1

FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013

Axa prioritară nr. 3 „Creşterea adaptabilităţii lucrătorilor şi a întreprinderilor” Domeniul major de intervenţie 3.2. „Formare şi sprijin pentru întreprinderi şi angajaţi pentru promovarea adaptabilităţii” Titlul proiectului: : „COPMED – COMPETENTE PENTRU PROTECTIA MEDIULUI” Contract nr. POSDRU/81/3.2./S/52242 Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 –„Investeşte în oameni!

„COPMED – COMPETENȚE PENTRU PROTECȚIA MEDIULUI”

POSDRU/81/3.2./S/52242

COMPENDIU

ARTICOLE BIOTEHNOLOGII

2

OPIS:

1. TRATAREA APELOR UZATE – O PRIVIRE GENERALĂ – SC Stathis Pantazis (Grecia), pg. 4-9

2. BIOTEHNOLOGILE MEDIULUI - SC Stathis Pantazis (Grecia), pg. 10-15

3. BIOTEHNOLOGIILE ȘI COMISIA EUROPEANĂ - SC Stathis Pantazis

(Grecia), pg. 16-23

4. CONCEPTUL DE EPURARE BIOLOGICA - Prof.dr.ing. Cristina Costache1, Prof.dr.ing. Diana Robescu, Prof.dr.ing. Dan Robescu, pg. 24-29

5. BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA APELOR UZATE - Prof.dr.ing. Lăcrămioara Diana Robescu1, Prof.dr.ing.Dan Niculae Robescu, Prof.dr.ing. Cristina Costache, pg. 30-36

6. BIOTEHNOLOGII PENTRU EPURAREA AVANSATĂ A APELOR UZATE -

Prof.dr.ing. Lăcrămioara Diana Robescu1, Prof.dr.ing.Dan Niculae Robescu, Prof.dr.ing. Cristina Costache, pg. 37-43

7. BIOTEHNOLOGIILE ÎN AGRICULTURĂ - SC Stathis Pantazis (Grecia), pg. 44-50

8. CERCETĂRI AVANSATE ÎN DOMENIUL EPURĂRII BIOLOGICE A APELOR UZATE - Prof.dr.ing. Dan Niculae Robescu1, Prof.dr.ing. Lăcrămioara Diana Robescu, Prof.dr.ing. Cristina Costache, pg. 51-58

9. METODE ALTERNATIVE DE EPURARE A APELOR - Prof.dr.ing. Cristina

Costache1, Prof.dr.ing.Dan Robescu, Prof.dr.ing. Diana Robescu, pg. 59-63

10. SOLUŢII DE EFICIENTIZARE ENERGETICĂ A STAŢIILOR DE EPURARE BIOLOGICE - Dan Niculae Robescu, Diana Robescu, Cristina Costache, pg. 64-72

3

11. CONDUCEREA AUTOMATĂ A PROCESELOR BIOLOGICE DIN

STAŢIILE DE EPURARE - Prof.dr.ing. Lăcrămioara Diana Robescu1, Prof.dr.ing.Dan Niculae Robescu, Prof.dr.ing. Cristina Costache, pg. 73-83

12. APLICAREA BIOTEHNOLOGIILOR ÎN STAŢIILE MODULATE DE

EPURARE - Dan Niculae Robescu, Diana Robescu, Cristina Costache, pg. 84-93

13. CARACTERIZAREA NAMOLURILOR REZULTATE IN ETAPA DE

EPURARE BIOLOGICA A APELOR UZATE- Rodica Stanescu, pg. 94-102

14. VALORIFICAREA SI ELIMINAREA NAMOLURILOR REZULTATE IN ETAPA DE EPURARE BIOLOGICA A APELOR UZATE - Rodica Stanescu, pg. 103-110

4

TRATAREA APELOR UZATE – O PRIVIRE GENERALĂ

Apa înseamnă viață. Ea condiționează viața oamenilor, a animalelor și a plantelor, fiind în

același timp o resursă indispensabilă pentru economie.

Apa nu este un produs comercial ca oricare altul, ci mai degrabă este o comoară ce trebuie

tratată ca atare, adică protejată, apărată. Peste tot în lume crește nevoia de apă, în cantități tot

mai mari și cu o calitate din ce în ce mai ridicată, pentru tot felul de scopuri. Pentru a acoperi

aceste nevoi, trebuie stabilite politici de dezvoltare și administrare raționale, pentru

asigurarea cu apă în cantități și cu o calitate adecvate.

Totuși, aceste politici trebuie acordate cu principile de dezvoltare durabilă - ca de exemplu

principiul conservării și reutilizării apei, principiul prevenirii degradării apei şi protecţia şi

îmbunătăţirea stării ecosistemelor acvatice şi a zonelor umede, principiul promovării folosirii

pe termen lung a apei, prin protejarea resurselor de apă disponibile, principiul protejării și

îmbunătățirii mediului acvatic prin măsuri de reducere progresivă sau eliminarea treptată a

evacuărilor, emisiilor şi pierderilor de substanţe periculoase prioritare.

Refolosirea apelor uzate poate constitui un instrument esențial pentru o administrare rațională

a resurselor de apă.

Reutilizarea atentă a apei, prin exploatarea corespunzătoare a canalizărilor urbane sau

industriale poate aduce foloase mari, fie că e vorba de economisirea resurselor de apă, de

protecţia mediului, fie de profiturile economice. Cu toate acestea, este nevoie de o planificare

completă şi raţională, care să ia în considerare toate pericolele şi restricţiile posibile.

Este deja recunoscut că prin canalizarea constituenților nutritivi se produce o contribuţie

neglijabilă la economisirea de îngrăşăminte, avantajul de bază constând în economisirea apei.

Astfel, câștigul este dat de disponibilizarea imediată a resursei de apă și, ca urmare,

oportunitatea de refolosire trebuie evaluată în legătură cu caracteristicile specifice ale fiecărei

regiuni.

Având în vedere că reutilizarea apelor uzate este serios restricționată de existența unor

pericole, atât practice cât și teoretice, pericole inacceptabile în ţări cu cerinţe mari şi cu un

nivel ridicat de siguranţă în ce privește sănătate publică, dar acceptabile în alte țări, evaluarea

avantajelor folosirii reutilizării apelor uzate trebuie făcută în funcție de specificul fiecărei țări.

Concluzia generală a studiilor și cercetărilor internaționale este de a nu încuraja, sub nicio

formă, refolosirea directă a apei în scopuri de aprovizionare pentru consumul populației; în

același timp, există rezerve serioase privind îmbogățirea stratului subteran de apă, destinat

5

consumulului populației. Perspective mult mai promițătoare prezintă reutilizarea apelor

pentru irigații, pentru utilizări urbane (mai puțin consumul de către locuitori), pentru spațiile

verzi din vecinătatea orașelor, pentru crearea sau îmbogățirea parcurilor acvatice recreative,

pentru anumite activități industriale.

Apele reziduale sunt ape uzate. Acestea conțin substanţe cum ar fi gunoiul menajer, resturi

alimentare, uleiuri, săpunuri şi produse chimice. În gospodării, apele reziduale înseamnă apa

care se scurge de la chiuvete, dușuri, căzi, toalete, mașini de spălat rufe sau vase. Economia și

industria au, la rândul lor, o însemnată contribuție la apa uzată care necesită tratament.

Apele reziduale includ, de asemenea, și scurgerile pluviale. Deși unii ar putea crede că ploaia

care cade pe stradă și se scurge la canal este curată, nu este așa. Apa de ploaie adună de pe

drumuri, parcări şi acoperişuri substanţe nocive pe care le duce în râurile şi lacurile noastre.

Noi considerăm tratarea apelor reziduale ca fiind un mod de utilizare a apei, deoarece este în

strânsă legătură cu celelalte căi de folosire a acesteia. Apa consumată în gospodării, industrie

sau economie trebuie tratată înainte de a fi din nou reintrodusă în mediul înconjurător.

Managementul Apelor Reziduale este un proces de înlăturare a substanțelor periculoase din

apele uzate, pentru ca apa să fie folosită din nou (în mediul înconjurător, în agricultură, în

industrie etc). Aceasta înseamnă folosirea unor procese fizice, chimice și biologice pentru a

înlătura substanțele contaminante. Managementul Apelor Reziduale urmărește să transforme

apele uzate în două componente - deşeuri lichide nepericuloase pentru mediu (fluxul apei

uzate tratate) și deşeuri solide (sau nămoluri tratate) adecvate pentru eliminare sau reutilizare

(de obicei, ca îngrăşământ agricol). Prin utilizarea de tehnologii avansate de tratare, este

posibil chiar ca fluxul apei uzate tratate să fie refolosit ca apă potabilă.

Proiectarea și construirea instalațiilor de tratare cade în sarcina inginerilor de mediu. Aceștia

folosesc o gamă largă de sisteme tehnologice și naturale, bazate pe metode de tratare fizice,

chimice și biologice.

Caracteristicile sistemelor de tratare a apelor reziduale sunt determinate de natura deșeurilor

urbane și industriale deversate în circuitul de canalizare; tipul deșeurilor deversate determină

și complexitatea tratamentului aplicat pentru păstrarea sau creșterea calității apei utilizate.

Dacă apele uzate nu sunt tratate în mod adecvat, mediul înconjurător și sănătatea populației

pot suferi. Efectele negative se pot răsfrânge asupra populației acvatice şi faunei sălbatice,

pot duce la scăderea nivelului de oxigen din apă, la închideri ale plajelor sau alte restricţii

privind utilizarea apei de agrement, la restricţii privind recoltarea de peşte şi crustacee şi la

contaminarea apei potabile.

6

Curățenia apei este absolut necesară plantelor și animalelor care trăiesc în apă. În consecință,

este importantă pentru industria pescuitului, pentru pescuitul sportiv și pentru sănătatea

generațiilor viitoare.

Apa din râuri şi oceane fraternizează cu vietățile care depind de ţărm, plaje și mlaștini.

Acestea sunt locul de viață pentru sute de specii de pești și alte ființe acvatice. Păsările

migratoare de apă folosesc aceste habitaturi pentru odihnă și hrană.

Apa mai înseamnă și un uriaș spațiu de joacă pentru noi toți. Mulți oameni își aleg locul de

viață în apropierea mării sau a râurilor tocmai datorită valorii scenice și a posibilităților de

recreere oferite de acestea. Iar vizitatorii sunt atrași de activități ca înotul, pescuitul, plimbatul

cu barca sau picnicul.

Dacă nu este corespunzător curățată, apa poate îmbolnăvi. Viața noastră, munca sau joaca,

toate fiind atât de strâns legate de apă, este absolut necesar ca bacteriile periculoase să fie

înlăturate din ea pentru a o face sigură.

Iată câteva exemple de substanțe poluante regăsite în apele uzate și efectele periculoase pe

care acestea le pot avea asupra ecosistemelor și a sănătății oamenilor:

materiile organice şi resturile în descompunere pot utiliza oxigenul dintr-un lac

astfel încât peştii şi celelalte vietăți acvatice nu mai pot supravieţui;

îngrășămintele (fosfor şi azot - inclusiv amoniac) aflate în cantități prea mari pot

provoca eutrofizare, sau supra-fertilizarea apelor receptoare; pot fi toxice pentru

organismele acvatice, pot duce la creşterea excesivă a plantelor - reducând oxigenul

disponibil, pot afecta reproducerea organismelor, pot conduce la declinul anumitor

specii;

compușii clorului și cloraminele anorganice pot fi toxice pentru organismele

acvatice nevertebrate, alge și pești;

bacteriile, virusurile și factorii patogeni cauzatori de boli pot polua plajele și

contamina populația de crustacee, ducînd la restricții privind recreerea, consumul de

apă sau consumul de fructe de mare;

metalele, precum mercurul, plumbul, cadmiul, cromul și arsenicul pot avea efecte

toxice acute și cronice asupra sănătății speciilor acvatice;

alte substanţe, cum ar fi unele produse farmaceutice şi cosmetice, care intră direct în

fluxul apelor reziduale, pot constitui, de asemenea, ameninţări la adresa sănătăţii

oamenilor, vieţii acvatice şi faunei sălbatice.

Scopul principal al tratării apelor uzate este de a înlătura cât mai mult posibil din suspensiile

solide înainte ca apa rămasă, denumită efluent, să fie eliberată înapoi în mediul înconjurător.

7

descompunerea materialului solid utilizează oxigen, de care au nevoie plantele și animalele

care trăiesc în apă.

Apele reziduale pot fi tratate în apropierea locului unde se produce poluarea; sistemul este

descentralizat și se bazează pe fose septice, filtre biologice sau sisteme de tratare aerobică.

Apele reziduale pot fi, de asemenea, colectate și transportate printr-o rețea de conducte și

stații de pompare către o platformă urbană de tratare; în acest caz, sistemul este centralizat și

se bazează pe conducte de canalizare și infrastructură. Colectarea și tratarea apelor uzate se

supun de obicei reglementărilor și standardelor naționale și locale. Sursele de poluare

industrială a apei necesită de cele mai multe ori procese speciale de tratare.

Tratarea apelor uzate se face de regulă în trei etape, denumite tratare primară, secundară și,

respectiv, terțiară (sau tratare avansată).

Înainte de tratarea primară este util să aplicăm o etapă de pre-tratare, menită să înlăture

materialele uşor de colectat (gunoi, crengi de copac, frunze, etc), pentru a evita deteriorarea

sau blocarea pompelor şi separatoarelor de limpezire folosite la tratarea primară.

Tratarea primară constă în introducerea temporară a apei uzate într-un bazin static unde se

separă solidele grele (în partea de jos) de uleiuri, grăsimi şi solide mai uşoare (care plutesc la

suprafaţă). În etapa primară de sedimentare, apele uzate circulă prin fose largi, de obicei

numite "clarificatori primari" sau "fose de sedimentare primară". Fosele sunt bazine utilizate

pentru a depunerea nămolului, în timp ce grăsimile și uleiurile se ridică la suprafaţă. Nămolul

poate fi astfel scos afară degresat. Aceste fose sunt de regulă echipate cu screpere acţionate

mecanic, care conduc continuu nămolul colectat spre o pâlnie aflată la baza rezervorului, de

unde este pompat la instalaţiile de tratare a nămolului. Această etapă include și procesul de

aerare, adică de reoxigenare a apei. Grăsimile și uleiurile care plutesc la suprafață pot fi

uneori recuperate pentru saponificare. Materiile depuse sau în suspensie sunt scoase și

lichidul rămas poate fi canalizat către instalațiile de tratare secundară. În urma tratării

primare, din apele uzate se înlătură cam 60% din suspensiile solide și 30% din consumul

biochimic de oxigen.

Tratarea secundară înlătură peste 90% din suspensiile solide. Sunt scoase materiile dizolvate

și suspendate (se degradează conținutul biologic). Tratarea secundară utilizează de obicei

procese biologice, în care sunt implicate microorganisme indigene, într-un habitat acvatic

gestionat. Această metodă poate necesita un proces de separare pentru înlăturarea acestor

microorganisme din apa tratată înainte de tratarea terțiară. Platformele urbane și industriale

folosesc de regulă procesele biologiece de aerare. Cele mai întâlnite sunt procesele

suspendate, în special cele care se bazează pe nămoluri active; metodele bazate pe pelicule

fixe, cum ar fi filtrele de curățare, au costuri de întreținere și control mai mici (filtrele fiind

8

mai rezistente). Uneori sunt utilizate metode de tratare anaerobă, bazate pe folosirea foselor

septice şi a digestoarelor de biogaz.

Tratarea terțiară (avansată)

Definiția acestei etape se referă de regulă la orice procese desfășurate după primele două

etape, primară și terțiară, care permit deversarea apei tratate în ecosisteme sensibile sau

fragile (estuare, ape curgîtoare, recifuri de corali,...). Tratarea avansată înlătură aproape în

totalitate substanțele patogene în special prin procese chimice. Costurile ridicate ale

echipamentelor fac dificilă aplicarea acestei etape în orice fabrică. Scopul principal este

extragerea fosforului și a azotului. Azotul se regăsește în apă sub forma amoniacului, care

este toxic pentru pești. Sărurile de fosfor pot cauza creşterea excesivă de aloe, care poate

provoca eutrofizarea apei lacurilor. Apa tratată este uneori dezinfectată chimic sau fizic (de

exemplu, prin lagune și microfiltrare) înainte de deversarea acesteia în râuri, golfuri, lagune,

mlaștini, sau înainte de a fi utilizată la irigarea unui teren de golf, a spațiilor verzi sau a

parcurilor. Dacă este suficient de curată, apa tratată poate fi utilizată la reîncărcarea apelor

subterane sau în scopuri agricole.

Nămolurile acumulate într-un proces de tratare a apelor uzate trebuie să fie curățate şi

eliminate într-o manieră sigură şi eficientă. Dar eliminarea deșeurilor de nămol acumulate

reprezintă un element economic major în tratarea apelor uzate. Scopul procesului de digestie

este de a reduce cantitatea de materie organică și implicit numărul de micro-organisme

patogene prezente în această materie. Cel mai des întâlnit mod de tratare folosește digestia

anaerobă, digestia aerobă și fermentare. Se mai utilizează, de asemenea, și incinerarea, deşi

într-o măsură mult mai mică.

Tratarea nămolurilor depinde de cantitatea de materii solide generate și mai depinde de alte

condiții specifice locale. Fermentarea se aplică adesea pe platformele mai mici, utilizând

digestia aerobă pentru operațiuni de complexitate medie și digestia anaerobă pentru

operațiunile de amploare.

Utilizarea apelor uzate regenerate sau reciclate îi ajută pe oameni în două moduri:

1. Apa uzată regenerată poate acoperi necesarul de apă pentru unele scopuri;

2. Folosirea apei uzate regenerate disponibilizează apa proaspătă, care poate fi folosită,

de exmplu, ca apă potabilă.

Apa uzată regenerată este de obicei comercializată la un preț mai mic, pentru a încuraja

utilizarea acesteia. Folosirea apei reciclate în alte scopuri decât ca apă potabilă economisește

apa potabilă. Apa mai puțin potabilă conține niveluri crescute de îngrășăminte, precum

9

azotul, fosforul sau de oxigen, care uneori pot fi utile la fertilizarea grădinilor și culturilor

agricole atunci când o folosim pentru irigații.

Experti biotehnologii, SC Stathis Pantazis (Grecia)

10

BIOTEHNOLOGILE MEDIULUI

Biotehnologiile sunt tehnologii care utilizează procese bio-chimice, microbiologice și

mecanice în scopul valorificării proprietăților microorganismelor (celule recoltate de la plante

sau animale și ulterior cultivate) în domeniile industrial, agricol și de mediu înconjurător

(Federația Europeană a Biotehnologiilor 1988).

Domeniul Biotehnologiilor Mediului cuprinde aplicațiile biotehnologiilor în rezolvarea

problemelor de mediu - tratamentul deșeurilor lichide și solide, tehnici de control al poluării,

de reabilitare etc. Acest domeniu lucrează cu ecologia microbiană, care a progresat rapid în

ultimii 20 de ani, prin dezvoltarea noilor tehnici genetice (ARN – acid ribonucleic și ADN –

acid dezoxiribonucleic) de descriere a structurii și funcției culturilor microbiene. Metodele

moleculare oferă informații amănunțite care ne ajută să înțelegem care anume sunt elementele

vieții microbiene ce pot fi folosite în acest scop. De multe ori, s-a dovedit a fi utilă folosirea

însușirilor microorganismelor în combinație cu materialele moderne sau cu procesele fizice și

chimice.

În trecut, Biotehnologiile Mediului erau considerate de majoritatea specialiștilor ca făcând

parte dintre aplicațiile microbiologiei. Motivul era că, în mod tradițional, biotehnologiile

mediului foloseau activitatea microbiană pentru rezolvarea problemelor de mediu. Alți

specialiști erau de părere că biotehnologiile făceau parte mai degrabă dintre metodele de

control al poluării biologice (bioremediere).

În prezent, utilizarea biotehnologiilor mediului la scara întregii lumi a luat o amploare

excepțională, mai ales în cazul țărilor aflate în curs de dezvoltare.

Biotehnologiile Mediului folosesc culturile microbiene pentru a acoperi anumite nevoi ale

societății. Majoritatea serviciilor oferite poate fi împărțită în două categorii importante:

• culturile microbiene pot elimina elementele toxice contaminante din apă, sol, depuneri și

nămol, permițând astfel societății refolosirea resurselor;

• culturile microbiene pot converti valoarea energetică a deșeurilor (din deșeurile amestecate,

sau cu compoziție periculoasă, se obțin diferite tipuri de biomasă, care sunt folosite cu

uşurinţă de către societatea umană: de exemplu, metan, hidrogen, electricitate, etanol şi

biogaz).

Ambele categorii de servicii au ca element comun faptul că se bazează pe arderea dirijată a

microbilor (oxidare microbiană catalizată) și pe reacțiile chimice de reducere (scădere a

nivelului de oxidație). Cu toate că fenomenele de oxidare și reducere stau la baza vieții,

11

microorganismele posedă capacități unice de a dezvolta energii de ardere și reducere, energii

care pot fi utile societății omenești

.

În acest sens, devine foarte important modul în care aceste servicii sunt gestionate. Aceasta

implică de multe ori crearea unor sisteme tehnice care să combine însușirile

microorganismelor cu materialele moderne sau cu procesele fizice și chimice. Din fericire,

ingineria și știința materialelor progresează în același ritm cu ecologia moleculară

microbiană. Astfel, înţelegerea noastră extinsă privind structura şi funcţia comunităţilor

microbiene poate ține pasul cu sistemele tot mai sofisticate de inginerie care gestionează

structura comunităţilor, putând astfel fi direcționată către obiective sociale.

Aplicațiile Biotehnologiilor Mediului

Utilizarea biotehnologiilor în tratarea poluării nu este o idee nouă. Societatea a folosit

populațiile complexe microbiene apărute în mod natural pentru curățirea canalelor de peste

un veac. Toate organismele vii – animale, plante, bacterii și așa mai departe – se hrănesc cu

nutrienți pentru a trăi, rezultând astfel deșeuri. Diferitele organisme consumă diferite tipuri de

substanțe nutritive. De exemplu, anumite bacterii prosperă consumând componentele chimice

ale unor deşeuri, iar unele microorganisme se hrănesc cu materiale toxice - clorură de

metilen, detergenţi, creozot etc.

Multitudinea de moduri în care pot fi utilizate Biotehnologiile de mediu este practic

nelimitată. Este deosebit de important, totuşi, să fie găsite și aplicate întotdeauna soluţiile și

metodele optime, și care nu necesită costuri ridicate de aplicare.

Activitatea metabolică a microorganismelor constituie baza sistemelor aplicării

biotehnologiilor în tratarea poluării. Nu trebuie, de asemenea, ignorată importanța cunoașterii

capacităților metabolice ale microorganismelor, pentru a face posibile orice asemenea

aplicații.

Cele mai importante aplicații ale Biotehnologiilor Mediului în prezent sunt:

1. Măsurătorile de mediu

Exemple:

Detectoare de lanțuri ADN (sonde ADN), care sunt specializate pentru detectarea

prezenței acizilor nucleici și a organismelor patogene în sondele de mediu;

Biosenzorii folosiți la detectarea organismelor patogene și a factorilor de poluare.

12

2. Controlul poluării sistemelor de mediu degradate; Biotehnologiile Mediului utilizează

metode biologice pentru reabilitarea unor terenuri care pot fi populate sau pot fi

utilizate în alte moduri, precum şi pentru controlul poluării sistemelor acvifere poluate

sau eutrofizate (lacuri și bălți îmbogățite cu materii organice și cu substanțe nutritive -

nitrați, fosfați etc. - sărăcite astfel de oxigenul necesar vieții acvatice;

3. Tratamentul apelor poluate

Exemple:

Tratamentul deșeurilor umede și solide. O mare parte din deșeurile orășenești și

industriale sunt materiale care ar trebui să fie tratate înainte de a fi returnate în

natură; astfel, Biotehnologiile Mediului permit aplicarea unor noi metode de

tratament, mult mai ieftine și mai prietenoase pentru mediu;

Transformarea deșeurilor în substanțe cu o mare valoare nutritivă.

Transformarea gunoiului ecologic sau a deșeurilor industriale în alimente pentru

animale cu valoare nutritivă mare;

4. Aplicarea unor procese și metode industriale care evită sau limitează poluarea

mediului

Biotehnologiile pot ajuta la dezvoltarea unor metode nepoluante de producție a unor

bunuri:

1. Folosirea unor produse naturale (fermenți sau bacterii) în industria producătoare

de piele, textile sau tratarea hârtiei;

2. Producția plasticului reciclat din microorganisme care pot înlocui plasticul sintetic

utilizat în prezent (care nu poate fi reciclat);

3. Producția de îngrășăminte și produse medicinale pentru agricultură;

4. Producția de energie din surse neconvenționale – bioetanol, biogaz, hidrogen

biologic.

Valoarea produselor cu nivel redus de oxigen.

Biotehnologiile Mediului folosesc, în primul rând, oxidarea contaminanților cu nivel scăzut

de oxigen. Tehnologiile tradiționale de tratament al apelor reziduale (precum nămolurile

activate) sunt de fapt mijloace de oxidare și consum de oxigen aplicate înainte ca apele tratate

să fie întoarse în circuitul natural al apei. Acest concept se aplică nu numai apelor reziduale

urbane, dar și în tratarea apelor reziduale industriale, în remedierea deversărilor şi scurgerilor

de petrol şi în stabilizarea biologică a apei potabile.

În prezent, inginerii de mediu şi oamenii de ştiinţă au înțeles că multe dintre cele mai mari

provocări pentru recuperarea calității apei sunt strâns legate de oxidarea contaminanților, sau

de agenții poluanți care nu donează elctroni, ci doar primesc. Lista contaminanţilor oxidați

este lungă. Câțiva dintre cei mai importanți contaminanți oxidați sunt:

13

• Nitrații (NO3 -) și nitriții (NO2 -), proveniți din apele reziduale și din depozitele de

îngrășăminte; cauzează methemoglobinemia la sugari și provoacă eutrofizarea culturală a

apelor;

• Perclorații (ClO4 -), proveniți din combustibilul rachetelor, alți combustibili de propulsie, un

anumit îngrășământ din Chile; afectează funcția tiroidiană și perturbează echilibrul chimic

endocrin;

• Selenați (SeO4 2-), proveniți din centralele electrice pe cărbune, rafinării de petrol, topitorii

de metal şi anumite soluri irigate; cauzează probleme funcției de reproducere ;*

• Cromați (CrO4 3-), proveniți din procesele de galvanizare, minerit şi prelucrarea de

combustibili fosili; provoacă daune la ficat şi rinichi;

• Arsenați (H2AsO4 -), prezenți în anumite solurui; provoacă daune gastrointestinale, stop

cardiac și cancer;

• Solvenți pe bază de clor, preum tricloretilena, folosiți ca dizolvanți sau agenți de curățare în

industrie și comerț; sunt suspecți sau cunoscuți ca factori cauzatori ai carcinomului.

Reducerea nivelului de oxigen din contaminanții oxidați creează produse inofensive (de

exemplu, azot [gaz] din azotat și nitriți, apă și clor din acid perclorhidric, etenă și clor din

tricloretilenă) sau substanțe solide ușor de curățat.

Bacteriile sunt capabile de a reduce nivelul de oxigen din toți acești contaminanți, dat fiind că

acestea eliberează electroni disponibili pentru materia biologică. În timp ce nu toate

substanțele funcționează ca donori de elctroni pentru contaminanții oxidați, cercetările au

demonstrat că toți contaminanții oxidați pot fi „reduși‖ atunci când substanța care eliberează

electronii (donorul) este hidrogenul gazos. Hidrogenul poate fi livrat bacteriilor indirect, prin

fermentarea compușilor organici sau direct, prin difuzia cu ajutorul unui gaz de transfer.

Astfel, detoxificarea contaminanților din apele reziduale se face prin „bio-reducere‖,

deoarece produsele rezultate sunt inofensive sau ușor de înlăturat. Alte produse „reduse‖ sunt

de mare valoare pentru societate, deoarece acestea sunt purtători de energie, gata pentru a fi

folosite.

Diversele culturi de microbi pot transforma valoarea energetică a deșeurilor în energie

folosibilă:

• Gazul metan (CH4) poate fi convertit prin ardere în energie electrică cu degajări relativ mici

de bioxid de carbon sau oxid de azot. Ecologia biochimică și microbiană a formării metanului

din materia complexă organică sunt bine studiate, iar metanogeneza este o tehnologie

demonstrată în cazul nămolurilor și al apelor reziduale industriale. Infrastructura de

distribuire și utilizare a gazului metan sau a gazului natural este deja existentă în numeroase

locații;

14

• Hidrogenul gazos (H2) este un produs alternativ de fermentație care, față de gazul metan,

prezintă avantajul că poate fi utilizat în celulele de combustibil convenţional, producând

energie electrică nepoluantă;

• Electricitatea poate fi produsă direct în celulele de combustibil microbian, evitându-se etapa

emisiei intermediare de hidrogen, obținându-se energie electrică fără ardere și nepoluantă,

direct din bio-masă;

• Fermentarea zahărului în vederea obținerii etanolului, o tehnologie microbiană practicată de

mult timp, a revenit recent în centrul atenției, ca înlocuitor sau aditiv regenerabil al benzinei.

Procesarea convențională „în aval‖ pentru a produce etanol combustibil de calitate este o

metodă mare consumatoare de energie, ceea ce face etanolul un biocombustibil controversat.

• Biocombustibilul este o alternativă promițătoare a benzinei, putând fi produs direct din

energia solară prin utilizarea cianobacteriilor și a algelor. Biocombustibilul este format din

alcani (de la C16 până la C18), aceștia fiind componenți ai lipidelor conținute de microbii care

sintetizează hrana cu ajutorul luminii (fototrofi).

Piața mondială a Biotehnologiilor Mediului

Biotehnologiile industriale și de mediu fac parte din sectoare industriale cheie, care fac

tranziția dintre sectoarele producătoare (de exemplu, produse IT, farmaceutice, chimice, auto,

textile, alimentare, agricultură, etc.) către modele de mediu mai ecologice și mai durabile (de

exemplu, biocorectivi, biosenzori), fiind relevante pentru multe țări membre ale Organizației

pentru Cooperare și Dezvoltare Economică.

Capabilitatea biotehnologiilor de convertire a energiei în cadrul proceselor industriale, având

ca rezultate profitabilitate economică și ecologică, a determinat luarea de măsuri prompte în

câteva țări în direcția transformării economiilor pe baze mai rezistente, durabile și ecologice.

Accentul pus de țările OECD pe biotehnologiile industriale constă în identificarea

contribuției potențiale a acestor tehnologii la creșterea și dezvoltarea durabilă, în identificarea

și evaluarea măsurilor politice de intervenție în mecanismul cerere-ofertă care pot ghida

tranziția către o economie bazată pe ecologie.

Organizația pentru Cooperare și Dezvoltare Economică apreciază că proporția

Biotehnologiilor de Mediu va crește la 15-25% din piața biotehnologică. Ca urmare,

Biotehnologiile de Mediu constituie unul dintre sectoarele cu cel mai rapid ritm de devoltare,

dacă nu chiar cu cel mai ridicat ritm.

Lărgirea pieței Biotehnologiilor de Mediu se datorează:

15

1) acceptării biotehnologiilor ca metode de dezvoltare a noi activități industriale;

2) aplicării legislației care impune descoperirea de noi metode menite să țină pasul cu

dezvoltarea Biotehnologiilor de Mediu și

3) tragicei realități generate de distrugerea mediului.

Probleme ridicate de Biotehnologiile de Mediu

Cea mai importantă problema a companiilor active în sectorul Biotehnologiilor de Mediu este

că produsele lor nu pot fi folosite la scară largă, fiind specializate strict sau având un spectru

limitat de acțiune. Principala cauză este că metodele tradiționale biotehnologice nu erau

considerate viabele din punct de vedere economic, fiind respinse de al început. Această

atitudine a redus gama acestor produse strict la cele care rezolvă probleme punctuale.

Inițiativele guvernamentale de promovare a creșterii continui a cercetării Biotehnologiilor de

Mediu au fost numeroase și importante. Se poate, așadar, concluziona că Biotehnologiile de

Mediu și aplicațiile lor câștigă teren, încet dar sigur, pentru acestea lumina semaforului fiind

acum „verde‖.

Experti biotehnologii, SC Stathis Pantazis (Grecia),

16

BIOTEHNOLOGIILE ȘI COMISIA EUROPEANĂ

Biotehnologiile utilizează tehnici care, prin metode de manipulare genetică, produc molecule

biologice sau organisme transgenice pentru utilizări industriale, agricole, farmaceutice,

chimice, etc.

Pentru Europa, științele vieții și biotehnologiile reprezintă nu numai o provocare, dar şi un

potenţial major de valorificare. Comisia Europeană urmărește să dezvolte acest potențial prin

intermediul unei strategii europene. Obiectivele diverselor documente adoptate în acest

domeniu de către Comisia Europeană în ultimii ani sprijină Uniunea Europeană în

valorificarea ştiinţelor vieţii şi biotehnologiilor în multe domenii, cum ar fi asistenţa

medicală, agricultura, produsele alimentare, utilizările industriale în mediul înconjurător,

pentru a crea o economie durabilă, bazată pe cunoaştere.

Științele vieții ridică probleme sociale și politice considerabile şi au determinat ample

dezbateri publice. O adevărată revoluție are loc în privința bazei de cunoștințe și informații

din domeniul biotehnologiilor, deschizând drumuri pentru aplicații noi în domeniul sănătății,

industriei alimentare și protecției mediului.

În ultimii ani s-au făcut progrese majore științifice și tehnologice în domeniul științelor vieții

și biotehnologiilor. Ca urmare, în ianuarie 2002, Comisia Europeană a adoptat o strategie

europeană de elaborare de politici durabile şi responsabile privitoare la următoarele trei

aspecte majore:

oportunități oferite de științele vieții și biotehnologii de a acoperi o mare parte din

nevoile oamenilor în domeniile sănătății, îmbătrânirii, alimentației, mediului

înconjurător și dezvoltării durabile;

obținerea unui sprijin public cât mai larg și rezolvarea implicațiilor și preocupărilor

etice și sociale sunt esențiale;

revoluția științifică și tehnologică este o realitate globală care creează oportunități și

provocări noi pentru toate țările lumii.

Strategia este împărțită pe două direcții:

1. principii politice generale;

2. un plan în 30 de puncte de concretizare a acestor principii și măsuri.

Strategia reflectă importanța acordată de Consiliul European științelor vieții și propune o

foaie de parcurs cuprinzătoare care plasează acest domeniu în prima linie a acestor tehnologii

de frontieră care sprijină Uniunea Europeană în atingerea obiectivelor de la Lisabona.

17

Potențialul științelor vieții și al biotehnologiilor

Științele vieții și biotehnologiile sunt larg recunoscute ca fiind printre cele mai promițătoare

tehnologii de vârf pentru deceniile următoare.

În sectorul de îngrijire a sănătății, biotehnologiile permit deja producerea în condiții mai etice

și mai sigure a unui număr tot mai mare de medicamente și servicii medicale. Cercetarea

celulelor Stem oferă posibilitatea înlocuirii de țesuturi și organe pentru tratarea bolilor

degenerative, maladiilor Alzheimer și Parkinson, etc. Se deschid perspective de îmbunătățire

a calității vieții prin utilizarea de aplicații medicale inovative.

În sectorul agro-alimentar, biotehnologiile dețin potențialul de a îmbunătăți calitatea

produselor agricole și hranei animalelor, în vederea prevenirii îmbolnăvirilor și reducerii

riscurilor asupra sănătății. Cercetările genomului plantelor reprezintă un domeniu cheie. În

acest context, aria de folosire a produselor alimentare modificate genetic aproape că s-a

dublat.

În cazul utilizării în alte scopuri decât cele alimentare, biotehnologiile ajută la îmbunătățirea

modului de folosire a materiilor prime pentru industria energetică și industria farmaceutică.

Modificările aflate în curs de dezvoltare sunt legate de alterarea carbohidrataților, uleiurilor,

grăsimilor, proteinelor și fibrelor. În mod similar, substanțele biologice ar putea furniza surse

alternative de energie - biocombustibili lichizi şi solizi, cum ar fi biodieselul şi bioetanolul.

Din punct de vedere al mediului, biotehnologiile oferă modalități noi de protejare a acestuia,

în special în ceea ce privește aerul, solul, apa și deșeurile. Cercetările sunt concentrate

asupra dezvoltării unor produse și procese industriale cât mai curate și a unor practici

agricole cât mai durabile.

Sectorul științelor vieții și al biotehnologiilor va juca un rol important în contextul Strategiei

de la Lisabona revizuite. Așa cum indică ultimul raport privind progresele înregistrate, în

deceniile următoare acest sector va trebui:

să întărească poziția Europei pe piața mondială a tehnologiilor de vârf;

să devină un domeniu de bază al științei, industriei și în privința ocupării forței de

muncă;

să sporească prosperitatea prin crearea de locuri de muncă de înaltă calitate;

să contribuie la modernizarea industriei europene.

Valorificarea potențialului

Strategia europeană privitoare la științele vieții și biotehnologii trasează următoarele priorități

strategice:

18

lansarea unei economii bazate pe cunoaștere, prin intermediul unor investiții sporite în

cercetare și prin dezvoltarea educației și instruirii;

concretizarea cunoștințelor acumulate în aplicații științifice și tehnologice (noi

produse, procese și servicii);

consolidarea actului de guvernare, în termeni de proiectare și implementare de politici

și acțiuni;

lărgirea dimensiunii internaționale a Europei;

promovarea dialogului, coerenței și cooperării în privința implementării acțiunilor

prezente și viitoare.

Competitivitatea în Europa trebuie consolidată prin intermediul a trei piloni principali de

acţiune:

1. Consolidarea bazei de resurse

are scopul de a pune accentul pe educația în domeniul științelor vieții (învăţare pe tot

parcursul vieţii pentru oamenii de ştiinţă, conştientizarea generală a publicului, etc.).

Elementul cel mai important în progresul utilizării biotehnologiilor este accesul la

bazele de informații actualizate din domeniul bio.

2. Rețeaua Europeană a comunităților biotehnologice

Se resimte nevoia de a facilita accesul liber la cunoștințe, calificare şi cele mai bune

practici şi pentru a crea o comunitate strânsă a persoanelor şi instituţiilor implicate în

biotehnologii.

3. Un rol proactiv al autorităților publice

Obiectivul acestui pilon este ca autoritățile publice să poată anticipa problemele

viitoare pentru a-și adapta în mod proactiv politicile.

Biotehnologiile se concentrează pe rezolvarea unor probleme specifice. Strategia acordă o

atenție deosebită construirii competitivității industriei europene prin îmbunătăţirea

potenţialului de a crea întreprinderi mici şi mijlocii (IMM-uri) a căror activitate se bazează pe

cercetare şi pe spiritul de întreprinzător. Aceste noi industrii, fondate pe cunoștințele

științifice, constituie o sursă de competitivitate industrială, inovație tehnologică, oportunități

de investiții și creare de locuri de muncă.

Implicații etice și sociale

19

Științele vieții și biotehnologiile se adresează problemelor legate de viața și moartea

organismelor vii. Dezvoltarea și aplicarea științelor vieții și biotehnologilor ridică probleme

fundamentale de etică privind atât existența omului pe această planetă, cât și definirea și

natura ființelor omenești în raport cu utilizarea cunoștințelor genetice. De asemenea, științele

vieții și biotehnologiile implică o multime de factori care au modelat patrimoniul cel mai

profund religios, etic şi cultural al umanităţii.

Mai mult, științele vieții și biotehnologiile au captat imediat atenția publicului larg şi au iscat

dezbateri serioase. Ar trebui inițiat un dialog deschis, aprofundat, bine structurat și

argumentat, pentru a oferi o informare mai bună și a promova înțelegerea reciprocă. Iată de

ce este foarte importantă promovarea informării și a dialogului pentru a ajuta publicul și pe

toți cei interesați să înțeleagă și să cântărească mai bine aceste probleme complexe și să

dezvolte metode şi criterii de apreciere atât a beneficiilor, cât și a dezavantajelor sau

riscurilor.

