material curs

BIOEPURAREA APELOR UZATE BRN II Universitatea Dunrea de jos, Galai, FSIA Material curs

PROCESE FUNDAMENTALE IMPLICATE N BIOEPURAREA APELOR UZATE

Procesele implicate n bioepurarea apelor uzate impun cunotine solide referitoare la caracteristicile fizice, chimice i biologice ale acestora, n scopul dezvoltrii de tehnologii eficiente pentru protecia sntii publice i a mediul. Compuii poluani care se regsesc n apele uzate sunt la fel de numeroi precum sunt i sursele din care acetia sunt generai. Constituenii cei mai importani ai apelor uzate sunt substanele organice (care reprezint i sursa de carbon), azotul i fosforul. Pe lng substratul pe baz de carbon i nutrimente (i.e. azot i fosfor), apele uzate conin numeroase specii de microorganisme care au capacitatea de a degrada materia organic dac se asigur condiiile de mediu optime activitii acestora. Microorganismele au o serie de funcii vitale n controlul polurii, ele rspunznd la contaminare prin intensificarea creterii i a metabolismului. n ecosistemele acvatice naturale, contaminate cu substane organice, constituentul biologic al apei (i.e. microorganismele) asigur capacitatea de autoepurare, participnd la o serie de procese precum oxidarea aerob, digestia anaerob, fotosinteza, nitrificarea, denitrificarea i oxidarea anaerob a amoniului (eng. ANAMMOX Anaerobic Ammonium Oxidation) i a metanului (eng. AOM Anaerobic Oxidation of Methane). Toate aceste procese sunt interconectate aa cum poate fi observat n Fig.1.

Fig.1. Procesele biologice care au loc n mediul acvatic natural

Atunci cnd poluanii organici sunt evacuai n apele receptoare o populaie complex de microorganisme se dezvolt i concureaz pentru hran. Microorganismele strict

1


aerobe1 sunt primele care particip la degradarea compuilor organici, utiliznd oxigenul dizolvat (OD) din ap pentru mineralizarea complet a acestora la CO2, H2O, NH4+, HPO42, SO42 i formarea de material celular nou. Procesele de nitrificare (conversia NH4+ la NO2 i apoi la NO3) au loc tot n prezena oxigenului dizolvat fiind catalizate de bacterii chemoautotrofe. La epuizarea oxigenului dizolvat sau cnd acesta de gsete n concentraie foarte mic (regim anoxic) nitraii formai sunt utilizai ca surs de oxigen de ctre microorganismele facultativ anaerobe n procese de denitrificare din care se degaj azot molecular.

Procesele de fotosintez sunt interconectate cu cele aerobe i chiar dac unele organisme fotosintetice pot concura pentru substratul organic, majoritatea sunt capabile s ntrein un metabolism fotoautotrof. Astfel, CO2 rezultat din procesele de oxidare aerob reprezint o surs anorganic de carbon pentru organismele fotosintetice. Pe de alta parte, organismele fotosintetice produc oxigen n urma fotolizei apei, care este utilizat de ctre organismele aerobe.

Atunci cnd oxigenul dizolvat i nitraii sunt complet epuizai, organismele facultativ anaerobe i cele anaerobe aerotolerante vor continua s degradeze compuii organici. n acest caz ei sunt implicai n procese de fermentaie din care rezult CO2, H2O, material celular nou, compui anorganici i o varietate de compui organici cu molecul mic precum acizii organici i alcoolii. Prin aceste procese de fermentaie compuii organici sunt deci oxidai incomplet, o parte din carbon nefiind ncorporat n CO2 sau material celular nou ci n ali compui organici cu molecul mic. Totui, acetia reprezint n continuare un substrat organic pentru organismele fotoheterotrofe.

Procesele anaerobe au loc pe fundul lacurilor i rurilor unde concentraia de oxigen dizolvat este de obicei nul. Substratul pentru digestia anaerob l constituie substanele organice sub form de particule i biomasa moart, acestea avnd capacitatea de a sedimenta. Atunci cnd organismele strict anaerobe nu gsesc condiii propice de cretere ele vor rmne inactive, sedimentele organice urmnd s fie degradate incomplet la acizi organici i alcooli (de ctre organismele facultativ anaerobe i anaerobe aerotolerante), care reprezint n continuare substrat pentru procesele aerobe si fotosintetice. Pe de alta parte, atunci cnd organismele stric aerobele sunt active, sedimentele vor fi digerate la CH4, H2S i CO2. Oxidarea anaerob a amoniului si a metanului sunt cele mai puin explorate procese din ciclul azotului i al carbonului n natur. Ele sunt responsabile pentru mai mult de 75% din oxidarea metanului i 30 50% din oxidarea amoniului n oceane. ANAMMOX este practic o scurttur n ciclul azotului n natur, care duce la formarea N2 din NH4+ i NO2. AOM duce la formarea de CO2 care este utilizat n procesele de fotosintez. Iat c natura este extrem de eficient n ceea ce privete gestionarea i reciclarea deeurilor, iar intensificarea unor astfel de procese biologice n instalaii specifice este o

1 n funcie de rspunsul la oxigenul molecular microorganismele se mpart n trei grupe: strict aerobe, facultativ anaerobe i anaerobe (acestea din urm se pot si ele mpri in anaerobe aerotolerante i strict anaerobe)

2


soluie pentru tratarea i reintegrarea apelor uzate n circuitul natural. Toate procesele prezentate mai sus (cu excepia AOM) au aplicabilitate n ingineria bioepurrii apelor uzate participnd la protecia sntii publice i a mediului.

