procedee avansate de epurare a apelor uzate
TRANSCRIPT
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
CuprinsIntroducere ...................................................................................pg.I
Capitolul I
Sistemul ciclului hidrologic ......................................................pg.1
Circuitul apei în natură.................................................................pg.1
Componentele sistemului hidrologic ...........................................pg.4
Modelarea sistemului hidrologic .................................................pg.11
Modelarea topologică ..................................................................pg.14
Capitolul 2
Mişcarea apei şi a poluanţilor în sol ........................................pg.19
Aspecte generale ..........................................................................pg.19
Pătrunderea apei în sol .................................................................pg.20
Apa subterană ..............................................................................pg.24
Capitolul 3
Transportul şi distribuţia agenţilor poluanţi în ape ..............pg.27
Aspecte generale .........................................................................pg.27
Caracterizarea poluanţilor şi pătrunderea lor în pânzele
freatice .........................................................................................pg.33
Ecuaţiile de transfer al poluanţilor în mediile acvatice ...............pg.36
Amestecul şi diluţia jeturilor poluante ........................................pg.40
Dispersia poluanţilor în râuri ......................................................pg.48
Modele de simulare a poluării apelor subterane .........................pg.55
Capitolul 4
Elemente de monitoring a calităţii apelor ..............................pg.64
Aspecte generale privind activitatea de monitoring ...................pg.64
Monitoringul chimic ..................................................................pg.65
1
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Staţii automate de monitoring şi alarmare .................................pg.69
Biosisteme de alarmare automata ............................................pg.70
Capitolul 5
Procese unitare de tratare a apelor industriale uzate .......pg.72
Aspecte generale .....................................................................pg.72
Condiţii privind evacuarea apelor industriale uzate ...............pg.75
Egalizarea si uniformizarea apelor uzate ...............................pg.76
Stabilirea gradului de epurare necesar ...................................pg.82
Procese tehnologice de epurare a apelor uzate provenite
din industrie ..........................................................................pg.83
Sedimentarea particulelor greu solubile ...............................pg.84
Neutralizarea apelor industriale uzate ..................................pg.85
Separarea particulelor greu solubile prin centrifugarea
apei uzate ..............................................................................pg.88
Filtrarea apelor industriale uzate ..........................................pg.90
Separarea particulelor în suspensie prin flotaţie ..................pg.92
Separarea unor substanţe prin extracţie ...............................pg.99
Procesul de adsorbţie ..........................................................pg.107
Epurarea apei prin distilare .................................................pg.112
Epurarea apei prin îngheţare ..............................................pg..113
Epurarea apelor uzate prin spumare ...................................pg.114
Separarea poluanţilor cu ajutorul membranelor .................pg.115
Epurarea apelor prin schimb ionic .....................................pg.120
Electrodializa .....................................................................pg.122
Oxidarea si reducerea compuşilor poluanţi din apele
industriale uzate .................................................................pg.124
Transformarea substanţelor poluante prin precipitare........pg.129
Indepărtarea ionilor metalici prin coagulare
2
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
electrochimică ...................................................................pg.130
Dezinfecţia apelor uzate ...................................................pg.131
3
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
PREFATAApa, element vital pentru omenire, era considerat nu demult o
sursă inepuizabilă. Dezvoltarea intensă a industrie, trecerea la o
agricultură intensivă, creşterea nivelului de trai a avut ca
repercursiuni o creştere exponenţială a consumului de apă a omenirii.
Rezervele de apă dulce sunt limitate, pe de o parte şi distribuite
neuniform pe glob pe de altă parte.
Dacă la aceste considerente mai menţionăm şi schimbările
climatice evidente care pun în pericol ecosistemul acvatic, ne duce la
concluzia gravă că, apa în viitorul apropiat va devenii o mare
problemă pentru omenire, dacă nu se iau măsuri rapide şi globale de
protecţie a calităţii apei şi de reducere a consumului de apă.
La aceste probleme privind cantitatea apei se adaugă şi
problemele legate de calitatea apei. Un factor important legat de
calitatea apelor este cel al performanţelor proceselor de epurare atât a
apelor uzate urbane cât şi a celor industriale.
Aderarea României la Comunitatea Europeană implică
eforturi deosebite pentru reducerea poluării mediului în deosebi a
poluării apelor şi ca urmare cartea este utilă din acest punct de
vedere.
Manualul se doreşte a fi o sinteză a celor mai utilizate metode
de control, monitorizare şi tratare a apelor uzate.
Acest manual este destinat studenţilor de la specializarea
„Ingineria şi protecţia mediului în industrie”, precum şi studenţilor de
la cursurile de studii aprofundate de la specializarea „Procedee
speciale în ingineria şi protecţia mediului industrial”.
Autorul
4
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
CAPITOLUL 1
SISTEMUL CICLULUI HIDROLOGIC
1.1. Circuitul apei în natură
Circulaţia apei în natura este rezultatul acţiunii energiei solare
exprimată ca diferenţă dintre radiaţia incidentă şi cea reflectată.
Deoarece volumul total volumul total de apă de pe pământ este
practic constant, volumul de apă din oceane, mări, râuri, lacuri şi
atmosferă este constant, dar distribuţia apei în spaţiu şi în diferite
momente este variabilă, procesul circulaţiei apei se consideră deci ca
un sistem închis, motiv pentru care se mai numeşte şi ciclul
hidrologic.
Ecuaţia generală pentru bilanţul apei este următoarea:
In această ecuaţie avem următoarele notări:
Pu este volumul precipitaţiilor căzute pe uscat;
P0 este volumul precipitaţiilor căzute în mări şi oceane;
E0 este cantitatea de apă evaporată din mări şi oceane;
Es este evapotranspiraţia produsă pe uscat;
S este volumul scurgerii apei de pe uscat în mări şi oceane;
A sunt cantităţile acumulate de apa în atmosferă, oceane, mări,
sol şi subsol (conform notaţiilor din figura 1.1.).
6
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Fig.1.1. Circuitul apei în natură
In figura de mai sus se poate scoate foarte bine în evidenţă
caracterul de sistem închis al ciclului apei în natură
Dacă am încerca sa descompunem acest circuit am obţine trei
subsisteme distincte, care se pot analiza şi separat, dar sunt totuşi într-
o strânsă corelaţie. Acestea sunt:
Sistemul meteorologic;
Sistemul oceanologic;
Sistemul hidrologic.
Sistemul hidrologic ca parte componentă a circuitului apei în
natura, reprezintă faza terestra a ciclului. Conservând volumul total
de apă la un moment dat, sistemul hidrologic este considerat un
sistem închis în care diferenţa dintre masele de apă intrate şi ieşite
dintr-un spaţiu hidrografic reprezintă volumele de apă acumulate sau
ieşite din acesta.
Intrările în sistemul hidrologic, reprezentate fizic prin
precipitaţia totală Pt sunt date de următoarea suma :
7
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Pt = Pp + Pz + Pc + Pg
În care avem următoarele notaţii:
Pp este precipitaţia sub formă de ploaie;
Pz este precipitaţia sub formă de zăpada;
Pc reprezintă apa rezultată din condensarea vaporilor de la
suprafaţa solului;
Pg este precipitaţia sub formă de grindină.
Ultimele două componente, respectiv Pc şi Pg au o pondere
relativ mică în suma precipitaţiilor. In figura 1.2. este prezentată
schematizat un ciclu hidrologic.
Fig.1.2. Schema unui ciclu hidrologic
In cazul precipitaţiilor solide, acţiunea lor hidrologica are loc
din momentul în care stratul de zăpadă începe să se topească şi să
cedeze apa. In aceste situaţii, pentru a se putea stabilii cantitatea de
apă ce intră în sistem ca aport de apă total, este necesar a se cunoaşte
8
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
modul de transformare a zăpezii în apa, iar modul în care este cedată
depinde de evoluţia factorilor meteorologici, starea fizica a stratului
de zăpada, precum si distribuţia acesteia pe teritoriul unui bazin
hidrografic.
In consecinţă putem afirma că totalitatea factorilor
meteorologici care concură la procesul de topire a zăpezii, respectiv
temperatura, aerul, deficitul de umiditate din sol, prezenţa vânturilor,
se consideră de asemenea, pe lângă precipitaţii elemente de intrare în
sistemul hidrologic.
1.2. Componentele sistemului hidrologicComponentele sistemului hidrografic reprezintă fazele
succesive ale procesului hidrologic de transformare a precipitaţiilor
totale în scurgeri în cadrul circuitului hidrologic ca sistem închis.
Componentele principale ale sistemului hidrologic sunt :
Formarea scurgerilor de suprafaţă pe versanţi;
Formarea scurgerilor subterane;
Scurgerea lichida şi solida în reţeaua hidrografică;
Componenta rezultată din activităţile umane.
Procesul ce se desfăşoară în natură este următorul: cantitatea
total precipitaţii care cade spre sol este interceptata iniţial de învelişul
vegetal al solului, iar o parte se deplasează spre zonele depresionale
ale solului unde apa stagnează. Restul de apă, care ajunge la nivelul
solului în funcţie de condiţiile locale pot urma două trasee, în primul
rând se infiltrează în sol în zonele nesaturate cu apă şi astfel măresc
rezerva de umiditate a solului şi în al doilea rând formează scurgerile
de pe sol. In zonele urbane unde suprafaţa solului este acoperită cu
învelişuri asfaltice, beton sau clădiri, apa din precipitaţii nu se poate
9
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
infiltra în sol , ea de regulă se scurge fie în reţeaua hidrografică, fie
în reţeaua de canalizare.
O parte din apa de infiltraţie pătrunde la mare adâncime
contribuind la acumularea subterană de apă şi la formarea scurgerilor
subterane, iar o parte datorita impermeabilităţii solului se scurge la
mică adâncime şi vor ieşi relativ repede la suprafaţa solului
constituind aşa numita scurgere hipodermică.
Din acumularea subterană o anumită cantitate de apă va
pătrunde la mare adâncime constituind aşa numita fugă subterană, de
unde prin drenanţă apa va ajunge din nou la suprafaţa solului în
anumite zone funcţie de relief şi structura geologică a solului. Apa
care rămâne la suprafaţa solului, fie că sunt scurgeri, fie că sunt
acumulări sau staţionări se va evapora şi va ajunge din nou în
atmosferă.
Apa disponibilă pentru scurgeri la suprafaţă şi în zona
hipodermică suferă în continuare un proces de integrare pe suprafaţă
bazinului şi constituie elementele reţelei hidrografice.
In cadrul acestor componente de suprafaţă se produce prin
scurgeri o acumulare a apei în albiile minore şi majore ale râurilor,
concomitent cu o propagare a debitelor prin albie, care are ca efect
translatarea în timp a debitelor dar şi modificarea configuraţiei
bazinului hidrografic.
In figura 1.3. sunt prezentată în mod schematic principalele
componente ale sistemului hidrologic.
10
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Procesul de propagare are loc în toate ramurile reţelei
hidrografice începând de la componentele cele mei mici: şiroaie,
făgaşe, ravene şi până la albia râului principal. Totodată trebuie să
menţionăm faptul că şi integrarea se face concomitent cu propagarea
în mod succesiv de la cele mai mici ramuri ale reţelei hidrografice
până la afluenţii cei mai mari ai râului principal.
In concluzie putem afirma că datorita faptului că aceste procese
se produc simultan, integrarea scurgerilor cât şi propagarea
scurgerilor sunt părţi ale unui proces fizic unitar şi are un caracter
continuu. Totuşi având în vedere complexitatea proceselor şi
fenomenelor ce au loc într-un bazin hidrografic, pentru a uşura
cercetarea şi modelarea proceselor de regulă se recurge la
segmentarea bazinului hidrografic în doua mari componente şi
anume:
Componenta scurgerilor pe versanţi;
Componenta de propagare în albiile râurilor.
Trebuie să precizăm marea importanţă a componentei activităţii
umane, care poate acţiona asupra celorlalte componente în mod
simultan prin modificarea formei şi structurii versanţilor, schimbând
astfel condiţiile de curgere a apei sau prin construcţii hidrotehnice
care modifica condiţiile de curgere a apei în reţeaua hidrografică.
Aceste modificări sunt de natură să modifice atât cantităţile de ape
scurse, cât şi distribuţia acestora în spaţiu şi în timp.
O problemă de loc de neglijat este aceea a faptului că apa în
mişcarea ei antrenează şi transporta cantităţi mari de materiale exista
în bazinul hidrografic. In funcţie de gradul de încărcare a acestor ape
cu substanţe dizolvate, în suspensie sau plutitoare îi conferă acesteia
anumite calităţi, dar şi oportunităţi pentru utilizare. Cu cât apa este
12
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
mai încărcată cu aceste componente cu atât costurile de potabilizare a
apei sunt mai ridicate dar sunt si mai restrânse domeniile de utilizare
a apei.
Referitor la calitatea apei din reţelele hidrografice în
accepţiunea generală atât aluviunile care reprezintă materia
nedizolvată, cât şi substanţele chimice dizolvate sau în suspensie în
apă precum si microorganismele , respectiv algele microscopice,
plantonul etc, sunt elemente care caracterizează calitatea apelor, de şi
provenienţa acestora este diferită.
Pe lângă substanţele menţionate mai sus si care au ca sursă
mediul natural în apele bazinelor hidrografice sunt prezente o serie
de substanţe chimice rezultate din activităţile umane, cum sunt
îngrăşămintele chimice, insecticidele, fungicidele provenite de pe
versanţii pe care au fost împrăştiate, din apelor industriale uzate
evacuate în emisari, produse evacuate din fermele zootehnice,
precum şi din apele uzate orăşeneşti mai mult sau mai puţin epurate.
In general cantitatea de aluviuni ce ajung în bazinele
hidrografice depind de condiţiile meteorologice din zonele respective,
de structura solului şi formele de relief, dar sunt mult influenţate de
activităţile umane desfăşurate pe versanţi sau în albiile râurilor, fie
ca sunt defrişări, taluzări, escavaţii sau împăduriri, în sensul că pot
accelera sau diminua unele fenomene.
Având în vedere faptul că aceste substanţe ce se pot întâlni în
ape au provenienţe diferite chiar dacă sunt transportate de aceleaşi
ape, dar si pentru că altele sunt cauzele care le produc dar şi
mecanismul de pătrundere în ape şi de mişcare este total diferit, este
necesară o separare a acestora în două mari subsisteme:
13
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Subsistemul scurgerii aluvionare, care tratează scurgerile
aluvionare;
Subsistemul calităţii apei, care se ocupa de regimul
substanţelor chimice organice şi anorganice, precum si a
existenţei faunei si florei acvatice.
Privit prin această prismă putem concluziona într-un mod mai
larg că un subsistem hidrologic poate fi divizat practic în trei
subsisteme :
Subsistemul curgerii apelor;
Subsistemul curgerii aluviunilor;
Subsistemul calităţii apei.
Componentele ultimelor două subsisteme sunt de acelaşi tip cu
cele ale scurgerilor cantitative a apei şi anume : formarea pe versanţi
a scurgerilor, integrarea şi transportul apei în albiile reţelei
hidrografice, dar se ţine seama şi de influenţa activităţilor umane.
Barajele artificiale realizate pe albia multor râuri sunt elemente
de mare influenţa asupra curgerilor apelor. In primul rând pot
constituie zone de acumulare de apa pentru asigurarea necesarului de
apă potabilă, sunt mijloace de oprire a viiturilor, de reglare a
debitelor, precum şi zone de depunere a aluviunilor. Nu trebuie să
omitem şi faptul că apa este şi o importantă sursă de energie
regenerabilă şi ecologică. Defrişările masive care s-au realizat In
ultimii ani au efecte dezastruoase asupra sistemului de scurgeri cu
precădere asupra scurgerilor pe versanţi, având în vedere că vegetaţia
este un element important în asigurarea stabilităţii solului şi reducerea
volumului aluviunilor.
In figura 1.4. este reprezentată schema generală a sistemului
hidrologic, cu precizarea că în cadrul scurgerilor pe versanţi s-au luat
14
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
în considerare ambele componente de formare a scurgerilor, cele de
suprafaţă şi respectiv subterane.
Fig.1.4. Schema generală a sistemului hidrologic
Fiecare din sistemele considerate au ca ieşiri finale debitele de
apă scurse pe râuri, debite de aluviuni şi concentraţii de substanţe
chimice dizolvate sau în suspensie în ape.
Din fiecare din componentele sistemelor rezultă ieşirile, care de
altfel constituie intrări în sistemul următor. Dacă acceptăm o astfel de
succesiune, de altfel reală într-un bazin hidrografic, acest lucru
15
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
implică luarea în considerare a componentelor ca subsisteme ale
fiecărui din cele trei sisteme principale.
O altă ieşire din sistemul hidrologic este evapotranspiraţia, care
depinde atât de stările acestuia, cât şi de elementele meteorologice de
intrare privind diferenţa dintre radiaţia incidentă şi cea reflectată.
1.3. Modelarea sistemului hidrologicModelarea matematică a proceselor care au loc în sistemul
hidrologic constituie una din cele mai noi tehnici de studiu ale legilor
care guvernează formarea şi propagarea scurgerilor apei, a aluviunilor
şi dispunerea şi propagarea poluanţilor în ape.
Modelul matematic hidrologic reprezintă un sistem de ipoteze,
ecuaţii matematice şi proceduri prin care se încearcă să se simuleze în
mod cantitativ procesele hidrologice care au loc într-un bazin
hidrografic. In funcţie de variantele de abordare în identificarea
funcţională a unui bazin hidrografic. Modelele pot fi liniare sau
neliniare, după natura relaţiilor matematice care leagă variabilele ce
exprimă proprietăţile fizice ale componentelor.
Pentru a putea realiza un model matematic cât mai aproape de
realitate, respectiv să urmărească fenomenele din natură şi astfel să
permită previziuni cât mai reale trebuie să se înceapă cu faza de
elaborare a structurii şi să se stabilească relaţiile care exprimă
cantitativ si calitativ procesele hidrologice care au loc în sistemul
hidrologic. Pentru acesta se poate recurge la abordarea problemelor
pe trei cai şi anume:
Utilizarea modelul tip „black box”, care este cea mai simpla
abordare şi care consideră sistemul ca o cutie neagră sau
închisă, în care modul de operare asupra intrărilor în sistem
16
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
este necunoscut şi se caută relaţiile care determină ieşirile din
sistem bazate numai pe funcţia cunoscută a intrărilor. Acest
mod de abordare consideră marginile sistemului, respectiv
părţile laterale ale intrărilor şi ieşirilor impermeabile pe
direcţiile orizontale;
Utilizarea modelelor analitice, în care caz se porneşte de la
legile fizicii şi ale statisticii matematice, pe care le
considerăm ca si proprietăţi ale componentelor 1,2,3, ..., n; ale
sistemului. Sistemul se consideră omogen şi izotrop.
Cunoaşterea si aplicarea legilor fizicii asupra intrărilor în
sistem în condiţii caracteristice date ale sistemului poate
conduce la determinarea ieşirilor;
Utilizarea modelelor conceptuale, pornesc de la ideea că
fiecărei componente variabile ale sistemului hidrologic,
variabile date de legile fizicii, să i se asocieze o relaţie
matematică conceptuală, chiar dacă este mai puţin exactă, dar
este mai funcţională şi care exprimă în mod cantitativ legile
fizicii.
Determinarea parametrilor care intră în structura relaţiilor
matematice de orice tip se face prin măsurători directe, fie prin
procedee de optimizare matematică, astfel ca prin aplicarea modelului
rezultatele obţinute să fie cât mai apropiate de elementele hidrologice
de ieşire măsurate în natură. Determinarea parametrilor se mai
numeşte identificarea numerică a modelului sau calibrarea.
După definitivarea modelului, el devine un instrument de lucru
capabil să reproducă sistemul real. Cerinţele cele mai importante pe
care trebuie să le îndeplinească un astfel de model matematic sunt:
17
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Să fie fundamentat fizic şi să reproducă cu mare acurateţe
caracteristicile fenomenului sau a sistemului;
Să conţină parametri fizici uşor de determinat prin măsurători,
sau de determinat prin sinteza datelor din bazinele
hidrografice;
Să aibă un mare grad de flexibilitate pentru a fi uşor
adaptabile la modificările impuse de activităţile umane sau
situaţii naturale speciale;
Să utilizeze cât mai puţine date pentru determinarea
parametrilor relaţiilor matematice care descriu procesele
hidrologice.
In studiul bazinelor hidrografice s-au impus cu precădere două
tipuri de modele matematice anume modelele de simulare şi
modelele de evaluare a influenţei activităţilor umane asupra
bazinelor hidrografice. In domeniul prognozei hidrologice se remarcă
modelele cu reactualizare în timp real, având în vedere că avem în
general o instabilitate a factorilor meteorologici care influenţează
desfăşurarea ulterioară a fenomenelor.
In cazul modelelor de simulare, acestea caută să reproducă pe
baza cunoaşterii intrărilor în sistemul hidrologic – variaţia în timp şi
spaţiu a ieşirilor, respectiv: debite de apă, debite de aluviuni,
distribuţia poluanţilor în albia râurilor, evoluţia viiturilor şi a gradului
de poluare, variaţia concentraţiilor poluanţilor etc.
Modelele de evaluare a influenţelor activităţilor umane asupra
regimului hidrologic natural trebuie să aibă în vedere modul cum
activităţile desfăşurate de om, cum sunt despăduririle, realizarea de
baraje, sisteme de irigaţii, alimentări cu apă, regularizări de cursuri de
apă influenţează fenomenele de formare a scurgerilor de ape,
18
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
influenţează eroziunea versanţilor, modul cum se colmatează
lacurile etc, cu un cuvânt trebuie sa estimeze efectele negative asupra
bazinului hidrografic şi asupra capacităţii bazinului hidrografic de a
asigura satisfacerea folosinţelor de apă din zonă.
Evaluarea influenţei activităţilor umane asupra regimului
hidrologic natural este necesară în două situaţii distincte şi anume:
In faza de proiectare a unei lucrări hidrotehnice,
pentru a se putea estima influenţa lucrărilor asupra regimului
hidrologic după finalizarea lucrărilor;
După finalizarea lucrărilor hidrotehnice pentru a găsii
soluţia optimă de exploatare.
In ceea ce priveşte modelele matematice cu reactualizare în
timp real, ele diferă de celelalte modele pentru că de fapt sunt modele
de prognoză hidrologică şi trebuie sa aibă relaţii proprii de
reactualizare şi de fapt ele trebuie să asigure un răspuns rapid pentru
a se putea realiza o prognoză.
1.4. Modelarea topologicăRealizarea unui model matematic performant este un proces
dificil pentru ca fiecare zonă, fiecare bazin hidrografic are anumite
particularităţi proprii legate de:
Neomogenitatea distribuţiei în spaţiu şi timp a elementelor
de intrare în bazinul hidrografic (precipitaţii, factori
meteorologici etc.) ;
Neomogenitatea caracteristicilor fizico-geografice ale
bazinului hidrografic ( relief, structura solului, vegetaţia etc.)
Neregularitatea geometrică a reţelei hidrografice;
Neomogenitatea influenţei activităţilor umane.
