Tratarea biologică a apelor uzate

Tratamentul biologic este excelent în următoarele domenii:

Tratarea apelor reziduale rezidențiale
(Pre) tratarea apelor uzate industriale (industria alimentară, anumite domenii chimice, farmaceutice)

Tratamentul biologic poate fi de obicei înțeles ca parte a unui proces de purificare în mai multe etape:

scara: Pre-curatare mecanica: indepartarea componentelor separabile fizic si protectia echipamentelor si structurilor de contaminanti mecanici.
Pasul 2: Purificare biologică: îndepărtarea componentelor biodegradabile prin metabolism de către microorganisme.
Scări: Curățare chimică (chimică): îndepărtarea componentelor non-biologice sau doar parțial detașabile sau dezinfectare.
Pasul 2: Etape ulterioare de tratare sau perspective pentru tratarea apelor uzate: poluanți antropici care sunt prezenți în apele uzate în cantități foarte mici, dar care se pot acumula în organisme de dimensiuni mici datorită degradării lor lente.

Pasul 1: Pre-curățare mecanică

Pre-tratarea mecanică elimină componentele care se separă ușor fizic (nămol, solide suspendate) în apele uzate. Scopul principal al pre-curățării fizice este de a proteja echipamentele și structurile de contaminanți mecanici.

Componente mecanice de pre-curățare:

Grilă: funcția sa este de a îndepărta contaminanții grosiere, mari și aglomerate. Coșul de gunoi îndepărtat poate fi aruncat într-un depozit de deșeuri.
Capcană de nisip: sarcina sa este de a rezolva substanța grosieră ușor decantată (dimensiune mai mare a particulelor, D> 0,2 mm), precum și de a colecta și îndepărta contaminanții supernatanti (grăsimi, contaminanți uleioși, spumă). Nisipul așezat poate fi folosit pentru depozitarea deșeurilor sau în anumite condiții.
Pre-sedimentare: sarcina sa este de a depune solide în suspensie care pot fi îndepărtate prin depunere în apele uzate. Pre-sedimentarea poate reduce sarcina pe stația de epurare a apelor uzate, iar faza de nămol stabilit (așa-numitul nămol primar) amestecat cu nămolul în exces crește eficiența digestiei anaerobe. Cu toate acestea, în stațiile mai mici de tratare a apelor uzate, pre-sedimentarea este adesea omisă pentru a simplifica tratarea.

Pasul 2: Purificare biologică

În stadiul biologic, componentele biodegradabile sunt îndepărtate prin metabolism de către microorganisme (abreviat MO: bacterii, ciuperci, ciuperci radiații).

Activitatea microorganismelor poate fi practic împărțită în două părți:

A/Defalcare directă: bmolecule mai simple din molecule complexe, complexe („mineralizare”)

B/Construcție celulară: Moleculele sunt, de asemenea, încorporate de microorganisme în propriile celule, care acoperă și își înmulțesc procesele de viață. În timpul creșterii, creșterea MO trebuie îndepărtată continuu (de exemplu prin sedimentare) → sistemul rămâne în echilibru. Fiecare consorțiu de microorganisme necesită condiții diferite.

2/A Curățare aerobă

Asa numitul în procesele de purificare aerobă, procesele microbiologice necesită oxigen. Piscina aerobă trebuie aerisită; acest lucru se face de obicei prin injecție de aer cu bule fine, cu membrane.

În piscina aerată, potențialul redox este de obicei ≥ +0,8 V.

Următoarele procese au loc în bazinele aerate:

Oxidarea materiei organice

Poluanții responsabili de culoare, turbiditate și, parțial, mirosul apelor uzate sunt în principal compuși organici de carbon, dintre care majoritatea sunt biodegradabili (poluanți caracterizați prin așa-numita măsură DBO).,

C + O2 + MO organic → CO2 ↑ + H2O + MO + MO nou (microorganisme heterotrofe)

Oxidarea formelor de amoniu în nitrați

Formele de amoniu și azot organic (de exemplu, uree, acid uric) pătrund în apele uzate menajere în principal prin urină. Hidroliza rapidă a fostului compus are loc practic deja în rețeaua de canalizare:

Degradarea amoniului este un proces în doi pași efectuat de două tipuri de „consorții” microbiene metabolice autotrofe:

Nitrare: NH4 + + 1,5 O2 → 2H + + H2O + NO2 - (Nitrosomonas sp.)

Nitrare: NO2 - + 0,5 O2 → NO3 - (Nitrobacter sp.)

