Saiar Curs

UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA FACULTATEA DE INGINERIE IN ELECTROMECANICA, MEDIU SI INFORMATICA INDUSTRIALA CATEDRA DE MASINI ELECTRICE SI INGINERIA MEDIULUI

SURSE DE APĂ ŞI INGINERIA APELOR REZIDUALE (INGINERIA APELOR) -Note de curs -

s.l. dr. ing. Gabriela Dana PETROPOL SERB

2010

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb

[2010]

CUPRINS

I.

1.

SURSE DE APĂ

Surse de apă. Generalităţi.

1

1.1. Apa – sursă naturală

1

1.2.Dinamica apelor.

5

1.2.1. Măsurarea vitezei apei râurilor

5

1.2.2. Determinarea debitului de apă

9

1.2.3. Studiu de caz: Determinarea debitului unui râu prin metoda

11

chimică 1.3. Circuitul hidrologic

2.

13

1.3.1. Definiţia şi componentele circuitului hidrologic

13

1. 3. 2. Ecuaţiile bilantului hidrologic

15

Economia apelor

16

2.1. Apa – resursă naturală sau economică?

16

2.2. Apa resursă economică

18

2.3. Cantitatea şi calitatea apei necesară pentru diverse folosinţe

20

2.3.1. Normele consumului de apă

20

2.3.2. Normele consumului de apă pentru alimentarea cu apă a

20

centrelor populate 3.

Apa şi proprietăţile ei generale 3.1. Structura moleculară a apei

25 25


4

[2010]

3.2. Proprietăţile fizice ale apei

27

3.3. Proprietăţile organoleptice ale apei

34

3.4. Proprietăţile chimice ale apei

34

3.5. Conţinutul apei în natură

40

Poluarea apelor

42

A. Poluarea apelor de suprafaţă

4.1. Definiţie. Surse de poluare

42

4.2. Tipologia poluării apelor

43

4.3 Autoepurarea apelor de suprafaţă

49

4.4. Managementul apelor de suprafaţă

51

4.4.1 Măsuri de protecţie şi refacere a calităţii apelor de suprafaţă

51

4.4.2 Monitorizarea calităţii apelor de suprafaţă

51

4.4.3. Sisteme Informatice de Supraveghere a Mediului

52

4.5. Aplicaţii de curs

60

A.1. Determinarea conţinutului de nitriţi, nitraţi şi amoniu al probelor de apă A.2. Determinarea conţinutului de fosfaţi al probelor de apă

60

A.3. Determinarea conţinutului de fier al probelor de ap ă B. Poluarea apelor subterane

62 64 65

4.6. Generalităţi

65

4.7. Tipologia poluării apelor subterane

65

4.8. Surse de poluare a apelor subterane

69

4.9. Dezvoltarea legislţiei UE referitoare la apele subterane

71

4.10. Modelarea poluării apelor subterane

75

4.10.1. Dispersia poluantilor.

76

4.10.2. Relaţiile apei subterane cu matricea mineral ă

78

4.10.3. Relaţiile apei subterane cu fluidele nemiscibile

78

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb II. 5.

6.

7.

INGINERIA APELOR REZIDUALE

Controlul substanţelor poluante din ape

81

5.1. Metodele spectrale de analiză

81

5.2. Metodele electrochimice

85

5.3. Metodele cromatografice

86

Elemente de mecanica fluidelor

90

6.1 Noţiuni de statica fluidelor

90

6.2. Noţiuni de dinamica fluidelor

97

Proiectarea proceselor de tratare a apelor reziduale industriale

100

7.1. Probleme privind proiectarea proceselor de tratare a apelor industriale 7.1.1. Studiul de prefezabilitate

100

7.1.2. Studiul de fezabilitate 7.2. Scheme clasice de epurare a apelor reziduale industriale 7.2.1. Aplicaţie de curs

8

[2010]

100 100 101 103

7.3. Alegerea schemei de epurare a apelor reziduale industriale. Calculul gradului de epurare necesar 7.3.1. Calculul gradului de epurare necesar din punct de vedere al suspensiilor pentru dimensionarea staţiilor de epurare 7.3.2. Calculul gradului de epurare necesar din punct de vedere al CBO5 pentru dimensionarea staţiilor de epurare 7.3.3 Calculul gradului de epurare necesar din punct de vedere al O 2

105

Procese unitare de tratare fizico – chimică a apelor reziduale industriale

112

8.1.Egalizarea apelor reziduale, uniformizarea debitelor şi a compoziţiei apelor industriale 8.2. Procese unitare fizice de tratare a apelor reziduale industriale

112

8.2.1. Separarea gravitaţională

105 108 109

114 114

8.2.1.1 Clasificarea suspensiilor sedimentabile

114

8.2.1.2. Calculul vitezei de sedimentare

115

8.2.1.3. Viteza de sedimentare în suspensii concentrate

118

8.2.1.4. Determinarea vitezei de sedimentare a particulelor

120


[2010]

8.3. Separarea particulelor prin decantare

120

8.4. Echipamente folosite la separarea particulelor grosiere

126

9.

Flotaţia

131

10

Procese chimice

137

11

Filtrarea prin membrane

145

12

11.1.Membrane şi procese de membran ă

145

11.2. Procesele de membrană şi forţa motrice necesară

148

Osmoza. Aspecte teoretice si practice

150

12.1. Osmoza – fenomen termodinamic

150

12.2. Osmoza – procedeu tehnologic

155

12.2.1. Osmoza inversă

155

12.2.2. Echipamentele cu proces de osmoză inversă

156

12.2.3. Configuraţia membranelor

157

12.2.4. Schema de principiu a unei instala ţii de potabilizare a apei

158

de mare pe baza osmozei inverse

13

12.3. Firme specializate în producerea şi comecializarea echipamentelor pe bază de osmoză inversă Epurarea biologică

159

13.1. Generalităţi

164

13.2. Procese de transformare bacteriană

165

13. 3. Etapele epurării biologice

166

13.4. Bazine de epurare biologică

168

164

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb I.

SURSE DE APĂ

1. Surse de ap ă. Generalităţi. 1.1. Apa – sursă naturală Ce este mai natural decât o c ădere de apă pe pietre, decât un lac lini ştit într-o depresiune sau decât un râu captiv între malurile lunecoase printre care curge? Cu toate acestea, planeta noastră este singura din Sistemul Solar, pe care apa se g ăseşte în stare lichidă. Ce poate fi mai uşor, astăzi, decât a deschide un robinet? Ce este mai normal decât s ă foloseşti apa pentru a-ţi satisface nevoile zilnice? Totuşi, exploatată fără măsură şi prudenţă, apa este din ce în ce mai poluată şi producerea apei potabile este tot mai complex ă şi costisitoare. Apa, element hrănitor, componentă esenţială a vieţuitoarelor, considerată de antici srcine a tuturor lucrurilor, a ap ărut pe Terra acum 4 miliarde de ani şi o dată cu ea, încet, încet s-au dezvoltat şi primele vieţuitoare. De atunci, cantitatea de ap ă de pe planetă nu s-a schimbat, în schimb, cantitatea de biomasă mondială a crescut, fiind însoţită de o cerere de apă din ce în ce mai mare. Concepţiile au evoluat, dar nimeni nu poate contesta rolul deosebit al substanţei pe care Leonardo da Vinci o numea “seva vieţii pe pământ”. Căutarea surselor de apă de-a lungul timpului a mobilizat multiple energii. Civilizaţiile s-au născut pe cursurile marilor fluvii, considerate reţele naturale de distribuţie. Construcţiile din valea Nilului pe de o parte, şi a Tigrului şi Eufratului pe de altă parte, au demonstrat că civilizaţiile egiptene şi mesopotamiene au experimentat de timpuriu hidrologia, îndreptându-se spre irigaţii. În 2500 î. H.C., cretanii au pus la punct primele sisteme de ţiune a apei în locuin ţe. În 700 d. H.C., regele asirian Sennachérib a construit la Nivive aduc un palat deservit de ap ă de munte adusă printr-un canal de 100 km de piatr ă etanşată cu gudron. În perioada elenistică (IV-II î. H.C.), grecii au inventat sistemul sifonului invers.... Etimologic vorbind, termenul sursă de apă provine din franţuzescul „source d’eau” care înseamna „loc, parte, zona, punct de plecare a apei transportate de un râu”. Pornind de la definiţia din dicţionar a conceptului de sursă „loc unde se produce, unde se poate gă si sau de unde se propagă ceva”, putem privi sursele de apă ca fiind un concept interdisciplinar şi interactiv pe care specialiştii din diferite domenii de activitate ale ştiinţei îl pun în evidenţă prin instrumentele specifice ariei lor de acţiune. Prezenţa no ţiunii de resursă naturală în sisteme conceptuale ale diferitelor ştiinţe, care studiază natura, tehnica sau socialul, relevă necesitatea abordării conţinutului ei, în sensul stabilirii unor coordonate comune, concomitent cu reliefarea elementelor specifice ale unui anumit domeniu de referinţă. Problematica identificării surselor de apă în Univers şi pe Terra constituie o preocupare permanenta în cercetare. Există apă în Univers? Cercetările recente au demonstrat, prin metoda spectroscopiei, prezenţa necontestată a ă gazoasă (vapori), cât şi în formă solidă (gheaţă) [2]. apei în univers, atât în form Apa molecular ă apare în norii circumstelari şi interstelari şi este un constituent important al cozii unor comete (de exemplu Halley). De peste zece ani, cercetătorii au elaborat teorii conform c ărora se găsesc cantităţi mici de apă în petele solare [3]. Cu siguranţă cantităţile de apă sunt foarte reduse şi geneza

1

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb lor se explică prin diferenţe de temperatură suficientre pe anumite porţiuni, pentru ca atomii de hidrogen şi oxigen să se poată asocia. Viaţa acesteia este foarte scurtă deoarece, o dată cu creşterea temperaturii, apa dispare. Numai stelele pitice roşii şi brune păstrează vaporii de apă astfel formaţi, unde sunt întrunite cerinţele speciale pentru existenţa moleculei de apă (presiune ridicată, temperatură relativ joasă şi radiaţie ultravioletă redusă). Mercur a avut apă adusă poate de comete, dar temperatura sa scăzută a eliminat-o. Pe Venus, procentul ridicat de deuteriu atmosferic şi temperatura potrivită formării a permis afirmarea existenţei, în trecut, a apei. O dată cu încălzirea la 470°C, aceasta nu a mai putut exista. Se presupune că pe Lună se poate să fi existat apă, încercându-se găsirea acestor urme pe fundul craterelor polare. Planeta Marte are, în calotele polare, mari cantităţi de apă, iar relieful tipic pentru foste albii de râu indică existenţa unei perioade cu apă lichidă. Sateliţii marilor planete de la periferia sistemului solar au şi ei apă (solidă), Mirinda (satelit al lui Uranus) fiind constituit aproape exclusiv din gheaţă. Astfel, găsirea apei pe alte planete, care părea cândva un mit, este astăzi obiect de cercetare febrilă.[2]

Telescopul Canada-Franţa-Hawaii (situat pe muntele Mauna Kea, Hawaii) a permis studiul multor fenomene astrofizice, inclusiv studiul de vapori de ap ă de pe Venus si Marte. (Foto CFHT, Hawaii).

Spectrometrul cu infraroşu NIMS, îmbarcat la bordul sondei Galileo, a permis studiul răspândirii vaporilor de apă pe Jupiter. Acest instrument colecta lumina graţie unui mic telescop şi o repartiza în funcţie de lungimea de undă, ceea ce îi permitea să analizeze compoziţia chimica a suprafeţelor şi a atmosferei planetare.(Cliché NASA/JPL) În figura de mai jos este ilustrat spectrul infraroşu de pe Saturn observat cu satelitul ISO şi comparat cu un spectru de calcul. Calculul permite evidenţierea prezenţei liniilor de absorbţie a moleculei de apă (H2O), precum şi a celorlalte molecule prezente în cantit ăţi mici în atmosfera Saturniană ca: PH3, NH3, CH3D , GeH4 ou AsH3.

2

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Spectrul infraroşu de pe Saturn observat cu satelitul ISO Originea şi repartiţia apei pe Terra Graţie vulcanilor şi distanţei faţă de Soare, Terra este singura planetă care deţine apă sub formă lichidă. De unde vine apa terestr ă? Originea apei terestre este destul de controversat ă. Se susţine că ea există de la începutul formării Pământului dar nu în formă lichidă şi nici ca vapori în atmosfer ă, ci legată în roci. Ea a fost eliberată treptat ca vapori de rocile fierbinţi împreună cu bioxid de carbon, formând a doua atmosferă (cea iniţială, de heliu şi hidrogen, de la formarea pământului, se persupune că ar fi fost rapid "măturată" de vântul solar). Când răcirea scoarţei a progresat destul, apa s-a condensat, au apărut ploile şi s-au format mările, iar aportul de apă din adâncimi a continuat prin emanaţiile vulcanilor. Cum este repartizată apa terestră? Apa de pe planeta noastră reprezintă un înveliş al Terrei, numit hidrosferă care e în strânsă relaţie şi interdependenţă cu alte "învelişuri":atmosfera (învelişul gazos), litosfera (învelişul solid, al rocii de la suprafaţa continentelor sau fundul oceanelor), sau biosfera (învelişul viu). Hidrosfera e formată din trei mari compartimente: • apă meteorică (apa din atmosferă), • apă de suprafaţă (apa de la suprafaţa pământului) • apa de sub suprafaţa pământului (numită apă subterană). Apele de suprafaţă cuprind mările şi oceanele, lacurile şi bălţile (toate fiind ape stătătoare) şi apele de şiroire şi râurile (cu diversele lor denumiri în funcţie de dimensiune pârâu, râu, fluviu...), care sunt ape curg ătoare. O categorie distinctă de ape de suprafaţă sunt cele în stare solidă. Mari suprafeţe de pe pământ sunt acoperite sezonier sau permanent de zăpadă sau gheaţă. Gheaţa acoperă temporar suprafaţa multor râuri şi lacuri şi mări în zone de coastă, dar şi în mod permanent suprafeţe din munţii înalţi (gheţari alpini) sau din zone polare, formând gheţari continentali (de exemplu calota de gheaţă antarctică sau groenlandiană) sau banchize la suprafa ţa mărilor polare (banchiza arctică, cele din jurul continentului antarctic) din care se desprind aisberguri ce se topesc lent şi uneori sunt duse în derivă de curenţii marini până în zone calde.

Fig. 1.1 Repartiţia apelor de suprafaţă: 1- râuri 2%; 2- mlaştini 11%, 3 – lacuri 87% [5] Din multitudinea de ape naturale, omul a intervenit asupra unora care le denumim modificate antropic (de obicei râuri care au fost regularizate) şi chiar a creat el ape stătătoare sau curg.ătoare artificiale, cum sunt lacurile numite curent de acumulare sau respectiv canalele Se face şi o distincţie importantă în funcţie de conţinutul de săruri dizolvate în apă: mările şi oceanele precum şi unele lacuri sunt ape sărate, iar râurile şi majoritatea lacurilor au apă dulce. 3

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Din suprafaţa planetei noastre (510 milioane km²), Oceanul planetar ocupă 361 milioane km², ceea ce reprezintă 70,8%, iar uscatul, doar 149 milioane km², adică 29.2%. Pe Terra exista apă dulce, apă sărată, ape termale şi ape minerale şi alte forme de ape. Pământul nu duce lipsă de apă, 2/3 din suprafaţa sa fiind acoperite de apă, dar numai puţin din această apă este potabilă. Volumul global al acestor resurse este estimat la 1454 milioane km³, din care volumul oceanelor şi mărilor este de 1362 km³ (97%). Apelor continentale (râuri, fluvii, lacuri, gheţari etc.), singurele surse de ap ă potabilă, le revin din cantitatea de ap ă a globului doar 37800 mii km³ (3%) – figura 2.

Fig. 1.2. Apa pe Terra: 1 – apa oceanică 97%; 2 - apa dulce 3%.[5]

Fig.1.3. Repartiţia apei dulci: 1 – calote glaciare 68,7%; 2 – pânză freatică 30,1%; 3- alte forme de apă 0.9%; 4 - ape de suprafa ţă 0.3%. [5] Apa subterană poate fi şi ea apă dulce sau apă sărată. După adâncime distingem ape freatice şi ape de profunzime. Ele se află de regulă în dinamică, în legătură cu apele de suprafaţă, dar sunt şi unele bine izolate de milenii pe care le numim ape fosile. Apele subterane exploatabile de către om se numesc acvifere. Omul a început şi el să influenţeze apele subterane naturale tot mai mult şi chiar să creeze acvifere artificiale. În sol există şi apă în formă solidă. În zone temperate apa înghea ţă iarna până la o adâncime de la câţiva centimetri la câţiva metri, dar în munţii înalţi şi mai ales în zonele arctice şi antarctice, pământul e îngheţat continuu de milenii pe adâncimi ce pot ajunge la sute de metri, acea apă numindu-se permafrost. Uneori în vara arctică respectiv australă se topeşte un strat subţire al suprafaţă, dar în profunzime apa rămâne în stare solidă. Sinteză: Unităţăţile geografice ale hidrosferei, respectiv sistemele teritoriale în care este organizat apa sunt:(Pacific, Atlantic, Indian şi Arctic) – ăoceanele – mările: sunt întinderi de apă oceanică mai mici sau mai puţin adânci decât oceanele.Ele se clasifică după raporturile lor cu oceanele şi continentele în mări mărginaşe (comunică larg cu oceanul, fiind un fel de golfuri ale acestora), continentale (înconjurate de 4

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb uscat, comunicând cu oceanul sau cu o altă mare, prin strâmtori), mediterane (situate între 2-3 continente şi/sau ghirlande insulare: Mediterana, ana, Mediterana Asiatică, Mediterana Americană şi „Oceanul”Arctic). – apele curgătoare: râurile şi fluviile. Sunt organisme care colectează apele superficiale continentale. Râurile şi fluviile au un regim de curgere permanent, deoarece se alimentează nu numai din ploi ci şi din ape subterane. – lacurile: reprezintă mase de apă care stagnează în excavaţiuni ale continentului. Dimensiunile lor sunt variabile: adâncimea începe de la câţiva metri şi până la 1620 m cât are Lacul Baikal, iar 1620 m cât are Lacul Baikal, iar suprafaţa de la foarte mică la 3737..000 km000 km2, cât are Marea Caspic ă. – apele subterane – gheţarii Repartiţia apei dulci pe glob, în funcţie de indicatorul de stres este ilustrată în figura de mai jos.

1.2.Dinamica apelor.

1.2.1. Măsurarea vitezei apei râurilor Studiul surselor de apă, făcut din perspectiva ştiinţelor inginereşti (respectiv al hidrologiei), permite abordări cantitative şi oferă posibilitatea soluţionării numeroaselor aspecte de ordin practic, legate de valorificarea resurselor de ap ă, de protecţia lor, de diminuarea riscurilor hidrologice, etc. Un element important în acest sens, îl constituie studiul dinamicii apelor. Dinamica apei este reflectată de distribuţia vitezelor pe plan vertical şi orizontal, de evoluţia curenţilor de suprafaţă şi de adâncime, de variaţia debitelor lichide şi solide, de distribuţia regimului termic în masa de apă etc.. Ea este rezultatul acţiunii unui ansamblu de forţe şi factori care acţionează asupra apei: - forţa gravitaţională care determină mişcarea apelor din râuri, dinspre altitudinile mai mari spre cele mai mici, 5

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb forţa lui Coriolis care determină abaterea direcţiei de curgere a apei din râuri spre dreapta în emisfera nordică şi spre stânga în emisfera sudic ă, acţionând perpendicular asupra acesteia, - forţa centrifugă care face ca oglinda apei, în partea concavă a malului, să se ridice la o anumită înălţime creând o înclinare spre malul convex, în timp ce malul concav este afectat de eroziune şi mai abrupt. Aceasta for ţă se manifestă în zona meandrelor. Factorii care influenţează dinamica apei râurilor sunt: cantitatea de apă care se scurge, lăţimea şi adâncimile albiei, panta acesteia, rugozitatea patului ş.a. Sub acţiunea forţelor menţionate, apa râurilor poate realiza dou ă tipuri de mişcări: - laminară - când liniile de curent se deplasează paralel în întreaga masă de apă, sub forma unor lamele care în timpul scurgerii nu se amestecă unele cu altele, - turbulentă - care se caracterizează prin deplasarea dezordonată a particulelor de apă, care se amestecă continuu, modificându-se direcţia vectorilor de viteză şi tinzând să se realizeze o uniformizare a temperaturii de la suprafaţă până la adâncimea maximă a apei. Trecerea de la mişcarea laminară la cea turbulentă se face prin depăşirea unei „viteze critice”, determinată experimental şi care variază între 0,017 cm/s şi 0,33 cm/s, în funcţie de adâncimea apei. Hodograful vitezelor este reprezentarea grafică în epură a repartizării vectorilor de viteză pe verticală. Mărimea acestora este diferită, în funcţie de adâncimile apei, de panta talvegului (firul văii) şi de prezenţa sau absenţa unor obstacole de pe patul albiei (praguri, bancuri nisipoase submerse, rugozit ăţi, bolovani etc). Construcţia hodografului: - se construieşte sistemul de axe rectangulare, în care, pe verticală se reprezintă adâncimea apei şi pe orizontală se reprezintă valorile vitezei în punctele de măsurare a vitezei, adică la suprafaţă, la 0,2 din adâncimea râului - h (0,2h), la 0,6 h, la 0,8 h şi la fundul apei. -

ă valoarea vectorilor de viteză (v1, v2 ... vn), la o scară stabilită pe axa se reprezint orizontal ă a graficului, în dreptul fiec ărui punct unde s-au f ăcut măsurători. - prin unirea extremităţilor vectorilor de viteză se obţine curba vitezelor pe verticală care configurează epura sau hodograful vitezelor. Izotahele sau liniile de egală viteză sunt reprezentările care dau o imagine generală despre repartiţia vitezelor în secţiunea activă a râului. Construcţia izotahelor: - se reprezintă profilul secţiunii active a râului, - se reprezintă epurele vitezelor, corespunzătoare fiecărei verticale de măsurare, - se înscriu în profilul secţiunii active hodografele de la fiecare verticală de adâncime, - se unesc punctele cu aceeaşi viteză a apei, obţinute prin interpolarea vitezelor măsurate la diferite adâncimi pe verticale. Viteza curentului de apă se determină cu dispozitive diferite, precum: flotorii care pot fi de suprafaţă sau integratori, pră jina hidrometrică, tubul hidrometric, bastonul lui Jens, morişca hidrometrică, etc.. Morişca hidrometrică este dispozitivul cel mai larg răspândit pentru măsurarea vitezei curentului de apă. Ea permite determinarea cu destulă precizie a vitezei punctuale a apei la

-

diferite Mori adâncimi. şca hidrometrică este alcătuită din trei părţi principale: elicea (rotorul), corpul şi aripa (coadă sau ampenajul) (fig. 1.4). Poate dispune şi de unele accesorii: dispozitiv de sonorizare (optică sau sonoră), cablu electric, tijă gradată pentru introducerea moriştii în apă la adâncimile dorite, cronometru, baterie electrică ş.a. În cazul râurilor cu adâncimi şi debite 6

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb mari, pentru lansarea moriştii se foloseşte un troliu, iar pentru menţinerea ei verticală se utilizează un lest (numit sondă sau bombă) a cărui greutate este cuprinsă între 10 şi 100 kg (în funcţie de adâncimea şi viteza apei).

Fig. 1.4. Morişca hidrometrică: 1- elice; 2- cabluri electrice captor; 3- tijă lansare (prăjină); 4aripa (coadă); 5- corp Funcţionarea moriştii hidrometrice:  Sub acţiunea curentului de ap ă elicea se roteşte în jurul unui ax.  La un anumit număr de rotaţii ale elicei se realizează un contact electric care generează un semnal acustic (sonerie) sau luminos (aprinderea unui bec).  Se determină numărul de rotaţii (n) pe care elicea acţionată de curentul de ap ă le efectuează într-o unitate de timp: N •i n= t unde: N = numărul de rotaţii ale paletei la care se produce un impuls sonor sau luminos (acesta este, de regulă, 20); i = numărul impulsurilor înregistrate; t = timpul de înregistrare a impulsurilor (în secunde). În mod normal, el trebuie să fie de aproximativ 120 secunde. ş ţ Viteza apei într-un anumit punct se v =obvoine + k•cun,formula mori tii, care este de tipul: în care: vo= viteza minimă necesară curentului de apă pentru a roti elicea; k= constantă; n = numărului de rotaţii pe secundă ale elicei. Fiecare morişcă hidrometrică dispune de o formulă proprie care exprimă legătura dintre viteza de rotire a paletei şi viteza apei. Formula moriştii se stabileşte la construcţia ei prin operaţia de tarare sau etalonare. Moriştile pot înregistra viteze ale apei între 0,05 şi 4 m/s. Moriştile hidrometrice electronice au principiul de funcţionare asemănător cu al celor mecanice având îns ă, dispozitive electronice de contorizare a rotaţiilor. Mă surarea vitezei apei cu morişca hidrometrică are drept scop calcularea debitului lichid al unui râu prin metoda secţiune - viteză. Pentru determinarea vitezei curentului de ap ă cu ajutorul moriştii hidrometrice se parcurg următoarele etape: - se alege amplasamentul măsurării care este de preferat a fi o sectiune dreaptă, perpendiculară pe direcţia de curgere, cu o geometrie simplă. - înălţimea apei, minim necesară în secţiunea de măsurare, trebuie să respecte criteriile

ştii. Morişca trebuie folosită în gama de viteze pentru care a fost etalonată, de a mori iar alegere utilizatorul trebuie să cunoască ecuaţia de etalonare, viteza de pornire şi viteza maximă de utilizare a acesteia. - se stabileşte numărul verticalelor fixe în func ţie de lăţimea râului. Spaţiul dintre verticale este fixat astfel încât diferenţa vitezelor între 2 verticale suprapuse s ă nu depăşească

7

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb 20%. De exemplu, pentru o deschidere a secţiunii de 2 m sunt necesare 5 verticale de viteză.[3] - pe fiecare verticală se măsoară viteza în unul sau mai multe puncte, la adâncimi standard stabilite în funcţie de adâncimea apei (h), de diametrul elicei, de existen ţa formaţiunilor de îngheţ. Observaţie: în cazul utilizării moriştii normale (cu diametrul paletei de 12-14 cm), în albii libere, punctele standard de măsurare sunt următoarele: - pentru h < 0,15 m, nu se efectuează măsurătoarea; - pentru 0,15 m< h <0,21 m, se aplică metoda punctului unic de măsurare la 0,6 din adâncimea apei (0,6h); - pentru 0,21 m< h <0,4 m, se poate utiliza metoda punctului unic, la 0,6 din adâncimea apei (0,6h), sau metoda in două puncte: la „suprafaţă” şi la „fund”; - pentru 0,4 m < h < 0,80 m, măsurarea se face la 0,2h; 0,6h; 0,8h; - pentru h > 0,8 m, măsurarea se face la „suprafaţă”, 0,2h; 0,6h; 0,8h şi la „fund”.

Fig. 1.5. Măsurarea vitezei cu morişca hidrometrică În ultimii ani s-au dezvoltat dispozitive şi metodologii perfecţionate de măsurare a vitezei apei râurilor: metoda ADCP (bazat ă pe utilizarea energiei acustice), sondele electromagnetice, aparatele acustice. Metoda ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) măsoară viteza curenţilor de apă folosind principiul sonometric numit „efectul Doppler”. Prin această metodă se transmit sunete de înaltă frecvenţă în apă. Când sunetul întâlneşte un obstacol este reflectat spre instrument cu o frecvenţă mai mică. Diferenţa de frecvenţă se numeşte ‚efect Doppler’ şi pe baza acesteia se calculează viteza apei. [5]

Fig. 1.6. Principiul sonometric de măsurare a vitezei apei 8

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Prelucrarea datelor se face numeric folosind soft-uri specializate (exemplu LOG_aFlow) al căror raţionament urmăreşte paşii cunoscuţi ai modelării (figura 1.7). Determinarea vitezelor punctuale ale apei, la diferite adâncimi ale verticalelor de viteză stau, de asemenea, la baza calcul ării vitezelor medii ale apei în verticalele de vitez ă, care servesc la obţinerea debitului de apă prin metoda secţiune-viteză.

Fig. 1.7. Prelucrarea numerică a datelor experimentale

Metoda analitică este cea mai utilizată în activitatea hidrometrică şi constă în aplicarea de formule standard în funcţie de numărul punctelor de măsurare a vitezei, deci de adâncimea apei, astfel: la adâncimi de 15-20 cm, când viteza se determina într-un singur punct (la 0,6h), viteza medie a verticalei se consideră egala cu cea punctuală:Vm=V0,6h  la adâncimi de 21-40 cm, când sunt dou ă puncte de măsurare („suprafaţă” şi „fund”), viteza medie a verticalei este media aritmetică a vitezelor punctuale:Vm=(Vs+Vf)/2  la adâncimi de 41-80 cm, când se măsoară vitezele în trei puncte (0,2h;0,6h; 0,8h), viteza medie se obţine cu ajutorul relaţiei:Vm = (V0,2h + 2V0,6h + V0,8h)/4;  la adâncimi de peste 81 cm, situa ţie în care există cinci viteze punctuale („suprafaţă”; 0,2h; 0,6h; 0,8h; „fund”), viteza medie a verticalei se ob ţine aplicând formula: Vm = (Vs + 3V0,2h + 3V0,6h + 2V0,8h + Vf)/10. 

1.2.2. Determinarea debitului de apă Debitul de apă este o mărime fizică ce reprezintă cantitatea de apă care străbate secţiunea activă a unui râu, canal sau a unei conducte în unitatea de timp. Se notează simbolic cu litera Q şi are ca unităţi de măsură m3/s sau l/s. a. Debitul de apă al unui râu Determinarea debitelor lichide ale râurilor se poate realiza prin metode indirecte sau directe, în funcţie de precizia dorită, de caracteristicile scurgerii, de mijloacele tehnice ş.a. Măsurarea debitului de apă al unui râu se efectueaz ă la posturile hidrometrice, conform programelor stabilite. Numărul măsurătorilor este în funcţie de fazele caracteristice ale regimului hidrologic, de mobilitatea albiei, de prezen ţa fenomenelor de iarnă şi a vegetaţiei, putând oscila, în medie între 25 şi 75 pe an.  Metodele indirecte presupun determinarea, mai întâi a unor elemente hidraulice şi de dinamică (suprafaţa secţiunii, raza hidraulică, viteza apei, panta oglinzii apei etc.), urmat ă de introducerea lor în formule. 9

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Dintre metodele indirecte, cea mai utilizat ă este metoda secţiune-viteză, bazată pe relaţia care există între debitul de apă (Q), suprafaţa secţiunii (Ω) şi viteza medie a apei în secţiune (Vm): Q = Ω·Vm Suprafaţa secţiunii se determină prin însumarea ariilor figurilor geometrice delimitate de verticalele de sondaj, iar viteza medie se determin ă prin metodele studiate anterior. În cazul în care viteza medie în secţiune este obţinută prin metode hidraulice, formula de calcul al debitului în secţiunea respectivă este de forma: R 2 / 3 ⋅ I 1/ 2 Q = Ω ⋅ Vm = Ω ⋅ C ⋅ RI = Ω ⋅ . n 3 2 unde: Q = debitul de ap ă [m /s]; Ω = suprafaţa secţiunii [m ]; Vm = viteza medie a apei în secţiune [m/s]; C - coeficient de debit; R = raza hidraulică [m]; I = panta oglinzii apei [m/km].  Metodele directe permit determinarea debitului cu ajutorul unor dispozitive şi instalaţii speciale, în funcţie de care se disting: metoda volumetrică, metoda chimică, metoda deversorilor hidrometrici. Metoda volumică de determinare a debitului se aplic ă la lichide şi gaze şi presupune determinarea debitului ca sumă a volumelor elementare de fluid, constante în intervalul de timp în care se face determinarea. Principiul acestei metode este aplicat contorului volumetric pentru lichide (figura 1.8) r – instrument prevăzut cu una sau mai multe camere de volum cunoscut, a c ăror umplere şi golire succesivă este transmisă unui index integrator. Pe cadranul acestuia, se citeşte numărul de camere golite, deci debitul.

Figura 1.8. Contorul volumetric Metoda gravimetrică de determinare a debitului se aplică la lichide şi gaze. Debitul este produsul dintre volumul şi densitatea fluidului trecut prin contor într-un interval de timp. Mărimile caracteristice sunt volumul şi densitatea. Contorul de masă (fig.1.9) se foloseşte pentru măsurarea debitelor de apă şi este un instrument prevăzut cu camere de volume cunoscute, care se dezechilibreaz ă prin umplere, antrenând un sistem de pârghii cu ajutorul c ărora se transmite numărul de umpleri ale camerelor la sistemul indicator. Numărul de umpleri este transformat în cantitatea de lichid scurs printr-un sistem de integrare.

Figura 1.9. Contorul de mas ă

10

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Metoda injecţiei sau a diluţiei se aplică la lichide şi gaze şi constă în introducerea unor soluţii identificabile în fluid, urmat ă de determinarea în aval a concentra ţiei de substanţă, ştiind că diluţia este proporţională cu debitul. La această metodă se folosesc: -trasori neradioactivi ; -trasori radioactivi. Metoda chimică prezintă dezavantajul că trebuie utilizate instalaţii voluminoase şi cantităţi mari de soluţie concentrată. b). Măsurarea debitului în canale Pentru canalele deschise, măsurarea debitelor se face amenajând pe curs deversoare, praguri şi canale de măsurare. Toate acestea, se întâlnesc pe cursurile amenajate hidrotehnic. Deversorii pot avea diferite forme geometrice. Ei se aşează perpendicular pe direcţia de curgere a pârâului, iar debitul de ap ă se va calcula în raport de grosimea stratului de ap ă (sarcina) ce trece peste pragul deversorului. Frecvent, pentru măsurarea debitelor de pe canale, pâraie sau rigole de irigaţii se folosesc deversorii hidrometrici portativi. Aceştia sunt confecţionaţi din tablă metalică nu prea grea, pentru a fi manevrată cu uşurinţă. În afară de deversorii portativi, pentru unele rigole sau pâraie care ar constitui obiective hidrologice de interes local, particular sau social se pot construi deversori cu prag larg. Aceştia pot avea pragul neinundat sau îl pot avea inundat. În figura 1.10 sunt prezentate diverse tipuri de deversoare : a-deversor simplu ; bdeversor dreptunghiular ; c-deversor triunghiular ; d-deversor parabolic ; e-deversor trapezoidal ; f-deversor circular, f-deversor proporţional.

a.

b.

e

c.

f Figura 1.10. Tipuri de deversoare.

d.

g

Fiecare deversor, în funcţie de tipul său, are o formulă de calcul al debitului în care un parametru important îl reprezintă grosimea stratului de ap ă (sarcina) care traversează pragul (grosime notată cu H). Aceasta se determin ă cu ajutorul unei mire, iar în lipsa ei, cu o rigl ă. Există însă şi tabele care în raport de forma deversorului şi de sarcina H, indică debitul în m3/s sau l/s.

1.2.3. Studiu de caz: Determinarea debitului unui râu prin metoda chimic ă În hidrologie, această metodă se utilizează în condiţii naturale neadecvate pentru măsurători prin alte metode (în regiunile muntoase, greu accesibile şi la râuri ce au o 11

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb rugozitate a patului foarte accentuat ă (praguri, bolovănişuri etc.), adâncimi reduse, pante mari, viteze ridicate şi scurgere turbulentă). Soluţii necesare: soluţii solubile cu concentraţie mare de clorură de sodiu, sulfat de magneziu, bicarbonat de sodiu etc. sau soluţii colorante (fluoresceină, rodamină). Pentru efectuarea măsurătorilor, soluţia chimică se pregăteşte aproape de apa râului, într-un recipient cu capacitate mare (butoi). Injectarea solu ţiei în râu poate fi efectuat ă în două moduri : cu debit constant şi instantaneu.  Metoda de injectare cu debit constant - recipientul de lansare a solu ţiei este prevăzut cu un robinet ce poate regla o valoare dorită, constantă, a debitului soluţiei. - în aval de punctul lansării în apă a soluţiei trasoare (de NaCl, de exemplu) se iau probe de ap ă cărora li se determină concentraţia. - durata de lansare a soluţiei este de 10-20 minute, - probele de analiză se colectează în profilul din aval la fiecare dou ă minute: câte trei probe de 0,5 1 de la suprafaţa apei, una din mijlocul albiei minore şi câte una de la ambele maluri. - pentru calculul debitului prin aceast ă metodă vom nota cu : q = debitul soluţiei, în l/s ; K1 = concentraţia soluţiei lansată în apă, în g/l ; Q = debitul râului în l/s ; K0= gradul de mineralizare natural al apei (g/l) ; K 2= concentraţia soluţiei în proba colectată (g/l). Dacă se consideră că debitul soluţiei la locul de lansare este egal cu debitul solu ţiei la locul de colectare a probelor, atunci se obţine următoarea egalitate : Q·Ko + q·K1 = (Q + q) K 2 Prin urmare, debitul de apă va fi : K − K2 Q=q 1 . K2 − K0 Metoda injectării instantanee (prin integrare) constă în lansarea într-un punct al râului, a unei soluţii trasoare, de volum (V) şi concentraţie (C1) cunoscute. După un traseu suficient de lung pentru ca soluţia să se amestece bine cu apa râului, sunt prelevate eşantioane pe parcursul întregii durate de trecere a „norului” soluţiei. Prelevările sunt efectuate în mai multe puncte ale secţiunii transversale a râului, astfel încât să se poată stabili o valoare medie a concentraţie apei (C2), care este în funcţie de timpul de deplasare şi de punctul de recoltare.

Valoarea medie exactă a lui C2 se obţine prin integrarea în funcţie de timp a concentraţiilor apei determinate în diferite momente şi locuri ale profilului de m ăsurare, expresia debitului fiind:

12

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Q=

M

=

T

∫ C (t )dt

V ⋅ C1 T ⋅C2

2

0

unde: M – este masa trasorului injectat, V, C 1 – volumul, concentraţia soluţiei injectate, C 2 concentraţia medie obţinută prin integrarea concentraţiilor de eşantionare prelevate la momentele de timp t, T durata de prelevare. Un caz particular al metodei diluţiei prin injectare instantanee este acela în care se utilizează soluţie de NaCl, a cărei detectare se realizează cu ajutorul sondei conductivimetrice. O masă cunoscută de sare (NaCl) se dilueaz ă într-un volum de apă din râu şi se lansează instantaneu în cursul de ap ă. La o distanţă suficient de lungă pentru a se amesteca bine soluţia cu apa din râu se amplaseaz ă sonda conductivimetrică. Aceasta măsoară conductivitatea electrică a apei pe parcursul trecerii „norului” de sare. Cunoscânduse relaţia de dependenţă directă dintre conductivitatea apei şi concentraţia în săruri, se realizează curba evoluţiei concentraţiei în funcţie de timp, care prin integrare conduce la valoarea debitului (integrarea se realizează automat de către dispozitivul computerizat ataşat sondei conductivimetrice). c). Determinarea curbei nivel – debit Curba nivel-debit ilustrează grafic legătura dintre nivelul (H) şi debitul apei (Q) într-o secţiune: Q =f(H). Ea se trasează într-un sistem de axe rectangulare în care pe abscisă se reprezintă debitul de apă (Q, în [m3/s]), iar pe ordonată, nivelul (H, în [cm]). Pentru alegerea scărilor se recomandă ca dreapta care uneşte punctele extreme să formeze cu axa absciselor unghiuri de cca. 45-60°. Prin corelarea valorilor debitelor măsurate cu cele ale nivelurilor corespunzătoare lor, se înscriu pe grafic mai multe puncte. Curba nivel-debit se poate ob ţine prin interpolarea numerică a acestor puncte. Pentru o evaluare cât mai corectă a debitului de apă se mai construiesc curbele Ω = f(H) şi Vm = f(H) (Ω = suprafaţa secţiunii de scurgere, în [m2], iar V = viteza medie a apei, în [m/s]). Cu ajutorul lor poate fi verificat ă curba Q = f(H), efectuându-se pentru fiecare 10 cm de pe scara nivelurilor, produsul Ω x V m, care trebuie să dea valoarea pentru Q identică (sau în limitele de ± 5%) cu cea indicată, pentru nivelul respectiv, de curba Ω = f(H). 1.3.Circuitul hidrologic

1.3.1. Definiţia şi componentele circuitului hidrologic Circuitul hidrologic este un concept ce înglobeaz ă fenomele de mişcare şi reînoire a apei pe Terra. Această definiţie implică faptul că mecanismele care regizează circuitul hidrologic nu apar singure, unele după altele, dar sunt şi concomitente. Circuitul hidrologic nu are astfel nici început, nici sfârşit. Prin definiţie, circuitul hidrlogic al apei reprezintă succesiunea de faze prin care apa trece din atmosferă pe Terra şi se reîntoarce apoi în atmosferă. Circuitul apei nu are un punct clar de plecare, dar putem începe cu oceanele. Soarele, care este "motorul" circuitului apei, încălzeşte apa oceanelor, care se evaporă ajungând în aer sub formă de vapori. Curenţii de aer ascendenţi transportă vaporii în atmosferă, unde temperaturile mai scăzute determină condensarea vaporilor sub forma de nori. Curenţii de aer deplasează norii pe glob. Particulele de nori se ciocnesc, cresc în dimensiuni şi cad sub forma de precipitaţii. O parte a precipitaţiilor cade sub formă de zăpadă şi se poate acumula în calote glaciare şi gheţari. Zăpada aflată în zone cu o climă mai blândă se topeşte când vine primăvara, iar apa rezultată se scurge pe suprafaţa solului. 13

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Cea mai mare parte a precipitaţiilor cade înapoi în oceane sau pe sol, unde, datorită gravitaţiei se scurge în continuare, pe suprafaţa solului ca scurgere de suprafa ţă. O parte din această scurgere de suprafaţă intra în albia râurilor, curentul de ap ă deplasându-se către oceane. Scurgerea de suprafaţă şi exfiltraţiile din apa subterană, se acumulează ca apă în lacuri şi râuri. Nu toată apa provenită din scurgerile de suprafaţă ajunge în râuri. O mare parte a acesteia se infitrează în sol, o altă parte din această apă rămâne în apropierea suprafeţei solului şi se poate infiltra înapoi în apa de suprafaţă (râuri, mări şi ocean) sub forma de scurgere de apă subterană (descarcare în acvifer). O parte din apa subterana găseşte fisuri în suprafaţa pământului şi iese la suprafaţă sub formă de izvoare cu apa dulce. Apa din acviferul freatic (apa subterană de adâncime mică) este asimilată de rădăcinile plantelor şi se întoarce înapoi în atmosfer ă prin evapotranspiraţia de pe suprafaţa frunzelor. O altă parte a apei infiltrate în p ământ ajunge la adâncimi mai mari şi reîmprospătează acviferele de adâncime (zona subterană saturată), care inmagazinează cantităţi imense de apă dulce pe perioade îndelungate. Totu şi, în timp, această apă se deplasează, o parte urmând să reintre în ocean, unde circuitul apei "se termină"…. şi "reîncepe". În funcţie de scara spaţială la nivelul căreia se analizează, circuitul apei în natură poate avea caracter local sau universal (figura 1.11). Circuitul universal al apei în natură este procesul de transfer al apei de pe ocean pe uscat şi apoi iar în ocean. Circuitul local al apei poate fi oceanic sau continental. Definim circuitul local oceanic al apei ca fiind procesul de transfer al apei de la suprafaţa oceanului în atmosferă si apoi înapoi în oceanul planetar. Circuitul local planetar este procesul de transfer al apei de la suprafata pamântului în atmosferă şi apoi, înapoi pe suprafaţa terestră. Bilanţul hidrologic reprezintă diferenţa dintre aporturile şi pierderile de apă de pe un teritoriuComponentele considerat. bilanţului hidrologic la nivel planetar sunt: - cantitatea medie anuală de apă evaporată de pe suprafaţa Oceanului Planetar EO; - cantitatea medie anuală de apă evaporată de pe suprafaţa continentală, EC; - cantitatea medie anuală de precipitaţii căzute pe suprafaţa Oceanului Planetar, XO; - cantitatea medie anuală de precipitaţii căzute pe suprafaţa continentala, XC; - cantitatea medie anuală de apa scursă în ocean, Y.

14

[2010]


Figura 1.11. Circuitul universal al apei pe glob: I – circuitul local continental; II – circuitul local oceanic

1. 3. 2. Ecuaţiile bilantului hidrologic Circuitele locale şi cel universal al apei se pot scrie sub forma unor ecua ţii simple numite ecuaţiile bilantului hidrologic. a. Ecuaţia bilanţului hidrologic al Oceanului Planetar: EO = X O + Y 449000km 3 = 412200km 3 + 36800km 3 b. Ecua ia bilan ului hidrologic al Suprafe ei Continentale ţ ţ EC ţ= X C Y 62000km 3 = 98800 km 3 36800 km 3 c. Ecuaţia bilanţului hidrologic universal: Se obţine prin totalizarea celor două ecuaţii şi este constant: EO + EC = X O + X C 449000km 3 + 62000km 3 = 412200km 3 + 98800km 3 511000km 3 = 511000km 3

15

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb 2. Economia apelor

2.1. Apa – resursă naturală sau economică? Cum s-a precizat în capitolul anterior, deşi este una din cele mai abundente resurse naturale, apa are o distribuţie inegală pe suprafaţa planetei şi calitatea ei nu este aceeaşi peste tot. Problema disponibilităţii şi accesului la apă este una din problemele majore cu care va avea de-a face omenirea în secolul urm ător. Astăzi se estimează că, de fapt, unul din cinci locuitori ai planetei, nu are acces la apă în suficientă măsură şi unul din trei la o apă de calitate. În acest context, poate fi util de a aminti că „mă sura cantitativă şi calitativă a elementelor ciclului hidrologic, precum şi mă sura altor caracteristici ale mediului care influenţează apa, constituie o bază esenţială pentru gestionarea eficace a apei” (Declaraţia de la Dublin, 1992). De fapt, întelegerea şi analiza circuitului apei este la baza tuturor studiilor asupra gestiunii apelor. Pentru a înţelege conţinutul şi semnificaţia noţiunii de resursă de apă, această sursă natural-bilogică trebuie analizată în legătură indisolubilă cu resursele hidrice. Resursa hidrică se prezintă ca o resursă naturală primară, ce constituie patrimoniul comun al omenirii, administrat de ţări suverane, în calitatea acesteia de bun liber. Resursa de apă naturală primară se identifică cu conţinutul noţiunii de resursă hidrică numai în condiţiile în care se manifestă ca un bun liber, atunci când resursa de ap ă poate fi utilizată pentru satisfacerea directă a unor nevoi sociale prin consumul resursei hidrice. Altfel spus, resursa hidrică sau resursa naturală de apă este un rezultat al proceselor naturale hidrologice şi reprezintă cantitatea şi variaţia în timp a volumelor potenţiale de apă ale bazinelor hidrologice aflate pe Terra fiind considerată un „dar” al naturii, un bun liber în forma fizică ce poate satisface anumite nevoi sociale dar care nu are o expresie valoric ă. De exemplu, apa de izvor, care dispune de propriet ăţi ce o fac aptă pentru consum, şi care nu a necesitat intervenţia omului pentru amenajare, constituie un bun liber şi se identifică cu conţinutul noţiunii de resursă hidrică. De obicei, apa naturală (de izvor, de ploaie etc.) nu este niciodat ă pură, în compoziţia sa se află dizolvate diverse substanţe chimice. De aceea, pentru a imprima unor resurse hidrice proprietăţi care să le facă apte pentru satisfacerea unor necesităţi economice şi sociale, omul a intervenit asupra acestora, modificându-le antropic, prin lucrări de regularizare a cursurilor de apă, prin sisteme de acumulări de ape şi canale de distribuţie, amenajări pentru tratament, odihnă, agrement, practicarea jocurilor nautice etc., şi care au necesitat însemnate eforturi sociale. Din acest moment, resursa hidrică primară prelevată devine un bun ecoeconomic derivat apreciat printr-un anumit preţ, bun economic definit prin termenul de resursă de apă. Din momentul în care resursa hidrică este captată în diferite amenajări naturale sau artificiale, care necesită eforturi economice, aceasta devine resursă de apă, un bun ecoeconomic derivat, exprimat atât sub aspect fizic, cât şi valoric. Resursa de apă reprezintă modificarea antropică a resursei hidrice şi transformarea ei într-o resursă eco-economică cu ajutorul proiectelor inginereşti şi/sau a realizării de lucrări şi instalaţii hidrotehnice, pentru asigurarea cerinţelor de apă într-un anumit spaţiu geografic sau bazin hidrologic. Resursa apă reprezintă cantitatea resursei hidrice care a fost modificată sau gestionată pentru a deveni resursă eco-economică care, în funcţie de destinaţia ei economico-socială îmbracă fie forma de bun economic, când satisface anumite necesităţi personale sau colective,

16

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb fie de factor de produc ţie, când este utilizată în procesele de producţie specifice diferitelor ramuri şi subramuri ale economiei naţionale, participând la crearea de noi bunuri economice. Prin natura lor, potenţialul hidric şi resursa de apă (brută şi prelucrată) se încadrează în: - Categoria resurselor regenerabile, constituind factori biologici de mediu pentru viaţa economico-socială. Cu toate că este o resursă natural-biologică regenerabilă, apa este limitată în ceea ce priveşte volumul anual disponibil, manifestând tendin ţa de scădere în unele bazine hidrografice sau imposibilitatea utilizării ei în caz de poluare accentuată, dacă se depăşesc limitele de toleranţă specifică fiecărui ecosistem în care este prezent ă. Limitele de utilizare a resurselor de apă apar şi din alte cauze, cum ar fi: • transportul resurselor de apă la distanţă se desfăşoară în condiţiile manifestării unor dificultăţi de natură tehnico-economică, fapt pentru care ele sunt privite ca o resursă regenerabilă, ce nu dispune de un sistem naţional interconectat al acestora; • resursele de apă disponibile sunt puternic influenţate, sub aspect cantitativ şi calitativ, de activităţile antropice, fie datorită prelevării apropiate de limita de suportabilitate sau peste această limită în diferite bazine hidrografice, fie prin poluarea lor accentuată. - Categoria resurselor parţial refolosibile. Apa, ca orice resursă de natură biologică, prin folosirea ei succesivă se degradează treptat, ceea ce necesită eforturi materiale şi financiare pentru asigurarea disponibilităţilor de apă privite sub aspect cantitativ, dar mai ales calitativă şi, pe această bază, să-şi continue circuitul ei natural şi economic. - Categoria resurselor deficitare. În raport cu cererea de consum în continuă creştere, dar şi de exigenţa calitativă a solicitanţilor, resursele hidrice şi apa sunt, de regulă, deficitare. Dar, indiferent de categoria în care se încadreaz ă, resursa apă, ca orice resursă naturală sau bun economic, în raport cu cre şterea populaţiei şi a nevoilor are un caracter limitat, restrictiv. Semnificaţia deosebită, complexitatea resursei de apă au determinat conturarea a două activităţi distincte, dar legate între ele. Una de natur ă practică şi se referă la activitatea de administrare, gestionare şi gospodărire raţională, într-o concepţie unitară şi de largă perspectivă a resurselor de apă ale ţării, cu implicaţii majore în dezvoltarea economicosocială denumită gospodărirea resurselor de apă ce se constituie ca un subsistem al economiei naţionale; alta, reprezintă conturarea unei ştiinţe distincte privind studiul apei sub *

multitudinea aspectelor acesteia, denumită hidrologie . Obiectul activităţii de gospodărire a resurselor de ap ă îl constituie resursa de ap ă privită prin multitudinea aspectelor sale cantitative, calitative şi structurale; subiectul, participanţii direcţi şi indirecţi la realizarea actelor de gospodărire raţională a obiectului; scopul, concretizat în asigurarea durabilităţii resurselor de ap ă, în condiţiile afirmării criteriului economic şi ecologic; metoda, exprimata prin arsenalul de mijloace tehnice şi instrumente de natură economică şi extraeconomică prin care se realizează gospodărirea eficientă a resursei apă. Hidrologia constituie un complex de studiu, o ştiinţă de graniţă, care se află la intersecţia ştiinţelor naturale cu cele inginereşti, economice, matematice, sociale etc. Hidrologia ca ştiinţa poate fi încadrată, în principal în sistemul ştiinţelor naturii, subgrupa geoştiinţelor, cu toate că hidrologia aplicată aparţine altor sisteme de ştiinţă – fizică, geologie, chimie, biologie, mecanica fluidelor,matematică, statistică etc.

