PROBLEME PRIVIND MODELAREA PROCESELOR PENTRU TRATAREA APELOR

1. Problema consumului de oxigen (Biological Oxygen Demand ) si resursele sale

a) Materia organica deversata in sistemul acvatic este atacata de bacterii si descompusa in substante mai simple, folosind oxigen. De exemplu glucoza are BOD de 110mg/l, in concordanta cu reactia:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ ---> 6CO₂ + 6H₂O

Aceasta oxidare este terminata complet in mai putin de 5 zile. Pentru amestecul de compusi organici reactia va fi:

celule

COHN + O₂ ---> CO₂ + H₂O + NH₃ + celule

adica prin reactie (2) se creeaza o noua substanta bacteriala, care nu se degradeaza in 5 zile. Reziduurile domestice reprezinta o hrana bine echilibrata pentru microorganisme, precum tabelul (mg/l)

b) Modelele mecanice inlatura materia in unul sau mai multe trepte, folosind gratare, camere cu nisip, sedimentare, filtrare, flotare. Ca exemple, in fig. a,b se dau doua tipuri de vase de sedimentare, primul pentru debite mici, al doilea pentru debite mari.

Fig.7

c) Procesele de tratare biologica se bazeaza pe utilizarea unor organisme, care au proprietati specifice: pot necesita energie radianta pentru crestere, necesita compusi organici ca nutrienti, folosesc donori (electroni) anorganici (de ex. gaz hidrogen), necesita oxigen molecular pentru crestere (ca oxidant), necesita sau nu oxigen din aer. Cele mai multe sisteme biologice de tratare a reziduurilor organice depind de organisme heterotrofice, care folosesc carbonul ca sursa lor de energie. Exista trei clase de metabolism cu reactii de oxidare: fermentare, respiratie aerobica (cu oxigen molecular) si respiratie anaerobica (fara oxigen). Aceste reactii se descriu prin procese.

Materie organica + O₂ + NH₃ + celule ---> CO₂ + H₂O + noi celule

Nitrificarea are 2 pasi: (1) amoniacul este oxidat in nitrit; (2) nitritul este oxidat in nitrati

2NH⁺₄ + 3O₂ ---> 2NO^-₂ + 2H₂O + 4H⁺

2NO^-₂ + O₂ ---> 2NO₃

Operatia de denitrificare este:

2NO^-₂ + H₂O ---> N₂ + 2OH^- + 5O

Nitratul se poate folosi ca o sursa de oxigen pentru procesele de descompunere biologica.

d) Sisteme de tratare mecanico-biologice, sunt foarte utilizate pentru reducerea BOD₅ in ape municipale. Insa combinatii de metode fizice, chimice si irigatii sunt folosite si pentru ape industriale. Comparand, metodele chimico-fizice nu sunt sensibile la socuri de sarcina si la prezenta unor componente toxice, ele necesita un spatiu mai mic, ele permit recuperarea de grasimi, de proteine din industria alimentara, dar au un cost de investitie mai mare. Cele mai utilizate metode fizico-chimice de reducere a BOD sunt: precipitatie chimica, schimb ionic, adsorbtia si osmoza reversibila (ultima fiind scumpa).

In fig.. 8. se da un exemplu de combinare a metodelor precipitarii chimice si a schimbului de ioni pentru tratare apelor uzate din industria alimentara, de exemplu un abator.

Comparativ se dau datele in diferite faze in mg/l:

	Materie prima	Dupa filtru biologic	Dupa precipitare chimica cu glucoza	Dupa schimb ioni
BDO5
KMnO4
N total
NH3-N	Proiect: Canada - suprafata, capitala, pozitia geografica si limite - industria Lucrare: Europa si tarile UE - test
NO3-N
P

Pentru apele uzate din industria alimentara se pot folosi irigari de suprafete agricole, dar trebuie acordata atentie adancimii solului pana la ape freatice (sa fie mare), continutului initial al apei in raport cu forma terenului (in panta se obsorb mai putine substante) si naturii solului (solul nisipos este mai filtrant, cel cleios nu).