Autorităţile publice, operatorii economici şi comunitatea ştiinţifică trebuie să se străduiască

să comunice faptele relevante şi să faciliteze înţelegerea problemelor fundamentale într-un

context de cooperare internaţională.

UE este o comunitate construită pe principii de drept şi pe valorile comune fundamentale şi

pe drepturile omului, respectând în acelaşi timp diferenţele de valori etice și culturale și de

moralitate publică. Aceste aspecte sunt, de asemenea, reflectate de Carta Europeană a

Drepturilor Fundamentale. Respectarea aspectelor de natură etică şi pentru valorile culturale

şi etice este o parte integrantă a modului de acțiune al Uniunii Europene.

Principala contribuţie a Comisiei Europene a fost înfiinţarea Grupului european pentru etică

în ştiinţă şi tehnologii noi, sprijin pentru cercetare în bio-etică şi introducerea unor principii

etice şi de evaluare în domeniul cercetării. Acest organism a contribuit activ la clarificarea

dezbaterii publice, dialogul cu statele membre şi alte părţi interesate şi acordarea de

consultanţă specifică pentru a ghida procesul legislativ al UE. Cooperarea transfrontalieră în

domeniul cercetării în etică a iniţiat o reflectare fidelă asupra valorilor fundamentale, precum

şi rațiunea care stă la baza diversității de puncte de vedere din Europa, care să conducă la o

mai bună înţelegere reciprocă.

Rapoarte de progres și perspective

Pentru a face un bilanţ al progreselor înregistrate la intervale regulate în conformitate cu

această strategie, Comisia Europeană a adoptat trei rapoarte privind progresele înregistrate,

începând cu 2002. Aceste rapoarte trec în revistă nu doar progresele realizate, ci și

obstacolele întâlnite în unele zone. Sunt prezentate rezultatele obţinute în ceea ce priveşte

elaborarea şi aplicarea politicii pe teren şi sunt abordate problemele noi apărute. Acolo unde a

fost posibil, rapoartele fac referire și la domeniile acoperite de foaia de parcurs

20

Pentru revizuirea intermediară a strategiei curente (la reuniunea Consiliului European în

primăvara anului 2007), Comisia Europeană a realizat o evaluare aprofundată a progreselor

realizate începând cu 2002 şi a scos în evidență rolul global al ştiinţelor vieții și

biotehnologiilor în societatea Europeană. Aceste două iniţiative se bazează cu precădere pe:

consultarea publicului larg;

un studiu independent elaborat de Centrul Comun de Cercetare;

un raport asupra competitivității industriei europene şi de cercetare în domeniul

biotehnologiilor.

Se poate observa că succesul oricărei economii bazate pe cunoaștere constă în generarea,

diseminarea și aplicarea noilor cunoștințe. UE are un potenţial substanţial de cercetare în

domeniul biotehnologiilor. Societatea trebuie să beneficieze de avantajele aşteptate în ceea ce

priveşte creşterea economică şi crearea de locuri de muncă. Al cincilea (1998-2002) şi al

şaselea (2002-2006) program-cadru au înarmat cercetătorii, oamenii de afaceri, industriaşii şi

finantatorii cu instrumentele necesare. Ştiinţele vieții și biotehnologiile constituie, de

asemenea, o realitate la nivel mondial şi sunt vitale pentru generarea economiilor bazate pe

cunoaştere dinamică şi inovatoare.

Cu toate acestea, investiţiile europene în cercetare şi dezvoltare au rămas în urmă în

comparație cu Statele Unite. Comisia Europeana urmărește recucerirea rolului de lider în

domeniul știinţelor vieții și biotehnologiilor. Al şaselea program-cadru pentru cercetare

(2002-2006) și-a făcut din acest domeniu o prioritate, oferind o platformă solidă pentru

construirea unui spaţiu european de cercetare în colaborare cu statele membre.

Eficacitatea Științelor vieții și biotehnologiilor în Europa

În 2007, Comisia Europeană a subliniat eficacitatea strategiei privind științele vieții și

biotehnologiile, a cărei implementare dorește să o finalizeze, conform calendarului, până în

2011.

Principalele rezultate ieșite în evidență în ultimii ani (2002-2006) sunt:

integrarea regională a clusterelor;

inițierea unor planuri naționale de acțiune;

adoptarea unui nou cadru legislativ privind produsele alimentare modificate genetic.

21

Prin contrast, rezultatele în ceea ce priveşte promovarea şi dezvoltarea inovării în domeniul

biotehnologiei sunt mai puţin izbitoare. În acest sector, companiile mici și mijlocii (IMM-uri)

au încă de suferit din cauza lipsei unui cadru comunitar (referitor la proprietatea intelectuală),

nivelurilor scăzute ale investițiilor și a lipsei de cooperare între mediul academic și cel

financiar.

Comisia Europeană a identificat cinci domenii prioritare de acțiune strategică:

1. promovarea cercetării şi dezvoltării pieţei şi aplicaţiilor ştiinţei vieţii și

biotehnologiilor;

2. promovarea competitivităţii, transferului de cunoştinţe şi a inovaţiilor, de la baza

ştiinţifică la concretizarea lor în industrie;

3. încurajarea dezbaterilor asupra beneficiilor şi riscurilor privind științele vieții și

biotehnologiile;

4. îmbunătăţirea punerii în aplicare a legislaţiei şi optimizarea impactului acesteia asupra

competitivităţii;

5. asigurarea unei contribuţii durabile a biotehnologiilor moderne în domeniul

agriculturii

Politicile concurențiale

Biotehnologiile se concentrează pe rezolvarea unor probleme specifice. Comisia Europeană

acordă, de asemenea, o atenție deosebită construirii competitivității industriei europene prin

îmbunătăţirea potenţialului de a crea întreprinderi mici şi mijlocii (IMM-uri) a căror activitate

se bazează pe cercetare şi pe spiritul de întreprinzător. Aceste noi industrii, fondate pe

cunoștințe științifice, constituie o sursă de competitivitate industrială, inovație tehnologică,

oportunități de investiții și creare de locuri de muncă.

Directiva 98/44 privind protejarea legală a invențiilor din biotehnologie stabileşte un cadru

juridic solid în ceea ce priveşte criteriile pentru obţinerea unui brevet de invenţie în acest

domeniu. În plus, Regulamentul Comunitar privind Brevetarea propus va creşte

competitivitatea întreprinderilor din UE în asigurarea unei protecţii juridice solide eficientă și

accesibilă şi va contracara tendinţa actuală a companiilor din domeniul biotehnologiilor, care

preferă brevetarea în SUA.

Industria biotehnologică, UE și rolul Parlamentului European

22

Industria biotehnologică devine un sector important al Uniunii Europene datorită

potențialului său economic, social și de mediu. Este important ca țările Uniunii Europene să

coopereze unele cu altele, date fiind nevoile și provocările mari în acest domeniu.

Industria biotehnologică nu este direct reglementată de prevederile din Tratatul CE.

Dispoziţiile de politică industrială sunt folosite uneori ca un temei juridic în acest domeniu.

Datorită potenţialului mare din punct de vedere economic, social şi de mediu, această politică

ocupă un loc important printre politicile europene.

Tratatul nu conţine dispoziţii speciale dedicate biotehnologiilor. Articolul 157 prevede însă o

bază legală pentru o politică industrială a UE. UE poate întreprinde anumite acţiuni în

limitele cadrului multor politici sectoriale şi orizontale la diverse niveluri - internaţional, UE,

național şi local, cum ar fi politica de concurenţă (articolele 81-89), mandatul din 30 mai

1980, care împuterniceşte Comisia Europeana să înainteze propuneri privind politica

industrială (articolul 308) sau cea comercială, precum şi finalizarea pieţei interne (articolul

95).

Importanța acestui sector a fost deja reliefată de Decizia privind competitivitatea industriei şi

a întreprinderilor: program-cadru privind competitivitatea şi inovarea (PCI), 2007-2013, pe

baza propunerii de către Comisia Europeană, propunerea de decizie a Parlamentului

European şi al Consiliului de instituire a unui program-cadru privind competitivitatea şi

inovarea (2007-13).

Progresele înregistrate în sfera științelor vieții și biotehnologilori continuă într-un ritm alert.

Comisia Europeană a propus o strategie pentru Europa şi un plan de acţiune în Comunicarea

sa intitulată "Ştiinţele Vieții si biotehnologiile" (COM (2002) 27, care atrage atenţia asupra a

trei probleme majore:

— științele vieții și biotehnologiile oferă oportunităţi pentru a răspunde numeroaselor nevoi

de la nivel mondial privind sănătatea, îmbătrânirea populaţiei, produse alimentare şi de

mediu, precum şi dezvoltarea durabilă;

— sprijinul publicului larg este esenţial în abordarea preocupărilor privind impactul etic şi

social;

— revoluţia ştiinţifică şi tehnologică este o realitate mondială care creează noi oportunităţi şi

provocări pentru toate ţările lumii.

Obiectivul planului de acțiune este de a stabili un cadru de politici coerente destinat creării de

condiții favorabile dezvoltării biotehnologiilor în Europa și colaborării dintre statele membre

și persoane sau organizații private. Acțiunile pot fi de patru tipuri:

1. măsuri destinate sprijinirii cercetării, punerii la punct a unui sistem european

de proprietate intelectuală, etc.;

23

2. măsuri destinate inițierii unui dialog pe teme etice, juridice și privind

implicațiile sociale;

3. măsuri în domeniul cooperării internaționale, în special al cooperării cu țările

în curs de dezvoltare;

4. măsuri urmărind dezvoltarea unei politici europene privind biotehnologiilor.

Parlamentul European a adoptat de asemenea o rezoluție non-legislativă privind

biotehnologiile, abordând necesitatea de a consolida şi a extinde dezbaterea publică şi accesul

la informaţii obiective. Consumatorii trebuie să aibă posibilitatea de a pune întrebări

oamenilor de știință și de a primi răspunsuri de la aceștia. În privința cooperării

internaționale, Parlamentul a declarat că doar cu ajutorul biotehnologiilor nu se va rezolva

problema foametei în lume, fiind în prezent mai importante alte metode, de exemplu, o mai

buna distributie a produselor alimentare disponibile. Cu toate acestea, având în vedere

creşterea continuă a populaţiei pe pământ, ar putea fi necesară, de asemenea, utilizarea de

culturi modificate genetic pentru a produce alimente în cantităţi suficiente. În cazul în care o

ţară în curs de dezvoltare dorește să utilizeze biotehnologiile, UE şi statele membre ar trebui

să ofere sprijin, astfel încât acea țară să îşi poate consolida propriile capacităţi.

Experti biotehnologii, SC Stathis Pantazis (Grecia)

24

CONCEPTUL DE EPURARE BIOLOGICA

Prof.dr.ing. Cristina Costache1, Prof.dr.ing. Diana Robescu,

Prof.dr.ing. Dan Robescu

Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti, România 1cris_cos_ro@yahoo.com

Rezumat:

Lucrarea prezintă bazele teoretice ale epurării biologice aplicate apelor uzate. Se prezintă curba de

creştere bacteriană cu explicarea fiecărei faze, modul de nutriţie al bacteriilor, epurarea biologică in

condiţii aerobe şi ȋn condiţii anaerobe. In final se prezintă o clasificare a reactoarelor utilizate ȋn faza

secundară a unui flux de epurare ape uzate.

Cuvinte cheie: epurare biologică, bacterii heterotrofe, bacterii autotrofe, curba de creştere celulară, condiţii

aerobe, condiţii anaerobe

Introducere

Epurarea apelor se defineşte ca fiind ansamblul de operaţii fizice, chimice şi biologice care se aplică

apelor uzate pentru a reduce concentraţia în substanţe organice, anorganice şi nutrienţi şi a obţine o apă care

poate fi evacuată ȋn mediul ȋnconjurător ȋn condiţii de siguranţă.

O staţie de epurare a apelor uzate cuprinde o serie de faze după cum urmează:

fază de preepurare care are drept scop reţinerea poluanţilor la sursă. De obicei se aplică apelor uzate

provenite din industrie sau din domeniul medical.

fază de epurare preliminară cu scopul reţinerii materialelor de dimensiuni mari, mărunţirii lor şi

protecţiei echipamentelor din staţie. Operaţiile se realizează pe grătare, site, desnisipatoare,

dezintagratoare (tocătoare).

faza de epurare primară cuprinde îndepărtarea materialelor solide în suspensie, sedimentabile sau

flotabile. Operaţiile se realizează prin sedimentare în decantoare primare. faza de epurare secundară sau treapta biologică are drept scop distrugerea sau conversia compuşilor

organici (ca CBO5 ) şi a unui procent redus de nutrienţi (10%). Tratamentul biologic se efectuează în

bazine cu nămol activ, biofiltre, biodiscuri, lagune aerate.

faza de epurare terţiară sau avansată cuprinde îndepărtarea compuşilor pe bază de azot şi fosfor

care sunt cauza eutrofizării receptorilor naturali ȋn care se evacuează apele uzatefaza de dezinfecţie

are rolul de a îndepărta agenţii patogeni nociv pentru om şi celelalte vieţuitoare. epurare specială cu scopul de a îndepărta compuşii toxici utilizând tehnici specifice cum sunt

schimbul ionic, adsorbţia pe căbune activ, extracţia. (Robescu D. şi alţii, 1999).

Faza de epurare preliminară şi cea de epurare primară constituie treapta de epurare mecanică a apelor.

Epurarea biologică prezintă avantajele eliminării compuşilor solubili organici din apă fără consum de

reactivi şi fără un consum mare de energie.

Principii generale ale epurării biologice

Tratamentul biologic se aplică în cazul în care substanţele organice prezente în apele uzate sunt

degradabile şi nu sunt însoţite de substanţe toxice. Bacteriile folosesc enzimele pentru a obţine hrana sub formă

de hidrocarburi. In procesul de conversie a hidrocarburilor ȋn hrană pentru bacterii, enzimele degradează

hidrocarburile ȋn condiţii aerobe (in prezenţa oxigenului) la dioxid de carbon (CO2 ) şi apă sau ȋn condiţii

25

anaerobe (ȋn absenţa oxigenului sau a oxigenului ȋn combinaţii chimice) prin intermediul ciclului Krebb’s la

dioxid de carbon (CO2), hidrogen sulfurat (H2S), metan (CH4) şi apă.

Pentru exemplificare se prezintă reacţiile de degradare a glucozei ȋn cele două situaţii:

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 680kcal (condiţii aerobe) (1)

C6H12O62CO2 + 2C2H5OH + 22kcal (condiţii anaerobe, fermentaţie) (2)

Se constată că ȋn primul caz se eliberează o cantitate mare de energie necesară activităţii celulare pentru

formarea noilor structuri celulare, iar ȋn cazul al doilea o cantitate mai redusă de energie.

Descompunerea compuşilor organici ȋn condiţii aerobe sau anaerobe poate fi considerat un mod de

convertire a poluanţilor organici ȋn compuşi nepoluanţi.

Bacteriile care intervin ȋn epurarea biologică sunt, ȋn funcţie de modul lor de hrănire: bacterii heterotrofe

şi bacterii autotrofe. Cele dintâi descompun substanţele organice şi substanţele anorganice cu azot în lipsa

oxigenului molecular, pot să reducă nitraţii la nitriţi, NH3 sau N2 şi reduc sulfaţii la H2S. Bacteriile autrofe obţin

energia necesară ȋn etapa de asimilaţie prin fotosinteză sau chemosinteză din substanţe anorganice. Astfel

sulfobacteriile oxidează H2S la S sau SO4-, bacteriile nitrifiante oxidează NH3 la NO2 şi NO2

- la NO3

-.

Bacteriile au nevoie de anumite condiţii de mediu pentru a se ȋnmulţi ceea ce se petrece prin

multiplicare ȋn timpul creşterii bacteriene. In condiţii aerobe creşterea bacteriană necesită hrană (substrat),

oxigen, azot, fosfor şi conduce la eliberarea de energie şi de dioxid de carbon, iar ȋn condiţii anaerobe evoluează

după ciclul Krebb’s. Bacteriile necesită de asemenea condiţii de temperatură şi de pH şi un mediu lipsit de

substanţe toxice. In caz contrar celulele pot să moară. Când condiţiile sunt ȋndeplinite, creşterea bacteriană

decurge după curba prezentată ȋn figura 1.

In faza de lag (acomodare), are loc adaptarea celulelor şi sintetizarea enzimelor necesare metabolizării

substratului (substanţa asupra careia acţionează o enzimă în timpul unei reacţii biochimice. Substratul poate să

furnizeze substanţe nutritive organismului

respectiv sau este folosit numai ca suport. Această fază este importantă când apa nu este însămânţată în prealabil

cu germeni adaptaţi cum este cazul unor deşeuri industriale.

Fig 1. Curba de creştere bacteriană: 1-faza de lag; 2-faza de creştere exponenţială; 3-faza de încetinire; 4-faza

staţionară; 5-faza de declin.

Celulele îşi adaptează echipamentul enzimatic la mediul în care se dezvoltă. Lungimea acestei faze

depinde de durata unei generaţii, de specia bacteriană, de cantitatea de inocul şi de faza de multiplicare a culturii

folosită pentru însămânţare şi nu în ultimul rând de mediul în care a fost crescută. La schimbarea mediului, faza

1

2

3

5

nu

măr d

e celule

timp

26

de lag durează mai mult pentru ca ȋn noul mediu să apară noile enzime induse. Uneori selectarea celulelor care

au posibilităţi enzimatice de supravieţuire se face genetic şi faza de lag poate dura un timp îndelungat. In

procesul epurării, faza de lag trebuie să aibă o durată foarte mică, de aceea este preferabil ca însămânţarea

instalaţiei să se facă cu o cantitate suficientă de biomasă deja adaptată la substanţele organice existente. In

timpul fazei de lag nu există reproducţie celulară.

Dacă X este concentraţia celularǎ la t=0, viteza de creştere este nulă dX/dt=0.

Faza de creştere exponenţială se caracterizează prin multiplicarea celulelor cu viteză constantă, timpul

de obţinere a unei generaţii având valoarea minimă care poate fi obţinută în condiţiile date. Nivelul reproducerii

celulare atinge maximul şi rămâne constant în prezenţa unei concentraţii nelimitate de substrat. In această fază,

celulele sunt mai sensibile la condiţii nefavorabile decât în faza de lag. La culturi statice, faza de creştere

exponenţială nu este lungă, deoarece atât concentraţia substantelor nutritive cât şi a produselor de dezasimilare

sunt factori limitativi. Pentru multiplicarea celulară poate fi utilizată orice concentraţie a unui substrat utilizabil,

mărirea multiplicării depinde însă de concentraţia acestuia. In cazul mediilor nutritive complexe fiecare

component al mediului, poate fi factor limitativ numai pentru anumite specii de microorganisme.

In timpul acestei faze, viteza de creştere, dX/dt variază proporţional cu X (alură exponenţială). In

coordonate semilogaritmice curba are alura unei drepte:

m=X

1•

dt

dX

(3) Unde m este nivelul maxim de creştere.

Faza de încetinire se caracterizează prin scăderea vitezei de creştere a elementelor nutritive din soluţie

sub o anumită valoare, iar la un moment dat viteza de creştere a noilor celule devine egală cu viteza de

dispariţie. In această fază se epuizează mediul de cultură datorită dispariţiei unuia sau mai multor elemente

necesare creşterii bacteriene . Uneori faza de încetinire poate să se producă datorită acumulării produşilor de

inhibiţie proveniţi din metabolismul bacterian.

Faza staţionară este datorită acumulării de materiale. X atinge valoarea sa maximă şi creşterea se

opreşte chiar dacă celulele mai prezintă activitate metabolică.

Faza de declin (descreştere) se caracterizează prin creşterea la maxim a vitezei de dispariţie a celulelor

vii, înregistrându-se o scădere exponenţială. Concentraţia celulelor vii scade datorită mortalităţii care creşte de

asemenea. Mortalitatea se datoreşte autolizei enzimatice a celulor. Fazele şi ecuaţiile prezentate care caracterizează creşterea bacteriană sunt valabile atât în mediu aerob

cât anaerob.

In timpul creşterii bacteriile se divid şi cresc exponenţial până când factorii de mediu se consumă. Dacă

bacteriile găsesc hrană suficientă, se ȋnmulţesc până la consumarea acesteia după care urmează faza de

descreştere şi ȋn final rămâne un solid nebiodegradabil. In fig.2 se prezintă schema de principiu a nutriţiei

bacteriene unde se observă modul ȋn care decurge degradarea compuşilor prezenţi ȋn apele uzate şi care sunt

utilizaţi de bacterii ȋn procesul de creştere. Totalitatea acestor compuşi formează substratul solubil sau insolubil.

In interiorul unei celule bacteriene ajung moleculele organice care provin de la hidroliza substratului şi

sunt utilizate la obţinerea de energie şi la construirea de noi celule. Transferul de poluanţi din apa uzată spre

biomasă are loc la interfaţă cu viteză mare şi este eficient când interfaţa apa uzata-biomasă este mare, când

concentraţia de compuşi organici care pot fi utilizaţi de către bacterii în procesul de creştere este mare şi când la

interfaţă nu se formează pelicule lichide care să blocheze transferul de substanţe sau să permită acumularea de

substanţe toxice.

27

Fig.2 Schema de principiu a nutriţiei bacteriene (Edeline, 1979)

Epurare biologică ȋn condiţii aerobe

Intr-un mediu favorabil (substrat, temperatura, pH, O2) bacteriile se multiplică şi mor după curba de

creştere prezentată ȋn fig.1. In timpul creşterii bacteriene apar noi bacterii, se produce CO2 şi apă. Producerea de

bacterii se numeşte sinteză, iar producerea de CO2 şi apă se numeşte oxidare:

- reacţia de sinteză (ȋn prezenţa celulelor):

compuşi organici (hrană) + O2+ N + P→celule noi + CO2 + H2O + resturi nebiodegradabile

- reacţia de oxidare (ȋn prezenţa compuşilor organici):

celule + O2 → CO2 + H2O + N + P + resturi nebiodegradabile

In reacţia de sinteză compuşii organici ȋn prezenţa O2 şi a nutrienţilor anorganici (N, P) şi cu bacteriile

prezente sunt convertiţi ȋn celule noi, CO2, H2O, resturi nebiodegradabile. Nutrienţii anorganici sunt ȋn principal

N, P şi C şi urme de fier (Fe), mangan (Mn), potasiu (K), şi aluminiu (Al). O celulă bacteriană tipică are formula

C25H35N5O10P (Eckenfelder, 1970) şi conform formulei rezultă că ea conţine 11,7% N şi 5,2% P.

In urma oxidării rezultă conversia compuşilor organici rămaşi ȋn apele uzate şi a celulelor produse ȋn

reacţia de sinteză ȋn CO2 şi H2O. In aplicarea tratamentului biologic respectiv sinteză şi oxidare, se impune

alegerea ȋntre un timp de retenţie scurt pentru a produce şi a sedimenta o cantitate mai mare de solide sau un

timp de retenţie mai lung pentru a obţine o cantitate mai redusă de solide şi a ȋnlocui conversia substanţelor

organice de la sinteză cu transformarea lor la oxidare.

Fig.3 Schema de epurare cu nămol activ (NR-nămol recirculat, NE-nămol excedentar, A-amestecător, D-

decantor, E-efluent, I-influent)

E

NE

A D I

NR

28

Schema clasică aplicată la epurarea ȋn condiţii aerobe (fig. 3) cuprinde un amestecător ȋn care se pun ȋn

contact apa uzată de la decantorul primar (influent) şi care conţine substratul şi nămolul biologic (cultura de

microorganisme), un decantor secundar. Nămolul biologic separat la decantorul secundar se recirculă parţial la

amestecător şi parţial ȋnainte de decantorul primar.

Epurare biologică ȋn condiţii anaerobe

Prelucrarea apelor uzate ȋn condiţii anaerobe utilizează microorganisme active ȋn lipsa oxigenului pentru

degradarea compuşilor organici, utilă pentru a stabiliza nămolurile biologice ȋnainte de a fi deshidratate sau

ȋnainte de a fi depozitate şi pentru a prelucra ape uzate industriale. Componenţii substratului sunt descompuşi ȋn

prezenţa bacteriilor ȋn următoarele trei faze: (fig.4)

a) hidroliza substanţelor organice cu greutate moleculară mare şi trecerea acestora la compuşi cu greutate

moleculară mai redusă şi potrivită pentru degradarea ulterioară;

a. acidogeneza când are loc conversia compuşilor cu greutate moleculară mică la acizi

carboxilici (acid acetic, propionic, butiric şi pentanoic);

b. metanogeneza când bacteriile metanogene degradează acizii carboxilici ȋn metan şi CO2.

29

Fig.4. Procesele de degradare la fermentaţie metanogenă (Edeline, 1979)

Concluzii

Epurarea biologică se bazează pe activitatea unor microorganisme şi prezintă avantajul că nu necesită

consum de energie şi nu se consumă reactivi. Se desfăşoară ȋn reactoare biologice care operează ȋn regim aerob

sau anaerob, ȋn reactoare denitrifiante şi nitrifiante şi ȋn iazuri de stabilizare, pe filtre lente de nisip.

Bibliografie

1. F.Edeline, L’epuration biologique des eaux residuaires. Teorie et technologie, ed. CEBEDOC, Liege,

1979.

2. E.Roberts Alley, P.E. Water Quality Control Handbook, McGraw-Hill, Inc, 2000

3. Sigmund C., Teoria e practica della depurazione delle acque reflue, Dario Flaccovio Editore, 2005.

4. Ianculescu O., Ionescu Gh., Racoviţanu Raluca, Epurarea apelor uzate, MATRIX ROM, 2005.

5. Robescu D, Robescu Diana Procedee, instalaţii şi echipamente pentru epurarea avansată a apelor

uzate, Ed. Bren, 1999.

6. Boari G., Mancini I.M., Trulli E., Technologies for water and wastewater treatment, Options

Méditerranéenes, Ser A/nr.31, 1997, Seminaires méditerranéens

materii organice

complexe

acetat H2+CO2

CH4+CO2

hidrogenare acetogena

decarboxilare reducerea CO2

hidroliza şi

fermentatie

acizi graşi

dehidrogenare

acetogenă

30

BIOTEHNOLOGIILE - O SOLUŢIE EFICIENTĂ PENTRU EPURAREA

APELOR UZATE

Prof.dr.ing. Lăcrămioara Diana Robescu1, Prof.dr.ing.Dan Niculae Robescu,

Prof.dr.ing. Cristina Costache Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti

1 diarobescu@yahoo.com

Rezumat

Aplicaţiile biotehnologiilor în epurarea apelor uzate constau în utilizarea microorganismelor pentru

îndepărtarea diferiţilor poluanţi. Epurarea biologică este una dintre metodele cele mai eficiente de îndepărtare a

poluanţior organici biodegradabili din apele uzate şi de stabilizare nămolurilor rezultate. În acest domeniu au

fost realizate numeroase cercetări care au condus la apariţia de noi tehnologii şi la descoperirea de căi de

îndepărtare pe cale biologică a compuşilor toxici sau refractari, rezultaţi în special din activităţile industriale.

Lucrarea prezintă pe scurt procesele biologice cele mai utilizate şi impactul descoperirilor din biotehnologie în

domeniu.

Cuvinte-cheie Biotehnologie, proces biologic, microorganisme, compuşi organici

Introducere Omul plăteşte un preţ mare mediului odată cu dezvoltarea tehnologiilor care i-au adus beneficii imense.

Poluarea poate fi văzută sau simţită peste tot. Un rol major în îmbunătăţirea calităţii apei, aerului şi solului îl au

ştiinţa şi cercetarea, pornind de la alternativele pe care natura le oferă pentru îndepărtarea poluanţilor, prin

utilizarea microorganismelor şi a plantelor.

Dacă în trecut canalizarea şi epurarea aveau ca scop doar sănătatea populaţiei, odată cu creşterea

îngrijorării privind calitatea mediului au fost impuse restricţii severe pentru evacuarea apelor uzate astfel încât

apele receptoare să fie protejate.

Epurarea biologică, reclasificată în ultimii ani ca biotehnologie, este una dintre metodele cele mai

eficiente de îndepărtare a poluanţior organici biodegradabili din apele uzate şi de stabilizare nămolurilor

rezultate. Procedeele biologice de epurare utilizează activitatea metabolică a unor grupe de microorganisme

capabile să degradeze substanţele organice până la dioxid de carbon şi apă. Degradarea materiei organice se

realizează prin utilizarea ei ca hrană pentru microorganisme, iar diversitatea microorganismelor care au

capacitatea de a descompune poluanţii este foarte mare.

31

Au fost realizate numeroase cercetări în domeniul microbiologiei proceselor biologice în scopul

cunoaşterii şi înţelegerii mecanismelor acestora, a microorganismelor implicate şi a rolului acestora în proces.

Astfel, sunt cunoscute în prezent o multitudine de microorganisme care determină funcţionarea

necorespunzătoare a bioreactoarelor. Au fost descoperite însă şi microorganisme care au condus la realizarea de

noi tehnologii de epurare, precum şi microorganisme care pot îndepărta poluanţii xenobiotici.

Biotehnologii utilizate în epurarea apelor Poluanţii principali din apele uzate sunt suspensii solide, compuşi organici biodegradabili, compuşi

organici volatili, compuşi xenobiotici recalcitranţi, metale toxice, nutrienţi, agenţi patogeni şi paraziţi.

Epurarea clasică a apelor uzate are ca obiectiv îndepărtarea suspensiilor solide şi materiilor organice,

precum şi agenţi patogeni şi paraziţi. În ultimul timp însă, datorită restricţiilor impuse pentru protejarea

mediului, se fac eforturi şi pentru îndepărtarea nutrienţilor, mirosurilor, compuşilor organici volatili, metalelor şi

substanţelor toxice.

Lucarea de faţă se referă la epurarea biologică clasică, utilizată pe fluxul apei uzate pentru îndepărtarea

substanţelor poluante organice nesedimentabile (dizolvate sau coloidale), iar în tehnologiile de tratarea

nămolurilor rezultate din epurare, pentru stabilizarea materiilor organice din nămoluri. Epurarea biologică este

un proces flexibil care se poate adapta uşor la o multitudine de ape uzate, concentraţii şi compoziţii. De obicei,

procesele biologice sunt precedate de o treaptă fizică de epurare care are rolul de a reţine substanţele

sedimentabile, sunt urmate de o decantare secundară – procese fizice – destinată reţinerii produşilor rezultaţi din

epurarea biologică şi de o treaptă de dezinfecţie înainte de deversarea apei epurate în emisar.

Comunitatea microbiologică din epurarea apelor uzate este complexă. Principalele responsabile de

epurarea biologică sunt bacteriile, dar un rol important îl au şi fungii, algele, protozoarele şi organisme

superioare. Pentru a fi active microorganismele au nevoie de sursă de carbon şi energie.

Factorii care influenţează procesul biologic sunt: timpul de contact sau timpul de traversare a obiectului

tehnologic în care se desfăşoară procesul biologic, temperatura, pH-ul, oxigenul, încărcarea obiectului

tehnologic cu ape uzate (diluţie), cu nămol, nutrienţi, prezenţa inhibitorilor de proces, condiţiile hidrodinamice

ale procesului – omogenizare şi amestecare. Epurarea biologică se desfăşoară corepunzător într-o gamă destul

de restrânsă a parametrilor: pH= 6-10, încărcare organică 4:1, grăsimi şi uleiuri 50 mg/l, poluanţi inhibitori

10 mg/l. De asemenea, apele uzate pot fi tratate biologic dacă există suficiente substanţe nutritive (azot şi

fosfor), adică un raport C:N:P = 10:5:1. De obicei apele uzate menajere satisfac acest lucru. Pentru buna

funcţionare a procesului microbian sunt necesari şi ioni anorganici cum ar fi de Na, Ca, Mg, K, Fe, Cu, Co, Mo.

Procedeele biologice de epurare se desfăşoară în condiţii naturale (lagune, iazuri biologice, fermentare

aerobă), condiţii naturale forţate (lagune aerate) sau în regim artificial.

Din punct de vedere al organizării microorganismelor procesele biologice pot fi cu microorganisme în

suspensie, cu film biologic (biofilm) şi hibride.

Procesele biologice aerobe pentru îndepărtarea încărcării organice necesită un timp suficient de contact

între apa uzată şi microorganisme, precum şi existenţa unei cantităţi suficiente de nutrienţi şi oxigen.

Dintre procesele cu suspensii aerobe cel mai utilizat este cel cu nămol activ, în care microorganismele

în suspensie sunt puse în contact cu apa uzată într-un reactor biologic şi menţinute în suspensie prin amestecare

continuă şi aerare. Procesul cu nămol activ pote fi cu amestecare completă, cu curgere de tip piston sau cu

funcţionare secvenţială. Procesul de epurare biologică cu nămol activ se poate desfăşura în mai multe moduri,

după diverse scheme, care diferă prin modul în care apa uzată vine în contact cu nămolul activ, modelul de

curgere, cantitatea de nămol care rezultă, încărcarea specifică a nămolului activ, modelul de creştere biologică a

microorganismelor etc. De obicei, procesul cu nămol activ este precedat de decantare primară, pentru

îndepărtarea suspensiilor solide sedimentabile. Totuşi, pentru epurarea apelor uzate de la comunităţi mici nu se

utilizeză decantarea primară, utilizându-se diferite modificări ale procesului convenţional cu nămol activ, cum ar

fi procesul secvenţial, şanţurile de oxidare, lagunele aerate sau iazurile de stabilizare. Excesul de biomasă este

separată gravitaţional sau mai recent cu membrane, asigurându-se în acest fel o operare corespunzătoare a

32

procesului. Cele mai întâlnite probleme operaţionale în procesul cu nămol activ sunt flotaţia, spumarea şi

umflarea nămolului. În această direcţie cercetările din microbiologie au permis identificarea microorganismelor

responsabile de aceste fenomene astfel încât se pot lua măsuri pentru remedierea lor.

În condiţii de umflare a nămolului flocoanele nu se compactează şi nu se sedimentează, regăsindu-se în

efluent. Au fost identificate două cauze ale umflării nămolului: bacteriile filamentoase şi cantitatea excesivă de

biopolimeri extracelulari care produc nămol cu consistenţă gelatinoasă. Cea mai întâlnită este umflarea

filamentoasă, care apare datorită caracteristicilor apei uzate, proiectării greşite sau condiţiilor operaţionale. La

apariţia acestui fenomen ar trebui să se verifice în primul rând microscopic nămolul, apoi caracterul apei uzate,

conţinutul de oxigen dizolvat, încărcarea procesului, debitul de nămol recirculat şi debitul nămolului în exces,

operarea decantorului secundar. La apele uzate industriale trebuie verificat şi conţinutul de nutrienţi. În situaţii

de urgenţă se poate folosi clorul sau peroxidul de hidrogen.

Flotaţia nămolului se datorează cel mai des apariţiei denitrificării. Flotaţia nămolului poate fi deosebită

de umflare datorită bulelor de gaz ataşate nămolului plutitor şi datorită prezenţei mai multor zone cu nămol

plutitor pe suprafaţa decantorului secundar. De obicei apare dacă timpul de retenţie a suspensiilor este scurt.

Pentru îndepărtarea fenomenului se poate creşte debitul de nămol extras din decantorul secundar, se poate

reduce debitul de amestec aerat care intră în decantor sau se poate mări viteza de îndepărtare a nămolului.

În ceea ce priveşte spumarea, au fost identificate două bacterii care sunt responsabile de apariţia acestui

fenomen, datorită suprafeţelor celulare hidrofobe.

Aceste fenomene au condus la noi concepte în ceea ce priveşte configuraţia bazinelor, şi anume

utilizarea selectoarelor. Selectorul este un bazin mic sau o serie de bazine, cu timp scurt de contact (20..60 min)

în care apa uzată intră în contact cu nămolul recirculat în condiţii aerobe, anoxice şi anaerobe. Astfel, se

favorizează creşterea bacteriilor care formează flocoane în locul celor filamentoase.

În ultimul timp procesul cu nămol activ a fost adaptat astfel încât pe lângă îndepărtarea materiilor

organice se realizează şi îndepărtarea azotului şi fosforului.

Dintre procesele aerobe cu film biologic cel mai utilizat este filtrul biologic. În procesele cu biofilm

apa uzată curge peste un suport inert pe care se fixează biofilmul. Filmul biologic este pus alternativ în contact

cu oxigenul din aerul atmosferic şi cu apa uzată supusă procesului de epurare. Între procesul de epurare cu

nămol activ şi cel din filmul biologic sunt deosebiri structurale. În procesul cu nămol activ floconul este unitatea

structurală de bază care conţine toate speciile comunităţii din lanţul trofic necesare mineralizării substanţelor

organice; în procesul cu film biologic speciile sunt organizate în lungul tehnologiei de epurare, în sensul

reacţiilor succesive de degradare a materiei organice, astfel că apa uzată, pe măsura descompunerii substanţelor

organice, în fiecare etapă a desfăşurării fenomenului biochimic întâlneşte bacteriile următoare din lanţul trofic.

Principalele avantaje faţă de procesul cu nămol activ sunt economia de energie, exploatare simplă, nămol cu

proprietăţi mai bune de sedimentare, rezistenţa mai bună la şocuri de încărcare. Dintre dezavantaje se

menţioneză obţinerea unui efluent de calitate mai scăzută, având un randament de circa 80%, fiind uneori

nevoie, de exemplu, de completarea cu un proces cu nămol activ, sensibilitate la temperaturi scăzute, emanarea

de mirosuri neplăcute, favorizarea apariţiei insectelor şi rozătoarelor. Biofiltrul este un bazin de beton de

secţiune rotundă sau pătrată, cu înălţimea de 4...12 m, în care se află un strat de umplutură din roci sau mai nou

din materiale plastice care cresc capacitatea de epurare datorită suprafeţei specifice mari pe care se formează

biofilmul. De asemenea, biofiltrul conţine sistemul de distribuţie a apei uzate, sistemul de drenaj şi colectare a

apei epurate, precum şi sistemul de ventilare, dacă nu se face ventilaţie naturală. Decantarea primară, sau o altă

metodă de reţinere a suspensiilor solide, este obligatorie pentru a evita înfundarea filtrului. Biofiltrele pot fi de

mică, medie şi mare încărcare, în funcţie de încărcarea hidraulică şi organică. Cercetările recente au demonstrat

faptul că viteza şi intensitatea de împrăştiere a apei pe suprafaţa biofiltrului, precum şi ventilaţia forţată asigură

eficienţa maximă, controlul organismelor dăunătoare, reducerea mirosurilor şi elimină stocarea excesivă a

solidelor în filtru.

Pentru a profita de avantajele proceselor anterioare - procesele cu film biologic, rezistente la şocuri de

încărcare, eficiente energetic şi care necesită întreţinere scăzută şi procesele cu procesele cu suspensii, cu

33

eficienţă mare de epurare şi capacitate de funcţionare în diverse moduri - au fost dezvoltate procesele combinate

sau duale. Aceste sisteme formează un proces unitar în două trepte cu eficienţă de epurare care, de obicei,

depăşeşte eficienţele sistemelor de bază. În funcţie de procesele de bază, cu biofilm şi cu nămol activ, încărcarea

proceselor şi punctul în care se face reintroducerea suspensiilor solide recirculate în curentul principal, există o

serie de combinaţii posibile ale proceselor duale: biofiltru de mică încărcare activat, biofiltru de medie

încărcare– bazin de contact pentru solide, biofiltru de mare încărcare – nămol activ, biofiltru de mică încărcare –

nămol activ, biodiscuri activate s.a.

Există o serie de procese inovative care utilizează medii submerse de fixare a biofilmului, împărţite în

două categorii.

a) procese în care elementele pe care se fixează biofilmul sunt submerse într-un amestec de apă uzată şi

nămol activ recirculat din decantorul secundar; aceste elemente pot fi plutitoare (procesele Captor, KMT,

Linpor-C, Kaldnes) sau fixe (procesele Ringlace, biodiscuri submerse, Biomatrix, Bio2-Sludge);

În aceste procese biofilmul joacă sau nu rolul dominat în epurarea biologică în funcţie de proiectarea

sistemului.

b) procese în care elementele pe care se fixează biofilmul reprezintă mecanismul principal de epurare;

apa poate fi recirculată, dar nămolul sedimentat nu; aceste procese pot fi plutitoare (Biostyr), cu pat granular (cu

curgere descendentă - BioCarbone, cu curgere ascendentă - Biofor) sau cu pat fluidizat şi curgere ascendentă

(Oxitron, Biolift).