17

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb 2.2. Apa resursă economică

Conceptul ‚economia apelor’ reprezintă ramura economiei unei ţări care are ca obiect totalitatea măsurilor necesare pentru folosirea raţională a resurselor de apă. Apariţia şi dezvoltarea acestui concept a fost impus ă de caracteristicile acestei resurse: - distribuţie neuniformă în spaţiu şi timp a resurselor hidrice; - posibilităţile relativ limitate pentru transportul apei din zone unde aceasta este în exces în zone deficitare; - caracterul limitat al resurselor hidrice; - influenţa cantitativă şi calitativă a activităţii antropice asupra regimului de curgere al apei în râuri şi fluvii; - reutilizarea apei atât în lungul unui curs de apă, cât şi în cadrul aceleiaşi folosinţe. În raport cu diferitele utilizări / folosinţe ale apei, se structurează şi diferitele ramuri ale economiei apelor. 1. Alimentările cu apă şi canalizarea centrelor populate şi a zonelor industriale Apa potabilă şi industrială necesară consumatorilor, denumită şi apă de consum, se obţine atăt din apele subterane (straturi freatice,straturi de mare adâncime sau izvoare) cât şi din apele de suprafaţă curgătoare sau stătătoare. Consumatorii de apă au o mare varietate de nevoi, adecvat domeniilor diferite ale vie ţii sociale. Alimentarea cu apă a centrelor populate se poate face în sistem centralizat, în mediul urban sau în sistem individualizat în mediile rurale. Industria are nevoie de importante cantit ăţi de apă în procesele de fabricaţie, de răcire sau încălzire a agregatelor. Mari consumatoare de ap ă sunt: industria carboniferă, metalurgică, industria chimică, industria celulozei şi hârtiei. Cantităţi mari de apă se utilizează pentru răcirea centralelor termice şi atomoelectrice.

Fig.2.1. Alimentările cu apă şi canalizarea centrelor populate şi a zonelor industriale: folosinţele apei, tratarea şi controlul acesteia înaintea deversării în efluent 18

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Conform SR 1343-1:2006 schema general ă a unui sistem de alimentare cu ap ă centralizat este prezentată în figura 2.2.

Fig. 2.2. Schema generala a sistemului de alimentare cu apă a unei localităţi: C – captare (construcţiile şi lucrările prin care se preleveaz ă controlat apa dintr-o sursă naturală); SPi – staţii de pompare (asigură condiţiile hidrodinamice pentru transportul apei între obiectele schemei în cazurile în care acesta nu se poate asigura gravita ţional); ST – staţie de tratare (uzină de apă) (asigură corectarea calităţii apei sursei până la calitatea cerută de utilizator); R – construcţii de înmagazinare (înmagazinează apa pentru: asigurarea apei în perioada avariilor sistemului în amonte de R, volumul rezervei intangibile de combatere a incendiului; asigură compensarea cantităţilor de apă între alimentare R şi consumul din R); A – aducţiune (asigură transportul apei de la captare la rezervoare); RD – reţea de distribuţie (transportă apa de la rezervoare la branşamentul fiecărui consumator în cantitatea şi la calitatea cerute de utilizatori) – sistem de măsură continuă a volumelor de apă, astfel încât să se poată controla permanent balanţa cantităţilor de apă în sistem. 2. Transporturile fluviale şi maritime pentru oameni şi mărfuri Transportul pe apă, ca unul din cele mai vechi sisteme de transport, a ap ărut şi s-a dezvoltat vertiginos datorită avantajelor pe care le are în raport cu celelalte categorii de transport: canale naturale de transport, posibilitate de comunicare cu toate continentele, preţ redus, etc.. Transporturile pe apă şi-au consolidat locul pe care-l ocup ă în ansamblul sistemului unitar al transporturilor datorită avantajelor economice şi imposibilităţii înlocuirii lor în relaţiile de comerţ dintre state. Transportul pe ap ă este organizat pe spaţiul marin, lacustru şi fluvial. 3. Hidroenergetica Hidroenergetica se ocupă cu amenajarea cursurilor de apă în scopul valorificării potenţialului hidroenergetic al acestora. Forţa apelor a fost utilizat ă din timpuri străvechi. Vechile civilizaţii din China, Siria, Egipt foloseau forţa apei la acţionarea rotilor hidraulice folosite la sistemele de irigaţii. În sec. Al XI-lea, energia apelor a fost folosit ă pentru a pune în mişcare morile de apă, joagărele, etc. Spre sfârşitul secolului al XIX-lea apar şi se dezvoltă centralele hidroelectrice. În unele zone se utilizează energia mareelor sau a curenţilor marini pentru obţinerea energiei electrice. 4. Hidroamelioraţiile 19

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Hidroamelioraţiile au ca scop irigarea şi alimentarea cu apă a terenurilor şi centrelor agricole, precum şi desecarea zonelor pe care apa este în exces. 5. Folosinţe diverse: piscicultură, sport , agrement, sanitare, etc. Se remarc ă în această categorie potenţialul turistic al zonelor litorale, oceanice şi maritime, al unităţilor lacustre, precum şi potenţialul izvoarelor minerale şi termale. Apa are un rol important şi în procesele naturale cum ar fi: procesele geochimice, geofizice, geomorfologice şi biologice. Prezenţa apei determina zonele continentale şi cele oceanice, prin acţiunea sa apa modelează relieful. Pentru a-si îndeplini funcţiile vitale, animalele, plantele şi omul au nevoie de apă. 2.3. Cantitatea şi calitatea apei necesar ă pentru diverse folosinţe

Sursele de apă din natură trebuie să asigure alimentarea cu apă a centrelor populate, industriale şi agrozootehnice. Problema gospodăririi şi consumului de apă este foarte importantă: de exemplu, dacă fiecare om ar consuma, în medie, 200 l zilnic, în cursul unui an, ar trebui ca înălţimea pânzei de apă să scadă cu 0,64 mm. Consumul de apă dă, de asemenea, gradul de civilizaţie al unei ţări. El variază între 3 litri/om/zi în zonele aride ale Africii şi 1054 litri/om/zi la New-York.

2.3.1. Normele consumului de apă Cunoaşterea cantităţilor de apă necesare pentru satisfacerea consumului, precum şi variaţiile acestuia în perioadele de exploatare, constituie un element fundamental de care depinde: - alegerea soluţiei tehnice privind: - sursa de alimentare cu apă; - procesul tehnologic de tratare a apei; - transportul şi înmagazinarea apei; - schema de distribuţie a apei la consumator. asigurarea şi condiţionarea eficienţei economice în timp a investiţiei, deoarece instalaţiile interioare şi exterioare cu alimentare cu apă comportă investiţii foarte mari. Analiza superficială a cantităţii şi variaţiei consumului de perspectivă poate duce la necesitatea unor lucrări ulterioare costisitoare, prezentând riscul de a nu se încadra func ţional în sistemul de alimentare cu apă proiectat iniţial. Aceste considerente au dus la normarea cantităţii de apă necesară pentru satisfacerea diferitelor consumuri (STAS 1478 si 1343). Pentru determinarea cantităţii de apă necesară se utilizează următoarele noţiuni: necesarul specific de apă, necesarul de apă, cerinţa de apă. Necesarul de apă reprezintă suma cantităţilor de apă livrate loco branşament tuturor beneficiarilor/utilizatorilor. Cerinţa de apă este cantitatea de apă care trebuie prelevată dintr-o sursă pentru satisfacerea necesarului (nevoilor) raţional de apă ale unui beneficiar/utilizator. Necesarul specific de apă reprezintă cantitatea de apă pe o zi (valoarea medie), raportată la unitatea de folosinţă (consumator). -

2.3.2. Normele consumului de apă pentru alimentarea cu apă a centrelor populate ă Pentru alimentarea cu apăde aap centrelor populate economice, definindu-se necesarul ă şi consumul de apăse . efectueaz calcule tehnicoStandardul SR 1343-1 („Alimentări cu apă. Determinarea cantităţilor de apă potabilă pentru localităţi urbane şi rurale”) elaborează principiile pe baza cărora să se poată determina cantităţile de apă care trebuie asigurate de sistemul de alimentare cu ap ă potabilă a unei

20

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb localităţi, precum şi debitele de dimensionare a sistemului de alimentare cu ap ă în regim de funcţionare continuă. Conform acestui standard sistemul de alimentare cu apă reprezintă „ansamblu de construcţii specifice, instalaţii şi măsuri constructive cu ajutorul cărora se asigură apa potabilă la toată sau la cea mai mare parte din populaţia localităţii. În ansamblul său, sistemul asigură captarea apei dintr-o sursă naturală, tratarea la calitatea cerută de consumator conform prescripţiilor legale în vigoare, transportul, înmagazinarea şi distribuirea la utilizatori în cantitatea, de calitatea şi la presiunea normală de folosire.” Utilizatorii sunt definiţi ca fiind „consumatori fizici de apă (locuitori în case, elevi în şcoli, paturi de spital, funcţionari în administraţie, locuri de hotel, ş.a.) sau unităţi specifice de producţie pentru care se foloseşte apa potabilă (tonă pâine, hl. de suc îmbuteliat, tonă produse lactate, etc.).”. Necesarul de apă potabilă pentru localităţi cuprinde total sau parţial următoarele categorii de apă: a) apă pentru nevoi gospodăreşti: băut, preparare hrană, spălatul corpului, spălatul rufelor şi vaselor, curăţenia locuinţei, utilizarea WC-ului precum şi pentru animale de pe lângă gospodăriile proprii ale locuitorilor; b) apă pentru nevoi publice: unităţi de învăţământ de toate gradele, creşe, spitale, policlinici, băi publice, cantine, cămine, hoteluri, restaurante, magazine, cofetării, unităţi pentru prepararea local ă a băuturilor răcoritoare, fântâni de băut apă; c) apă pentru nevoi gospodăreşti în unităţi industriale dacă acestea au asigurată apa potabilă din sistemul centralizat de alimentare cu apă; d) apă potabilă pentru alte folosinţe care nu pot fi asigurate de sisteme independente . In această categorie intră stropitul străzilor, spălatul pieţelor şi străzilor, stropitul spaţiilor verzi, spălarea/desfundarea reţelei de canalizare. Pentru toate aceste folosinţe este recomandabil să nu se utilizeze apa potabilă din sistem şi să se folosească surse alternative de apă netratată (apa decantată din râu, apa din lacuri, apa subterană din stratul freatic); e) apă pentru nevoile proprii sistemului de alimentare cu ap ă: prepararea soluţiilor de reactivi, spălarea filtrelor, spălarea aducţiunilor, spălarea conductelor reţelelor de distribuţie şi spălarea rezervoarelor; f) necesar de apă pentru acoperirea pierderilor inevitabile în sistemul de distribu ţie datorate avariilor şi imperfecţiunilor de execuţie; g) necesar de apă pentru combaterea incendiului în situaţiile în care reţeaua de distribuţia apei potabile asigură şi cantităţile de apă pentru combaterea incendiului. Apa pentru nevoi gospodăreşti şi nevoi publice (Ns) se determină pe baza următoarei relaţii: Ns = N ⋅ np (1) unde: N - este numărul de locuitori; np - norma specifică de apă. S-a adoptat norma specifică de apă pentru etapa actuală de 310 l/om,zi pentru mediul urban şi 150 l/om,zi pentru mediul rural, iar la nivelul anului 2050 conform STAS 1343/1-91 norma specifică de 340 l/om,zi pentru mediul urban şi 200 l/om,zi pentru mediul rural considerând necesitatea creşterii gradului de confort al populaţiei. Numărul de locuitori pentru anul a2 senestimează pe baza următoarei relaţii: Na2= (1+r) ·Na1 (2) unde: 21

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb r - este sporul populaţiei; n - numărul de ani faţă de anul de referinţă a1; Na1 - numărul de locuitori în anul de referinţă a1. Cerinţa de apă se determină ţinând seama de: - necesarul de apă; - nevoile tehnologice ale sistemului de alimentare cu ap ă şi canalizare: pentru spălarea aducţiunilor, a reţelelor de distribuţie, a reţelei de canalizare, asigurarea tehnologiei de funcţionare a staţiilor de epurare etc.; - pierderile de apă în aducţiune şi reţeaua de distibuţie. Relaţia de calcul pentru cerinţa de apă Q are următoarea formă: s Qs=Ks·Kp·Ns (3)

unde: Ks - este coeficient care ţine seama de nevoile tehnologice ale sistemului de alimentare cu apă şi canalizare care, pentru surse de ap ă subterane sau de suprafaţă cu staţie de tratare se consideră 1,10, iar pentru surse de ap ă subterane fără staţie de tratare Ks=1,02; Kp - coeficient prin care se ţine seama de pierderile de ap ă tehnic admisibile în reţeaua de aducţiune şi distribuţie care se consideră 1,25; Ns - necesarul de apă determinat pe baza relaţiei (1). Necesarul de apă pentru unitaţile industriale trebuie să includă: apă tehnologică, apă pentru nevoi igienico – sanitare, ap ă pentru incendii, apă pentru alte utilizări. Necesarul de apă tehnologică, N, se determină conform STAS 1343/0 – 89 cu rela ţia: N = ∑ u ⋅ n (4) în care: u - este numărul de unitaţi din mărimea sau capacitatea caracteristică a folosinţei: tone, metri cubi, metri pătraţi, bucăţi etc., în perioada considerată n – necesarul de apă specific corespunzător unitaţilor de capacitate a folosinţei, în metri cubi pe unitate de produs. Cerinţa de apă pentru unitaţi industriale trebuie să includă: - apă tehnologică, apă pentru nevoi igienico – sanitare, apă pentru refacerea rezervei intangibile după un incendiu şi apă pentru alte utilizări; - apă pentru nevoile tehnologice ale sistemului de alimentare cu apă şi canalizare; - apă pentru nevoile tehnologice ale instalaţiilor de recirculare şi reutilizare; - apă pentru acoperirea pierderilor, inevitabile din aducţiune şi reţeaua de distribuţie. Cerinţa de apă tehnologică, Qs, se determină astfel: - în sistemele fără recirculare sau reutilizare, cu relaţia: K ⋅K ⋅N Qs = S P (5) D în care: KS - este coeficient supraunitar care ţine seama de nevoile tehnologice ale instalaţiilor de tratare şi epurare ale sistemului de alimentare cu apă şi canalizare; Kp - coeficient supraunitar care ţine seama de pierderile de ap ă în aducţiune şi în reţeaua de distribuţie; N – necesarul de ap ă; D – durata de timp, pentru care a fost calculat necesarul de apă. - în sistemele cu recirculare sau reutilizare, cu relaţia: 22

[2010]


QS =

K S ⋅ K P ( N - rN ) + K r Nr D

(6)

în care: r - este gradul de recirculare şi reutilizare a apei Kr - coeficient subunitar care ţine seama de nevoile tehnologice ale instala ţiilor de recirculare şi reutilizare a apei, inclusiv de pierderile de apă ale acestor instalaţii. Cerinţa de apă pentru nevoile tehnologice ale sistemului de alimentare cu ap ă şi canalizare – spălarea aducţiunii, a reţelelor de distribuţie, pentru staţiile de tratare şi epurare, evacuarea pezii, şetc., se stabileşre teţelelor. corespunzător tehnologiilor adoptate pentru prelucrarea apei, i de lungimea ţinândzăseama Coeficientul Kr care ţine seama de nevoile tehnologice ale instala ţiilor de recirculare şi reutilizare, are următoarele valori: 3 Kr = max. 0,05 pentru debite recirculate mai mici sau egale cu 1 m /s; 3

Kr = max. 0,03 pentru debite recirculate mai mari de 1m /s. Necesarul de apă şi cerinţa de apă pentru celelalte nevoi respectiv: nevoi igienico – sanitare, refacerea rezervei de incendiu şi nevoi pentru spălarea vehicolelor şi pentru stropirea şi spălarea spaţiilor de circulaţie etc. se determină pe baza standardelor specifice. [STAS 1343/1-77, STAS 1478-84, STAS 12260-84]. Cerinţele de apă agricole sunt constituite din cerin ţele de apă pentru irigaţii şi cerinţele de apă pentru zootehnie. Cerinţele de apă pentru irigaţii se determină pe baza următoarei relaţii: η ⋅ S ⋅ N ir Qir = i (7) D ⋅T unde: ηi este randamentul sistemului de irigaţii incluzând pierderile pe canale, suprafeţe inactive etc.; S - suprafaţa irigată; Nir - norma de irigaţii; DT - numărul de secunde dintr-o lun ă. Norma de irigaţii pe perioada de calcul se determină aplicând ecuaţia de bilanţ: Nir=ETP-P-F-Ri+Rf (8) unde: ETP este evapotranspiraţia reală; P - precipitaţii lunare; F - aport de apă din pânza freatică; Ri - rezerva iniţială de umiditate din sol la începutul perioadei luate în considerare; Rf - rezerva finală de umiditate din sol la sfârşitul perioade de calcul. Această rezervă trebuie să fie egală cu cantitatea de apă din sol pentru care cultura irigată are randamentul maxim. Evapotranspiraţia potenţială lunară se determină de regulă cu formula lui Thornthwaite. Necesarul de apă pentru unităţile zootehnice cuprinde: necesarul pentru consumul biologic al animalelor, necesarul tehnologic pentru evacuarea dejec ţiilor din hale, spălarea şi dezinfectarea halelor, prepararea hranei, întreţinerea instalţiilor tehnologice, necesarul pentru obiectele anexe ale halelor de creştere a animalelor. 23

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Necesarul de apă specific total este în funcţie de categoria de animale şi de modul de 3 evacuare a dejecţiilor şi este dat în STAS 1343/3-86 (de exemplu 120 m /1000 animale,zi 3 3 pentru vaci cu lapte, 0,40 m /1000 animale,zi pentru găini, 31 m /1000 animale,zi pentru porci la îngrăşat). La determinarea cerinţelor de apă pentru zootehnie se ţine seama de coeficientul de pierderi de apă Kp care variază între valorile 1-1,1 în funcţie de categoria de animale conform STAS 1343/3-96. Necesarul de apă pentru o amenajare piscicolă include apa pentru: - umplere; - primenire – întreţinerea mediului, asigurarea curentului; - compensarea pierderilor naturale de apă – evaporaţia la nivelul luciului de apă, evapotranspiraţia florei acvatice şi palustre, infiltraţia în sol. Necesarul de apă pentru umplere se stabileşte în funcţie de cerinţa ihtiotehnologică, ţinând seama de durata umplerii. Necesarul de apă pentru primenire este de maxim 5l/s,ha, cu excepţia: - amenajărilor pentru iernat, pentru care acest necesar este de maxim 30l/s,ha; - păstrăvăriilor, pentru care acest necesar se ia astfel încât să asigure primenirea completă a apei de maximum 6 ori pe zi. Cantitatea lunară de apă pentru primenire se calculează ţinându-se seama de variaţia anuală a necesarului de apă corespunzător tehnologiei; pentru păstrăvării, necesarul pentru primenire este constant tot timpul anului. Necesarul de apă pentru compensarea pierderilor naturale de apă se calculează în funcţie de: - caracteristicile climatice ale zonei şi gradul de acoperire cu vegeta ţie a amenajării piscicole, pentru compensarea evaporaţiei şi evapotranspiraţiei; - natura solului, tipul şi vechimea amenajării, pentru compensarea infiltraţiei în sol. Necesarul de apă pentru păstrăvării, în funcţie de sursa de alimentare este de: 1,4 3 3 3 m /s,ha din izvor, 2,5 m /s,ha din lac de acumulare şi de 3,5m /s,ha din pârâu. Cantitatea de apă restituită din amenajările piscicole reprezintă 99% din necesarul de apă de primenire, la care se adaugă necesarul de umplere. Alimentarea cu apă şi evacuarea apei la păstrăvării se realizează cu debit constant în tot cursul anului. Cerinţele de apă ecologice În prezent nu exist ă o definiţie oficială unanim recunoscută a acestor cerinţe, respectiv a debitului ecologic dar, etimologic vorbind, sensul care i se atribuie este cel de debit care asigură conservarea ecosistemelor acvatice. În literatura de specialitate din Fran ţa este denumit debit de garan ţie ecologică. În anexa nr.1 la Legea apelor nr.107/1996, este definit debitul salubru ca: debitul minim necesar într-o secţiune pe un curs de apă, pentru asigurarea condiţiilor naturale de viaţă ale ecosistemelor acvatice existente. Debitul ecologic necesar în albia râului aval de lucr ările hidrotehnice are rolul de a asigura: - protecţia ecosistemelor acvatice şi a ecosistemelor limitrofe cursului de apă; - cerintele de apă ale folosinţelor situate în aval; - alimentarea apelor subterane; - asigurarea diluţiei, respectiv protecţiei calităţii apelor. 24

[2010]


3. Apa şi proprietăţile ei generale

3.1. Structura moleculară a apei Secole de-a rândul apa a fost considerat ă ca fiind un element. În 1781, fizicianul englez H. Cavendish a ar ătat că apa se formeazã prin explozia unui amestec de hidrogen şi oxigen, cu ajutorul scânteii electrice. În 1783, Lavoisier a repetat experienţa, realizând pentru prima oară sinteza cantitativă a apei. S-a stabilit atunci că 2g de hidrogen se combină cu 16g oxigen pentru a da 18g apă. În 1805, Humboldt şi Gay-Lussac au arătat că apa este formată din două volume de hidrogen şi un volum de oxigen. Apa naturală (fig.3.2) constă din amestecul speciilor de izotopi ai oxigenului: 16O, 17 O, 18O, cu cei trei izotopi ai hidrogenului: 1H, 2H, 3H (fig. 3.1).

Fig. 3.1.Izotopii hidrogenului

Fig.3.2. Molecula de ap ă [30] Combinarea acestora generează 18 specii de molecule de apă. Apa pură este întotdeauna un amestec de ap ă uşoară (H2O - formulă înfiinţată de italianul Stanislau Cannizzarro) şi de cantităţi extrem de mici de ap ă grea (D2O) şi apă hipergrea (T2O). Apa este substanţa aparent cea mai comună şi totuşi ieşită din comun, prin caracterele fizico-chimice de excepţie, din care derivă proprietăţi unice. Apa se prezintă în natură sub trei forme: solidă (zăpada şi gheaţa), lichidă (apa chimic pură sau în soluţie), gazoasă (la diferite grade de presiune şi saturaţie). Schimbarea de fază a apei depinde esenţial de temperatură şi de presiune, dar şi de gradul de poluare a atmosferei. Figura 3.3 prezint ă diferitele condiţii de temperatură şi presiune pentru cele trei st ări de agregare ale apei, precum şi transformarea de fază. 25

[2010]


Figura 3.3. Diagrama de fază a apei

Stare de agregare Lichid

Culoare Incolor(în straturi groase este

Miros

Tabelul 3.1. Proprietăţile fizice ale apei lichide Densita Conductibil Gust Pt Pf tea la itatea 40C electrică

Inodo Insipid r

00C

1000C

1g/cm3

izolator

albastru) Apa curată este transparentă, inodora şi nu are gust. În strat subţire este incolora iar în strat mai gros albastră. Reţeaua moleculară a apei în stare solid ă (gheaţa) prezintă un numar aproape dublu de legături de hidrogen decât a apei în stare lichid ă. Acest lucru este explicat de faptul ca cei doi atomi de hidrogen legaţi covalent de oxigen formează două legături de hidrogen cu moleculele vecine. Deoarece cele doua covalenţe din apă au o anumită orientare (un unghi de 105°), moleculele de apă sunt orientate în cristalul de gheaţă dupa o schema tetraedrică.

Fig.3.4. Structura gheţii [30] Din cauza acestei aşezări a moleculelor, cristalul de gheaţă are o structură afânată (cu goluri). Structura internă a gheţii explică unele anomalii ale apei: 26

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb -

densitatea gheţii mai mică decât a apei lichide, creşterea volumului prin solidificarea (îngheţarea) apei. Anomalia densităţii apei are o mare influenţă asupra climei planetei şi a vieţii animalelor şi plantelor. Când apa râurilor, a lacurilor şi a mărilor scade sub 4 grade, stratul de la suprafaţă, fiind mai uşor ramâne la suprafaţă şi îngheaţă aici. Fiind protejate de stratul de gheaţă, apele mai adânci nu înghea ţă până la fund, ci au, sub stratul de ghea ţă, temperatura de 4 grade la care viaţă plantelor şi animalelor poate continua.

3.2. Proprietăţile fizice ale apei Principalele proprietăţi fizice ale apei sunt: temperatura, transparenţa, luminozitatea, turbiditatea, culoarea, densitatea, conductibilitatea electric ă, căldura specifică, radioactivitatea ş.a.. Cele organoleptice (la a c ăror determinare se utilizează simţurile) sunt reprezentate prin gust şi miros. a. Temperatura este o mărime fizică scalară prin care se apreciază starea de încălzire a unui sistem fizic. Valoarea sa este exprimat ă prin diferite scări termometrice. Puse în contact, mai multe corpuri au, după un timp, aceeaşi temperatură. Temperatura unui corp este cu atât mai mare cu cât energia cinetic ă a particulelor sale este mai mare. Termometria este ştiinţa care se ocupă cu metodele de determinare a temperaturii corpurilor. Aceste metode se bazează fie pe variaţia cu temperatura a unei mărimi caracteristice corpului respectiv (de exemplu str ălucire), fie pe cea a unei mărimi caracteristice a unui alt corp aflat în contact cu primul (termometru de dilatatie, termometru cu rezistenţă). Termometrul este un instrument pentru măsurarea temperaturii corpurilor cu care este pus în contact, bazat pe variaţia unei marimi caracteristice unei anumite substanţe numită corp termometric. După natura variaţiei există termometre cu dilataţie (cu lichid (mercur) sau şi termometre cu rezistenţă ce conţin un conductor sau cu gaz (aer, hidrogen, heliu)ţă)variaz semiconductor a cărui rezisten ă cu temperatura. Temperatura apelor naturale variază în spaţiu şi timp, în funcţie de tipul apei (de suprafaţă sau subterană). Ea este influenţată de regimul termic al aerului, dependent la rândul său de latitudine şi altitudine. În cazul apelor de suprafa ţă temperatura depinde şi de adâncimea şi dinamica lor, în timp ce la apele subterane, un rol important revine adâncimii la care acestea sunt situate. Astfel, la latitudini medii, temperatura apelor aflate la 10-30 m sub nivelul terestru este relativ constantă, de 8-10°C. S-a constatat că influenţa oscilaţiilor termice ale aerului se resimte în interiorul scoarţei până la nivelul zonei neutre (izotermice), unde temperatura este constantă, fiind egală cu temperatura medie a aerului din regiunea respectivă. Adâncimile acestei zone sunt variabile, de la 5-6 m în regiunea ecuatorial ă, la 20-30 m în Europa Central ă şi la cca. 100 m în Siberia. Sub zona neutră temperatura creşte în medie cu 1°C la 33 m (treapta geotermică normală). Apele curgătoare au temperaturi ce oscilează între 0°C iarna şi 25-26°C vara (la latitudini medii). În cazul lacurilor, în afară de variaţiile termice lunare se remarcă şi oscilaţii pe verticală, îndeosebi la cele cu adâncimi mari.

Temperatura apei are o mare importanţă în dezvoltarea biocenozelor, fiind un factor determinant. b. Transparenţa depinde de cantitatea şi dimensiunile substanţelor minerale şi organice în suspensie, de natura substratului, de prezenţa vegetaţiei acvatice etc. Gradul de transparenţă este indicat de grosimea stratului de ap ă (în m sau cm) prin care se pot distinge contururile unui 27

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb obiect. În cazul apelor superficiale, pentru determinarea transparen ţei se utilizează discul lui Secchi, iar în cel al apelor subterane, firul de platin ă cu diametrul de 1 mm şi 25 mm lungime, fixat la capătul unui cablu de 1,20 m. Dacă acest fir nu mai poate fi observat pân ă la adâncimea de 1,20 m, apa este considerat ă tulbure.

Un alt instrument ce poate permite stabilirea transparenţei este fluoroscopul. c). Luminozitatea este cantitatea de radiaţie solară, ce cade pe o anumită suprafaţă terestră în decursul unei perioade de timp. Unitatea de măsură a luminozităţii este luxul. Altfel spus. luxul este unitatea de măsură a efectului de iluminare a suprafeţelor. Un lux reprezintă iluminarea unei suprafeţe cu aria de un metru p ătrat, care primeşte un flux luminos uniform repartizat de un lumen [14]: 1lx =

lm . m2

În natură luminozitatea variază în jurul a 0,01 lx pentru o noapte cu lun ă plină şi în ă. se va folosi luxmetrul de laborator. jurul a 100000 lxăîn mijlocul unei zile de var ăţiiînsorite Pentru m surarea intensit luminoase a apei Luxmetrul este un instrument pentru măsurarea iluminării, cu o construcţie asemanătoare fotometrului, care efectuează determinări fotoelectrice.

Figura 3.5. Luxmetru de laborator Luxmetrele pentru măsurători în aer şi apă sunt prevăzute cu un cap de măsurare montat prin intermediul unui cablu lung de 10 m. d)Turbiditatea se dovedeşte a fi un parametru hotărâtor în multiple aplicaţii, cum ar fi: tratarea apelor potabile, a apelor reziduale sau a lichidelor în diverse faze ale proceselor de fabricaţie.

28

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Măsurarea turbidităţii este un mod rapid de a şti când, cum şi de ce trebuie tratată o apă în conformitate cu specificaţiile cerute. În cazul apei potabile, turbiditatea este relevantă din trei motive:  Estetice: orice apă potabilă turbidă produce consumatorului reac ţie imediată. De filtrabilitate: o dată cu creşterea turbidităţii creşte dificultatea fitrării şi costurile acesteia. De dezinfecţie: O valoare mare a turbidităţii este un indicator al prezenţei materiei organice şi a microorganismelor în ap ă, care duce la creşterea cantităţii de clor sau de ozon necesar ă dezinfecţiei surselor de apă potabilă studiate. Suspensiile solide din lichide, cum ar fi algele, nămolul, microbii sau alte particule, absorb şi difuzează lumina incidentă. Cu cât particulele sunt mai numeroase cu atât turbiditatea creşte. Forma, talia şi compoziţia particulelor influenţează, de asemenea turbiditatea apei. Pentru a măsura turbiditatea este necesar să măsurăm lumina care traversează lichidul. Din punct de vedere ştiintific, turbiditatea este un parametru sumant, care indică existenţa unui număr necunoscut de substanţe diferite, conţinute în lichidul măsurat. În cazul parametrului turbiditate acestea sunt substanţele sau elementele chimice sub form ă nedizolvată. Putem defini turbiditatea, ca fiind proprietatea fizică ce se manifestă prin reducerea transparenţei apei şi este cauzată de prezenţa în apă a substanţelor minerale şi organice în suspensie, precum şi a gazelor. Unităţi de măsură ale turbidităţii Turbiditatea se exprimă în mg/l sau grade de turbiditate. Ca unitate de m ăsură, începând cu anul 1975, a fost introdusă suspensia-formazin, preluată din standardul american de măsurare a turbidităţii. Unitatea de măsură a fost denumită TE/F. Următoarele unităţi de măsură sunt identice: FTU=NTU=TE/F; 1 (NTU) = 7.5 ppm SiO2; unde: FTU (formazine units - unit ăţi nefelometrice. de turbiditate - formazină), unităţi cunoscute şi sub denumirea de NTUturbidity - unităţi de turbiditate La apele curgătoare turbiditatea reprezintă cantitatea de aluviuni în susupensie, existentă într-un volum de apă ( g / m 3 , sau mg / l ) şi se determină prin analiza apei. Măsurarea turbidit ăţii Aprecierea turbidităţii se poate realiza prin compara ţii cu soluţii etalon în scara silicei. Astfel de determinări pot fi făcute cu ajutorul dispozitivelor automate (turbidimetre) şi al celulelor fotoelectrice. Turbidimetria este procedeul fizic de măsurare a turbidităţii. Turbidimetria si nefelometria reprezintă aplicaţii analitice ale fenomenelor asociate difuziei luminii – fig.3.6- (difuzia luminii reprezintă fenomenul de împrăştiere a luminii datorat neomogenităţilor mediului, indiferent dacă acesta este gazos, lichid sau solid).

29

[2010]


Figura 3.6 - Reprezentarea schematică a principiului de măsurare a tubidităţii Astfel, la trecerea luminii printr-un mediu dispers, heterogen (sistem coloidal), dac ă neglijăm lumina reflectată, putem scrie, ţinând cont de difuzia şi absorbţia luminii: I0 = Ia + Id + I (1) unde s-a notat cu I 0 - intensitatea luminii incidente, Ia - intensitatea luminii absorbite, Id intensitatea luminii difuzate şi I - intensitatea luminii transmise. Tubidimetria este o tehnică nefelometrică în care unghiul de observaţie θ, este zero – adică măsurarea se face în lumin ă transmisă. Pentru aceste determinări pot fi folosite spectrofotometrele din domeniul vizibil sau instrumente specializate denumite turbidimetre. Se pot utiliza ca surse luminoase lămpi cu filament din wolfram, dar acestea consum ă o cantitate mare de energie. Aceste surse luminoase au fost înlocuite cu fotodiodele, care au o durată de viaţă mai mare, consum mai redus de energie şi sunt mai stabile. Unele aparate utilizează tuburi bazate pe descărcări în gaze, cu xenon. Prin utilizarea unui chopper aceste surse pot fi intermitente reducând energia consumată. Există modele de aparate care combină sistemul de difuzie laterală (90°) cu transmiterea directă a luminii. Aceste instrumente permit s ă se facă o distincţie între lumina absorbită de materialele dizolvate în apă şi particulele în suspensie. Deşi ambele categorii de materiale contribuie la atenuarea intensităţii razei incidente, numai particulele în suspensie provoacă difuzia luminii. Locul măsurării turbidităţii: Măsurarea turbidităţii se face în funcţie de situaţia reală. Turbiditatea apei potabile se poate măsura: În cadrul barajelor lacurilor de acumulare a apei. În aceste locuri, prin ploi puternice  sau inundaţii pot fi aduse nisipuri, nămoluri şi componente de argilă în rezervorul de apă, care la rândul lor, vor perturba în mod considerabil procesul de preparare a apei. În cadrul instalaţiilor de folosire a apelor din fântâni. În aceste cazuri, anumite valori  limită nu ar trebui depăşite, pentru ca procesul ulterior de filtrare să nu fie îngreunat.  În cadrul reglării şi supravegherii proceselor de sedimentare sau filtrare în cazul instalaţiilor de purificare a apelor. Prin măsurarea turbidităţii se poate descoperi nemijlocit şi urgent un proces perturbat de sedimentare, sau de blocare prematură a filtrelor.

cadrul filtrelor Prin instalarea unui turbidimetru ie şdemarare irea unei camere de filtrare, se poateÎncontrola, foarte .simplu, prin observarea procesuluila de a filtrului, efectul procesului de respălare a filtrelor. În practică s-a dovedit că o respălare a filtrelor la câteva ore după demarare influenţează filtratul. Pe lângă aceasta se poate economisi o cantitate apreciabilă de apă de respălare, dacă procesul de respălare se opreşte la o turbiditate de 20 

30

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb FNU. Prin aceasta se formeazã o turt ă de filtrare nouă, prin care se îmbunătăţeşte filtrarea iniţială.  În laboratorul uzinei de apă. O măsurare precisă a turbidităţii este inevitabilă dacă se urmăreşte livrarea unei ape de calitate ridicată. Măsurarea turbidităţii apei la staţiile de epurare  În cadrul pre-epurării, măsurarea turbidităţii nu este de folos.  În faza regimului nămolului activat, prin măsurarea turbidităţii se poate concluziona asupra conţinutului de materii solide. În acest regim de măsurare este necesară utilizarea unui turbidimetru cu un dispozitiv de autocur ăţare a ferestrei de măsură.  Nivelul nămolului poate fi determinat cu ajutorul măsurării turbidităţii prin introducerea unei sonde speciale de turbiditate în apa de n ămol, până când valoarea turbidităţii se schimbă brusc. Valoarea adâncimii de introducere a sondei se poate citi pe cablul de măsurare a sondei.  Evitarea deversării nămolului la gura de scurgere a decantorului este pe deplin asigurată prin folosirea unei sonde ieftine (f ără pompă) de turbiditate cu autocurăţarea ferestrei de măsură.  Se măsoară turbiditatea în punctele de control a sta ţiilor de decantare a apelor reziduale cât şi în fluvii. Măsurarea turbidit ăţii în industrie În industrie sunt necesare controlul şi supravegherea diverselor procese de filtrare.  Aparate de măsurare a turbidităţii pot fi instalate la controlul filtrării la următoarele tipuri de filtre: filtru cu camer ă, filtru cu membrană, filtru cu rame, filtru sub presiune, filtru cu vid si filtru de bandă.  În diverse procese tehnologice specifice unor industrii: industria berii, industria zahărului (de exemplu în timpul procesului de preparare a sucului sub ţire şi gros), industria galvanică, producerea vinului şi a alcoolului.  Alte domenii de aplicaţie a măsurării turbidităţii ar fi la: alimentarea cu ap ă a cazanelor, circuitele demedie răcire cu apă, bazine de înot, etc. e. Densitatea a apei reprezintă masa cuprinsă în unitatea de volum şi este direct influenţată de temperatura pe care o are apa. m ρ a = a , [ kg / m 3 ] va Pentru calculul densităţii apei pure, în kg/m3, în funcţie de temperatură (T în °C), sunt recomandate relaţii de forma: - Thiesen - Scheel - Diesselhorst [Handbook of hydrology, 1992]: ρa

-

⎡ ⎤ T + 288,94 (T − 3,9863)2 ⎥ = 1000 ⋅ ⎢1 + ⎣ 508929,2 ⋅ (T + 68,12963) ⎦

În [Steeter, 2000] este recomandată relaţia: = 999,9399 + 4,216485 ⋅ (10 ⋅ 10 −3 ⋅(T) 2 + 3,509571 ⋅ 10 −5 T 3 − ) −2 ⋅ T − 7,097451 () −8 4 − 9,9037785 ⋅ (10 )⋅ T

ρa

3

ă a densităţii. Densitatea maximă a apei este de 1 g/cm . Ea se atinge Variaţiadeneliniar la temperatura 4°C şi presiunea de o atmosfer ă. Între 0°C şi 4°C, densitatea creşte de la 0,99987 g/cm3 la 1g/cm3, după care scade, ajungând la temperatura de 25°C la 0,99707 3 g/cm .

31

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Prezenţa punţilor de hidrogen produce în apa lichidă asociaţii moleculare de tip polimeric (H2O)n, în funcţie de temperatură. Exemplu: La presiunea de 1 atm (101325 Pa) şi temperatura de 4oC (277,15 K), apa este din punct de vedere statistic un amestec de 30% trimer (având ρ =9080 kg/m3) 70% dimer (având ρ =10500 kg/m3), rezultând o densitate de ρ =104 kg/m3 - densitatea maximă a apei. În schimb, gheaţa are o densitate inferioară (ρ =9100 kg/m3), motiv pentru care ea se formează şi pluteşte la suprafaţa apei, realizând un strat protector sub care via ţa poate continua. De asemenea, scăderea densităţii la îngheţ produce fisurarea stâncii în care s-a infiltrat apa, deschizând calea pentru rădăcinile plantelor, în schimb congelarea ţesuturilor vii produce lezarea lor prin expansiune. Producerea densităţii maxime la 4°C face ca pe fundul celor mai adânci unităţi acvatice, această temperatură să permită existenţa vieţii bentonice. Pentru substanţele solide dizolvate în apă, legătura dintre densitatea apei ρ a , densitatea solidului dizolvat ρ sd şi densitatea amestecului (apa cu conţinut de particule solide dizolvate) ρ s , este: ⎛ ms ⎞ ⎛ ms ⎞ ⎜1+ ⎟ ⎜1 + ⎟ ms + m a m a ⎜ ma ⎟ ma ⎟ ρs = ρa ⋅ ⎜ = ⋅⎜ = ⎜ Vs ⎟ V a + V s Va 1 + V s ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ 1+ ⎟ V ⎝ a ⎠ ⎝ Va ⎠ unde: Vs este volumul solidului, iar Va este volumul apei, ms = ρsd Vs - masa solidului, ma= ρaVa - masa apei. Concentraţia substanţelor solide dizolvate se poate exprima în [mg/l]. f. Salinitatea apei reprezintă raportul dintre masa de sare şi masa de apă marină, formată din apă şi sare. Salinitatea se exprimă în [g/kg] (g sare/ kg ap ă marină) sau [ppm] (părţi peÎnmilion). practică, pentru calculul densităţii unei soluţii în funcţie de salinitate (S), se folosesc formule aproximative. De exemplu: ρ s = ρa + A ⋅ S + B ⋅ S 3/ 2 + C ⋅ S 2 −1 −3 A = 8,24493 ⋅ 10 − 4,0899 ⋅ 10 ⋅ T + 7,6438 ⋅ 10 −5 ⋅ T 2 − 8,2467 ⋅ 10 −7 ⋅ T 3 + 5,3875 ⋅ 10 −9 ⋅ T 4 B = −5,72466 ⋅ 10 −3 + 1,0277 ⋅ 10 − 4 ⋅ T − 1,6546 ⋅ 10 −6 ⋅ T 2 u −4 C = 4,8314 ⋅ 10 nde: S este salinitatea în [g/kg], T este temperatura în [°C], iar ρ a este densitatea apei pure (funcţie de temperatură. Cu o bună aproximaţie, în practică se folosesc relaţii liniare de forma: ρ = ρ r ⋅ (1 − β T ΔT ) ρ = ρ r ⋅ (1 + β s ΔS ) ρ = ρ r ⋅ (1 + β C ΔC ) în care βT ,βS ,βC sunt coeficienţii de dilatare volumică pentru temperatură, salinitate şi ρ r reprezintă o densitate de referinţă în jurul căreia apar perturbaţii ţ concentra liniare, iar ieΔTde, sediment, ΔS , ΔC sunt diferen ţele de temperatură, salinitate şi concentraţie de sediment care provoacă modificarea densităţii. Exemplu: Apa de mare cu o densitate de 1025 kg/m3 are salinitatea S= 35 g/l, ρ r =

32

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb 1000 kg/m3, C0 = 0, β s = 7,14 ⋅ 10 −4 l /g. O metodă de determinare a salinităţii unei probe de ap ă este determinarea conductivităţii acesteia deoarece între aceşti 2 parametri există o strânsă legătură. g. Conductivitatea electrică exprimă capacitatea apei de a conduce curentul electric. Ea are valoarea inversă rezistenţei electrice şi se exprimă în mho (ortografia inversă a unităţii de m ăsură a rezistenţei - ohm) sau μxmho. Se mai poate exprima în Siémens (S), echivalent unui mho sau în micro-Siemens pe cm ( μ0,5/cm), echivalent unui μxmho. Conductivitatea electrică este direct dependentă de temperatura apei şi gradul de mineralizare, depinde de concentraţia în ioni, de natura ionilor şi de viscozitatea soluţiei. Apa pură este slab conducătoare de electricitate, spre deosebire de cea cu un con ţinut ridicat în săruri. Astfel, apa pură are o conductivitate de 0,055 - 25 μmho, apa freatică potabilă, între 30 şi 200 μmho, în timp ce apele oceanice au conductivit ăţi electrice de 45000 - 55000 μmho. Conductivitatea, în cazul soluţiilor apoase, este puternic influen ţată de concentraţia substanţelor, fiind folosită astfel ca indicator al gradului de mineralizare a apei. Datorit ă variaţiei importante a conductivităţii cu temperatura, pentru a decide asupra calit ăţii apei, toate rezultatele trebuie aduse la aceeaşi temperatură de referinţă. Conductivitatea electrică se măsoară cu ajutorul conductivimetrelor. Măsurarea conductivităţii apei este reglementată de STAS 7722-84, precum şi de ISO 7888-1983. Pentru determinarea conductivităţii echipamentul este format în principiudintr-un montaj de tipul unei punţi echilibrate sau neechilibrate, o celulă de m ăsurare şi un traductor de temperatură. Ansamblul se etalonează direct în unităţi de rezistenţă sau de conductivitate la temperatura de referinţă. Celula de măsurare este compusă dintr-un cilindru deschis, conţinând electrozi de platină lucioşi şi platinaţi. Pentru determinarea conductivităţii există două procedee: primul pe baza măsurării directe a conductanţei G şi pe baza folosirii constantei celulei de m ăsurare şi al doilea pe baza etalonării lanţului direct în unităţi de conductanţă cu soluţii etalon. În primul procedeu, cunoscând constanta celulei de măsurare K [m-1] sau[cm-1 ], şi măsurând conductanţei G cu ajutorul punţii, din relaţia k = GK se obţine conductivitatea k. În procedeul bazat pe etalonarea lanţului de măsurare este necesar să dispunem de un set de soluţii etalon cu conductivităţi k cunoscute şi de posibilitatea unor reglaje de zero şi de pantă la punte la afişaj. Prin aceste reglaje, pe baza valorilor solu ţiilor etalon, aparatul este pus să afişeze direct valori ale conductivităţii. Pe baza valorilor conductivităţii se apreciază gradul de mineralizare cu relaţia Gradul de mineralizare [mg/l]= C x Conductivitatea [ μS/cm] unde coeficientul C are valorile orientative. h).Căldura latentă specifică de vaporizare a apei are o valoare ridicată (1940 kcal / mol). De aceea, transpiraţia este un mecanism foarte eficient de termoreglare, prin disiparea căldurii. i) Căldura specifică (c) are o valoare ridicată (1 cal / g x grd). De aceea, apa din ţesuturi amortizează şocurile termice, preluând sau cedând căldură cu modificări relativ reduse ale temperaturii, prevenind astfel deger ăturile şi arsurile. Din punct de vedere al habitatului, întinderile de apă au caracter moderator pentru temperatura ambiantă: Răcirea cu 1oC a 1 m3 de apă poate încălzi cu 1oC 3222,4 m3 de aer. j)Conductibilitatea termică a apei este ridicată în comparaţie cu a altor lichide, ceea ce permite uniformizarea temperaturii şi disiparea căldurii excesive de provenienţă exo- sau endogenă dintr-o anume regiune a organismului. 33

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb k)Tensiunea superficială a apei este foarte mare comparativ cu masa ei molecular ă, coeficientul de tensiune superficială fiind s =72,7x 10-3 N/m. Aceasta îi conferă proprietăţi capilare bune, importante în circulaţia în organismele vii, dar şi biochimic, pentru fixarea substratului la suprafaţa moleculelor enzimatice. l)Rezistivitatea electrică ridicată (permitivitatea = constanta dielectrică este e = 80 la 20 oC) face ca apa să fie un dielectric perfect. În stare impură (săruri solvite), apa devine însă un bun cunductor electric. m)Momentul de dipol al moleculei de ap ă este m =1,87 D la 20 oC. Astfel, polaritatea înaltă a moleculei îi permite legarea de ioni (iar pun ţile de hidrogen de substanţele nepolare), explicând caracterul de emulsionant şi excelent solvent. n). Radioactivitatea apelor este determinată de contactul pe care îl are apa în scurgerea sa peste roci radioactive. Radioactivitatea se exprimă în unităţi Maché (UM) sau “emane”. O unitate Maché reprezintă concentraţia de radium la 1l de apă care generează un curent de saturaţie egal cu 0,001 unităţi electrostatice: 1UM=3,6 “emane”=10-3unităţi electrostatice. De obicei sunt considerate radioactive şi folosite ca ape curative cele a c ăror radioactivitate depăşeşte 3,5UM/l.

3.3. Proprietăţile organoleptice ale apei Culoarea apei. În strat subţire apa este incoloră. Când stratul de apă depăşeşte 6cm grosime are un aspect albăstrui. Existenţa unei culori se datore şte unor substanţe dizolvate (oxizi fenici, compuşi ai manganului, clorofilă din frunze, acizi humici). Ca termini de definire a culorii se folosesc: incolor ă, slab gălbuie, gălbuie, cafenie, albastră, lăptoasă. Substanţele humice dau apei culoarea gălbuie până la cafenie, prezenţa unor cantităţi ăruri acide de fier, o culoare verde gălbuie, a clorurilor o culoare albăstruie. mari de sculorii Stabilirea se face prin compara ţie cu o scară calorimetrică etalon alcătuită din clorură de platină şi cobalt într-o anumită proporţie. Gustul apei este datorat substanţelor dizolvate în apă şi se defineşte ca:  plăcut( când apa conţine cantităţi reduse de Ca, Mg, CO 2),  neplăcut (concentraţii mari de substanţe dizolvate ),  dulceag (determinat de prezenţa unor mari cantităţi de substanţe organice),  sărat (datorat unei mari concentra ţii de NaCl),  amar (în prezenţa MgSO4),  acru (datorat alaunilor / alaun = sulfat dublu al unui metal trivalent şi al unui metal monovalent. Ex: piatra acră- sulfat dublu de aluminium şi potasiu),  sălciu (ape sărace în săruri minerale ),  cu gust nedefinit. Mirosul apei se determină pentru apă nefiartă. Se apreciază prin caracteristicile: lipseşte, stătut, de putrefacţie şi se poate datora unor substanţe organice în descompunere sau microorganismelor vii(alge, protozoare..) sau prezenţei unor substanţe chimice provenite din ape uzate, industriale (fenoli, crezoli, etc).

