staţia de epurare Crăciunelu de Jos, jud. Alba

Transcription

ECOTERRA
Journal of Environmental Research and Protection
Reducerea concentraţiei de amoniu în staţiile de
epurare a apelor uzate aferente aşezărilor rurale.
Studiu de caz: staţia de epurare Crăciunelu de
Jos, jud. Alba
Maria Someşan, Daniela Ignat, Marioara Şandru, Vasile Ciuban
S.C. ICPE Bistrita S.A., Bistriţa. Autor corespondent: M. Someşan, icpe@icpebn.ro
Abstract. The reduction of ammonia concentration in wastewater treatment plants afferent to
rural localities. Case study: wastewater treatment plant Crăciunelu de Jos, Alba county. The
village Crăciunelu de Jos has 2200 inhabitants from which 80% have drink water and sewage. At
wastewater treatment plant going out, the waters will be evacuated in Tarnava river, situated at 200 m
distance for plant. The sewage treatment plant in Crăciunelu de Jos uses primary, secondary and tertiary
treatment units for treating predominantly domestic sewage. At evacuation from wastewater treatment
plant, the water must respect the norm NTPA 001/2005. Used water treatment plant is planned to
process the following wastewater flowrate: 129.5 m3/zi. The raw sewage is characterized by high
ammonia concentration, high P, low BOD. For denitrification reaction is necessary C:N:P – 100:5:1 ratio.
For carbon contribution we used starch, alcohol, glucose, vinegar. The best option was industrial alcohol
because it has high BOD. High ammonia meeting in this case is specific for all rural localities because of
low consumption of water.
Key Words: high ammonia, wastewater, secondary treatment.
Introducere. Prezenta lucrare se referă la o staţie de epurare ce deserveşte localitatea
Crăciunelu de Jos, judeţul Alba (Figura 1). Localitatea are în prezent 2.200 locuitori care
beneficiază de o acoperire de 80% a distribuţiei de apă potabilă şi canalizare. Apele
epurate vor fi evacuate în râul Târnava, situat la circa 200 m de staţia de epurare a
apelor menajere. La evacuarea din staţia de epurare, apele trebuie să respecte
normativul NTPA001. Staţia de epurare este prevăzută a prelucra următoarele ape
uzate cu debite cuprinse între
Q med = 129,5 m3/zi şi Qmax = 145 m3/zi.
4
3
2
1. Decantor primar vertical;
2. Treapta biologică anoxică;
3. Treapta biologică aerobă;
4. Decantor secundar vertical;
5. Instalaţie de deshidratare nămol;
6. Scara de acces;
7. Îngroşător nămol;
8. Container modul.
1
8
7
6
5
Ecoterra - Journal of Environmental
Research and Protection, 2012, no. 32.
Figura 1. Modul de epurare.
35
www.ecoterra-online.ro
Principalele faze ale procesului de epurare sunt: acumularea, egalizarea, omogenizarea;
tratarea fizico-mecanică pentru reducerea suspensiilor şi a fosforului în exces; tratarea
biologică – reducerea carbonului organic si a azotului; dezinfecţia apei epurate cu ozon;
îngroşarea şi deshidratarea nămolurilor rezultate [1, 2, 3].
Conform NTPA 002 azotul din amoniu, la intrarea în staţia de epurare trebuie să
aibă o concentraţie de 30 mg/l, iar la evacuare 3 mg/l. În cazul nostru concentraţiile
amoniului inţial sunt cuprinse între 80-150 mg/l.
Îndepărtarea biologică a nutrienţilor din apa uzată. Epurarea secundară – treapta
biologică are ca obiective îndepărtarea substanţelor organice solubile, în stare coloidală
sau de suspensii fine care nu ar putea fi reţinute în treapta fizică şi a celor adăugate
special precum nămolul activ [4]. Procesele biologice de epurare se bazează pe
activitatea metabolică a unor grupe de microorganisme care mineralizează substanţele
organice până la dioxid de carbon şi apă în prezenţa unor elemente nutritive. Metoda
