PROCESE UNITARE PENTRU TRATAREA APELOR

Transcript

1 PROCESE UNITARE PENTRU TRATAREA APELOR Orice tehnologie de transformare este constituită dintr-o serie de operaţii succesive, continue sau ciclice, de natură mecanică, fizică, chimică sau mixtă. Oricât de complicată ar fi o tehnologie, ea constă dintr-un număr limitat de operaţii simple, distincte care se realizează în instalaţii şi aparate corespunzătoare, comune pentru diverse variante de tehnologii. Pentru fiecare operaţie sau proces unitar sunt importante următoarele aspecte: - studiul principiilor 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. Între procesele unitare prin care se realizează tratarea apei naturale pentru obţinerea apei potabile şi cele de epurare a apelor uzate nu există deosebiri esenţiale, diferenţa constând în natura apei brute supuse tratării şi în calitatea efluentului final care trebuie obţinută. In ambele cazuri, substanţele nedorite sunt îndepărtate din apă şi transformate în substanţe acceptabile. Există totuşi unele procese unitare care din considerente economice sau tehnologice, îşi găsesc aplicare curentă numai în tratarea apei sau numai în epurarea apei. În cele ce urmează se adoptă termenul de proces unitar pentru toate transformările care intervin într-o schemă tehnologică de tratare a apelor, indiferent dacă sunt de natură fizică, chimică sau biologică. Produsul unei staţii de tratare este o apă de calitate superioară care corespunde cerinţelor unei folosinţe, iar acela al unei staţii de epurare un efluent acceptabil care nu înrăutăţeşte calitatea resurselor naturale de apă. Cele mai multe procese de tratare 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. În fig. 1.1 se prezintă schematic tipurile de dispersii de poluanţi din apele uzate, dimensiunea particulelor componente, câteva caracteristici principale şi procesele unitare de epurare care pot fi aplicate pentru îndepărtarea poluanţilor respectivi. Scopul prezentării acestei scheme este orientativ şi oferă o imagine sintetică a sistemului de procese utilizabile pentru epurarea apelor. 141

2 Dimensiunea particulelor, [mm] Viteza de cădere în apă liniştită la 5 0 C, a unor particule sferice cu densitatea de g/cm, [cm/s]. Categorii de particule Ioni şi Macromolecule Particule în suspensie molecule şi particule dizolvate coloidale micronice fine grosiere Însuşirea principală a apei sau particulelor pe care se bazează procesul H O Funingine Nisip de plajă Na Zahăr Praf de cărbune Bacterii Cl - Viruşi Procese utilizate pentru eliminarea particulelor dispersate în apă Separare pe site şi ciururi Dimensiunea particulelor Greutatea particulelor Volatilitatea apei Formarea reţelei cristaline a gheţii Transferul particulelor dispersate din fază apoasă într-o altă fază, sub acţiunea forţelor intermoleculare Acumularea particulelor pe interfaţa apă-aer Difuzare prin membrane a moleculelor de apă sau particulelor sub acţiunea diferenţelor de presiune sau concentraţie Echilibrul ionic Reactivitate chimică a substanţelor prezente în apă Distilare Îngheţare Stripare Adsorbţie Osmoza inversă Filtrare prin ţesături medii, fibroase şi Ultrafiltrare g granulare Ultracentrifugare Centrifugare Sedimentare gravitaţională Dializa Electrodializă Schimb ionic Neutralizare Precipitare şi coagulare Oxidare - reducere Extracţie cu solvenţi Hidrociclonare Antrenare în spume Fig Categorii de poluanţi ai apei şi procese utilizate pentru îndepărtarea lor 14

