Universitatea Politehnica BucureştiFacultatea de Ingineria Sistemelor Biotehnice

Raport de cercetare Ştiintifică

IV

Profesor indrumător : Student:

Ş.l. conf.dr.ing. Victor Safta Burtea Elena Roxana

Master I.M.P.M. II

An universitar2012-2013

CAP 4. METODOLOGIA DE LUCRUSTUDIUL FERMENTĂRII AEROBE CU NĂMOL ACTIV

A APELOR UZATE

4.1. METODOLOGIA DE DETERMINARE A CONSUMULUI BIOCHIMIC DE OXIGEN DIN APA

Consumul biochimic de oxigen din apa reprezinta cantitatea de oxigen consumata de microorganisme pentru descompunerea biochimica a substantelor organice continute in apa intr-un interval de timp standard, de 5 zile (CBO5) sau de 20 de zile (CBO20), si la o temperatura standard de 20°C. Principiul metodei consta in masurarea valoriilor cantitatii de oxigen dizolvate in proba de apa supusa analizei, imediat dupa recoltare si dupa 5 zile de depozitare in conditii standard, consumul biochimic de oxigen determinandu-se prin diferenta dintre valorile initiala, respectiv finala, ale cantitatii de oxigen dizolvate in proba de apa supusa analizei.

In cadrul laboratorului existent, determinarea consumului biochimic de oxigen al probelor de apa se poate face in doua variante si anume:

- prin determinari directe ale valorilor cantitatii de oxigen dizolvat in proba de apa prin masurare cu un oxigenometru, care permite masurarea cantitatii de oxigen dizolvat in apa in gama 0 – 90 mg oxigen/l;

- prin determinari ale valorilor cantitatii de oxigen dizolvat in proba de apa, utilizand fotometrul din dotare, conform metodei proprii a acestuia si cu care se pot face masuratori ale cantitatii de oxigen dizolvat in apa in gama 0,5 – 3000 mg oxigen/l.

Descrierea metodologiei

Pasul 1. Intr-un balon gradat de 1000 ml se realizeaza un amestec intre un anumit volum de apa din proba supusa analizei si apa de dilutie (astfel, pentru realizarea unui amestec avand factorul de dilutie D = 0,333 se introduc in balon 250 ml de apa din proba si 750 ml de apa de dilutie in urmatorul mod: se umple cu apa de dilutie cca. 2/3 din balon, apoi se introduc cei 250 ml de apa din proba, dupa care se completeaza cu apa de dilutie pana la 1000 ml si se omogenizeaza usor). Se mentioneaza ca apa de dilutie poate fi apa din reteaua de alimentare centralizata, declorinata, care inainte de utilizare trebuie sa fie saturata cu oxigen prin aerare timp de 24 de ore cu un agitator magnetic.

Pasul 2. Cu ajutorul unui sifon introdus in balon se umplu doua sticle de reactie Wincker cu apa din proba diluata, dupa care sticlele se inchid etans cu dopurile lor.

Pasul 3. Se umplu alte doua sticle de reactie Wincker cu apa de dilutie dupa care de asemenea sticlele se inchid etans cu dopurile lor.

Pasul 4. Se determina valorile cantitatii initiale (adica imediat dupa realizarea dilutiei) de oxigen dizolvat atat pentru apa din proba diluata, valoare notata cu A [mg/l], cat si pentru apa de dilutie, valoare notata cu a [mg/l], in acest scop utilizandu-se cate una din sticlele Wincker umplute cu apa din proba diluata, respectiv cu apa de dilutie, in urmatoarele moduri:

-daca determinarea cantitatilor de oxigen dizolvat se face cu oxigenometrul, atunci se introduce succesiv sonda de masurare a aparatului in sticla cu apa din proba diluata, respectiv in sticla cu apa de dilutie si se citesc valorile cantitatilor A si a de oxigen dizolvat in apa pe display-ul aparatului;-daca determinarea cantitatii de oxigen dizolvat se face cu fotometrul atuunci se va face urmatoarea succesiune de operatii (vezi figura M 4.1): in sticlele cu apa din proba diluata, respectiv cu apa de dilutie se introduc mai intai cate 5 picaturi din solutia BSB – 1K si 10 picaturi din solutia BSB - 2K, dupa care sticlele se inchid ermetic cu dopurile lor; se amesteca energic sticlele timp de 10 secunde; sticlele se desfac si se introduc cate 10 picaturi din solutia BSB – 3K, dupa care se reinchid la loc; sticlele se amesteca energic; se porneste fotometrul si se selecteaza codul metodei de masurare, care in cazul de fata este 00687; se umple cuva cilindrica de masurare (din kit-ul specific de masurare a CBO5 pentru fotometrul din dotare) cu apa din sticla probei diluate si se introduce in compartimentul corespunzator de masurare al aparatului, cu atentie la alinierea marcajului de pe cuva cu marcajul de pe compartimentul de masura al aparatului; dupa aproximativ 2 secunde se citeste pe display-ul aparatului valoarea cantitatii A de oxigen dizolvat in apa; se goleste cuva cilindrica de masurare si se reumple apoi cu apa din sticla apei de dilutie si se face masurarea cantitatii a de oxigen dizolvat in apa, intr-un mod absolut similar cu cel prezentat anterior.

Fig. M 4.1 Metodologia de determinare a cantitatii de oxigen dizolvat in apa folosind fotometrul

Pasul 5. Cele doua sticle ramase, cu apa din proba diluata si cu apa de dilutie, se introduc pentru incubare intr-un incubator in care se mentin pe o durata de 5 zile la o temperatura de 20 ± 1°C si la intuneric.

Pasul 6. Se determina valorile cantitatii finale (adica, imediat dupa terminarea incubatiei) de oxigen dizolvat atat pentru apa din proba diluata, valoare notata cu B [mg/l], cat si pentru apa de dilutie, valoare notata cu b [mg/l], in acest scop urmandu-se etapele de la pasul 4, atat in cazul in care se foloseste oxigenometrul cat si in cazul in care se foloseste fotometrul pentru determinarea valorilor de oxigen dizolvat in apa. Se mentioneaza ca o apa de dilutie corespunzatoare nu trebuie sa aiba un consum propriu de oxigen mai mare de 0,2 mg/l.

Pasul 7. Valoarea consumului biochimic de oxigen CBO5 [mg/l] al apei supuse analizei se determina cu urmatoarea relatie:

CBO5 = [(A – B) – (a – b)] · D

4.2. METODOLOGIA DE DETERMINARE A CONSUMULUI CHIMIC DE OXIGEN DIN APA

Consumul chimic de oxigen (CCO) reprezinta cantitatea echivalenta de oxigen consumata pentru pentru oxidarea substantelor oxidabile din apa sub actiunea unui oxidant, atat la rece cat si la cald. De mentionat ca substantele anorganice din apa sunt oxidate la rece in timp ce substantele organice din apa sunt oxidate la cald.

Metodologia de determinare a consumului chimic de oxigen din apa se bazeaza in laboratorul existent pe utilizarea unui fotometru.

Codul metodei de determinare a consumului chimic de oxigen din apa, specific utilizarii fotometrului din dotare, este 14541 cu care se pot face masuratori ale consumului chimic de oxigen din apa in gama de masurare 25-1500 mg oxigen/l.

DESCRIEREA METODOLOGIEI (fig. M 4.1.)

Fig. M4.1 Metodologia de determinare a consumului chimic de oxigen din apa folosind fotometrul

Pasul 1. Se ia o cuva cilindrica de reactie si masurare si se agita energic pentru ca sedimentul sa se incorporeze cat mai uniform in lichidul din interiorul cuvei.

Pasul 2. Se deschide cuva si se pun in pipeta 3 ml de apa din proba de apa al carei consum chimic de oxigen trebuie determinat, dupa care cuva se inchide si se agita energic. Se mentioneaza ca dupa agitare cuva va devein foarte fierbinte.

Pasul 3. Cuva va fi introdusa intr-o etuva termostatata unde va fi mentinuta timp de 2 ore la o temperatura de 148 C. ⁰

Pasul 4. Se scoate cuva din etuva si se aseaza pe un suport pentru racire.