3.4. Proprietăţile chimice ale apei Experimental s-a demonstrat că apa este o combinaţie chimică foarte stabilă. Ea poate fi descompusă la peste 10000C sau cu ajutorul curentului electric: 34

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb 2H2O = 2H2+ O2 Din punct de vedere chimic apa este foarte reactiv ă. Ea reacţionează în anumite condiţii cu metalele, nemetalele, oxizii bazici, oxizii acizi, cu unele s ăruri.  Acţiunea apei asupra metalelor Metalele: potasiu, calciu, sodiu reacţionează violent cu apa, la rece, cu formare de hidroxid şi degajare de hidrogen. Na + H2O = NaOH + 1/2H 2↑ Magneziul reacţionează cu apa la cald sau în stare de vapori: Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2↑ Aluminiul este atacat de apă numai dacă este curăţat de stratul protector de oxid: 2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2↑ Fierul înroşit reacţionează cu apa în stare de vapori şi formează oxid feroferic (oxid al Fe II şi Fe III): 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2↑ Plumbul, cuprul, mercurul, aurul, argintul nu sunt atacate de ap ă sau de vaporii acestuia. Unele metale se corodează în prezenţa apei. Atacul este mai puternic în prezen ţa oxigenului şi a dioxidului de carbon.  Acţiunea apei asupra nemetalelor Clorul în reacţie cu apa formează apa de clor: Cl2 + H2O = HCl + HclO HclO = HCl + [O] Trecând un curent de vapori de ap ă peste cocs(carbon) la temperatura de cel pu ţin 0 1000 C se formează un amestec de monoxid de carbon şi hidrogen, denumit gaz de apă. Reacţia are importanţă industrială: C + H2O = CO↑ + H2↑  Acţiunea apei asupra oxizilor Apa reacţionează cu oxizii metalici solubili cu formare de hidroxizi. Una dintre reacţiile cu importanţă practică o constituie stingerea varului, reacţie puternic exotermă. CaO + H2O = Ca(OH)2 + Q Hidroxidul de calciu obţinut este relativ puţin solubil în apă şi de aceea la stingerea varului se obţine aşa-zisul lapte de var, care reprezintă o suspensie finăde Ca(OH)2 într-o soluţie saturată de hidroxid de calciu. La dizolvarea dioxidului de sulf în apă are loc şi o reacţie chimică din care rezultă o soluţie acidă, acid sulfuros. SO2 + H2O = H2SO3 Reacţia cu carbidul sau carbura de calciu la CaC2 duce la formarea acetilenei, substanţă organică utilizată la sudarea şi tăierea metalelor în suflătorul oxiacetilenic: CaC2 + 2H2O → HC≡CH + Ca(OH)2 + Q Neutralitatea electrochimică. Apa disociază spontan, dar în procent foarte redus, simetric, în ioni H+ şi OH-, fiind pe ansamblu neutră. Ea este chiar element de referinţă, baza sistemului pH. Astfel, ea este un bun mediu de reac ţie şi, prin caracterul amfoter, amortizează tendinţele de modificare a pH-ului. Proprietăţi ale apei de importanţă practică sunt şi duritatea, alcalinitatea, culoarea, turbiditatea, gustul, mirosul, radioactivitatea etc.

35

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Aciditatea este capacitatea unor substanţe din compoziţia apei de a lega o cantitate echivalentă de bază tare. Aciditatea este condiţionată de prezenţa în apă a anionilor care sunt echilibraţi cu ioni de hidrogen, cu cationii bazelor slabe, îndeosebi ai metalelor grele. Aciditatea se exprimă prin pH, care reprezintă inversul ionilor de hidrogen. Noţiunea de pH a fost introdusă de Sorensen în anul 1909 sub denumirea de exponent de hidrogen. Datorită unor inconveniente de ordin experimental al metodelor de determinare al pH-ului, s-a căzut de acord ca noţiunea de pH să fie definită pur experimental, în funcţie de metoda de măsurare. În multe procese de producţie se folosesc soluţii de apă din diferite substanţe care au o reacţie neutră, acidă sau alcalină. Gradul de aciditate sau alcalinitate a acestor soluţii se caracterizează prin mărimea curentului numit indicator de concentraţie activă a ionilor de hidrogen, notat pH. Gradul de aciditate sau alcalinitate reprezint ă unul dintre indicii cei mai importanţi ai soluţiilor ce intervin în procesele de fabricaţie cu caracter chimic, măsura sa fiind dată de concentraţia ionilor de hidrogen. Prin definitie, potenţialul de hidrogen sau pH-ul este logaritmul cu semn schimbat al concentraţiei sau activităţii ionilor de hidrogen într-o solu ţie: pH= -log CH + unde CH+ este activitatea ionilor de hidrogen: CH+= H+ fH + H fiind concentratia ionilor de hidrogen exprimată în moli/litru, iar fH este coeficientul lor de activitate. Pentru apa pură şi pentru soluţiile neutre la temperatura de 25ºC, pH= 7. Gama uzuală de valori pentru pH este 1-14, valorile 1-7 corespund solu ţiilor acide, iar valorile 7-14 corespund solutiilor bazice. O soluţie acidă sau bazică se poate recunoaşte cu ajutorul indicatorilor.  Indicatorii sunt substanţe care işi schimbă culoarea după valoarea pH-ului soluţiei cu care În vinafara în contact. de indicatorii obişnuiţi, care se folosesc individual, în funcţie de domenuil pH-ului urm ărit, în industrie se mai folosesc soluţii sau hârtii indicatoare de pH universale. O metodă mai puţin precisă, dar la îndemâna tuturor, este determinarea cu ajutorul hârtiilor indicatoare.  Hârtiile indicatoare sunt ni şte fâşii de hârtie de filtru îmbibate cu un indicator oarecare, o substanţă care la o anumită valoare de pH este capabil ă să-şi schimbe culoarea. Când se doreşte să se neutralizeze un acid se adaugă turnesol, soluţia capată culoarea roşie (devine bază), iar mai apoi culoarea se va transforma in violet (soluţia devine neutră).  Hârtia indicatoare este folosit ă şi în laboratoare pentru a determina acizii şi bazele. Acizii transformă hârtia albastră în roşu, iar bazele pe cea roşie în albastru (soluţiile neutre nu îşi schimbă culoarea).Vopseaua care coloreaza aceste hartii se numeste “litmus” şi provine de la plantele numite licheni. Pentru a se face acordul intre electrozi si pH-metru este necesara o calibrare. In acest scop trebuie folosita o solutie cu un pH cunoscut exact. Astfel de solutii se numesc solutii tampon. Reactivii folositi la prepararea solutiilor tampon trebuie sa fie foarte puri si stabili, valorile pH-ului sa fie bine stabile, iar potentialul jonc ţiunii lichide trebuie sa fie de acela şi ărime cu cel al soluţiei de determinat. ordin deOmalt ă metodă constă în determinarea pH-ului cu ajutorul pH-metrului. Un pH-metru masoara diferenta de potential intre doi electrozi (in mV) si apoi converteste in unitati de pH. Pentru a obtine o masurare corecta, semnalul de intrare al amplificatorului si circuitul

36

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb convertorului trebuie sa indeplineasca anumite cerinte. Principiul constructiv al unui pHmetru este redat in urmatoarea schema. Determinarea valorii pH-ului se realizează cu ajutorul unor indicatori de pH, a c ăror culoare se schimbă în funcţie de concentraţia ionilor de hidrogen. Indicatorii se introduc în soluţia al cărei pH trebuie determinat sau se îmbib ă o hârtie de filtru care se pune în contact cu apa de analizat. Valoarea pH-ului unei ape serveşte la: • aprecierea însuşirilor sale corosive, • stabilirea dozelor de neutralizanţi, • reglarea condiţiilor optime de desfăşurare a proceselor de epurare biologică, • supravegherea calităţii apelor naturale împotriva murdăriri, etc. Aciditatea sau alcalinitatea apei considerată în funcţie de valoarea pH-ului se prezint ă astfel: • pH<7 apă acidă; • pH=7 apă neutră; pH>7 apa alcalin ă. Duritatea apei este o caracteristică determinată de conţinutul de săruri de Ca şi Mg aflate în soluţie. Aceste săruri pot fi: carbonaţi, cloruri, sulfaţi. Apa naturală folosită în industrie conţine săruri provenite din rocile cu care apa vine în contact. În soluţie, aceste săruri sunt dissociate electrolitic, existând cationi ( Ca2+; Na+;Mg2+;K+;Fe3+;Al3+;H+,etc.) şi anioni ( Cl ; HCO3 ; CO32 ; SO42 , etc). Prezenţa unora din aceştia (în special a Ca2+; Mg2+) constituie un neajuns deoarece, în anumite condiţii de concentraţie şi temperatură, conduc la compuşi greu solubili care iau parte la formarea n ămolurilor şi a pietrei de cazan. Duritatea apei este dată de suma ionilor de calciu şi magneziu prezenţi în apă. Duritatea totală (DT) se compune din duritatea temporală (Dt) şi duritatea permanentă (Dp).

DT = Dt + D p (1) Duritatea temporală este dată de carbonaţii acizi de calciu şi magneziudin apă. Ea dispare la fierberea apei, carbona ţii acizi descompunându-se în compuşi greu solubili, carbonaţi. Duritatea permanentă este dată de sărurile de calciu şi magneziu stabile termic: sulfaţi, cloruri, etc.. Duritatea se exprimă în grade de duritate (germane, franceze, engleze) care variaz ă în timp şi spaţiu în funcţie de acţiunea de dizolvare a apelor asupra rocilor. Un grad de duritate reprezint ă 10mg CaO sau 1,42mg MgO la un litru de apă. Un grad german corespunde la 10mgCaO/l de apă. 1grad german=17,9 grade franceze=1,25 grade engleze. După gradele de duritate apele se caracterizeaz ă astfel: - ape foarte moi 0º-4º; - ape moi 4-8º; - ape semidure 8º-12º; - ape destul de dure 12º-18º; - ape dure 18º-30º; - ape foarte dure peste 30º. Pentru alimentarea cu apă potabilă duritatea nu trebuie să depăşească 12º. Aplicaţiede curs: Determinarea gradului de stabilitate a apelor de răcire din centralele electrice prin măsurători de pH. 37

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Apa, în multiplele ei utilizări, este folosită ca agent de răcire, în circuitele de răcire din centralele electrice. Circuitele de răcire pot fi: - circuite de răcire deschise - apa parcurge o singură dată traseul şi este evacuată; - circuite de răcire semideschise - apa este recirculată, fiind alternativ, încălzită şi răcită prin evaporare parţială în turnuri.

Figura 3.7. Schema unei centrale termice cu circuit de răcire semideschis În circuitele de răcire deschise, datorită modificării temperaturii şi evaporării, se produce concentrarea sărurilor dizolvate în apă şi în aceste condiţii sunt posible depuneri tari de carbonat sau depozitări de nămoluri. Acest proces de depunere este accelerat de aerarea puternică a turnurilor de răcire şi de temperaturile ridicate care determină descompunerea carbonaţilor aizi şi formarea carbonaţilor care se depun şi eliminarea CO2 . Ca( HCO3 )2

relaţia:

CaCO3

+CO2 + H 2 O

Comportarea apei de răcire se apreciază prin indicele de stabilitate Ryznar, IR, dat de IR=2pHsaturaţie-pHapă răcire

În calculul pH-ului de saturaţie se ţine seama de: salinitatea apei, S [mg/l] = conţinutul total de săruri din apă;  alcalinitatea totală, A [m.echiv/l]=provine din hidroliza sărurilor de calciu şi magneziu;  duritatea temporară, Dt [m.echiv/l]=se referă la conţinutul de carbonaţi acizi de calciu şi magneziu; temperatura apei din circuitele respective, t [ºC].  Pentru a calcula pH-ul de satura ţie se foloseşte relaţia: 

pHsaturaţie = (9,3+S+t)-(D+A) unde, indicii S,A,D,t se iau din tabelul 3.1, 3.2 şi 3.3.

38

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Tabelul 3.2: Indice de alcalinitate A, duritate Dt Indice D

Conţinutul de

Alcalinitate [m.echiv/l]

Ca(HCO3)2 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7

0,20 0,24 0,28

0,36 1,46 0,56 0,70

0,88 1,12 1,40 1,75

2,22 3,50

4,60 5,60 7 8,8 11,2

14 17,4

21 Temp [ºC]

Indice t Temp [ºC] Indice t

0 2,6

2

32

38

1,7

1,6

Total săruri, [mg/l] Indice S

1 1,1 1,2 1,3 1,4 0,56 1,5 0,72 1,6 0,9 1,7 1,12 1,8 1,4 1,9 1,76 2 2,1 2,22 2,8 2,2 2,3 3,54 4,6 2,4 5,6 2,5 7,2 2,6 9 2,7 11,2 2,8 14 2,9 17,6 3 Tabelul 3.2: Indice de tempemtură t 0,20 0,24 0,28 0,36 0,46

7 2,5

Indice, A

10 2,3

14 2,2

18 2,1

44

51

57 64

72

82

1,5

1,4

1,3

1,2

1,1

2,4

22 21,9

28 1,8

Tabelul 3.3: Indice de salinitate S 400-1100 0,2

50-350 0,1

S-a constat experimental că apele cu: - IR<6 au caracter incrustant (favorizează depunerile) - IR>7 au caracter coroziv ; - IR=6-7 nu formează depuneri şi nu produc coroziune. Notă: ă (9-12 Empiric, s-au stabilit(25-50 valorimg/l) limităşi pentru duritatea temporar pentru con ţinutul de suspensii pentru pH (8,5). Pentru aceste valorim.echiv/l), nu exist ă pericolul depunerii carbonaţilor, depozitării nămolului sau corodării. Reziduul fix/solid (reziduu sec, reziduu uscat) exprimă în [mg/1] cantitatea de substanţe solide organice şi anorganice dizolvate într-un litru de ăap . El corespunde substanţelor solide

39

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb rămase după evaporarea completă a apei (din care s-au înlăturat suspensiile prin filtrare sau centrifugare) şi uscarea la 105°C (în etuvă) timp de doua ore (fig. 3.8). Prin calcinarea reziduului sec la temperatura de 600 °C se ţob ine reziduul la calcinarecare exprimă conţinutul de substanţe minerale dizolvate în ap ă. Diferenţa între reziduul la evaporareşi reziduul al calcinare reprezintă conţinutul în susbstanţe organice dizolvate, numit şi pierderea la calcinare.

Fig. 3.8. Schema procedurii de obţinere a rezidului fix

3.5. Conţinutul apei în natură Apa lichidă din natură nu este niciodata pură, fiindcă ea dizolvă o parte din substanţele solide şi gazoase cu care vine în contact. Cea mai curat ă apă este apa de ploaie sau provenită din topirea zăpezii. Astfel, în apa din natură putem găsi:  cationi: calciu, magneziu, sodiu, potasiu, aluminiu, fier, mangan, titan, crom, nichel, cupru, staniu, plumb, zinc, cobalt, arsen, seleniu, cadmiu, sron ţiu, bariu, litiu, beriliu etc. ;  anioni : fluor, azotat, brom, fosfat, bor, iod, cian, sulfat, carbonat, bicarbonat, hidroxil, azotit etc.;  substanţe neionice / substanţele biogene: silice, substanţe uleioase, petroliere, grase, fenoli, detergenţi, gaze dizolvate (oxigen, dioxid de carbon, azot, în cantităţi mai mici şi metan, oxizi de azot, amoniac, hidrogen sulfurat, radon etc.) . Concentraţiile substanţelor biogene, în special compuşii azotului şi fosforului, variază, în apele dulci de suprafaţă, în limite foarte mari: de la cantit ăţi în urme pînă la 10 mg/l. Cele mai importante surse de elemente biogene se dovedesc a fi procesele din interiorul bazinului şi pătrunderile cu apele de şiroire, cu precipitaţiile atmosferice sau cu apele uzate industriale, comunale şi agricole. Substanţele biogene cuprind de asemenea compuşii siliciului şi compuşii fierului, care se g ăsesc în apele naturale în special sub formă de hidroxid microcoloidal sau sub formă de complecşi fulvici. 40

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb microfloră faună. Abundenţa relativă a solidelor dizolvate în ap ă este desigur dependentă mult de natura geologică a zonei şi de alţi factori. Totuşi statistic unele elemente sunt prezente în cea mai mare parte a apelor şi au concentraţii semnificative, pe când altele apar rar sau numai în cantităţi extrem de reduse. O statistică asupra compoziţiei apei potabile propune următoarea ordine a abundenţei:  

• Constituenţi majori (de la 1 la 1000 mg/litru): sodiu, calciu, magneziu, bicarbonat, sulfat, clor, silice; • Constituenţi secundari ( de la 0,01 la 10 mg/ litru): fier, stron ţiu, potasiu, carbonat, azotat, fluor bor; • Constituenţi minori (de la 0,0001 la 0,1 mg/litru): stibiu, aluminiu, arsen, bariu, brom, cadmiu, crom, cobalt, cupru, germaniu, iod, plumb, litiu, mangan, molibden, nichel, fosfat, rubidiu, seleniu, titan, uraniu, vanadiu, zinc; • Constituenţi prezenţi ca urme (de regulă sub 0,001 mg/ litru): beriliu, bismut, ceriu, cesiu, galiu, aur, indiu, lantan, neobiu, platina, aur, ruteniu, scandiu, argint, thaliu, toriu, cositor, tungsten, yterbiu, itriu, zirconiu; Observaţie În funcţie de ionii dominanţi, putem clasifica apa dulce în 24 de categorii. În practic ă această distincţie este foarte utilă la apele minerale. Majoritatea apelor râurilor mari sunt calcice-hidrocarbonatate. Exemplu Ce înseamnă în practică aceste concentraţii? Să vedem ce cantităţi impresionante de diverse minerale solvite exist ă în medie întrun volum cubic de apă de mare cu latura de o milă:  120.000.000 tone de clorur ă de sodiu,  18.000.000 tone de clorură de magneziu,  8.000.000 tone de sulfat de magneziu,  6.000.000 tone de sulfat de calciu,  4.000.000 tone de sulfat de potasiu,  550.000 tone de carbonat de calciu,  350.000 de tone de bromură de magneziu,  60.000 de tone de sronţiu,  21.000 tone de bor,  6400 de tone de fluor,  900 tone de bariu,  între 100 şi 12.000 de tone de iod,  50 până la 350 tone de arsenic,  45 tone de argint,  25 de tone de aur  7 tone de uraniu.

41

[2010]


4. POLUAREA APELOR 4. A. POLUAREA APELOR DE SUPRAFAŢĂ

4.1. Definiţie. Surse de poluare Apa reprezintă un sistem heterogen multifazic, de tip deschis, care face schimb de substanţe şi energie cu mediile învecinate (bazine acvatice, atmosferă, depuneri de fund) şi cu componenta biologică. Hidrosfera serveşte drept rezervor natural al majorităţii substanţelor poluante care ajung în atmosferă sau în litosferă. Aceasta reiese din circuitul hidrologic şi din proprietatea apei de a dizolva diferite gaze şi săruri minerale. Orice bazin acvatic serve şte drept zonă în care, împreună cu şuvoaiele de apă, sunt spălate de pe uscat şi aduse diferite particule solide. Apa este supusă nemijlocit şi poluării antropogene, fiind mult utilizată în industrie, agricultură, în viaţa de toate zilele. Dezvoltarea urbanizării şi industrializării, precum şi evoluţia modurilor de consum, au determinat evoluţia, atât cantitativă cât şi calitativă a aşa - ziselor ‚ape reziduale’, îmbogăţindu-le în produse complexe. Apele reziduale comunale (fecaloid menajere) sunt rezultate din utilizarea apei în locuinţe, instituţii publice, spălătorii, spitale, şcoli, hoteluri. Acestea sunt bogate în microorganisme, dintre care multe patogene, substanţe organice uşor degradabile şi putrescibile, substan ţe toxice sau nocive (detergenţi, coloranţi, pesticide, etc.). Substanţele chimice din apele reziduale comunale, se g ăsesc în mare parte ca suspensii decantabile (~50 kg de n ămol uscat / locuitor / an). Apele reziduale industriale sunt provenite din diverse procese de fabricaţie, din apele folosite ca solvent sau separator, din apele utilizate la purificarea şi spălarea materiilor prime şi instalaţiilor, sau la transport. În general, apele industriale au o compoziţie heterogenă. Ele conţin: germeni patogeni (apele industria alimentară), subtanţe în suspensie (cele provenite de la staţiile de flotaţie),dinsubstan ţe chimice (metale grele, acizi minerali si organici, coloranţi, pigmenţi, fenoli, cianuri). Unele substanţe pot fi degradabile, dar cele mai multe au o persistenţă îndelungată. Industriile cele mai poluante sunt: industria chimic ă, metalurgică, siderurgică, limentară, minieră, extractivă şi prelucrătoare de ţitei. Apele reziduale agrozootehnice sunt provenite din utilizarea apei în scopuri agricole agricole şi zootehnice. În componenţa acestora intră: îngrăşemintele naturale sau sintetice, produşii de eroziune ai solului, substanţele folosite împotriva dăunătorilor, dejecţiile animale. Spunem că o apă este poluată, atunci când calităţile sale s-au degradat, perturbând viaţa acvatică şi devenind periculoasă pentru om. Conferinţa de la Geneva din 1961 definea poluarea ca ‚modificarea direct ă sau indirectă a compoziţiei sau stării apelor unei surse oarecare, ca urmare a activităţii omului, astfel încât apele devin inadecvate utilizărilor pe care le au în mod obişnuit, ridicând un risc pentru sănătatea omului şi pentru integritatea ecosistemelor acvatice’. În sens restrâns, poluarea apei poate fi definită ca procesul de modificare a calit ăţii acesteia datorită activităţii umane sau în urma unor fenomene naturale. Studiul poluării apelor este foarte important şi are drept scop final realizarea unor ă calitativă şi cantitativă precum şi stabilirea unor programe de optimizare modele de ţprognoz a investiga iilor asupra mediului. Abordarea unei probleme de poluare presupune: 1) culegerea şi tratarea informaţiilor; 2) construirea şi folosirea modelelor de prognoză, 3) verificarea modului în care se realizează prognoza.

42

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Culegerea şi tratarea informaţiilor presupune: - identificarea sistemului de studiat; - înregistrarea informaţiilor numerice; - structurarea informaţiilor ne-numerice (calitative); - optimizarea informaţiilor şi a controlului. Sursele de poluare a apei se pot clasifica în două categorii: surse de poluare organizate şi surse de poluare neorganizate. Sursele de poluare organizate sunt reprezentate de apele reziduale rezultate din utilizarea apei de către colectivităţi în diverse scopuri, colectate prin sisteme de canalizare. Din această categorie fac parte: apele reziduale comunale, apele reziduale industriale şi apele reziduale agrozootehnice. Sursele de poluare organizate poluează, de regulă continuu sau sistematic şi sunt, de obicei, cunoscute şi supravegheate, calculându-se totalul emisiilor. Sursele de poluare neorganizate sunt, în principal, surse gospodăreşti individuale, fără sistem de canalizare, pesticide sau îngrăşeminte spălate de ape meteorice sau de iriga ţii, reziduri solide depozitate neadecvat. În această categorie se includ, de asemenea, şi sursele ocazionale (spălarea animalelor, a utilajeor, a diverselor deversări) şi cele accidentale (inundaţii, deversări în urma unor accidente industriale, rutiere, etc.). Sursele accidentale intervin mai rar, dar pot avea efecte deosebit de grave. În general, sursele de poluare neorganizate au un caracter intermitent, compoziţie diversă, debite reduse. Ele produc o poluare difuz ă, greu de stabilit şi de stapânit. 4.2. Tipologia poluării a apelor de suprafaţă Prin urmare, poluarea apei se datoreaz ă microbilor, materiilor putrescibile, elementelor de fertilizare sau substanţelor toxice. Aceste elemente determină patru forme de poluare ce pot exista separat sau împreună. Cum fiecărei forme de poluare, în parte, îi corespunde un remediu particular, lupta împotriva polu ării începe prin identificarea materiilor poluante. a. Poluarea fertilizantă este poluarea care favorizează creşterea algelor şi a plantelor acvatice. Deşeurile de natură fertilizantă / substanţe biogene deversate în ape, prin eliberarea de fosfaţi asimilaţi, le fertilizează. Acest fenomen este cunoscut sub numele de eutrofizare. Eutrofizarea este un proces natural, evolutiv în timp, de acumulare a elementelor nutritive într-un ecosistem acvatic. Substanţele implicate în circuitul biologic sufer ă schimbări biochimice succesive şi, în final, ajung iarăşi în mediul acvatic. Apare o analogie cu reacţiile în lanţ în care elementele biogene şi produşii de metabolism participă în calitate de “transportori ai lanţului”metabolismului ecologic. În lipsa acţiunilor antropogene, iniţierea procesului în lan ţ are loc ca urmare a reacţiilor din interiorul bazinelor acvatice. Începutul desfăşurării lanţului metabolic se consideră pătrunderea în mediul acvatic a formelor minerale ale azotului, fosforului sau a substan ţelor organice uşor asimilabile. Ca măsură a iniţierii naturale a proceselor metabolice din interiorul bazinelor acvatice poate servi mărimea producţiei primare - cantitatea total ă de substanţe organice sintetizate într-o unitate de timp în urma procesului fotosintetic. “Ruperea” lanţului metabolic are loc prin evacuarea substanţelor organice şi a elementelor biogene din bazinele acvatice, prin depozitatea lor în depunerile de fund, în urma prinderii pe ştelui ş.a.m.d. Ciclul metabolic poate fi prezentat schematic astfel:

43

[2010]


unde: n - lungimea lanţului (transformarea Pn duce la apariţia formelor biogene iniţiale ale elementului P); k1 - constanta vitezei de transformare biochimică a lui P în prima verigă a lanţului metabolic; Pi, Pn - formele transformării intermediare a elementului P. În condiţii naturale, starea staţionară (viteze egale de “iniţiere” şi “rupere”) poate chiar să nu fie obţinută fiind funcţie de biomasa microalgelor. Odată cu îmbogăţirea mediului acvatic cu biogeni se măreşte viteza de rotire a lanţului metabolic şi are loc creşterea biomasei totale a organismelor acvatice ceea ce duce la eutrofizarea treptată a bazinului acvatic. Prin “ruperea” lanţului metabolic, în bazinele acvatice închise are loc acumularea depunerilor de fund care servesc drept sursă secundară de elemente biogene. Din momentul “apariţiei” eutrofizării, bazinul acvatic trece, în condi ţii naturale, prin cîteva stadii de dezvoltare:ultraoligotrofic, oligotrofic, mezotrofic iar în final bazinul acvatic devine eutrofic şi hipereutrofic - are loc “îmbătrînirea” şi pieirea bazinului acvatic, transformarea lui în mlaştină. Durata “vieţii” bazinelor acvatice, în condiţii naturale, este de 10-100 mii ani. Procesul eutrofizării poate fi accelerat de om prin deversarea în ecosistem a apelor insuficient epurate. În stadiul avansat (lac eutrof sau hipereutrof), eutrofizarea modifică echilibrul ecologic al ecosistemului, generând grave probleme atât sub aspect ecofiziologic cât şi din punct de vedere al folosinţei apei în scop socio-economic. Principalele surse de poluare a bazinelor acvatice cu substanţe biogene sunt reprezentate de spălarea îngrăşămintelor azotoase şi fosforice de pe cîmpuri, construc ţia rezervoarelor de apă fără curăţarea corespunzătoare a albiei, aruncarea apelor uzate, micşorarea schimbului de apă, construcţia digurilor, formarea zonelor de ap ă stagnantă, poluarea apei ş.a. Elementul ecologic de bază pentru cuantificarea gradului de eutrofizare a unei ape, îl reprezintă biomasa algală, indicator direct dependent de starea ecofiziologic ă a unui lac. El reprezintă de fapt, masa algală existentă în apă la un moment dat, func ţie de cantitatea de nutrienţi disponibili în ecosistem. Limitele de variaţie ale acestui indicator sunt reglementate în ţara noastră prin acte normative care delimitează indicii de eutrofizare conform valorilor limită preconizate prin normativele Uniunii Europene. Dacă apele de canalizare sunt deversate într-un lac sau râu, fenomenul de fertilizare este accentuat cu atât mai mai mult cu cât con ţinutul de fosfaţi este mai mare. Algele se reproduc cu miliardele. Ele invadează suprafaţa apelor într-o respingătoare şi urât mirositoare masă de verdeaţă. Exemple de eutrofizare

Fig. 4.1. Alge filamentoase

44

[2010]


Fig. 4.2. Colonizarea unui braţ mort al râului Allier cu lintiţă. Obs. Lintiţa este cea mai mică plantă cu flori din lume. Linti ţa poate fi întalnită în toate tipurile de climă cu excepţia celor reci. Lintiţa consumă nitrogen, fosfaţi, calciu şi fier, fiind o potenţială sursă de remediu nu doar pentru apele în care sunt acumul ări de deşeuri agricole, ci în orice fel de ape poluate. Crescut ă controlat, lintiţa poate fi utilizată pentru indeplinirea a doua sarcini extrem de importante: curăţarea poluării din zootehnie şi furnizarea de energie curată, sub formă de biocombustibil.

4.3. Dezvoltarea de alge pe maluri 4.4. Dezvoltare algală în râuri Consecinţe ale eutrofizării: - Această formă de poluare produce dereglări asupra condiţiilor de reproducere şi alimentaţie a peştilor. - Algele filamentoase degradează calitatea florei acvatice, substituindu-se altor vegetale. - Modificările ecosistemului acvatic pot duce la dispari ţia unor specii (salmonidele) în favoarea speciilor care pot tr ăi în medii sărace în oxigen. - Eutrofizarea poate determina colmatarea prizelor de apă şi a pompelor datorită algelor filamentoase, ceea ce creează dificultăţi în tratarea apelor brute şi lasă un gust neplăcut şi un miros urât. - Creşterea abundentă a fitoplanctonului diminuează transparenţa apei şi folosirea apei în svop de baie poate fi interzisă pe motive de securitate.

45

[2010]


a. Eutrofizare fără poluare

b.Eutrofizare cu poluare

b. Poluarea bacteriană este forma de poluare cauzată de germenii patogeni conţinuţi apele de unor canalizare deversate. Datorit ă acestor germeni, acest tip de ape poate determina rde ăspândirea maladii. Râurile şi lacurile poluate cu excremente din surse animale şi umane se pot considera, într-o mare măsură, o prelungire a intestinului, permi ţând dezvoltarea germenilor patogeni. Această poluare este cea pe care staţiile de tratare şi epurare a apelor o combat prin dezinfecţie cu clor. Poluarea bacteriană se determină în urma analizelor microbiologice. Stabilirea indicelui gradului de poluare bacteriană se face prin numărarea la microscop a germenilor patogeni existenţi (colibacili, colibacterii, etc.). Chiar atunci când indicele de poluare bacteriană este scăzut, aceasta rămâne periculoasă deoarece, când un microb intră într-un mediu favorabil, acesta se înmulţeşte rapid.

Fig. 4.5. Transformările suferite în apă de microorganismele de srcine intestinal ă

46

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Poluarea bacteriană se determină în urma analizelor microbiologice. Stabilirea indicelui gradului de poluare bacteriană se face prin numărarea la microscop a germenilor patogeni existenţi (colibacili, colibacterii, etc.). Chiar atunci când indicele de poluare bacteriană este scăzut, aceasta rămâne periculoasă deoarece, când un microb intră într-un mediu favorabil, acesta se înmulţeşte rapid. Poluarea bacteriană duce la o contaminare puternică, bacteriologică a apei, care are drept urmare răspândirea unor afecţiuni cum sunt colibacilozele sau hepatitele virale, febra tifoidă. La această categorie de poluare, pe lâng ă apele uzate urbane pot participa în mare măsură industriile alimentare, industria hartiei. c.Poluarea asfixiantă este poluarea în urma căreia, o apă este săracită în conţinutul de oxigen. Viaţa acvatică presupune existenţa oxigenului în soluţie în apa râurilor, a lacurilor sau a mărilor. Acest oxigen este necesar pentru respira ţia pestilor, a plantelor, dar şi pentru microbi în timpul funcţiei extrem de utile de digerare a materiilor putrescibile deversate în apă. Cu alte cuvinte, prezenţa oxigenului dizolvat este extrem de importantă în procesul de autoepurare al apelor. Când rezerva de oxigen în soluţie a apei de analizat nu este decât puţin atinsă, spunem că avem de a face cu asfixia parţială a acestei ape. Capacitatea de epurare a acesteia nu este atinsă. Într-o apă puternic poluată, în care rezerva de oxigen este epuizată în totalitate, iar capacitatea de autoepurare este puternic depăşită, avem de-a face cu asfixia totală. În acest caz organismele vii din apa analizat ă mor repede. Reoxigenarea apelor este favorizată de vânt sau turbulen ţă, ajungând să compenseze consumul de oxigen antrenat de respira ţia organismelor vii. Echilibrul oxigenului dizolvat este fragil, dar se poate menţine. Pentru aceasta se impun a fi respectate două condiţii: a. suprafaţa apei să nu aibă film, adică o peliculă de oxigen care împiedic ă oxigenul din aer să pătrundă în apă; b. cantitatea de materie putrescibilă digerată de ‚microbii buni’ nu trebuie s ă easc capacitatea de reoxigenare a apei. d. Poluareadep chimic ă este tipul de poluare a apelor cu substanţe chimice industriale cum ar fi: derivaţii mercurului, ai cuprului, ai cromului, metalele grele, insecticidele, ierbicidele, etc.. Ionii metalelor sunt componen ţi obligatorii ai apelor naturale. În funcţie de condiţiile mediului (pH, potenţial de oxido-reducere, etc), ei există în diferite stări de oxidare şi intră în compoziţia diferiţilor compuşi anorganici şi organo-metalici. Proprietăţile catalitice ale metalelor ca şi permeabilitatea pentru microorganismele acvatice depind de formele de existenţă ale acestora în ecosistemul acvatic. Trecerea metalelor din mediul acvatic în forma metal-complexă are trei urmări: 1. poate avea loc creşterea concentraţiei totale a ionilor metalici pe seama trecerii lor în soluţie din depunerile de fund; 2. permeabilitatea membranară a ionilor complecşi se poate deosebi esen ţial de permeabilitatea ionilor hidrataţi; 3. în urma formării complecşilor, toxicitatea metalelor se poate schimba radical. Poluarea chimică poate fi cronică, accidentală sau difuză. Originile acesteia pot fi : insuficienţa epurării apei reziduale în staţia de epurare sau absenţa totala a acesteia, spalarea solului de apele meteorice, etc. ăş

ă

ă a apelor afectează biocenoza în mod diferit, după natura agentului Poluarea chimic contaminat. Astfel, sărurile de cupru şi cromaţii sunt toxice pentru alge. Fitoplanctonul este puternic afectat de numeroase pesticide, mai ales de erbicide. Detergen ţii sintetici sunt foarte toxici pentru flora microbiană a apelor.

47

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Poluarea apelor cu metale grele, mai ales cu mercur, care atinge o mare acumulare pe lantul trofic, ridică, de asemenea, probleme grave. Ansamblul consecin ţelor ecologice ce rezultă din poluarea biosferei cu mercur constituie un semnal de alarmă impunându-se stoparea comportamentului iresponsabil al civilizaţiei industriale cu privire la calitatea apei. Exemple de curs: a. Poluarea apei cu mercur Mercurul se prezintă sub două forme: organică şi anorganică. Sub forma anorganică poate fi în stare solidă sau gazoasă. În stare solidă, mercurul metalic, nu este toxic. În stare gazoasă , mercurul poate fi inhalat şi poate afecta sistemul nervos sau rinichii. Acest tip de intoxicaţie priveşte, în general, populaţia din exploatări. Mercurul organic sau metilmercurul, priveşte, în schimb, populaţia în general, deoarece poate fi ingerat pe cale alimentară (în special din produsele din peşte). În această formă si pentru acest tip de expunere chimică , mercurul este neurotoxic putând provoca dereglări ale echilibrului şi mersului, diminuarea acuităţii auditive şi vizuale. La copii se pot observa retardări psihomotorii şi statură ponderală.

Sursa: CNRS – Boudou et At.

Fig. 4.6. Ciclul mercurului

c. Poluarea apei potabile cu Arsenic Arsenicul este un element natural foarte răspândit în scoarţa terestră. Este prezent în anumite rezerve de apă potabilă (puţuri). Concentraţii mari de arsenic pot avea efecte nedorite asupra sănătăţii populaţiei. Expunerea prelungită la concentraţii mari de arsenic în apa potabilă , de-a lungul unui număr mare de ani, poate provoca o decolorare a pielii, enterocolite, scăderea producţiei de celule sangiune, aritmie cardiacă , deteriorarea vaselor de sânge, erupţii cutanate, etc. Arsenicul nu are nici gust nici miros putând fi depistat numai în urma probelor de laborator. Arsenicul se poate infiltra în mod natural în apele lacurilor, râurilor sau în apele subterane când acestea intră în contact cu depozite minerale si roci care îl conţin. O altă cale de infiltrare a acestuia în ape se datoreaz ă particulelor de praf cu conţinut de arsenic 48

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb care ajung în apă datorită ploii sau ză pezii, a deversării deşeurilor industriale. Particulele cu conţinut de arsenic pot fi rejectate în mediu prin: arderea combustibililor fosili (în special carbune), activităţi extractive (de exemplu aur sau metale comune), activităţi agricole în care se folosesc pesticide sau aditivi alimentari pentru hrana animalelor, incinerarea de şeurilor. Fie că aceste substanţe toxice sunt depuse pe sol sau eliberate în aer sau ap ă, ploaia le readuce în apa de suprafaţă, transformându-se în componente derivate mai toxice. Acţiunea reziduurilor toxice poate persista luni sau chiar ani. Studierea experimentală a formelor metalice existente în apele naturale întîmpină mari greutăţi din cauza concentraţiilor absolute mici şi a marii diversităţi a formelor lor complexe. Diferitele metode de analiză au sensibilităţi diferite şi un grad diferit de selectivitate. Unele metode (absorbţie atomică, analiză spectrală de emisie, activare cu neutroni) permit măsurarea concentraţiei totale a metalului. Altele (polarografice, poten ţiometrice, cinetice) determină concentraţia unor forme ale ionilor metalici necomplexaţi. De aceea, la analiza metalelor din apele naturale se folose şte un ansamblu de metode diferite. Probele de ap ă analizate sunt supuse unor moduri diferite de prelucr ări fizico-chimice cu scopul de a concentra sau de a separa formele de metale în suspensii coloidal-dispersate şi real dizolvate. Pentru om, poluarea bacteriană este cea mai periculoasă, fiind urmată de cea chimică. Peştii pot muri din cauza tuturor tipurilor de poluare, dar majoritatea cazurilor mortale sunt provocate de lipsa oxigenului dizolvat în ap ă şi datorită pesticidelor şi a reziduurilor toxice. 4.3 Autoepurarea apelor de suprafaţă Într-o anumita măsură, apele au capacitate de purificare natural ă, denumită impropriu autoepurare sau autopurificare, şi definită prin “capacitatea pe care o are apa natural ă de a neutraliza impurităţile ajunse în ea şi de a restabili echilibrul ecologic existent anterior impurificării”. Fiecare proces, considerat separat în rolul de autoepurare a mediului acvatic, depinde de natura impurităţilor. Impurităţile pot fi împărţite în 3 grupe: ţe conservatoare, care nu se descompun sau se descompun foarte lent în Substanător. mediul 1.înconjur Ele sunt reprezentate de ioni metalici, s ăruri minerale, compuşi hidrofobi de tipul pesticidelor clororganice, hidrocarburilor din petrol. În această grupă de impurităţi pot fi incluşi şi radionuclizii. Micşorarea concentraţiei de substanţe conservatoare în mediul acvatic are loc datorită proceselor fizice de transport de substanţă, proceselor fizico-chimice de formare de complecşi, sorbţiei şi acumulării biologice. Autoepurarea are un caracter aparent deoarece au loc doar repartizarea şi împrăştierea impurităţilor în mediul ambiant. 2. Substanţe biogene ce iau parte la circuitul biologic a şa cum sunt formele minerale ale azotului şi fosforului, compuşi organici uşor asimilabili. În acest caz autopurificarea mediului acvatic are loc pe seama proceselor biochimice. 3. Substanţe dizolvate în apă şi care nu sunt incluse în circuitul biologic , deseori toxine de provenienţă industrială sau agricolă. Autopurificarea mediului acvatic de aceste substanţe se realizează prin transformarea lor chimică şi microbiologică. În general, diferite substanţe poluante iau parte la totalitatea proceselor de transport de masă şi la cele de transformare.

ă prin: Autopurificarea se realizeaz - procese fizice: diluare, amestec, difuzie, sedimentare, coagulare, dizolvarea de oxigen, degajare de gaze în aer, influenţate şi de radiaţia solară IR şi UV, temperatura apei; - procese chimice: neutralizare, oxidare, reducere, floculaţie, precipitare, adsorbţie, absorbţie, descompunere fotochimică;

49

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb - procese biologice: prin biocenoza proprie ce concureaza elementele straine, fie direct, prin actiune litica (bacteriofagi), filtrare (scoicile), consum (de catre protozoare) sau secretia de substante toxice pentru “intrusi” (actinomicetele); - procese biochimice- în cadrul ciclurilor azotului, sulfului şi carbonului, pe baza activităţii microorganismelor specifice (bacterii, fungi). Acestea sunt mult influen ţate de diverşi factori, cum sunt pH, însorirea, saturaţia în oxigen, temperatura. Aceasta din urmă acţionează conform legii lui Vant’ Hoff : descompunerile se dublează la creşterea cu 10oC. Autoepurarea este influenţată negativ de curgere lentă şi neturbulentă, de temperaturi prea joase sau prea înalte ale apei, de concentraţii prea mari de toxice, de spume sau substanţe ce formează pelicule la suprafaţa apei etc. Esenţială este oxigenarea apei, care se face exogen (dizolvarea oxigenului atmosferic: cele linistite preluând 1,4 mg oxigen/zi/m2, cele ce curg foarte turbulent însa chiar 50 mg oxigen/zi/m2) şi respectiv endogen (prin fotosinteza: 1 m3 de alge poate da ziua la temperatura optimă 23 g de oxigen zilnic. Acesta este factorul limitant care la eutrofizarea apei poate duce la catastrofă prin creşterea exagerată a consumului de oxigen peste nivelul aportului posibil endogen sau exogen. Dintre fenomenele care intervin în timpul autoepurăriimcursurilor de apă, cele mai importante sunt: diluţia, amestecul şi mineralizarea. Diluţia sau gradul de diluţie d, este reprezentată de raportul dintre debitul emisarului Q şi debitul apelor uzate q deversate. Q d= q Diluţia poate fi luată în calcul numai în cazul unui amestec complet al celor două ape. Amestecul complet se realizează numai după un anumit timp, respectiv la o anumit ă distanţă faţă de secţiunea de evacuare a apei uzate. În cazul unui amestec complet, cantitatea de materie de un anumit tip (suspensii, substanţe toxice, etc.) se determină cu ecuaţia: C ⋅Q + c ⋅ q am C = Q+q , unde, Cam este concentraţia medie de materie în apa amestecată (emisar +ape uzate); C-concentraţia medie de materie în apa emisarului; c- concentraţia medie de materie în apa uzată; Q – debitul emisarului; q-debitul apelor uzate. Amestecul se datorează, în cea mai mare parte, turbulenţei apei, realizându-se pe distanţe mai scurte cu cât gradul de diluţie este mai mic. Pentru realizarea unui amestec complet rapid şi pe distanţe cât mai scurte, se folosesc instalaţii de dispersie a apei. În cazul unui amestec incomplet se determin ă diluţia reală d’ sau gradul de diluţie în secţiunea de evacuare. Q d' = a⋅ . q Coeficientul de amestec a se determină cu formula lui Rodziler: 3 1 − e −α L a= Q −α 3 L 1+ q e în care: L- este distanţa între secţiunea de evacuare a apelor uzate şi secţiuneade calcul; α – este un coeficient care ţine seama de condiţiile hidraulice de amestec. După V.A. Frolov, coeficientul α se determină cu formula: 50

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb DT , q unde: ξ este un coeficient ce ţine seama de modul de evacuare a apei uzate: ξ = 1 pentru evacuări concentrate, ξ = 1,5 pentru evacuări în zona de viteză maximă a emisarului, ξ = 3 pentru evacuări cu instalaţii de dispersie; L ϕ= coeficientul de sinuozitate a râului (L distanţa dintre secţiunea de evacuare a l apei uzate şi secţiunea de calcul, l distanţa dintre aceleaşi secţiuni in linie dreaptă); α

= ξ ⋅ϕ ⋅ 3

DT = V200 ⋅ H , coeficient de difuzie turbulent ă (V- viteza medie a cursului de apă în zona considerată,[m/s]; H – adâncimea medie a cursului de ap ă în zona considerată,[m] ). 3 -Termenul e −α L se determină tabular în funcţie de α 3 L . Rezolvând ecuaţia lui Rodziler în raport cu distan ţa L, se poate determina distanţa dintre secţiunea de evacuare şi o secţiune oarecare corespunzătoare unui anumit grad de amestec, numită distanţă de amestec, La. 3 ⎡ 1 a ⋅Q + q⎤ La = ⎢2.3 lg . ⎥ ⎣ α (1 − a )q ⎦ Distanţa de amestec complet se doreşte a fi cât mai mic ă, deoarece apa uzată poate forma benzi în lungul emisarului dând un aspect neplăcut, împiedicând şi îtârziind procesul de autoepurare. Rodziler consideră că pentru practică este suficient dacă se consideră a=0.70.8 si nu a=1 pentru amestec complet. 4.4. Managementul apelor de suprafaţă ă, planificată şi În probleme de apă, orice decizie, discutat implementat ă interdisciplinar, astfel încât lucrare, să aibăinvesti valenţţie e ştrebuie i beneficii multiple pentru o gestiune durabilă a resurselor de apă. Prin urmare, se impune trecerea la o abordare a problemelor de apă pe criterii ecologice şi pe analize multidisciplinare, pe termen lung, cu obiectiv principal dezvoltarea durabilă şi protecţia resurselor. Managementul calităţii apei, de la disciplină cândva pur tehnică, devine una tot mai socială şi politică. Modul cum o societate abordeaz ă politicile de apă este o oglindă fidelă a proceselor politice, culturale şi economice din sânul acelei societăţi. Astfel, societăţile "în curs de dezvoltare" văd măsurile legate de ape ca şi consecinţe a altor măsuri (de dezvoltare a căilor de transport, irigaţii, asigurare apă pentru industrie etc.), pe când societăţile dezvoltate pun problemele apei pe prim plan, cu accent pe sănătatea umană, recreere, biodiversitate şi integritatea ecosistemelor, şi consideră ca derivând de aici restul inclusiv dacă şi ce folosinţe / amenajări s-ar mai putea face...

 

4.4.1 Măsuri de protecţie şi refacere a calităţii apelor de suprafaţă Creşterea calităţii apei unui râu o putem obtine prin: tehnici nestructurale (stoparea poluării, modificări în legislaţie, standarde, educaţie, schimbarea regimului de uzinare zoneloralbie; umede etc.) tehnici structurale : garduri, pazîn ă, hidrocentrale; deflexie curenrefacerea ţi, remodelare manipularea vegetaţiei şi substanţelor organice etc.

51

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Prevenirea poluării nu se face numai prin evitarea ajungerii în ape a anumitor poluanţi, ci şi prin menţinerea apelor într-o formă cât mai naturală şi sănătoasă, cu capacitate intactă de epurare naturală.

4.4.2 Monitorizarea calităţii apelor de suprafaţă Proiectarea şi obiectivele sistemului de monitorizare Sistemul de monitorizare a calit ăţii apei este un subsistem al sistemului general de monitorizare a mediului. Pentru dezvoltarea unui astfel de sistem se realizeaz ă un studiu ale cărui elemente principale sunt: - stabilirea obiectivelor monitorizării; - descrierea zonei ce va fi supusă monitorizării ; - tipul de informaţii necesare şi modul de obţinere a acestor informaţii (variabilele care vor fi măsurate, tipuri probe, locul de recoltare, amplasare senzori pentru măsurări automate etc.) ; - frecvenţa de recoltare a probelor şi timpul necesar efectuării analizelor off-line ; - estimarea necesarului de resurse (umane, financiare etc.) ; - planuri, proceduri şi metode pentru controlul calităţii şi pentru situaţii de urgenţă; Monitorizarea calităţii apei se efectuează pentru a verifica dacă aceasta este potrivită pentru utilizare (apă potabilă, apă pentru irigaţii, apă industrială etc.) şi în al doilea rând pentru aprecierea impactului asupra mediului (a şa-numita monitorizare-impact). Monitorizarea calităţii apei este un proces de analiz ă, interpretare şi comunicare către factorii decizionali şi către populaţie a proprietăţilor fizico-chimice, biologice şi microbiologice ale apei. Sistemul de monitorizare trebuie să fie flexibil şi adaptat în funcţie de necesităţile locale, naţionale sau globale. Informaţiile obţinute prin intermediul sistemului de monitorizare trebuie să răspundă la o serie de întrebări, cum ar fi: - care sunt cerinţele utilizatorilor pentru calitatea şi cantitatea apei? - sunt respectate standardele stabilite pentru calitatea şi cantitatea apei? ţată de procesele naturale? -- în ceeste modcapacitatea calitatea apei care apeieste de influen asimilare a reziduurilor fără a depăşi nivelul admis de poluare? - deşeurile descărcate (deversate) de către diverse unităţi sunt în limitele prestabilite sau în locurile prestabilite? - care sunt variabilele fizice, chimice sau biologice care fac apa nepotrivită pentru utilizare? - care sunt limitele peste care anumite substan ţe devin toxice pentru om sau pentru celelalte fiinţe vii? - deşeurile din apa monitorizată sunt biodegradabile? Care este intervalul de timp necesar descompunerii? - există măsuri de control pentru prevenirea polu ării sau îmbunătăţirea calităţii apei? Acestea au efectul scontat ? - care sunt tendinţele de modificare a calit ăţii apei (în sens pozitiv sau negativ) în func ţie de modificarea activităţii umane din zona monitorizat ă? - cum se modifică sănătatea omului ca urmare a calităţii scăzute a apei? - care sunt efectele pe care poluarea apei le are asupra celorlalte fiinţe vii?

4.4.3. Sisteme Informatice de Supraveghere a Mediului În funcţie de informaţiile disponibile, anumite sisteme şi programe de monitorizare sunt concepute pentru a funcţiona pe termen lung şi pentru a oferi un volum larg de rezultate, altele sunt concentrate pe un singur obiectiv şi pentru o perioadă scurtă de timp. Pentru a 52

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb oferi claritate şi eficienţă unui sistem de monitorizare, este necesară precizarea obiectivelor de monitorizare. Obiectivele pot fi generale, fără o detaliere iniţială a sub-obiectivelor, sau detaliate. Pentru a stabili obiectivele unui sistem de monitorizare a calit ăţii apei trebuie să fie precizate următoarele:  locul de realizare a monitorizării  scopul realizării monitorizării: pentru informaţii de bază, de planificare, informaţii operaţionale, de management, pentru elaborarea de standarde, pentru depistarea surselor de poluare  care sunt informaţiile privind calitatea apei pentru fiecare folosinţă a apei;  care sunt variabilele ce trebuie măsurate şi cu ce frecvenţă  care sunt resursele umane şi financiare necesare pentru monitorizare şi cine este responsabil pentru fiecare element sau subsistem al sistemului de monitorizare;  cui sunt destinate datele şi informaţiile obţinute prin monitorizare şi cum vor fi folosite aceste date (pentru decizii de control al poluării, pentru elaborare de standarde, pentru avertizare – alarmare, pentru completarea bazei de cuno ştinţe) Obiectivele specifice ale unui sistem de monitorizare sunt:  identificarea condiţiilor fundamentale care trebuie respectate în ecosistemul respectiv;  detectarea semnelor de deteriorare a calit ăţii apei ;  localizarea maselor de apă din ecosistemul supravegheat care nu îndeplinesc standardele privind calitatea apei ;  identificarea zonelor contaminate  estimarea concentraţiei şi cantităţii de poluanţi preluată de către ecosistemul monitorizat ;  determinarea dispersiei şi a efectelor unui anumit poluant sau de şeu evaluarea metodelor de control al calităţii apei  dezvoltarea şi completarea continuă a standardelor de calitate a apei  

ţiei şi regulamentelor privind reziduurile şi poluarea apei dezvoltarea dezvoltarea legisla şi implementarea unor programe de avertizare-alarmare în caz de poluare şi a unor programe şi metode de control al poluării . Actualmente sunt în plină dezvoltare sistemele de monitorizare cu mai multe obiective, care converg către programe de monitorizare na ţionale, care trebuie să ţină seama de modul actual şi de perspectivă de utilizare a apei la nivel naţional, de surse de poluare actuale şi de perspectivă, de modalităţi globale de control al poluării, de condiţiile geologice şi de categoriile de apă etc. Aceste programe de monitorizare na ţionale sunt înglobate la rândul lor în programe internaţionale.