Epurarea anaerobă se foloseşte pentru tratarea nămolului rezultat din staţia de epurare, mai puţin

cunoscută fiind aplicarea procedeului în epurarea apei. Epurarea anaerobă a apelor uzate nu înseamnă acelaşi

lucru cu tratarea anaerobă a nămolurilor, deoarece cea mai mare parte a materiilor organice din apa uzată sunt

dizolvate. Pentru a fi îndepărtate din apa uzată trebuie să se asigure un timp suficient de contact între substanţele

organice şi microorganismele anaerobe, astfel că în epurarea anaerobă a apelor uzate există o mare diferenţă

între timpul hidraulic de retenţie şi vârsta nămolului.

Epurarea anaerobă este utilizată pe cale largă la îndepărtarea materiilor organice din apele uzate

rezultate din anumite industrii (alimentară: producerea băuturilor alcoolice, a berii, a uleiului etc.; industria

celulozei şi hârtiei, petrochimică). Epurarea anaerobă are costuri de operare reduse şi are avantajul producerii de

biogaz., dar necesită un timp lung de amorsare, poate necesita corecţia alcalinităţii, vitezele de reacţie sunt mult

mai sensibile la temperaturi joase şi poate produce miroauri sau gaze corozive. Ea este recomandată pentru

încărcări organice peste 2000 - 3000 mgCBO5/l, la care epurarea aerobă ar duce la costuri energetice foarte

ridicate. Prin epurare anaerobă se îndepărtează o mare parte din substanţele organice (80…90% eficienţă pentru

îndepărtarea CBO5), dar aproape deloc nutrienţii. De aceea, dacă apa epurată este deversată într-un curs natural,

ea trebuie epurată într-o treaptă secundară aerobă.

Fermentarea anaerobă conduce la descompunerea substanţelor organice în cadrul metabolismului

celular al bacteriilor anaerobe. Această fermentare produce biogaz, care, în medie, are următoarea compoziţie:

65% metan, 25% dioxid de carbon, 2,2 % hidrogen, 2 % azot, 0,5 % hidrogen sulfurat şi circa 0,2 % diferite

particule antrenate de gazele care se degajă. Puterea calorică inferioară a biogazului este cuprinsă între 17 … 25

MJ/m3, dependent de cantitatea şi calitatea materiilor organice din masa de apă. Aproximativ 70% … 90% din

materia organică conţinută de apele uzate este transformată în biogaz prin fermentarea anaerobă.

Procesele anaerobe de epurarea a apelor uzate pot fi cu suspensii, cu biofilm cu curgere ascendentă sau

descendentă, cu strat fluidizat, cu curgere ascendentă şi strat de nămol anaerob, lagune anaerobe şi procese

anaerobe de separare cu membrane.

În comparaţie cu apele uzate menajere, apele din agricultură şi industria alimentară sunt bogate în

substanţe organice, substanţe nutritive şi biodegradabile. Industria chimică şi cea producătoare de pesticide

deversează ape cu conţinut organic scăzut, însă cu diverse substanţe chimice toxice şi concentraţii inhibitoare de

săruri şi metale. Apele uzate din metalurgie şi industria minieră conţin în principal poluanţi anorganici.

Rafinăriile şi industria petrochimică deversează în principal hidrocarburi care nu sunt uşor de utilizat de către

microorganisme ca sursă de carbon, au un conţinut redus de substanţe nutritive şi conţin solvenţi toxici. Apele

34

deversate din industria de celuloză şi hârtie, de bere, de băuturi alcoolice conţin substanţe organice degradabile,

dar industria de vopsele deversează o serie de substanţe chimice inhibitoare.

Pentru apele uzate industriale trebuie făcute studii de laborator privind tratabilitatea şi

biodegradabilitatea biologică.

Biodegradabilitatea se defineşte prin calitatea unei substanţe organice de a fi degradată prin mijloace

biologice într-un anumit interval de timp. Apele uzate uşor biodegradabile sunt caracterizate prin rapoarte mici

CBO5/CCOCr. Biodegradarea reprezintă procesul prin care o substanţă organică este total eliminată datorită

activităţii metabolice a unei culturi de microorganisme sau îşi pierde, în măsura convenţional stabilită,

proprietăţile nocive. Anumiţi compuşi organici sunt greu biodegradabili sau chiar refractari la activitatea

biochimică, în timp ce alte substanţe pot fi toxice pentru bacterii.

În apele uzate apar multe tipuri de substanţe organice cu diferite caracteristici de biodegradabilitate

care, evident, în mediul polifazic pot influenţa proprietăţile amestecului. În unele cazuri substanţele uşor

biodegradabile pot favoriza şi accelera degradarea celor mai greu biodegradabile, iar în altele celulele

descompun pe cele uşoare, cele grele trec nealterate sau chiar se generează o inhibiţie de substrat.

Tratabilitatea biologică a apei uzate se poate defini prin capacitatea materiei organice de a fi degradată

în corelaţie cu capabilitatea biomasei de a reuşi descompunerea acesteia în timpul afectat procesului. Acest

termen presupune stabilirea condiţiilor fizico-chimice, biodegradabilitatea substanţelor organice, capacitatea

genetică a microorganismelor de a degrada materia organică, timpul de operare, creşterea biomasei ca urmare a

proceselor de asimilare.

Poluanţii industriali pot avea diferite efecte asupra microorganismelor în funcţie de natura şi

concentraţia lor.

Metalele grele cum ar fi Cd, Cr, Cu, Hg, Zn, Ni, Pb etc.sunt prezene de obicei în efluenţii industriali şi

inhibă procesul biologic. Dintre solvenţii organici, compuşii organici cloruraţi şi alcoolii sunt toxici pentru

procesul biologic. De asemenea, fenolii, pesticidele şi surfactanţii.

Majoritatea compuşilor organici din apele uzate menajere şi unele ape industriale pot fi de gradaţi de

microorganismele obişnuite din procesele aerobe sau anaerobe. Pe lângă aceştia există un număr mare de

compuşi organici sintetici, numiţi compuşi xenobiotici, rezistenţi la biodegradare şi cu potenţial toxic asupra

mediului şi sănătăţii. Compuşii organici care sunt dificil de îndepărtat prin procedeele clasice biologice se

numesc compuşi refractari. Există şi alte substanţe, naturale, cum sunt cele din produsele petroliere, care de

asemenea pun probleme epurării biologice.

Datorită cercetărilor din biotehnologie majoritatea compuşilor organici pot fi degradaţi pe cale

biologică. Astfel, au fost studiate bacterii capabile să degradeze bifenolii policloruraţi (PCB), bacterii care

consumă dioxina, microorganisme obţinute prin inginerie genetică capabile să degradeze 2,4,5 –T (acid acetic

triclorofenoxic), microorganisme de tip Pseudomonas care folosesc 2,4 – D (acid acetic diclorofenoxic) ca sursă

de carbon, microorganisme care conţin gene purtătoare de plasmide utilizate pentru degradarea compuşilor

aromatici (toluen, xilen, derivaţi ai clorului), au fost create şi comercializate bacterii mutante pentru degradarea

diferitelor hidrocarburi şi substanţe chimice organice (benzen, fenoli, naftaline, amine, alcooli, detergenţi

sintetici, petrol crud sau procesat), bacterii care descompun grăsimile au fost utilizate pentru curăţirea sistemelor

de canalizare. Multe organisme permit concentrarea, acumularea sau precipitarea metalelor permiţând astfel

recuperarea acestora. Există bacterii care concentrează potasiul, magneziul, manganul, fierul, calciul, nichelul şi

cobaltul. Algele concentreaza siliciul, iar cele brun-verzi şi fungi concentrează zincul şi alte metale grele.

Muşchii şi plantele înalte concentrează mercurul, nichelul, zincul, uraniul, cesiul şi stronţiul. Microorganisme

care reduc sulfaţii sunt puse să lucreze la epurarea apelor uzate rezultate de la operaţiile miniere.

Microorganisme capabile să degradeze pesticide şi alţi poluanţi au fost izolate şi comercializate în scopul

controlului poluării. O serie de inoculi microbieni sunt disponibili pe piaţă pentru bioremedierea poluării cu

petrol. De exemplu, amestecuri de bacterii izolate aparţinând genului Pseudomonas se folosesc pentru

biorestaurarea in situ a acviferelor contaminate cu hidrocarburi alifatice sau aromatice.Enzime specifice pot fi

utilizate pentru a reduce producţia excesivă de polizaharide extracelulare care apar în procesul de epurare a apei

35

şi care conduc la caracteristici slabe de deshidratare a nămolului. Enzime imobilizate se folosesc pentru

îndepărtarea compuşilor de lignină din apele uzate rezultate din fabricile de hârtie, iar algele imobilizate

îndepărtează cu succes micronutrienţii din efluentul staţiilor de epurare.

S-au descoperit 3 căi de biodegradare a compuşilor xenobiotici şi refractari:

1) compusul serveşte ca substrat pentru creşterea microorganismelor anaerobe (compuşi nehalogenaţi

aromatici sau alifatici: fenol, toluen, alcooli şi ketone) sau aerobe (fenol, benzen, toluen, hidrocarburi

poliaromatice, pesticide, benzine, alcooli, ketone, clorură de metilen, clorură de vinil, fenoli cloruraţi şi compuşi

din muniţie);

2) compusul organic este acceptor de electron în procesele anaerobe: compuşii organici cloruraţi cum

ar fi tetracloretena, tricloretena, tetraclorura de carbon, triclorbenzen, pentaclorfenol, clorohidrocarburi şi PCB;

3) compusul organic este degradat prin cometabolism: compuşi organici cloruraţi cum ar fi tricloretena,

dicloretena, clorura de vinil, cloroform, diclormetan şi triclormetan.

Dacă un compus este alterat chimic de metabolismul microbian fără a servi ca sursă de carbon sau

energie se spune că este cometabolizat. Cometabolismul se pare că apare datorită faptului că enzimele produse

de microorganisme pentru activităţile metabolice acţionează şi asupra altor compuşi. Aceste enzime,

monooxigenaza şi dioxigenaza, sunt produse de anumite bacterii.

În consecinţă, capacitatea de a îndepărta compuşii toxici şi recalcitranţi depinde de existenţa

microorganismelor corespunzătoare. Este nevoie, de asemenea, de un timp suficient pentru aclimatizare (ore sau

chiar săptămâni).

Mulţi dintre compuşii toxici şi recalcitranţi sunt îndepărtaţi în procesul de epurare nu numai prin

biodegradare ci şi incidental prin absorbţie, adsorbţie, precipitare şi volatilizare. Nămolul activ are capacitatea

de a lega metalele grele de polizaharidele flocoanelor microbiologice. Îndepărtarea incidentală poate apărea şi

prin asocierea cu substanţe sedimentabile sau flotanţi, dacă compuşii sunt insolubili, puţin solubili sau hidrofobi.

Bioaugmentarea este o metodă de iniţiere a activităţii microbiene şi constă în utilizarea unor formule

bacteriene produse în afara procesului de epurare. Formulele bacteriene constau din îngheţarea suspensiilor

bacteriene uscate generate din culturi pure şi apoi amestecate pentru a forma o mixtură de câteva specii cu

aditivi ca nutrienţi esenţiali şi agenţi de înmuiere. Doza iniţială este foarte mică şi se creşte treptat pentru a

compensa pierderea de microorganisme care apare într-o perioadă de timp. Compoziţia acestor culturi nu este

cunoscută, fiind secret comercial.

Aceste tipuri de microorganismele sunt de 3 feluri: naturale, amestecuri selectate care se propagă într-

un singur fermentator şi amestecuri care se propagă individual şi se combină apoi în amestecul final.

Microorganismele provin din diverse surse naturale selectate în funcţie de activitatea lor prin diverse

tehnici de îmbogăţire. În plus se pot utiliza diverse tehnici de inginerie genetică sau mutageneză pentru a obţine

culturi cu eficienţă ridicată de degradare a poluanţilor. Culturile microbiene sunt crescute în cantităţi mari şi

uscate. Cele mai multe companii comercializează aceste produse sub formă de pudră cu adaos de agenţi de

înmuiere, emulsificatori şi nutrienţi.

În funcţie de utilizare ele pot fi de 3 categorii: pentru însămânţare şi îmbunătăţirea epurării unor staţii

existente de epurare, pentru curăţarea scurgerilor de uleiuri şi solvenţi, pentru degradarea poluanţilor toxici şi

recalcitranţi.

Aceste microorganisme împachetate se pot folosi pentru îndepărtarea CBO5, degradarea poluanţilor

toxici, atacul împotriva scurgerilor de petrol, îmbunătăţirea generării metanului, eliminarea umflării nămolului

în procesul cu nămol activ.

Astfel de pachete există pentru ape uzate din industria alimentară, chimică, celuloză şi hârtie, rafinării

de petrol. Culturi de bacterii mutante au posibilitatea de degardare a fenolilor, cresolilor, naftalinelor, derivaţilor

benzenului, esteri alcoolici, detergenţi sintetici, surfactanţi, benzină, kerosen, cianuri şi alţi compuşi toxici.

Aceste produse tolerează variaţii ale pH, oxigen dizolvat, temperatură etc. Ele pot degrada compuşii toxici

recalcitranţi cum sunt pesticidele.

36

În prezent sunt disponibili aditivi cu bacterii mutante pentru îmbunătăţirea creşterii naturale a

populaţiei bacteriene în procesele cu nămol activ, biofiltru sau lagune. Adăugarea regulată a acestor bacterii

determină răspunsul mai rapid al procesului în perioada de amorsare, la şocurile de încărcare sau în condiţii de

temperaturi scăzute.

Utilizarea culturilor de amorsare sau a pachetelor de microorganisme este avantajoasă din anumite

puncte de vedere. Aceste culturi bacteriene reduc faza de lag care apare la microorganismele indigene

neadaptate şi, ceea ce este mai important, microorganismele naturale nu au capacitatea genetică de a utiliza

compuşii sintetici.

Pentru bioaugmentarea proceselor de nitrificare se poate introduce de nămol de nitrificare cultivat

extern, dar această tehnică are două dezavantaje: bacteriile pot să nu fie optime pentru procesul specific din

staţia de epurare, iar dacă sunt introduse celule în suspensie acestea pot fi îndepărtate de protozoarele din

nămolul existent în bazin. Astfel, s-a ajuns la concluzia că este mai bine să se să se cultive bacterii

nitrificatoare într-un bazin auxiliar, amplasat în staţia de epurare, prin introducerea de nămol din bazinul de

aerare şi alimentarea continuă cu apă de la ieşirea din fermentator. În acest mod, bacteriile nitrificatoare care vor

creşte în flocoanele de nămol vor aparţine sistemului şi nu vor fi îndepărtate de protozoare.

Una dintre realizările extraordinare în domeniul epurării apelor uzate a constituit-o descoperirea

bacteriei Anammox la începutul anilor 1990, care a condus la noi tehnologii de epurare a apelor încărcate cu

amoniu: Anammox, Sharon – Anammox, Canon şi Oland.

Concluzii

Procesele biologice sunt cele mai eficiente în îndepărtarea poluanţilor organici biodegradabili.

Cercetările din biotehnologie au permis însă identificarea căilor de îndepărtare a multor poluanţi periculoşi care

nu pot fi îndepărtaţi prin procedee clasice. De asemenea, există în prezent o serie de metode, cu microorganisme

cultivate independent, modificate genetic sau mutante, utilizate pentru îmbunătăţirea funcţionării proceselor

biologice sau îndepărtarea unor poluanţi specifici. Probabil că în viitor, cum procesele biologice se bazează pe

microorganisme, vor fi create noi tehnologii bazate pe descoperirile revoluţionare din microbiologie şi genetică.

Bibliografie

1. Bitton, G. Wastewater microbiology, 3rd

Ed, John Wiley&Sons, 2005.

2. Cheremisinoff, N.P. Biotechnology for waste and wastewater treatment, Noyes Publications, 1996.

3. Chandrawati, J.E. Environmental Biotechnology, APH Publishing Corporation, 2007.

4. Henze, M., van Loosdrecht, M., Ekama, G., Brdjanovic, D. Biological Wastewater Treatment:

Principles, Modeling and Design, IWA Publishing, 2008.

5. Metcalf&Eddy. Wastewater engineering. Treatment and reuse, fourth edition, McGraw Hill, 2003. 6. Robescu, Diana. Modelarea proceselor biologice de epurare a apelor uzate, Editura POLITEHNICA Press,

2009. 7. Robescu, D., Robescu, Diana, Lanyi, S., Constantinescu, I. – Tehnologii, instalaţii şi echipamente pentru

epurarea apei, Editura Tehnică, Bucureşti, 2000.

8. ***. Design of Municipal Wastewater Treatment Plants, 4th

ed., WEF manual of Practice 8, ASCE Manual

and Report on Engineering Practice No.76, 1998

37

BIOTEHNOLOGII PENTRU EPURAREA AVANSATĂ

A APELOR UZATE

Prof.dr.ing. Lăcrămioara Diana Robescu

1, Prof.dr.ing.Dan Niculae Robescu,

Prof.dr.ing. Cristina Costache Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti, România

1 diarobescu@yahoo.com

Rezumat

Prezenţa nutrienţilor în apă pot provoca un dezechilibru ecologic în apele receptoare prin fenomenul de

eutrofizare. De aceea condiţiile impuse pentru deversarea acestora au devenit din ce în ce mai restrictive.

Lucrarea prezintă tehnologiile biologice, care utilizând anumite microorganisme în condiţii de mediu adecvate,

îndepărtează azotul şi fosforul din apele uzate.

Cuvinte-cheie Epurare avansată, nutrienţi, nitrificare, denitrificare, bioaugmentare

Introducere

Epurarea avansată a apelor uzate se defineşte prin ansamblul operaţiilor suplimentare, ce urmează

epurării convenţionale secundare, având drept scop eliminarea substanţelor în suspensie şi dizolvate rămase în

apă după parcurgerea etapelor clasice. În efluentul deversat din treapta biologică secundară se mai găsesc: a)

suspensii solide; b) substanţe organice rezistente la metabolismul microbian - nebiodegradabile; c) compuşi

toxici sau cancerigeni; d) ionii unor substanţe anorganice cum ar fi cei de calciu, potasiu, nitraţi, fosfaţi, sulfaţi,

cloruri etc.; e) un număr nedefinit de compuşi organici sintetici.

Epurarea avansată cuprinde procesele şi tehnologiile destinate să asigure grade ridicate de epurare

imposibil de realizat prin metode clasice şi/sau destinate îndepărtării unor poluanţi în treptele fizică şi biologică.

După 1970 au apărut preocupări pentru eliminarea în special a compuşilor pe bază de azot şi fosfor.

Treapta biologică reuşeşte să elimine maximum 25…40% din azotul total. Aceste elemente şi compuşii lor au

38

efecte dezastruoase asupra mediului prin accelerarea procesului de eutrofizare a bazinelor de apă. Ele sunt

elemente nutritive care favorizează dezvoltarea algelor, dar sunt esenţiale pentru formarea şi dezvoltarea

nămolului activ în epurarea biologică. Pe de altă parte, amoniul are efecte dezastruoase asupra concentraţiei de

oxigen dizolvat din apele receptoare şi este toxic pentru peşti.

Astăzi epurarea avansată a apelor uzate este obligatorie, fiind impusă de necesitatea menţinerii

echilibrului ecologic. Impactul staţiilor de epurare asupra mediului trebuie analizat atât din punctul de vedere al

urmărilor ce apar la deversarea produşilor de carbon cât şi la modificările ce pot interveni în emisar ca urmare a

compuşilor pe bază de azot şi fosfor. Totodată, trebuie analizat şi efectul altor compuşi, de exemplu cei toxici,

care sunt deversaţi accidental sau dirijat în apele naturale.

Epurarea avansată a apelor uzate se introduce în tehnologia de tratare atunci când este necesar a se

obţine o apă de calitate superioară, imposibil de realizat prin procedeele secundare biologice, pentru protecţia

mediului înconjurător, evitarea eutrofizării pe cursul natural în aval de punctul de descărcare, în scopul

reutilizării apei epurate sau atunci când emisarul este utilizat ca sursă de alimentare a unor localităţi. Pentru

alegerea procedeelor şi a tehnologiei în ansamblu trebuie avute în vedere: a) capacitatea de autoepurare a

cursului natural în care se face descărcarea efluenţilor; b) costurile de tratare a apelor în scopul potabilizării

pentru cazul captărilor amplasate în aval de punctul de descărcare a efluenţilor; c) costurile construcţiilor şi

instalaţiilor aferente tehnologiei propuse; d) costurile de exploatare şi control a calităţii efluenţilor deversaţi; e)

necesarul de energie pentru funcţionarea instalaţiilor şi echipamentelor aferente tehnologiei propuse.

În apele uzate menajere una dintre problemele majore este faptul că rapoartele N:C şi P:C pentru

majoritatea compuşilor organici din apa uzată sunt mult mai mari decât cele necesare bacteriilor heterotrofe,

astfel încât compuşii de N şi P anorganici şi organici se regăsesc în efluent. De aceea, procesele pentru

îndepărtarea N şi P se aplică în principal apelor uzate menajere.

În apele uzate industriale aceste rapoarte sunt mici, de multe ori fiind necesară adăugarea suplimentară

de azot şi fosfor.

Îndepărtarea biologică a azotului din apele uzate

Apele uzate menajere conţin azot sub formă organică, aproximativ 60%, şi anorganică – amoniu,

aproximativ 40%. Îndepărtarea biologică a azotului din apele uzate se realizează secvenţial prin nitrificare şi

denitrificare.

Nitrificarea constă în oxidarea amoniului în nitrit şi apoi oxidarea nitritului în nitrat, de către

microorganisme autotrofe. Procesul poate avea loc în bazine cu suspensii sau cu biofilm. Cea mai utilizată

metodă constă în realizarea nitrificării în acelaşi bazin în care se realizează şi îndepărtarea compuşilor de carbon

(sistem cu un singur nămol), procedeul fiind similar procesului cu nămol activ, fiind necesar un bazin de aerare,

un decantor şi un sistem de recirculare. Doar dacă există pericolul unor substanţe toxice sau inhibitoare în apa

uzată, pentru a proteja bacteriile nitrificatoare care sunt mai sensibile, se optează pentru trepte separate: una

pentru îndepărtarea compuşilor de azot şi alta pentru nitrificare (sistem cu 2 nămoluri). Astfel, substanţele toxice

sunt îndepărtate în prima treaptă, odată cu compuşii de carbon. Bacteriile nitrificatoare au viteză de creştere

lentă şi de aceea sistemele pentru nitrificare au un timp de retenţie mai mare, atât hidraulic cât şi al suspensiei,

decât cele pentru îndepărtarea compuşilor de carbon.

Principalii parametri care influenţează nitrificarea sunt concentraţia de oxigen dizolvat şi pH-ul.

Bacteriile nitrificatoare sunt strict aerobe. Viteza de nitrificare creşte odată cu concentraţia oxigenului

dizolvat până la 3-4 mg O2/l, concentraţia optimă fiind de 2-3 mg O2/l.

Valoarea pH-ului influenţează creşterea bacteriilor nitrificatoare. Astfel, el trebuie menţinut la valori de

7,2 – 8, o scădere sub 5,5 sau o creştere peste 9 ducând la scăderea dramatică a nitrificării.

Viteza de nitrificare depinde şi de temperatura, valorile scăzute ale acesteia afectând negativ

nitrificarea, intervalul optim fiind de 28-32 0C.

39

Timpul de retenţie a nămolului trebuie să fie mai mare de 4-6 zile, ceea ce asigură prezenţa bacteriilor

nitrificatoare adecvate şi sănătoase.

Ca inhibitori se amintesc prezenţa substanţelor toxice, metalelor şi amoniului neionizat.

În sistemele de nitrificare cu film biologic, cea mai mare parte a compuşilor de carbon trebuie

îndepărtată înainte ca bacteriile nitrificatoare să se stabilească la nivelul biofilmului, altfel microorganismele

responsabile de îndepărtarea compuşilor organici, având viteză mai mare de creştere faţă de bacteriile

nitrificatoare, vor domina biofilmul format.

Denitrificarea biologică constă în reducerea nitratului până la azot gaz în condiţii anoxice, adică lipsite

de oxigen molecular, dar în care există nitriţi şi nitraţi. Majoritatea microorganismelor denitrificatoare sunt

heterotrofe facultativ aerobe şi preiau oxigenul din nitraţi şi nitriţi. Pe lângă acestea, există şi bacterii autotrofe,

care utilizează H2 sau sulfaţii ca acceptori de electron.

Principalii parametri care influenţează denitrificarea sunt: prezenţa substratului organic, concentraţia de

oxigen dizolvat, pH-ul şi temperatura.

Prezenţa substratului organic este foarte importantă, un raport CCO: NO2 (NO3) de 3:1 fiind optim

pentru denitrificare completă.

O concentraţie de oxigen dizolvat mai mare de 0,2 mg O2/l inhibă denitrificarea.

Denitrificarea determină creşterea alcalinităţii, viteze mari de denitrificare fiind obţinute în intervalul 7-

7,5.

Atât viteza de creştere a microorganismelor, cât şi viteza de îndepărtare a nitraţilor sunt afectate de

temperatură. Viteza de denitrificare creşte odată cu creşterea temperaturii până la 350C, iar sub 5

0C este foarte

scăzută.

Sistemul combinat nitrificare/denitrificare în treaptă unică cu nămol activ, elimină necesitatea sursei

de carbon externe (reduce costurile) prezentând următoarele avantaje: a) reduce necesarul de oxigen pentru

îndepărtarea materiei organice şi realizarea nitrificării; b) elimină necesarul de carbon organic suplimentar

impus de procesul de denitrificare; c) elimină decantoarele intermediare pentru recircularea nămolului. Un astfel

de sistem combinat conduce la eficienţă de îndepărtare a azotului total de 60…80% şi poate ajunge până la

85…95%.

Se disting două procedee de bază:

a) sistem cu nămol separat – sistemul cu două sau trei nămoluri;

b) sistem cu un singur tip de nămol.

In primul caz, sistemul foloseşte două nămoluri, adică două tipuri de comunităţi biologice separate,

dezvoltate în două instalaţii biologice independente conectate în serie. Ambele instalaţii conţin decantoarele de

separare a nămolului cu recircularea acestuia în cadrul treptei respective. Prima instalaţie are drept scop

eliminarea compuşilor organici pe bază de carbon şi nitrificarea produşilor pe bază de azot în bazin aerob. A

doua treaptă este destinată denitrificării în mediu anoxic.

Există şi un sistem cu trei nămoluri pentru eliminarea treptată a produşilor pe bază de carbon, nitrificare şi

apoi denitrificare; fiecare dintre aceste faze se desfăşoară într-o instalaţie biologică independentă cu un singur

tip de nămol. Dezavantajul acestui sistem constă în faptul că la treapta de denitrificare este necesară o sursă

externă de carbon, ceea ce impune introducerea de metanol, etanol etc. sau o parte din apa uzată intră direct, prin

ocolire, în reactorul anoxic de denitrificare.

Instalaţia cu un singur tip de nămol foloseşte fie un reactor care funcţionează secvenţial, fie un singur

bazin mai lung în care o parte este aerată iar cealaltă este în regim anoxic. De asemenea, se pot realiza bazine

independente în regim aerob sau anoxic cu circulaţia apei şi a nămolului activ până la decantorul secundar care

este unic (nu se introduce sedimentare intermediară).

Procesele cu un singur nămol pot fi de 3 tipuri în funcţie de poziţia zonei anoxice faţă de cea aerobă:

procesul cu predenitrificare (fig.1 a), procesul cu postdenitrificare (fig.1 b) şi procesul cu nitrificare-

denitrificare simultană (fig.1 c).

40

Nămolul biologic se adaptează condiţiilor aerobe şi anoxice rezolvând eliminarea compuşilor pe bază

de carbon şi de azot.

În procesul cu predenitrificare, în prima treaptă, apa uzată intră într-un bazin anaerob unde apare

procesul de denitrificare prin utilizarea carbonului organic existent în apa uzată. Din al doilea bazin de

nitrificare şi îndepărtare a compuşilor organici se recirculă apa, încărcată cu nitraţi, din zona aerobă în cea

anoxică unde aceştia vin în contact cu substratul organic din apa uzată. Schema este eficientă în eliminarea

azotului şi prezintă avantajul de a folosi raţional sursele de carbon interne existente şi de a reduce costurile de

investiţie prin eliminarea unui decantor intermediar.

Procesul cu postdenitrificare poate funcţiona cu sau fără sursă externă de carbon.

Dacă funcţionează fără sursă externă de carbon, sursa de energie la etapa de denitrificare va fi preluată

din prelucrarea masei organice a microorganismelor care mor; cum rata morţii celulelor este redusă se va obţine

şi o viteză mică de prelucrare a nitriţilor ceea ce va conduce la volume mari de reactor biologic pentru a se

menţine eficienţa procesului.

Procesul de nitrificare-denitrificare poate avea loc simultan, într-un singur bazin, dar acest sistem

necesită controlul parametrilor astfel încât să se asigure faptul că atât nitrificarea cât şi denitrificarea apar în

bazin. Totuşi vitezele de nitrificare, rspectiv de denitrificare sunt mai scăzute decât cele optime., întrucât doar o

parte din biomasă este folosită pentru fiecare dintre aceste reacţii.

Dintre cele trei configuraţii procesul de nitrificare/denitrificare preanoxică este cel mai utilizat, fiind

uşor de implementat în retehnologizarea staţiilor de epurare. În plus, 68% din cererea de oxigen şi 50% din

consumul de alcalinitate pentru nitrificare vor fi recuperate la denitrificare. Dacă procesul cu nămol activ este

proiectat astfel încât să se realizeze şi nitrificarea şi denitrificarea, funcţionarea decantorului secundar va fi mult

îmbunătăţită, evitându-se flotaţia nămolului.

aer sursă de carbon

inf efl inf efl

Banx BA DS BA Banx DS

recirculare nitraţi recirculare nămol

recirculare nămol

a b

anoxic

aerob

inf efl

DS

recirculare nămol

c

Fig.1. Variante ale procesului de nitrificare-denitrificare cu un singur tip de nămol: a – procesul cu

predenitrificare; b – procesul cu postdenitrificare ; c- procesul cu nitrificare-denitrificare simultană

(BA – bazin aerob, Banx – bazin anoxic, D – decantor, inf – influent; efl - efluent)

41

Noi procese de îndepărtare a azotului din apele uzate

Nămolul preponderent biologic rezultat din epurarea apelor uzate trebuie stabilizat înainte de a fi

deshidratat şi depozitat. De obicei stabilizarea se fac în mediu anaerob, astfel că azotul din nămol este eliberat

sub formă de amoniu care se regăseşte în apa evacuată din metantanc. Această apă este recirculată în bazinele cu

nămol activ, ceea ce duce la încărcarea suplimentară a acestora cu azot. Concentraţiile de amoniu în apa de

evacuare din fermentatoare este ridicată, de ordinul 500-1500 mg/l, iar temperatura de 25-35 0C. Datorită acestei

concentraţii mari de amoniu s-a constatat că este mai convenabil să se trateze separat aceste ape. Cercetările

realizate după anii 1990 au condus la noi procese de îndepărtare a azotului din apele puternic încărcate cu

amoniu: Sharon, Anammox, Sharon-Anammox, Canon, Oland, Snap, Babe, InNitri.

Procesul SHARON (Single reactor system for High activity Ammonium Removal Over Nitrite )

presupune întreruperea reacţiei de oxidare a amoniului la nitrit. Amoniul este oxidat la nitrit în reactorul aerob,

după care nitritul este redus la azot gaz în reactorul anoxic, prin adăugarea unei surse externe de carbon.

Reactorul Sharon se poate construi fie ca un singur bazin cu zone alternante aerob/anoxic sau ca o serie de două

bazine, unul aerob altul anoxic. Principalul avantaj al configuraţiei cu un singur reactor constă în posibilitatea

utilizării alcalinităţii produse în cadrul procesului de denitrificare imediat, pentru compensarea acidului produs

în faza aerobă.

Printre alte avantaje ale procesului pot fi menţionate: investiţia iniţială redusă, costuri de operare mici

(spre deosebire de procesul convenţional de nitrificare-denitrificare necesită aerare redusă şi o cantitate mai

mică de carbon), pornire uşoară, pentru acest tip de proces nefiind necesară adăugarea de reactivi chimici.

Procesul SHARON poate fi aplicat pentru epurarea apelor uzate rezultate în urma tratării nămolului (fermentare,

compostare sau uscare) dar şi pentru tratarea levigatului din rampele de depozitare controlată a deşeurilor.

Conducerea cu succes a sistemului de epurare depinde de cunoaşterea parametrilor ce influenţează

performanţele acestuia. În literatura de specialitate sunt menţionaţi mulţi parametrii ce influenţează acumularea

nitritului, fie în mod individual sau în combinaţie cu alţi factori, prin inhibarea simultană a producerii de nitrat.

Până în prezent au fost puse în evidenţă prin diverse cercetări mai multe metode de control pentru

realizarea nitrificării parţiale. Principalul obiectiv al acestor metode a fost favorizarea dezvoltării bacteriilor care

oxidează amoniul şi îndepărtarea prin spălare a bacteriilor care oxidează nitritul prin diverse energii de activare,

diverse vârste ale nămolului, diverşi coeficienţi de saturaţie la jumătate a oxigenului dizolvat şi diverse

capacităţi antitoxice ale celor două tipuri de bacterii. Aceste metode includ în principal reglarea corespunzătoare

a temperaturii sistemului, pH-ului, concentraţiei de oxigen dizolvat, timpului de retenţie a suspensiei,

concentraţiei şi încărcării substratului, structurii operaţionale şi de aerare, inhibitorilor s.a.

Astfel, parametrii operaţionali pentru a realiza nitrificarea parţială trebuie controlaţi în intervalele:

- temperatura: 30 – 40 0C;

- pH: 7,5 – 8,5;

- concentraţia de oxigen dizolvat: 1 – 1,5 mg/l

- în general timpul de retenţie hidraulic este egal cu timpul de retenţei a suspensiei, nefiind necesară

retenţia nămolului.

Procesul Anammox (ANaerobic AMMonia OXidation) este o metodă complet autotrofă pentru

îndepărtarea amoniului din apele puternic încărcate şi raport mic C/N. Procesul este aplicat cu succes din anul

2002 la staţia de epurare a oraşului Rotterdam, Olanda. În acest proces amoniul este convertit direct în azot gaz

în condiţii anaerobe, cu nitritul ca acceptor de electron. Bacteria Anammox, descoperită în apele uzate la

începutul anilor 1990, este autotrofă astfel încât nu necesită sursă externă de carbon, ea utilizeză CO2 ca sursă de

carbon. De asemenea, nu necesită aerare, întrucât este obligat anaerobă, dar este necesară totuşi existenţa

nitritului ca substrat.

Procesul Anammox funcţionează de obicei în strat fluidizat sau secvenţial. Pentru a fi aplicat cu succes

el trebuie precedat de o treaptă aerobă. Există o serie de tehnologii care utilizează procesul Anammox,

clasificate în două grupuri: cu două trepte sau cu o treaptă.

42

În procesul cu două trepte, în prima treaptă amoniul este convertit în nitrit în condiţii aerobe, iar în a

doua treaptă este favorizat procesul Anammox prin scăderea concentraţiei de oxigen sub 0,3 mg/l. Procesul în

două trepte se poate desfăşura în două reactoare separate sau într-un singur reactor în care se controlează

concentraţia oxigenului dizolvat. De aici, a rezultat procesul combinat Sharon – Anammox, în care, în prima

treaptă (Sharon) aproximativ 50% din amoniu este parţial oxidat la nitrit de bacteriile care oxidează amoniul.

Efluentul din treapta aerobă, încărcat cu un raport optim de amoniu şi nitriţi intră în treapta anaerobă

(Anammox) în care în care amoniul şi nitriţii sunt convertiţi la azot gaz.

Procesul se caracterizează printr-o producţie scăzută de nămol, reducerea energiei consumată prin

aerare cu 60%, reducerea cantităţii de substanţe chimice pentru neutralizare şi reducerea semnificativă a

emisiilor de CO2, de până la 90%. În general, costurile faţă de procedeul clasic de nitrificare/denitrificare sunt

reduse cu până la 90%. În plus, staţia necesită mai puţin de jumătate din spaţiul pentru procedeul convenţional.

Concentraţiile reduse de sulfiţi şi alcooli sunt toxice pentru proces. De asemenea sulfaţii, care în

condiţii anaerobe sunt transformaţi de bacterii reducătoare în sulfiţi. Totuşi, în condiţii anoxice aceste bacterii

sunt inhibate. Temperatura optimă a procesului este de 30-370C. Eficienţa globală de îndepărtare a amoniului

este de aproximativ 94%.

În procesul cu o singură treaptă nitrificarea parţială şi procesul Anammox au loc simultan într-un

singur reactor procesul fiind condus prin controlul oxigenului. Acest proces este denumit diferit:

CANON(Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite), OLAND(Oxygen-Limited Autotrophic

Nitrification-Denitrification), SNAP (Single-stage Nitrogen removal using Anammox and Partial nitratation)

Bacteriile care oxidează amoniul şi bacteriile Anammox coexistă în acelaşi reactor, bacteriile care

oxidează nitritul fiind inhibate prin menţinerea concomitentă a saturaţiei amoniului şi limitarea oxigenului.

Astfel, aceste bacterii sunt dublu limitate, în raport cu oxigenul de către bacteriile care oxidează amoniul şi în

raport cu nitritul de către bacteriile anammox. Procesul necesită controlul precis al aerării şi amoniului, fiind

sensibil la scăderea concentraţiei de amoniu din influent.

Bioaugmentarea

Adăugarea de bacterii nitrificatoare în procesul cu nămol activ poate reduce timpul de retenţie a

suspensiei, principalul criteriu de proiectare al procesului combinat cu nămol activ şi nitrificare. Această metodă

poate fi utilizată şi ca o opţiune de upgradare , pentru a încărca mai mult sistemul sau pentru a elibera spaţiu.

Bioaugmentarea se realizează prin cultivarea externă a nămolului nitrificator, care a dar această tehnică are două

dezavantaje: bacteriile pot să nu fie optime pentru procesul specific din staţia de epurare, iar dacă sunt introduse

celule în suspensie acestea pot fi îndepărtate de protozoarele din nămolul existent în bazin. Astfel, s-a ajuns la

concluzia că este mai bine să se să se cultive bacterii nitrificatoare într-un bazin auxiliar, amplasat în staţia de

epurare, prin introducerea de nămol din bazinul de aerare şi alimentarea continuă cu apă de la ieşirea din

fermentator. În acest mod, bacteriile nitrificatoare care vor creşte în flocoanele de nămol vor aparţine sistemului

şi nu vor fi îndepărtate de protozoare.

Există mai multe variante de integrare a proceselor de bioaugmentare: inNITRI, BAR şi BABE.

În procesul inNITRI bacteriile nitrificatoare sunt produse în efluentul fermentatorului, printr-un proces

asemănător celui cu nămol activ (bazin de aerare şi decantor cu recirculare) şi sunt apoi introduse în bazinul de

nitrificare. Acest sistem are dezavantajul că este posibil să nu producă bacteriile corespunzătoare.

În procesul BAR (BioAugmentation Regeneration) nămolul recirculat din procesul cu nămol activ-

nitrificare este introdus într-un reactor de bioaugmentare împreună cu efluentul din fermentator, iar amestecul

rezultat este introdus în bazinul de nitrificare.

În procesul BABE (BioAugmentation Batch Enhanced) numai o parte din nămolul recirculat este

redirecţionat în bazinul de bioaugmentare, în proporţie de 1:1 cu effluentul de la fermentator, după care

suspensia rezultată, împreună cu cealaltă parte de nămol recirculat intră în procesul cu nămol activ şi nitrificare.

