Journal of Environmental Research and Protection · plant, the water must respect the norm NTPA...

Ecoterra - Journal of Environmental www.ecoterra-online.ro Research and Protection, 2012, no. 32.

35

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, [email protected]

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.

Figura 1. Modul de epurare.

1

2

3

4

5 6

7

8

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.


36

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 7,22 7,30 5 - 82,36 2 3 7,23 7,35 7 - 82,34 3 4 7,23 7,34 6 - 82,33 4 5 7,23 7,36 10 - 82,30 5 10 7,23 7,33 15 - 75,59 6 20 7,23 7,25 25 23,5 62,98 7 40 6,84 7,18 9,1 4,5 12,38 8 60 7,42 7,22 50 - -


37

Tabelul 2 Diferite experimente realizate în laborator

Nr. Tip de tratamente Amoniu

iniţial (mg/l) Amoniu

final (mg/l) + aerare 5 ore 49,12 1 1050 ml apă

uzată din biologic + concentrat pt animale 1,8 g/l

+ nămol activ 450 ml/l + aerare 72 ore 55,8

0,5 + aerare 6 ore 38,6 + aerare 18 ore 10 + aerare 23 ore 5,14 2

1050 ml apă uzată din biologic

+ amidon 1g + nămol activ 450 ml/l

+ aerare 95 ore

55,8

0,5

3 500ml apă uzată din biologic

+ 2 ml/l s sulfat de aluminiu 5% + 2 ml/l praestol

110,08 109

4 500ml apă uzată din biologic

+ 4ml/l sulfat de aluminiu 5% + 4 ml/l praestol

110,08 107,34

5 1050 ml apă uzată din biologic

+ amidon 1g + nămol activ 450 ml/l

+ aerare 24 ore 82,36 7,71


Corecţie de pH →10-11 cu NaOH 20% (1ml/l)

+ aerare 3 ore 137 132


+ amidon 1g + nămol activ 128 ml/l + aerare 6 ore 86 38


+ amidon 0,2 g + nămol activ 450 ml/l

+ 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:

HOHNOONH asNitrosomon 42232 2224

02042214372 227533222 HHNOHCNOHCOCOONO rNitrobacte

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:

222272352 4697847559750 NOHOHCONOHCNOOHHC

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.


38

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 (22-24°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.

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).

timp (luni)

IESIRE AMONIU %

0102030405060708090

100

1 3 5 7 9 11

2012


39

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.

Figura 5. Colonie de Opercularia sp.

Figura 4. Tokophrya sp.

Figura 6. Rotaria sp.

Figura 3. Bacterie arborescentă.


40

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: [email protected] Daniela Ignat, S. C. ICPE Bistriţa S. A., str. Parcului, nr. 7, 420035 Bistriţa, jud. Bistriţa-Năsăud, România, e-mail: [email protected] Marioara Şandru, S. C. ICPE Bistriţa S. A., str. Parcului, nr. 7, 420035 Bistriţa, jud. Bistriţa-Năsăud, România, e-mail: [email protected] Vasile Ciuban, S. C. ICPE Bistriţa S. A., str. Parcului, nr. 7, 420035 Bistriţa, jud. Bistriţa-Năsăud, România, e-mail: [email protected] 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.

Journal of Environmental Research and Protection · plant, the water must respect the norm NTPA...

Documents

Transcript of Journal of Environmental Research and Protection · plant, the water must respect the norm NTPA...