19
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Un exemplu de neomogenitate sunt precipitaţiile, atât ca volum,
cât şi ca debit, care diferă de la un punct la altul al bazinului
hidrografic şi ca urmare trebuie sa stabilim o medie a distribuţiilor,
fapt ce are consecinţe negative asupra rezultatului aplicării modelului.
Pornind de la această problemă se impune împărţirea bazinului
hidrologic în subunităţi mult mai mici, pe care le analizam ca
subunităţi omogene. Această procedură de împărţire sau segmentare a
bazinului hidrografic pe criterii de omogenitate se numeşte modelare
topologică. Modelarea sau împărţirea unui bazin hidrografic în
subbazine se face pe baza variaţiilor elementelor de baza a unui
bazin, cum sunt tipul de scurgeri, gradul de mobilitate a albiei râului,
omogenitatea caracteristicilor hidraulice şi morfometrice etc. In
general un subbazin nu trebuie să depăşească o suprafaţă de 400 km2.
Pentru realizarea unei discreditări topologice a unui bazin hidrografic,
trebuie avute în vedere şi alte elemente, cum ar fi : volumul datelor
de care dispunem, scopul modelării, nivelul de precizie cerut,
dimensiunea amenajării hidrografice etc.
Pornind de la aceste cerinţe în practica s-au dezvoltat două
direcţii în care s-a dezvoltat modelarea şi anume:
Ca sistem cu parametri distribuiţi;
Ca sistem cu parametri concentraţi.
Această delimitare depinde de suprafaţa bazinului şi a
subbazinului. Dacă avem un bazin hidrografic în care o suprafaţă
poate fi considerata omogenă doar la o suprafaţă extrem de mică sub
1 km2, atunci avem un sistem cu parametri distribuiţi, iar daca
suprafaţa care este omogena este peste 10 km2 putem vorbi de un
sistem cu parametri concentraţi. De fapt orice sistem hidrologic se
poate modela în ambele cazuri, dar dacă se doreşte o mai mare
20
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
precizie trebuie ales sistemul cu parametri distribuiţi. In figura 1.5.
este reprezentat acest mod de discreditare a unui bazin hidrografic.
Fig.1.5. Sistemul cu parametri distribuiţi (a) şi cu parametri
concentraţi (b).
Atunci când este nevoie de o modelare în vederea unei
proiectări optimale, reţeaua hidrografică poate fi reprezentata sub
forma unor reţele cu noduri şi ochiuri, având pasul dintre noduri de
circa 1 – 2 km. In figura 1.6. este prezentată prin noduri şi ochiuri o
schemă topologică.
Fig.1.6. Schema topologică unifilară cu parametri concentraţi a
unei reţea hidrografică
In reţeaua tipografică cu noduri şi ochiuri, care este de fapt reţea
simplificată nu apare zona luncii inundabile. De aceea a apărut un
nou sistem de reprezentare a bazinului topologic care ţine seama de
lunca inundabilă şi unde apar celule ale reţelei topografice. In figura
21
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
1.7. este reprezentata o astfel de schemă topografică cu zonă
inundabilă şi unde pot să apară diguri, lacuri etc.
Fig.1.7. Schemă topologică cu parametri concentraţi a
unui râu luncă inundabilă.
In cazul deosebite, pentru proiectare se poate realiza reţeaua
hidrografica în sistem cu parametri distribuiţi şi sub forma unei
reţele cu noduri şi ochiuri, având pasul între noduri de circa 1 – 2 km.
Fig.1.8. Schema topologică a unei reţele hidrografice sub forma
unei reţele de noduri şi ochiuri cu parametri distribuiţi
22
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Modelele matematice ale scurgerii apei cu parametri
distribuiţi, solicită ecuaţii exacte ale fizicii şi matematicii, impune o
muncă laborioasă şi în consecinţa se utilizează numai în cazuri
deosebite, când se cere o estimare foarte precisă a rezultatelor.
Astăzi cel mai frecvent se utilizează modelele conceptuale,
precum şi cele de tip „blak-box”. Fiecare din componentele de
formare a scurgerii şi de propagare în albie se tratează ca un sistem de
intrare.
Modelarea matematică a scurgeri aluviunilor utilizează în
general combinaţii de modele tip analitic şi conceptual, dar fiindcă
acest proces este influenţat de prezenţa vegetaţiei, de densitatea
vegetaţiei, de structura solului, de intensitatea ploii, deci de factori
greu de estimat şi variabili este foarte rar aplicată. De aceea se preferă
în acest caz modelul analitic al scurgerii aluvionare în albii, care se
bazează pe ecuaţiile de mişcare şi continuitatea scurgerii apei cu
aluviuni.
Modelele matematice ale calităţii apei sunt în general modele
analitice în care se utilizează, pe lângă legile hidrodinamice ale
curgerii apei, legile de difuzie a poluanţilor care conduc în final la
stabilirea distribuţiei spaţio-temporale şi propagarea acestora în albia
unui curs de apă.
23
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
CAPITOLUL 2MISCAREA APEI SI A POLUANTILOR
IN SOL
2.1.Aspecte generalePloile constituie elementul meteorologic principal de intrare
într-un bazin hidrologic considerat ca sistem. In funcţie de cantitatea
de precipitaţii căzută pe sol va varia şi intrarea de apă în sistemul
hidrografic. Ploaia are şi variaţii spaţiale şi are efecte importante
asupra modului de formare a scurgerilor si de transport a aluviunilor
şi a poluanţilor. La modelarea topologică determinarea ploii medii pe
subbazine este foarte importantă şi simplifica foarte mult calculele,
dar utilizarea valorii medii a ploilor poate genera abateri importante
mai ales în domeniul modelării formării scurgerilor pe versanţi.
Zăpada reprezintă una din cele mai importante componente ale
ciclului hidrologic. Ea constituie o sursă majoră pentru apa din sol şi
pentru scurgerile râurilor în perioada de primăvară. Din analizele
repartiţiei scurgerilor pe anotimpuri şi sezoane în diferitele bazine
hidrografice mai ales din zona montană s-a constatat că apele de
primăvara reprezintă circa 50 -60 % din stocul anual de apă.
Stratul de zăpada de pe un bazin hidrografic este foarte
neuniform atât ca suprafaţa de răspândire, dar şi din punct de vedere
24
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
al grosimii si densităţii. Se ştie că stratul de zăpada se tasează în timp
sub propria greutate când are loc şi o transformare a cristalelor de
zăpadă, procesul se numeşte metamorfismul stratului de zăpada.
Acest proces modifică proprietăţile mecanice ale zăpezii.
Pe măsură ce se topeşte zăpada, la început doar la suprafaţă,
stratul inferior de zăpadă reţine apa, în mod similar cum reţine apa si
solul. Cantitatea maxima ce poate fi reţinută de zăpadă este de circa
10 % din greutate.
Există o serie de studii privitoare la modul de cedare a apei de
către stratul de zăpadă pentru că influenţează formarea scurgerilor.
2.2. Pătrunderea apei în solApa căzuta pe sol, fie că este în stare lichidă, respectiv ploaie,
sau sub formă de zăpadă, care se topeşte, pătrunde in sol unde are loc
un proces complex de deplasare a acesteia. Mişcarea apei în sol
depinde de cantitatea de apă căzută în unitate de timp şi pe unitate de
suprafaţă, dar şi de structura solului. Solul reprezintă din punct de
vedere fizic un corp poros. El poate fi considerat ca fiind un schelet
solid cu goluri sau pori, goluri care pot fi umplute parţial sau total cu
aer, apă sau vapori. In momentul în care toţi porii din sol sunt
umpluţi cu apă atunci se spune ca avem o stare de saturaţie, iar zona
în care găseşte solul în această stare se numeşte zonă de saturaţie. Zona din sol în care golurile sunt umplute doar parţial cu apă se
numeşte zonă de aeraţie sau nesaturată.
Pe de altă parte solul este foarte diferit şi sunt situaţii în care
structura solida a solului suferă deformaţii care implica modificarea
geometriei golurilor şi în consecinţă se poate ajunge la schimbarea
25
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
distribuţiei umidităţii în aceste spaţii. In concluzie solul se
caracterizează atât prin distribuţia umidităţii în porii săi cât şi prin
geometria acestora privită însă nu întotdeauna ca o structură fixă, ci
ca o structură dinamică, funcţie de condiţiile externe şi interne.
Fenomenul de pătrundere a apei in sol se numeşte infiltraţie.
Pătrunderea apei în sol se face sub acţiunea gravitaţiei şi a greutăţii
coloanei de apă, precum şi sub acţiunea forţelor capilare. Solul are
proprietatea de a reţine apa datorită capilarităţii şi a faptului ca
tensiunea superficiala la nivelul suprafeţei de contact apa – sol - aer
permite umectarea solului de către apă.
Apa se poate mişca în sol ori de câte ori exista o diferenţa de
potenţial între forţele capilare aplicate în două puncte. Această
diferenţă de potenţial se datorează variaţie gradului de saturaţie a
solului în apă, a dimensiunii porilor, care se comportă ca nişte vase
capilare, dar şi variaţiilor spaţiilor intergranulare din sol.
Diferenţele de potenţial, respectiv forţele capilare pot să aibă
acelaşi sens cu a potenţialului gravitaţional z caz în care se însumează
sau pot fi de sens contrar şi în acest caz direcţia de deplasare a apei
depinde de forţa care este mai mare. Deci mişcarea apei poate fi
amplificată sau încetinită, sau poate fi chiar ascendentă funcţie de
rezultanta forţelor.
In concluzie diferenţa de potenţial capilar se poate adiţiona
potenţialului gravitaţional z sau se poate opune acesteia, accelerând
sau încetinind mişcarea apei, sau chiar apa poate să se deplaseze
ascensional.
Fenomenul de urcare a apei se numeşte ascensiune capilară şi
are ca efect procesul de mişcare a apei de la adâncime spre suprafaţa
solului. Acest fenomen fiind opus infiltraţie se mai numeşte şi
26
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
exfiltraţie. Apa în sol se poate deplasa nu numai pe verticală, dar si pe
orizontală, în care caz procesul se numeşte sucţiune sau sorbţie.
Procesele de exfiltraţie poate fi influenţat şi de forţele osmotice
O, forţe ce se datorează interacţiunii diferenţei de potenţial chimic
între diferitele zone apropiate.
Fenomenul de infiltraţie este influenţat şi de vâscozitatea apei
si de diferenţa de densitate a apei in diferite zone ale solului. In figura
2.1. Este prezentat în mod schematic procesul de infiltraţie, respectiv
de exfiltraţie.
Fig.2.1. Schemele proceselor de infiltraţie şi exfiltraţie
a) –mişcare amplificată; b) mişcare încetinită; c) mişcare în sens
invers; d) mişcarea este influenţată si de forţelor osmotice.
Cantitatea de apă care se infiltrează în zona aerată de sol în
unitate de timp se numeşte intensitate de infiltraţie fi sau rată de
infiltraţie. Rata de infiltraţie pentru un sol dat depinde de fluxul de
27
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
apa la suprafaţa solului, de cantitatea apei din sol, precum şi de
distribuţia spaţială a acesteia.
Dacă fluxul de apă la suprafaţa solului este mai mare decât rata
de infiltraţie corespunzătoare tipului de sol considerat şi condiţiilor
de cantitate şi distribuţia a umidităţii, atunci rata de infiltraţie devine
maxim posibilă şi se numeşte capacitate de infiltraţie fimax .
Capacitatea de infiltraţie a unui sol scade o dată cu creşterea
cantităţii de apa din solul respectiv şi este mai mare pentru un sol
nisipos decât pentru un sol argilos, care este puţin permeabil pentru
apă. Dacă afluxul de apa la suprafaţa solului este mai mic decât
capacitatea lui de infiltraţie, atunci întreaga cantitate de apă se va
infiltra în sol, iar dacă avem ploi succesive şi deci solul are o anumita
umiditate, atunci capacitatea de infiltrare pentru anumită ploaie va fi
inferioare capacităţii maxime de infiltraţie. După fiecare ploaie apa
din straturile de la suprafaţa solului penetrează în straturile inferioare,
chiar dacă nu avem aflux de apă la suprafaţă, ducând astfel la
creşterea capacităţii de infiltraţie a stratului de la suprafaţă. Procesul
de pătrundere a apei din straturile superioare în straturile inferioare
ale solului se numeşte percolaţie.
Apa din sol poate fi extrasa prin exfiltraţie, datorita capilarităţii
si prin procesul de evapotranspiraţie a plantelor a căror rădăcini sunt
în sol. Studiile au arătat că grosime stratului de sol activă din punct
de vedere al infiltraţiilor şi exfiltraţiilor este de circa 300 – 400 mm,
dar poate varia în funcţie de textura solului şi adâncimea rădăcinilor
plantelor chiar şi până la 2000 mm.
Cercetătorul R.O. Slattyer, care a studiat mult procesele de
infiltraţie a apei în sol, consideră că sunt 5 zone distincte de sol după
cum urmează:
28
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Zona saturată aflată la suprafaţa solului în grosime de circa
1,5 cm ;
Zona de tranziţie aflată sun zona saturata, având o grosime
medie de 3 – 4 cm şi unde avem o descreştere rapidă a
umidităţii;
Zona de transmisie în care variaţia umidităţii este foarte
mică. Gradul de saturaţie în apa a porilor este de circa 80%;
Zona umedă în care conţinutul de apă are o variaţie
rapidă;
Zona frontului umed în care conţinutul de apa are un
gradient redus pe adâncime.
Această structură a solului, precum şi variaţia umidităţii poate
fi reprezentata grafic. In figura 2.2. este o astfel de reprezentare.
Fig.2.2.Reprezentarea schematică a zonelor de infiltraţie
2.3. Apa subteranăFormarea apei subterane este condiţionata de existenţa unei
anumite texturi a solului în zona de infiltraţie, şi anume de existenţa
unui pat de rocă impermeabilă sau de argila. Stratul de roca de
29
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
deasupra stratului impermeabil se va umple gradual cu apa, formând
aşa numitul strat acvifer.
Pentru a se forma o pânză de apa subterană sau cum se numeşte
zonă acviferă este nevoie de îndeplinirea unor condiţii specifice şi
anume:
Există o situaţie de saturaţie a solului în apă;
Gradient gravitaţional mare;
Potenţialul forţelor capilare este mic;
Permeabilitate mare a solului deasupra zonei
impermeabile;
In acest caz al formării zonelor acvifere permeabilitatea solului
se defineşte ca şi coeficient de conductivitate hidraulică care
reprezintă viteza de curgere a apei spre zona acvifera la un gradient
gravitaţional unitar. In funcţie de dispunerea spaţială a texturii solului
şi a zonelor impermeabile apa subterană poate fi cantonată în zone
acvifere deschise sau în zone acvifere închise numite şi de adâncime.
In figura 2.3. este reprezentata configuraţia posibila a apelor din
zonele acvifere în funcţie de structura solului.
Fig. 2.3. Configuraţia zonala a apelor subterane.
30
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Limita superioară a unui acvifer deschis se numeşte nivelul
pânzei freatice. Dacă avem un acvifer suspendat, respectiv zona
impermeabilă este numai sub zona acviferă, vom avea o activitate
capilara pronunţată, astfel ca o cantitate însemnata de apă se va ridica
spre straturile superioare. Dacă zona acviferă este mărginită si la
partea superioară de un strat impermeabil, avem de-a face cu o pânză
freatică suspendată.
La contactul cu versantul, apa freatică dă naştere unui izvor de
versant sau de terasă. Dacă zona acviferă este închisă şi este
alimentată de pe versanţi la o cotă ridicată Z , apa din pânza freatică
se va găsi sub presiune corespunzătoare diferenţei de nivel. Apa se va
ridica printr-un puţ săpat la nivelul pânzei freatice până la aşa
numitul nivel piezometric, care corespunde nivelului Z. Dacă
versanţii sunt plasaţi de–a lungul unui râu, albia receptoare a râului
influenţează prin nivelul apei din râu nivelul pânzelor freatice de pe
versanţi prin modificarea diferenţei de nivel, respectiv a cotei Z
(figura 2.3.). De asemenea apa subterană poate să se deplaseze
aproape de suprafaţa solului de-a lungul unor straturi anizotrope, care
despart straturi cu permeabilităţi diferite. In acest caz apa poate curge
chiar şi pe direcţii orizontale şi când curgerea se numeşte scurgere
hipodermică sau curgere sub-superficială.
Aşa cum am mai precizat modul de curgere a apei este clasificat
în trei categorii: curgere superficială, curgere hipodermică şi curgere
subterană, dar nu se poate afirma că sunt strict delimitate. Ele sunt
mai mult sau mai puţin distincte funcţie de configuraţia reliefului şi
structura solului.
31
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
CAPITOLUL 3TRANSPORTUL SI DISTRIBUTIA
AGENTILOR POLUANTI IN APE
3.1. Aspecte generale privind poluarea apelorIn acest capitol se va studia evoluţia agenţilor poluanţi
deversaţi în mediile acvatice, începând de la momentul deversării şi
continuând cu procesul de diluţie si amestecare, sub influenţa
parametrilor fizici.
Din punctul de vedere al influenţei diverşilor parametri asupra
proceselor de poluare şi transport al poluanţilor se poate afirma ca
exista o mare varietate de parametri si caracteristici care influenţează
procesele de amestecare, diluţie, transport şi autoepurare şi ca urmare
vom analiza mediile fluide receptoare în primul rând din punct de
vedere dinamic. Astfel vom avea trei tipuri de medii acvatice şi
anume:
Cursuri de apă si lacuri;
Mări şi oceane;
Ape subterane.
Intru-cât fiecare mediu are trăsături specifice se vor trata
separat. De exemplu la râuri se tine seama de viteza de curgere, în
cazul mărilor şi oceanelor se ţine seama de curenţii marini, de vânt şi
factori termoclimatici, iar în cazul pânzelor de apa subterane de
caracteristicile mediului poros din zona pânzei freatice şi de dinamica
32
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
ei. Evoluţia fizică a procesului de poluare a apelor are însă un
element comun, este vorba de un transfer de substanţe poluante, de
interacţiuni mecanice de tip difuziv- convectiv şi de dispersie.
Modelul fizic de tip general al evoluţiei pătrunderii unui fluid
poluant în emisar sau receptor este rezultatul acţiunii forţelor
dinamice ce acţionează asupra volumului de apa uzate evacuate în
emisar începând cu punctul de deversare şi până la diluţia şi
amestecarea completă.
Referindu-ne cu precădere la apele de suprafaţă, din categoria
apelor curgătoare, putem distinge trei zone mai mult sau mai puţin
delimitate şi anume:
Zona de descărcare a agentului poluator;
Zona de tranziţie ;
Zona de dispersie.
In prima zona, lichidul poluant este descărcat în emisar, sau
mediul receptor, descărcarea se produce de regulă sub forma unui jet,
adică a unei mase de fluid căreia îi este asociată continuu sau
intermitent o cantitate de mişcare proprie, dar şi o forţa de împingere
arhimedică, ca urmare a unei diferenţe de densitate a lichidelor care
se amestecă. Această forţă arhimedică, numită şi portanţă este
influenţată de forţele de inerţie datorate vitezei jetului de fluid şi a
vitezei fluidului receptor. Caracterizarea importantei forţelor de
portanţă în raport cu forţele de inerţie, care de fapt definesc modul în
care se produce amestecarea celor două fluide şi se face
omogenizarea lor este dată de numărului adimensional Froude, care
are următoarea expresie:
33
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
unde avem următoarele notaţii:
U este viteza fluidului;
g este acceleraţia gravitaţionala;
d este o dimensiune caracteristica formei intrării fluidului în
emisar;
este diferenţa relativă de densitate dintre fluidul poluant şi
fluidul receptor;
In raport cu rezultatul obţinut în urma calculelor putem avea trei
situaţii distincte:
Daca Fr la deversare = , forţele de portanţă sunt iniţial +nule şi
vor rămâne nule în absenţa unui gradient termic extern, deci
avem un regim dinamic şi apa pătrunde într-un emisar sub
formă de jet compact;
Dacă Fr la deversare = 0, forţele de inerţie sunt nule, regimul este
pur portant şi modul de pătrundere a jetului în emisar este sub
formă de „pană”;
Dacă 0 < Fr la deversare < , avem de a face cu un regim
intermediar în care atât forţele de inerţie cât şi forţele de
portanţă au acelaşi ordine de mărime.
După pătrunderea jetului în emisar putem considera că avem 3
zone distincte, dar nu foarte precis delimitate, astfel avem:
Zona de jet, care începe o data cu pătrunderea apei în emisar
şi continuă atât timp cât sursa de energie preponderentă este
cea proprie jetului de fluid. Funcţie de condiţii avem o mai
mare sau mică turbulenţă;
Zona de tranziţie – începe atunci când energia jetului de
fluid s-a diminuat prin interacţiune cu fluidul din emisar şi se
34
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
termina în momentul în care viteza proprie a jetului de fluid
este egala cu cea a fluidului din emisar;
Zona de dispersie – este zona în care fluidul pătruns în
emisar şi-a pierdut toata energia proprie şi evoluează numai
sub acţiunea dinamicii mediului exterior.
In practică este destul de dificil de delimitat frontiere între zone,
dar printr-un sistem de modelare se poate totuşi face delimitările. Din
punct de vedere teoretic trebuie să se ţină seama de rezolvarea unor
ecuaţii de transfer a unei proprietăţi ce poate fi concentraţie masică,
temperatură, precum şi rezolvarea unor probleme legate de transferul
de cantitate de mişcare, de masă şi energie.
Problema principală şi care de altfel ne interesează este legată
de dimensiunea impurificarii unor râuri şi lacuri prin evacuarea unor
ape impurificate şi de estimarea concentraţiilor în substanţe poluante
în emisar indiferent dacă este râu, lac sau mare, pe baza cunoaşterii
modului de evoluţie în timp a emisarului sub acţiunea unor factori
fizici, chimici şi biologici.
Din punct de vedere constructiv modul de deversare a unui
fluent într-un emisar poate fi foarte diferit de la deversare la suprafaţa
emisarului, la adâncime, de la jet concentrat la jet dispersat, etc. In
figura 3.1. este reprezentată deversarea a unui fluent poluant într-un
lac mare la suprafaţa emisarului într-un singur jet, iar în figura 3.2.
evacuare se face în jet concentrat la adâncime.
35
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Fig.3.1. Schematizarea evoluţiei unui jet de fluid deversat într-un
lac.
Fig.3.2. Evacuarea prin jet sub nivelul superior al apei
Modul cum se realizează forma geometria a jetului de fluid în
emisar depinde si de următorii factori:
36
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Dimensiunea şi adâncimea jetului de fluid în raport cu
emisarul;
Orientarea şi viteza jetului în raport cu direcţia şi viteza de
curgere a emisarului;
Diferenţa de densitate dintre fluide;
Configuraţia emisarului si prezenta unor obstacole pe râu;
Schimbul de căldura între fluid şi mediul exterior
Un element demn de reţinut este faptul ca sensul de acţiune a
vântului în raport cu sensul de curgere a râului are o mare importanţă
pentru modul în care evoluează jetul de fluid deversat în emisar. In
figura 3.3. este prezentata schematic influenţa vântului.
