Embed Size (px)
DESCRIPTION
Tratarea si epurarea apelor uzate
Citation preview
Epurarea biologica a apelor uzate
Epurarea apelor uzate poate fi, in functie de caracteristicile apei si de cerintele
evacuarii in emisar, mai mult sau mai putin complexa. Apele uzate cu caracter predominant
anorganic, vor fi tratate numai prin mijloace fizico-chimice (sedimentare, neutralizare,
precipitare, coagulare, adsorbtie pe carbune activ, etc.) ; prin aceste procedee, eliminarea
substantelor continute in apa uzata, se face prin procedee fizice si chimice. Apele uzate cu
caracter predominant organic, pot fi tratate prin mijloace fizico-chimice si biologice.
Metodele biologice presupun eliminarea substantelor continute in apa uzata prin procesele
metabolice ale microorganismelor. Aplicarea procedeelor biologice se poate face numai in
cazul in care substantele organice din apele uzate pot fi metabolizate, sunt deci degradabile si
nu sunt insotite de substante toxice.
Pentru una si aceeasi apa uzata, gradul de eliminare a impuritatilor creste cu
complexitatea proceselor folosite. Astfel, pentru epurarea apelor uzate menajere, tabelul 2.1.
prezinta randamentele obtinute prin diferite mijloace.
Tabelul 2.1. Randamentele epurarii apelor uzate menajere, prin diferite procese,
exprimate in indicatorii principali
Operatia sau procesul Indepartare, %
CBO5 CCO Suspensii Bacterii
(0) (1) (2) (3) (4)
Trecere prin site 5-10 5-10 2-20 10-20
Clorinare 15-30 - - 90-95
Sedimentare 25-40 20-35 40-70 25-75
Coagulare 50-85 40-75 70-90 40-60
Epurare prin biofiltre, precedata si
urmata de decantare
50-95 50-80 50-92 90-95
Namol activ, idem 55-95 50-80 50-92 90-95
Iaz de oxidare 90-95 70-80 85-95 95-98
Clorinarea efluentului tratat biologic - - - 93-95
S-a constatat ca, metoda cea mai eficienta si cea mai economica de eliminare sau de
indepartare a substantelor organice din apele uzate este folosirea procedeelor de epurare
biologica. Aceste procedee se bazeaza pe reactiile metabolice ale unor populatii mixte de
bacterii, ciuperci si alte microorganisme inferioare (in special protozoare). In practica
epurarii, aceste biocenoze se numesc biomasa.
Compozitia biocenozelor si randamentul de indepartare a substantelor organice depind
de conditiile de mediu : compozitia apei uzate si concentratia in impuritati organice ,
temperatura , pH , tensiunea de oxigen , conditiile de amestec , modul de exploatare.
Coexistenta diferitelor specii ale biomasei este in echilibru dinamic. Frecventa
diferitelor specii poate fi modificata prin factorii de mai sus. Fluctuatiile temporare ale acestor
factori sunt compensate de dinamica populatiei de microorganisme, care are o buna abilitate
de adaptare; in acest fel, calitatea efluentului variaza putin. Fac exceptie interventiile de lunga
durata in conditiile de mediu, care provoaca variatii considerabile ale biocenozei, ca si
intoxicarile acute ale organismelor datorita evacuarii unor ape toxice ; in aceste cazuri,
efluentul "epurat " nu mai are calitatea corespunzatoare cerintelor.
Procedeele de epurare biologica utilizate in practica au la baza una din cele doua grupe
diferite de microorganisme : aerobe sau anaerobe. Ca procedee de alimentare a biocenozelor
respective se utilizeaza alimentarea continua sau alimentarea discontinua cu apa uzata sau cu
solidele separate din aceasta. Microorganismele aerobe sunt folosite in mod curent in epurarea
majoritatii apelor uzate cu caracter predominant organic. Pentru epurarea aeroba a apelor, cele
mai utilizate procedee sunt :
-cu namol activ ;
-cu biofiltre ;
-in iazuri de oxidare.
Desi aceste trei procedee difera intre ele cu privire la timpul de contact intre microorganisme
si apa uzata (timp de retentie ), necesarul de oxigen, modul de utilizare a namolului biologic,
totusi, fenomenele biochimice esentiale sunt identice.
Elemente de fiziologie bacterianaProcesele chimice din celula vie, numite metabolism, pot fi separate in procese de
disimilare (dezasimilare sau catabolism), care cuprind reactiile producatoare de energie, si
procese de asimilare sau anabolism, care cuprind reactiile conducand la sintetizarea
materialului celular nou cu ajutorul energiei eliberate in disimilare.
―→ CO2 +H2O +Energie +Metaboliti (Catabolism = Oxidare)
Substanta organica asimilabila + O2
(Celula bacteriana) ―→ Material celular nou (Anabolism = Sinteza)
In ambele procese, reactiile chimic sunt conduse in trepte succcesive, fiecare treapta
fiind catalizata de enzime specifice. Enzimele sunt catalizatori biochimici, produsi de celula
vie; din punct de vedere chimic, sunt proteine simple sau asociate (proteide). O serie de
enzime se gasesc in mod permanent in celula : enzimele constitutive. O deosebita importanta
pentru degradarea diferitelor substante organice (substrate) o are categoria enzimelor
adaptative sau induse. Acestea sunt produse de microorganisme numai in prezenta unui
substrat bine determinat.
