Epurarea biologica

Curs 7

Clasificarea reactoarelor biologice

Reactoare heterotrofe: – Reactoare aerobe:

• cu biomasă fixă (paturi bacteriene)

• cu biomasă în suspensie (nămoluri active)

– Reactoare anaerobe (digestoare)

– Reactoare de denitrificare

Reactoare chimiotrofe Reactoare de nitrificare

şi

Reactoare mixte– Reactoare algo-

bacteriene

– Reactoare bacteriene catalizate

– Filtre de nisip lente

Reactoare aerobe cu biomasă fixă (pat bacterian)

Patul bacterian =un reactor biologic aerob unde microorganismele sunt fixate pe un suport inert şi formează un biofilm.

Reactoarele reproduc efectul de epurare al solului. (“paturi percolatoare”).

Denumirea de “biofiltre” este eronată pentru

că se referă la procesul fizic de filtrare.

Reprezentarea schematică a unui pat bacterian

• stratul aerob care primeşte substratul şi este în creştere;

• stratul aerob care nu primeşte substrat, nu este în creştere ci numai în respiraţie endogenă;

• stratul anaerob care nu primeşte nici O2 şi nici substrat şi care este în fermentaţie gazoasă.

Compoziţia biofilmului (pentru un biofilm matur)

bacterii libere sau colonii: Zoogleate-Spirilles, Spirocheti, bacterii filamentoase,

mucegaiuri rare exceptie în prezenţa unui strat sărac în N, se acidifică rapid şi formează un miceliu spongios prin care O2 difuzeaza de 30 ori mai uşor determinând o epurare îmbunătăţită, dar o gonflare a filmului şi o colmatare a patului bacterian,

protozoare: se hrănesc cu bacteriile mai ales cu cele izolate şi astfel contribuie la claritatea finală a efluentului,

nematode: contribuie la detaşarea biofilmului forând galerii,insecte: musca Psychoda care are un ciclul de viaţă de 25 zile pe care

îl parcurge în patul bacterian,flora nitrifiantă: Nitrosomonas şi Nitrobacter există numai în partea

inferioară a patului bacterian, când CBO este deja la 20-30; altfel sunt în competiţie defavorabilă cu alte bacterii pentru ocuparea suprafeţei.

Schema unei staţii de epurare biologică cu pat bacterian

gratardeznisipator

Decantor primar

Pat de uscare

Decantor secundar

Digestor anaerob

Pat bacterian

Namol secundar

efluent

Epurare primara

(mecanica)

Epurare secundara (biologica)

supernatant Recirculare(eventual)

“filtru biologic” Filtrele biologice sunt construcţii

de epurare care conţin un material granular de umplutură (pietriş, zgură, cocs, material ceramic, material plastic) pe care se formează pelicula biologică care contribuie la biooxidarea impurităţilor din apa uzată.

Procesele care au loc pentru transformarea impurităţilor în biomasă sunt similare celor de la epurarea cu nămol activ.

influent

efluent recirculat

pompa de recirculare

filtru biologic (biofiltru)

efluent namol

Reactoare aerobe cu biomasă în suspensie (nămol activ).

• Procedeul cu nămol activ constă dintr-un reactor biologic aerob unde microorganismele plutesc liber într-un lichid aerat sub formă de “biofloc”. Amestecul apă uzată-biofloc se numeşte licoare mixtă. Procedeul reproduce industrial efectul de epurare a râurilor şi este principalul procedeu de epurare biologică.

• Flocoanele de nămol activ au diametrul aparent de 3-5mm şi sunt constituite din aceleaşi microorganisme ca şi filmul de la paturile bacteriene (o anumită biocenoză bacteriană cu prădători).

• Pentru a se atinge concentraţia uzuală de 3-4g/l(18g/l) Materii in Suspensie Volatile este necesar aproximativ 2 săptămâni.

Fosă de oxidare Flocularea nămolului activ:

• Celulele bacteriilor au proprietatea de a se lipi între ele sub forma unui conglomerat cu aspect floconos. Flocoanele de nămol activ sunt de 36ori mai solide decât flocoanele de alumină. Speciile secretă polizaharide, poliesteri care reprezintă rezerve ternare externe şi care se acumulează mai ales când substratul este abundent şi sărac în azot şi nu permite creşterea egală a tuturor componenţilor celulari.

