BIOTEHNOLOGII PENTRU EPURAREA AVANSATA A APELOR UZATE

Epurarea avansata a apelor uzate se defineste prin ansamblul operatiilor suplimentare, ce urmeaza epurarii conventionale secundare, având drept scop eliminarea substantelor în suspensie si dizolvate ramase în apa dupa parcurgerea etapelor clasice. În efluentul deversat din treapta biologica secundara se mai gasesc:

a) suspensii solide;

b) substante organice rezistente la metabolismul microbian – nebiodegradabile;

c) compusi toxici sau cancerigeni;

d) ionii unor substante anorganice cum ar fi cei de calciu, potasiu, nitrati, fosfati, sulfati, cloruri etc.;

e) un numar nedefinit de compusi organici sintetici. 

Epurarea avansata cuprinde procesele si tehnologiile destinate sa asigure grade ridicate de epurare imposibil de realizat prin metode clasice si/sau destinate îndepartarii unor poluanti în treptele fizica si biologica.

Dupa 1970 au aparut preocupari pentru eliminarea în special a compusilor pe baza de azot si fosfor. Treapta biologica reuseste sa elimine maximum 25…40% din azotul total. Aceste elemente si compusii lor au efecte dezastruoase asupra mediului prin accelerarea procesului de eutrofizare a bazinelor de apa. Ele sunt elemente nutritive care favorizeaza dezvoltarea algelor, dar sunt esentiale pentru formarea si dezvoltarea namolului activ în epurarea biologica. Pe de alta parte, amoniul are efecte dezastruoase asupra concentratiei de oxigen dizolvat din apele receptoare si este toxic pentru pesti.

Astazi epurarea avansata a apelor uzate este obligatorie, fiind impusa de necesitatea mentinerii echilibrului ecologic. Impactul statiilor de epurare asupra mediului trebuie analizat atât din punctul de vedere al urmarilor ce apar la deversarea produsilor de carbon cât si la modificarile ce pot interveni în emisar ca urmare a compusilor pe baza de azot si fosfor. Totodata, trebuie analizat si efectul altor compusi, de exemplu cei toxici, care sunt deversati accidental sau dirijat în apele naturale.

Epurarea avansata a apelor uzate se introduce în tehnologia de tratare atunci când este necesar a se obtine o apa de calitate superioara, imposibil de realizat prin procedeele secundare biologice, pentru protectia mediului înconjurator, evitarea eutrofizarii pe cursul natural în aval de punctul de descarcare, în scopul reutilizarii apei epurate sau atunci când emisarul este utilizat ca sursa de alimentare a unor localitati. Pentru alegerea procedeelor si a tehnologiei în ansamblu trebuie avute în vedere: a) capacitatea de autoepurare a cursului natural în care se face descarcarea efluentilor; b) costurile de tratare a apelor în scopul potabilizarii pentru cazul captarilor amplasate în aval de punctul de descarcare a efluentilor; c) costurile constructiilor si instalatiilor aferente tehnologiei propuse; d) costurile de exploatare si control a calitatii efluentilor deversati; e) necesarul de energie pentru functionarea instalatiilor si echipamentelor aferente tehnologiei propuse.

În apele uzate menajere una dintre problemele majore este faptul ca rapoartele N:C si P:C pentru majoritatea compusilor organici din apa uzata sunt mult mai mari decât cele necesare bacteriilor heterotrofe, astfel încât compusii de N si P anorganici si organici se regasesc în efluent. De aceea, procesele pentru îndepartarea N si P se aplica în principal apelor uzate menajere. 

În apele uzate industriale aceste rapoarte sunt mici, de multe ori fiind necesara adaugarea suplimentara de azot si fosfor.

Îndepartarea biologica a azotului din apele uzate

Apele uzate menajere contin azot sub forma organica, aproximativ 60%, si anorganica – amoniu, aproximativ 40%. Îndepartarea biologica a azotului din apele uzate se realizeaza secvential prin nitrificare si denitrificare. 

Nitrificarea consta în oxidarea amoniului în nitrit si apoi oxidarea nitritului în nitrat, de catre microorganisme autotrofe. Procesul poate avea loc în bazine cu suspensii sau cu biofilm. Cea mai utilizata metoda consta în realizarea nitrificarii în acelasi bazin în care se realizeaza si îndepartarea compusilor de carbon (sistem cu un singur namol), procedeul fiind similar procesului cu namol activ, fiind necesar un bazin de aerare, un decantor si un sistem de recirculare. Doar daca exista pericolul unor substante toxice sau inhibitoare în apa uzata, pentru a proteja bacteriile nitrificatoare care sunt mai sensibile, se opteaza pentru trepte separate: una pentru îndepartarea compusilor de azot si alta pentru nitrificare (sistem cu 2 namoluri). Astfel, substantele toxice sunt îndepartate în prima treapta, odata cu compusii de carbon. Bacteriile nitrificatoare au viteza de crestere lenta si de aceea sistemele pentru nitrificare au un timp de retentie mai mare, atât hidraulic cât si al suspensiei, decât cele pentru îndepartarea compusilor de carbon. 