Pasul 5. Dupa o perioada de 10 minute se ia cuva din suport si se agita energic.

Pasul 6. Se pune din nou cuva in suport si se lasa sa se raceasca pana la temperature ambianta.(respectarea acestui pas este foarte importanta pentru precizia determinarii).

Pasul 7.Se porneste fotometrul si se selecteaza codul metodei de masurare (in cazul de fata pentru determinarea CCO se utilizeaza metoda 14541); apoi cuva de masurare se introduce in compartimentul corespunzator de masurare al aparatului, cu atentie la alinierea marcajului de pe cuva cu marcajul de pe compartimentul de masura al aparatului. Dupa aproximativ 2 s se citeste pe display-ul aparatului valoarea consumului chimic de oxigen din proba.

4.3.MODUL DE LUCRU

Pentru studiul fermentării aerobe cu nămol activ se vor face două experimente şi anume:

Experimentul 1 Se controlează dacă reactorul aerob este pregătit pentru experiment, observându-se atent

următoarele: cablul de alimentare al standului să nu fie conectat la reţeaua de curent alternativ

de 220V; în interiorul vasului reactorului 1 trebuie să fie introdusă cămaşa cilindrică 2 din

material poros, care trebuie să fie montată etanş între capacul vasului 26 şi cadrul de bază 17 ale bioreactorului;

sondele 6, 7 şi 25 (pentru măsurarea oxigenului dizolvat, pH-ului şi temperaturii)să fie plasate şi fixate pe capacul vasului 26 conform schemei din figura 2.6 şi să fie conectate corect la aparatele pentru măsurarea oxigenului dizolvat şi a pH-ului, respectiv la sistemul automat de control al temperaturii aflat în consola de comandă 18 a standului (calibrate şi setate conform instrucţiunilor din Aparate A1 şi A2), bornele de alimentare ale sistemului electric de încălzire 3 a bioreactorului să fie conectate la sistemul de control automat al temperaturii (dacă procesul biologic aerob dorit impune ca în loc de încălzire să fie nevoie de răcire, atunci este necesară montarea unui dispozitiv opţional Armfield – W 16 de răcire cu apă glacială şi resetarea sistemului de control automat al temperaturii conform instrucţiunilor din Aparate A2);

prin capacul vasului 26 să fie introdusă conducta de alimentare cu apă uzată sintetică 5, conductă care vine de la evacuarea pompei peristaltice de alimentare 11 (caracteristica de calibrare a debitului pompei, determinată pe cale experimentală, este prezentată în instrucţiunile din Aparate A1);

Se prepară nămolul activ astfel: se preia nămol activ de la o instalaţie de epurare biologică în funcţiune, se micrositează în scopul îndepărtării impurităţilor nedorite sau a nisipului, apoi se aduce la o concentraţie a biomasei de 2000 – 3000 mg/l prin adăugare de apă curată dacă este prea diluat sau prin decantare dacă este prea concentrat;

Se prepară apa uzată sintetică, care este o soluţie cu următoarea componenţă: apă distilată, glucoză - 8 g/l, peptonă bacterială - 2,4 g/l, lemco (extract de carne de taurină) pentru laborator - 1,6 g/l, carbonat acid de amoniu - 0,4 g/l, potasiu dihidrogen fosfat - 0,4 g/l, carbonat acid de sodiu - 0,4 g/l, urme de metal A (soluţia A) - 1ml, urme de metal B (soluţia B) - 1ml;

Soluţia A are următoarea componenţă: apă distilată, sulfat de magneziu cristalizat cu 7 molecule de apă – 5 g/l;

Soluţia B are următoarea componenţă: apă distilată, clorură ferică – 5 g/l, clorură de calciu – 5 g/l, clorură de potasiu– 5 g/l, clorură de cobalt – 5 g/l;

Apa uzată sintetică se prepară dizolvând substanţele enumerate anterior (în proporţiile masice indicate) în apă distilată prin amestecare intensă, apoi se introduc urmele de metal A şi B în proporţiile volumice indicate (aceste soluţii pot fi preparate anterior şi păstrate la temperatura ambientală timp de mai multe luni); apa uzată sintetică astfel obţinută are un CBO de 11500 mg/l iar pentru alimentarea reactorului aerob aceasta se diluează la 2300 mg/l;