OXIDAREA BIOLOGIC AEROB

Obiectivele tratrii biologice a apelor uzate sunt:

- eliminarea materiei organice pentru a preveni epuizarea oxigenului dizolvat din apele receptoare n urma descrcrii efluenilor din staiile de epurare municipale i industriale;

- eliminarea solidelor n stare coloidal sau n suspensie pentru a preveni acumularea lor n apele receptoare;

- reducerea concentraiei de microorganisme patogene evacuate n apele receptoare. Majoritatea procedeelor de tratare biologic a apelor uzate implic eliminarea materiei organice. Pentru c apele uzate conin un numr foarte ridicat de compui organici, cantitatea acestora va fi cuantificat prin consumul chimic de oxigen asociat cu substanele organice biodegradabile solubile (CCObs) sau prin consumul biochimic de oxigen (CBO).

Descrierea procesului

Epurarea biologic aerob reproduce n mod intensiv fenomenele de autoepurare a apelor de suprafa, realiznd condiiile necesare (e.g. temperatura, pH, timp de contact etc.) dezvoltrii masei de microorganisme cu ajutorul creia se mineralizeaz i se rein substanele organice biodegradabile aflate n stare dizolvat sau coloidal n apele uzate influente.

Fenomenul de epurare biologic aerob se bazeaz pe reaciile metabolice ale unor populaii mixte de bacterii, fungi i alte microorganisme interioare (n special protozoare). n practica bioepurrii apelor uzate aceste biocenoze poart numele de biomas sau nmol activat.

Substanele organice reprezint hran pentru microorganismele implicate n proces, constituind aa numitul substrat organic.

Eliminarea CCObs poate fi realizat prin procese aerobe cu biomas n suspensie (Fig.2a,b) sau cu pelicula fixat (biofilm) (Fig.3). Ambele tipuri de procese necesit o perioad suficient de contact ntre apa uzat i microorganismele heterotrofe, cantiti corespunztoare de oxigen i nutrimente. Mai bine de jumtate din materiile organice biodegradabile sunt oxidate, n timp ce restul sunt asimilate ca biomas nou care, la rndul su, este oxidat n reaciile de respiraie endogen. Att in procesele cu biomas n suspensie ct i n cele cu pelicul fixat, biomasa produs n exces este eliminat periodic pentru a menine procesul de tratare n limitele optime de

3


performan i operare. Biomasa este de obicei separata gravitaional de efluentul tratat, dar exista i tehnologii de separare prin membrane.

(a) (b)

Fig.2. Procedee de tratare aerob a apelor uzate cu biomas n suspensie (a) ntr-un

bazin de aerare de tip piston (b) ntr-un bazin de aerare cu amestecare complet.

Fig.3. Procedeu de tratare aerob a apelor uzate cu pelicul fixat

Microbiologia procesului de oxidare aerob

n procesele de tratare aerob cu nmol activat n suspensie sau cu pelicul fixat exist o varietate impresionant de microorganisme capabile s elimine materia organic. Bacteriile heterotrofe aerobe ce se gsesc n aceste procese produc biopolimeri extracelulari care duc la formarea de flocoane sau biofilm. Aceste flocoane pot fi separate gravitaional de efluentul tratat care va conine o concentraie relativ sczut de bacterii libere i de solide n suspensie.

Protozoarele au i ele un rol extrem de important n procesele de tratare aerob a apelor uzate. Ele sunt capabile s consume bacteriile libere i particulele coloidale ducnd la limpezirea efluentului. Protozoarele necesit un timp de retenie mai mare dect bacteriile heterotrofe, prefera concentraii de oxigen dizolvat mai mari dect 1 mgL-1 i sunt sensibile la substane toxice. Astfel, prezena acestora n nmolul activat este un bun indicator al unui proces stabil. Protozoarele pot fi uor observate n

4


preparate umede utiliznd un microscop fotonic cu o putere de mrire de 100x pana la 200x deoarece au o dimensiune destul de mare.

Rotiferele i alte microorganisme pluricelulare pot fi de asemenea regsite n nmolul activat n suspensie sau sub forma de pelicul fixat atunci cnt timpul de retenie este mare.

Procesele de tratare aerob cu pelicul fixat au de obicei o biocenoz mult mai complex dect procesele cu biomas n suspensie, biofilmul coninnd bacterii, fungi, protozoare, rotifere, iar uneori chiar anelide, viermi plai i nematozi

n funcie de concentraia n substane organice a apelor uzate i de condiiile de mediu, o serie de microorganisme nedorite se pot dezvolta n procesele de epurare cu nmol activat. Bacteriile filamentoase reprezint practic scheletul floconului de nmol care va avea o capacitate bun de sedimentare atunci cnd acest tip de microorganisme se dezvolt moderat. Creterea excesiv a acestora va genera fenomenul cunoscut sub numele de aglomerarea nmolului, un fenomen care scade capacitatea de sedimentare a flocoanelor de nmol. n cel mai ru caz, la aglomerarea flocoanelor de nmol vor fi nglobate i bule de aer care vor face ca nmolul s floteze n decantor, putnd duce la o concentraie ridicata de solide n suspensie n efluent i deci la o performan sczut de epurare a apei uzate. Un alt fenomen nedorit este acela de spumare care apare la dezvoltarea excesiv a unor bacterii din genul Nocardia i Microthrix. Aceste bacterii au suprafee celulare hidrofobe care mpreun cu bulele de aer duc la formarea spumei.

