganice, etapa de crestere a concentratiei poate fi folosita ca parte a procesului de recuperare. In ambele cazuri, apa permeabila provenita dintr-un asemenea proces ce foloseste o membrana are potentialul de a fi reutilizata sau reciclata in cadrul procesului industrial reducand astfel fluxul de intrare a apei si deversarea ei. Consumul de energie este direct legat de rata fluxului si de necesitatile in privinta presiunii. Este in principal asociat cu mentinerea unei viteze minime de aproximativ 2 m/s de-a lungul suprafetei membranei.

Pentru a se asigura functionare corespunzatoare, diferenta de presiune si flux de-a lungul membranei, trebuie monitorizare continua.

3.3. Adsortia

Adsorbtia inseamna transferul substantelor solubile (substante dizolvate) din apa reziduala pe suprafata solidului, foarte poroase, sub forma de particule (adsorbantul). Absorbantul are o capacitate finita pentru fiecare compus ce trebuie indepartat. Cand este epuizata aceasta capacitate, adsorbantul este "cheltuit" si trebuie inlocuit cu material nou. Adsorbantul "cheltuit", fie trebuie sa fie regenerat, fie incinerat. Adsorbantii potentiali necesari purificarii apei reziduale adsorbante sunt prezentati in Tabelul 3.6.:

Tabelul 3.6. Adsorbanti folositi in mod obisnuit si proprietatile lor

Procesele de adsorbtie se impart in:

Amestecare, de obicei folosita in tratarea discontinua;

Percolare, aplicabila tratarii continue, de obicei cu un absorbant prevazut cu strat fix incadrat de doua coloane ce sunt folosite alternativ in functiunea si pentru spalarea in contracurent;

Procese ce folosesc strat-puls sau strat-mobil, ca percolare continua, apa reziduala si adsorbantul fiind conduse in contracurent prin coloana

De vreme ce suprafata activa a adsorbantului este adeseori predispusa la colmatare si blocaj, apa reziduala trebuie, pe cat posibil, sa nu aiba continut de solide care adeseori determina o etapa de filtrare in amonte.

Tabelul.3.7. Avantajele si dezavantajele adsorbtiei

3.4. Schimbul de ioni

Schimbul de ion inseamna indepartarea constituientilor ionici periculosi sau nedoriti din apa reziduala si inlocuirea lor cu ioni mai acceptabili dintr-o rasina de schimb, unde ei vor fi temporar retinuti si apoi eliberati intr-un lichid pentru regenerare sau pentru spalare in contracurent.

Echipamentul necesar pentru un schimbator de ion, este alcatuit de obicei din:

Un vas cilindric vertical sub presiune, cu linii rezistente la coroziune ce contin rasini, de obicei sub forma unei coloane impachetate care are cateva configuratii posibile

Un sistem de conducte si de valve de control care directioneaza fluxul de apa reziduala si solutiile de regenerare spre locatiile corespunzatoare.

Un sistem pentru regenerarea rasinii, alcatuit din echipamente de dizolvare a sarii si de control a dilutiei.

Un sistem de distributie prin racorduri este localizat fie sus, fie jos in cadrul vasului si furnizeaza o distributie egala a influentului de apa reziduala, pentru a preveni scobirea spre in afara a canalelor fluxului in stratul de rasina. Se comporta de asemenea si ca un colector al apei pentru spalare in contracurent.

Pentru schimbul de ion sunt utilizate de obicei rasinile granulate macroporoase cu grupuri functionale anionice sau cationice, de tipul:

Schimbator cationic acid puternic (SAC), neutralizeaza bazele puternice si transformand sarurile neutre in acizii lor corespunzatori.

Schimbator cationic acid slab (WAC), capabil sa neutralizeze bazele puternice si folosit pentru dezalcanizare.

Schimbator anionic baza puternica (SBA), neutralizeaza acizii puternici si transformand sarurile neutre in bazele lor corespunzatoare.

Schimbator anionic baza slab (WBA), neutralizeaza acizii puternici si este utilizat pentru demineralizare partiala.

