Nămol activat
Procesele cu nămol activat sunt o parte a unui sistem complex de tratare a apelor uzate (U.S. EPA 2002) . Ele sunt utilizate, de obicei, după un tratament primar ( inclusiv o depistare care îndepărtează solidele sedimentabile) , includ una sau mai multe camere principale de tratare aerisite, dispozitive de aerare, un dispozitiv de amestecare adecvată pentru a menține nămolul în suspensie, un clarificator secundar pentru a separa biomasa de efluentul tratat și a colecta biomasa sedimentată, în general un regim de circulație neliniar, foarte complex (de exemplu, bucle de recirculare, by-pass etc.) și sunt uneori urmate de o etapă finală de lustruire (a se vedea filtrarea terțiară și dezinfecția). Procesele biologice care au loc sunt eficiente în eliminarea materialelor solubile, coloidale și sub formă de particule. Reactorul poate fi proiectat pentru nitrificare și denitrificare biologică, precum și pentru îndepărtarea biologică a fosforului.
Proiectarea trebuie să se bazeze pe o estimare exactă a compoziției și volumului apelor uzate. Eficiența epurării poate fi grav compromisă dacă instalația este subdimensionată sau supradimensionată. În funcție de temperatură, timpul de retenție a solidelor (SRT) în reactor variază de la 3 până la 5 zile pentru îndepărtarea DBO, până la 3 până la 18 zile pentru nitrificare.
Nămolul în exces necesită tratare pentru a reduce conținutul de apă și de substanțe organice și pentru a obține un produs stabilizat adecvat pentru utilizarea finală sau pentru eliminarea finală. Este important să se ia în considerare această etapă în faza de planificare a stației de tratare).
Cantități mari de oxigen injectat permit menținerea condițiilor aerobe și amestecarea optimă a biomasei active cu apele uzate care urmează să fie tratate. Pentru a menține o cantitate relativ mare de microorganisme active utile în eliminarea substanțelor organice din apa uzată, nămolul este separat de efluent prin decantare într-un clarificator secundar (UNEP 2004) sau prin filtrare pe membrană și menținut în proces prin recirculare în bazinul de aerare. Au fost dezvoltate mai multe modificări ale acestui proces de bază, inclusiv diferite dispozitive de aerare, diferite mijloace de colectare și reciclare a nămolului în bazinul de aerare sau în clarificatorul primar și îmbunătățirea procesului prin adăugarea unei zone de mediu inert pe care se poate dezvolta un biofilm (proces combinat cu film fix/creștere în suspensie).
Deși bacteriile aerobe sunt cele mai dominante microorganisme din proces, pot fi prezente și alte bacterii aerobe, anaerobe și/sau nitrificatoare, împreună cu organisme superioare. Astfel, pe lângă eliminarea materiei organice, substanțele nutritive (amoniac organic, fosfor) pot fi, de asemenea, eliminate biologic prin nitrificare/denitrificare și absorbție biologică a fosforului. Compoziția exactă a microorganismelor depinde de designul reactorului, de mediu și de caracteristicile apelor uzate (TILLEY et al. 2008). Pentru a obține condiții optime atât pentru îndepărtarea substanțelor organice, cât și a nutrienților, se utilizează secvențe de schimbare a camerelor aerobe și anaerobe.
Procesul detaliat de tratare
După cernere, nisipul și alte particule grele similare sunt îndepărtate în continuare într-o cameră de nisip, unde se depun pe sol. Această cameră vrea să îndepărteze doar pietrișul grosier și apele uzate petrec doar o perioadă relativ scurtă (câteva minute) în ea (UNEP & MURDOCH 2004). Solidele mai mici sunt îndepărtate într-un bazin de decantare sau sedimentare. În această unitate, apa uzată petrece mai mult timp (aproximativ o oră) pentru a permite o bună separare. Nămolul rezultat din această tratare primară mecanică (inclusiv criblarea și decantarea în camera de nisip și în bazinul de sedimentare) se numește nămol primar și, ca toate nămolurile în exces, necesită un lanț de tratare ulterioară avansată.
După această tratare primară, urmează unitatea principală care conține nămolul activat. Apele uzate pretratate sunt amestecate cu nămolul activat concentrat de sub fluxul inferior de la clarificatorul secundar într-un rezervor aerat. Aerarea este asigurată fie de agitatori mecanici de suprafață, fie de difuzoare submerse de aer comprimat (WSP 2008). Aerarea furnizează oxigen nămolului activat și, în același timp, amestecă bine nămolul și apa uzată (UNEP & MURDOCH 2004). În timpul aerării și amestecării, bacteriile formează grupuri mici sau flocoane (TILLEY et al. 2008). În aceste condiții, bacteriile din nămolul activat degradează substanțele organice din apa uzată. Acestea folosesc substanța organică pentru energie, creștere și reproducere. Produsele finale sunt dioxidul de carbon (CO2), apa (H2O) și celule noi.
