Optimizarea raportului de nutrieni pentru epurarea apelor uzate

RAPORT DE UTILIZAREANALIZE DE LABORATOR & ANALIZE IN PROCESEPURAREA APELOR UZATENUTRIENI

Pentru a putea respecta cerinele legale privind epurarea apelor, operatorii

instalaiilor trebuie s controleze cu atenie procesul de epurare, astfel nct

s poat interveni prompt pentru a preveni depirea valorilor limit. Pe lng metodele chimice i fizice, epurarea apelor uzate se bazeaz n

primul rnd pe epurarea biologic prin microorganisme n mlul activat. Cunoaterea nutrienilor necesari i compoziia nmolului activat sunt aadar necesare dac instalaia urmeaz s fie operat la capacitate

maxim. Cauzele i efectele raporturilor nefavorabile ale nutrienilor, precum i msurile, care vor fi luate pentru a lucra cu acetia, sunt descrise

n prezentul raport.

Autor:Ing. dipl. Michael Winkler- Conductor Proiect, Serviciul Clieni i Dezvoltare Produs

- BIOSERVE GmbH, Mainz

2Nutrieni n nmol activat

epurrii biologice a apelor uzate, N organic

este transformat n NH4-N prin bacteriile

din nmolul activat. NH4-N i NH4-N de

la admisie sunt transformai n nitrit, care

la rndul su este transformat n nitrat

(nitrificare). Compuii de azot care nu

sunt biodegradai n nmolul activat

sunt transformai n condiii anoxice

(absena O2 dizolvat) n azot elementar

(denitrificare). Acesta se degaj n atmo-

sfer ca N2

Compuii de azot sunt determinai ca NH4-N, NO2-N, NO3-N i TN (azot total,

care este important pentru verificrile

de echilibru i eflux).

Fosfor

ncrcarea cu P n afluxul instalaiilor

de epurare a apelor uzate este format

din ortofosfat-fosfor (PO4-P), polifosfai

i compui de fosfor organic. mpreun,

acetia nsumeaz fosfor total (Ptot).

NMOL ACTIVAT DE NUTRIENI

Un raport echilibrat de nutrieni este

esenial pentru ca microorganismele s

funcioneze la capacitate maxim. Cei

mai importani dintre aceti nutrieni sunt

carbonul, azotul i fosforul.

Carbon

Carbonul este componentul principal al

substanelor organice gsite n apele

uzate. Este biodegradat de microorga-

nismele din nmolul activat n condiii

anaerobe (bio-P), ntr-un mediu anoxic

(zona de denitrificare) i n partea aerat

a etapei biologice (zona de nitrificare).

Microorganismele folosesc compui de

carbon pentru a crea structurile lor de

celule i pentru a genera energie.

Compuii de carbon sunt determinai ca COD, BOD5 sau TOC

Azot

La intrarea n instalaiile de epurare a

apelor uzate, azotul este prezent n

form legat organic (N organic) i ca

nitrogen de amoniu (NH4-N). n timpul

Tabelul 1: Parametri importani pentru epurarea apelor uzate

COD (consumul chimic de oxigen); acesta corespunde aproximativ cantitii de oxigen necesar pentru a oxida complet compuii de carbon, inclusiv compuii redui anorganici.BOD5 (consumul biochimic de oxigen); acesta arat ct oxigen elementar este consumat de-a lungul a cinci zile de biodegradare prin microorganisme n condiiile standard.TOC (Carbon organic total) este o msur a carbonului legat organic; n contrast cu BOD5, TOC include de asemenea carbonul n compuii slab biodegradabili.TKN (azot Kjeldahl) este o msur a azotului legat organic (N organic) i a nitrogenului de amoniu (NH4-N).Azotul total NT (LATON) include azot legat organic, azot amoniu (NH4-N), nitrit (NO2-N) i nitrat (NO3-N).