Fig.3.3. Influenţa vântului asupra jetului de adâncime
Influenţa parametrilor termici, respectiv schimbul de căldură la
interfaţa apă - atmosfera şi realizarea unei stratificări termice în apa
37
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
aflată în repaus este destul de semnificativă mai ales în cazul unei ape
staţionare. Efectele stratificării termice este realizarea unor densităţi
diferite a straturilor de apă. Apele reci poluate şi deversate la
adâncime vor rămâne în submersie timp mai îndelungat şi dispersia şi
omogenizarea sunt mult mai lente, iar daca apele uzate sunt mult mai
calde şi sunt deversate la suprafaţa şi în acest caz dispersia şi diluţia
este mai lentă. Importanţa acestor fenomene iese în evidenţa mai ales
în cazul apelor poluate cu substanţe organice când procesele
biologice de autoepurare implică prezenţa oxigenului şi realizarea
stratificării stagnează evoluţia favorabilă a acestui fenomen.
3.2. Caracterizarea poluanţilor şi pătrun-
derea lor în pânzele freatice.O mare parte din poluanţii care sunt pe sol sau care sunt
transportaţi de ape pot contamina pânzele freatice care sunt în cele
mai multe cazuri sursa de apa potabila a multor localităţi.
Pentru studiul procesului de poluare a acestor surse de apa
trebuie urmărite următoarele aspecte:
Tipul şi caracteristicile substanţelor poluante;
Modul de pătrundere a acestora în sol;
Transferul poluanţilor prin sol până la suprafaţa pânzei
freatice;
Evoluţia poluanţilor din punct de vedere chimic, biologic şi
fizic pe perioada transferului;
Evoluţia substanţelor poluante în pânzele freatice numite
acvifer sau zona saturată.
38
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Transferul de substanţe poluante prin zona nesaturată spre
pânza freatică este însoţită aproape în totdeauna de un proces de
autoepurare, care se continuă dar într-o măsură mai mica în acvifer.
Pe traseul parcurs spre pânza freatică rolul cel mai important îi revine
solului, iar poluantul o data ajuns în apă este în primul rând diluat,
procesul de autoepurare este foarte lent.
Studiul poluării apelor subterane se deosebeşte substanţial, atât
sub aspectul analizei din punct de vedere fizic al modelării
matematice a procesului de modelarea poluării apelor de suprafaţă.
Hidrologia contaminării pânzelor freatice cuprinde o serie de
aspecte foarte complexe legate de hidrodinamica curgerii apei, de
comportarea sărurilor dizolvate în ea, de procesele ce au loc la
trecerea apei printr-un mediu poros, de probleme de hidrochimie
acvatică, de hidrogeologie.
In principal poluarea pânzelor freatice se produce ca urmare a
dispunerea unor reziduuri solide sau lichide pe terenuri cu
permeabilitate şi care sunt plasate în apropierea sau deasupra zonelor
acvifere. In prezent cele mai importante căi de poluare a pânzelor
freatice sunt următoarele:
Infiltraţii verticale în cazul poluanţilor aflaţi în stare lichidă
prin intermediul apelor de ploaie, topirea zăpezii, ape de
irigaţii. Aceeaşi situaţie se referă şi la substanţele solide care
se dizolvă în apă;
Infiltraţii din apele de suprafaţă poluante sau din apa mării, în
situaţia în care nivelul piezometric al pânzei freatice subterane
este sub nivelul apei de suprafaţă;
39
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Infiltraţii din reţeaua de canalizare defectă, din iazuri de
decantare, bazinele de depozitare a produselor petroliere,
mine inundate etc.
In figura 3.4 este prezentat modul cum se produce poluarea unei
pânze freatice de către apa dintr-un iaz decantor.
Fig.3.4.Infiltratia unor substanţe poluante din iaz în pânza
freatica.
Procesele de transport al agenţilor poluanţi sub forma de săruri
dizolvate în apă se pot clasifica în două categorii:
Curgeri monofazice;
Curgeri multifazice.
In primul caz este vorba de procesele de transport în care toate
fluidele au densităţi şi fluidităţi egale şi sunt complet miscibile şi
solubile, iar al doilea caz se refera la fluide nemiscibile.
Din punct de vedere al mediului poros şi a mediului acvifer se
considera că acestea sunt omogene si izotrope sau se consideră medii
granulare şi fragmentate. Pornind de la aceste considerente putem
stabili ecuaţii pentru transportul în soluţie a poluanţilor şi se pot face
estimări privind evoluţia contaminării apelor freatice în domeniul
unidimensional, bidimensional sau tridimensional. In cazul mediilor
40
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
considerate poroase problemele sunt mai simplu de rezolvat pentru ca
se consideră omogene. In cazul mediilor granulare acestea
influenţează procesele de infiltraţie, ca urmare a faptului că avem
modificări sensibile ale caracteristicilor spaţiale ale stratului
considerat, iar stratul nu mai poate fi considerat omogen.
In cazul straturilor fracturate, avem de a face cu diverse straturi
cu permeabilităţi diferite şi de regulă fracturile sunt calea principala
de deplasare a apei subterane.
Fenomenul de propagare a poluanţilor în apa subterană este
însoţit de un proces complex şi intens de atenuare a gradului de
contaminare, datorita unui proces de autoepurare ca urmare a
influenţei fenomenelor de natură fizico – chimice, geochimice şi
biochimice ce au loc în mediile poroase. Dintre aceste procese
complexe amintim dispersia hidrodinamică, filtrarea mecanică,
ascensiunea gazelor, adsorţia şi precipitarea unor compuşi care devin
insolubili în apa, acţiunea microorganismelor etc.
3.3. Ecuaţiile de transfer al poluanţilor în
mediile acvaticeIntr-un mediu lichid stările de echilibru sunt caracterizate de o
distribuţie spaţială uniformă a fiecărei proprietăţi ale fluidului, astfel
că fiecare element din interiorul acestuia se află într-un echilibru cu
elementele înconjurătoare, de aceea atunci când în momentul iniţial
distribuţia proprietăţilor nu este uniformă se va produce un schimb de
proprietăţi între elementele învecinate în direcţia realizării
uniformizării proprietăţilor din interiorul fluidului.
41
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
O consecinţă a acestei proprietăţi este interacţiunea dintre doua
fluide cu proprietăţi diferite sau inegale care sunt amestecate, în
sensul ca se face un schimb de proprietăţi, respectiv un fluid cedează
din valoarea proprietăţii şi celălalt primeşte. Totalitatea acestor
schimburi constituie fenomene de transport. Literatura de specialitate
consideră ca sunt trei categorii de fenomene de transport:
Transfer de masă;
Transfer de energie;
Transfer de cantitate de mişcare.
Transferul de masă are loc printr-un proces de difuzie
moleculară când moleculele din fluidul a trec în fluidul b. Această
trecere se datorează agitaţiei moleculare şi are loc chiar daca lichidele
staţionează.
Transferul de energie se referă în primul rând la transferul de
căldură în sistem.
Transferul de cantitate de mişcare se referă la situaţia în care un
fluid sau ambele sunt în mişcare .
Pentru fiecare tip de transfer i se pot stabili ecuaţiile specifice şi
anume : ecuaţiile generale ale dinamicii fluidelor pentru transferul de
cantitate de mişcare, ecuaţia energiei prin aplicarea principiului
termodinamicii şi ecuaţia conservării masei în cazul transferului de
masă.
In cazul în care mişcarea fluidului este laminară, atunci avem de
a face cu curgerea în straturi paralele, traseul particulelor este uşor de
evidenţiat.
Pentru a scrie ecuaţia generală de transfer a unei proprietăţi
scalare, fie că este masă, energie sau cantitate de mişcare este necesar
să stabilim un sistem de coordonate, şi să considerăm o porţiune de
42
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
fluid de volum v limitat de o suprafaţă exterioara şi în acest volum
se ia în considerare un punct M. Această suprafaţă luată în
considerare este traversata în fiecare moment de un flux de particule
care poseda proprietatea scalară care se raportează la unitatea de
volum. Ecuaţia generală de conservare a masei şi energie raportată la
proprietatea ţine seama de variaţia acestei proprietăţi datorita
procesului de transfer:
In această ecuaţie termenul Nd reprezintă fluxul total al
convecţiei şi difuziei moleculare. N are următoarea expresie:
N=
In acesta expresie j este fluxul difuziv molecular, care este dat
de legea lui Fick:
J=Dn.grad
iar V este viteza elementului de suprafaţă d , iar D este coeficientul
de transport molecular pentru proprietatea . In figura 3.4. este
prezentat volumul elementar de fluid şi punctul M .
Fig.3.4. Volumul de fluid arbitrar ales pentru scrierea ecuaţiei de
conservare a masei şi energiei.
Făcând înlocuirile în ecuaţia generala de transfer a unei
proprietăţi se obţine următoarea expresie:
43
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Prin integrarea acestei ecuaţii rezultă ecuaţia generala de
transfer:
Pornind de la ecuaţia generala de mişcare, daca considerăm
fluidul omogen se poate obţine ecuaţia care descrie mişcarea
fluidului, daca proiectăm ecuaţia generala pe o axă. In acest caz
înlocuim , unde este proiecţia vitezei mediului pe axa Oxi .
Daca se fac înlocuirile menţionate se obţine o ecuaţie ce
descrie mişcarea fluidului:
In aceasta formula Fi este suma proiecţiilor pe axa Oxi a
forţelor care acţionează asupra porţiunii de fluid cuprinsă în volumul
v. Aceste forţe sunt de doua tipuri:
Forţe volumice, care provin din acţiunea unor forţe externe
de tipul forţei gravitaţionale, notate fi ;
Forţe de suprafaţă, care se exercită pe suprafaţa a
volumului de fluid considerat si sunt definite de tensorul
tensiunilor de suprafaţă.
Pentru a simplifica rezolvarea problemei atunci când sunt
diferenţe mici de densitate a unor fluide care se amestecă. Acest fapt
poate fi neglijat, dar se ţine seama de influenţa gravitaţiei când se
stabilesc forţele de greutate a lichidului considerat.
Daca însă mişcarea fluidelor este turbulentă, atunci problemele
se complică mult pentru că avem un câmp de viteze complet
dezordonat, în consecinţa avem o stare nepermanentă a fluidului şi
44
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
deci va trebui să calculăm valori medii ale vitezelor pentru un anumit
interval de timp t0 şi t0 + T, conform ecuaţiei:
Si parametri hidrodinamici cum sunt presiunea, vâscozitatea şi
tensiunea superficială, sunt şi ele funcţii aleatorii de timp. In cazul
general al mişcării turbulente cu transfer de masa sau de căldură,
temperaturile şi concentraţiile sunt şi ele funcţii aleatorii de timp.
3.4. Amestecul şi diluţia jeturilor poluante
Mişcarea jeturilor provenind din surse întreţinute de cantitatea
de mişcare face parte din categoria mişcărilor turbulente lente, în
sensul că exista o scurgere de jet de fluid într-un alt fluid aflat într-o
stare de neturbulenţă. In fiecare moment, fluidul în curgere turbulentă
este separat de mediul în care pătrunde printr-o suprafaţă neregulată,
dar care se întrepătrunde cu fluidul receptor. In interiorul acestei
suprafeţe turbulente a jetului, se poate aprecia c turbulenţa este
practic omogenă, atât ca intensitate cât şi ca mărime.
Pornind de la ideea că avem de a face cu o curgere turbulentă
liberă, atunci răspândirea jetului în fluidul receptor se face atât în
direcţia mişcării cât şi în direcţie transversală.
Ecuaţiile mişcării în acest caz sunt foarte complexe şi pentru a
simplifica lucrurile considerăm că jetul este de forma unui strat limită
de foarte mică grosime.
45
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Daca considerăm U1 viteza medie a mişcării şi p1 presiunea, în
imediata vecinătate a frontului jetului, se por scrie ecuaţiile mişcării
după axele Ox şi Oy :
In formula de mai sus avem următoarele notaţii:
U este viteza fluidului care este deversat;
este densitatea fluidului;
V este viteza medie a fluidului;
u, v şi w sunt proiecţiile vitezei jetului pe cele trei axe.
Pentru a simplifica rezolvarea problemei se fac unele aproximări, ca
de exemplu: se neglijează termenii de acelaşi ordine de mărime
( lăţime a jetului în raport cu lungimea fig 3.5) şi se considera că pe
direcţia axei Ox gradienţii valorilor vitezei sunt extrem de mici. In
acest caz se ajunge la relaţia simplificată:
Fig 3.5. Evidenţierea condiţiilor de neglijare a termenilor de
acelaşi ordin de mărime.
46
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Intrucât preponderent curgerile sunt bidimensionale se poate
ajunge prin eliminarea unor termeni la următoarea formulă:
Dacă acestei ecuaţii i se adaugă condiţiile de conservare a masei
şi de conservare a cantităţii de mişcare, ecuaţie se poate integra şi se
ajunge la următoarea expresie pentru curgeri bidimensionale:
In evoluţia unei curgeri, distribuţia transversală a mărimilor
medii ale vitezei şi presiunii se schimbă de-a lungul direcţiei de
mişcare, dar putem să aproximăm că jetul îşi păstrează aceeaşi formă.
Aceasta ipoteza poartă numele de autoconservarea jetului. In realitate
însă curgerea jetului este însoţită mai în toate cazurile de fenomenul
de antrenare a fluidului din mediul în care este deversat mai ales în
zona periferică de dezvoltare a jetului.
In studiul modului de dispersia a unui jet purtător de substanţe
poluante trebuie să se ţină seama de efectele de loc de neglijat al
portantei, respectiv a diferenţei de densitate dintre fluide datorate
încărcării în substanţe poluante sau datorită temperaturii diferite.
Pătrunderea jetului de fluid într-un receptor sau emisar se poate
sub acest aspect prin două moduri şi anume:
47
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Formă de pană, când diferenţa de densitate este
semnificativă, ca urmare a faptului că jetul este continuu şi
constant;
Formă de pana izolată şi scurtă, de regula este vorba de jeturi
termale şi descărcate instantaneu şi pe măsura pătrunderii
jetului în fluidul receptor acesta nu mai este influenţat de
condiţiile iniţiale.
De regulă în marea lor majoritate aceste jeturi sunt turbulente şi
ca urmare avem de a face cu antrenarea celor două fluide, care se
amestecă.
Evacuarea apelor uzate sau a apelor calde se poate face fie prin
jeturi la suprafaţa râurilor sau a lacurilor sau la adâncime.
Evacuarea apei uzate sub formă de jeturi la suprafaţa râurilor, a
lacurilor sau în zona maritimă de coasta poate avea efecte sensibile de
alterare a calităţii apei, mai ales în vecinătatea zonei de deversare
deoarece aici predomină puternic parametri proprii ai fluidului
poluant, respectiv cantitatea de mişcare, debitul, portanţa etc. Pe
măsura însă ce jetul pătrunde în emisar mai adânc are loc fenomene
de antrenare, respectiv de amestecare a celor două fluide. Practic
fluenţii de ape uzate deversate în emisari se comporta ca un jet
turbulent tridimensional şi numai în cazuri particulare putem să le
consideram bidimensionale. In figura 3.6. este prezentată evoluţia
unui astfel de jet de suprafaţă deversat într-un lac sau râu lent. Se
evidenţiază variaţia temperaturii medii Tm şi vitezei medii Um
pe lăţimea jetului la distanţe diferite de la
locul de deversare. Se observă că valorile atât în ceea ce priveşte
temperatura cât şi în ceea ce priveşte viteza scad spre exteriorul
48
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
jetului, existând tendinţa de aplatizare a variaţiei vitezei începând
dinspre exteriorul jetului.
Fig.3.6. Evoluţia
temperaturii şi a vitezei medii a jetului în
plan şi la adâncime la distanţa de zona de deversare
In figura de mai sus deversarea se face pe direcţia de curgere a
emisarului, dar dacă însă evacuarea jetului de apa uzata se face pe o
direcţie perpendiculară pe direcţia de curgere a râului apare o curbare
pronunţată a traiectoriei jetului sub acţiunea presiunii dinamice a
râului şi apariţia unor perechi de turbioane în planuri perpendiculare
la axa jetului. Fenomenul are o intensitate maximă în vecinătatea
locului de deversare. In zona afectata de prezenta acestor turbioane
numite „vortex” sunt foarte puternice încât se poate neglija turbiditate
fluidului. Dacă lichidul deversat are o densitate mai mare decât a apei
49
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
emisarului, forţa portantă acţionează în jos iar jetul este
tridimensional. In figura 3.7. este prezentat schematic modul de
formare a turbioanelor.
Fig. 3.7. Schema formării jetului portant tip vortex.
Ca urmare a acestor deficienţe constatate la deversarea apelor
uzate la suprafaţa emisarului s-a trecut la deversarea acestor ape prin
difuzori plasaţi la adâncime când s-a constatat o mărire a capacităţii
de diluţie şi dispersie a poluanţilor. Apele uzate sunt deversate printr-
o serie de orificii dispuse de-a lungul porţiunii de evacuare a
difuzorului. Dacă debitul este mai mic se poate deversa printr-un
singur orificiu. Amestecul iniţial al apelor uzate cu cele ale
emisarului se produce prin difuzia turbulentă a jetului la evacuarea în
50
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
emisar. Această energică amestecare se datorează în primul rând
celor doua fluxuri, respectiv cantitate de mişcare, portanţă, debit.
In cele mai multe cazuri avem de a face şi cu forţele de natură
arhimedică ca urmare a densităţii diferite ale celor două fluide.
Această forţă portantă face ca fluidul poluant să fie ridicat la
suprafaţa apei, perioada în care suferă un proces de amestecare cu
fluidul din emisar.
Analiza modului în care se realizează diluţia şi omogenizarea
celor două lichide trebuie să cuprindă cel puţin două aspecte
principale:
Factorii geometrici al difuzorului (unghiul de înclinaţie,
numărul lor);
Factorii calitativi ai fluidului poluant (debit, viteză,
temperatură, densitate );
Factori calitativ ai emisarului (debit, densitate, temperatură,
viteză ).
Construcţia tipică a unor sisteme de evacuare submersibile
constă într-o conducta plasată la fundul emisarului, sau la o oarecare
adâncime a emisarului. Această conductă are mai multe orificii
(ajutaje) practicate de regulă la distanţe egale de-a lungul conductei.
Adâncimea la care se plasează acest sistem de evacuare este
esenţial pentru asigurarea optimului şi depinde de adâncimea râului şi
de alţi parametri. Traiectoria jetului depinde în cea mai mare parte de
poziţia conductei de evacuare în raport cu direcţia de curgere a râului,
respectiv curent sau contracurent. Din acest punct de vedere se
recomandă plasarea conductei de evacuare transversal pe direcţia de
curgere a emisarului. In acest caz se recomandă ca adâncimea de
plasare a conductei sa fie cât mai mare. In figura 3.8. este
51
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
reprezentată schematic evoluţia unui jet deversat la adâncime, chiar
pe fundul emisarului într-o poziţie transversala faţa de direcţia de
curgere a emisarului.
Fig.3.8. Schema evoluţiei jetului de fluid evacuat la
adâncime în curent transversal.
In cazul în care viteza emisarului este foarte mică în raport cu
viteza iniţiala a jetului, se poate produce situaţia în care nu se mai
produce o bună amestecare a celor doua fluide, ca urmare a faptului
ca în lipsa unei turbulente semnificative se va forma un strat orizontal
de apa poluată, care nu se amesteca cu apa emisarului. ( figura 3.9)
52
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Fig.3.9. Schematizarea evoluţiei unui jet subteran.
3.5. Dispersia poluanţilor în râuri
Dispersia şi distribuţia poluanţilor în cazul deversărilor la
suprafaţa unor emisari au loc în zona de după deversarea acestora în
emisari pe parcursul curgerii emisarului. In această zonă diluţia
poluanţilor este influenţată în mod semnificativ de două fenomene, şi
anume:
Convecţia poluanţilor de către mişcarea medie a apei din râu;
Difuzia turbulentă a poluanţilor.
In general mişcarea medie a apei unui râu este tridimensională
şi puternic influenţată de condiţiile concrete de curgere a râului,
respectiv forma geometrica a albiei şi rugozitatea fundului râului, dar
şi de factori externi, cum ar fi vântul, temperatura, etc. In aceste
condiţii a realiza un model matematic care să caracterizeze aceste
procese este un demers foarte complicat şi din punct de vedere practic
irealizabil. Singura soluţie este aceea de a încerca schematizarea şi
53
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
simplificarea unor elemente ale râului astfel încât să devină posibilă
realizarea unui model matematic care să caracterizeze aceste
fenomene.
Studiile care au încercat să realizeze modele pentru dispersia
poluanţilor a ajuns la concluzia că în zona de dispersie influenţa
cantităţii de mişcare proprie a jetului de fluid asupra lichidului din
emisar, deci a receptorului este neglijabilă şi ca urmare se poate lucra
cu valori medii ale vitezelor, fapt ce simplifică mult problematica
modelului, pentru că elementele de baza acum sunt ecuaţiile de
transfer de masa sau căldură. In cazul unei curgeri cu turbulenţă se
vor adopta anumiţi coeficienţi de difuzie turbulentă, care să realizeze
corecţia necesară.
Modelul dispersiei longitudinale
Modelul în acest caz este unidimensional şi descrie felul în care
descreşte concentraţia maximă a substanţelor poluatoare, definite prin
indicatori de calitate a apei, de-a lungul curgerii, prin utilizarea unei
ecuaţii de difuzie clasică de tip Fick.
Din punct de vedere teoretic dispersia unei substanţe deversate
într-un emisar este influenţată de două procese şi anume:
Convecţia de-a lungul curgerii fluidului;
Difuzia turbulentă.
Acesta două procese principale sunt descrise în ecuaţia generală
a transferului conservativ de masă, în mişcare medie şi care pentru un
anumit parametru considerat „P” are următoarea formă:
In această formulă avem următoarele notaţii:
54
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
P este parametru variabil care trebuie analizat în timp şi spaţiu;
Dtx , Dty , Dtz sunt coeficienţi de difuzie masică în condiţii de
turbulenţă;
Dacă vom admite că de la o secţiune la secţiunea următoare de-
a lungul curgerii, procesul este unidimensional, atunci ecuaţia se
simplifică pentru că vom considera procesul unidimensional şi se
poate definii o viteză medie U şi un parametru P mediu în secţiune cu
ajutorul următoarelor relaţii:
Introducând aceste condiţii în formula generală de mai sus şi
considerând că pe adâncime amestecul turbulent a fost realizat
(proiecţia variabilei P pe axa z este 0), se ajunge la următoarea relaţie
de transfer a proprietăţii medii sau a concentraţiei medii în element
poluator pe secţiune fluidului:
In această ecuaţie ultimul termen reprezintă convecţia asociată
fluctuaţiilor vitezei U şi a parametrului P de la valorile medii pe
secţiunea transversală. Dacă se introduce coeficientul de dispersie
longitudinală prin relaţia:
ecuaţia procesului de dispersie longitudinală ia următoarea formă:
In această formulă DL este coeficientul de difuzie masică pe direcţie
longitudinală.
55
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
In cazul unui transfer neconservativ se adaugă termenul care
descrie contribuţia fenomenelor fizice, chimice sau biologice care
participă la aportul sau la scăderea concentraţiei în elementul P, sub
forma :
Făcând înlocuirile în ecuaţia procesului de transfer
neconservativ longitudinal a poluanţilor sau a unei proprietăţi, se
obţine ecuaţia ce caracterizează distribuţia masică a poluantului pe
întreaga secţiune transversală a curgerii fluidului:
In această formulă A reprezintă secţiune transversală a curgerii.
