FISA TEHNICA SEZUC
Statiile de epurare cu pelicula biologica in zona umeda construita ,SEZUC, sunt o alternativa economica si eficienta la statiile de epurare traditionale . O zona umeda este un bioreactor natural cu pelicula biologica . In acest bioreactor au loc o serie de procese fizice, chimice și biologice la care participa organisme si microorganisme, plante, sol și sedimente acumulate in stratul inferior al zonei. Atunci cand solul natural se remodeleaza, folosindu-se straturi de agregate naturale si materiale de filtrare si de impermabilizare , atunci se creaza o zona umeda construita. Utilizarea zonelor umede construite genereaza beneficii economice, deoarece depind de cai naturale de tratament, care costa mai putin din punct de vedere al consumului de electricitate și forta de munca și au costuri mai mici de constructie, intretinere, exploatare si servisare, incluzand si pe cele pentru produse chimice.In plus, ofera : o selectie flexibila a locatiei , conservarea mediului natural cu vegetatia si habitatul pentru animale salbatice, neafectate, precum și o stabilitate ridicata la schimbarea conditiilor climatice In aceasta situatie zonele umede construite raman o solutie viabila in conditiile aparatiei efectelor schimbarilor climatice asupra tratarii apelor uzate , inlocuind statiile de epurare traditionale care sunt sisteme active, cu timp scurt de rezilienta . Schimbările climatice sunt considerate una dintre principalele provocări ale sistemelor de ape uzate urbane și au o dublă acțiune asupra stațiilor de epurare traditionale. Procesele care apar într-o statie de epurare traditionala sunt afectate de schimbările climatice, repectiv de evenimentele meteorologice extreme care duc la incarcari cu apa, ce nu respecta conditiile tehnice proiectate, ajungandu-se la scoaterea din functiune sau nerealizarea parametrilor de epurare. Pe de altă parte statiile de epurare traditionale contribuie la schimbările climatice, eliminand în timpul tratării apelor uzate, gaze cu efect de seră : dioxid de carbon din procesele biologice aerobice si metan din procesele biologice anaerobice,oxid de azot asociat proceselor de nitrificare / denitrificare, in atmosfera.
La SEZUC, nu exista emisii de metan si oxid de azot iar cele de dioxid de carbon sunt sensibil reduse datorita adsortiei acestora de catre plantele care acopera zona umeda construita. SEZUC este o zona umeda construita cu descarcare verticala cu incarcare secventiala(ZUC-DV-IS), care elimina azotul amoniacal prin nitrificare si denitrificare completa. Apa este incarcata intermitent si este infiltrata in substrat, apoi se scurge treptat in jos pe verticala.Aerul reintra in sistem la urmatoarea etapa de incarcare și se realizeaza o rata de transfer mare de oxigen. Statia de epurare SEZUC , foloseste o ZUC-DV-IS , dar care prin aplicarea unei suite de inventi cum sunt ,,Fosa septica cu autodrenare”, ,,Dispozitiv pentru cresterea eficientei zonelor umede construite” , ,, Tub eficient pentru descarcarea apelor in sol si drenarea apei din sol” , elimina: pompele de apa uzata, instalatii de automatizare, instalatiile de preepurare, realizand fara costuri de investitie suplimentare si fara consum de energie electrica, toate procesele mecanice si biologice care se desfasoara in statiile de epurare traditionale. Zona umeda construita se transforma in statie de epurare a apelor uzate cu pelicula biologica cu bazin etans dotat dispozitive care asigura circulata fortata a aerului si lichidului, prin amplificarea unor efecte naturale cum sunt efectul cos de fum ,absortia capilara si evapotranspiratia
1.Epurare biologica in SEZUC:
SEZUC desi functioneaza in conditiile naturale fortate ale unei zone umede construite, asigura si conditii artificiale speciale, prin fosirea unor dispozitive care amplifica si dirijeaza procese naturale fizice, epurand astfel biologic apa si incadrandu-se in categoria statiilor de epurare cu pelicula biologica .
