Epurarea apelor uzate - Istoric si evolutie

Epurarea apelor uzate

1.a.Istoric si evolutie

Primele statii de epurare au aparut in Anglia in secolul XIX. Initial s-au realizat canalizari, care au rezolvat problema epidemiilor hidrice, dar au facut din Tamisa un rau mort ce degaja miros pestilential, incat in geamurile parlamentului au trebuit atarnate carpe imbibate cu clorura de calciu. Abia atunci s-a trecut la realizarea de statii de epurare. Tot in Anglia s-au pus bazele monitoringului. Parametrul 'consum biochimic de oxigen' CBO₅ a fost introdus in 1898 si a fost conceput in concordanta cu realitatile englezesti - temperatura de 20⁰C, timp de rezidenta in rau 5 zile, tip de poluare predominanta fiind cea fecaloid-menajera.

In SUA, in 1984 existau 15438 de statii de epurare care deserveau o populatie de 172205000 locuitori, adica 73,1% . Procentul de epurare a apelor din punct de vedere al incarcarii organice masurate prin CBO₅ a fost de 84% iar din punct de vedere al suspensiilor de 86,3%. Pentru anul 2005 se prevede atingerea unui nivel de 16980 de statii de epurare care sa deserveasca 243723000 locuitori, adica 86,6% . Procentul de epurare a apelor din punct de vedere al incarcarii organice masurate prin CBO₅ e planificat sa atinga 89,9% iar din punct de vedere al suspensiilor de 88,9%.

In SUA tot mai putine ape uzate dupa epurare se descarca din nou in emisar. Se infiltreaza in sol sau se utilizeaza pentru irigatii, in industrie, pentru recreere (lacuri), pentru piscicultura, si chiar ca sursa de apa potabila, dupa descarcare in lacuri sau injectare in sol sau chiar direct, dar cu supunere la preparare avansata. De exemplu in SUA se utilizeaza ape uzate la prepararea de apa potabila in orase ca Palo Alto, Denver, El Paso si chiar Washington DC! Aceasta e destul de scumpa, dar totusi mai ieftina decat desalinizarea apei marine de exemplu, de aceea tehnologia se raspandeste in tari arabe si africane.

1.b.Principiul constructiv al unei statii de epurare a apelor uzate

Desi difera prin dimensiuni si tehnologii folosite, cea mai mare parte a statiilor de epurare a apelor uzate orasenesti au o schema constructiva apropiata. Exista si unele realizate pe verticala, tip turn, dar majoritatea sunt pe orizontala. Ocupa relativ mult teren, dar o parte din instalatii se pot realiza in subteran, cu spatii verzi deasupra.

Distingem o treapta primara, mecanica; o treapta secundara, biologica; si la unele statii (deocamdata nu la toate!) o treapta tertiara - biologica, mecanica sau chimica.

Treapta primara consta din mai multe elemente succesive:

 Gratarele retin corpurile plutitoare si suspensiile grosiere (bucati de lemn, textile, plastic, pietre etc.). De regula sunt gratare succesive cu spatii tot mai dese intre lamele. Curatarea materiilor retinute se face mecanic. Ele se gestioneaza ca si gunoiul menajer, luand drumul rampei de gunoi sau incineratorului

Sitele au rol identic gratarelor, dar au ochiuri dese, retinand solide cu diametru mai mic.

Deznisipatoarele sau decantoarele pentru particule grosiere asigura depunerea pe fundul bazinelor lor a nisipului si pietrisului fin si altor particule ce au trecut de site dar care nu se mentin in ape linistite mai mult de cateva minute. Nisipul depus se colecteaza mecanic de pe fundul bazinelor si se gestioneaza ca deseu impreuna cu cele rezultate din etapele anterioare, deoarece contine multe impuritati organice.

Decantoarele primare sunt longitudinale sau circulare si asigura stationarea apei timp mai indelungat, astfel ca se depun si suspensiile fine. Se pot adauga in ape si diverse substante chimice cu rol de agent de coagulare sau floculare, uneori se interpun si filtre. Spumele si alte substante flotante adunate la suprafata (grasimi, substante petroliere etc.) se retin si inlatura ('despumare') iar namolul depus pe fund se colecteaza si inlatura din bazin (de exemplu cu lame racloare sustinute de pod rulant) si se trimite la metantancuri.

Treapta secundara consta si ea din mai multe etape:

Aerotancurile sunt bazine unde apa este amestecata cu 'namol activ' ce contine microorganisme ce descompun aerob substantele organice. Se introduce continuu aer pentru a accelera procesele biochimice.

Decantoarele secundare sunt bazine in care se sedimenteaza materialele de suspensie formate in urma proceselor complexe din aerotancuri. Acest namol este trimis la metantancuri iar gazele (ce contin mult metan) se folosesc ca si combustibil de exemplu la centrala termica.