Gonflarea nămolului activ:

Fosa de oxidare = un reactor cu amestecare completă. -oferă un circuit apelor care sunt continuu aerate cu ajutorul unor

dispozitive punctuale. -se introduc ape desnisipate şi nedecantate. -Procedeul - economic si iniţial a fost potrivit pentru colectivităţi

rurale, apoi a început să servească de asemenea epurarea apelor uzate industriale.

adecvat apelor uzate biodegradabile provenite din industria alimentara.

avantajele sunt: costuri reduse de instalare, producerea de nămoluri uşoare şi stabile, un randament bun de aerare, rezistenţa la supraîncărcări momentane, grad avansat de epurare.

dezavantaje: suprafaţă mare ocupată, costuri de funcţionare ridicate.

•

Principiul digestiei aerobe

• Nămolurile primare şi cele secundare in exces nu sunt stabile si de aceea necesita o retratare.

• Digestia aeroba = procedeu

de retratare a acestora in cursul căruia nămolul este agitat in prezenţa oxigenului timp de câteva zile fără a se adăuga substrat până la atingerea gradului de stabilitate dorit.

21 3

4

R

E

Schema clasica (tradiţională): 1-decantor treapta I; 2-amestecător; 3-decantor treapta II, 4-digestor anaerob; R-nămol recirculat; E-efluent

Modul de aerare:

1-aerator ;

2-decantor treapta II;

R-nămol recirculat;

E-efluent

• Adecvată apelor de scurgere sau apelor reziduale industriale.

• Amestecarea este completă, nămolul nu este complet mineralizat.

• Producţia de nămol este cu atât mai mare cu cât încărcarea este mai mare.

2

1

R

E

Reactoare anaerobe (digestoare)• Digestorul anaerob = reactor biologic anaerob unde biomasa este

menţinută în suspensie într-un mediu concentrat fără aer şi fără lumină.

• Se poate considera ca o variantă anaerobă a proceselor cu nămol activ. In aceste reactoare se reproduc la scară industrială fenomenele care au loc într-o mlaştină (gaz de mlaştină, focurile St-Elmo).

• O floră bacteriană complexă asigură degradarea care se caracterizează prin elementele următoare:– metabolism anaerob care eliberează puţină energie deci produce o

cantitate mică de biomasă,– transformarea unei mari părţi din C organic în gaz (CO2 şi CH4) ceea

ce permite o epurare crescută chiar cu un metabolism puţin favorabil,– proces foarte sensibil accelerat de căldură (33-35°C regim mezofil;

55°C regim termofil).

• Cu toate acestea, epurarea anaerobă se desfăşoară cu o viteză mai lentă decât epurarea aerobă.

Procesele de degradare la fermentaţie metanogenă

1. Hidroliza

2. Solubilizareamateriei organicesi fermentareala acizi graşi.

3. Acidificarea

4.Gazeificare

materii organice complexe

materii organice complexe

acizi grasiacizi grasi

acetatacetat H2+CO2H2+CO2

CH4+CO2CH4+CO2

hidroliza si fermentatie

dehidrogenare acetogena

hidrogenare acetogena

decarboxilare reducerea CO2

Elementele principale bazinul septic de tip IMHOFF

E- intrare ape uzateB- racord de evacuare bio-gazF- capac de inspectie a bazinului

sedimentare si preluare a namolului din bazinul defermentare

C- capac fosa (se poate roti, in functie de unghiul dorit)

S- bazin de sedimentareU- orificiu iesire lichid tratatD- bazin de fermentare sau de

descompunereI - zona de inspectie bazin de

sedimentare

Reactoare de denitrificare• microorganisme heterotrofe pot să utilizeze ionii NO2

- şi NO3- ca

acceptori finali de electroni în locul O2 numai când este absent.

• intervine la sfârşitul lanţului respirator• • bacteriile Pseudomonas sunt facultativ aerobe. • “facultativă” - nitrat şi nitrit-reductasele necesare sunt enzime

inductive. – se formează numai în prezenţa NO2

- şi NO3- şi formarea lor este blocată

de O2. – din reacţia de reducere rezulta forme gazoase puţin solubile şi nenocive

pentru mediul înconjurător- N2 care se degajă sub formă de bule de gaz contribuind la eliminarea compuşilor nedoriţi.

– nu rezulta NH3, ci N2 care eliberat intră în ciclul general şi se poate refixa de vegetaţie.

• 24-40% din biomasa unui namol activ sunt capabile de denitrificare

este înlocuită de

•

• Germenii denitrifianţi sunt heterotrofi. Azotul oxidat apare numai după biodegradarea materiei organice ternare şi cuanternare.

• Denitrificarea exogenă utilizează un substrat extern (adică un aport nou de apă uzată ceea ce inseamnă denitrificare combinată) cum ar fi adaosul unui substrat solubil de sinteza (CH3OH).