2. Dinamica populatiei microbiene in SEZUC
Dinamica multiplicarii populatiei microbiene arata ca ace sta se dubleaza la intervale regulate de timp; asadar, legea este o progresie geometrica cu ratia 2 conform expresiei Nn = 2n N0 = 2rt N0, in care n este numarul de generatii, N0, Nn –numarul de indivizi bacterieni la momentul initial si dupa intervalul t de timp, r – rata cresterii – viteza de inmultire a indivizilor bacterieni.Timpul de generatie tg reprezinta timpul necesar dublarii populatiei. El depinde de temperatura, nutrienti, pH-ul apei, oxigenul dizolvat etc., dar in conditii favorabile de mediu el este o constanta tg = dt/n, unde dt este intervalul de timp. Rata cresterii r – reprezinta numarul de generatii formate in unitatea de timp r = n/ t = 1/tg. Ea rezulta din ecuatia dinamicii in timp, log2 N/N0 = rt, sau r = 1,443/t*lnN/No in functie de temperatura microorganismele se divid in patru grupe fiziologice:
- criofile;
- mezofile;
- termofile.
Bacteriile criofile sunt cele care acopera domeniul temperaturilor joase sub 200C. Bacteriile mezofile traiesc in zona temperaturilor medii 20…450C; pentru fermentarea anaeroba zona optima este de ordinul 30…380C. Bacteriile termofile traiesc in domeniul de temperaturi mai mari de 450C, cu un optimum intre 49…510C. Degradarea impuritatilor organice depinde de cresterea nestingherita a bacteriilor; sinteza este apreciata la 40…60% din substanta organica asimilabila existenta in apa uzata. Cresterea masei celulare se datoreste sintezei materialelor de rezerva in principal hidrati de carbon si in al doilea rând proteinelor. in cazul in care aportul de substanta organica asimilabila este insuficient masa bacteriana se autooxideaza prin respiratie endogena.
Factorii care afecteaza activitatea bacteriana sunt:
- a) temperatura;
- b) lumina;
- c) umiditatea;
- d) germicidele si agentii bacterieni;
- e) agentii bacteriostatici;
- f) antimetabolitii.
- a) Fiecare specie de bacterie are o temperatura optima de crestere. Valorile mici nu
distrug bacteriile, dar reduc viteza de crestere.
- b) Anumite lungimi de unda ale luminii, in special cele apropiate de spectrul ultraviolet,
pot distruge celulele vii.
- c) Bacteriile se pot reproduce si pot avea un ciclu de viata normal numai in conditiile
existentei unei solutii apoase. Osmoza este un fenomen fizic ce apare ca urmare a
diferentelor de concentratie a substantelor solubile existente de ambele parti ale
membranei celulare. Daca concentratia sarurilor dizolvate este mai mare in exteriorul
celulei decât in interior apa din celula tinde sa echilibreze diferenta ceea ce poate conduce
la distrugerea celulei vii. in sens invers, concentratii mai mari la interior, pot conduce, de
asemenea, la efecte de distrugere.
d-e) Germicidele sunt substante care distrug bacteriile prin contact, iar agentii
bacteriostatici sunt compusi chimici ce impiedica reproducerea celulelor. Prezenta lor in
mediul apos poate conduce chiar la stingerea procesului metabolic.
- f) Antimetabolitii sunt substante chimice care distrug sau altereaza agentii metabolici
sau de crestere – factori esentiali pentru viata normala a celulelor bacteriene.
3. Parametrii care influenteaza procesul biologic in SEZUC
Biodegradabilitatea este un parametru de calitate al substratului.
Biodegradabilitatea se defineste prin calitatea unei substante organice de a fi degradata prin mijloace biologice intr-un anumit interval de timp. Apele uzate usor biodegradabile sunt caracterizate prin rapoarte mici CBO5/CCOCr. Biodegradarea reprezinta procesul prin care o substanta organica este total eliminata datorita activitatii metabolice a unei culturi de microorganisme sau isi pierde, in masura conventional stabilita, proprietatile nocive. Anumiti compusi organici sunt greu biodegradabili sau chiarrefractari la activitatea biochimica, in timp ce alte substante pot fi toxice pentru bacterii.Termenii care se folosesc in tehnica epurarii biologice sunt:
- a) degradabilitate biologica;
- b) persistenta;
- c) recalcitranta;
- d) mineralizare.