Pentru rezolvarea numerică a acestei ecuaţii se consideră curgerea
formată dintr-un sistem de elemente volumetrice dispuse într-o reţea
liniară, fiecare element fiind caracterizat de lungime, lăţime şi aria
secţiunii transversale. In figura 3.10 este prezentat modul de
discreditare a pentru bilanţul hidrologic, respectiv masic.
56
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Fig.3.10. Schema discreditării numerice pentru un bilanţ
hidrologic ( a ) şi bilanţ masic ( b).
In cazuri concrete, când avem situaţia deversării fluentului sau a
unui râu poluat într-un râu mare sau fluviu se constată influenţa
puternică a aportului de substanţe poluante asupra râului mai ales
atunci când în aval sunt prize de apă pentru utilizatorii din aval de
locul deversării. Condiţiile amestecării depind de o serie de parametri
ce caracterizează procesul şi anume:
Diferenţa de calitate a apei din cele două fluide
;
Raportul dintre debite Q / qa ;
Vitezele celor două curgeri de fluide: Uc şi Ua ;
57
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Unghiul de incidenţa a fluidelor ;
Raportul lăţimilor celor două curgeri B / b0 .
In figura 3.11 este schematizat modul de descărcare a unui
fluent într-un râu mare.
Fig.3.11. Schema de descărcare a unui fluid într-un râu
Practic în urma unor experimentări s-a constatat că în aval şi în
zona de confluenţa distribuţia poluanţilor în secţiunea transversală a
fluviului este puternic neuniformă şi că există o lungime
semnificativă pe care se observă o neuniformitate pe secţiunea
transversală. Ca urmare s-au căutat modele care să stabilească
lungimea zonei de amestec şi intensitatea amestecului.
Intensitatea amestecului în aval de locul de confluenţă a celor
două fluide se poate caracteriza prin gradul de amestec:
In care avem următoarele notaţii:
58
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
este abaterea maximă a valorii lui C într-o secţiune i ;
C concentraţia într-un anumit element a receptorului
C0 concentraţia în elementul considerat a fluidului poluator.
Prin urmare se poate aprecia că lungimea globală de amestec,
adică distanţa de la locul de deversare şi până şi până în zona în care
se constată o uniformizare a concentraţiei în elementul respectiv pe
secţiune transversală reflectă capacitatea de diluţie a apelor uzate în
apa receptorului.
Modelul bi şi tridimensional al distribuţiei poluanţilor
Modelul tridimensional este reprezentat de ecuaţia de
continuitate, ecuaţia de mişcare pentru cele trei direcţii x , y z şi
ecuaţiile de transfer de masă sau de căldură. In figura 3.12 este
prezentat schematic modelul pentru difuzie în sistem tridimensional.
Fig.3.12. Schematizarea pentru modelul difuziei
59
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Ecuaţia generală a mişcării este de forma :
In această formula U, V, U, sunt vitezele fluidului. Pornind de
la această formulă generală şi ţinând seama de unghiul de înclinare
se poate continua dezvoltarea formulei prin introducerea şi a altor
parametri. Cele mai frecvente cazuri sunt cele în care avem de a face
cu descărcări laterale ale fluidelor poluate în râuri sau fluvii şi când
intervine ca element important adâncimea de curgere, fapt ce aduce în
plus apariţia unui sistem de recirculare turbională. Acest fapt a fost
constatat experimental când s-au observat turbulenţe de scară mare în
râuri în zona centrală a evacuării, dar la nivel lateral al curgerii
emisarului s-au constatat curgeri neperturbate chiar pe distanţe foarte
mari de ordinul kilometrilor.
Modelarea matematică tridimensională în acest caz este extrem
de dificilă mai ales în zona de intersecţie a două scurgeri cu suprafaţă
liberă când apare în plus şi fenomenul de reataşare la mal a curgerii
fluidului, fapt ce face ca în zona centrală să avem turbulenţă majoră şi
lateral la nivelul malurilor o curgere neturbulentă. In acest caz nu mai
putem adopta metoda de analiză integrală a celor două fluide pentru
că este exclusă ipoteza antrenării totale a fluidelor în toată secţiunea.
Prin urmare în acest caz este justificată adoptarea unui model
bidimensional în care se introduce dispersia longitudinală şi laterală
în ecuaţia de transfer de masă şi se ajunge la expresia:
60
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
In formula de mai sus şi sun coeficienţi ce ţin seama de
caracteristicile naturale ale râului.
Justificarea utilizării modelului bidimensional rezidă şi din
faptul că s-a constatat experimental că diluţia pe verticală a celor
două fluide se realizează foarte rapid comparativ cu diluţia pe direcţia
transversală şi longitudinală.
3.6. Modele de simulare a poluării apelor
subteranePătrunderea poluanţilor în pânzele freatice este un proces
complex în care intervine porozitatea şi permeabilitatea solului.
Porozitatea se referă la volumul total al porilor în raport cu un
anumit volumul de sol. Acest raport depinde în mare măsură de
modul de aşezare a granulelor, de dimensiunea granulelor şi de forma
sedimentelor. Cercetările întreprinse pe diverse soluri a scos în
evidenţă că chiar şi pentru acelaşi depozit de sedimente valorile
porozităţii sunt diferite.
In ceea ce priveşte permeabilitatea ea se referă la uşurinţa cu
care fluidul se deplasează în acel mediu poros.
Definirea permeabilităţii se face pornind de la legea lui Darcy
care exprima raportul de proporţionalitate dintre debitul specific al
fluidului ce parcurge corpul poros şi gradientul hidraulic pe direcţia
de curgere a fluidului. Ecuaţia permeabilităţii specifice are
următoarea formă;
In formula de mai sus avem următoarele notaţii:
k este permeabilitatea specifică;
61
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Q este debitul volumic de fluid ce trece prin secţiunea
transversală a stratului poros;
A este aria secţiuni transversale;
este vâscozitatea dinamică afluidului;
este gradientul hidraulic.
In hidrologie apare noţiunea de conductivitate hidraulică, care
are următoarea expresie:
;
Pornind de la această formulă legea lui Darcy se poate scrie şi
astfel:
Această formulă este valabilă pentru cazul curgerii laminare,
respectiv pentru viteze relativ mici de curgere. Determinarea vitezei
de curgere a fluidelor poluate prin sol înspre pânzele freatice (acvifer)
este de mare importanţă. Astăzi se admite teoretic următoarea relaţie
de definiţie a vitezei fluidului printr-un mediu poros pe direcţia x:
;
In care n este porozitatea mediului prin care curge fluidul.
In practică fiindcă este greu de determinat porozitatea unui
material se utilizează noţiunea de porozitate efectivă ne, care se
determină în laborator pe eşantioane de material şi se defineşte ca
fiind acel volum de apă, procentual din volumul total saturat al
spaţiilor goale din eşantion ce poate fi drenat sub acţiunea propriei
greutăţi.
62
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
In realitate sunt multe cazuri în care apa se infiltrează în acvifer
nu datorită porozităţii ci prin fracturi sau falii, adică sisteme de
suprafeţe plane sau semiplane. In acest caz permeabilitatea este mult
mai mare şi ca urmare se defineşte permeabilitatea specifică pentru o
familie de fracturi:
unde este mărimea medie a interstiţiului fracturilor;
bi este semilăţimea medie a fracturii.
In mod similar se defineşte şi conductivitatea hidraulica prin
zona cu fracturi:
In natură întâlnim situaţii mai complexe când rocile conţin mai
multe familii de fracturi cu diferite direcţii şi cu diferite deschideri.
Pentru acest caz general trebuie să stabilească permeabilitatea fiecărei
zone sau strat de fracturi şi apoi să se stabilească valoarea totală.
La realizarea modelului de simulare a procesului de pătrundere
a poluanţilor în acvifer se porneşte de la ecuaţia de transport a
poluanţilor aflaţi în soluţie în apele subterane, care are următoarea
expresie:
In formula de mai sus avem următoarele notaţii:
C este concentraţia maximă a soluţiei;
Cs este concentraţia masică a soluţiei;
Q este debitul sursei externe;
63
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
jv este fluxul masic provenit din reacţiile din interiorul
sistemului;
Vi este viteza apei în porii sau fisură pe direcţia i;
Dij este tensorul valorilor coeficienţilor de dispersie;
Cn este concentraţia nominală a soluţiei pe direcţia i de
deplasare.
Vitezele Vi de deplasare a fluidului pe direcţia i se poate
determina din formula lui Darcy:
In acest formula expresia este sarcina hidraulică.
Curgerea apei în mediul poros este descrisă de către funcţia de
potenţial exprimată ca energie pe unitate de masa, sub forma :
In formula de mai sus avem următoarele notaţii:
Z este cota geodezică a punctului dat deasupra unui nivel de
referinţă;
p este presiunea manometrică;
p0 este presiunea atmosferică.
Pentru a putea realiza un model matematic cu care să putem
face predicţii trebuie să rezolvăm ecuaţiile de mai sus. Pentru aceasta
trebuie să parcurgem următoarele etape:
Specificarea condiţiilor la limită a surselor şi a parametrilor;
Determinarea funcţiei de potenţial prin rezolvarea ecuaţiei
regimului hidraulic;
Determinarea câmpului vitezelor utilizând legea lui Darcy;
64
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Determinarea distribuţiei poluanţilor prin rezolvarea ecuaţiei
de transport.
Ecuaţia generală ce caracterizează procesul de transfer a
poluanţilor în acvifer este foarte complexă şi deci greu de aplicat, în
consecinţa s-a încercat particularizarea pentru anumite cazuri mai
frecvent întâlnite.
Pornind de la ecuaţia generala se poate stabili ecuaţia pentru
cazul unidimensional:
Dacă admitem că viteza V în pori este constantă în timp şi
spaţiu, că la momentul t = 0 apare instantaneu o valoare a
concentraţiei în elementul poluant C0, în punctul x=0 ea rămâne
constantă în timp, că densitatea apei este constantă şi că mişcarea
poluatorului se face de-a lungul axei OX, atunci ecuaţia se simplifică
şi mai mult şi obţinem următoarea expresie:
In această formulă apare coeficientul R, numit coeficient de
întârziere care are o valoare diferită de 1 şi are expresia:
In formula de mai sus avem următoarele notaţii:
este densitatea fazei solide;
Kd coeficient de distribuţie a fazei lichide în stratul considerat;
Modelul în cazul bidimensional este mai complex şi are
următoarea expresie:
65
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
In această formulă avem următoarele notaţii:
Dx= x.V şi Dy = y V.
Acest model se referă la situaţia în care sursa de poluare este
instantanee şi constantă.
După pătrunderea substanţelor poluante în sol are loc o
dispersie a acestora în mediile granulare în care au pătruns. Acest
proces de dispersie este puternic influenţat de proprietăţile stratului
poros. In zonele acvifere sedimentele au o mare variaţie
tridimensională a proprietăţilor mai ales în cazul nostru a
conductivităţii hidraulice.
Anizotropia şi eterogeneitatea stratului acvifer au ca şi
consecinţă variaţia permeabilităţii în diferitele straturi care produce
modificarea liniilor de curgere a fluidului în strat. In figura 3.13 este
prezentata această modificare a liniilor de curgere.
Fig.3.13 Modificarea liniilor de curgere ca urmare a
variaţiei permeabilităţii
Cu cât distanţa de transport este mai mare cu atât este mai mare
dispersia mediului. In concluzie abordarea modelelor de predicţie a
transportului poluanţilor în medii eterogene necesită o cunoaştere
66
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
detaliată în teren a structurii staturilor şi a proprietăţilor şi necesită de
asemenea realizarea de experimente pe aceste straturi în laborator
Referitor la curgerea prin fisuri sau fracturi este cunoscut faptul
în acest caz avem de a face cu o mai mare capacitate de pătrundere a
fluidului. De fapt fracturile sunt traiectorii efective ale curgerii apei
subterane. Viteza de transport a poluanţilor Vc are următoarea
expresie:
In formula de mai sus avem următoarele notaţii:
Vs este viteza curgerii apei subterane;
ka este coeficientul de distribuţie al fracturilor;
Rf este raportul dintre aria suprafeţelor fracturilor şi volumul
porilor.
In figura 3.14. este schematizat transportul poluanţilor printr-o
fractură de grosime 2b luând în considerare faptul ca are loc şi un
proces de difuzie şi punând condiţia că avem o concentraţie constantă
a fluidului în substanţa poluatoare C0 .
67
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Fig.3.14. Transportul poluantului într-o fractură de
deschide 2b in cazul unei surse constante de poluare .
In majoritate cazurilor mediile în poroase sunt prezente procese
multifazice dintre care sunt şi medii parţial saturate. Astfel
conductivitatea relativă a mediului poros pentru un anumit lichid sau
gaz se defineşte ca raport între conductivitatea fluidului pentru
mediul parţial saturat şi respectiv mediul complet saturat.
Experimental se poate constată că viteza efectivă de migraţie a
poluatorului într-un mediu saturat este mult mai mică decât în mediul
parţial saturat.
In această categorie de probleme se situează problema
transportului în cazul unor lichide miscibile, cum este pătrunderea
apei sărate în pânza freatică cu apă dulce în cazul acviferelor de
coastă. In figura 3.15 este prezentată o astfel de situaţie a unei pânze
freatice de coastă la contactul cu apa mării.
68
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Fig.3.15. Interfaţa apă dulce cu apa sărată de mare în
cazul acviferelor de coastă.
In acest caz se pune problema utilizării a unor modele
matematice complexe utilizând ecuaţia legii lui Darcy combinat cu
ecuaţiile de dispersie.
Trebuie să avem în vedere pentru studiul calităţii apelor
subterane, faptul în perioada de transfer a poluanţilor au loc o serie de
reacţii fizico – chimice, pentru că au un rol semnificativ.
Dintre aceste fenomene enumerăm pe cele mai importante:
Filtrarea mecanică a particulelor transportate de apă;
Mişcarea gazelor care contribuie la procesul biologic de
autoepurare a apei poluante;
Procesele geochimice ce se desfăşoară în starturile
străbătute de apele poluante;
Procesele de autoepurare se referă la degradarea compuşilor
organici de către bacterii în cadrul unor procese aerobe. Procesele
geochimice se referă la combinaţii ionice, reacţii în condiţiile
69
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
variaţiei pH-ului, precipitarea unor soluţii şi adsorbţia prin schimburi
ionice.
70
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
CAPITOLUL 4ELEMENTE DE MONITORING A
CALITATII APELOR
4.1. Aspecte generale privind activitatea de
monitoring
In activitatea complexa de protecţie a calităţii apelor elementul
principal îl constituie cunoaşterea calităţii acesteia în fiecare moment,
şi pe baza datelor obţinute şi analizate se poate face o prognozare a
tendinţei de evoluţie a calităţii apelor pe bazine hidrografice s-au pe
arii mai restrânse.
Activităţile principale ce concură la realizarea acestor obiective
sunt următoarele:
1. Activităţi de urmărire şi de efectuare de măsurători, pe o
durată limitată de timp, pentru un anumit scop, cum ar fi
înfiinţarea de unităţi piscicole;
2. Supravegherea continuă prin măsurători şi observaţii a
calităţii apelor, pe anumite tronsoane sau afluenţi pentru
cazul când apele au anumite utilizări importante, cum ar fi
sursă de apă potabilă;
3. Activitate de monitoring de lungă durată, bazată pe
măsurători standardizate pentru studiul calităţii resurselor de
apă şi evoluţia calităţii apei în timp şi spaţiu.
71
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Activitatea de monitoring în general şi a apei în special are
următoarele scopuri principale:
Alarmare pentru cazul când sunt detectate creşteri de valori
ale poluării ce pot deveni periculoase;
Verificarea valabilităţii strategiilor pentru protecţia calităţii
apelor;
Evaluarea si prognozarea tendinţei de evoluţie a calităţii
apelor;
Instrument de determinarea a poluatorilor apelor în cazul unor
investigaţii pentru accidente ecologice
Din punct de vedere al domeniilor în care acţionează
monitoringul menţionam pe cele mai importante:
Monitoringul chimic;
Monitoringul biologic;
Monitoringul ecotoxicologic.
4.2. Monitoringul chimicInventarul de substanţe chimice ce pot fi deversate în ape este
de circa 100.000 compuşi chimici, dar de regula în activităţile de
monitoring chimic se urmăresc în general doar 30 – 40 de compuşi,
datorită în primul rând costurilor ridicate ale acestor determinări.
In general în funcţie de domeniul de activitate al agenţilor
economici se pot aprecia compuşii chimici ce rezultă în urma
proceselor de fabricaţie şi care pot fi deversaţi în râuri. Pentru aceştia
se pot stabili procedurile de determinare a valorilor emisiilor în
emisari si se pot stabilii limitele de alerta în caz de deversare
accidentală.
Monitoringul chimic al apelor se bazează pe trei proceduri
standard, şi anume:
72
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Monitoringul chimic al apei, suspensiilor, sedimentelor şi
organismelor;
Utilizarea metodelor de bioalarmare;
Biomonitoringul.
La realizarea unui sistem performant de monitoring al calităţii
apelor trebuie sa se pornească de la stabilirea problemelor şi a
criteriilor de bază. In tabelul 4.1. sunt prezentate criteriile specifice
pentru stabilirea unui sistem performant de monitoring al apelor.
Criterii specifice de performanţă tabelul 4.1.
Selectarea Criterii de selecţie şi elemente importante
Stabilirea listei cu substanţele ce vor fi urmărite
- lista cu substanţele chimice ce trebuie urmărite;- caracteristicile toxice de acumulare şi persistenţă;- disponibilitatea metodelor analitice;- fonduri pentru finanţare;
Metode de investigaţie
- metode standard; - staţii automate; - analize chimice clasice;
Locul de ampla -sare a staţiilor
- în aval de localitate;- în amonte de localitate
Frecvenţa analizelor
- monitorizare continua;- cu o anumită periodicitate;
Metode de prelevare
- continua cu urmărire în timp;- cu o anumită periodicitate fixa;- cu frecvenţă mare în caz de risc major .
Metode analitice - analize prevăzute în reglementările APM; - metode de mare acurateţe.
Tehnici de stocare a datelor
- raportări periodice tip standard; - tabele centralizatoare;- grafice de evoluţie în timp.
Tehnici de prezentare a rezultatelor
- prezentare doar a datelor esenţiale;- utilizarea tehnicilor din statistică.
Trebuie însă să se facă precizare privind diferenţa dintre imisii
şi emisii, pentru că sunt probleme diferite care necesita strategii
diferite de interpretare a rezultatelor.
73
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
In cazul monitoringului emisiilor, se porneşte de la premisa că
limitele compuşilor poluatori din apele evacuate în emisari nu depind
de modificarea nivelului de calitate a râului şi că elementul de bază
este acela de a prevenii poluarea emisarului. Cerinţele privind
reducerea cantităţii de substanţe poluante din apele evacuate în
emisari depind de toxicitatea acestor substanţe şi de persistenţa şi
tendinţa de acumulare şi bioacumulare a acestora în mediul acvatic.
Referitor la monitoringul imisiilor acesta trebuie să asigure o
imagine de ansamblu a întregului bazin cu toţi afluenţii ce introduc
ape cu diverse grade de poluare, să urmărească efectele asupra
mediului acvatic, precum şi asupra scopului în care sunt folosite
apele, dar şi să studieze efectul cumulat al poluanţilor şi a produselor
de descompunere şi să evidenţierea surselor de poluare difuză.
Dacă se doreşte proiectare unui sistem de monitoring pentru un
anumit bazin hidrografic sau afluent trebuie în mod obligatoriu să se
parcurgă cel puţin doua etape:
Inventarierea tuturor emisiilor posibile, din punct de
vedere al caracteristicilor: componenţi, concentraţii,
frecvenţă, amplitudini de variaţie;
Detectarea şi evaluarea sistematica a gradului de
complexitate a compoziţiei chimice şi a probelor ce
trebuiesc efectuate în laborator.
O data stabilite aceste faze preliminare, se vor stabili variabilele
de monitorizare, se stabilesc zonele de amplasare a staţiilor de
monitorizare, frecvenţa de prelevare a probelor, modul în care se face
analiza în laborator a probelor şi interpretarea rezultatelor.
74
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
In practică se urmăresc o multitudine de indicatori de calitate,
peste 200 de indicatori, care pot fi grupaţi în 12 clase, după cum
urmează:
1. Regimul oxigenului;
2. Indicatori de agresivitate a apei ( pH, etc);
3. Indicatori de salinitate;
4. Prezenţa nutrienţilor;
5. Poluanţi anorganici generali;
6. Poluanţi organici generali;
7. Micropoluanţi – metale grele;
8. Micropoluanţi –pesticide.
9. Radioactivitatea;
10. Microbiologie;
11. Biologie;
12. Debite.
Valoarea admisă pentru indicatori de bază ce apreciază gradul
de poluare a apei, este prevăzută în Normativele Tehnice pentru
Protecţia Apelor ( NTPA).
Staţiile de monitorizare a calităţii apelor fac parte integrantă din
Sistemul Naţional de Supraveghere a Calităţii Apelor din România
(SNSCA), aflat în răspunderea Regiei Autonome Apele Române şi
se integrează în Sistemul Integrat de Monitoring al Calităţii Mediului
din România (SMIR).
România în prezent face eforturi pentru compatibilizarea
sistemelor şi valorile prevăzute în normative cu cele din normativele
Comunităţii Europene, mai ales ca în cazul apelor avem de a face cu
transport transfrontalier al poluanţilor o data cu apele râurilor ce
părăsesc teritoriul României.
75
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
4.3. Staţii automate de monitoring şi
alarmareProblema unor sisteme automate de monitoring al calităţii
apelor de suprafaţă nu este nouă în România, dar România nu a
dispus de sumele necesare pentru astfel de investiţii.
Primele încercări în acest domeniu au apărut în SUA la nivelul
bazinului Ohaio începând cu anii 1060 – 1970. Astfel au fost realizate
staţii multiparametrice de supraveghere a calităţii apelor emisarilor,
cu posibilitatea stocării datelor şi de transmitere la un sistem
centralizat a datelor culese. In cazul în care se constată depăşirea unui
parametru de calitate, se preleva o nouă probă de apa şi se efectuau
investigaţii amănunţite în laborator.
In ţările europene au apărut primele staţii de monitorizare
automate la staţiile mari de epurare la început în Germania după
1960. Concomitent au apărut astfel de staţii şi în Japonia.
După anii 1970 a apărut o nouă generaţie de staţii automate de
monitorizare care utilizau senzori de imersie permanenta în apă.
Acest fapt a eliminat posibilitatea erorilor datorate prelevării şi
pompării apei din rău în staţia automată, iar după anii 1980 au apărut
o a treia generaţie de staţii automate complet submersibile cu stocare
de date şi teletransmiterea datelor. Aceste staţii au putut fi plasate
chiar şi în lacuri şi mări la adâncimi mari.