3 1. Egalizarea apelor uzate, uniformizarea debitelor şi a compoziţiei apelor industriale Apele uzate, indiferent de sursă, prezintă variaţii în timp ale debitelor şi compoziţiei, datorită lipsei de uniformitate a consumurilor de apă, a cantităţilor de apă eliminată din proces şi a conţinutului acestora în substanţe poluante. Sunt relativ rare cazurile în care debitul şi compoziţia sunt constante, cum ar fi procesele industriale cu caracter continuu, ce funcţionează în regim staţionar şi în care nu intervin operaţii ciclice, cum sunt industria de sinteză a amoniacului, acidului azotic, metanolului, prepararea minereurilor, unele procese metalurgice, etc. În majoritatea industriilor intervin operaţii discontinue care, pe ansamblu, conduc la evacuarea de ape uzate cu caracter aleator. Prezenţa mai multor surse de evacuare discontinue, cu periodicitate diferită, 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 zahăr 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 aleatoare, iar debitele prezintă fluctuaţii, până la limita maximă determinată de capacitatea sistemului din care se face alimentarea cu apă. Aceste debite sunt influenţate şi de gradul de recirculare a apelor din industria respectivă, 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 uzate, rezultatele depind de stabilitatea, respectiv uniformitatea regimului de intrare a apelor uzate în sistemul de tratare. Variaţiile de debit în staţiile de tratare au ca rezultat salturi de viteză ce perturbă regimul de curgere. Instabilitatea vitezelor de curgere este dăunătoare mai ales în bazinele de decantare, în care vitezele mari de curgere antrenează 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 forme şi dimensiuni adaptate fiecărui caz în parte, pot avea loc şi transformări chimice între diferiţii poluanţi din aceste ape, cum ar fi reacţii de neutralizare, de oxigenare, redox, de precipitare sau procese biochimice, toate conducând la o degrevare a etapei de epurare. 14

4 . Procese fizice de tratare a apelor industriale Principalele grupe de procese fizice au la bază separarea gravitaţională, filtrarea şi transferarea poluanţilor din fază apoasă în altă fază. În aceste procese substanţele poluante nu suferă, în cursul separării lor din apă, transformări în alte substanţe..1. Separare gravitaţională Se bazează pe faptul că asupra unui corp aflat într-un câmp gravitaţional acţionează o forţă, ce determină deplasarea corpului spre fundul bazinului de separare. Separarea particulelor relativ grosiere, nedizolvate în apă, sub influenţa câmpului gravitaţional, are loc prin sedimentare sau flotaţie. Dacă sedimentarea gravitaţională nu este eficientă se utilizează o separare sub acţiunea unui câmp de rotaţie creat artificial, în care iau naştere forţe gravitaţionale, această separare fiind denumită centrifugare. După o perioadă iniţială de accelerare, deplasarea, sub acţiunea câmpului gravitaţional, a unei particule în apă se face cu o viteză constantă, datorită echilibrului dintre forţa exercitată de câmpul gravitaţional ( F m ) şi forţa de frecare între particulă şi apă ( F f ). F m = (ρ 1 - ρ ) g v V (1.1) unde: Csρ v 1 F f = - ρ 1, ρ : densităţile particulei şi fluidului; - d, s, v : diametrul, aria şi volumul particulei; - V : viteza de depunere a particulei; - g : acceleraţia gravitaţională; - C : coeficientul de frecare. (5.) În funcţie de regimul de curgere caracterizat de numărul Reynolds (Re) şi de coeficientul C, viteza de sedimentare se pate calcula cu diverse formule, după cum se vede din tabelul 5.1 Tabelul 1.1 Re Regim de curgere C Formula de calcul 10-4 < Re< 1 Laminar 4 Re -1 Stokes 1 < Re< 10 Intermediar 18,5 Re -0,6 Allen 10 < Re<.10 5 Turbulent 0,44 Newton Sedimentarea particulelor într-un bazin ideal de formă rectangulară este prezentată schematic în figura 1., unde sunt reprezentate traiectoriile teoretice ale particulelor discrete (traiectorii drepte) şi ale celor întâlnite în practică (traiectorii curbe). 144