Spaiul de lucru pentru analizele de laborator const ntr-un foto-metru, reactivi i n funcie de parametru un termostat.

Analizele de laborator i tehnologia de msurare susin respectarea valorilor limit.

www.hach-lange.ro

Compui organici + O2 + Nutrieni

Celul nou + CO2 + H2OMicroorganisme

3Sulf

Apele uzate provenite din fose septice i

unele ape uzate industriale conin com-

pui redui ai sulfului (hidrogen sulfurat,

sulfuri i tiosulfai). Sulful este un compo-

nent indispensabil al proteinelor. n insta-

laiile de epurare a apelor uzate, compuii

redui ai sulfului nu sunt doar oxidai chi-

mic n sulfai, ci i oxidai de unele bacte-

rii pentru a forma sulful i, atta timp ct

procedeul genereaz energie, acetia se

adun n interiorul celulelor ca rezerve de

hran.

Concentraiile ridicate de compui

redui ai sulfului n apele uzate pot,

totui, s conduc la un numr de prob-

leme (Tabelul 2).

Raport C:N:P (BOD5:TN:Ptot)

Coninutul nutrienilor individuali din apele

uzate trebuie s corespund nevoilor

bacteriilor din nmolul activat i ar trebui

s existe o relaie echilibrat ntre C, N i

P. Acest lucru este esenial pentru efica-

citatea biodegradrii. n timpul epurrii

aerobe a apelor uzate, raportul C:N:P

trebuie s fie n intervalul dintre 100:10:1

i 100:5:1.

n timpul epurrii biologice a apelor uzate,

polifosfaii i fosforul legat organic sunt

transformai n ortofosfai.

Necesarul de P al organismelor se

datoreaz rolului special al fosforului n

schimbul lor de energie. P este necesar

pentru a forma membrana celulei i

ADN-ul.

O parte din fosforul din apele uzate

este eliminat biologic (bio-P). Restul se

poate ndeprta prin precipitarea chimico-

fizic a fosfatului.

Compuii de fosfor sunt determinai ca PO4-P (controlul precipitrii) i ca

Ptot (monitorizarea efluxului i a echili-

brrii).

Oligoelemente

Alte oligoelemente necesare pentru a

construi celule ex.: potasiu, magneziu,

mangan, fier, cupru, zinc i nichel, pre-

cum i vitamine i factori de cretere

sunt de obicei prezente n apele uzate

municipale sau, sunt chiar furnizate de

microorganismele din nmolul activat.

Fig. 1: Procedee de degradare n timpul nitrificrii i denitrificrii

Compui organici N (uree, proteine etc.)

Azot-nitrat NO3-N

Compui organici CAzot-amoniu NH4-N Azot-nitrit NO2-N

Dioxid de carbon CO2

Nitrificare Denitrificare

Azot-nitrat NO3-N

Azot-nitrit NO2-N

Hidroliz i amonificare

Nitrosomonas + Oxigen

Nitrobacter + Oxigen

Analizoarele moderne sunt montate direct pe marginea rezervorului i nu necesit o carcas de protecie.

Sondele fr reactivi sunt utilizate pentru monitorizare continu.

NO, N2O

Azot elementar N2

NO, N2O reductaz - Oxigen

Nitrit reductaz Oxigen

Nitrat reductaz Oxigen

Oxigen

4 NUTRIENI_CALCUL

Raporturi favorabile i nefavorabile de nutrieni

Totui, toate tipurile de instalaii industriale,

diferenele regionale n obiceiurile alimentare

(aruncarea diferitelor gunoaie menajere n

canalele de scurgere) i natura solului i

a apei potabile conduc la o difereniere a

compoziiei apelor uzate.

Experiena a artat c raportul C:N:P

din apele uzate municipale este de apro-

ximativ 100:20:5.

De obicei, compuii N i P n exces pot fi

eliminai din apele uzate fr dificulti mari,

folosind metodele moderne.