Ciclul operarii schimbului de ion cuprinde:

Operatiunea efectiva de schimbare de ion;

Etapa spalarii in contracurent, incluzand indepartarea particulelor acumulate si

reclasificarea stratului de rasina al schimbului de ion;

Etapa de regenerare, folosind o solutie de volum mic cu concentratie mare de regenerare, reincarcand rasina schimbului de ion cu ionul respectiv si eliberand speciile ionice nedorite in solutia de regenerare.

Deslocuirea, sau limpezirea lenta, cu un flux de apa lent deslocuieste solutia de regenerare prin strat.

Limpezirea rapida, indeparteaza urmele care au ramas de solutie de regenerare, incluzand orice particule dure reziduale, din stratul de rasina.

Sunt necesare depozite pentru substantele chimice implicate in procesul de regenerare.Schimbul de ion se aplica pentru a indeparta speciile nedorite ionice si ionizabile din apa reziduala:

Ioni ai metalelor grele - cationici sau anionici, de exemplu: Cr³⁺ sau cadmiul si compusii sai, cu concentratii scazute de alimentare, CrO cu concentratii ridicate de alimentare ;

Compusi anorganici ionizabili, cum ar fi H BO

Compusii organici ionizabili sau ionici, solubili, cum ar fi acizii carboxilici, acizii sulfonici, unii fenoli, amine sub forma de saruri acide, amine cuaternare, sulfat alchil si mercur organic, pot fi indepartati .Schimbul de ion este fezabil ca metoda e tratare la final de proces, insa importanta sa se regaseste in potentialul sau de recuperare. Este utilizat in mod obisnuit ca operatiune integrata in tratarea apei reziduale, de exemplu pentru recuperarea apei de limpezire si a substantelor chimice din procesul tehnologic. Concentratiile tipice din influent se situeaza intre 10 si 1000mg/l. Particulele suspendate din fluxul de alimentare trebuie sa fie mai mici de 50mg/l pentru a se preveni colmatarea, astfel ca filtrarea cu ajutorul membranei sau a gravitatii sunt procedee corespunzatoare de pretratare.Limite si restrictii in aplicare sunt prezentate in tabelul 3.8.:

Tabelul.3.9.Limite si restrictii

Tab.3.10. Avantajele si dezavantajele schimbului de ioni

Regenerarea rasinilor din procesul schimb de ion are ca rezultat un volum mic de acid concentrat sau de solutie de sare, continand ionii indepartati ce isi au originea in rasini. Acest lichid imbogatit trebuie sa fie tratat separat pentru indepartarea acestor ioni, de exemplu metalele grele prin precipitare. Apa de clatire provenita din procesul de regenerare contine aceeasi ioni ca si apa sarata, insa in concentratii relativ scazute. Daca acestea trebuie deversate sau trebuie supuse tratarii depinde de concentratiile reale.

3.5. Extractia

Extractia inseamna transferarea contaminantilor solubili din apa reziduala in solvent.

Proprietatile dezirabile ale solventilor potriviti sunt:

Solubilitate si miscibilitate scazuta in apa; de exemplu: petrol brut usor, toluen, pentan si hexan;

Capacitate de disolutie mai mare a contaminantului decat apa;

Separare usoara a solventului si a apei reziduale, de exemplu din cauza diferentei mari de densitate;

Separare usoara a contaminantilor, de exemplu: din cauza temperaturii de evaporare scazute cand se aplica distilarea

Toxicitate scazuta

Stabilitate termica

Extractia este aplicata pe coloane acolo unde apa reziduala este pusa in contact cu solventul organic pe diferite cai, de exemplu:

Cascade contracurent

Contactoare mixer-decantor

Coloane cu taler reticulare

Coloane impachetate

Turnuri pentru pulverizare

Contactoare cu discuri rotative

Contactoare centrifugale pentru diferentele in densitatea la un nivel scazut

Amenajarile situate in aval sunt utile pentru separarea si distilarea lichid/lichid a fractiunii de solvent. Apa reziduala ramasa in mod normal trebuie sa scape de solventul de extractie dizolvat, de exemplu prin indepartare sau prin adsorbtie GAC.

