Capitolul 5 PROCESE UNITARE PENTRU TRATAREA APELOR Orice
tehnologie de transformare este constituit dintr-o serie de operaii
succesive, continue sau ciclice, de natur mecanic, fizic, chimic
sau mixt. Orict de complicat ar fi o tehnologie, ea const dintr-un
numr limitat de operaii simple, distincte care se realizeaz n
instalaii i aparate corespunztoare, comune pentru diverse variante
de tehnologii. Pentru fiecare operaie sau proces unitar sunt
importante urmtoarele aspecte: - studiul principiilor tiinifice de
baz - experimentarea la scar de laborator sau pilot urmat de
prelucarea datelor experimentale pentru stabilirea de relaii care s
permit dimensionarea instalaiilor (stabilirea parametrilor optimi)
- alegerea instalaiilor i utilajelor adecvate pentru realizarea n
condiii optime a transformrilor dorite. ntre procesele unitare prin
care se realizeaz tratarea apei naturale pentru obinerea apei
potabile i cele de epurare a apelor uzate nu exist deosebiri
eseniale, diferena constnd n natura apei brute supuse tratrii i n
calitatea efluentului final care trebuie obinut. In ambele cazuri,
substanele nedorite sunt ndeprtate din ap i transformate n substane
acceptabile. Exist totui unele procese unitare care din
considerente economice sau tehnologice, i gsesc aplicare curent
numai n tratarea apei sau numai n epurarea apei. n cele ce urmeaz
se adopt termenul de proces unitar pentru toate transformrile care
intervin ntr-o schem tehnologic de tratare a apelor, indiferent dac
sunt de natur fizic, chimic sau biologic. Produsul unei staii de
tratare este o ap de calitate superioar care corespunde cerinelor
unei folosine, iar acela al unei staii de epurare un efluent
acceptabil care nu nrutete calitatea resurselor naturale de ap.
Cele mai multe procese de tratare i de epurare a apelor aduc
schimbri ale concentraiilor unor substane care sunt fie scoase, fie
introduse n ap, intervenind astfel un transfer de faz ntre cele
trei faze existente : gazoas, lichid, solid. n fig. 5.1 se prezint
schematic tipurile de dispersii de poluani din apele uzate,
dimensiunea particulelor componente, cteva caracteristici
principale i procesele unitare de epurare care pot fi aplicate
pentru ndeprtarea poluanilor respectivi. Scopul prezentrii acestei
scheme este orientativ i ofer o imagine sintetic a sistemului de
procese utilizabile pentru epurarea apelor.79
Dimensiunea particulelor, [mm] Viteza de cdere n ap linitit la
250 C, a unor particule sferice cu densitatea de 2g/cm3, [cm/s].
Categorii de particule
10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 ------- 10-9 10-6 10-3 1
Particule n suspensie micronice fine grosiere
Ioni i molecule dizolvate H2O Na+
Macromolecule i particule coloidale Funingine
Nisip de plaj Praf de crbune Bacterii
Zahr Cl-
Virui
nsuirea principal a apei sau particulelor pe care se bazeaz
procesul
Procese utilizate pentru eliminarea particulelor dispersate n ap
Separare pe site i ciururi Filtrare prin esturi medii, fibroase i
granulare Centrifugare Sedimentare gravitaional Hidrociclonare
Dimensiunea particulelor Greutatea particulelor Volatilitatea
apei Formarea reelei cristaline a gheii Transferul particulelor
dispersate din faz apoas ntr-o alt faz, sub aciunea forelor
intermoleculare Acumularea particulelor pe interfaa ap-aer Difuzare
prin membrane a moleculelor de ap sau particulelor sub aciunea
diferenelor de presiune sau concentraie Echilibrul ionic
Reactivitate substanelor ap chimic prezente a n Distilare
ngheare
Ultrafiltrareg
Ultracentrifugare
Extracie cu solveni Stripare Adsorbie Antrenare n spume Osmoza
invers Dializa Electrodializ Schimb ionic Neutralizare Precipitare
i coagulare Oxidare - reducere
Fig. 5.1. Categorii de poluani ai apei i procese utilizate
pentru ndeprtarea lor 80
5.1. Egalizarea apelor uzate, uniformizarea debitelor i a
compoziiei apelor industriale Apele uzate, indiferent de surs,
prezint variaii n timp ale debitelor i compoziiei, datorit lipsei
de uniformitate a consumurilor de ap, a cantitilor de ap eliminat
din proces i a coninutului acestora n substane poluante. Sunt
relativ rare cazurile n care debitul i compoziia sunt constante,
cum ar fi procesele industriale cu caracter continuu, ce funcioneaz
n regim staionar i n care nu intervin operaii ciclice, cum sunt
industria de sintez a amoniacului, acidului azotic, metanolului,
prepararea minereurilor, unele procese metalurgice, etc. n
majoritatea industriilor intervin operaii discontinue care, pe
ansamblu, conduc la evacuarea de ape uzate cu caracter aleator.
Prezena mai multor surse de evacuare discontinue, cu periodicitate
diferit, determin variaii dezordonate ale debitului i compoziiei
apelor uzate. Variabilitatea compoziiei apelor uzate poate fi o
consecin i a modificrii n timp a profilului i a capacitii de
producie. De exemplu, n fabricile de zahr i conserve, debitele de
ape uzate sunt sezoniere iar n industria chimic de sintez, de
obinere a medicamentelor i coloranilor, unde se obin cantiti mici
de produse pe perioade variabile de timp, se produc ape uzate numai
n aceste perioade. n aceste condiii, pe platformele industriale
complexe, compoziia apelor uzate este aleatoare, iar debitele
prezint fluctuaii, pn la limita maxim determinat de capacitatea
sistemului din care se face alimentarea cu ap. Aceste debite sunt
influenate i de gradul de recirculare a apelor din industria
respectiv, iar n cazul sistemelor de canalizare mixte i de regimul
precipitaiilor. Variaiile de debit sunt ntotdeauna nsoite i de
variaii de concentraii ale substanelor poluante. Concentraiile
poluanilor sunt determinate de evacurile specifice de ap pe
unitatea de produs, precum i de evacuarea materialelor nedorite. n
instalaiile de tratare a apelor uzate, rezultatele depind de
stabilitatea, respectiv uniformitatea regimului de intrare a apelor
uzate n sistemul de tratare. Variaiile de debit n staiile de
tratare au ca rezultat salturi de vitez ce perturb regimul de
curgere. Instabilitatea vitezelor de curgere este duntoare mai ales
n bazinele de decantare, n care vitezele mari de curgere antreneaz
n efluent materiale n suspensie sau chiar materiale deja
sedimentate. Uniformizarea debitelor i a compoziiei apelor uzate se
face n bazine de uniformizare amplasate n serie sau n derivaie cu
colectorul de canalizare i permite dimensionarea staiei de tratare
la nivelul debitelor medii. n instalaiile de uniformizare a apelor
uzate, respectiv n bazinele de uniformizare, cu forme i dimensiuni
adaptate fiecrui caz n parte, pot avea loc i transformri chimice
ntre diferiii poluani din aceste ape, cum ar fi reacii de
neutralizare, de oxigenare, redox, de precipitare sau procese
biochimice, toate conducnd la o degrevare a etapei de epurare.