Stoichiometria procesului de ox idare aerob

n ceea ce privete oxidarea biologic aerob, conversia materiei organice este ntreinut de culturi mixte de bacterii dup relaiile stoichiometrice prezentate n cele ce urmeaz:

Oxidare i biosintez: COHNS + O2 + nutrimente bacterii CO2 + NH3 + C5H7NO2 + ali produi finali (1) materie material

organic celular nou

Respiraie endogen: C5H7NO2 + 5O2 bacterii 5CO2 + 2H2O + NH3 + energie (2)

5


COHNS (materia organic din apele uzate) reprezint donorul de electroni n timp ce oxigenul este receptorul de electroni. Chiar dac n reacia de respiraie endogen (2) se formeaz produi anorganici relativ simpli i energie, acest proces duce totui i la formarea unor compui organici stabili.

Cinetica procesului de oxidare aerob

Expresiile cinetice pentru consumul substratului i pentru creterea biomasei n procesele de oxidare biologic a substanelor organice, care au fost dezvoltate pe baza ecuaiilor stoichiometrice de mai sus, au fost prezentate n cursul anterior dar sunt reluate i aici:

= 1 + (3)

= = + (4)

Aceste expresii sunt de tip saturaie de substrat. Valorile parametrilor cinetici (i.e. , i ) depind de natura i de complexitatea componenilor partiiei biodegradabile solubile a CCO.

Factorii de mediu

Pentru oxidarea substanelor organice de ctre microorganismele heterotrofe aerobe, pH-ul tolerat poate fi cuprins ntre 6 i 9, n timp ce performana optim se obine la un pH neutru. O concentraie de 2 mgL-1 oxigen dizolvat este de obicei folosit n bazinele cu nmol activat, cu toate c peste valoarea de 0.5 mgL-1 influena oxigenului dizolvat asupra vitezei de degradare are un efect minor. Influenii uzai industriali sunt deseori sraci n nutrimente (i.e. azot i fosfor) i de aceea ei trebuie adugai astfel nct viteza de degradare a CCObs s fie maxim. Bacteriile heterotrofe aerobe responsabile pentru eliminarea CCObs pot tolera concentraii ridicate de substane toxice n comparaie cu bacteriile responsabile pentru oxidarea amoniului sau pentru producia de metan.

6


NITRIFICAREA BIOLOGICA

Nitrificarea este un termen utilizat pentru descrierea procesului biologic in doua etape care implica oxidarea amoniului (NH4+) la nitrit (NO2) care, la randul sau, este oxidat la nitrat (NO3). Necesitatea nitrificarii in procesele de tratare a apelor uzate vine in urma normelor referitoare la:

efectul amoniacului, in apele receptoare, asupra concentratiei de OD; toxicitatea amoniacului asupra pestilor; necesitatea eliminarii azotului in scopul controlarii fenomenului de eutrofizare; necesitatea controlului azotului in cazul aplicatiilor de reutilizare a apelor uzate.


La fel ca si in cazul proceselor de oxidare biologica aeroba, nitrificarea poate fi realizata atat prin procese cu biomasa in suspensie, cat si prin procese cu pelicula fixata. Cea mai uzuala abordare cand vine vorba de procesele de tratare cu biomasa in suspensie, este de a efectua nitrificarea odata cu reducerea CCO intr-o instalatie conventionala (intr-o singura treapta) ce consta intr-un bazin aerob, un decantor si un sistem de recirculare a namolului sedimentat (Fig.1).

Fig.1. Eliminare a CCO si nitrificarea biologica intr-un proces cu biomasa in suspensie

intr-o singura treapta

In cazul in care apa uzata contine o concentratie ridicata de substante cu efect toxic sau inhibitor se recomanda utilizarea unui sistem cu biomasa in suspensie in doua trepte (Fig.2). Acest sistem consta in doua bazine de aerare si doua decantoare montate in serie. Primul bazin de aerare este dedicat eliminarii CCObs si a substantelor toxice si este operat la timpi mici de retentie, in timp ce nitrificarea poate avea loc, fara a fi inhibata, in cel de-al doilea bazin de aerare. O parte din influent este deseori

7


deviata catre cel de-al doilea bazin, astfel incat sa fie asigurata o cantitate suficienta de solide pentru o buna floculare si limpezire a efluentului. Deoarece bacteriile nitrificatoare au o viteza de crestere mult mai mica decat bacteriile heterotrofe, sistemele care asigura nitrificarea sunt proiectate sa aiba timpi de retentie hidraulici si timpi de retentie a solidelor cu mult mai mari decat in cazul instalatiilor proiectate pentru reducerea CCObs.

Fig.2. Eliminarea CCO si nitrificarea biologica intr-un proces cu biomasa in suspensie in

doua trepte

In cazul sistemelor cu pelicula fixata utilizate pentru nitrificare (filtre biologice) cea mai mare parte a CCObs trebuie eliminata inainte, deoarece bacteriile chemoheterotrofe au viteze de crestere mai mari si pot domina suprafata peliculei fixate in detrimentul bacteriilor nitrificatoare. Astfel, nitrificarea poate avea loc in filtrele biologice doar dupa ce CCObs a fost eliminat sau in sisteme cu pelicula fixata proiectate special pentru procesul de nitrificare bilogica.

M icrobiologia procesului de nitrificare biologica

Responsabile de nitrificare sunt bacteriile autotrofe aerobe prezente in namolul activat sau in pelicula fixata. Nitrificarea, asa cum a fost mentionat anterior, este un proces in doua trepte care implica doua grupuri de bacterii. In prima treapta amoniul este oxidat la nitrit de catre un grup de bacterii autotrofe, iar in a doua treapta nitritul este oxidat la nitrat de un grup distinct de bacterii autotrofe. Cele mai cunoscute bacterii autotrofe implicate in procesul de nitrificare sunt cele din genurile Nitrosomonas si Nitrobacter. Alte specii de bacterii autotrofe, capabile sa-si obtina energia din reactia de oxidare a amoniului la nitrit, sunt (cu prefixul Nitroso-): Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus si Nitrosorobrio.