Zona de monitorizare, prelevarea probelor, variabile monitorizate a. Zona de monitorizare Pentru dezvoltarea şi implementarea sistemului de monitorizare trebuie, în primul rând, realizată o descriere a zonei pentru care se doreşte monitorizarea calităţii apei. Zona de monitorizare trebuie să fie suficient de clar precizată prin:  precizarea coordonatelor geografice ale zonei, a limitelor şi vecinilor;    

ţiile de mediu existente în zon ă, precum şi cu procesele realizarea studiucare cu condi naturale şiunui antropice pot afecta calitatea apei; descrierea categoriilor şi maselor de apă din zonă; strângerea de informaţii meteorologice şi hidrologice ale zonei respective; modul de utilizare ale apelor din zona monitorizată (potabilă, industrialăetc.) .

53

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Zona sau aria de acoperire este suprafa ţa pe care apa curge spre un anumit curs de apă. În cazurile în care cursul de apă principal este foarte întins, aria de acoperire se împarte pe zone mai mici. Aria de acoperire împreun ă cu cursul principal formează o unitate distinctă din punct de vedere hidrologic şi economic, unitate care este luată în calcul pentru monitorizarea calităţii apei şi pentru managementul resurselor de apă. Pentru descrierea ariei de acoperire trebuie precizată (măsurată) suprafaţa acesteia şi trebuie realizată localizarea geografică. Condiţiile de mediu din zona de acoperire trebuie analizate şi descrise în detaliu, deoarece au o mare influen ţă asupra apei. Interesează îndeosebi structura solului şi a rocilor, vegetaţia terestră şi acvatică, fauna, forma terenului, distanţele faţă de mare sau ocean, clima, distanţa fa ţă de activităţile umane etc. Informaţiile meteorologice şi hidrologice se referă la regimul precipitaţiilor din bazinul hidrografic respectiv, la amplasarea hidrocentralelor sau staţiilor de epurare, la viteza şi debitul de curgere al râurilor din bazin etc. Informaţiile referitoare la masele de apă sunt deosebit de utile pentru sistemul de monitorizare. Trebuie realizată o descriere a lacurilor din bazinul hidrografic: mod de formare, suprafaţă, adâncime, volum, compoziţie, surse de alimentare, puncte de deversare a reziduurilor (permanente sau posibile – accidentale). Informaţiile despre râuri şi pârâuri se referă la lungime, traseu, adâncime, tipul rocilor albiei, profilul albiei etc. (harta tridimensională a bazinului hidrografic). De asemenea, sunt utile informaţiile despre construcţii (baraje, diguri, lacuri de acumulare), drumuri şi căi ferate. Modul de utilizare al apei din zona de monitorizare trebuie precizat prin indicarea folosinţelor de apă potabilă, pentru irigaţii, industrială etc. Acestea constituie ieşiri de apă din sistem şi trebuie calculată sau estimată cantitatea de apă precum şi calitatea necesară. Prelevarea probelor După realizarea unei analize sistematice a zonei de monitorizare (care face obiectul unui raport detaliat) trebuie alese punctele de măsurare a calităţii apei – punctele de prelevare a probelor. Punctele de prelevare sunt folosite fie pentru recoltare de probe pentru analize offline, fie sunt dotate cu senzori pentru o supraveghere on-line, automată, a calităţii apei. Alegerea punctelor de prelevare se face prin selectarea zonei sau secţiunii de prelevare (secţiune transversală prin bazin) şi apoi prin stabilirea punctului sau sta ţiei din secţiunea de prelevare. Alegerea punctelor de prelevare se face în funcţie de obiectivele sistemului de monitorizare. Prelevarea probelor se poate face pentru:  evaluarea calităţii apei într-un bazin de recepţie,  determinarea capacităţii unui curs de apă sau lac pentru utilizarea în agricultură sau pentru pescuit,  determinarea capacităţii unui curs de ap ă pentru aprovizionarea cu ap ă potabilă, pentru sporturi nautice etc.,  evaluarea impactului exploatării solului asupra calit ăţii apei,  studiul efectelor produse de deversări de deşeuri,  studiul efectelor produse de lucrările de hidroamenajare etc. Selectarea punctelor (staţiilor) de prelevare a probelor se face în mod distinct pentru râuri, lacuri şi ape subterane. Punctele de prelevare a probelor de pe râuri se amplaseaz ă în ă ă, iar gradul de omogenitate este verificat prin măsurarea temperaturii locurile şi altor cu măap rimiomogen caracteristice. De regulă, podurile sunt folosite ca puncte de prelevare deoarece sunt uşor de identificat şi reprezintă şi centre de măsurare hidrologică (pentru cotele apelor). Pentru stabilirea punctului de prelevare se fac mai multe măsurători în jurul punctului (în plan orizontal şi pe verticală) şi se realizează o medie pentru verificarea omogenităţii.

54

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Pentru lacuri (naturale sau de acumulare) trebuie realizate studii preliminare care s ă ateste corectitudinea punctelor de prelevare alese – din punct de vedere al omogenit ăţii în plan orizontal şi îndeosebi pe verticală. O mare importanţă o are stratificarea termică a lacului respectiv, care apare atunci când există o diferenţă mare de temperatură între apa de la suprafaţă şi cea de la fundul lacului. Probele trebuie prelevate la 1 m sub suprafaţa apei şi la 1 m deasupra sedimentului de pe fundul lacului, iar în cazul stratificării termice sub şi deasupra stratului de schimb termic (eventual chiar mai multe puncte de prelevare pe vertical ă). Punctele de prelevare pentru apele subterane sunt amplasate în locurile unde accesul este posibil, în special la izvoarele din acvifer sau prin utilizarea unor foraje de sondă.

b). Recoltarea probelor de ape reziduale Apele reziduale sunt apele rezultate în urma folosirii apei în diverse scopuri, gospodăreşti sau industriale. Ele sunt principala surs ă de poluare a apelor naturale, prin evacuarea lor în receptori. Apele reziduale se caracterizează prin aceeaşi indicatori fizico-chimici ca şi apele de suprafaţă, indicatorii specifici caracterizării apelor reziduale fiind raportaţi la numărul de locuitori şi zi. Compoziţia apelor reziduale depinde de provenienţa acestora şi, în funcţie de aceasta se clasifică în ape reziduale menajere şi ape reziduale industriale. Datorită caracteristicilor fizico-chimice şi biologice diferite, evacuarea apelor uzate industriale în reţeaua de canalizare orăşenească sau în receptori este, într-o oarecare măsură, diferită de cea a apelor uzate orăşeneşti. Apele reziduale menajere provin din satisfacerea nevoilor gospodăreşti de apă ale centrelor populate (a nevoilor gospodăreşti zilnice ale locuitorilor), a nevoilor igienicosanitare şi social administrative ale unit ăţilor industriale mici. Apele reziduale menajere au o compoziţie relativ constantă, dependentă orar de activitatea umană. Valorile medii ale caracteristicilor specifice ale apelor uzate menajere sunt date în tabelul 4.1 [10]. Tabelul 4.1. Compoziţia apelor reziduale menajere Caracteristici

g/loc.zi

mg/l

Substanţe solide totale: - substanţe minerale - substanţe volatile Suspensii sedimentabile: - minerale - volatile Suspensii sedimentabile: (plutitoare)

250 105 145 54 15 39 36

655 275 380 140 40 100 95

- minerale - volatile Substante dizolvate - minerale - volatile

10 26 160 80 80

25 70 420 210 210

Consumul biochimic de oxigen (CBO5) Consumul chimic de oxigen (CCO)

54 57

140 150

55

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Pentru a stabili compoziţia apelor reziduale industriale, în vederea unei proiectări judicioase a staţiilor de epurare / pre-epurare industriale, se impune cunoaşterea procesului tehnologic industrial, ceea ce conduce la stabilirea srcinii şi a caracteristicilor calitative ale apelor reziduale. Recoltarea probelor de apă este o etapă foarte importantă a procesului de analiză fizico-chimică a apei. Probele de apă recoltate trebuie să fie reprezentative şi nu trebuie să introducă modificări în compoziţia şi calităţile apei de analizat. Conform normativelor în vigoare, probele de apă uzată sau din emisari trebuie recoltate şi prelucrate în anumite condi ţii. Rezultatele obţinute trebuie să fie corespunzătoare scopului urmărit şi, în acelaşi timp, să poată fi comparabile cu cele obţinute în alte staţii sau puncte pe emisari. Recoltarea probelor de apă începe prin cercetarea:  provenienţei surselor de ap ă;  stadiului canalizării;  eficienţei instalaţiilor;  variaţiei caracteristicilor acestor ape pe ore, zile, zone, în func ţie de infiltraţii, diluţii, ploi, etc. Trebuie să se ia în considerare faptul că apele de suprafaţă conţin particule plutitoare, că la adâncime conţin în mod deosebit substan ţe decantabile, relativ mai grele şi c ă, dacă apa nu este recoltată cu grijă, se poate introduce în probe aer, care modifică substanţial rezultatele probelor. Din aceste considerente, modul în care se face recoltarea probelor este în func ţie de sursa de apă. Astfel vom avea următoarele reguli de prelevare: din reţeaua de distribuţie, apa se recoltează după ce s-a curăţat robinetul cu un  tampon curat, atât pe dinafar ă cât şi pe dinăuntru şi apoi s-a lăsat să curgă aproximativ 5 minute apa stagnată pe conductă. În cazul distribuţiei intermitente, o probă se va recolta la primul jet de apă, pentru a avea prima apă care circulă prin robinet, iar a doua probă se va lua ă două ore de curgere continuă. dup  din rezervoarele de înmagazinare, probele se vor recolta de la punctele de ieşire;

 din fântâni cu extragerea apei prin pompare, probele de ap ă se recoltează după o pompare de minimum 10 minute;  din fântâni cu g ăleată, recoltarea se face introducându-se g ăleata la 10-30 cm sub oglinda apei şi apoi se toarnă apă în flaconul de recoltare; din apele de suprafaţă, recoltarea se face fixând flaconul la un suport special care i conferă greutatea necesară pentru a pătrunde cu uşurinţă sub nivelul apei. Recoltarea se face pe firul apei, unde este cea mai mare adâncime, în amonte de orice influenţă a vreunui efluent şi în aval, în punctul în care se realizează amestecul complet al apei receptorului cu efluentul. Locul cel mai indicat pentru recoltarea probelor din emisari se găseşte, pe verticală, la 10-15 cm sub suprafaţa apei, unde, datorită vitezei mai mari a acesteia, calitatea ei este omogenă. Pentru a asigura posibilitatea corel ării calităţii cu cantitatea, se recomandă ca punctele de recoltare s ă fie dispuse în apropierea posturilor hidrometrice.  pentru apele reziduale se recoltează probe unice, medii şi medii proporţionale. a). Pentru probele unice se face o singură recoltare, fie din efluentul general, fie din efluenţii parţiali ai unui sector sau ai unei instituţii pentru apele fecaloid menajere.

b) Probe medii. Într-un anumit punct de recoltare, atâtsecantitatea, câtă şsiă calitatea apei poate avea, uneori varia ţii foarte mari, motiv pentru care recomand se ia probe momentane din oră în oră (chiar mai des dacă este necesar), timp de 24 de ore. Aceste probe trebuie să fie proporţionale cu debitul şi să se păstreze într-un vas mare, de unde, la finele recoltării, se iau cantităţile de apă necesare fiecărei determinări. Probele momentane 56

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb trebuie să aibă cel puţin 250 cm3 şi să fie recoltate manual sau automat cu ajutorul unui dispozitiv, care recoltează probe proporţionale cu debitul. Apa uzat ă din vas va constitui o probă medie. Pentru a împiedica apariţia fenomenelor de descompunere a substan ţelor organice este necesar ca vasul să fie ţinut la o temperatură scăzută, deoarece calitatea apei uzate, colectate în vas, poate varia în timpul celor 24 de ore. În acelaşi sens se pot folosi inhibitori (cloroform, formaldehidă, etc). c) Probe medii proporţionale. Câteodată sunt suficiente şi probe medii, pe 8 ore – perioadă în care apa, respectiv substanţele organice, nu încep să se descompună. Numărul de recoltări se stabileşte de la caz la caz.  în staţiile de epurare trebuie să se ia probe de apă, atât la intrarea, căt şi la ieşirea din fiecare instalaţie. În staţiile mici, probele se iau numai la intrarea şi ieşirea din staţie. Vasele pentru recoltarea probelor trebuie să fie din sticlă, iar cantitatea de apă uzată, necesară analizelor trebuie să varieze – în general - între valorile 1-2 dm3. Majoritatea determinărilor pot fi efectuate în laboratoarele de analiză, chiar dacă acestea se gasesc la distan ţe mari faţă de staţia de epurare sau de punctul de recoltare. Unele determinări trebuie făcute la locul de recoltare (exemplu: temperatura, transparenţa, pH-ul, culoarea, gustul, CO2 liber, fixarea oxigenului etc). La recoltarea probelor trebuie să se acorde o atenţie deosebită normelor de protecţia muncii, pentru prevenirea unor accidente: căderi de la înălţime, înec, loviri la manipularea capacelor, asfixieri, intoxicări etc. În scopul evitării acestor accidente se vor folosi materiale de protec ţie adecvate: colaci de salvare, centuri de siguran ţă, mănuşi de protecţie, măşti de gaze, etc. c). Variabile monitorizate Pentru realizarea sistemelor de monitorizare trebuie fixate anumite variabile care vor fi măsurate şi care vor permite calculul unor indicatori specifici şi comparaţii cu valorile permise ale acestora. Mediile utilizate pentru monitorizare sunt apa, materia sub formă de şi organismele vii din apă. Calitatea apei şi a particulelor se stabileşte prin metode particule fizico-chimice, iar organismele vii se analizează prin diverse metode specifice. Apa este cel mai utilizat mediu pentru monitorizare. Organismele vii sunt frecvent utilizate pentru evaluarea toxicităţii apelor poluate şi pentru monitorizarea chimică a substanţelor poluante. Calitatea apei poate fi apreciată în funcţie de obiective prin utilizarea câtorva variabile sau a unei combinaţii de peste 100 de variabile, dar pentru obiectivele curente se folosesc aproximativ 25 de parametri fizici, chimici şi biologici. Aceste variabile sau combinaţii ale acestora se mai numesc indicatori de calitate, şi au anumite valori permise în funcţie de destinaţia apei (potabilă, irigaţii, industrii specifice). Pentru monitoringul mediului, la nivel mondial există “Monitoringul de fond global integrat al poluarii mediului” - IGBM şi “Sistemul global de monitoring al mediului” GEMS. Primul se ocupă de monitoringul de fond (înainte de intervenţia poluării) iar al doilea de monitoringul de impact (dupa interven ţia poluării). Componenta GEMS pentru ape a fost lansată în 1977, cuprinzând peste 300 de staţii de monitorizare raspândite în toata lumea. GEMS are norme şi monitorizeaza zeci de parametri de calitate a apei, pentru diverse categorii de apă, inclusiv unii cum sunt clorofila, borul, hidrogenul sulfurat, molibdenul, vanadiul, numeroşi compuşi organici care nu sunt analiza ţi de rutină în multe tări. ă Naţional global monitoring al mediului GEMSÎn România functioneaz ării mediului IGBM-RO, cu RO şi Monitoringul Naţional deSistemul fond global integrat al de polu subsisteme pentru aer, apa şi sol. Pentru apă, există la noi în ţară “secţiuni de referinţă”, dar pâna în prezent nu sunt puse în funcţiune staţii de monitoring de fond, ceea ce îngreuneaz ă evaluările impactului.

57

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb În cadrul Monitoringului Naţional al Calităţii Apelor, se urmăreşte, prin Compania Naţională “Apele Române”, calitatea apelor de suprafaţă pe peste 300 de sec ţiuni de control de ordinul I: 65 de secţiuni în flux informaţional rapid (zilnic) iar în flux informa ţional lent pe peste 250 de secţiuni de ordinul I (analize lunare) şi un mare numar de secţiuni de ordinul II. Diferite analize legate de calitatea apelor de suprafaţă mai fac multe alte instituţii. Totalitatea datelor legate de ape constituie “Fondul naţional de date de gospod ărire a apelor”. Poluatorii mari sunt obligaţi să îşi facă automonitorizare şi în plus sunt controlaţi de Compania Naţională "Apele Române". Acest lucru nu este uşor de facut. De aceea în alte ţări s-au imaginat tot felul de procedee. Unul este de a obliga poluatorul s ă ia des, chiar de mai multe ori pe zi, probe de apă pe care să le conserve / congeleze şi să le p ăstreze neprelucrate mai multe saptamâni. În caz de nevoie se pot atunci face multe analize retroactiv (nu chiar toate, c ăci unii parametri se modifică ) şi mai ales poţi să le faci specific, stabilind concentra ţii, evoluţii etc. care altfel ar fi imposibil de stabilit deoarece a lua şi prelucra exhaustiv asa des probe de apa e economic imposibil. În afară de anchetarea în detaliu a unei (posibile) poluări se poate face şi analiza aleatoare din acel stoc de probe. Evaluarea calităţii apei se face prin prisma indicatorilor organoleptici, fizici, chimici, de radioactivitate, biologici (de eutrofizare) si microbiologici. Valorile admise sunt prezentate în continuare: Tabelul 4.2: Categorii si conditii tehnice de calitate pentru apele de suprafata cursuri de apa în situatie naturala sau amenajata, lacuri naturale si lacuri de acumulare (după STAS 4706 / 88 ) Indicatorul

Simbol

UM

Categorii I

de II

calitate III

Indicatori organoleptici

Culoare

fara culoare fara culoare fara culoare

Miros Indicatori fizici

fara miros fara miros fara miros

pH Indicatori chimici generali

Amoniu Amoniac Azotati Azotiti Calciu Clor Cloruri Bioxid de carbon liber Fenoli antrenabili cu vapori de apa Fier total Fosfor Hidrogen sulfurat si sulfuri Magneziu Mangan Oxigen dizolvat Produse petroliere Reziduu filtrabil uscat la 105 o C

unitati pH NH 4 + mg/dm3 NH 3 mg/dm3 NO 3 - mg/dm3 NO 2 - mg/dm3 Ca 2+ mg/dm3 Cl 2 mg/dm3 Cl mg/dm3 CO 2 mg/dm3 C 6 H 5 mg/dm3 OH Fe 2+ mg/dm3 P mg/dm3 S 2+ mg/dm3 3

Mg Mn 2+ 7+ O2

mg/dm mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 58

6.5 - 8.5 1 0.1 10 1 150 0.005 250 50 0.001

3 0.3 30 3 200 0.005 300 50 0.02

10 0.5 nenormat nenormat 300 0.005 300 50 0.05

0.3 0.1 lipsa

1 0.1 lipsa

1 0.1 0.1

50 0.1 6 0.1 750

100 0.3 5 0.1 1000

200 0.8 4 0.1 1200

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Sodiu Consum biochimic de oxigen Consum chimic de oxigen - metoda cu permanganat de potasiu Consum chimic de oxigen - metoda cu bicromat de potasiu Sulfati

Na + mg/dm3 CBO 5 mg/dm3 CCOMn mg/dm3

100 5 10

200 7 15

200 12 25

CCOCr

mg/dm3

10

20

30

SO 4 2-

mg/dm3

200

400

400

mg/dm mg/dm3 mg/dm33 mg/dm mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3

0.01 0.01 1 0.003 0.01 1 0.5 0.05 0.05 0.5 0.5 0.0002 0.001 0.05 0.1 0.05 0.01 0.03

0.01 0.01 1 0.003 0.01 1 0.5 0.05 0.05 0.5 0.5 0.0002 0.001 0.05 0.1 0.05 0.01 0.03

0.01 0.01 1 0.003 0.01 1 0.5 0.05 0.05 0.5 0.5 0.0002 0.001 0.05 0.1 0.05 0.01 0.03

mg/dm mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3 mg/dm3

0.001 0.001 0.001 0.0001 lipsa lipsa lipsa

0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.0001 0.0001 lipsa lipsa lipsa lipsa lipsa mg/dm lipsa

conform

normelor

număr probabil / dm 3

100000

Indicatori chimici specifici

Argint Arsen Bariu Cadmiu Cianuri Cobalt Crom trivalent Crom hexavalent Cupru Detergenti anionactivi Fluor Hidrocarburi policiclice aromate Mercur Molibden Nichel Plumb Seleniu Zinc Pesticide

3

Ag 2+ As Ba 2+ Cd 2+ CN Co 2+ Cr 3+ Cr 6+ Cu 2+ FHg 2+ Mo Ni 2+ Pb 2+ Se Zn

3

Triazine Triazinone Toluidine Insecticide organoclorurate Insecticide organofosforice Insecticide organometalice

3

Nitroderivati Radioactivitate

în

vigoare

Indicatori microbiologici

Bacterii coliforme totale Indicatori pentru eutrofizare

nu se nu se normeaza normeaza

lacuri lacuri lacuri oligotrofe mezotrofe eutrofe minim 70 40 - 70 sub 40 maxim 0.3 maxim 1 minim 1.5

Grad de saturatie în Oxigen Azot total

O2 N

% mg/dm3

Fosfor total Biomasa fitoplanctonica

P

mg/dm 0,1- minim mg/dm3 maxim < 100,03 maxim 10 (incl) minim0,15 20 20 (excl)

3

Observaţie: 59

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb În practică se determină doar unii dintre indicatorii chimici specifici, în schimb se mai determină: debitul, temperatura, conductivitatea, duritatea permanent ă, duritatea temporară, duritatea totală, număr de germeni totali mezofili (uneori şi coliformi fecali şi streptococi fecali), diversi indicatori biologici, saprobitatea, încarcarea parazitologica (chiste de Giardia, oua de geohelminti...) si virusologica (bacteriofagi etc.). Standardele actuale se bazează pe studii toxicologice făcute pentru fiecare substanţă în parte. Sunt mari problemele de eşantionare, extrapolare a rezultatelor de la o specie la alta etc. În plus condiţiile în organismul viu, diferă de cele de laborator. Intervin factorii de mediu (temperatură, pH, duritate apei etc.), cei biotici (vârstă, gen, stare de sănătate etc.) şi cei chimici (interacţiunea compusului testat cu al ţi compuşi - sinergism strict aditiv, sinergism supraaditiv, antagonism sau lipsa interacţiunii). Sensibilitatea variază mult de la o specie la alta (aşa se alege "specii indicatoare") în plus apare "rezistenţă dobândită". De aceea, nu toate valorile din studii sunt de aşa mare încredere pe cât ne aşteptăm. În plus, efectele cronice şi cele subletale sunt de regul ă foarte greu de studiat. La toxicitatea pe ecosisteme acvatice se foloseşte şi indicatorul "doza la care 50% din popula ţie prezintă afectare specifică". Este mult mai relevant, dar e specific pentru fiecare efect în parte şi din această cauză nu se pot compara direct teste diferite. Pe lângă testele toxicologice clasice se folosesc bioteste, statice (în acvariu sau borcan) şi flow-through (peşti în cuşti imersate în râu, de exemplu amonte şi aval de efluent). Uneori s-au făcut experimente de graniţă laborator / natură, la scară de "microcosmos" (containere plutitoare în râu / lac), "macrocosmos" în container ce cuprinde o bucat ă importantă din râu / lac, şi la nivel de întreg ecosistem, în lacuri experimentale.

4.5. Aplicaţii de curs A.1. Determinarea con ţinutului de nitriţi, nitraţi şi amoniu al probelor de ap ă ă carbon, apă şi oxigen, constituie un element de bază în procesele Azotul, pe lâng vieţii, atât la plante, animale, cât şi la om. În natur ă, acest element chimic provine din două surse principale: N atmosferic (atmosfera este principala surs ă de azot deoarece ea conţine un procent de 78% de azot) şi N organic rezultat din descompunerea cadavrelor animale şi vegetale. Surse tipice de azot combinaţii mineralogice

combinatii organice

amoniu-azot(NH4-N) nitrit-azot(NO2-N) nitrat-azot(NO3-N)

Ureea Aminoacizi Albumina

Toate combinaţiile de azot enumerate sunt cuprinse în noţiunea de azot-total-N. Azotul este un nutrient cu rol esen ţial în funcţionarea mediului acvatic. Notă: Nutrienţii sunt substanţe sau elemente chimice utilizate în creşterea şi ă unui organism. dezvoltarea normal Azotul poate aexista sub formă gazoasă (N2 atmosferic, NO2-), dizolvat (NO2-, NO3-, NH4+) sau sub formă "solidă" în materia organică. În condiţii normale de oxigenare a apelor naturale, azotul se g ăseşte în special sub forma nitraţilor. Ei pot fi folosiţi de către organismele acvatice, fiind cea mai accesibilă formă

60

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb a azotului pentru microorganisme şi plante. Formele nitrit (NO 2-) şi ionul amoniu (NH4+) sunt prezente în cazul unei deregl ări a mediului acvatic şi sunt toxice pentru organismele vii. Pentru compuşii azotului, indicatorii chimici sunt daţi în tabelul 4.3. Tabelul 4.3. Indicatorii chimici ai azotului Indicatori Valori Valori admise Metoda de analiza admise excepţional STAS +

3

Amoniac (NH4 ), mg/dm

0

0.5

6328 - 85

Azotiţi (NO2 ), mg/dm

0

0.3

3048/2-90

Azotaţi (NO3-), mg/dm3

45

-

3048/1 - 77

-

3

Azotul atmosferic poate fi folosit numai de câteva organisme fixatoare de N aşa cum sunt: bacteriile, ciupercile şi câteva alge cianoficee, care îl transform ă în N nitric şi N nitros. Aceste substanţe azotate, care au fost fixate de bacterii sunt cedate solului dup ă moartea bacteriilor sintetizatoare, de unde sunt absorbite de către plante pentru sinteza aminoacizilor şi substanţelor proteice proprii. În hidrosferă azotul este fixat de algele albastru-verzui.

Figura 4.7.Ciclul azotului Chimic, ciclul azotului poate fi descris chimic:

61

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Principalele procese suferite de azot sunt: Fixarea azotului molecular şi amonificarea - Bacteriile realizează în exclusivitate fixarea biologică a azotului (N2 - azot molecular). Azotul organic nu este accesibil plantelor.  Nitrificarea - este un proces biologic de formare a nitra ţilor din amoniac (NH+4) sau alte forme reduse ale azotului. Procesul de nitrificare înseamnă oxidarea amoniacului: 

NH+4 + 2O2 ---> NO-3 + H2O + 2H+ Amoniul popriu-zis se transformă, în prezenţa oxigenului, în nitrit şi pe urmă în nitrat. Nitritul este o stare metastabilă şi o formă intermediară toxică a oxidării bacteriene. Acest proces este mare consumator de oxigen şi din acest motiv nu este dorit ă formarea sa în apele de suprafa ţă (fluviale, lacuri, bălţi etc). Cauza principală a existenţei amoniului în apă o constituie apele reziduale comunale de lângă oraşe şi centre turistice naţionale şi internaţionale. Aceste ape reziduale pot con ţine până la 40-70mg/l de combinaţii azotoase, din care, prin prezenţa bacteriilor şi a oxigenului se naşte amoniac şi săruri de amoniu. Denitrificarea - este un proces biologic, efectuat în exclusivitate de bacterii. Nitra ţii  pot fi reduşi cu bacterii heterotrofice, care însă necesită o sursă de carbon organic, de exemplu acetat: 5CH3COO- + 8 NO-3 ---> 4N2 + 7HCO-3 + 3CO2-2 + 4H20 Atât nitrificarea cât şi denitrificarea depind de timpul de re ţinere. Aceste caracteristici au condus la ideea utilizării acestui proces mai întâi pentru epurarea apelor uzate cu mare încărcare organică, şi ulterior, la aplicarea acestui procedeu în scopul potabiliz ării apelor de suprafaţă şi subterane impurificate cu nitra ţi. Staţiile de epurare construite numai pentru nitrificare pot desc ărca din apele reziduale combinaţiile chimice azotoase organice otrăvitoare, dar nu şi combinaţiile de fosfor şi azot. Folosirea în exclusivitate a procesului de nitrificare în sta ţii de epurare poate duce la o supraîncarcare a apelor cu îngraşăminte naturale, ceea ce nu este de dorit. În ape st ătătoare şi în fluvii lent curgătoare, prezenţa nitratului şi a fosfaţilor duc la o destabilizare a echilibrului florei şi faunei. Prezenţa nitratului în apa potabilă este nedorită deoarece poate duce la o accentuare a procesului de coroziune în sistemul reţelelor de alimentare cu ap ă sau, în prezenţa anumitor bacterii sau substanţe chimice, se poate favoriza retransformarea în nitrit, care este cancerigen. Soluţionarea acestei probleme ar putea fi introducerea în procesul de epurare a unei faze de "denitrificare anaerobă", ceea ce înseamnă reducerea nitratului anaerob pănă la obţinerea azotului pur, care se elimină în atmosferă. Această fază de epurare poate fi supravegheată şi controlată prin măsurarea nitritului NO2-N. În multe domenii ale proceselor de industrializare a apei (apa potabil ă, staţii de epurare etc), de o deosebită importanţă este supravegherea (monitorizarea) şi controlul ă)optimal de procesului (rata dezazotizare(denitrificare). O valoare cât mai redusă a combinaţiilor azotoase în produsul finit – apa - este de o importanţă capitală nu numai pentru vietăţi dar şi pentru instalaţiile şi retelele de distribuţie a apei. 62

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Atât instalaţiile comunale cât şi cele industriale de epurare a apei trebuie construite şi dezvoltate astfel încât să asigure o reducere severă a poluării atât a apelor fluviale cât şi a celor freatice. În cazul purificării biologice, pentru a obţine un randament ridicat, încărcarea nămolului activat se menţine redusă (bacteriile sunt menţinute într-o stare subnutrită) şi amoniul-azot (NH4-N) se oxidează în nitrat-azot (NO2-N). Se constat ă că o supraveghere şi un control asupra acestui proces se poate obţine numai prin intermediul analiticii de măsurare a NH4-N şi NO2-N. O analiză pretenţioasă a azotului este o condi ţie necesară şi obligatorie pentru a asigura în mod riguros o depoluare a apelor. Aceasta presupune:  precizie înaltă a rezultatelor măsurătorii;  consum redus de timp pentru determinarea valorilor;  realizare simplă;  domenii de măsură practice.

A.2. Determinarea conţinutului de fosfaţi al probelor de apă Fosforul, alături de azot, este un nutrient cu rol esen ţial în funcţionarea ecosistemelor. În apele de suprafaţă, fosforul se găseşte sub formă de fosfor organic, dizolvat sub formă de foasfaţi (PO43-) şi de fosfor fixat pe particule aluvionare. Fosforul este mai puţin mobil decât azotul (figura 4.8). Fosforul direct asimilabil de către vegetaţia acvatică se g ăseşte sub forma de fosfaţi (PO43-). După moartea organismelor fitoplanctonice, 20-25% din fosforul total este eliberat sub formă anorganică, iar 30-40% sub formă organică. Concentraţia normală a fosforului în apele dulci este de 1 mg/m 3, dar concentraţia lui creşte cu adâncimea, fiind maximă în mâlul de pe fundul bazinului. Concentraţia fosforului în apă depinde de concentraţia substanţelor organice, de temperatura şi intensitatea activităţii bacteriene.

Figura 4.8. Ciclul fosforului 63

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Fosforul reprezintă un fel de catalizator în procesul ini ţial de formare a algelor pluviale. Viteza de curgere a apelor are şi ea efect asupra creşterii algelor. În ape stătătoare creşterea algelor este stimulată. Apele uzate încarcate cu substanţe organice cresc nivelul fosforului, mărind riscul de eutrofizare. Notă: Eutrofizarea apelor - se manifestă, mai ales în cazul apelor stătătoare, sau cu viteză foarte mică de curgere, şi se defineşte prin creşterea abundentă a algelor. Valorile limită ale concentraţiei fosforului sunt diferite la ape stătătoare şi fluviale. Şi în ciclul fosforului (fig. 1) procariotele au rolul de descompun ători ai detritusului, cu trecera fosfaţilor în sol.Dacă în ciclul azotului intervine într-o măsură – nu foarte mare, dar foarte importantă – şi atmosfera, în ciclul fosforului atmosfera nu joac ă nici un rol. După cum se vede, fosfaţii insolubili din roci, aduşi la suprafaţa scoarţei prin mişcări tectonice, sunt solubilizaţi de către apa de ploaie şi intră în sol sub formă de ioni fosfat, formă asimilabilă de către plante, sau transportaţi spre apele de suprafa ţă . Surse de fosfa ţi Combinaţiile naturale ale fosforului nu sunt otr ăvitoare. Combinaţiile sintetice esterice neutre ale acidului fosforos şi cele reduse (acidul fosfinic şi fosfonic) sunt deosebit de otrăvitoare fiind folosite ca pesticide. Există două surse poluante majore de fosfor: apele uzate menajere încărcate cu detergenţi şi substanţe organice (ape fecaloide) şi dejecţiile animale de la fermele zootehnice.

Procese de depoluare a apelor La scurgerea apei reziduale prin fazele de decantare ale staţiei de epurare, fără un stadiu suplimentar de sedimentare a fosforului, se constat ă o rată de eliminare a fosfaţilor de 25% (fosfaţi nedizolvaţi) în faza de decantare primar ă şi de cca.a 5% în faza biologică de decantare. Pentru a mari aceast ă rată de eliminare a fosfaţilor este necesară scurgerea printrun stadiu suplimentar în staţia de epurare. Fosforul poate fi recuperat prin precipitare chimică sau schimb de ioni. fosfaţilor are loc în medii slab reducătoare şi preferenţial în jurul unor Precipitarea nuclei fosfatici deja existenţi (pelete fecale, bioclaste) sau carbonatici. În timp, prin difuzie şi apoi metasomatism (proces de substituţie prin care un minereu sau o asocia ţie minerală preexistentă (paleosom) sunt înlocuite de un alt minereu sau de o nouă asociaţie minerală (neosom) sub acţiunea fluidelor) particulele carbonatice pot fi integral înlocuite. Precipitarea chimică a compuşilor de fosfor se face folosind sulfat de aluminiu (Al2(SO4)3, 18H20), hidroxid de calciu (Ca(OH)2) sau clorat de fier (FeCl3), dar trebuie examinată fiecare situaţie separat. Precipitarea fosfaţilor folosind hidroxid de calciu se bazează pe formarea de Ca10(PO4)6(OH)2, care impune un pH mare, de 10.5 - 12.0. De exemplu prin Fe3- şi clorura de aluminiu (sau sulfat de aluminiu), precipitatul rezultant va fi fosfatul de fier (FePO 4). Prin această metodă se pot extrage, prin sedimentare, în medie 85% fosfaţi. Dezavantajul metodei constă în pericolul supra-sărării prin clorură respectiv sulfat a apelor epurate. Avantajele metodei, pentru staţii de epurare mici, ar fi o concentraţie redusă în fosfaţi şi faptul că prin eliminarea chimică a fosfaţilor, se elimină şi la la 0,2-3cum mg/larprecum alteiesire reziduuri fi substan ţe greu de descompus, metale grele şi agenţi patogeni. Alte avantaje de exploatare s-ar obţine din punct de vedere al sedimentării nămolului activat, a proprietăţii de spălare a nămolului fermentat şi împiedicării formării hidrogenului sulfurat în gazul de putrefacţie.

64

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb A.3. Determinarea conţinutului de fier al probelor de ap ă Fierul este al doilea cel mai răspândit metal şi al patrulea cel mai r ăspândit element chimic din scoarţa p ământului. Nuanţele de roşu şi maro ale solului sunt cauzate de oxizii de fier. În interiorul scoarţei predomină combinaţii bivalente de fier (Fe 2), pe când, ca urmare a degradării prin oxidare, se obţin combinaţii trivalente (Fe3). Din această cauză, în toate apele se g ăsesc diverse concentraţii de fier. În apele mai pu ţin acidulate, concentraţia de fier poate varia între 0,1 şi 10mg/l. În apele bine aerate, cu concentra ţie de oxigen dizolvat mare, conţinutul de fier este mult mai redus. Deşi continutul de fier în apă nu este insalubru, acesta suferă, catalizat de aer, o floculare neaspectuoasă şi dă o senzaţie gustativă apei. De asemenea, prezenţa fierului în apă, în concentraţii mai mari, produce turbiditatea apei, depuneri şi îngustări ale conductelor. Prin urmare se recomandă ca apa - produs livrat la consumator, să aibă o concentraţie de fier sub 0,2 mg/l. Aceata se realizează prin aplicarea unui proces de deferizare a apei. 4.B. Poluarea apelor subterane

4.6. Generalităţi Pânză freatică defineşte ansamblul apelor subterane care se afl ă în golurile scoarţei pământului, care se formează sub acţiunea forţei gravitaţionale a planetei noastre. Sub acţiunea forţei gravitaţionale, apele subterane curg prin golurile subterane, la aceasta se adaugă proprietăţile caracteristice apei ca şi efectul capilar (important pentru plante, sau migrările apei prin rocile poroase), tensiunea superficial ă a apei care determină formarea picăturilor de apă şi menţinerea solurilor umede. Câtă apă subterană este? O estimare a volumelor de ap ă din hidrosferă relevă faptul că apei sărate îi revine o proporţie de 97,3% (fig. 4.9.) din volumul total de apă al acesteia. Volumul de ape subterane 3

dulci de 8,467 milioane km corespunde acviferelor situate până la circa 200m adâncime, dar apele subterane dulci se pot găsi şi la adâncimi mai mari. Pân ă la 2000 m adâncime, 3 acviferele au o capacitate de 24 milioane km , iar până la 5000 m adâncime, capacitatea 3 totală se estimează la 60 milioane km de apă subterană (Castany, G.,1980). Ultimele date UNESCO arată că numai 0,63% din volumul total de apă al Pământului este la dispozi ţia omului (ape dulci în stare lichidă).

Fig. 4.9. Volumele de apă ale Hidrosferei 65

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Apele subterane iau naştere din precipitaţiile care se înfiltrează în pământ, sau înfiltraţiile de apă din albia apelor curgătoare şi stătătoare (râuri, fluvii, lacuri), această pătrundere a apei prin straturile permeabile (lat. Aquifer) va fi oprită de o rocă impermeabilă (Aquiklud) care joacă rolul unui canal acest sistem de canale poate să fie supraetajat. La fel ca cele de la suprafa ţă, apele subterane, curg sub ac ţiunea forţei gravitaţionale, însă viteza de scurgere a apelor subterane este mai redus ă, fiind influenţată de natura rocii (mărimea granulelor sau porilor) care joacă şi rolul de filtru, poziţia apelor fiind schiţată pe hărţi hidrografice Apele subterane ies la suprafaţă sub formă de izvoare, a căror apă este filtrată şi are o concentraţie diferită în minerale. În condiţiile dezvoltării industriale (ramuri extractive şi prelucratoare), ca o consecinţă a chimizării agriculturii şi existenţei complexelor zootehnice, precum şi prin extinderea centrelor populate, pericolul poluării mediului, inclusiv a apei subterane, este în continuă creştere. Rezultă necesitatea cunoaşterii surselor şi a cauzelor ce pot produce poluarea apelor subterane, a procedeelor pentru diminuarea sau dispari ţia poluării acestor ape ,precum şi a modului cum se poate intervenii pentru protec ţia mediului în ansamblul lui. La apele subterane, sursele de impurificare provin din:  Impurificări cu ape saline, gaze sau hidrocarburi, produse ca urmare a unor lucr ări miniere sau foraje.  Impurificări produse de infiltra ţiile de la suprafaţa solului, a tuturor categoriilor de ape care produc în acela şi timp şi impurificarea surselor de suprafaţă.  Impurificări produse în secţiunea de captare din cauza nerespect ării zonei de protecţie sanitară sau a condiţiilor de execuţie. În faza incipientă, poluarea apei subterane nu este prea usor de sesizat prin efectele ei, motiv pentru care la faza de proiectare sau în primii ani nu apare necesitatea unor m ăsuri speciale şi nu se da atenţie acestei probleme. Cu trecerea efectele negative apar şi se amplifică, iar măsurile de diminuare combatere a polutimpului ării devin foarte costisitoare, dificil de realizat tehnic şi cu rezultate incerte. Nu trebuie pierdut din vedere nici potenţialul pe care îl reprezint ă recuperarea unor produse utile din apele subterane şi care pot contribui la mic şorarea efortului de investiţie necesar pentru depoluare. şi

4.7 Tipologia poluării apelor subterane A fost identificată o mare varietate de substanţe care contribuie la contaminarea apei subterane, dar cele mai concludente tipuri de poluare sunt : - poluarea apei datorită agenţilor biologici; - poluarea chimică; - poluarea radioactivă; - poluarea datorită agenţilor fizici.

66

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Tipuri de poluare a apei

Poluarea datorită

Poluarea chimică

Poluarea radioactivă

agenţilor biologici

Poluarea cu substanţe organice de sinteză

Poluarea datorită agenţilor fizici

Fig. 4.10. Tipologia poluării Poluarea apei datorită agenţilor biologici (microorganisme şi materii organice fermentescibile) duce la o contaminare puternic ă, bacteriologic a apei, care are drept urmare răspândirea unor afecţiuni cum sunt colibacilozele sau hepatitele vitale, febra tifoidă. Poluarea chimică rezultă din deversarea în ape a diverşilor compuşi ca : nitraţi, fosfaţi şi alte substanţe folosite în agricultură, a unor reziduri şi deşeuri provenite din industrie sau din activităţi care conţin plumb, cupru, zinc, crom, nichel, mercur sau cadmiu. Poluarea apei cu substanţe organice de sinteză este datorată în principal, detergenţilor şi pesticidelor. Poluarea apei datorită agenţilor fizici apare ca urmare a evacu ării in apă a materialelor solide, minerale, insolubile, cum este de pild ă deversarea în cursurile de apă a reziduurilor de la exploatarea carierelor sau minelor. Poluarea radioactivă a apelor poate să apară în urma unor căderi de materiale radioactive din atmosfera sau, mai ales, ca urmare a incorectei degaj ări a reziduurilor radioactive lichide sau solide de la industriile care folosesc energie atomic ă sau de la cercetarile nucleare. Substanţele poluante având efecte negative asupra apei sunt: a) substanţe minerale: CL,SO4, NO3,Na+,K+,Ca++,Mg++ şi în mod accidental săruri de crom,plumb,zinc,cupru,cianuri,fluoruri etc.; b) substanţe radioactive care se integrează în apă :unii radiozotopi formaţi din ioni ai metalelor grele pot fi reţinuţi temporar în sol; c) îngrasămintele artificiale pe bază de nitraţi ,fosfaţi sau săruri de potasiu; d) reziduri umane şi animale; e) insecticidele şi pesticidele sunt compuşi cu o mare rezistenţă la dezintegrare şi foarte nocivi; f) bacteriile şi virusurile .

67

[2010]


Fig. 4.11.Poluanţii apelor subterane Poluarea apei subterane poate fi continuă sau accidentală şi se poate datora unor poluanţi industriali, agricoli, sanitari. Abordarea unei probleme de poluare a apelor subterane presupune o activitate de culegere şi tratare a informaţiilor, construirea şi folosirea modelelor de prognoză, precum şi verificarea modului în care se realizează această prognoză. Activitatea de culegere şi tratare a informaţiilor presupune identificarea sistemului, înregistrarea informaţiilor numerice, structurarea informaţiilor nenumerice (calitative), precum şi optimizarea informaţiilor şi a controlului. Problemele de poluare pentru apele subterane trebuie să urmărească următoarele obiective: 1) estimarea rapidă a probabilităţii de curgere accidentală a poluantului spre un puţ de pompare; 2) definirea influenţei unor poluanţi prezenţi sau inevitabili în puţuri, în special ca o funcţie de regimurile de pompare; 3) definirea zonelor sensibile la poluare în scopul optimiz ării amplasării de noi puţuri; 4) obţinerea unui model la scară mare ca un suport cantitativ de prognoză şi conducere; 5) informarea, prin simple vizualizări, privind evoluţia poluării. În figura 4.12 este prezentată, schematic metodologia generală de abordare practică şi teoretică a unei probleme de poluare.

68

[2010]


Fig.4.12. Metodologia generala de abordare a unei probe de poluare.

4.8. Surse de poluare a apelor subterane Deoarece în cursul proceselor de infiltrare, apele antreneaz ă diferite substanţe poluante de la suprafaţă solului aceste substanţe fie ajung în apele freatice, fie se depun în solurile care constituie straturile acvifere sau în cele de deasupra lor. Ca urmare are loc o deteriorare a calităţii apelor subterane, care le face improprii folosirii. Fenomenul se produce pentru toate formele de apă subterană, dar este deosebit de intens pentru apele freatice, tocmai din cauza adâncimilor reduse la care se află. Acest proces poate ajunge atât de intens încât să devină ireversibil. 69

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb O sursă de poluare a apelor subterane o constituie şi pierderile din conducte şi rezervoare îngropate, care conţin lichide poluante. Apele freatice din subteranul marilor aglomeraţii urbane sunt practic peste tot inutilizabile. Adeseori, solurile de la suprafa ţă sunt atât de murdărite, încât singura soluţie este îndepărtarea lor şi înlocuirea lor cu soluri proaspete, solu ţie inerent aplicabilă numai pe suprafeţe relativ reduse. Se poate realiza o grupare a surselor de poluare a apelor subterane în funcţie de tipurile de utilitaţi din care provin diverse substanţe contaminate. Această grupare cuprinde şase categorii(Fetter ,1993) : - Surse datorate evacuarii unor substanţe; - Surse datorate depozitării ,tratării şi /sau evacuării în subteran; - Surse datorate transportului unor materiale ; - Surse indirecte; - Surse datorate infiltraţiei apei contaminate în sol; - Surse naturale a caror activizare este provocată de activitaţi umane.

Sursa: http://www.euwfd.com/assets/images/Groundwater-pollution02.jpg

Fig. 4.13. Surse de poluare a apelor subterane

1.Sursele datorate evacuării unor substanţe sunt:  rezervoare specifice :evacuarea apelor menajere în subteran(utilitaţi casnice, bucatărie ,baie etc) prin intermediul unor sisteme de drenaj;  puţuri de injectie folosite pentru eliminarea unor lichide uzate sau încarcate cu diferite substanţe ca de exemplu apa sarat ă de la sondele petroliere ,infiltratii din zone agricole si urbane,apa de la instalatiile de climatizare,apa pentru alimentarea artificiala a acviferelor; 70

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb alte folosinţe ale apei cum ar fi apa partial tratata sau netratat ă provenită din industrie sau din zone urbane, apa utilizată în irigaţii; 2 .Sursele datorate depozitării ,tratării şi /sau evacuării în subteran sunt:  depozite pentru deşeuri : materialele depozitate sunt sp ălate fie direct de apele subterane,fie de apele provenite din preciptaţii;  depozite de deşeuri în zone rezidenţiale este cazul cartierelor care nu dispun de un sistem centralizat de colectare a deşeurilor din gospodăriile proprii;  indiguiri : prin indiguirea unor cariere parasite ,mla ştini ,lagune se creaza gropi pe care le foloşete municipalitatea , industria, zootehnia , fermele agricole de orice fel, pentru desc ărcarea apelor uzate;  depozite de deşeuri minere: sedimentele ,materialele solide rezultate din activita ţi miniere şi depozite la suprafaţa solului sau folosite ca material de umplutură sunt spălate de apele provenite în special din precipitaţii;  halde de depozitare sunt depozitate materialele cum ar fi :cărbune ,sare rutiera,fosfaţii,minereuri ,piatra pentru construcţii;  gropi pentru deşeuri radioactive;  cimitire pentru animale moarte prin intoxicare ,otr ăvire,iradiere;  rezervoare de stocare supraterane(produse petroliere ,substan ţe chimice folosite în agriucultură);  rezrvoare de stocare subterane scurgerile pot aparea în acest caz fie direct din rezervoare,fie din conducte de legătura ,care sunt mai vulnerabile;  containere de depozitare prin fisurare acestea devin surse de contaminare a apei subterane;  spaţii de incinerare şi detonare deschise. 3. Sursele datorate transportului unor materiale sunt:  conducte de transport : sunt folosite atât pentru ape uzate cat şi pentru alte produse cum ar fi cele petroliere,gaze naturale; 



transferul materiale vrac sau ambalate conduce la impra ştierea acestor materiale ,diverselor care ulterior pot fi spîn ălate în subteran; 4. Sursele indirecte sunt:  irigaţii –mobilizează substanţele chimice din sol şi le transportă spre apa subterană;  utilizarea pesticidelor ,aplicarea pe sol a acesteia pot migra spre apa subterană,singure sau având ca suport apa din precipita ţii sau irigaţii;  utilizarea fertilizanţilor ;  depozite de gunoi animal ;  sare antigheata,aplicata pe şosele;  dedurizarea apei potabile,clorurile con ţinute în apa de spălare sunt de multe ori eliminate odată cu această apă în sol prin sisteme de drenaj;  infiltraţii din zone urbane apele din precipitaţii spală suprafeţele impermeabile (betoane ,asfalte),apoi încarcate cu diferite substanţe pot ajunge în sol;  perocolarea poluan ţilor atmosferici .Sursele de poluare pot fi în acest caz emisiile auto ale uzinelor electrice sau industriale incineratoare;  drenaj în zone minere. Activitatea miniera rupe curentul natural al apei subterane,espunând rocile ce conţin pirită la oxidare .Rezultă apa acidă ,care v-a ă contamina apa subteran 5. Sursele datorate infiltraţ.iei apei contaminate în sol sunt: puţuri de extracţie folosite pentru petrol ,gaze,ape geotermale ,contaminaţii pot fi introduşi în sol în timpul forării puţului ;  puţuri de observaţie sau exploarare ; 

71

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb 

excavaţii pentru construcţii .Apele din precipitaţii din zonele urbane pot fi colectate în aceste excavaţii pentru fundaţile construcţiilor,înfiltrandu-se apoi spre acvifer.