Dac apele uzate la intrarea n etapa

biologic au deficiene la unul dintre

nutrienii principali, atunci pot aprea o

multitudine de probleme (Tabelul 3).

Pentru o denitrificare eficient, trebuie

s fie prezent o anumit proporie de

compui de C biodegradabili pregtii.

Dup ce apele uzate municipale au tre-

cut prin rezervorul iniial de decantare,

acestea au un raport BOD5:N de

100:25(=4). Dac raportul este sub

100:40 (=2,5), eficiena procesului de

denitrificare este limitat, rezultnd valori

mai ridicate de nitrai la iesire. Dac

ocolirea tratamentului iniial i creterea

volumului de denitrificare nu reuesc

Sonda NITRATAX sc parial scufundat pentru msurarea nitratului online.

Tabelul 3: Cauze i efecte ale deficienelor de nutrieni din etapa biologic a epurrii apelor uzate.

Lipsa de Cauze/Origini ale apelor uzate Posibile consecine Aciune de rectificareCarbon Timp lung de ateptare n reeaua de

canalizare Epurarea iniial cuprinztoare a apelor uzate

Ape uzate industriale cu un coninut ridicat de azot, ex.: de la procesarea laptelui i a crnii

Dezvoltarea abundent a bacteriilor filamentoase (umflarea i nspumarea mlului)

Denitrificare insuficient

Ocolirea tratamentului iniial Creterea volumului de denitrificare n timpul reinerii unui volum suficient pentru nitrificare (vechimea minim a mlului de 9 zile)

Azot Ape uzate cu coninut sczut de azot de la: Industria de hrtie Procesarea fructelor i legumelor

Valori ridicate COD/TOC n afluxul instalaiei de tratare a apelor uzate

Bacterii filamentoase

A se echilibra raportul nutrienilor prin: Adugarea compuilor de N (produse industriale cu valori bune, cum ar fi ureea)

Adugarea apelor uzate menajere, apelor tulburi din bazinul de fermentare

Fosfor Depunere de leie, ape uzate de la procesarea fructelor i legumelor

Valori ridicate de COD/TOC n eflux Bacterii filamentoase

Se va echilibra raportul nutrienilor prin: Adugarea compuilor de P (produse industriale cu valori bune, cum ar fi acid fosforic sau fertilizatorii fosfai pentru sectorul agricol)

Adugare ape uzate menajere

Tabelul 2: Cauzele i efectele concentraiilor ridicate de sulf

Cauze/Origini ale apelor uzate Posibile consecine Aciune de rectificare Concentraii ridicate ale com-puilor de sulf din industriile de procesare chimic i a proteinelor (procesarea crnii i avicultur)

Procedee anaerobe n siste-mul de canalizare, care duc la reducerea compuilor de sulf n hidrogen sulfurat

Corodarea n canalele colec-toare i pereii rezervorului din instalaiile de epurare a apelor uzate

Vecinii sufer din cauza miro-sului neplcut

Cretere sporit a bacteriilor filamentoase de oxidare a sulfului (de tipul 021 N)

A se evita blocajele din reeaua de canalizare

Se vor aduga sruri de fier n canalizare (ex.: la staiile de pompare)

Controllerul SC 1000 pentru pn la opt senzori de asemenea adecvat pentru utilizare ca o reea Profibus, de exemplu.

www.hach-lange.ro

5Exemplu

O instalaie de epurare a apelor uzate cu

o proporie ridicat de ape uzate indus-

triale are urmtorii parametri pentru nutri-

eni la aflux n etapa de tratare biologic

(Tabelul 5).