Trebuie furnizate depozite pentru solventul de extractie si pentru reziduu, echipate cu sisteme de siguranta pentru prevenirea eliberarii emisiilor in aer si in sol.

Extractia solventului este utilizata pe o gama larga de agenti contaminanti organici si complexe metalice, atunci cand este disponibil un solvent potrivit si cand concentratia agentului contaminant nu este prea mica. La concentratii scazute, extractia nu se potriveste cu adsorbtia sau cu tratarea biologica. Adeseori este utilizata ca o etapa de pretratare inainte de unitatile de adsorbtie si/sau de tratare biologica.

3.6. Distilarea /Rectificarea

Distilarea sau rectificarea inseamna separarea apei reziduale de contaminantii sai prin transferarea lor in starea gazoasa. Starea gazoasa imbogatita este condensata mai tarziu. Aplicarea procesului in conditii de vid scade temperatura de fierbere si permite separarea substantelor vulnerabile.

Distilarea si rectificarea sunt executate pe coloane, echipate cu materal dispus in placi sau impachetat si un dispozitiv de condensare situat in aval. Incalzirea este adeseori executata prin injectarea directa de abur pentru a se evita supraincalzirea locala. Depozitele echipate cu sistemele de siguranta necesare sunt construite pentru reziduuri si pentru produsele distilarii.

Aceasta metoda au o aplicare limitata. Este adeseori utilizata ca o masura procesual-integrata pentru recuperarea materialului initial si/sau a produselor provenite din solutiile-mama. Ca operatiune de tratare a apei reziduale este aplicata:

Pentru recuperarea solventului dupa extractia apei reziduale;

Pentru recuperarea solventului din apa reziduala, de exemplu separarea alcoolilor din productia de celuloza metilica;

Pentru tratarea emulsiilor uleioase;

Ca metoda de pretratare pentru indepartarea continutului principal de contaminant din fluxul de apa reziduala, pentru a fi recuperate si ulterior deversare a apei reziduale in sistemele de tratare dupa proces;

Pentru recuperarea substantelor organice din solutiile de epurare.

3.7. Evaporarea

Evaporarea apei reziduale inseamna un proces de distilare in care apa este substanta volatila, lasand concentratul drept reziduu pe fundul vasului pentru a fi indepartat ulterior. Scopul acestei operatiuni este reducerea volumului de apa reziduala sau pentru concentrarea solutiilor-mama. Aburul volatil este colectat intr-un condensator si apa condensata este reciclata, daca este nevoie dupa tratarea subsecventa.

Aplicata sub vid scade temperatura de fierbere si activeaza reciclarea substantelor care altfel sar descompune. Sunt multe tipuri de substante pentru evaporare. Conformitatea acestora depind de cerintele individuale.

Exemple ar fi:

Evaporator cu circulatie naturala, potrivit pentru materialul care nu este sensibil la caldura;

Evaporator cu tub-scurt vertical, potrivit pentru lichidele ne-corozive si ne-cristalizatoare

Evaporator tip-cos, la fel cu evaporatorul cu tub scurt vertical;

Evaporator cu pelicula descendenta, utilizat in industria produselor de fertilizare pentru a concentra ureea, acidul fosforic, azotatul de amoniu, etc.

Evaporator cu pelicula subtire, folosit pentru concentrarea, fractionarea, deodorizarea si indepartarea in cadrul procesului de productie a produselor farmaceutice, a polimerilor, a substantelor chimice organice si anorganice.

Evaporatorii sunt de obicei aplicati in serii, serii in care caldura de condensare din cadrul unei etape incalzeste substanta ce trebuie condensata (adica, apa reziduala) in etapa precedenta.    Aplicarea sub vid minimalizeaza necesarul de energie. Conditiile normale de aplicare sunt: 12- 20kPa si 50-60°C.