81
5.2. Procese fizice de tratare a apelor industriale Principalele
grupe de procese fizice au la baz separarea gravitaional, filtrarea
i transferarea poluanilor din faz apoas n alt faz. n aceste procese
substanele poluante nu sufer, n cursul separrii lor din ap,
transformri n alte substane. 5.2.1. Separare gravitaional Se bazeaz
pe faptul c asupra unui corp aflat ntr-un cmp gravitaional acioneaz
o for, ce determin deplasarea corpului spre fundul bazinului de
separare. Separarea particulelor relativ grosiere, nedizolvate n
ap, sub influena cmpului gravitaional, are loc prin sedimentare sau
flotaie. Dac sedimentarea gravitaional nu este eficient se
utilizeaz o separare sub aciunea unui cmp de rotaie creat
artificial, n care iau natere fore gravitaionale, aceast separare
fiind denumit centrifugare. Dup o perioad iniial de accelerare,
deplasarea, sub aciunea cmpului gravitaional, a unei particule n ap
se face cu o vitez constant, datorit echilibrului dintre fora
exercitat de cmpul gravitaional ( Fm) i fora de frecare ntre
particul i ap ( Ff). Fm = (1- 2) gv V Ff = unde: (5.1) (5.2)
- 1 , 2 : densitile particulei i fluidului; - d, s , v :
diametrul, aria i volumul particulei; - V : viteza de depunere a
particulei; - g : acceleraia gravitaional; - C : coeficientul de
frecare.
Cs1 v 2 2
n funcie de regimul de curgere caracterizat de numrul Reynolds
(Re) i de coeficientul C, viteza de sedimentare se pate calcula cu
diverse formule, dup cum se vede din tabelul 5.1 Tabelul 5.1Re
10-4< Re< 1 1 < Re< 103 103< Re< 2.105 Regim de
curgere Laminar Intermediar Turbulent C 24 Re-1 18,5 Re-0,6 0,44
Formula de calcul Stokes Allen Newton
Sedimentarea particulelor ntr-un bazin ideal de form rectangular
este prezentat schematic n figura 5.2, unde sunt reprezentate
traiectoriile teoretice ale particulelor discrete (traiectorii
drepte) i ale celor ntlnite n practic (traiectorii curbe).82
Q Debit intodus
A Aria suprafeei orizontale
Q Debit evacuat
zona de admisie
h0
Zona de sedimentare Direcia de curgere vd v0 Zona de acumulare a
sedimentelor t0
t=0
t = t0 Legend: Particule discrete cu viteza v0 = h0/t0 Particule
discrete cu viteza v < v0 Particule cu sedimentare stnjenit
Particule care floculeaz n timpul sedimentrii
Fig. 5.2. Schema sedimentrii n ap a particulelor greu solubile
ntr-un bazin rectangular (seciune vertical-longitudinal)
Bazinul de sedimentare poate fi mprit n patru zone: - zona de
admisie n care amestecul de ap cu suspensii este distribuit pe
seciunea transversal a bazinului; - zona de sedimentare n care
particulele cad prin masa de ap, aflat n curgere orizontal cu vitez
constant vd ; - zona de nmol n care se adun particulele depuse ; -
zona de evacuare a apei limpezite care mai conine particulele care
nu s-au depus. Traiectoriile particulelor discrete rezult din
nsumarea vectorial a vitezei de sedimentare vs i a vitezei de
deplasare a apei n bazin vd. Particulele cu viteza de sedimentare
v0 egal cu raportul dintre adncimea bazinului (h0) i timpul de
parcurgere a lungimii acestuia de ctre o particul de ap (t0), dac
la intrarea n bazin (t = 0) se afl la suprafaa apei (h = 0), ating
fundul zonei de sedimentare la extremitatea din aval a acesteia.
Toate particulele a cror vitez de cdere este mai mare sau egal cu
v0 sunt reinute n bazinul de sedimentare. n bazinele cu curgere
vertical, particulele cu vitez de sedimentare mai mic dect v0 nu
sunt reinute, fiind antrenate cu ap n zona de evacuare. Dimpotriv,
n bazinele cu curgere orizontal, astfel de particule sunt reinute
dac83
zona de evacuare
la intrarea n zona de sedimentare se afl deasupra zonei de nmol
la o nlime mai mic dect produsul vt0. Decantoarele se pot construi
ntr-o varietate mare de tipuri (STAS 4162-80), din decantoare
eliminndu-se o ap relativ limpede i nmolul respectiv. 5.2.2.
Flotaia Flotaia este procesul unitar de separare din ap, sub
aciunea forelor gravitaionale, a particulelor cu densitate medie
mai mic dect a apei. Astfel de particule pot fi constituite din
materiale omogene sau din asocieri de materiale cu densiti
diferite. n procesul de flotaie naturala, particulele materiale mai
uoare dect apa (uleiuri, grsimi, hidrocarburi) formeaz asociaii cu
bule de aer sau gaz din procesele microbiologice ridicndu-se la
suprafaa apei care staioneaz sau care se afl n curgere liber.
Stratul de material plutitor, ridicat prin flotaie, este ndeprtat
prin raclare. Flotaia este procesul prin care particulele mai grele
dect apa sunt antrenate la suprafa, datorit asocierii lor cu bulele
de aer, ce sunt suflate n ap prin partea inferioar a bazinului.
Aceast asociere cu bule de aer are consecine pozitive deoarece
particulele mai grele dect apa capt o vitez ascensional datorit
particulelor de aer. n flotaia cu aer, aerul este introdus fie sub
form de bule, obinute prin trecerea aerului prin difuzoare poroase,
fie prin degazarea aerului dizolvat n ap, ca urmare a unei detente,
cnd se produce scderea brusc a presiunii gazului, aflat n echilibru
n ap. Flotaia cu aer dispersat se utilizeaz la prepararea
minereurilor i la ndeprtarea materiilor grase din apele uzate.
Diametrul bulelor de aer este de 1-2 mm. La aceste dimensiuni
bulele de aer au o vitez ascensional foarte mare i pot provoca
distrugerea suspensiei coagulate din ap. Bulele mai fine (cu
diametrul mai mic dect 0,1 mm) se pot obine prin destinderea apei
sau prin suprasaturarea apei cu aer. Ridicarea particulelor
insolubile n ap, de ctre bulele de aer, este rezultatul asocierilor
reciproce, ce are loc n dou moduri: - ncorporarea de bule de aer n
interiorul particulei floculate cu structur afnat; - aderarea
particulelor insolubile la suprafaa bulei de aer (gaz). Mrimea
forelor care rein particule insolubile pe interfaa ap-aer sau
ap-gaz depind de mrimea suprafeei particulelor i de prezena unei
substane tensioactive, ce are tendina de acumulare i orientare a
moleculelor pe interfee. n practic, n cazul separrii prin flotaie
cu aer nu este suficient doar ridicarea particulelor la suprafa ci
este necesar i formarea unei spume uiliznd substane spumante.
Astfel de substane pot fi chiar unii constitueni din apele uzate,
iar cnd acetia nu exist n ap trebuiesc adugai. Capacitate de
spumare mare au apele uzate din industria celulozei, textil,
industria de prelucrare a proteinelor i n industriile
fermentative.84
Pentru a se obine o bun separare prin flotaie trebuie luate
msuri pentru a reduce la minimum turbulena din zona de separaie.
Datorit vitezelor mari de urcare a particulelor n procesul de
flotaie, timpul de retenie a apelor uzate n bazinul de flotaie este
mai mic dect n bazinul de decantare. Necesarul de aer variaz funcie
de natura i concentraia suspensiilor i depind de condiiile care
trebuie ndeplinite de apa tratat. ntr-o instalaie de flotaie cu aer
difuzat, consumul de aer este de cca 0,2-1 m3 aer/m3 ap uzat.