Treapta tertiara nu exista la toate statiile de epurare. Ea are de regula rolul de a inlatura compusi in exces (de exemplu nutrienti- azot si fosfor) si a asigura dezinfectia apelor (de exemplu prin clorinare). Aceasta treapta poate fi biologica, mecanica sau chimica sau combinata, utilizand tehnologii clasice precum filtrarea sau unele mai speciale cum este adsorbtia pe carbune activat, precipitarea chimica etc. Eliminarea azotului in exces se face biologic, prin nitrificare (transformarea amoniului in azotit si apoi azotat) urmata de denitrificare, ce transforma azotatul in azot ce se degaja in atmosfera. Eliminarea fosforului se face tot pe cale biologica, sau chimica.

In urma trecerii prin aceste trepte apa trebuie sa aiba o calitate acceptabila, care sa corespunda standardelor pentru ape uzate epurate. Daca emisarul nu poate asigura dilutie puternica, apele epurate trebuie sa fie foarte curate. Ideal e sa aiba o calitate care sa le faca sa nu mai merite numite 'ape uzate' dar in practica rar intalnim asa o situatie fericita. Pe de o parte tehnologiile de epurare se imbunatatesc, dar pe de alta parte ajung in apele fecaloid-menajere tot mai multe substante care nu ar trebui sa fie si pe care statiile de epurare nu le pot inlatura din ape.

In final apa epurata este restituita in emisar - de regula raul de unde fusese prelevata amonte de oras. Ea contine evident inca urme de poluant, de aceea este avantajos ca debitul emisarului sa fie mare pentru a asigura dilutie adecvata.

Alte solutii propun utilizarea pentru irigatii a apelor uzate dupa tratamentul secundar, deoarece au un continut ridicat de nutrienti. Acest procedeu e aplicabil daca acele ape nu contin toxice specifice peste limitele admise si produsele agricole rezultate nu se consuma direct. In acest caz nu mai este necesara treapta a III-a si nu se mai introduc ape in emisar (fapt negativ din punct de vedere al debitului dar pozitiv pentru calitate, deoarece apele epurate nu sunt niciodata cu adevarat de calitate apropiata celor naturale nepoluate antropic). Se experimenteaza si utilizarea apelor uzate ca sursa de apa potabila, desigur cu supunerea la tratamente avansate de purificare.

Namolul din decantoarele primare si secundare este introdus in turnuri de fermentatie, numite metantancuri. De obicei sunt rezervoare de beton armat de mari dimensiuni, unde se asigura temperatura relativ ridicata, constanta, si conditii anaerobe, in care bacteriile fermenteaza namolul si descompun substantele organice pana la substante anorganice, rezultand un namol bogat in nutrienti si gaze care, continand mult metan, se utilizeaza ca si combustibil.

1.c.Probleme particular ale epurarii apelor uzate

 Statii de epurare integral biologice

In anumite conditii de clima se poate folosi si epurarea biologica cu plante, prin mlastina/laguna de epurare, care poate retine fosfatii, nitratii si agentii patogeni. Un hectar de stuf de exemplu extrage din apa anual 10-15 tone de azot, fosfor si sulf si peste 150 tone de poluanti organici!

La Arcata (California) in mod experimental s-a introdus un sistem de epurare exclusiv biologic, cu plante, intr-un sistem de mlastini si lacuri. Fezabilitatea pe termen lung si posibilitatea de a folosi pe scara larga asemenea tehnologie este deocamdata controversata.

Preepurarea apelor uzate industriale

Apele uzate industriale au de regula nivele inalte de incarcare cu poluant si mai ales au caracteristici frecvent foarte diferite de cele uzate fecaloid-menajere. De aceea ele nu pot fi epurate direct in statiile de epurare orasenesti, ci trebuie supuse unui proces de preepurare specifica, adaptata naturii poluantului sau poluantilor in cauza, si apoi eventual descarcate in canalizarea oraseneasca si duse la statia clasica de epurare. Se poate face si o statie complet separata pentru apele industriale, care sa asigure epurare pana la nivelul la care pot fi descarcate legal in emisar (rau de exemplu). O asemenea statie complet separata se poate justifica economic la mari intreprinderi.

Ape industriale uzate sunt si cele ce provin din 'spalarea' gazelor, inclusiv a celor de la centralele termice sau termoelectrice, unde apele incarca bioxid de sulf, rezultand gaze mai putin poluante pentru atmosfera dar ape foarte poluate, ce trebuie epurate.

Uneori apele uzate industriale au incarcari de poluanti pentru care nu exista tehnologie de epurare adecvata, singura solutie ramanand in acest caz injectarea profunda.

Problema namolului

Din statiile de epurare rezulta mari cantitati de namol. De exemplu in Germania se produc anual peste 100 de milioane de tone de namol brut! Acesta este in final uscat prin diverse procedee si poate fi utilizat ca ingrasamant agricol sau dupa caz este transportat la rampa de gunoi si haldat sau incinerat sau supus pirolizei. Utilizarea ca ingrasamant oricum nu se face direct, ci mai intai trebuie supus unui proces de 'conditionare' ce poate cuprinde dezinfectie, adaugare de saruri de aluminiu si fier, var, cenusa, materiale de floculare apoi deshidratare prin presa sau centrifuga.