8


In afara de Nitrobacter, nitritul mai poate fi oxidat la nitrat de alte bacterii autotrofe, precum (cu prefixul Nitro-): Nitrococcus, Nitrospira, Nitrospina si Nitrocystis.

Stoichiometria procesului de nitrificare biologica

Procesul de nitrificare decurge conform reactiilor de mai jos:

2NH4+ + 3O2 2NO2 + 4H+ + 2H2O (1) 2NO2 + O2 2NO3 (2)

Reactia globala a nitrificarii este deci:

NH4+ + 2O2 NO3 + 2H+ + H2O (3)

Din reactia globala a nitrificarii rezulta ca oxigenul necesar pentru oxidarea completa a amoniului insumeaza 4.57 g O2/g N oxidat de unde 3.43 g O2/g N corespund productiei de nitrit, iar 1.14 g O2/g N sunt asociati cu oxidarea nitratului. De notat este faptul ca oxigenul necesar pentru procesul de sinteza celulara este mai mic decat 4.57 g O2/g N.

Neglijand tesutul celular, alcalinitatea necesara pentru a duce la bun sfarsit Ec 3 poate fi estimata din urmatoarea ecuatie:

NH4+ + 2HCO3 + 2O2 NO3 + 2CO2 + 3H2O

In ecuatia de mai sus, pentru fiecare gram de azot amoniacal transformat, 7.14 g de alcalinitate exprimata ca CaCO3 sunt necesare.

Odata cu obtinerea de energie, o parte din ionii de amoniu sunt asimilati in tesutul celular. Reactia de sinteza a biomasei poate fi scrisa astfel:

4CO2 + HCO3 + NH4+ + H2O C5H7O2N + 5O2 C5H7O2N este utilizat pentru a reprezenta materialul celular nou sintetizat. Concentratia de azot, CCObs, alcalinitatea temperatura si potentialii compusi toxici sunt probleme majore la proiectarea proceselor de nitrificare biologica. Bacteriile nitrificatoare necesita CO2 si fosfor pentru crestere si de asemenea microelemente. Datorita vitezei de crestere foarte mici dioxidul de carbon din aer este suficient, iar fosforul este rareori limitant. Microelementele care s-au dovedit a stimula crestrea

9


bacteriilor nitrificatoare in culturile pure sunt: Ca = 0.50 mg/L, Cu = 0.01 mg/L, Mg = 0.03 mg/L, Mo = 0.001 mg/L, Ni = 0.10 mg/L si Zn = 1.0 mg/L.

Factorii de mediu

Nitrificarea este afectata de o serie de factori de mediu printre care pH-ul, toxicitatea, metalele si amoniul neionizat.

Concentratia ionilor de hidrogen (pH-ul). Nitrificarea este sensibila la pH, iar viteza de nitrificare scade considerabil la valori ale pH-ului mai mici de 6.8. La valori ale pH-ului apropiate de 5.8 6.0 viteza de nitrificare este de doar 10 20 % din rata de nitrificare la pH = 7.0. Domeniul de pH pentru a obtine o vitaza optima de nitrificare este cuprins intre 7.5 si 8.0. Valori ale pH-ului de 7.0 7.2 sunt utilizate in mod uzual pentru a obtine viteze de nitrificare satisfacatoare, iar pentru zonele cu ape cu alcalinitate mica, alcalinitatea este compensata astfel incat sa se mentina valori acceptabile de pH. Cantitatea de alcalinitate necesara pentru a compensa pH-ul depinde de alcalinitatea initiala a apei uzate si de cantitatea de azot amoniacal care trebuie oxidat. Pentru compensarea alcalinitatii se poate utiliza var, soda calcinata, bicarbonat de sodiu sau hidroxid de magneziu.

Toxicitatea. Bacteriile nitrificatoare sunt sensibile la o gama foarte larga de compusi anorganici si organici si la concentratii cu mult mai mici decat cele care ar afecta microorganismele heterotrofe aerobe.

Bacteriile nitrificatoare s-au dovedit a fi indicatori buni pentru prezenta compusilor organici toxici in concentratii mici. Compusii care sunt toxici includ solventii organici, aminele, proteinele, taninii, compusii fenolici, alcoolii, cianatii, eterii, carbamatii si benzenul.

Metalele. Unele metale prezinta toxicitate pentru bacteriile nitrificatoare, astfel inhibitia completa a oxidarii amoniului s-a observat la 0.25 mg/L Ni, 0.25 mg/L Cr si 0.10 mg/L Cu.

Amoniul neionizat (Amoniacul NH3). Nitrificarea este de asemenea inhibata de amoniacul liber si de acidul azotos (HNO2). Efectul de inhibitie este dependent de concentratiile tuturor speciilor de azot prezente, temperatura si pH.

10


DENITRIFICAREA BIOLOGICA

Procesul de reducere biologica a nitratului la monoxid de azot (NO), protoxid de azot (N2O) si apoi la azot gazos se numeste denitrificarea. Denitrificarea biologica este o etapa in procesul de eliminare biologica a azotului, proces care implica atat nitrificarea cat si denitrificarea. In comparatie cu alte metode de eliminare a amoniului precum striparea, oxidarea cu clor si schimbul ionic, eliminarea biologica a azotului este in general mai putin costisitoare si mai raspandita. Eliminarea biologica a azotului este aplicata atunci cand concentratia de azot din apele uzate este ridicata si exista riscul aparitiei procesului de eutrofizare a apelor receptoare.