tipică este utilizarea metabolismului celular al unei populaţii mixte de bacterii şi
protozoare formate în nămolul activ sau în pelicula biologică ataşată unor suprafeţe solide
din biofiltru. Eficienţa de separare este de 80-95% pentru încărcarea organică exprimată
în CBO5, 90-99% coliformi fecaloizi şi bacterii, circa 10% pentru compuşii pe bază de azot
şi fosfor [5].
Epurarea terţiară îşi propune să finiseze procesele de epurare, fiind destinată
îndepărtării compuşilor pe bază de azot şi fosfor – elemente chimice nutritive care
contribuie la eutrofizarea bazinelor naturale, a altor poluanţi specifici existenţi în masa de
apă în suspensie, a CBO5–ului rămas şi a nămolului activ în procesul de aerare extinsă.
Metodele tipice sunt adecvate fiecărui tip de poluant. De exemplu, îndepărtarea fosforului
prin procesul chimic de precipitare-coagulare-floculare conduce la reducerea acestuia cu
80-90%. Pentru eliminarea compuşilor pe bază de azot se poate folosi fie striparea
amoniului cu eficienţă de circa 90%, fie procesul biologic de nitrificare+denitrificare cu
acelaşi randament. Eliminarea substanţelor organice rămase în apă după tratarea
secundară se face prin trecerea apei printr-un filtru rapid cu nisip. Eficienţa de
îndepărtare poate atinge 85-98% [6, 7].
Eliminarea NH4 şi P s-a realizat biologic în reacţiile de nitrificare, denitrificare. Au
fost realizate numeroase experimente în laborator (Tabelul 2), încercându-se eliminarea
amoniului pe cale chimică, fiind folosiţi coagulanţi clasici: Al2(SO4)3 şi FeCl3, polielectroliţi,
însă aceştia scad şi mai mult CCOCr, fără a diminua semnificativ concentraţia amoniului.
S-a încercat utilizarea de asemenea Cl- pentru reducerea amoniului: la concentraţii mai
mici de 5 ml NaOCl nu s-au observat modificări semnificative ale amoniului, însă dozele
de hipoclorit de sodiu mai mari de 2,5 ml/l sunt inhibitoare pentru biologic (Tabelul 1).
Tabelul 1
Tratamente cu hipoclorit de sodiu 3-3,5% (amoniu iniţial - 82,36)
Nr.
Doza NaOCl
(ml/l)
pH după
dozare
pH după 2
ore
Cl- liber după
două ore
Cl- liber după
şase ore
NH4 după
două ore
1
2
3
4
5
6
7
8
2
3
4
5
10
20
40
60
7,22
7,23
7,23
7,23
7,23
7,23
6,84
7,42
7,30
7,35
7,34
7,36
7,33
7,25
7,18
7,22
5
7
6
10
15
25
9,1
50
23,5
4,5
-
82,36
82,34
82,33
82,30
75,59
62,98
12,38
-
36
Tabelul 2
Diferite experimente realizate în laborator
Amoniu
iniţial (mg/l)
Tip de tratamente
Nr.
1
1050 ml apă
uzată din biologic
+ concentrat pt animale 1,8 g/l
+ nămol activ 450 ml/l
2
1050 ml apă
uzată din biologic
+ amidon 1g
500ml apă uzată
din biologic
500ml apă uzată
din biologic
1050 ml apă
uzată din biologic
500 ml apă uzată
din biologic
1050 ml apă
uzată din biologic
300 ml apă uzată
din biologic
+ 2 ml/l s sulfat de aluminiu 5%
3
4
5
6
7
8
+ 2 ml/l praestol
+ 4ml/l sulfat de aluminiu 5%
+ 4 ml/l praestol
+ amidon 1g
Corecţie de pH →10-11
cu NaOH 20% (1ml/l)
+ amidon 1g
+ amidon 0,2 g
+ aerare 5 ore
+ aerare 72 ore
+ aerare 6 ore
+ aerare 18 ore
+ aerare 23 ore
+ aerare 95 ore
55,8
55,8
Amoniu
final (mg/l)
49,12
0,5
38,6
10
5,14
0,5
110,08
109
110,08
107,34
+ aerare 24 ore
82,36
7,71
+ aerare 3 ore
137
132
+ aerare 6 ore
86
38
+ aerare 24 ore
111
65
Nitrificarea. Este o oxidare biologică a amoniacului în nitrit (NO2) şi apoi în nitrat (NO3).
Deoarece azotul este un nutrient, microorganismele prezente în procesul de epurare vor
asimila azotul din amoniu, încorporându-l în masa celulară. Microorganismele care fac
posibilă această conversie sunt specii autrotofe din genurile Nitrosomonas şi Nitrobacter.
Aceste bacterii au nevoie de oxigen în concentraţie de 2-4 mg/l O2:
as
2 NH 4  3O2 Nitrosomon
 