4.9. Dezvoltarea legislţiei UE referitoare la apele subterane (sinteza din [1] ) Apele subterane sunt “resurse ascunse” care sunt cantitativ mult mai importante decât apele de suprafaţă şi pentru care prevenirea poluării, monitoring-ul şi reabilitarea sunt mult mai dificile decât pentru apele de suprafaţă, datorită inaccesibilităţii lor. Acest caracter ascuns face dificilă atât localizarea şi caracterizarea adecvată a poluării cât şi înţelegerea impacturilor poluării, având adesea ca rezultat o lips ă de conştientizare şi/sau evidenţă a extinderii riscurilor şi presiunilor. Totuşi, rapoarte recente arată că poluarea din surse domestice, agricole sau industriale, este încă, în ciuda progreselor în diferite domenii, un motiv major de îngrijorare, datorit ă descărcărilor directe(efluenţi), datorită descărcărilor indirecte prin împrăştierea îngrăşămintelor pe bază de azot şi a pesticidelor, precum şi datorită scurgerilor de la vechi site-uri industriale contaminate sau de la depozitele de de şeuri (ex. gropi de deşeuri menajere sau industriale, mine, etc.). Cu toate c ă sursele punctiforme de poluare au cauzat cea mai mare parte a poluării identificate până în prezent, există date care demonstrează că sursele difuze au un impact în cre ştere asupra apelor subterane. De exemplu, concentraţiile în nitraţi depăşesc în mod curent valorile limit ă în aproximativ o treime din corpurile de ape subterane din Europa. Cadrul european de reglementare pentru apele subterane a luat na ştere la sfârşitul anilor ’70, cu adoptarea directivei privind protecţia apelor subterane împotriva poluării cauzate de anumite substanţe periculoase. Această directivă furnizează un cadru de protecţie a apelor subterane care cere prevenirea introducerii (directe sau indirecte) a poluanţilor prioritari în apele subterane şi limitarea introducerii în apele subterane a altor poluanţi, astfel încât să se evite poluarea acestor ape de către substanţele respective. Ea va fi abrogată în anul 2013, în conformitate cu Directiva-cadru a Apelor. Până la data abrogării, această directivă va rămâne un instrument eficient al legisla ţiei europene în vederea prevenirii sau limit ării poluării, iar apoi va fi înlocuită de noua Directivă a Apelor Subterane. In 1982, Direcţia Generală pentru Mediu, Protecţia Consumatorului si Siguranţa Nucleară a Comunităţii Europene a realizat o evaluare major ă a resurselor de ape subterane în statele membre (în număr de 9 la acea dat ă). Aceasta a constat într-o analiză generală (Raport de sinteza asupra resurselor de ape subterane din Comunitatea Europeana ) şi rapoarte de analiză individuale ale statelor membre. Această evaluare s-a axat pe aspectele cantitative ale apelor subterane. De la publicarea acesteia, atât la nivel european cât şi în Statele Unite, atenţia s-a îndreptat mai mult către calitate, şi nu numai că s-au îmbunătăţit foarte mult programele de monitoring calitativ, dar s-au pus în practică multe scheme de protecţie a apelor subterane. Declaraţia Seminarului ministerial privind apele subterane desfăşurat la Haga în 1991 a recunoscut nevoia unor ac ţiuni menite să evite deteriorarea pe termen lung a calităţii si cantităţii resurselor de apă dulce. Ea a cerut implementarea unui program de ac ţiune până în anul 2000, în vederea promovării unui management durabil şi a protejării resurselor de ap ă dulce. Rezoluţiile din 1992 si 1995 ale Consiliului au recomandat ca un program de acţiune să fi e implementat şi ca Directiva Apelor Subterane să fi e revizuită. Acestea au fost urmate de o propunere a Comisiei pentru un Program de acţiune privind protecţia si managementul integrat al apelor subterane, care a fost adoptat de Comisia Europeană pe 25 noiembrie 19962. Propunerea a identificat nevoia stabilirii unor proceduri de reglementare a prelevărilor de apă dulce şi de monitorizare a cantităţii si calităţii apei dulci. 72

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Ulterior, Parlamentul European şi Consiliul au cerut Comisiei să stabilească cadrul pentru o strategie europeană în domeniul apelor. Această solicitare a condus la Directivacadru în domeniul Apelor (WFD) adoptat ă în octombrie 2003. În plus faţă de protecţia apelor subterane ca resurse cu multiple utilizări, WFD stipulează pentru prima dată că apele subterane trebuie protejate pentru valoarea lor de mediu. În acest context, WFD reprezintă o provocare, prin faptul c ă stabileste obiective de mediu pentru toate apele – de suprafaţă, costiere, de tranziţie şi subterane – care să fie atinse până la sfârşitul anului 2015. Această modernă piesă a legislaţiei UE fixează obiective clare, însă permite statelor membre flexibilitate în alegerea căii de atingere a acestora. Calea care trebuie urmată este marcată de repere cum ar fi :  evaluarea riscului presiunilor si impacturilor antropice,  programele de monitoring,  realizarea planurilor de management pe bazine hidrografice (primele urmând a fi publicate în anul 2009),  precum şi crearea şi implementarea unor programe de măsuri. Prevederile referitoare la apele subterane reprezint ă o componentă cheie a WFD, cu accent atât pe obiectivele de stare cantitativă cât şi pe cele de stare chimică. Obiectivele pentru apele de suprafaţă se referă la starea ecologică şi la starea chimică. Obiectivele de stare cantitativă sunt clare în WFD. Scopul este de a asigura echilibrul între exploatarea şi realimentarea naturală a apelor subterane. În schimb, criteriile pentru starea chimică sunt mai complexe şi nu au fost rezolvate în întregime la data adoptării WFD. De aceea, Parlamentul European şi Consiliul au cerut Comisiei să elaboreze o propunere pentru o directivă “fiică” care să clarifice criteriile pentru starea chimică bună, precum şi prevederile referitoare la identificarea şi inversarea tendinţelor de poluare. Această nouă directivă a fost adoptată în decembrie 2006. Obiectivele pentru apele subterane ale Directivei - cadru a Apelor acoperă un anumit număr de etape pentru atingerea stării (cantitative si chimice) bune până în 2015. Ele cer statelor 1. membre: Să definească şi să caracterizeze corpurile de ape subterane (unităţi de management) în cadrul districtelor de bazin hidrografic şi să le raporteze Comisiei Europene. Caracterizarea se bazează pe înţelegerea sistemului, în special pe cunoasterea factorilor directori (D), a presiunilor (P), a stării (S), a impacturilor (I) şi răspunsurilor (R), care constituie coloana vertebrală a planificării managementului pe bazine hidrografi ce (Figura 4.14). Aceasta implică analizarea presiunilor si impacturilor activităţilor umane asupra calităţii apelor subterane, în vederea identifi cării corpurilor de ape subterane aflate la risc de a nu îndeplini obiectivele de mediu ale WFD.

73

[2010]


Sursa [2]

Fig. 4.14. Principiul DPSIR Această analiză trebuie să evalueze riscurile legate de utilizările apei şi de interacţiunile cu ecosistemele terestre sau acvatice asociate, în func ţie de tipurile de presiuni si de vulnerabilitatea acviferului (figura 4.15).

Sursa [3]

Fig. 4.15. Principalele forţe directoare(D) şi presiunile aferente (P) care afecteaz ă apele subterane. Starea (S) şi impacturile (I) privesc atât resursele de ape subterane cât şi ecosistemele acvatice si terestre asociate dependente. Răspunsurile (R) sunt programele de actiune ale legislaţiei UE relevante (în primul rând programul de măsuri al Directivei Cadru a Apelor). 2. Să înfinţeze registre cu ariile protejate în cadrul fiecărui district de bazin hidrografic, arii care au fost desemnate ca necesitând protec ţie specială a suprafeţei şi a apelor lor subterane sau pentru conservarea habitatelor sau speciilor direct dependente de apă. Registrele trebuie să includă toate corpurille de ape utilizate pentru alimentarea cu apa potabilă şi toate zonele protejate conform următoarelor directive: zonele naturale de îmbăiere - Directiva apelor de îmbăiere, zonele vulnerabile stabilite pentru Directiva Nitra ţi, zonele sensibile fixate prin Directiva apelor uzate urbane, precum si ariile desemnate pentru 74

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb protecţia habitatelor şi speciilor, inclusiv siturile relevante Natura 2000 stabilite conform directivelor habitate şi păsări sălbatice. Registrele trebuie revizuite odată cu reactualizarea Planului de management al bazinului hidrografic. 3. Să stabilească reţele de monitoring al apelor subterane pe baza rezultatelor caracterizării şi evaluării riscului, pentru a furniza o imagine de ansamblu a stării chimice şi cantitative a apelor subterane. Statele membre trebuie s ă realizeze un program de monitoring. In acest context, datele de monitoring constituie un element esenţial al întregului ciclu de management (figura 4.16).

Sursa [4]

Fig. 4.16. Ciclul de management al apelor Măsurile de prevenire sau limitare a introducerii poluanţilor în apele subterane sunt acoperite de existenta Directiva a Apelor Subterane. Ea con ţine elemente care sunt acum acoperite de alte directive, cum ar fi Directiva Depozitelor de De şeuri, ceea ce o face redundantă în unele aspecte legate de programul de m ăsuri al WFD. Acesta este motivul pentru care s-a decis că această directivă va fi abrogată în 2013, conform WFD (adic ă la un an după ce programele de măsuri devin operaţionale). Dar unele prevederi s-ar pierde fără o continuare adecvată după ce directiva va fi abrogată, în special cerinţele specifice referitoare la prevenirea introducerii substanţelor prioritare în apele subterane şi limitarea introducerii altor poluanţi. În consecintă, noua directivă (GWD) include cerinţele legale de prevenire sau limitare a introducerilor de poluanţi în apele subterane, care coincid cu prevederile existente în vechea directivă, dar în acelaşi timp sunt şi în linie cu WFD. Aceasta înseamnă că măsurile de prevenire sau limitare a poluării conform GWD sunt acelea stabilite de WFD (care vor trebui să devină operaţionale până în 2012). Aceasta nu înseamn ă în nici un caz că nu trebuie făcut nimic înainte de 2012, cât timp vechea Directivă a Apelor Subterane îşi păstrează locul, iar reglementările din prima generaţie rămân în vigoare. Conform noii directive, prevederile referitoare la “prevenire” şi “limitare” vor fi sistematizate şi armonizate cu planificarea managementului pe bazine hidrografi ce în conformitate cu WFD. Aceasta este strâns legat ă de necesitatea realizării modelelor conceptuale menţionate mai sus (figura 4.17).

75

[2010]


Sursa [5]

Fig.4.17. Prevederile “Prevenire şi Limitare” legate de evaluarea riscurilor descărcărilor şi a întelegerii sistemului�

4.10. Modelarea poluării apelor subterane ă spaţiul pus la ă în de subteran apa ocup de formaţiunile geologice i î şi consumAjuns care dispune deplasându-se pedispozi traseeleţieaccesibile. Substan ă energia ţele care şprin dizolvare se asociază intim cu apa subterană (solide/fluide/gazoase) sunt supuse unui proces complex care are ca rezultat final eliminarea lor şi purificarea apei. Procesul, numit autoepurare poate dura în unele cazuri aşa de mult că este necesară intervenţia antropică pentru ameliorarea calit ăţii apelor subterane. La primul contact, substanţa poluantă este înglobată în masa apei subterane prin difuzie şi antrenată în mişcare prin advecţie. Autoepurarea se face prin sorbţie, dezintegrare radioactivă, precipitare chimică, degradare biologică etc. Procesele de difuzie moleculară şi de advecţie care nu pot fi separate sunt evaluate cu ajutorul coeficientului de dispersie hidrodinamică, similar cu difuzivitatea hidraulică (fig.4.18).

76

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Fig. 4.18. Schematizarea transferuluiunui fluid solubil prin dispersie şi advecţie. Coeficientul de dispersie hidrodinamică exprimă suprafaţa pe care se “împrăştie” fluidul dizolvat în unitatea de timp sub efectul difuziei şi dispersiei. Raportul dintre masa dizolvată transportată prin advecţie şi cea transportată prin difuzie este în funcţie de caracteristicile matricei minerale, viteza de curgere a apei şi gradientul de concentraţie. Substanţele dizolvate în apă sunt fixate fizic prin sorbţie de granulele minerale ale terenurilor în care sunt acumulate acviferele, fixate chimic de carbonul organic din ap ă, precipitate în reacţie cu diverşi compuşi din apă, degradate biotic sau abiotic. Ca efect a proceselor de fixare (sorbţie) unele substanţe (contaminanţi) se deplasează mai încet (retardare) decât apa care-i transport ă. Întârzierea depinde de caracteristicile procesului de sorbţie care pe baze experimentale se modelează sub forma izotermelor de sorbţie în care se sintetizează corelaţia dintre concentraţia fluidului dizolvat în apă (C) şi cantitatea fixată prin sorbţie pe substratul solid ( C”).

4.10.1. Dispersia poluantilor. Fenomenul datorită căruia apare mişcarea şi împrăştierea poluantului poartă numele de dispersie. Mecanismul dispersiei este foarte complicat. Dispersia este rezultatul acţiunii simultane a unui fenomen pur mecanic şi a unui fenomen fizico-chimic. Acţiunea mecanică. Datorită influenţei solidului, distribuţia vitezei unui fluid care curge printr-un mediu poros nu este uniformă. 1. Deoarece fluidul este vâscos apare un câmp de viteze variabil în sec ţiunea tubului de curent. Astfel, datorită frecărilor vâscoase, viteza este mai mica (nulă) la peretele solid şi are o valoare maximă în axa tubului (fig. 4.19 a).

o

Fig. 4.19. Aspectele dispersiei mecanice: poziţia particulei de fluid la timpul t; • poziţia particulei de fluid la timpul t+dt.

2. Variaţia dimensiunilor porilor creează diferenţe între vitezele maxime în lungul axelor porilor (fig. 4.19, b). 3. Liniile de curent variază în raport cu direcţia medie a curgerii (fig.4.19, c). Aceste trei tipuri de acţiune mecanică au loc simultan şi formează dispersia mecanică (fig. 4.20).

77

[2010]


Fig. 4.20. Dispersia mecanică. Observaţii asupra fenomenului sugerează aspectul geometric al dispersiei, respectiv ţ existen a a două efecte de bază, unul în direcţia Δ a vitezei medii şi altul în planul perpendicular pe Δ. Aceste efecte se numesc dispersie longitudinală, respectiv dispersie laterală. Acţiunea fizico-chimică. Dispersia fizico-chimică este difuzia moleculară care rezultă din gradientul potenţialului chimic. Potenţialul chimic este corelat cu concentraţia. Difuzia moleculară apare chiar într-un fluid în repaus. Dacă analizăm un domeniu în care fluidul curge în dou ă tuburi de curent, ca în figura 4.21 b sau c, se constată că difuzia moleculară se manifestă atât în lungul tubului de curent cât şi lateral.

Fig. 4.21. Dispersia fizico-chimică. În interiorul unui tub de curent diferen ţele de concentraţie, în direcţia medie a tubului de curent, tind să dispară. Acesta este efectul longitudinal sugerat în figura 4.4, a. Între dou ă tuburi de curent adiacente există un transfer de masă care tinde să uniformizeze diferenţele de concentraţie dintre cele două domenii de curgere. Acesta este efectul lateral (fig. 4.4, b). Difuzia moleculară este cea care determină dispersia laterală. Dispersia este măsurată prin trei cantităţi fizice (care au un înţeles fizic direct şi ale căror valori numerice pot fi obţinute din măsurători: densitatea, concentraţia şi viteza) şi printr-un set de mărimi matematice (rezultate dintr-o interpretare matematică a teoriei dispersiei: coeficienţii dispersiei). Parametrii care influenţează dispersia pot fi clasificaţi în trei grupe: - parametrii care descriu mediul poros; - caracteristicile fluidului; -caracteristicile deplasărilor. Mediul poros influenţează dispersia prin structura sa geometrică. Faza lichidă, ca întreg, este caracterizată de viteza sa şi prin densitate, amândouă fiind definite ca funcţii de compoziţia chimică. Caracteristicile deplasării care influenţează dispersia sunt distribuţia vitezei şi distanţa pe care se întinde zona de tranziţie.

78

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb 4.10.2. Relaţiile apei subterane cu matricea mineral ă Relaţiile apei subterane cu matricea minerală sunt controlate de caracteristicile fizice ale apei, de gradul de saturaţie cu apă al matricei minerale şi de starea de tensiune de la contactul apă matrice minerală. Din aceste relaţii rezultă: • Cât spaţiu are la dispoziţie apa subterană (evaluat prin capacitatea de înmagazinare; • Cât de repede se poate deplasa apa subterană (estimare realizată prin conductivitatea hidraulică); • Cât de elastice sunt relaţiile între apa subterană şi matricea minerală (sintetizate prin

difuzivitatea hidraulică; ). apei în acvifere cu nivel liber (fig. 4.22) porozitatea este practic La înmagazinarea invariabilă în raport cu presiunea apei astfel încât coeficientul de înmagazinare este identic cu porozitatea.

Fig. 4.22. Exemplificativa pentru capacitatea de înmagazinare În cazul înmagazinării apei în acvifere sub presiune ( h ≥ M ) variaţia greutăţii specifice, a porozităţii şi grosimii acviferului datorate variaţiei presiunii nu pot fi neglijate iar valorile coeficientului specific de înmagazinare sunt mai mici decât porozitatea având valori cuprinse în intervalul 10−5 − 10−3 m −1 (corespunzător unei variaţii unitare a presiunii).

Deplasarea apei subterane în terenurile nesaturate se face cu atât mai u şor cu cât gradul de saturaţie este mai mare. După saturare, deplasarea apei subterane este favorizat ă de creşterea dimensiunii golurilor, reducerea vâscozit ăţii şi creşterea greutăţii specifice. Conductivitatea hidraulică este parametrul care sintetizează caracteristicile deplasării apei subterane prin intermediul valorii vitezei de deplasare a apei în condiţii hidrodinamice standard. Domeniul de variaţie al conductivităţii hidraulice este foarte mare: de la mai mult de 1000 m/zi pentru bolov ănişuri şi pietrişuri la mai puţin de 0,001 m/zi pentru argile şi marne. Vitezele reale cu care se deplaseaz ă apa subterană sunt mult mai mici decât valorile conductivităţii hidraulice deoarece, în acvifere gradien ţii hidraulici sunt sub 1%. Propagarea perturbării echilibrelor hidrodinamice în acvifere este condiţionată de caracteristicile elastice ale apei şi matricei minerale. Ritmul de propagare al acestor perturbaţii este evaluat prin intermediul coeficientului de difuzivitate hidraulică a cărui valoare reprezintă suprafaţa baleiată de unda de perturbare în unitatea de timp. Forma 6 2 ă dacă acviferul este izotrop ă dacă acviferul frontului de perturbare fi circular eliptic este anizotrop. Valorilepoate maxime ale acestor suprafeţe ating 10 m /zisau pentru nisipuri fine.

79

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb 4.10.3. Relaţiile apei subterane cu fluidele nemiscibile Când în acvifer sunt prezente fluide nemiscibile, mai uşoare (gazolina, motorina etc.) sau mai grele (tricloroetilena, penta-clorofenol ) decât apa subterană, apar probleme de intoleranţă grave. Priorităţile pentru ocuparea spaţiului disponibil şi deplasării fluidelor sunt reglate de caracteristicile fluidelor şi ale matricei minerale. Pentru descrierea deplasării fiecărui fluid se utilizează parametrul permeabilitate relativă. Permeabilitatea relativă este condiţionată de gradul de saturaţie al formaţiunii cu fluid precum şi de unghiul de contact (udă sau nu udă) dintre fluid şi faza solidă prin care este reprezentată formaţiunea permeabilă: • dacă un fluid ocupă o fracţiune mai mică din spaţiul poros disponibil şi udă matricea minerală se va deplasa mai greu ; • dacă fluidul ocupă o fracţiune mai mare din spaţiul poros disponibil şi nu udă matricea minerală se va deplasa mai uşor.

80

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb 5. Controlul substanţelor poluante din ape

Pentru determinarea prin analize cantitative a substanţelor poluante din ape se folosesc atat metodele fizico-chimice existente, cat si mijloace cosmice de observare. Dezvoltarea sistemului informativ de observare impune automatizarea maxim ă a proceselor de măsurare, prelucrare şi păstrare a datelor privind poluarea apelor cu cei mai primejdio şi poluanţi. Automatizarea procesului de control a substanţelor poluante este impus de: Volumul ridicat de muncă şi precizia insuficientă deoarece majoritatea analizelor se efectuează în mod manual, utilizand diferite metode fizico-chimice şi analitice. Intervalul de timp dintre măsurătorile succesive, funcţie de complexitatea analizei, poate fi evaluat la săptămni şi chiar luni. În acest interval de timp proporţiile parametrului măsurat pot să varieze într-o măsură atât de mare, încît valoarea rezultatelor analizei scade. măsurătorile nu se fac direct la obiectul natural ci se îndeplinesc în laborator şi atunci apar probleme ce ţin de conservarea, păstrarea şi transportarea probelor. Motivele menţionate provoacă situaţii complexe cu un volum mare de munc ă şi informativitate redusă, soldîndu-se în consecinţă cu o efecienţă scăzută a serviciului existent de supraveghere şi control asupra stăriiapelor. Schema generală a sistemului de control cuprinde următoarele etape:

-

Metodele fizico-chimice de analiza se împart, la rândul lor, în: metode spectrale, metode electrochimice, metode cromatografice.

5.1. Metodele spectrale de analiză Metodele spectroscopice reprezintă un grup de analize ce se pot baza atât pe absorb ţia radiaţiei de către substanţa analizată, cât şi pe înregistrarea radiaţiei acesteia. Sintetic, ele pot fi grupate în schema de mai jos: 81

[2010]


Bazele teoretice ale metodelor spectrale Atomul este format dintr-un nucleu central în jurul căruia orbitează electronii. Starea fundamentală a atomului este cea cu energie minimă a aranjamentului electronic. Starea excitată se obţine când furnizăm electronilor energie din exterior printr-un proces oarecare (termic, electromagnetic, etc.) şi aceştia trec pe nivele superioare de energie ce corespund orbitelor mai îndepărtate de nucleu. Starea excitată este instabilă, electronul se întoarce pe vechiul nivel de energie emi ţând un foton.

Linia spectrală reprezintă tranziţia cuantică a unui electron între diferitele nivele energetice din atomi şi molecule. Spectrul reprezintă o distribuţie bine definită a frecvenţelor liniilor spectrale funcţie de lungimea de undă. Spectrul de absorbţie sau de emisie a unui sistem atomic dat, observat în anumite condiţii, este caracterizat atât prin totalitatea valorilor frecvenţelor liniilor (sau benzilor ) spectrale cât şi prin distribuţia intensităţilor în linii sau benzi. La trecerea luminii prin gaze sau vapori aduse în starea de incandescenţă, acestea emit radiaţii care, analizate cu un spectroscop, sunt formate din diferite linii colorate, formând un 82

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb spectru. Acelaşi lucru se întâmplă şi cu un corp solid adus la incandescen ţă. Fiecărei lungimi de undă îi corespunde o linie spectral ă situată fie în domeniul vizibil (400700 nm), fie în domeniul invizibil (infraroşu, IR, sau ultraviolet, UV).

Spectrele reprezintă, de fapt, o succesiune de imagini colorate ale fantei colimatorului. Spectrele pot fi: de emisie şi de absorbţie. - Spectrele de emisie sunt cele date de vapori, gaze sau corpuri solide aduse în stare de incandescenţă. - Spectrul de absorbţie al unui corp dat este un ansamblu de linii şi benzi întunecoase care apar pe fondul spectrului continuu de emisie, atunci când lumina trece printr-un mediu absorbant. Spectrometria este stiinţa care se ocupă cu studiul spectrelor. Ea se poate împărţi în: ♦ spectrometria nucleară - studiază nivelele de energie a nucleelor atomice şi tranziţiile dintre aceste nivele. Tranziţiile pot fi însoţite de radiaţie electromagnetică şi atunci dau spectrul gama, sau de radiaţie corpusculară alfa sau beta. ♦ spectrometria atomică - studiază nivelele electronice de energie ale atomilor şi tranziţiile dintre ele. ♦ spectrometria moleculară - studiază nivelele electronice de vibraţie şi de rotaţie a şi tranziţiile dintre ele. moleculelor ♦ spectrometria mediilor condensate - a cristalelor, a corpurilor amorfe şi a lichidelor studiază nivelele de energie a acestor sisteme şi tranziţiile dintre ele. Spectroscopia de absorbţie atomică, termen introdus iniţial de Walsh, presupune orice metodă analitică în care un element este atomizat pentru a permite observarea, selectarea şi măsurarea spectrului lui de absorbţie. In spectroscopia de absorbţie atomică (AAS) fascicolul de radiaţie care provine de la lampă I0ν=n1hν trece prin flacăra care conţine atomi absorbanţi (atomi liberi), flacără care constituie un mediu de absorbţie de o grosime definită (b). Acest mediu absoarbe o parte din intensitatea iniţială a fascicolului, Iνabs = I0ν - Iν Expresia intensităţii fascicolului emergent este dată de:

Iν = I0νekbc (1) unde k - este coeficientul de absorbţie şi variază cu frecvenţa, b – este grosimea stratului absorbant, iar c – reprezintă concentraţia atomilor care absorb.

83

[2010]


Analiza spectrală poate fi calitativă sau cantitativă. În analiza spectrală calitativă se compara spectrul substanţei date cu unul de referinţă cunoscut (de obicei, cu spectrul fierului). Se caută lungimile de undă identificate în tabele cunoscute şi se află cărei substanţe îi aparţine spectrul respectiv. Analiza spectrală cantitativă se bazează pe faptul că intensitatea liniei spectrale depinde de concentraţia atomilor emiţători din substanţa de studiat. Cu cât concentraţia este mai mare cu atât intensitatea liniilor spectrale este mai mare. Metoda spectrală de emisie se bazează pe înregistrarea spectrului de emisie a substanţei aflată în stare de plasmă ("vapori atomici"). Notă Plasma este constituită din electroni liberi, atomi, ioni, radicali şi molecule, avînd diferite stări de excitare energetică. Gradul de ionizare a elementului în stare de plasm ă depinde de temperatura acesteia şi de valoarea potenţialului de ionizare a elementului (potenţialul de ionizare reprezintă cantitatea de energie necesară desprinderii unui electron de la un atom sau ion). Poten ţialul iniţial de ionizare a elementului permite evaluarea temperaturii optime a plasmei la nivelul căreia procesul de ionizare se desfăşoară încă în proporţii neglijabile iar liniile spectrale de rezonanţă ating intensitatea maximă. Emisia plasmei se descompune, prin intermediul spectrometrului, în linii spectrale pe baza cărora sunt identificate elementele examinate. Gradul de complexitate a spectrului depinde de: - numărul electronilor de valenţă ai elementului, - de structura straturilor electronice - de temperatura plasmei. Elementele uşor ionizabile (metalele alcaline şi alcalino-pămîntoase) necesită o flacără cu temperatură scăzută iar cele cu un grad mediu de ionizare impun descărcarea unui arc electric. Temperatura cea mai înalt ă este asigurată de flacăra amestecului acetilenă - N 2O (32000C), arzătorul de gaz obişnuit generând doar 18000C. Metoda de absorbţie atomică este similară metodelor spectrale de emisie atât prin tehnica de executare a experienţelor cât şi prin aparatura disponibilă, singura deosebire constînd în producerea absorbţiei şi nu a emisiei cuantei de radiaţie. Fiind trecută prin plasmă, radiaţia este absorbită în conformitate cu legea lui Lambert-Beer. Din substanţa examinată se prepară o soluţie, aceasta urmând a fi dispersată în plasmă. Metoda de absorbţie atomică permite identificarea prin analiză a circa 70 de elemente diverse. Varietatea chimică a substanţelor poluante sunt determinate prin metode spectrale bazate pe absorb ţie şi emisie în regiunile ultraviolet ă, vizibilă sau infraroşie a spectrului. Acest grup de metode, avînd la baz ă spectroscopia moleculară, este cel mai perfecţionat şi mai frecvent utilizat. Metodele fotometrice se bazează pe absorbţia de către mostra examinată a radiaţiei vizibile (400-800 nm). Realizarea acestor analize se datoreaz ă faptului că un mare număr de compuşi organici şi anorganici formează derivaţi cu o coloraţie intensă. 84

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Spectrofotometria este o metodă optică de determinarea a concentraţiilor constituenţilor existenţi într-o probă dată şi se bazează pe iradierea probei de analizat cu un fascicul de radiaţii electromagnetice, a cărui putere radiantă se micşorează la ieşirea din sistem în funcţie de natura şi concentraţia speciilor absorbante. Substanţele care absorb radiaţii aparţinând domeniului vizibil se vor colora în culori complementare. Acest fapt face posibilă determinarea cantităţii de lumină absorbită de c ătre soluţie, intensitatea radiaţiei transmise fiind proporţională cu concentraţia speciilor absorbante din soluţia analizată. Fie un fascicul de radia ţii de intensitate I0, ce străbate sub o inciden ţă normală un strat absorbant. Acesta pierde o parte din energia sa radiantă prin reflexie Ir iar o parte din aceasta este absorbită de către sistem Ia. Altfel spus, din intensitatea ini ţială numai o parte din radiaţie este transmisă şi ea se notează cu It. Gradul de diminuare al intensităţii radiaţiei incidente este (conform legii lui Beer-Lambert) proporţional cu grosimea stratului traversat şi cu concentraţia speciei absorbante:

I0 1 = lg = E It T unde T este transmitanţa, iar E este extincţia . Metodele de fluorescenţă se bazează pe excitarea electronică a moleculelor prin absorbţia radiaţiei din domeniul ultraviolet şi pe emisia ulterioară a cuantelor de radiaţie (la interval de 10-8 - 10-9 s). Randamentul cuantic al fluorescen ţei echivalează cu raportul numărului de cuante emise la numărul celor absorbite. Fluorescenţa se manifestă cu atît mai intens cu cît randamentul cuantic este mai mare. Metoda de fluorescenţă este aplicată la analiza apelor reziduale. Efectuarea acesteia lg

ă a probei, nu cere nicideterminarea pregătirea prealabil nici separarea substan ei ăorganice permi ţând sumei substan ţelor organice dizolvate în ţap conformindividuale, intensităţii fluorescenţei în regiunea 390-560 nm sau potrivit unor benzi separate. Spre exemplificare, intensitatea fluorescenţei la lungimea de undă de 490 nm face posibilă evaluarea conţinutului de compuşi cuprinzînd grupe carbonil. Metoda de fluorescenţă poate fi utilizată pentru analiza conţinutului de produse petroliere din mediul marin. Aceste produse se eviden ţiază printr-o bandă largă de emisie în domeniul 460-480 nm. Limita de detecţie a produselor petroliere este de 10-6 %. Pe baza metodelor de fluorescenţă îmbinate cu optica laser au fost elaborate dispozitive destinate efectuării controlului la distanţă a stării mediului şi a conţinutului de substanţe poluante luate separat (metode de spectroscopie cu laser la distan ţă). Aceste metode sunt aplicate, în particular, la monitorizarea cosmică.

5.2. Metodele electrochimice Metodele electrochimice de analiză se bazează pe folosirea dependenţei parametrilor celulei electrolitice de: concentraţia, natura şi structura substanţelor participante la reacţia de la electrod sau la transferul electrochimic al sarcinii între electrozi. Drept semnale analitice servesc parametrii electrici cum ar fi intensitatea curentului, tensiunea, rezistenţa. Celula electrolitică cuprinde 2 sau 3 electrozi:  electrodul indicator (de lucru) cu efect de captare şi care reacţionează la anumiţi factori cum ar fi, de exemplu, componenţa soluţiei sau un alt factor de influenţă, 85

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb electrodul de comparaţie care serveşte la constituirea unui circuit de măsurare şi la menţinerea unei valori constante a poten ţialului electrodului indicator  uneori, electrodul auxiliar care este inclus, împreun ă cu electrodul de lucru, în circuitul prin care trece curentul electric. Metodele electrochimice se realizează în două variante: metode neavând la bază reacţii din partea electrozilor (conductometrie) şi metode fundamentate pe reacţii ce au loc la electrozi, fie în lipsa curentului electric (potenţiometrice), fie în prezenţa acestuia (voltampermetrice, electrogravimetrice). 

5.3. Metodele cromatografice Cromatografia defineşte o grupă de metode care permit separea unor compuşi foarte asemănători din amestecuri complexe. În toate separările cromatografice proba este dizolvată într-o fază mobilă: gaz, lichid sau fluid supercritic. Aceast ă fază este frecvent numită eluent, iar după ce trece de capătul coloanei se numeşte eluat. Există numeroase variante ale metodei cromatografice, diferind unele de altele în primul rând prin natura fazei mobile, dar şi a celei staţionare. Astfel se distinge cromatografia de lichide (LC) când faza mobilă este un lichid, cromatografia de gaze (GC) când aceasta este un gaz sau cromatografia cu fluide supracritice la care faza mobilă este un lichid aflat peste temperatura critică. În cadrul cromatografiei de lichide se mai face distincţie între cromatografia pe coloană deschisă şi cea pe coloană închisă. Gaz cromatografia este prima dintre metodele de analiză cromatografică aplicată pe scară largă în analizele chimice. Compuşii amestecului supus separării nu trebuie să fie neapărat gaze, ci pot să fie şi lichide sau chiar solide volatile. Substanţele de analizat se introduc în coloana de separare, la o temperatură potrivită, prin intermediul unui dispozitiv de introducere a probei. Singura restricţie este temperatura de vaporizare care uneori poate fi mai mare decât temperatura de descompunere a substanţelor de analizat. Instrumentul care realizează separările şi totodată analiza în GC poartă numele de cromatograf de gaze. Funcţionarea acestuia se poate înţelege urmărind schema din fig. 5.1.

86

[2010]


Fig.5.1. Gaz cromatograful: schema de principiu Introducerea probei se realizează cu aşa-numitele seringi micrometrice, în cazul probelor care au volumele în domeniul 0.1-10µl. Cu acestea, dup ă umplerea cu volumul de probă necesar, apăsând pistonul, se injectează conţinutul prin cauciucul siliconic sau garnitura inelară a unui septum din dispozitivul de introducere a probei - injector. Injectoarele au rolul de a permite introducerea seringii şi totodată, de a provoca volatilizarea probei în curentul de gaz purtător cât mai aproape de intrarea în coloană. Aceste dispozitive sunt diferite în funcţie de coloanele utilizate. Capătul de sus al dispozitivului din fig. 5.2, situat în afara cromatografului, con ţine un septum, adică o pastilă din cauciuc siliconic care permite pătrunderea acului ascuţit al seringii. Cel ălalt capăt al dispozitivului este legat la coloana cromatografic ă prin intermediul unui racord filetat şi a unei garnituri. Astfel, imediat după injectarea probei, aceasta pătrunde în capul coloanei.

Fig. 5.2. Dispozitiv de injec ţie simplu folosit adesea în GC Obs.În cazul coloanelor capilare, care au debitele mult mai mici iar volumele introduse în coloane deosebit de mici, introducerea cu o sering ă a probelor, direct, ar compromite coloana definitiv. De aceea se folosesc nişte dispozitive speciale cu ajutorul cărora doar o mică fracţiune din probă, cunoscută, intră în coloană iar restul este evacuată în atmosferă. Dispozitivele se numesc split/splitless iar fracţiunea de probă introdusă efectiv în coloană reprezintă 1/20 până la 1/500 din volumul injectat cu seringa. Incinta termostatată în care se află coloana, numită cuptor, are temperatura reglabilă într-un domeniu larg (40450°C) fiind foarte precis stabilizat ă (±0.1°C) şi totodată ventilată, pentru o egalizare rapidă a temperaturii. La anumite cromatografe, se pot executa şi programe de temperatură, adică încălziri controlate ale coloanei, în timp, pe parcursul efectuării analizei. Are loc în acest fel o volatilizare treptată a compuşilor - la început ies cei volatili care migrează rapid şi la urmă,

87

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb cei mai puţin volatili care migrează foarte lent mărind mult durata analizei. Programele se stabilesc prin încercări experimentale. Coloanele gaz cromatografice sunt elementul de bază al oricărui cromatograf de gaze şi sediul separării, respectiv al corectitudinii rezultatului analizei chimice. În figura 5.3 se reprezinta schematic fazele separării compuşilor la trecerea prin coloana gaz cromatografică.

Fig.5.3. Separarea compuşilor în coloana gaz cromatografului

Detectorii sunt instrumentele analitice propriu zise din gaz cromatografe, având rolul de a sesiza în mod continuu, rapid şi cu o mare sensibilitate, componentele din proba supus ă analizei. În corpul detectorului zonele cromatografice care ies separate din coloan ă, conţinând de preferinţă moleculele unei singure substanţe, se transformă în semnale electrice (picuri). Pentru a se putea compara, ca performanţe, fiecare detector este caracterizat de nişte m ărimi fizice: specificitate, sensibilitate, zgomot de fond, drift, limit ă de detecţie, constantă de timp, reactivitate, efect asupra probei şi altele, comune multor metode analitice. De asemenea, unii detectori distrug proba iar alţii o lasă nealterată, permiţând separarea fizică a acesteia. Cromatograma În orice tip de cromatografie detectorul d ă un semnal proporţional uneori cu concentraţia, alteori cu masa componentului aflat în celula de măsură, semnal ce poate fi înregistrat în funcţie de timp. Cromatograma reprezintă diagrama de semnal, în funcţie de timp sau de volumul de eluent, care se obţine în urma trecerii eluentului prin coloană. Elementele cromatogramei sunt linia de bază şi picurile, reprezentate în sistemul de axe: timp sau volum de retenţie, ca abscisă şi concentraţie sau semnal detector (de exemplu pA), ca ordonat ă. Linia de bază este o paralelă cu axa timpului care apare ori de câte ori în detector nu apare nici un component, în afara eluentului evident. Picurile sunt o serie de maxime care se obţin deasupra liniei de bază. Orice pic are, în cazul ideal, forma distribuţiei normale Gauss (fig. 5.4). Picurile reale nu respectă întotdeauna forma gaussiană din mai multe motive. Fie coeficientul de distribuţie nu este constant la orice concentraţie, fie există diferenţe între viteza eluentului transversal prin coloană şi anume în vecinătatea pereţilor aceasta este practic zero pe când la mijloc este maximă.

88

[2010]


Fig. 5.4. Elementele unei cromatograme În figura 5.4 sunt prezentate elementele unei cromatograme simple în care se distinge un singur component (picul semnificativ PS), celalalt pic (PI) reprezentând componenta inertă care se regăseşte în probă şi nu este reţinută deloc. Picul semnificativ este datorat moleculelor probei care se distribuie pe parcursul migrării prin coloană între faza mobilă şi cea staţionară şi care, în consecinţă, ies mai târziu din coloană. Mărimile specifice cromatogramei sunt: - timpul mort, tM - este timpul în care un component, complet nereţinut de către faza staţionară, parcurge coloana şi traseul până la detector. - timpul de retenţie, tR – este o mărime caracteristică fiecărui component al amestecului separat de coloană şi defineşte timpul scurs de la injectarea probei pâna la apari ţia maximului de concentraţie în detector. În cazul din fig. 4, tR este distanţa de la axa ordonatelor până la verticala prin vârful PS. - volumul de retenţie, vR este volumul de eluent corespunzător timpului de retenţie. El se exprimă funcţie de timpul tR prin intermediul Fe: VR = tR·Fe debitului eluentului, (1) - volumul mort reprezintă volumul golurilor din coloană plus volumul tuburilor de legătură de la coloană la detector şi este obţinut din debitul eluentului coloanei, Fe, prin produsul: VM =tM·Fe (2) - timpul de retenţie ajustat, tR'- este introdus în cromatografie pentru a se putea compara timpii măsuraţi pe coloane diferite, în cazul aceluiaşi component. El este dat de diferenţa: tR' = tR – tM (3) - volum de retenţie ajustat, este dat de diferenţa: VR' = VR - VM (4)

89

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb 6. Elemente de mecanica fluidelor

Hidrologia, fizica şi matematica îsi dau întâlnire în disciplina pe care o numim mecanica fluidelor şi care permite o analiză, explicare, calculare şi prognozare a comportamentului apei lichide în variate împrejurari, f ără de care ar fi greu de conceput studiul şi managementul modern al râurilor şi mai ales proiectarea şi exploatarea de baraje, canale, aducţiuni de ape şi nici, la scara dimensională mai mică, reţele de conducte de alimentare cu apă sau canalizare, pompe, apometre şi alte instalaţii şi aparate în legatură cu apa. Orice substanţă care curge se numeşte fluid. În această categorie se încadrează atât lichidele cât şi gazele. Un fluid este omogen dac ă densitatea sa are aceeaşi valoare în orice punct din volumul ocupat de fluid. Un fluid este izotrop dac ă îşi păstrează aceleaşi proprietăţi după orice direcţie care străbate mediul fluid. Mecanica fluidelor se mai numeşte şi mecanica mediilor continue, deoarece un fluid umple complet spaţiul în care este pus. Studiul fluidelor se face la nivel macroscopic, în sensul că o particulă fluidă conţine un număr considerabil de molecule. Particula fluid ă reprezintă o porţiune de fluid de formă oarecare şi dimensiuni arbitrar de mici, dar care păstrează proprietăţile de mediu continuu ale fluidului. Pentru a studia comportarea fluidelor, se utilizează un model fizic numit fluid ideal care este incompresibil şi lipsit de vâscozitate. Acest model de fluid ideal constituie o aproximaţie satisfăcătoare pentru un număr mare de lichide şi gaze, atâta timp cât vitezele acestora sunt mai mici decât viteza sunetului. Se deosebesc următoarele modele de fluid:  fluid uşor (practic fără greutate): aerul, gazele;  fluid greu (lichidele, eventual gazele foarte dense);  fluid ideal – nu are proprietatea de vâscozitate;  fluid real – fluid vâscos (modelul Newton); 

fluid incompresibil (modelul Pascal).

6.1 Noţiuni de statica fluidelor În cadrul staticii fluidelor sunt importante no ţiunile de presiune, presiune hidrostatică, centru de presiune, principiul lui Arhimede , centrul de plutire, echilibru stabil, instabil sau neutru la plutire etc. Dinamica fluidelor este o ştiintă foarte vastă. Sunt importante noţiunile de viteză, debit, curgerea uniformă sau neuniformă, laminara şi turbulenţa, separaţia, ecuaţia de continuitate, cea de moment şi cea de energie pentru curgere, rezistenţa, strat marginal, ecuaţiile Darcy-Weisbach şi Colebrook-White , diagrama Moody , formula Hazen-Williams , metoda Cross-Doland , ecuaţiile DuBoys , Chezy, Manning, Lacey, Inglis, Bose, Kalinske, Einstein, Meyer-Peter, Bagnold, Colby , salt hidraulic, profile de curgere, formula Francis etc. etc. Metodele matematice şi numerice avansate permit modelarea şi calcularea unei mari varietăţi de probleme de statică şi dinamică a apei, cu largi aplicaţii: aparate de măsură a debitului, pompe, proiectarea de conducte şi retele, reductoare de presiune etc. De asemenea ş fenomenele ce apar în conducte, canale şi chiar în râuri cu diverse se pot calcula ale curgerile caracteristici albiei, icu metode pentru estimat sedimentarea sau eroziunea, valurile, modificarea formei albiei (meandre etc.), curgerea în jurul diverselor obstacole, contracuren ţi etc.

90

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Hidrologia se foloseşte mult de matematici, de analiza statistică şi probabilistică (de frecvenţă, de regresie şi corelaţie, de variantă, covariantă şi serii temporale). Dintre proprietăţile fizice ale fluidelor sunt importante densitatea, greutatea specifică, compresibilitatea, vâscozitatea, presiunea vaporilor (de saturaţie, sau mai mare sau mai mică, ducând la condensare respectiv evaporare), tensiunea superficială.

1.Densitatea ρ Pentru un fluid neomogen, densitatea este limita raportului dintre masa de fluid din jurul punctului considerat şi volumul de fluid corespunzător atunci când acest volum tinde către 0, adică: Δm dm lim = Δ v → 0 Δv dv Pentru un lichid omogen: m ⎡ kg ⎤ v ⎢⎣ m 3 ⎥⎦

=

ρ

Inversul densităţii este volumul specific:

v=

1 ρ

Densitatea unui fluid variază cu temperatura după formula: ρθ

=

ρθ

1 + β tθ

unde: ρ0 - densitatea la 0°C; ρθ - densitatea la temperatura θ; βt - coeficientul de dilatare în volum

al fluidului. 2.Greutatea specifică γ Pentru un fluid neomogen, greutatea specific ă este limita raportului dintre greutatea de fluid din jurul punctului considerat şi volumul corespunzător, atunci când volumul tinde către 0. ΔG dG γ = lim = Δ v → 0 Δv dv Pentru un fluid omogen: γ

=

G⎡N ⎤ v ⎢⎣ m 3 ⎥⎦

unde γ reprezintă greutatea unităţii de volum. Considerând g = 9,81 m/s2 , rezultă γ H 2O

= 9810 91

N m3

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb 3. Presiunea Presiunea, p, este o mărime fizică scalară egală cu raportul dintre valoarea forţei F care acţionează normal şi uniform distribuită pe o suprafaţă şi aria S a acelei suprafeţe: F p= S In figura 6.1 numai componenta Fn=F cos α este normala suprafeţei de arie S. De aceea: F F cos α p= n = S S

Fig. 6.1.Forţa exercitată asupra unui element de suprafaţă Daca forta Fn nu are valoare constantă pe toată suprafaţa S, atunci se delimitează din S elemente de suprafaţă ΔS atât de mici încât în limita lor Fn are valoare constantă. Daca elementului de arie ΔS îi revine forţa ΔFn atunci presiunea pe suprafaţa ΔS este:

ΔFn ΔS ia r la limit ă, când ΔS → 0 , obţinem presiunea într-un punct al suprafe ţei S ΔFn p = Δlim s → 0 ΔS Dimensiunea presiunii rezultă din ecuaţia de definiţie: 1N [ p] SI = 1Pa = 2 1m În practică sunt utilizate şi alte unităţi de măsură pentru presiune: - Torrul este presiunea exercitată de o coloană de mercur cu înălţimea de 1mm, datorită greutăţii sale: 1torr=133,3N/m2 - Atmosfera tehnică reprezintă presiunea exercitată de greutatea unui corp cu masa de 1kg pe o suprafaţă cu aria de 1cm2: 1at=9,8.104N/m2 - Atmosfera fizică reprezintă presiunea exercitată de aerul atmosferic la nivelul mării, în condiţii normale de climă: 1atm=1,013.105N/m2 Un fluid, aflat în repaus, exercită forţe orientate perpendicular pe orice suprafa ţă aflată în contact cu fluidul. Considerăm un vas în care se g ăseşte un lichid aflat în echilibru. Dac ă forţa F exercitată de lichid nu ar fi perpendicular ă pe perete, am putea s ă o descompunem într-o componentă normală Fn şi o componentă tangenţială Ft. Sub acţiunea forţei tangenţiale, lichidul s-ar deplasa în lungul peretelui vasului şi nu ar mai fi în echilibru. Suprafaţa liberă a unui lichid aflat în echilibru se orientează încât ea să fie perpendiculară pe rezultanta tuturor forţelor. Astfel, dacă un vas ce conţine apă este pus într-o

p=

92

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb mişcare accelerată,suprafaţa apei se înclină până este perpendiculară pe rezultanta dintre greutate şi forţa de inerţie.

Fig. 6.2. Forţe exercitate într-un fluid Presiunea hidrostatică este presiunea exercitată în interiorul unui lichid aflat în echilibru în câmp gravitaţional. Pentru a găsi factorii de care depinde presiunea hidrostatic ă considerăm un vas ce con ţine un lichid. La o adâncime h delimit ăm un element de suprafaţă S. Lichidul situat deasupra acestei suprafe ţe va exercita o apăsare datorită greutăţii coloanei de lichid. Presiunea p la adâncimea h în lichid se calculează astfel: G mg ρShg p= = = = ρgh S S S Expresia de calcul a presiunii în interiorul unui lichid este: p = ρgh Presiunea este independentă de orientarea suprafeţei, depinzând de adâncimea h la care se măsoară aceasta şi de densitatea lichidului. Într-un lichid aflat în repaus, delimităm un volum V cu o formă paralelipipedică cu aria bazei S şi înălţimea h,

care are greutatea: G=ρgS(h2-h1)= ρgSh presiunea exercitat ă de către lichid pe faţa superioară are valoarea: p1= ρgh1 iar pe faţa inferioară presiunea are expresia: p2=ρ.g.h2 Pe feţele laterale presiunile sunt egale şi îşi anulează reciproc efectele, fiind de sens opus. Condiţia de echilibru a lichidului din volumul V este: F1 + F2 + G = 0 p1 S + ρgSh = p 2 S p 2 − p1 = ρgh unde p2-p1 este diferenţa de presiune între nivelele h2 şi h1. 93

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Principiul fundamental al hidrostaticii : Diferenţa de presiune dintre două puncte aflate într-un lichid în echilibru în câmp gravitaţional este direct proporţională cu diferenţa de nivel dintre cele două puncte: Δp = ρ.g.Δh Se constată că presiunea hidrostatică este independentă de forma vasului în care se află lichidul şi că este aceeaşi în toate punctele aflate la aceeaşi adâncime în lichid. Legea lui Pascal Conform principiului fundamental al hidrostaticii, diferenţa presiunilor în două puncte date ale unui lichid aflat în echilibru în câmp gravitaţional este: p2-p1=ρ.g.h ă ρ Dac termenul .g.h este constant, orice modificare a presiunii într-unul din cele dou ă puncte provoacă o modificare corspunzătoare a presiunii în celălalt punct încât: p 2' − p1' = ρgh Rezultă astfel: p 2' − p1' = p 2 − p1 sau p 2' − p 2 = p1' − p1 = Δp1 de unde Δp2=Δp1 Legea lui Pascal: Variaţia de presiune produsă într-un punct al unui lichid aflat în echilibru în câmp gravitaţional se transmite integral în toate punctele acelui lichid. Legea lui Pascal este valabilă numai pentru fluide incompresibile, lichidele având aceast ă proprietate, dar la gaze nu mai este valabilă. Legea lui Arhimede O consecinţă a legii fundamentale a hidrostaticii este şi legea lui Arhimede. Considerăm un corp cilindric cufundat într-un lichid aflat în repaus.