Reactiile enzimatice, ca orice reactii chimice, sunt supuse legii actiunii maselor, viteza
reactiei depinzand de concentratia produsului final. De asemenea, se poate mentiona ca,
activitatea enzimatica este influentata de urmatorii factori : temperatura, pH, concentratia
substratului, prezenta substantelor inhibitoare.
Fiecare enzima are o temperatura optima de activitate ; sub aceasta temperatura,
reactia catalizata se desfasoara incet – peste aceasta poate aparea inactivarea termica a
enzimei, datorita denaturarii proteinei.
PH-ul poate inactiva reactiile enziamtice, in principal, din aceleasi motive de
denaturare a proteinelor in mediu prea acid sau prea bazic.
Inhibitorii enzimatici pot fi factori fizici (agitare mecanica violenta, ultrasunete,
radiatii), sau factori chimici, care denatureaza proteinele, mai ales prin precipitarea acestora
sau prin blocarea unor elemente componente ale enzimei. Inhibitori de acest fel sunt saruri ale
metalelor grele (de exemplu Fe 3+, Hg2+ , Ag+ ,Cu2+), cianuri, acid tricloracetic, agenti
oxidanti, etc.
O inhibitie importanta in procesele de epurare biologica o reprezinta inhibitia de
substrat si de produs. La concentratii de substrat ridicate, unele enzime reactioneaza mai incet,
adica viteza de reactie incepe sa scada ; se presupune ca inhibitia de substrat este determinata
prin fixarea pe proteina a mai multor molecule de substrat, ceea ce are drept consecinta
stingherirea reactiei. In mod asemanator, pot actiona si produsele finale in concentratii
ridicate ; acestea reprezinta substratul reactiei in sens invers si produsul este fixat de enzima,
impiedicand astfel accesul substratului primar. In unele cazuri, produsul final actioneaza
asupra enzimei, fixandu-se intr-un alt punct al moleculei proteice decat cel rezervat pentru
substrat (inhibitie alosterica). Conformatia proteinei se modifica in asa fel incat fixarea
ulterioara a substratului devine dificila sau chiar imposibila. Inhibitia competitiva apare cand
substanta care exercita un efect inhibitor asupra unei enzime date, are structura chimica
inrudita cu substratul atacat de enzima ; in acest caz, compusul inhibitor blocheaza suprafata
enzimei.
Activitatea enzimatica a microorganismelor, ca si inhibitia acesteia, constituie
ativitatea cheie in procesul degradarii biologice a impuritatilor organice din apele uzate.
Cele mai multe enzime sunt localizate in interiorul celulei- enzime intracelulare ; unele
sunt eliberate in mediul exterior- enzimele extracelulare. In general, acestea din urma
catalizeaza reactii de hidroliza, care scindeaza moleculele prea mari, pentru a trece prin
membrana celulara, in unitati mici, capabile sa patrunda in celula si sa intre in circuitul
reactiilor metabolice (de exemplu, amilazele scindeaza amidonul la maltoza).
Oxidarea si sinteza in procesele de epurare biologicaIn interiorul celulei, unitatile materiale folosesc, pe de o parte, la obtinerea energiei,
prin reactiile de disimilatie, pe de alta, la obtinerea materialului nou celular, prin reactiile de
asimilatie. Principalul fenomen producator de energie, in cursul reactiilor metabolice de
disimilatie, este formarea apei prin oxidarea biochimica a substantelor organice. Enaergia
degajata in acest proces (52 kcal/ mol), apreciabila, este eliberata in etape, substratul
(substanta organica), nereactionand direct cu oxigenul, ci printr-o serie de trepte intermediare.
Combinarea directa a substantelor organice cu oxigenul, deci oxidarea in sensul arderilor, ar
conduce la degajarea exploziva a energiei mentionate si concomitent la distrugerea celulei.
Reactiile de disimilatie sunt catalizate de enzime ale proceselor de oxido-reducere,
asa-numitele enzime ale lantului respirator. In acest lant, oxidarea consta din transferul
moleculei de hidrogen (dehidrogenare), ca si al electronilor, de la substanta (prin lantul de
acceptori ), pana la ultimul acceptor.
Importanta biologica a acestui lant de sisteme de oxido-reducere consta in faptul ca o
parte a energiei libere este conservata sub forma de energie chimica, prin legaturi
‘’ macroergice ’’ (legaturi prin a caror hidroliza este pusa in libertate o cantitate mare de
energie, depasind 6 kcal/ mol). In lantul respirator, purtatorul energiei chimice este
adenozintrifosfatul (ATP), care se formeaza din adenozindifosfat ADP) si P neorganic. Exista
diferite teorii asupra modului de legare a fosforului anorganic pentru formarea ATP, nu este
inca lamurit mecanismul. Conservarea energiei permite cuplarea reactiilor de catabolism cu
reactiile de sinteza, de anabolism, consumatoare de energie.