Aceste staţii automate de monitorizare şi alarmare asigură o
serie de avantaje de loc de neglijat, cum ar fi:
76
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Asigură posibilitatea măsurătorilor în situ, respectiv elimina
erorile legate de containerele în care se introduc probele, de agitarea
probelor la transport sau de operaţia de pompare;
Integrează continuu datele, deci se poate urmării tendinţa şi se
pot face previziuni;
Măsurând în paralel şi debitele se pot face estimări ale
debitelor masice ale poluanţilor;
Alarmează în mod automat în cazul depăşirii limitelor
admisibile pentru substanţele poluante;
Elimina erorile datorate activităţii umane.
In prezent aceste tipuri de staţii automate de monitorizare a
apelor s-au extins în toata Europa, chiar dacă sunt foarte scumpe.
4.4. Biosisteme de alarmare automată
După anii 1970 alături de introducerea unor sisteme automate
de urmărire a gradului de poluare a apelor s-au efectuat cercetări în
direcţia găsirii unor soluţii naturale de urmărire a gradului de poluare.
Astfel au apărut sisteme biologice de alarmare a prezentei unor
substanţe toxice în ape. Subiecţii testaţi în acest scop sunt din
categoria peştilor, moluşte, larve, alge, bacterii, la care s-au adăugat
şi o serie de materiale biologice cum sunt celule izolate, celule de
organe, enzime, antigene şi în ultimul timp s-au proiectat si realizat
biosenzori.
Un astfel de sistem biologic de alarmare cuprinde doua aspecte
de baza şi anume:
Organismul de testare şi care operează în situ;
77
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Sistemul de măsurare a răspunsului fiziologic al senzorului
biologic la acţiunea substanţei poluante.
In perioada actuala cercetările s-au extins în domeniul realizării
de biosenzori. Pe scurt un biosenzor este de fapt un senzor chimic la
care se imobilizează pe suprafaţa activă un material biologic
(organisme vii, ţesuturi, celule, enzime până la nivelul acizilor
nucleici si molecule organice). Cei mai mulţi biosenzori provin din
domeniul industriei medicamentelor si a industriei alimentare.
In principiu utilizarea biosenzorilor se bazează pe faptul că
prezenţa unor poluanţi în apă conduce la perturbarea directa a
microorganismelor vii, în sensul ca le agresează cu implicaţii asupra
proceselor de respiraţie, fotosinteză, afectând integritatea membranei
celulare, fapt ce poate fi pus în evidenţă de anumiţi substanţe chimice
numite „mediatori chimici”.
78
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
CAPITOLUL 5PROCESE UNITARE DE TRATARE A
APELOR INDUSTRIALE UZATE
5.1. Aspecte generaleOrice tehnologie de prelucrare a apelor este constituită dintr-o
serie de operaţii succesive, continue sau ciclice, de natură mecanică,
fizică, chimică, biologică sau mixtă, înlănţuite într-o ordină logică
funcţie de specificul apei. Oricât de complicat ni s-ar părea să fie o
anumită tehnologie, ea constă dealtfel dintr-un număr limitat de
operaţii distincte şi relativ simple şi care se realizează în instalaţii şi
aparate de conducere a proceselor în diverse variante funcţie de
natura substanţelor poluante şi de gradul de încărcare a apei în aceste
substanţe.
Pentru fiecare proces unitar sau operaţie distinctă este important
de reţinut în vederea proiectării optime a procesului de tratare a
apelor uzate să se urmărească următoarele aspecte:
Cunoaşterea principiilor ştiinţifice de bază a proceselor;
Experimentarea la scară de laborator sau staţie pilot a
fiecărei operaţii tehnologice, urmată de prelucrarea datelor
experimentale;
Analiza procesului ca un tot unitar şi alegerea variantei
optime de proiectare;
79
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Alegerea pe criterii de preţ şi calitate a celor mai bune
instalaţii şi utilaje, dar ţinând seama şi de costurile de
exploatare şi întreţinere.
Scopurile principale ale existenţei unei staţii de epurare, fie că
este pentru apele uzate urbane, fie că este pentru ape uzate
industriale, sunt acelea de a procesa apa uzată în aşa mod încât
această să poată fi reutilizată în procesele de fabricaţie şi astfel să se
reducă consumul de apă proaspătă, să permită eliminarea apei epurate
într-un emisar fără ai modifica acestuia nivelul calitativ şi domeniile
posibile de utilizare în aval, precum şi de a reţine din apele uzate
substanţe utile ce pot constitui materii prime pentru procesele de
fabricaţie ale firmei.
Cele mai multe procese de tratare a apelor uzate aduc
schimbări majore în concentraţia acestora, fie ca sunt extrase
substanţele chimice fie că sunt introduse alte substanţe chimice care
reacţionează cu cele din apa făcându-le mai puţin toxice sau
asigurând condiţiile pentru a fi separate mai uşor. De regulă se
acţionează asupra celor trei faze existente în apele uzate: faza lichidă
ce este predominantă, precum şi fazele solide şi gazoase.
Funcţie de natura poluanţilor, starea lor de agregare,
dimensiunea particulelor, se pot face referiri asupra celor mai
adecvate metode de extragere a acestora din apele uzate. In tabelul
5.1. sunt prezentate schematic modalităţile posibile de îndepărtare a
substanţelor poluante din apele industriale uzate.
Dacă apele uzate conţin mai multe categorii de substanţe
poluante care se pot îndepărta doar prin mai multe procese, este
necesară alegerea ordinii de amplasarea a acestor instalaţii funcţie de
80
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
specificul substanţelor, astfel încât să se asigure cele mai mici
cheltuieli de investiţii şi de exploatare.
Indepărtare poluanţilor din apele uzate. Tabelul 5.1 ____
81
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
5.2. Condiţii privind evacuarea apelor
industriale uzateDe la bun început trebuie să facem precizarea că în mod ideal
trebuie ca orice agent economic ce utilizează apa în procesele de
fabricaţie şi produc ape uzate să-şi recicleze întreaga cantitate de apa
şi în acest mod scade consumul de apă proaspătă şi pe de alta parte
se reduc efectele negative asupra mediului datorate apelor uzate
poluate.
Apele industriale uzate pot fi deversate în reţeaua de canalizare
a oraşului cu respectarea unor condiţii foarte stricte impuse de firma
ce exploatează staţie de epurare a oraşului, privind uniformizarea
debitelor, compoziţia chimică etc., pentru că există riscul ca apa
industriala puternic încărcată cu diverse substanţe mai puţin sau mai
mult toxice să pericliteze buna funcţionare a staţiei de epurare, mai
ales a treptei biologice.
Legislaţia Comunităţii Europene care este aplicată în mod
obligatoriu în ţările europene prevede în mod explicit ca orice agent
economic care utilizează apa dintr-un râu trebuie să deverseze în
emisar numai apa epurata corespunzător, iar locul de deversare
trebuie sa fie în amonte de locul de captare a apei. Astfel agentul
economic este obligat în acest caz să-şi epureze cât mai performant
apa uzată, deoarece în caz contrar va capta pentru necesităţile
tehnologice o apă necorespunzătoare din punct de vedere calitativ.
Cei mai performanţi agenţi economici au reuşit să-şi recicleze
toată apa industrială şi preiau din reţeaua oraşului doar o mică
cantitate de apă, pentru acoperirea unor pierderi normale. Acest fapt
asigură economii însemnate deoarece s-au redus costurile aferentei
82
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
consumului de apă pe de o parte, dar şi cele referitoare la taxa de
utilizare a reţelei de canalizare a oraşului şi taxa de epurare pe de altă
parte. In plus trebuie sa menţionăm şi faptul că în acest mod s-a
redus mult poluarea mediului, dar şi riscul unor amenzi din partea
Gărzii de Mediu şi a Regiei Apele Române.
Nu este lipsit de interes faptul că multe ape industriale
tehnologice uzate conţin substanţe valoroase pentru procesele de
fabricaţie cum sunt: produse petroliere, uleiuri, grăsimi, oxizi ai
metalelor, diverse substanţe organice, fibre celulozice, etc., care pot fi
recuperate, constituind astfel surse de materii prime pe de o parte şi
prin recuperare se reduce şi poluarea mediului cu aceste substanţe.
5.3. Egalizarea si uniformizarea apelor uzate
Indiferent de faptul ca apele industriale uzate sunt preepurate
sau epurate în incinta agentului economic sau sunt trimise prin
intermediul reţelelor de canalizare spre staţiile de epurare ale
oraşelor, este necesar ca în prealabil să se procedeze la egalizarea şi
uniformizarea debitelor şi a concentraţiilor pentru a reduce şocul pe
care altfel îl va suporta staţia de epurare, pentru că o staţie de epurare
lucrează mult mai eficient la un debit si o concentraţie medie, pentru
care de altfel este dimensionată staţia de epurare.
In acest sens se impune de la început realizarea unei convenţii
cu agenţii economici ce deversează apa în reţeaua de canalizare
pentru a găsi o soluţie de eşalonare a debitelor acestora în reţea
pentru ca de la început să micşorăm variaţiile de debite şi
83
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
concentraţii şi astfel să micşorăm volumul bazinului de egalizare –
uniformizare.
Egalizarea este practic o metoda de reţinere a apelor uzate în
bazine special construite până în momentul în care se obţin
caracteristici uniforme a acestora şi ne referim la pH, turbiditate,
consum biochimic de oxigen, temperatură etc.
Uniformizarea reprezintă metoda prin care se reţine în bazine
mari apa uzată care soseşte în staţia de epurare cu debite variabile şi
printr-un sistem de vane se asigură un debit constant de intrare a apei
uzate în procesul de epurare.
Practic se poate spune că procesul de egalizare – uniformizare
este primul pas în epurarea apelor.
Bazinele de egalizare – uniformizare sunt de diverse forme şi
tipuri constructive. In figura 5.1. sunt prezentate două variante
constructive de bazine de egalizare – uniformizare.
Fig. 5.1. Sisteme de distribuţie a apei în bazinele de
egalizare - uniformizare
a - cu conductă perforată (1- sosire apă uzată, 2- plecare apă
uniformizată, 3 – pereţi tip timpan, 4 - conductă ); b – cu rigole
84
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
(1 - sosire apă uzată, 2- plecare apa uniformizată, 3 – rigole de
distribuţie);
Procesul de accelerare a omogenizării poate fi accelerat prin
agitarea apei cu sisteme mecanice sau prin insuflare de aer.
In figura 5.2 este prezentat un astfel de bazin pentru egalizare –
uniformizare prevăzut cu insuflare de aer şi care accelerează
procesul.
Fig.5.2. Bazin de egalizare – uniformizare cu insuflare de
aer comprimat prin conducte.
In situaţii relativ simple atât în ceea ce priveşte debitul, dar şi în
ceea ce priveşte concentraţia, respectiv variaţii destul de reduse a
acestora, se poate realiza un sistem cu plutitor pentru reglarea
debitului de evacuare a apei din bazin spre staţia de epurare. Acest
sistem simplu de regalare a evacuării nu ţine seama de eventualele
situaţii accidentale.
In figura 5.3. este prezentat un astfel de sistem de reglare a
evacuării apei pe baza unui volum minim necesar pentru egalizare Ve
şi unui volum fluctuant Vf .
Uniformizarea debitelor apelor uzate industriale se face pe baza
cunoaşterii variaţiilor debitelor şi a concentraţiilor apelor uzate ce se
evacuează într-o zi de lucru, sau pe un ciclu de fabricaţie. In acest
sens este utilă întocmirea unei cronograme a debitelor evacuate pe
85
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
ore, fapt ce permite o dimensionare corespunzătoare a capacităţii
bazinului de egalizare – uniformizare.
Fig. 5.3. Schema bazinului de egalizare – uniformizare cu
dispozitiv de reglare a evacuării a apelor uzate cu plutitor.
(1 – sosire apă uzată, 2 – plecare apă, 3 – dispozitiv cu plutitor
pentru asigurarea unui debit constant la evacuare)
In figura 5.4. este prezentat un exemplu clasic al întocmirii unei
cronograme a debitelor de ape uzate evacuate spre staţia de epurare şi
de stabilire a debitului mediu Qmediu , pentru o zi.
Fig. 5.4. Cronograma debitelor de ape uzate evacuate.
Capacitatea bazinului de egalizare – uniformizare trebuie astfel
stabilita încât sa permită egalizarea atât a concentraţiilor cât şi a
debitelor. Astfel dimensionarea se face conform formulei:
86
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
In care avem următoarele notaţii:
Vt este volumul total al apei uzate;
Ve este volumul necesar pentru egalizare;
Vf este volumul fluctuant de apă uzată.
La stabilirea volumului necesar pentru egalizare se porneşte de
la durata unui ciclu de fabricaţie din care rezultă un anumit volum de
apă uzată. Dacă avem mai multe cicluri de fabricaţie pe zi se poate
considera că apele uzate au cam aceeaşi concentraţie pe cicluri.
Volumul necesar pentru egalizare se stabileşte cu formula:
In care avem următoarele notaţii:
n este numărul de cicluri de fabricaţie în 8 ore sau în 24 de ore;
este cel mai mare dintre debitele medii orare pe ciclu.
Pentru stabilirea volumului fluctuant Vf se procedează pentru
început la însumarea debitelor pe ciclu şi se împarte acest rezultat la
numărul de cicluri, obţinându-se debitul mediu Qmed:
In această formula avem următoarele notaţii:
Qc este debitul de apă uzată pe fiecare ciclu de fabricaţie;
Nc este numărul de cicluri pe schimb sau pe 24 de ore
In continuare se stabileşte cât reprezintă procentual fiecare debit
pe ciclu din total debit pe schimb sau 24 de ore. Se compara acest
procent cu procentul mediu stabilit pe baza debitului mediu calculat.
Se alege valoarea procentuală cea mai mare si cea mai mică, iar
volumul fluctuant se calculează cu formula:
87
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
In aceasta formula avem următoarele notaţii:
pmed este procentul mediu corespunzător debitului mediu de apă
uzata pe ciclu;
pminim este procentul corespunzător debitului minim de apa uzată;
pmax este procentul corespunzător debitului maxim de apa uzata;
Având astfel toate datele se poate calcula volumul total al
bazinului cunoscând atât volumul de egalizare necesar Ve şi
volumul fluctuant Vf .
Literatura de specialitate recomandă pentru accelerarea
procesului de omogenizare insuflarea de are comprimat în bazinul de
omogenizare de regulă în jur de 4 m3 / 1 m3 de apa uzată.
Construcţia unui astfel de bazin de omogenizare este relativ
simplu. Problema cere se pune în mod deosebit este de a asigura ca
indiferent de debitul de intrare a apei uzate în bazin să avem un debit
constant la evacuarea apei spre staţia de epurare. Cel mai simplu
procedeu tehnic este de reglare a evacuării apei din bazin este cu
dispozitiv plutitor de reglare. Acesta are rolul de a obtura orificiul de
evacuare a apei uzate spre staţia de epurare atunci când creşte nivelul
apei din bazin, întrucât altfel ar creşte debitul ca urmare a creşterii
nivelului apei, respectiv a presiuni hidrostatice sau de a deschide mai
mult orificiu când nivelul apei scade pentru a păstra acelaşi debit de
evacuare.
5.4. Stabilirea gradului de epurare necesar
88
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Din punctul de vedere al legislaţiei europene privitoare la
Protecţia Mediului, gradul de epurare care trebuie asigurat apelor
uzate este acela care dacă apa este evacuată într-un emisar nu trebuie
să îi schimbe categoria de apă. Este preferabil ca gradul de epurare să
fie atât de ridicat încât apa după epurare să poată fi folosită din nou în
procesele de fabricaţie. In acest mod cercul s-ar închide şi am reduce
la minim consumul de apa proaspătă. In acest sens foarte mulţi agenţi
economici au trecut la reutilizarea completă a apei prin aplicarea unor
procedee performante pentru epurarea apelor uzate şi astfel le readuce
la nivelul calitativ necesar proceselor de fabricaţie.
In cazul apelor uzate industriale pentru determinarea gradului
de epurare necesar se porneşte de la ideea că pentru fiecare substanţă
din apa uzată trebuie să i se stabilească gradul de epurare, dar trebuie
să se ţină seama şi de valoarea cumulată a poluării de către suma
tuturor substanţelor din apă.
Gradul de epurare necesar G pentru o anumită substanţă
prezentă în apa uzata se determina cu formula:
In aceasta formula avem următoarele notaţii:
Mi este concentraţia apei brute uzate în substanţa i;
mi este valoarea concentraţiei apelor uzate epurate în substanţa
i admisă de lege de a deversata în emisar.
In legislaţia de mediu veghe se prevedea şi posibilitatea
corelării concentraţiei şi a debitelor apelor uzate cu debitul
emisarului. In aceste condiţii cu cât debitul emisarului este mai mare
cu atât gradul de epurare poate fi mai mic, astfel se poate ajunge în
situaţia absurdă ca un oraş sau agent economic plasat pe malul unui
89
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
râu sau fluviu cu debit foarte mare cum este Dunărea să nu fie
necesar să facă nici o epurare, ca urmare a gradului mare de diluţie ce
se obţine. Acest fapt nu este admis de noua lege care prevede
obligativitatea epurării apelor indiferent de mărimea emisarului, dar
şi stabileşte valorile maxime admise apelor epurare pentru a putea fi
deversate în emisari.
5.5 Procedee tehnologice de epurare a apelor
uzate provenite din industriePentru epurarea apelor uzate industriale se utilizează metode
specifice pentru fiecare tip de substanţe prezentă în ape, metode care
se completează cu cele clasice, respectiv: deznisiparea, decantarea,
separarea uleiurilor, epurare biologica etc.
Dintre metodele de epurare specifice apelor industriale uzate
amintim:
Sedimentarea particulelor greu solubile;
Neutralizarea;
Flotaţia;
Adsorţia;
Extracţia;
Evaporarea;
Arderea;
Aerarea pentru eliminarea substanţelor volatile;
Spumarea;
Electrodializa;
Osmoza inversă;
Ingheţarea;
90
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Schimbul ionic;
Oxidarea chimică;
Centrifugarea;
Oxidarea electrochimică.
5.5.1. Sedimentarea particulelor greu solubile din apele
industriale uzate
Sedimentarea este prima operaţie la care este supusă apa
industrială uzată şi are drept scop reţinerea particulelor greu solubile
din apele uzate. Sedimentarea particulelor se face în bazine de formă
rectangulară. In figura 5.5. este prezentată schema principială de
funcţionare a unui bazin de sedimentare.
Fig.5.4. Schema sedimentării particulelor din apele uzate
Bazinul de sedimentare poate fi împărţit în patru zone distincte:
91
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Zona de admisie – în care apa industrială uzată conţinând
particule în suspensie este distribuită pe toata secţiunea
transversală a bazinului;
Zona de sedimentare – în care particulele se depun pe fundul
bazinului ca urmare a diferenţei de densitate şi în condiţiile
reducerii vitezei de curgere a apei;
Zona de acumulare a nămolului – unde se concentrează
nămolul, fiind periodic evacuat;
Zona de evacuare – este zona de evacuare a apei limpezite de
sedimente.
Traiectoriile particulelor discrete în apa uzată din bazin rezultă
prin însumarea vectoriala a vitezei de sedimentare vs şi a vitezei de
deplasare a apei în bazin vd . La dimensionarea lungimii bazinului de
sedimentare se porneşte de la ideea ca viteza minimă de sedimentare
v0 a particulelor de la suprafaţa apei şi până pe fundul bazinului se
calculează ca raport între înălţimea bazinului h0 şi timpul de
parcurgere a lungimii bazinului t0 de către o particulă. Deci cu cât
viteza de curgere apei în bazin este mai mare cu atât lungimea
bazinului trebuie să fie mai mare pentru ca particula să aibă timp să
se sedimenteze. Particulele care au o viteza de sedimentare mai mică
decât v0 nu se sedimentează în bazin şi ca urmare aceste particule vor
fi antrenate de apă în zona de evacuare. In acest caz este nevoie de
filtrarea apei uzate pentru a reţine aceste particule.
5.5.2. Neutralizarea apelor industriale uzate
Neutralizarea apelor industriale uzate este un procedeu des
utilizat şi are drept scop corectare pH-ului apei atunci diferă mult de
92
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
valoarea considerata normală, respectiv apă neutră cu valoarea pH-
ului 7.
Legea apelor permite mici variaţii ale pH-ului în jurul valorii 7
ce indică neutralitatea. Dacă apa industriala este mult diferită de
valoarea 7 se impune corectarea pH-ului, cel puţin din doua motive:
corodează conductele şi în general toate instalaţiile staţiei de
epurare şi prezintă riscuri de accidente;
afectează grav fauna şi flora în cazul evacuării ulterioare a
apei în emisar.
In figura 5.5 este prezentat principiul de funcţionare a unei
instalaţii de neutralizare a apelor industriale uzate.
Fig.5.5. Instalaţie de neutralizare a apei uzate
1- agent neutralizant, 2 – intrare apă uzată, 3 – evacuare apă
neutralizată, 4 şi 5 – regulatoare pH.
Neutralizarea apelor uzate acide
Apele acide de regulă provin de la fabricile de acizi, din
industria metalurgică, din secţiile de acoperiri galvanice, rafinării de
petrol, fabrici de îngrăşăminte chimice etc.
93
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Dacă în întreprinderea respectivă în urma proceselor de
fabricaţie rezultă atât apă cu caracter acid, cât şi apă cu caracter
bazic, acestea se pot neutraliza reciproc, fapt ce duce la scăderea
costurilor de tratare a apelor.
Pentru apele cu caracter acid cea mai bună substanţă pentru
neutralizare este hidroxidul de sodiu, dar are un cost mai ridicat şi de
aceea în general se utilizează fie carbonatul de calciu ( piatra de var)
sau dolomita, (care este un carbonat de calciu şi de magneziu) sau
varul, respectiv oxidul de calciu.
Cantităţile necesare de substanţe pentru neutralizare se stabilesc
pe baza determinării pH-ului şi a volumului de apa uzată. Durata
procesului de neutralizare depinde de viteza de amestecare a
substanţelor şi de gradul de omogenizare, dar de regulă este de circa
15 minute. In cazul utilizării pentru neutralizare a carbonatului de
calciu şi acidităţii apei uzate datorate acidului sulfuric, reacţia
decurge astfel:
H2SO4 +CaCO3 = CaSO4 + CO2 + H2O
Produsul rezultat CaSO4 este greu solubil în apă şi se depune
pe fundul bazinului de neutralizare.
In practică se procedează şi la realizarea unui filtru granular
ce conţine granule de CaCO3 . Apa trece prin acest filtru şi are loc
reacţia de mai sus. Avantajul acestei metode consta în faptul ca nu
mai trebuie determinat permanent pH-ul apei şi calculat necesarul de
carbonat de calciu, precum şi faptul ca procesul de neutralizare a apei
este continuu. Singura problemă este de a controla viteza de consum
al carbonatului de calciu şi de a completa periodic filtru cu material
granular.
94
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Procesul de corectare a acidităţii apei uzate poate fi accelerat
prin introducerea de materiale ce reacţionează mai rapid cu acidul din
apa uzată. Dintre aceste materiale amintim varul stins, respectiv
hidroxidul de calciu Ca (OH)2 sau oxidul de calciu CaO, numit şi praf
de var.