5 Q Debit intodus A Aria suprafeţei orizontale Q Debit evacuat zona de admisie h 0 Direcţia de curgere Zona de sedimentare v d zona de evacuare v 0 Zona de acumulare a sedimentelor t 0 t = 0 t = t 0 Legendă: Particule discrete cu viteza v 0 = h 0 /t 0 Particule discrete cu viteza v < v 0 Particule cu sedimentare stânjenită Particule care floculează în timpul sedimentării Fig. 1.. Schema sedimentării în apă a particulelor greu solubile într-un bazin rectangular (secţiune verticală-longitudinală) Bazinul de sedimentare poate fi împărţit în patru zone: - zona de admisie în care amestecul de apă cu suspensii este distribuit pe secţiunea transversală a bazinului; - zona de sedimentare în care particulele cad prin masa de apă, aflată în curgere orizontală cu viteză constantă v d ; - zona de nămol în care se adună particulele depuse ; - zona de evacuare a apei limpezite care mai conţine particulele care nu s-au depus. Traiectoriile particulelor discrete rezultă din însumarea vectorială a vitezei de sedimentare v s şi a vitezei de deplasare a apei în bazin v d. Particulele cu viteza de sedimentare v 0 egală cu raportul dintre adâncimea bazinului (h 0 ) şi timpul de parcurgere a lungimii acestuia de către o particulă de apă (t 0 ), dacă la intrarea în bazin (t = 0) se află la suprafaţa apei (h = 0), ating fundul zonei de sedimentare la extremitatea din aval a acesteia. Toate particulele a căror viteză de cădere este mai mare sau egală cu v 0 sunt reţinute în bazinul de sedimentare. În bazinele cu curgere verticală, particulele cu viteză de sedimentare mai mică decât v 0 nu sunt reţinute, fiind antrenate cu apă în zona de evacuare. Dimpotrivă, în bazinele cu curgere orizontală, astfel de particule sunt reţinute dacă 145

6 la intrarea în zona de sedimentare se află deasupra zonei de nămol la o înălţime mai mică decât produsul vt 0. Decantoarele se pot construi într-o varietate mare de tipuri (STAS ), din decantoare eliminându-se o apă relativ limpede şi nămolul respectiv Flotaţia Flotaţia este procesul unitar de separare din apă, sub acţiunea forţelor gravitaţionale, a particulelor cu densitate medie mai mică decât a apei. Astfel de particule pot fi constituite din materiale omogene sau din asocieri de materiale cu densităţi diferite. În procesul de flotaţie naturala, particulele materiale 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 este procesul prin care particulele mai grele decât apa sunt antrenate la suprafaţă, datorită asocierii lor cu bulele de aer, ce sunt suflate în apă prin partea inferioară a bazinului. Această asociere cu bule de aer are consecinţe pozitive deoarece particulele mai grele decât apa capătă o viteză ascensională datorită particulelor de aer. În flotaţia cu aer, aerul este introdus fie sub formă de bule, obţinute prin trecerea aerului prin difuzoare poroase, fie prin degazarea aerului dizolvat în apă, ca urmare a unei detente, când se produce scăderea bruscă a presiunii gazului, aflată în echilibru în apă. Flotaţia cu aer dispersat se utilizează la prepararea minereurilor şi la îndepărtarea materiilor grase din apele uzate. Diametrul bulelor de aer este de 1- mm. La aceste dimensiuni bulele de aer au o viteză ascensională foarte mare şi pot provoca distrugerea suspensiei coagulate din apă. Bulele mai fine (cu diametrul mai mic decât 0,1 mm) se pot obţine prin destinderea apei sau prin suprasaturarea apei cu aer. Ridicarea particulelor insolubile în apă, de către bulele de aer, este rezultatul asocierilor reciproce, ce are loc în două moduri: - încorporarea de bule de aer în interiorul particulei floculate cu structură afânată; - aderarea particulelor insolubile la suprafaţa bulei de aer (gaz). Mărimea forţelor care reţin particule insolubile pe interfaţa apă-aer sau apă-gaz depind de mărimea suprafeţei particulelor şi de prezenţa unei substanţe tensioactive, ce are tendinţa de acumulare şi orientare a moleculelor pe interfeţe. În practică, în cazul separării prin flotaţie cu aer nu este suficient doar ridicarea particulelor la suprafaţă ci este necesară şi formarea unei spume uilizând substanţe spumante. Astfel de substanţe pot fi chiar unii constituenţi din apele uzate, iar când aceştia nu există în apă trebuiesc adăugaţi. Capacitate de spumare mare au apele uzate din industria celulozei, textilă, industria de prelucrare a proteinelor şi în industriile fermentative. 146