In ultimul timp in apele uzate ajung tot mai multe metale grele si alti poluanti care fac ca namolul sa fie toxic si neadecvat utilizarii ca ingrasamant. In Germania de exemplu doar circa 40% poate fi utilizat in agricultura. Alternative sunt folosirea lui ca materie prima la caramizi speciale si alte materiale de construct O practica larg raspandita in trecut si din fericire abandonata dupa indelungi scandaluri a fost deversarea in ocean a namolului provenit din statii de epurare a apelor.

Metode speciale de epurare a apelor - osmoza inversa

Osmoza a fost descoperita in 1748 iar osmoza inversa mult mai tarziu, dar cu vaste aplicat Ea produce apa curata, chiar prea 'curata' (demineralizata) si se poate folosi pentru epurarea apelor uzate , preparare de apa potabila, dar si in alte scopuri ( producerea ghetii, aplicatii biomedicale si de laborator, in fotografie, industria farmaceutica, cosmetica, electronica si electrotehnica, zootehnie, medicina pentru hemodializa, dedurizarea apei pentru centralele termice etc.).

Principiul de functionare al procedeului este o membrana semi-permeabila prin care apa trece foarte usor dar alte substante mai putin sau deloc din cauza marimii moleculei. Punand in contact doua mase de apa cu concentratii diferite de diverse substante, separate prin membrana, la osmoza normala apa va tinde sa traverseze membrana de la solutia mai diluata catre cea mai concentrata pana la egalarea concentratiilor. Dar daca pe solutia mai concentrata se aplica o presiune mare, peste nivelul celei osmotice produsa de diferenta de concentratie, procesul este invers si apa trece din solutia concentrata spre cea diluata, cu alte cuvinte de la cea poluata spre cea purificata.

Stratul de solutie concentrata care se formeaza pe suprafata membranei trebuie indepartat periodic pentru a preveni astuparea microporilor prin care trec moleculele de apa. In acest sens se poate utiliza un pre-filtru cu carbon activ pentru retinerea clorului care poate distruge membrana si a unui pre-filtru pentru sedimente care sa retina suspensiile fine. Dedurizarea prealabila a apei e necesara daca e foarte dura.

Latrinele nu sunt o adevarata rezolvare a problemelor apelor uzate. Multe sunt doar niste gropi in pamant de unde dejectiile se infiltreaza in sol si il contamineaza cu multiple substante. Corect ele ar trebui sa aiba bazinele betonate si sa fie vidanjate periodic iar dejectiile sa fie transportate la statia de epurare.

 Injectarea profunda - o alternativa la epurare?

O solutie mai putin ecologica in locul tratarii in statii de epurare sau alte metode este injectarea profunda a apelor uzate, in zone si adancimi unde nu contamineaza surse de apa subterana in uz curent sau cunoscute. In functie de natura poluantului, unele speram sa isi modifice sau reduca continutul de poluanti, dar la majoritatea se spera doar sa nu ne deranjeze in urmatoarele secole sau chiar milenii, ceea ce nu este deloc o abordare durabila, dar se practica, la fel ca depozitarea deseurilor nucleare puternic radioactive.

Injectarea se face la adancimi de regula de 500-2000 metri, cu extreme de la cateva sute de metri pana la peste 4000 de metri. Depinde si de tipul de roca / formatiune geologica in care se injecteaza, de regula nisip, gresie, dolomit sau calcare. Debitul si presiunea sunt si ele variabile, iar tipurile de ape uzate care se injecteaza sunt de regula ape grav contaminate si foarte greu de epurat sau in cantitati foarte mari. Categorii de ape uzate injectate profund: ape uzate comunale si industriale, ape sarate de la exploatari petroliere, ape utilizate la minerit prin solvire a diverselor minerale (clorura de sodiu, potasiu, fosfati, uraniu, cupru etc.), ape utilizate in procedeul de ardere in situ a combustibililor fosili (carbune, sisturi bituminoase), producere de energie electrica pe baza celei geotermale; ape radioactive sau incarcate cu substante de inalta toxicitate din industria farmaceutica, chimica etc.; ape de racire; ape meteorice colectate de canalizari municipale si alte structuri. Se practica ti reinjectare de ape ne sau putin uzate din ratiuni hidrogeologice, cum sunt reincarcarea acviferelor, injectii de barare a intruziuni apei sarate in acvifer, injectii de solide sub forma de suspensie inapoi in golurile de unde au fost extrase ex. steril inapoi in mine. In SUA, cel mai frecvent au fost injectate ape uzate de provenienta din industria chimica, farmaceutica si petrochimica (55%), rafinarii si industrie extractiva de gaze naturale (20%), industria metalurgica (7%).