Evaporarea este aplicata atunci cand sunt dorite fluxuri de apa reziduala concentrate sau ele sunt recomandate, de exemplu:

Pentru concentrarea solutiilor-mama si a solutiilor provenite din epurarea gazelor, pentru a fi reciclate substantele valoroase

Pentru evaporarea si cristalizarea solidelor, fie pentru recuperarea, fie pentru indepartarea lor din efluentul de apa reziduala

Drept pretratare pentru a concentra fluxul de apa reziduala inainte de valorificarea termica, de incinerarea apei reziduale sau depozitarea drept reziduu periculos. Unitatile in care se efectueaza evaporarea trebuie sa functioneze astfel incat energia termica necesara este livrata prin valorificarea caldurii reziduale provenite din procesele de productie. Cand scopul principal este recuperarea materialului este necesara o operatiune de pretratare inainte ca evaporarea sa inceapa.

Exemple de pretratare sunt:

Adaugarea de acizi, baze, etc. pentru a scadea volatilitatea compusilor moleculari;

Separarea lichidelor libere insolubile, de exemplu: uleiul;

Operatiuni fizico-chimice necesare separarii metalelor grele si/sau a altor solide.

Este necesara tratarea ulterioara, de exemplu incinerarea, dupa evaporare, daca concentratul nu este reciclat.

Evaporarea este in mod normal un proces "fara apa reziduala", pentru ca substanta ce trebuie condensata va fi reciclata cu sau fara tratare ulterioara si concentratul va fi reciclat sau indepartat drept reziduu, de exemplu prin incinerare.

3.8. Striparea

Procesul de indepartare aplicat apei reziduale este o operatiune prin care apa reziduala este adusa in contact cu un flux concentrat de gaz pentru a transfera poluantii volatili din starea lichida in starea gazoasa. Poluantii sunt indepartati din gazul folosit pentru indepartarea lor pentru a putea fi reciclati in cadrul procesului si re-utilizati. Substantele organice si anorganice volatile sunt transferate din apa reziduala in gazul rezidual, crescand foarte mult suprafata de expunere a apei contaminate. Evaporarea apei, insa, scade temperatura apei reziduale reducand astfel volatilitatea contaminantilor.

Gazele utilizate sunt aerul si aburul:

Indepartarea prin aer poate fi aplicata cu sau fara incalzirea coloanei in care se executa indepartarea, incalzirea fiind utilizata pe compusii foarte vulnerabili sau volatili. Energia necesara incalzirii este furnizata de obicei prin valorificarea caldurii din cadrul procesului.

Indepartarea prin abur este o metoda alternativa la cea prin aer aplicandu-se pe compusii care sunt mai putin volatili si/sau mai putin vulnerabili. Aburul este in mod normal furnizat cu ajutorul echipamentelor speciale generatoare de abur existente in cadrul amplasamentului sau prin valorificarea caldurii reziduale. Daca nu exista acest echipament, atunci aceasta metoda ar putea sa nu fie fezabila.

Constructiile tipice necesare acestei metode sunt:

Un turn compact in care se efectueaza indepartarea, prevazut cu puncte de sprayere in partea de sus pentru a distribui apa reziduala peste impachetare, gazul de indepartare fiind condus in contracurent prin aceasta impachetare, un bazin de decantare in partea de jos pentru a colecta apa decontaminata, echipat aditional cu un dispozitiv de incalzire a aerului (pentru epurarea aerului), un sistem de control automat si unul de control a emisiilor din aer (unitate GAC, oxidant catalitic sau incinerator);

Un recipient (rezervor) pentru indepartare in cadrul caruia compusii volatili sunt indepartati cu ajutorul bulelor gazoase (aer, abur) canalizate spre recipientul de colectare a apei reziduale.

Echipamentul este alcatuit din:

Un recipient-tampon pentru apa reziduala;

Un recipient pentru pretratare pentru ajustarea pH-ului;

Coloana(ele) pentru indepartare, care functioneaza in contra-flux;

Preincalzitor al alimentarii, recuperand caldura ce provine de la condensator subsecvent al aburului care a fost folosit in procesul de indepartare;

Condensator, racit cu aer sau cu apa;

Amenajari situate in aval pentru tratarea gazului.

Amenajarile pentru indepartare pot fi operate continuu sau discontinuu, ultima asigurand performanta ridicata si eficienta in economia energiei decat unitatile ce sunt operate continuu.