7 Pentru a se obţine o bună separare prin flotaţie trebuie luate măsuri pentru a reduce la minimum turbulenţa din zona de separaţie. Datorită vitezelor mari de urcare a particulelor în procesul de flotaţie, timpul de retenţie a apelor uzate în bazinul de flotaţie este mai mic decât în bazinul de decantare. Necesarul de aer variază funcţie de natura şi concentraţia suspensiilor şi depind de condiţiile care trebuie îndeplinite de apa tratată. Într-o instalaţie de flotaţie cu aer difuzat, consumul de aer este de cca 0,-1 m aer/m apă uzată. Pentru stabilirea parametrilor optimi ai procesului de flotaţie, pentru o apă uzată dată, se recomandă efectuarea de teste la scară de laborator, pe un model fizic Centrifugarea Centrifugarea este un proces de separare gravitaţională a suspensiilor din apă în care intervin acceleraţii superioare celei gravitaţionale. În cazul centrifugării se obţin viteze mari de sedimentare, ceea ce duce la o separare a unei mase mari de suspensii în unitatea de timp. Prin centrifugare se obţin concentrate mai compacte, cu un conţinut mai mare de solid. Datorită costurilor mari ale instalaţiilor şi a consumului de energie, acest procedeu se aplică de preferinţă apelor uzate cu conţinut mare de suspensii sau pentru concentrarea nămolurilor. În epurarea apelor se utilizează, de regulă, centrifugele decantoare cu ax orizontal, cu funcţionare continuă. Acestea sunt constituite dintr-un corp cilindroconic rotativ în care se roteşte, la rândul său, - cu o viteză ceva mai mică un ax melcat. Apa cu suspensii este introdusă prin axul corpului melcat şi este proiectată spre faţa interioară a peretelui corpului centrifugei. Solidele depuse pe acest perete datorită forţelor centrifuge sunt raclate şi împinse de către corpul melcat spre zona conică a corpului centrifugei. Lichidul limpezit, numit centrat, este evacuat pe la capătul opus al centrifugei. Adâncimea stratului de lichid deasupra peretelui centrifugei este stabilită cu ajutorul unor deversoare circulare reglabile, peste care se evacuează lichidul limpezit. Transportul materialului concentrat pe zona conică este o sarcină delicată, datorită forţelor mari de forfecare care intervin, precum şi datorită posibilităţilor de stropire cu lichid limpezit, ceea ce poate readuce materialul solid în corpul centrifugei. Astfel, prin centrifugare se obţin concentrate de nămol cu un conţinut mai mare de 50% de substanţă uscată, comparativ cu nămolurile obţinute prin alte metode de separare la care concentraţia în substanţe uscate este între 4% şi 10%. 147

8 1..4. Filtrarea Filtrarea este procedeul de trecere a apelor printr-un mediu poros, pe care are loc reţinerea prin fenomene predominant fizice a unora din constituenţii apelor. Funcţie de spaţiile libere ale mediului poros, în instalaţiile de filtrare se pot reţine din apă impurităţi de dimensiuni variabile, de la dimensiuni foarte mari cum ar fi poluanţii grosieri, până la poluanţi foarte fini. La mediile poroase cu pori mari, mecanismele de reţinere pe filtre este simplu, fiind oprite toate particulele cu dimensiuni mai mari decât porii filtrelor. Se vorbeşte astfel de un fenomen de sitare. Pe măsură ce dimensiunile porilor se micşorează, mai intervin şi alte fenomene. Mecanismele care contribuie la reţinerea din apă a particulelor de impurităţi pe un filtru sunt foarte complexe. Reţinerea pe suprafaţa filtrantă depinde de caracteristicile fizico-chimice ale particulelor, de caracteristicile mediului filtrant, de viteza de filtrare şi de caracteristicile fizice ale apei. Curgerea prim medii filtrante poroase este menţinută în mod normal în domeniul laminar atât iniţial (în filtru curat), cât şi după colmatarea lui cu suspensii. În aceste condiţii, curgerea are loc în conformitate cu legea lui Darcy. Varietatea mecanismelor de reţinere a impurităţilor din apă prin filtare şi gama largă de dimensiuni a particulelor care se reţin a dus la o diferenţiere între procesele în care predomină efectul de sită şi cele în care primează alte mecanisme. În cele ce urmează se prezintă pe scurt principalele procese de reţinere prin filtrare, atât pentru corpuri grosiere, cât şi pentru particule de dimensiunea ionilor şi moleculelor. Reţinerea pe grătare şi site. Grătarele servesc pentru îndepărtarea din apă a impurităţilor grosiere care pot forma depuneri greu de evacuat şi care ar bloca sistemele de raclare, pompele şi vanele, gurile de evacuare şi deversoarele. Grătarele sunt formate din bare cu grosimi de 0,8 1, cm aşezate la o distanţă de 1 60 mm, înclinate cu 0-90 faţă de orizontală. Materialele reţinute, cu dimensiuni mai mari decât interstiţiile dintre bare, formează ele însele straturi filtrante care măresc treptat pierderea de sarcină a apei pe grătar şi trebuiesc îndepărtate periodic. Viteza apei la intrarea apei în grătare trebuie să fie de 0,-1 m/s pentru evitarea depunerilor în camera grătarului. Pentru reţinerea impurităţilor de dimensiuni mai mici se utilizează site statice sau mobile. Reţinerea pe filtre Cele mai utilizate filtre pentru îndepărtarea suspensiilor sunt filtrele granulare şi filtrele cu prestrat. Materialul granular folosit frecvent este nisipul cuarţos. Filtrele cu nisip sunt formate din mai multe straturi cu densităţi diferite care într-un curent de apă 148