Îndepărtarea biologică a fosforului

Tehnologiile biologice de îndepărtare a fosforului au avantajele, faţă de tehnologiile chimice, reducerii

cantităţii de nămol şi a costurilor cu substanţele chimice. În procesele biologice, printr-o configuraţie

43

corespunzătoare a reactorului, se favorizează creşterea microorganismelor care acumulează fosforul, acesta fiind

incorporat în biomasa celulară ca polifosfat. Aceste microorganisme sunt singurele capabile să stocheze

substratul în prima etapă anaerobă şi să-l oxideze apoi în etapa aerobă. Acest lucru este posibil doar prin

acumularea polifosfatului, ceea ce conduce la îndepărtarea fosforului. Alimentarea adecvată cu acizi graşi

volatili este unul dintre factorii principali pentru succesul procesului de îndepărtare a fosforului, datorită

influenţei acestuia în preluarea fosfatului şi eliberarea polifosfatului. Aceştia sunt prezenţi în substratul uşor

biodegradabil din influent sau s pot forma în procesele anaerobe.

Configuraţia pentru îndepărtarea fosforului cuprinde un reactor anaerob, cu timp de retenţie hidraulic

de 0,5 – 1 h şi amestecare, cu un timp de retenţie a suspensiei recomandat de 1 – 1,5 zile, care este plasat

înaintea reactorului cu nămol activ. În multe configuraţii, după reactorul anaerob urmează cel anoxic şi apoi cel

aerob, astfel încât reactorul anaerob este de fapt un selector ce favorizează creşterea microorganismelor care

stochează fosforul. Aceste microorganisme formează flocoane foarte dense, bine sedimentabile în procesul cu

nămol activ, astfel că de multe ori se utilizează acest reactor anaerob, chiar dacă nu este nevoie de îndepărtarea

fosforului. O atenţie deosebită trebuie acordată îndepărtării nămolului în exces, astfel încât să nu apară

eliberarea O-PO4 în reactorul anaerob, ceea ce conduce la eficienţe scăzute de îndepărtare a fosforului.

Concluzii

Metoda convenţională de epurare bilogică reuşeşte să îndepărteze doar o parte din nutrienţii din apa

uzată. Datorită restricţiilor impuse pentru deversarea acestora, s-au dezvoltat tehnologiile de îndepărtare ale

azotului şi fosforului, dintre acestea tehnologiile biologice fiind preferate din ce în ce mai mult în special

datorită faptului că pot fi combinate cu procesul biologic de îndepărtare a compuşilor de carbon. Cercetările din

biotehnologie au avut o influenţă deosebită şi în dezvoltarea proceselor de îndepărtare a nutrienţilor. Există o

serie de configuraţii posibile, unele dintre acestea doar pentru îndepărtarea azotului, altele pentru îndepărtarea

combinată a azotului şi fosforului. Alegerea configuraţiei depinde de calitatea influentului, calitatea dorită a

efluentului, experienţa operatorului şi procesele de epurare existente dacă se doreşte retehnologizarea staţiei de

epurare. Retehnologizarea unei staţii de epurare pentru îndepărtarea nutrienţilor trebuie să ţină seama de

configuraţia şi dimensiunea bazinelor de aerare, capacitatea decantoarelor, tipul sistemului de aerare, tehnologia

de tratare a nămolurilor şi experienţa operatorului. Realizarea unei noi staţii de epurare este mult mai flexibilă şi

oferă mai multe opţiuni în ceea ce priveşte îndepărtarea nutrienţilor.

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, instalaţii şi echipamente pentru

epurarea apei, Editura Tehnică, Bucureşti, 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

44

BIOTEHNOLOGIILE ÎN AGRICULTURĂ

Definiție

Într-un sens larg, biotehnologiile desemnează toate tehnicile care folosesc organismele vii sau

substanțe provenite de la aceste organisme în vederea modificării sau creării unor produse în

scopuri practice. Convenția privind Biodiversitatea definește biotehnologiile astfel: ―orice

aplicații care utilizează sisteme biologice, organisme vii sau derivate ale acestora în scopul

modificării sau creării unor produse pentru anumite utilizări‖ (Secretariatul Convenției

privind Biodiversitatea, 1992). Definiția include aplicațiile medicale și industriale

applications, precum și multe instrumente și tehnici utilizate în mod obișnuit în producția

agricolă și alimentară.

Protocolul de la Cartagena privind Biodiversitatea definește mai precis ―biotehnologiile

moderne‖ ca fiind aplicații ale:

Tehnicilor acizilor nucleici in vitro, incluzând aici recombinarea acidului

dezoxiribonucleic (ADN) și injectarea directă a acidului nucleic în celule organite,

sau

fuziunii celulelor în afara familiei taxonomice, care să depăşească barierele natural

fiziologice de reproducere sau de recombinare şi care nu sunt tehnici de înmulţire şi

de selecţie utilizate în mod tradiţional.

(Secretariatul Convenției privind Biodiversitatea, 2000)

Glosarul FAO de biotehnologie definește biotehnologiile, în linii mari, ca şi Secretariatul

Convenției privind Biodiversitatea şi, în mod specific ca fiind "o serie de diverse tehnologii

moleculare, cum ar fi manipularea genelor şi transferul de gene, clonarea ADN de plante şi

animale‖ (FAO, 2001a). Tehnicile de recombinare ADN, cunoscut sub denumirea de

inginerie genetică sau (mai familiar, dar mai puțin corect) modificări genetice, se referă la

modificarea configurației genetice a unui organism folosind transgeneza, în care ADN-ul

unui organism sau celulă (transgenă) este transferat la alta fără să aibă loc reproducerea

sexuală. Organismele modificate genetic sunt modificate prin aplicarea transgenezei sau a

tehnologiei recombinării ADN, transgena fiind încorporată în genomul gazdă sau o genă

gazdă fiindu-i modificată expresia. Termenii ―organism modificat genetic‖, ―organism

transgenic‖ și ―organism configurat genetic‖ sunt folosite adesea desemnând același lucru,

cu toate că nu sunt identici din punct de vedere tehnic. În cuprinsul acestui articol, însă, ei vor

fi folosiți ca sinonime.

45

Biotehnologiile pot fi aplicate tuturor claselor de organisme – de la virusuri și bacterii la

plante și animale - și sunt pe cale să devină o trăsătură importantă a medicinei, agriculturii și

industriei moderne. Biotehnologiile moderne folosite în agricultură includ o gamă largă de

instrumente angajate de oamenii de știință în efortul lor de a înțelege și manipula

transformarea genetică a organismelor, pentru a le putea utiliza în producția agricolă și în

procesarea produselor agricole.

Unele aplicații ale biotehnologiilor, așa cum este fermentarea, sunt folosite de milenii. Altele

sunt noi, dar bine asimilate. De exemplu, microorganismele sunt folosite de decenii pe post

de „fabrici vii‖ în producția antibioticelor atât de prețioase în salvarea de vieți – penicilina,

din ciuperca Penicillium, streptomicina, din bacteria Streptomyces. Detergenţii moderni se

bazează pe enzimele produse prin biotehnologie, producţia de brânză se bazează în mare

măsură pe cheag produs prin de biotehnologie din drojdie, iar insulina umană pentru diabetici

este acum produsă tot prin utilizarea biotehnologiei.

Biotehnologiile sunt, de asemenea, utilizate pentru rezolvarea problemelor din toate

domeniile producției şi procesării agricole. Aceasta include selecţia plantelor pentru a ridica

şi stabiliza randamentele, pentru a îmbunătăţi rezistenţa la dăunători, boli şi condiții

atmosferice vitrege (ger, secetă) şi pentru a spori conţinutul nutritiv al alimentelor.

Biotehnologia este utilizată pentru a dezvolta culturi ieftine și imune la boli, cum ar fi

maniocul, bananele şi cartofii şi generează crearea de noi instrumente pentru diagnosticarea şi

tratarea bolilor plantelor şi animalelor, precum şi pentru măsurarea şi conservarea resurselor

genetice. Biotehnologia este utilizată pentru accelarea programelor de creştere a plantelor,

animalelor şi peştilor şi pentru a extinde gama de trăsături care pot fi abordate. Hrana pentru

animale şi practicile de hrănire sunt modificate prin biotehnologie pentru a îmbunătăţi nutriţia

animalelor şi pentru a reduce cantitatea de deşeuri de mediu. Biotehnologia este utilizată în

diagnosticul bolilor şi pentru producerea vaccinurilor împotriva bolilor animalelor.

Este clar că biotehnologiile înseamnă mai mult decât ingineria genetică. Într-adevăr, unele

din aspectele controversate ale biotehnologiei agricole sunt, probabil, cele mai puternice şi

mai benefice pentru cei săraci. Genomii, de exemplu, revoluţionează înţelegerea noastră

privind modul în care funcționează genele, celulele, organismele şi funcţia ecosistemelor şi

deschid noi orizonturi pentru reproducere asistată şi pentru managementul resurselor

genetice. În acelaşi timp, ingineria genetică este un instrument foarte puternic al cărei rol ar

trebui să fie evaluat cu atenţie. Este important să se înţeleagă modul în care biotehnologia - în

special ingineria genetică - completează şi dezvoltă alte abordări atunci când trebuie luate

decizii sensibile privind utilizarea acesteia.

Mai trebuie subliniat că instrumentele biotehnologiilor sunt, așa cum le spune numele, unelte

și nu scopuri în sine. Ca orice unealtă, ele trebuie evaluate în contextul în care sunt utilizate.

46

Utilizări actuale ale biotehnologiilor în agricultură

Fermierii şi crescătorii de animale au manipulat genetic plantele şi animalele încă de acum

10.000 de ani. Fermierii au gestionat procesul de domesticire a animalelor de-a lungul

mileniilor, prin mai multe cicluri de selecţie a celor mai bine adaptați indivizi ai speciilor.

Această exploatare a variaţiei naturale petrecute în organismele biologice ne-a dat culturile,

livezile, animalele de fermă şi peştii de crescătorie din ziua de azi, care adesea diferă radical

de strămoşii lor timpurii.

Scopul de crescătorilor moderni de animale este acelaşi cu al fermierilor timpurii - de a

produce culturi agricole sau animale superioare. Reproducerea convenţională, care aplică

principiile genetice clasice bazate pe fenotipul sau caracteristicile fizice ale organismului în

cauză, a cunoscut un mare succes în introducerea trăsăturilor dorite în soiuri de culturi sau

rase de animale de la rude domestice sau sălbatice. Într-o încrucișare convenţională, prin care

fiecare părinte donează descendenţilor jumatate din trăsăturile genetice, pot fi transmise și

însușirile nedorite, împreună cu cele de dorit, urmând ca trăsăturile nedorite să fie ulterior

eliminate prin reproduceri succesive. Cu fiecare generaţie, descendenţii trebuie să fie testați

pentru verificarea evoluției trăsăturilor. Multe generaţii pot fi necesare înainte de obținerea

combinaţiei de trăsături dorite este găsit, în special pentru culturi perene, cum ar fi copacii şi

unele specii de animale. Această selecţie pe bază de fenotip este astfel un proces lent,

pretențios şi costisitor. Biotehnologia poate face metodele convenţionale mai eficiente.

Ingineria genetică poate fi utilizată pentru a schimba compoziția genetica a plantelor,

animalelor și microorganismelor. Numărul genelor izolate disponibile pentru transfer crește

pe zi ce trece. În prezent, această tehnologie este folosită în primul rând pentru modificarea

recoltelor, dar are și alte aplicații.

Ca şi alte produse, produsele modificate genetic sunt supuse unei perioade de cercetare şi

dezvoltare înainte de a fi gata de lansare comercială. Multe dintre ele nu apar ca rezultate ale

circuitului normal de cercetare și dezvoltare. Ingineria genetică s-a dovedit a fi mai dificilă şi

mai costisitoare decât partizanii ei timpurii se așteptau. Deşi la începutul anilor 1980

biotehnologia a fost privită ca o tehnologie miracol, care urma să inaugureze o nouă eră de

abundenţă agricolă, cu daune minime pentru mediu, produsele obținute la început s-au

dovedit a fi modeste. Prezentăm, în continuare, câteva dintre cele mai importante aplicaţii

comerciale ale biotehnologiei.

1. Randamentul recoltelor

Folosind tehnicile biotehnologiei moderne, una sau două gene (compania Smartstax din

Monsanto, în colaborare cu Dow AgroSciences, va folosi 8 gene, începând din 2010) pot fi

transferate la un soi de plante extrem de dezvoltat pentru a da naștere unui nou soi, cu un

randament crescut. Cu toate acestea, deși creşterea randamentului culturilor este aplicaţia cea

47

mai evidentă a biotehnologiei moderne în agricultură, este, în același timp, și cea mai

laborioasă. Tehnicile actuale de inginerie genetică funcționează cel mai bine pentru efecte

care sunt controlate de o singură genă. Multe dintre caracteristicile genetice asociate cu

randamentul recoltelor (de exemplu, sunt controlate de un număr mare de gene, fiecare dintre

acestea având un efect minim asupra randamentul global. Există, prin urmare, un drum lung

de parcurs de cercetarea ştiinţifică în acest domeniu.

2. Reducerea vulnerabilității recoltelor în fața condițiilor climatice

Culturile care conţin gene care să le permită rezistența la factorii de stres biotici şi abiotici pot

fi dezvoltate. De exemplu, seceta şi salinitatea excesivă a solurilor sunt doi importanţi factori

abiotici în limitarea productivităţii culturilor. Biotehnologia studiază plante rezistente faţă de

condiţiile extreme, în speranţa de a găsi genele care le permit să facă acest lucru şi de a le

transfera în cele din urmă culturilor dorite. Una dintre cele mai recente evoluţii este

identificarea unei gene (At-DBF2) de la o plantă (Arabidopsis thaliana), folosită adesea

pentru cercetări în domeniul fitosanitar. Această plantă, o buruiană mică, are un ritm înal de

creștere şi un cod genetic bine fixat. Când această genă a fost introdusă în celulele de tomate

şi tutun, celulele au fost capabile de a rezista unor condiții de stres (cum ar fi salinitate,

secetă, frig și caldură) mult mai mult decât celulele obişnuite. În cazul în care aceste rezultate

preliminare reușesc la teste mai ample, atunci genele At-DBF2 pot fi de mare folos pentru

culturi mai rezistente în medii vitrege. Cercetatorii au creat, de asemenea, plante transgenice

de orez, care sunt rezistente la virusul galben marmora (RYMV). In Africa, acest virus

distruge majoritatea culturilor de orez și sensibilizează plantele supraviețuitoare la infecțiile

cu fungi.

3. Creșterea calităților nutriționale

Proteinele din alimente pot fi modificate pentru a spori calităţile lor nutriţionale. Proteinele

din leguminoase şi cereale pot fi transformate pentru a oferi aminoacizii necesari oamenilor

pentru un regim alimentar echilibrat (de exemplu, crearea soiului de orez Golden Rice).

4. Îmbunătățirea gustului, texturii și aspectului alimentelor

Biotehnologiile moderne pot fi folosite pentru a încetini procesul de deteriorare a plantelor,

permițând ca fructele să se poată coace un timp mai îndelungat pe plantă şi apoi să fie

transportate la consumator într-o perioadă de valabilitate rezonabilă. Acest lucru modifică

gustul, textura şi aspectul fructelor. Mai important este că reducerea alterării fructelor poate

oferi accesul pe piață pentru fermierii din ţările în curs de dezvoltare. Cu toate acestea, există

uneori o lipsă de înţelegere de către cercetătorii din ţările dezvoltate a nevoilor reale ale

48

beneficiarilor potenţiali din ţările în curs de dezvoltare. De exemplu, modificarea genetică la

soia pentru creșterea rezistenței la alterare le face mai puţin potrivite pentru producerea prin

fermentaţie de tempeh, care este o sursă importantă de proteine. Soia modificată are o textură

cu cocoloașe, un gust mai puțin plăcut și e mai dificil de gătit. Primul produs alimentar

modificat genetic a fost o roșie, căreia i-a fost întârziată perioada de maturare. Cercetătorii

din Indonezia, Malaezia, Thailanda, Filipine şi Vietnam lucrează în prezent pentru întârzierea

maturării la papaya. În producţia de brânză, enzimele produse de micro-organisme oferă o

alternativă la cheag - un coagulant al brânzei - şi o alternativă de aprovizionare pentru

producatorii de brânză. Acest lucru elimină, de asemenea, și eventualele îngrijorări ale

publicului legate de alimentele derivate de origine animală, deşi nu există în prezent planuri

de a dezvolta lapte sintetic. Enzimele oferă o alternativă naturală prietenoasă la cheagul

animal, fiind mai puţin costisitoare şi oferind, în acelaşi timp, o calitate comparabilă.

Aproximativ 85 milioane de tone de făină de grâu sunt folosite în fiecare an pentru a coace

pâine. Prin adăugarea în făină a unei enzime, numite amilază, pâinea rămâne proaspătă mai

mult timp. Presupunând că o proporţie de 10-15% din pâine este aruncată (fiind veche), dacă

s-ar putea obţine măcar încă 5-7 zile în care pâinea ar rămâne proaspătă, atunci s-ar putea

economisi aproximativ 2 milioane de tone de făină pe an.

5. Reducerea dependenţei faţă de îngrăşăminte, pesticide şi alte substanţe chimice

Cele mai multe dintre aplicaţiile comerciale actuale aale biotehnologiei moderne în

agricultură sunt axate pe reducerea dependenţei fermierilor de substanţele chimice. De

exemplu, Bacillus thuringiensis (Bt) este o bacterie care trăieşte în sol şi care produce o

proteina cu calităţi insecticide. Din aceste bacterii, prin fermentaţie se obţine, în mod

tradiţional, un spray insecticid. În această formă, toxina Bt apare ca o protoxină inactivă, care

se activeayă când este digerată de o insectă. Există mai multe toxine Bt şi fiecare este

adecvată unei anumite insecte. Plantele de cultură au fost astfel modificate încât să conţină

genele pentru toxina Bt, pe care le produc în forma sa activă. Atunci când o insectă sensibilă

ingerează soiul respectiv de cultură, toxina Bt se prinde de peretele intestinal şi îi face

imposibilă hrănirea, determinând moartea insectei. Porumbul care conţine proteina Bt este

acum disponibil în comerţ în câteva ţări, permiţând controlul unui dăunător (sfredelitorul

porumbului - o insectă lepidopteră), care, în alte condiţii nu poate fi eliminat decât prin

pulverizare (un proces mult mai laborios). Culturile au fost, de asemenea, modificate genetic

pentru a dobândi toleranţă la erbicide cu spectru larg. Lipsa erbicidelor cu spectru larg şi care

nu prejudiciayă cultura a constituit un impediment permanent în eliminarea buruienilor.

Pentru a controla o gamă largă de specii de buruieni, au fost utilizate în mod curent multiple

aplicaţii ale diverselor erbicide, în detrimentul culturilor agronomice. Managementul

buruienilor s-a bazat mai mult pe metode de prevenire a apariţiei acestora, prin pulverizarea

de erbicide, eliminarea celor existente făcându-se prin cultivarea mecanică şi plivitul manual,

şi nu prin aplicaţii erbicid. Introducerea de culturi tolerante la erbicide are potenţialul de a

49

reduce numărul ingredienţilor activi folosiţi, reducând astfel numărul de pulverizări de

erbicid aplicate în timpul unui sezon, prejudiciind mai puţin culturile, ceea ce înseamnă un

randament crescut. Au fost dezvoltate culturi transgenice care exprimă toleranţă la glifosat,

glufosinat şi bromoxinil. Aceste erbicide pot fi acum pulverizate pe culturile transgenice, fără

a deteriora culturile în timp ce elimină buruienile vecine. Din 1996 până în 2001, cea mai

importantă calitate introdusă la culturile transgenice disponibile în comerţ a fost toleranţa la

erbicide, urmată de rezistenţa la insecte. În 2001, toleranţa la erbicide introdusă în culturile de

soia, porumb si bumbac a reprezentat 77% din suprafaţa totală de 626 mii km pătraţi ocupată

cu culturi transgenice; proteina Bt a fost introdusă în culturi plantate pe 15% din aceeaşi

suprafaţă, în timp ce "genele aranjate" atât pentru toleranţă la erbicide cât şi pentru şi

rezistenţă la insecte (la culturile de bumbac şi porumb) a reprezentat de 8%.

6. Producerea de substanţe noi în plantele de cultură

Biotehnologia are însă şi alte utilizări decât cele alimentare. De exemplu, substanţele

oleaginoase pot fi modificate pentru a produce acizi graşi pentru detergenţi, înlocuitori de

carburanţi şi produse petrochimice. Cartofii, roşiile, tutunul, orezul, salata verde şi alte plante

au fost modificate genetic pentru a produce insulină şi anumite vaccinuri. În cazul în care

studiile clinice viitoare o vor dovedi, avantajele vaccinurilor comestibile ar fi enorme, în

special pentru ţările în curs de dezvoltare. Plantele transgenice pot fi cultivate la faţa locului,

cu costuri mici. Vaccinurile produse acasă ar putea evita, de asemenea, problemele de

logistică şi de cost generate de transportul preparatelor convenţionale pe distanţe lungi şi

păstrarea lor la rece în perioada de tranzit. Şi, întrucât sunt comestibile, acestea nu vor

necesita seringi, care sunt nu numai o cheltuială suplimentară în aplicarea vaccinului

tradiţional, ci şi o sursă potenţială de infecţii prin contaminare. În cazul insulinei produse de

plantele transgenice, este un lucru recunoscut că sistemul gastro-intestinal descompune

proteinele, făcând imposibilă în prezent administrarea sa ca proteină comestibilă. Cu toate

acestea, ar putea fi produsă la costuri semnificativ mai mici decât insulina produsă în

bioreactoare. De exemplu, compania SemBioSys Genetica din Calgary, Canada, a raportat că

insulina pe care o va produce pe bază de şofran va reduce costurile unitare cu peste 25% şi

aproximează o reducere a costurilor de capital asociate cu construirea unei facilităţi de

producţie de insulină de peste 100 milioane dolari.

La final, o notă critică

Există şi cealaltă faţetă a problemei biotehnologiei agricole. Utilizarea extensivă a erbicidelor

a crescut şi rezistenţa buruienilor la erbicide, ducând la apariţia aşa-numitelor "super

buruieni". Pe de altă parte, au apărut reziduuri pe şi în culturile alimentare şi au fost

contaminate genetic şi culturile nemodificate genetic. În ultimii ani, s-au dezvoltat investiţiile

50

private în cercetarea şi dezvoltarea agricolă, în special în ţările în care există un cadru

legislativ eficient şi transparent şi în care, de asemenea, există o infrastructură de cercetare

comparativă şi resurse umane calificate. Este foarte important de menţionat că o dezvoltare

inadecvată din punct de vedere social, economic şi tehnologic a unei ţări poate duce la

insecuritate alimentară. Noile biotehnologii oferă o serie de oportunităţi pentru diversificarea

produselor pe bază de biodiversitate. Este necesar să se aibă în vedere nu numai contextul

local socio-economic, dar şi: nivelul de export / import de produse agricole şi de produse

derivate biodiversificate; importanţa industriei agricole mici, mijlocii şi mari în economie;

capacităţile tehnologice şi de cercetare ale ţării respective; existenţa unui cadru juridic care

stimulează conservarea şi utilizarea biodiversităţii. Trebuie avută în vedere, de asemenea,

existenţa fermierilor cu resurse limitate, pentru a asigura şi accesul acestora la beneficiile

biotehnologiilor moderne.

Experti biotehnologii, SC Stathis Pantazis (Grecia),

51

CERCETĂRI AVANSATE ÎN DOMENIUL EPURĂRII

BIOLOGICE A APELOR UZATE

Prof.dr.ing. Dan Niculae Robescu1, Prof.dr.ing. Lăcrămioara Diana Robescu,

Prof.dr.ing. Cristina Costache Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti

1dan.robescu@upb.ro

Rezumat

În ultimele decenii biotehnologiile au evoluat ca urmare a progreselor înregistrate în microbiologie şi a

cercetărilor aprofundate din domeniul geneticii. Procesele unitare care folosesc metabolismul celular al

microorganismelor se bazează pe cercetări avansate efectuate cu scopul determinării corelaţiilor optime între

forma şi dimensiunile reactoarelor biologice şi condiţiile biochimice ale activităţii microbiene. Progresele

înregistrate în construcţia calculatoarelor şi a softurilor moderne de calcul permit integrarea numerică a

ecuaţiilor procesului cu obţinerea soluţiilor numerice care conduc la optimizarea exploatării. Modelarea şi

simularea proceselor hidrodinamice şi biochimice utilizate în staţiile de epurare este o nouă metodă de

optimizare a tehnologiei de epurare.

Cuvinte-cheie reactoare biologice, microorganisme, substrat, modelare, simulare, biotehnologie

Introducere

Tehnologiile de epurare a apelor uzate se bazează pe o succesiune de procese unitare de natură fizică,

chimică şi biologică. Pentru realizarea scopului final, acela de reţinere şi neutralizare a corpurilor minerale şi

organice dispersate în mediul apos, trebuie să se asigure, încă din etapa de concepţie şi proiectare, următoarele

cerinţe:

constituirea unei succesiuni corecte şi normale în tehnologia de epurare în conformitate cu debitele şi

încărcările apei uzate; în acest sens se menţionează faptul că nu se poate stabili o schemă general valabilă –

proiect tip – deoarece fiecare categorie de apă uzată îşi are caracteristicile ei specifice locului de provenienţă;

corelarea formei şi dimensiunile obiectelor din staţia de epurare (separator de grăsimi, deznisipator,

bazine de aerare etc.) cu echipamentele şi cu necesităţile procesului unitar care se desfăşoară în acestea;

proiectarea unor forme şi dimensiuni greşite a obiectului tehnologic fie nu conduce la purificarea apei, fie

implică un consum nejustificat de energie şi reactivi chimici;

52

corelarea factorilor de natură hidrodinamică cu cei chimici, fizici şi biochimici astfel încât operaţiile să

se desfăşoare în condiţii optime tehnologic şi eficiente energetic.

În tehnologiile biologice se stabilesc expresii care permit calculul tehnic al procesului unitar pe baza

încărcărilor organice exprimate în CBO5. Coeficienţii din aceste relaţii, în special cei de cinetică biochimică, se

stabilesc pe baza experimentărilor efectuate în laborator pe culturi pure de bacterii. În practică apar mai multe

probleme care fac ca rezultatele estimate prin calcule să difere de realitate:

culturile microbiene sunt mixte – populaţii mixte de bacterii până la metazoare a căror coeficienţi

cinetici diferă de cei stabiliţi în laborator pe culturi pure;

întreaga activitate microbiană se desfăşoară în mediul apos şi toate expresiile de calcul nu consideră

factorii hidrodinamici – nu există coeficienţi care să considere regimul de mişcare din mediul polifazat existent

în reactoarele biologice;

actuala metodologie de calcul se bazează pe indicatorul CBO5, care reflectă încărcarea organică din

mediul apos, nu corespunde necesităţilor de programare, control şi conducere automată a staţiilor de epurare

care impun determinarea valorilor parametrilor operaţionali în timp util, real.

În ultimele două decenii cercetările efectuate de colective mixte de ingineri şi biologi au abordat

probleme diferite de natură hidrodinamică şi biochimică. În aceste cercetări teoretice, efectuate prin modelarea

şi simularea proceselor unitare şi experimentale, se caută să se dea un răspuns la modalităţile de corelare optimă

a acestor factori în scopul optimizării şi eficientizării tehnologiei. Cercetarea teoretică permite stabilirea unor

corelaţii optime între factorii geometrici, hidrodinamici, chimici şi biochimici deoarece prin simulări se pot

studia cazuri mult diferite de realitate. În acest mod se vor obţine evoluţii ale proceselor care, în mod sigur, vor

conduce la zone de optim.

Progresele înregistrate în construcţia calculatoarelor, creşterea vitezei de lucru şi a memoriei, precum şi

dezvoltarea unor programe specializate au permis abordarea unor probleme din ce în ce mai complexe.

Modelarea şi simularea proceselor biologice

Modelarea proceselor este una dintre metodele cele mai folosite pentru precizarea influenţei factorilor

care intervin şi determină un proces sau o tehnologie. Procesele biologice pot fi studiate cu costuri reduse şi cu

suficientă precizie prin modelare matematică. Astfel, au fost dezvoltate şi proiectate procese biologice exclusiv

prin modelare şi simulare, cum ar fi procesul BABE (Bio Augmentation Batch Enhanced). O descriere exactă a

proceselor biologice, din toate punctele de vedere, poate conduce la un sistem de ecuaţii foarte complicat şi deci

dificil de rezolvat. De aceea, se apelează la simplificări, în limite rezonabile, astfel încât să nu fie alterate

structura şi evoluţia procesului studiat. Nu trebuie să se se uite faptul că modelul matematic reprezintă de fapt o

simplificare a realităţii. Astfel, el poate fi îndepărtat de realitatea naturală, datorită multitudinii parametrilor de

natură diferită din care numai o parte poate fi cuprinsă în relaţiile matematice, dar el trebuie să descrie procesul cu o

anumită acurateţe astfel încât rezultatele să poată fi utilizate practic.

Autoepurarea apelor

Autoepurarea apelor este un proces complex fizico-chimic, biologic şi bacteriologic prin care

încărcarea unei ape în suspensii minerale şi organice se reduce în aval de sursa de impurificare. În analiza

procesului biochimic de degradare a substanţelor organice este important să se pună în evidenţă regimul

oxigenului dizolvat, deoarece acesta, indirect, va pune în evidenţă starea de impurificare cu materii organice. În

modul cum se tratează acest bilanţ al oxigenului se poate face echilibrul pentru orice impurificator ţinând cont

de procesele specifice acestuia. Concentraţia oxigenului dizolvat în masa de apă este rezultatul a două reacţii

antagoniste:

a) Reacţia de consum a oxigenului necesar microorganismelor pentru oxidarea biochimică a compuşilor

organici

b) Reacţia de reaerare – proces de transfer de masă a oxigenului din aer în apă sub influenţa forţei

motoare – deficitul faţă de saturaţie:

53

Prin integrarea celor două ecuaţii diferenţiale care descriu aceste reacţii se obţin soluţiile generale

pentru încărcarea organică şi deficitul de oxigen faţă de saturaţie, între limitele punctelor de deversare a

poluantului şi în aval punctul de control. Cele două puncte sunt corelate prin lungimea de parcurs a râului sau

prin timpul necesar de curgere a râului pentru realizarea unei stări de salubritate corespunzătoare condiţiilor

impuse de lege. Importanţa practică a unui astfel de studiu este faptul că se poate determina distanţa până la care

nu se poate dispune de apă calitativ corespunzătoare pentru o nouă captare. Dacă pe sectorul de râu menţionat

apar noi descărcări de apă uzată atunci acesta se va prelungi în aval ca o zonă degradată.

Fiecare curs natural are o anumită limită a posibilităţilor de autocurăţire. La depăşirea acesteia pot

apărea pe cursul natural modificări bruşte, ireversibile şi râul poate deveni un râu mort. Situaţia se poate redresa

numai după ani de reaerare artificială a cursului natural fără a mai deversa în acesta ape uzate. Cursul natural

poate să preia o mică cantitate de poluanţi fără ca prin aceasta să apară modificări ale florei şi faunei. Astfel se

poate armoniza staţia de epurare cu emisarul. Un grad de epurare de 100 % nu este posibil de realizat tehnic şi ar

costa imens. Aşadar, se acceptă grade de epurare între 70…98 %, în funcţie de categoria de calitate a emisarului

şi de posibilităţile tehnice ale staţiei de epurare concepute, urmând ca râul să preia restul şi să finiseze procesul.

În fig. 1 şi 2 se prezintă o parte din rezultatele obţinute prin rularea unui program realizat în Matlab,

pentru diverse debite ale râului şi diverse debite de efluent şi concentraţii de compuşi organici deversaţi

exprimate în CBO5.

În urma epurării clasice a apei se poate elimina circa 53…58% azot total şi 20…40% fosfor total.

Compuşii de azot şi fosfor au efecte directe şi indirecte asupra râului. Aceşti compuşi accelerează procesul de

eutrofizare, iar o concentraţie mare a azotului este toxică pentru peşti.

În ţara noastră majoritatea staţiilor de epurare a apelor uzate nu dispun de treaptă pentru îndepărtarea

nutrienţilor. În plus, există companii care deversează apele uzate direct în râu, fără o tratare a acestora. Se poate

studia prin modelare distribuţia concentraţiei azotului în lungul râului, ţinând seama de apa deversată de staţia

de epurare (Qseau), de scurgerile de apă de pe terenurile agricole din apropierea râului (Qagric) şi de deversările de

apă uzată de la un poluator (Qindustrial), fig.3. Se presupune că nu există azot redus în curentul de apă din amonte,

iar în punctul A amestecarea este perfectă. De asemenea, se presupune că nu apare o reducere a azotului înaintea

punctului A, sistemul este staţionar şi efectul volatilizării este neglijabil.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

4

4.5

5

5.5

Debitul raului [m3/s]

Concentr

atia c

ritica a

oxig

enulu

i diz

olv

at

in r

au [

mg/l]

Variatia concentratiei critice a oxigenului dizolvat in rau in functie de debitul raului

Fig. 2. Variaţia concentraţiei oxigenului dizolvat în masa de

apă a râului funcţie de debitul acestuia.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

2

4

6

8

10

12

timp [zile]

Concentr

atia o

xig

enulu

i diz

olv

at

[mg/l]

Variatia concentratiei oxigenului dizolvat in rau in functie de timp, pentru diferite valori ale debitului raului

Fig. 1. Variaţia concentraţiei oxigenului dizolvat in lungul

râului în funcţie de timp (0...10 zile) pentru debitele râului de 10, 20, 30, 40, 50, 100 m3/s

Qrau

54

Se calculează azotul redus în punctul A şi

distribuţia concentraţiei de azot în lungul râului în ipoteza

în care nitrificarea începe din punctul A şi viteza de

degradare urmează o ecuaţie de ordinul întâi.

Acest studiu, deşi este realizat în anumite

ipoteze astfel încât să fie foarte simplu, ilustrează foarte

bine impactul pe care îl are poluarea compuşilor de azot

asupra mediului. Calculele şi trasarea grafică a profilelor

concentraţiei s-au realizat printr-un program în Matlab. O parte din rezultatele obţinute se prezintă în fig. 4 şi 5.

Poluarea lacurilor

Poluarea lacurilor reprezintă o problemă globală importantă în cadrul protecţiei mediului şi a

dezvoltării durabile a unei regiuni geografice. În România, ca şi în alte ţări, cauza principală a poluării lacurilor

o constituie deversările de nutrienţi. Principalele surse de poluanţi sunt scurgerile de pe terenurile agricole şi

forestiere, precum şi epurările incomplete ale apelor uzate municipale sau industriale. Astfel, circa 79 % din

apele uzate, provenite de la principalele surse de poluare, ajung în receptorii naturali neepurate sau insuficient

epurate. În plus, apele lacurilor preiau cantităţi uriaşe de gunoi menajer sau industrial ce se descarcă direct sau

pe mal de către cetăţeni sau societăţi comerciale, precum şi ape uzate rezultate de la gospodăriile amplasate pe

mal.

Poluarea lacurilor a avut ca efect, pe plan ştiinţific, cooperarea internaţională pentru studiul acestui

fenomen şi stoparea lui, precum şi prevenirea eutrofizării şi reabilitarea lacurilor afectate.

Modelarea poluării lacurilor este o problemă delicată dearece trebuie să ţină seama de o multitudine de

factori: mărimea lacului, adâncimea lacului, configuraţia malului, numărul şi mărimea debitelor de apă care intră

şi ies din lac etc. Se propune un model simplificat, care ţine seama de: volumul de apă al lacului, debitul de apă

încărcată cu poluanţi care intră în lac şi concentraţia la intrare a poluantului. Volumul lacului şi debitul volumic

de apă care intră în lac se presupun constante în timp. Considerând ecuaţiile de bilanţ masic în ipoteza

amestecării perfecte şi diferite situaţii pentru concentraţia la intrare a poluantului în lac (traptă, impuls, rampă

sau sinusoidală), precum şi reacţii de diferite ordine (0, 1 sau 2) s-a realizat un model în Simulink-Matlab pentru

determinarea concentraţiei de poluant în lac, fig. 6. În fig.7 se prezintă variaţia concentraţiei de poluant în lac

pentru o intrare de tip treaptă şi reacţie de ordinul 0.

Fig. 3. Amplasarea punctelor de calcul pentru studiul

impactului.

Fig. 4. Variaţia concentraţiei azotului redus în masa de apă a

râului la diferite de bite ale efluentului staţiei de epurare şi o

concentraţie de 0,1 mg/l N.

Fig. 5. Repartiţiile de concentraţie a azotului la diferite debite la

diferite de bite ale efluentului staţiei de epurare şi o concentraţie de

90 mg/l N

Punctul A

Qamonte QIndustrial

Qagric

Qseau

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Distribuţia concentraţiei azotului redus în lungul râului Qaval=2:2:22 m3/s, Qseau=0.1:0.1:1.1 m3/s for Nseau=0.1 mg/l

Con

ce

ntr

aţia

a a

zo

tulu

i re

du

s [

mg

/l]

timp [zi] Punctul A

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

Distribuţia concentraţiei azotului redus pentru Qamonte=2:2:22 m3/s, Qseau=0.1:0.1:1.1 m3/s, Nseau=90.0 mg/l

Co

nce

ntr

aţia

azo

tulu

i re

du

s [m

g/l]

timp [zi] Punctul A

55

Modelarea şi simularea cineticii proceselor biologice

Sistemele microbiene sunt foarte complexe, iar modelele care le descriu pot deveni foarte complicate.

S-a dovedit totuşi că o serie de modele simple pot descrie satisfăcător performanţele proceselor biochimice.

Aceste modele se bazează pe ecuaţiile bilanţului masic pentru microorganisme şi pentru substrat, utilizând o

serie de ipoteze simplificatoare: se consideră că într-un reactor se găsesc micoorganisme dintr-o singură specie,

uniform distribuite în întreg volumul reactorului; se neglijează fenomenele stocastice, deşinumărul mare de

celule din procesele biochimice pot determinaţii deviaţii aleatoare; amestecarea este completă.

Se consideră un model pentru studiul cineticii proceselor biologice în regim continuu, fără recirculare,

adaptabil procedeelor biologice de epurare la care apa uzată intră în reactorul biologic şi-l părăseşte modificată

în compoziţie şi concentraţie, cum ar fi: lagune, iazuri aerate, şanţuri de oxidare, unităţi pentru stabilizare aerobă

sau anaerobă a nămolurilor. Procedeul fără recirculare va necesita un timp de retenţie hidraulic şi un reactor

biologic considerabil mai mari decât sistemele cu recirculare la aceeaşi calitate a efluentului. Se utilizează

ecuaţiile de bilanţ masic pentru simularea evoluţiei concentraţiei microorganismelor, respectiv concentraţia

substratului în timp cu ajutorul unui program dezvoltat în Matlab-Simulink, fig. 8. Se pot simula diferite situaţii

în ceea ce priveşte concentraţia substratului la intrare şi constantele cinetice. În fig. 9 se prezintă variaţia

concentraţiei substratului şi microorganismelor la ieşire pentru diferite valori ale vitezei de creştere a

microorganismelor.

Sistemele biologice cu recircularea nămolului

activ pot creşte concentraţia de microorganisme şi pot genera alternative adiţionale. Decantorul secundar are un

rol deosebit de important deoarece cantitatea de solide recirculată şi calitatea efluentului depinde de eficienţa

separării. În raport cu procedeul fără recirculare acest sistem oferă o mai mare flexibilitate şi adaptabilitate a

culturii microbiene la condiţiile de lucru cu substratul organic. Pentru studiul cineticii procesului cu recirculare a

fost dezvoltat un model în Simulink – Matlab, fig.10, tot pe baza ecuaţiilor de bilanţ masic pentru

microorganisme şi pentru substrat.