Se verifică ca atât siguranţa pentru protecţia personalului 22, cât şi siguranţele pentru protecţia circuitelor 23 să fie pe poziţia „ON”;

Se verifică ca întrerupătorul B al sistemului electric de încălzire să fie pe poziţia „OFF”;Se conectează cablul de alimentare al standului la reţeaua de curent alternativ de 220V;Se acţionează întrerupătorul general de alimentare 15 al standului pe poziţia „ON” (în

această fază se verifică dacă display-ul sistemului automat de control al temperaturii se iluminează şi indică temperatura ambientală);

Se plasează un vas cu capacitatea de 5 – 10 l care conţine cca. 4 l de apă de la reţeaua de alimentare în faţa standului; se plasează capătul furtunului de alimentare al pompei peristaltice de alimentare 11 în vasul cu apă; în acelaşi vas se intruduce şi furtunul de evacuare al sistemului 8 pentru ajustarea nivelului lichidului din reactor şi prin aceasta se formează un circuit cu care se verifică etanşeitatea reactorului aerob, după următoarea procedură: se umple cu apă vasul reactorului 1 pe la gura de umplere 24 de pe capacul vasului 26, poziţionându-se sistemul 8 pentru ajustarea nivelului lichidului din reactorul aproximativ la mijlocul gamei sale de reglaj; se porneşte pompa peristaltică 11 prin poziţionarea potenţiometrului pentru reglarea turaţiei pompei peristaltice 13 la poziţia sa maximă (“10”); se porneşte sistemul de aerare al reactorului de la comutatorul C şi se variază debitul de aer insuflat prin modificarea poziţiei robinetului sistemului de reglare a debitului de aer pentru aerare 10 până când debitmetrul indică valoarea maximă; în timpul acestor operaţii se observă atent dacă au loc scurgeri de lichid pe circutul realizat; se opreşte pompa peristaltică 11 şi aerarea prin deconectarea de la comutatorul C, apoi se goleste vasul reactorului 1 prin deschiderea robinetului de golire care se găseşte sub vasul reactorului 1şi se remediază eventualele probleme de etanşare dacă acestea au apărut;

Se introduce în interiorul cămăşii cilindrice din material poros 2 din vasul bioreactorului 1 o cantitate de 7,5 l de nămol activ cu o concentraţie a biomasei de 2000 – 3000 mg/l pe la gura de umplere 24 de pe capacul vasului 26 utilizându-se în acest scop o pâlnie;

Se conectează sistemul electric de încălzire al reactorului de la comutatorul D al modului de funcţionare a sistemului de control al temperaturii (încălzire/răcire), apoi se setează temperatura care trebuie menţinută în vasul bioreactorului prin intermediul butoanelor F, G, şi H de comandă a sistemului de control al temperaturii (vezi Aparate A2) la valoarea de 25ºC (se menţionează că încălzirea bioreactorului este un proces destul de lent din cauza puterii reduse a sistemului electric de încălzire);

Simultan cu încălzirea se aerează nămolul activ (biomasa) timp de 5 h după care se verifică valoarea concentraţiei biomasei şi se ajustează astfel încât aceasta să fie între 2000 – 3000 mg/l prin drenare de nămol activ prin intermediul robinetului de golire de sub vasul reactorului şi completare cu apă de la reţeaua de alimentare;

Se goleşte apa cu care s-a făcut proba de etanşare din vasul cu capacitate de 5-10 l şi acesta se umple cu apă uzată sintetică având CBO de 2300 mg/l; apoi se introduce în vas capătul furtunului care este conectat la admisia pompei peristaltice de alimentare 11;

Se porneşte pompa peristaltică 11 şi se poziţionează potenţiometrul 13 pentru reglarea turaţiei pompei peristaltice la o poziţie corespunzătoare unui debit de 2,55 ml/min ceea ce pentru o încărcare a apei uzate fixată la 0,45 kg/kg biomasă/zi corespunde unui timp de retenţie în

bioreactor de 2 zile; apa uzată sintetică din vasul de alimentare se împrospătează în fiecare zi pentru a se evita creşteri excesive ale bacteriilor care pot produce înfundări ale conductelor standului;