9 ascendent se stratifică conform densităţii şi la care, după spălare, se obţine spontan o aranjare a granulelor cu diametrul descrescând în sensul de curgere din timpul fazei de filtrare, fapt care permite o folosire mai eficientă a adâncimii filtrului. Filtrele de nisip sunt împărţite în: - filtre lente cu viteze de filtrare de 0,1 0,6 m/h; - filtre rapide cu viteze de filtrare de 6 m/h. Aceste două tipuri de filtre diferă prin caracteristicile granulometrice ale nisipului şi prin modul de regenerare. În epurarea apelor uzate filtrele cu nisip se utilizează în treapta secundară de epurare sau pentru finisarea efluenţilor treptei biologice. În aceste filtre au loc, pe lângă procesele fizice de reţinere a particulelor insolubile şi procese microbiologice de degradare a unor materiale organice dizolvate sau în suspensie. Filtrele cu prestrat sunt formate din suporturi poroase rigide aşezate într-o carcasă, pe care se depune un strat subţire de material filtrant granular, format din particule foarte fine de µm. Fazele unui ciclu de funcţionare cuprind formarea prestratului, filtarea şi regenerarea. Pentru a prelungi durata fazei de filtare, uneori se adaugă în apa supusă tratării materialul granular chiar în timpul filtrării Separarea prin membrane În procesele de epurare a apei, membrana este definită ca o fază ce acţionează ca o barieră pentru speciile moleculare sau ionice din apă, prin membrană putând trece în general numai molecule de apă. Membranele pot fi constituite din materiale solide (membrane consistente), din geluri îmbibate cu solvenţi sau din lichide imobilizate într-o structură poroasă şi rigidă. Practic o membrană trebuie să aibă o permeabilitate mai mare pentru unele specii decât pentru altele, deci să fie permeoselectivă. Separarea prin membrane este utilizată în cea mai mare măsură pentru obţinerea apei potabile, dar şi pentru tratarea apelor uzate. Dintre metodele ce utilizează separarea prin membrane, cea mai mare utilizare o au osmoza, osmoza inversă, ultrafiltrarea şi electrodializa. În soluţie, ionii substanţelor ionice sau ionii formaţi prin ruperea unei molecule polare sunt hidrataţi astfel încât volumul ionilor este mult mai mare decât volumul unei molecule de apă, sau chiar a moleculelor de apă asociate prin legături de hidrogen. Prin porii unei membrane semipermeabile (de dimensiuni moleculare) vor putea trece molecule de apă, dar nu vor putea trece ionii hidrataţi. Osmoza şi osmoza inversă În cazul soluţiilor apoase când două soluţii de concentraţii diferite sunt separate printr-o membrană semipermeabilă, apa va trece prin membrană din soluţia mai diluată spre cea mai concentrată. 149