Nitratii pot fi eliminati din apele uzate prin doua mecanisme si anume prin asimilatie sau prin desimilatie asa cum este schitat in Fig.1.

Fig.1. Transformarea azotului in procesele de tratare biologica

Eliminarea nitratilor prin asimilatie implica reducerea nitratilor la amoniu in scopul utilizarii acestora in sinteza celulara. Procesul de asimilatie are loc atunci cand NH4-N nu este disponibil. In timp ce procesul de eliminare a nitratilor prin asimilatie nu este influentat de concentratia de OD, procesul de eliminare a nitratilor prin disimilatie (i.e.

11


denitrificarea biologica) este cuplat la sistemul de transport de electroni din lantul respirator, nitratii si nitritii fiind astfel utilizati ca acceptori de electroni pentru oxidarea a numerosi donori de electroni organici sau anorganici.

Exista doua diagrame flux pentru denitrificarea biologica si anume denitrificarea preanoxica (Fig.2) si denitrificarea postanoxica (Fig.3).

Primul proces este si cel mai des utilizat, constand intr-un bazin anoxic urmat de un bazin aerob in care are loc nitrificarea biologica. Nitratii produsi in bazinul aerob sunt recirculati inapoi in bazinul anoxic. In aceasta situatie substratul organic din apa uzata contine donorii de electroni pentru reactiile de oxido-reducere in care nitratii sunt utilizati.

Fig.2. Denitrificarea preanoxica

In al doilea proces denitrificarea are loc dupa nitrificare, iar donorul de electroni rezulta din procesul de respiratie endogena. Procesul este numit denitrificare postanoxica deoarece eliminarea CCObs a avut loc in prealabil, acesta nefiind disponibil pentru a participa la reducerea nitratului. Atunci cand un proces de denitrificare postanoxica depinde doar de respiratia endogena pentru energie, viteza de reactie a acestuia va mult mai mica in comparatie cu denitrificarea preanoxica unde se utilizeaza CCObs din apa uzata. De multe o sursa de carbon exogena, precum metanolul sau acidul acetic, este adaugata in procesul postanoxic pentru a asigura o cantitate suficienta de CCObs pentru reducerea nitratului si pentru a mari viteza de nitrificare.

In procesele de denitrificarea preanoxica si postanoxica reducerea nitratului este realizata de bacterii heterotrofe, dar exista si alte cai de eliminare biologica a azotului. Amoniul poate fi transformat in azot gazos de anumite bacterii autotrofe in conditii anaerobe (ANAMMOX). In conditii anaerobe NH4+ este oxidat de catre NO2- la azot gazos. Sunt utilizati 1.3 moli de NO2- pe mol de NH4+. O parte din influent trebuie nitrificat astfel al nitrit, dar nu este nevoie de nici o sursa de carbon pentru eliminarea azotului. Procesul se numeste ANAMMOX.

12


Fig.3. Denitrificarea postanoxica

M icrobiologia procesului de denitrificare biologica

Numeroase bacterii s-au dovedit capabile de a participa la procesele de denitrificare, o caracteristica neregasita la alge sau fungi. La denitrificatoare pot participa atat bacterii heterotrofe cat si autotrofe.

Cele mai raspandite bacterii denitrificatoare sunt din specia Pseudomonas, fiind capabile sa utilizeze o gama larga de compusi organici (i.e. hidrogen, metanol, carbohidrati, acizi organici, alcoli, compusi aromatici, etc). Majoritatea bacteriilor denitrificatoare sunt facultativ anaerobe fiind capabile sa utilizeze fie oxigenul dizolvat, fie nitratii sau nitritii. Unele specii au chiar capacitatea de a participa la procese de fermentatie atunci cand oxigenul sau nitratii sunt absenti.

Stoichiometria procesului de denitrificare biologica

Denitrificarea biologica implica oxidarea biologica a numeroase tipuri de substante organice prezente in apele uzate, utilizand nitratul sau nitritul in locul oxigenului ca acceptor de electroni. In absenta OD sau atunci cand acesta este prezent in concentratii foarte scazute, este generata nitrat-reductaza, o enzima implicata in sistemul de transport de electroni din lantul respirator, care participa la transferul hidrogenului si electronilor catre nitrat, acesta fiind acceptorul final de electroni. Reactiile reducerii nitratului implica patru etape, de la nitrat la nitrit, apoi la monoxid de azot, protoxid de azot si in final la azot gazos:

NO3 NO2 NO N2O N2

Donorul de electroni din procesul de eliminare biologica a azotului poate fi:

13


CCObs prezent in influentul uzat; CCO produs in urma proceselor de descompunere endogena; surse externe de carbon (i.e. metanol, acetati) - se adauga de obicei in bazine de

tratare separate, in amonte de unitatile de nitrificare unde s-a consumat aproape tot CCO.

Stoichiometria diferitilor donori de electroni este redata in cele ce urmeaza (C10H19O3N este deseori utilizat pentru a reprezenta materia orbanica biodegradabila din apa uzata):

Apa uzata: C10H19O3N + 10NO3 5N2 + 10CO2 + 3H2O + NH3 + 10OH

Metanol:

Acid acetic

In toate reactiile de denitrificare heterotrofa de mai sus, un echivalent de alcalinitate este produs pe echivalent de NO3-N redus, care inseamna 3.57 g de alcalinitate (ca CaCO3) produsa pe gram de azot din nitrat redus. Amintindu-ne ca la nitrificare se consuma 7.14 g alcalinitate pe gram de NH4-N oxidat, se poate spune ca jumatate din aceasta se recupereaza prin denitrificare.