Ecuația brută combinată a celor două etape (nitrificare): NH4 + + 2 O2 → NO3 - + H2O + 2 H +

Nitrificarea este „delicată” pentru condițiile:

Oxigen suficient
O nitrificare de bună eficiență necesită niveluri ridicate de oxigen dizolvat (DO ≥ 2 mgIl) Consecință: În absența unei aerări adecvate, procesul încetinește foarte mult!
Valoarea pH-ului
PH-ul optim al procesului este între 7,2-8,5.
Pe măsură ce pH-ul scade sub pH 7,2, procesul începe să încetinească. În jurul valorii de pH = 5 procesul se oprește deja.
Controlul procesului este împiedicat de faptul că a procesul în sine produce acid.
Consecință: pH-ul se poate răsturna, Este necesară monitorizarea pH-ului și, dacă este necesar, controlul (dozare alcalină)!
Temperatura
Pe măsură ce temperatura scade, rata de nitrificare încetinește, de asemenea, semnificativ.
Consecinţă: Poate exista o deficiență a nitrificării în timpul iernii!
Prezența inhibitorilor

metale: zinc, cupru, cianură, mercur, arsenic (III);
oxo-anioni: anumiti cromati, cianati;
compuși de carbon, substanțe organice: acetonă, anilină, fenol, disulfură de carbon;
alte substanțe chimice: derivați ai petrolului, pesticide, produse chimice de uz casnic;
amoniac gratuit.

2/B Procese anoxice

Nu există oxigen atmosferic prezent în bazinul anoxic, dar există oxigen sub formă de azotat sau sulfat care poate fi utilizat de organismele biologice cu forme alternative de respirație (opțional anaerob) ca acceptor de electroni pentru oxidarea biologică.

Potențialul redox optim de denitrificare este de obicei între 0 ... + 0,4 V.

Formarea spațiului anoxic în stația de epurare a apelor uzate este necesară prin faptul că oxidarea la nitrați nu rezolvă problema eliminării azotului, azotul rămâne în faza apoasă, ceea ce poate provoca eutrofizare în corpul de apă primitor. Cu toate acestea, azotatul poate fi îndepărtat numai în condiții anoxice.

În bazinul anoxic are loc reducerea azotatului la azot gazos, denitrificarea, unde speciile de organisme denitrificante folosesc oxigenul azotatului pentru oxidare.

Ecuația denitrificării: C organic + NO3 - + H + → N2 ↑ + CO2 ↑ + H2O + energie

De exemplu, în cazul unui substrat ușor de descompus (acetat): 5 CH3COOH + 8 NO3 - → 4 N2 ↑ + 10 CO2 ↑ + 6 H2O + 8 OH -

Procesul de denitrificare este uneori vizibil datorită barbotării datorită azotului gazos generat.

Organismele denitrifiante sunt microorganisme heterotrofe pe care a Pseudomonas, Alcaligenes, Acinetobacter, Hyphomikrobium, Thiobacillus aparțin genurilor.

Nitratul, un substrat organic descompus, trebuie să fie prezent simultan pentru ca denitrificarea să aibă loc. Acest lucru poate fi rezolvat tehnic în cazul sistemelor cu curgere dreaptă prin recircularea unui curent parțial de apă uzată dintr-un bazin aerob care conține deja amoniu nitrificat (așa-numita recirculare internă: Rb).

2/C Procese anaerobe

Oxigenul nu este prezent sub nici o formă în bazinul anaerob, potențialul redox este de obicei ≤ +0,2 V.

Bazinul anaerob este necesar pentru îndepărtarea biologică a fosforului. Conținutul de fosfor din apele uzate poate fi bine redus de microorganismele heterotrofe (PAH) care acumulează fosfor. Astfel de organisme, atunci când sunt expuse la condiții anaerobe și oxicice ciclice, sunt capabile să stocheze ortofosfatul în forma lor sub forma unui polifosfat. Astfel, o parte semnificativă a fosforului poate fi îndepărtată cu excesul de nămol. Eliminarea biofosforului este, de asemenea, descrisă pentru sistemele cu flux direct.

Bacteriile PAH eliberează fosfat în spațiul reactorului anaerob și stochează acetat sau alți nutrienți. În spațiul aerob, fosforul este preluat ulterior și „depozitat” din apele uzate sub forma respectivului polifosfat. Cu cât eliberarea fosfatului este mai mare în zona anaerobă și, astfel, depozitarea nutrienților, cu atât eliminarea fosforului este mai eficientă în zona aerobă. O condiție prealabilă pentru îndepărtarea eficientă a fosforului este o aprovizionare adecvată, ușor de utilizat, cu nutrienți în zona anaerobă. Pentru sistemele cu curgere dreaptă, acest lucru poate fi rezolvat tehnic având zona anaerobă chiar la începutul liniei de proces și zona aerobă chiar la capăt. O parte din nămolul îndepărtat în timpul post-sedimentării după etapa aerobă este returnat în reactorul anaerob chiar la începutul liniei de tratament (Recirculare nămol: Ri). De asemenea, sistemele SBR nu necesită recirculare; condițiile ciclice aerobe/anaerobe din spațiul reactorului sunt create prin alegerea adecvată a metodei de alimentare cu apă uzată și programul de aerare a aerării.