Degradabilitatea biologica este reprezentata prin posibilitatea ca un material organic sa fie schimbat datorita actiunii biochimice a unei populatii microbiene in alt compus; aceasta nu inseamna neaparat ca noul produs este mai putin toxic decât cel initial.
Persistenta este o proprietate conditionala a substantei organice in sensul ca aceasta poate fi degradata biologic numai daca sunt indeplinite anumite conditii de circumstanta care favorizeaza dezvoltarea procesului biochimic.
Recalcitranta – termenul se refera la o substanta organica care nu poate fi degradata biologic in orice conditii sau ea insasi are o rezistenta foarte puternica la actiunea biochimica a biomasei.
Mineralizarea reprezinta conversia completa a compusilor organici pâna la ultimii produsi ai degradarii biologice : dioxid de carbon si apa.
Biodegradabilitatea este o notiune deosebit de complexa deoarece cauta sa lege substanta organica de activitatea biomasei si de valorile parametrilor de mediu in care se dezvolta microorganismele. Substanta influenteaza biodegradabilitatea prin caracteristicile structurale tridimensionale ale moleculei, proprietatile fizico-chimice, precum si modul cum reactioneaza cu enzimele. Acest ultim aspect – relatia cantitativa dintre structura chimica si activitatea biochimica a materialului celular – deosebit de importanta in aprecierea biodegradabilitatii, nu este inca complet definita. Din acest motiv exprimarea cantitativa a biodegradabilitatii se face indirect. Conditiile de mediu in care se desfasoara procesul au o mare importanta in aprecierea biodegradabilitatii deoarece o substanta usor biodegradabila nu va fi degradata efectiv decât daca valorile parametrilor fizico-chimici permit desfasurarea activitatii.
4 . SEZUC – statie de epurare a apelor uzate menajere cu pelicula biologica
4.1 Descriere
Chiar daca s-au efectuat cercetari ample in ceea ce privește zonele umede construite, nu au fost stabilite proiecte optime de ZUC pentru diverse aplicatii. Acest lucru se datoreaza multitudinii de factori care guverneaza performanta in ZUC, cum ar fi: selectia locatiei , analiza hidrologica, debitul si compozita apelor uzate. SEZUC, ca statie de epurare a apelor uzate menajere cu reactor cu pelicula biologica in zona umeda construita, reduce numarul acestor factori la debit si compozitie ape uzate, deoarece zona umeda construita devine un bazin bioreactor etans . DispozItivul este compus din rezervoare , cu tuburi filtre repartitoare comunicand cu fante dreptunghiulare, intrerupte la baza, de un canal de scurgere. Tubul filtru repartitor comunica si cu baza bazinului prin tuburi de spalare a peliculei biologice prevazute cu fante transversale. Dispozitivul se amplaseaza intr-un bazin etans confectionat din folie PVC sau PE, intr-un strat pietris, acoperit cu un filtru din membrana geotextil, sub un strat de sol vegetal .
4.2 Functionare
Procesul este continuu si consta din:
– Pre-tratamentul mecanic in rezervoare:
La patrunderea apei uzate in rezervor, fractiunea lichida din apa uzata patrunde prin fante direct in tubul filtru repartitor, curgand apoi pe canalul de scurgere situat la baza acestuia , repatrizandu-se in stratul de pietris din zona umeda construita . In rezervor sunt retinute pana la lichefiere sau inglobare in lichid prin turbulenta creata la caderea apei uzate, numai corpurile solide mai mari de 3 mm.