După câteva ore în camera de aerare, amestecul intră apoi în bazinul secundar de decantare (clarificator), unde microorganismele floculate se depun și sunt eliminate din fluxul de efluent. Microorganismele sedimentate (nămolul activat) sunt apoi reciclate la capătul rezervorului de aerare pentru a fi amestecate din nou cu apa uzată și pentru a continua să crească și să formeze un nou nămol și să degradeze substanțele organice. Pentru a menține o cantitate optimă de nămol în sistem, rata de recirculare a nămolului sedimentat variază între 20 și 100%. Excesul de nămol produs în fiecare zi (nămol activat rezidual) trebuie să fie prelucrat într-un lanț de tratare ulterioară împreună cu nămolul provenit din instalațiile de tratare primară. Un lanț convențional de tratare a excesului de nămol constă în digestia anaerobă, îngroșarea, incinerarea și eliminarea în condiții de siguranță, de exemplu, într-un depozit de deșeuri. O modalitate mai sustenabilă ar fi compostarea nămolului (fie înainte, fie în locul digestiei) pentru a reutiliza nutrienții în agricultură.
Timpurile de retenție hidraulică în ansamblul sistemelor variază de la câteva ore până la câteva zile pentru faza lichidă. Procedarea excesului de nămol poate dura ceva mai mult, în funcție de tipul de îngroșare și de digestia anaerobă aplicată. Efluentul de la o instalație cu nămol activat proiectată și exploatată corespunzător este de înaltă calitate, având de obicei concentrații de DBO și TSS egale sau mai mici de 10 mg/L (CRITES & TCHOBANOGLOUS 1998). Îndepărtarea atât a cererii biologice de oxigen (BOD), cât și a solidelor în suspensie (TSS) se situează, în general, între 80 și 100%, în funcție de concentrațiile de influent, de configurația sistemului și de temperatură (UNEP 2004; SANIMAS 2005; WSP 2008).
Nutrienții, cum ar fi azotul și fosforul, sunt, de asemenea, eliminați în procesul cu nămol activat, dar necesită o configurație de camere aerate și neaerate diferite în sistemele hibride cu nămol activat. Eliminarea biologică a azotului se realizează mai întâi prin transformarea azotului organic în amoniac, urmată de transformarea aerobă a amoniacului (NH4+) în nitriți (NO2-) și apoi în nitrați (NO3-) și transformarea anaerobă a nitraților în azot gazos (N2), care este apoi eliberat în atmosferă. Transformarea amoniacului în nitrat prin intermediul unei etape intermediare a nitriților se numește nitrificare. Transformarea nitratului în azot gazos se numește denitrificare. Astfel, este necesară o combinație a ambelor procese, aerob și anaerob (anoxic), pentru a obține eliminarea completă a azotului din apele uzate. În multe sisteme de tratare cu nămol activat, un bazin anaerob este integrat fie după bazinul aerat și înainte de clarificare (postdenitrificare); fie chiar înainte de bazinul de aerare (predenitrificare). În cazul predenitrificării, nitrificarea are loc în bazinul aerat după prebazinul aerob. Denitrificarea are loc numai atunci când efluentul din bazinul aerat, care conține nitriți, este recirculat ca și nămolul.
Îndepărtarea fosforului în sistemele cu nămol activat se poate face pe cale chimică sau biologică. Eliminarea biologică a fosforului în sistemul convențional de tratare a apelor uzate are loc prin absorbția fosforului de către unele celule bacteriene. Cu toate acestea, doar o cantitate mică de fosfor poate fi eliminată în acest mod, deoarece fracția de masă a fosforului în nămolul volatil este de numai aproximativ 2,5% (HAANDEL&LUBBE 2007). Astfel, rezultă o concentrație de efluent de aproximativ 2 până la 7 mg P/L pentru apele uzate municipale cu o concentrație COD de 500 mg/L (HAANDEL&LUBBE 2007). Cu toate acestea, în general, va fi necesară scăderea concentrației de fosfor din efluent la o valoare ≤ 1 mg P/L.
Un alt proces biologic este eliminarea biologică îmbunătățită a fosforului. Îndepărtarea biologică îmbunătățită a fosforului se bazează pe cultivarea unor bacterii speciale care acumulează fosfor și care, în comparație cu 2,5% P în nămolul activat convențional, pot duce la o acumulare de până la 38% din P în nămol (HAANDEL&LUBBE 2007).
Când trebuie eliminate atât azotul, cât și fosforul, combinația devine și mai complexă. Eliminarea biologică îmbunătățită a fosforului necesită, în general, o etapă anaerobă (pentru cultivarea OAP), o etapă anoxică (pentru denitrificare) și o etapă aerobă (pentru nitrificare și acumularea de fosfor) în serie.