10 Acest proces, cunoscut sub numele de osmoză încetează când presiunea hidrostatică care se exercită asupra soluţiei mai concentrate atinge o anumită valoare de echilibru numită presiune osmotică (fig.1., a şi b). Presiunea osmotică variază proporţional cu concentraţia substanţei dizolvate în apă şi cu temperatura. presiune p a) b) c) Fig. 1.. Osmoza directă şi osmoza inversă Procesul normal de osmoză poate fi inversat dacă asupra soluţiei concentrate se va exercita o presiune mai mare decât presiunea osmotică (fig.5. c). În acest caz, se va produce, datorită presiunii exterioare mari, o circulaţie a apei în sens invers. Astfel, dintr-o apă bogată în săruri se va obţine în compartimentul 1 o apă curată. Acest proces este utilizat pentru obţinerea apei dulci din apa de mare. Primul material folosit la confecţionarea membranelor semipermeabile 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 celuloză, 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 osmoză sunt foarte subţiri (0, µm) şi au o fragilitate ridicată. Membranele utilizate în osmoza inversă sunt supuse la diferenţe mari de presiune de bar, ceea ce determină dificultăţi deosebite la realizarea instalaţiilor practice care trebuie să aibă o bună etanşeitate, o structură compactă, durabilitate mare şi să evite colmatarea şi polarizarea de concentraţie. Aplicaţiile osmozei inverse pentru tratarea apelor uzate sunt satisfăcătoare în următoarele condiţii: - reducerea cantităţilor de ape uzate prin obţinerea unor soluţii concentrate cu volum mai mic decât al celor de ape uzate; - dacă există posibilitatea recuperării de materiale utile; - dacă se impune recuperarea apei în zonele sărace în apă; - dacă se poate realiza concentrarea poluanţilor în volume mici de apă, reducându-se cheltuielile de evacuare a poluanţilor. 150

11 Ultrafiltrarea Ultrafiltrarea este procesul de separare prin membrane sub influenţa unei diferenţe de presiune. Membranele utilizate sunt caracterizate printr-o permeabilitate selectivă pentru anumiţi componenţi ai unei soluţii lichide. Se aplică mai ales pentru a separa substanţele dizolvate cu greutate moleculară peste500,care la concentraţii mici au presiuni osmotice mici şi nu pot fi separate prin osmoză. Prin ultrafiltrare pot fi îndepărtate din apă bacterii, viruşi, amidon, proteine, pigmenţi din vopsele. Limita superioară a greutăţii moleculare a substanţelor care pot fi reţinute prin ultrafiltrare este de circa , peste această limită separarea având loc prin filtrare obişnuită. În cazul ultrafiltrării prin membrane, mecanismul principal este sitarea selectivă, în funcţie de diametrul particulelor de substanţe poluante şi diametrul porilor. Capacitatea de reţinere a unei membrane pentru o substanţă dată depinde de dimensiunea, forma şi flexibilitatea moleculelor constituente ale membranei, precum şi de condiţiile de exploatare. Pentru scopuri practice, se cere ca membranele de ultrafiltrare să manifeste reţinere selectivă pe un domeniu relativ îngust de greutăţi moleculare şi un flux mare de solvent la diferenţă mică de presiune. Pentru epurarea apelor uzate separarea selectivă nu prezintă importanţă decât în cazul în care concentratele separate pot fi valorificate. In acest caz, ultrafiltrarea are un efect echivalent cu cel realizat prin coagulare, floculare, decantare şi îngroşare. Prin acest proces pot fi îndepărtate materii organice inerte şi microorganisme. Electrodializa Electrodializa constituie un proces de separare prin membrane cu permeabilitate selectivă la anioni, respectiv la cationi, deplasarea acestora realizându-se sub acţiunea unui câmp electric ca în procesul de electroliză. Utilizarea unei instalaţii de electrodializă cu o singură celulă este neeconomică, din cauza consumurilor mari de energie în compartimentele electrozilor (pentru deshidratarea ionilor). Dacă numărul de compartimente dintre electrozi este mărit (figura 1.4.), proporţia de energie consumată pentru transportul ionilor creşte în raport cu aceea pentru deshidratarea acelor ioni care ajung în compartimentele electrozilor. În practică se folosesc baterii de electrodializă cu compartimente. Modul de funcţionare al unei instalaţii de epurare prin electrodializă reiese din figura menţionată. În practică, prin electrodializă se obţine o apă demineralizată numai parţial. Dacă demineralizarea este împinsă peste anumite limite, consumurile de energie pe unitatea de apă produsă cresc foarte mult, iar produsul devine asemănător cu electroliza. Electroliza poate fi utilizată pentru îndepărtarea sărurilor din apele uzate (de exemplu a nitraţilor din apele evacuate de pe terenurile agricole), cu condiţia ca substanţele organice, eventual prezente în acestea, să fi fost îndepărtate în prealabil. 151