In functie de mediul inconjurator, in lantul respirator, ultimul acceptor de hidrogen
poate fi oxigenul, substante organice sau diferite substante anorganice care contin oxigen in
molecula. In cazul in care reactiile de oxido-reducere din celula (reactiile de respiratie
celulara) se fac in prezenta oxigenului molecular, reactiile sunt de aerobioza; in aceste reactii
se elibereaza, ca metaboliti (produsi ai metabolismului), in principal CO2, H2O si produsi de
oxidare ai N, S. In cazul in care reactiile de oxido-reducere se petrec in absenta oxigenului
molecular, ultimul acceptor de hidrogen fiind substantele organice, acestea sunt reactii de
anaerobioza sau de fermentatie ; in acest caz, se elibereaza CO2 si alte substante organice ca
metaboliti.
Reactiile in mediu aerob produc mult mai multa energie, decat cele din mediul
anaerob, deoarece au mai multe posibilitati de formare a ATP-ului, reactie cu eliberare de
energie. De exemplu, oxidarea glucozei :
C6H12O6 CO2 + H2O + 680 kcal ;
In absenta oxigenului molecular :
C6H12O6 2CO2 + 2 C2H5OH+ 22 kcal .
Se mentioneaza ca reactiile de oxidare a glucozei, sus-mentionatese desfasoara in
trepte, complicate, fiecare treapta fiind catalizata de enzime specifice ; astfel, pentru oxidarea
anaeroba a glucozei, sunt implicate 12 reactii.
Eliberarea unei cantitati mai mici de energie, in reactiile din mediul anaerob, conduce
la sinteza unei cantitati mai mai mici de material celular, deci la cresterea mai mica a
suspensiei bacteriene. De exemplu, pentru obtinerea drojdiei din 100 kg zahar, se formeaza :
in aerobie- 27 kg substanta celulara uscata + CO2 + H2O
in anaerobie- 5 kg substanta celulara uscata + 48 kg alcool + CO2 .
Dupa cum se vede, reactiile de disimilare, de degradare a unei substante organice, au
loc in prezenta sau in absenta oxigenului, in acest din urma caz fiind necesara existenta unor
celule echipate cu sistemele enzimatice, pentru utilizarea altor acceptori de electroni.
In concluzie, respiratia este definita, in general, ca totalitatea proceselor biochimice
aerobe sau anaerobe, prin care celula elibereaza energia necesara activitatii sale vitale.
Energia poate fi eliberata prin procese de oxidare aeroba, in care intervine oxigenul molecular
(acestea denumite in mod curent respiratie) sau prin procese de oxidare anaeroba, in care
acceptorul de hidrogen este o substanta organica, capabila de a se reduce (fermentatie).
Bioxidul de carbon, metabolit comun celor doua tipuri de metabolism, provine din
decarboxilarea acizilor organici formati in urma fixarii moleculelor de apa, in timpul reactiilor
de disimilare. Deci, oxigenul din CO2 provine din apa ; numai oxigenul din H2O, produsul
final al respiratiei aerobe, provine din aer.
In acest din urma caz, celulele consuma oxigen pentru satisfacerea necesitatilor
metabolice in degradarea substantelor organice (respiratie de substrat), dar si in absenta
aportului de de substante organice, pentru mentinerea energiei necesare activitatilor vitale
(respiratie endogena).
Pentru cele trei clase principale de produse organice (protide, glucide, lipide), procesul
general de degradare aeroba (disimilatie), se face in trei faze majore. In schimb, procesele de
asimilatie, de sinteza a materialului celular, sunt foarte complexe si nu pot fi reprezentate in
mod simplu.
Pentru obtinerea materialului celular, sunt necesare urmatoarele elemente esentiale :
-C, H, O, N, S, P, in cantitati relativ mari si
-K, Mn, Mg, Ca, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, in cantitati mici, ultimele patru chiar in urme
(oligoelemente).
Cantitatile relative ale elementelor nu sunt fixe, pentru un organism sau un grup de
oganisme. Ele depind foarte mult de conditiile de crestere si pot varia considerabil pentru una
si aceeasi specie.
Elementele din grupa a II-a sunt preluate din saruri neorganice ( de asemenea S si P,
partial N) ; elementele C, H, O, partial N, trebuie sa fie prezente sub forma organica, a carei
specificitate depinde de configuratia enzimatica a celulei.
Tabelul nr. 2.2. rezuma functiile diferitelor elemente nutritive necesare cresterii si
reproducerii microorganismelor.
Tabelul nr. 2.2.. Functiile unor elemente nutritive
Elemente Functii fizico-chimice
Hidrogen Constituent al apei si al componentilor celulari .
Donor de electroni.
Carbon Constituent al componentilor celulari.
Donori de electroni in respiratie.
Acceptor de electroni in fermentatie.
Azot Constituent al proteinelor (proteinelor plastice si
enzimelor), al acizilor nucleici.
Donor de electroni.
Acceptor de electroni.
Oxigen Constituent al apei.
Acceptor de electroni in respiratie.
Sulf Constituent al proteinelor.
Donor de electroni.
Acceptor de electroni.
Fosfor Constituent al acizilor nucleici.
Formarea legaturilor macroenergice (ex. ATP).
Magneziu, Fier, Potasiu,
Mangan, Calciu, Cobalt,
Cupru, Molibden, Zinc
Constituenti ai enzimelor sau altor substante cu
rol biologic.