Fig. 7. Variaţia concentraţiei poluantului în lac în cazul variaţiei

concentraţiei la intrare de tip treaptă

Fig.6. Modelul Simulink pentru studiul distribuţiei poluantului în lac

Fig. 8. Modelul Simulink pentru studiul comportării sistemului

de ecuaţii care descriu procesul biologic

Fig. 9. Variaţia concentraţiei microorganismelor şi substratului la K’s =0.05,

K’d =0.01 pentru diferite valori ale vitezei de creştere a microorganismelor

um

S1

substrat

X1

biomasa

X1,S1

s

1X1

tt

TT

s

1S1

Mux

Kd

a

f(u)

Clock

11

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Ks'=0.05 Kd'=0, 0.01 m'=0.5, 1.0, 1.5, 2.0 Ki'=0 - sistemul de ecuaţii 3.36 – 3.37

X1'

,S1'

timp t'

0.5

0.5

1.0

1.0

1.5

1.5

2.0

2.0

X1', Kd'=0 S1', Kd'=0 X1', Kd'=0.01 S1', Kd'=0.01

56

Modelarea şi simularea proceselor din bazine de sedimentare

Pentru realizarea procesului de separare a fazelor trebuie asigurate condiţiile hidrodinamice necesare

deplasării particulelor solide care au tendinţa de depunere. În acest scop forma bazinului, structura zonei de

admisie a apei încărcate cu suspensii şi respectiv de colectare şi evacuare a apei purificate trebuie bine studiate

şi corelate între ele astfel încât să se asigure, pe cât posibil, realizarea unui regim laminar de mişcare a apei.

Modelarea procesului de sedimentare într-un decantor radial şi obţinerea curbelor de egală concentraţie

pe verticala bazinului este posibilă prin ecuaţia de dispersie adaptată la condiţiile şi geometria bazinului.

Acestea permit stabilirea geometriei optime a bazinului de sedimentare, precum şi fixarea zonelor de descărcare

a nămolului format pe fundul decantorului. O parte din rezultatele obţinute prin relizarea unui model în

FlexPDE pentru rezolvarea ecuaţiei de dispersie se prezintă în fig.12 şi 13, observându-se faptul că decantorul

din fig. 13 este supradimensionat.

Modelarea curgerii în bazinul de aerare

Performanţele de oxigenare şi ale procesului biologic depind de geometria bazinului de aerare.

Problema principală în transferul de masă şi în susţinerea în stare de suspensie a flocoanelor de nămol activ este

cea a repartiţiei de viteze cu identificarea zonelor de viteză mică şi eventual maximă. În zonele de viteză mică

apar depozite de nămol prin sedimentarea flocoanelor, iar în cele cu viteze mari flocoanele de nămol activ pot fi

fragmentate. Sunt foarte multe cazuri în care echipamentele de aerare nu sunt acordate cu forma şi dimensiunile

bazinului de aerare aferent. Cunoaşterea curgerii în bazinele de aerare este esenţială pentru optimizarea

procesului, pentru identificarea zonelor izolate şi a zonelor stagnante în care substanţa se deplasează foarte încet,

cu respectarea curgerii primare. Dacă aerarea se realizează cu aeratoare mecanice, pentru intensificarea mişcării

apei din bazinul de aerare, generată şi indusă de maşina hidraulică, se introduce un tub de aspiraţie sub rotorul

Fig. 10. Modelul Simulink pentru studiul comportării dinamice a

sistemelor de ecuaţii care descriu cinetica procesului biologic cu

recirculare

Fig. 11. Variaţia concentraţiei microorganismelor şi substratului la

K’s =0.05, K’d =0.01, μ’m= 1.0, β=0.9, =0.3, pentru diferite valori

ale coeficientului de inhibare K’i

dispersia suspensiilor solide in decantorul radial

danila3: Cycle=161 Time= 2.0000 dt= 0.1134 p2 Nodes=401 Cells=186 RMS Err= 2.2e-4Integral= 12.09659

21:16:26 5/14/02FlexPDE 2.21b

X

0. 2. 4. 6. 8. 10. 12.

Y

-2.

0.

2.

4.

6.

8.

a

b

c

d

d

d

e

fg

h

i

jk l m

n

o

C

max 0.76o : 0.75n : 0.70m : 0.65l : 0.60k : 0.55j : 0.50i : 0.45h : 0.40g : 0.35f : 0.30e : 0.25d : 0.20c : 0.15b : 0.10a : 0.05min 0.02

Fig. 12. Repartiţiile de concentraţie în decantorul radial cu diametrul

24 m, adâncime 5.6 m

dispersia suspensiilor solide in decantorul radial

danila3: Cycle=225 Time= 2.0000 dt= 0.1031 p2 Nodes=402 Cells=183 RMS Err= 0.0012Integral= 23.30448

20:41:41 5/14/02FlexPDE 2.21b

X

0. 5. 10. 15. 20. 25.

Y

-10.

-5.

0.

5.

10.

15.

ab

c

d

d

ef

gh

ij

kl

m

n op

qr

C

max 0.94r : 0.90q : 0.85p : 0.80o : 0.75n : 0.70m : 0.65l : 0.60k : 0.55j : 0.50i : 0.45h : 0.40g : 0.35f : 0.30e : 0.25d : 0.20c : 0.15b : 0.10a : 0.05min 0.02

Fig. 13. Repartiţiile de concentraţie în decantorul radial cu

diametrul D = 48 m; adâncimea h = 5.6 m

2.0 um

S1 substrat

X1 biomasa

0 beta

0 alfa

X1,S1

s 1

X1

t T

s 1

S1

Mux

1 u

Math Function

0 Kd

0 KL

f(u) Fcn

Clock

1

1

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

timp t'

X1

', S

1'

Ks'=0.05 m'=1.0 Kd'=0.01 =0.3 =0.9 Ki' - variabil - sistemul de ecuaţii 5.77 – 5.78

X1' S1' Ki'=0

Ki'=100

Ki'=10

Ki'=1.0

Ki'=0.5

57

aeratorului. In acest mod aeratoarele mecanice de suprafaţă se pot utiliza şi în cazul bazinelor cu adâncime mai

mare decât cea recomandată.

Una dintre metodele de modelare a mişcării mediului apos în bazinul de aerareconstă în utilizarea

tehnicilor de modelare CFD. Prin utilizarea programului MixSim – Fluent se pot realiza numeroase variante

pentru studiul condiţiilor şi regimurilor de curgere prin bazine – reactoare. Avantajul metodei este că simularea

se realizează foarte uşor şi rapid dacă se respectă condiţiile necesare acestui proces. În figura 15 se prezintă

simularea procesului de curgere din spaţiul unui reactor biologic aerat în care echipamentul de oxigenare de

suprafaţă funcţionează cu tub de aspiraţie amplasat sub rotor. Se remarcă intensificarea mişcării în comparaţie

cu cazul din figura 14, în care există o zonă moartă sub rotor.

Modelarea proceselor de oxigenare

Procesele de oxigenare pot fi modelate prin

considerarea ecuaţiei de dispersie a oxigenului.

Astfel, se pot obţine profilele de concentraţie ale

oxigenului dizolvat în bazinul de aerare, în scopul

determinării amplasării optime a echipamentului de

aerare astfel încât să existe o concentraţie a

oxigenului dizolvat în întreg bazinul

corespunzătoare procesului biologic, identificării

zonelor cu deficit de oxigen şi a zonei în care să se

amplaseze sonda de măsură a oxigenului dizolvat.

În fig.16 se prezintă profilele de

concentraţie a oxigenului dizolvat pentru o porţiune a bazinului de aerare în care se utilizeză difuzori poroşi

pentru insuflarea aerului.

Concluzii

Condiţiile din ce în ce mai restrictive privind evacuarea efluenţilor staţiilor de epurare au impus

dezvoltarea metodelor de proiectare şi operare optime care să asigure o epurare eficientă. Datorită progreselor

tehnicii de calcul, procesele care intervin în epurarea biologică pot fi studiate prin modelare şi simulare

numerică. Modelarea proceselor biologice este dificilă din cauza complexităţii microorganismelor implicate, a

poluanţilor prezenţi în diverse concentraţii, a factorilor de natură diferită care influenţează procesul. Există în

literatura de specialitate diverse abordări ale modelării proceselor biologice, apărute pe măsura dezvoltării

cunoştinţelor în domeniu. Modelele prezentate în această lucrare oferă o imagine conceptuală asupra proceselor

biologice, încercând să descrie complexitatea acestora prin termeni simpli, astfel încât ele trebuie utilizate cu

precauţie în diverse cazuri reale, necesitând adaptări pentru diverse situaţii.

Fig. 14. Liniile de curent generate de echipamentul mecanic.

Fig. 15. Liniile de curent generate de echipamentul mecanic care

lucrează cu tub de aspiraţie. Modelare aerare cu difuzori porosi

bazin aerare cu difuzori porosi: Cycle=80 Time= 0.5737 dt= 0.1186 p2 Nodes=2935 Cells=1395 RMS Err= 3.7e-4Integral= 20.87889

20:52:37 1/2/09FlexPDE 5.0.9

X

-1. -0.5 0. 0.5 1. 1.5 2. 2.5 3.

Y

0.

0.5

1.

1.5

2.

2.5

3.

3.5

4.

a

bc

d

e

f

g

hh

h

i

i

i

ii i

j

j

j

k

kk

l

l

l

l

m

mmn o

p p

o

x

C

max 10.0s : 10.0

r : 9.50q : 9.00p : 8.50o : 8.00n : 7.50

m : 7.00l : 6.50k : 6.00j : 5.50i : 5.00

h : 4.50g : 4.00f : 3.50e : 3.00d : 2.50

c : 2.00b : 1.50a : 1.00min 0.63

Fig. 16. Profilele de concentraţie ale oxigenului dizolvat în bazinul

de aerare

58

Bibliografie

1. Grady, C.P.L., Daigger, G.T., Henry, C.L. Biological Wastewater Treatment, second ed. revised and

expanded, Marcel Dekker Inc., 1999.

2. Henze, M., van Loosdrecht, M., Ekama, G., Brdjanovic, D. Biological Wastewater Treatment:

Principles, Modeling and Design, IWA Publishing, 2008.

3. Jeppsson, Ulf. Modelling aspects of wastewater treatment processes. Lund University, Suedia, 1996.

4. Metcalf&Eddy. Wastewater engineering. Treatment and reuse, fourth edition, McGraw Hill, 2003. 5. Robescu, Dan, Lanyi, Sz., Robescu, Diana, Constantinescu, I., Verestoy, A.. Wastewater treatment.

Technologies, installations and equipment. Editura Tehnică, Bucureşti, 2001. 6. Robescu, Diana. Modelarea proceselor biologice de epurare a apelor uzate, Editura POLITEHNICA

Press, 2009. 7. Robescu, Diana, Lanyi, S., Verestoy, A.., Robescu, Dan. Modelarea şi simularea proceselor de epurare,

Editura Tehnică, Bucureşti, 2004. 8. Schutze, M. R., Butler, D. Modelling, Simulation and Control of Urban Wastewater Systems, Springer

Verlag, 2002.

59

METODE ALTERNATIVE DE EPURARE A APELOR

Prof.dr.ing. Cristina Costache1, Prof.dr.ing.Dan Robescu,

Prof.dr.ing. Diana Robescu Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti, România

1cris_cos_ro@yahoo.com

Rezumat: Apele uzate din domeniul industrial şi menajer trebuie epurate ȋnainte de a fi deversate ȋn mediul

ȋnconjurător. O metodă alternativăde epurare constă ȋn Un utilizarea epurării ‖naturale‖ ȋn iazuri şi

lacuri. Se prezintă epurarea cu ajutorul plantelor ȋn varianta cu flux orizantal, cu flux vertical şi cu flux

superficial precum şȋ mecanismele care stau la baza ȋndepărtării principalilor poluanţi din ape.

Cuvinte cheie: fitoepurare, plante emergente, fitoepurare cu flux orizontal, fitoepurare cu flux vertical,

fitoepurare cu flux superficial, epurare biologică

Introducere

Apele uzate provenite din domeniul menajer sunt colectate intr-un sistem de canalizare şi conduse spre

staţia de epurare. Metodele de epurare a apelor uzate care utilizează echipamente mecanice şi care necesită un

consum de energie sunt considerate metode convenţionale. Alături de acestea există tehnici care simulează

acţiunea „naturală‖ de epurare şi care se desfăşoară ȋn iazuri şi/sau ȋn lacuri care se pot denumi metode

alternative. Metodele alternative de epurare se aplică apelor uzate provenite de la comunităţi de peste 50 le (1

locuitor-echivalent este încărcarea organică biodegradabilă cu un consum biochimic de oxigen la 5 zile (CBO5)

de 60 g O2/zi. Se consideră că un om produce zilnic această cantitate de materii organice poluante ȋn urma

metabolismului şi a activităţilor menajere).

Fitoepurarea (epurarea apelor cu ajutorul plantelor)

O metodă de epurare utilizată din vechi timpuri şi aprofundată la sfârşitul anilor ’70 ȋn Germania este

fitoepurarea sau epurarea cu ajutorul plantelor.

Aplicarea acesteia este utilă în treapta a doua sau a treia de epurare şi poate conduce la următoarele

randamente de îndepărtare: (Vyzamal, 1998).

CBO5........................................70-90%

SS..............................................70-90%

Azot...........................................50-80%

Fosfor........................................30-50%

Bacterii......................................90-99%

Fitoepurarea prezintă o serie de avantaje cum sunt:

- construcţie simplă care constă dintr-un bazin cu un consum energetic redus,

- un impact limitat asupra mediului,

- manipulare şi gestionare simple şi cu costuri reduse,

- operarea nu este influenţată de variaţia încărcării hidraulice şi organice

- absenţa mirosului.

Totuşi există câteva dezavantaje care se referă la:

- necesitatea unor spaţii mari

- timp relativ lung până la atingerea regimul de funcţionare (10-15 luni.)

Sistemele de fitoepurare se prezintă ȋn multe variante legate de plantele folosite, sensul de curgere al

apei, modul de impermeabilizare a spaţiului de lucru. Plantele acvatice sunt plutitoare, emergente când rădăcina

60

este pe fundul bazinului, iar restul este deasupra apei şi plante submergente cu rădăcina şi restul plantei sub

nivelul apei.

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

Fig.1 Epurarea apelor uzate cu curgere orizontală sub nivelul apei (Brix, 1993)

termică a sistemului în timpul iernii şi ȋmpiedică dezvoltarea insectelor. Sistemul posedă o zonă în care plantele

sunt adaptate.

O primă variantă de sistem de fitoepurare este cel ȋn care curgerea este de la stânga la dreapta,

orizontală. Bazinul în care plantele sunt adaptate este impermeabilizat şi umplut cu materiale inerte de

preferinţă pietriş. La intrarea şi la ieşirea din bazin a fluxului de apă există 2 zone în care granulometria este

mare pentru a asigura drenajul corespunzător al efluentului. Materialele inerte au rolul de suport în care se

dezvoltă rădăcinile macrofitelor emergente (Phragmites, Scirpus, Typha). Fluxul de apă rămâne constant sub

nivelul patului de pietriş şi curge orizontal datorită unei uşoare înclinări a fundului bazinului (1 %). Nivelul apei

în interiorul bazinului se reglează prin intermediul unei conducte de evacuare.

O altă variantă a fitoepurării se prezintă ȋn fig.2. Diferenţa faţă de varianta anterioară se referă la

materialul de umplutură dispus în straturi după cum urmează nisip, nămol şi pietriş, la curgerea verticală a

fluxului de apă şi cu evacuarea apei epurate la fundul bazinului. Alimentarea cu apă uzată se face uniform şi la

suprafaţă.

61

Fig.2 Epurarea apelor uzate cu curgere verticală sub nivelul apei (Brix, 1993)

A treia variantă de lucru constă ȋn alimentarea cu apă uzată la suprafaţă (free water surface-FWS) a

bazinului cu macrofite a căror rădăcini sunt emergente şi/sau macrofite plutitoare. Plantele folosite în acest

sistem sunt aceleaşi ca şi în cazul sistemului în care fluxul de apă este subteran la care se mai adaugă şi altele

cum este Carex aquatilis. Fluxul de apă este orizontal şi bazinul ese prezintă sub forma unui canal cu adâncimea

maximă de 40 m. Terenul din vecinătate trebuie protejat şi de aceea bazinul trebuie impermeabilizat. Un astfel

de sistem prezintă o eficienţă redusă de epurare în comparaţie cu sistemul subteran şi necesită spaţii foarte mari

motiv pentru care este recomandat în următoarele cazuri:

- când plantele reproduc o zonă umedă, adică prezintă importanţă din punctul de vedere al

naturii: bazinul este integrat ȋn mediu, se ȋmbunătăţeşte peisajului natural şi este favorizată

biodiversitatea;

Fig.3 Epurarea apelor cu flux superficial (macrofite emergente) (Brix, 1993)

62

- când rezultă o dezinfecţie a efluentului avansată ca urmare a unui timp lung de şedere ȋn bazin

sub expunere permanentă la radiaţiile solare;

- când este posibilă ȋndepărtarea azotului;

- când apa care intră ȋn bazin este deja parţial epurată şi nu există riscul apariţiei de mirosuri şi

nici de dezvoltare a insectelor ȋn această zonă.

Dacă ȋn sistemele de epurare convenţionale, factorii fizici, chimici şi biologici contribuie la epurarea

efluentului, ȋn cazul sistemelor alternative de epurare, rolul principal ȋl au bacteriile care găsesc condiţiile ideale

pentru a se dezvolta datorită substratului organic existent dispus pe materialele inerte şi pe rădăcinile plantelor

care funcţionează ca suport pe care acestea să adere. In acest sens fitoepurarea este similară cu procesele

traditionale de epurare cu biomasă aderentă pe biodiscuri sau filtre percolante cu deosebirea că acestea din urmă

necesiţă o energie mecanică suplimentară pentru a oxigena biomasa.

In fitoepurare plantele sunt cele care transferă oxigenul din atmosferă ȋn faza lichidă (efluentul

poluat), de la părţile aeriene ale plantelor spre rădăcinile lor; cu ajutorul rădăcinilor oxigenul se ȋmprăştie ȋn

zonele ȋnconjurătoare venind astfel ȋn contact cu apa poluată. Datorită zonelor cu material solid difuzia gazelor

este uşor ȋmpiedicată şi ca urmare există porţiuni de lichid fără oxigen, dar nu reprezintă un neajuns ci este utilă

ȋn epurarea apelor.

In tabelul 1 se prezintă mecanismele de ȋndepărtare a principalilor poluanţi prezenţi ȋn apele uzate.

Tabel 1 Mecanisme de ȋndepărtare a principalilor poluanţi la fitoepurare

(Sigmund, 2005)

Poluant

Mecanismul de ȋndepărtare

solide ȋn suspensie sedimentare

filtrare

solide coloidale metabolismul bacterian

adsorbţie

filtrare

CBO5 metabolism bacterian

sedimentare

azot metabolism bacterian

absorbţia plantelor

sedimentare

fosfor adsorbţie

metabolism bacterian

precipitare

absorbţia plantelor

sedimentare

sacterii şi viruşi distrugere naturală

metabolismul plantelor

sedimentare

Solidele se retin prin filtrare şi sedimentare ȋn zona de la intrarea ȋn bazin. In apele uzate menajere,

solidele aflate ȋn suspensie sunt de natura organică şi de aceea ȋn prezenţa bacteriilor o parte sunt transformate ȋn

substante inerte sau gaze şi o altă parte sunt absorbite de plante; datorită tendinţei de acumulare a solidelor pe

63

plante şi pentru a se evita colmatarea stratului de material inert este important ca la intrarea ȋn bazin să există o

zonă cu pietriş aşezat ȋn straturi cu granulometrie ȋn descreştere.

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

de o serie de factori: tipul de sol, pH, potenţialul redox. Adsorbţia este un proces electrostatic ȋn care fosforul

sub formă de ion fosfat se leagă de un metal, fier sau aluminiu sau de carbonatul de calciu prezent pe particulele

solide ale materialului care căptuşeşte bazinul.

Argila prezintă o capacitate mare de adsorbţie spre deosebire de pietrişul prezent ȋn bazin a cărui

capacitate este limitată. Capacitatea de adsorbţie a unui sol este valabilă până la ocuparea tuturor poziţiilor

disponibile adică până când nu mai există ioni de Fe şi Al disponibili să formeze precipitatul de fosfat de fier şi

fosfatul de aluminiu.

Metabolismul bacterian contribuie ȋntr-o mică măsura la ȋndepărtarea fosforului ceea ce explică de ce

randamentul de epurare este puţin peste 50% după primii ani de activitate a plantelor.

Substantele organice (CBO5) sunt parţial degradate de bacterii aerobe heterotrofe prezente ȋn

rădăcinile plantelor şi o altă parte de bacteriile anaerobe sau facultative (ultimele trăiesc ȋn prezenţa şi ȋn absenţa

oxigenului) care sunt prezente ȋn zonele mai depărtate de rădăcini. Procesele aerobe sunt importante, sunt

localizate ȋn zona ȋnconjurătoare unui sistem de fitoepurare şi sunt mai rapide decât cele anaerobe. Acest fapt se

explică prin aceea că degradarea anaerobă decurge ȋn mai multe etape cu formarea acidului lactic, metanolului

şi etanolului. Azotul din apele uzate se găseşte mai ales sub formă amoniacală ( ion NH4+) ca produs de

descompunere al proteinelor şi sub formă organică (aminoacizi, uree, particule organice). Intr-o mică măsură se

mai găseşte ca ion azotat sau ȋn forma oxidată ca acid azotic care este neglijabil. Indepărtarea azotului decurge

după reacţiile următoare:

azot organic→ NH4+

NH4+

+ 1,5 O2 → 2H+ + H2O + NO2

-

NO2- + 0,5 O2 → NO3

-

NO3- + substante organice → O2+ N2

Aceste reacţii au loc ȋn prezenţa microorganismelor specializate şi astfel ȋn sistemele de fitoepurare o

parte din biomasă participă la reacţiile azotului. Alte mecanisme de ȋndepartare a azotului sunt degajarea

amoniacului gazos, absorbţia de către unele părţi ale plantelor şi adsorbţia amoniacului de către materialul de

umplutură al bazinului.

Alternarea ȋn mediul de filtrare a zonelor aerobe cu cele anaerobe contribuie de asemenea la

distrugerea bacteriilor patogene şi a viruşilor.

Concluzii

Plantele indicate ȋn aceste sisteme sunt: Phargmites, Scyrpus, Typha datorită următoarelor

caracteristici:

-capacitate bună de dezvoltare pe orice teren cu granulometrie diversă, in conditii climatice diferite;

-rezistenţă la ȋncărcare organica mare;

-datorită unei dezvoltări considerabile a sistemului radicular formeaza o suprafaţă mare de contact mare cu

apa uzată.

Bibliografie

1. Brix H., Use of subsurface constructed wetlands for wastwater treatment-an overview, Proc of IAWQ

International seminar, 1995

2. Vymazal J. et al., Constructed wetlands for wastewater treatment in Europe, Backhuys Publishers,

Leiden, 1998

3. Stottmeister U. şi col., Effects of plants and microorganisms in constructed wetlands for wastewater

treatment, J.Biotechnology Advances 22 (2003), 93-117

4. Sigmund C., Teoria e practica della depurazione delle acque reflue, Dario Flaccovio Editore, 2005.

64

SOLUŢII DE EFICIENTIZARE ENERGETICĂ A STAŢIILOR DE EPURARE BIOLOGICE

Dan Niculae Robescu, Diana Robescu, Cristina Costache

Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti, România

Rezumat

Staţiile de epurare a apelor uzate sunt mari consumatoare de energie. Costurile acestei energii

consumate se reflectă în costurile generale de operare fapt care ridică preţul apei prelucrate în staţia de epurare.

Un management corect al consumurilor energetice identifică soluţii pentru exploatarea eficientă şi rentabilă a

SEAU – staţiei de epurare a apelor uzate. Se pot utiliza diferite surse regenerabile de energie: eoliană, solară,

geotermală, geotermică, fotovoltaică, arderea biogazului în centrale cogenerative. Costurile de investiţie a

acestor surse se recuperează într-un interval scurt de timp de până la cinci ani.

Cuvinte-cheie Staţie de epurare; consumuri energetice; microorganisme; biotehnologie; surse

neconvenţionale de energie

Introducere Staţiile de epurare a apelor uzate apelează la tehnologii sofisticate capabile să elimine din apă corpurile

dispersate şi dizolvate de natură minerală sau organică. Tehnologia de epurare este o succesiune de procese

unitare de natură fizică, chimică şi biochimică care în ansamblul lor reuşesc să reţină şi neutralizeze corpurile

din apă. Aceste operaţii unitare se desfăşoară în obiecte construite în staţia de epurare. Fiecare obiect are în

dotare echipamente hidromecanice care sunt antrenate cu energie electrică. Aşadar, în fiecare obiect din SEAU

apar consumuri energetice care global, la nivelul staţiei de epurare, ajung la valori foarte mari. Pentru staţiile

mari de epurare aceste consumuri pot ajunge la nivelul de putere instalată de circa 500 kW….1000 kW. În

costurile generale de operare ponderea consumurilor energetice poate fi de ordinul 25…40%. Managementul

energetic al SEAU este obligatoriu pentru reducerea costurilor de operare. Astăzi se caută soluţii pentru a face o

staţie de epurare independentă energetic faţă de sistemul energetic naţional.

Aspecte generale

În tehnologiile clasice de epurare a apelor menajere apar consumuri ridicate de energie în toate fazele

atât în treapta fizică (impropriu denumită mecanică) cât mai ales în cea biologică. Astfel, într-o staţie de epurare

apar consumuri de energie la următoarele obiecte:

1. staţia de pompare a influentului – este necesară acolo unde colectorul principal al canalizării este sub

cota terenului de amplasare a staţiei de epurare;

2. grătarele – motorul care antrenează mecanismele de curăţare, deshidratarea şi compactarea reţinerilor

în vederea trimiterii lor la groapa de gunoi orăşenească;

65

3. deznisipatoarele combinate cu separatoarele de grăsimi – motorul de antrenare a mecanismului de

colectare şi evacuare a nisipului, precum şi echipamentele destinate spălării nisipului reţinut; totodată

la partea de extracţie a grăsimilor din apă apar consumuri de energie la instalaţia de flotaţie cu aer

comprimat pentru spumare, colectare a grăsimilor şi evacuarea lor;

4. decantoarul primar – motorul de antrenare a podului raclor, instalaţia de colectare şi evacuare a

nămolului depus pe radier;

5. reactoarele biologice aerobe destinate eliminării materiilor organice pe bază de carbon şi, de multe ori

combinate cu nitrificarea amoniului: a) echipamentele de oxigenare a apelor uzate; b) echipamentele

destinate recirculării nămolului de la decantorul secundar; c) echipamentele de recirculare a apelor

încărcate cu nitraţi şi nitriţi;

6. decantoare secundare – echipamentele de colectare şi evacuare a nămolului depus în bazinul de

sedimentare;

7. staţia de pompare a efluentului – sunt situaţii în care acestă staţie de pompare este necesară datorită

condiţiilor locale de deversare;

8. echipamentele mecanice din gospodăria de nămol –pentru îngroşare, deshidratare etc.

Reactoarele biologice aerobe - larg utilizate în tehnica epurării apelor uzate sunt cele cărora le revine

ponderea cea mai mare din consumurile energetice ale staţiei de epurare din total; ele au o pondere de circa

40...60%. Aşadar, biotehnologiile sunt, în general, cele mai mari consumatoare de nergie din mai multe cauze:

necesitatea furnizării continue a oxigenului în mediul apos pentru asigurarea condiţiilor de

oxidare din reactoarele biologice în care îşi desfăşoară activitatea metabolică bacteriile aerobe;

menţinerea în stare de suspensie a flocoanelor de nămol activ în mediul apos din bazinul de

aerare; pentru aceasta fie se introduce mai mult aer (decât este necesar procesului aerob de

mineralizare a materiilor oraganice) care prin efect de gaz-lift menţin în suspensie foloanele

de nămol activ, fie se utilizează amestcătoare submersibile speciale capabile să creeze curenţi

hidrodinamici ce împiedică depunerea flocoanelor pe fundul reactorului.

Procesele de transfer fizice şi biochimice, care stau la baza biotehnologiilor, sunt mari consumatoare de

energie în special pentru că apare necesitatea asigurării unei mari suprafeţe de contact între cei trei factrori apă –

bule de aer – flocoane de nămol activ.

Echipamentele de oxigenare din reactoarele biologice aerobe trebuie să favorizeze contactul dintre

materia organică şi bacteriile mineralizatoare, să omogenizeze amestecul polifazat din aerotanc şi să asigure

necesarul de oxigen pentru descompunerea biochimică a materiie organice şi pentru respiraţia endogenă.

Căile de eficientizaree energetică a staţiilor de epurare biologice au la bază mai multe direcţii:

a) reducerea consumurilor energetice din SEAU printr-o analiză corectă a schemei

hidraulice şi amplasarea echipamentelor de pompare la poziţia optimă astfel încât să

se reducă sarcina la minimum;

b) elegerea şi procurarea unor echipamente eficiente care să realizeze aceleaşi cerinţe

impuse de proces cu randamente superioare şi deci cu consumuri reduse de energie

pe m3 de apă epurată;

c) comanda automată a proceselor şi echipamantelor la care se introduce restricţia de

consum energetic printr-o funcţie specială fără a afecta procesul unitar sau

tehnologie;

d) utilizarea susrselor neconvanţionale de energie – eoliană, solară, geotermică,

geotermală, instalaţii de cogenerare care funcţionează cu biogazul produs în

reactoarele biologice anaerobe din gospodăria de nămol.

e)

Soluţii pentru acoperirea necesarului de energie electrică şi termică din surse neconvenţionale Energia solară – cu panouri solare care dau direct energie termică şi panouri fotovoltaice care

furnizează direct energie electrică;

66

Energie eoliană - prin intermediul turbinelor eoliene – grup eolian mai corect – se obţine direct

energie electrică;

Energie geotermică – pompa de căldură care generează energie termică folosind căldura extrasă din

pământ sau chiar apă;

Energie geotermală – provenită din exploatarea apelor subterane calde;

Energia cogenerativă – folosind biogazul produs în staţia de epurare a apelor uzate în grupuri care

dau direct energie electrică şi termică simultan cu randamente superioare (peste 70%) în funcţie

de mărimea grupului.

Panourile solare. Fluidul colector care trece prin canalele panoului solar are temperatura crescută

datorită transferului de căldură. Panourile solare au în general una sau mai multe straturi transparente pentru a

minimaliza pierderile de căldură şi pentru a putea obţine o eficienţă cât mai mare. În general, sunt capabile să

încălzească lichidul colector până la 82C cu un randament cuprins între 40 şi 80%.

Energia eoliană. În multe zone din România există disponibil de energie eoliană şi ea poate fi utilizată

prin folosirea turbinelor eoliene, figura 1. Rotorul turbinei este din fibre de sticlă, iar generatorul electric de tip

trifazat cu magneţi permanenţi. Înălţimea turnului este de 18 m.

Fig. 1 Turbină eoliană cu rotor axial WM-20000

67

Energia solară - iluminat cu energie solară

Celule fotovoltaice. Celulele solare făcute din cristale de

silicon, arsenicat de galiu şi alte materiale semiconductoare,

transformă direct radiaţia solară în electricitate. Iluminatul incintei

staţiei de epurare a apelor uzate necesită o cantitate mare de energie

electrică; acoperirea acestui necesar din sursă neconvenţională

conduce la importante economii. Sistemele de iluminat solar fără

conectare la reţea, reprezintă o cale fiabilă, regenerabilă şi

remarcabilă pentru iluminatul spaţiilor exterioare. Atât în vederea

creşterii securităţii, ameliorării siguranţei, precum şi asigurării

vizibilităţii, iluminatul solar este o opţiune economică şi ecologică

pentru iluminatul amplasamentului. Corpul de iluminat LED este

eficient şi modern, distanţat de stâlp, producând un iluminat egal şi

strălucitor. Montajul sistemului se poate face pe aproape orice tip de

stâlp: compozit, aluminiu, oţel, lemn, sau beton.

Energia geotermică. Practic acestă formă de energie se

poate obţine prin utilizarea pompei de căldură care foloseşte o sursă

constantă de temperatură – puţ de adâncime, instalaţie îngropată la

circa 2 m cu suprafaţă mare de schimb de căldură, sau cantitatea de

căldură existentă într-un curs natural de apă. Pompa de căldură

extrage această cantitate de căldură pe care o transformă în energie

termică de încălzire a spaţiilor. Practic pompa de căldură este de fapt

o instalaţie de climatizare de tip invers sistemului care realizează frig

în incinte de tip frigider sau încăperi în perioada de vară. Este un sistem simplu, uşor de construit şi de exploatat

în orice perioadă a anului.

Energia cogenerativă - Biogazul

Biogazul rezultă în urma degradării anaerobe a ubstanţelor organice. Are două avantaje pe de o parte

este valorificat energetic datorită faptul că conţine metan (CH4) în diferite proporţii în funcţie de caracteristicile

nămolului din staţia de epurare şi pe de altă parte ajută la stabilizarea deşeurilor organice. Compoziţia

biogazului: metan (CH4) cea mai mare parte până la 70%, dioxid de carbon CO2 şi în funcţie de substrat mai

conţine hidrogen sulfurat H2S, azot N2, oxigen O2, apă H2O şi alte gaze. În funcţie de substratul şi de tipul de

fermentare utilizate compoziţia biogazului variază şi pot apare impurităţi sub formă de compuşi organici volatili

COV – uri, amoniac NH3, metale grele sau derivaţi halogenaţi. Metanul care poate fi în proporţii de 30 – 70 %

conferă biogazului valorificare energetică.

În timpul procesului de fermentare anaerobă au loc următoarele 4 reacţii:

1. Hidroliza: polimerii mai mari sunt descompuşi cu ajutorul enzimelor; din substanţele organice

insolubile şi complexe rezultă substanţe solubile şi simple;

2. Acidogeneza: fermentaţiile acidogene sunt cele mai importante, acetatul fiind principalul produs

final. De asemenea, se formează acizi graşi volatili împreună cu dioxidul de carbon şi hidrogen;

3. Acetogeneza: acizii graşi volatili şi aminoacizii se transformă în acid acetic, care disociază în

anion de acetat şi cation de hidrogen;

4. Metanogeneza: acetatul şi hidrogenul sunt transformaţi în metan şi dioxid de carbon.

În timpul procesului de fermentare se disting, în special, trei domenii diferite de temperatură:

- zona psihrofilă (criofilă), sub 20°C;

- zona mezofilă, între 20 - 45°C

- zona termofilă, între 45 - 55°C.

Fig.2 Sistem de iluminat solar

68

Modul de alimentare al fermentatorului poate fi continuu sau discontinuu. În sistemele discontinue

substratul proaspăt este introdus în vasul de reacţie împreună cu un inocul de material fermentat. În timpul uneia

din primele două zile materialul este aerat pentru creşterea temperaturii. În următoarele două sau trei săptămâni,

substratul este anaerob degradat, la început cu o creştere zilnică a producţiei de gaz. După ce a atins un maxim,

după aproximativ 10 -14 zile, producţia de gaz scade din nou pentru a atinge un platou ce se situează la

aproximativ jumătate din producţia maximă. Pentru a compensa formarea nestaţionară a gazului, sunt puse în

funcţiune, în paralel, trei sau patru fermentatoare, dar care sunt umplute în momente diferite.

O altă formă de realizare a procesului discontinuu este reprezentat de sistemele de stocare. Ele combină

tancul de fermentare şi cel de stocare într-unul singur. Acesta este umplut încet. Avantajul acestui sistem îl

reprezintă costurile scăzute.

Factorii tehnologici care influenţează fermentarea materiilor organice (nămol organic din SEAU,

plantele acvatice şi algele, alte reziduuri organice provenite de la cantine, restaurante etc.) şi de a căror

optimizare depinde obţinerea unor randamente ridicate în bioconversia energetică a reziduurilor organice sunt:

a. Temperatura. Temperatura are o influenţă complexă asupra proceselor de fermentare anaerobă a

reziduurilor organice. În practica curentă, fermentarea anaerobă a nămolurilor de la staţiile de epurare orăşeneşti

se face în zona mezofilă, temperatura optimă fiind în jurul valorii de 35°C.

b. pH - alcalinitate. Stabilitatea procesului de producere a biogazului ca şi calitatea superioară a

acestuia (proporţia ridicată de metan) depind atât de pH-ul materialului supus fermentării, cât şi de relativa

constanţă a reacţiei în cursul procesului de fermentare. Metanobacteriile sunt foarte sensibile la pH-ul mediului.

Ele se dezvoltă cel mai bine dacă reacţia este neutră, respectiv la pH 6,8 - 7,2, dar pot tolera un domeniu mai

larg de pH, cuprins între 6,5 - 8,0.

c. Elemente nutritive. Procesul de fermentare a substanţelor organice necesită existenţa unui mediu

nutritiv optim pentru dezvoltarea micro-organismelor implicate în biodegradarea materiei organice din

fermentatoare. Produsele organiceconţin cantităţi suficiente şi în raporturi echilibrate din toate elementele

esenţiale pentru nutriţia microorganismelor (carbon, azot, fosfor, sulf, microelemente). Prezenţa

microelementelor cobalt, zinc, fier şi mangan favorizează dezvoltarea rapidă a florei metanogene. Acestea joacă

rol de biocatalizatori în procesul de transformare a substanţelor organice complexe în substanţe simple şi în

îmbogăţirea mediului cu enzime şi vitamine din complexul B.

d. Substanţe toxice. Orice substanţă care inhibă activitatea microorganismelor metanogene sau care

este letală pentru acestea, prezintă un pericol potenţial pentru procesul de fermentare anaerobă. Până în prezent

nu s-au inventariat toate substanţele care au acest efect negativ şi nici nu s-au stabilit toate nivelurile

concentraţiilor toxice, toxicitatea fiind influenţată de interacţiuni complexe de antagonism, sinergism şi/sau de

adaptare a microflorei bacteriene la condiţii extreme.

e. Compoziţia substratului organic. Cantitatea de gaze care poate fi generată în cursul fermentării

anaerobe, depinde de compoziţia globală a materiei organice. Aceasta depinde de compoziţia principalelor grupe

de produse participante.

Pentru a preveni dereglarea proceselor metabolice, în bazinul de fermentare trebuie introduse cantităţi

de substanţe organice corespunzătoare capacităţii de asimilare a asociaţiei bacteriene existente, când procesul de

fermentare este în stare de echilibru cantitatea de substanţe organice introduse în bazinul de fermentare pe

unitate de volum poartă denumirea de încărcare organică a bazinului de fermentare-

f. Timpul de retenţie în bazinul de fermentare. Timpul necesar descompunerii substanţelor uşor şi

mediu biodegradabile se numeşte durata practică de fermentare şi corespunde reducerii cu cca. 60-70% a

substanţelor organice şi unei producţii de biogaz reprezentând cca. 90% din producţia maximă posibilă în

condiţii industriale.

g. Conţinutul de substanţă din substrat. Reziduurile organice cu umiditate mai redusă de 80-88% în

funcţie de granulometria particulelor şi natura substanţelor organice din care sunt alcătuite, îngreunează reacţiile

de hidroliză, întrucât difuzia şi contactul enzimelor extracelulare care catalizează reacţiile respective cu

substanţele organice se face prin mediul apos.

69

h. Omogenitatea amestecului de substrat şi biomasă în bazinul de fermentare. O condiţie de bază

pentru asigurarea unui randament optim în descompunea substanţelor organice şi conversia acestora în biogaz,

cu menţinerea unei stabilităţi corespunzătoare a proceselor metabolice, este asigurarea unui contact cât mai

uniform a substanţelor organice din reziduurile proaspete (brute) cu microflora din bazinul de fermentare.

i. Izolarea termică. Izolarea termică a fermentatorului este necesară în toate zonele geografice în care

temperatura mediului ambiant coboară mult sub temperatura optimă de lucru a instalaţiei, de regulă 30 - 35°C.

j. Îmbogăţirea cu microorganisme metanogene (inocularea). Cu toate că bacteriile metanogene sunt

prezente aproape în toate materialele organice reziduale, ele nu constituie o populaţie dominantă.