12 Eliminare de hidrogen gazos Apă uzată cu salinitate ridicată Eliminare de oxigen sau clor Apă de spălare catod catod C A C A C A Na Na Na Na Na Na Na Apă de spălare anod anod OH - H - Reziduu catodic Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - Cl - Reziduu anodic Apă parţial demineralizată Legendă: A - Membrane permeabile de anioni C - Membrane permeabile de cationi Soluţie concentrată de săruri Figura 1.4. Schema unei instalaţii de electrodializă Membranele pentru electroliză se realizează prin turnare de plăci dintr-un amestec de răşini schimbătoare de ioni, sub formă de granule, lianţi inerţi şi solvenţi. Ele pot fi obţinute din filme de polimeri poroase, în care se introduc prin reacţie chimică, grupe funcţionale schimbătoare de ioni. Prin electroliză se pot recupera din apele uzate o varietate de substanţe utile: acizi carboxilici (acetic, citric, lactic), lignite, cromaţi, etc Procese unitare care utilizează transferul între faze În timp ce în cazul proceselor fizice descrise mai înainte, după izolarea din apă, impurităţile rămân tot în faza apoasă sub forma unor concentrate, există alte procese în care epurarea are la bază transferul poluanţilor din apă într-o altă fază nemiscibilă cu apa lichidă, solidă sau gazoasă. Între aceste procese se încadrează extracţia lichid-lichid, antrenarea poluanţilor volatili cu abur sau cu gaz (stripare), distilarea, spumarea şi adsorbţia. Extracţia lichid-lichid Extracţia este o operaţie de separare bazată pe diferenţa de solubilitate a componenţilor din apă în unul sau mai mulţi solvenţi nemiscibili cu apa. Notând apa cu A, poluantul cu P şi solventul cu S, iar cantităţile mici ale acestora în diferite faze cu a, p, şi respectiv s, principiul extracţiei este redat prin schema: 15

13 (AP) S = (A-a) a p s (P-p) (S-s). (1.) apa de epurat solventul apa extrasă extrasul Apa de epurat este pusă în contact cu solventul S în care poluantul P este mult mai solubil decât apa. După agitare ( pentru realizarea unei suprafeţe cât mai mari de contact între cele două lichide) şi după sedimentare se formează conform schemei de mai sus două straturi: apa extrasă şi extractul. După separarea acestora urmează recuperarea solventului (de obicei prin distilare), ceea ce în cazul ideal al recuperării totale a solventului duce la rezultatul final exprimat prin schema: (AP) = (A-a) p a (P-p) (1.4) apă uzată apă epurată concentratul de poluant O extracţie înaintată a poluantului din apă se realizează prin repetarea operaţiei de extracţie cu porţiuni noi de solvent proaspăt. Cea mai raţională variantă a procesului este extracţia în contracurent. În figura 1.5 este ilustrată schematic extracţia cu contact multiplu în contracurent. Eficienţa este şi mai mare în cazul extracţiei diferenţiale în contracurent, unde nu există unităţi distincte de amestecare şi de decantare. În acest caz, apa şi solventul circulă în contracurent într-o coloană cu şicane sau cu umplutură, pe baza diferenţei de densitate (figura 1.6). Într-o astfel de coloană se menţin pe tot parcursul, diferenţe de concentraţie diferite de cele de echilibru, fapt care promovează difuzia poluantului din apă în solvent. Extract final Extract Apă brută Amestecare 1 Decantare 1 Amestecare Decantare Amestecare Decantare Apă epurată Extract 1 Solvent Fig Schema extracţiei cu contact multiplu în contracurent Un bun solvent pentru extracţia poluanţilor din ape uzate trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: - să posede faţă de impurităţi o afinitate cât mai ridicată în comparaţie cu a apei, să aibă o solubilitate cât mai scăzută în apă şi să dizolve cât mai puţină apă pe un domeniu larg de temperatură, - să nu formeze emulsii cu apa, - să aibă o densitate cât mai diferită de a apei, - să nu sufere transformări chimice în timpul utilizării, - să aibă punct de fierbere cât mai îndepărtat de al apei, - să fie ieftin. Pentru epurarea apelor uzate se folosesc, în special, hidrocarburi alifatice, dintre care hexanul este utilizat cel mai frecvent. O variantă de aplicare a extracţiei în purificarea apei este aceea în care substanţa extrasă din amestec este însăşi apa, nu substanţe dizolvate în aceasta. În 15