Neutralizarea apelor uzate alcaline
In general apele uzate industriale au un caracter acid, adică au
pH-ul sub valoarea 7, dar sunt şi cazuri rare când apele industriale
uzate au caracter bazic.
Neutralizarea acestor tipuri de ape uzate din motive
economice se face cu acizi industriali reziduali proveniţi din diverse
procese industriale sau prin insuflare în apa uzată de CO2 care provine
din instalaţiile de ardere a combustibililor. CO2 insuflat în apa uzată
alcalină reacţionează cu hidroxizi alcalini dând naştere la carbonaţi şi
bicarbonaţi, conform reacţiilor următoare:
CO2 + 2NaOH = Na2 CO3 + H2 O
CO2 + Na2 CO3 +H2 O = 2NaHCO3
5.5.3. Separarea particulelor solide prin centrifugarea
apei uzate
Unele ape industriale uzate conţin particule solide aflate în
suspensie în cantităţi mari. Dacă aceste particule au o densitate
comparativ cu apa mult mai mare un procedeu economic şi rapid de
separare a acestor particule este utilizarea forţei centrifuge.
Daca debitul de apa este mare atunci se poate utiliza instalaţia
tip ciclon, în care apa intră tangenţial cu mare viteza şi apoi are un
traseu ascendent axial. Particulele cu densitate mare sub acţiunea
forţei centrifuge se deplasează spre pereţii exteriori şi apoi cad în
partea de jos a hidrociclonului de unde sunt evacuate. Avantajul
95
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
acestor hidrocicloane este şi faptul că în partea superioara axială se
concentrează grăsimile şi uleiurile, care au densitate mai mică. In
figura 5.5 este prezentat un astfel de hidrociclon.
Fig.5.5. Forma constructivă a unui hidrociclon
Acest tip de instalaţie nu realizează o separare perfecta a
particulelor şi uleiurilor, doar o separare relativ grosiera, dar prezintă
avantajul simplităţii în construcţie şi funcţionare. Pentru debite mici
ale apelor uzate şi performante ridicate de separare a particulelor
solide se pot utiliza separatoarele centrifugale de mare turaţie, ce pot
fi cu axă verticala de rotaţie sau cu axa orizontală. In zona axei de
rotaţie se concentrează particulele mai uşoare iar în zona pereţilor
exterior faţa de axa de rotaţie se concentrează particulele mai grele.
Şi aceste instalaţii por funcţiona în regim continuu sau intermitent.
Datorate costurilor energetice relativ ridicate de funcţionare a
acestor instalaţii ele se utilizează frecvent doar în cazul apelor uzate
cu o mare concentraţie de suspensii sau pentru concentrarea
nămolurilor.
5.5.4. Filtrarea apelor industriale uzate
96
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Filtrarea este procedeul de trecere a apelor printr-un mediu
poros, unde particulele de mici dimensiuni aflate în suspensie sunt
reţinute.
Funcţie de dimensiunea porilor filtrului acesta poate retine
particule cu dimensiuni mai mari sau mai mici. In consecinţa avem
filtre grosiere si filtre foarte fine. La filtrele grosiere reţinerea
particulelor se face simplu în sensul că particulele cu dimensiuni mai
mari decât pori vor fi reţinute. In cazul unor filtre foarte fine reţinerea
particulelor în filtru este un proces mult mai complex apărând o serie
de fenomene fizico – chimice ce depind de caracteristicile
materialului filtrant şi de natura particulelor aflate în suspensie în
apele uzate.
Curgerea prin medii filtrante poroase se desfăşoară în condiţii
de curgere laminară atât în condiţiile iniţiale când filtrul este curat cât
şi după ce filtru a fost parţial colmatat de către suspensiile reţinute de
către filtru. Deci curgerea are loc în condiţiile legii lui Darcy.
Varietatea mare a mecanismelor de reţinere a impurităţilor din
apa filtrată precum şi gama larga de dimensiuni a particulelor aflate
în suspensie funcţie de specificul procesului tehnologic a dus la o
diferenţiere între procesele în care predomina efectul de sită şi
respectiv în care primează procese complexe ce se petrec la interfaţa
granulei sitei şi particula aflata în suspensie.
Din categoria filtrelor grosiere menţionam grătarele şi sitele.
Acestea servesc la reţinerea particulelor grosiere şi care dacă ar
ajunge în fazele superioare ale epurării ar deranja buna funcţionare a
întregului proces de epurare.
Grătarele servesc la reţinerea din apa a impurităţilor de mari
dimensiuni care ar putea duce la blocarea pompelor sau a vanelor.
97
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Grătarele sunt de fapt o reţea de bare cu grosimi cuprinse între
0,8 – 1,2 cm aşezate la o distanţa între ele de 1,2 – 6 cm şi poziţionate
înclinat la 30 – 900 grade faţa de orizontală. Viteza de intrare a apei
pe grătare este de 0,3 – 1 m / sec. Datorită faptului că materialele
plutitoare rămân depuse pe grătare, acestea trebuie periodic curăţate,
pentru a nu obtura grătarul.
Sitele sunt utilizate pentru reţinerea suspensiilor de dimensiuni
mijlocii şi se caracterizează prin mărimea ochiului sitei ce depinde de
dimensiunea suspensiilor ce doresc a fi reţinute. De regulă sunt
realizate din plase de sârmă din oţel inoxidabil sau cupru, dar pot fi
şi site din tablă găurită. Si aceste site trebuiesc curăţite periodic
pentru că altfel depunerile obturează orificiile şi scade debitul apei
spre staţia de epurare.
Cele mai fine particule aflate în suspensie în apele uzate sunt
reţinute de către filtre. Cele mai utilizate sunt filtrele care au ca si
materiale de filtrare granule de diverse materiale şi dimensiuni. Cele
mai simple filtre sunt cele ce au ca şi material filtrant nisipul cuarţos,
se pot utiliza şi alte materiale atunci când se doreşte reţinerea doar a
unor anumite substanţe în suspensie.
Din punct de vedere al vitezei de trecere al apei prin filtru vom
avea:
Filtre lente cu viteze de filtrare de cuprinse între 0,1 şi 0,6
m/h;
Filtre rapide cu viteza de trecere a apei prin filtru cuprinsă
între 3 şi 6 m/h.
Filtrele din punct de vedere al presiunii fluidului pot fi de doua
categorii şi anume:
Filtre cu presiune;
98
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Filtre cu presiune atmosferică.
Având în vedere ca filtrele după o anumită perioadă de
funcţionează se colmatează, respectiv porii din filtru sunt obturaţi de
către suspensiile depuse, este necesară atunci când pierderea de
sarcina pe filtru este prea mare să se procedeze la curăţirea filtrului.
5.5.5. Separarea particulelor în suspensie prin flotaţie
Flotaţia este procedeul tehnic de eliminare a particulelor fine
aflate în suspensie într-un lichid cu ajutorul bulelor de aer introduse
forţat în lichid. In general în cazul apelor uzate menajere, aplicarea
acestui procedeu fără adaosuri de coagulanţi nu a dat rezultate
semnificative, în schimb în cazul apelor ce conţin grăsimi, cum sunt
apele uzate de la fabricile de ulei, de la procesarea cărnii, fabrici de
săpun, de conserve etc, rezultatele au fost remarcabile reducându-se
mult volumul nămolurilor în decantoare.
De asemenea aceasta tehnologie se poate aplica la îndepărtarea
uleiurilor din apele uzate din industria metalurgica şi din industria
celulozei şi hârtiei.
Trebuie să precizam faptul că înainte de aplicarea procedeului
trebuie realizate o serie de teste pentru a evalua eficacitatea
procedeului şi pentru a alege metoda de epurare.
Flotaţia ca procedeu tehnologic se aplica în două variante
funcţie de densitatea particulelor. Dacă particulele au o densitate
mare, cum este cazul minereurilor, flotaţia este posibilă numai dacă
granulaţia materialului este sub diametrul de 0,4 mm. Pentru acest tip
de particule trebuie sa se lucreze cu bule mari de aer, cu diametrul
bulei de peste 2 mm, de care trebuie să adere bulele. Pentru a sigura
aceasta aderenţă se adaugă anumite substanţe care se fixează pe
99
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
suprafaţa particulelor le fac hidrofobe, fapt ce are ca efect eliminarea
acestora din masa de apa la suprafaţa de separaţie apă – aer - particulă
solida, (apa nu le mai umectează), şi astfel sunt ridicate la suprafaţa
apei de către bulele de aer. Având în vedere riscul ca bulele sa se
spargă şi particula să cadă din noul pe fundul bazinului, se mai
introduce în apa uzată un spumant, care are rolul de a menţine spuma
în care se găsesc particulele mai mult timp la suprafaţa apei. Spuma
trebuie mereu îndepărtata de pe suprafaţa bazinului. In figura 5.6 este
prezentată schema de principiu a flotaţiei pentru particule grele si
pentru particule uşoare.
Fig. 5.6. Schema flotaţie pentru particule solide
a) – particule grele; b) – particule uşoare
Procedeul de flotaţie pentru particule grele este relativ costisitor şi ca
urmare trebuie aplicat doar acolo unde particulele reţinute au o
valoare economica ridicată, sau sunt toxice. In caz contrar se prefera
decantare acestora în bazine decantoare.
In cazul particulelor uşoare, când o singura bulă de mică
dimensiune poate ridica particula este preferabil ca simultan sa se
realizeze şi o coagulare a particulelor si obţinerea unor particule mai
mari si mai uşor de separat. In acest sens este necesara introducerea
de substanţe floculante care pe de o parte aglomerează particulele şi
astfel reducându-le numărul, uşurând separarea acestora şi pe de altă
parte structura relativ afânata a acestor flocoane permite alipirea
100
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
uşoara a bulelor de gaze de ele şi ridicarea flocoanelor la suprafaţa
apei.
Fig. 5.7. Realizarea flotaţiei suspensiilor fine utilizând
substanţe floculante şi bule fine de aer.
a) - ridicarea particulei de către bula de aer ce a aderat ( I –
bulele sunt prea mici pentru a ridica particula, II - bule mai
mari ce asigura ridicarea particulei; b) - ciocnirea bulei de aer
cu particula ( I ) şi ridicarea particulei de catre bula ce a aderat
la particulă ( II ); c) – intrarea bulei de aer în floconul format;
d) – intrarea bulei de aer în interiorul floconului.
In figura 5.7. este prezentata modalitatea de realizare a
flotaţiilor suspensiilor particulelor uşoare utilizând substanţe
floculante şi bule fine de aer.
101
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Producerea bulelor în apele uzate se poate realiza prin mai
multe procedee, cel mai utilizat procedeu este acela dea a introduce
sub presiune aer printr-un sistem de duze sau plăci poroase plasate pe
fundul bazinului. De regula apele uzate cu foarte mici excepţii conţin
particule uşoare şi ca urmase se lucrează cu bule mici de aer, foarte
rar bule peste 1 mm diametru.
Cel mai frecvent se utilizează insuflarea , respectiv barbotarea
apei în instalaţiile pentru separarea grăsimilor. Separatoarele de
grăsimi cu insuflare de bule au în general doua zone de lucru şi
anume o zona turbulentă, respectiv zona de aerare şi o zona de
liniştire a apei în care are loc separarea particulelor. In figura 5.8 este
prezentat principiul de funcţiune a unui separator de grăsimi model
Imhoff. Grăsimile se ridica la suprafaţa apei de unde sunt periodic
sau în mod continuu evacuate.
Fig.5.8. Separator de grăsimi cu insuflare de bule fine
a) – secţiune transversală; b) –secţiune longitudinală; 1- intrarea
apei , 2 –difuzoare pentru insuflarea bulelor de aer; 3- ieşire
apă.
Utilizarea acestui procedeu de separare cu bule fine nu se
recomanda în totdeauna ca urmare a faptului că o data cu grăsimile
se pot ridica la suprafaţa apei şi alte particule care au aderat la
grăsimi şi care sunt ulterior mai greu de separat din grăsimi.
102
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Un procedeu mai evoluat de separare a particulelor fine este cel
ce utilizează şi vidul. In figura 5.9. este prezentat principiul de
funcţionare a unei instalaţii de flotaţie în vid tip „Vacuator” produs de
firma„Dorr”.
Fig. 5.9. Scheme instalaţiei de flotaţie tip „Vacuator”
a)- scheme generala a instalaţiei; b)- secţiune prin camera de
vidare; 1 – intrare apa; 2- compartiment admisie apă; 3-
compartiment pentru aerarea apei; 4- compartiment pentru
eliminarea bulelor mari; 5- camera vidată; 6- compartiment de
închidere hidraulica pentru evacuarea apei; 7- evacuare apă; 8-
conductă cu închidere hidraulica pentru evacuarea suspensiilor
concentrate la suprafaţa apei; 9- conductă pentru evacuarea
nămolului sedimentat pe fundul bazinului vidat; 10- conductă
pentru intrarea apei în incinta vidata; 11- conductă aspiraţie aer;
12- pod raclor pentru colectarea spumei ce conţine suspensii;
13- pod raclor pentru curăţitul fundului incintei vidate; 14 –
perete separator.
Aceasta metodă constă în introducerea de aer în apa uzata până
la nivelul saturaţiei, după care apa este introdusă într-un spaţiu închis
care va fi depresurizat. In această situaţie aerul dizolvat în apa se
103
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
degajă sub forma unor bule extrem de fine care asigură flotaţia
substanţelor aflate în suspensie. De regula acest procedeu se aplică
apelor uzate din industria prelucrării cărnii şi a conservelor.
Avantajul metodei este dată de faptul că ridicarea bulelor se face fără
turbulenţă, fapt ce previne spargerea flocoanelor, dar prezintă
dezavantajul că staţionarea apei asigura condiţiile pentru
sedimentarea particulelor grele şi ca urmare se impune curăţirea
periodica a fundului bazinelor prin utilizarea de racloare de fund.
Depresiunea utilizata este relativ redusă, fiind cuprinsă între
0,35 şi 0,3 atm. şi ca urmare consumurile energetice sunt relativ
reduse.
Faptul că utilizarea vidului prezintă unele inconveniente, a dus
la căutarea şi a altor metode de flotaţie, dintre care se remarcă
metoda ce utilizează suprapresiunea aerului. In principiu procedeul
constă în introducerea apei într-o incintă în care se introduce aer sub
presiune. Datorită presiunii ridicate aerul se dizolvă în cantitate mult
mai mare în apa uzată. La deschiderea bruscă a unei supape presiunea
scade brusc şi în aceste condiţii aerul dizolvat în apa uzată din camera
de flotaţie este eliminata sub formă de bule extrem de fine. Această
metoda de flotaţie se numeşte „flotaţie cu suprapresiune” şi este
utilizată în mod deosebit la recuperarea fibrelor celulozice din apele
reziduale de la fabricile de celuloza şi hârtie.
Astfel de tipuri de instalaţii de flotaţie cu suprapresiune se
utilizează şi la separarea suspensiilor din apele uzate de la rafinării.
Realizarea suprapresiunii de aer în apa uzata se poate face prin
mai multe moduri. Astfel aerul poate fi introdus o dată cu apa prin
aspiraţie sau aerul poate fi pompat sub presiune în apa uzată aflată
într-o incintă închisă. Indiferent de mod trebuie să existe un sistem
104
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
pentru eliminarea bulelor mari. In funcţie de natura suspensiilor se
por introduce în apă diverşi reactivi şi floculanţi pentru creşterea
eficienţei procesului.
Astfel în figura 5.10. este prezentata o astfel de instalaţie după
un sistem conceput de Gibbs şi Barry.
Fig.5.10. Instalaţie de flotaţie cu suprapresiune tip Gibbs
1- intrare apă brută; 2- conductă pentru adăugare reactivi; 3-
recipi ent pentru amestecare; 4- agitator; 5- conductă apa uzata cu
bule de aer; 6- compartiment cilindric pentru floculare; 7- pompă; 8-
racord pentru aspiraţia aerului; 9- ieşire apă tratată; 10- raclor la
suprafaţa apei pentru colectarea suspensiilor; 11- sistem de evacuare
a suspensiilor colectate.
Dimensiunea acestor instalaţii asigura tratarea a circa 6 – 12
m3 de apa uzata. Durata procesului este de circa 10 -20 minute.
Cantitatea de aer ce trebuie introdusa în apa uzată depinde de gradul
de încărcare apei, dar de regulă este cuprinsă între 10 şi 100 litri de
aer la 1 m3 de apă uzată. Presiunea de lucru este cuprinsă între 1 şi 4
105
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
atm., iar consumul energetic este cuprins între 0,05 şi 0,25 kWh /m3
de apă uzată.
Utilizarea acestor procedee de flotaţie la separarea unor
particule în suspensie se recomandă mai puţin pentru apele menajere
uzate pentru că în absenţa unor aditivi efectul flotaţie este minor şi nu
se justifica din punct de vedere economic, dar se recomanda pentru
îngroşarea nămolurilor. Cele mai bune rezultate s-au obţinut în
industria alimentara, unde s-a obţinut o diminuare a compuşilor
organici din apele uzate cu până la 80 – 90 %.
Metoda este utilizată şi la îndepărtarea uleiurilor uzate din apele
uzate industriale din industria metalurgica, industria celulozei şi
hârtiei, rafinăriile de petrol, precum şi la tratarea apelor uzate
provenite din şantierele navale şi de la spălarea tancurilor petroliere.
Pentru asigurarea eficienţei maxime a procedeului se impune
experimentări de laborator atât sub aspectul utilizării aditivilor, a
floculanţilor, precum şi sub aspectul debitului şi a presiunii aerului.
In anumite cazuri adoptarea flotaţiei ca variantă de modernizare
a staţiei de epurare poate constitui o soluţie pentru creşterea eficienţei
procesului de epurare, sau pentru creşterea capacităţii de epurare.
5.5.6. Separarea unor substanţe prin extracţia
Extracţia este un procedeu de separare a unor substanţe dintr-un
lichid pe baza diferenţei de solubilitate a componenţilor aflaţi într-un
amestec de două sau mai multe componente în raport cu un anumit
solvent sau mai mulţi solvenţi. Procedeul se alica la epurarea apelor
industriale uzate mai ales atunci când componentul care trebuie
separat poate fi valorificat. Este de exemplu cazul recuperării
fenolului din apele reziduale de la cocserii. De asemenea sunt cazuri
106
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
în care scopul este acela de a extrage anumite substanţe toxice din
apele uzate în vederea distrugerii şi astfel se reduce riscul poluării
mediului prin deversarea apei uzate în emisar.
Principiul extracţiei lichid – lichid poate fi explicat în felul
următor: dacă notăm cu „A” componenta majoritară, respectiv apa, cu
„B” componentul ce trebuie extras, cu „S” solventul utilizat la
extracţie şi cu litere mici cantităţile acestor componenţi dar în procent
mic, aflate în diferitele faze ale procesului, atunci putem prezenta
schema de principiu al extracţiei astfel:
(A+B) + S = [(A – a ) + b + s] + [a + (B – b) + (S - s)]
amestec rafinat extract
Amestecul omogen de apă uzată din care dorim să extragem
componentul B este pus în contact cu solventul selectiv S , în care
apa, respectiv componentul A are o solubilitate mică în comparaţie cu
componentul ce dorim să-l extragem B care are o mare solubilitate.
După amestecarea solventului cu apa uzată se lasă timp pentru
sedimentare şi se formează două straturi şi anume:
Rafinatul, care conţine aproape întreaga cantitate din
componentul A, respectiv apă, precum şi mici cantităţi din
componentul b si din solventul s;
Extractul, care conţine mici cantităţi de apa, respectiv
componentul a, cea mai mare parte din componentul B şi
cea mai mare parte din solventul S.
După separarea celor două lichide prin diverse procedee se trece
la recuperarea solventului, de regulă prin distilare, obţinându-se
separat solventul S şi substanţa separată B. Se ajunge astfel la
următoarea rezultat final:
(A + B) = [(A – a) + b] + [a + (B – b)]
107
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
amestec iniţial fracţiune bogată în A(apă) fracţiune bogata în B
In figura 5.11. este prezentată schematic principiul de lucru a
extracţiei simple.
Fig. 5.11. Schema principiala a extracţiei simple
Aprecierea eficacităţii procesului de extracţie se face utilizând
coeficientul de selectivitate şi constanta de distribuţie.
Constanta de distribuţie K este raportul dintre concentraţiile
unuia dintre componenţi în extract faţă de aceea a concentraţiei din
rafinat, atunci când acestea sunt în contact în condiţii de echilibru.
Concentraţiile se exprima de regula în mg/l, moli/l sau chiar în
procente de masa sau fracţie molară.
De regula notaţiile se fac cu x pentru substanţa din rafinat şi cu
y din extract. De exemplu pentru componentul B din apa uzată,
constanta de distribuţie se calculează cu relaţia:
108
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Constanta de distribuţie nu depinde de concentraţia soluţiei doar
dacă soluţiile sunt diluate, solvenţii sunt nemiscibili, compusul B nu
se disociază, nu se asociază nu dă reacţii chimice în soluţia în care se
găseşte.
In practică se utilizează o diagrama, numită diagrama x – y,
care se realizează de regula pe baza unor experimente sau teoretic pe
baza constantelor fizico – chimice ale substanţelor. In diagramă
figurează curba de echilibru precum şi o linie de operaţie, care
corespunde condiţiilor reale în care decurge procesul de extracţie,
întrucât în practică nu se poate decât foarte greu să se stabilească
condiţiile de echilibru.
Fig.5.12. Diagramele x – y pentru un component
Linia de operaţie ( fig.5.12.) este determinată de următoarea
expresie:
109
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
In formula de mai sus avem următoarele notaţii:
yi şi yf sunt concentraţiile iniţiale, respectiv finale în solvent a
componentului ce se extrage din soluţie, în mg / l;
xi şi xf sunt concentraţiile iniţiale şi finale în amestecul ce
trebuie epurat( apa uzată) a componentului B care trebuie extras, în
mg / l;
A – debitul de apă uzată, în l / sec;
S – debitul de solvent, în l / sec.
Al doilea element ce caracterizează procesul de extracţie este
selectivitatea, notată cu care reprezintă raportul constantelor de
distribuţie pentru cei doi componenţi din amestec atât în extract cât şi
în rafinat.
Dacă valoarea lui > 1 , atunci solventul este selectiv pentru
componentul B şi deci poate fi utilizat cu bune rezultate.
Procesul de separaţie prin extracţie este puternic influenţat de
temperatură, pentru că sunt cazuri în care două lichide nemiscibile la
temperaturi scăzute devin miscibile la temperaturi mai ridicate.
Pentru a se vedea cum se comportă aceste lichide la diferite
temperaturi trebuie realizate experimente care să ducă la stabilirea
temperaturii optime al procesului de extracţie.
O altă problemă importantă este alegerea solventului. Criteriile
de alegere a solventului sunt următoarele:
Să aibă o solubilitate redusă în apă;
Să aibă o constantă de distribuţie ridicata faţă de impuritatea
care trebuie extrasă;
Să aibă o densitate cât mai diferită faţa de cea a apei;
110
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Să nu formeze emulsii cu apa;
Să nu hidrolizeze sub acţiunea apei, a acizilor sau bazelor;
Să aibă o temperatură de fierbere mult diferită de a apei;
Să fie stabil la variaţii ale temperaturii;
Să fie cât mai ieftin.