Pentru cresterea bacteriilor, de asemenea, sunt necesare anumite substante (vitamine,
aminoacizi, etc.), numite factori de crestere.
In cazul degradarii de catre bacterii a unui mediu dat (substrat), de cele mai multe ori
se intampla ca produse ale metabolismului unei specii bacteriene sa fie preluate si prelucrate
de alte specii, stabilindu-se o asociatie de populatii bacteriene, foarte importanta pentru
epurarea, cu randament crescut, a apelor uzate.
Ca o concluzie : din substante nutritive (substrat), in prezenta enzimelor se obtine
energie, material celular nou si produsi de metabolism. In aceste reactii, un rol important este
jucat de P, care este stocat in celula, ca rezerva de energie.
Cresterea bacterianaCresterea si multiplicarea individului bacterian, caracterizata prin predominarea
proceselor de asimilare asupra celor de disimilare, sunt legate de ereditatea
microorganismului ; cresterea unei populatii bacteriene, in ansamblul ei, este dependenta cu
precadere de conditiile de mediu. Acest din urma fenomen, cresterea numarului de
microorganisme intr-un mediu, de fapt multiplicarea, este imporatnt pentru problemele de
epurare si este implicat in buna functionare a instalatiei in care are loc multiplicarea.
In cazul in care conditiile sunt optime, cresterea bacteriana este un proces rapid :
celula se multiplica in doua, procesul decurgand in continuare logaritmic, cele doua celule
formate simultan crescand cu aproximativ aceeasi viteza cu care celula mama moare. Timpul
unei generatii, adica perioada de timp necesara pentru ca o populatie bacteriana sa-si dubleze
numarul, poate fi destul de scurt, de 15-20 min. S-a calculat ca in 48 de ore , o celula ar puea
da nastere la 2144 celule, cu greutatea 2x1028 t, deci de 4000 ori mai mare decat greutatea
pamantului. In realitate, cresterea bacteriilor este restransa de scaderea substantelor nutritive,
ca si de marirea concentratiei produselor metabolice, toxice.
Daca intr-un volum limitat de solutie nutritiva sterila se introduce un inocul, cateva
bacterii cu capacitate de multiplicare, iar cultura este mentinuta in conditii constante,
multiplicarea bacteriana va urma aceeasi cale pentru toate tipurile de bacterii, reprezentata
prin asa-numita curba de crestere. Aceasta se obtine prin trasarea logaritmului numarului de
celule vii functie de timp.
In general, o curba de crestere tipica poate fi impartita in cel putin patru faze diferite si
anume ; faza de lag, faza de crestere exponentiala (faza logaritmica), faza stationara (sau de
echilibru) si faza de declin.
In faza de lag, celulele isi adapteaza echipamentul enzimatic la mediul in care se
dezvolta. Lungimea acestei faze depinde de durata unei generatii, de specia bacteriana, de
cantitatea inoculului si de faza de multiplicare a culturii folosita pentru insamantare, ca si de
mediul in care a fost crescuta. In cazul in care mediul este schimbat, faza de lag dureaza mai
mult, pentru a-si face aparitia noile enzime, induse de noul mediu. In aceasta faza, se face
adaptarea celulelor la mediul dat sau selectarea numai a celor care au posibilitati enzimatice
de supravietuire. Uneori, selectarea celulelor se face prin mutatii genetice ; in aceste cazuri,
faza de lag poate dura mult. Deci, se poate spune ca, dupa o schimbare calitativa a mediului
de crestere (a substratului), poate surveni o reinnoire a capacitatii de crestere printr-un
mecanism sau altul si anume : adaptarea prin sinteza enzimelor induse sau adaptarea prin
mutatii, in care caz are loc o selectare a unui numar mic de celule, celelalte disparand.
Din enumerarea factorilor care influenteaza durata fazei de lag, se trage concluzia
privind scurtarea acesteia in procesul epurarii : este preferabil ca insamantarea instalatiei sa se
faca cu o cantitate suficienta de biomasa, adaptata la substantele organice existente in apa
uzata sau la substante asemanatoare din punct de vedere structural.
Faza de crestere exponentiala se caracterizeaza prin multiplicarea celulelor cu viteza
constanta, timpul de obtinere a unei generatii avand valoarea minima care poate fi obtinuta in
conditiile date. In aceasta faza, celulele sunt mai sensibile la conditii nefavorabile decat in
faza de lag. Viteza de crestere, in faza exponentiala, se exprima practic ca timpul de generare,
adica timpul cerut de o populatie bacteriana pentru a-si dubla numarul.
In culturi statice, faza cresterii exponentiale nu este lunga, deoarece atat concentratia
substantelor nutritive, cat si a produselor de dezasimilare sunt factori limitativi, deci ating
curand niveluri care nu permit mult timp viteza maxima a biosintezei.
Factorii principali care determina timpul de generare sunt : natura si concentratie
compusilor chimici dein mediu (substante nutritive, substante toxice), gaze (O2, CO2),
temperatura, pH, presiune atmosferica, presiunea hidrostatica si in sfarsit (si nu cel mai putin
important) natura organismului.