Fig.8.

2.2. Recuperarea nutrientilor

Sursele de nutrienti in ape sunt date in tabel (mg/m²*an)

Fosforul poate fi recuperat prin precipitare chimica sau schimb de ioni, iar azotul prin nitrificare si denitrificare, schimb de ioni si ambele elemente prin alge in helestee.

a) Precipitarea chimica a compusilor de fosfor se face folosind sulfat de aluminiu (Al₂(SO₄)₃, 18H₂0), hidroxid de calciu (Ca(OH)₂) sau clorat de fier (FeCl₃), dar trebuie examinata fiecare situatie separat.

De exemplu precipitarea fosfatilor folosind hidroxid de calciu se bazeaza pe formarea de Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, care impune un pH mare, de 10.5 - 12.0. Acest fenomen este ilustrat in fig. 9., unde se prezinta dependenta eficientei precipitarii de pH, pentru principalii coagulanti folositi industrial.

	Precipitare (% )

pH

Fig.9

1 - sulfat de Al, 2 - clorat de fier, 3 - hidroxid de calciu

Punctat sunt prezentate aceleasi curbe pentru cazul prezentei ionilor de calciu, ceea ce arata complexitatea fenomenelor care au loc in epurarea apelor.

b) Nitrificarea si denitrificarea

Procesul de nitrificare inseamna oxidarea amoniacului

NH⁺₄ + 2O₂ ---> NO^-₃ + H₂O + 2H⁺

Nitratii pot fi redusi cu bacterii heterotrofice, care insa necesita o sursa de carbon organic, de exemplu acetat:

5CH₃COO^- + 8NO₃ ---> 4N₂ + 7HCO^-₃ + 3CO^2-₂ + 4H₂0

Aceste procese depind de timpul de retinere.

c) Barbotare (stripping)

Procesul este folosit pentru a recupera gaze volatile, precum NH₄, hydrogen sulphide, hydrogen cyanide, din apele uzate prin suflarea de aer. In fig. 10. se da ca exemplu constructia unui turn de barbotare. Deoarece aceste substante sunt acide, eficienta procesului va depinde de pH-ul solutiei. Dar gazele emise in atmosfera pot polua aerul:

NH⁺₄ ---> NH₃ + H⁺

Fig.10

d) Clorurarea si adsorbtia pe carbune

Oxidarea amoniacului se face conform reactiilor:

Cl₂ + H₂O        ---> HOCl + HCl

NH₃ + HOCl      ---> NH₂Cl + H₂O

NH₂Cl + HOCl   ---> NHCl₂ + H₂O

NHCl₂ + HOCl --->  NCl₃ + H₂O

Adsorbtia pe carbune activat pentru cloramina este:

C + 2NHCl2 + H2O ---> N2 + 4H+ + 4Cl- + CO

Aceste reactii depind de puritatea carbonului.

e) Schimbul de ioni pentru recuperarea nutrientilor

Schimbul de ioni este un proces in care ionii de pe suprafata unui solid sunt schimbati cu ioni similar incarcati in solutia cu care solidul este in contact. Schimbul de ioni are ca scop sa se recupereze ionii nedoriti din ape uzate. Cationii (ioni pozitivi) sunt schimbati pentru hidrogen sau sodiu, ca de exemplu inlaturarea ionilor de calciu (Ca²⁺) ce cauzeaza duritatea apei.

H₂R + Ca⁺² ---> CaR + 2H⁺, unde R reprezinta o rasina.

