1 Tipuri de procese cu nămol activ Procesul cu nămol activ este deosebit de flexibil, putând fi adaptat majoritatii tipurilor de probleme ale tratării biologice a reziduurilor In funcţie de viteza de utilizare a substratului organic biodegradabil sau nebiodegradabil, exista: 1. Procese cu viteza redusa de utilizare a substratului (r US ) 2. Procese cu viteza standard de utilizare a substratului (r US ) 3. Procese cu viteza mare de utilizare a substratului (r US ) r US CBO , kg/kg SSV·zi r US CCO , kg/kg SSV·zi Viteza redusa 0.05~0.1 0.1~0.2 Viteza standard 0.1~0.5 0.2~0.8 Viteza mare 0.5~5 > 1
Transcript
1
Tipuri de procese cu nămol activ
Procesul cu nămol activ este deosebit de flexibil, putând fi adaptat majoritatii tipurilor de probleme ale tratării biologice a reziduurilor
In funcţie de viteza de utilizare a substratului organic biodegradabil sau nebiodegradabil, exista:
1. Procese cu viteza redusa de utilizare a substratului (rUS )2. Procese cu viteza standard de utilizare a substratului (rUS )3. Procese cu viteza mare de utilizare a substratului (rUS )
rUS CBO, kg/kg SSV·zi rUS CCO, kg/kg SSV·zi
Viteza redusa 0.05~0.1 0.1~0.2Viteza standard 0.1~0.5 0.2~0.8Viteza mare 0.5~5 > 1
2
1. Procese cu nămol activ cu viteza redusa de utilizare a substratului
1.1. Aerare extinsa Sistem cu microorganisme in suspensie, cu viteza redusa de utilizare a substratului,
similar cu procesul convenţional cu curgere tip piston Mod de amestecare perfecta Biomasa separata in decantor este parţial recirculata in bioreactor Operează in faza de respiraţie endogena a curbei de creştere a microorganismelor,
ceea ce necesita sarcina organica scăzuta si o durata hidraulica de staţionare ridicata Durata hidraulica de staţionare mare, creata prin mărirea bazinului de aerare Obiectivul propus este YrUS = kd (constanta de degradare endogena) , dar nu poate fi
atins.
Apa rezidualabruta
Nămol activ recirculat (NAR)
Bazin de aerare Decantorfinal
Efluent
Nămolactiv
rezidual(NARez)
3
• Parametri tipici de proiectare/funcţionare:•r US CBO: 0.05~0.2 kg/kg SSV·zi•Durata hidraulica de staţionare(DHS) = 8~36 h;•Durata de staţionare a solidelor (DSS) = > 20 zile•X0 = 2000~6000 mg SSV/L•Sarcina organica iniţiala, Lv = 160 ~ 400 mg CBO5/L.zi•Viteza de producere nămol = 0.3 g SSV/g CBO5 îndepărtat •Eficienta de îndepărtare a CBO, ECBO = 75~85%
• Nitrificare completa, uzuala in orice moment a anului. • Nămolul activ rezidual se evacuează din decantorul secundar• Poate accepta şocuri de sarcina fara probleme.• Multe instalaţii nu au sedimentare primara, având un influent cu concentraţie
ridicata in CBO• Folosita in multe instalaţii de digestie aeroba• Necesita un debit mare de aer: 0,100~0,200 L/mg CBO5• Eficienta mai redusa decât in cazul proceselor standard• Scapari mari de solide in efluent, demonstrate prin creşterea turbidităţii si a
conţinutului de azot organic• Performanta procesului/instalaţiei se imbunatateste prin
•Folosirea filtrelor cu nisip după decantorul secundar•Evacuarea periodica a solidelor din bazinul de aerare sau digestorul aerob•Perfecţionarea manipulării solidelor
4
1.2. Canal de oxidare• Sistem cu microorganisme in suspensie, cu viteza redusa de utilizare a
substratului• Canal circular sau oval, echipat cu dispozitive mecanice de aerare• Viteza apei reziduale: 0,25 – 0,35 m/s• Durate de staţionare hidraulica si a solidelor ridicate• Poate funcţiona discontinuu sau continuu. Funcţionarea continua necesita
decantoare secundare• Sarcina organica iniţiala = 160~240 mg CBO5/L.zi• Util pentru intalatii in comunitati mici• Necesita spaţiu mare• Diferenţe in funcţionare fata de aerarea extinsa:
• Recirculare interna• Existenta gradientilor de substrat• Existenta zonelor aerobe si anoxice
NARezNAR
Decantor final
EfluentCanal de oxidare
Rotor
Influent
5
Canal de oxidare
6
2. Procese cu viteza standard de utilizare a substratului
Decantorfinal
Apa reziduala
bruta
Decantor primar
(opţional) Nămol activ recirculat (NAR
Nămol activ
rezidual(NARez)
Efluent
Nămolprimar
2.1. Proces convenţional cu nămol activ (NAC)
• NAR si influentul sunt introduse in acelaşi punct al bazinului de aerare, fiind amestecate prin aerare mecanica sau cu difuzoare de aer
• Configuraţia bazinului determina gradul de amestecare. • Aerarea este uniforma pe lungimea bazinului• In timpul aerării au loc adsorbţia, flocularea si oxidarea substanţelor organice• Nămolul se separa in decantorul secundar (final)
7
Apa rezidualaBruta+NAR
Nămol activ recirculat (NAR)
Bazin de aerareDecantor
finalEfluent
NARez
2.2 Proces cu amestecare totala
• Obiectivul este amestecarea perfecta in bazinul de aerare.• Procesul este inflexibil, decurgând intr-un singur bazin;• Tendinţa de îngroşare a nămolului mai mare decât in sistemele convenţionale la rapoarte