 2 NO2  2 H 2 O  4 H
2 NO2  37O2  4CO2  HCO3 Nitrobacte
 r  21NO3  C 5 H 7 NO2  42 H   20 H 2 0
Există o varietate de agenţi organici şi anorganici care inhibă creşterea şi activitatea
acestor organisme: concentraţia mare de amoniu - în cazul nostru ea este cuprinsă între
80-150 mg/l (conform NTPA 002/2004 N din amoniu la intrarea din staţiile de epurare
trebuie să aibă o concentraţie de 30 mg/l). Efectul pH-ului este de asemenea
semnificativ, rata optimă pentru nitrificare fiind 7,5-8,6 (în cazul nostru pH-ul este în jur
de 7). Concentraţia oxigenului dizolvat este esenţială, la o concentraţie de 1mg/l apare
reacţia de nitrificare, însă concentraţia optimă este cuprinsă între 2,5–4 mg/l.
Denitrificarea. Reacţia de denitrificare reprezintă conversia azotaţilor în azot gazos, în
condiţii anoxice. Bacteriile care intervin în denitrificare sunt din genurile: Flavobacterium,
Aerobacter, Proteus, Pseudomonas şi Spirillium:
50C 2 H 5 OH  97 NO3 
 5C 2 H 7 NO2  75CO2  84 H 2 O  97OH   46 N 2 
Microorganismele denitrificatoare utilizează azotul din azotaţi, dar necesită o sursă de
carbon pentru sinteza celulară, un rol esenţia îl are raportul: C:N:P - 100:5:1.
Deoarece efluentul are un CBO5 redus între 250-300 mg/l, este nevoie de
aducerea unui aport suplimentar de carbon. Microorganismele denitrificatoare heterotrofe
pot utiliza o varietate de surse de carbon organic pentru respiraţie şi creştere. Alegerea
sursei de carbon este atât de ordin tehnic, cât şi economic. Sursele de carbon cele mai
utilizate sunt metanolul, etanolul şi acidul acetic, amidonul, ureea. După numeroase
încercări în laborator, sursa de carbon acceptată a fost alcoolul tehnic industrial, care
conţine fracţiuni de alcooli, cu un CBO5 foarte ridicat.
37
Amorsarea staţiei de epurare. Când începe amorsarea unei staţii, nămolul activ este
foarte tânăr, imaginea microscopică fiind reprezentată de amoebe şi flagelate. Când
nămolul atinge un nivel optim de tratament, populaţia flagelatelor intră în declin şi încep
să apară ciliatele fixe şi ciliatele libere. Pe măsură ce nămolul activ îmbătrâneşte, se vor
observa mai multe ciliate fixe şi rotiferi. Dacă nămolul devine prea bătrân vor domina
rotiferii şi nematodele (viermii). Staţia de epurare are o funcţionare optimă atunci când
vârsta nămolului este cuprinsă între 7 şi 10 zile ( MTS-ul din bazinul biologic trebuie să
aibă valori de zece ori mai mari comparativ cu MTS-ul din bazinul de omogenizare).
Vârsta nămolului este controlată prin eliminarea acestuia din procesul biologic,
putâdu-se ajusta rata de eliminare, pentru a influenţa populaţia microbiologică şi
sănătatea nămolului activ al sistemului precum şi calitatea efluentului rezultat. O
procedură folositoare este observarea protozoarelor care sunt din următoarele categorii:
amibe, flagelate, ciliate libere, ciliate târâtoare, ciliate fixe, metazoare – rotiferi,
nematode.
În Figura 2 se observă scăderea concentraţiei amoniului la ieşirea din staţia de
epurare, aceasta datorându-se evoluţiei vârstei nămolului activ. De la valori ale amoniului
ce depăşesc 80 mg/l s-a ajuns în lunile de vară când temperatura apei este crescută (2224°C) la concentraţii de 1,09. Se cunoaşte faptul că temperatura intensifică procesele
biologice, ceea ce duce la o creştere a consumului de N din amoniu şi, implicit, la o
diminuare a concentraţiei acestuia. Un factor important este rata de eliminare a
nămolului care influenţează raportul FM ( Food/microorganisms - hrană/microorganime)
important, astfel încât populaţia microbiologică să aibă un aport suficient de nutrienţi. O
cantitate prea mare de nămol (biomasă) induce o scădere a substanţelor organice ce
atrage o scădere a randamentului de epurare biologică.
IESIRE AMONIU %
100
90
80
70
60
50
40
30
2012
20
10
0
1
3
5
7
9
11
timp (luni)
Figura 2. Evoluţia concentraţiei amoniului la ieşirea din staţia de epurare.
Analiza microscopică. Speciile reprezentative observate în urma analizei microscopice
sunt: bacteriile nitrificatoare şi denitrificatoare, bacterii arborescente, bacterii
filamentoase, bacterii libere. Se observă o frecvenţă ridicată a ciliatelor fixe şi ciliatelor