Conform principiului fundamental al hidrostaticii, forţele de apăsare pe suprafaţa laterală a cilindrului îşi fac echilibru. Rezultanta forţelor verticale de presiune, normale pe bazele cilindrului, este: F=F2-F1=(p2-p1)S sau ţinând cont că p=ρgh, obţinem: F=ρg(h2-h1)S=ρghS=G" Unde: h=h2-h1 este înălţimea cilindrului, ρ este densitatea lichidului, iar G" este greutatea lichidului dezlocuit de corp. Rezultanta forţelor de presiune exercitate asupra corpului cufundat în fluid, numit ă forţă arhimedică, este egală şi de sens opus cu greutatea volumului de lichid dezlocuit de corp. Legea lui Arhimede: Un corp cufundat într-un fluid în repaus este împins de jos în sus cu o for ţă egală cu greutatea volumului de fluid dezlocuit de acel corp. Punctul în care se aplic ă forţa arhimedică se numeşte centru de presiune. Un corp introdus într-un lichid este supus acţiunii a două forţe: 94

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb  

greutatea sa G aplicată în centru de greutate al corpului şi forţa arhimedică FA aplicată în centrul de presiune. Rezultanta acestor forţe se numeşte greutate aparentă: ⎛ ρ ⎞ G a = G − FA = mg − ρ lVg = mg ⎜⎜1 − l ⎟⎟ ⎝ ρc ⎠

Aplicaţii ale legii lui Arhimede: • plutirea navelor • submarinul • densimetrul 3.Compresibilitatea izotermă Variaţia relativă a volumului de fluid este direct propor ţională cu variaţia de presiune, prin intermediul coeficientului de compresibilitate izotermă β. La o creştere a presiunii din jurul fluidului de exemplu, are loc o comprimare rapidă a acestuia, ce se realizează la o temperatură constantă.

Δν

= − β Δp

ν

dacă ∆p>0 ⇒ ∆V<0, dacă ∆p<0 ⇒ V>0.

Se poate deduce expresia coeficientului β: β

= − ν1 ΔΔνp

Pentru un volum infinitezimal: 1 dν dp Orice fluid este caracterizat de coeficientul de elasticitate al fluidului ε , dat de relaţia: dp 1 ε = =− β dν Dependenţa coeficientului de elasticitate de densitatea fluidului se poate exprima pornind de la considerarea masei de fluid constant ă. V ρ dp m = ct ⇒ dm = 0 ⇒ d (ρV ) = 0 ⇒ ρdV = −Vdρ ⇒ − = ⇒ε = ρ dV dρ dρ 4. Vâscozitatea În timpul curgerii unui fluid, între straturile de fluid aflate în mi şcare relativă se exercită forţe de frecare internă sau vâscozitate. Datorită acestor forţe, stratul de fluid care are viteza de curgere mai mic ă va frâna stratul de fluid cu viteza de curgere mai mare, o parte din energia mecanică a particulelor de fluid trecând în energie intern ă a moleculelor fluidului. Curgerea fluidelor este stânjenită şi de pereţii faţă de care alunecă straturile de fluid, frecările vâscoase determină viteze de curgere mai mici în vecinătatea pereţilor. β

=−

ν

95

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Forţa de vâscozitate depinde de viteza relativă v dintre straturile vecine, de distanţa l dintre ele, de aria comună S a acestora şi de natura lichidului prin coeficientul de vâscozitate η: v F =η S l Ns [η ] SI = 2 = 10 P( poise) m Legea lui Stokes: forţa de frecare ce acţionează asupra unui corp în mişcare relativă faţă de un fluid este proporţională cu coeficientul de vâscozitate al fluidului, cu dimensiunea liniară caracteristică a corpului şi cu viteza F relativ = ηlvă:

Modificat dupa: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stokes_sphere.svg

S-au definit şi se folosesc în practică parametri adimensionali cum sunt Numărul lui Reynolds , Numărul lui Froude şi Numarul lui Weber . - Numărul lui Reynolds: Răspunsul la întrebarea când o curgere este laminar ă sau turbulentă depinde de proprietăţile particulare ale curgerii respective. În cazul curgerii printr-un tub cu sec ţiunea ă sau ă de valoarea circular cu raza R naturanumit curgerii (laminar turbulentăîn ) este determinat unei m Reynolds, onoarea fizicianului american ărimi ăadimensionale ă num ărul lui Osborne Reynolds (1883) care a studiat experimental tranzi ţia de la curgerea laminară la cea turbulentă: 2 Rvm Re = v unde ν = η/ρ este coeficientul de vâscozitate cinematică a fluidului, η fiind coeficientul de vâscozitate dinamică, iar ρ densitatea. vm reprezintă viteza medie de curgere a fluidului prin tub (viteza cu care ar curge fluidul prin tub dac ă ea ar fi acceaşi în toate punctele sec ţiunii transversale a tubului). S-a constat experimental că, în general, în cazul lichidelor dacă Re<2000 curgerea este laminară, iar dacă Re>3000 ea este turbulentă. În domeniul 2000< Re<3000 curgerea este instabilă, putând trece de la un regim la altul. - Numărul lui Froude: Viteza la care apare trecerea de la curgerea lini ştită la cea agitată (accelerată) este cunoscută sub numele de numărul Froude: V V F = γ gD F = γ g * D . unde: g = gravitaţia; D = adâncimea.

96

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Dacă numărul Froude este mai mic ca unitatea (1), curgerea este lini ştită, iar când devine mai mare, curgerea este agitat ă.

6.2. Noţiuni de dinamica fluidelor Dinamica fluidelor studiază mişcarea acestora în raport cu un sistem de referin ţă. În general, în timpul mişcării, un fluid nu se deplaseaz ă ca un tot unitar, straturile de fluid alunecă unele faţă de altele, adică lichidul curge. Studiul curgerii unui fluid se va face considerând un fluid ideal, adică un fluid incompresibil şi fără vâscozitate. În timpul curgerii straturile de fluid alunecă unele faţă de altele, deci au viteze diferite. De aceea este necesar să se cunoască vectorul viteză în fiecare punct al fluidului. Curgerea staţionară este acea curgere în care vectorul viteză în orice punct al fluidului este constant în timp, depinzând doar de poziţia punctului respectiv. Linia de curent este curba imaginară tangentă în fiecare punct la vectorul viteză al fluidului în acel punct.

6.3. Linii de curent În curgerea staţionară, două linii de curent nu se intersecteaz ă niciodată. Totalitatea liniilor de curent formează un tub de curent. Particulele de fluid aflate într-un tub de curent nu pot ie şi din el în regimul de curgere staţionar .

6.4. Tubul de curent În timpul dt, printr-un element de suprafaţă dS, trece o cantitate de substanţă dm. Debitul reprezintă cantitatea de substanţă care străbate o secţiune în unitatea de timp. Debitul masic printr-o secţiune a unui tub de curent este definit prin: Δm Qm = Δt unde Δm este masa de fluid care străbate o anumit ă arie în timpul Δt. Debitul volumic este dat de relaţia:

Qv = ΔV Δt unde ΔV este volumul de fluid care străbate o anumită arie în timpul Δt. Ecuaţia de continuitate 97

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Să considerăm un fluid în curgere staţionară printr-un tub de curent.

Debitul de volum prin ariile S 1 şi S2 au valorile: S v Δt Q1 = 1 1 = S1v1 Δt

Q2 = S 2 v 2 Δt = S 2 v 2 Δt În cazul regimului staţionar, când densitatea nu depinde de timp, putem spune c ă debitul masic Qm este acelaşi prin fiecare secţiune a unui tub de curent, sau că fluidul fiind incompresibil, ariile S1 şi S2 sunt străbătute de aceeaşi cantitate de fluid în unitatea de timp. Prin urmare, S1v1 = S 2 v2 = ct ceea ce reprezintă ecuaţia de continuitate. Ecuaţia lui Bernouli Fie un fluid ideal (un fluid incompresibil şi lipsit de vâscozitate). Considerăm un tub de fluid cu secţiuni diferite şi delimităm un volum AB, care se deplaseaz ă în unitatea de timp în poziţia A'B' (fig. 6.5).

Fig. 6.5. Tub de fluid ideal Conform ecuaţiei lui Bernouli, presiunea total ă într-un fluid perfect este constantă dea lungul unei linii de curent. ρv 2 ρv 2 p1 + 1 + ρgh1 = p 2 + 2 + ρgh2 = ct 2 2 Tipuri de curgere Curgerea fluidelor prin conducte poate fi laminară sau turbulentă. Curgerea laminară se caracterizează prin aceea că liniile de curent sunt paralele intre ele (fig.6.6).

Fig. 6.6. Curgerea laminară Când viteza de curgere depăşeşte o anumită valoare, numită viteză critică, regimul laminar devine instabil şi se trece în regim turbulent: se formează vârtejuri, masa de fluid se 98

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb mişcă dezordonat, liniile de curent dispar, viteza de curgere nu mai este liniară, viteza şi presiunea variază în fiecare punct şi curgerea devine nestaţionară. Formarea vârtejurilor duce la o marire a forţei de rezistenţă la curgere faţă de regimul laminar.

Fig. 6.7. Curgerea turbulentă Studiul curgerii fluidelor prin conducte s-a făcut experimental şi poate fi definită cu ajutorul numărului lui Raynolds. ρvd Re = η

în care: d – diametrul conductei, ρ densitatea, η coeficientul vâscozităţii dinamice, v reprezintă viteza medie de curgere a fluidului prin conductă (viteza cu care ar curge fluidul prin conduct ă dacă ea ar fi acceaşi în toate punctele secţiunii transversale a tubului).

a. Re < 2000 curgere laminara

b.2000 < Re < 3.000 curgere tranzitorie

c. Re > 3.000 – miscare turbulenta Fig. 6.8. Curgerea fluidelor prin conducte

99

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb 7. Proiectarea proceselor de tratare a apelor reziduale industriale

7.1. Probleme privind proiectarea proceselor de tratare a apelor industriale Principiile de proiectare a unui obiectiv de investi ţii pentru pre-epurarea / epurarea apelor reziduale industriale, prezintă anumite faze succesive a c ăror cunoaştere este necesară. Aceste sunt: Studiul preliminar / tema de proiectare – implică studierea, pe baza datelor existente, a activităţii agentului economic considerat, a calităţii apelor reziduale precum şi a modului de tratare a acestora; Studiul tehnico-economic - realizează un calcul preliminar al schemei de epurare impuse şi al unui posibil cost al lucr ării, pe baza unor date aproximative cunoscute din studiul preliminar şi a unor indici de cost; Studiul de prefezabilitate – reprezintă documentaţia tehnico-economică prin care persoana juridic ă achizitoare fundamentează necesitatea şi oportunitatea realizării obiectivului de investiţii; Studiul de fezabilitate – verifică atât din punct de vedere legal (al terenurilor ocupate de amenajare şi autorizaţiilor necesare) cât şi financiar (surse de finanţare, rate, dobânzi etc) soluţia aprobată în studiul de prefezabilitate; Proiectul tehnic – stabileşte toate detaliile tehnice ale lucr ării propriu-zise, planuri generale şi de amănunt, cantităţi de lucrări, materiale şi materii prime, graficul producţiei astfel încât fiecare firmă angrenată în acest proiect să ştie ce are de făcut. Alfel spus, proiectul tehnic este o documentaţie complexă ce cuprinde piese scrise şi piese desenate, tehnice, economice şi organizatorice menite să asigure realizarea investiţiei la nivelul parametrilor definiţi prin studiul de fezabilitate Proiect de execuţie –conţine în amănunt fiecare detaliu al proiectului tehnic, desene perfect cotate (sute-mii de planuri) dup ă care se pot demara lucr ările. ă, deci, că proiectarea unei amenajări de epurare a apelor reziduale Se este observ industriale o munc ă laborioasă, în faze de proiectare care decurg obligatoriu succesiv.

7.1.1. Studiul de prefezabilitate Studiul de prefezabilitate are rolul de a ajuta investitorii în vederea efectuării unei selecţii preliminare şi pentru definirea proiectului. Elaborarea unui studiu de fezabilitate necesită cheltuieli mari, de aceea ideea de proiect trebuie dezvoltată într-un studiu mai detaliat, dar fără a angaja fonduri importante. Obiectivele unui studiu de prefezabilitate constau în a determina: o capacitatea pieţei şi a societăţii comerciale; o studiul cererii şi al ofertei existente pe piaţă; o situaţia materiilor prime necesare; o localizarea şi amplasarea viitorului obiectiv; o unele aspecte tehnice ale proiectului: tehnologia utilizat ă, tipurile de mijloace fixe, necesare; o duratele de timp care intervin; necesarul de resurse umane; o o o

ţare, organizarea şi costurile de producţie; costurile investiţiei, economici modalitateaşide estimareade indicatorilor definan eficien ţă. Studiul trebuie sa conţină atât analiza financiară, cât şi analiza economică. 7.1.2. Studiul de fezabilitate 1. Definiţie

100

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Studiul de fezabilitate cuprinde ansamblul de documente (calcule tehnico-economice, desene, memorii de fundamentare, măsuri concrete de acţiune) privind necesitatea realizării viitorului obiectiv, sursele de aprovizionare cu materii prime, pieţele de desfacere, asigurarea capitalului – lichidităţi şi credite, rezultatele scontate, amplasamentul etc. 2. Structura studiului de fezabilitate Structura studiului de fezabilitate este identic ă cu cea a studiului de prefezabilitate, dar este mai detaliată. Prin urmare, studiul de fezabilitate trebuie să cuprindă cel puţin următoarele capitole: o date de identificare ale societăţii comerciale, o analiza de diagnosticare a st ării actuale a societăţii comerciale, o prognoza produselor, tehnologiilor, factorilor de produc ţie, o variante de dezvoltare şi de restructurare, o calculul eficienţei economice a variantelor studiate, analiza incertitudinii, riscului şi sensibilităţii variantei alese, o formularea deciziei de investitie. o 3. Caracteristicile studiului de fezabilitate - Studiul de fezabilitate reprezint ă documentul obligatoriu care stă la baza formulării deciziei de investiţii sub raportul stabilirii soluţiilor tehnice, alegerii furnizorilor de mijloace fixe şi materii prime, constituirii surselor de finan ţare, de determinare a perioadei de derulare şi de estimare a indicatorilor de eficienţă. - Prin studiul de fezabilitate se analizează elementele esenţiale ale investiţiei şi ale procesului de producţie, se evaluează eficienţa economică a proiectului de investiţii. - Pe baza acestui studiu se întocmeşte un plan sau un grafic privind implementarea deciziei de investiţii, fiind stabilite termene şi responsabilităţi de urmărire a modului în care derularea procesului de investiţii se încadrează în estimările făcute. Implementarea deciziei de investiţii nu constă doar în achiziţionarea şi punerea în funcţiune a echipamentelor şi a utilajelor care fac obiectul investiţiei. Este necesară urmărirea îndeplinirii previziunilor, care au stat la baza ţie, pe toată durata de funcţionare şi în cazul în care aceste nu sunt deciziei investiluate respectatedetrebuie măsuri de corectare.

7.2. Scheme clasice de epurare a apelor reziduale industriale Tratarea apelor reziduale, în scopul eliminării sau reducerii concentraţiilor agenţilor poluanţi, sub limita admisă de legislaţia de protecţia mediului, se realizează prin metode mecanice, chimice, biologice sau combinate în funcţie de tipul de activitate desăsurată. Stabilirea srcinii şi a caracteristicilor calitative ale apelor uzate necesit ă cunoaşterea procesului tehnologic industrial pentru o proiectare judicioasă a staţiilor de epurare. Alegerea metodei de tratare se face ţinând cont de caracteristicile apelor reziduale, stabilite prin analize de laborator:  Tratarea biologică se poate aplica atunci când apele conţin numai substanţe organice biodegradabile sau amestecuri de substanţe biodegradabile şi substanţe anorganice netoxice.  Când apele conţin substanţe organice greu biodegradabile, amestecate cu agen ţi toxici (organici sau anorganici), tratarea biologică trebuie combinată cu tratarea  

ă. chimic Când apele reziduale conţin substanţe care nu sunt biodegradabile şi substanţe toxice, epurarea se poate realiza numai prin tratamente chimice şi fizico-chimice. Epurarea mecanică este obligatorie înaintea epurării biologice sau chimice, şi are drept scop îndepărtarea materiilor solide în suspensie, decantabile.

101

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Parametrii în funcţie de care alegem metoda de tratare a apelor reziduale sunt: - temperatura, - pH-ul, - conţinutul de azot şi de fosfor, - cantitatea de solide în suspensie (SS), - CBO5, CCO, - natura şi concentraţia agenţilor toxici. Staţiile de epurare reprezintă ansamblul de construcţii şi instalaţii în care apele de canalizare sau reziduale sunt supuse proceselor tehnologice de epurare, care le modifică proprietăţile astfel încât să îndeplinească condiţiile prescrise de lege la vărsarea în emisar. Staţiile de epurare pot fi clasificate în două mari categorii:  orăşeneşti – care primesc şi tratează ape uzate menajere, industriale sau meteorice, de drenaj sau de suprafaţă, în proporţii variabile;  industriale – tratează numai ape reziduale industriale. Schema unei staţii de epurare este reprezentarea plană a succesiunii obiectelor principale din staţia de epurare, cu eviden ţierea poziţiilor relative dintre ele. Schema trebuie să pună în evidenţă, atăt circuitul apei, cât şi cel al nămolului, indicându-se cotele acestora în punctele principale. Alegerea schemelor de epurare se face în func ţie de diferiţi factori, cum ar fi:  gradul de epurare necesar;  modul de tratare a n ămolului;  felul utilajelor care urmeaz ă să fie folosite în staţia de epurare;  spaţiul disponibil pentru construcţia staţiei de epurare;  condiţiile locale (geotehnice, aprovizionare cu energie electric ă, transport etc.). În figurile 7.1, 7.2, 7.3 şi 7.4 sunt prezentate diverse scheme clasice de epurarea a apelor uzate reziduale.

Fig. 7.1. Schema epurării mecanice: 1 - grătare; 2 - deznisipator; 3 - separator de grăsimi; 4 -decantor; 5 – staţie de clorare; 6rezervoare pentru fermentarea nămolului; 7 - construcţie pentru deshidratarea nămolului.

102

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Fig. 7. 2. Schema epurării mecano-chimice: 1 - grătare; 2 - deznisipator; 3 - separator de grăsimi; 4 -decantor; 5 – staţie de clorare; 6rezervoare pentru fermentarea nămolului; 7 - construcţie pentru deshidratarea nămolului; 8 construcţii pentru preparare, dozare, amestec şi reacţie a coagulantelor.

Fig. 7.3. Schema epurării mecano - biologice naturale: 1 - grătare; 2 - deznisipator; 3 - separator de grăsimi; 4 -decantor; 5 – bazin de acumulare; 6rezervoare pentru fermentarea nămolului; 7 - construcţie pentru deshidratarea nămolului 8 - câmpuri de irigare şi filtrare.

Fig. 7. 4. Schema epurării mecano - biologice artificiale: 1 - grătare; 2 - deznisipator; 3 - separator de gr ăsimi; 4 -decantor; 5 – construc ţii pentru epurarea biologică artificială (filtre biologice, bazine cu nămol activ etc.); 6- rezervoare pentru fermentarea nămolului; 7 - construcţie pentru deshidratarea nămolului; 8 – decantoare secundare; 9 – staţie de clorurare. 7.2.1. Aplicaţie de curs Pentru procesul de obţinere a berii, din figura 7.5, apa este necesar ă în toate fazele de fabricaţie. Pe diferite compartimente, consumul de apă este următorul: la producţie 1,8 -2,6 hl apă/hl bere; la curăţenie 5,3-11 hl apă/hl bere; la răcire 4-6 hl apă/hl bere; pentru energie 0,10,3 hl apă/hl bere. 103

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Calitatea apei pentru bere este dat ă mai ales de conţinuturile în ioni (anioni şi cationi). Dintre cationi se menţionează : H+, Ca2+ ; Mg2+ ; Na+ ; Fe2+ ; Fe3+; Al3+; Mn2+, iar dintre anioni menţionăm: H-; HCO3-; SO42-; Cl-; SiO32-; NO3-; NO2-. La o concentraţie de peste 25 mg/l atât azotiţii cât şi azotaţii sunt toxici pentru drojdii (levuri). O apă cu peste 50 mg/l azotaţi nu se foloseşte la plămădire. Ionul sulfat influenţează gustul berii la un conţinut de peste 400 mg/l. Sub raport bacteriologic apa trebuie s ă corespundă normelor pentru apa potabilă.

Fig. 7.5. deşeuri poluante rezultate în diferite faze ale procesului de fabricaţie a berii Având în vedere procesul tehnologic de fabricare a berii, se propune schema de epurare din fig. 7.6.

Fig. 7.6. Schema de principiu a unei staţii de epurare a apelor reziduale, rezultate din industria berii Elementele staţiei de epurare şi rolul lor în schema stabilită sunt: Grătar - apa traversează un grătar care reţine suspensiile grosiere. 104

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Separator de grăsimi - grăsimile se ridică la suprafaţa separatorului, unde sunt colectate printr-un sistem de raclete. Decantor - materiile în suspensie se depun pe fundul bazinului. Acestea sunt, în principal, nămoluri care vor fi colectate prin raclaj şi apoi tratate. Bazin de tratare biologică - apa, încărcată cu materie organică dizolvată, staţionează într-un bazin de aerare. Aerul este injectat în acest bazin pentru a activa bacteriile care consumă substanţele poluante. Prin aglomerarea acestora se formează nămoluri biologice. Clarificator - Apa este separată de nămolul biologic prin decantare într-un bazin numit clarificator. Uneori este necesar un tratament ter ţiar al apei, pentru a elimina azotul sau fosforul printr-un procedeu biologic sau chimic. Apa rezultată este curată şi poate fi returnată mediului natural. Tratamentul nămolurilor - nămolurile recuperate sunt în stare lichid ă. Ele sunt îngroşate şi deshidratate pentru a fi incinerate sau valorificate în agricultură, dacă aceasta este permisă de calitatea lor. Staţie de dezodorizare - pentru a evita mirosurile supărătoare în perimetrul staţiei de epurare, majoritatea construcţiilor sunt închise. Aerul este aspirat şi dezodorizat în cuve, cu ajutorul mai multor reactivi succesivi (acizi, sod ă). Eliminarea apelor clarificate - normele de exigentă asupra apelor epurate depind de mediul receptor (mare, râu) şi de utilizarea apelor (spălat, agricultură, turism, industrie). 7.3. Alegerea schemei de epurare a apelor reziduale industriale. Calculul gradului de epurare necesar

Alegerea schemelor de epurare se face în func ţie de diferiţi factori, cum ar fi: de epurare necesar;

gradul

Notă:

ţa impusă unei staţii de epurare reprezintă Gradul de epurare necesar eficien procentul în care se reduce o parte sau dintr-o anumit ă substanţă ca urmare a epurării, astfel încât, după evacuarea apelor reziduale în emisar, urmat ă de amestecul cu apele acestuia, apele emisarului să respecte condiţiile de calitate impuse de normele în vigoare. Gradul de epurare se stabileşte cu relaţia: M −m β= ⋅ 100 [%] (1) M în care: M – este concentraţia iniţială a substanţei pentru care se determină gradul de epurare; m – concentraţia aceleiaşi substanţe, după epurarea apelor reziduale.Aceasta se stabileşte astfel încât, după amestecul cu apa emisarului, valoarea concentra ţiei acestei substanţe să rămână sub cea limită, prevăzută de normele în vigoare. Când trebuie să se determine gradul de epurare necesar, substanţele sau caracteristicile apelor emisarilor – care se iau în considerare – sunt: suspensiile, CBO 5, O2, ph-ul, substan ţele toxice.  modul de tratare a n ămolului;  felul utilajului care urmeaz ă să fie folosit în staţia de epurare;  spaţiul disponibil pentru construcţia staţiei de epurare;  condiţiile locale (geotehnice, aprovizionare cu energie electric ă, transport etc.).

105

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb 7.3.1. Calculul gradului de epurare necesar din punct de vedere al suspensiilor pentru dimensionarea staţiilor de epurare

Etapele parcurse pentru efectuarea acestui calcul sunt:  Se determină gradul de dilu ţie, d, cu relaţia (2): Q d= (2) q unde Q – debitul emisarului; q – debitul apelor uzate  Se verifică dacă amestecul se face complet, până la secţiunea de calcul (la 1 km în amonte de cea de folosinţă), stabilindu-se diluluţia reală (gradul de diluţie între secţiunea de evacuare şi secţiunea de amestec complet) cu ecuaţia (3): Q d' = a ⋅ (3) q în care, a este coeficientul de amestec al celor dou ă feluri de ape. Acest coeficient este subunitar şi creşte pe măsură ce punctu de calcul se apropie de cel de amestec complet, unde – teoretic- are valoarea 1. Coeficientul de amestec se determină cu formula lui I.D. Rodziler: 3 1 − e−α L a= (4) 3 Q 1 + ⋅ e −α L q în care: L- distanţa dintre secţiunea de evacuare a apelor uzate şi secţiunea de calcul; α - un coeficient care ia în considerare condi ţiile hidraulice de amestec. După V.A. Frolov se determină cu formula: D α = ξ ⋅ ϕ ⋅ 3 T (5)

q în care: -ξ , coeficient care depinde de conentra ţia de evacuare a apei uzate: ξ = 1,0 pentru evacuări la mal, concentrate; ξ = 1,5 - pentru evacuări în zona de viteză maximă a emisarului; ξ = 3,0 - pentru evacuări prevăzute cu instalaţii de dispersie. L - ϕ = , coeficientul de sinuozitate a râului, egal cu raportul dintre distanţa între secţiunea de l evacuare a apei uzate şi secţiunea de calcul L şi distanţa între aceleaşi secţiuni, dar în linie dreaptă l. - DT coeficientul de difuzie turbulentă care se determină cu relaţia: V ⋅H DT = (6) 200 unde: V- viteza medie, [m/s], a cursului de apă în zona considerată; H- adâncimea medie, [m], a cursului de ap ă în zona considerată. − α3 L e Practic, pentru calcul se folosesc valorile termenului , furnizate de tabelul 7.1. Discuţii:

106

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Rezolvând ecuaţia (4) în raport cu L, se poate determina distan ţa dintre secţiunea de evacuare a apelor uzate şi o secţiune oarecare, corespunzătoare unui anumit grad de amestec al celor două feluri de ape. Pentru amestecul complet (a=1), I.D. Rodziler apreciaz ă că pentru practică, este suficient dacă se consideră că a=0,7-0,8; numai în cazuri excepţionale egal cu 0,85. Etapele de stabilire a gradului de epurare din punct de vedere al suspensiilor sunt:  Se determină cantitatea maxim admisibilă de suspensii, în funcţie de diluţia reală, cu ajutorul Anexei 8.  Se determină gradul de epurare cu rela ţia (1); Se verifică dacă gradul de epurare rezultat este satisfăcător pentru condiţiile categoriei a III-a, în secţiunea de evacuare a apelor uzate, considerând c ă amestecul se face complet, în această secţiune. 3

Tabelul 7.1: Mărimea e -α L în funcţie de

107

α3

L

[2010]


7.3.2. Calculul gradului de epurare necesar din punct de vedere al CBO5 pentru dimensionarea staţiilor de epurare Parametrul "consum biochimic de oxigen" CBO5 a fost introdus în 1898 şi a fost conceput în concordanţă cu realităţile englezeşti - temperatură de 200C, timp de rezidenţă în râu 5 zile, tip de poluare predominantă fiind cea fecaloid-menajeră... Consumul biochimic de oxigen (CBO5), reprezintă cantitatea de oxigen consumată de microorganismele care metabolizează substanţele din apă, în 5 zile. Se exprimă în [mgO2/l]. 1.

Calculul gradului de epurare necesar din punct de vedere al CBO5 se poate face:

Funcţie de posibilităţile de aerare, se determină în secţiunea de calcul situată la 1km amonte de secţiunea de folosinţă, cu ecuaţia:

CBO5ap,uz , adm ⋅ q ⋅ 10 în care:

k1ap ,uz ⋅t

r

+ a ⋅ Q ⋅ CBO5r ⋅ 10-k1 ⋅t = (a ⋅ Q + q ) ⋅ N

(1)

ap,uz,adm

-evacuare; CBO5 - este consumul biochimic de oxigen la 5 zile al apelor uzate, în sec ţiunea de - k1ap,uz - viteza consumului de oxigen al apelor uzate, înainte de evacuarea acestora în emisar; - CBO5r - consumul biochimic de oxigen la 5 zile al apelor emisarului, în sec ţiunea de evacuare a apelor uzate; - k1r - viteza consumului de oxigen al apelor emisarului, în amonte de sec ţiunea de evacuarea apelor uzate; - N – cantitatea de CBO5 maxim admis, conform STAS 4706 (Tabelul 7.2), în amestecul de apă uzată şi de râu, în secţiunea de calcul;

Tabelul 7. 2:Condiţii de calitate pentru CBO5 şi O2 în apele de suprafaţă

ă gradul de epurare necesar, [°C]. - T – temperatura carerezult se determin Din ecuaţiala(1), ă:

a ⋅Q ⋅ CBO5ap ,uz ,adm = q

1 − k1ap ,uz ⋅t 10

r ⎞ ⎛ N ⎜ N − CBO r ⋅ 10 − k1 ⋅t ⎟ + 5 ⎜ ⎟ ap ,uz ⋅t ⎝ ⎠ 10 − k1

108

(2)

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Valorile termenului 10-kt se determină din graficul din fig. 7.7.

Fig. 7.7: Grafic pentru determinarea termenului 10-kt Cu ajutorul valorii CBO5ap,uz,adm se determină gradul de epurare folosind ecuaţia: CBO5ap ,uz − CBO5ap ,uz ,adm β= ⋅ 100 (3) CBO5ap ,uz 2. Funcţie de diluţie, se face cu ecuaţia (1) în care nu intervine viteza consumului de oxigen: a •Q CBO( 5 )ap ,uz ,adm = ( N¬CBO( 5 )r ) + N (4) q

7.3.3 Calculul gradului de epurare necesar din punct de vedere al O 2 Oxigenul prezent în apă este cunoscut ca oxigen dizolvat şi se măsoară convenţional în [mg O2/l]. Nivelul maxim de oxigen, conţinut de o anumită cantitate de apă, este influenţat ă este temperatura. Cu cât de seriemai de factori între care, deosebit important apao este caldă, fizico-chimici, cu atât poate transporta mai puţindeoxigen. De exemplu, apa proaspătă poate înmagazina până la 11,3 mg O2 / l la 10°C, dar numai 8,3 mg O 2 / l la 25°C. M ăsurarea nivelului de oxigen se poate face cu ajutorul testelor cu culoare variabil ă sau cu DO-metre electronice. Deficitul de oxigen este diferenţa dintre cantitatea de oxigen dizolvată în apă în condiţii de saturaţie şi cantitatea de oxigen găsită în proba de apă analizată. El are mare importanţă în caractizarea unei ape: cu cât deficitul de oxigen este mai mare, cu atât nivelul poluării apei este mai crescut şi pericolul pentru sănătatea consumatorilor mai ridicat. Pentru determinarea deficitului de oxigen al unei ape se face diferenţa dintre cantitatea de oxigen în condiţii de saturare la temperatura apei de analizat şi cantitatea de oxigen găsită în apă. Cantitatea de oxigen în condi ţii de saturaţie se ia din tabele. Etapele de calcul al gradului de epurare din punct de vedere al O2 necesar sunt: 1. Se determină deficitul iniţial de oxigen Da , cu relaţia: Da = O2s − O2r (1) în care: O2s este oxigenul dizolvat la saturaţie din apa râului, la debitul şi temperatura de calcul; O2r este oxigenul dizolvat real în apa râului, la debitul şi temperatura de calcul (conform măsurătorilor de pe teren)

109

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb 2. Se determină timpul critic t cr , pentru care se obţine în emisar deficitul maxim de oxigen, cu ajutorul ecuaţiei (2): ⎧ k r ⎡ D (k r − k r )⎤ ⎫ lg⎨ 2r ⎢1 − a r 2 1 ⎥ ⎬ k k ⋅L tcr = ⎩ 1 ⎣ r 1r a ⎦ ⎭ (2) k 2 − k1 în care: k1r este viteza consumului de oxigen al apei râului, în amonte de deversarea apelor uzate k 2r este coeficientul de reaerare a apei râului, în amonte de deversarea apelor uzate Da este deficitul iniţial de oxigen din apa râului, în amonte de deversarea apelor uzate La este consumul primar total de oxigen, al amestecului de apă de râu şi uzată CBO(20)am, în secţiunea de deversare a apelor uzate 3. Se determină consumul primar total de oxigen al amestecului de apă de râu şi uzată CBO(20)am, în secţiunea de deversare a apelor uzate: L a = CBO ( 20) am , cu ecuaţia (3), completată cu coeficientul de amestec, a: q ⋅ CBO)(20 am, uz , adm + a ⋅)(q ⋅ CBO 20 r La = CBO(20)am = (3) q + a⋅Q unde a este coeficientul de amestec care se determin ă cu relaţia (4) din lucrarea 16, q este debitul apelor uzate, iar Q debitul emisarului. 4. Timpul critic, t cr , se determină, în mod practic, cu diagrama din Anexa 13, calculând, în prealabil, următoarele elemente: k2r Da ; ; k r-k r, k1r La 2 1 cu care se intră în diagramă. Conform ecuaţiei (3), debitul critic este: r r r kr ⋅L Dcr = r1 ar ⋅ (10 −k1 ⋅tcr − 10 −k2 ⋅tcr )+ Da ⋅10 −k2 ⋅tcr (3) k 2 − k1 r

r

Pentru stabilirea valorilor 10 − k1 şi 10 − k2 se recomandă folosirea diagramei din Anexa 10. Se face, apoi, diferenţa

O2r , dintre oxigenul de saturaţie şi cel critic : O2r = Os − Dcr (4)

verificându-se dacă diferenţa este mai mare sau mai mică decât valoarea oxigenului indicată de STAS 4706. Dacă diferenţa este mai mare, calculul din punct de vedere al oxigenului dizolvat este terminat. Dacă este mai mică, se procedează în felul următor : max  Se determină, o valoare Dcr , astfel încât diferenţa din relaţia (4) să fie mai mare sau egală cu valoarea oxigenului dată de STAS 4706 ;  Se alege o valoare t cr şi, apoi, se calculează La , cu relaţia : r

− k2 ⋅tcr − Da ⋅10 La = CBO(20) am = (k 2r − kr 1r )⋅ (D−kcrmax r r ) (5) k1 ⋅ (10 1 ⋅tcr − 10 −k2 ⋅tcr )

110

[2010]

Surse de apă şi ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Gabriela Dana Petropol Serb Rezultatul se înlocuieşte în ecuaţia (2), pentru a vedea dac ă t cr , rezultat din aplicarea acestei condiţii, corespunde cu cel ales. Se fac încerc ări până se ajunge la corespondenţă. 5. Se transformă, apoi, CBO ( 20) am în CBO (5) am ,cu relaţia (4), care trebuie să rămână sub valoarea limită, prevăzută în STAS 4706; CBO(5) = 0,684 ⋅ CBO (20) (4) 6. Se determină CBO(5)ap,uz,adm cu ajutorul relaţiei 4 din 7.3.2. 7. Se determină gradul de epurare şi se compară cu cel rezultat la calculul referitor la CBO(5) , alegându-se cel mai mare. 

111

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana 8. Procese unitare de tratare fizico – chimică a apelor reziduale industriale

Acţiunea pe care apele uzate o exercită asupra receptorilor depinde de compoziţia şi de concentraţia lor în substanţe poluante. Apele reziduale industriale sunt deversate în reţeaua de canalizare publică a centrelor populate în conformitate cu normativul NTPA002/1997 care impune anumite restric ţii calitative privind compoziţia acestora. Din punct de vedere a st ării fizice, materiile şi substanţele poluante din apele uzate se împart în: • materii insolubile aflate în apă sub forma unor suspensii grosiere, decantabile cu diametrul particulelor de ordinul zecimilor de mm şi sub formă de suspensii, emulsii şi spumă; • particule coloidale, cu diametrul de la 0,1 până la 0,01 μ, fiind formate din suspensii care au sarcină electrică negativă; • substanţe dizolvate care se află în apă sub forma particulelor molecular dispersate care nu formează o fază distinctă, sistemul devenind monofazic, adică soluţie reală. Din punct de vedere a naturii lor, substanţele poluante pot fi minerale, organice, bacteriologice şi biologice. Obiectivul principal al epurării apelor reziduale îl constituie îndep ărtarea/ transformarea substanţelor în suspensie, coloidale şi în soluţie, a substanţelor toxice, a microorganismelor etc. din apele reziduale. Orice tehnologie de îndepărtare/transformare este constituită dintr-o serie de operaţii succesive, continue sau ciclice, de natur ă mecanică, fizică, chimică sau mixtă. Indiferent de gradul de complexitatea al tehnologiei folosite, ea const ă dintr-un număr de operaţii elementare (O1,O2,O3....On), distincte care se realizează în instalaţii şi aparate corespunzătoare, comune pentru diverse variante de tehnologii.

Fig. 8.1. Structura tehnologiilor de transformare a apelor reziduale Numim proces unitar toate transformările care intervin într-o schemă tehnologică de tratare a apelor, indiferent dac ă sunt de natură fizică, chimică sau biologică. Pentru studiul tehnico-economic al fiecarei operaţii sau proces unitar sunt importante următoarele aspecte: - principiile ştiinţifice de bază ; -experimentarea la scară de laborator sau pilot urmată de prelucarea datelor experimentale pentru stabilirea de relaţii care să permită dimensionarea instalaţiilor (stabilirea parametrilor optimi) ; - alegerea instalaţiilor şi utilajelor adecvate pentru realizarea în condiţii optime a transformărilor dorite. Procesele unitare prin care se realizează potabilizarea apei naturale sunt foarte ă ătoare celor de epurare a apelor reziduale industriale, diferenţa constând în natura apei asem brute nsupuse tratării şi în calitatea efluentului final care trebuie ob ţinută. În ambele cazuri, substanţele nedorite sunt îndepărtate din apă. Există totuşi unele procese unitare care, din considerente economice sau tehnologice, sunt specifice potabilizării apei sau epurarării ei.

112

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana Produsul unei staţii de potabilizare este o ap ă de calitate superioară care corespunde cerinţelor unei folosinţe. Produsul unei staţii de epurare este ob ţinerea unui efluent cu un conţinut acceptabil, care nu înrăutăţeşte calitatea resurselor naturale de apă. Cele mai multe procese de potabilizare şi de epurare a apelor aduc schimbări ale concentraţiilor unor substanţe care sunt fie scoase, fie introduse în apă, intervenind astfel un transfer de fază între cele trei faze existente : gazoasă, lichidă, solidă. Analiza problemei începe cu studiul fluxului de mase, pentru a vedea ce se poate reutiliza, recupera ca materii prime şi ca sursă de energie.

8.1.Egalizarea apelor reziduale, uniformizarea debitelor şi a compoziţiei apelor industriale Apele reziduale, indiferent de sursă, prezintă variaţii în timp ale debitelor şi compoziţiei, datorită lipsei de uniformitate a consumurilor de ap ă, a cantităţilor de apă eliminată din proces şi a conţinutului acestora în substanţe poluante. În procesele industriale cu caracter continuu, ce funcţionează în regim staţionar şi în care nu intervin operaţii ciclice, cum sunt industria de sintez ă a amoniacului, acidului azotic, metanolului, prepararea minereurilor, unele procese metalurgice, etc, debitul şi compoziţia sunt constante, prin urmare nu se pune problema uniformizării debitelor. În majoritatea industriilor, îns ă, intervin operaţii discontinue care conduc la evacuarea de ape uzate cu caracter aleator. Prezenţa mai multor surse de evacuare discontinue, cu periodicitate diferit ă, determină variaţii dezordonate ale debitului şi compoziţiei apelor uzate. Variabilitatea compoziţiei apelor uzate poate fi o consecinţă şi a modificării în timp a profilului şi a capacităţii de producţie. De exemplu, în fabricile de zah ăr şi conserve, debitele de ape uzate sunt sezoniere iar în industria chimică de sinteză, de obţinere a medicamentelor şi coloranţilor, unde se obţin cantităţi mici de produse pe perioade variabile de timp, se produc ape uzate numai în aceste perioade. În aceste condiţii, pe platformele industriale complexe, compoziţia apelor uzate este ă fluctuaţii, până la limita maximă determinată de capacitatea aleatoare, prezint sistemului iar dindebitele care se face alimentarea cu ap ă. Aceste debite sunt influenţate şi de gradul de recirculare a apelor din industria respectiv ă, iar în cazul sistemelor de canalizare mixte şi de regimul precipitaţiilor. Variaţiile de debit sunt întotdeauna însoţite şi de variaţii de concentraţii ale substanţelor poluante. Concentraţiile poluanţilor sunt determinate de evacuările specifice de apă pe unitatea de produs, precum şi de evacuarea materialelor nedorite. În instalaţiile de tratare a apelor reziduale, rezultatele depind de stabilitatea, respectiv uniformitatea regimului de intrare a apelor uzate în sistemul de tratare. Varia ţiile de debit în staţiile de tratare au ca rezultat salturi de vitez ă ce perturbă regimul de curgere. Instabilitatea vitezelor de curgere este dăunătoare mai ales în bazinele de decantare, în care vitezele mari de curgere antreneaz ă în efluent materiale în suspensie sau chiar materiale deja sedimentate. Uniformizarea debitelor şi a compoziţiei apelor uzate se face în bazine de uniformizare amplasate în serie sau în derivaţie cu colectorul de canalizare şi permite dimensionarea staţiei de tratare la nivelul debitelor medii. În instalaţiile de uniformizare a apelor uzate, respectiv în bazinele de uniformizare, cu ş dimensiuni adaptate fiecărui caz în parte, pot avea loc şi transformări chimice între forme ţi din aceste ape, cum ar fi reacţii de neutralizare, de oxigenare, redox, de diferiţii i poluan precipitare sau procese biochimice, toate conducând la o degrevare a etapei de epurare.

113

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana 8.2. Procese unitare fizice de tratare a apelor reziduale industriale Procesele fizice de epurare sunt acele procese în care substan ţele poluante sunt îndepărtate din apele reziduale fără a suferi transformări în alte substanţe, având la bază diverse principii fizice. 8.2.1. Separarea gravitaţională Separarea gravitaţională presupune îndepărtarea particulelor grosiere, nedizolvate în apă, sub influenţa câmpului gravitaţional al Pământului, prin sedimentare/decantare, flotaţie sau prin centrifugare. Pentru a mări eficienţa sedimentării gravitaţionale, aceasta poate fi însoţită de o separare sub acţiunea unui câmp de rotaţie creat artificial, în care iau naştere pe lângă forţele gravitaţionale şi forţe centrifuge, realizându-se o separare prin centrifugare. Decantarea presupune separarea fazelor unei suspensii pe baza fenomenului de sedimentare în câmp gravitaţional. În urma sedimentării suspensia se separă într-un lichid limpede, denumit decantat sau lichid clar şi un strat de solid îmbibat cu lichid denumit sediment, precipitat sau nămol. Utilajele în care sedimentarea în câmp gravitaţional este urmată de decantare se numesc decantoare. Dacă dintr-o suspensie solidul este componenta valoroas ă, operaţia se mai numeşte îngroşare iar dacă solidul nu are valoare economic ă, operaţia se numeşte limpezire sau clarificare. Principalii factori care influenţează operaţia de decantare sunt: • concentraţia şi structura fazei solide, • viteza de sedimentare, • tendinţa de aglomerare a particulelor, • temperatura suspensiei, ş.a. Din punct de vedere fenomenologic, sedimentarea unor particule solide intrun lichid, este o curgere în jurul corpurilor imersate (curgere extern ă). Atunci când concentraţia particulelor solide în suspensie este mică, iar fluidul este în regim staţionar, sedimentarea are loc fără ca acestea să interacţioneze între ele şi nu este influenţată de miscarea ascendentă a lichidului dezlocuit având loc o sedimentare liberă. Condiţiile pentru o sedimentare liberă sunt asigurate atunci când distanţa dintre două particule solide este mai mare decât dublul diametrului lor. Aceast ă situaţie este întâlnită în cazul suspensiilor diluate, când conţinutul de fază solidă este mai mic decât 10% din volumul soluţiei. În suspensiile concentrate, particulele vecine interac ţionează. În funcţie de caracteristicele fazei solide, interacţiunile dintre particule, pot determina o sedimentare frânată sau o sedimentare în asocia ţii de tip flocoane. În cazul sedimentării frânate, particulele solide sedimentează în ansamblu formând un strat de particule, independent de m ărimea lor individuală. Viteza de sedimentare frânată este mai mică decât viteza la sedimentarea liberă. În cazul sedimentării în asociaţii de tip flocoane, datorită scăderii ariei secţiunii de curgere, gradienţii de viteza în fluid, în aproprierea particulelor, sunt mai mari, ceea ce face ca frecarea dintre particule şi fluid sa fie mai mare. Particulele solide, în urma interac ţiunii lor, formează flocoane care vor sedimenta mai repede decât straturile de particule, întâlnite la sedimentarea frânată. 8.2.1.1 Clasificarea suspensiilor sedimentabile Natura particulelor în suspensie din apele uzate este extrem de eterogenă. Caracteristicile particulelor se pot modifica sub acţiunea factorilor fizici (uzură mecanică etc.) sau chimici (fragmentare, aglomerare, floculare etc.). Comportarea particulelor în lichid 114

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana depinde de caracteristicile lor principale privind mărimea, forma, greutatea specifică, viteza de cădere într-un lichid în repaus (mărimea hidraulică), stare coloidală, stare de floculare, grad de saturaţie etc. Mărimea geometrică a particulelor solide constituie cea mai importantă caracteristică, deoarece influenţează asupra condiţiilor de cădere în lichid şi saturaţie etc. asupra deplasării lor în curent. Forma particulelor materiilor în suspensie este variabilă greu de definit, motiv ce determină introducerea în calcule a unui coeficient de form ă pentru a caracteriza aceast ă caracteristică a particulelor. Densitatea specifică a particulelor ρs variază în limite destul de largi, între 0,01 g/cm 3 pentru particulele coloidale din nămolul decantoarelor şi 2,65 g/cm3 pentru particulele solide minerale reţinute în deznisipatoare. În funcţie de raportul ce exist ă între densitatea specifică a suspensiilor ρs şi cele ale apei ρa, deosebim următoarele situaţii: • când ρs>ρa are loc procesul ce sedimentare a suspensiilor; ps
8.2.1.2. Calculul vitezei de sedimentare Pentru deducerea expresiei vitezei de sedimentare liber ă se consideră o particulă solidă, de o formă oarecare, având densitatea ρD imersată în lichid (faza continuă) de densitate ρc şi vâscozitate η. Asupra particulei acţionează forţa exterioară Fe, forţa de plutire Fp şi forţa de rezistenţă Fr, care se opune deplasării particulei (fig. 2.1). În suspensii, densitatea fazei discontinue (a particulelor solide) decât condiţii, este Fe > mai Fp şi mare particula se vadensitatea deplasa înlichidului. direcţia deÎnacţaceste iune a forţei exterioare. Forţa exterioară poate fi forţa gravitaţională (la sedimentarea în decantoare) sau forţa centrifugă (la sedimentarea în centrifuge). Fig. 8.2.: Forţele care Pentru calculul vitezei de sedimentare se parcurg acţionează aupra unei următorii paşi: particule solide ce se 1) Se calculează forţa rezultantă care acţionează deplasează într-un fluid asupra particulei, cu relaţia: Fe - Fp - Fr =m (8.1) în care dv/dt este acceleraţia determinată de forţa rezultantă, iar m este masa particulei. 2) Se calculează forţa exterioară, cu ajutorul relaţiei: Fe = m · a (8.2) 3) Forţa de plutire este dată de relaţia: (8.3) ţiile (2.2) şi (2.3), ţia forţei exterioare (a = g, în câmp relarespectiv reprezint gravitaţÎn ional, a = q2R, în acâmp de forăţeaccelera centrifuge). 4) Forţa de rezistenţă la curgerea în jurul corpurilor imersate se exprimă prin relaţia:

(8.4) 115

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana în care: ξ este coeficientul de rezistenţă, iar A este aria proiecţiei particulei pe un plan perpendicular pe direcţia de deplasare a particulei. 5) Înlocuind expresiile forţelor în relaţia (1), rezultă: (8.5) 6) Dacă particula cade liber într-un lichid staţionar, viteza de depunere creşte continuu până atinge valoarea la care forţa de rezistenţă (care creşte cu pătratul vitezei) egalează rezultanta dată de forţa exterioară şi de forţa de plutire. Din momentul în care rezultanta forţelor este nulă, viteza particulei devine constantă şi se numeşte viteza de sedimentare liberă (viteza terminală sau viteza de plutire), deoarece dacă dv/dt = 0, atunci v = v0= constant. Prin urmare, la atingerea echilibrului for ţelor, relaţia (5), devine: (8.6) 7) de unde va rezulta următoarea formulă de calcul pentru viteza de sedimentare liberă: (8.7) Dacă forţa exterioară este forţa gravitaţională, a = g, iar dacă forţa exterioară este forţa centrifugă, a = ω2R ( unde, ω = 2πn, este viteza unghiulară, iar R este raza de rota ţie ), forma generală a relatiei (7) se obţine utilizând factorul de separare, k, definit ca raport între forţa centrifugă şi forţa gravitaţională: (8.8) unde: ω

2

R = k·g, iar expresia vitezei de sedimentare, în câmp de forţe centrifuge devine:

(8.9) Când k=1, relaţia (8.9) se poate aplica şi pentru sedimentarea în câmp gravita ţional. Pentru particule sferice cu diametrul d, pentru care: (8.10) expresia vitezei de sedimentare liberă, devine: (8.11) Coeficientul de rezistenţă, ξ, din relaţia (11), depinde de regimul de curgere, caracterizat prin valoarea criteriului Reynolds: (8.12) Dependenţa ξ = f(Re), la curgerea în jurul corpurilor imersate, se schimb ă în doua valori critice ale lui Reynolds, care delimitează trei domenii ( regimuri ) de sedimentare. - domeniul Stokes, pentru: Re ≤ 2 , în care: (8.13)

- domeniul Allen, pentru: 2 < Re < 500, în care: (8.14) 116

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana

- domeniul Newton, pentru: Re ≥ 500, în care: (8.15) Relaţiile (8.13 – 8.15) sunt valabile pentru sferice netede. Înlocuind expresiile coeficientului de rezistenţă, în relaţia (8.11), se obţin urmatoarele formule pentru calculul vitezei de sedimentare: - pentru domeniul Stokes: (8.16)

- pentru domeniul Allen: (8.17)

- pentru domeniul Newton: (8.18) Pentru alegerea relaţiei adecvate calculului vitezei de sedimentare, trebuie cunoscut ă valoarea criteriului Reynolds, care la rândul s ău se calculează în funcţie de viteza de sedimentare. În această situaţie, problema se rezolvă prin încercări: se adoptă un regim de sedimentare, după care se calculează viteza de sedimentare, cu relaţia corespunzătoare domeniului adoptat. Cu viteza de sedimentare astfel determinată, se calculează criteriul Reynolds, pentru a verifica dacă domeniul de sedimentare a fost bine ales. Pentru a se evita calculul prin încercări, se pot utiliza rela ţiile între criteriile Reynolds şi Arhimede. Aceste dependenţe se stabilesc pornind de la expresia vitezei de sedimentare, dată de relaţia (11), care prin ridicare la pătrat, devine: (8.19) Dar viteza v0 se poate exprima şi în funcţie de Reynolds: (8.20) Din relaţiile (8.19) şi (8.20) se obţine: (8.21) în care grupul:

(8.22)

este criteriul Arhimede. Dacă sedimentarea are loc în câmp gravita ţional, k = 1, relaţia (8.21) devine: (8.23) Deoarece criteriul Arhimede nu depinde de viteza de sedimentare, valoarea acestuia se poate utiliza domeniului de sedimentare. Valorile cu critice lui Arhimede, pentru pentru care sestabilirea schimbă regimul de sedimentare, se calculeaza relatiaale(23), astfel: - pentru: Re = 2, ξ = 24/2, iar Ar = 36; - pentru: Re = 500, ξ = 0,44, iar Ar = 84000. 117

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana Prin urmare cele trei domenii de sedimentare corespund la urm ătoarele valori ale criteriului Arhimede: - domeniul lui Stokes, pentru: Ar ≤ 36; - domeniul Allen, pentru: 36 < Ar < 84000; - domeniul Newton, pentru: Ar ≥ 84000. În domeniul Stokes, ξ = 24/Re şi din relatia (23), rezultă: (8.24) În domeniul Allen, ξ = 18,5/Re06, pentru care, din relaţia (23), rezultă: (8.25) În domeniul Newton, ξ = 0,44, şi deci: (8.26) Pentru particule de formă nesferică, viteza de sedimentare se poate calcula înmul ţind criteriul Reynolds cu un factor de forma, kf , a cărui valoare este dat ă în tabelul 8.1, iar diametrul particulelor se înlocuieşte cu diametrul echivalent. Prin urmare, utilizând formula: (8.27) se poate stabili relaţia dintre Re şi Ar, pentru fiecare domeniu de sedimentare. Tabelul 8.1. Valorile factorului de formă Forma particulei Kf sferică rotunjită unghiulară

1 0,77 0.66

alungită lamelară

0,58 0,43

Tot pentru calculul vitezei de sedimentare ale particulelor de diverse forme, se pot utiliza şi corelaţiile grafice dintre criteriile Arhimede şi Liascenko, stabilite prin determinări experimentale şi prezentate în literatura de specialitate. Aceste relaţii se pot utiliza şi pentru a calcula diametrul unor particule care sedimentează cu o viteză impusă. Criteriul Liascenko se calculează cu relaţia: (8.28)

8.2.1.3. Viteza de sedimentare în suspensii concentrate Viteza de sedimentare în suspensiile concentrate este mai mică decât viteza de sedimentare liberă, adică sedimentarea este frânată. Scăderea vitezei de sedimentare, în acest caz, poate fi exprimată, convenţional, în funcţie de "fracţia de goluri", a suspensiei, exprimată prin relaţia: (8.29) în care: 118

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana – volumul suspensiei; Vp – volumul particulelor solide. Dacă se consideră sedimentarea unor particule uniforme, într-un lichid de densitate, ρc, şi vascozitatea, n, viteza reală de sedimentare franată, v0f, va fi: v0f = ε · v0 (8.30) in care: vo – viteza de sedimentare a particulelor, raportată la lichid. Atât densitatea suspensiei, ρs, cât şi vâscozitatea suspensiei, ηs sunt influenţate de variaţia concentraţiei suspensiei. Vâscozitatea suspensiei se poate exprima prin relaţia: (8.31) Vs

Viteza de sedimentare în suspensii concentrate, se exprimă tot cu relatia (11), în care însa densitatea fazei continue, ρc, este înlocuită cu densitatea suspensiei, ρs: (8.32) Se consideră sedimentarea în câmp gravitational, deci k = 1. Dependenta: ξ = f(Re) se poate exprima prin rela ţia generală: (8.33) în care criteriul Reynolds se calculeaz ă cu relaţia: (8.34) sau, ţiând cont de relaţia (2.31): (8.35) Prin urmare: (8.36) Înlocuind expresia lui ξ, dată de relţia (2.36), în relaţia (2.32), se obţine: (8.37) Ţinând cont de relaţia (2.30), viteza de sedimentare frânată, se exprimă prin relaţia:

(8.38) Pentru sedimentarea în domeniul Stokes ( Re < 2 ), a = 24, iar b = 1, si relaţia (8.38), devine: (8.39) Datele experimentale obţinute de Steinour la sedimentarea în domeniul laminar a unor particule fine şi uniforme, au permis stabilirea următoarei corelaţii: (8.40) Pentru suspensii grosiere,când diametrul particulelor, d>50 μm, se recomandă relatia: (8.41)

119

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana în care, exponentul, n, are valoarea n = 4,6, la sedimentarea particulelor sferice, în apă, pentru Re < 2, respectiv, n = 2,4, pentru Re > 500. Pentru domeniul 2 < Re < 500, n, este funcţie de criteriul Reynolds.