mici F/M; • folositor pentru dispersarea şocurilor de sarcina organica sau toxica, realizând
uniformizarea concentraţiei acestora ca si a necesarului de oxigen in lungul reactorului• Influentul si reciclul de nămol sunt introduse in mai multe puncte in reactor• Parametri tipici de operare:
2.4. Stabilizare prin contactare Sistem cu amestecare totala Compartimente separate pentru tratarea apelor reziduale si stabilizarea nămolului activ. Nămolul activ stabilizat se amesteca cu influentul in bazinul de contactare Nămolul activ recirculat se aerează separat in bazinul de reaerare pentru stabilizarea
substanţelor organice Necesarul de aer este cu cca. 50% mai mic decât la sistemele convenţionale cu curgere tip
piston DHS este minima• Parametri tipici de proiectare/operare
Varianta a procesului cu aerare in trepte Realizata spre a rezolva problema nămolului greu sedimentabil rezultat de la tratarea
reziduurilor cu concentraţie mare in hidraţi de carbon si a celor deficitare in N si P (ex. Ape municipale, ape reziduale din industria alimentara)
Supernatantul din digestorul de namol si nămolul digerat recirculat se folosesc ca sursa de azot, azotul amoniacal fiind oxidat la nitrat in bazinul de nitrificare
11
Decantorfinal
Apabruta
Decantorprimar
Bazin aerare
NAR NARez
Efluent
Nămol
Dispozitiv aerare superficial
2.6. Oxigenare cu oxigen pur (Unox®, Narox®, Airco®, Air Products®)
Asigurarea necesarului de oxigen se realizează folosind oxigen de înalta puritate (95% O2)
Bazinele de aerare sunt acoperite, controlându-se astfel mirosurile Transferul O2 se realizează cu dispozitive de aerare superficiale sau distribuitoare
submerse Bazinul de aerare are mai multe compartimente (trepte) Necesare corecturi de pH, care in bazinele acoperite si in procesele de nitrificare are
tendinţa sa scadă Nămolul rezultat sedimentează mai bine Cantitatea de oxigen furnizata este de cinci ori mai mare decât la aerarea cu aer
12
Dispozitiv aeraresuperficial
Apabruta Efluent
2.7. Lagune aerate Proces cu amestecare totala, asigurata prin sisteme de aerare superficiale sau de tip difuzor Asemănător procesului cu aerare extinsa, reactorul fiind insa un bazin săpat in pamant, in aer
liber Timpul de contactare este limitat la DHS datorita lipsei de recirculare Calitate limitata a efluentului Pot fi aerobe sau facultative (chiar anaerobe in stratul de la baza pentru anumite procese de
digestie a namolulului) Dimensiuni orientative: lungime 2,5 -5,5 m, 0,4 m latime, concentraţie biomasa 1000~5000
mg/L, energie necesara la aerare 10~20 kW/L Adâncime la aerare superficiala 3~4,5 m; Adâncime la aerare submersa 5~6 m
Aerobe AnaeroberUS, g CBO5/g SSV·zi ~2 30~100DHS, zile 1~10 7~20Adâncime, m 8~16 8~16SS in efluent, mg/L 200~300 200~400Indepartare CBO, % 80~95 70~80
13
Laguna aerata superficial
14
2.8. Reactoare secvenţiale discontinue (RSD)
Amestecare totala Funcţionare discontinua
F/M tipic = 0.05~0.1 (comparabil cu un proces de tip aerare extinsa) Avantaje
Calitate buna a efluentului Eliminarea decantoarelor individuale si a pompelor de recirculare nămol Pot sa preia sarcini hidraulice si organice precum si şocuri de sarcina mari A Pot uniformiza debitele si sarcinile Operare simpla, costuri mici
Influent
2 31 Umplere Bio - Reacţie Sedimentare
Efluent4 5Esorare Inactiv
15
Strategii posibile de operare a RSD la îndepărtarea carbonului, azotului si fosforului
Influent2 31 Umplere Bio - Reacţie Sedimentare
Efluent4 5Esorare Inactiv
16
2.9. Biofiltre (filtre biologice sau filtre cu percolare) Conceptul de filtru biologic (filtru de percolare) a fost introdus pentru prima oară în
Anglia (1893) si a fost dezvoltat din necesitatea înlăturării problemelor tehnologice ale filtrelor granulare cu nisip sau pietriş.
Din punct de vedere constructiv, biofiltrele sunt bazine sau coloane cu secţiune dreptunghiulară sau circulară, în care se află un strat de umplutură din roci, lemn sau material plastic şi cărora li se asigură o bună ventilaţie.
Din punct de vedere functional, biofiltrele sunt bioreactoare trifazice, cu microorganisme in strat fix (biofilm) in care se pot desfasura procese aerobe sau anaerobe. Umplutura bioreactorului oferă o suprafaţa mare pe care stratul microbial se poate dezvolta şi poate fi apoi expus filmului de ape uzate şi oxigenului în vederea degradării substanţelor organice prin consumarea lor de către biomasă.
Spre deosebire de procesul de epurare biologică cu nămol activ (în suspensie), în care microorganismele care îndepărtează substratul organic din apa uzată formează o cultură omogenă, în procesele cu microorganisme imobilizate sub formă de biofilm pe materialul filtrant, speciile de microorganisme sunt organizate de-a lungul biofilmului într-un lanţ trofic, formând o cultură heterogenă.