Pentru a se reduce perioada de aclimatizare a metanobacteriilor într-un fermentator nou, sau la repunerea lui în

funcţiune este indicat să se adauge un inocul bogat în metanobacterii, Ca inocul se mai pot folosi culturi de

bacterii metanogene selecţionate în laborator, din materiale organice bogate în microfloră spontană.

k. Co-digestia. Co-digestia reprezintă amestecul a două sau mai multe tipuri de reziduuri. Prin co-digestie se

poate obţine o canitate mult mai mare de biogaz. Aprovizionarea treptei de digestie anaerobă se realizează în

special din bălegar de la crescătoriile de animale (porci, bovine, păsări) şi nămolul rezultat din treapta biologică

a staţiilor de epurare a apelor uzate. În procesul anaerob se pot trata: a) nămolurile din staţiile de epurare a

apelor uzate; b) deşeurile organice animaliere; c) deşeurile municipale solide; d) deşeurile verzi (botanice); e)

deşeurile organice industriale şi comerciale. Adăugarea unui procent de 5% de nămol în deşeurile municipale

solide s-a demonstrat că îmbunătăţeşte performanţele şi stabilitatea reactorului. S-a constat că o performanţă

ridicată a digestiei anaerobe este atinsă cu o suplimentare în proporţie de 80:20 (deşeuri municipale solide:

nămol).

Avantajele co-digestiei reziduurilor animaliere cu alte deşeuri organice:

1. creşterea cantităţii de biogaz pe m3 de reactor, în consecinţă, cu beneficii financiare pentru operator;

2. deşeuri solide sunt transformate în reziduuri care pot fi pompate în amestec cu deşeurile animaliere.

Acest lucru poate duce la manipularea mai uşoară, atât în procesul de digestie cât şi după aceea;

3. se utilizează pentru a ridica eficienţa de digestia a anumitor materiale organică;

4. când deşeurile organice sunt utilizate pentru co-digestie în instalaţiile de digestie anaerobă, operatorul

îşi asumă responsabilitatea pentru utilizarea finală a digestatului rezultat;

5. ajută la atingerea unei valori ridicate a raportul N:P:K prin amestecarea diferitelor deşeuri organice.

Aspecte de bază ale proceselor de epurare anaerobă a apelor uzate.

Tehnologia de epurare a apelor uzate prin procesul biologic anaerob este potrivită pentru apele foarte

încărcate cu materii organice. Ea impune după ieşirea apei din reactorul biologic anaerob o treaptă bioloigică

aerobă pentru finisarea purificării. Spre deosebire de procesele aerobe de degradare, în cazul degradării

anaerobe, un mare număr şi o mare diversitate de microorganisme anaerobe participă la transformarea

substanţelor organice în produşii finali, nepoluanţi.

Epurarea anaerobă foloseşte tehnologii ce au fost perfecţionate în anul 1970. Reactorul biologic

anaerob este o cameră complet sigilată cu un flux continuu de apă uzată. Fiind total sigilat (etanşat) menţine o

lipsă totală de oxigen şi lumină. Aceste reactoare au în interior un număr de 55 de specii diferite de bacterii

anaerobe. Fiecare tip de bacterii va digera un tip diferit de materie organică (unele vor digera carbohidraţi,

diferite grăsimi etc). Mediu bacterial se va „adapta‖ automat la compoziţia apei uzate care intră în reactor. Daca

apa uzată rezultată este pe baza de grăsimi, de la un restaurant, abator, atunci bacteriile care digeră acest tip de

poluant vor predomina în reactor. Dacă apa rezultă de exemplu de la o fabrică de zahăr, bacteriile care digeră

carbohidraţii vor fi predominante. Poluanţii organici sunt transformaţi de bacteriile anaerobe într-un gaz de

fermentaţie – biogaz – care conţine metan şi dioxid de carbon.

Purificarea gazelor de fermentaţie anaerobă (biogaz)

Gazul de depozit pe lângă metan, componenta ce este valorificată în procesul de obţinere a energiei

electrice şi termice, mai conţine şi alte substanţe ce sunt dăunătoare instalaţiilor. Astfel, pulberile, vaporii de apă

70

şi hidrogenul sulfurat pot afecta funcţionarea corectă a instalaţiilor de producere a energiei conducând la costuri

mari de mentenanţă scăzând totodată şi eficienţa procesului de ardere. Astfel se impune necesitatea epurării

gazului de depozit pentru eliminarea compuşilor nedoriţi menţionaţi mai sus prin: a) eliminarea pulberilor cu

ajutorul filtrelor; b) reţinerea vaporilor de apă folosind silicagel; c) tratarea hidrogenului sulfurat cu ajutorul

scruberelor umede cu peliculă biologică.

Cogenerare

Cogenerarea este producerea termodinamică secvenţială a două sau mai multe forme utile de energie

dintr-o singură sursă de energie primară.

În timpul funcţionării unei centrale electrice convenţionale cantităţi mari de căldură

sunt evacuate în atmosferă fie prin circuitele de răcire (condensatoare de aburi, turnuri de

răcire, răcitoare cu apă ale motoarelor Diesel sau Otto) sau cu gazele de evacuare. Marea

majoritate a acestei călduri poate fi recuperată şi folosită pentru acoperirea necesarului

termic, această ducând la un randament de 30 – 50% în cazul centralelor electrice la 80 – 90

% în cazul sistemelor de cogenerare.

Fig. 3. Componenţa unităţii de cogenerare

Importanţa acestei investiţii constă în două aspecte fundamentale cu implicaţii directe asupra mediului

înconjurător:

1. Asigurarea unui consum constant pe toată durata anului a biogazului rezultat reducându-se în acest

fel riscurile de acumulări masive de biogaz;

71

2. Creşterea eficienţei energetice prin utilizarea unei unităţi în cogenerare şi utilizare energiei electrice

pentru a reduce consumul de energie electrică absorbită din Sistemul Energetic Naţional şi în acest

fel contribuind la reducerea volumului de gaze cu efect de seră.

5. Concluzii

Lucrarea are la bază ideea de a identifica surselor de energie neconvenţională care se pot utiliza în mod

economic în staţia de epurare a apelor uzate astfel încât să rezulte o importantă economie de energie – deci

reducerea semnificativă a costurilor de operare. În SEAU, funcţie de condiţiile locale, se pot utiliza toate tipurile

de surge regenerabile de energie care, evident, vor conduce la realizarea unor costuri reduse de operare şi la

obţinerea unor fonduri ce pot fi dirijate la alte necesităţi urgente de exploatare.

Valoarea acestei economii va putea creşte dacă se iau câteva măsuri:

1. creşterea debitului de biogaz prin utilizarea deşeurilor organice;

2. montarea mai multor turbine eoliene în spaţiul staţiei de epurare a apelor uzate;

3. măsuri de eficientizarea a operării în staţia de epurare a apelor uzate;

4. creşterea volumului de nămol de la treapta avansată de epurare cu care va fi dotată staţia de epurare

a apelor uzate.

Bibliografie

1. Anaerobic digestion of biodegradable organics in municipal solid wastes http://www.seas.columbia.

2. Anaerobic digestion, a detailed report on AD of MSW by the Institution of Wastes Management (IWM)

AD working group for IWM

3. Types of anaerobic digesters for solid wastes http://roseworthy.adelaide.edu.au/~pharris/biogas/pvdv.pdf

4. Anaerobic digestion, a detailed report on AD of MSW by the Institution of Wastes Management (IWM)

AD working group for IWM

5. Renewable energy policy project http://www.repp.org/discussion/digestion/200002/msg00054.html

6. Biogas and natural gas fuel mixture for the future http://uk.dgc.dk/pdf/Sevilla2000.pdf

7. Feedstock for anaerobic digestion http://homepage2.nifty.com/biogas/cnt/refdoc/whrefdoc/d8feed.pdf

8. Agricultural use of sewage sludge http://www.fao.org/ docrep/T0551E/

9. Process design of agricultural digestershttp://homepage2.nifty.com/biogas/cnt/refdoc/whrefdoc/

10. Methane production from municipal solid waste http://ceeserver.cee.cornell.edu/mw24/cee453/

11. Presentation by Greenfich Ltd. Based on AD http://www.london.gov.uk/mayor/strategies/

12. Questions and Answers on animal by-products http://europa.eu.int/rapid/start/

13. Animal by-products regulations http://www.defra.gov.uk/animalh/by-

prods/publicat/compost_guidance.pdf

14. Application of non agricultural waste to land http://www.sepa.org.uk/publications/

15. Scotland’s renewable resource 2001 http://www.scotland.gov.uk/who/elld/energy/SRS2001Vol2.pdf

16. AT information: Biogas http://res2.agr.ca/initiatives/manurenet/download/biogas_gtz_de.pdf

17. AGORES: A Global Overview of Renewable Energy Sources www.agores.org

18. IEA (2001): Biogas and More – Systems and Markets Overview of Anaerobic Digestion. IEA Bioenergy

Task 37, c/o Nova Energy

19. LUA (2000): LUA Draft Guideline ―Mitbehandlung von biogenen Abfällen in Faulbehältern‖.

Landesumweltamt (LUA) Nordrhein –Westfalen, Germany

20. [20] VDMA (1997): VDMA Einheitsblatt 24435 ―Anlagen und Komponenten zur anaeroben

Abfallbehandlung‖, VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V., Frankfurt / Main

21. Manualul inginerului energetician, vol. III

72

22. Droste, R.L. Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment. New York: John Wiley and Sons,

1996;

23. Heijnen, J.J., Weberl, H., Mathematical modelling of biofilm structures, 2002;

24. Metcalf and Eddy, Inc. Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, fourth edition. New York:

McGraw-Hill, 2003;

25. Robescu, D., Lanyi, Sz., Robescu, Diana, Constantinescu, I., Verestoy, A., Wastewater treatment.

Technologies, installations and equipment. Editura tehnică, Bucureşti, 2001.

26. Robescu, D., Lanyi, Sz., Robescu, Diana, Verestoy, A., Fiabilitatea proceselor, instalaţiilor şi

echipamentelor pentru tratarea şi epurarea apelor. Editura tehnică, Bucureşti, 2003.

27. Robescu Diana, Modelarea proceselor biologice de epurare a apelor uzate, Editura Politehnica Press,

2009;

28. Rojanschi, Vladimir, Bran, Sorina, Protectia si ingineria mediului, Editura Economica Bucuresti, 1997.

73

CONDUCEREA AUTOMATĂ A PROCESELOR BIOLOGICE DIN STAŢIILE DE EPURARE

Prof.dr.ing. Lăcrămioara Diana Robescu

1, Prof.dr.ing.Dan Niculae Robescu,

Prof.dr.ing. Cristina Costache Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti, România

1 diarobescu@yahoo.com

Rezumat

Lucrarea abordează aspectele specifice privind controlul automat al proceselor de epurare biologică. Se prezintă

alcătuirea unui sistem de monitorizare şi control automat, precum şi instrumentaţia disponibilă pentru măsurarea

parametrilor procesului biologic. Sunt indicaţi parametrii care pot fi controlaţi şi variabilele ce pot fi manipulate

pentrul controlul acestora.

Cuvinte-cheie Control automat, epurare biologică, monitorizare, senzori

Introducere Controlul proceselor de epurare, fie manual, fie automat, are ca scop menţinerea unuia sau mai multor

parametrii de proces la o valoare sau într-o gamă prestabilită. Deşi principiile generale ale controlului proceselor

industriale se pot aplica şi în staţiile de epurare a apelor uzate, caracteristicile staţiilor de epurare impun

consideraţii specifice în proiectarea sistemelor de control.

Datorită complexităţii proceselor fizico-chimico-biologice, în care interacţionează o multitudine de

parametrii cu natură diferită şi a numărului limitat de variabile ce pot fi manipulate este dificil de condus şi

dirijat optim o tehnologie de epurare ca sumă de procese unitare ce interacţionează reciproc. Perturbaţiile

externe (variaţia continuă sezonieră, diurnă şi orară a debitului de apă uzată şi a caracteristicilor acesteia) şi a

celor interne (apariţia organismelor filamentoase, intervenţia incorectă a operatorului uman s.a.) sunt elemente

care complică şi mai mult atât epurarea cât şi controlul automat al procesului.

Există un număr foarte mare de parametrii care trebuie supravegheaţi simultan, fiecare evoluând într-un

domeniu de valori specific procesului unitar. Evoluţia parametrilor apei uzate la intrarea în staţia de epurare este

nepredictibilă şi ea poate induce o stare de „haos tehnic‖ atunci când procesul scapă de sub control prin apariţia

unei valori total diferite de cele din domeniul ei de variaţie. Studiile au arătat că un operator poate urmări

simultan doar 7 parametrii, astfel că un simplu operator, cu toate cunoştinţele de bază din domeniu, nu poate

face faţă acestui volum mare de informaţii pentru a lua o decizie corectă de conducere. Intervalul de variaţie a

constantelor de timp fiind foarte mare, de la ordinul secundelor până la zile şi chiar săptămâni, o decizie luată

asupra unui proces poate afecta performanţele celorlalte procese atât din aval cât şi din amonte.

74

Evoluţia deosebit de dinamică a calculatorului în general şi a celui de proces în special permite adoptarea

metodei de control automat al proceselor de epurare a apelor uzate. Totodată, în ultimii ani s-a dezvoltat foarte

mult aparatura de măsură care poate preciza, într-un interval scurt de timp, o valoare măsurată „on line‖ ce poate

fi introdusă direct în calculator.

Îmbinarea monitorizării parametrilor specifici apelor uzate cu calculatorul de proces, care poate

determina şi evoluţia în scop predictiv, conduce la adoptarea deciziilor corecte, în timp real pentru conducerea

proceselor unitare de epurare şi în ansamblu a tehnologiei.

Conducerea automată a procesului de epurare biologică

Adoptarea unei soluţii adecvate de automatizare, presupune, pe de o parte cunoaşterea cât mai completă a

evoluţiei procesului, a restricţiilor tehnologice în care evoluează, iar, pe de altă parte, proiectarea şi alegerea

unei soluţii, atât ca structură conceptuală cît şi ca echipamente de automatizare care să permită conducerea

procesului după strategii predeterminate cu satisfacerea criteriilor de performanţă, impuse întregului sistem de

conducere.

Necesitatea introducerii sistemelor de conducere derivă din incapacitatea proceselor de a-şi automenţine

starea de echilibru dinamic în prezenţa perturbaţiilor. Perturbaţiile care îndepărtează procesul de la starea de

echilibru necesară menţinerii unui optim funcţional pot fi interne sau externe. De asemenea, ele pot avea un

caracter trecător, ciclic sau periodic, în marea lor majoritate fiind aleatoare. Existenţa perturbaţiilor şi acţiunea

lor directă sau indirectă asupra proceselor în sensul îndepărtării acestora de la starea de echilibru justifică

necesitatea construirii sistemelor de conducere care prin concepţia şi acţiunea lor ţind să menţină sau să readucă

procesul în starea de echilibru necesară unei bune funcţionări, adică a evoluţiei acestora în sensul dorit.

Pe măsură ce procesele de epurare a apelor uzate sunt mai complexe şi mai sofisticate,

devine mai importantă nu numai măsurarea diferiţilor parametrii, ci şi automatizarea

―răspunsului‖ echipamentelor folosite în cadrul procesului. Oricum, costurile suplimentare,

complexitatea şi întreţinerea aferente masurătorilor şi controlului procesului trebuie foarte

bine evaluate pentru a justifica automatizarea şi instrumentaţia necesară. Un eventual ghid

pentru această evaluare trebuie să respecte următoarele condiţii:

trebuie măsuraţi on-line numai parametrii de importanţă semnificativă pentru proces, deoarece costurile

traductoarelor şi sondelor specifice este ridicat;

înaintea controlării oricărui parametru din cadrul procesului, trebuie determinate reglementările proprii

existente care pot reduce nevoia controlului;

trebuie ales cel mai simplu mod posibil pentru realizarea satisfăcătoare a sarcinilor de control şi decizie;

este esenţial pentru controlul oricărui proces ca parametrul selectat să reprezinte efectiv procesul supus

controlului; (de exemplu, reglarea debitului de nămol activ în exces poate fi adaptat în funcţie de debitul

influentului);

orice sistem de control, indiferent de gradul de complexitate, trebuie să aibă posibilităţi de operare manuală-

locală; datorită posibilităţii apariţiei unei avarii, indiferent de natura ei, în sistemul automat de control,

elementul de control final, de exemplu vana, pompa sau alimentatorul trebuie, în mod obligatoriu, să poată fi

operat şi manual;

75

un sistem de control nu trebuie să fie mai ―inteligent‖ decât operatorul care-l utilizează; personalul de

operare trebuie să cunoască modul de introducere a datelor iniţiale şi interpretarea rezultatelor pe care le

oferă.

Gradul de control care este eficient din punct de vedere al costurilor este dependent de

dimensiunea staţiei. Costurile operării chiar pentru staţii cu acelaşi număr de locuitori diferă

în funcţie de tipul staţiei, operarea ei şi gradul de automatizare şi control. Este dificil să se

evalueze raportul costuri/beneficii, în special pentru că informaţiile nu sunt întotdeauna

obiective. Beneficiile investiţiei în instrumentaţia de control şi automatizare trebuie

cuantificate prin reducerea costurilor operării, substituirea investiţiei şi îmbunătăţirea calităţii

efluentului datorită unei operări mai consistente. Realizarea controlului contribuie la creşterea

capacităţii SEAU. Astfel, ca alternativă pentru extinderea fizică a staţiei se poate opta pentru

optimizarea proceselor de epurare, introducând de exemplu un sistem avansat de control de

tip SCADA.

În comparaţie cu alte procese industriale, procesele de epurare a apelor uzate au câteva elemente

distincte atât în ceea ce priveşte caracteristicile procesului, cât şi obiectivele operaţionale. Acestea necesită

consideraţii specifice în proiectarea sistemului de control. Ele pot fi grupate astfel:

a) Perturbaţii ale proceselor de epurare

compoziţia şi debitul influentului nu sunt constante, ele având variaţii orare, zilnice, sezoniere; astfel,

variabilele au un caracter aleator, cu şocuri de debit şi încărcare greu de anticipat şi evaluat

Procesele din SEAU au o scară de timp diferită - de la minute, ore până la luni; de aceea, intervenţia şi

modificarea valorilor unui parametru necesită un anumit interval de timp până apare o variaţie sensibilă în

proces

Pot apărea evenimente neprevăzute cum ar fi ploi sau descărcări de substanţe toxice

Modificarea populaţiilor microbiene

Operarea necorespunzătoare datorită fie erorilor umane, fie funcţionării defectuoase a echipamentelor

sau instrumentaţiei de monitorizare şi control

Şocuri de debit datorită pornirii/opririi pompelor; În general nu se pot face intervenţii bruşte în sistemul

hidraulic din staţia de epurare deoarece pot apare regimuri tranzitorii de tip lovitură de berbec care pot induce

fenomene secundare cu efecte greu de stăpânit;

De obicei, pentru atenuarea perturbaţiilor, staţia de epurare este prevăzută cu un bazin de egalizare –

uniformizare.

Complexitatea proceselor de epurare

76

Epurarea apelor uzate implică procese unitare multiple, cu interacţiuni puternice. Controlul unui proces

poate afecta performanţele proceselor din aval, dar şi din amonte.

Intervalul mare de variaţie a constantelor de timp:

- răspunsul hardware este de ordinul secundelor; turaţia pompelor şi poziţia vanelor pot fi modificate

în câteva secunde

- concentraţia oxigenului dizolvat se modifică în câteva minute

- debitul nu se propagă instantaneu prin staţie; dacă se deschide o pompă debitul efluentului se va

modifica în 20 – 40 minute

- concentraţia substratului variază de la minute la ore, în funcţie de viteza reacţiilor biologice şi de

timpul hidraulic de retenţie

- variaţia populaţiilor microbiene are loc într-un interval de câteva zile până la săptămâni

- modificările sezoniere, în special temperatura, va influenţa dinamica staţiei în ciclul anual

În aprecierea funcţionării SEAU trebuie analizaţi mulţi parametrii, de natură diferită, care au o evoluţie

independentă;

Sistemul trebuie să ştie să iasă din „haosul tehnic‖ care se poate instala uşor datorită multitudinii de

parametrii cu natură diferită: hidraulică, mecanică, biologică, chimică;

Condiţiile din SEAU nu sunt reproductibile; este dificil să se adopte decizii corecte operative după

datele vechi existente în banca de date;

Procesele din SEAU sunt procese cu caracter continuu datorită curgerii neîntrerupte a fluidelor

polifazate spre staţie;

b) Variabilele care pot fi manipulate

Ţinând seama de complexitatea proceselor de epurare a apelor uzate, numai un număr limitat de variabile

pot fi manipulate. Acestea pot fi, în cazul epurării biologice, debitul de aer, debitul nămolului activ recirculat,

debitul de nămol evacuat din decantorul secundar.

c) Senzorii

Până de curând lipsa senzorilor era un obstacol major pentru controlul şi automatizarea proceselor de

epurare a apelor uzate. În ultimii ani însă, aceştia au cunoscut o dezvoltare importantă, în special pentru

măsurarea nutrienţilor.

d) Obiectivele operaţionale

În general, obiectivele staţiei de epurare a apelor uzate se rezumă la conformarea la standardele de mediu

impuse pentru efluent. Acestea sunt diferite de la ţară la ţară. În cadrul Uniunii Europene criteriile de calitate ale

efluentului au devenit mai omogene, dar există diferenţe majore în modul în care sunt impuse aceste criterii.

Principalele diferenţe se referă la intervalul de timp al metodelor de recoltare a probelor (la 2 ore, 24 de ore sau

7 zile), excluderea datelor pentru evenimente extreme şi conformarea metodei de evaluare. Aceste moduri

diferite de exprimare a limitelor de descărcare influenţează fundamental proiectarea sistemului de control.

Un sistem de control, denumit buclă de control, cuprinde următoarele elemente principale: instrumentaţia

de măsură - senzorii, traductorul, convertorul, transmiterul, regulatorul automat/controlerul, elementul de

corecţie (elementul final de control) şi elementul de execuţie.

Treapta secundară este destinată epurării biologice a apei uzate încărcate cu materii organice. Procesul

utilizat în mod obişnuit este cel aerob, proces dependent de menţinerea concentraţiei de oxigen dizolvat la 1-3

mg/l. Necesarul de aer trebuie să acopere atât respiraţia microorganismelor, cât şi oxidarea substanţelor

organice. Pot fi realizate economii considerabile de energie şi bani corelând aerarea cu cererea reală de oxigen.

Parametrii de proces care trebuie menţinuţi la anumite valori se numesc parametrii controlaţi, iar cei care

pot fi modificaţi direct pentru a menţine parametrii controlaţi la valori prestabilite se numesc parametrii

manipulaţi.

Este foarte important să se aleagă corect valoarea prestabilită a parametrilor controlaţi. Ea trebuie să ţină

seama de problemele care pot să apară dacă parametrul respectiv depăşeşte acea valoare sau scade sub ea.

Instrumentaţia de măsură

77

În ultimii ani instrumentaţia de măsură în epurarea apelor uzate a cunoscut o dezvoltare importantă în

ceea ce priveşte performanţele şi fiabilitatea. Astfel, senzorii şi analizoarele on-line şi-au găsit aplicabilitate în

diferite procese din epurare a apelor uzate: controlul influentului, controlul oxigenului dizolvat, aerarea

intermitentă, recircularea internă, îndepărtarea nămolului în exces, dozarea sursei externe de carbon, controlul

nămolului recirculat, controlul fazelor în reactoarele secvenţiale, controlul precipitării etc. Realismul şi

corectitudinea datelor măsurate trebuie comparată cu cunoştinţele existente despre procesele respective. De

aceea este esenţial să se cunoască foarte bine procesele de epurare. Rezultatele oricărei măsurători au un anumit

grad de incertitudine, dar este important să se estimeze şi să se ţină seama de aceasta. Trebuie realizată

calibrarea şi întreţinerea senzorilor conform instrucţiunilor. De asemenea, este recomandată realizarea regulată a

unor măsurători de referinţă în laborator, pentru a certifica măsurătorile efectuate de senzori.

Nu este posibil să se facă o comparaţie complet echitabilă între două staţii de epurare diferite şi nici între

ţări diferite. Sistemul de monitorizare diferă în funcţie de dimensiunea staţiei, posibilităţile financiare, nivelul de

cunoştinţe al conducerii şi obiectivele care se au în vedere.

Frecvenţa măsurătorilor şi reglărilor unui parametru depinde de timpul necesar acestuia să se modifice

după apariţia unei perturbări. Timpul necesar unui parametru pentru a atinge 63.2% din diferenţa dintre

condiţiile iniţiale şi cele finale după apariţia perturbării se numeşte constantă de timp. Pentru a realiza controlul

automat aceşti parametrii trebuie măsuraţi de 10...30 de ori mai des decât constanta de timp corespunzătoare.

Deci pentru aceşti parametrii este necesară aparatură on-line de măsurare.

Amplasarea senzorilor pe fluxul de epurare este deosebit de importantă în obţinerea datelor corecte, care

să poată fi utilizate în procesul de monitorizare şi control. Criteriile de alegere a unor secţiuni sau puncte

reprezentative pentru măsurare şi recoltare a probelor pot diferi de la o situaţie la alta, dar există o serie de

consideraţii general valabile: a) amplasarea secţiunilor în imediata apropiere a punctelor de măsură a debitelor în

scopul corelării datelor calitative cu cele cantitative; b) se aleg numai acele secţiuni în care se constată

modificări esenţiale ale calităţii apelor; c) stabilirea unor secţiuni pentru urmărirea modului de asigurare a

calităţii apei necesară unor folosinţe şi în scopul evidenţierii efectelor produse de descărcarea apelor uzate

provenite de la surse de poluare mai importante. O parte din parametrii se măsoară numai cu scopul

monitorizării, alţii atât pentru monitorizare cât şi pentru comanda şi reglarea automată a proceselor. Se poate

opta fie pentru utilizarea unui senzor independent pentru fiecare parametru, fie pentru utilizarea unei staţii de

monitorizare.

În cadrul procesului de epurare biologică aerobă cu nămol activ, ar trebui făcute următoarele

măsurători:

- în bazinul de aerare

parametrii de intrare în treapta secundară, biologică: încărcare organică, amoniu, fosfor total (dacă nu au

fost măsuraţi la ieşirea din decantorul primar)

concentraţia oxigenului dizolvat – comandă suflanta pentru reducerea/creşterea debitului de aer

insuflat

potenţialul redox

pH-ul

concentraţia de amoniu (în cazul în care se face îndepărtarea compuşilor de carbon şi azot în treaptă

combinată– comandă suflanta pentru reducerea/creşterea debitului de aer insuflat)

concentraţia de suspensii din bazinul de aerare – comandă pompa de recirculare nămol activ

viteza de respiraţie a nămolului activ

debitului de aer injectat în sistemul de aerare

presiunea aerului injectat în sistemul de aerare

- în decantorul secundar

debitul de nămol recirculat

concentraţia de suspensii în nămolul activ recirculat – comandă pompa de recirculare nămol activ

adâncimea stratului de nămol din decantor – comandă pompa de evacuare a nămolului din decantor

78

concentraţia de suspensii solide la ieşirea din decantor

debitul de apă la ieşirea din decantor

Scopul controlului procesului biologic cu nămol activ este să menţină unul sau mai mulţi parametrii de

proces la o valoare prestabilită pentru a obţine eficienţa maximă în orice condiţii de operare. Aceştia sunt

parametri controlaţi şi pot fi concentraţia oxigenului dizolvat în bazinul de aerare, adâncimea stratului de nămol

din decantorul secundar şi timpul de retenţie a nămolului. Variabilele manipulate sunt, repectiv, debitul de aer,

debitul de nămol recirculat şi debitul de nămol evacuat din decantor.

În primul rând se urmăreşte controlul oxigenului dizolvat, care este pe de o parte de natură economică şi

pe de altă parte de îmbunătăţire a procesului. Se ştie că aerarea reprezintă aproximativ 60% din consumul

energetic al staţiei, iar creşterea cantităţii de oxigen dizolvat, deşi îmbunătăţeşte operarea creşte foarte mult

costurile de operare. Dar, atunci când oxigenul este insuficient se pot dezvolta microorganismele filamentoase

ceea ce conduce la calitatea şi sedimentabilitatea slabe ale nămolului. Pentru măsurarea oxigenului dizolvat se

pot folosi fie senzori pentru oxigenul dizolvat fie senzori pentru măsurarea potenţialului de oxido-reducere.

Dacă bazinul biologic este cu amestecare completă timpul de retenţie a nămolului este parametrul

fundamental care afectează eficienţa şi performanţele generale ale procesului, pe lângă raportul

hrană/microorganisme şi încărcarea organică a bazinului. Acest parametru poate fi variat în operarea staţiei de

epurare pentru a găsi condiţiile optime de sedimentare a nămolului. Dacă este prea lung determină fragmentarea

flocoanelor şi în consecinţă turbiditate în efluent. Pe de altă parte există o valoare minimă la care

microorganismele sunt spălate din sistem mai repede decât se reproduc. Pentru a menţine timpul de retenţie a

nămolului la o anumită valoare trebuie îndepărtată zilnic o anumită cantitate de nămol, de obicei din linia de

recirculare, în acest scop fiind măsurate atât concentraţia de suspensii solide din amestecul din bazinul de aerare,

cât şi din linia de recirculare. O altă variantă ar fi evacuarea nămolului direct din bazinul de aerare, iar în acest

caz debitul de nămol ce trebuie evacuat este dat de raportul dintre volumul bazinului şi timpul de retenţie a

nămolului.

Recircularea nămolului este de asemenea importantă pentru a aduce nămol proaspăt în bazinul de aerare

astfel încăt concentraţia să fie suficientă pentru a obţine eficienţa de epurare dorită în intervalul de timp dorit.

Debitul de nămol recirculat se determină fie pe baza concentraţiei de microorganisme din bazinul de aerare, fie

pe baza controlului stratului de nămol din decantorul secundar. Datorită reglementărilor legislative privind calitatea efluentului din staţia de epurare apare necesitatea

treptei de nitrificare-denitrificare cu rolul de a se elimina poluanţii pe bază de azot şi a treptei de îndepărtare a

compuşilor pe bază de fosfor. Acestea pot fi trepte separate sau pot fi incluse în procesul de îndepăratre a

compuşilor de carbon.

În treapta de nitrificare-denitrificare ar trebui făcute următoarelor deteminări:

- în bazinul de nitrificare:

concentraţia de oxigen dizolvat – comandă suflanta, mărind sau reducând debitul de aer insuflat

debitul de aer insuflat

presiunea aerului insuflat

pH-ul

concentraţia de amoniu la ieşire - comandă suflanta, mărind sau reducând debitul de aer insuflat

- în bazinul de denitrificare

concentraţa de nitraţi la ieşirea din bazinul de denitrificare – comandă pompa de recirculare

nitraţi din bazinul de nitrificare

concentraţia de suspensii în bazin – comandă pompa de recirculare nămol activ

concentraţia de oxigen dizolvat (opţional, doar pentru a avea o indicaţie a lipsei oxigenului în bazinul

de denitrificare)

debitul de nămol recirculat;

79

Senzorul este primul element dintr-o buclă de reglare, care măsoară modificările variabilei de proces şi

raportează aceste modificări. El este un instrument care îşi schimbă proprietăţile odată cu modificarea condiţiilor

din proces, care pot fi apoi măsurate.

În treapta secundară biologică, pentru măsurarea parametrilor enumeraţi anterior se folosesc următorii

senzori:

a. Senzori/Traductoare de debit

Importanţa traductoarelor de debit rezultă din rolul acestora în cadrul unor operaţii esenţiale, cum ar fi reglările

de debit, care ocupă un loc central în controlul automat al proceselor de epurare.

Traductor de debit electromagnetic

Costul debitmetrului este destul de mare, în special pentru diametre mari de conductă, dar căderea de

presiune şi întreţinerea lui sunt scăzute. Are o mare acurateţe, aceasta fiind afectată negativ doar la viteze sub 1

m/s.

Traductor de debit cu ultrasunete

Determinarea debitului utilizând ultrasunetele este o metodă neinvazivă. Debitmetrele cu ultrasunete

măsoară debitul unui fluid utilizând senzori acustici cu frecvenţa 20 kHz. Deoarece nu au piese în mişcare,

întreţinerea lor este uşoară. Ele nu au pierderi de presiune şi asigură o precizie mai bună faţă de alte aparate,

rezultatele fiind foarte uşor afectate de temperatură, densitate sau conductivitate. Există trei tipuri de debitmetre

cu ultrasunete:

Debitmetre ultrasonice cu timp de parcurs

Acestea sunt cel mai frecvent utilizate, fiind aplicate pentru fluide curate sau cu impurităţi. Sunt uşor de

instalat, întreţinerea este scăzută, nu realizează cădere de presiune şi au o bună acurateţe pentru conducte mari.

Nu pot fi însă utilizate pentru nămoluri şi este necesară montarea pe o porţiune lungă de conductă în linie

dreaptă. Pentru acest tip de debitmetru prezenţa particulelor solide sau a bulelor de gaz în fluid nu este dorită

deoarece ele reflectă undele sonore, care vor interfera cu cele transmise şi recepţionate de transmiţătorii

ultrasonici. De asemenea, lichidul trebuie să fie un conducător rezonabil de energie sonică.

Debitmetre ultrasonice cu efect Doppler

Acestea se utilizează pentru nămoluri, lichide cu bule, gaze cu particule solide sau lichide în mişcare

turbulentă. Costul este mic, întreţinerea scăzută şi nu realizează cădere de presiune. Sunt însă sensibile la

vibraţiile conductei, iar acurateţea scade la viteze sub 0,9 m/s. Recent a fost realizat şi un debitmetru clamp-on

cu efect Doppler care funcţionează cu curent alternativ sau cu acumulatori reîncărcabili. Un set de terminale

care furnizează la ieşire un semnal 4…20 mA permit conectarea la un înregistrator sau alt aparat de citire şi

control.

Debitmetre pentru canale deschise

Debitmetrele cu ultrasunete sunt utilizate cu succes pentru anumite măsurători de debit pe canale

deschise prevăzute cu deversoare sau canale cu ştrangularea secţiunii tip Venturi sau Parshall.

Pentru a indica corect debitul volumetric atât pentru debitmetrele cu timp de parcurs cât şi pentru cele

cu efect Doppler este important ca întotdeauna conducta să fie plină. Debitmetrul cu efect Doppler va continua

să indice viteza fluidului chiar într-o conductă parţial plină dacă traductorii se montează sub nivelul lichidului.

Distanţa de montaj faţă de coturi, robineţi, T-uri, pompe etc. trebuie să fie 10-20 diametre amonte şi 5

diametre aval.

Pentru debitmetrele cu ultrasunete cu timp de parcurs lichidul nu trebuie să conţină particule solide sau

bule de gaz sau aer. Bulele în special atenuează semnalele acustice.

Pe de altă parte debitmetrele cu efect Doppler se bazează pe particulele care reflectă undele sonore. De

aceea, pentru a obţine măsurători fiabile trebuie să se ţină seama de concentraţia minimă şi dimensiunea minimă

a particulelor sau bulelor. Se indică o valoare minimă a concentraţiei de particule solide sau de bule de 100 mg/l

sau ppm. De asemenea, curgerea trebuie să aibe o viteză suficientă pentru menţinerea acestora în suspensie. Unii

producători dau ca valori tipice 1,8 m/s pentru particule solide şi 0,75 m/s pentru bule de dimensiuni mici.

80

În ultimii ani s-au introdus debitmetre cu efect Doppler care operează la frecvenţe >1 MHz. În acest caz

ele pot funcţiona pentru lichide virtual curate, deoarece reflectarea undelor ultrasonice se realizează de către

vârtejurile din mişcarea turbulentă.

Numărul Reynolds influenţează performanţele debitmetrului. Astfel unele debitmetre cu efect Doppler

sau cu timp de parcurs necesită numere Reynolds de minim 4000, respectiv 10000.

Debitmetrele clamp-on necesită ca grosimea conductei să fie mică în raport cu distanţa pe care energia

ultrasonică să o parcurgă prin lichidul de măsurat. De regulă raportul diametru conductă/grosime perete

conductă trebuie să fie mai mare de 10:1.

b. Senzori de nivel

Diversitatea aplicaţiilor, atât sub raportul particularităţilor fizice cât şi ale performanţelor pe care le solicită, au

condus la o gamă relativ mare de tipuri de senzori de nivel, atât sub aspectul principiilor de funcţionare cât şi al

realizărilor tehnologice. Astfel, senzorii de nivel pot fi: capacitivi, cu determinarea hidrostatică a nivelului,

ultrasonici, cu transmitere nucleoinică sau radiometrică a nivelului, cu microunde dirijate, cu radar. Dintre

aceştia în treapta biologică de epurarea a pei se pot utiliza următorii:

Senzorul de nivel cu ultrasunete se utilizează pentru determinarea nivelului stratului de nămol din

decantoare. Se pot utiliza pentru nivele sub 1m până la 70 m şi chiar peste şi sunt disponibili într-o gamă largă

de ieşiri analoge şi digitale. Au un cost rezonabil, nu necesită întreţinere, dar spuma poate crea probleme şi pot

fi greu de calibrat.

Senzorii de nivel nucleonici sau radiometrici fac parte din metodele neinvazive de măsurare a nivelului.

Ei sunt capabili să măsoare nivelul lichidelor sau solidelor prin pereţi de oţel inoxidabil sau alte rezervoare din

metal.. Această tehnică poate fi folosită şi pentru dterminarea nivelului interfeţelor sau determinarea densităţii.

Senzorii cu microunde dirijate sunt o variantă a tehnicii de măsurare cu radar, fiind cunoscută sub

numele de „time domain reflectometry‖ sau TDR. Posibilităţile de măsurare includ măsurarea nivelului pentru

lichide şi solide, măsurarea nivelului interfeţei dintre lichide neconductive dielectrice slabe şi lichide

conductive.

Senzorii de măsurare a nivelului cu radar folosesc o tehnică neinvazivă, neafectată de modificarea

temperaturii şi presiunii procesului, vacuum, variaţia compoziţiei de gaze sau vapori, deplasarea aerului între

senzor şi suprafaţa de măsurat, densitate, conductivitate şi constanta dielectrică a produsului de măsurat.

Pentru controlul nivelului se poate utiliza şi un senzor cu furcă vibrantă. Aceasta vibrează la frecvenţa

ei intrinsecă, frecvenţă care este redusă când este acoperită de lichid. Schimbarea frecvenţei determină

acţionarea unui comutator. Un astfel de senzor se poate utiliza în rezervorul de reactivi.

c. Senzori de oxigen dizolvat

Senzorii pentru determinarea concentraţiei de oxigen dizolvat se bazează fie pe metoda electrochimică,

fie pe metoda optică.

Senzor optic de oxigen se bazează pe fenomenul fizic al luminiscenţei.

Spre deosebire de tehnologiile senzorilor de oxigen dizolvat electrochimic, senzorul de oxigen dizolvat

fluorescent nu consumă oxigen. Nu necesită recalibrare frecventă sau curăţare frecventă (cu excepţia cazului

când este asociat cu nămoluri nocive), dovedindu-se a fi un senzor cu o durată de viaţă mai mare şi oferind citiri

mult mai stabile şi mai precise. De asemenea, sistemul este independent de valoarea debitului, astfel încât

măsurătorile pot fi efectuate în staţii cu debite reduse.

Senzorul poate fi montat pe stâlp sau pe flotor şi se leagă la un controler. Întreţinerea este foarte

scăzută, dar poate interfera cu substanţe chimice fluorescente.

Senzor electrochimic de oxigen Acest senzor este fie galvanic, fie polarografic. Ambele utilizează un

sistem de electrozi unde oxigenul dizolvat reacţionează cu catodul pentru a produce un curent. Sistemele

galvanice sunt mai stabile şi mai precise la concentraţii mici ale oxigenului dizolvat. Ele pot funcţiona câteva

luni fără înlocuirea electrolitului sau a membranei, în timp ce sistemele polarografice trebuie încărcate la câteva

săptămâni.