– 1,9 g CH3OH este necesar pentru reducerea 1g N nitric; în realitate este necesar 2,5g CH3OH, pentru că o parte serveşte la sinteza celulară.

• Denitrificare endogenă recurge la rezerve celulare ca substrat intern (nu produce biomasă, este un proces foarte lent.

•

OHeHO 22 222/1

OHNOeHNO 223 22

OHNeHNO 222 32/156

Tehnologia denitrificării• exogenă, • endogenă • combinată şi se aplică paturilor bacteriene, biodiscurilor şi nămolului

activ.Denitrificarea exogenă.

– Substratul exogen - să fie ieftin, uşor de degradat şi de manipulat (CH3OH, melasă, lapte praf).

– Doza - să fie foarte precisă, un exces poate să provoace o repoluare a efluentului, iar o cantitate mai redusă încetineşte procesul şi produce un efluent incomplet denitrificat.

– Substratul trebuie să permită denitrificarea nitraţilor, nitritilor, consumarea O2 dizolvat care ar rămâne în apa de denitrificat.

Reactorul de denitrificare : o cuvă prevăzută cu un braţ, neaerată si care nu trebuie să fie acoperită.

Denitrificarea combinată : o denitrificare care se bazeaza pe un substrat exogen foarte ieftin = apa uzata. – vitezele sunt reduse, – procesul este incomplet. – apa uzata aduce in acelasi timp substrat

carbonat, azot amoniacal care in mod evident vor ramane sub aceasta forma.

Procedeul contactare-stabilizare

contactare(30 min)

contactare(30 min)

decantare(2 ore)

decantare(2 ore)

stabilizare si denitrificare

(4 ore)

stabilizare si denitrificare

(4 ore)

decantare

pat bacterian

Reactoare de nitrificareApele uzate municipale conţin şi compuşi cu N în concentraţii 20 – 50 mg/L

sub formă de ioni amoniu (NH4+ şi NH3) sau de compuşi organici (aminoacizi), care

sunt uşor de transformat în amoniu în staţia de epurare. (dejecţii umane, consumuri menajere de produse azotate (NH3, NH4+)).

N organic provine din proteine (N peptidic), amine, amide,baze organice.Urea - forma principala care provine din excreţia umană,sub acţiunea ureazei:

CO(NH2)2 +H2O +H+ 2NH4+ + HCO3

-

Apele din industrii agroalimentare sunt mai sărace in N. N intră in ciclul complex unde intervin numeroase oxidoreduceri care sunt posibile datorită atomului cu 6 nivele de oxidare.

Compuşii cu azot trebuie transformaţi sau îndepărtaţi din apa uzată înainte ca aceasta să fie descărcată într-un curs de apă pt.ca:

– în procesul de oxidare biologică (nitrificare), NH4+ va consuma o cantitate mare

de oxigen. – in apele uzate cu o încărcare obişnuită, cantitatea de O2 necesar pentru oxidare

este aprox. 40% din totalul de O2 necesar în proces. Cum sunt puţine situaţiile în care nu au loc şi procese de nitrificare, efluentul va putea înregistra un deficit de O2.

– amoniacul (NH3) este o otravă puternică pentru peşti. Conţinutul de amoniac este menţinut scăzut datorită :

NH4+ ↔ NH3 + H+

pH neutru echilibrul → stânga, formare de ioni amoniu, pH > 8.5, echilibrul → dreapta, începe formarea amoniacului. (România conţinutul

de amoniac variază între 0.2 şi 0.3 mg / L amoniac pentru apele de suprafaţă din categoriile I şi II (STAS 4707-88)).

– alături de P, N constituie cel mai important nutrient necesar pentru creşterea plantelor.

– procesul de nitrificare nu conduce la formarea unor compuşi care pot fi uşor asimilaţi de către plante sub formă de azotat sau amoniu.

Reactiile de oxidare

HOHNHONH 224 2/1

eHONHOHNH 442 2222

eHNOOHONH 4622 22222

eHNOOHNO 22 2322

• în sisteme naturale oxidarea azotului se realizează, de Nitrosomonas şi Nitrobacter.

• sunt chimiolitotrofe (utilizează CO2 ca sursă de C şi azotul redus ca sursă de energie).

• Nitrosomonas

• Nitrobacter +O2.

24 NONH

32 NONO

Concluzie

Ca urmare a acestor efecte care apar la descărcarea apelor cu conţinut de amoniac, procesele de nitrificare (combinate cu procese de îndepărtare a materiilor organice) sunt necesare pentru a obţine un efluent cu o calitate care să respecte reglementările în vigoare în ceea ce priveşte descărcarea în lacuri, râuri şi alte cursuri de apă naturale.