Indepartarea subsecventa a poluantilor volatili din starea gazoasa poate fi indeplinita prin:

Adsorbtia pe rasini GAC, zeolitice sau sintetice

Adsorbtia prin solventi non-lichizi si adsorbtie subsecventa

Adsorbtia prin solventi lichizi, cum ar fi acizii puternici (pentru a adsorbi amoniacul)

Condensarea sau condensarea partiala si tratarea ulterioara subsecventa

Oxidare termica sau catalitica.

Un exemplu de proces de indepartare, indepartarea prin aer/abur a amoniacului, este ilustrata in figura 3.9.

Indepartarea este aplicata pentru a separa agentii contaminanti volatili din apa, de exemplu:

Hidrocarburile clorinate, cum ar fi tricloretena, percloretena, triclormetan, dicloretan, tricloretan;

Sulfura hidrogenata si de amoniac, volatilitatea lor depinzand foarte mult de temperatura si pH, astfel controlul pH-ului este esential (pH>9,5 la amoniac; ph 2-3 la sulfura hidrogenata

Sulfura hidrogenata si de amoniac, ambele odata intr-o unitate de indepartare prin abur in doua etape;

Solventii organici, benzina, motorina, aromaticii slabi, fenolul, mercaptanii

Daca se aplica indepartarea prin aer sau prin apa depinde de:

Vulnerabilitatea agentilor contaminanti;

Daca trebuie recuperati contaminantii;

Disponibilitatea fluxului;

Conditii de siguranta (doar o problema legata de incarcarile ridicate de VOC-uri), etc.

Figura 3.9. Striparea amoniacului, aerului si a aburului

Incinerarea apei reziduale

Incinerarea apei reziduale inseamna oxidarea prin aer a contaminantilor organici si anorganici ai apei reziduale si evaporarea simultana a partilor lichide la presiune normala si la o temperatura ce variaza intre 730 si 1200°C sau sub acest interval cand sunt utilizati catalizatori. In industria chimica incinerarea este adeseori aplicata central sau ca metoda de co-incinerare in uzinele de ardere a reziduurilor. Produsii de reactie sunt: bioxidul de carbon, apa, alti compusi anorganici (azot, oxizi, oxizi de sulf, halide hidrogenate, fosfati, compusi ai metalelor grele), in functie de tipul contaminantului prezent.

Incinerarea este doar auto-intretinuta daca incarcarea organica este suficienta pentru a asigura suport energetic adecvat pentru procesul de vaporizare si pentru incalzirea apei(COD >50g/l).

In cazul unei incarcari organice scazute instalatia in care se executa incinerarea trebuie sa functioneze cu combustibil de sustinere. Cantitatea de energie aditionala este redusa prin scaderea continutului apei, de exemplu prin evaporare in aval

folosind caldura reziduala. Instalarea unui boiler ar fi o modalitate convenabila pentru generarea aburului din caldura provenita din ardere care ar putea fi folosita in procesul de evaporare.

Dispozitivele in care are loc incinerarea apei reziduale pot fi construite sub forma unor cuptoare de ardere obisnuite sau incineratoare cu strat-fluidizat. Trebuie ca materialul din care este confectionata instalatia trebuie sa fie foarte stabil si sa reziste la coroziune. Cuptoarele de ardere sunt adeseori construite din material ceramic. Incinerarea poate fi de asemenea aplicata intr-o uzina obisnuita de ardere a reziduurilor folosind apa reziduala ca flux de intrare aditional.    Pretratare ar putea fi necesara pentru a elimina particulele ce depasesc marimea maxima pentru a se preveni blocajul jetului.

Incinerarea este aplicata pe apa reziduala care contine compusi care fie nu sunt usor

biodegradabili, fie ar putea deregla procesul biologic din cadrul WWTP-ului biologic sau care au proprietati prea vatamatoare pentru a fi eliberati intr-un sistem obisnuit de canalizare.