81

d. Senzor de turbiditate/ suspensii solide Aceşti senzori se găsesc în mai multe variante, în funcţie de concentraţia de suspensii solide care se

doreşte a fi măsurată. Sunt construite fie din material sintetic, fie din oţel nobil. Senzorul conţine elemente

structurale optice şi electronice de valoare. Din acest motiv manevrarea acestuia trebuie făcută cu atenţie pentru

a nu crea şocuri mecanice puternice. El necesită calibrare periodică datorită modificării distribuţiei mărimii

particulelor.

e.Senzorul de pH

Toate sistemele de determinare a pH-ului se bazează pe principiul celulei electrochimice. Senzorii de

măsurare a pH-ului necesită întreţinere periodică pentru curăţare şi calibrare. Intervalul de timp dintre întreţineri

depinde de caracteristicile procesului şi de acurateţea şi stabilitatea dorite. În timp, proprietăţile electrice ale

celor doi electrozi se modifică. Calibrarea cu o soluţie cu pH cunoscut, numită soluţie tampon va corecta o parte

din aceste modificări, ca şi curăţarea joncţiunii dintre electrozi. Cum timpul de viaţă al oricărei baterii este

limitat, la fel şi timpul de viaţă al electrodului de pH este finit, chiar dacă lucrează într-un mediu prietenos.

f. Senzorul pentru măsurarea potenţialului redox

Măsurarea potenţialului redox este o metodă de determinare a activităţii totale a microorganismelor, ieşirea

în mV permiţând controlul automat al reacţiilor chimice. Senzorul pentru măsurarea potenţialului redox este

aproape identic cu cel pentru măsurarea pH – ului, cu deosebirea că în locul electrodului de măsură din sticlă se

utilizează un electrod realizat dintr-un metal nobil, ca de exemplu aur, argint sau chiar platină. Acestea au

avantajul că nu reacţionează chimic. Electrodul de referinţă este tot un fir Ag/AgCl, ca şi pentru măsurarea pH-

ului. Valoarea pH-ului soluţiei influenţează în multe cazuri potenţialul redox. Deoarece funcţionează pe acelaşi

principiu, s-au realizat senzori combinaţi care măsoară atât pH-ul cât şi potenţialul redox. Senzorul lucrează

corect numai dacă vârful de măsurare este complet imersat în lichid. Vârful de măsurare nu are voie să fie ţinut

mai mult de 10 minute în mediu uscat sau să iasă din mediul de măsurat. Pentru montajul senzorului, pentru

lucrările de întreţinere şi pentru transport se utilizează clapeta de transport care se umple cu 3 mol. KCL sau

soluţie tampon cu pH 4.

g. Senzori pentru măsurarea concentraţiei de substanţe organice dizolvate

Concentraţia de substanţe organice dizolvate se poate exprima prin consumul biochimic de oxigen

(CBO sau BOD în terminologia engleză), consumul chimic de oxigen (CCO sau COD) sau carbonul organic

total (COT sau TOC). Dintre acestea, cel mai adesea se determină CBO5, parametru care nu este de folos în

controlul automat al procesului, fiind determinat după 5 zile, în timp ce sistemul trebuie să ia o decizie în timp

foarte scurt. Determinarea CCO se face în aproximativ 2,5 ore, dar au fost dezvoltate metode de determinare

rapidă, în 15 minute. Determinarea COT are de asemenea avantajul că se face rapid, în 5...10 minute. Se poate

determina o relaţie de dependenţă a rezultatelor obţinute prin testele COT cu rezultatele obţinute cu testele CBO,

pentru o anumită apă uzată, astfel încât este recomandată pentru procesele de control determinarea COT. În

literatura de specialitate se găsesc valorile tipice pentru rapoartele CBO5/COT şi CBO5/CCO pentru ape uzate

orăşeneşti. Senzorii pentru determinarea concentraţiei de substanţe organice dizolvate determină fie coeficientul

de absorbţie spectrală (SAC – spectral absorbtion coefficient) la 254 nm, fie carbonul organic total. Dintre cele

două, cel mai utilizat este primul, prin care se pot determina toţi cei trei parametrii: CBO, CCO, COT.

h. Senzorul pentru determinarea concentraţiei de amoniu

Senzorul pentru determinarea concentraţiei ionilor de amoniu NH4+ poate fi utilizat cu sau fără unitate de

sedimentare. În cazul în care se utilizează fără unitate de sedimentare, proba trebuie pregătită anterior.

i. Senzorul pentru determinarea concentraţiei de nitraţi

Principiul de măsurare se bazează pe absorbţia UV de către nitraţi, la lungimi de undă mai mici de 250

nm. De aceea concentraţia acestora se măsoară direct, fără utilizare de reactivi.

j. Senzorul pentru determinarea concentraţiei de fosfaţi

82

Acest senzor determină concentraţia ionilor ortofosfaţi PO43-

pe baza principiului fotometric.

k. Respirometrul

Respirometrul măsoară viteza de respiraţie a nămolului activ, definită ca fiind cantitatea de oxigen

consumată pe unitatea de volum şi de timp de către microorganismele din nămolul activ. Ea se poate determina

pentru diferite combinaţii: nămol activ în amestecul mixt, nămol activ + probă de apă uzată, nămol activ + probă

de referinţă, nămol activ + apă uzată + probă de referinţă. Parametrii cheie care pot fi determinaţi prin

respirometrie sunt: viteza de consum a oxigenului, viteza de consum a substratului, oxigenul consumat în

procesul de oxidare a materiilor organice, materia organică biodegradabilă (CCO biodegradabil). Se pot deduce

şi alţi parametrii de operare pentru controlul procesului de epurare cu nămol activ: raportul

hrană/microorganisme, timpul de retenţie a nămolului activ, raportul de recirculare a nămolului activ, necesarul

de oxigen, viteza de transfer a oxigenului în bazinul de aerare, observarea inhibiţiei/toxicităţii prin comparaţie

cu un amestec mixt nămol activ + apă uzată de la o altă staţie de epurare. De asemenea, se pot determina

parametrii cinetici pentru modelare.

Un respirometru reprezintă de fapt un reactor în care diferite componente sunt puse în contact şi în care

condiţiile de experimentare au o mare influenţă asupra rezultatelor măsurătorii. Pentru a interpreta corect viteza

de respiraţie rezultată din experimentări trebuie specificaţi cel puţin trei factori: sursa biomasei, tipul

substratului şi timpul.

l. Senzor pentru determinarea caracteristicilor de sedimentare ale nămolului

Caracteristicile de sedimentare ale nămolului sunt cel mai adesea exprimate prin indicele volumului de

nămol, IVN. În ultima perioadă au apărut senzori care măsoară aceste caracteristici. Principala componentă a

unui astfel de senzor este un cilindru de sticlă în care se introduce o probă din amestecul mixt. Aceasta este

supusă sedimentării în condiţii asemănătoare celor din decantorul secundar. Coborârea interfeţei stratului de

nămol este urmărită folosind transmiterea luminii, măsurată fie cu ajutorul unei diode emiţătoare (LED) fixată

pe una din părţi şi a unei fotodiode fixată pe partea opusă, fie cu ajutorul unui cuplu LED fotodiodă mobil.

Traductorul este un instrument care transformă semnalul mecanic într-un semnal electric.

Convertorul este un aparat care converteşte un tip de semnal în altul. De exemplu transformă intensitatea

unui curent în tensiune, semnalul analogic în semnal digital etc.

Transmiterul este un aparat care transformă semnalul citit de la senzor la traductor într-un semnal standard

şi transmite acel semnal la un monitor sau un controler.

Regulatoarele automate/Controlerele sunt aparate care primesc datele de la instrumentele de măsurare,

compară aceste date cu valoarea de referinţă programată şi dacă este necesar semnalizează un element de control

pentru a realiza acţiunea corectivă. Regulatoarele automate/controlerele locale sunt de trei tipuri: pneumatice,

electronice sau programabile. Pentru a compensa perturbaţiile ele pot utiliza mai multe tipuri de algoritmi de

control: feedback, feed-forward, feedback şi feed-forward, în cascadă şi adaptiv.

Regulatoarele automate/controlerele pot executa funcţii matematice complexe pentru a compara datele de

intrare cu valoarea de referinţă şi pot face simple adunări sau scăderi pentru a realiza comparaţii. Deci, ele

primesc date de intrare, realizează funcţii matematice şi produc un semnal de ieşire. Controlul poate fi de tip on-

off, proporţional, integral, proporţional-derivativ, proporţional-integral- derivativ. În ultimii ani s-au dezvoltat

însă tipuri de control avansat bazat pe logica fuzzy, reţele neuronale sau algoritmi genetici.

Exemple de controlere:

- PLC (Programmable logic controllers) – sunt de obicei calculatoare conectate la echipamente de

intrare/ieşire (I/O). Calculatoarele sunt programate să răspundă datelor de intrare prin transmiterea unor

semnale de ieşire astfel încât să se menţină valoarea de referinţă

- DCS (Distributed Control Systems) – sunt controlere care pe lângă realizarea funcţiilor de control

permit citiri ale stării procesului, menţin baza de date şi interfaţa avansată om – maşină.

Elemente de corecţie (elemente finale de control) sunt elementele sistemului de control care modifică

fizic variabila manipulată. Pot fi vane, pompe, bobine etc. În procesul de control viteza de răspuns a elementului

83

de corecţie este foarte importantă. Cele mai multe îmbunătăţiri ale acestora au fost făcute pentru a micşora acest

timp.

Elementul de execuţie este partea elementului final de control care produce modificări fizice în elementul

final de control când i se semnalizează acest lucru (un exemplu ar fi elementul de execuţie al vanei care

comandă închiderea sau deschiderea acesteia în urma semnalului de control transmis de controler)

Concluzii

Având în vedere complexitatea fenomenelor care se desfăşoară în cadrul proceselor de epurare a apelor

uzate, numărul mare de parametrii constructivi şi funcţionali care intervin şi interinfluenţele neliniare care se

produc pe diferite căi între aceşti parametri, perturbaţiile aleatoare, rezultă, în mod evident, necesitatea reglării şi

conducerii automate a acestor procese. Intr-o accepţiune generală prin conducere automată a procesului de

epurare se urmăreşte menţinerea unei stări de echilibru dinamic a procesului de epurare fără intervenţia

operatorului uman. Se evită astfel o evoluţie necontrolată a parametrilor cu instalarea unei stări dezastruoase de

―haos tehnic‖. În aplicaţiile de control al proceselor de epurare efectele economice obţinute prin reglare sunt

foarte importante. Un sistem de monitorizare şi control trebuie să asigure realizarea următoarelor obiective:

reducerea costurilor, menţinerea calităţii, operare facilă, protecţia mediului şi protecţia investiţiei pe termen

lung.

Bibliografie

1. Barnett, M. W., Stenstrom, M.K., Andrews, J.F. Dynamics and control of wastewater systems, vol.6,

second edition, Technomic Publishing Company, 1998

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

3. Robescu, D., Robescu, Diana, Lanyi, S., Constantinescu, I. – Tehnologii, instalaţii şi echipamente pentru

epurarea apei, Editura Tehnică, Bucureşti, 2000

4. Robescu, Diana Robescu, D., Lanyi, S. Silivestru, V., Iliescu, S., Vlad, G., Catană, I., Făgărăşan, I.,

Ionescu, M., Panduru, V, Belu, D., Mocanu, R. – Controlul automat al proceselor de epurare a apelor uzate,

Editura Tehnică, 2008

84

APLICAREA BIOTEHNOLOGIILOR ÎN STAŢIILE MODULATE DE EPURARE

Dan Niculae Robescu, Diana Robescu, Cristina Costache

Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti, România

Rezumat

Staţiile modulate sunt destinate să epureze apele uzate colectate de la comunităţi mici. Ele trebuie să asigure o

purificare avansată în condiţiile unei tehnologii simplificate, să aibă o fiabilitate ridicată şi să lucreze în regim

automat. Lucrarea prezintă criteriile care stau la baza proiectării şi exploatării staţiilor compacte de epurare,

variante ale tehnologiilor adoptate de diferiţi constructori. Se dau informaţii despre pelicula aerobă utilizată

frecvent în reactoarele biologice ale acestor staţii care poate fi ataşată unor suprafeţe fixe sau unor corpuri

mobile antrenate în mediul apos de aerul dispersat în proces.

Cuvinte-cheie Staţie compactă de epurare; peliculă biologică; microorganisme; biotehnologie

Introducere Staţiile modulate – compacte sunt destinate epurării apelor uzate provenite de la comunităţi de mici

dimensiuni, hoteluri izolate de munte, tabere militare, şantiere de construcţii etc. Trebuie menţionat faptul că

pentru o staţie mică de epurare, compactă –modulată, nu se poate respecta o trehnologie clasică aşa cum se

aplică la staţile municipale cu mulţi locuitori echivalenţi. În acest caz se consideră o tehnologie mai simplă,

sigură, cu mai puţine procese unitare succesive.

Totodată bazinele destinate separării fazelor, precum şi cele în care se desfăşoară procese biologice

sunt concepute astfel încât să asigure separarea bună a particulelor, respectiv viteze maxime de reacţie.

Decantoarele sunt de tip cu plăci paralele înclinate care să permită separarea foarte bună a nămolului din mediul

apos.

Aspecte generale ale biotehnologiei

Condiţiile de concepţie, proiectare şi realizare a staţiilor compacte de epurare a apelor uzate sunt foarte

dure:

1. dimensiuni limitate de condiţiile de transport pe trailer până la locul de amplasare şi racordare la

reţeaua de canalizare;

2. eficienţă ridicată de epurare deoarece, de cele mai multe ori, apa epurată se poate deversa în cursuri la

condiţiile NTPA 013 mult mai dure decât cele cuprinse în NTPA 001;

85

3. fiabilitate şi anduranţă ridicată;

4. consum redus de energie;

5. funcţionare automată fără intervenţia operatorului, dar cu revizia periodică a unei echipe de întreţinere

care face mentenanţa preventivă după grafic;

6. utilizarea unor materiale rezistente la uzura prin coroziune chimică şi biochimică;

7. izolaţie termică pentru evitarea îngheţării apei;

8. staţia trebuie să facă faţă atât la eliminarea produşilor pe bază de carbon cât şi pe bază de azotr şi fosfor

pentru a elimina riscul eutrofizării cursurilor naturale.

În general, biotehnologiiile utilizate în aceste staţii sunt de tip aerob cu peliculă ataşată unor suprafeţe

solide. Aceste suprafeţe pot avea o structură şi formă variabile – plane paralele, structură de tip fagure sau de tip

particule, figurile 1, 2, 3. Cerinţa de bază este asigurarea unei suprafeţe mari de contact între apa uzată şi

pelicula biologică ataşată suportului solid.

Fig.1. Suport fix de tip fagure la biofiltru

Fig.2. Instalaţie de epurare cu biodiscuri rotitoare în reactorul biologic

86

Fig.3. Suporturi

mobile de mici

dimensiuni

pentru ataşarea

peliculei biologice

pe spiţele roţilor

Sistemul

de ataşare a unei

pelicule biologice

aerobe pe suporturi

mobile permite

asigurarea unei

mari suprafeţe de contact. Prin mişcarea acestor suporturi mobile, generată de sistemul de aerare cu bule medii,

se favorizează contactul dintre pelicula bioloigcă şi materia organică din apă şi transferul de masă dintre mediul

biologic şi oxigenul din apă.

Între procesul de epurare cu nămol activ şi cel din filmul biologic sunt deosebiri structurale. În procesul

cu nămol activ floconul este unitatea structurală de bază care conţine toate speciile comunităţii din lanţul trofic

necesare înlăturării substanţelor organice; în procesul cu film biologic speciile sunt organizate în lungul

tehnologiei de epurare, în sensul reacţiilor succesive de degradare a materiei organice, astfel că apa uzată, pe

măsura descompunerii substanţelor organice, în fiecare etapă a desfăşurării fenomenului biochimic întâlneşte

bacteriile următoare din lanţul trofic.

Pelicula biologică utilizează o succesiune de comunităţi biologice stabilite la diferite niveluri ale

filmului şi asociate cu diferite grade de epurare. Microorganismele din filmul biologic sunt mai uşor adaptabile

la şocurile încărcării organice datorită acestei succesiuni ale asociaţiilor populaţiilor biologice existente în

peliculă. În tehnologiile de epurare cu nămol activ amestecul polifazic, ce conţine flocoane, trebuie să fie mereu

agitat pentru a le menţine în stare de suspensie, ceea ce conduce la un consum ridicat de energie. În procesele cu

film biologic pelicula este fixată pe o suprafaţă solidă, dură, dar se consumă o cantitate de energie pentru

pompajul şi împrăştierea apei uzate pe suprafaţa filmului biologic.

În raport cu procedeul cu nămol activ cel cu peliculă biologică are următoarele avantaje:

- Activitate biologică superioară;

- Randamentul de epurare creşte prin recircularea nămolului;

- Economie de energie;

- Repopularea rapidă a peliculei după desprinderea filmului;

- Exploatare simplă

- Adaptare la şocurile de încărcare în materie organică .

Când microorganismele din filmul biologic mor pelicula se fragmentează, se desprinde de pe suportul

solid şi este antrenată de curentul lichid. Materialul celular distrus este reţinut în decantorul secundar sub formă

de nămol.

Pentru realizarea procesului de degradare biochimică în peliculă biologică apare necesitatea respectării

următoarelor cerinţe de bază:

87

- Crearea unei suprafeţe mari de contact, pentru materialul solid inert pe care să se fixeze pelicula

biologică, trebuie să fie caracterizată printr-o suprafaţă specifică ridicată;

- Aprovizionarea cu oxigen trebuie să se facă cu un debit corespunzător asigurării condiţiilor aerobe

necesare procesului biochimic;

- Tratabilitatea biologică a apei uzate trebuie să corespundă populaţiei microbiene.

Mediul biologic utilizat în reactoarele microstaţiei este de tip aerob. În funcţionare apare un procedeu

mixt (hibrid) în ceea ce priveşte tehnologia utilizată. Pe lângă pelicula biologică ataşată suportului fix sau mobilş

se formează în mediul apos şi flocoane de nămol activ. În acest mod mediul biologic hibrid contribuie la o

eficienţă ridicată de degradare microbiană a materiilor organice din mediul apos.

Astfel, corpurile de umplutură se caracterizează prin:

- Suprafaţa specifică de contact – raportul dintre suprafaţa exterioară a corpurilor de umplutură şi

volumul lor. Pentru o epurare cât mai eficientă a apelor uzate este necesar ca acest parametru să fie

cât mai mare posibil;

- Permeabilitatea – parametru ce apreciază posibilitatea scurgerii fluidelor prin spaţiile dintre corpurile

de umplutură. Având în vedere grosimea peliculei biologice, spaţiul necesar de curgere a apei uzate

şi a aerului, interstiţiile trebuie să fie de minimum 10 mm.

- Porozitatea – trebuie să fie suficient de mare pentru a permite schimbul substanţelor în exces din

biomasă şi o circulaţie corectă a aerului în interiorul biofiltrului. Este de precizat că porozitatea ε

scade cu reducerea diametrului echivalent al corpurilor de umplutură. Porozitatea şi rugozitatea

materialului de umplutură joacă un rol important în fixarea şi oxidarea peliculei biologice. Un filtru

bun asigură un compromis între suprafaţa specifică s maximă şi porozitatea ε suficientă pentru a

permite evacuarea biomasei şi circulaţia optimă a fazelor;

- Uniformitatea mare a materialului de umplutură – permite o permeabilitate ridicată şi favorizează

dispersia aerului şi a materiei organice în pelicula biologică;

- Rezistenţa mecanică – trebuie să corespundă preluării sarcinii de compresiune, în special dacă

corpurile stau la baza construcţiei ce lucrează prin tehnologia peliculei biologice; depinde direct de

greutatea specifică a materialului de umplutură;

- Rezistenţa chimică – este impusă de necesitatea menţinerii formei şi a grosimii corpurilor de

umplutură. Corpurile se cer a fi construite din materiale inerte care nu trebuie să intre în reacţie

chimică cu apa, constituenţii din apa uzată sau cu enzimele biochimice generate de pelicula

biologică;

- Costurile – reprezintă un parametru deosebit de important în achiziţionarea corpurilor de umplutură.

Variante ale staţiilor compacte de epurare

Staţie pentru comunităţi mici şi medii de tip CN

Separarea şi sedimentarea se face gravitaţional sau prin flotare în compartimentele de separare-

sedimentare 1, 2 şi 3, care au şi rolul de digestie anaerobă, denitrificare a nămolului recirculat şi stocare a

nămolului în exces.

88

Fig. 4. Structura internă a staţiei ce deserveşte 200 – 500 persoane

Compartimentul 6 realizează sedimentarea solidelor provenite din procesul de digestie aerobă. Nămolul

produs se recirculă către compartimentele primare, de unde ciclul se reia. Compartimentul 7 are funcţia de

dezinfecţie prin contact controlat cu tablete de clor.

Staţia individuală de epurare ape menajere MCH-N

Gama de epuratoare Astec MCH-N tratează apele menajere provenite dintr-o gospodărie (mai puţin

apele pluviale), purificându-le până la obţinerea calităţii cerută de legislaţia de mediu. Este o instalaţie

monobloc de epurare, care preia totalitatea apelor uzate menajere provenite de la gospodării cu 5-12 membri şi

în care se desfăşoară procese de biodegradare. Epuratorul Astec este prevăzut cu un sistem de dezinfecţie cu

tablete de clor.

Structura internă (fig. 5) este în 5 trepte: 2 trepte de sedimentare şi digestie anaerobă, 1 treaptă digestie

aerobă, 1 treaptă sedimentare finală şi 1 treaptă clorinare, având un grad înalt de fiabilitate şi mentenabilitate dat

de modul de funcţionare (trecerea apei dintr-un compartiment în altul se face gravitaţional, iar funcţiile de

aerare, recirculare nămol şi întreţinere-curăţare sunt asigurate de o suflantă externă).

89

Fig. 5. Structura internă a epuratorului

Fig. 2.18. Diagrama de proces

Apa uzată menajeră intră în staţia de epurare printr-o conductă Dn 110 mm în compartimentul 1 de

sedimentare a corpurilor solide şi digestie anaerobă care are şi rolul de separare a grăsimilor.

Compartimentul 2 are acelaşi rol ca şi primul realizând încă o separare a solidelor şi grăsimilor.

MICROSTAŢIE DE EPURARE DE TIP SBR Această staţie compactă asigură epurarea apelor menajere şi industriale provenite din comunităţi medii

şi mari (500 – 10.000 persoane) şi sunt constituite din mai multe rezervoare din oţel căptuşit cu strat izolator

anticoroziv din sticlă inclusiv marginile, conectate cu şuruburi şi garnituri hidroizolante în care se desfăşoară

întregul proces.

Sistemul SBR este format dintr-un singur bazin în care secvenţial au loc procese unitare de epurare

(fig. 6). Este un bazin de nămol activ în care are loc: egalizarea, aerarea şi decantarea. SBR permite eliminarea

azotului şi fosforului prin mixarea anaerobă în timpul procesului FILL şi prin pornirea/oprirea electro-

suflantelor pe durata proceselor REACT FILL şi REACT. Toate sunt uşor de programat prin sistemul de control

automat.

90

Fig. 6. Procesul secvenţial desfăşurat în SBR

STAŢIE DE EPURARE BIOLOGICĂ MONOBLOC AS-NIKKOL

AS-NIKKOL este o combinaţie de sistem de decantare şi o staţie de epurare cu nămol activ, cu

posibilitatea de a preleva monstre, amplasată într-un recipient din polipropilenă rezistent la apele uzate. În faza

de decantare primară (A/E) se reţin impurităţile solide din apele reziduale. Decantarea primară are loc

gravitaţional într-un spaţiu cu două încăperi. O parte a acestui spaţiu este rezervată stabilizării anaerobe a

nămolului şi compactării şi depozitării acestuia (E). Apa predecantată fizic curge apoi în zona de epurare

biologică (B/C). Reactorul fix (B) este prevăzut cu un biorotor cu elemente din material plastic care, prin

mişcarea de rotaţie, expune elementele biologice alternativ apei reziduale şi atmosferei. În zona nămolului activ

(C) se formează, pe de o parte datorită biorotorului, pe de altă parte prin permanenta revenire nămol-apă (a) din

decantorul secundar (D), un nămol de înaltă calitate, în suspensie, care se completează din punct de vedere

calitativ cu microorganismele biorotorului.

91

Fig. 7. Schema funcţională

În bazinul de decantare şi depozitare (A, E) are loc separarea flocoanelor din nămolul activ, de apă şi

nămol. Apa şi nămolul curg împreună cu apa admisă brută în zona biologică (C). În acest fel este asigurată

comunicarea între zona biologică, bazinul de decantare primară şi bazinul de decantare finală. Toate

componentele instalaţiei sunt executate fie din material plastic, fie din oţel inoxidabil, respectiv piese turnate.

Partea de acţionare electrică se conectează la reţea printr-un panou de comandă.

STAŢIE DE EPURARE ANAEROB – AEROBĂ A APEI UZATE TIP AS – MONOCOMP A

Staţia de epurare AS-MONOcomp A este alcătuită dintr-un container din material plastic

compartimentat în spaţii tehnologice, acesta cuprinzând decantorul primar, bazinul de activare şi decantorul

final. Partea anaerobă a staţiei este acoperită cu un capac etanş, toată staţia având un capac detaşabil,

termoizolant. În partea aerobă sunt montate elementele de aerare cu bule fine şi sistemul de distribuţie al aerului,

furnizat de o suflantă montată în afara staţiei.

Staţia de epurare AS-MONOcomp A este destinată epurării anaerob-aerobe a apei uzate menajere.

Schema tehnologică a staţiei este prezentată în figura 8.

Apa uzată curge gravitaţional în decantorul primar. Acesta este împărţit, cu ajutorul unui perete, într-un

compartiment de reţinere a substanţelor plutitoare (A) şi unul de stocare şi stabilizare anaerobă a nămolului (B).

Aici are loc pre-tratarea apei uzate.

Apa trece apoi în zona de epurare biologică, datorită suprapresiunii create de aerul insuflat în

decantorul primar, cu ajutorul suflantei. Această parte este divizată în compartimentul de epurare anaerobă (C)

şi aerobă (D). Compartimentul anaerob (C) este un reactor cu o concentraţie ridicată de biomasă pe suport. Apa

uzată este distribuită uniform la radierul acestui reactor şi curge prin aria secţiunii reactorului anaerob alternativ

în sus şi în jos. Reactorul lucrează la o temperatură între 8 şi 20°C, astfel încât nu este necesară încălzirea. Aici

are loc eliminarea a 40-70% din substanţa organică şi descompunerea parţială a substanţelor foarte stabile.

92

Fig. 8. Schema tehnologică: A - decantor primar; B - bazin de omogenizare;

C - reactor anaerob; D - reactor aerob; E - decantor final

Trecerea apei din zona anaerobă în cea aerobă se face gravitaţional. Această zonă aerobă (D) este

reprezentată printr-o activare combinată cu aer şi suportul de biomasă, urmată de o sedimentare verticală în

decantorul final. În bazinul de activare are loc eliminarea restului de substanţă organică şi nitrificarea azotului

amoniacal. Sursa de aerare este suflanta care distribuie aerul de la radier prin aeratoarele cu bule fine.

SEAU CU ELEMENTE MOBILE PURTĂTOARE DE BIOFILM

În multe cazuri de SEAU – staţii de epurare a apelor uzate – pentru care s-au analizat mai multe

posibilităţi de creştere a randamentului s-a luat în considerare şi utilizarea acestei noi tehnologii. În multe cazuri

de SEAU s-au analizat 3 posibilităţi de îmbunătăţire a gradului de epurare. Cele trei metode analizate sunt:

utilizarea unui sistem hibrid de epurare denumit şi IFAS (nămol activ combinat cu elemente purtătoare de

biofilm), utilizarea bioreactoarelor aerobe ce conţin elemente mobile purtătoare de biofilm şi utilizarea

bioreactoarelor cu membrană.

Deosebirea dintre utilizarea elementelor purtătoare şi utilizarea proceselor hibride constă în faptul că în

cazul utilizării celei de a doua metode se realizează recirculare nămolului. Cea de a treia tehnologie testată în

cadrul SEAU analizate şi menţionată anterior constă în utilizarea biofiltrelor.

Tehnologia MBBR (Mobile Bed Biofilm Reactor) este robustă şi reprezintă o soluţie viabilă pentru

îndepărtarea CBO5 şi a azotului. Pe această configuraţie se poate aplica şi nitrificarea-denitrificarea apelor uzate.

În acest sistem recircularea nămolului nu este necesară. De asemenea, nu este necesară intervenţia operatorului

uman, decât în cazul monitorizării procesului de epurare. Schema procesului este reprezentată în figura 9.

93

Fig. 9. Staţie modulată de epurare de mici dimensiuni cu elemente mobile şi peliculă ataşată (1 - compartiment

aerob pentru îndepărtare materie organică; 2 - compartiment aerob pentru nitrificare)

CONCLUZII

Staţiile de epurare monobloc au avantajul de a fi gata pregătite pentru instalare în locul dorit de

utilizator. Ele se transportă pe trailer direct de la fabricant şi se racordează rapid la canalizarea utilizatorului. Aceste staţii de epurare nu pot să fie concepute după schemele clasice de succesiune a proceselor

unitare, aşa cum este cazul SEAU urbane pentru debite mari. În cazul lor se adoptă o tehnologie simplificată în

funcţie de compoziţia apei uzate şi concentraţia principalilor poluanţi (organici, anorganici).

Tehnologia de epurare bazată pe elementele mobile, are ca principiu de bază dezvoltarea şi fixarea unei

populaţii de bacterii pe un suport de plastic intens aerat, eliminând necesitatea recirculării nămolului activat.

Datorită mişcării permanente de revoluţie şi a formei rotunde nu se permite aderarea nămolului, fiind un mediu

necolmatabil şi autocurăţitor. Biofilmul se dezvoltă în special pe suprafaţă internă a suportului, unde este

protejat. Elementele purtătoare se găsesc în toată masa de lichid şi sunt antrenate în mişcare de către bulele de

aer ce realizează oxigenarea apei uzate. În cadrul tehnologiei trebuie acordată o atenţie deosebită sistemului de

aerare. Un sistem de oxigenare, situat la baza bazinului asigură menţinerea în suspensie a elementelor

purtătoare. Folosind această tehnologie nu vor exista probleme de colmatare şi pot fi tratate ape cu mari

încărcări organice.

Bibliografie

[1]. Droste, R.L. Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment. New York: John Wiley and

Sons, 1996;

[2]. Heijnen, J.J., Weberl, H., Mathematical modelling of biofilm structures, 2002;

[3]. Metcalf and Eddy, Inc. Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, fourth edition. New York:

McGraw-Hill, 2003;

[4]. Robescu, D., Lanyi, Sz., Robescu, Diana, Constantinescu, I., Verestoy, A., Wastewater treatment.

Technologies, installations and equipment. Editura tehnică, Bucureşti, 2001.

[5]. Robescu, D., Lanyi, Sz., Robescu, Diana, Verestoy, A., Fiabilitatea proceselor, instalaţiilor şi

echipamentelor pentru tratarea şi epurarea apelor. Editura tehnică, Bucureşti, 2003.

[6]. Robescu Diana, Modelarea proceselor biologice de epurare a apelor uzate, Editura Politehnica

Press, 2009;

[7]. Rojanschi, Vladimir, Bran, Sorina, Protectia si ingineria mediului, Editura Economica Bucuresti,

1997.

94

CARACTERIZAREA NAMOLURILOR REZULTATE IN ETAPA DE EPURARE BIOLOGICA A APELOR UZATE

Rodica STANESCU

Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti, România

Rezumat

Cunoaşterea caracteristicilor şi a conţinutului nămolurilor generate din instalaţiile de epurare a apelor uzate

orăşeneşti este foarte importantă în luarea deciziilor de valorificare sau eliminare a acestora, încă din etapa de

proiectare a staţiei. Legislaţia europeană transpusă şi la nivel naţional, stabileşte criterii stricte de utilizare a

nămolurilor în agricultură stimulând în acelaşi timp aplicarea acestei metode de valorificare. Staţia de epurare

trebuie să fie proiectată corespunzător conţinutului estimat al apelor uzate şi a metodei de valorificare sau

eliminare a namolului. Metalele grele sau poluanţii organici persistenţi, proveniţi în special din evacuările

ilegale de ape uzate industriale neepurate în reţeaua de canalizare orăşenească, se pot acumula în sol şi, mai

departe, în plante. Lucrarea prezintă principalele caracteristici ale nămolurilor care trebuie cunoscute pentru

tratarea lor în condiţii optime dar şi pentru valorificarea sau eliminarea cu costuri minime şi un impact redus

asupra mediului.

Cuvinte-cheie

Nămol, epurare biologică, ape uzate orăşeneşti, caracteristici, compoziţie chimică, metale

grele.

Introducere

Această lucrare are drept scop prezentarea câtorva aspecte legate de proprietăţile şi compoziţia nămolurilor

rezultate din staţiile de epurare a apelor uzate orăşeneşti. Ca urmare creşterii volumului de ape uzate epurate,

cantităţile de nămol generate la nivel european dar şi în România au crescut astfel încât stocarea, tratarea şi

valorificarea lor reprezintă una din principalele probleme ale staţiilor de epurare. In Europa se înregistrează în

prezent un grad de valorificare a nămolurilor de circa 40%, restul fiind depozitat sau incinerat.

Valorificarea în agricultură este o metodă susţinută de legislaţia europeană. Prezenţa unor specii, cum ar fi

metalele grele, poate să facă această metoda nerecomandată.

Namolurile sunt încadrate de legislaţia europeană ca deşeuri. Astfel Lista europeană a deşeurilor încadrează

nămolurile rezultate la epurarea apelor în categoria generală a deşeurilor, având codul 19 08 05 - nămoluri de la

epurarea apelor uzate orăşeneşti.

95

Legislaţia europeană privind gestionarea deşeurilor include şi Directiva 86/278/CCE privind protectia mediului

şi în special a solurilor, când se utilizează nămoluri de la staţiile de epurare, directivă care a fost transpusă în

Romania prin OM 49/2004 pentru aprobarea Normelor Tehnice privind protecţia mediului şi în special a

solurilor când se utilizeaza namoluri de epurare în agricultură. Acest ordin a fost modificat în octombrie 2004

prin Ordinul 334/2004. In scopul utilizării nămolurilor de la epurare în agricultură cu asigurarea protecţiei

sănătăţii umane şi a naturii, directiva mai sus menţionată stabileşte condiţii privind:

• valorile concentraţiilor limită pentru metalele grele în soluri, nămoluri şi încărcări maxime anuale;

• cantităţile maxime de nămol care se pot aplica în sol;

• condiţiile în care sunt permise concentraţii mai puţin stricte de metale grele;

• utilizarea tehnologiilor de tratare a nămolului;

• frecvenţa de analiză a nămolurilor şi solurilor;

• autorizarea utilizării în sol a nămolurilor netratate;

• perioadele de interzicere a aplicării nămolului (înainte de păşunat sau recoltare);

• valori limită sau alte măsuri pentru soluri cu un pH sub 6;

• analize de sol pentru alţi parametri decât pH-ul şi metale grele;

• înregistrarea cantităţilor de nămoluri produse, nămolurilor folosite în agricultură şi concentraţia medie

de metale grele din nămoluri;

• derogări acordate pentru instalaţiile mici de tratare a apelor uzate.

Din prevederile directivei rezultă necesitatea caracterizării nămolurilor din punct de vedere al existenţei unor

compuşi periculoşi care pot avea un impact negativ asupra solului atunci când aceste este utilizat în agricultură.

Legislaţia românească (OM 757/2005) restricţionează eliminarea nămolurilor prin depozitare în depozitele de

deşeuri municipale (umiditate maxim 65%, amestecate cu deşeuri menajere în proporţie de maxim 1:10).

Caracteristici şi tipuri de nămoluri

Nămolurile sunt sisteme coloidale complexe cu compoziţie eterogenă, conţinând particule cu diametru mai mic

de 1µm, particule în faza dispersă cu diametru cuprins între 1 şi 100 µm şi particule asociate sub formă de

agregate, în suspensie, cu aspect gelatinos. Concentraţia totală în substanţă solidă înainte de prelucrare este de

mai puţin de 2,5 kg/m3. Cantităţile care se formează în diferitele trepte de epurare sunt variabile de la o sursa la

alta, în funcţie de caracteristicile fizico-chimice ale apei brute, de procedeul şi de gradul de epurare impus.

Astfel, cantităţile de nămol produse la epurarea apelor uzate orăşeneşti, sunt cuprinse între 65 si 90 g/om-zi.

O staţie clasică de epurare a apelor uzate municipale include:

• epurarea mecanică - procedeele de epurare sunt de natură fizică;

• epurarea chimică - procedeele de epurare sunt de natură fizico-chimică;

• epurarea biologică - procedeele de epurare sunt atât de natură fizică cât şi biochimică.

Nămolurile formate în procesele biologice au o compoziţie predominant organică (peste 50% substanţe volatile

în substanţa uscată) (NP 118-06). După particularităţile etapei de formare, nămolurile se pot grupa în:

Nămol brut – nămol netratat nestabilizat. În etapa de digestie pH-ul tinde să îi scadă şi produce miros.

Nămol primar - este produs în treapta de epurare mecanică. Aceasta este generat în etapele de separare

mecanică pe grilaje şi grătare (v.figura nr.1). Nămolul acumulat în partea de jos a bazinului sedimentare

primar este, de asemenea, numit nămol primar. Compoziţia acestui nămol depinde de caracteristicile surselor

care generează apa uzată. Nămolul primar conţine într-o mare măsură materii organice solide şi are

consistenţa unui lichid dens cu un conţinut de apă între 93% şi 97%.

Nămol secundar (excesul de nămol) – biomasa nerecirculată care se îndepărtează din treapta de epurare

biologică cu nămol activ; conţine materiale nehidrolizabile, sub formă de particule şi biomasă. Nămolul activ

se formează în exces la eliminarea materiei organice dizolvate şi a nutrienţilor din apele uzate în etapa de

96

tratare biologică. Aceasta se face prin interacţiunea a diferite tipuri de bacterii şi microorganisme, care

necesită oxigen pentru a trăi, cresc şi se multiplica consumând materia organică dizolvată în apă. Nămolul

rezultat din acest proces este numit nămol activ care există în mod normal, sub formă de flocoane şi care, în

afară de biomasă vie şi moartă, conţine şi compuşi minerali şi organici liberi şi adsorbiţi.

Nămol activ recirculat – nămolul separat din decantorul primar şi alimentat în bazinul de aerare.

Nămol terţiar - este produs în etapele ulterioare de epurare de exemplu, prin adăugarea unui agent de floculare.

Nămol stabilizat anaerob (fermentat) sau aerob – se formează în timpul procesului de digestie anaerobă sau

în procesul aerob de epurare biologică avansată (respectiv nitrificare cu stabilizare, sau în stabilizatorul de

nămol); are o culoare neagra si miros pământos. În funcţie de gradul de stabilizare nămolurile fermentate au

un conţinut solid de 45 - 60%.

Figura nr.1. Tehnologie de epurare a apelor uzate

Un alt tip de nămol care se poate forma este asa numitul ―nămol plutitor‖, format în urma unor condiţii

speciale, care pluteşte la suprafaţa datorită dezvoltării excesive a actinomicetelor şi alte microorganisme

filamentoase, a căror celule au o suprafaţă hidrofobă. Aceasta absoarbe aer şi azot sub formă de bule şi face ca

nămolul să de deplaseze la suprafaţa apei. Nămolul plutitor ar trebui să fie eliminat rapid pentru că duce la

formarea de spumă la tratarea anaerobă a nămolului.

In partea a V-a „Prelucrarea nămolurilor‖ a „Normativului pentru proiectarea constructiilor si instalatiilor de

epurare a apelor uzate orăsenesti" (NP 118-06) al Ministerului Transporturilor, Construcţiilor şi Turismului, sunt

indicate valori ale cantităţilor specifice de nămol rezultat din diverse etape.

Tabel nr.1. Conţinutul în substanţă uscată şi rata de generare a nămolurilor în staţiile de epurare

97

Sursă: Ordinul MTCT 1729/2006 pentru aprobarea reglementarii tehnice "Normativ pentru proiectarea constructiilor si

instalatiilor de epurare a apelor uzate orasenesti - Partea a V-a: Prelucrarea namolurilor", indicativ NP 118-06

Cunoaşterea caracteristicilor şi proprietăţilor nămolurilor constituie o premiză esenţială pentru stabilirea

tehnicilor de prelucrare, valorificare sau eliminare.

Pentru caracterizarea nămolurilor se apelează la indicatori generali (umiditate, densitate, pH, raport compuşi

minerali/compuşi volatili, capcitate calorică etc.) şi la indicatori specifici (substanţe nutritive, metale grele,

hidrocarburi şi grăsimi etc.) care depind în principal de caracteristicile apei uzate care a fost supusă epurării.