mobile - sesile (fixe): Vorticella convalaria, Podophrya sp., Tokophrya sp., numeroşi
indivizi de ciliate coloniale: Opercularia sp., Carchesium sp. şi a ciliatelor mobile:
Aspidisca cicada, Chilodonella sp. (Figurile 3-5). Diversitatea biologică evidenţiată poate
conduce la ipoteza existenţei unei bune aerări la nivelul bazinului de reacţie în treapta
aerobă, precum şi o capacitate ridicată de îndepărtare a materiei organice
biodegradabile. Prezenţa speciei Vorticella microstoma indică existenţa unui mediu
mezosaprob (cu poluare medie). Se găsesc, de asemenea, amfileptide mari din genul
Litonotus sp. Cu o abundenţă relativ scăzută se înregistrează prezenţa flagelatelor şi a
nematodelor. Ca reprezentanţi ai organismelor superioare pluricelulare – Metazoare,
remarcăm prezenţa rotiferilor Rotaria sp. care indică o vârstă înaintată a nămolului
(Figura 6).
38
Figura 3. Bacterie arborescentă.
Figura 4. Tokophrya sp.
Figura 5. Colonie de Opercularia sp.
Figura 6. Rotaria sp.
Automatizarea staţiei de epurare. Instalaţia de automatizare este parte componentă
esenţială a staţiei de epurare şi realizează acţionarea echipamentelor astfel încât să se
respecte fluxul tehnologic de epurare a apelor uzate. Este realizată monitorizarea
permanentă a stării echipamentelor de proces din punct de vedere a funcţionării. Are loc
identificarea si memorarea situaţiilor atipice de funcţionare ce pot să apară ca urmare a
unor perturbaţii externe. Sistemul de automatizare permite modificarea anumitor
parametri de funcţionare a procesului în scopul optimizării sau adaptării acestuia la
anumiţi factori de influenţă din exterior (Figura 7).
Figura 7. Automatizarea staţiei de epurare.
39
Concluzii. În urma experimentelor realizate în laborator s-a ajuns la concluzia că
eliminarea amoniului pe cale chimică nu este eficientă, cu coagulanţi şi floculanţi clasici
sau polielectroliţi. Tratarea cu hipoclorit a apelor uzate a dat rezultate în diminuarea
amoniului cu concentraţii mai mari de 5 mg/l NaOCl, doză considerată inhibitorie pentru
biologic.
Soluţia aleasă pentru eliminarea azotului a fost tratamentul biologic aerob şi
anoxic, cu aport de carbon (urmărindu-se raportul C:N:P – 100:5:1, în acest scop fiind
utilizat alcoolul tehnic industrial). S-au obţinut rezultate foarte bune, amoniul scăzând de
la concentraţii de 80-150 mg/l, la 1,09 mg/l. Datorită sistemului de automatizare s-a
putut realiza modificarea anumitor parametri, fiind realizată optimizarea permanentă a
staţiei de epurare. O bună observaţie în teren, efectuarea analizelor de calitate a apelor
precum şi gospod[rirea nămolului pot duce la epurarea corespunzătoare şi la respectarea
legislaţiei din domeniu.
Bibliografie
Van Haandel A., Van der Lubbe J., 2007 Hand book biological waste water treatment.
Uitgeverij Quist Publishing, pp. 85-98.
Bucşa C., 2001 Ecologie şi protecţia mediului. Sibiu, pp. 185-188.
Dima M., 2005 Epurarea apelor uzate urbane. Iaşi, pp. 213-227.
Tchobanglous G., 1991 Wastewater engineering, 3rd edition. Vol. 1, pp. 431-433.
Bucur T., 2003 Tehnologii ecologice de protecţie a mediului. Universitatea Lucian Blaga,
Sibiu, pp. 62-90.
Stugren B., Dordea M., 1988 Ecologie generală. Univ. Babeş–Bolyai, Cluj-Napoca.
*** http://www.environmental-expert.com/Files/5306/articles/13834/468.pdf.
Autori:
Maria Someşan, S. C. ICPE Bistriţa S. A., str. Parcului, nr. 7, 420035 Bistriţa, jud. Bistriţa-Năsăud, România,
e-mail: icpe@icpebn.ro
Daniela Ignat, S. C. ICPE Bistriţa S. A., str. Parcului, nr. 7, 420035 Bistriţa, jud. Bistriţa-Năsăud, România,
Marioara Şandru, S. C. ICPE Bistriţa S. A., str. Parcului, nr. 7, 420035 Bistriţa, jud. Bistriţa-Năsăud, România,
Vasile Ciuban, S. C. ICPE Bistriţa S. A., str. Parcului, nr. 7, 420035 Bistriţa, jud. Bistriţa-Năsăud, România,
Cum se citează acest articol:
Someşan M., Ignat D., Şandru M., Ciuban V., 2012 Reducerea concentraţiei de amoniu în staţiile de epurare a
apelor uzate aferente aşezărilor rurale. Studiu de caz: staţia de epurare Crăciunelu de Jos, jud. Alba. Ecoterra
32:35-40.
40

staţia de epurare Crăciunelu de Jos, jud. Alba

Transcription

Similar documents

Geographia Napocensis Anul I, nr. 1-2/2007