Asemenea compusi sunt:

reziduurile lichide din productia de coloranti;

reziduuri lichide din productia de cauciuc ce contin cantitati extrem de mari de sare;

extracte lichide din productia de pesticide

reziduuri lichide din productia de poliesteri

Incinerarea apei reziduale este preferata altei tehnici de tratare care are acelasi scop cu ea atunci cand se dovedesc a fi ne-economice. Se potriveste in mod special atunci cand:

constituentii organici nu pot fi reutilizati sau atunci cand sunt reciclarea lor devine neprofitabila;

contaminantii constituie o mixtura (amestec) din mai multi compusi in care atat concentratia cat si ratia de amestecare variaza continuu;

in afara de continutul organic, se regaseste o considerabila cantitate de material anorganic;

apa reziduala este slab biodegradabila sau toxica;

continutul de sare este prea ridicat pentru tratarea biologica sau numai dupa o dilutie considerabila;

incinerarea permite reciclarea materialului de alimentare indestructibil, ca de exemplu: sarurile, sau produce produse valoroase.

Fluxul de apa reziduala potrivit pentru incinerare acopera, in general un interval intre 2 si 30 m³/h, avand concentratii CCO intre 50000 si 100000mg/l. Concentratii mai scazute au nevoie de combustibil de ajutorarea a arderii. Apa reziduala care necesita caldura pentru ardere scazuta poate fi injectata intr-un cuptor rotativ de ardere pentru a fi arsa impreuna cu deseurile.

Incinerarea apei reziduale are ca rezultat gaz rezidual (gazul evacuat din combustie poate contine HCl, SOx, NOx, etc.), gaz care, in functie de continutul sau, poate avea nevoie de tratare ulterioara care rezulta in apa reziduala si deseu solid aditionale. Cand procesul nu functioneaza autotermic, este nevoie de combustibil de ajutorare a arderii. Pe de alta parte, atunci cand caldura reziduala nu poate fi recuperata sau reutilizata, cantitati de caldura se eliberreaza in mediu.

3.10. Contaminantii biodegradabili solubili /tratarea biologica

Linia principala de productie in industria chimica este producerea si manevrarea substantelor organice. Astfel ca o partea importanta din apa reziduala din industria chimica este incarcata cu contaminanti organici care sunt mai mult sau mai putin biodegradabili sau potriviti pentru a fi supuse tehnicilor de tratare biologica. Substantele care pot deregla degradarea biologica trebuie sa fie indepartate din timp.Tratarea biologica inseamna degradarea substantelor organice dizolvate cu ajutorul microorganismelor:

- bacterii - folosite drept agenti de moxidare. Azot organic si fosforul se transforma in amoniac si respectiv in fosfat. Biodegradabilitatea fluxului de apa reziduala poate fi, in mod empiric, estimata cu ajutorul raportului CBC/CCO (inaintea inceperii tratarii):

CBC/CCO <0,2 apa reziduala relativ nedegradbila ;

CBC/CCO 0,2-0,4 degradabila moderat;

CBC/CCO >0,4 degradabila.

Exista trei tipuri de procese metabolice:

Procese anoxice, folosind reducerea biologica a donorilor de oxigen;

Procese aerobe, folosind oxigen dizolvat;

Procese anaerobe, fara furnizare de oxigen.

Proprietatile principale ale acestor procese metabolice legate de tratarea apei reziduale sunt prezentate in Tabelul 3.11.

Tabelul 3.11: Parametrii specifici ai procesului care sunt asociati in mod normal cu    biologia aeroba,anaeroba si anoxica

O comparatie a balantei de carbon a proceselor aerobe si anaerobe este ilustrata in Figura 3.10.

Figura 3.10. Bilantul de carbon in compusii organici de degradare microbiologica aerobica (A) si anaerobica (B)

Un avantaj al tratarii biologice de apa reziduala independent de tipul procesului metabolic este adaptabilitatea mai mult sau mai putin rapida a microorganismelor la o varietate larga de medii nutritive.