Procesele de nitrificare• transformarea NH4

+ şi eventual a NO2- în NO3

-în prezenţa unor bacterii autotrofe specifice (utilizează CO2 ca sursă de carbon).

• Mecanismul de oxidare a compuşilor cu azot este în strânsă legătură cu reducerea CO2 la o formă care poate fi utilizată pentru a forma noi constituenţi celulari.

15 CO2 + 13 NH4+ → 10 NO2

- + 3 C5H7NO2 + 23 H+ + 4 H2O( Nitrosomonas),

5 CO2 + NH4+ + 10 NO2

- → 10 NO3- + C5H7NO2 + H+

( Nitrobacter).

-Oxidarea amoniacului are loc în mai multe etape succesive, -oxidarea azotitului la azotat are loc într-o singură etapă:

NH4+ → NH2OH → ? → NO2- → NO3-(a) (b)

Reacţiile (a) şi (b) pot fi inhibate selectiv de tiouree şi hidrazină. Intermediarul dintre hidroxil amină şi azotat nu se cunoaşte.

amonificare

denitrificare

R-NH2

asi

mil

are

exc

ret

ie

N2 ← N2O

NH4+ ↔ NH2OH ↔ [HNO] ↔ NO2

- ↔ NO3-

nitrificare

Tehnologia de nitrificare

• poate să aibe loc in orice tip de reactor biologic aerob dacă temperatura şi concentraţia in O2 sunt suficiente.

• sistemele de epurare –– reactor unic– 2 reactoare succesive.

Sistemele de epurare cu reactor unic

Sistem de epurare cu 2 reactoare biologice 1-reactor I,

2-decantor I,

3-reactor II,

4-decantor II)R D

1 2 3 4

Reactoare mixte = un bazin sau un sistem de bazine expuse la aer si destinate unui tratament biologic al apelor

uzate. simuleaza amplificand actiunea de autoepurare a iazurilor sau lacurilor.

Clasificare reactoare mixte: dupa regimul lor : aerobe sau anaerobe

dupa locul pe care il ocupă intr-un lanţ de epurare. bazine de stabilizare:• anaerobe: predigestoare expuse aerului• aerobe: functioneaza datorita unei asociatii tipice de alge si de bacterii completate

eventual de o aerare mecanica• facultative: unde zona superioara este aeroba şi zona inferioara este anaeroba.Clasificare reactoare mixte :• primare: primesc ape brute• secundare: primesc ape predecantate• de maturare: destinate să diminueze agentii patogeni• cu peşte: aşezate ca bazine de epurare terţiare.•

An= bazin anaerob, F= bazin facultativ, Fm= bazin facultativ cu aerare mecanica, M= bazin de maturare P= bazin cu peşte, ordinea intr-o serie ar fi:

An Fm F M P • Principiul: obţinerea unei epurări bacteriene aerobe fără costuri

ridicate cu furnizarea de O2. – Se utilizează O2 furnizat de alge care obligă ca apa să fie expusă la

radiaţia solară pe o inălţime mică şi pe o suprafaţă mare. – Procedeul necesită bazine mari de pământ şi este convenabil mai ales

regiunilor unde insolaţia este mare şi terenul abundent.

Epurarea biologică naturală• se realizează pe:

– câmpuri de irigare şi filtrare, – filtre de nisip, – iazuri de stabilizare (iazuri biologice)

Din punct de vedere al îndepărtării substanţelor organice în suspensie, al bacteriilor aceste instalaţii au o mare eficienta (90-95 %).

Folosirea unor astfel de instalaţii este indicată ori de câte ori este necesar să se evacueze în receptor o apă cu un grad mare de epurare.

Dezavantajul instalaţiei: necesită suprafeţe mari.

Pe plan mondial, se constată totuşi tendinţa de a evita folosirea apelor uzate la irigaţii, pe motive de igienă şi protecţia muncii.

Câmpurile de irigare şi filtrare• sunt suprafeţe de teren folosite fie pentru epurare şi

irigare în scopuri agricole – cazul câmpurilor de irigare -, fie numai pentru epurare – cazul câmpurilor de filtrare.

• De obicei sunt asociate cu câmpurile de filtrare, ultimele fiind îndeosebi folosite în perioadele de ploi abundente, când nu este nevoie de apă pentru culturi, în perioadele de îngheţ

• se recomandă sa se foloseasca în zonele cu precipitaţii slabe, sub 600 mm/an şi acolo unde întrebuinţarea substanţelor fertile din apa uzată este avantajoasă din punct de vedere economic, în comparaţie cu cele artificiale.