Compoziţia chimică

Compoziţia generală a apelor uzate municipale este bine înţeleasă. În scopul de gestionării calităţii apei,

poluanţii din apele uzate municipale pot fi clasificaţi în următoarele cinci categorii:

• materia organică (exprimată ca CBO - consum biochimic de oxigen),

• microorganisme (agenţi) patogene,

• nutrienti (azot si fosfor),

• compuşi periculoşi (atât organici cât şi anorganici), şi

• minerale dizolvate.

Poluanţii pot fi clasificaţi în continuare (după Camp şi Messerve, 1974 ) în materii:

• sedimentabile,

• în suspensie,

• coloidale şi

• dizolvate.

Epurare biologică a apelor uzate produce diferite tipuri de nămol în diverse etape care se formează în principal

pe baza unor componenţi existenţi în apa uzată (compuşi organici şi nutrienţi) şi care înglobează cea mai mare

parte din celelalte substanţe poluante.

Caracteristicile nămolului variază după vechimea sa, adică după timpul scurs de la formarea sa, timp în care s-au

desfăşurat a procese de descompunere bacteriană. Namolurile tinere pot conţine un număr mult mai mare de

agenţi patogeni decât cele mai vechi. Ele trebuie să fie întotdeauna manipulate cu grijă pentru a evita

contaminarea cu agenţi patogeni.

Apa din nămol. Datorită prezenţei solidelor, nu toată apa din nămol are proprietăţi fizice similare din punct de

vedere al presiunii de vapori, entalpie, entropie, vâscozitatea şi densitatea (Katsiris şi Kouzeli-Katsiri, 1987;

Vesilind, 1994).

Comportamentul unei molecule de apă în timpul procesului de deshidratare a nămolului este foarte variabil în

funcţie de apropierea sa de faza solidă. De obicei, sunt considerate două tipuri principale de apă: apa libera, care

nu este influenţată de particulele solide şi apă legată a cărei proprietăţi sunt modificate datorită prezenţei de

solidelor. Estimarea cantităţii de apă liberă (apă legată fiind diferenţa până la apa totală) se bazează pe aceasta

diferenta de comportament. Bazându-se pe variaţia unor proprietăţi, pot fi folosite diferite tehnici pentru a

măsura conţinutul de apă liberă (uscare în vid sau la presiune atmosferică, teste de dilatare, de separare

centrifugală, de filtrare, analiza termică diferenţială etc.).

Clasificarea numai în două categorii de apă este adesea insuficientă pentru a înţelege şi prevedea mecanismele

de deshidratare şi de pretratare care sunt de obicei asociate cu aceasta (coagulare, floculare, condiţionarea

termică). În consecinţă, pot fi de asemenea, luate în considerare tipuri suplimentare de apă. În general în

literatură sunt propuse, patru tipuri de apă, între diversele clasificări existând câteva mici diferenţe din punctul

de vedere al terminologiei (Vaxelaire şi Cezac, 2004):

98

Apă liberă, apa neasociată cu particule solide, inclusiv apa din golurile dintre particule care nu este

afectată de forţele capilare.

Apă interstiţială, din interiorul unor fisuri şi spaţii interstiţiale ale flocoanelor şi microorganismelor;

Apă de suprafaţă: apă aderentă la suprataţa particulelor solide sau reţinută prin adsorbţie.

Apă legată (de hidratare):

- biologic - apă intracelulară, care reprezintă o parte a celulelor organismelor vii prezente în

nămol, legate prin forţe moleculare într-o faza stabilă (nămolul);

- chimic - apă intercelulară, care reprezintă o parte a reţelei cristaline moleculare în faza stabilă

a nămolului;

- fizic - în coloizi, legat datorită tensiunii superficiale prezente la limita dintre faze.

Conţinutul în substanţe organice în suspensie se exprimă ca substanţe volatile în suspensie (mg/ m3) (materii

volatile în suspensie) (SVS), adică pierderea la calcinare la 550oC, şi reprezintă diferenţa între reziduul uscat şi

reziduul fix = SU – RF.

reziduul uscat (substanţă uscată, SU sau s.u.) - reziduu ramas după uscare la 105 o

C, mg/ m3 şi

reprezintă în acelaşi timp total solide în suspensie (TSS);

reziduul fix (total) (RF) - reziduu ramas după uscare şi încălzire la 550 o

C, mg/ m3; reziduul fix (total)

reprezinta, de fapt, conţinutul în substanţe minerale al apei analizate sau al nămolului analizat.

Atunci când este evaluat reziduul pentru o apă cu suspensii, mai întâi se filtrează suspensiile.

Metale grele şi nutrienţi. Conţinutul de nutrienţi (N, P, K) prezintă o importanţă deosebită atunci când se are în

vedere valorificarea nămolului ca îngrăşământ agricol sau amendament pentru sol. De asemenea, utilizarea în

agricultură a nămolului este condiţionată de prezenţa şi de concentraţia metalelor grele datorită gradului ridicat

de toxicitate. Nămolurile pot fi contaminate cu metale grele şi alţi poluanţi. Chiar dacă nămolul menajer conţine

cantităţi reduse de metale grele, în general sub limitele admisibile, totuşi nămolul rezultat din epurarea apelor

rezultate din amestecarea celor orăşeneşti cu cele industriale poate conduce, în funcţie de profilul industriei, la

creşterea concentraţiei de metale grele în nămol. Pretratarea apelor uzate industriale este o condiţie obligatorie

înainte de descărcarea în canalizare. Tratarea nămolurilor contaminate cu concentraţii mari de metale grele sau

substanţe chimice toxice va fi mai dificilă şi potenţialul de valorificare a nămolurilor va fi limitat.

Nămolul conţine substanţe nutritive esenţiale (azot şi fosfor) şi este potenţial benefic ca îngrăşământ pentru

plante. Carbonul organic în nămolul odată stabilizat, este de asemenea un amendament pentru sol, deoarece

conduce la îmbunătăţirea structurii solului. Totuşi utilizarea în agricultură este limitată de prezenţa ionilor

metalelor grele.

Directiva 86/278/ECC prevede următoarele concentraţii limită pentru namolurile utilizate agricultură (mg/kg

SU): Pb: 750-1.200, Cd: 20-40, Cr: 1.000-1.500, Cu: 1.000-1.500, Ni: 300-400, Hg: 16-25, Zn: 2.500-4.000.

Gasco şi Lobo au caracterizt un nămol de la o staţie de epurare din Spania evidenţiind un conţinut de metale

grele (exprimat ca şi conţinut total (TCm), legat de carbonul organic total (OCm) şi legat de carbonul organic

dizolvat (DOCm)) (Tabelul nr. 1), sub valorile limită admise de legislaţia europeană pentru a putea fi utilizat în

agricultură.

Tabelul nr.2. Conţinutul în metale grele a unui nămol dintr-o statie de epurare din Spania

Sursa: G. Gasco´ , M.C. Lobo, Composition of a Spanish sewage sludge and effects on treated soil and olive trees, Waste

Management 27 (2007) 1494–1500

99

Poluanţii organici persistenţi (POPs). Ca urmare a stabilităţii chimice şi a rezistenţei la biodegradare, POPs se

distribuie între faza lichidă şi namol, astfel încât concentraţiile din nămol pot înregistra valori mari. La aplicarea

nămolului pe sol, rata de aplicare totală (cu nămolul)a POPs în sol nu trebuie să depăşească viteza lor de

degradare (rata de acumulare negativă). Odată adăugaţi pe sol, poluanţii organici persistenţi din nămoluri suferă

o întreagă gamă de procese, de exemplu, adsorbţie/desorbţie, degradare (chimică şi biologică), volatilizare,

eroziune şi levigare, care pot acţiona la reducerea concentraţiei de POPs potenţial disponibili absorbţiei de către

plante (O'Connor, 1996).

Caracteristicile fizico-chimice

Caracteristicile fizico-chimice ale nămolurilor depind de provenienţa apei uzate şi tehnologia de epurare. Pentru

a caracteriza nămolurile se apelează la indicatori generali (umiditate , greutate specifică, pH, raport

mineral/volatil, putere calorifică etc.

Datorita naturii complexe a nămolurilor, indicatorii generali şi specifici se completeaza şi cu alţi parametri care

caracterizeaza modul de comportare a nămolurilor la anumite procese de prelucrare (fermentabilitate, rezistentă

specifică la filtrare, compresibilitate etc.). Principalele caracteristici fizico-chimice ale nămolurilor, care prezintă

interes în tehnologia de prelucrare şi eliminare sunt prezentate în continuare.

Indicele de volum al nămolului (IVN). Comportarea la sedimentare a flocoanelor de nămol activ este de o

mare importanţă în tratarea biologică. Flocoanele trebuie să fie uşor detaşabile, astfel că biomasa să poată fi

separată din apa epurată şi recirculată în etapa de aerare. În cazul în care procesele biologice nu se desfăşoară în

condiţii optime, se poate forma un nămol voluminous, dezvoltat în masă, care are caracteristici extrem de

nefavorabile decantării şi îngroşării. În cele mai multe cazuri nămolul voluminos se acumulează în clarificator,

caz în care aceasta formează un strat gros care trebuie îndepărtat pentru a preveni evacuarea lui prin preaplin.

IVN se defineşte ca fiind volumul (în mL) ocupat de 1 g nămol (substanţa uscată) după 30 min de sedimentare.

Pentru calcularea IVN se aplică relaţia:

IVN (mL / g)= VN (mL / L) / SU (g / L)

unde VN = volumul nămolului (volumul specific), pe care nămolul îl atinge într-o anumită perioadă de timp

de sedimentare (de obicei, 30 min) dintr-un litru de suspensie iniţială, în mL/L.

SU = substanţa uscată aflată într-un litru de suspensie, în g/L

Pentru nămolul voluminos format în masă indicele de volum este mai mare de 150 mL / g.

Umiditatea (conţinutul de apă, exprimat în %) reprezintă o deosebită importanţă în prelucrarea şi transportul

nămolului. Aceasta variază în limite largi în funcţie de tipul nămolului (din treapta de epurare primară,

secundară etc.). Nămolul provenit de la grătare şi site au umiditate de circa 60%, nămolul primar proaspăt 95-

97%, nămolul activ excedentar 98-99,5%, nămolul de precipitare 92-95%.

La prelucrarea nămolului este importantă cunoaşterea modului de legare a apei şi energia necesară pentru

îndepărtare.

Densitatea nămolului rezultat din epurarea apelor uzate municipale depinde şi ea de etapa din care provine

nămolul: nămolul primar brut are o greutate specifică de 1,004-1,010 t/m3, nămolul activ excedentar are valori

mai mici, în jur de 1,001 t/m3, iar după îngroşare 1,003 t/m

3.

Conţinutul în substanţă uscată (SU) sau reziduul uscat la 105oC, variază în limite largi, în funcţie de

provenienţa nămolului, de la 10 g până la 1300 g într-un m3 de apă uzată (vezi Tabelul nr.3). Raportul mineral/

100

volatil este un criteriu de clasificare al nămolurilor (nămol organic în care M/V1 şi nămol anorganic în care

M/V1) şi un criteriu de selecţie a procedeelor de prelucrare.

Tabel nr.3 Valori ale încărcării în SU pentru diverse tipuri de nămol

Sursă: Ordinul MTCT 1729/2006 pentru aprobarea reglementarii tehnice "Normativ pentru proiectarea constructiilor si

instalatiilor de epurare a apelor uzate orasenesti - Partea a V-a: Prelucrarea namolurilor", indicativ NP 118-06

Puterea calorifică a nămolului variază în funcţie de umiditate şi de conţinutul în substanţă organică (substanţe

volatile) (kJ/kg). Pentru a putea fi incinerat, nămolul trebuie supus unui proces de deshidratare. La o umiditate

de 10-20% puterea calorifica se situeaza în jurul valorii de 12000 kJ/kg SU.

Pentru o primă aproximare a valorii puterii calorifice brute a nămolului de la staţiile de epurare a apelor uzate

orăşeneşti se poate utiliza relaţia lui Du Long (Technical Report, 2004):

GCV = 32810 x C + 142246 x (H-O/8) + 9273 x S

unde:

GCV = puterea calorifică brută unităţi în kJ / kg SU;

C, H, O şi S = fracţie masică din SU a carbonului, hidrogenului, oxigenului şi respectiv sulfului.

Se poate folosi şi o ecuaţie bazată exclusiv pe conţinutul de cenuşă al nămolului (Barber, 2007):

GCV = 1,0295 x (22.840 – 23.854 A)

unde A = conţinutul de cenuşă exprimată ca fracţie zecimală.

Alegerea metodei de valorificare sau eliminare

Modul de eliminare a nămolurilor depinde de proprietăţile fizice, chimice şi biologice ale acestora. Tabelul nr.4

indică parametrii care trebuie să fie cunoscuţi pentru stabilirea celei mai potrivite metode de tratare (EEA &

ISWA, 1997).

101

Tabel nr. 4. Principalii parametri de caracterizare a namolurilor care stau la baza alegerii metodei de

tratare

Sursa: Sludge Treatment and Disposal, Management Approaches and Experiences, Environmental Issues

Series, EEA & ISWA, 1997

Concluzii

Cercetarea în domeniul caracterizării namolurilor este corelată cu metodele de valorificare/eliminare cele mai

frecvent aplicate şi de asemenea cu posibilele efecte pe care le poate avea valorificarea/eliminarea asupra

mediului. Legislaţia europeană în vigoare pune accent pe valorificarea nămolurilor rezultate din etapa epurarea

biologică. Conţinutul nămolurilor este însă de multe ori condiţionat de practicile agenţilor economici şi de

gradul de epurare a apelor uzate industriale inainte de evacuarea in canalizarea orăşeneasca. Totuşi eficienţa

tratării namolurilor este condiţionată de compoziţia şi caracteristicile variabile ale nămolurilor, care trebuie

cunoscute pentru stabilirea tehnicilor potrivite.

102

Bibliografie

*** Normativ pentru proiectarea construcţiilor şi instalaţiilor de epurare a apelor uzate orăşeneşti - partea a V-a:

Prelucrarea nămolurilor, indicativ NP 118-06, (2006) Ministerul Transporturilor, Construcţiilor şi

Turismului

*** Ordin nr. 49 din 01/14/2004 aprobarea Normelor tehnice privind protectia mediului si in special a solurilor,

cand se utilizeaza namoluri de epurare in agricultura, Monitorul Oficial nr. 66 din 01/27/2004

*** Sludge Treatment and Disposal, Management Approaches and Experiences, Environmental Issues Series

(1997), EEA & ISWA,

Barber W. P. F., Observing the effects of digestion and chemical dosing on thecalorific value of sewage sludge

(2007); Proceedings fromthe international conference: ―Moving Forward,Wastewater Biosolids

Sustainability: Technical, Managerial, and Public Synergy‖, June 24-27, Moncton, Canada

Flaga A. (2003), The aspects of sludge thermal utilization (2004) Proceedings of a Polish-Swedish seminar,

Wisla October 25-28,. Integration and optimisation of urban sanitation systems. E. Plaza, E. Levlin, B.

Hultman, (Editors), TRITA-LWR.REPORT 3007, ISSN 1650-8610, ISRN KTH/LWR/REPORT 3007-

SE, ISBN 91-7283-664-4

Frost, R., C. Powlesland, J.E. Hall, (1990) S.C. Nixon & C.P. Young. Review of sludge treatment and disposal

techniques. WRc Report PRD 2306-M/1

Gasco´ G., Lobo M.C., (2007) Composition of a Spanish sewage sludge and effects on treated soil and olive

trees, Waste Management 27, 1494–1500

Katsiris N, Kouzeli-Katsiri A. (1987) Bound water content of biological sludges in relation to filtration and

dewatering. Water Res; 21(116):1319–27.

O'Connor, G. A. (1996): Organic compounds in sludge-amended soils and their potential for uptake by crop

plants. -Sci. Total Environ., 185(1-3), 71-81.

Vaxelaire J., Cezac P., (2004) Moisture distribution in activated sludges: a review. Water Research 38 2215–

2230

Vesilind PA. (1994) The role of water in sludge dewatering. Water Environ Res; 66(1):4–11.

103

VALORIFICAREA SI ELIMINAREA NAMOLURILOR REZULTATE IN ETAPA DE EPURARE BIOLOGICA A APELOR UZATE

Rodica STANESCU Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti, România

Rezumat

In momentul de faţă în România se înregistrează o creştere spectaculoasă a staţiilor de epurare a apelor uzate

orăşeneşti de capacitate mare, medie şi mică ceea ce duce la obţinerea unor cantităţii importante de nămoluri din

etapa de epurare biologică. In Romania se practică exclusiv depozitarea în depozitele de deşeuri a acestora,

metodă de eliminare este restricţionată de legislaţia în vigoare, ca urmare a cantităţilor mari de apă introduse în

depozite odata cu nămolul şi a continuării fermentării. In prezent există necesitatea dezvoltarii unor tehnici de

eliminare sau valorificare, cu costuri reduse, care să aibe in impact redus asupra mediului. Pentru aceasta este

necesară cunoaşterea avantajelor si dezavantajelor tehnicilor aplicate în prezent la nivel european şi aplicarea

lor la nivel naţional.

Cuvinte-cheie

Namol, epurare biologica, ape uzate orăşeneşti, incinerare, compostare, depozitare, uscare.

Introducerea

Nămolurile sunt sisteme eterogene constituite dintr-o fază apoasă şi una solidă, putând conţine particule

coloidale, particule dispersate şi agregate în suspensii. Ele rezultă din procesele de tratare sau de epurare a

apelor.

Nămolul produs la epurarea biologică apelor uzate orăşeneşti este generat în mai multe din etapele de epurare.

Un obiectiv principal al epurării apelor uzate este de a elimina materialele solide. În plus, substanţele solubile

organice sunt convertite în masă bacteriană, care este separată din apele epurate sub formă de nămol. Nămolul

este, de asemenea, produs şi la tratarea apelor pluviale, deşi de obicei au un conţinut mult mai redus în compuşi

organici decât nămolul provenit de la apele uzate.

Nămolul separat din staţiile de epurare poate fi considerat ca un deşeu al procesului de epurare, iar pentru

reducerea impactului său asupra mediului şi eventuala sa valorificare trebuie prelucrat în instalaţii specifice.

Aceste instalaţii au drept scop prelucrarea nămolului în vederea reducerii masei şi volumului acestuia şi a

trecerii sale într-o formă stabilă în vederea valorificării sau eliminării.

Clasificarea nămolurilor

104

Sistemele de clasificare permit şi asigură cunoaşterea tipului de nãmol, a caracteristicilor calitative şi cantitative

ale acestuia şi reprezintă o bază reală de analiză şi soluţionare complexă a problemelor ecologice şi economice

ridicate de volumele mari de nămol formate şi separate în staţii de epurare.

Criteriile care stau la baza clasificării nãmolurilor sunt:

treapta de epurare din care se formează şi separă nămolurile:

- Nămol primar, separat din decantoarele primare corespunzătoare treptei mecanice de epurare,

- Nămol secundar, separat din decantoarele secundare destinate sedimentării nămolului biologic,

- Nămolul stabilizat anaerob (rezultat din rezervoarele de fermentare a nămolurilor) sau aerob (rezultat

fie din procesul de epurare biologică avansată – respectiv nitrificare cu stabilizare, fie din stabilizatorul

de nămol, de pe linia nămolului).

- Nămol de precipitare, format în staţia de epurare în urma unor reacţii chimice de precipitare a

poluanţilor dizolvaţi în apă.

gradul de prelucrare a nămolului:

- Nămol stabilizat (aerob, anaerob, chimic),

- Nămol deshidratat (prin îngroşare gravitaţională, centrifugală, prin procedee mecanice, prin procedee

naturale),

- Nămol brut separat din decantoare,

- Nămol uscat (natural sau termic),

- Nămol supus unei trepte speciale de prelucrare (igenizare, incinerare, solidificare etc.).

compoziţia chimică a nămolului:

- Nămol organic, cu fracţiune volatilă, mai mare de 50%,

- Nămol mineral, cu fracţiune minerală mai mare de 50%.

Tehnici de tratare şi eliminare a nămolurilor

Cantităţile specifice de nămol au valori medii de circa 40g s.u./loc.zi sau de circa 1,5 l/loc.zi cu umiditate

convenţională. Cantităţile specifice de nămol au tendinţă de creştere, pe măsura introducerii treptei a III-a de

epurare, a completării cu procese chimice de epurare etc.

Compoziţia fizico-chimică a nămolurilor orăşeneşti este dependentă de procesele de epurare aplicate, iar valorile

se încadrează în anumite limite relativ restrânse. Nămolurile din staţiile de epurare orăşeneşti sunt de tip

predominant organic, conţin elemente nutritive şi în funcţie de aportul apelor uzate industriale, pot conţine

substanţe toxice sau inhibitoare (metale, detergenţi, compuşi organo-cloruraţi etc.).

Nămolurile rezultate ca urmare a proceselor de epurare a apelor uzate orăşenesti sunt, în general pretratate

înainte de eliminare. Pretratarea se realizează în scopul concentrării şi reducerii volumului de nămol care

urmează a fi tratat printr-un procedeu oarecare şi conduce la obţinerea unui namol stabilizat. Există mai multe

metode de pretratare a namolurilor care din punct de vedere al costului investiţiilor şi timpului de pretratare

diferă foarte mult. (vezi figura 1)

105

Figura 1. Principalele tehnici de obţinere a nămolului stabilizat

Sursă: EEA & ISWA, 1997

Utilizarea în agricultură

Legislaţia europeană privind gestionarea deşeurilor include şi Directiva 86/278/CCE privind protectia mediului

şi în special a solurilor, când se utilizează nămoluri de la staţiile de epurare, directivă care a fost transpusă în

Romania prin OM 49/2004 pentru aprobarea Normelor Tehnice privind protecţia mediului şi în special a

solurilor când se utilizeaza namoluri de epurare în agricultură. Acest ordin a fost modificat în octombrie 2004

prin Ordinul 334/2004, conform căruia utilizarea nămolurilor sau livrarea acestora în vederea utilizării lor este

interzisă pe următoarele tipuri de terenuri:

- terenuri folosite pentru păşunat;

- terenuri destinate cultivării arbuştilor fructiferi;

- terenuri destinate culturii legumelor;

- terenuri destinate culturilor pomilor fructiferi cu 10 luni înainte de recoltare şi în timpul recoltării.

Eliminarea prin depozitare în depozitele de deşeuri municipale

Directiva privind depozitele de deşeuri (1999/31/CE) introduce ţinte pentru devierea deşeurilor municipale

biodegradabile de la depozitele de deşeuri. Cu toate acestea, deoarece nămolurile de epurare nu sunt considerate

deşeuri municipale biodegradabile şi nu ar trebui să fie incluse în valoarea de referinţă din 1995, aceastea nu

sunt luate în considerare la atingerea obiectivelor. Deoarece nămolul de epurare este biodegradabil şi contribuie

la generarea de gaz de depozit şi levigat, eliminarea nămolurilor prin depoziare trebuie să fie redusă la

minimum. Legislaţia românească (OM 757/2005) restricţionează eliminarea nămolurilor prin depozitare în

depozitele de deşeuri municipale (umiditate maxim 65%, amestecate cu deşeuri menajere în proporţie de maxim

1:10).

Digestia anaeroba

Spre deosebire de alte procese microbiologice dirijate de către om, fermentarea anaerobă pentru obţinerea

biogazului nu foloseşte culturi pure sau sterile. În sistemele naturale în care se găseşte, materia organică

biodegrdabilă, respectiv nămolul în cazul de faţă, este purtătoarea unei microflore foarte variate şi active.

Această microfloră mixtă asigură anaerobioza şi compuşii metabolici specifici dezvoltării metanobacteriilor.

Materiile organice (nămolul) în curs de descompunere furnizează continuu o microfloră activă în procesul de

metanogeneză şi reprezintând unica sursă de bacterii. De aceea, principalul obiectiv urmărit în procesul de

106

fermentare a nămolurilor îl constituie optimizarea factorilor de mediu şi tehnologici implicaţi în activitatea

comunităţii de microorganisme responsabile de transformările materiei organice, cu accent deosebit asupra

metanobacteriilor. Transformarea materiei organice în metan se realizează în mai multe faze:

1. Hidroliza: moleculele organice mari (biopolimerii) mari sunt descompuşi cu ajutorul enzimelor;

2. Acidogeneza: etapa de fermentare acidogenă este cea mai importante, acetatul fiind principalul produs final.

De asemenea, se formează acizi graşi volatili împreună cu dioxid de carbon şi hidrogen;

3. Acetogeneza: descompunerea acizilor volatili la acetat şi hidrogen;

4. Metanogeneza: acetatul şi hidrogenul sunt transformaţi în metan şi dioxid de carbon.

Reacţia de formare a metanului este foarte importantă în digestia anaerobă. Pe lângă producerea metanului,

bacteriile metanogene reglează şi neutralizează pH-ul nămolului din digestor, prin transformarea acizilor graşi

volatili în metan şi alte gaze. Conversia hidrogenului în metan, ajută la reducerea presiunii parţiale a

hidrogenului din nămolul aflat în digestor, ceea ce este benefic pentru bacteriile acetogene. Dacă bacteriile

metanogene nu se dezvoltă, compuşii de hidroliză (acizii graşi) nu vor fi transformaţi în metan şi, deci,

stabilizarea deşeurilor nu se realizează, iar descărcarea lor într-un emisar sau pe pământ va duce la poluare

(Gunnerson şi Stuckey, 1996).

În practica curentă, fermentarea anaerobă a nămolurilor de la staţiile de epurare orăşeneşti se realizează în

domeniul mezofil, temperatura optimă fiind cuprinsă între 30° şi 35°C formându-se biogaz şi un nămol de

fermentare anaerobă.

O instalaţie de biogaz este, de obicei, construită din patru elemente:

1. Unitatea de producţie, care include pe lângă fermentatorul anaerob (digestor), un bazin de stocare şi sistemul

de evacuare a nămolului;

2. Echipamente de încălzire, de amestecare şi spargere a spumei, pompele pentru alimentare şi recirculare;

3. Sistem de stocare şi purificare a gazului;

4. Elemente anexe (vane, conducte, echipamente pentru reglare, control etc.)

5. Echipament pentru utilizarea gazului şi a îngrăşământului (Deagotă şi Moisescu, 2004).

Fermentatoarele sunt construcţii din beton armat, monolit sau oţel. Ele pot avea forma unor recipiente cu pereţi

cilindrici, radierul şi cupola (acoperişul) fiind conice sau sub formă ovoidă. Reactoarele de fermentare cu

diametru variabil între 6 şi 30 m sunt semiîngropate şi izolate termic (îngropate), pentru a evita pierderile de

căldură.

Modul de alimentare al fermematorului poate fi continuu sau discontinuu. În sistemele discontinue substratul

proaspăt este introdus în vasul de reacţie împreună cu un inocul de material fermentat. În timpul uneia din

primele două zile materialul este aerat pentru creşterea temperaturii. În următoarele două sau trei săptămâni,

substratul este anaerob degradat, la început cu o creştere zilnică a producţiei de gaz. După ce a atins un maxim,

după aproximativ 10-14 zile, producţia de gaz scade din nou pentru a atinge jumătate din producţia maximă.

Pentru a compensa formarea nestaţionară a gazului, sunt puse în funcţiune, în paralel, trei sau patru

fermentatoare în funcţie de capacitatea staţiei de epurare, dar care sunt umplute în momente diferite. Avantajul

acestui sistem îl reprezintă costurile scăzute. Problemele apar din pierderile mari de căldură şt vitezele

neuniforme de formare a gazului (Qasim, 1998).

Tabelul nr. 1. Producţia medie de biogaz produs prin fermentare din diverse materii prime,

Materii supuse fermentării Cantitatea maximă de biogaz,

L/kg S.U.

Conţinut mediu de metan,

%

Frunze de sfeclă furajeră 496 84,0

Dejecţii de porc 480 60

Dejecţii de păsări 520 68

Fecale umane 240 50

Nămol din staţii de epurare orăşeneşti 370 50-60

Drojdie de la distilerii de alcool 300-600 58

Sursa: Păunescu şi al, 2005

107

Deshidratarea termică (Uscarea)

Practic, nu există condiţii prealabile specifice care trebuie îndeplinite pentru a aplica uscarea. Acest lucru

înseamnă că toate nămolurile cunoscute, provenite de la instalaţiile de epurare a apelor uzate orăşeneşti, pot fi

prelucrate într-o instalaţie de uscare corect proiectată şi exploatată. În prezent, o instalaţe mică de uscare

îndepărtează mai puţin de 0,5 tone de apă / h, în timp ce într-o instalaţie mare se evaporă aproape 30 de tone de

apă / h. Principalele motive pentru această variaţie mare a capacităţii sunt:

1) mărimea staţiei de epurare (debitul de alimentare, m3 / h);

2) încărcarea, kg uscat solid/m3 efluentului;

3) procesul de tratare – chimic sau biologic- pe care l-a suferit nămolul;

4) tipul nămolului (nămol fermentat sau nefermentat);

5) umiditatea finală a nămolului uscat

În cazul în care nămolul este fermentat, conţinutul în solid uscat (SU) va fi mai redus cu aproximativ 20%, ca

urmare a transformării compuşilor organici în biogaz.

Valoarea SU este în mod normal crescută la 40-50% înainte de incinerare. Pentru a face nămolul utilizabil ca

îngrăşământ, amendament pentru sol, combustibil etc, SU trebuie să fie crescută la 90-95% iar nămolul granulat.

Figura 2. Etapele procesului de uscare a nămolului

Uscarea este un termen folosit pentru uscarea termică în scopul eliminării apei din nămol a prin evaporare.

Uscarea poate fi parţială (conţinut de apă reziduală de 10 până la 30%) sau aproape totală (conţinutul de apă de

la 5 la 10%) şi este necesară deoarece:

• pentru a elimina apa din nămol şi reduce volumul de nămol (aprox. de 4-5 ori), în reducerii cheltuielilor

de transport şi o mai uşoară de stocare;

• pentru a creşte puterea calorifică nămolului, astfel încât nămolul ar putea fi uşor incinerat, fără

combustibil suplimentar;

• pentru igienizare (distrugerea organismelor patogene);

• pentru stabilizare;

• pentru a îmbunătăţi structura nămolului înainte de împrăştierea pe sol;

• pentru obţinerea unui îngrăşământ sau amendament pentru sol uşor vandabil (Flaga, 2004).

Uscarea este în general aplicată la deshidratarea namolurilor care au suferit în prealabil o deshidratare mecanică,

care este mult mai ieftină decât uscarea prin evaporare.

Totuşi, în unele cazuri, evaporarea apei dintr-un namol se poate produce în mod direct atunci când:

- volumul nămolului este redus fiind mai ieftin să fie eliminat prin ardere prin tratament biologic;

108

- utilizează drept combustibil deşeuri cu putere calorifică ridicată (de exemplu, solvenţi uzaţi rezultaţi în

unele industrii de sinteză organică, uleiuri uzate etc.);

- se utilizează căldura recuperată din gazele rezultate la incinerarea deşeurilor (de exemplu, municipale).

Costul ridicat al energiei termice duce la o punere în aplicare directă limitată a acestor procedee de eliminare,

fără o deshidratare prealabilă a nămolului.

Instalaţia de uscare include următoarele elemente:

• dispozitivul de alimentare a nămolului include rezervor de stocare echipat cu extractor, sistem de

dispersie, transportul realizându-se cu o bandă transportoare sau pompă volumetrică;

• uscător;

• sisteme pentru a alimentare cu gaze sau aer în zona de uscare, pentru alimentare cu aer fluidizare, aer

pentru răcire, pentru atingerea presiunii de exploatare; aceste sisteme sunt prevăzute cu unul sau mai

multe puncte de introducere a gazelor/aerului în unitatea de uscare;

• sistem de recuperare a căldurii din gazul de uscare;

• sistem de control al echipamentului de uscare: temperatura, presiune-vid, debite (nămol, gaze, aer) etc.;

• sistem de tratare a gazului evacuat din uscător (desprăfuire in ciclon, scruber umed, electrofiltru, filtre

cu saci).

Incinerarea

Un proces de incinerare include întotdeauna o faza de uscare înainte de aprinderea fazei organice uscate din

nămol. Incinerarea duce nu numai la eliminarea totală a apei, dar şi la arderea componenţilor organici din

namol. Prin acest procedeu se obţine o cantitate redusă de reziduu (cenuşa).

Incinerarea se aplică nămolurilor care au suferit în prealabil o deshidratare mecanică (mult mai ieftină decât

uscarea termică) pentru a se reduce conţinutul de apă. Acest lucru permite arderea mai eficientă a nămolului şi

un consum mai redus de energie pentru incinerare. Iniţial nămolul conţine, de obicei, în jur de 6% substanţă

uscată şi restul apă. Pentru a putea fi incinerat nămolul trebuie să fie adus prin deshidratate la aproximativ 28%

substanţă solidă Deoarece instalaţia de incinerare funcţionează în regim continuu, instalaţia de deshidratare

trebuie să funcţioneze la rândul ei continuu. În principiu, acest lucru se poate realiza prin utilizarea de centrifuge

sau filtre presă de tip bandă.

Incinerarea prezintă cele mai mari costuri de tratare/eliminare a nămolurilor, deoarece este nevoie de

combustibil şi controlul poluării aerului, prin tratarea gazelor de ardere. Această tehnică poate fi folosită atunci

când nămolul este puternic contaminat cu metale grele sau alţi poluanţi. Prevenirea contaminării nămolului cu

deşeuri industriale şi valorificarea sa este însă de preferat incinerării.

Există două tipuri principale de cuptoare folosite pentru incinerarea nămolului de epurare: cuptorul etajat şi

cuptorul în strat fluidizat. Fiecare tip are avantajele si dezavantajele sale, dar atingerea unei eficienţe de

combustie ridicate şi evitarea generarii mirosurilor neplacute se realizeaza în cuptoarele în strat fluidizat.

Temperatura în cuptor se situeaza în mod normal în intervalul de 800 - 900 ° C. La temperaturi mai scăzute are

loc arderea incompletă şi apariţia mirosurilor, în timp ce la temperaturi mai mari se poate produce de înmuierea

cenuşii.

Gazele de ardere care rezultă din procesul de combustie au temperatură foarte ridicată şi o parte din căldură

poate fi recuperată prin trecerea lor printr-o unitate de recuperare a caldurii.

Un sistem de reducere a emisiilor elimină pulberile şi gazele acide din gazele de ardere Acesta include în

principal echipamente de control al pulberilor (cel mai frecvent, filtre electrostatice) şi de reţinere a gazelor

acide (spălare umedă). Electrofiltrele pot avea o eficienţă de reţinere a particulelor de 99%; iar spălarea umedă

conduce la eliminarea a 99% din HCl şi a peste 90% din HF; utilizarea pentru spălare a unei soluţii alcaline

elimină din gaze peste 80% din SO2. Cenuşa formată este, de obicei, eliminată într-un depozit de deşeuri, iar

lichidul/apa uzată de la scruber este tratat şi evacuat în canalizare. Gazul rezultat după tratare este, de obicei,

preîncălzit înainte de evacuarea pe coş pentru a evita formarea unui panaş vizibil la coş. (Froest şi al., 1990)

109

Compostarea

Compostarea este un proces aerob de descompunere bacteriană aplicat în scopul stabilizării deşeurilor organice

biodegradabile şi pentru a produce compost. Compostul conţine nutrienţi şi carbon organic, care sunt utile în

ameliorarea calităţii solurilor. Compostarea are loc natural în litiera de pădure, de exemplu, în care materiale

organice (frunze moarte, deşeuri animale) sunt convertite în material organic stabil (humus) şi substanţe

nutritive puse la dispoziţia plantelor. Procesul este lent în condiţii naturale, dar poate fi accelerat în anumite

situaţii.

Condiţiile optime pentru compostare sunt un conţinut de umiditate de aproximativ 50%, raport carbon:azot de

aproximativ 25 - 30, şi temperatura de 55°C. Deoarece nămolul la la staţiile de epurare orăşneşti este bogat in

substanţe nutritive, raportul carbon:azot este mic (5-10). Are, de asemenea, un conţinut ridicat de umiditate.

Adaosul de rumeguş uscat, care are un raport C:N foarte ridicat (500) poate regla atât de umiditatea cât şi

raportul carbon:azot. Alte materiale din deşeuri care pot fi folosite în acest scop sunt deşeurile din grădini,

deşeurile forestiere sau ziare mărunţite.

Compostarea se poate realiza într-un echipament special construit, cum ar fi un cilindru rotativ înclinat,

alimentat la un capăt cu materia primă, din care produsul compostării este evacuat pe la celălalt capăt. In

interiorul cilindrului, materialele supuse compostării sunt amestecate prin rotire lentă pe o perioadă de

aproximativ o saptamana. Deoarece descompunerea bacteriană produce căldură, temperatura în compostor poate

ajunge cu uşurinţă la 55°C. Compostul proaspăt obţinut este maturat în grămezi cel puţin 12 săptămâni, prin

răsturnarea ocazională sau periodică a acestora, pentru a permite finalizarea procesului de compostare.

Compostarea poate fi mai simplu efectuată în grămezi (brazde) răsturnate periodic pentru amestecarea

materialelor si aprovizionare cu oxigen pentru bacteriile aerobe. Temperaturile pot depăşi 55°C, compostul fiind

bun izolator termic. Răsturnarea brazdelor de compost asigură atingerea temperaturii de 55°C în toată masa de

compost pentru distrugerea agenţilor patogeni şi se realizează la fiecare două-trei zile în primele două

săptămâni, când temperatura este de peste 55°C. După această perioadă, răsturnarea se face mai rar deoarece se

generează mai puţină căldură iar necesarul de oxigen este mai redus în perioada de maturare a compostului.

Concluzii

Există multiple posibilităti de valorificare şi elminare a nămolurilor de la staţiile epurare a apelor uzate

municipale. Totuşi, conţintul ridicat în apă a nămolurilor, face ca manipularea şi transportul lor să fie procese

energointensive, crescând costurile totale ale procesului de epurare a apelor uzate orăşeneşti. Alegerea metodei

de valorificare/eliminare trebuie să ţină cont şi de impactul pe care il poate avea asupra mediului şi de

acceptarea publicului (în cazul utilizării în agricultură). Buna cunoaştere a condiţiilor optime de desfăşurare a

proceselor este absolut necesară, putând reduce din dezavantajele prezentate de metodele de procesare si

eliminare a nămolurilor

Bibliografie

*** Normativ pentru proiectarea construcţiilor şi instalaţiilor de epurare a apelor uzate orăşeneşti - partea a V-a:

Prelucrarea nămolurilor, indicativ NP 118-06, (2006) Ministerul Transporturilor, Construcţiilor şi

Turismului

*** Ordin nr. 49 din 01/14/2004 aprobarea Normelor tehnice privind protectia mediului si in special a solurilor,

cand se utilizeaza namoluri de epurare in agricultura, Monitorul Oficial nr. 66 din 01/27/2004

*** Sludge Treatment and Disposal, Management Approaches and Experiences, Environmental Issues Series

(1997), EEA & ISWA, Dragotă, D., Moisescu, V., (2004) Biocarburanţii în România, Monografie Chiminform Data S.A.

110

Flaga A., The aspects of sludge thermal utilization (2004) Proceedings of a Polish-Swedish seminar, Wisla

October 25-28, 2003. Integration and optimisation of urban sanitation systems. E. Plaza, E. Levlin, B.

Hultman, (Editors), TRITA-LWR.REPORT 3007, ISSN 1650-8610, ISRN KTH/LWR/REPORT 3007-

SE, ISBN 91-7283-664-4

Frost, R., C. Powlesland, J.E. Hall, (1990) S.C. Nixon & C.P. Young. Review of sludge treatment and disposal

techniques. WRc Report PRD 2306-M/1 Gunnerson, Charles G., Stukey, David C., (1996) Anaerobic Digestion, principles and Practices for Biogas Systems, World

Bank Washington, DC;

Păunescu, Ioan, Parachiv, Gigel, Albu, Bogdan, (2005) Managementul mediului şi obţinerea biogazului în fermele suinicole

- Facultatea de Ingineria Sistemelor Biotehnice - UPB, 2005;

Qasim, Syed R., Wastewater Treatment Plants: Planning, Design, and Operation, Second Edition, CRC Press, 1998

111