Biofilmul conţine în afară de bacterii, numeroase microorganisme animale şi vegetale (ciuperci inferioare, alge albastre, protozoare, metazoare) sau chiar organisme inferioare nevertebrate (viermi, insecte).
Pelicula descendentă de apă uzată întâlneşte succesiv microorganismele ce formează lanţul trofic. Este utilizată astfel o succesiune de comunităţi biologice stabilite la diferite niveluri ale biofilmului şi asociate cu diferite grade de epurare a apei uzate. Această succesiune de asociaţii bacteriologice conferă sistemelor de epurare biologică în strat fix de microorganisme, o capacitate sporită de adaptare la mărimea încărcării organice a influentulu(şocuri).
17
Procesele aerobe cu microorganisme imobilizate decurg în filtre deschise, cu aport de oxigen prin asigurarea ventilaţiei naturale sau artificiale a sistemului. Apa uzată curge în proporţie de circa 99 % sub formă de film descendent pe suprafaţa biofilmului depus pe suportul solid. Restul de 1 % curge sub formă de picături care apar din cauza neregularităţilor suprafeţei biofilmului.
Epurarea decurge în condiţii aerobe, la interfaţa între biofilmul format pe suprafaţa umpluturii şi filmul de apă uzată care curge peste suprafaţa biofilmului, în prezenţa oxigenului asigurat prin ventilarea sistemului.
Procesele anaerobe cu microorganisme imobilizate decurg în filtre închise, cu materialul filtrant pe care este depus filmul complet înecat. În acest sistem gradul de îndepărtare a stratului organic variază între 50 şi 90%.
Biofiltrele anaerobe prezintă avantajul că pot funcţiona pe un interval larg al încărcării organice a influentului, cu consumuri energetice reduse. De asemenea, în urma procesului biochimic de reducere a substratului organic rezultă gaze cu un conţinut ridicat de metan, ce pot fi utilizate drept gaze combustibile. Acest tip de proces se aplică pentru epurarea apelor uzate din zootehnie, industria alimentară şi chimică.
18
Mediu filtrant
Sistem de drenare
Distribuitor rotativ ape uzate
Pentru medii filtrante din roca, adancimea este limitata la 2-3 m din cauzanecesitatii asigurarii oxigenului utilizat in procesul biochimic
Aer
Schita unui biofiltru
19
Carcasa exterioara a unui biofiltru
Distribuitor rotativ in functiune
20
Apa uzată este introdusă în biofiltru prin distribuitoare situate deasupra stratului de umplutură, curgând în picătură şi în final, prin coalescenţa picăturilor în film subţire descendent peste elementele umpluturii.
Efluentul este evacuat pe la partea inferioară, printr-un sistem de drenare, care serveşte de regulă şi ca suport pentru umplutură, într-o rigolă periferică şi condus spre decantoare.
După un anumit timp de la începerea alimentării cu apă uzată, pe suprafaţa materialului filtrant se formează o peliculă gelatinoasă de microorganisme care reţine poluanţii din apă şi îi metabolizează.
Pe măsura creşterii microorganismor, biofilmul se îngroaşă iar oxigenul nu mai poate pătrunde în întreaga masă.
Apar astfel zone anaerobe în biofilm în care microorganismele mor sau intră într-o etapă de creştere endogenă, pierzându-şi capacitatea de fixare pe suprafaţa solidă şi putând fi spălate de influentul apos.
În urma spălării microorganismelor moarte, începe formarea unui nou strat de microorganisme, reluându-se ciclul.
21
Factori ce afecteaza performanta biofiltrului:
compozitia apei uzate si a efluentului; tipul si caracteristicile geometrice ale
mediului filtrant; sarcina hidraulica sarcina organica a infuentului; ventilatia biofiltrului.
suprafaţă mare raportată la volum să aibă rezistenţă ridicată să nu conţină substanţe toxice cultura de microorganisme ce se formează pe suprafaţa acestora să nu
se blocheze uşor prin înnămolire să fie ieftin.
Materiale folosite: Piatra, ca material filtrant se foloseşte rar şi numai atunci când preţul de
achiziţie a acesteia este mic. Trebuie să aibă dimensiuni uniforme (75-100 mm). Din cauza greutăţii, filtrele ce folosesc piatra ca material filtrant, au o înălţime de h = 1.5-3 m.
Policlorura de vinil şi polietilena sunt cele mai folosite materiale filtrante. Acestea sunt turnate în forme dreptunghiulare, cu suprafeţe ondulate pentru a mări cât mai mult suprafaţa de contact dintre apa uzată şi stratul de biomasă depus, precum şi pentru a mări timpul de retenţie.
Lemn presat (PFL) Mediile filtrante din material plastic sunt utilizate curent pentru biofiltre,
datorită avantajelor pe care le prezintă în raport cu rocile sau lemnul: suprafaţă specifică şi fracţie de goluri mare, ventilaţie corespunzătoare, posibilitatea preluării unor încărcări hidraulice mari.
Se folosesc mai multe tipuri de umpluturi din plastic: fascicule verticale netede sau striate, module aleatoare prin care curgerea poate fi orizontală, verticală sau încrucişată.