8.2.1.4. Determinarea vitezei de sedimentare a particulelor Pentru calculul vitezei de sedimentare trebuie cunoscut diametrul particulelor, d. Dacă nu se dispune de valori masurate prin tehnica microscopic ă, se pot utiliza reprezentari care dau distribuţia dimensiunilor particulelor solide, obţinute experimental. Diferenţele mari între comportarea diferitelor suspensii concentrate, complexitatea fenomenelor care au loc în timpul sedimentării, impun utilizarea relaţiilor prezentate anterior, cu mare atenţie şi numai în condi ţiile precizate. Din acest motiv se recomand ă determinarea experimentală a vitezei de sedimentare, pentru sistemul eterogen considerat. În acest scop, se trasează din determinări experimentale, curba de sedimentare, care reprezinta prin varia ţia înalţimii stratului de suspensie dintr-un cilindru.

8.3. Separarea particulelor prin decantare c. Decantoarele au scopul de a reţine suspensiile floculente din apele uzate. Există mai multe criterii de clasificare a decantoarelor. După amplasarea decantoarelor în schema staţiei de epurare acestea pot fi primare sau secundare.

Fig.8.3. Decantor: principiu constructiv

Fig. 8.4. Decantoare: vedere generală Cei mai importanţi parametri care intervin în proiectarea decantoarelor (STAS 4162) sunt: -

viteza orizontală de curgere a apei, viteza de sedimentare, timpul de decantare.

120

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana Se recomandă ca aceste elemente să fie determinate în laborator. Când acest lucru nu este posibil se recomndă următoarele:  Vitezele orizontale v0, cele verticale vv, precum şi timpii de decantare se iau din tabelul 1. Timpii de decantare variază în funcţie de caracteristicile apei reziduale, de modul de tratare ulterioară, de emisarul sau folosinţele apei decantate.

Tabelul 8.2. viteza de curgere a apei în decantor Viteza maxima de curgere a apei, [mm/s] Poziţia decantoarelor în schema td tehnologică [ore] Decantoare orizontale, verticale, V v V 10,0 0,7

Decantoare primare

1,5

Decantoare secundare: - după filtre biologice de mică încărcare; - după filtre biologice de mare incarcare ; - după bazine cu ănmol activ de mică încărcare; - după bazine cu ănmol activ de mare incarcare

1,0

5,0

0,5

1,5

5,0

0,5

1,5

5,0

0,5

1,0

5,0

0,5

Vitezele de sedimentare vs şi concentraţia de substanţe în suspensie c, a apelor uzate sunt date în tabelul 2. Tabelul 8.3. Viteze de sedimentare vs în decantoare Vs [m/h] (încărcare superficială, [m /m şi h] Reducerea suspensiilor în ) decantor c < 200 200 < c < c > 300 3 [mgf/dm] [mgf/dm3] 300 3 40 - 45 % 2.3 2.7 3,0 4550 -% 1.8 2.3 2,6 5055 -% 1,2 1.5 1,9 55 - 60 % 0,7 1,1 1,5 Soluţia constructivă a decantoarelor trebuie să asigure o distribuţie cât mai uniformă a apei atât la intrarea cât şi la ieşirea din decantor. Pentru proiectarea decantoarelor orizontale longitudinale (STAS 4162), [1] se parcurg următoarele etape: 1. Stabilirea debitelor de calcul: Se calculează debitele de calcul, conform literaturii de specialitate [1]. Pentru sistemul de canalizare unitar: - debitul de dimensionare este Qcalcul = Qu zi max 

- debitul de verificare este Qverif = 2Q u o max. Pentru sistemul de canalizare separativ: - debitul de dimensionare este Q calcul = Qs zi max şi - debitul de verificare este Qverif = Q s o max. 2. Se alege viteza de sedimentare v s pentru cantitatea de suspensii din apa uzat ă c; 121

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana 3. Se alege timpul de decantare şi viteza orizontală; 4. Se calculează următoarele elemente: a. volumul de decantare: Vdec = Qct d ; Q b. secţiunea orizontală: A0 = c ; vs Q c. secţiunea transversală: Atr = c ; v0 d. înălţimea medie a decantorului: hu = vstd ; e. lungimea decantorului: L = v0t d . 5. Se verifică respectarea relaţiei: 4b1 ≤ L ≤ 10b1 , în care b1 este lăţimea decantorului; 6. Se stabileşte numărul de decantoare, lăţimea lor astfel încât să se înscrie în dimensiunile din tabelele 2, 3.

Tabelul 8.4. Decantoare orizontale Dimensiuni geometrice

b1 b2 b3 b4 L

3,5 2.8 1.35 0,325 20 -

Dimensiuni [m]

4.0 3.3 1,6 0,45 25-

5,0 4,3 2,1 0,7

6,0 5,3 2,6 0,85

30 -

35 -

7,0 6,3 3,1 1,2 4 0-

8,0 7,3 3,6 1,45

9,0 8,3 4,4 1,7

45-

50-

Tabelul 8.5. Decantoare orizontale Dimensiuni [m]

Dimensiun i

H a r e

2,4 1,7 2 95 1,25

2,6 1,8 3 15 1,35

2,8 1.95 34 1,46

3,0 2,1 3 65 1,56

3,2 2,25 39 1,66

3,4 2,4 4 15 1,77

3,6 2,5 44 1,87

3,8 2,65 4 65 1,98

4,0 2,8 49 2,08

Din decantoare se elimină o apă relativ limpede şi n ămolul respectiv. Decantoarele se pot construi într-o varietate mare de tipuri (STAS 4162-80). a. Decantoare rectangulare. Sunt cele mai simple tipuri de decantoare, folosite pe scară largă în staţiile de epurare. Ele permit apei o curgere orizontal ă în bazinul de decantare. Un dezavantaj al acestor decantoare îl constituie întinderea mare de p ământ pe care se desfăşoară.

b. Decantoare rectangulare dublu bazin. Sunt de fapt, două bazine rectangulare plasate unul peste celălalt. Acest tip de decantor conservă suprafaţa pământului dar necesită o întreţinere superioară şi costuri mai mari.

122

2010


Decantoare circulare sau pătratice (clarificatoare). Au curgere orizontală şi pot c. intâmpina probleme de scurtcircuitare. Scurtcircuitarea este o problem ă a bazinelor de sedimentare datorită căreia trecerea apei prin bazin depaşeşte timpul necesar decantării.

Zonele bazinelor de sedimentare Toate bazinele de sedimentare au patru zone: zona de intrare, zona de sedimentare, zona nămolului şi zona de ieşire. Fiecare zona are rolul său bine definit şi presupune o zona de tranziţie spre următoare. Cel mai simplu, aceste zone pot fi ilustrate în bazinul rectangular de sedimentare.

Într-un clarificator, în mod normal, apa intr ă de la centru spre exterior si zonele de ieşire se află pe extremităţi. Totuşi cele patru zone se regăsesc şi în acest caz.

123

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana Zona de intrare are rolul de a distribui apa şi de a controla viteza de intrare a apei în bazin. În plus, dispozitivele de intrare trebuie să previna turbulenţele. Fluxul de intrare în bazinul de sedimentare trebuie să fie uniform distribuit de-a lungul lăţimii bazinului pentru a preveni aşa numitele scurt circuite. Prin urmare, zona de intrare controlează viteza de curgere: daca aceasta este mai mare de 0.5m/sec, suspensiile grossiere din apa trebuie înlăturate pentru a face sedimentarea mai eficientă. Există 2 tipuri de intrări în bazinul de sedimentare: peretele perforat (a) sau canal artificial (b).

Zona de sedimentare este zona în care apa are o vitez ă redusă şi are loc sedimentarea. Zona de sedimentare poate fi o zon ă largă, deschisă de apă sau poate fi împărţită în tuburi sau lamele de sedimentare. Acestea au rolul de a mări eficienţa procesului de sedimentare. Fiecare tub sau lamelă este, de fapt, un mic bazin de sedimentare, m ărind astfel aria de sedimentare totală. Această metodă este foarte des folosită în cazul suprafeţelor insuficiente de sedimentare.

Zona de ieşire din bazinul de sedimentare trebuie să controleze fluxul de apă. Şi în cazul ei trebuie evitate scurtcircuitele apei în bazin. Această zonă trebuie să controleze şi nivelul apei în bazin.

124

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana Deversarea în efluent se poate face direct sau printr-un stăvilar sub formă de degete.

Eficienţa sedimentării depinde de mai mulţi facori: - Caracteristicile suspensiilor; --

Parametrii curgere; Posibilitateadeapari ţiei scurt-circuitelor;

- Temperatura apei. Caracteristicile suspensiilor impun anumite opera ţii care sa ajute sedimentarea: măruntirea, flocularea, etc, dar şi forma conductei de ieşire (în forma de S sau normală).

Scurtcircuitul apei în bazinul de sedimentare este o cauză a ineficienţei procesului. El constă în depunerea neuniformă a nămolului în zona namolului.

Temperaturade apei poate determina o statificare a apei influenţând atât sedimentarea cât şi posibilitatea realizare a scurtcircuitelor.

125

2010


Alte cauze ale ineficienţei sedimentării pot fi: prezenţa gazelor în apă, creşterea algelor, functionarea intermitentă, proiectarea necorespunzătoare. ţă Gradul proces sedimentare poate fi apreciat prinurm măăsurarea turbidităţ ii apeidela eficien întrarea şali launui ieşirea din de bazin. Un alt parametru ce trebuie rit este temperatura apei. Importantă este şi observarea permanentă a operatorului.

8.4. Echipamente folosite la separarea particulelor grosiere a. Grătarele sunt elemente ale treptei mecanice a staţiilor de epurare, destinate reţinerii corpurilor şi suspensiilor mari. În ele se reţin hârtii, cârpe, materiale plastice etc. Grătarele sunt alcătuite din bare metalice, paralele şi echidistante, prinse rigid pe suporţi transversali, astfel încât lasă între ele spaţii libere denumite lumină. Lumina grătarului (b), se alege astfel : - b =30...100 mm, pentru gr ătarele rare ; - b =10...25 mm, pentru gr ătarele mijlocii ; - b =3 ...10 mm, pentru gr ătare dese. Grătarele pot fi cu curăţire mecanică sau manuală.  Grătarele cu curăţire mecanică - se folosesc la sta ţiile de epurare mari, fiind aşezate în camere special amenajate. Prezintă bare metalice dese. Distanţa dintre bare este de 1,5 - 2,5 cm, iar grosimea barelor între 8 – 12 mm. Se montează perpendicular pe radierul camerei, θ = 90º.  Grătarele cu curăţire manuală - sunt grătare rare, la care distanţa dintre bare este de 2,5 – 8 cm. Ele se recomand ă a fi aşezate cu o înclinare faţă de orizontală, de 30º-40º. Grătarele cu curăţire manuală sunt aşezate, de obicei, în canalul de aducţiune, în cazul staţiilor de epurare mici. Grătarele cu curăţire mecanică sunt aşezate în camere special amenajate, pentru protejarea mecanismelor. Camera grătarelor trebuie să aibă o lăţime mai mare decât canalul de acces.

126

2010


2010

Fig.8.5. Grătare În ceea ce priveşte proiectarea grătarelor, se ţine cont de următoarele observaţii:  în canalul de aduc ţiune al apei, la debitul orar maxim, nivelul apei este de 0,2 m, nivel care urmează a se păstra şi în camera grătarului;  viteza apei în amonte de gr ătar trebuie să fie: va = 0,4 - 0,6m/s (unele tratate de specialitate, pentru debite maxime şi de ploaie, admit viteze mai mari, chiar pân ă la 0,9m/s). Aceste limite sunt alese astfel încât s ă fie permisă depunerea suspensiilor din apă şi să nu producă dislocarea reţinerilor de pe grătar.  viteza apei printre interstiţiile grătarului, vg - maximum 0,7m /s pentru debitul zilnic mediu şi maximum 1m/s pentru debitul orar maxim.  pierderea de sarcină hg trebuie aleasă astfel încât s ă nu pună sub presiune canalul de ape uzate care intră în staţie. 4

2

v a 3 hg = β ⎛⎜ ⎞⎟ sin θ g [m] 2g ⎝b⎠ β - coeficient de formă al barelor şi se alege conform cu tipul de sec ţiune al barei: 2,42 pentru dreptunghi, 1,79 pentru cerc; a - grosimea barelor, egal ă cu 8 – 12 mm; b- lăţimea interspaţiilor dintre bare [mm]; θ - unghiul pe care îl face grătarul cu orizontala. Obs. 1. Pierderile de sarcină nu trebuie să depăşească 15cm pentru grătarele cu curăţare manuală. La cele mecanice acestea se reglează. 2. În calcule nu trebuie considerat ă nici o pierdere de sarcină mai mică de 10 cm. 4. Pentru o bună funcţionare, camera grătarului trebuie să aibă o pantă de cel puţin 0,001.  Lăţimea grătarului Bc, care este mai mare decât cea a canalului în amonte se calculează cu: a+b⎞ Bc = ∑ b⎛⎜ ⎟ + C ,[m] ⎝ b ⎠ ∑ b este suma lăţimii interspaţiilor dintre barele grătarului, [m] Qc ; ∑b = v g max hmax unde: vgmax – viteza maximă apei printre interspaţiile grătarului, [m]; hmax – adâncimea maximă a apei, în faţa grătarului, corespunzătoare vitezei şi debitului maxim, [m]; Qc – debitul de calcul al grătarului, [m3/s]; a – grosimea unei bare, [mm]; 127

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana b - lăţimea interspaţiilor dintre barele grătarului, [mm]; C – lăţimea pieselor de prindere a grătarului în pereţii camerei, [m], de obicei 0,25 – 0,35 m.  Cantitatea de reţineri pe grătar depinde de: - mărimea interspaţiilor; - sistemul de canalizare; - volumul apelor uzate industriale, etc. b. Desnisipatorul este un element al staţiei de epurare care are rolul de a reţine eventualele particule de nisip şi pământ antrenate de apă după captare. El elimină pătrunderea impurităţilor în staţia de filtrare şi deci reduce colmatarea instalaţiei, pentru a nu mări costurile de exploatare. Desnisipatoarele sunt construcţii de beton armat având dou ă compartimente (fig.1), asigurând astfel continuitatea funcţionării (când unul din compartimente funcţionează celălalt se poate curăţi). Se poate proiecta şi un singur compartiment, dar trebuie să se prevadă un canal de ocolire a acestuia. Un compartiment al desnisipatorului poate avea, în secţiune, formă trapezoidală sau dreptunghiulară. Apa intră în desnisipator printr-un grătar, trece în camerele de sedimentare şi este evacuată printr-un canal.

Fig.8.6. Desnisipator ape reziduale: 1. canal de intrare a apei ; 2. grătar ; 3. batardou (stavilă); 4. compartiment de deznisipare; 5 – stavile la ieşire; 6 – drenaj ; 7 - canal de ie şire a apei deznisipate ; 8. bazin de recep ţie (colector) După direcţia de curgere a apei în ele, desnisipatoarele pot fi orizontale sau verticale. Alegerea tipului de desnisipator se face în func ţie de: - debitul apelor reziduale; - cantitatea nisipului, - spaţiul disponibil în sta ţia de epurare; 128

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana -

2010

pierderea de sarcin ă, admisibilă pentru desnisipare (6-60cm); echipamentele folosite, etc.

Elemente de calcul ale desnisipatorului orizontal: 1. Suprafa ţa secţiunii transversale rezult ă din rela ţia:

Qc ; [ m2 ] (1) v0 - Qc este debitul de calcul al desnisipatorului [m3/s]; - v0 - viteza apei prin desnisipator[m/s]. Suprafaţa bazinului de sedimentare are o influenţă hotărâtoare asupra eficienţei desnisipatorului. După cum se observă, suprafaţa secţiunii transversale depinde, în afară de debit, de viteza de sedimentare a celei mai mici particule în suspensie, pentru a atinge radierul bazinului. Deoarece vâscozitatea apei încetineşte depunerea particulelor, eficienţa sedimentării creşte cu micşorarea temperaturii. A=

Tabelul 8.6. Viteze orizontale critice, [mm/s], în ţfunc ie de diametrul granulelor Diametrulgranulelor,[mm]

1,0

0,5

0,2

0,1

Nisip (γ = 2 ,65tf / m 3 )

410

300

190

130

90

41

30

Carbune (γ = 2 ,65tf / m 3 )

230

160

100

70

50

23

16

80

55

40

18

13

180 130 Solide din apele uzate oras.enes.ti ( γ = 2 ,65tf / m 3 )

0,05

0.01

0,005

În general, viteza orizontal ă se ia 0,3 m/s pentru debitul orar maxim şi 0,05 m/s pentru debit orar minim [1]. Debitele de dimensionare şi verificare [1] sunt asemănătoare celor de la grătare, alese în funcţie de sistemul unitar sau divizor al sistemului de canalizare. Durata de trecere (traversare) apei trebuiesăsănu fiedep de ăş 30-50s. Se recomand ă ca lăţ imea unui adesnisipator ească 3m (se admit şi lăţimi de 5 m). Adâncimea desnisipatorului nu va dep ăşi 1,5 m. Lungimea desnisipatoarelor poate varia între 12-36 m. 2. Lungimea L a deznisipatorului se calculează cu relaţia: L = v0t [m] (2) unde: - v0 -este viteza apei prin desnisipator [m/s]; - t- timpul necesar apelor reziduale pentru parcurgerea desnisipatorului [s]. Datorită neuniformităţii apei, lungimea calculată trebuie mărită cu 50%, uneori chiar cu mai mult. Se recomandă ca raportul între lungimea şi lăţimea desnisipatorului să fie între 10-15. Desnisipatorul este cu atât mai eficient cu cât timpul de trecere este mai mare. 3. Lăţimea desnisipatorului se recomandă a fi de 2 – 4 m. 4. Înălţimea totală a desnisipatorului va fi: H = h1 + h 2 + h 3 + h 4 + 0.3 [m] (3) în care: - h1 este înălţimea de la nivelul terenului până la radierul conductei de intrare în desnisipator, care trebuie să fie mai mare sau cel puţin egală cu adâncimea de îngheţ [m]; 129

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana - h2 este înălţimea secţiunii de trecere a apei prin desnisipator [m]. Se recomand ă: h2 = 0,1...0,2 m. - h3 - înălţimea stratului de apă nneutru" în care se produce depunerea substan ţelor în suspensie (m). Se recomandă h3=0,2...0,4 m. - h4 - înălţimea spaţiului de depunere: V h4 = [m] (4) b⋅L în care - V este volumul aferent pentru depuneri ; Cn V= [m 3 ] (5)

ρ(1 − u ) unde: - C este cantitatea de materii în suspensii ce sunt aduse zilnic în desnisipator (kg); - u - umiditatea relativă a depunerilor [%] (in medie u=50 %); - n - numarul de zile între 2 curăţiri consecutive ale desnisipatorului; - ρ - densitatea aparentă a depunerilor [kg/m3] (în medie, ρ =1200 kg/m3).

130

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana 9. Flotaţia 1.Definitie Flotaţia este un proces unitar de separare din apa reziduală industrială a particulelor în suspensie, cu densitate medie mai mică decât a apei. 2. Scopul flotaţiei este separarea din apele reziduale a uleiurilor, gr ăsimilor sau a altor substanţe mai uşoare decât apa, care se ridică la suprafaţa acesteia în zonele liniştite şi cu viteză orizontală mică. 3. Aplicaţii practice:  separatoare de grăsimi folosite la eliminarea solidelor în suspensie, a uleiurilor şi grăsimilor care sunt principala problemă în industria alimentară (fabrici de lapte, abatoare, semifabricate din carne, peşte, etc);  epurarea apelor reziduale din industria petrochimică;  recuperarea fibrelor: industria celulozei şi hârtiei;  recuperarea metalelor în industria minier ă si metalurgică; 

epurarea apelor uzate menajere.

4. Bazele teoretice ale flota ţiei: În esenţă, flotaţia este un proces fizic de separare a fazei uşoare din apă ca urmare a diferenţelor de greutate specifică. La baza acestui proces stă formarea de asociaţii “particule uşoare + bule de aer sau gaz”, care urmează să fie transportate la suprafaţa bazinului de flotaţie, formând o spumă ce este îndepărtată prin diverse procedee.

Fig. 1. Formarea asociaţiei gaz solid Pentru o bună formare de asociaţii aer/solid se impune a se ţine cont de respectarea următorilor factori: - condiţii laminare de curgere; - respectarea gradienţilor de viteză; - compozi amestecului. Dinţiapunct de vedere al compozi ţiei amestecului, în procesul de aderare a particulelor în suspensie la suprafaţa bulelor de aer, un rol determinat îl are gradul de udabilitate dat de proprietăţile hidrofobe sau hidrofile ale particulelor. 131

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana Gradul de udabilitate al unui solid, se controlează prin valoarea unghiului de contact format între planele tangente la suprafeţele de separaţie solid - lichid şi lichid – aer (fig.2).

Fig.2. Determinarea unghiului de contact Unghiul de contact se măsoară astfel încât să cuprindă faza lichidă între laturile sale. Considerând suprafaţa de contact dintre cele trei faze, definim tensiunile superficiale care intervin: σsg – tensiunea superficială solid gaz; σsl – tensiunea superficială solid lichid; σlg – tensiunea superficială lichid gaz. Punând condiţia de echilibru între cele trei tensiuni, ob ţinem pentru unghiul de contact următoarea relaţie: σ sg - σ sl σ sg - σ sl = σ lg cos θ cos θ = σ lg

În literatura de specialitate se recomandă calcularea rezultantei acestor tensiuni numită şi energie de aderare a particulei la bula de gaz, λ, cu relaţia: λ = σ lg + σ sl - σ sg ⇒ λ = σ lg + σ sl

- ( σ lg cos θ + σ sl ) ⇒ λ = σ lg (1 - cos θ ) = 2σ sin 2

θ

2 Se constată că, apariţia fenomenului de flotaţie la un material solid, este determinat ă de energia lui de aderare, λ, care creşte cu valoarea unghiului de contact θ. Prin urmare, cea mai bună aderenţă o au particulele hidrofobe.

Fig. 3. Unghiul de contact şi gradul de hidrofobicitate În cazul suspensiilor hidrofile (cum sunt majoritatea metalelor) se impune realizarea unei hidrofobii forţate rezultând diverse tipuri de flota ţii. În procesul de flotaţie, pe lângă fenomene de aderenţă şi tensiuni superficiale se manifestă forţe de tip arhimedic, în func ţie de care se realizează calculele de îndepărtare a suspensiilor şi emulsiilor. Astfel, viteza ascensională a particulelor depinde de densitatea şi diametrul mediu al acestora şi se obţine din grafice de forma celui din fig.4, în cazul flotaţiei naturale. 132

2010


Fig. 5. Viteza ascensională a picăturilor de hidrocarburi în funcţie de diametrul lor mediu în cazul flotaţiei naturale În calculele de proiectare a bazinelor de flota ţie, de maximă importanţă este suprafaţa de separare, A, şi nu timpul de rămânere a apei în bazin. Calculul acesteia se realizează cu relaţia: Q A= c , va unde Qc este debitul de calcul, iar va este viteza ascensională minimă. Viteza ascensională minimă este viteza cu care ajunge la suprafa ţa apei cea mai mică particulă dacă se doreşte o anumită eficienţă. Ea se determină experimental, într-un cilindru de probă, cu relaţia: h va = c , ts unde: hc este înălţimea cilindrului [m], iar ts timpul de staţionare [h]. 5. Tipuri de flotaţie

Flotaţia poate fi: naturală, asistată sau provocată. În procesul de flotaţie naturală, particulele materialelor mai uşoare decât apa (uleiuri, grăsimi, hidrocarburi) formează asociaţii cu bule de aer sau gaz din procesele microbiologice ridicându-se la suprafaţa apei care staţionează sau care se află în curgere liberă. Stratul de material plutitor, ridicat prin flotaţie, este îndepărtat prin raclare. Flotaţia asistată este flotaţia în care se introduc bule de aer în interiorul masei de lichid pentru a accelera procesul de spumare al particulelor care îndeplinesc condiţiile de flotaţie naturală. Ea poate fi mecanică sau cu aer injectat (DAF). Flotaţia provocată se aplică în cazul în care particulele în suspensie sunt mai grele ă apa. Este cazul majorit ăţii suspensiilor metalice. În acest caz se folosesc spumanţii care dec sunt tsubstan ţe superficiale active care micşorează tensiunea superficială a apei în scopul măririi suprafeţei de separaţie lichid gaz. .

133

2010


Fig.5. Schema flotaţiei in cazul particulelor uşoare si a celor mai grele ca apa Flotaţia mecanică se aplică pentru separarea particulelor minerale şi a componentelor care precipită greu, având dimensiuni sub 0,2 mm. Instala ţia are ca element activ fie un agitator mecanic axial care crează un curent descendent, fie un rotor dublu aspirant ap ă aer.

Fig. 5. Flotaţia mecanică

Fig. 6. Schema instalaţiei de flotaţia mecanică cu rotor dublu aspirant 134

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana Sistemul cu rotor dublu aspirant asigur ă antrenarea aerului atmosferic prin coloana centrală coaxială cu arborele, datorită efectului de ejector dat de rotor. Amestecul bifazic creat de rotor trece în camera de flota ţie prin pereţii deflectori pentru atenuarea mişcării turbionare. Stratul de spumă ce apare la suprafaţă este colectat de un rezervor cu ajutorul unui împingător. Dezavantajul instalaţiei constă în eficienţa redusă datorită turbulenţei induse în camera de flotaţie. Eficienţa flotării poate fi îmbunătăţită prin insuflarea aerului prin intermediul pl ăcilor poroase, al tuburilor g ăurite, etc.., aşa numita flotaţie prin barbotare.

Fig. 7. Flotaţia prin barbotare: separator de gr ăsimi aerat (Imhoff) Procedeul de flotaţie prin barbotare are o eficienţă redusă a purificării şi prezintă pericolul înfund ării porilor. Flotaţia cu aer dizolvat (DAF) este procesul în care bulele de aer sunt ob ţinute prin destinderea apei. Destinderea apei se poate face prin dou ă variante: destindere directă sau presurizare destindere. În ambele cazuri procesul de dizolvare a aerului în ap ă este guvernat deurmat legeaăluideHenry. Ambele variante ale procesului de flotare au următoarele etape: 1. Formarea bulelor de aer dizolvat; 2. Aderarea bulelor la particule pentru a forma asocia ţii solid/aer; 3. Formarea asociaţiei aer/solid şi flotarea conglomeratului format; 4. Separarea nămolului format. Exemplificare: Flotaţia se realizează printr-o instalaţie alcatuită din bazinul de flotatie în care intră influentul si din care iese prin sifonare pe sub paravan, apa tratată. O parte din debitul apei epurate este folosit pentru recirculare în scopul realiz ării apei presurizate. Apa de recirculare este introdusă sub o presiune de 3...6 bar în capsula de presurizare, care funcţionează cu nivel liber şi unde se dizolvă o cantitate de aer introdusă cu un compresor. Apa presurizat ă trece prin injector/robinetul de detent ă şi eliberează cantitatea de aer dizolvată sub formă de bule fine în zona de admisie a apei uzate brute. În bazinul de flotaţie sunt separate, prin flotaţie, particulele solide aderente la bulele de aer şi prin decantare, flocoanele cu greutate specifice mai mare decat a apei. Din acest motiv bazinul de flotatie se execut ă sub formă de decantor radial, unde la suprafaţă se adună spuma, iar la fund, nămolul care este impins cu raclorul spre baza centrală.

135

2010


Fig. 8. Schema flotaţiei cu aer dizolvat (DAF) Electroflotaţia este un procedeu în care flota ţia se produce pe baza proprietăţii curentului electric continuu de a produce în masa de apă, prin electroliză, bule de hidrogen şi oxigen. Principiul metodei: Apa este un electrolit slab care se disociază potrivit reacţiei: H2O↔H+ + OHReacţiile care au loc la anod şi la catod în celula de electroliz ă la trecerea curentului electric sunt: Catod (-) : 2 H + + 2e - → H 2 Catod (-): Anod ( + ) : 2OH - - 2e - → H 2O + 1 2 O2 Anod (+): 2 OH - - 2e - → H 2 O + 1 2 O 2

Cercetătrile experimentale au arătat că dimensiunea bulelor depinde de diametrul electrodului şi de densitatea câmpului electric. Prin urmare procesul de electroflotaţie poate fi controlat prin controlul intensităţii curentului aplicat. Anodul este corodat datorită oxigenului activ, motiv pentru care se recomand ă execuţia sa din titan. Acest lucru nu mai permite însă, inversarea polarităţii în scopul obţinerii unei uzuri uniforme. Pe catod se depun carburanţi şi de aceea se impune o tratare chimică a apei sau curăţarea periodică a acestuia de carburanţii depuşi.

Fig. 9 Schema de principiu a electroflota ţiei 136

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana Electrozii sunt aşezaţi în partea de jos a bazinului de flotare în care este introdus ă apa de epurat. La trecerea curentului prin electrozi are loc electroliza apei ob ţinându-se bule de hidrogen şi oxigen. Acestea se deplasează în apă, are loc formarea asociaţiilor gaz-solid şi se ridică la suprafaţa bazinului de flotare, formând spuma, îndep ărtată prin diverse procedee, de exemplu cu un sistem de raclete. Generarea bulelor de gaz prin electroflotaţie prezintă următoarele avantaje: - puritate: bulele de gaz se formeaz ă din apă şi prin urmare nu sunt contaminate, păstrând proprietăţile cunoscute ale apei; - uşurinţa controlului: cantitatea de gaz generat este direct proporţională cu intensitatea curentului; - simplitate: unităţile sunt uşor de construit si se operez ă simplu.

Procedee de flotaţie: sinteză Procedeu

d[mm]

Consum specific de energie [w/m3apă]

Mecanic

0,1-1,0

100-200

[min] 2-16

20-30 45-60

2-5 20-30

150-300

-

Insuflare cu aer 0,1-0,5 Prin 0,04-0,07 destinderea apei Electric 0,05-0,07

Timp de retenţie

Aplicaţii principale

Separarea grosieră a suspensiilor de polimeri şi de cauciuc de elastomeri Separarea grăsimilor Separarea hidrocarburilor, fibrelor, suspensiilor fine, particulelor floculante Aplicaţii în cazul apelor calde şi sărate

10. Procese chimice

Prin procesele chimice de epurare, poluan ţii sunt transformaţi în alte substanţe, mai uşor de separat: precipitate insolubile sau gaze, care au o activitate nocivă mai redusă sau sunt mai uşor de îndepărtat. a) Neutralizarea este un proces prin care pH-ul unei soluţii uzate este reglat prin adaos de acizi sau baze. Înainte de a stabili măsurile de neutralizare este necesar, în primul rând, s ă se epuizeze toate posibilităţile de a micşora cantitatea de acizi sau baze evacuate. Prin aceasta se obţine: - economia de acizi sau baze; - reducerea cheltuielilor pentru neutralizare. În al doilea rand trebuie examinată posibilitatea de neutralizare reciprocă, totală sau parţială, a apelor uzate acide şi alcaline rezultate de la diferiţi evacuatori. Pentru neutralizarea acizilor minerali se utilizeaz ă:

137

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana a. piatra de var sub forma de granule cu diametru de până la 0,5 mm amplasată în strat în filtre rapide (viteza apei de 5 m/h şi un timp de contact de 5 min); b. varul stins, sub formă de praf, sau laptele de var cu o concentraţie 5…10% (se adaugă în decantoare dimensionate pentru un timp de reac ţie de 5…30 min). Pentru neutralizarea apelor alcaline se pot folosi acizii reziduali forma ţi în diverse procese industriale. Elementele principale specifice ale unei sta ţii de neutralizare sunt: • depozitivul de reactivi, • instalatia de preparare a reactivului, • rezervoarele de neutralizant, • dispozitivele de dozare, • bazinul de amestec, • camera de reacţie – neutralizare, • decantoarele şi câmpurile de depozitare a nămolului. Deoarece influenţii au debite variabile în timp, este necesar ă o buclă de reglare a pH, mărind debitul de agent neutralizant, fig. 9.

Fig.9. Schema unei instalaţii de neutralizare în regim continuu b) Coagularea şi flocularea – este un procedeu fizico-chimic bifazic, ajutător procesului de decantare, care se foloseşte pentru particule coloidale. Aşa cum se ştie dimensiunea particulelor de impurităţi care pot fi prezente în apele -7 uzate variază de la 10 mm la circa 1 mm.

Fig.10 Dimensiunea particulelor de impurit ăţi ce pot fi prezente în apă O parte din acestea pot fi separate prin sedimentare. Întrucât însă o parte din impurităţi au dimensiuni şi deci viteze de sedimentare prea mici pentru a putea fi separate din apă pe această cale, se recurge la agregarea lor în particule mai mari, care pot fi îndep ărtate prin coagulare şi sedimentare. 138

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana Coagularea, urmată de flocurare sunt etape indispensabile în tratamentul apelor încărcate cu particule coloidale, foarte mici, care nu se pot decanta sub efectul gravitaţiei. Coloizii se clasifică în două grupe principale: coloizii hidrofili: provin din substanţe ce prezintă afinitate faţă de apă. În această grupă se găsesc proteinele, carbohidraţii şi la modul cel mai general: produsele organice. Coloizii hidrofobi: provin din substanţe insolubile cum ar fi metalele si oxizii lor. Existenţa sistemelor coloidale depinde de interacţiunea dintre particule. Particulele foarte fine sunt înconjurate de învelişuri de ioni şi posedă deci o încărcare electrică. Toţi solii liofobi (adică particulele între care nu există interacţiune) sunt alcătuiţi din două părţi: - nucleul, partea interioară, neutră din punct de vedere electric, care constituie masa micelei; - partea exterioară, ionogenă, formată din două straturi de ioni. Conform concepţiei stratului dublu electric există un strat de adsorbţie, care aderă direct la nucleu şi este denumit strat fix sau Helmholtz şi un strat difuz, care este format din antiioni sau contraioni. Stratul fix este asemănător unui condensator şi este denumit strat dublu electric.

Fig. 10. Modelul stratului dublu al particulelor coloidale Interacţiunea dintre particule este caracterizat ă de existenţa a două forţe contrare: o forţă de respingere, care tinde să depărteze particulele una de cealalt ă şi depinde de sarcina electrică a acestora; o forţă de atracţie (tip Van der Waals) care tinde să apropie particulele în vederea obţinerii unei energii potenţiale minime. Aceasta depinde de distan ţa dintre particule. Pentru a depăşi forţele de respingere, se întrev ăd două teorii : creşterea energiei cinetice a particulelor (tehnic ă inaplicabilă în practică) ; modificarea forţei rezultante. Aceasta se poate obţine prin: - creşterea forţei ionice a mediului prin introducerea unui electrolit, care are ca efect diminuarea grosimii celui de-al doilea strat;

139

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana -

micşorarea barierei de potenţial, numit potenţial Zêta, ce există în jurul coloizilor, prin introducerea unor contra-ioni în statul gros şi absorbţia acestor contra ioni pe suprafaţa particulelor. În aceste condiţii, particulele se apropie suficient unele de altele pentru ca for ţele Van der Waals să devină predominante. Procesul care conduce la acest rezultat se numeşte coagulare. Procesul de coagulare a suspensiilor din apa cuprinde trei opera ţii distincte: - prepararea şi dozarea; - amestecul; - reacţia propriu-zisă. Această etapă este tranzitorie, fiecare coliziune între particule provocând o creştere a dimensiunii lor prin aglomerare. Aceasta este faza flocula ţiei, care conduce la formarea flocoanelor, a căror talie permite decantarea într-un timp suficient de scurt şi în condiţii hidraulice predefinite. Acţiunea coagulantă a electroliţilor este determinată de valoarea sarcinilor ionice opuse ionilor coloidali. Exemplu: În apele naturale, majoritatea particulelor coloidale sunt încărcate negativ. Flocularea acestor particule nu depuinde atunci, de fapt, decât de cationii electrolitului, anionii jucând un rol secundar. Faza de coagulare este cvasi instantanee şi trebuie să se efectueze în condiţii de agitaţie intensă pentru a se obţine omogenizarea mediului după introducerea electrolitului / coagulantului/ floculantului, pe când floculaţia necesită o agitare lentă. Natura coagulanţilor:

Teoretic, nu are importanţă ce tip de electrolit se utilizează pentru a obţine coagulare/flocularea unui coloid. În acelaşi timp, se ştie, de mult, că eficacitatea unui coagulant creşte considerabil cu numărul de oxidări/valenţe al cationului electrolit. De aceea sărurile de aluminiu şi fier care conţin cationi cu număr de oxidare 3+ sunt aproape exclusiv ş fier prezintă, pe lângă valenţa lor utilizate flocularea apelor. Sărurileîndegama aluminiu crescută şîni capacitatea de a hidroliza de pH iobi şnuită a apelor naturale, dând un hidroxil insolubil care precipită. Se ştie, de puţin timp, că nu ionul trivalent joacă un rol esenţial, ci produşii de hidroliză intermediari care se formează. Sărurile de fier şi aluminiu conduc, de fapt, în solu ţie diluată la hidrocomplecşii următori:

(1)

X+++ + OH-

X (OH)++

(2 )

X (OH)++ + OH-

X (OH)+2

(3)

X (OH)+2 + OH-

X(OH)3

(4)

X(OH)3 + OH-

X(OH)-4.

în care: OH- = ionul hidroxil, X = Al sau Fe. Aceşti produşi de hidroliză au o tendinţă puternică de a polimeriza, pentru a da astfel polihidrocomplecşi solubili, apoi coloidali şi în final hidroxizi insulubili. Proporţia relativă a şi depinde de condi ţiile de mediu (pH, temperatură, concentraţie). fiecăruiaPrin dinurmare, aceşti complec parametrii care influenţază floculaţia sunt: - pH-ul; - temperatura; - concentraţia coloizilor definită de culoare şi turbiditate.

140

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana pH-ul este un parametru important în procesul de floculaţie. Există un pH optim pentru un anumit tip de apă şi un floculant dat. Acest pH rezult ă din studiul apei brute, al ac ţiunii coagulantului care consumă ionii hidroxil şi eventual de introducerea reactivului corector. La valorile obişnuite de pH întâlnite la apele naturale, ionii OH -, nu există liberi. Ei rezultă din descompunerea prin floculare şi formarea gazului carbonic, CO 2: HCO3- ——> CO2 + OHAcestei reacţii i se suprapune cea de echilibru a bicarbonatului de calciu cu produ şii de disociaţie. Ecuaţia globală tip coagulaţie se poate scrie: X+++ + 3 HCO3- ——> X (OH)3 + 3 CO2 Ca formare a precipitatului metalic X(OH)3 şi formarea de CO2. 2 2 2 3 ă Amintindu-ne c CO + H O H CO (acid carbonic), apariţia acidului carbonic şi diminuarea ulterioară a alcalinităţii, conduc la o diminuare a pH-ului mediului, a c ărui amploare depinde de puterea alcalinit ăţii iniţiale, a forţei ionice dar şi a dozei de coagulant introduse. De aceea este esen ţial să ţinem cont de pH, alcalinitatea şi mineralizarea apei brute pentru a defini procesul de coagulare/floculare. Alţi factori generali care intervin în coagulare/floculare sunt următorii: - temperatura: ca toate reactiile chimice, floculaţia este accelerată de creşterea temperaturii. - Concentraţia coloizilor definită de culoare şi turbiditate. Se ştie că acizii humici necesită doze mari de coagulanţi, aproximativ egali cu concentraţia lor în apă, iar coloizii minerali sunt uşor floculaţi cu doze scăzute de coagulant. Alegerea coagulanţilor: La alegerea coagulanţilor trebuie să se ţină seama de un număr mare de parametrii, cum ar fi: temperatura apei, caracteristicile apei brute (echilibrul calciu-carbonic), parametrii fizico-chimici (turbiditate, materie organică, etc.), conducerea instalaţiei (stocuri, automatizare, etc.), costuri de producţie. Studiul etapelor de coagulare- floculare se face într-o instalaţie numită ’Jar test’. ţionarea celor mai bune condi ţii de funcţionare în vederea realizării Aceasta selecParametrii etapei depermite decantare. optimizaţi cu ajutorul acestei instalaţii sunt: cantitatea de coagulant, cantitatea de flocoane, viteza de agitare, timpul de agitare, etc. Ce este Jar test?

Jar test este o metodă de simulare a procesului de tratare chimic ă a apelor reziduale care îi da operatorului posibilitatea de a alege şi optimiza procedeul de epurare specific probei analizate. Care sunt etapele metodei?

-

se umplu mai multi cilindri (4 sau 6) cu aceeaşi cantitate de apa de analizat; fiecare cilindru este tratat şi dozat cu o cantitate diferită de reactiv ; în funcţie de complexitatea instalaţiei pot fi modificaţi şi analizati şi alti parametrii de proces: tipul reactivilor, viteza de amestec, timpul de aerare, nivelul de aerare, tipul de filtrare, etc.; efectul fiecărui tratament se observă şi se compară în final;

141

2010


Fig. 10. Schema de principiu a instalaţiei Jar test (Compact Laboratory Mixer):

1- unitatea de bază, 2 - suprafaţă verticală ce furnizează background-ul pentru observarea probelor de ap ă; 3- ansambul de amestecare; 4 – palete agitatoare; 5- tahometru cu afişaj digital; buton pentru reglajul continuu al vitezei, 7 buton pentru reglajul vitezei la valori prestabilite; 8- ceas digital cu alarma duala, 9 – butoane de pornire/oprire a mixerului si luminii; 10 – dispozitiv fluorescent de iluminare;11- ventilator interior; 12 – vas de încercare paralelipipedic; 13 – sistem derobinete; 14 – modul mobil cu 15 – separatoare şi 16 – siringi de dozare a coagulantului.

Fig. 11. Vedere Compact Laboratory Mixer

142

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana Ca o sinteză a procesului de tratare fizico – chimică a apei uzate, în figura 12 este prezentată schema de principiu a acestui proces cu evidenţierea grafică a fenomenelor care au loc.

Fig. 12. Schema de principiu a trat ării apelor reziduale prin procedee fizico- chimice

Fig. 13. Schema de principiu a sta ţiei de epurare fizico-chimică prin aeroflotaţie

143

2010


144

2010


2010

11.Filtrarea prin membrane

In domeniul tratării apelor, filtrarea prin membrane reprezintă tehnica cu cel mai scăzut cost de exploatare utilizată pentru înlăturarea particulelor şi a sărurilor minerale din apă. Filtrarea prin membrane este un procedeu fizic, utilizat pentru separarea particulelor, prin intermediul unor membrane semipermeabile. Membrana semipermeabilă este o membrană realizată dintr-un film compozit care constă în 3 straturi: o plasă de suport din poliester, un interstrat sulfonat microporos şi un strat barieră de poliamidă aromatică ultrasubţire situat la suprafaţă. Porii membranei au un diametru ce reprezintă a zecea mia parte dintr-un micron, adic ă mărimi microscopice care fac imposibilă trecerea bacteriilor, viruşilor, elementelor radioactive şi a altor impurităţi. Comparativ cu diametrul porilor membranei, dimensiunile celei mai mici bacterii sunt de 0,2 microni, iar mărimea celui mai mic virus este de 0.02 microni.

11.1. Membrane şi procese de membrană In cadrul proceselor de separare, pe lânga procesele clasice de separare (distilarea, rectificarea, extracţia, schimbul ionic, filtrarea, centrifugarea, sedimentarea), au ap ărut o serie de alte procese, cunoscute ca procese de membrană. Procesele de membrană au cunoscut, incepand cu anii '70, o dezvoltare spectaculoasa, utilizandu-se la nivel industrial in domenii cum ar fi: tratarea apelor reziduale, tehnologiile medicale, industria chimică. Evoluţia rapidă şi diversă a acestor tehnologii a fost posibilă datorită punerii la punct a tehnicilor experimentale de preparare şi caracterizare a membranelor. Un sistem complex format dintr-un solvent în care se g ăsesc dizolvate specii chimice ionice, molecule şi macromolecule şi dispersate macromolecule, agregate moleculare şi particule, poate fi separat în componente prin procese membranare. Datorită gamei largi de utilizări a acestora se evidenţiază cinci importante procese membranare (microfiltrarea, ultrafiltrarea, osmoza inversă, dializa şi electrodializa) care acoperă întregul domeniu de mărimi de particule de separate. După cum se observă din tabelul 11.1, microfiltrarea, ultrafiltrarea, nanofiltrarea şi osmoza inversa au ca forţa motrice diferenţa de presiune, acestea numindu-se procese de baromembrană. Procesele de baromembrană ocupă primul loc în gama aplica ţiilor industriale. Aceste procese sunt de obicei încadrate în categoria tehnicilor de filtrare înaintată. Astfel, osmoza inversa este similară unei deshidratări prin hiperfiltrare, ultrafiltrarea seamană cu tehnicile de concentrare, purificare şi fracţionare a macromoleculelor sau dispersiilor coloidale, iar microfiltrarea este consacrată în separarea suspensiilor. Practic fiecare proces membranar se poate constitui într-o alternativ ă viabilă pentru alte procese de separare. Tabel 11.1 Procesele membranare şi caracteristicile lor Procesul de Tipul Forţa motrice Mecanism de Aplicaţii membrană membranei separare Microfiltrare (MF)

Simetrică microporoasă (0,1 - 10 mm)

Presiune hidrostatică (0,1 - 1 bar) 145

Curgere capilară şi adsorbtie

Filtrare sterilă, clarificare

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana Ultrafiltrare (UF)

Presiune hidrostatică (0,5 - 5 bar)

Curgere capilară

Separarea soluţiilor de macromolecule

Nanofiltrare (NF)

Asimetrică microporoasă (0,01 - 0,1 mm) Asimetrică cu strat activ

Presiune 10 - 30 bar

Curgere capilara şi solubilizare difuzie

Separarea anionilor de valenţe diferite. Fracţionarea de amestecuri organice

Osmoza

Asimetrică cu

Presiune

Solubilizare -

Separarea sărurilor

inversă Hiperfiltrare

strat activ

20 - 200 bar

difuzie

şsolu i microsolvitilor din ţii

Simetrică microporoasă

Gradient de concentraţie

Difuzie

Separarea gazelor

Compozite şi poroase

Solubilizare difuzie

Electrodializa (ED) Membrane lichide

Cationice şi anionice

Presiune şi gradient de concentraţie Potenţial electric

Separarea diverşilor solviţi din soluţii macromoleculare Separarea gazelor din amestecuri

Schimbul de sarcini

Îndepartarea ionilor din soluţii

Lichidă

Potenţial chimic

Solubilizare difuzie cu purtator

Separarea ionilor şi speciilor biologice

Distilare prin membrane

Microporoasă

Presiune de vapori

Pervaporaţia

Asimetrică

Transportul vaporilor prin membrane Solubilizare difuzie

Electrodializa cu membrană

Cationice, anionice, microporoase

Presiune parţială de vapori Gradientul de Transportul şi concentraţie schimbul de sarcină

Electroosmoza

Microporoasă

Gradient de potenţial şi concentraţie

Reactoare membranare

Asimetrice, cationice,

Funcţie de reacţia

anionice

chimică

(HF) Dializa (D)

146

Apa ultrapură, concentrarea soluţiilor Separarea lichidelor organice Obţinerea NaOH de înaltă puritate, a clorului, a hidrogenului Uscarea unor substanţe solide umede

Difuzia ionilor şi moleculelor Difuzia, schimbul de

Obţinerea produselor de

ă, sarcin curgerea capilară

ţie, fermenta îndepartarea gazelor din reactoare

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana 11.2. Clasificarea membranelor Membranele se clasifică după următoarele criterii: ⇒ după natura lor: • membrane naturale • membrane sintetice ⇒ după tipul materialului: • membrane polimerice • membrane anorganice (sticla, metal, ceramica) • membrane hibride organic-anorganice ⇒

• membrane lichide după structur ă: • simetrice • asimetrice • compozite

11.3. Structura membranelor Membranele polimerice sau anorganice, sintetice sau naturale au ca principal ă caracteristică structura. Termenul "structură" se referă în cazul acesta la textura (morfologia) membranelor, care din acest punct de vedere poate fi: simetrică, asimetrică sau compozită.