  Principalii parametri care influenteaza nitrificarea sunt concentratia de oxigen dizolvat si pH-ul. Bacteriile nitrificatoare sunt strict aerobe. Viteza de nitrificare creste odata cu concentratia oxigenului dizolvat pâna la 3-4 mg O2/l, concentratia optima fiind de 2-3 mg O2/l. Valoarea pH-ului influenteaza cresterea bacteriilor nitrificatoare. Astfel, el trebuie mentinut la valori de 7,2 – 8, o scadere sub 5,5 sau o crestere peste 9 ducând la scaderea dramatica a nitrificarii. Viteza de nitrificare depinde si de temperatura, valorile scazute ale acesteia afectând negativ nitrificarea, intervalul optim fiind de 28-32 0C.

   Timpul de retentie a namolului trebuie sa fie mai mare de 4-6 zile, ceea ce asigura prezenta bacteriilor nitrificatoare adecvate si sanatoase.

  Ca inhibitori se amintesc prezenta substantelor toxice, metalelor si amoniului neionizat.

În sistemele de nitrificare cu film biologic, cea mai mare parte a compusilor de carbon trebuie îndepartata înainte ca bacteriile nitrificatoare sa se stabileasca la nivelul biofilmului, altfel microorganismele responsabile de îndepartarea compusilor organici, având viteza mai mare de crestere fata de bacteriile nitrificatoare, vor domina biofilmul format. 

Denitrificarea biologica consta în reducerea nitratului pâna la azot gaz în conditii anoxice, adica lipsite de oxigen molecular, dar în care exista nitriti si nitrati. Majoritatea microorganismelor denitrificatoare sunt heterotrofe facultativ aerobe si preiau oxigenul din nitrati si nitriti. Pe lânga acestea, exista si bacterii autotrofe, care utilizeaza H2 sau sulfatii ca acceptori de electron. 

Principalii parametri care influenteaza denitrificarea sunt: prezenta substratului organic, concentratia de oxigen dizolvat, pH-ul si temperatura.

Prezenta substratului organic este foarte importanta, un raport CCO: NO2 (NO3) de 3:1 fiind optim pentru denitrificare completa.

O concentratie de oxigen dizolvat mai mare de 0,2 mg O2/l inhiba denitrificarea.

Denitrificarea determina cresterea alcalinitatii, viteze mari de denitrificare fiind obtinute în intervalul 7-7,5.

Atât viteza de crestere a microorganismelor, cât si viteza de îndepartare a nitratilor sunt afectate de temperatura. Viteza de denitrificare creste odata cu cresterea temperaturii pâna la 350C, iar sub 50C este foarte scazuta.

Sistemul combinat nitrificare/denitrificare în treapta unica cu namol activ, elimina necesitatea sursei de carbon externe (reduce costurile) prezentând urmatoarele avantaje: a) reduce necesarul de oxigen pentru îndepartarea materiei organice si realizarea nitrificarii; b) elimina necesarul de carbon organic suplimentar impus de procesul de denitrificare; c) elimina decantoarele intermediare pentru recircularea namolului. Un astfel de sistem combinat conduce la eficienta de îndepartare a azotului total de 60…80% si poate ajunge pâna la 85…95%.

  Se disting doua procedee de baza: 

a) sistem cu namol separat – sistemul cu doua sau trei namoluri; 

b) sistem cu un singur tip de namol.

  In primul caz, sistemul foloseste doua namoluri, adica doua tipuri de comunitati biologice separate, dezvoltate în doua instalatii biologice independente conectate în serie. Ambele instalatii contin decantoarele de separare a namolului cu recircularea acestuia în cadrul treptei respective. Prima instalatie are drept scop eliminarea compusilor organici pe baza de carbon si nitrificarea produsilor pe baza de azot în bazin aerob. A doua treapta este destinata denitrificarii în mediu anoxic. 

Exista si un sistem cu trei namoluri pentru eliminarea treptata a produsilor pe baza de carbon, nitrificare si apoi denitrificare; fiecare dintre aceste faze se desfasoara într-o instalatie biologica independenta cu un singur tip de namol. Dezavantajul acestui sistem consta în faptul ca la treapta de denitrificare este necesara o sursa externa de carbon, ceea ce impune introducerea de metanol, etanol etc. sau o parte din apa uzata intra direct, prin ocolire, în reactorul anoxic de denitrificare.

Instalatia cu un singur tip de namol foloseste fie un reactor care functioneaza secvential, fie un singur bazin mai lung în care o parte este aerata iar cealalta este în regim anoxic. De asemenea, se pot realiza bazine independente în regim aerob sau anoxic cu circulatia apei si a namolului activ pâna la decantorul secundar care este unic (nu se introduce sedimentare intermediara).