23
Proprietăţi ale materialelor de umplutură
Material umplutură
Dimensiune nominală
(cm)
Masă/unita-te de volum
(kg/m3)
Supra-faţă
specifică(m2/m3)
Frac-ţie
goluri (%)
Piatră de râu mică
2,54-6,35 1249,4-1441,6
55,7-68,8 40-50
Piatră de râu mare
10,10-12,7 800,9-993,1 39,3-164 50-60
Zgură măruntă 5,08-7,62 890,7-1201,7
55,7-68,8 40-50
Zgură mare 7,62-12,7 800,9-993,1 45,9-59 50-60 Umplutură de plastic convenţională
60,96x60,96x121,93
32,03-96,11 78,7-98,4 94-97
Umplutură de plastic cu arie specifică mare
60,96x60,96x121,93
32,03-96,11 98,4-196 94-97
Lemn roşu 121,93x121,93x50,8
144,16-176,2
39,36-49,2
70-80
24
Tipurile de umplutură asigură prin forma lor diverse modalităţi de curgere a apei uzate: verticală, încrucişată, ondulată
Material de umplutură cu curgere încrucişată a fluidului
Material de umplutură cu curgere ondulată a fluidului
Material de umplutură cu curgere verticală a fluidului Material cu curgere aleatoare
25
Sistemul de drenaj
Sistemul de colectare al biofiltrelor conţine un canal de drenare unde apa epurată şi solidele eventual trecute prin filtru sunt colectate şi transportate în bazinul de sedimentare finală.
Fundul biofiltrului este construit dintr-un material care trebuie să fie suficient de rezistent pentru a susţine materialul filtrant şi suficient de poros pentru a permite trecerea apei epurate prin el.
Fitrele cu material filtrant din piatră au canalul colector şi fundul format din blocuri prefabricate sticloase sau grătare din fibră de sticlă, iar pentru cele cu material filtrant din plastic acestea sunt realizate din grătare din plastic.
Înclinaţia canalelor de drenare trebui să asigure o viteză de scurgere de minim 0,6 m/s.
Sistemul de drenaj poate fi folosit la aerarea filtrului, asigurându-se astfel aerul necesar pentru supravieţuirea microorganismelor ce formează biomasa.
26
Procesul de aerare În general ventilaţia biofiltrelor se asigură în mod natural, ca urmare a diferenţei de
temperatură dintre interiorul şi exteriorul filtrului biologic. Temperatura biofiltrului este aproximativ egală cu cea a apelor uzate. Aşadar, aerul
este mai cald iarna în interiorul biofiltrului, faţă de mediul înconjurător, ceea ce duce la apariţia unui curent ascendent de gaz. Vara este mai cald aerul atmosferic, ceea ce face să apară un curent descendent, în echicurent cu lichidul care se scurge din distribuitor.
La o diferenţă de temperatură de 6C între interiorul şi exteriorul biofiltrului, fluxul de aer atinge circa 0,3 m3 aer/m2min, deci o viteză de cca. 18 m/h. Acestă valoare este suficientă pentru asigurarea necesarului de oxigen în procesul biologic aerob de consumare a substratului organic. Este de precizat faptul că, din oxigenul conţinut de acest debit de aer, numai 3-5 este utilizat efectiv pentru procesul aerob.
La o diferenţă de 2C, curgerea aerului prin mediul granular poros se opreşte, iar sub această valoare, sensul de mişcare a aerului se inversează.
Ventilaţia naturală a biofiltrelor este indicată cu condiţia să se ia o serie de precauţii. Drenajul şi canalele colectoare trebuie proiectate la debite nu mai mari de
jumătatea debitului de alimentare cu aer. La filtrele cu diametrul mare trebuie proiectate canale colectoare despărţitoare cu
aerisirea capetelor sau cu o serie de supape instalate la periferia filtrului. Suprafaţa liberă a canalelor din partea superioară a blocurilor de drenaj nu
trebuie să fie mai mare de 15% din suprafaţa filtrului. Factorii de mediu, în special vântul, influenţează ventilaţia naturală din biofiltru,
însă caracterul lor aleator nu permite o abordare sistematică. Ventilaţia artificială este justificată în incinte, în scopul asigurării contra îngheţului. În
anumite situaţii, se introduce aer preâncălzit pe la partea inferioară a biofiltrului, relizându-se tirajul forţat cu aer cald pentru a împiedica îngheţul.
27
Biofiltre cu recirculare
Decantor secundar
RecicluNamol secundar
rezidual
Scop:•Cresterea duratei de contact a filmului de apa uzata cu biofilmul•Realizeaza un efort tangential constant necesar indepartarii biomasei epuizate
28
Compozitia biofilmului Biofilmul reprezintă o comunitate de microorganisme care aderă la suprafaţa unui
suport solid natural sau artificial Biofilmul se poate găsi pe suprafaţa oricărui mediu suficient de hidratat şi care
conţine nutrienţii necesari disponibili. În mod natural biofilmul se poate forma: pe substrate solide în contact cu umezeala; pe suprafaţa ţesuturilor moi din organism; pe suprafeţele vegetale (frunze, rădăcini, seminţe care germinează), etc.
Biofilmul se formează la orice interfaţă: lichid/solid , lichid/lichid (ex. ulei/apă în tancuri petroliere), lichid/aer.
Biofilmul este un material natural, heterogen, multifazic, similar unei matrici poroase şi care conţine: celule microbiene - sunt componentele vii ale biofilmului, care se comportă ca
autocatalizatori în transformarea substratului; apă interstiţială. EPS (substanţe polimerice extracelulare insolubile);
EPS-ul este un produs al transformării substratului, contribuind direct la integritatea structurală a biofilmului şi indirect la limitarea transformării substratului. Este un polizaharid extracelular (glicocalix) care înveleşte microorganismele şi care împreună cu celulele microbiene formează comunitatea biofilmului.