Pentru stabilirea parametrilor optimi ai procesului de flotaie,
pentru o ap uzat dat, se recomand efectuarea de teste la scar de
laborator, pe un model fizic. 5.2.3. Centrifugarea Centrifugarea
este un proces de separare gravitaional a suspensiilor din ap n
care intervin acceleraii superioare celei gravitaionale. n cazul
centrifugrii se obin viteze mari de sedimentare, ceea ce duce la o
separare a unei mase mari de suspensii n unitatea de timp. Prin
centrifugare se obin concentrate mai compacte, cu un coninut mai
mare de solid. Datorit costurilor mari ale instalaiilor i a
consumului de energie, acest procedeu se aplic de preferin apelor
uzate cu coninut mare de suspensii sau pentru concentrarea
nmolurilor. n epurarea apelor se utilizeaz, de regul, centrifugele
decantoare cu ax orizontal, cu funcionare continu. Acestea sunt
constituite dintr-un corp cilindroconic rotativ n care se rotete,
la rndul su, - cu o vitez ceva mai mic un ax melcat. Apa cu
suspensii este introdus prin axul corpului melcat i este proiectat
spre faa interioar a peretelui corpului centrifugei. Solidele
depuse pe acest perete datorit forelor centrifuge sunt raclate i
mpinse de ctre corpul melcat spre zona conic a corpului
centrifugei. Lichidul limpezit, numit centrat, este evacuat pe la
captul opus al centrifugei. Adncimea stratului de lichid deasupra
peretelui centrifugei este stabilit cu ajutorul unor deversoare
circulare reglabile, peste care se evacueaz lichidul limpezit.
Transportul materialului concentrat pe zona conic este o sarcin
delicat, datorit forelor mari de forfecare care intervin, precum i
datorit posibilitilor de stropire cu lichid limpezit, ceea ce poate
readuce materialul solid n corpul centrifugei. Astfel, prin
centrifugare se obin concentrate de nmol cu un coninut mai mare de
50% de substan uscat, comparativ cu nmolurile obinute prin alte
metode de separare la care concentraia n substane uscate este ntre
4% i 10%.
85
5.2.4. Filtrarea Filtrarea este procedeul de trecere a apelor
printr-un mediu poros, pe care are loc reinerea prin fenomene
predominant fizice a unora din constituenii apelor. Funcie de
spaiile libere ale mediului poros, n instalaiile de filtrare se pot
reine din ap impuriti de dimensiuni variabile, de la dimensiuni
foarte mari cum ar fi poluanii grosieri, pn la poluani foarte fini.
La mediile poroase cu pori mari, mecanismele de reinere pe filtre
este simplu, fiind oprite toate particulele cu dimensiuni mai mari
dect porii filtrelor. Se vorbete astfel de un fenomen de sitare. Pe
msur ce dimensiunile porilor se micoreaz, mai intervin i alte
fenomene. Mecanismele care contribuie la reinerea din ap a
particulelor de impuriti pe un filtru sunt foarte complexe.
Reinerea pe suprafaa filtrant depinde de caracteristicile
fizico-chimice ale particulelor, de caracteristicile mediului
filtrant, de viteza de filtrare i de caracteristicile fizice ale
apei. Curgerea prim medii filtrante poroase este meninut n mod
normal n domeniul laminar att iniial (n filtru curat), ct i dup
colmatarea lui cu suspensii. n aceste condiii, curgerea are loc n
conformitate cu legea lui Darcy. Varietatea mecanismelor de reinere
a impuritilor din ap prin filtare i gama larg de dimensiuni a
particulelor care se rein a dus la o difereniere ntre procesele n
care predomin efectul de sit i cele n care primeaz alte mecanisme.
n cele ce urmeaz se prezint pe scurt principalele procese de
reinere prin filtrare, att pentru corpuri grosiere, ct i pentru
particule de dimensiunea ionilor i moleculelor. Reinerea pe grtare
i site. Grtarele servesc pentru ndeprtarea din ap a impuritilor
grosiere care pot forma depuneri greu de evacuat i care ar bloca
sistemele de raclare, pompele i vanele, gurile de evacuare i
deversoarele. Grtarele sunt formate din bare cu grosimi de 0,81,2
cm aezate la o distan de 1260 mm, nclinate cu 30-90fa de orizontal.
Materialele reinute, cu dimensiuni mai mari dect interstiiile
dintre bare, formeaz ele nsele straturi filtrante care mresc
treptat pierderea de sarcin a apei pe grtar i trebuiesc ndeprtate
periodic. Viteza apei la intrarea apei n grtare trebuie s fie de
0,3-1 m/s pentru evitarea depunerilor n camera grtarului. Pentru
reinerea impuritilor de dimensiuni mai mici se utilizeaz site
statice sau mobile. Reinerea pe filtre Cele mai utilizate filtre
pentru ndeprtarea suspensiilor sunt filtrele granulare i filtrele
cu prestrat. Materialul granular folosit frecvent este nisipul
cuaros. Filtrele cu nisip sunt formate din mai multe straturi cu
densiti diferite care ntr-un curent de ap86
ascendent se stratific conform densitii i la care, dup splare,
se obine spontan o aranjare a granulelor cu diametrul descrescnd n
sensul de curgere din timpul fazei de filtrare, fapt care permite o
folosire mai eficient a adncimii filtrului. Filtrele de nisip sunt
mprite n: - filtre lente cu viteze de filtrare de 0,1 0,6 m/h; -
filtre rapide cu viteze de filtrare de 3 6 m/h. Aceste dou tipuri
de filtre difer prin caracteristicile granulometrice ale nisipului
i prin modul de regenerare. n epurarea apelor uzate filtrele cu
nisip se utilizeaz n treapta secundar de epurare sau pentru
finisarea efluenilor treptei biologice. n aceste filtre au loc, pe
lng procesele fizice de reinere a particulelor insolubile i procese
microbiologice de degradare a unor materiale organice dizolvate sau
n suspensie. Filtrele cu prestrat sunt formate din suporturi
poroase rigide aezate ntr-o carcas, pe care se depune un strat
subire de material filtrant granular, format din particule foarte
fine de 5 100 m. Fazele unui ciclu de funcionare cuprind formarea
prestratului, filtarea i regenerarea. Pentru a prelungi durata
fazei de filtare, uneori se adaug n apa supus tratrii materialul
granular chiar n timpul filtrrii. 5.2.5. Separarea prin membrane n
procesele de epurare a apei, membrana este definit ca o faz ce
acioneaz ca o barier pentru speciile moleculare sau ionice din ap,
prin membran putnd trece n general numai molecule de ap. Membranele
pot fi constituite din materiale solide (membrane consistente), din
geluri mbibate cu solveni sau din lichide imobilizate ntr-o
structur poroas i rigid. Practic o membran trebuie s aib o
permeabilitate mai mare pentru unele specii dect pentru altele,
deci s fie permeoselectiv. Separarea prin membrane este utilizat n
cea mai mare msur pentru obinerea apei potabile, dar i pentru
tratarea apelor uzate. Dintre metodele ce utilizeaz separarea prin
membrane, cea mai mare utilizare o au osmoza, osmoza invers,
ultrafiltrarea i electrodializa. n soluie, ionii substanelor ionice
sau ionii formai prin ruperea unei molecule polare sunt hidratai
astfel nct volumul ionilor este mult mai mare dect volumul unei
molecule de ap, sau chiar a moleculelor de ap asociate prin legturi
de hidrogen. Prin porii unei membrane semipermeabile (de dimensiuni
moleculare) vor putea trece molecule de ap, dar nu vor putea trece
ionii hidratai. Osmoza i osmoza invers n cazul soluiilor apoase cnd
dou soluii de concentraii diferite sunt separate printr-o membran
semipermeabil, apa va trece prin membran din soluia mai diluat spre
cea mai concentrat.87
Acest proces, cunoscut sub numele de osmoz nceteaz cnd presiunea
hidrostatic care se exercit asupra soluiei mai concentrate atinge o
anumit valoare de echilibru numit presiune osmotic (fig.5.3, a i
b). Presiunea osmotic variaz proporional cu concentraia substanei
dizolvate n ap i cu temperatura.presiune
1 3
2
p
1 3
2
1 3
2
a)
b)
c)
Fig. 5.3. Osmoza direct i osmoza invers
Procesul normal de osmoz poate fi inversat dac asupra soluiei
concentrate se va exercita o presiune mai mare dect presiunea
osmotic (fig.5.3 c). n acest caz, se va produce, datorit presiunii
exterioare mari, o circulaie a apei n sens invers. Astfel, dintr-o
ap bogat n sruri se va obine n compartimentul 1 o ap curat. Acest
proces este utilizat pentru obinerea apei dulci din apa de mare.