Raportul BOD5:N de 2,45 este prea

redus pentru ca denitrificarea adecvat

s aib loc. Trebuie aadar adugai

compui externi de carbon. Totui, tre-

buie efectuat un numr de calcule nainte

ca acest lucru s fie fcut:

1. Cantitatea de azot care nu va fi

denitrificat (Nn.d.):

a se vedea tabelul 6

2. Se va calcula cantitatea de azot

care poate fi denitrificat cu apele

uzate:

Cu denitrificare n amonte i un raport

VD:VBB de 0,5, capacitatea de denitrifica-

re (conform cu Tabelul 7) este

CDeni = 0,15 kgNO3-ND/kg BOD5.

SNO3-N, D = CDeni BOD5 infl aer= 0,15 110 mg/L = 16,5 mg/L

Acest lucru nseamn c 16,5 mg/L

NO3-N poate fi denitrificat cu epurarea

biologic existent

s aduc o mbuntire, atunci trebuie

luat n considerare adugarea unui sub-

strat degradabil pregtit (surs extern

de carbon).

Sursele de carbon pentru echilibrarea

nutrienilor includ:

- C intern = nmol iniial hidrolizat sau

acidifiat

- C extern = reziduuri industriale (de

la fabricile de bere, fermele de lap-

te, industria zahrului) i produsele

industriale (metanol, etanol, acid

acetic).

Raport COD:BOD5

Raportul acestor parametri sum este

o msur a biodegradrii poluanilor

apelor uzate. Dac raportul COD:BOD5

nu depete 2:1, se consider c bio-

degradarea este bun. Valori mai ridicate

indic prezena unor substane slab bio-

degradabile.

Tabelul 4: Cauze i efecte ale raporturilor nefavorabile COD:BOD5

Cauze/Origini ale apelor uzate Posibile consecine Aciune de rectificare Depunere de leii, ape uzate de la faciliti de ngrmin-te naturale i tratare a dee-urilor reziduale i industria chimic.

Reducere considerabil a BOD5 din reeaua de canali-zare, pe timpul verii.

Epurarea iniial intens a apelor uzate

Denitrificare necorespunz-toare (valori ridicate de nitrat din eflux).

COD ridicat n efluxul instala-iei de tratare a apelor uzate

Deteriorarea bio-P

Adugarea surselor de C pentru a mbunti denitrifi-carea

A se folosi metode chimico-fizice (tratarea ozonului, filtrul de carbon activat, tehnologia cu membran) pentru substane slab bio-degradabile i non-biodegra-dabile.

Practicele teste cuvet LANGE sunt disponibile pentru toi parametrii cheie.

n combinaie cu asigurarea calitii analitice, rezultatele msurtorilor sunt acceptate oficial.

Dac trebuie analizat un numr mare de eantioane, analizoarele automate de laborator ofer suport de valoare.

6 CONTROL_NUTRIENI

Reglarea dozei de substrat cu ajutorul msurtorilor NO3-N

3. Calcularea cerinei externe de

substrat

Coninutul de N care nc urmeaz s

fie denitrificat este azotul total adugat

minus cantitatea de azot care nu va fi

denitrificat minus cantitatea de azot pe

care instalaia o poate denitrifica:

SNO3-N, D, Ext = TNInflow - Nn.d. - SNO3-N, D

= 45 mg/L - 15.5 mg/L - 16.5 mg/L

= 13 mg/L

Pentru a denitrifica cele 13 mg/L de azot

rmase, microorganismelor din nmolul

activat trebuie s li se asigure o surs

suplimentar de carbon. Un volum zilnic

de ape uzate de 10.000 m3 are un coni-

nut de azot de 130 kg. Conform fiei de

lucru DWA A131, cerina extern de car-

bon este de 5 kg COD/1 kg NO3-N.

Acest lucru nseamn c, pentru a avea

loc o denitrificare complet, sunt nece-

sare 650 kg COD pe zi. Dac se asigur

carbonul suplimentar sub forma de acid

acetic, datele furnizate n Tabelul 8 arat

c 607 kg ar trebui adugate zilnic.

Dozajul vizat se bazeaz pe valorile

NO3-N.