Structura monomerică de bază a EPS-ului în biofilm include: glucoză, galactoză, manoză, acid galacturonic şi acid glucuronic. EPS-ul conţine de asemenea piruvat, acid uronic şi zaharuri neutre care influenţează puternic caracteristicile chimice ale biofilmului.
Pricipalele grupe funcţionale ale zaharurilor acide în EPS sunt grupele carboxilice şi hidroxilice, care sunt ionizate la valori de pH neutru şi care produc încărcarea negativă a suprafeţei biofilmului în condiţii normale.
29
Un exemplu de biopolimer produs de bacterii este cleiul de xantan, produs de Xanthamonas campestris.
Structura sa chimică este prezentată în figura
Structura chimică a cleiului de xantan
30
Biofilm apărut natural pe granule de nisip
31
Procesul de formare al biofilmului
32
Model fizic al epurarii biologice in strat fix
33
Epurarea biologică a apelor uzate la nivelul biofilmului prin transformarea biochimică a substratului organic în produşi anorganici gazoşi şi material celular nou (biomasă) presupune trei procese ce decurg simultan: transferul de masă al substratului organic prin
filmul de apă uzată spre interfaţa acestuia cu filmul biologic;
transferul de oxigen din faza gazoasă spre şi prin filmul de apă uzată către biofilm;
reacţia biochimică propriu-zisă, la interfaţa film de lichid-biofilm;
Transferul de masă al substanţelor organice şi al oxigenului prin filmul de apă uzată este un proces de difuziune într-un fluid în curgere.
Consumul de substrat şi de oxigen sunt influenţate de cantitatea şi compoziţia biomasei alcătuind biofilmul, precum şi de tipul de substrat, de fapt de caracteristicile difuzionale ale acestuia şi de cinetica reacţiei biochimice cărora substratul le este supus.
Med
iu fi
ltran
t Bio
film
Film apă uzată
x
cz
Aer
O2CO2
Produşi
dz
34
Modele matematice ale procesului de epurare biologica in strat fix
A. Modele matematice bazate pe corelarea datelor experimentale (Modele empirice) - obţinute prin corelarea datelor experimentale şi sunt limitate ca valabilitate pentru condiţiile particulare în care s-au desfăşurat respectivele experimente.
B. Modele matematice bazate pe legea conservarii masei (Modele semiempirice) - Consideră biofiltrele ca sisteme pseudo-omogene, în care profilul de concentraţie este plat pe secţiunea transversală.
C. Modele matematice bazate pe ecuatia cinetica - consideră determinantă de viteză reacţia biochimică de consum a substratului organic la interfaţa filmului de apă uzată cu biofilmul;
D. Modele matematice de tip difuzional - în care etapa determinantă de viteză este difuziunea prin filmul descendent de apă uzată a substratului organic/oxigenului spre interfaţa sa cu biofilmul, luand in considerare si cinetica biochimica.
35
A. Modele empirice A1. Ecuaţia NRC (National Research Center)
Pentru procesul cu o singură etapă de filtrare:
FVW0.05611
100E1
, (1)
în care: E1 - Eficienţa îndepărtării CBO la 20 C incluzând
recircularea şi sedimentarea [%]; W - Încărcarea organică a filtrului, [m3/h]; V - Volumul mediului de filtrare,[ m3]; F - Factor de recirculare; R - Raport de recirculare;
2
10R1
R1F
;
QQ
R r
unde: Qr - Debit recirculat, [m3/h]; Q - Debit apă reziduală, [m3/h];
36
Pentru procesul cu două trepte de filtrare:
FVW'
E10.05611
100E
1
(2a)
FVW0.05611
100E1
(2b)
în care: W' - Încărcare organică în a doua treptă de filtrare,[Kg/h]; E1 - Eficienţa îndepărtării CBO în prima treaptă, [%];
Eficienţa procesului de filtrare calculată cu ecuaţiaNRC este valabilă numai la temperatura de 20C.Dependenţa de temperatură a acesteia este dată derelaţia: 20T
20T θEE (2.c)
unde: = 1,035 - Constantă specifică; T – Temperatură [C]; E20 - Eficienţa procesului la 20C; ET - Eficienţa procesului la temperatura T [C];
37
A2. Ecuaţia Eckenfelder IRelaţia propusă de D. Eckenfelder este:
n
vma
i
e QHSkexpSS
(3)
în care: k - Constanta de reacţie, [m/h]; H - Înălţimea biofiltrului, [m]; Sa - Aria specifică a biofiltrului, [m2/m3];
Q
v - Fluxul volumetric, [m3/m2h]; A Aria transversală a biofiltrului, [m2]; m,n - Constante empirice; A3. Ecuaţia Eckenfelder II
în care: K20 - Constanta de tratabilitate la 20C,[(m3/s)0.5m-2]; H - Înălţimea biofiltrului, [m]; Q
v - Fluxul volumetric, [m3/m2h]; n - Constantă experimentală, n = 0.5;
39
B. Modele matematice bazate pe legea conservarii masei Ipoteza de bază a acestui tip de modele este aceea că procesul determinant de viteză este difuziunea
substratului organic prin stratul de microorganisme Ecuaţia bilanţului parţial de masă al substratului organic pentru elementul infinitezimal de control, (6.9), se
bazează pe legea conservării masei acestuia în interiorul volumului considerat:
zdwrdzdzdSSQSQdV
dtdS
s
(6)
Debit de acumulare
al substratului în
elementul de volum
=
Debit de consum al
substratului în
elementul de
volum
–
Debit de substrat
ce iese din
elementul de
volum
+
Debit de substrat
ce intră în
elementul de
volum
în care: S - Concentraţia de substrat raportată la elementul de volum, [mg/l]Q - Debit volumetric de alimentare, [ft3/min]w - Lăţimea secţiunii considerate, [ft]
SKSKhE
rn
os
unde:rs - Flux de material organic ce pătrunde în biofilm, [ft/min] ;E - Factor de eficacitate al biofilmului, [%];h - Grosimea biofilmului, [ft];Ko - Viteza maximă de reacţie, [min-1];Kn - Constantă de viteză, [mg/l].