Executarea câmpurilor de irigare şi filtrare pentru localităţile ce depăşesc 10000 de locuitori, în cele mai multe cazuri este neeconomică. Folosirea la irigaţii a unor ape industriale uzate –ex. a celor cu conţinut mare de substanţe organice – este recomandată, îndeosebi când substanţele fertile sunt în cantităţi mari.

Apele uzate folosite la irigaţii trebuie să poată furniza la 1 hectar circa: 120 kg azot, 40 kg fosfor şi 170 kg potasiu.

Culturile care se preferă pentru irigare sunt:plante tehnice (in, cânepă, sfeclă de zahăr) cereale (grâu, porumb); irigarea păşunilor, pădurilor şi livezilor.

Nu sunt recomandate sa se irige cu ape uzate culturile de plante care se consumă crude (roşii, ridichi, salată, castraveţi). Din punct de vedere agrotehnic, se preferă la irigaţii plante care folosesc bine, atât apa, cât şi substanţele care se găsesc dizolvate în apele uzate şi pot suporta excese trecătoare provocate de o umiditate suplimentară, asemenea plante sunt: trifoiul şi sfecla, mai puţin cartoful, porumbul şi cânepa.

Iazuri biologice (iazuri de stabilizare)

= bazine puţin adânci, care folosesc procesele naturale de îndepărtare din apele uzate a substanţelor organice şi a suspensiilor, sub controlul parţial al omului.

= se amenajează, de cele mai multe ori, în depresiuni naturale.

iaz biologic -funcţie multiplă: instalaţie unică de epurare a apelor

uzate, instalaţie de epurare secundară sau

terţiară, bazin de egalizare, bazin de sedimentare suplimentară

După procedeul biologic care predomină în iaz:

• iazuri anaerobe cu fermentare metanică predominantă, întregul volum al bazinului fiind în stare de anaerobie. O variantă a acestui tip este iazul anaerob cu strat aerob la suprafaţă, în care stratul superficial este periodic în stare de aerobie, restul volumului fiind anaerob;

• iazuri facultativ anaerobe – aerobe, în care au loc procese de oxidare anaerobă, oxidare aerobă şi fotosinteză în diferite proporţii. Oxigenul necesar proceselor aerobe este furnizat de alge, prin fotosinteză şi este produs numai până la adâncimea până la care pătrund razele solare. La fundul unor asemenea iazuri depunerile de material organic sunt stabilizate prin fenomene de anaerobie;

• iazuri aerobe de mare eficienţă sau de mare încărcare, în care oxidarea şi fotosinteza sunt în echilibru, realizând o stabilizare completă. Variante ale iazurilor aerobe, şi anume, iazuri cu recirculare, iazuri aerate în mod artificial, implică sisteme constructive suplimentare.

•

• iazul util într-o anumită situaţie se stabileşte în funcţie de:– natura terenului, – amplasarea lui – performanţele pe care trebuie să le realizeze.

• În zonele îndepărtate de localităţi pot fi folosite iazuri anaerobe. În cazul în care trebuie îndepărtate mirosurile fetide, este indicată folosirea iazurilor facultativ anaerobe sau de mare încărcare.

• Când într-un iaz biologic se descarcă continuu un debit de apă uzată, o parte din substanţele organice se pot depune ca suspensii pe fundul iazului, sub formă de nămol, iar altele rămân în soluţie.

• În iazurile anaerobe şi facultativ aerobe substanţele organice din lichid sunt descompuse de către bacterii parţial în CO2 şi NH3, fosfaţi şi alţi produşi.

• Dacă se dispune de oxigen, nămolul este distrus de către bacteriile aerobe, cu formarea unora dintre compuşii de mai sus; dacă se dispune de puţin oxigen, sau deloc, nămolul suferă o descompunere anaerobă, eliminând gaze în funcţie de tipul de descompunere (metan, CO2, NH3, H2S, H2, compuşi solubili – în general acizi volatili).

Iazuri de oxidare, (iazuri de stabilizare sau lagune)

1. bacteriile heterotrofe degradeaza materia organica →material celular nou si minerale →cresterea algelor →descompunerea materialului organic cu producerea O2 pt. bacteriile heterotrofe

2. adincime=3m (pt. cresterea algelor )

3. Nu in regiunile calde

4. Tind sa se umple, necesita suprafete mari si timpi de retentie mari.

5. Trebuie golite periodic.