Primul material folosit la confecionarea membranelor semipermeabile
a fost acetatul de celuloz, obinut n condiii speciale (celofan cu
caliti speciale). Ulterior s-au obinut i membrane semipermeabile
din materiale polimerizate stabile (poliamide, esteri micti de
acetat - butirat de celuloz, amestecuri de acetat i nitrat de
celuloz, .a.). n prezent se obin membrane ce permit o eliminare a
substanelor dizolvate, mai ales a speciilor ionice, n proporie de
95-99%. Membranele folosite n separarea prin osmoz sunt foarte
subiri (0,2 m) i au o fragilitate ridicat. Membranele utilizate n
osmoza invers sunt supuse la diferene mari de presiune de 20 100
bar, ceea ce determin dificulti deosebite la realizarea
instalaiilor practice care trebuie s aib o bun etaneitate, o
structur compact, durabilitate mare i s evite colmatarea i
polarizarea de concentraie. Aplicaiile osmozei inverse pentru
tratarea apelor uzate sunt satisfctoare n urmtoarele condiii: -
reducerea cantitilor de ape uzate prin obinerea unor soluii
concentrate cu volum mai mic dect al celor de ape uzate; - dac
exist posibilitatea recuperrii de materiale utile; - dac se impune
recuperarea apei n zonele srace n ap; - dac se poate realiza
concentrarea poluanilor n volume mici de ap, reducndu-se
cheltuielile de evacuare a poluanilor.88
Ultrafiltrarea Ultrafiltrarea este procesul de separare prin
membrane sub influena unei diferene de presiune. Membranele
utilizate sunt caracterizate printr-o permeabilitate selectiv
pentru anumii componeni ai unei soluii lichide. Se aplic mai ales
pentru a separa substanele dizolvate cu greutate molecular
peste500,care la concentraii mici au presiuni osmotice mici i nu
pot fi separate prin osmoz. Prin ultrafiltrare pot fi ndeprtate din
ap bacterii, virui, amidon, proteine, pigmeni din vopsele. Limita
superioar a greutii moleculare a substanelor care pot fi reinute
prin ultrafiltrare este de circa 500 000, peste aceast limit
separarea avnd loc prin filtrare obinuit. n cazul ultrafiltrrii
prin membrane, mecanismul principal este sitarea selectiv, n funcie
de diametrul particulelor de substane poluante i diametrul porilor.
Capacitatea de reinere a unei membrane pentru o substan dat depinde
de dimensiunea, forma i flexibilitatea moleculelor constituente ale
membranei, precum i de condiiile de exploatare. Pentru scopuri
practice, se cere ca membranele de ultrafiltrare s manifeste
reinere selectiv pe un domeniu relativ ngust de greuti moleculare i
un flux mare de solvent la diferen mic de presiune. Pentru epurarea
apelor uzate separarea selectiv nu prezint importan dect n cazul n
care concentratele separate pot fi valorificate. In acest caz,
ultrafiltrarea are un efect echivalent cu cel realizat prin
coagulare, floculare, decantare i ngroare. Prin acest proces pot fi
ndeprtate materii organice inerte i microorganisme. Electrodializa
Electrodializa constituie un proces de separare prin membrane cu
permeabilitate selectiv la anioni, respectiv la cationi, deplasarea
acestora realizndu-se sub aciunea unui cmp electric ca n procesul
de electroliz. Utilizarea unei instalaii de electrodializ cu o
singur celul este neeconomic, din cauza consumurilor mari de
energie n compartimentele electrozilor (pentru deshidratarea
ionilor). Dac numrul de compartimente dintre electrozi este mrit
(figura 5.4.), proporia de energie consumat pentru transportul
ionilor crete n raport cu aceea pentru deshidratarea acelor ioni
care ajung n compartimentele electrozilor. n practic se folosesc
baterii de electrodializ cu 40-500 compartimente. Modul de
funcionare al unei instalaii de epurare prin electrodializ reiese
din figura menionat. n practic, prin electrodializ se obine o ap
demineralizat numai parial. Dac demineralizarea este mpins peste
anumite limite, consumurile de energie pe unitatea de ap produs
cresc foarte mult, iar produsul devine asemntor cu electroliza.
Electroliza poate fi utilizat pentru ndeprtarea srurilor din apele
uzate (de exemplu a nitrailor din apele evacuate de pe terenurile
agricole), cu condiia ca substanele organice, eventual prezente n
acestea, s fi fost ndeprtate n prealabil.89
Eliminare de hidrogen gazos Ap de splare catod
Ap uzat cu salinitate ridicat
Eliminare de oxigen sau clor Ap de splare anod
catod
Na+ OHCl-
C A C A C A Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ HClClClClClCl-
anod
Reziduu catodic Ap parial demineralizat
Reziduu anodic Soluie concentrat de sruri
Legend: A - Membrane permeabile de anioni C - Membrane
permeabile de cationi
Figura 5.4. Schema unei instalaii de electrodializ
Membranele pentru electroliz se realizeaz prin turnare de plci
dintr-un amestec de rini schimbtoare de ioni, sub form de granule,
liani ineri i solveni. Ele pot fi obinute din filme de polimeri
poroase, n care se introduc prin reacie chimic, grupe funcionale
schimbtoare de ioni.
Prin electroliz se pot recupera din apele uzate o varietate de
substane utile: acizi carboxilici (acetic, citric, lactic),
lignite, cromai, etc.5.2.6. Procese unitare care utilizeaz
transferul ntre faze n timp ce n cazul proceselor fizice descrise
mai nainte, dup izolarea din ap, impuritile rmn tot n faza apoas
sub forma unor concentrate, exist alte procese n care epurarea are
la baz transferul poluanilor din ap ntr-o alt faz nemiscibil cu apa
lichid, solid sau gazoas. ntre aceste procese se ncadreaz extracia
lichid-lichid, antrenarea poluanilor volatili cu abur sau cu gaz
(stripare), distilarea, spumarea i adsorbia. Extracia lichid-lichid
Extracia este o operaie de separare bazat pe diferena de
solubilitate a componenilor din ap n unul sau mai muli solveni
nemiscibili cu apa. Notnd apa cu A, poluantul cu P i solventul cu S
, iar cantitile mici ale acestora n diferite faze cu a, p, i
respectiv s, principiul extraciei este redat prin schema:90
(A+P) + S = (A-a) + a + p + s + (P-p) +(S-s). apa de epurat
solventul apa extras extrasul
(5.3)
Apa de epurat este pus n contact cu solventul S n care poluantul
P este mult mai solubil dect apa. Dup agitare ( pentru realizarea
unei suprafee ct mai mari de contact ntre cele dou lichide) i dup
sedimentare se formeaz conform schemei de mai sus dou straturi: apa
extras i extractul. Dup separarea acestora urmeaz recuperarea
solventului (de obicei prin distilare), ceea ce n cazul ideal al
recuperrii totale a solventului duce la rezultatul final exprimat
prin schema: (A+P) = (A-a) + p + a + (P-p) ap uzat ap epurat
concentratul de poluant (5.4)
O extracie naintat a poluantului din ap se realizeaz prin
repetarea operaiei de extracie cu poriuni noi de solvent proaspt.