Dintre cele mai uzuali solvenţi amintim: benzenul, clorbenzenul,
eter etilic, alcoolul butilic, acetatul de etil, eter izopropilic,
fenosolvanul etc.
In practică s-au dezvoltat o serie de procedee de extracţie mai
complexe, care sa asigure un randament ridicat şi costuri cât mai
reduse, Dintre procedeele cele mai întâlnite amintim:
Extracţia simplă cu un singur contact ( vezi fig. 5.11.);
Extracţia simpla cu contact multiplu ( vezi fig. 5.13.);
Extracţia cu contact multiplu în contracurent (vezi fig. 5.14.);
Extracţia simplă cu un singur contact, constă practic în agitarea
intensa a apei uzate în care s-a introdus un solvent specific pentru
substanţa care trebuie extrasă, urmata de o decantare, pentru ca cele
doua lichide să se separe în două straturi distincte. Extractul este
separat din apa uzată, iar prin distilare solventul este recuperat şi este
din nou folosit pentru extracţia compusului din apa uzată.
Extracţia simplă cu contact multiplu este practic o extracţie
simplă cu un singur contact care se repeta de mai multe ori. La
fiecare repetare a procesului se adaugă solvent proaspăt. Cu cât
operaţia se repeta de mai multe ori se consuma mai mult solvent, dar
se realizează o mai intensa purificare a apei uzate. Procedeul poate
funcţia în regim continuu sau în şarje periodice.
111
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Fig.5.13 Extracţia simplă cu contact multiplu
Extracţia cu contact multiplu în contracurent permite o mai
raţională folosire a solventului, fapt ce reduce substanţial consumul
de solvent. Principiul de funcţionare este următorul: apa uzata este
introdusă în prima unitate de extracţie, iar solventul proaspăt în
ultima unitate. Apa parţial epurată şi extractele parţiale circulă în
sensuri contrare. Calitatea procedeului depinde în cea mai mare
măsura de nemiscibilitatea solventului în apa uzată, în sensul că cu
cât solventul este mai nemiscibil cu atât procesul de separare este mai
performant.
112
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Fig. 5.14. Extracţia cu contact multiplu în contracurent
In timp s-au perfecţionat procedeele de extracţie, în dorinţa de a
scădea costurile procesului şi a creşte calitatea extracţie. Un astfel de
procedeu este extracţia diferenţiala în contracurent, care în principiu
funcţionează nu ca un sistem distinct de unităţi de extracţie ci ca un
sistem în care atât apa uzată cât şi solventul circulă în contracurent
pe baza diferenţei de densitate. Transferul impurităţilor din apa uzată
în solvent se face în mod continuu, diferenţa de concentraţie este
113
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
elementul motor care determina transferul poluantului din apa uzată
în solvent.
5.5.7. Procesul de adsorbţie
Adsorbţia este procesul de epurare care are la bază fenomenul
de reţinere pe suprafaţa unui corp a moleculelor unei substanţe
dizolvate în apă. Material care realizează adsorbţia poate fi un solid
sau lichid şi poartă denumirea de adsorbant, iar substanţa care este
reţinută din apa uzată se numeşte adsorbat.
Procedeul este utilizat pentru purificarea unor produse sau
pentru reţinerea unor substanţe dintr-un lichid. După reţinerea
substanţelor de regulă prin încălzire în cazul substanţelor solide sau
prin extracţie în cazul substanţelor lichide, adsorbantul îşi recapătă
aproape integral proprietăţile şi deci poate fi folosit din nou. Acest
procedeu prezintă avantajele următoare:
Se pot reţine substanţe aflate în concentraţii mici;
Adsorbanţii au selectivitate pentru anumite substanţe.
Procesul de adsorbţie este caracterizat prin indicatorul numit
echilibru de adsorbţie, care exprimă repartiţia cantitativă la echilibru
a substanţei adsorbite între adsorbant şi soluţia care conţine substanţa
respectivă, precum şi prin indicatorul cinetica de adsorbţie, care
urmăreşte mecanismul procesului şi viteza cu care se desfăşoară
procesul.
Elementul principal al dimensionării procesului de adsorbţie
este izoterma de echilibru, care exprima raportul de distribuţie a
substanţei care trebuie adsorbită între adsorbant şi mediul din care se
face adsorbţia la o anumita temperatură data şi după un timp
suficient de mare pentru stabilirea echilibrului.
114
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
In figura 5.15. este prezentată izoterma de adsorbţie a fenolului
pe cărbune activ, la temperatura ambiantă.
Fig.5.15 Izoterma de adsorbţie a fenolului pe cărbune activ,
la temperatura ambiantă
Fenomenul de adsorbţie a fost mult studiat căutându-se relaţii
care să exprime condiţiile de echilibru ale procesului. Astfel au apărut
o serie de teorii care s-au concretizat în ecuaţii. Astfel Langmuir a
emis teoria care consideră că adsorbantul formează pe suprafaţa
absorbantului un strat monomolecular şi a ajuns la următoarea
expresie pentru izotermă, numită şi izoterma lui Langmuir:
In ecuaţia de mai sus avem următoarele notaţii:
a este cantitatea de adsorbat reţinut pe un gram de adsorbant la
concentraţia de echilibru C, în moli / g;
C este concentraţia adsorbantului în soluţie (apă) la echilibru, în
moli / l;
am este cantitatea maximă de adsorbant reţinută pe un gram de
adsorbant pentru a forma un strat monomolecular, în moli / g;
b este o constantă referitoare la energia de adsorbţie.
115
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Tinând seama de unele teorii cu privire la mecanismul
adsorbţiei dar în principal pe baza unor experimente Freundlich a
propus o ecuaţie a izotermei care se verifică practic şi are următoarea
expresie:
iar pentru viteza de adsorbţie:
In cele două expresii avem următoarele notaţii:
a este cantitatea adsorbită pe un gram de adsorbant, în g / g;
t este durata procesului de adsorbţie în secunde;
k este coeficientul de viteză;
C este concentraţia adsorbantului în faza fluida în mg / l;
Ce este concentraţia adsorbantului în faza fluidă în condiţii de
echilibru, în mg / l.
Datorita faptului ca nu a fost cercetat suficient din punct de
vedere teoretic acest proces, aplicarea în practica a procedeului se
bazează mai mult experimente practice. O serie de experimente s-au
realizat pe cărbune activ în vederea reţinerii unor substanţe organice
aflate în apele uzate. După lungi experimente s-a ajuns la următoarea
concluzie:
Capacitatea de adsorbţie este puternic influenţată de greutatea
moleculara a substanţei reţinute, în sensul că creşte cu
aceasta;
Creşterea temperaturii duce la micşorarea capacităţii de
adsorbţie;
Scăderea pH-ului apei are ca efect o creştere a capacităţii şi a
vitezei de adsorbţie;
116
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Capacitatea de adsorbţie creşte o data cu micşorarea
granulaţie adsorbantului;
Capacitatea de adsorbţie creşte o data cu creşterea perioadei
de contact între adsorbant şi adsorbat, deci condiţiile statice
favorizează procesul.
Ca materiale adsorbante fie pentru gaze sau pentru lichide se
utilizează o mare diversitate, funcţie de afinitatea faţa de substanţele
ce trebuiesc reţinute şi funcţie de costul acestor materiale. Este de
dorit ca granulaţia acestor substanţe să fie cât mai mica pentru a avea
astfel la o aceeaşi greutate o suprafaţa de contact cât mai mare.
Pentru epurarea apelor uzate se utilizează încă de foarte mult
timp ca materiale adsorbante cărbunele activ, cocsul granulat, cenuşi
de la furnale, de la centralele de termoficare, cărbune fosil, talaş,
rumeguş, diverse minerale granulate, cum sunt calcarul, dolomita etc.
Cel mai bun material adsorbant este cărbunele activ, care se
obţine prin încălzirea la temperaturi ridicate în spaţii închise a unor
materiale din categoria resturilor vegetale, cum ar fi coji de nucă,
sâmburi de fructe, cu sau fără adaosuri de substanţe minerale, cum ar
fi clorura de zinc, de magneziu sau calciu sau acidul fosforic, urmata
de un proces de activare prin tratare cu vapori de apa, oxizi de
carbon, clor, sau aer. Cărbunele activ este sub formă granulară cu un
diametru cuprins între 1 – 6 mm, sau sub formă de pulbere cu
diametrul cuprins între 0,1 şi 0,5 mm.
Procedeul se aplică de regula la epurarea apelor uzate, pentru
îndepărtarea din apa a unor impurităţi în concentraţii scăzute şi care
au rămas în apă după aplicarea celorlalte procedee şi când se impune
un grad ridicat de epurare.
După modul de aplicare a adsorbţiei putem avea doua situaţii:
117
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Adsorbţia statică;
Adsorbţia dinamică.
Adsorbţia statică se considera ca fiind aceea in care materialul
adsorbant sub formă de praf sau granulara este introdusă în apa uzată,
care apoi este agitată o anumită perioada de timp, după care
adsorbantul este separat prin sedimentare sau filtrare şi apoi
adsorbantul este regenerat.
Fig.5. 16 Schema instalaţiilor de adsorbţie în regim dinamic
a) instalaţie cu trei coloane de adsorbţie; b) instalaţie cu o
coloană de adsorbţie.
Procedeul de adsorbţia dinamică ( vezi fig.5.16.) este numită
astfel întrucât apa cu impurităţi străbate în mod continuu un strat fix
de adsorbant, stat mobil sau strat în suspensie.
Cele mai multe instalaţii de acest tip au un strat de cărbune activ
de o înălţime cuprinsă între 1 şi 3 metri, iar granulaţia cărbunelui este
cuprinsa între 0,5 şi 2,5, mm. Practic aceste instalaţii funcţionează ca
118
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
nişte filtre ce pot fi deschise, deci cu presiune atmosferică sau închise
cu suprapresiune.
Pentru prelungirea duratei de utilizare a materialului adsorbant
se recomanda aplicarea metodelor clasice de epurare şi doar în final
să se utilizeze acest procedeu. Datele practice arată că un astfel de
filtru de cărbune activ poate reţine circa 5 % din greutatea sa
substanţe toxice. Cărbunele activ după utilizare poate fi regenerat
prin metode termice, respectiv încălzire la o temperatură de 925 0 C
într-o atmosfera formată din 66% aer şi 34 % vapori de apa, dar după
circa 10 astfel de regenerări capacitatea de adsorbţie a cărbunelui a
scăzut la 50 %.
Pentru alegerea celei mai economice metode de aplicare a
metodei de adsorbţie este necesar efectuarea unor experimentări
pentru obţinerea optimului, fapt ce ar asigura costurile minime.
5.5.8. Epurarea apei prin distilare
Procedeul este cunoscut de mult timp şi constă în transformarea
prin încălzire a apei în vapori şi apoi condensarea vaporilor. Datorita
faptului că în general impurităţile dizolvate în apă, de natură minerală
sau organică au o volatilitate mult mai redusa decât a apei se obţine o
apă de bună calitate, dar cu costuri mai ridicate. Dacă în viitor se vor
găsii surse de energie ieftine sau regenerabile atunci probabil că
procedeul va lua o mare amploare.
Prin distilare se îndepărtează şi microorganismele din apa uzată.
In zonele globului unde este lipsa de apa procedeul se aplica la
obţinerea apei potabile din apa mărilor, dar cu costuri încă ridicate.
Dacă se fac eforturi pentru recuperarea căldurii din vapori în faza de
condensare se pot reduce mult costurile energetice cu acest procedeu.
119
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Deocamdată procedeul se aplica doar în zonele cu mare deficit
de apa si unde apa este extrem de scumpă.
5.5.9. Epurarea apei prin îngheţare
Procedeul se bazează pe faptul că la îngheţarea apei,
impurităţile se separa într-o soluţie reziduală, iar cristalele de gheaţă
formate sunt constituite din apă aproape pură.
Fazele procesului sunt prezentate în figura 5.17
Fig.5.12. Fazele procesului de epurare prin îngheţare
Procesul se desfăşoară după următoarele etape: răcirea bruscă a
apei până la punctul de îngheţare, cu producerea de cristale solide de
gheaţă, urmată de separarea cristalelor şi topirea acestora cu apa
curată.
O variantă a acestui procedeu de epurare prin îngheţare este cel
referitor la formarea de hidraţi. Această tehnologie se bazează pe
proprietatea unor substanţe, cum sunt hidrocarburile cu greutate
120
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
moleculara mică sau derivaţi lor hidrogenaţi, de a forma cu apa la
temperaturi joase combinaţii solide în care moleculele unuia dintre
componenţi sunt prinse în reţeaua cristalină a celuilalt. Ca şi în cazul
cristalelor de apă şi aceste substanţe sau combinaţii ale acestora nu
includ în reţeaua lor decât apa lipsita de impurităţi. După separarea
cristalelor astfel formate de lichidul cu impurităţile rămase se trece la
topirea cristalelor formate si astfel se obţin două lichide nemiscibile,
apa si respectiv hidrocarbura care se poate separa relativ uşor.
Avantajul metodei este faptul că obţinerea de astfel de cristale se
poate face şi la temperaturi mai ridicate decât temperatura de
îngheţare a apei. De exemplu în cazul folosirii ca agent de hidratare a
propanului, temperatura la care se formează cristalele este +5, 7 0C în
loc de 0 0C, cât este pentru apă.
Procedeul s-a aplicat pentru desalinizarea apei sau pentru
epurarea superioara a unor ape uzate, după treapta biologică şi au dat
rezultate extrem de bune.
5.5.9. Epurarea apelor uzate prin spumare
Este o metoda relativ simplă pentru epurarea apelor uzate şi
constă în insuflarea de aer comprimat în apa uzată şi formarea de
spumă în care se acumulează o serie de impurităţi. Procesul este
influenţat pozitiv de introducerea în apa a unor substanţe tensoactive,
care asigură formarea uşoara a spumei şi menţinerea un timp mai
îndelungat.
Daca apele conţin aceste substanţe tensoactive, cum sunt
detergenţii sau proteinele în descompunere, atunci procesul se
desfăşoară fără a necesita adaosuri suplimentare. După separarea
spumei acesta conţine cantităţi însemnate de impurităţi.
121
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Procedeul este aplicat experimental în Statele Unite ale
Americii şi în Franţa şi a contribuit la scăderea cantităţii de substanţe
organice din apă, uşurând astfel faza de epurare biologică.
Consumul de aer comprimat este de circa 3,7 – 7,5 l / litru de
apă uzată. Se remarca faptul ca în urma spumării concentraţia în
substanţe minerale a rămas nemodificată.
5.5.10. Separarea poluanţilor cu ajutorul membranelor
In procesele de epurare a apei, membrana este definită ca fiind o
faza ce acţionează ca o bariera pentru anumite molecule sau ioni din
apa, prin membrană putând trece în general numai moleculele de apa.
Membrane pot fi constituite din următoarele materiale:
Materiale solide (membrane consistente);
Geluri îmbibate cu diferiţi solvenţi;
Lichide imobilizate în materiale poroase şi rigide.
Practic astăzi s-au realizat forte multe tipuri de membrane şi
care au o mare permeabilitate pentru anume molecule sau ioni, deci
sunt membrane permeoselective. Cele mai multe instalaţii de acest
gen sunt utilizate pentru obţinerea apelor potabile de regula din apa
mărilor şi oceanelor, dar se utilizează şi pentru epurarea apelor.
Dintre metodele practice ce utilizează separarea prin
membrană amintim următoarele:
Osmoza;
Osmoza inversă;
Ultrafiltrarea;
Electrodializa.
Din punct de vedere teoretic separarea prin membrane se
bazează pe faptul că în soluţie ionii substanţelor ionice sau ioni
122
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
formaţi prin ruperea unei molecule polare sunt hidrataţi astfel încât
volumul ionilor hidrataţi este mult mai mare decât volumul unei
molecule de apă, sau chiar a moleculelor de apă asociate prin legături
de hidrogen. Prin porii unei membrane semipermeabile (de
dimensiuni moleculare) vor putea trece moleculele de apa, dar nu vor
putea trece ionii hidrataţi.
Osmoza şi osmoza inversă
Fenomenul de osmoză apare în cazul soluţiilor apoase, când
între cele două soluţii diferite ca şi concentraţii se plasează o
membrana semipermeabilă şi când apa va trece prin membrană din
soluţia mai diluată spre soluţia mai concentrată.
Acest proces, cunoscut sub denumirea de osmoză încetează în
momentul în care presiunea hidrostatică care se exercită asupra
soluţiei mai concentrate atinge o anumita valoare de echilibru numită
presiune osmotică. Presiunea osmotică variază proporţional cu
concentraţia substanţei dizolvate în apă şi cu temperatura.
Procesul normat de osmoză poate fi inversat dacă asupra
soluţiei concentrate se va exercita o presiune mai mare decât
presiunea osmotică. In acest caz se produce, datorita presiunii
exterioare mari, o circulaţie a apei în sens invers. Astfel, dintr-o apă
bogată în săruri se poate obţine o apa curată. Procedeul este utilizat
astăzi pentru obţinerea apei potabile din apa marilor. In figura 5.13
este prezentat schematic procesul de osmoză şi de osmoză inversă.
123
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Fig.5.13 Schema de principiu a osmozei şi osmozei inverse
a)- osmoza normală; b)- echilibru osmotic; c)- osmoza inversă
1- compartiment apă curata; 2- compartiment apa impurificată;
3- membrana permeabilă la apă.
Primul material folosit la confecţionarea membranei
semipermeabile a fost acetatul de celuloză (un tip de celofan).
Ulterior s-au obţinut membrane semipermeabile din materiale
polimerizate stabile, respectiv din poliamide, esteri micşti de acetat -
butirat de celuloză, amestecuri de acetat şi nitrat de celuloză. In
prezent se obţin membrane ce permit eliminarea substanţelor
dizolvate mai ales a ionilor în proporţie de peste 95%.
Membrane folosite pentru osmoza sunt foarte subţiri (circa 0,2
m) şi au o fragilitate ridicată. Membranele utilizate la osmoza
inversă sunt supuse unor presiuni de lucru relativ mari de circa 20 –
100 bar, fapt ce ridica o serie de dificultăţi legate de etanşarea
membranelor, de asigurarea durabilităţii membranelor şi evitarea
colmatării. In figura 5.14.este prezentat schematic principiul de
funcţionare o osmozei inverse pentru obţinerea apei potabile din apa
de mare.
124
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Fig.5.14 Procedeul de osmoză inversa pentru desalinizarea apei
Aplicaţiile osmozei inverse sunt recomandate pentru
următoarele situaţii:
Reducerea volumului de apă uzată prin obţinerea unei
concentrări mari a soluţiei în vederea depozitării acestor
substanţe sau a transportului;
Posibilitatea recuperării şi utilizării materialelor din soluţii;
Obţinerea apei potabilă în zonele fără apă dulce;
Separarea substanţelor toxice din apele uzate;
Obţinerea unor soluţii cu o concentraţie precisă în anumite
substanţe, soluţie ce poate fi folosită în procesele de
fabricaţie;
Acest procedeu de osmoza inversă este deocamdată mai puţin
utilizat la epurarea apelor menajere si mai mult la obţinerea apei
potabile şi la epurarea unor ape industriale. In figura 5.15 este
prezentata schematic o instalaţie industriala de osmoză inversă.
125
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Fig.5.15. Schema unei instalaţii de osmoză inversă
1- pompă de alimentare; 2- filtru; 3- pompă pentru creşterea
presiunii; 4- baterie pentru osmoză inversa; 5- rezervor de apă
curata; 6-turbină hidraulică pentru recuperarea energiei apei.
Ultrafiltrarea
Ultrafinisarea este un proces de separare a unor compuşi aflaţi
în soluţie lichidă utilizând membrane cu permeabilitate selectivă sub
influenţa unei diferenţe de presiune.
Membranele utilizate în acest procedeu se caracterizează printr-
o permeabilitate selectivă pentru anumiţi componenţi ai unei soluţii
lichide. Procedeul se aplică mai ales pentru a separa substanţe
dizolvate în lichide care au greutatea moleculară peste 500 şi care la
concentraţii mici au presiuni osmotice mici şi nu pot fi separate prin
osmoză.
Prin ultrafinisare se pot îndepărta din apă bacterii, viruşi,
amidon, proteine, pigmenţi din vopsele. Limita superioară a greutăţii
moleculare a substanţelor care pot fi reţinute prin ultrafinisare este de
126
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
circa 500.000, peste această limita separarea se face prin filtrare
clasică.
Principiul de funcţionare pe care se bazează acest procedeu este
sitarea selectivă în funcţie de diametrul particulelor substanţelor
poluante şi de diametrul porilor. Capacitatea de reţinere a particulelor
de către o membrană pentru o anumită substanţă depinde de
dimensiunea, forma şi flexibilitatea moleculelor ce constituire
membrana, precum şi de condiţiile de exploatare. In cazuri industriale
concrete membrane ce se utilizează la procesul de ultrafinisare
trebuie să manifeste reţinere selectivă pe un domeniul relativ îngust
de greutăţi moleculare şi un flux relativ mare de soluţie la o diferenţa
mică de presiune.
Din punct de vedere tehnico – economic procedeul se justifica
numai atunci când substanţele reţinute sunt foarte utile şi pot fi
valorificate, sau pentru cazul în care dorim eliminarea unor
microorganisme din apă.
5.5.11. Epurarea apelor prin schimb ionic
Acest procedeu de epurare se bazează pe proprietăţile unor
materiale care puse în contact cu o apa mineralizată, ce conţine săruri
sub forma de ioni, sunt capabile să schimbe ionii aflaţi în apă cu ioni
proveniţi din materialul din care este confecţionat. In industrie se
utilizează schimbători de ioni de două tipuri:
Schimbători de cationi numiţi cationiţi;
Schimbători de anioni numiţi anioniţi.
In practică cei mai utilizaţi schimbători de ioni sunt cei în stare
solidă. Principial modul în care se realizează schimbul ionic pentru
127
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
cazul reţinerii de cationi şi pentru cazul reţinerii de anioni este
prezentat mai jos.
demineralizare
2ZH + Ca++ --------------------------- Z2 Ca + 2H++
cationit regenerare cationit epuizat
demineralizare
2ROH + SO4 - - ----------------------- R2 SO4 + 2 OH-
anionit regenerare anionit epuizat
In ecuaţiile prezentate se eliberează în cazul cationiţilor ioni de
hidrogen şi în cazul anioniţilor ioni ai grupării OH. Reacţiile sunt
reversibile şi ca urmare prin tratarea schimbătorilor de ioni epuizaţi
cu acizi în cazul cationiţilor şi cu baze în cazul anioniţilor se reface
cationitul şi respectiv anionitul.
Dacă punem succesiv apa mineralizata în contact cu cantităţi
suficiente de astfel de schimbători de ioni se obţine o apă aproape
pură, iar daca ionii de H şi ionii de OH sunt în proporţii
corespunzătoare ei se combină şi formează apă.
Demineralizarea prin schimbători de ioni se aplica la obţinerea
apei utilizate în industria alimentară, dar procedeul se poate aplica si
la epurarea apelor industriale uzate în deosebi pentru reţinerea ionilor
de metale grele, care sunt deosebit de toxici.