Anionii (ionii negativi) se folosesc pentru ionii de hidroxid sau cloride. Selectivitatea in schimbul de ioni depinde de sarcina ionica, astfel selectia anionilor va fi in ordinea:

PO^3-₄ > SO^2-₄ > Cl^-, iar pentru cationi

Al³⁺ > Ca²⁺ > Na⁺

f) Alge pentru lacuri

Pentru a scoate nutrientii cu alge se folosesc helestee. Pentru 100g. de masa uscata de fitoplancton, se obtin 4-10g. azot si 0.2-0.5g. fosfor. Dar metoda se poate folosi la tropice si subtropice, unde este suficienta energie solara intr-un an, unde se pot folosi suprafete mari de teren si nu sunt compusi organici in ape, ca de exemplu uleiuri.

2.. Recuperarea compusilor organici toxici

In general substantele toxice organice sunt scoase pana la deversarea apelor uzate in sistemul municipal. Pentru scoaterea lor se folosesc:

separatoare pentru uleiuri

flocularea pentru coloidale organice

flotarea pentru impuritati cu greutate specifica mai mare ca 1

adsorbtia, pentru insecticide pe carbon activat

sedimentarea, impreuna cu precipitarea chimica

oxidarea si reducerea pentru cyanide, chlormate, folosind aer si O₂

distilarea, pentru ape radioactive, pentru ca este scumpa

filtrarea pentru suspensii materiale in volume reduse de apa

neutralizarea, cand trebuie deversate solutii cu pH=6-8, folosind neutralizanti ca hidroxid de calciu, H₂SO₄ si CO₂

2.4. Recuperarea metalelor (grele)

Metalele grele sunt vatamatoare in ecosisteme. Scoaterea lor prin procedee mecanice are o eficienta de 30-70%, nu poate fi folosita tratarea biologica, acestea fiind exemple de inhibatori. Pentru recuperare se pot folosi metodele: precipitarea chimica, extractie si osmoza reversibila.

Ca exemplu se da scoaterea cromatului din ape uzate care poate fi sub forma CrO₃; Na₂Cr₂O₇*2H₂O. Agentii folositi pentru oxidare sunt sulfati de fier, sulphur dioxide, dupa reactiile:

CrO₃ + H₂O --->             H₂CrO₄

2H₂CrO₄ + 6FeSO₄ + 6H₂SO₄   ---> Cr₂(SO₄)₂ + 3Fe₂(SO₄)₃ + 8H₂O

Cr₂O^2-₇ + 6FeSO₄ + 7H₂SO₄              ---> Cr₂(SO₄)₃ + 3Fe₂(SO₂)₃ + 7H₂O + SO^2-₄

Prin sedimentare se inlatura din apa substantele nocive.

Ca exemplu de folosire a metodei schimbului de ioni se da folosirea cationilor pentru scoaterea ionilor de metal, ca Fe²⁺, Fe³⁺, Cr³⁺, Al³⁺, ZN²⁺, Cu²⁺.

2.5. Resursele de apa

Omul nu poate sa existe fara apa. Apele subterane sunt mai bune ca apele de suprafata, dar ele pot contine Fe si Mn. Nu toate apele necesita un ciclu complet de pretratare si tratare. De exemplu pentru apele de suprafata este suficient ciclul din fig. 11 :

Fig.11

Duritatea apei poate fi inlaturata prin fierbere

Ca(HCO₃)₂ ---> CaCO₃ + CO₂ + H₂O

duritatea se poate datora si Mg in Mg(HCO₃)₂.

Apa trebuie supusa si dezinfectiei, folosind agenti chimici ca ozonul, chlorine dioxide si chlorine, care provoaca o degradare chimica a materiei celulare, inclusiv enzime, in timp ce prin fierbere se distrug fizic microorganismele. Dar microorganismele sunt omorate de conditiile de pH, mai jos de 0 si mai sus de 11.0. Razele X si gamma, de lungimi de unda scurta au capacitatea de a distruge microorganismele. Ca exemplu, in fig.12 se da procentul de distrugere al unor bacili in functie de combinatia de ozon O₃ si Cl₂, realizandu-se astfel dezinfectia apei.

	Fig.12