Din experimentarile facute, se retin, pentru epurarea apelor, urmatoarele :
-pentru multiplicarea celulara poate fi utilizata orice concentratie a unui substrat
utilizabil- marimea multiplicarii depinde insa de concentratia respectiva ;
-intr-un medi nutritiv complex, fiecare component al mediului, indispensabil pentru
cresterea microorganismelor, poate fi un factor limitativ ;
-diferitele specii de microorganisme dintr-o biocenoza mixta nu au ca factor limitativ,
in mod necesar, acelasi component al mediului nutritiv ; astfel, limitarea diferitelor substrate
sau a concentratiilor lor provoaca o selectie a indivizilor dintr-o biocenoza.
Faza stationara, care se caracterizeaza prin scaderea vitezei de crestere pana la
anularea ei. In aceasta faza, acumularea materialelor toxice duce la moartea celulelor. Viteza
disparitiei si viteza de crestere a noilor celule sunt egale .
Faza de declin, care se caracterizeaza prin cresterea la maximum a vitezei de
disparitie a celulelor vii, aastfel ca numarul de celule scade exponential. In unele cazuri,
viteza de disparitie poate descreste din nou, ca rezultat al reutilizarii de catre celulele vii a
substantelor nutritive eliberate de celulele moarte.
Masurarea cresterii suspensiei bacteriene se face prin numararea celulelor viabile.
Celulele totale pot fi masurate turbidimetric sau prin determinarea suspensiilor uscate,
respectiv volatile.
Principii generale ale epurarii biologiceIn conceptia si practica actuala, epurarea biologicaa apelor uzate nu este o operatie
unica, ci o combinatie de operatii intercorelate, care pot diferi, in diferitele puncte ale
spatiului instalatiei de epurare, pot avea loc cu diferite viteze in timp si pot fi efectuate de o
cultura mixta (eterogena) de microorganisme (biomasa).
Din punct de vedere al modului de hrana, bacteriile intalnite in epurarea biologica se
impart in eterotrofe si autotrofe. Bacteriile eterotrofe descompun substantele organice si
substantele anorganice cu azot ; in absenta oxigenului molecular, unele reduc azotatii la
azotiti, amoniac sau azot molecular si sulfatii la hidrogen sulfurat.
Bacteriile autotrofe obtin energia prin fotosinteza (formele pigmentate) sau prin
chemosinteza (formele nepigmentate) exclusiv din substante anorganice, de exemplu
sulfobacteriile oxideaza H2 S la S sau SO42- ; bacteriile nitrifiante oxideaza amoniacul la azotit
(Nitroaomonas) si azotitul la azotat (Nitrobecter).
Organismele care produc oxidarea substantelor din apele uzate, fac parte din
urmatoarele grupe :
-obligat aerobe, reactiile de oxido-reducere (respiratie ) fiind efectuate numai in
prezenta oxigenului ;
-facultativ aerobe, reactiile fiind efectuate, fie in prezenta, fie in absenta oxigenului ;
-obligat anaerobe, reactiile fiind efectuatenumai in absenta oxigenului (fermentatie) ;
mai mult, oxigenul este toxic pentru organismele respective.
De o deosebita importanta, in epurarea biologica, este transferul de impuritati din apa
uzata spre biomasa, prin contactul interfacial si prin fenomenul imediat urmator de sorbtie
(adsorbtie sau absorbtie). Aceasta operatie este rapida si eficienta, cu urmatoarele conditii :
-interfata intre apa uzata si biomasa sa fie mare ;
-gradientul de concentratie a substantelor, care in procesul epurarii biologice trebuie
indepartate, sa aiba panta abrupta ;
-sa nu formeze la interfata, pelicule lichide, care sa impiedice transferul de substante
sau sa se acumuleze substante nocive.
Calitatea contactului dintre impuritatile asimilabile si biomasa terbuie pastrata prin
procesele de oxidare a substantei organice si de sinteza a noilor celule.
In procesul epurarii apelor uzate, substantele organice se determina global, direct, prin
determinarea C organic, sau, indirect, prin determinarea consumului chimic de oxigen (CCO)
cu ajutorul permanganatului de potasiu sau al bicromatului de potasiu. Cea mai eficienta
exprimare este prin carbon organic total (COT), care nu este folosit ca test de rutina, din cauza
aparaturii implicate ; astfel, pentru apele uzate ramane in vigoare exprimarea substantelor
organice totale ca CCO-Cr. CCO determinat prin metoda cu bicromat de potasiu are avantajul
reproductibilitatii analitice satisfacatoare (deviere standard de 8%) ; de asemenea, se
considera ca scaderea CCO in timpul trecerii prin instalatia de epurare, arata ce proportie a
substantelor oragnice oxidabile indepartate se datoreaza actiunii biologice . Din aceste motive,
testul CCO se bucura de suficienta incredere pentru masurarea, in linii mari, a eficientei de
epurare a unei instalatii ; totusi, nu este adecvat in cazurile in care este necesara o dirijare mai
stransa a procesului de epurare, cu atat mai mult cu cat sunt multe discutii privind relatia intre
materialul oxidabil in conditii de temperatura inalta si de aciditate puternica (conditiile
metodei de laborator) pe de o parte si intre materialul oxidabil de catre microorganisme in
imprejurari fiziologice, pe de alta parte.