Concluzii

Raporturile nefavorabile de nutrieni i

concentraiile ridicate ale substanelor

individuale reduc eficacitatea degradrii

procedeului de epurare a apelor uzate.

Recunoaterea timpurie i monitorizarea

continu a parametrilor critici sunt aa-

dar eseniale pentru a permite operatori-

lor instalaiei s acioneze rapid pentru

rectificare, atunci cnd este necesar.

Numai aa se poate asigura conformita-

tea cu valorile legale ale efluxului, pre-

cum i evitarea impozitelor pe ape uzate,

exagerat de mari. Testele cuvet LANGE

i dispozitivele de msurare a procesului

cu operare continu au demonstrat c

acestea sunt ajutoare indispensabile

pentru a se atinge o mai mare transpa-

ren i fiabilitate.

Tabelul 5: Valori zilnice medii ale unei instalaii de epurare a apelor uzate municipale

Valori zilnice medii

Aflux [m3/d] 10.000BOD5 infl aer [mg/L] 110TNinfl aer LATON [mg/L] 45Ptot infl aer. [mg/L] 3,5BOD5 infl aer : TNinfl aer = 110:45 = 2,45

Tabelul 6: Calcularea cantitii de azot care urmeaz s nu fie denitrificat (UNn.d.)N incorporat n biomas (5 % din BOD5 infl aer) 5,5mg/LNorg.e (e = cantitate int presupus n eflux) 2mg/LNH4-Ne (e = cantitate int n eflux) 0mg/LNO3-Ne (e = cantitate int n eflux) 8mg/LSum 15,5mg/L

Tabelul 7: Capacitate de denitrificare n conformitate cu ATV-A131 (valori de ghidare pentru vreme uscat i temperaturi de la 10 la 12C)

VD/WATTVolum Deni/Volum Aerare

CDeni (Capacitate de denitrificare n kg NO3-ND/kg BOD5)Denitrificare n amonte Denitrificare simultan i

intermitent0,2 0,11 0,060,3 0,13 0,090,4 0,14 0,120,5 0,15 0,15

VD: Volumul rezervorului de aerare utilizat pentru denitrificareVAT: Volumul rezervorului de aerare

Tabelul 8: Surse externe de carbon pentru calcularea dozajului necesar

Acid acetic Metanol Etanol

COD kg/kg 1,07 1,50 2,09TOC kg/kg 0,40 0,38 0,52BOD5 kg/kg 0,70 0,96 1,35Densitate kg/m3 1.060 790 780n acest exemplu, 1 kg acid acetic este echivalent cu 1,07 kg COD

www.hach-lange.ro

7

Canal

Rezervor de ploaie

Grtar Reinere / Separator Nisip

Limpezire iniial

Regenerare

Limpezire final

Filtru

Centru birouri / Laborator

Cuv de Decanatare

Turn de Fermentare

Scurgerea nmolului

Fig. 2: Reprezentare schematic a instalaiei de epurare a apelor uzate cu locaiile de msurare pentru monitorizarea nutrienilor

Locaiile tipice pentru monitoriza-

rea nutrienilor din instalaiile de

epurare a apelor uzate.

Aflux la rezervorul iniial de decantare: Determinarea i monitorizarea ncr-

crii instalaiei

Aflux la rezervorul de aerare: optimiza-rea furnizrii cu nutrieni

Eflux de la rezervorul de aerare: Moni-torizarea i optimizarea funciei de

degradare a C, nitrificare/denitrificare

i eliminare P

Eflux de la instalaia de epurare a apei uzate (WWTP): monitorizare valori

limit, controlul WWTP

Parametrii nutrienilor analizai sunt (n

funcie de regulile de monitorizare):

COD (sau TOC) BOD5 orto PO4-P Ptot NH4-N TKN (azot Kjeldahl: suma NH4-N i N

organic)

Ntot.inorg..(anorganic N: suma NH4-N, NO3-N i NO2-N)

TNb (azot total: suma N organic i anorganic)