3.10.1. Tratarea anaeroba

Tratamentul anaerob al apei reziduale transforma continutul organic al apei reziduale, cu ajutorul microorganismelor si fara input de aer, intr-o varietate de produse precum metanul,dioxidul de carbon, sulfura etc. Biogasul consta in 70% metan, 30% dioxid de carbon si alte gaze precum hidrogenul si hidrogenul sulfura. Procesul are loc in reactorul rezervor etans la aer, microorganismele sunt retinute in rezervor ca biomasa (namol).

Exista mai multe tipuri de reactoare disponibile. Cele mai uzuale sunt:

Reactorul anaer de contact (ACR)

Reactorul cu stratde namol anaerob cu flux ascendent(UASB)

Reactorul cu pat fix

Reactor cu pat extins.

In procesul de contact anaerob (ACP) apa uzata este amestecata cu namolul de reciclare si

amestecate intr-un reactor etans, amestecul de namol/apa uzata sunt separate extern iar partea plutitoare (supernatant) este devarsata catre un tratament ulterior. Namolul anaerob este reciclat in reactor.

O imagine schematica este data in figura 3.11.

Figura 3.11. Procesul de contact anaerob

In procesul UASB , apa uzata este introdusa pe la baza reactorului, de unde curge ascendent printr-un strat de namol format din granule sau particule formate biologic. Gazele produse determina amestecul cantitatii de apa uzata. Apa uzata trece intr-o camera de sedimentare unde continutul solid este separat; gazele sunt colectate in domuri in varful reactorului.

Principiul este ilustrat in figura 3.12.

Figura 3.12. Reprezentarea schematica a procesului UASB

a) intrare namol - lichid

b) filtru de gaz

c) namolul sedimentat se intoarce spre intrare

In procesul cu pat fix sau anaerob, apa uzata curge ascendent sau descendent (in functie de continutul de solide din efluent) printr-o coloana cu tipuri variate de substante solide pe care microorganismele anaerobe cresc si sunt retinute.

In procesul cu pat extins, apa uzata este pompata ascendent prin stratul unui mediu adecvat (nisip, carbune, polietena, etc.) pe care s-a dezvoltat un strat biologic in forma de biofilm.

Efluentul este reciclat pentru a dilua fluxul de apa uzata si pentru a furniza un flux adecvat pentru a mentine stratul-pat intr-o conditie extinsa. Excesul de biomasa este indepartat de la suprafata si tratat dupa bioreactor. Acolo nu mai este necesara o recirculare de namol, purtatorul biofilmului asigurand o concentratie ridicata a biomasei in interiorul reactorului. Avantajul acestei versiuni de tratament anaerob este spatiul necesar redus avand aceeasi performanta. Sistemul este mai rezistent la momente de solicitare maxima, care altfel ar cauza deversari toxice.

Pentru cresterea eficientei tratamentului anaerob a fost introdusa o varianta in doua etape asa cum este aratat mai jos in Figura 3.13.

Figura 3.13. Prezentarea schematica a procesului de tratare anaerob in doua etape

Tratamentul anaerob de apa uzata este utilizat in mod esential doar la pretratarea apei uzate, caracterizata de o incarcare organica ridicata (>2 g/l) si cu o cantitate mai mult sau mai putin constanta .Este aplicabil cel mai mult in sectoarele cu efluenti consistenti de BOD ridicate.

Tratamentul anaerob al apei uzate industriale a devenit din ce in ce mai important in ultimii ani ca un rezultat al consturilor mari ale energiei si problemelor cu depozitoarea excesului de namol format in procesele de tratare aeroba. Eforturile se fac acum in indepartarea contaminantilor organici pe cat posibil fara surse externe de energie, profitand de biogazul produs, unde este realizat un nivel dorit de puritate cu o etapa secundara de sedimentare aeroba biologica.

Indepartarea biologica a compusilor de sulf/ metale grele

Indepartarea biologica a metalelor grele si a compusilor de sulf reprezinta o aplicatie speciala a tratamentului anaerob. Acesta consta din trei etape de proces:

Reactia biologica a sulfatului si a altor compusi de sulf oxidati in sulfuri prin intermediul bacteriei de reducere a sulfatului;

Reactia secundara a ionilor de metale grele cu sulfati si precipitarea sulfatilor de metale grele;

A doua reactie biologica pentru indepartarea excesului de sulfat si transformarea in sulf Procesul profita de solubilitatea cu mult mai redusa a sulfatilor fata de hidroxizii lor.