Pentru substantele organice asimilabile este inca valabila exprimarea ca CBO5, desi in
cazul apelor uzate industriale exista multe inconveniente. Testul CBO5, determinat prin
metoda dilutiei, este folosit in aceeasi masura ca si CCO.In ultima vreme, acestui indicator, pe
baza caruia se dimensioneaza instalatiile de epurare biologica, i se aduc numeroase critici, din
care reies carentele testului : cea mai evidenta dificultate o reprezinta timpul de
experimentare si de obtinere a rezultatelor ; comparandu-se conditiile de oxidare a
substantelor organice in testul CBO5, si in instalatia de epurare biologica, de exemplu cu
namol activ, se observa diferente insemnate (tabelul 2.3.).
Tabelul nr. 2.3. Conditiile de oxidare a substantelor organice in testul CBO si in instalatia
cu namol activ
CBO Namol activ
Timp de contact indelungat (zile) Timp de contact scurt (ore)
Substrat si organisme diluate Substrat si organisme concentrate
Incubare statica la temperatura constanta
si intuneric
Amestecare turbulenta la temperaturi
variabile si lumina
Concentratie mare a oxigenului dizolvat
initial (8-10 mg/l)
Concentratie mica a oxigenului dizolvat
(2-3 mg/l)
Se incearca inlocuirea CBO5 cu alte notiuni, de exemplu cu tratabilitatea biologica a
apei uzate, dar nu exista inca formulari cantitative care sa satisfaca.
In principal, procesul de epurare biologica are loc astfel : substantele asimilabile
(exprimate ca CBO5 ), concentrate la suprafata biomasei sunt adsorbite ; substantele adsorbite
sunt descompuse de catre exoenzimele celulelor vii, unitatile mici care patrund in celula
sufera procesul de metabolizare (asimilatie si dezasimilatie), se formeaza noi celule ;
produsele finale ale descompunerii (CO2, H2O, azotati, alti metaboliti), sunt eliberate in
mediu. Adsorbtia este treapta determinanta a vitezei procesului.
In epurarea biologica a apelor, concomitent cu eliminarea substantelor organice
dizolvate, se obtine si cresterea culturii bacteriene sub forma de material celular sedimentabil,
insolubil si produse reziduale, unele usor de indepartat,( ca de exemplu CO2, CH4), altele care
raman solubilizate in apa.
Pentru microorganismele care epureaza apele uzate se aproximeaza cresterea cantitatii
de substanta noua, sintetizata, la 40- 60 % din cantitatea de substanta organica asimilabila
existenta in apa- deci factorul de conversie este 0,4- 0,6.
Diferitele substante organice conduc la urmatoarele valori ale factorului de conversie :
-glucide : 0,65- 0,85 ;
-alcooli : 0,52- 0,66 ;
-aminoacizi : 0,32- 0,68 ;
-acizi organici : 0,10- 0,60.
Se apreciaza ca, pentru apele uzate cu impuritati organice usor asimilabile, se poate
calcula un randament de formare a biomasei de 0,5 g (exprimate ca substante volatile ) pentru
1g de CBO5.
Aplicand la epurarea apelor elementele de fizologie bacteriana, se subliniaza
urmatoarele principii :
-viteza proceselor de indepartare a substantelor organice depinde de cresterea biomasei
si de viteza de consumare a substratului ;
-produsii finali ai degradarii, care influenteaza compozitia efluentului, depind numai
de metabolismul intern al microorganismelor ;
-substantele care nu pot fi metabolizate, nici adsorbite pe biomasa, traverseaza
instalatiile de epurare fara a fi modificate, cantitativ.
Rezultatul final al procesului de degradare a substantelor organice este determinat de :
-timpul de reactie intre substrat si biomasa in bazinele de reactie ;
-tipul si viteza reactiilor ;
-concentratia substratului si a biomasei in fiecare moment al reactiei.
Timpul de reactie poate fi liber ales conform datelor tehnice ; celelalte doua marimi
determinate sunt reciproc dependente. Rezultatul total provine din interactiunea tuturor
acestor trei marimi.
In procesele biologice aerobe, majoritatea proceselor curente in epurare apelor uzate,
un factor care, de asemenea, conditioneaza cresterea biomasei este buna aprovizionare cu
oxigen (aer) sau, mai degraba, buna difuzie a oxigenului in biomasa.
La suprafata biomasei, procesul de difuzie a oxigenului are viteza mare, dar descreste
rapid, in interiorul biomasei. De aceea, in cazul unei aerari insuficiente, in interiorul masei
celulare au loc fenomene anaerobe cu producere de gaze, de intermediari cu miros neplacut si
acre pot distruge natura adeziva si coeziva a masei.
In procesul de epurare biologica, in afara de aportul substantelor organice asimilabile,
trebuie tinut seama de existenta mineralelor esentiale, in principal de aportul de azot si fosfor.
Dupa datele din literatura, minimul de minerale nutritive raportate la CBO5 este CBO5 : N :
P= 150 : 5 : 1 si maximul este : 90 : 5 : 1.
O buna epurare biologica conduce la un efluent stabilizat, in care N este oxidat la
azotat.