Raporturi optime de nutrieni cu tehnologia modern de msurare

DOC040.87.10005.O

ct12

SOLUII DE MSURARE_NUTRIENI

Staia de msurare pentru analiza de laborator

DR 3900 Spectrofotometru compact i puternic (3201100 nm) cu tehnologie RFID pentru rezultate ale msurtorilor fiabile i trasabile pentru analize de rutin i aplicaii ale utilizatorului; cititor de cod de bare (IBR) pen-tru evaluarea automat a testelor cuvet LANGE; afiaj grafic cu fundal luminos i ecran tactil

LT 200 Termostat uscat pentru digestii standard i speciale: digestii preprogramate pentru analiza COD, N total, P total, TOC, acizi organici, metale

AlternativHT 200S Termostat de pentru temperaturi ridicate, pentru digestie rapid pentru

analiza COD, N total, P total, metale, n doar 35 minute; digestii standard pentru analiza TOC

Teste cuvet Reactivi gata de folosire n siguran maxim; deosebit de precii; metod aprobat; peste 50 parametri i intervale de msurare

Sisteme pentru msurarea online

AMTAX sc Instrument de msurare pentru determinarea continu a concentraiei de amoniu n probele de ap i ap uzat, cu coninut sczut de solide. Msurarea se efectueaz printr-un electrod sensibil la gaz.

PHOSPHAX sc Instrument de msur pentru determinarea continu a concentraiei de fosfat n probele de ap i ap uzat. Msurarea se efectueaz folosind metoda cu molibdo-vanadat.

AISE scAN-ISE scNISE sc

Sond ISE pentru determinarea continu a concentraiei de amoniu (AISE sc, AN-ISE sc) i a concentraiei de azotat (NISE sc, AN-ISE sc) n fluid. Msurarea se efectueaz folosind un electrod ion-selectiv (ISE) cu compensare automat de potasiu i clorur. Manevrare deosebit de uoar graie cartuului CARTRICAL plus al senzorului.

NITRATAX sc Sond de proces pentru stabilirea coninutului de nitrat direct din ap, ap uzat sau nmol activat; nu este necesar nicio prelevare; auto-curare; metod fr reactivi; diverse domenii de msurare

SC1000 Controller Un sistem cu controller SC1000 const ntr-un singur modul cu afiaj, i unul sau mai multe module de sonde. Este configurat modular pentru a se potrivi cerinelor specifice clientului i poate fi extins n orice moment pentru a include locaiile, senzorii, intrrile, ieirile i interfaa BUS , suplimentare pentru msurare.

AlternativControler SC 200 Controleaz pn la doi senzori (nu pentru AMTAX sc sau PHOSPHAX sc).

Bibliografie1. ATV-Handbuch: Biologische und weiterge-

hende Abwasserreinigung, Ernst & Sohn-Verlag 1997

2. K. Hnel: Biologische Abwasserreinigung mit Belebtschlamm, VEB Gustav Fischer Verlag, 1986

3. K. Mudrack, S. Kunst: Biologie der Abwasser-reinigung, Gustav Fischer Verlag, 1994

4. Arbeitsblatt DWA A 1315. S. Kunst, C. Helmer, S. Knoop: Betriebspro-

bleme auf Klranlagen durch Blhschlamm, Schwimmschlamm, Schaum, Springer-Verlag 2000

6. D. Jenkins, M. G. Richard, G. T. Daigger: Manual on the causes and control of activa-ted sludge bulking, foaming, and other solids separation problems, Lewis Publishers 2004 (Manual privind cauzele i controlul umflrii i nspumrii mlului i alte probleme legate de separarea solidelor, Editura Lewis 2004)

7. Poster ncredere n utilizace i economie cu HACH LANGE DOC140.87.00449

Staie de msurare pentru analize de laborator, cu fotometru DR 3900, termostat LT 200 i teste cuvet LANGE