Fermentarea aerobă este un proces foarte lent şi din această cauză experimentul durează mai multe săptămâni, timp în care echipamentul funcţionează permanent;

In timpul experimentului se vor înregistra zilnic temperatura, pH-ul şi debitul de aer insuflat în reactor şi se vor determina o dată pe zi CCO (consumul chimic de oxigen) atât pentru influent cât şi pentru efluent (vezi Metodologii M1) şi câte o dată pe săptămână CBO (consumul biochimic de oxigen) de asemenea atât pentru influent cât şi pentru efluent (vezi Metodologii M2);

Se vor reprezenta grafic variaţiile în timp ale CCO şi CBO atât pentru influent cât şi pentru efluent;

Se vor reprezenta grafic variaţiile în funcţie de timp ale pH-ului în influent şi în bioreactor;

Se vor reprezenta grafic variaţiile în funcţie de timp ale reducerii CCO şi CBO;Se menţionează că în timpul procesului de lucru al bioreactorului pot surveni înfundări

ale cămăşii cilindrice din material poros 2 precum şi ale difuzoarelor de distribuţie ale aerului care pot prejudicia procesul; în acest caz modul de intervenţie este următorul: se întrerupe alimentarea cu apă uzată sintetică prin oprirea pompei peristaltice 11 poziţionând potenţiometrul 13 pentru reglarea turaţiei pompei peristaltice la poziţia sa minimă (“0”); se întrerupe alimentarea standului de la întrerupătorul general de alimentare 15 (care se trece pe poziţia „OFF”); se goleşte nămolul activ din reactor prin deschiderea robinetului de golire care se găseşte sub vasul reactorului 1 (nămolul este colectat într-un vas în vederea folosirii ulterioare); se demontează de pe capacul 26 al vasului bioreactorului sondele 6, 7 şi 25 (pentru măsurarea oxigenului dizolvat, pH-ului şi temperaturii) precum şi conducta de alimentare cu influent 5, se decuplează conexiunile de la bornele de alimentare ale sistemului electric de încălzire 3;

Se desfac şuruburile 27 de fixare a capacului pe vasul bioreactorului; se scoate complet capacul 26 al vasului bioreactorului împreună cu sistemul electric de încălzire 3; se scoate cămaşa cilindrică 2 din material poros, îmbâcsită, şi se înlocuieşte cu una curată (cămaşa cilindrică îmbâcsită se poate curăţa prin spălare cu detergent, apoi se dezinfectează); pentru montarea corespunzătoare a cămăşii cilindrice curate se verifică mai întâi dacă în canalul din cadrul de bază 17 al bioreactorului este poziţionată corect garnitura 16 de tip “O”-ring, apoi se fixează cămaşa 2 din material poros peste garnitură; se aduce capacul 26 al vasului reactorului şi se montează avându-se grijă ca partea superioară a cămăşii 2 din material poros să intre în canalul corespunzător de pe capac; prin strângerea şuruburilor 27 de fixare a capacului pe vasul bioreactorului se va etanşa corespunzător cămaşa 2 din material poros atât cu capacul 26 cât şi cu cadrul 17 de bază al bioreactorului; dacă se doreşte o demontare totală a vasului 1 al bioreactorului în vederea curăţării sale, atunci după ce a fost scoasă cămaşa 2 din material poros se trece la demontarea peretelui lateral al vasului 1 al bioreactorului prin desfacerea şuruburilor 28 de fixare a vasului bioreactorului pe cadrul său de bază; de asemenea, pot fi demontate în vederea curăţării şi difuzoarele pentru admisia aerului.

Experimentul 2

Se respectă indicaţiile de la experimentul 1 şi se pune bioreactorul în funcţiune pentru 10 zile;

Apoi se modifică timp de 6 zile încărcarea (compoziţia) apei uzate sintetice (influentul) după schema din tabelul 4.1(urmele de metal, soluţiile A şi B au compoziţia de la experimentul 1);

Tabelul 4.1.