În prezent, sistemele cu nămol activat, în care nutrienții valoroși (fosfor și azot) și materia organică sunt incinerate în loc să fie recirculate pentru producția de alimente în agricultură, nu mai sunt percepute ca fiind durabile. Introducerea eliminării azotului într-o instalație de nămol activat crește semnificativ volumul reactorului și conduce la un consum de energie mai mare cu aproximativ 60-80% pentru aerare (MAURER 2003). Eliminarea fosforului necesită fie adăugarea de substanțe chimice și eliminarea ulterioară a nămolului anorganic, fie o creștere a complexității și a volumului reactorului pentru eliminarea biologică îmbunătățită a fosforului.
Pentru a atinge obiective specifice de efluent pentru DBO, azot și fosfor, au fost făcute diferite adaptări și modificări ale proiectului de bază al nămolului activat. Printre modificările bine cunoscute se numără reactoarele discontinue de secvențiere (SBR), șanțurile de oxidare, puțurile adânci, aerarea extinsă, paturile mobile și bioreactoarele cu membrană.
Reactoare discontinue secvențiale (SBR)
Procesul poate fi operat în loturi, în care diferitele condiții sunt toate realizate în același reactor, dar în momente diferite (UNEP & MURDOCH 2004). Tratamentul constă într-un ciclu de cinci etape: umplere, reacție, decantare, decantare, tragere și inactivitate. În timpul tipului de reacție, oxigenul este adăugat de un sistem de aerare. În timpul acestei faze, bacteriile oxidează materia organică la fel ca în sistemele cu nămol activat. Ulterior, aerarea este oprită pentru a permite nămolului să se sedimenteze. În etapa următoare, apa și nămolul sunt separate prin decantare, iar stratul limpede (supernatant) este evacuat din camera de reacție (METCALF & EDDY 2007). În funcție de rata de producere a nămolului, o parte din nămol poate fi, de asemenea, purjată. După o fază de inactivitate, rezervorul este umplut cu un nou lot de apă uzată (UNEP & MURDOCH 2004). Sunt necesare cel puțin două rezervoare pentru modul de funcționare discontinuu, deoarece influentul continuu trebuie să fie stocat în timpul fazei de funcționare. Sistemele (foarte) mici (de exemplu, care deservesc așezări mici) pot aplica doar un singur rezervor. În acest caz, influentul trebuie fie reținut într-un bazin, fie evacuat continuu pe fundul rezervorului, pentru a nu perturba fazele de decantare, de tragere și de inactivitate. SBR-urile sunt potrivite pentru debite mai mici, deoarece dimensiunea fiecărui rezervor este determinată de volumul de apă uzată produs în timpul perioadei de tratare în celălalt rezervor (UNEP & MURDOCH 2004). Pentru mai multe informații despre sistemele SBR cu nămol activat, vă rugăm să consultați WSP (2007) sau U.S. EPA (1999).
Sanțuri de oxidare
Sanțurile de oxidare sunt șanțuri mari, rotunde sau ovale (reactoare cu canal), cu unul sau mai multe aeratoare orizontale pentru a garanta alimentarea cu oxigen și pentru a amesteca și deplasa conținutul în jurul șanțului. Afluentul filtrat intră în șanțul de oxidare, este aerisit și circulă cu aproximativ 0,25 până la 0,35 m/s (SANIMAS 2005). Funcționarea poate fi continuă sau intermitentă. De obicei, sedimentarea primară nu este necesară, dar se folosesc în general bazine de sedimentare secundară. Volumul de tratare necesar pe cap de locuitor este de aproximativ 1 m³ (SANIMAS 2005). Șanțurile de oxidare sunt potrivite pentru zonele în care disponibilitatea terenurilor este ridicată. Acestea au avantajul că sunt relativ ușor de întreținut și sunt rezistente la sarcinile de șoc care apar adesea în comunitățile mai mici (de exemplu, la ora micului dejun și seara). Timpul tipic de retenție hidraulică este cuprins între 24 și 48 de ore, cu o vârstă a nămolului cuprinsă între 12 și 20 de zile (Wikipedia 2010). Pentru mai multe informații despre șanțurile de oxidare, vă rugăm să consultați U.S. EPA (2000), WSP (2007) sau WSP (2008).
Foișoare adânci
Dacă terenul este insuficient, apele uzate pot fi tratate prin injectarea de oxigen într-un flux de nămol de retur sub presiune, care este injectat în baza unui rezervor columnar adânc îngropat în pământ. Acest tip de reactor cu nămol activat se numește „deep shaft”. Astfel de puțuri pot avea o adâncime de până la 100 m. Pe măsură ce apele reziduale se ridică, oxigenul forțat în soluție de presiunea de la baza puțului se desprinde sub formă de oxigen molecular. Acest lucru asigură o sursă foarte eficientă de oxigen pentru microorganismele conținute în nămolul activat. Oxigenul în creștere și nămolul de retur injectat asigură mecanismul fizic de amestecare. Nămolul amestecat și influentul de apă uzată se decantează la suprafață și se separă în componente de supranatant și nămol. Eficiența tratării cu puțuri adânci poate fi ridicată, dar acestea necesită profesioniști calificați pentru construcție, operare și întreținere; și, în plus, o cantitate mare de energie (adaptat după Wikipedia (2012)).
.