Cea mai raional variant a procesului este extracia n contracurent.
n figura 5.5 este ilustrat schematic extracia cu contact multiplu n
contracurent. Eficiena este i mai mare n cazul extraciei
difereniale n contracurent, unde nu exist uniti distincte de
amestecare i de decantare. n acest caz, apa i solventul circul n
contracurent ntr-o coloan cu icane sau cu umplutur, pe baza
diferenei de densitate (figura 5.6). ntr-o astfel de coloan se
menin pe tot parcursul, diferene de concentraie diferite de cele de
echilibru, fapt care promoveaz difuzia poluantului din ap n
solvent. Un bun solvent pentru extracia poluanilor din ape uzate
trebuie s ndeplineasc Amestecare 1 urmtoarele condiii: - s posede
fa de impuriti o afinitate ct mai Decantare 1 ridicat n comparaie
cu a apei, s aib o solubilitate ct mai sczut n ap i s dizolve
Amestecare 2 ct mai puin ap pe un domeniu larg de temperatur, - s
nu formeze emulsii cu apa, Decantare 2 Extract 1 - s aib o
densitate ct mai diferit de a apei, Solvent - s nu sufere
transformri chimice n timpul Amestecare 3 utilizrii, - s aib punct
de fierbere ct mai ndeprtat de Decantare 3 al apei, Extract 2 - s
fie ieftin. Ap epurat Pentru epurarea apelor uzate se folosesc, n
Fig. 5.5. Schema extraciei cu special, hidrocarburi alifatice,
dintre care hexanul contact multiplu n contracurent este utilizat
cel mai frecvent. O variant de aplicare a extraciei n purificarea
apei este aceea n care substana extras din amestec este nsi apa, nu
substane dizolvate n aceasta. n91Extract final Ap brut
acest scop s-au dovedit eficieni ca solveni aminele alifatice cu
5 i 6 atomi de carbon (de exemplu diizopropilamina),care extrag n
mod selectiv apa i n care impuritile (mai ales cele minerale) au o
solubilitate sczut. Solubilitatea apei n dizolvanii de acest fel
variaz puternic cu temperatura, astfel c prin nclzirea extractului
are loc separarea apei i a dizolvantului, acesta din urm fiind
refolosit n proces. Extracia se folosete la scar industrial pentru
separarea i recuperarea fenolului din apele condensate de la
prelucrarea termic a crbunilor i pentru extracia din apele uzate a
unor metale ce sunt transformate n prealabil n compleci organici,
solubili n solveni nemiscibili cu apa. Transferul lichid-gaz
Substanele volatile prezente n ap pot fi ndeprtate (stripate) prin
antrenare cu gaze sau vapori (aer, gaze de ardere, vapori de ap).
Procesul este analog cu acela de extracie descris mai sus, rolul
solventului fiind preluat de faza gazoas sau de vapori. Desfurarea
procesului este favorizat de crearea unor condiii care duc la
micorarea solubilitii n ap a substanei poluante, aceasta putndu-se
obine, de obicei, prin modificarea pH-ului i prin ridicarea
temperaturii, pH-ul acionnd favorabil prin transformarea unor
poluani n forma lor neionizat, molecular, mai greu solubil. Astfel,
la valori mici ale pH-ului, devine posibil ndeprtarea hidrogenului
sulfurat, S2+ 2 H+ H2 S (5.5) sulfur solubil hidrogen sulfurat
molecular n ap greu solubil n ap a mercaptanilor i a bioxidului de
carbon i, n general, a acizilor slabi volatili, iar la valori
ridicate ale pH-ului a amoniacului, aminelor alifatice inferioare i
n general a bazelor slabe volatile, NH4+ + OH NH3 + H2O (5.6) ioni
de amoniu amoniac molecular solubili n ap greu solubil n ap cald
Striparea componenilor volatili din apele uzate se face prin
realizarea unei suprafee mari de contact ntre ap i faza gazoas sau
de vapori, fiind avantajoas circulaia n contracurent a celor dou
faze. Contactul lor se poate asigura prin barbotarea gazului n ap n
bazine deschise sau coloane cu talere, ori prin prelingerea apei
peste o umplutur prin care circul n contracurent faza gazoas, n
acest din urm caz putndu-se folosi instalaii asemntoare cu
turnurile de rcire. Un contact bun poate fi obinut i prin
pulverizarea apei n faza gazoas (de obicei n aer). Striparea cu
gaze i vapori d rezultate pozitive i n cazul poluanilor organici
volatili nepolari, care n mod natural au o solubilitate sczut n ap,
n deosebi la temperaturi mai ridicate. Metoda este convenabil mai
ales n cazul92
apelor uzate care rezult din procesul de producie i deci, nu mai
necesit consum de energie pentru nclzire. Striparea poluanilor n
atmosfer conduce la impurificarea acesteia i, de aceea, se recomand
descrcarea gazelor de stripare prin couri nalte. O soluie mai
raional este captarea i valorificarea poluanilor. Astfel,
substanele volatile cu caracter bazic pot fi absorbite n soluii ale
unor acizi tari cu obinerea de sruri, de exemplu n cazul
amoniacului care absorbit n acid sulfuric formeaz sulfat de amoniu,
folosit ca ngrmnt agricol, iar substanele acide n soliii ale unor
baze tari, de exemplu, prin absorbia hidrogenului sulfurat n
hidroxid de sodiu se obine sulfura de sodiu utilizabil n industria
celulozei. Din date experimentale a reieit c pentru a ndeprta 1 kg.
de hidrogen sulfurat sunt necesari 100-200 m3 aer/m3 ap uzat. n
cazul striprii amoniacului, literatura menioneaz (n cazul folosirii
instalaiilor de tipul turnurilor de rcire cu funcionare la
temperatur ambiant) consumuri de aer foarte ridicate de 20003500 m3
aer/1m3 ap uzat. n epurarea apelor uzate, pentru unele scopuri,
prezint importan practic i procesul invers, de transfer n ap a unor
componeni din faza gazoas. Cel mai important caz este acela de
introducerii de oxigen n ap. Aceasta se realizeaz cu ajutorul
oxigenului gazos, dar, mai eficient, cu ajutorul aerului (aerare).