14


ELIMINAREA BIOLOGIC A FOSFORULUI

Eliminarea fosforului este motivata de controlul procesului de eutrofizare, fosforul fiind un nutriment limitativ in sistemele acvatice. Cea mai raspandita metoda de eliminare a fosforului este tratarea chimica a efluentilor uzati cu compusi pe baza de aluminiu sau fier. Totusi, succesul metodei de eliminare a fosforului pe cale biologica a incurajat dezvoltarea acesteia, castigand teren in ultimii ani. Principalele avantaje ale eliminarii fosforului pe cale biologica sunt:

- Costuri reduse prin eliminarea chimicalelor, - Productie de namol mai mica in comparatie cu precipitarea chimica.


Prin procesul de eliminare biologica, fosforul din apele uzate este incorporat in biomasa celulara, care ulterior este eliminata din proces. Organismele acumulatoare de fosfor (PAO eng. Phosphorus Accumulating Organisms) sunt incurajate sa creasca si sa consume fosfor in instalatii care asigura acestora un avantaj competitiv fata de alte organisme. Configuratia unei astel de instalatii consta intr-un reactor anaerob cu timp de retentie mic (i.e. 0.5 1.0 h) plasat inaintea unui reactor aerob cu namol activat. Reactorul anaerob este mentinut omogen astfel incat sa asigure contactul corespunzator cu namolul activat si cu apa uzata.

Eliminarea fosforului pe cale biologica se bazeaza pe urmatoarele aspecte:

- Numeroase bacterii sunt capabile sa stocheze intracelular cantitati in exces de fosfor sub forma de polifosfati,

- In conditii anaerobe organismele acumulatoare de fosfor vor asimila produsii de fermentatie (e.g. acizi grasi volatili) in produsi de rezerva intracelulari, eliberand in acelasi timp fosforul din polifosfati,

- In conditii aerobe energia necesara pentru functiile celulare si pentru formarea de material celular nou este produsa prin oxidarea compusilor de rezerva intracelulari si a polifosfatilor intracelulari.

Procesele care are loc in zona anaeroba

- La fermentatia compusilor organici biodegradabili solubili, CCObs, se vor produce acetati. In functie de timpul de retentie din aceasta zone anumite substante organice sub forma coloidala sau de particule vor fi hidrolizate si apoi transformate in acetat dar intr-o proportie mai mica decat CCObs.

- Utilizand energia stocata in polifosfati, organismele acumulatoare de fosfor vor asimila acetatul pentru a forma compusi de rezerva intracelulari porecum polihidroxibutiratul. Anumite specii de bacterii sunt capabile sa asimileze acetatul formand glicogen ca substanta de rezerva. Procesul de asimilare a acetatilor este in

15


concurenta cu eliberarea de ortofosfati, si totodata de ioni de magneziu, potasiu si calciu,

- Continutul de PHB intracelular creste in timp ce cantitatea de polifosfati va scadea.

Procesele care are loc in zona aeroba

- PHB stocat intracelular este metabolizat, producand energie prin oxidare si sursa de carbon pentru formarea de material celular nou,

- In anumite conditii, la metabolizarea PHB se produc anumite cantitati de glicogen, - Energia eliberata la oxidarea PHB este utilizata pentru a forma polifosfati

intracelulari din ortofosfatii solubili, astfel acestia fiind eliminati din apele uzate. Formarea de material celular nou are de asemenea loc odata in urma oxidarii PHB, iar biomasa nou formata va contine cantitati ridicate de polifosfati de rezerva intracelulari, eliminand astfel mai mult fosfor din apele uzate,

- Namolul in exces este indepartat din statia de epurare biologica a apelor uzate si cu acesta compusii de rezerva intracelulari cu fosforul.

M icrobiologia procesului de eliminare biologica a fosforului

Fosforul este important in mecanismele celulare de transfer de energie via adenozin trifosfat (ATP) si polifosfati. Cand energia este produsa in reactiile de oxido-reducere, adenozin difosfatuul (ADP) este transformat in ATP capturand in legatura cu grupul fosfat o energie de 7.4 kcal/mol. Cand celula consuma energie ATP este transformat in ADP, eliberand fosfor. Pentru bacteriile heterotrofe care se dezvolta in mod uzual in bazinele cu namol activat compozitia in fosfor este de aproximativ 1 2%. Totusi, exista numeroase bacterii care sunt capabile sa stocheze fosfor intracelular sub forma de polifosfati, ajungand la o concentratie ridicata de 20 30% din substanta uscata. Polifosfatii sunt continuti in granulele de volutina din interiorul celulei impreuna cu ionii de Mg2+, Ca2+ si K+.

In zona anaeroba concentratiile de O-PO4 pot ajunge la 40 mg/L chiar daca in apa uzata influenta concentratia este de doar 5 8 mg/L. Concentratia mare de O-PO4 poate fi un bun indicator a faptului ca organismele acumulatoare de fosfor sunt active in aceasta zona. De asemenea, in aceasta zona, se gasesc o cantitate mare de PHB intracelular care va scadea considerabil in zona ulterioara anoxica si/sau aeroba. O-PO4 sunt asimilati in zonele aeroba si anoxica ducand la concentratii destul de mici in efluentii statiilor de epurare. Pe baza cercetarilor referitoare la procesul de eliminare biologica a fosforului s-a dovedit ca acetatul este esential pentru formarea PHB in conditii anaerobe, aspect care asigura avantajul competitiv pentru organismele acumulatoare de fosfor.