40
Ştiind că eficienţa procesului de epurare se poate scrie:
SfE (7a)
în care:
f - Factor de proporţionalitate, rs devine:
SKSKhf
rn
2o
s
(7b)
Pentru un regim staţionar, acumularea de masă este nulă : 0dtdS
Cu notaţiile de mai sus, ecuaţia (6.9) se prelucrează matematic:
dz
SKSKhfwdz
dzdSSQSQ0
n
2o
zd
SKSKhf
wdzdzdSQ
n
2o
SKSKhf
wdzdSQ
n
2o
41
Considerînd Kn <<< S, ecuaţia de mai sus devine :
SSKhf
wdzdSQ
2o
SKhfwdzdSQ o
QSKhf
wdzdS o
zdQ
Khfw
dzdS o
Notând: QKhfw
A o , se poate scrie:
dzA
dzdS
42
e
i
S
S
L
0dzA
dzdS
LA
SS
ni
e l
în care:
Se - Concentraţia de substrat în efluent, [mg/l];
Si - Concentraţia de substrat în influent, [mg/l];
L - Lungimea biofiltrului, [m].
LA
i
e eSS
În urma prelucrării matematice a ecuaţiei (6) se
obţine modelul matematic al procesului de consum al
substratului organic (7):
QKhfw
expSS o
i
e (7)
Folosirea ecuaţiei obţinute implică cunoaşterea
coeficienţilor f, Ko, h. Acest lucru este foarte dificil,
constituind un dezavantaj în folosirea acestui model.
43
C. Modele matematice bazate pe ecuatia cinetica modelele semiempirice,
care iau în considerare o cinetică de regulă de ordinul I (de tip Michaelis-Menten), a reacţiei biochimice de consumare a substratului de către microorganismele care constituie biofilmul.
C1. Modelul Velz Modelul Velz este aplicabil
atât pentru biofiltre cu sarcină hidraulică redusă, cât şi pentru cele cu sarcină hidraulică mare. Cantitatea de substanţe organice extrase din influent pe unitatea de înălţime a unui biofiltru este proporţională cu cantitatea de substanţă organică care rămâne în efluent.
CKdzdC
d (8)
dzKCdC
d (9)
out
in
C
C
H
0d dzKC
dC (10)
HKexpCC
din
out (11)
în care:Cout - Concentraţia de substrat în efluent, [mg/l];Cin - Concentraţia de substrat în influent, [mg/l];Kd - Constantă de viteză, [m-1];H - Înălţimea biofiltrului, [m].
44
C2. Modelul Eckenfelder I
n
p1m1e
20T20
in
out
qhaθk
expCC
(12)
unde:
Cout - Concentraţia de substrat în efluent, [mg/l];
Cin - Concentraţia de substrat în influent, [mg/l];
- Factor de corecţie: = 1.035;
T - Temperatura de lucru, [C];
k20 - Constantă de viteză a reacţiei;
ae - Suprafaţă specifică a statului filtrant,
[m2/m3];
h - Înălţimea biofiltrului, [m];
q - Fluxul de alimentare, [m3/m2h];
m,n,p Constante empirice.
45
C3. Modelul Eckenfelder II
n
p1m1e
20T20in
out
qhaθk1
1CC
(13)
în care:
Cout - Concentraţia de substrat în efluent, [mg/l];
Cin - Concentraţia de substrat în influent, [mg/l];
- Factor de corecţie: = 1.035;
T - Temperatura de lucru, [C];
k20 - Constantă de viteză a reacţiei;
ae - Suprafaţă specifică a statului filtrant, [m2/m3];
h - Înălţimea biofiltrului, [m];
q - Fluxul de alimentare, [m3/m2h];
m,n,p Constante empirice.
46
D. Modele difuzionale Conform modelului fizic, procesul ce se petrece într-un biofiltru implică atât
transportul de masă al oxigenului cât şi al substratului prin filmul de apă uzată prin mecanism difuzional.
Datorită faptului că s-a constatat o slabă concordanţă a modelelor empirice sau a modelelor bazate pe ecuaţia cinetică cu material filtrant din plastic, au fost elaborate modele de tip difuzional.
D1. Modelul Logan În cadrul acestui model, se consideră o curgere laminară a filmului
de lichid peste biofilm, în cazul general al curgerii peliculare pe un plan înclinat.
În filmul de lichid nu are loc nici o reacţie chimică sau biochimică de consum a substratului.
Substratul şi oxigenul difuzează prin filmul de apă uzată spre interfaţa acestuia cu biofilmul.