Epurarea biologica este efectuata de catre o populatie mixta. Rolul principal il au
bacteriile. O mare parte din acestea secreta o masa gelatinoasa, zoogleala (dupa numele
bacteriei secretoare caracteristica, Zoogleea ramigera) cu rol de protectie impotriva atacului
protozoarelor sau a actiunii nocive a unor substante chimice, de stocare a rezervei de hrana, ca
si de promovare a transferului de oxigen. In stransa asociere cu bacteriile sunt protozoarele
(ciliate, flagelate), metazoarele (rotiferi, nematode), ciuperci. Aceste asociatii (biocenoze),
desi formate din aproximativ aceleasi organisme, au un caracter specific fiecaruia din
principalele procedee de epurare biologica : cu namol activ, biofiltru sau iaz de oxidare.
Protozoarele, fiind organisme predatoare, contribuie la epurarea apelor, mai ales prin
mentinerea unui echilibru in dezvoltarea bacteriilor, jucand astfel un rol de seama in
limpezirea apei epurate. Datorita faptului ca aparitia protozoarelor si a metazoarelor in
biomasa activa, constituie o dovada a unor conditii bune de viata aeroba, aceste organisme au
devenit indicatori de epurare.
Inainte ca o apa uzata sa sufere procesul de epurare biologica, ea trebuie sa treaca
printr-o forma preliminara de tratament : epurare primara. Scopul acesteia este de a indeparta
materiile in suspensie si, uneori de a diminua concentratiie prea mari de substante organice
dizolvate.
Instalatiile de epurare primara sunt, in general : gratare, site, deznisipatoare,
decantoare primare.
Gratarele si sitele- au drept scop indepartarea particulelor mai mari (grosiere) de
substante in suspensie; CBO5-ul apei uzate nu este scazut semnificativ, raman inca suficiente
suspensii, dar procesul impiedica infundarea echipamentului de epurare, inlatura acumularea
depunerilor neplacute si intercepteaza materiile plutitoare nedorite.
Deznisipatoarele, bazine de sedimentare pentru particule grele, cu viteza mare de
depunere, lasa sa treaca suspensiile solide organice mai usoare. Sunt instalatii foarte
importante in protejarea unor echipamente, ca de exemplu pompe si in prevenirea acumularii
solidelor minerale in instalatiile de epurare biologica.
Decantoarele primare au drept scop reducerea continutului substantelor sedimentabile
in instalatiile de epurare biologica, prevenind astfel formarea depozitelor de namol. In
general, la un timp de decantare de 2 ore, se poate indeparta cca. 35 % CBO5 si 60%
suspensii. Aceasta operatie este necesara in cazul folosirii procedeului biofiltrelor, pentru a
impiedica colmatarea materialului filtrant.
3.1. Epurarea biologica cu namol activ Daca apa uzata menajera au o apa uzata organica cu calitati similare este aerate un
timp, se formeaza flocoane brune, care sedimenteaza in momentul intreruperii aerarii.
Privit la microscop, un flocon prezinta o structura complicate, caracterizata prin o
masa gelatinoasa secretata de microorganisme (masa zoogleala) in care sunt cuprinse foarte
numeroase bacterii si substante inerte ; printre flocoane traiesc protozoare si unele metazoare.
Floconul este unitatea structurala a namolului active; ca structura, flocoanele de namol active
variaza , in functie de conditiile de mediu, de la flocoane dense, formate din ingramadiri de
bacterii, la flocoane formate din o impaslitura de bacterii filamentoase si ciuperci. Datorita
interactiunii intre diferitele organisme existente in flocon (metabolitii eliberati de o specie
bacteriana sunt prelucrati de altele, conducand la o epurare inaintata a apelor uzate ), namolul
activ este privit ca un tot unitar.
Fluxul tehnologic dintr-o instalatie conventionala cu namol activ consta in urmatoarele
trepte: -amestecarea namolului activ cu apa uzata ;
-aerarea si agitarea acestei suspensii in timpul prescris ;
-separarea namolului activde apa epurata (efluent) si reintoarcerea unei parti din
namolul sedimentat in bazinul de aerare.
Influentul (apa uzata bruta sau suferind tratare primara) intra in bazinul de aerare unde
substanta organica este atacata si stabilizata de catre namolul activ. Prin aceasta, se produce
cresterea biomasei, astfel ca namolul trebuie indepartat din sistem, dupa separarea de apa
epurata (afluent).
Pentru ca o apa uata tratabila biologic sa fie epurata in conditii bune, este necesar, pe
de o parte, ca instalatia sa fie conceputa si construita in mod adecvat, iar pe de alta, sa fie
asigurata o exploatare rationala si un control eficient al functionarii.
3.2. Epurarea biologica cu ajutorul biofiltrelorDiferenta de baza intre epurarea biologica cu ajutorul biofiltrelor si procesul cu namol
activ, in ceea ce priveste structura ecologica, este ca biofiltrul utilizeaza o succesiune de
comunitati biologice stabilite la diferite niveluri in interiorul filtrului si asociate cu diferite
grade de epurare, pe cand floconul de namol activ are aceeasi comunitate biologica la timpul
dat, acesta fiind asociata cu echilibrul intre influentul brut si efluentul purificat.
In biofiltru, interrelatiile si activitatile diferitilor membri ai comunitatii bilogice sunt
aceleasi, ca si in cazul namolului activ, desi sunt limitate la dimensiunile stratificarilor.