Pentru aerare sunt folosite numeroase tipuri de dispozitive,
clasificate, de obicei, n mecanice i pneumatice, acestea asigurnd
dispersia apei n aer sau /i a aerului n ap pentru crearea unei arii
ct mai mari a suprafeei de separare ap-aer pe care are loc
transferul. Distilarea Distilarea este procesul de epurare a apelor
uzate prin trecerea apei n faz de vapori prin nclzire , urmat de
condensarea vaporilor. Datorit volatilitii reduse a majoritii
impuritilor dizolvate, se obine, de obicei, o ap cu calitate net
mbuntit. Prin distilare se ndeprteaz i materii n suspensie , iar
microorganismele sunt distruse aproape n totalitate. n comparaie cu
alte procese de epurare a apelor uzate, distilarea este n prezent
dezavantajoas datorit consumului relativ ridicat de energie. Chiar
n cazul utilizrii unor sisteme raionale de nclzire, cum ar fi
evaporatoare cu efect multiplu, consumul de cldur este
semnificativ, de cca 45 kcal./1 kg ap. Totui, distilarea poate fi
justificat cnd este folosit pentru concentrarea unor eflueni cu
toxicitate mare, care urmeaz a fi distrui prin incinerare. nghearea
nghearea ca proces de epurare, const n trecerea apei din faz lichid
n faz solid sub form de cristale de ghea constituite din ap aproape
pur, care se separ de soluia rezidual mbogit n impuriti. Prin
topirea cristalelor de ghea (dup prealabila lor splare cu ap curat)
se obine o ap de puritate ridicat.93
O variant a procesului de ngheare se bazeaz pe formarea, la
temperaturi apropiate de 00C, ntre ap i anumite substane, cum ar fi
hidrocarburi alifatice cu greutate molecular mic sau derivai
halogenai ai acestora, a unor combinaii solide care cuprind n
reeaua lor cristalin molecule de ap pur i de hidrocarbur. Dup
separarea din lichidul iniial i topirea cristalelor rezult dou faze
nemiscibile, apa curat i agentul de hidratare. Dac acesta din urm
este, de exemplu, propanul, temperatura de topire a hidratului este
de circa 5,70C. Spumarea Spumarea este procesul de separare din ap
a unor impuriti organice dizolvate ca urmare a tendinei de
acumulare a lor pe interfaa ap-aer, respectiv datorit respingerii
lor din masa de ap. Cantitatea de poluant separat este proporional
cu aria interfeei aer-ap, i n acest caz este avantajoas existena
unei arii ct mai mari, care poate fi obinut prin spumare. Formarea
spumei este condiionat de prezena n ap a substanelor
superficial-active, care au capacitatea de a micora tensiunea
superficial a apei. Astfel de substane, de exemplu detergenii,
proteinele i hidrolizate de proteine, sruri ale unor acizi organici
sulfonici i carboxilici, saponine etc., pot fi prezente ca poluani
n apele uzate. Exist i situaii n care, pentru formarea spumei sau
pentru a mbunti separarea unor impuriti se adaug ageni de spumare,
cum ar fi detergenii cationici n doz minim de circa 0,5 mg/l.
Formarea spumei este indus prin barbotarea n ap a aerului, de
preferin difuzat sub form de bule fine. Consumurile de aer sunt de
ordinul a 4-8 m3/m3 ap uzat, iar timpii de retenie hidraulic n
bazinul de spumare de 5-10 min. Spuma acumulat la suprafaa apei n
bazinul de spumare se ndeprteaz continuu prin raclare, n asemenea
cantitate i de la o astfel de diferen de la suprafaa masei de
lichid, nct coninutul n ap al spumei s fie ct mai sczut. Este de
dorit ca volumul de concentrat lichid, rezultat dup spargerea
spumei, s nu depeasc 1% din volumul apei epurate. Separarea prin
spumare a fost aplicat la ndeprtarea detergenilor din ape i la
epurarea apelor uzate din industria celulozei i a hrtiei. Adsorbia
Adsorbia, ca proces de epurare, are la baz fenomenul de reinere pe
suprafaa unui corp a moleculelor unei substane dizolvate n ap.
Materialul solid sau lichid pe care are loc reinerea se numete
adsorbant iar substana care este reinut adsorbat. Substanele
reinute pot fi ndeprtate prin nclzire sau extracie, astfel nct
adsorbantul i recapt aproape n ntregime proprietile iniiale.
Adsorbia permite reinerea unor poluani chiar cnd acetia sunt
prezeni n concentraii mici i prezint selectivitate pentru anumite
substane. Procesul de adsorbie este caracterizat prin echilibrul de
adsorbie, care exprim repartiia cantitativ, la echilibru, a
substanei adsorbite ntre faza de94
adsorbant i faza apoas supus epurrii i prin cinetica de
adsorbie, care urmrete mecanismul procesului i viteza cu care se
desfoar acesta. Raportul de distribuie al adsorbantului ntre
adsorbant i ap la o temperatur dat, dup un timp de contact
suficient pentru stabilirea echilibrului, se exprim prin izoterma
de adsorbie (figura 5.7). Pe baza unor teorii cu privire la
mecanismul adsorbiei sau pe baza rezultatelor experimentale au fost
propuse ecuaii care reuesc s descrie izotermele de adsorbie (pe
poriuni limitate).Valoarea de saturaie103 mg/l Cantitatea adsorbit
, (mg/g) 100 75 50 25 1 2 3 4 5 6
Concentraia (c), (mg/l)
Figura 5.7. Izoterma de adsorbie a fenolului pe crbune activ, la
temperatura camerei
O ecuaie frecvent utilizat, dezvoltat pe baze empirice, a fost
propus de Freundlich a = K Cn, (5.7) unde: a - cantitatea adsorbit
pe un gram de adsorbant, n mg/g; K i n - constante C - concentraia
adsorbatului n faza lichid, n mg/l.
Ca adsorbani se utilizeaz materiale solide caracterizate
printr-o suprafa specific foarte mare. La crbunele activ,
adsorbantul cel mai folosit n epurarea apelor, suprafaa specific
ajunge la valori n jurul a 1000 m2/g. Crbunele activ se utilizeaz
sub form de granule (diametre de 1-6 mm) sau de pulberi (0,10,5
mm).n afara crbunelui activ au fost folosii ca adsorbani pentru
epurare i cocsul, cenuile fine de la arderea combustibililor,
cenuile de la arderea nmolurilor etc. Cercetrile privind adsorbia
pe crbune activ a impuritilor dizolvate n ap au condus la
urmtoarele concluzii: - capacitatea de adsorbie este puternic
influenat de greutatea molecular a adsorbatului , crescnd o dat cu
aceasta; - creterea temperaturii micoreaz capacitatea de adsorbie,
dar mrete viteza de adsorbie; - scderea pH-ului influeneaz de
obicei favorabil capacitatea de adsorbie; - capacitatea de adsorbie
i viteza de adsorbie cresc la micorarea dimensiunilor particulelor
de adsorbant; - capacitatea de adsorbie depinde de timpul de
contact, fiind maxim la atingerea echilibrului. Adsorbia se aplic,
de regul, pentru ndeprtarea din ap a unor impuriti n concentraie
sczut, rmase dup aplicarea altor procese de epurare i atunci cnd se
impune un grad de epurare foarte ridicat. Sunt rare cazurile n care
substanele adsorbite din ap sunt separate din adsorbant prin
desorbie n vederea
95
valorificrii; adsorbanii epuizai sunt fie aruncai, n cazul
adsorbanilor ieftini, fie regenerai pentru refolosire. Dup modul n
care se realizeaz contactul ntre apa de epurat i adsorbant se
disting adsorbia static i dinamic. n primul caz adsorbantul fin
divizat este agitat cu apa i dup un timp anumit este separat prin
decantare sau filtrare, n timp ce n cazul adsorbiei dinamice, apa
uzat strbate n flux continuu un strat fix, mobil sau fluidizat de
adsorbant. Cele mai multe instalaii de epurare prin adsorbie sunt
de tipul dinamic i utilizeaz paturi fixe de crbune activ cu
granulaia de 0,5-2,0 mm, mai ales n filtre nchise, nlimea stratului
de crbune n aceste filtre fiind de 1-3 m. n unele cazuri, au fost
folosite i filtre deschise, cu viteze mai mici i cu nlimi ale
stratului de 0,5-1,0 m. Creterea timpului de contact ntre ap i
crbune influeneaz semnificativ eficiena epurrii, n timp ce, o vitez
mrit de circulaie a apei favorizeaz adsorbia. La filtrele cu crbune
activ se adopt viteze de filtrare de 5-30 m / h. Pentru a evita
colmatarea filtrelor este important ndeprtarea prealabil a
poluanilor n suspensie. Din experien rezult c un crbune activ de
bun calitate poate adsorbi o mas de substane organice reprezentnd
cca. 5% din masa sa, dup care este necesar regenerarea. Aceasta se
face mai ales pe cale termic; la cca. 9000C n atmosfer cu compoziie
controlat de aer i vapori de ap. Pentru alegerea adsorbantului i
pentru stabilirea condiiilor de exploatare optime se recomand
efectuarea prealabil de teste de laborator. 5.3. Procese chimice
Procesele chimice de epurare sunt acelea n care poluanii sunt
transformai n alte substane mai uor de separat, cum ar fi
precipitate insolubile sau gaze care pot fi stripate, cu nocivitate
mai sczut sau mai susceptibile de a fi ndeprtate prin alte procese
de epurare, de exemplu prin procese biologice. 5.3.1. Neutralizarea
Neutralizarea este procesul prin care pH-ul unei ape uzate, avnd
valori n afara intervalului favorabil dezvoltrii florei i faunei
acvatice (pH=6,5-8,5), este reglat prin adaus de acizi sau baze dup
caz. Neutralizarea apei are ca efect i micorarea nsuirilor corozive
ale apei care pot determina degradarea materialelor cu care vine n
contact, cum ar fi conducte , construcii i instalaii de transport
sau de epurare.
