Modelarea proceselor biologice din stațiile de epurare

Procedeele biologice sunt considerate de specialiştii în domeniul epurării apelor uzatecele mai eficiente şi economice metode de îndepărtare a substanţelor organice prezente înapele uzate. Prin epurarea biologică se înţelege complexul de operaţiuni şi faze tehnologice prin care materiile organice existente în apele uzate provenind din cele mai diverse activităţiantropice sunt transformate cu ajutorul unor culturi de microorganisme în produşi dedegradare fără nocivitate (CO2, H2O şi altele) şi o masă celulară nouă (biomasă), inofensivă. Procedeul se bazează pe utilizarea substanţelor organice dizolvate şi nedizolvate de cătremicroorganisme pentru înmulţire şi conservare (menţinerea proceselor biologice), ajungându-se în final la eliminarea acestor substanţe. Compoziţia şi concentraţia biomasei active, precum şi randamentul de distrugere a substanţelor organice prin mineralizare suntdependente de condiţiile de mediu. Diferitele specii ale biomasei (biocenoză) coexistă într-un echilibru dinamic.Fluctuaţiile orare ale factorilor de mediu sunt compensate de dinamica populaţiei demicroorganisme care prezintă o bună adaptabilitate, cu excepţia cazurilor de deversare a unor poluanţi toxici ce conduc la variaţii considerabile ale biocenozei cu efecte directe asupracalităţii apei epurate, Unele substanţe organice, prezente ca poluanţi în apele uzate, cu o biodegradabilitate ridicată pot fi mineralizate uşor de către microorganisme. Altele, suntrezistente la acţiunea metabolismului microorganismelor şi pentru degradarea lor aparenecesară o floră selecţionată şi adaptată la materia organică. Spre exemplu, unii compuşichimici toxici, ca fenolii, pot fi degradaţi biologic în anumite condiţii de diluţie şi cu o biomasă activă selecţionată în timp.Bacteriile folosesc energia chimică rezultată din procesele de oxidare pentru a asimilaCO2, care reprezintă sursa lor exclusivă de carbon. Înmulţirea şi dezvoltarea acestora depindede conţinutul de dioxid de carbon, de aceea în anumite cazuri este necesară adăugarea dereactivi alcalini pentru a controla cantitatea de CO2 şi implicit dezvoltarea populaţiilor bacteriene.

Procese de epurare biologică cu nămol activ

Procesul de epurare biologică cu nămol activ se bazează pe o comunitate demicroorganisme formată din bacterii, fungi, protozoare, în mod obişnuit heterotrofe, conţinute în floconul de nămol activ. Speciile bacteriene dominante din compoziţia nămoluluiactiv se pot schimba considerabil de la un sistem la altul, de la o zi la alta, în funcţie de naturaapelor uzate influente şi de condiţiile de funcţionare ale staţiei. O serie de parametri aisistemului de epurare, cum ar fi concentraţia oxigenului dizolvat, încărcarea cu nutrienţi,temperatura, pH-ul, vârsta nămolului, prezenţa substanţelor toxice, reglează numărulmicroorganismelor şi diversitatea speciilor, ceea ce implică o variaţie mare atât zilnică cât şisezonieră a calităţii nămolului activ.

Procese de epurare în peliculă biologică

Epurarea biologică cu elemente plutitoare este o tehnologie de mare actualitate, apărutăîn urmă cu aproximativ 10 ani, dar care la noi în ţară nu este foarte răspândită. Fiind o tehnologie recentă se realizează încă multe cercetări pentru perfecţionarea ei şi înţelegereamecanismelor care o guvernează.Între procesul de epurare cu nămol activ şi cel cu film biologic sunt deosebiristructurale. În procesul cu nămol activ floconul este unitatea structurală de bază care conţinetoate speciile comunităţii din lanţul trofic necesare mineralizării substanţelor organice; în procesul cu film biologic speciile sunt organizate în lungul tehnologiei de epurare, în sensul reacţiilor succesive de degradare a materiei organice, astfel că apa uzată, pe măsura descompunerii substanţelor organice, în fiecare etapă a desfăşurării fenomenului biochimic, întâlneşte bacteriile următoare din lanţul trofic. Pelicula biologică utilizează o succesiunede comunităţi biologice stabilite la diferite niveluri ale filmului şi asociate cu diferite grade deepurare. Microorganismele din filmul biologic sunt mai uşor adaptabile la şocurile încărcăriiorganice datorită acestei succesiuni ale asociaţiilor populaţiilor biologice existente în pelicula.