Pornind de la aceste premize fizice, se propune un model ce descrie transferul de masă nestaţionar al substratului şi al oxigenului prin filmul de lichid:
47
zCw
xCDC
x2
2
(14)
cu condiţiile la limită:
z=0 C=Co
x=0 C= C Pentru oxigen
0xC
Pentru substrat
x= sqxCD
Profilul de viteze al filmului de apă uzată se
consideră parabolic, iar fluxul de substrat consumat la
interfaţa acestuia cu biofilmul qs ţine seama de
caracteristicile biofilmului şi este dat de relaţia de mai
jos:
2c
0.5B
ss
2
maxx
aε1E3
DCq
δx1w w
în care:ac - Raza unei celule specifice din biofiltru, [m];D - Coeficient de difuziune, [m2/s];CS - Concentraţia substratului, [mg/l]; - Porozitatea biofilmului; - grosimea filmului lichid, [m];EB - Eficienţa biofilmului;qs - Fluxul volumic de substrat spre biofilm, [m3/m2s].
48
2.10. Contactoare biologice rotative
Sisteme cu microorganisme imobilizate
Curgere tip piston Performanta superioara
fata de alte sisteme in film fix, datorita unei incarcari mai reduse de substrat organic per unitatea de biomasa si a unei durate de staţionare mai mari
49
Primele cercetări in domeniu – 1929 Primul aparat comercializat – 1965 Cea mai simpla forma de CBR consta intr-o serie de discuri paralele, montate pe un
arbore comun, a cărei mişcare asigura rotaţia discurilor perpendicular pe direcţia de curgere a apei uzate ( variantele mari) sau paralel cu aceasta (variante mici).
Discurile sunt in mod obişnuit din material plastic (polietilena, PVC, polistiren expandat. Sunt aşezate in cuve de beton sau otel, astfel incat cca. 40% din aria lor este imersata in lichid. Sunt aranjate in grupuri, intre grupuri fiind folosite şicane spre a evita formarea valurilor sau scurtcircuitarea vreunui grup de discuri.
CBR mici sunt situate in cuve acoperite, iar cele mari sunt adesea adăpostite in clădiri, spre a minimiza impactul climatic asupra biofilmului ataşat pe suprafaţa discurilor.
Viteza de rotaţie a axului este de 1-2 rpm. Pe suprafaţa udata a discurilor se formează biofilme de 2-4 mm grosime, care
consuma substratul organic din ape. Aerarea este asigurata de prin rotirea discurilor, care determina contactul suprafeţei
acestora cu aerul, după ce a fost in contact cu apele uzate. Excesul de biomasa este îndepărtat de pe suprafaţa discurilor datorita frecării si este menţinut in suspensie in cuva, din cauza miscării de rotaţie a acestora. Biomasa in exces sau epuizata este separata in decantoare situate in aval fata de CBR (Vezi figura a pe pagina 5).
Înserierea unor grupuri de discuri asigura un grad ridicat de îndepărtare a substratului organic si de nitrificare.
Problema incarcarii prea mari a primelor unitati (celule) dintr-o serie se rezolva fie prin alimentare in trepte, in fiecare celula succesiva, fie prin construirea unui sistem de alimentare “conic”, înseriind grupuri cu un număr tot mai mic de CBR (Vezi figura b pe pagina 5).
Microorganismele imobilizate pe suprafaţadiscului consuma substratul organic
Filmul de apase amestecacu volumul de apa uzata din cuva
Cuva
Disc rotativ
52
Decantareprimara
Decantorsecundar
Şicana
Motorde acţionare
EfluentApa bruta
Nămol
a)
EfluentApa bruta
Etapa I Etapa II Etapa III Etapa IV
Nămol
Decantorsecundar
b)
53
Schema tehnologica a unei instalaţii de tratare a apei folosind CBR
54
Model fizic al procesului din CBR•Biofilmul se ataşează pe suprafaţa discurilor•Apa uzata din cuva este ridicata in atmosfera datorita rotaţiei discului si apoi curge liber in film descendent peste biofilmul ataşat pe disc•Oxigenul este transferat din aer prin filmul de apa către biofilm, ca sursa majora de oxigen pentru microorganismele din biofilm•Substratul organic este transferat prin difuziune prin filmul de apa către interfaţa cu biofilmul, unde are loc reacţia biochimica aerobica de consum a acestuia.•Produsele gazoase ale procesului biochimic difuzează prin filmul de apa si sunt evacuate in atmosfera•Biomasa epuizata si/sau excesiva cade in apa din cuva, fiind menţinuta in suspensie datorita miscarii de rotaţie a discurilor prin apa uzata.
55
Evoluţia concentraţiei de substrat organic si de oxigen dizolvat (OD) in filmul de apa, in apa si in biofilm, in diverse poziţii de rotaţie ale unui disc.