Zona anaeroba din acest proces se numeste selector deoarece asigura conditiile care avantajeaza proliferarea organismelor acumulatoare de fosfor prin faptul ca o parte din

16


CCObs este consumat de catre acestea in detrimentul altor bacterii heterotrofe. Organismele acumulatoare de fosfor prefera produsii de fermentatie cu molecula mica, dar acestia pot fi disponibili decat in zona anaeroba unde CCObs este fermentat la acetat. Multumita capacitatii lor de a stoca energie, organismele acumulatoare de fosfor au energia necesara asimilarii acetatului in zona anaeroba. Alte bacterii aerobe heterotrofe nu au un astfel de mecanism de asimilare a acetatului (in lipsa unui acceptor de electroni precum nitratii sau oxigenul dizolvat) si vor fi inactive in zona anaeroba in timp ce orbanismele acumulatoare de fosfor vor prolifera. In plus, organismele acumulatoare de fosfor formeaza un flocon foarte dens cu proprietati foarte bune de sedimentare. In anumite instalatii secventa anaerob/aerob este utilizata pentru a obtine beneficii la sedimentare chiar daca nu se vizeaza eliminarea fosforului.

Cateva masuri de gestionare a namolului rezultat din statiile de epurare cu eliminare de fosfor trebuie luate. Atunci cand namolul este mentinut in conditii anaerobe, eliberarea fosforului va avea loc. Eliberarea O-PO4 poate avea loc chiar si in lipsa aditiei de acetat devreme ce bacteriile vor utiliza polifosfatii de rezerva ca sursa de energie. Eliberarea O-PO4 poate avea loc si la un timp de contact excesiv in bazinul aerob al instalatiei. In acest caz fosforul eliberat poate sa nu fie reasimilat deoarece eliberarea acestuia nu a fost asociata cu oxidarea PHB intracelular. Eliberarea O-PO4 in aceste conditii este numita eliberare secundara si duce la randamente mici de eliminare a fosforului.

Factorii de mediu

Performanta sistemului nu este afectata de concentratia de oxigen dizolvat atat cat aceasta este mai mare de 1 mg/L in zona aeroba.

La pH < 6.5 eficienta de eliminare a fosforului este considerabil redusa.

In instalatiile pentru eliminarea fosforului o cantitate suficienta de cationi asociati cu cantitatea de polifosfat intracelular trebuie sa fie disponibila. Fractiile molare recomandate de Mg, Ca si K la fosfor sunt 0.71, 0.50 si respectiv 0.25. Astfel, la o concentratie de fosfor solubil in influent de 10 mg/L concentratiile necesare de Mg, Ca si K vor fi de 5.6, 6.3 si 3.2 mg/L. Majoritatea apelor uzate municipale au concentrati suficciente in acesti cation, dar o atentie sporita trebuie sa fie orientata catre apele uzate industriale.

17


Fermentatia si oxidarea anaeroba

Procesele de fermentatie si oxidare anaeroba sunt in principal utilizate pentru tratarea namolurilor si a apelor uzate cu incarcare mare in substante organice, totusi aplicatiile pe ape uzate mai putin incarcate au dat rezultate bune si devin din ce in ce mai populare. Procesele de digestie anaeroba sunt avantajoase multumita randamentelor mici in biomasa si a productiei de energie sub forma de gaz metan ce poate fi recuperat la conversia biologica a substratului organic.

Cu toate ca majoritatea proceselor de digestie anaeroba sunt operate intr-un interval de temperatura medie (i.e. 30 35C), exista un interes sporit asupra proceselor care se desfasoara la temperaturi ridicate, fie ca procese in sine, fie ca o treapta inainte de digestia mezofila. Aceasta poarta numele de digestie anaeroba termofila si este in mod uzual proiectata la timpi de retentie a namolului de 3 7 zile pentru prima faza termofila la 50 - 60C, si 7 15 zile pentru faza mezofila finala. Procesele de digestie anaeroaba termofila sunt utilizate pentru a distruge microorganismele patogene producand biosolide de clasa A care pot fi reutilizate fara restrictii.

Pentru tratarea apelor uzate industriale incarcate tratamentul anaerob s-a dovedit a fi eficient din punct de vedere al costurilor in comparatie cu tratarea aeroba ducand la economie cu energia si cu aditia de nutrimente si la reducerea dimensiunii reactoarelor. Deoarece calitatea efluentului din treapta anaeroba nu este la fel de ridicata comparativ cu tratarea aeroba, aceasta este de obicei aplicata ca o etapa de pretratare fiind urmata deseori de o treapta aeroba. Digestia anaeroba poate avea loc atat in sisteme cu biomasa in suspensie cat si in sisteme cu pelicula fixata.


In procesul global de digestie anaeroba a contaminantilor organici sunt implicate trei etape: hidroliza, fermentatia (sau acidogeneza) si metanogeneza. Aceste trei etape sunt ilustrate schematic in Fig. 1. Punctul de plecare pentru fiecare aplicatie in parte depinde de natura contaminantilor organici care urmeaza a fi degradati.

Hidroliza reprezinta prima etapa pentru multe dintre procesele de digestie anaeroba si este procesul in care particulele organice sunt transformate in compusi solubili care sunt apoi hidrolizati la monomeri simpli, utilizati ulterior de catre bacterii in procesele de fermentatie.

Fermentatia este a doua etapa a procesului de digestie anaeroba si mai poarta numele de acidogeneza. In procesul de fermentatie aminoacizii, carbohidratii simpli si anumiti acizi grasi sunt degradati asa cum poate fi vazut in Fig. 1. Substantele organice servesc atat ca donori de electroni, cat si ca acceptori de electroni. Principalii produsi ai

18


fermentatiei sunt acidul acetic, hidrogenul, dioxidul de carbon, dar si acidul propionic si acidul butiric. Acizii propionic si butiric funt fermentati in continuare la acid acetic, hidrogen si CO2. Astfel, produsii finali ai procesului de fermentatie (i.e. acid acetic, hidrogen si CO2) sunt precursori pentru productia de metan (metanogeneza).