96
Neutralizarea apelor acide Industriile care evacueaz acizi sunt
foarte variate : fabrici de acizi i de explozivi , industria
metalurgic , decapri i acoperiri metalice, rafinrii de petrol ,
fabrici de ngrminte , instalaii de obinere a derivailor organici
halogenai , etc. nainte de a stabili msurile de neutralizare este
necesar, n primul rnd , s se epuizeze toate posibilitile de a
micora cantitatea de acizi evacuat ; prin aceasta , n afar de
economia de acizi se obine i micorarea cheltuielilor pentru
neutralizare. n al doilea rnd , trebuie examinat posibilitatea de
neutralizare reciproc , total sau parial , a apelor uzate acide i
alcaline , rezultate din aceeai ntreprinderea sau din ntreprinderi
nvecinate. n astfel de cazuri, se prevd bazine de egalizare
separate pentru ape acide i cele alcaline, bazine din care se poate
realiza apoi o dozare proporional cu debitele medii ale celor dou
categorii. Pentru neutralizarea apelor acide se poate folosi o gam
larg de substane cu caracter bazic (oxizi, hidroxizi, carbonai).
Alegerea neutralizantului se face n funcie de natura acidului care
trebuie neutralizat, de costul neutralizantului, de volumul i
caracteristicile sedimentelor formate dup neutralizare.
Neutralizanii care pot fi luai n consideraie n practic sunt :
piatra de var CaCO3 i dolomita CaMg(CO3)2; varul CaO sub form de
hidroxid de calciu(lapte de var sau var stins praf); NaOH i Na2CO3.
Pentru neutralizare se pot folosi i unele deeuri industriale cum
sunt nmolurile de la fabricile de sod, unele sterile de la
preparaiile miniere, nmolurile de la obinerea acetilenei din
carbid, etc. Piatra de var (CaCO3) este unul dintre primii
neutralizani folosii pentru neutralizarea apelor acide. Dup
proveniena ei, piatra de var prezint reactivitate variabil fa de
acizii minerali. Aceasta depinde de compoziia chimic i mai ales de
structura cristalin a materialului. Reactivitatea diferitelor
feluri de carbonai de calciu naturali scade n ordinea: dolomit,
cret, ardezie, marmur, calcar de scoici. Filtrarea printr-un strat
de calcar granular are efect de neutralizare numai n cazul apelor
cu coninut mic de acizi pn la 0,3-0,5 % ;dac concentraia este mai
mare, n afar de scderea reactivitii , se produce o cimentare a
granulelor din patul filtrant. Avnd n vedere c prin reacia
calcarului cu acidul sulfuric rezult sulfat de calciu greu solubil,
calcarul nu este indicat pentru ape uzate care conin acest acid,
ntruct sulfatul de calciu format pe suprafaa granulelor mpiedic
contactul ulterior al acidului cu carbonatul de calciu.
Reactivitatea pietrei de var este micorat chiar i n cazul acizilor
clorhidric i azotic, dac acetia sunt prezeni n concentraii mai mari
(peste 1,2 %), dei dau compui de reacie solubili. Explicaia pare a
fi aceea c la concentraii mari de acizi rezult o cantitate sporit
de bioxid de carbon care, acoperind o mare parte din granulele de
calcar, le micoreaz suprafaa de contact. Neutralizarea prin
filtrare peste piatr de var nu este posibil cnd n ap sunt prezeni
ioni ai metalelor grele care formeaz pelicule de hidroxizi pe
suprafaa granulelor. Piatra de var se poate folosi la neutralizare
i sub form de pulbere care se adaug ca atare, n stare uscat, sau
sub97
form de suspensie apoas. i n acest caz apar limitele menionate,
legate de natura i concentraia acizilor. Varul stins sub form de
praf (var hidratat) prezint avantajul c poate fi manipulat,
transportat i dozat n aceast stare cu mult uurin. Dozarea varului
sub form de praf are n plus avantajul c reduce timpul de decantare
i volumul sedimentelor Laptele de var (suspensie de hidroxid de
calciu n ap) se folosete la neutralizare n concentraie de 5-10 %
CaO. Doza de var se calculeaz astfel nct s reprezinte circa 105 %
din valoarea calculat stoichiometric. n cazul neutralizrii acidului
sulfuric, se recomand ca reglarea adausului s fie fcut astfel nct
pH-ul amestecului s fie ct mai aproape de valoarea pH=7, cnd rezult
un precipitat cu granule mai mari care sedimenteaz mai repede.
Hidroxidul i carbonatul de sodiu sunt neutralizani foarte eficieni,
uor de transportat, depozitat i dozat, care duc la formarea unor
sedimente mai puin voluminoase dect calcarul i varul. n schimb,
costul lor este mai ridicat. Cele dou substane pot fi achiziionate
ca produse solide, hidroxidul de sodiu putnd fi achiziionat i sub
form de leie concentrat. Neutralizarea apelor alcaline Cantitile de
alcalii care se evacueaz cu apele uzate industriale sunt n general
mai mici dect cele de acizi. Pentru neutralizarea apelor alcaline
se pot folosi acizii reziduali rezultai din diferite procese
industriale, cu condiia ca acetia s nu conin n concentraii
suprtoare alte impuriti. Un neutralizant ieftin pentru apele uzate
alcaline l constituie gazele de ardere bogate n bioxid de carbon,
circa 14 % vol., care rezult de exemplu de la centralele termice.
Se poate utiliza i bioxidul de carbon mbuteliat, n acest caz,
instalaia i exploatarea ei sunt foarte simple, dar cheltuielile
sunt ridicate. Bioxidul de carbon pentru neutralizare poate fi
produs i direct n apele uzate, prin combustie cu ajutorul unui
arztor scufundat. La instalaiile de neutralizare cu funcionare
continu se recomand automatizarea dozrii reactivilor n funcie de
pH-ul urmrit. Cum n practic aciditatea sau alcalinitatea apelor
uzate brute este foarte variabil, nu este posibil reglarea manual a
dozei de reactivi de neutralizare. n cazul debitelor mici de ape
uzate se pot adopta instalaii de neutralizare cu funcionare
discontinu, simple, uor de exploatat i sigure. In fig.5.8. este
prezentat schema unei instalaii de neutralizare n regim
continuu.