-Tratament biologic
In rezervor, digestia anaeroba a materialelor biodegradabile alterneaza cu digestia aeroba, functie de variatia fluxului de apa uzata si a incarcarii zonei umede construite. Aerarea se realizeza prin circulatia aerului intre tubul de absortie si cel de evacuare, dar si datorita tulburarii create de apa uzata in cadere si de afluxul de apa care patrunde in rezervor din zona umeda construita, la atingerea nivelulul tubului repartitor. Acest aflux imbogateste si contintul de microorganisme aerobe, cu cele din zona umeda construita. In rezervor se realizeaza in faza anaeroba si denitrificare pentru eliminarea azotului gazos, dupa nitrificarea in zona umeda construita si faza anoxica a eliminarii fosforului . In zona umeda construita are loc digestia aeroba a materialelor biodegradabile de catre biomedia staționara existenta in sol si in patul de pietris care, datorita debitului variabil al apelor uzate si variatiilor de nivel si absortie in campuri de filtrare-irigatie multistratrat, este scufundata și aerata in mod alternativ, la fiecare depasire a nivelului tubului filtru repartitor, de catre apa din interiorul rezervorului si iesirea acesteia in stratul de pietris si retragerea acesteia datorita absortiei de catre sol. Aerarea in interiorul stratului de pietris si in sol este intensificata atât de convectia cauzata de miscarea de infiltrare a apei prin mediul granular, cit si de difuzia aerului de la suprafata spre stratul de material granular, prin absorbtie in medii poroase . Are loc si nitrificarea amoniului (oxidar biologica) datorita bacteriilor chemoautotrofe dar si denifricarea la baza acestuia, prin microorganismele aerobe atunci când oxigenul dizolvat consuma azot oxidat in loc de oxigen, si prin microorganismele anaerobe. Acestea transforma nitritii si nitratii in gaz, sub forma de diazot(N2). Datorita incarcaturii organice din sol si aerarii permanente are loc si eliminarea fosforului. SEZUC epureaza apele si prin intermediul a doua procese de filtrare, si anume:
– filtrarea superficiala a apei supuse tratamentului, prin care suspensiile solide de dimensiuni medii sunt inlaturate prin retinere in porii patului de pietris, pana la dizolvarea portionata in efluent. Având in vedere ca suspensiile solide retinute sunt atât de origine
minerala cât si biologica, rezulta ca prin procesul de filtrare superficiala se elimina materialele in suspensie si o parte semnificativa din incarcarea organica a apei supuse tratamentului;
– filtrarea finala a apei supuse tratamentului, prin care suspensiile solide sunt inlaturate aproape in totalitate la depasirea de catre apa a nivelului membranei geotextil. Biodegradarea si dezintegrarea compusilor organici si filtrarea, este continuata de catre microorganismele aerobe din solul vegetal, activate si acestea de aerul absorbit.
Performantele de epurare care se obtin sunt urmatoarele:
– reduceri ale CBO5 90 % 98%(sub 25mg/l), CCO (sub 120mg/l) si a suspensiilor solide
SS (sub 30mg/l)
– nitrificare virtual completa;
– denitrificare 70-80%
– reducerea fosforului 60-70 %
– eliminarea partiala a bacteriilor din fecale (se obtin reduceri de 1000 de ori a numarului de bacterii fecale pentru fiecare 1 m de grosime a stratului de material granular). Apa epurata este absorbita in final in straturile superioare de sol si eliminata prin evapo transpiratie si folosire la subirigarea plantelor. Prin sterilizare apa se poate folosi si pentru irigare la suprafata.
4.3 Cresterea coeficientului evapo-transpiratiei prin remodelarea solului natural la SEZUC.
Evapo-transpiratia este un proces complex de transformare a apei in vapori printr-o serie de procese fizice (evaporare in cazul fazei lichide si sublimare in cazul zapezii si ghetii) si biologice (transpiratie). Transformarea apei in vapori se produce la suprafata terenului, in teren (la adâncimi reduse) si in invelisul vegetal (natural sau cultivat).
Transpiratia este procesul fiziologic de transformare a apei subterane (in principal din profilul de sol) in vapori (prin intermediul vegetatiei) care revin in atmosfera. Ea este influentata atât de factori fizici (puterea evaporanta a atmosferei, factorii meteorologici, umiditatea terenului) cât si de cei fiziologici (specia vegetala, vârsta sau stadiul de vegetatie, dezvoltarea sistemului radicular si a frunzelor, adâncimea de inradacinare). Plantele, prin radacinile lor, pot absorbi apa din sol pâna la adâncimi de 0,30-1,50m, in cazul culturilor, dar se poate ajunge si pâna la 10m in cazul arborilor. Cercetarile au aratat ca sistemele radiculare se pot dezvolta pâna la limita superioara a zonei capilare generata de acviferul freatic. Unele sisteme radiculare pot atinge o lungime totala de 100m si chiar 1000m, contribuind astfel la o crestere importanta a cantitatii de apa transpirata.