Procesele cu un singur namol pot fi de 3 tipuri în functie de pozitia zonei anoxice fata de cea aeroba: procesul cu predenitrificare (fig.1 a), procesul cu postdenitrificare   (fig.1 b) si procesul cu nitrificare-denitrificare simultana (fig.1 c).

  Namolul biologic se adapteaza conditiilor aerobe si anoxice rezolvând eliminarea compusilor pe baza de carbon si de azot. 

  În procesul cu predenitrificare, în prima treapta, apa uzata intra într-un bazin anaerob unde apare procesul de denitrificare prin utilizarea carbonului organic existent în apa uzata. Din al doilea bazin de nitrificare si îndepartare a compusilor organici se recircula apa, încarcata cu nitrati, din zona aeroba în cea anoxica unde acestia vin în contact cu substratul organic din apa uzata. Schema este eficienta în eliminarea azotului si prezinta avantajul de a folosi rational sursele de carbon interne existente si de a reduce costurile de investitie prin eliminarea unui decantor intermediar. 

 Procesul cu postdenitrificare poate functiona cu sau fara sursa externa de carbon.

Noi procese de îndepartare a azotului din apele uzate

Namolul preponderent biologic rezultat din epurarea apelor uzate trebuie stabilizat înainte de a fi deshidratat si depozitat. De obicei stabilizarea se fac în mediu anaerob, astfel ca azotul din namol este eliberat sub forma de amoniu care se regaseste în apa evacuata din metantanc. Aceasta apa este recirculata în bazinele cu namol activ, ceea ce duce la încarcarea suplimentara a acestora cu azot. Concentratiile de amoniu în apa de evacuare din fermentatoare este ridicata, de ordinul 500-1500 mg/l, iar temperatura de 25-35 0C. Datorita acestei concentratii mari de amoniu s-a constatat ca este mai convenabil sa se trateze separat aceste ape. Cercetarile realizate dupa anii 1990 au condus la noi procese de îndepartare a azotului din apele puternic încarcate cu amoniu: Sharon, Anammox, Sharon-Anammox, Canon, Oland, Snap, Babe, InNitri.

Concluzii

Metoda conventionala de epurare bilogica reuseste sa îndeparteze doar o parte din nutrientii din apa uzata. Datorita restrictiilor impuse pentru deversarea acestora, s-au dezvoltat tehnologiile de îndepartare ale azotului si fosforului, dintre acestea tehnologiile biologice fiind preferate din ce în ce mai mult în special datorita faptului ca pot fi combinate cu procesul biologic de îndepartare a compusilor de carbon. Cercetarile din biotehnologie au avut o influenta deosebita si în dezvoltarea proceselor de îndepartare a nutrientilor. Exista o serie de configuratii posibile, unele dintre acestea doar pentru îndepartarea azotului, altele pentru îndepartarea combinata a azotului si fosforului. Alegerea configuratiei depinde de calitatea influentului, calitatea dorita a efluentului, experienta operatorului si procesele de epurare existente daca se doreste retehnologizarea statiei de epurare. Retehnologizarea unei statii de epurare pentru îndepartarea nutrientilor trebuie sa tina seama de configuratia si dimensiunea bazinelor de aerare, capacitatea decantoarelor, tipul sistemului de aerare, tehnologia de tratare a namolurilor si experienta operatorului. Realizarea unei noi statii de epurare este mult mai flexibila si ofera mai multe optiuni în ceea ce priveste îndepartarea nutrientilor. 

  Bibliografie

1. van Dongen, L.G.J.M., Jetten, M.S.M., van Loosdrecht, M.C.M.. The Combined Sharon-Anammox Process. A sustainable method for N-removal from sludge water, Stowa, 2001

2. van Haandel A., van der Lubbe J. Handbook Biological Waste Water Treatment, Quist Publishing, 2007

3. Henze, M., van Loosdrecht, M., Ekama, G., Brdjanovic, D. Biological Wastewater Treatment: Principles, Modeling and Design, IWA Publishing, 2008.

4. Metcalf&Eddy. Wastewater engineering. Treatment and reuse, fourth edition, McGraw Hill, 2003.

5. Robescu, D., Robescu, Diana, Lanyi, S., Constantinescu, I. – Tehnologii, instalatii si echipamente pentru epurarea apei, Editura Tehnica, Bucuresti, 2000.

6. Seviour, R., Nielsen, P.H. Microbial Ecology of Activated Sludge, IWA Publishing, 2010

7. Wiesmann, U., Choi, I.S, Dombrowski, E.A.. Fundamentals of Biological Wastewater Treatment, Wiley-VCH&Co.KgaA, 2007

8. ***. Design of Municipal Wastewater Treatment Plants, 4th ed., WEF manual of Practice 8, ASCE Manual and Report on Engineering Practice No.76, 1998.