Procese biologice combinate biofilm-nămol activ

O tehnologie nouă de epurare biologică aerobă este cea a procesului combinat nămolactiv - peliculă biologică ataşată unui suport mobil. Un astfel de proces este denumit înliteratura de specialitate fie proces biologic combinat, hibrid sau dual.

Această tehnologie s-adezvoltat în ultimele decenii ale secolului trecut, acolo unde s-a dorit compensareadeficienţelor sistemelor clasice de epurare biologică, fiind considerată o copie a sistemelor naturale de epurare. Utilizarea simultană a celor două procedee de epurare în cadrul treptei biologice conduce la cumularea avantajelor celor două metode. Încorporarea biofilmului în procesul cu nămol activ este unul dintre cele mai adoptate configuraţii ale reactoarelor hibride.

Procesele biologice, indiferent că sunt aerobe sau anaerobe, sunt, probabil, cele mai complexe din ştiinta modernă. Aceasta deoarece apar parametri de natură diferită: chimică, fizică, biologică. Pentru modelare se fac consideraţii fizice, chimice şi biologice care apar în ecuaţiile care descriu procesul. Studiile efectuate nu au reuşit să privească problema reactoarelor biologice în toată complexitatea ei. Astfel, toate reacţiile cinetice de prelucrare a materiilor organice analizează procesul numai pe culturi biologice pure, fără a putea privi totalitatea microorganismelor ce apar şi realizează degradarea biologică.

De asemenea, în procesul biologic nu se ţine cont de mediul apos în care se desfăşoară reacţiile biochimice. Regimul de curgere, gradul de dezvoltare al turbulenţei din masa de apă, vitezele şi acceleraţiile mediului lichid nu intervin sub nicio formă în ecuaţiile şi cinetica procesului biochimic, deşi acesta este mediul de bază.

Modelarea procesului biologic nu poate fi analizată în toată complexitatea sa. Utilizarea modelului propus impune determinarea şi folosirea parametrilor cinetici ai procesului tehnologic care variază pentru fiecare caz concret al apei supusă procesului de epurare. Procesele biotehnologice ce apar în reactoare biologice sunt deosebit de complicate şi ca atare este extrem de dificil a face o predicţie a evoluţiei acestora. Numărul de parametri, de reacţii care intervin, varietatea speciilor de bacterii este foarte mare şi complică foarte mult problema. Din acest motiv o descriere precisă a acestor sisteme complexe este aproape imposibilă. Ca urmare se apelează la modelarea unor procese simple.

Modelele procesului biologic de tip predictiv sau adaptiv sunt potrivite pentru controlul automat al procesului Ele se elaborează pe baza compoziţiei, concentraţiei şi activităţii biologice a populaţiei bacteriene. Modelele de acest tip sunt relativ simple, robuste, răspund rapid la variaţiile încărcării organice şi ale parametrilor hidraulici.

În modelarea proceselor biologice este foarte important să se descrie compoziţia apei uzate.

Fiind imposibil să se ia în considerare toţi compuşii detectabili, aceştia sunt grupaţi în funcţie de caracteristicile lor. În general, în modelarea epurării biologice se disting trei grupe: bacterii, materie organică şi compuşi ai azotului.

Lucrarea prezintă două modele ale procesului de epurare biologică a apelor uzate. Primul dintre ele este un model simplificat al procesului. Al doilea model prezentat este bazat pe ASM1 (Activated Sludge Models No. 1) elaborat de IWA (International Water Association) şi cuprinde un proces ce se desfăşoară în două bazine înseriate, unul anaerob şi unul aerob.