Fig.1. Etapele implicate in procesul de digestie anaeroba

Metanogeneza este realizata de un grup de microorganisme numite metanogene. Doua grupuri de microorganisme metanogene sunt implicate in productia de metan. Un grup de metanogene disociaza acidul acetic in metan si CO2 (metanogene aceticlastice), iar cel de-al doilea grup utilizeaza hidrogenul drept donor de electroni si CO2 ca acceptor de electroni, ducand la productia de metan (metanogene care utilizeaza hidrogenul). Bacteriile din procesele anaerobe numite acetogene sunt capabile sa utilizeze CO2, sa oxideze hidrogenul si sa produca astfel acid acetic. Oricum, acidul acetic va fi transformat in metan si deci impactul acestei reactii este minor.

M icrobiologia procesului de digestie anaeroba

Grupurile de microorganisme nemetanogene implicate in procesele de hidroliza si fermentatie consta in bacterii facultativ anaerobe si strict anaerobe. Microorganismele izolate in digestoarele anaerobe includ Clostridium spp., Peptococcus anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp., Corynebacterium spp., Lactobacillus,

19


Actinomyces, Staphylococcus si Escherichia coli. Alte grupuri fiziologice prezente includ bacteriile producatoare de enzime proteolitice, lipolitice, ureolitice si celulazice.

Microorganismele raspunzatoare de productia de metan (arhea) sunt strict anaerobe. Multe dintre microorganismele metanogene identificate in digestoarele anaerobe sunt similare cu cele care se gasesc in stomacul rumegatoarelor si in sedimentele din lacuri si rauri. Principalele genuri care au fost identificate in conditii mezofile de temperatura le includ pe cele sub forma de bastonas (Methanobacterium, Methanobacillus), si sub forma sferica (Methanococcus, Methanothrix si Methanosarcina). Methanosarcina si Methanothrix sunt singurele organisme capabile sa utilizeze acidul acetic pentru a produce metan si dioxid de carbon (metanogene aceticlastice). Celelalte microorganisme oxideaza hidrogenul si impreuna cu CO2 ca acceptor de electroni produc metan (metanogene care utilizeaza hidrogenul).

Relatiile sintrofice in procesul de fermentatie. Bacteriile metanogene si cele acidogene au o relatie sintrofica (reciproc avantajoasa), in care metanogenele transforma produsii finali de fermentatie precum hidrogenul, acidul formic si acetic in metan si CO2. Deoarece metanogenele sunt capabile sa mentina o presiune partiala a H2 foarte scazuta, echilibrul reactiei de fermentatie va fi deplasat catre formarea mai multor produsi finali oxidati (e.g. acidul formic si acetic). Utilizarea hidrogenului, produs de microorganismele acidogene si de alte microorganisme anaerobe, de catre metanogene este cunoscut sub numele de transferul hidrogenului intre specii. De fapt, bacteriile metanogene servesc la epuizarea hidrogenului, ce permite reactiei de fermentie sa aiba loc. Daca procesul este destabilizat iar metanogenele nu utilizeaza destul de rapid hidrogenul produs, fermentatia propionica si butirica va incetini, acumulandu-se acizi grasi volatili in reactorul anearob, care pot duce deasemenea la scaderea pH-ului.

Microorganismele nedorite in procesul de digestie anaeroba sunt bacteriile sulfat-reducatoare care pot crea probleme atunci cand apa uzata este bogata de sulfati. Aceste organisme pot reduce sulfatii (SO42-) la sulfuri (S2-) care pot fi toxice pentru bacteriile metanogene atunci cand se acumuleaza in cantitati mari. Atunci cand sulfurile se acumuleaza in cantitati mari una dintre solutii este adaugarea controlata de conpusi cu fier pentru a forma sulfura de fier care precipita. Bacteriile sulfat-reducatoare sunt strict anaerobe (e.g. Desulfovibrio, Desulfobacter).

Stoechiometria procesului de digestie anaeroba

Un numar limitat de substraturi sunt utilizate de catre bacteriile metanogene, reactiile implicand oxidarea hidrogenului, acidului formic, monoxidului de carbon, metanolului, metilaminei si acidului acetic.

20

BIOEPURAREA APELOR UZATE BRN II Universitatea Dunrea de jos, Galai, FSIA Material curs 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O (1) 4HCOO + 4H+ CH4 + 3CO2 + 2H2O (2) 4CO + 2H2O CH4 + 3CO2 (3) 4CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O (4) 4(CH3)3N + H2O 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3 (5) CH3COOH CH4 + CO2 (6)

Factorii de mediu

Procesele anaerobe sunt sensibile la pH si la substantele inhibitoare. O valoare neutra a pH-ului este preferata deoarece la valori ale pH-ului mai mici de 6.8 activitatea metanogena este inhibata. Datorita cantitatii mari de CO2 din biogazul produs in procesele anaerobe (30 35 %) o cantitate mare de alcalinitate este necesara pentru a asigura neutralirtatea pH-ului. In cazul proceselor de digestie a namolurilor de epurare se produce suficienta alcalinitate la degradarea proteinelor si aminoacizilor cand se produce NH3 care in combinatie cu CO2 si H2O va forma alcalinitate sub forma de NH4(HCO3). In cazul apelor industriale, in special al celor care contin multi carbohidrati, este necesara adaudarea de alcalinitate pentru controlul pH-ului.

21

material curs

Documents