VariantaComponentul

1 2 3 4 5 6

Glucoză [g/l] 2 4 6 8 10 12Carbonat acid de amoniu [g/l] 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60Potasiu dihidrogen fosfat [g/l] 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60Carbonat acid de sodiu [g/l] 0,50 0,50 0,50 0,40 0,30 0,30Carbonat acid de potasiu [g/l] 0,50 0,50 0,50 0,40 0,30 0,30Urme de metal (soluţia A) [ml] 1 1 1 1 1 1Urme de metal (soluţia B) [ml] 1 1 1 1 1 1Apă distilată până la

1lpână la 1l

până la 1l

până la 1l

până la 1l

până la 1l

CBO-ul apei sintetice (aprox.) [mg/l]

2000 4000 6000 8000 10000 12000

In timpul experimentului se vor înregistra zilnic temperatura, pH-ul, cantitatea de oxigen dizolvat şi debitul de aer insuflat în reactor precum şi CCO (consumul chimic de oxigen) şi CBO (consumul biochimic de oxigen) atât pentru influent cât şi pentru efluent (vezi Metodologiile M2 şi M1);

Se vor reprezenta grafic variaţiile în timp ale CCO şi CBO atât pentru influent cât şi pentru efluent;

Se vor reprezenta grafic variaţiile în timp ale cantităţii de oxigen dizolvate şi CCO-ul efluentului pe acelaşi grafic;

Se vor reprezenta grafic variaţiile în timp ale cantităţii de oxigen dizolvate şi CBO-ul efluentului pe acelaşi grafic;

Se vor reprezenta grafic variaţiile în funcţie de timp ale reducerii CCO şi CBO;

4.4.APARATE FOLOSITE A.1. APARAT PENTRU MASURAREA pH-ULUI

1.1. Parti componente

Fig. A.3.1 Aparat pentru masurarea pH-ului

1. Mufa de cuplare a sondei de masurare de referinta (cu diametrul de 4 mm)2. Mufa de cuplare a sondei de masurare de sticla (mufa tip BNC);3. Carcasa din plastic (rezistenta la produsele chimice);4. Display (afisaj);5. Butoane de reglare pentru calibrare;6. Buton de reglaj pentru compensarea la temperatura;7. Intrerupator de pornire/oprire.

A.2. SISTEME AUTOMATE DE CONTROL AL TEMPERATURII

2.1. Rol functional si structura

Sistemele automate de control al temperaturii sunt integrate in constructia standurilor Bioreactor aerob si au rolul de a se pastra constante temperaturile de regim ale bioreactoarelor in conditiile variabile ale mediului ambiant din laboratorul in care functioneaza. De mentionat ca standul Bioreactor aerob,care are in componenta un singur vas de reactie este dotat cu un singur sistem automat de control al temperaturii.

Structura unui sistem de control ale temperaturii este compusa din :regulator, traductor si element de executie pentru incalzire sau,dupa caz,racirea bioreactoarelor.

Regulatoarele sunt montate in interiorul consolelor de comanda ale standurilor pentru standul Bioreactor aerob.Fiecare regulator electronic are in componenta cate un sistem de comanda format dintr-un display numeric si taste de actionare.

Fig.A 3.3. Sistemul de comanda al regulatorului sistemelor automate de control al temperaturii

Traductoarele de temperature sunt de tip termocuplu, sub forma unor sonde introduce in vasele bioreactoarelor si sunt fixate in orificiile corespunzatoare de pe capacele bioreactoarelor, in timp ce fisele cablurilor traductoarelor de temperature se conecteaza la mufele corespunzatoare aflate pe patea posterioara a consolelor de comanda.

Vasul bioreactorului aerob este dotat cu un element de executie pentru incalzire,electric de tip rezistiv. Acesta este sub forma unei spirale, este plasat in partea inferioara a vasului, iar cablul sau de alimentare trebuie sa fie conectat la mufla aflata pe partea posterioara a cadrului standului.

Bibliografie:1.Victor-Viorel Safta,M.L.Toma,N.Ungureanu „Experimente in domeniul tratarii apelor”,Ed.Printech,Bucuresti 2012.