2/D Separarea și recircularea fazelor

După etapa biologică, apa este purificată, adică majoritatea contaminanților dizolvați se descompun, dar fulgii de microorganisme rămân în apă.

Este necesară o separare de fază suplimentară deoarece

apa purificată trebuie să fie practic lipsită de turbiditate,
pentru a evita levigarea nămolului activat, fulgii de nămol trebuie returnați în reactor (reactori).

Separarea fazelor se poate realiza cu coloniștii Dorr.

Hrănirea are loc la mijloc, aportul de nămol are loc și la mijloc, în partea de jos. Pe fundul înclinat, nămolul este ghidat în mijloc de o structură de excavator. Există, de asemenea, un pod de excavare la suprafață pentru a colecta orice spumă supernatantă care poate apărea la suprafață.

Nămolul luat este de obicei plasat într-o groapă de nămol, o parte din care este reciclată înapoi la începutul secțiunii de nămol activat.

Cealaltă parte este îndepărtată ca nămol și tratată ulterior a

compresie sau
tratament anaerob (opțional) și/sau aerob.

Apa purificată este condusă către marginile înclinate formate în partea de sus a decantatorului.

Pe scurt, în tratarea biologică a apelor uzate au loc următoarele procese:

Zonă Tipul metabolismului Microorganisme existente Sursă de carbon utilizată Donator de electron Acceptor de electron Produs

Aerobic	Heterotrof	Microorganisme heterotrofe	organic C	organic C	O2	CO2, H2O
Autotrof	Nitrificatoare: oxidanți de amoniu (Nitrosomonas sp.) oxidanți de nitriți (Nitrobacter sp.)	CO2	NH4 +, NO2 -	O2	NO2 -, NO3 -
Anoxic	Heterotrof	Deznitrificatori (reductori de nitrați)	organic C	organic C	NO3 -, NO2 -	N2, N2O
Anaerob	Heterotrof	Bacteriile anaerobe Bacterii acetogene Bacterii metanogene	organic C	organic C	CO2, HCO3 -	CH3COOH, CH4

„Defectul” epurării biologice a apelor uzate este umflarea nămolului

O defecțiune neplăcută a epurării biologice a apelor uzate poate fi fenomenul atunci când se schimbă structura compactă și pufoasă a fulgilor de nămol și, în schimb, proeminențele lungi, asemănătoare firelor, așa-numitele pe el se formează filamente. Prin urmare, fenomenul este numit threading în literatura de specialitate. Filamentele sunt cultivate de microorganisme pentru a accesa substanțele nutritive. Astfel, filarea poate fi cauzată de un aport inadecvat de substanțe nutritive (de exemplu, încărcătura nu ajunge la bazin în funcție de dimensionare sau, în cazul sistemelor cu curgere dreaptă, una dintre recirculări este setată incorect etc.). Un anumit grad de filmare poate apărea și în fulgii de nămol „sănătoși” (în unele cazuri, de obicei, nu este încă o problemă), totuși, dacă formele filamentoase apar peste un anumit raport, eficiența post-sedimentării este semnificativ degradată. Acest lucru se datorează faptului că proprietățile de compactare ale matrițelor filamentoase sunt mult mai slabe decât cele ale fulgilor compacti, astfel încât acești fulgi apar și în regiunea superioară a post-decantatorului care conține apă purificată (cum ar fi apa de scurgere), ceea ce provoacă o deteriorare drastică în calitatea apei purificate.

Pentru a detecta fenomenul în timp și pentru a lua măsurile necesare în timp, sedimentarea nămolului în stațiile de epurare a apelor uzate este monitorizată în mod regulat (de obicei un test de sedimentare de 30 de minute, un pahar este suficient pentru studiu). Pe baza sedimentării, se determină indicele de nămol (indicele Mohlmann), din care se poate determina dacă există un debut de filament în nămolul activat. Datorită sedimentării slabe a nămolului, termenul „umflare a nămolului” este, de asemenea, utilizat pe scară largă pentru fenomenul de filamente.