Modelul matematic ce reprezintă cel mai fidel procesul de îndepărtare al substratului organic in CBR este un model de tip difuzional, similar celui folosit pentru modelarea procesului de epurare in biofiltre
56
3. Procese cu viteza mare de utilizare a substratului3.1. Tratarea cu cărbune activ pulverulent (TCAP)
Sistem hibrid: nămol activ – microorganisme imobilizate (Biomasa suspendata si fixata pe granulele de cărbune)
Model de curgere: amestecare perfecta Parte din substratul organic este adsorbit pe cărbunele activ, iar parte este
consumat de biomasa. Sunt adsorbiţi preferenţial compuşi nepolari. Durata de staţionare in bioreactorul cu cărbune activ este controlata de volumul
decantorului secundar Suporta sarcini organice mari (performanta imbunatatita), fiind eficient pentru
compuşi rezistenţi biologic
Apa uzata
Rezervor aerare de contact
DecantareFiltrare(opţional)
Efluent
Depozitare
Alimentare/rezervor cărbune activ
Rezervor/alimentatorpolielectroliti
Reciclu Carbon Rezidii solide
Preaplin
Către regenerare//depozitare solide
57
3.2. Sisteme in strat fluidizat
•Sistem cu microorganisme imobilizate•Model de curgere: amestecare perfecta/curgere tip piston•Suportul solid supus fluidizării: nisip, cărbune activ)•Necesita spaţiu de montaj redus•Operare simpla•Folosite mai ales la denitrificare
58
Bazine de stabilizare & Lagune aerate
Bazine de stabilizare Folosite pentru indepartarea radicalilor anorganici Bazine indiguite in care microorganismele
degradeaza reziduurile la CO2, NH3, si radicali anorganici (SO4
-2, PO4-3, and new cells)
hAlge + CO2 + radicali O2 + alge - celule noi
anorganici
59
Lagune aerate Bioreactoare cu microorganisme in suspensie fara recircularea biomasei dupa
decantorul secundar
In general sunt bazine mari ingropate, care la inceputuri nu erau captusite, ceea
ce era inadmisibil din punctul de vedere al procesului de contaminare a apelor
freatice
Cea mai veche forma de tratare biologica a apelor uzate (> 3000 ani)
60
Procedee biologice de îndepărtare a nutrientilor
(azot, fosfor) din apele uzate
Procedeele de tratare avansata a apelor uzate se utilizează cu scopul îndepărtării substanţelor dizolvate sau suspendate remanente (substanţe organice, substanţe toxice, săruri metalice, nutrienti) în urma tratării secundare a apelor uzate. Aplicarea lor se practica mai ales in situaţiile in care apa tratata este refolosita.
61
Clasificarea tehnologiilor de tratare avansataImpuritate îndepărtată Operaţie de tratare Tipul de apă de tratat
Solide suspendate Filtrare prin mediu granularMicrocernere
ETP, ETS, ETS
NH3 Oxidare, Nitrificare biologică, Stripare cu aer
ETP, ETB, ETS
N2 Nitrificare/denitrificare biologică, Stripare cu aer
ETP, ETS
NO3- Denitrificare biologică ETS+nitrificare
P Îndepărtare biologică, Metode fizico-chimice: stripare, clor, schimb ionic
-cu curgere tip piston - asigură condiţii de dezvoltare a bacteriilor
-Procedee: a) în suspensie
b) cu bacterii imobilizate: - filtre biologice,
- Contactoarebiologice rotative (CBR)
64
Îndepărtarea N2 prin nitrificare/denitrificare biologică
Se folosesc două sisteme enzimatice:
a) Sisteme cu asimilaţie - procesul de reducere a azotului din nitrat la azot amoniacal
N/NO3N/NH3
foloseşte celulele formate prin biosinteză şi are loc când N/NO3 este singurul disponibil.
b) Sisteme cu dezasimilaţie - N/NO3N2
-sursa de carbon - internă - din ape
- externă – adaos de CH3OH
-procedee: - în suspensie
- cu bacterii imobilizate
- proces anoxic - proces aerobic modificat fără O2 (nu anaerob).
65
a) Sistem combinat de nitrificare/denitrificare în zone separate, cu nămol comun, procedeu în
suspensie
D.P.
Vasnitrif
D.P.N. DEfl
N.R
A.U.
N.R
NămolrezidualNămol
primar
Metanol
Procesul Banderpho (4 etape) -- sursă de carbon din apă
Zonă de nitrif.anoxică
Zonă aerobă de oxidare Cşi nitrif.
Zonădenitrif.anoxică
Zonăaerobă D. S. Efl.
N.R.
AU
rapid
Schema tehnologica a procedeului cu microorganisme suspendate
66
b). Sistem de denitrificare în stadii separate -nămol separat
-reactoare separate nămoluri separate
-proces - în suspensie
- cu bacterii imobilizate - biofiltru, CBR, strat fluidizat
- sursă externă de carbon - CH3OH
I - generare energie: 6NO3-+2CH3OH6NO2
-+2CO2+4H2O
6NO2-+3CH3OH3N2+3CO2+3H2O+6OH-
II – biosinteză: 3NO3-+14CH3OH+2CO2+3H+3C5H7O2N+H2O
-necesarul de metanol se determină cu relaţia:
Cm=2,47N0+1,53N1+0,87D0
Unde: N0-concentraţia iniţială de N/NO3
N1- concentraţia iniţială de N/NO2
67
Îndepărtarea biologică a fosforului se realizează biologic, prin încorporarea compuşilor cu P în ţesutul celular tehnica - expunerea alternativă microorganismelor la condiţii anaerobe şi aerobe
stres consumul lor de P creşte.
Stadiianaerobe
Stadiiaerobe D
Efl
N RezN Rec
Infl
a) Pe fluxul principal - Procesul A/O b) Pe fluxul secundar de recirculare nămol –Procesul Phostrip
EflInfl Bazinaerare
D
Concentrator anaerob de P
Nămol stripatrecirculat
Nămol direct recirculat
Supernatantrecirculat
N Rez
Supernatant bogat în P
N. rez. chimic
Reactor/dec. pt. pp.ch.cu Ca(OH)2
c) Reactor secvenţial 3.Agitare aerobă2.Agitare anaerobă1.Umplere
6.Separare4.Agitare anoxică 5.Sedimentare
68
Îndepărtarea biologică combinată N2/P-Procedeul Banderpho - cinci etape