Fig. 11.1 Structura membranelor actuale: a) membrane simetrice; b) membrane asimetrice; c) membrane compozite. Membranele omogene se obţin din materiale care nu permit formarea de structuri asimetrice sau compozite şi sunt destinate unor aplicaţii care utilizează morfologii membranare anizotrope sau care nu necesită valori mari ale fluxurilor de produs. Structura membranară influenţează criteriile de selectare a materialelor membranare, constituind factorul esenţial în mecanismele de separare şi transport. Membranele poroase, materiale care conţin goluri de dimensiuni mult mai mari decât dimensiunile moleculare, conform clasificărilor internaţionale, pot fi membrane macroporoase, mezoporoase şi microporoase, după cum mărimea porilor este mai mare de 50 nm, cuprinsă între 50 si 2 nm şi respectiv mai mică de 2 nm. Procesul de transport al speciilor chimice prin acest tip de membrane, având ca forţă motrice gradientul de presiune, concentraţie sau potential electric, are loc prin sistemul de pori printr-un mecanism de curgere capilară. 147

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana Membranele neporoase nu posedă pori detectabili microscopic, acestea fiind asimilate, din punct de vedere structural, cu un solvent imobil pentru moleculele supuse transportului. Procesul de transport prin membranele de acest tip se efectueaz ă printr-un mecanism de solubilizare-difuzie, speciile chimice se dizolvă şi difuzează în interiorul membranei sub acţiunea gradientului de concentraţie şi/sau de presiune. Un factor important în procesul de transport prin membranele neporoase îl constituie interacţia dintre faza fluidă şi membrană. Ca urmare a procesului de interacţie, membrana se poate gonfla în fluid sau poate fi complet dizolvat ă. Reprezentatrea schematică a structurilor membranare este prezentată in figura 2.4.



 

Fig. 11.2 Structuri membranare Exemplificari Membranele de microfiltrare se prepară din soluţii polimerice de concentraţii 10% si 12% prin dizolvarea poliacrilonitrilului in 1-metil-2-pirolidon ă. Soluţiile sunt depuse pe un suport textil şi precipitate prin imersare intr-o baie de apă. Membranele se păstrează intr-o soluţie de condiţionare de 7-10% glicerină şi sunt caracterizate prin ă asimetrică. metode fizico-chimice. Acestesemembrane au osolu structur ţii polimerice Membranele de ultrafiltrare prepara din de concentraţie 15% poliacrilonitril in N-metilpirolidon ă şi au de asemenea o structură asimetrică. Membranele de osmoză inversă se prepară prin tehnica inversiei de fază, din soluţii polimerice de concentraţii 25, 27 şi 30% acetat de celuloză in acetonă, in prezenţa formamidei ca aditiv. Soluţiile polimerice se depun pe un suport neţesut.

11.4. Procesele de membrană şi forţa motrice necesară Asa cum a fost definită anterior, o membrană poate fi considerata simplu, ca o barier ă între două faze. Prin aplicarea unei forţe motrice de-a lungul acesteia are loc un transport de materie (flux) din faza numită donor spre faza numită acceptor. Separarea unor specii chimice faţă de altele are loc atunci când fluxurile acestora prin membrană sunt diferite. O reprezentare simplă a acestui proces este reprezentat în figura 11.3. Forţa motrice într-un astfel de proces de separare poate fi diferen ţa (gradientul) de concentraţie, diferenţa de potenţial electric sau diferenţa de presiune. Atunci când forţa motrice este diferenţa de concentraţie (ΔCi)/ diferenţa de presiune ţă Δx, transportul compusului i poate fi estimat prin legea lui Fick/ Hagenpe o distan Poiseuille, care măsoară fluxul de masă (Ji)/(Jv) al compusului i în unitatea de timp, funcţie de diferenţa de concentraţie / diferenţa de presiune şi coeficientul de difuziune D i / rezistenţa hidrodinamică, Lp specific compusului i în mediul în care este transportat. În tabelul 2.2 sunt

148

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana prezentate procese de membrană, forţele motrice specifice şi procedeul tehnologic la care pot fi aplicate.

Fig. 11.3. Reprezentarea unui proces de separare bazat pe o membrană

Forţa de transfer ΔP

gradient de presiune

ΔC

Tabelul 11.2. Procesele de membran ă şi forţa motrice necesară Relaţia Factor de Procedeul fenomenologică proporţionalitate Legea HagenRezistenţa Microfiltrare (MF) Poiseuille hidrodinamică, Lp Ultrafiltrare (UF) Nanofiltrare (NF) Osmoza inversă (OI) dp J p = − Lp ⋅ Permeaţia gazoasă (PG) dx Pervaporaţia (PV)

gradient de concentraţie

Legea lui Fick dc J i = − Di ⋅ dx

Coeficient de difuzie, Dializa (D) D i Hemodializa (HD)

ΔE

Legea lui Ohm

Rezistenţa electrică, R

gradient de potenţial electric

JI = -I/R – dE/dx

Membrane lichide (ML) Electrodializa (ED)

Electrodializa cu membrane bipolare (EDME) I = ΔU/R Procesele de membrane îşi gasesc aplicatii în numeroase sectoare de activitate, cum ar fi: industria chimică şi petrochimică; industria farmaceutică; industria agro-alimentară; tratarea efluenţilor ; apa potabilă; sănătate (dializa renală); microelectronica ; energie; purificarea, separarea gazelor; ingineria biologică; biotehnologie etc. Avantajele procedelor membranare sunt multiple:  consum energetic mai redus;     

ă ambiantă (fără degradare termică) tratare condiţiiladetemperatur operare simple; posibilitatea operării continue; posibilitatea de cuplare cu alte procedee clasice de separare; caracteristici diverse ale membranelor, adaptate scopului urmărit;

149

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana cost de investiţii şi de operare redus. În tabelul 11.3. sunt prezentate caracteristicile procedeelor de separare cu membrane poroase. Tabelul 11.3. Caracteristicile procedeelor de separare cu membrane poroase Procedeul Natura Porozitate Originea Gradientul Operaţii unitare fazelor de selectivităţii de presiune separat Microfiltrare lichid / 0,1 – Dimensiunea 1-3 bar Clarificare, lichid 10 μm inegală a debacterizare, particulelor sau depoluare, moleculelor de separare separat 

Ultrafiltrare

Nanofiltrare

1 nm – 1 μm < 2 nm

3-10 bar

Diferenţa de difuzie a moleculelor de separat

10-40 bar

Clarificare, depoluare, purificare, concentrare Purificare, separare, depoluare, concentrare, demineralizare

12. Osmoza. Aspecte teoretice si practice

12.1. Osmoza – fenomen termodinamic 12.1.1. Ce este osmoza? Osmoza este un fenomen natural, bazat pe legea echilibrului chimic, care presupune trecerea spontană a apei dintr-o soluţie diluata într-una mai concentrată, printr-o membrană semipermeabilă. În mod natural apa pur ă difuzează prin membrana semi-permeabilă din celula cu concentraţie mai mică în celula cu concentraţie mai mare, având tendinţa de egalizare a concentraţiilor în ambele celule şi deci, de stabilire a echilibrului.

Fig. 12.1. Principiul teoretic al osmozei: 150

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana 1 – soluţie diluată (permeat), 2 – soluţie concentrată (concentrat), 3 – membrană semipermeabilă.

12.1.2. Ce este presiunea osmotic ă? Forţa exercitată de soluţie asupra membranei reprezintă presiunea sa osmotică. Presiunea osmotică depinde de concentraţia soluţiei şi de temperatura sa, variind direct proporţional cu acestea. Legile presiunii osmotice pentru soluţii diluate şi neelectrolitice se pot enunta astfel: a. La temperatură constantă, presiunea osmotică Π a unei soluţii în apă creşte proporţional cu concentraţia soluţiei. Concentraţia, fiind invers proporţională cu volumul, această lege se poate scrie sub forma legii Boyle-Mariotte: π

⋅ V = const

(12.1)

b. pentru o concentraţie constantă şi masă molară dată, presiunea osmotică variază cu temperatura conform legii lui Gay-Lussac:

V (12.2) = const T c. pentru temperatură constantă şi concentraţie constantă, presiunea osmotică este invers proporţională cu masa molară a soluţiei. Cele trei legi sunt conţinute în legea Van’t Hoff: presiunea osmotic ă a unei soluţii este egală cu presiunea pe care ar exercita-o substan ţa dizolvată dacă ar fi în stare gazoasă şi ar ocupa un volume egal cu al soluţiei. π π

⋅ v = nRT

⋅v =

m μ

(12.3)

RT

(12.4)

Relaţiile sunt identice cu ecuaţia de stare a gazelor ideale: v este volumul soluţiei, n este numărul molilor de substanţă dizolvată, μ masa molară şi m – masa solvitului. Ele pun în evidenţă faptul că presiunea osmotică a unei soluţii nu depinde de natura particulelor ci numai de concentraţie, temperatură şi masa molară a soluţiei. În plus, ea permite determinarea masei molare pe baza m ăsurării presiunii osmotice.

Presiunea osmotică, π, este definită prin legea lui van't Hoff cu formula (12.5), care este identică cu formula presiunii unui gaz ideal: π = cRT

(12.5) 151

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana unde: c ( c = m μ , m – masa solvitului, μ - masa molară) este concentraţia molara a soluţiei,

R = 8310 J/kmolK, este constanta universal ă a gazului ideal, şi T este temperatura pe scară absolută (grade Kelvin). De exemplu, apa care conţine 33g/l clorură de sodiu (NaCl), tipic pentru apa de mare, are o concentraţie ionică c=1,128mol/l. Înlocuind această valoare în formula X.1 pentru temperatura ambientală de T = 300 K, presiunea osmotică va fi: π

= 1.128 ⋅ 0.083 ⋅ 300 = 28.08bar = 28.08kg / cm2

Presiunea osmotică nu depinde de tipul solu ţiei sau de mărimea moleculelor, numai de concentraţia ei molară. Se consideră vasul din figura 12.2 în care cele 2 braţe sunt separate de o membrana. Dacă este plin numai cu apă, nivelul va fi acelaşi în cele 2 braţe. Când se adaugă soluţie concentrată în unul din braţe, apa începe sa circule prin membrană şi nivelul se dezechilibrează. Sistemul va ajunge în echilibru când presiunea osmotică va fi echilibrată de presiunea hidrostatic ă generată de diferenţa de înălţime, h, între cele două braţe.

Fig. 12.2 – Determinarea experimentală a presiunii osmotice

cRT = ρgh (12.6) unde ρ este densitatea apei, g acceleraţia gravitaţională şi h diferenţa de nivel între cele două braţe. 12.1.2.1. Presiunea osmotica a soluţiilor electrolitice Datorită disocierilor din soluţiile electrolitice, presiunea osmotică este mai mare decât cea dată de relaţia (12.1) fiind definită de relaţia (12.7): π = cRT (1 − α + p ⋅ α ) (12.7) unde: α reprezintă gradul de disociere al moleculelor, iar p – num ărul de ioni în care se disociază o moleculă. 12.1.2.2. Presiunea osmotic ă a soluţiilor macromoleculare: Pentru soluţiile macromoleculare 2presiunea osmotică este dată de relaţia: π = cRT + B ⋅ C (12.8) unde: B – este o constantă care depinde de intensitatea forţelor de interacţiune dintre moleculele solvitului şi solventului, 152

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana 12.1.3. Ce este osmoza inversă? Aşa cum reversibilitatea este ideea fundamental ă a termodinamicii, osmoza inversă este procesul prin care fluxul osmotic este inversat. Pe principiul fenomenului invers celui prezentat anterior, adică prin ozmoza inversă, apa pură (fig.12.3) va trece prin membrana semi-permeabilă din soluţia concentrată în cea diluată, în final obţinându-se apa pură. Acest lucru se va realiza prin aplicarea unei for ţe asupra coloanei cu soluţie concentrată care va învinge presiune osmotică şi va determina trecerea apei în celula cu soluţie diluată. Procesul de osmoză inversă permite îndepărtarea sărurilor dizolvate în apă şi a eventualelor impurităţi în procent de 90÷99%.

Fig. 12.3. Principiul teoretic al osmozei: 1 – soluţie diluată (permeat), 2 – soluţie concentrată (concentrat), 3 – membrană semipermeabilă.

12.1.4. Studiu de caz: Obţinerea apei potabile din ap ă salină Astfel, pentru a produce apa potabil ă din apa de mare, prin osmoz ă inversă, presiunea p a apei sărate trebuie să crească peste presiunea osmotică, astfel încât, apa pura va trece prin membrana semipermeabilă acumulându-se în cealaltă parte. Producerea unui volum V de ap ă potabilă din apa de mare necesită o energie de intrare E dată de relaţia (3.9): E = p·V / 36

(12.9)

pentru mărimile de interes exprimate în unităţile SI: E în kWh, p în bari, şi V in m3 . Dacă presiunea p este sub osmotică, atunci apa potabilă va trece înapoi prin membrană spre apa sărată. Este posibil ca prin acest proces s ă producem energie prin amestecarea apei pure cu apa sărată prin intermediul membranei. Nu este posibil, însă, să producem apă potabilă din apă sarată fară o energie de intrare. Minimul de energie necesară pentru obţinerea apei potabile din apa sarat ă se calculează prin introducerea presiunii osmotice în formula (12.3). Pentru presiunea calculat ă mai sus necesarul de energie este: 28.08 ⋅ 1 E= = 0.78kWh / m3 = 0.67kcal / l 36

Concluzie: 0,67 kcal/l este energia minimă necesară desalinizării unui litru de apă de mare indiferent de tehnologia aplicată. Este interesant să comparăm această energie cu cea necesară încălzirii până la fierbere a unui litru de apă şi condesarea vaporilor ei. Sunt necesare cca 70 kcal pentru a încălzi un litru de apă pâna la temperatura de fierbere, apoi mai mult de 540 kcal sunt necesare pentru a153

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana l fierbe. O mare parte din caldur ă se reîntoarce în timpul condensării şi o mare parte este reutilizabilă prin folosirea schimbătorilor de căldură. Încă pare dificil să concurezi cu eficienţa energetică a desalinizării prin osmoză inversă. Producerea unui volum de apă desalinizată necesită pomparea unui volum mare de ap ă de mare. O parte din apa de mare intrată în proces se transforma în ap ă potabilă, iar o altă parte se reîntoarce în mare sub formă de apă salină de mare concentraţie. Raportul dintre volumul de apă desalinizată obţinută şi volumul de apă salină intrată în proces reprezintă raportul de recuperare. Practic, sistemul de desalinizare nu este pe deplin reversibil şi există energii pierdute care se datorează acestor ireversibilităţi. Aceste pierderi, care depind de raportul de recuperare, cresc energia de desalinizare peste limitele reversibilit ăţii termodinamice. 12.1.5. Ce sunt membranele semipermeabile? “Semi-permeabilitatea” membranei se traduce prin faptul ca aceasta permite trecerea unor anumite substanţe şi nu permite trecerea altora. Primul material folosit la confec ţionarea membranelor semi-permeabile a fost acetatul de celuloză, obţinut în condiţii speciale (celofan cu calităţi speciale). Ulterior s-au obţinut şi membrane semipermeabile din materiale polimerizate stabile (poliamide, esteri micşti de acetat – butirat de celuloz ă, amestecuri de acetat şi nitrat de celuloză, ş.a.). În prezent se obţin membrane ce permit o eliminare a substanţelor dizolvate, mai ales a speciilor ionice, în proporţie de 95-99%. Membranele folosite în separarea prin osmoz ă sunt foarte subţiri (0,2 µm) şi au o fragilitate ridicată. Membranele utilizate în osmoza invers ă sunt supuse la diferenţe mari de presiune de 20 – 100 bar, ceea ce determină dificultăţi deosebite la realizarea instalaţiilor practice care trebuie să aibă o bună etanşeitate, o structură compactă, durabilitate mare şi s ă evite colmatarea şi polarizarea de concentraţie. Membrana semipermeabilă este constituită din diferite straturi de fibre speciale, de diferite tipuri şi configuraţii (spirală, fibre cave, etc.). Cu termenul permeat / ozmozat se numeşte apa produsă, în vreme ce prin termenul concentrat/refuzat se întelege fluxul de apă evacuată ce conţine sărurile eliminate şi care nu mai sunt prezente în permeat. 12.2. Osmoza – procedeu tehnologic Cercetările aplicative asupra fenomenului termodinamic studiat anterior (osmoza) au început acum 40 de ani, în laboratoarele NASA. Cercetătorii americani au creat aparate de filtrare dotate cu o membrană foarte asemănătoare cu membrana celulară. Această membrană este semipermeabilă şi blochează impurităţile, lăsând să treacă doar apa pură. La început, aparatele au fost folosite pentru zborurile în spa ţiu, în submarine şi în industria farmaceutică. Osmoza inversă este o metodă performantă de purificare a apei care a revolu ţionat noţiunea de filtru de ap ă. In ultimii ani comercializarea purificatoarelor de ap ă cu osmoza inversă a luat amploare, nenumărate familii şi instituţii optând pentru instalarea acestora în propriile reşedinţe pentru o apă sigură. Osmoza inversă este cel mai adecvat procedeu de producere a apei pure, concurând cu distilarea pentru obţinerea aceluiaşi grad foarte înalt de puritate. Avantajul net al osmozei inverse este cantitatea aproape neglijabilă de energie consumată, în comparaţie cu distilarea. Dacă în urmă cu mai mulţi ani, osmoza inversă era considerată un procedeu de purificare scump de înalt ă tehnicitate, în zilele noastre, gra ţie dezvoltării continue a tehnicilor mecanico-chimice, se poate spune că a devenit un procedeu de eliminare impurit ilor laanterior, îndemâna tuturor. După acum am ăţ aratat osmoza este un fenomen fizic ce rezult ă din tendinţa de egalizare a concentraţiilor a două soluţii de concentraţii diferite separate de o membrană semipermeabilă (perete separator semipermeabil). Egalizarea concentraţiilor se face prin trecerea moleculelor de apă din soluţia de concentraţie mai mică în soluţia de concentraţie 154

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana mai mare prin membrana semipermeabilă (permeabilă numai la apă, impermeabilă la s ăruri). Acest proces de osmoză normală încetează când presiunea hidrostatică, care se exercită asupra soluţiei mai concentrate, atinge o valoare de echilibru, numită presiune osmotică. Valoarea acestei presiuni depinde în mod proporţional de concentraţia substanţei dizolvate şi de temperatură.

Sursa: http://www.filtre-purificatoare.ro/files/osmoza-inversa.jpg Fig. 12.4. Osmoza – procedeu tehnologic

12.2.1. Osmoza inversă Osmoza inversă a fost iniţial utilizată în aplicaţii constând în desalinizarea apei de mare şi a apei salcii (s ărate, în general). Cererile sporite din industrie privind recircularea apei, reducerea consumurilor de energie, controlul poluării mediului şi recuperarea unor produşi importanţi din apele uzate au condus la dezvoltarea acestui tip de aplica ţii foarte atractive din punct de vedere economic. Aşa cum s-a arătat anterior, dacă asupra membranei semipermeabile (numită membrană osmotică) se aplică o presiune ce depăşeşte o anumită valoare (prag de presiune osmotică), trecerea moleculelor de apă se face în sens invers de cum se produce natural la osmoză. Astfel, se obţine o soluţie din ce în ce mai slab concentrat ă, ajungându-se la obţinerea de molecule de apă fără nici o altă impuritate fizico-chimică în preajmă. Se obţine deci, apă pură.

155

2010


Fig. 12.5. Osmoza inversă osmoză

Ca urmare, prin inversă se blochează trecerea tuturor impurităţilor cu dimensiuni mai mari decât microorificiile membranei osmotice, deci ob ţinem performanţe superioare oricărui alt procedeu de filtrare clasic ă. Astfel pe partea cu ap ă filtrată se acumulează numai moleculele de apă, impuritaţile din apa de intrare fiind re ţinute de membrana semipermeabilă. Membrana osmotică se consideră semipermeabilă deoarece microorificiile pe care le are sunt cu un diametru foarte mic (aprox. 0,0001 microni).De exemplu, porii membranei semipermeabile au o dimensiune de aproximativ 0,0001 microni, viruşii au dimensiuni cuprinse între 0,02 şi 0,4 microni iar bacteriile au dimensiuni cuprinse între 1 si 4 microni. Pentru a împiedica blocarea membranei cu impurităţile din apa de intrare, impurit ăţile reţinute de membrană trebuie spălate continuu de pe membran ă (clătirea membranei). O instalaţie cu osmoză inversă produce deci în afară de apă pură (permeat) si apă reziduală (concentrat) care conţine impuritaţile din apa de intrare si este deversată în canalizare.

12.2.2. Echipamentele cu proces de osmoză inversă Echipamentele cu proces de osmoză inversă reprezintă actualmente cea mai bună şi cea mai eficientă metodă pentru producerea apei potabile de uz casnic, medical si industrial. Agenţia americană pentru protecţia mediului înconjurător EPA (Environmental Protection Agency - USA) a confirmat şi recomandat osmoza inversă şi distilarea ca fiind singurele două metode sigure şi efective pentru potabilizarea apei. Echipamentele cu proces de osmoză inversă nu necesită tratarea chimică a apei, elimină peste 99% din impurităţile organice şi anorganice dizolvate în apă, elimină peste 99% din impurităţile biologice (bacterii, viruşi, streptococi fecali) din apă şi asigură o calitate ideală a apei filtrate, independent de calitatea apei de intrare. Filtrarea pe principiul osmozei inverse se realizează prin intermediul unor module compuse dintr-un vas sub presiune în care se introduc membranele filtrante. În figura 3.6 este prezentată schema desfăşurată a unui echipament cu proces de osmoză, fiind descrisă atât alcătuirea cât şi funcţionarea acestuia. Apa obţinută prin osmoză inversă este o apă pură, demineralizată şi aproape sterilă. Datorită faptului că marea majoritate a mineralelor necesare organismului uman provin din hrană solidă asimilată zilnic, apa poate fi privită doar ca un material dizolvant şi un mediu pentru eliminarea toxinelor din organismul uman.

156

2010


Fig. 12.6. Schema desfăşurată a unui echipament cu proces de osmoză inversă

Fig. 12.7. Echipament cu proces de osmoză inversă: vedere generală Cu echipamentele cu proces de osmoz ă inversă se pot filtra: elemente chimice nedorite (Fier, Sodiu, Potasiu, Mercur, Zinc, Calciu, Magneziu, Siliciu, Clor, etc.), compu şi chimici organici şi anorganici (hidrocarburi, ierbicide, pesticide, cloruri, sulfa ţi, nitriţi, azotaţi, etc.) şi impurităţi biologice de tipul virusurilor, bacteriilor şi chisturilor.

157

2010


Sursa: http://espwaterproducts.com/about-reverse-osmosis.htm#work Fig. 12.8. Elemente filtrate cu echipamente cu proces de osmoză inversă

  

12.2.3. Configuraţia membranelor Configuraţia membranelor FILMTEC (fig. 12.9.) este următoarea: un strat constituit dintr-o reţea de poliester cu rol de suport – 120 μm grosime; un strat intermediar microporos polisulfonic – 40 μm grosime; un strat barieră ultrafin situat la faţa superioară, format din poliamide şi conţinând grupe carboxilice – 0,2 μm grosime.

Fig.12.9. Membrane spiralate pentru osmoza inversa

12.2.4. Schema de principiu a unei instalaţii de potabilizare a apei de mare pe baza osmozei inverse Schema de funcţionare, de la caz la caz, poate fi constituită dintr-un singur modul sau poate fi un “array”. Un “single-array” implică aşezarea în paralel a două sau mai multe module. Un “multi-array” este un sistem în care se utilizeaz ă mai multe stadii în serie, cu scopul obţinerii unor rezultate superioare din punct de vedere al purităţii permeatului. În practică, se utilizează o pompă de înaltă presiune pentru contracararea presiunii osmotice. Fluxul de alimentare este introdus în modulul de filtrare cu ajutorul acestei pompe 158

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana pe la un capăt al modulului, iar pe la celălalt capăt se obţin permeatul (care părăseşte modulul prin centru) şi concentratul.

Fig. 12.10. Diagrama tipică a instalaţiei de osmoză Firma DOW CHEMICAL produce membranele FILMTEC prin metode de mare precizie, în cadrul unor instalaţii complet automatizate. Rezultatele obţinute utilizând instalaţii de tratare a apei compuse din module cu membrane FILMTEC sunt spectaculoase din punct de vedere al randamentului, al economiei de energie şi al uşurinţei cu care membranele pot fi curăţate şi reutilizate pe termen lung. Principalii factori care influenţează performanţele sistemelor pe bază de osmoză inversă sunt: • presiunea • temperatura • recovery • concentraţia în săruri a fluxului de alimentare. Performanţele membranelor sunt afectate şi de anumite impurităţi care se pot găsi în fluxul de alimentare, cum sunt: hidra ţi ai oxizilor metalici, precipitate de calciu, materii organice şi biologice etc. Pretratarea apei de alimentare a sistemelor cu membrane reduce considerabil contaminarea acestora şi le îmbunătăţeşte performanţele. Curăţarea membranelor, în cazul contaminării acestora, este relativ simplă din cauza stabilităţii mari de pH şi a rezistenţei termice a membranelor. Pentru o exploatare corectă şi de maximă eficienţă elementele cu membrane trebuie cur ăţate de fiecare dată când: • debitul de permeat scade cu 10%; • conţinutul stabilit de săruri în apa produsă creşte cu 10%; • diferenţa de presiune (presiunea de alimentare – presiunea concentratului) _P creşte cu 15% faţă de condiţiile de referinţă (stabilite în primele 24-48 de ore de funcţionare).

3.3. Firme specializate în producerea şi comecializarea echipamentelor pe bază de osmoză inversă În toată lumea, sistemele domestice de purificare a apei de b ăut, care includ osmoza inversă, sunt folosite de obicei pentru îmbunătăţirea calităţii apei de băut şi pentru gătit. Astfel de sisteme includ mai multe etape: - un filtru de sedimente pentru a opri particlulele, inclusiv rugina şi carbonatul de calciu; - opţional, un al doilea filtru de sedimente cu pori mai mici; - un filtru de cărbune activ pentru stoparea substanţelor chimice organice şi a clorului care atacă şi degradează membranele TFC pentru osmoza invers ă; - un filtru de osmoză inversă (OI) care este o membrană compozită de film subţire (thin film composite membrane, TFM sau TFC); - opţional, un al doilea filtru de cărbune pentru a opri acele substan ţe chimice neîndepărtate de membrana OI; 159

2010


2010

- opţional, o lampă cu ultraviolete pentru dezinfectarea oricăror microbi care pot scă pa în procesul de filtrare prin membrana OI. În unele sisteme, pre-filtrul de c ărbune este omis, folosindu-se membrana triacetat de celuloză (cellulose triacetate, CTA). Membrana CTA putrezeşte dacă nu este protejată de apă clorinată, în timp ce membrana TFC se distruge sub influen ţa clorului. În sistemele CTA este necesar un post-filtru pentru a îndepărta clorul din apă la final. Procesoarele de apă portabile prin osmoza inversă (OI) sunt vândute pentru purificarea apei în diferite locaţii. Pentru eficienţă, apa care alimentează aceste unităţi trebuie să aibă o anumită presiune minimă (40 psi sau mai mult). Procesoarele de ap ă portabile OI pot fi folosite de persoane care trăiesc în mediul rural f ără acces la apă tratată, departe de aducţiunea de apă de la oraşe. La sate, oamenii filtrează ei înşişi apa din râuri şi oceane, cu un astfel de dispozitiv (apa sărată necesită membrane speciale). Unii călători pe vasele de cursă lungă, la pescuit, în zone pustii, sau în ţări unde apa este poluată sau neconformă cu standardele, se pot folosi filtre de ap ă prin OI cuplate cu una sau mai multe sterilizatoare cu ultraviolete. Sistemele OI sunt de asemenea folosite mult de entuzia ştii în acvatica marină. În producţia de apă minerală îmbuteliată, apa trece printr-un filtru de ap ă OI pentru a îndepărta poluanţii şi microorganismele. În Europa, totuşi, o astfel de procesare a apei minerale naturale (aşa cum este ea definită de directivele europene) nu este permis ă. (În practică, o fracţiune din bacteriile din ap ă pot şi trec prin membranele OI datorită unor imperfecţiuni minore, sau ocolind membrana prin sc ăpările de neetanşeitate. Astfel, un sistem OI complet poate include suplimentar o etapă de tratare cu lumină ultravioletă sau cu ozon pentru a preveni contaminarea microbiologic ă.) În tratarea industrială a apei există o listă de tipuri de contaminanţi, mărimea fiecăruia, şi care prin ce tip de membrană pot trece. Dimensiunea porilor membranei poate varia între 1 şi 50.000 angstromi, în funcţie de tipul de filtru. "Filtrarea particulelor" îndepărtează particule de dimensiunea 10.000 angstromi sau mai mari. "Microfiltrarea" îndepărtează particule cu dimensiunea 500 angstromi sau mai mari. "Ultrafiltrarea" îndepărtează particule cu dimensiunea 30 angstromi sau mai mari. "Nanofiltrarea" ărtează particule cu dimensiunea 10 angstromi sau mai mari. Osmoza inversă aparţine îndep celei mai fine categorii de filtrare cu membrane, "Hiperfiltrarea", care îndep ărtează particule cu dimensiunea 1 angstrom sau mai mari. 1. Unitate de Purificare a Apei prin Osmoz ă Inversă - R.O.W.P.U. În armata SUA, se foloseşte R.O.W.P.U. ("Unitate de Purificare a Apei prin Osmoză Inversă", "Reverse Osmosis Water Purification Unit", pronunţia "roh-puu") pe câmpul de luptă sau la antrenamente.

Sursa: http://en.wikipedia.org/wiki/Reverse_Osmosis_Water_Purification_Unit Fig. 12.11. R.O.W.P.U. - Unitate de Purificare a Apei prin Osmoză Inversă Aceste unităţi au o capacitate de filtrare între 1500 GDP (gallons per day, galoane zilnic) şi 150.000 GDP, şi chiar mai mare, în funcţie de necesităţi. Cele mai obişnuite au o 160


2010

capacitate de filtrare de 600 GPH (gallons per hour, galoane pe oră) şi 3.000 GPH. Ambele pot purifica apa sărată şi apa contaminată cu agenţi N.B.C. (nucleari(biologici/chimici). Într-o perioadă normală de 24 ore, o unitate poate produce oriunde între 12.000 şi 60.000 galoane de apă, cu o perioadă de întreţinere de 4 ore pentru verificarea sistemului, a pompelor, elementelor OI şi generatorului de curent electric. Un singur ROWPU poate alimenta un batalion de 1.000 pân ă la 6.000 soldaţi.

Sursa: http://www.kopaxuk.com/images/mini_rowpu/mini_rowpu.pdf Fig. 12.12. Schema de proces a unei sta ţii mini ROWPU 2. Sistemele de purificare a apei prin osmoza inversă NOBEL Sistemele de purificare a apei prin osmoza inversă NOBEL sunt rezultatul a peste 30 ţă un ţia relativ de ani deinvers experien în produc de echipamente de ce tratare apelor primare. Chiar dacăă, ă este ă larg osmoza procedeu nou în ceea priveaşte aplicarea pe scar garanţia reală pentru o bună funcţionare a unei instalaţii de osmoză inversă o asigură cunoaşterea profundă a pre-tratamentului corect al apei de alimentare. În acest fel se asigură o funcţionare constantă a întregului sistem şi se garantează o durată de viaţă prelungită a membranelor osmotice. Alegerea atentă a componentelor, soluţiile tehnice adoptate şi încercările severe efectuate sunt premisele de la care se pleac ă pentru a obţine o fiabilitate maximă, o durată de viaţă cât mai mare şi costuri de funcţionare cât mai reduse. Sasiul de susţinere, pompa de ridicare a presiunii, recipienţii pentru membrane, toate realizate din oţel inoxidabil, garantează o calitate intrinsecă a echipamentului, mai ales în medii de aplicare în care asemenea caracteristici constructive au o importan ţă semnificativa, cum ar fi spitalele, industria alimentar ă sau cea farmaceutică.

161


2010

Fig. 12.13. Sistemele de purificare a apei prin osmoză inversă NOBEL Toate unităţile de osmoză inversă sunt prevăzute cu gestiunea computerizată a sistemului, precum şi cu o serie de accesorii (opţionale, pentru unele modele) cum ar fi flushing automat, predispunere pentru spălări sau sterilizări ale circuitului, alarme de joas ă presiune sau calitate necorespunzatoare a apei produse, interfaţa de comunicare cu aparatele de pre-tratare a apei. Trebuie subliniată, nu în ultimul rând, conformitatea tuturor produselor NOBEL, deci şi a instalaţiilor de osmoză inversă, cu cele mai avansate standarde europene, inclusiv cele privind marcajul CE, ca şi respectarea strictă a procedurilor prevăzute de standardul ISO 9000. Cea mai nouă serie de instalaţii de osmoză inversă NOBEL este RO8, echipate cu membrane osmotice de 8”, care permit atingerea unor debite de apa tratata de pân ă la 18.000 l/h (la o temperatură de 25°C). Ca o caracteristică distinctivă, în afara componentelor descrise mai sus, modelele RO/8 sunt dotate cu pre-filtru din o ţel inoxidabil de 5μm si debitmetre cu afisaj digital. Pre-Tratarea Tratamentul primar al apei de alimentare a unui sistem de purificare prin osmoz ă inversă este fundamental pentru funcţionarea optimă a întregii instalaţii. Duritatea, conţinutul de fier, siliciu sau substanţe organice sunt deseori cauza unei scăderi rapide a eficacităţii membranelor osmotice şi a reducerii duratei lor de viaţă; aceşti parametri trebuie controlaţi în mod adecvat. Produsele tradiţionale NOBEL includ gama completă de echipamente pentru o pretratare a apei de alimentare a unui sistem de osmoză inversă: clorinare; filtrare cu nisip cuarţos (dual media); filtrare cu cărbune activ; dedurizare; deferizare;condiţionare chimică. Practic, tehnologia osmozei inverse const ă în cea mai mare parte în proiectarea atentă, pe baza caracteristicilor apei brute disponibile, a pre-tratamentului corect al acesteia. Cei peste 30 de ani de experienţă în domeniu sunt cea mai buna referinţă NOBEL şi cea mai bună garanţie pentru utilizatorul final. Specialistii NOBEL sunt capabili să definească şi să selecteze cel mai corect sistem ce se recomandă, garantand standardul tehnologic ridicat al întregii game de produse NOBEL, care include atât pre-tratarea cât şi sistemul de osmoză inversă propriu-zis. Post-tratarea Apa tratată de grupul de osmoză inversă poate fi utilizată imediat în diverse aplicaţii. Dimpotrivă, uneori, sunt necesare tratamente ulterioare ale apei produse prin procesul de osmoză inversă, pentru a-i îmbunătăţi şi mai mult proprietăţile şi pentru a garanta calitatea şi siguranţa în diverse domenii de utilizare (apă potabilă, procese industriale, aplicaţii farmaceutice sau industriale).

162

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana In acest sens se pot adopta procedee de post-tratare cum ar fi: turnuri de degazare; demineralizare cu răşini de schimb ionic (straturi mixte); sterilizare cu raze UV; filtrare absolută sub-micronica. Selecţia şi aplicarea tehnologica corecte ale sistemului cel mai potrivit scopului urmărit sunt o parte a experienţei dobândite de NOBEL de-a lungul anilor, experienţa pusă la dispoziţia potenţialilor utilizatori pentru o mai bună garanţie a rezultatului final. 3.Instalaţii pentru aplicaţii speciale Deşi osmoza inversă este un procedeu relativ tân ăr în ceea ce priveşte multe aplicaţii, ea este utilizată din ce în ce mai frecvent în multe cazuri în care în trecut trebuia recurs la procese mai complexe, mai delicate sau, pur si simplu mai costisitoare. In domeniul acestei tehnologii noi, NOBEL a câştigat deja o experienţă notabilă, realizând o serie de instalaţii specifice pentru aplicaţii speciale, chiar şi în condiţii delicate, acolo unde este necesară respectarea unor limite riguroase în ceea ce priveşte calitatea apei produse şi caracteristicile generale ale instalaţiei. Câteva exemple de aplicaţii ar fi: instalaţii de osmoză în două trepte pentru producerea de apă ultra-pură pentru industria electronică, optică şi farmaceutică şi pentru instalaţii spitaliceşti; instalaţii de osmoză în două trepte pentru producerea de apa de alimentare a aparatelor de hemo-dializa; instala ţii de osmoză pentru desalinizarea apei marine în scopul potabilizării; instalaţii de osmoză pentru producerea de apă utilizată în industria băuturilor; instalaţii de osmoză pentru producerea de apă utilizată în procese industriale. Evident, pentru fiecare aplicaţie, proiectarea şi realizarea instalaţiei pentru fiecare caz în parte presupune analiza în detaliu a fiec ărui aspect tehnic şi a fiecărui parametru al apei brute disponibile. In final, oferta NOBEL este perfect adaptata aplica ţiei specifice, incluzând şi echipamentele de pre-tratare şi post-tratare a apei, în func ţie de calitatea apei disponibile şi de calitatea cerută pentru apa produsă. Un exemplu recent îl constituie furnizarea şi punerea în funcţiune la Buzău, împreună cu specialiştii ASCOMI TRADE COMPANY, a celei mai mari instala ţii de osmoză inversă ţia este destinată din România, cuă doua linii RO8a 15E, câte de 18 abur mc/hacvatubulare, fiecare. Instala producerii de ap de alimentare unor de cazane fiind preferata unei instalaţii de demineralizare în primul rând datorit ă eliminării apariţiei efluenţilor poluanţi rezultaţi din procesul de demineralizare. In afara sistemului de osmoză inversă, fiecare linie include şi instalaţia de pre-tratare, care este compusă din:  Filtru cu nisip cuartoş FC 30/D, debit 32 mc/h  Staţie de dozare clor cu pompa dozatoare DPZ 901 cu debit propor ţional  Filtru deferizator FD 30/D, debit 30 mc/h  Filtru cu cărbune activ FAC 30/D, debit 30 mc/h  Staţie de dedurizare automat ă AM 3600/V DUPLEX, debit 28 mc/h In final, apa osmozată este condiţionată printr-o instalaţie de supraveghere automată a pHului şi dozarea chimicale, obţinându-se astfel un control total asupra calităţii sale, în conformitate cu prevederile Prescriptiilor Tehnice ISCIR în domeniu.

163

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana 13. Epurarea biologică

13.1. Generalităţi Definiţie

Prin epurarea biologică se înţelege complexul de operaţiuni şi faze tehnologice prin care materiile organice existente în apele uzate provenind din cele mai diverse activit ăţi antropice sunt transformate cu ajutorul unor culturi de microorganisme, în produ şi de degradare fără nocivitate, (CO2, H2O, CH4, şi altele) şi o masă celulară nouă (biomasă), inofensivă. Principiul epur ării biologice

În procesul de epurare biologică a apelor uzate cu încărcătură de materii organice,un rol principal îi revine grupului de bacterii organofage, (mânc ătoare de substanţe organice). Aceste bacterii, în funcţie de predispoziţia lor de a tr ăi în prezenţa sau absenţa oxigenului, se clasifică în trei grupuri: a) Bacterii obligat aerobe; b) Bacterii facultativ aerobe; c) Bacterii anaerobe. Bacteriile, grup heterogen de organisme microscopice, microcelulare sau grupate în colonii cu nucleu simplu, majoritatea fără clorofilă, heterotrofe (care sunt obligate s ă-şi preia singure hrana sub formă de substanţe organice din mediu) îndeplinesc rolul esenţial în acest tip de epurare a apelor cu încărcătură de materii organice.

Bacteriile aerobe sunt microorganisme care într-o proporţie însemnată se pot dezvolta reproduce numai în mediile care con ţin oxigen. Bacteriile obligat aerobe ca cele saprofite, nitrificatoare, o parte din sulfobacterii şi microbii patogeni trăiesc numai în prezenţa oxigenului molecular. şi

Bacteriile facultativ aerobe, grupează la un loc unele drojdii, bacterii denitrificatoare Bacteriile anaerobe sunt organisme capabile să trăiască fără prezenţa oxigenului liber. Dintre acestea remarcăm infuzoriile, clostridium pasteurianum şi clostridium sporogenius. Ca urmare, în legătură cu necesarul de oxigen pentru dezvoltarea culturilor de bacterii organo-fagiste vom întâlni două tipuri de procese tehnologice pentru epurare biologică: - Proces aerob, utilizat cu prioritate la îndepărtarea poluanţilor din apele uzate; - Proces anaerob aplicat la prelucrarea n ămolurilor fermentate şi la epurarea apelor uzate foarte concentrate în poluanţi. s.a.

13.2. Procese de transformare bacteriană

Fig. 13.1. Schema proceselor de transformare bacteriană 164

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana Procesele biochimice din celula vie numite metabolism pot fi separate în procese de dezasimilare sau catabolism care cuprind reacţii produse de energie şi procese de asimilare sau anabolism cuprinzând reacţii care conduc la sintetizarea noului material celular pe baza energiei eliberată in faza de dezasimilare. În ambele procese chimice sunt conduse în trepte succesive fiecărei trepte fiind catalizată de enzime specifice care sunt de fapt catalizatori biochimici produşi de celula vie. Factorii care influenţează activitatea enzimatică sunt:  Temperatura  Indicele pH  Concentraţia substratului  Prezenţa inhibitorilor În figura de mai jos este prezentat ă schema de principiu a unui proces de digestie anaerobă.

Fig. 13.2. Digestia anaerobă

13. 3. Etapele epurării biologice 13.3.1. Eliminarea carbonului Nămolul activ este constituit în mare măsură din bacterii şi protozoare, ciuperci, etc. Bacteriile constituie grupa cea mai importantă, responsabilă în principal de eliminarea substanţelor poluante pe de o parte şi de for,area flocoanelor pe de altă parte. Pentru eliminarea aerobă a carbonului din efluent este utilizat oxigenul, deoarece este asociat cu reacţiile de degradare care se declaşază spontan în apele suficient aerate, ca un proces de autoreglare. Carbonul organic este în form ă de CO2 şi biomasă. Ca un exemplu general, se poate schematiza degradarea gluozei: 165

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana C6 H12 O6 → 6C02 + 6H2O + 650 cal/mol Procesul de degradare a materiei organice este mult mai rapid în medii aerate, iar bacteriile sunt mult mai active decât organismele mai evoluate. Rata de reproducere a acestora creşte în funcţie de concentraţia de nutrienţi mediu. În conformitate cu condiţiile de temperatură şi de oxigenare se poate ob ţine o diviziune a celulelor, în 15 pân ă la 30 de minute.

Principalul substrat nutritiv al acestor bacterii sunt proteinele, glucidele, lipidele, dar ele se pot adapta la consumul altor substraturi organice cum ar fi alcooli, aldehide, fenoli, hidrocarburi, ...O cultură de bacterii trece astfel prin diverse stadii de creştere şi descreştere. Micro-organismele se adaptează mediului nutritiv într-o fază de latenţă. Viteza de creştere este 0 sau slab pozitivă. În cazul în care rata de reproducere a celulelor a atins maximul, în prezenţa unei concentraţii nelimitată de substrat, are loc o creştere exponenţială. ă prin reducerea concentraţiei de substrat care diminuează viteza de Aceasta va fi de oprit creştere. Lipsa nutrien ţi determină o reducere a masei de micro – organisme. Pentru a asigura un tratament secundar eficace eliminării fazei carbonate, schema pare relativ simplă: o cultură bacteriană bogată în heterotrofe şi bine oxigenată este suficientă să degradeze prin oxigenare materia organică acumulată în efluent. Dar creşterea bacteriană presupune prezenţa altor elemente nutritive, în special azot şi fosfor, conţinute în efluent şi prin urmare se impune şi eliminarea acestora.

13.3.2.Eliminarea azotului

Azotul şi fosforul reprezintă un procent deloc neglijabil în masa bacterian ă. Valorile medii sunt de 7-10% pentru azot şi 2-3% pentru fosfor. Rolurile lor sunt multiple în celule atât la nivelul structurii cât şi al metabolismului. Apele reziduale conţin diferiţi componenţi ai azotului : proteine, uree, produse de de descompunere, cât şi azot sub formă minerală. Eliminarea sa biologică se realizează în două şi denitrificarea. În paralel, o parte de azot este utilizată pentru sinteza etape: nitrificarea bacterian ă prin asimilare. Nitrificarea este procesul biologic autrotrof de prelucrare a compuşilor de azot în nitraţi şi nitriţi. Nitrificarea constă în oxidarea azotului organic sub formă de amoniac (NH+4) în nitriţi (NO-2) apoi în nitraţi (NO-3) prin intermediul micro-organismelor autotrofe:

166

2010

Surse de apă si ingineria apelor reziduale (Ingineria apelor) – Note de curs. Petropol-Şerb Gabriela Dana NH+4 → NO-2 → NO-3 Aceste bacterii autotrofe (nitrosomonas, nitromas şi nitrosococcus) utilizează carbonul mineral pentru a-şi constitui celule prin sinteză. Rata lor de creştere este, însă, mai puţin rapidă decăt a bacteriilor care degradează componenta carbonului. Prin urmare, trebuie să se ia măsuri pentru a realiza un echilibru între rata de cre ştere a bacteriilor heterotrofe şi diminuarea fazei carbonate. Vărsta nămolului, exprimată în zile, şi temperatura ambiantă au efect sigur asupra ntrificării. Nitrificarea are nevoie de oxigen suplimentar, jucând de fapt, rolul de acceptor. Denitrificarea este un proces în care anumite bacterii reduc azotul nitric într-un stadiu mai scăzut de oxigenare. Acesta este opera bacteriilor heterotrofe care utilizează oxigenul eliberat din degradarea fazei carbon pentru cre şterea lor. Deducem deci, că această etapă nu poate avea loc decât într-un mediu s ărac în oxigen, prezenţa acestuia inhibând denitrificarea. Denitrificarea este proporţionala cu cantitatea de substrat utilizat ă şi invers proporţională cu cantitatea de oxigen. Ecuaţiile globale simplificate se pot scrie :  Nitrificarea în fază aerobică : NH4+ + 2O2 → NO-3 + 2H+ + H2O  Denitrificarea în fază anaerobică : NO-3 + 6H+ + 5 e- → ½ N2 + 3 H20

13.3.3. Eliminarea fosforului Constituent celular asemănător azotului, fosforul intervine în mecanismele de stocaj sau eliberare de energie. Cercet ările asupra posibilităţii de a efectua o defosforizare biologică a efluenţilor au pus în eviden ţă că nămolul activ ne-aerat diminuează conţinutul de fosfor şi prin creşterea cantităţii de oxigen el este reabsorbit. Eliminarea fosforului este o activitate a treptei ter ţiare de epurare foarte importantă. De fapt, în ape fosforul se reg ăseşte natural sub forma minerală într-o concentraţie slabă (0,01mg/l). Utilizarea masivă a fosfaţilor în fabricarea produselor de întreţinere şi în agricultură au pus mari probleme menţinerii unui echilibru al mediului acvatic. Dacă fosfaţii nu sunt nocivi în mod dorect, ac ţiunea lor poate fi nefastă prin proliferarea algelor şi favorizarea eutrofizării. Principiul defosforizării biologice constă într-o supraacumulare de fosfor în biomas ă. Dacă nămolul conţine 2-3% fosfor sunt ob ţinute condiţiile normale nevoilor bacteriilor. Mecanismul supraacumulării necesită aducerea biomasei alternativ în fază aerobică şi anaerobică.

167

2010


2010

În fază anaerobică bacteriile anaerobe acetogene utilizează carbonul organic pentru a producee acetatul. Acesta este reutilizat de alte bacterii aerobe care nu pot folosi decât o succesiune limitată de substrat. Ele îl stochează şi energia utilizată pentru acest stocaj provine din hidroliza polifosfatului ceea ce explic ă faza de diminuare a fosfatului în mediu. În faza aerobică, aceste bacterii găsesc în oxigen acceptorul de electroni necesar metabolismului lor, stocajul acumulat fiind utilizat pentru creşterea şi reconstituirea rezervei lor de fosfaţi. Această reabsorbţie este foarte importantă deoarece a fost diminuată în faza anaerobică. Astfel, printr-o succesiune de faze aerobe/anaerobe, putem ob ţine o acumulare progresivă a fosforului în aceste micro-organisme pân ă la valori ce pot atinge 10% din greutatea lor. Tot acest proces duce la eliminarea unui procent de 50-65% de fosfor din apele de tratat. Aceste limite impun utilizarea unor soluţii complenentare de precipitare a fosforului restant cu ajutorul unor reactivi. Eliminarea fosforului poate fi realizată printr-un tratament fizico-chimic bazat pe capacitatea clorurii ferice Fe Cl3 de a se combina cu ionii fosfaţi pentru a forma un precipitat de fosfat de fier Fe PO 4, sare foarte puţin solubilă în apă care precipită în coloizi ce se pot decanta. Acest precipitat este absorbit printr-un exces de hidroxid metalic Fe (OH) 3. Sunt folosite cantităţi mari de substanţe: pentru a elimina 1 g de fosfor trebuie să se folosească 5,215,7 g clorură ferică pură. 13.4. Bazine de epurare biologic ă Majoritatea staţiilor de epurarea realizează epurarea biologică în bazine biologice cu nămol activat. Pentru a funcţiona, un bazin biologic trebuie să pună laolaltă:  apa de tratat ce conţine substratul,  biomasa compusă dintr-o concentraţie mare de bacterii capabile s ă elimine substratul,  oxigenul necesar dezvoltarii şi desfăşurării activităţii biomasei.

Bazin biologic -

Masa biologică epuratoare este supusă la: la prezenţa toxinelor; la variaţia sarcinii nutriţionale; la modificarea aerării, etc. Prin măsurarea ATP (Adenosine Triphosphate ) se poate determina: masa biologică ce trăieşte într-un bazin de nămol activ, altfel spus se poate evalua cu exactitate partea activă; reacţia biomasei la un efluent suspectat toxic sau toxic.

168

Saiar Curs

Recommend Documents