Datorită naturii sistemului de curățare, problema umflării nămolului afectează sistemele cu curgere dreaptă. Filetarea nu este tipică în SBR intermitent sau în pat mobil și alte sisteme de biofilm, astfel încât aceste tipuri de reactoare sunt în mod clar mai avantajoase în acest sens. Dacă microorganismele sunt separate de o membrană în loc de post-sedimentare, posibila umflare a nămolului, deoarece separarea nu este gravitațională, este mai puțin o problemă.

Pasul 3: Curățare chimică

Etapa chimică poate fi necesară pentru îndepărtarea anumitor componente non-biologice sau doar parțial detașabile (în funcție de cerințele de purificare), precum și pentru dezinfectarea după purificarea biologică.

3/Îndepărtarea fosforului

Eficiența îndepărtării biologice menționate a fosforului poate fi îmbunătățită prin precipitații, care pot avea loc

înainte de purificarea biologică (pre - precipitații) sau
după aceea (după extracție) sau
simultan cu purificarea biologică (precipitații simultane).

În timpul precipitării fosforului, din anionii ortofosfați se formează un precipitat de fosfat insolubil prin săruri metalice (săruri de fier, aluminiu și calciu), care pot fi îndepărtate prin decantare. Ecuația precipitațiilor chimice pentru precipitatul sulfatului feros:

3/B Dezinfectarea

Scopul dezinfectării este de a reduce numărul de microorganisme sub o anumită limită, ceea ce se justifică în principal din motive de sănătate publică.

În timpul dezinfectării, se adaugă un dezinfectant în apele uzate, de ex. hipo (NaOCl) sau var clorurat (CaCl2). În trecut, s-a folosit și clor elementar (clor gazos), dar acest lucru se datorează acum tehnologiei complicate, resp. pentru motive de siguranță.

În secțiunea de dezinfecție, se creează un bazin de labirint pentru a asigura un amestec bun și un timp de ședere adecvat, în care substanța chimică este adăugată direct. Apa purificată și dezinfectată poate fi drenată direct în receptor după piscină.

Mai multe informații despre procedurile chimice de tratare a apei pot fi găsite AICI.

Pasul 4: Etape ulterioare de tratare sau perspective ale epurării apelor uzate

În ultimul deceniu, au început să se ocupe de componentele poluante antropice, care, deși sunt prezente în cantități foarte mici în apele uzate (așa-numiții poluanți), se pot acumula în mediu, în special în macroorganisme vii, datorită biodegradării lor lente . Opiniile cu privire la nocivitatea acestor substanțe sunt încă împărțite astăzi, dar din ce în ce mai multe experimente arată că importanța lor nu trebuie subestimată. Printre aceste substanțe, medicamentele care sunt excretate în principal din corpul uman (de exemplu, diclofenacul în general), medicamentele care conțin hormoni (analgezice pe bază de steroizi, contraceptive) și pesticidele pot avea o mare importanță ecologică.

Aceste substanțe rămân în concentrații practic neschimbate în timpul epurării biologice a apelor uzate și sunt eliberate în apele vii. Eliminarea lor este în prezent un subiect intens cercetat în tratarea apelor uzate.

În prezent, ciclodextrinele (CD), o polizaharidă, prezintă un potențial promițător de screening pentru cantități mici de xenobiotice. Ciclodextrinele sunt molecule cu structură goală care se leagă de interiorul cavității cu legături de ordinul doi, „captând” în mod eficient componentele organice care trebuie îndepărtate. Există mai multe tipuri de ciclodextrine care pot captura molecule contaminante de diferite dimensiuni moleculare. Acestea sunt notate cu literele grecești ABC (α, β, γ). Subiectul este încă în cercetare, aplicarea sa practică fiind așteptată mai târziu.

O altă opțiune pentru tratamentul trimestrial este tratamentul cu membrană (nanofiltrare și osmoză inversă), care poate fi utilizat pentru a produce apă potabilă practic pură (potrivită și pentru consumul uman!) Din apele uzate. Se așteaptă să fie utilizat în principal în zone cu deficit de apă (de exemplu, clima deșertică), în prezent sunt deja în funcțiune echipamente mai mici.

Dintre metodele cu membrană, ultrafiltrarea poate fi, de asemenea, utilizată în mod avantajos în separarea fazelor după etapa biologică, ca alternativă la post-sedimentare. În timpul ultrafiltrării, fulgii de nămol activi pot fi eliminați cu o eficiență foarte bună, apa purificată este practic tulbure, iar valorile COD și BOD, precum și conținutul de solide suspendate pot fi reduse sub limita de detecție.