Un exemplu de instalatie de tratare este dat in figura 3.14.

Figura 3.14. Diagrama de proces a instalatiei de reducere biologica a metalului si sulfatului

Componentii principali:

reactorul UASB, unde reducerea biologica a sulfatului se termina in sulfura;

sistemul de manipulare a biogazului pentru a utiliza sau controla gazul rezidual rezultat din UASB;

reactorul cu film fix, unde sulfura este transformata aerob in sulf, bacteria atasandu-se de un material purtator;

sedimentatorul cu placi pentru a separa sulful;

ultima instalatie de spalare, de exemplu filtrul de nisip epurat continuu.

Procesul biologic necesita donari de electroni, determinati in mod normal de continutul de consum chimic de oxigen in apa uzata. Daca continutul de consum chimic de oxigen nu este suficient, electronii donori trebuie sa fie adaugati.

Posibilii electroni donori sunt :

hidrogen

amidon

etanol

acid formic

esteri de acetate sau saruri

esteri propioni sau saruri

lactate.

In afara acestor substante chimice, reziduurile pot fi utilizate ca donori de electroni, precum:

praful de lemn

melasa.

Operatia de tratare biologica este aplicata pentru toate fluxurile de apa reziduala ce contine o cantitate considerabila de sulfat. In timp ce indepartarea sulfatului este posibila fara prezenta compusilor de metale grele, reducerea metalelor grele necesita suficient sulfat pentru a livra cantitatea necesara de sulfura pentru reactia de precipitare. Prezenta continutului suficient de consum chimic de oxigen favorizeaza randamentul. O posibila aplicare este de exemplu apa uzata din productia de fibre vascoase, unde zincul si sulfurile sunt principali poluanti.

3.10.3 Tratamentul aerob

Tratamentul aerob reprezinta oxidarea biologica a substantelor organice dizolvate cu oxigen ce utilizeaza metabolismul microorganismelor. In prezenta oxigenului dizolvat injectat ca aer sau oxigen pur compusii organici sunt transformati (mineralizati) in dioxid de carbon, apa sau alti metaboliti si biomasa, namolul activ.

Continutul apei uzate toxice poate inhiba procesul biologic.

Tehnicile uzuale aerobe biologice sunt:

Procesul complet cu amestec de namol activ;

Proces cu biorector cu membrana;

Proces de filtrare cu stropire si percolare;

Proces cu pat extins;

Proces cu biofiltru cu pat fix.

Astazi procesul complet cu mix de namol activ este o metoda utilizata deseori in cadrul

industriei chimice si ca majoritatea tehnicilor de tratare pentru apa reziduala biodegradabila.

Microorganismele sunt mentinute ca suspensie in apa uzata iar intregul amestec este aerat mecanic. Amestecul de namol activ este trimis catre o instalatie de separare de la care namolul este reciclat catre rezervorul de aerare.

Separarea instalatiei poate fi:

sedimentarea sau rezervorul de saturare;

instalatia de flotare a aerului;

membrane MF sau UF (bioreactorul cu membrane).

Intregul proces de amestec este realizat in mai multe variante, in functie de cantitatea de apa reziduala, disponibilitatea spatiului, cerintele pentru emisia atmosferica etc.

Principalul parametru de verificare a performantei sau eficientei tratamentului biologic este consumul biologic de oxigen, degradarea consumului chimic de oxigen depinzand de gradul pre-tratamentului precedent si continutul contaminantilor greu degradabili. Deoarece consumul chimic de oxigen(CCO) nu se potriveste pentru tratamentul biologic, si astfel ar trebui lasat in afara pe cat posibil din WWTP biologic, este necesar sa se listeze niveluril realizabile de CCO.

Tratamentul biologic aerob produce o cantitate relativ mare de exces de namol activ, ce necesita sa fie depozitat permanent. Tratarea speciala a namolului activ implica tehnicile de tratare a apei uzate biologice aerobe, atat in afara cat si pe amplasament.