Utilizarea acestei tehnici pentru epurarea apelor uzate sau la
demineralizarea apelor marine pe scară larga se poate justifica numai
în cazul în care în zona respectiva este un mare deficit de apa ce
poate fi potabilizată, sau s-a impus din motive de poluare reutilizarea
apei uzate în procesele de fabricaţie.
128
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Inconvenientul principal al metodei consta în faptul că în urma
epuizării şi regenerării materialelor utilizate la schimbătoarele de ioni
rezulta o serie de materiale toxice ce trebui depozitate în condiţii
ecologice.
5.5.12. Electrodializa
Electrodializa constituie un proces de separare prin membrane
cu permeabilitate selectivă la anioni şi respectiv la cationi.
Deplasarea acestora făcându-se sub acţiunea unui câmp electric ca
într-un proces de electroliză clasică. In figura 5.16. este prezentată
schema de principiu al procesului de electrodializă.
Fig. 5.16. Schema de principi al electrodializei
1- catod; 2 – anod; C- membrană permeabilă pentru cationi; A-
membrana permeabilă pentru anioni.
Prin migrarea ionilor spre catozi, respectiv spre anozi are loc
o scădere a concentraţiei de săruri în compartimentul central.
129
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
O astfel de celulă simplă nu este economică pentru că necesita
consumuri energetice mari în deosebi pentru deshidratarea ionilor la
depunerea pe electrozi. Dacă însă, cresc numărul de celule de
electrodializă, atunci consumul specific energetic se reduce, în sensul
că se modifica raportul între consumul de energie pentru
deshidratarea ionilor pe electrozi şi consumul de energie pentru
transportul ionilor. In practica se utilizează baterii de 50 – 400 de
astfel de celule de electrodializă. In figura 5.17 este prezentată
schema unei instalaţii de electrodializa cu mai multe compartimente.
Fig.5.17. Schema unei instalaţii de electrodializă
A- membrană permeabilă la anioni; C- membrană permeabilă
la cationi.
După cum rezulta din schema de principiu de funcţionare a
instalaţiei de electrodializă se introduce în fiecare compartiment apa
mineralizată, rezultând apa parţial demineralizata, respectiv produsul
dorit şi apa cu o concentraţie mai mare în săruri.
130
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
In practica din motive economice se obţine o apă parţial
demineralizată. Dacă demineralizarea este continuata la valori foarte
ridicate, atunci consumurile energetice cresc foarte mult şi procesul
devine practic o electroliză. Se considera un consum rezonabil cel ce
asigură o cantitate de substanţe mineral care sa permită ca apa sa fie
potabilă sau să poată fi utilizata în procesele de fabricaţie
S-au făcut încercări şi pentru utilizarea procedeului la
epurarea apelor menajere uzate, dar procedeul este costisitor şi în plus
trebuie în prealabil să fie îndepărtate din apa uzata toate substanţele
organice.
5.5.13. Oxidarea si reducerea compuşilor poluanţi din
apele industriale uzate
Oxidarea si reducerea sunt procese chimice în care substanţele
aflate în apele uzate sunt transformate prin schimb de atomi, în
substanţe mai puţin toxice sau mai uşor de separat.
Intru-cât din punct de vedere chimic un proces de oxidare
trebuie cuplat cu un proces de reducere, procesul se numeşte de oxi-
reducere.
Oxidarea.
Scopul oxidării în epurarea apelor uzate este de a converti
compuşii chimici nedoriţi din apele uzate în alţii care nu sunt atât de
toxici, sau se pot uşor îndepărta. In acest scop nu întotdeauna este
necesar oxidarea completă, de exemplu în cazul substanţelor organice
nu este necesara transformarea lor până la CO2 , H2 O şi alţi oxizi.
Oxidarea se aplică atât substanţelor anorganice ce conţin ioni
din categoria Mn2+ , S2- , CN- , SO3 2- etc., cât şi substanţelor de natură
organică, cum sunt: fenoli, aminele, acizi humici, şi diverse alte
combinaţii care au un caracter toxic , inclusiv bacteriilor.
131
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Oxidarea clasica cu oxigenul din aer decurge cu viteze relativ
mici şi depinde de temperatura, presiune şi concentraţia de oxigen.
Viteze mari de oxidare se obţin daca oxigenul se găseşte sub forma
activata, cum ar fi ozon, oxigen atomic, sau gruparea OH.
In cazul epurării apelor uzate urbane în faza epurării biologice,
oxidarea substanţelor organice se face utilizând bacterii, dar procesul
decurge lent şi ca urmare sunt necesare bazine de mari dimensiuni.
Pentru oxidarea chimică a impurităţilor de natură organică din
apele uzate provenite din industria alimentară, pentru ca procesul să
decurgă mult mai rapid se utilizează oxidanţi energici cum sunt
ozonul, clorul, săruri ale unor peracizi ca de exemplu permanganatul
de potasiu, dar care au preţ mai ridicat şi ca urmare nu se pot
recomanda din motive economice deocamdată pentru epurarea apelor
uzate urbane.
Faţă de alte procedee, oxidarea chimică prezintă avantajul că
poate fi aplicat atât la apele uzate industriale, dar şi la soluţii
concentrate, precum şi faptul deloc de neglijat, că o dată cu
impurităţile de natură organică sunt oxidate şi impurităţile de natură
anorganică cum sunt sulfurile, sulfiţii şi cianurile, dar şi
microorganismele din apă.
Dintre cele mai utilizate procedee de oxidare chimica în
procesele de epurare a apelor uzate amintim:
Insuflare de aer, ce conţine o cantitate însemnată de oxigen;
Folosirea de oxidanţi ce conţin oxigen activ: ozon, apă
oxigenată, radicali liberi – OH;
Oxidarea accelerată cu oxigen molecular, bazată pe reacţia în
lanţ cu radicali liberi OH, drept promotori de radicali liberi
OH se foloseşte apa oxigenată în prezenta fierului bivalent;
132
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Oxidarea catalitică, ce utilizează catalizatori paladiu şi nichel,
când se utilizează oxigen molecular şi substanţele de natură
organică sunt reţinute prin adsorbţie pe suprafaţa unui
material solid;
Oxidarea substanţelor organice prin procese electrochimice,
când au loc reacţii de reducere la catod şi de oxidare la anod.
Ozonul este un oxidant mult mai energic şi este capabil să
reacţioneze rapid cu o gamă larga de poluanţi şi cu microorganismele
din apă. El se generează prin descărcări electrice la tensiuni înalte în,
respectiv 5000 – 30.000 V, în aer sau în oxigen uscat. Consumurile
energetice pentru generarea ozonului nu sunt prea ridicate, ele variază
în jurul valorii de 7 kWh / 1 kg ozon.
Aerul împreuna cu ozonul sunt introduşi în apă la adâncime
printr-un sistem de conducte cu difuzori poroşi, urmată de o agitaţie
mecanică a apei pentru o mai bună dispersie a ozonului. Ozonul este
utilizat pentru decolorarea apelor, pentru dezinfecţie, pentru oxidarea
parţiala a unor substanţe nocive din categoria fenolilor, detergenţilor,
cianurilor etc. Ozonul trebuie utilizat cu precauţie pentru că
expunerea organismului omenesc la ozon timp îndelungat îl
afectează, de fapt concentraţia ozonului în mediul de lucru al
personalului este limitat la 0,1 mg / m3 .
Permanganaţii sunt oxidanţi puternici şi sunt folosiţi mai ales
pentru finisarea unor procese de epurare pentru eliminarea culorii şi a
mirosului, precum şi pentru oxidarea fierului, sulfurilor şi cianurilor.
In urma tratamentului cu permanganat rezultă ca reziduu bioxidul de
mangan hidratat, care pe de o parte acţionează ca un absorbant şi
coagulant, dar în final el trebuie îndepărtat din apă.
133
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Clorul poate oxida eficient hidrogenul sulfurat, mercaptanii (ce
rezulta în procesele de obţinere a celulozei şi hârtiei), nitriţii,
amoniacul, fierul şi manganul, cianurile şi unele substanţe organice.
Este mult utilizat procedeul de distrugere a cianurilor cu clor până la
formarea de cianaţi sau chiar de azot molecular, conform reacţiilor:
CN- + OCl- ------ CNO- + Cl-
2CNO- + 3OCl- ------ N2 + 2HCO3 - + Cl-
Principalul dezavantaj al utilizării clorului este faptul ca în urma
reacţiilor se produc compuşi organici halogenaţi cu nocivitate
ridicată. Acest efect este eliminat în cazul folosirii bioxidului de clor,
care datorită stabilităţii sale scăzute, se prepara direct în mediul de
lucru.
In afara de clor se utilizează pentru epurarea apelor şi compuşi
ai clorului ce conţin clor activ. Este vorba de hipocloritul de sodiu şi
de calciu, clorura de var, precum si o gama de cloramine.
Ca şi substanţe oxidante se utilizează şi feraţii de sodiu si
potasiu: Na2 FeO5 şi K2 FeO4 în mediu acid. Feraţii au marele
avantaj ca au si efect de coagulant ca urmare a formării hidroxidului
feric. Cercetările realizate in domeniul îndepărtării compuşilor
organici utilizând feratul de potasiu, la un pH de 2,2 şi la o durata de
contact de 5 minute au demonstrat ca indicele CCO a scăzut cu 70 %.
In cazul reziduurilor apoase concentrate, cum sunt colectările de
levigabil de la gropile de deşeuri menajere s-a experimentat
procedeul de oxidare cu oxigen molecular la presiune de 85 – 125 at
şi o temperatură ridicata de circa 250 – 370 0 C. Procedeul se numeşte
Zimmermann. Daca concentraţia în substanţe organice este suficient
de ridicată procesul este exoterm şi energia termică produsă
autoîntreţine procesul.
134
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Reducerea
Procesele chimice de reducere este folosit mai ales pentru
transformarea unor poluanţi care au un caracter oxidant şi nociv în
substanţe inofensive sau care pot fi îndepărtate din apă prin aplicarea
altor procedee de epurare. Este cazul de exemplu al reducerii
cromului hexavalent la crom trivalent în vederea precipitării acestuia
ca hidroxid, conform reacţiei:
Cr2 O7 2- + 6FeSO4 + 7H2 SO4 ----------- Cr2 (SO4 )3 + 3Fe2 (SO4 )3 + 7H2
O + SO4 2-
Reducerea se poate face cu fier bivalent sau cu acid sulfuros în mediu
acid. Agenţii reducători folosiţi curent în practica industrială sunt
săruri ale fierului bivalent, sulfiţii, acidul sulfuros, precum şi alte
combinaţii cu sulf la valenţe mai mici decât 6.
In afară de tratarea apelor cu conţinut de cromaţi şi bicromaţi,
procesul chimic de reducere se aplică şi pentru:
eliminarea clorului activ în exces cu sulfiţi sau cu dioxidul de
sulf;
insolubilizarea unor ioni metalici, prin reducerea cu metale
ordinare, de regulă fier;
transformarea nitroderivaţilor aromatici în amine, prin
reducere cu hidrogen;
transformarea compuşilor organici halogenaţi prin înlocuirea
halogenului cu hidrogen etc.
5.5.14. Transformarea substanţelor poluante prin precipitare
135
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Precipitarea este procesul de epurare bazat pe transformarea
poluanţilor din apele uzate în produşi greu solubili. Precipitarea este,
de regulă rezultatul unor reacţii chimice din care rezultă substanţe
mai greu solubile, dar ea poate avea loc şi în urma unor schimbări ale
condiţiilor fizice, cum ar fi:
suprasaturarea apei prin concentrare;
micşorarea solubilităţii unor substanţe organice prin sporirea
concentraţiei de electroliţi;
micşorarea solubilităţii unei sări prin mărirea concentraţiei
unuia dintre ioni, care o compun, respectiv a ionului cu
nocivitate redusă.
Un astfel de exemplu de aplicare a precipitării este cel al
îndepărtării prin precipitare a flururilor din apa, sub forma de florură
de calciu, prin introducerea de ioni de calciu, eventual adaos de
CaCl2. Această introducere de ioni de calciu duce la deplasarea
echilibrului în direcţia transformării unei cantităţi mai mari de ion F-
în florură de calciu care este o sare greu solubilă. Procesul se
desfăşoară astfel:
2 F- + Ca2+ ------ CaF2
precipitat
Precipitarea pe scară industrială se aplica pentru îndepărtarea
din apă a ionilor metalelor grele din apele industriale uzate rezultate
în urma unor procese metalurgice, acoperiri galvanice, colectarea
apele de mină, spălări de minereuri, etc.
Procesul se bazează pe faptul că aceştia formează hidroxizi cu
solubilitate scăzuta la anumite valori ale pH-ului.
In tabelul 5.2. sunt prezentate în mod centralizat poluanţii ce
pot
136
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
fi îndepărtaţi prin precipitare şi agenţii de precipitare.
Eliminarea poluanţilor prin precipitare Tabelul 5.2.
Poluantul Agentul de precipitare Produşii obţinuţi
Cianuri Săruri de fier bivalent Ferocianuri greu solubile,
slab disociate, cu
nocivitate redusă
Săruri ale metalelor
alcaline
Var, hidroxizi alcalini,
Sulfaţi
Carbonat de calciu si
hidroxid de magneziu
greu solubili.
Formarea de sulfaţi greu
solubili
Săruri ale unor metale
grele
Xantaţi, Sulfuri solubile,
Proteine(deşeuri de par,
coarne, copite, sânge)
Xantaţi metalici (ex.Cd)
Sulfuri insolubile(de Hg,
Cd etc.)
Combinaţii greu
solubile(ex. îndepărtarea
Hg)
Sulfuri Săruri sau hidroxid de fier Sulfură de fier greu
solubilă
5.5.15. Indepărtarea ionilor metalici prin coagulare
electrochimică
Indepărtarea ionilor de metale prin procedeul de coagulare
electrochimica, procedeu numit si electrocoagulare, consta în
introducerea în apa a ionilor metalici necesari coagulării printr-un
proces de electroliză. Pentru realizarea acestui procedeu se folosesc
celule de electroliză cu anozi metalici realizaţi din metale, cum ar fi
aluminiu fierul, cupru etc. Prin procesul de electroliză, metalul din
anod este dizolvat şi elementul metalic este trecut în stare ionica,
conform reacţiei:
Al – 3e- ------- Al3+
137
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Fe – 2e- -------- Fe2+
Cu – 3e- ------- Cu2+
Procesul continuă prin hidrolizarea ionilor , după cum urmează:
Al3+ + 3HOH ----- Al(OH)3 + 3H+
Fe2+ + 2HOH ------ Fe(OH)2 + 2H+
Cu2+ + 2HOH ------ Cu(OH)2 + 2H+
De exemplu în cazul anozilor de fier, hidroliza conduce la
formarea de Fe(OH)2 . Fe2+ se oxidează pe baza oxigenului din apă la
fier trivalent cu formarea de Fe(OH)3, care coagulează particulele
coloidale, prin adsorbţia acestora pe suprafaţa coloizilor.
Trebuie precizat faptul că, în acest proces au loc şi alte reacţii
secundare, cum ar fi faptul ca la nivelul electrodului anodic în afara
de formarea ionilor Al3+ , ionii de clor din apa se transforma în clor
gazos şi în continuare pot reacţiona cu formarea de acid clorhidric,
care reduce pH-ul apei uzate, conform reacţiilor:
2Cl- ------ Cl2 + 2e- : E0 = 1,26 V
Cl2 + H2 O ------ HOCl + HCl
In schimb la catod au loc reacţii de formare atât a hidrogenului
gazos, cât şi a ionilor hidroxil, conform reacţiilor:
H+ + e- ------ 1 / 2 H2
H2 O + e- ----- 1 / 2 H2 + OH-
O2 + 2H2 O + 4e- ------ 4OH-
Ca urmare a cestor reacţii pH-ul soluţiei suferă modificări.
5.5.16. Dezinfecţia apelor uzate
Dezinfecţia este procesul de îndepărtare din apele uzate a
microorganismelor patogene. Aplicarea procesului de dezinfectare
este necesară în cazul apelor industriale provenite din abatoare,
138
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
unităţi de creştere a animalelor tăbăcării, fabrici de conserve,
industria alimentara unde au loc procese de fermentaţie.
De la bun început trebuie făcută distincţie între dezinfectare şi
sterilizare. In timp ce dezinfectarea nu distruge decât o parte a
microorganismelor din apă, sterilizarea presupune distrugerea tuturor
microorganismelor: bacterii, alge, spori, virusuri etc.
Mecanismul dezinfecţie cuprinde doua faze:
Pătrunderea dezinfectantului prin peretele celular;
Denaturarea materiilor proteice din protoplasmă, inclusiv a
enzimelor.
Agenţii chimici cum sunt ozonul, clorul, dioxidul de clor,
bromul, iodul etc. pot degrada materia celulara, reacţionând direct cu
aceasta, în timp ce agenţii fizici introduc modificări chimice în cadrul
materialelor componente ale celulelor.
Viteza de distrugere a microorganismelor corespunde unei
reacţii de ordinul întâi, respectiv viteza de dispariţie a
microorganismelor este proporţionala cu concentraţia acestora în
momentul considerat:
In formula de mai sus avem următoarele notaţii:
N este numărul de organisme pe unitatea de volum la timpul t;
k este o constantă.
Prin integrarea ecuaţiei de mai sus se obţine o relaţie ce exprimă
numărul de microorganisme aflate în apa la timpul t faţa de situaţia
iniţiala, respectiv timpul t0 :
N = N0 . e-kt
139
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
Viteza de distrugere a microorganismelor este influenţată şi de
concentraţia dezinfectantului C. Intre acest element şi timpul necesar
distrugerii microorganismelor exista relaţia:
Cn . t = constant.
Procesul de dezinfectare este influenţat de mai mulţi factori,
dintre care amintim:
Temperatura apei ;
Prezenta unor substanţe organice care reacţionează cu
dezinfectantul, respectiv îl consumă.
Dintre metodele fizice de dezinfecţie menţionăm:
Tratamentul termic al apei;
Iradierea cu raze gama sau raze X;
Tratament cu ultraviolete;
Tratament cu microunde.
Metodele mai sus menţionate sunt costisitoare, presupun
instalaţii speciale, şi ca urare se recomandă a fi utilizare în fazele
finale ale epurării apelor industriale.
140
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
B I B L I O G R A F I E
[1] Arad, Susana, Arad, V. Chindriş Gh. Geotehnica Mediului
Editura Plaidava 2000 ISBN – 973-994-58-0-5
[2] Creţu, Gh. Economia apelor Ed Didactică şi Pedogogică
Bucureşti 1976
[3] Culea, Monica. Nicoară, Simona. Culea, E. Pop, I. Monitorizarea
factorilor de mediu. Editura Risoprint Cluj-Napoca 2003 ISBN 973-
656-484-3
[4] Dima. M. Epurarea apelor uzate urbane. Editura Junimea Iaşi
1999.
[5] Gavril, L. Gavrilă Daniela. Apele industriale. Editura Tehnică
Chişinău 2002ISBn 9975-63-173-8
[6] Iliuţă, I, Bulearcă, Maria. Acte normative referitoare la mediu.
Editura Univ. Politehnica Bucureşti 2004
[7] Macoveanu, M. Teodosiu, C. Epurarea avansată a apelor uzate
conţinând compuşi organici nebiodegradabili, Ed. Gh. Asachi Iaşi
1997 ISBN 973-9178-43-X
[8] Mohan, Gh. Ardelean, A. - Ecologia şi Protecţia Mediului.
Editura “Scaiul” Bucureşti, 1993.
[9] Muntean, L. Stirban, M. - Ecologie. Editura Dacia, 1995.
[10] Negulescu, M. şi alţii - Politica mediului înconjurător. Editura
Tehnică Bucureşti, 1995.
[11] Negulescu, M. Epurarea apelor uzate orăşeneşti. Editura
Tehnică Bucureşti 1978.
[12] Negulescu; M. Epurarea apelor uzate industriale. Editura
Tehnică Bucureşti 1968.
141
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
[13] Negulescu, M. Epurarea apelor uzate industriale. vol. I şi II
Editura Tehnică Bucureşti 1989 . ISBN – 973-31-0068-4
[14] Negrei, C., Instrumente şi metode în managementul mediului.
Editura Economică 1999
[15] Neag, Gh. Culic, Ana. Gerard, V. Soluri şi ape subterane
poluate – tehnici de depoluare. Editura Dacia Cluj-Napoca 2001
ISBN 973-35-1246-X
[16] Niac, G. Naşcu, H. Chimie ecologică. Editura Dacia Cluj-napoca
1998 ISBN 973-35-0779-2
[17] Pănuescu, Daniela. Rusu, T. Ecologia sistemelor de fabricaţie.
Editura Alma mater 2004 ISBN 973-9358-81-0
[18] Roman, P. Introducere în fizica poluării fluidelor. Editura
Stiinţifica şi enciclopedică Bucureşti 1980
[19] Rojanschi, V. şi alţii - Legislaţia de mediu şi activitatea
agenţilor economici. Buletin Economic Legislativ Nr. 7/1996.
[20] Rojanschi, V. şi alţii - Economia şi protecţia mediului Editura
Tribuna Economică 1997.
[21] Rusu, Gh. Rojanschi, Gh. Filtrarea şi tehnica tratării şi epurării
apelor. Editura Tehnica Bucureşti 1980
[22] Rusu, T - Protecţia mediului industrial Editura Mediamira
Cluj-Napoca 1997 ISBN 973-9358-81-0
[23] Rusu, T. Moldovan, L. Avram, Simona. - Managementul
activităţilor pentru protecţia mediului industrial Editura
Mediamira Cluj-Napoca 2003 ISBN – 973-9358-80-2
[24] Rusu, T. Protecţia mediului şi a muncii. Editura Mediamira
Cluj-Napoca 1999. ISBN – 973-3358-39-X
[25] Serban, P. Stanescu, Al. Roman, P. Hidrologie dinamică.
Editura Tehnică Bucureşti 1989 ISBN 973-31-0101-X
142
PROCEDEE AVANSATE DE EPURARE A APELOR UZATE RUSU TIBERIU
[26] Varduca, A Monitoringul integrat al calităţii apelor Editura
H.G.A. Bucureşti ISBN 973-98530-9-9
[27] Vasilescu, I. - Protecţia mediului înconjurător C.I.D.E.
Bucureşti, 1994.
[28] Vida, S. Popescu, Violeta. Metode de separare a poluanţilor.
Editura U.T. Pres Cluj-Napoca 2003 ISBN – 973-662-008-5
[29] Vişan,S., şi alţii – Mediul înconjurător - poluare şi protecţie
Editura Economică 2000
[30] Zamfir, Gh. - Poluarea mediului ambiant. Editura Junimea Iaşi,
1974.
[31] Zamfir, Gh. - Poluarea mediului ambiant. Editura Junimea Iaşi,
1975.
[32] Zamfir, Gh. - Efectele unor poluanţi şi prevenirea lor. Editura
Academiei României, 1979.
[33] * * * Colecţia revistei “Mediul Înconjurător”. Editura
I.C.I.M. Bucureşti 1990-1995.
[34] * * * Colecţia revistei “Ecologia industrială”. Editura
O.I.D.P. Bucureşti.
[35] * * * Standardul Internaţional ISO 14.000
http://www.agir.ro/carte/ecotehnologie-121328.html
143