4.4 Rezultatele remodelarii solului natural pentru SEZUC
Rezultatele remodelarii solului natural pentru SEZUC sunt urmatoarele : 1. Obtinerea unui regim hidric stagnant prin amplasarea in bazine impermeabilizate cu membrana sau folie PVC sau PE. Regimul hidric stagnant apare in mod natural in soluri argiloase (greu permeabile)
- Cresterea componentului gazos al solului pana la 60 % Componentul gazos al solului natural este reprezentat de aerul (gaze + vapori de apa)aflat in porii acestuia. Detine intre 15 si 35% din volumul solului in functie de umiditate. Aerul este indispensabil in sol, controlând germinarea semintelor, cresterea plantelor, activitatea microorganismelor si majoritatea proceselor fizice si chimice.
SEZUC realizeaza prin absortia de aer suplimentar obtinuta prin tuburile de absortie si evacuare prin efectul natural cos de fum, o dublare a componentului gazos al solului . Dupa finalizarea drenajului, porii mari ai solului sunt umpluti atât cu apa cât si cu aer, in timp ce porii mici sunt inca plini cu apa. Treptat, apa inmagazinata in sol este preluata de catre radacinile plantelor sau se evapora de la suprafata solului in atmosfera. Fara aport suplimentar de apa solul se va usca progresiv. Solul contine o cantitate foarte redusa de apa (apa higroscopica si peliculara), care este legata (retinuta) mai puternic, cu o forta (peste 20atmosfere), care o depaseste pe aceea de suctiune a plantelor (sub 20 atmosfere). Solul natural inglobeaza apa peliculara mai slab legata si apacapilara.
SEZUC prin folosirea unui strat de pietris cu granulatie mare pe 75% din adancime adauga la aceasta capacitate , volumul golului dintre pietre care reprezinta peste 40 % din volumul pietrisului. La nivel multianual evaporatia pe teritoriul României variaza intre 300 mm/an si 800 mm/an, cu cele mai mari valori in partea de sud est a tarii si in lunca Dunarii (cu valori > 1000 mm/an), in partea de vest si in extremitatea sud vestica a tarii valorile ajung si la peste 800 mm/an. SEZUC obtine prin remodelarea solului dar si datorita aportului de caldura adus de apa uzata deversata si proceselor biologice exotermice ale microorganismelor din sol, valori ale evapotranspiratiei de 48 mm/zi (medie anuala) ..Pentru evacuarea apei consumate prin evapotranspiratie este necesara o suprafata de mp zona plantata subirigata de 3 mp / l.e.
4.5 SEZUC- reactor cu pelicula biologica
Sisteme biologice de tratare a apelor uzate necesita acumularea de microorganisme active intr-un bioreactor și separarea microorganismelor de cele din efluentul tratat. Aceasta este realizata in SEZUC in mod continuu la fiecare patrundere a afluentului prin tuburile de spalare . De asemenea tot prin acestea se poate realiza o spalare energica o data la 2-3 ani, in functie de tendinta de pierdere de capacitate a „patului curat” in urma spalarii continue. Patul pentru pelicula biologica este alcatuit din pietris care are urmatoarele propietati:
– suprafata specifica mare și spatiu gol in sincronizare modulara
– permite o incarcare hidraulica mare, imbunatatita
– transfer de oxigen usor
– permite controlul grosimii peliculei biologice.
Marimea pietrisului ideala ar fi de 50 mm dar din considerente tehnice de executie aceasta
poate varia.
Operare
Procesul este continuu și constă din:
- Tratament mecanic in rezervor in care solidele si cu dimensiuni mai mari decât fantele sunt retinute in rezervor
- Tratament biologic in rezervor , prin digestie , realizat de microorganismele aerobe si anaerobe existente in apa uzata dar si migrate din stratul de sol pana la lichefiere totala sau partiala pana la dimensiunea fantelor .
3 Tratament biologic in straturile de pietris ,geotextil si sol .
Lichidul si solidele sub dimensiunea fantelor se scurg prin fante in stratul de pietris unde sunt epurate de filtru biologic tip biofilm, care se formeaza in golurile dintre pietre din stratul de pietris , in stratul de sol si materialul geotextil de deasupra acestuia.
4 Evacuarea apei tratate prin capilaritate si evapo-transpiratie