Biofiltrul este un filtru de inaltime ce poate varia intre 1 si 3,5 metri, umplut cu
material brut, rugos, dur, impermeabil, peste care este distribuita apa uzata, in contracurent cu
aerul. Pe materialul de umplutura se formeaza o pelicula biologica raspunzatoare de reactiile
necesare indepartarii substantelor organice. La partea inferioara, biofiltrul este prevazut cu un
sistem de drenaj, pentru indepartarea apei tratate si cu sisteme de ventilatie.
Ca si in cazul procedeului cu namol activ, principala functie a biofiltrului este de a
prelua, din apa uzata, impuritatile organice, existente sub forma de solide dizolvate sau fin
divizate si de a le oxida biologic, pentru a forma compusi stabili eliberati in apa tratata.
Exista mai multe scheme ale fluxului tehnologic de epurare cu biofiltre.
Trasaturile esentiale necesare ale procesului de oxidare biochimica a substantelor
organice cu ajutorul biofiltrelor sunt :
-o suprafata adecvata a materialului de umplutura, pentru a permite cresterea peliculei
biologice ; raportul suprafata/ volum al acestui material trebuie sa fie mare ;
-oxigen, pentru a exista conditii aerobe ;
-tratabilitatea biologica a apei uzate.
Randamentele uzuale de indepartare a substantelor organice exprimate ca CBO5, sunt,
in cazul biofiltrelor, in jur de 80%. Indepartarea CBO5 depinde, in principal, de apa uzata si de
temperatura de functionare a biofiltrului.
Apa uzata intervine prin cantitate si calitate. In general, cu cat debitul este mai mare,
cu atat eficienta este mai scazuta. Calitatea apei poate interveni negativ prin substante toxice
pentru microorganisme ca : cianuri, cupru, crom, mercur si alte metale grele, alti inhibitori
organici ai reactiilor vitale.
Temperatura crescuta (pana la aproximativ 40ºC ) favorizeaza indepartarea CBO5,
datorita activitatii crescute a microorganismelor.
In general, biofiltrele sunt folosite pentru ape uzate usor tratabile si cu concentratie
relativ scazuta in substante organice.
3.3. Epurarea in iazuri biologice (de oxidare)Iazurile biologice pot fi definite ca bazine putin adanci, care folosesc procesele
naturale de indepartare din apele uzate a materiei organice si a microorganismelor sub
controlul partial al omului. Un iaz biologic poate avea functiune multipla: ca instalatie unica
de tratat a apelor uzate, ca instalatie de trataresecundara sau tertiara, ca rezervor de egalizare,
ca bazin de sedimentare suplimentara.
Dupa procesul biologic care predomina in iaz se pot distinge :
-iazuri anaerobe, cu fermentare metanica predominanata, intreg volumul bazinului
fiind in stare de anaerobie. O varianta a acestui tip este iazul anaerob cu strat aerob la
suprafata, in care stratul superficial este, periodic, in stare de aerobie, restul volumului fiind
anaerob ;
-iazuri facultative anaerobe- aerobe, in care au loc concomitent procese de oxidare
anaeroba, oxidare aeroba si de fotosinteza in diferite proportii. Oxigenul necesar proceselor
aerobe este furnizat de alge, prin fotosinteza si este produs numai pana la adancimea la care
patrund razele solare. La fundul iazului, depunerile de material organic sunt stabilizate prin
fenomene de anaerobie ;
-iazuri aerobe de mare eficienta sau de mare incarcare, in care oxidarea si fotosinteza
sunt in echilibru, realizand o stabilizare aeroba completa.
Cand intr-un iaz biologic se descarca continuu un debit de ape uzate, o parte din
substantele organice intra in lichidul din iaz iar cealalta parte se depune la fundul iazului sub
forma de namol.
In iazuri anaerobe si facultativ aerobe , substantele organice din lichid sunt
descompuse de catre bacterii partial la CO2, NH3, fosfat si alti compusi.In cazul in care
oxigenul este disponibil, namolul este descompus de catre bacterii aerobe, cu formarea unora
din compusii de mai sus ; daca este disponibil putin oxigen sau nu exista deloc, namolul
sufera descompunere anaeroba, eliberand gaze, in functie de tipul de descompunere (metan,
bioxid de carbon, amoniac, hidrogen sulfurat, hidrogen, etc.) si compusi solubili (acizi
organici, etc.) care incarca lichidul din iaz cu substante organice.
Cand lumina solara si elementele nutritive sunt disponibile, iar timpul si temperatura
sunt favorabile, in iaz se dezvolta de obicei alge verzi. Acestea folosesc pentru necesitatile lor
vitale substantele anorganice nutritive care rezulta din descompunerea bacteriana si pun in
libertate oxigen, care la randul lui poate servi pentru oxidarea de catre bacterii a substantelor
organice dizolvate.
Oxidarea aeroba descompune cel mai bine substantele din iazuri, evitandu-se
neplacerile cauzate de miros, caracteristice oxidarii anaerobe. Este cunoscut ca, acolo unde
iazurile de oxidare au fost proiectate in mod corespunzator si au fost populate cu organisme
adecvate, apele uzate sunt transformate in efluenti corespunzatori calitativ.