98
Agent neutralizant
Regulator pH Influent
Regulator pH Ap neutralizat
Figura 5.8. Instalaie de neutralizare
5.3.2. Oxidarea i reducerea Oxidarea i reducerea sunt procese n
care substanele se transform n altele ca urmare a schimbului de
electroni. Despre materialele care se transform cednd electroni se
spune c se oxideaz, iar despre cele care accept electroni, c se
reduc, cele din prima categorie fiind materiale reductoare, iar
cele din a doua, materiale oxidante. ntruct nu poate exista o
reacie de oxidare fr o reacie cuplat de reducere, procesul n
ansamblul su este numit o reacie de oxidoreducere. Aceast
interpretare a reaciilor de oxido-reducere este aplicabil compuilor
anorganici. n cazul celor organici, oxidarea se poate defini ca
avnd loc atunci cnd are loc un transfer de specii diferite de cele
ionice normale, i anume: electronul e-, atomul liber de hidrogen H,
atomul liber de oxigen O, radicalul hidroxil OH, atomul liber de
clor Cl, ionul de clor Cl+ sau alte specii asemntoare. Pentru
scopuri practice, n domeniul epurrii apelor se poate accepta
interpretarea reaciei de oxidare ca aceea n care are loc adiie de
oxigen sau ndeprtare de hidrogen. Oxidarea Scopul oxidrii n
epurarea apelor uzate este de a converti compuii chimici nedorii n
alii care nu sunt, sau sunt mai puin suprtori. n acest scop, nu
este necesar oxidarea complet, de exemplu, n cazul substanelor
organice, nu este necesar transformarea lor pn la bioxid de carbon,
ap i ali oxizi. Oxidarea se aplic att substanelor anorganice (de
exemplu Mn2+, S2-, CN-, SO32- etc.) ct i celor organice (de exemplu
fenoli, amine, acizi humici, diverse combinaii cu nsuiri toxice,
bacterii etc.). Oxidarea chimic cu oxigen din aer decurge cu viteze
satisfctoare numai la temperaturi i presiuni peste cele ordinare i,
eventual, n prezen de catalizatori. n practic se recurge la ageni
oxidani mai energici: ozonul, permanganaii, feraii, apa oxigenat,
clorul i bioxidul de clor. Costul ridicat al unora dintre acetia,
cum sunt feriii i apa oxigenat, a limitat mult aplicarea lor n
practic. Exist i alte metode de oxidare, indirecte, dintre care cea
mai important este oxidarea anodic direct prin intermediul unor
produi de electroliz, de exemplu cu clor activ. Activitatea
agenilor chimici oxidani poate fi intensificat99
prin asociere cu introducerea n sistem de energie sub diferite
forme pentru a favoriza apariia speciilor de oxigen cu mare
potenial oxidant (radicali liber OH, oxigen atomic, ozon, peroxizi
etc.). n acest sens, se aplic iradiere cu raze gama, raze
ultraviolete, ultrasunete, producerea fenomenului de cavitaie etc.,
sau prin folosirea unor catalizatori (oxizi de cupru, nichel,
cobalt, zinc, crom, fier, magneziu, platin poroas, chinone, etc.).
Oxigenul, care are o mare importan n epurarea biologic aerob, este
introdus n apa uzat de epurat, de obicei, prin aerare. Oxigenul
molecular este folosit, de exemplu, pentru oxidarea ionilor
bivaleni de fier i mangan i a sulfurilor, n prezen de
catalizatori). Ozonul este oxidant mult mai energic, capabil s
reacioneze rapid cu o gam larg de poluani i cu microorganismele din
ap. El este generat prin descrcri electrice la tensiuni nalte
(5000-30000 V) n aer sau n oxigen uscat, aplicnd concomitent rcirea
pentru a evita descompunerea. n practic, pentru a produce 1 kg.
ozon se consum o cantitate de energie de cca. 7 kWh. Aerul i
oxigenul ozonizat sunt introduse n ap prin difuzorii poroi sau prin
sisteme mecanice de dispersie. n epurarea apelor uzate, ozonul este
folosit pentru decolorare, dezinfecie, oxidarea parial a unor
substane nocive (fenoli, detergeni, cianuri etc.). Este de
subliniat c ozonul are o toxicitate ridicat, pentru expunere
continu concentraia n aer fiind limitat 1a circa 0,1 mg/m3).
Permanganaii sunt oxidani puternici folosii mai ales pentru
finisarea efluenilor care au fost supui anterior altor procese de
epurare, pentru eliminarea culorii i a mirosului, oxidarea
fierului, sulfurilor i cianurilor. La tratarea cu permanganai
rezult bioxid de mangan hidratat, care, pe de o parte funcioneaz ca
absorbant i coagulant, dar pe de alt parte necesit a fi ndeprtat
din ap. Clorul poate oxida eficient hidrogenul sulfurat,
mercaptanii, nitriii, amoniacul, fierul i manganul, cianurile i
unele substane organice. Deosebit de rspndit este distrugerea
cianurilor cu clor pn la formare de cianai sau chiar de azot
molecular, conform reaciilor: CN- + OCI- CNO- + Cl(5.8) 2 CNO- + 3
OCl- N2 + 2 HCO3- + 3 Cl(5.9) Un dezavantaj al folosirii clorului
la tratarea apelor care conin substane organice este formarea
compuilor organici halogenai cu nocivitate ridicat. Acest efect
este eliminat n cazul folosirii bioxidului de clor, care, datorit
stabilitii sale sczute, se prepar n situ. n afara clorului
molecular, pentru epurarea se utilizeaz i alte produse cu coninut
de clor activ, cum ar fi hipocloriii de sodiu i de calciu, clorura
de var, cloraminele. Reducerea Ca i oxidarea poluanilor, reducerea
este folosit pentru transformarea unor poluani cu caracter oxidant,
nociv, n substane inofensive sau care pot fi ndeprtate din ap prin
aplicarea altor procese de epurare. Un caz tipic este100
reducerea cromului hexavalent la crom trivalent n vederea
precipitrii acestuia ca hidroxid, conform reaciei: Cr2O72- + 6FeSO4
+ 7H2SO4 Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + 7H2O + SO42(5.10) Reducerea se
poate face cu fier bivalent sau cu acid sulfuros n mediu acid.
Agenii reductori folosii curent n practic sunt srurile fierului
bivalent, sulfiii, acidul sulfuros i alte combinaii cu sulf la
valene mai mici dect 6, fierul metalic n mediu acid. n afar de
tratarea apelor cu coninut de cromai i bicromai, reducerea este
aplicat pentru eliminarea clorului activ n exces cu sulfii sau cu
bioxid de sulf, insolubilizarea unor ioni metalici, Cu, Ag, prin
reducere cu metale ordinare (de exemplu cu fier), transformarea
nitroderivailor aromatici n amine, prin reducere cu hidrogen nscnd,
transformarea compuilor organici halogenai prin nlocuirea
halogenului cu hidrogen etc. 5.3.3. Precipitarea Precipitarea este
procesul de epurare bazat pe transformarea poluanilor din apele
uzate n produi greu solubili. Precipitarea este, de regul,
rezultatul unor reacii chimice din care rezult substane mai greu
solubile, dar ea poate avea loc i n urma schimbrii unor condiii
fizice, cum ar fi suprasaturarea unei ape prin concentrare,
micorarea solubilitii unor substane organice prin sporirea
concentraiei de electrolii, micorarea solubilitii unei sri prin
mrirea concentraiei unuia dintre ionii care o compun respectiv a
ionului cu nocivitate sczut. n legtur cu acest ultim exemplu, este
ilustrativ mrirea eficienei de ndeprtare a fluorurilor din ap, la
precipitarea lor ca fluorur de calciu, prin introducerea de ioni de
calciu, eventual prin adaus de CaCl2. Acest adaus deplaseaz
echilibrul n favoarea transformrii unei cantiti mai mari de ion F-
n fluorur de calciu greu solubil, conform reaciei: 2 F- + Ca2+ CaF2
(5.11) precipitat Tabelul 5.1. Valorile pH la care solubilitatea
hidroxizilor unor metale se situeaz sub 10mg/l respectiv sub 1
mg/l.Ionul metalic Mg2+ Mn2+ Fe2+ Ni2+ Co2+ Zn2+ Cr3+ Al3+ Fe3+
Valorile pH-ului pentru: S