14 acest scop s-au dovedit eficienţi ca solvenţi aminele alifatice cu 5 şi 6 atomi de carbon (de exemplu diizopropilamina),care extrag în mod selectiv apa şi în care impurităţile (mai ales cele minerale) au o solubilitate scăzută. Solubilitatea apei în dizolvanţii de acest fel variază puternic cu temperatura, astfel că prin încălzirea extractului are loc separarea apei şi a dizolvantului, acesta din urmă fiind refolosit în proces. Extracţia se foloseşte la scară industrială pentru separarea şi recuperarea fenolului din apele condensate de la prelucrarea termică a cărbunilor şi pentru extracţia din apele uzate a unor metale ce sunt transformate în prealabil în complecşi organici, solubili în solvenţi nemiscibili cu apa. Transferul lichid-gaz Substanţele volatile prezente în apă pot fi îndepărtate (stripate) prin antrenare cu gaze sau vapori (aer, gaze de ardere, vapori de apă). Procesul este analog cu acela de extracţie descris mai sus, rolul solventului fiind preluat de faza gazoasă sau de vapori. Desfăşurarea procesului este favorizată de crearea unor condiţii care duc la micşorarea solubilităţii în apă a substanţei poluante, aceasta putându-se obţine, de obicei, prin modificarea ph-ului şi prin ridicarea temperaturii, ph-ul acţionând favorabil prin transformarea unor poluanţi în forma lor neionizată, moleculară, mai greu solubilă. Astfel, la valori mici ale ph-ului, devine posibilă îndepărtarea hidrogenului sulfurat, S - H H S (1.5) sulfură solubilă hidrogen sulfurat molecular în apă greu solubil în apă a mercaptanilor şi a bioxidului de carbon şi, în general, a acizilor slabi volatili, iar la valori ridicate ale ph-ului a amoniacului, aminelor alifatice inferioare şi în general a bazelor slabe volatile, NH 4 OH - NH H O (1.6) ioni de amoniu amoniac molecular solubili în apă greu solubil în apă caldă Striparea componenţilor volatili din apele uzate se face prin realizarea unei suprafeţe mari de contact între apă şi faza gazoasă sau de vapori, fiind avantajoasă circulaţia în contracurent a celor două faze. Contactul lor se poate asigura prin barbotarea gazului în apă în bazine deschise sau coloane cu talere, ori prin prelingerea apei peste o umplutură prin care circulă în contracurent faza gazoasă, în acest din urmă caz putându-se folosi instalaţii asemănătoare cu turnurile de răcire. Un contact bun poate fi obţinut şi prin pulverizarea apei în faza gazoasă (de obicei în aer). Striparea cu gaze şi vapori dă rezultate pozitive şi în cazul poluanţilor organici volatili nepolari, care în mod natural au o solubilitate scăzută în apă, în deosebi la temperaturi mai ridicate. Metoda este convenabilă mai ales în cazul 154

15 apelor uzate care rezultă din procesul de producţie şi deci, nu mai necesită consum de energie pentru încălzire. Striparea poluanţilor în atmosferă conduce la impurificarea acesteia şi, de aceea, se recomandă descărcarea gazelor de stripare prin coşuri înalte. O soluţie mai raţională este captarea şi valorificarea poluanţilor. Astfel, substanţele volatile cu caracter bazic pot fi absorbite în soluţii ale unor acizi tari cu obţinerea de săruri, de exemplu în cazul amoniacului care absorbit în acid sulfuric formează sulfat de amoniu, folosit ca îngrăşământ agricol, iar substanţele acide în soliţii ale unor baze tari, de exemplu, prin absorbţia hidrogenului sulfurat în hidroxid de sodiu se obţine sulfura de sodiu utilizabilă în industria celulozei. Din date experimentale a reieşit că pentru a îndepărta 1 kg. de hidrogen sulfurat sunt necesari m aer/m apă uzată. În cazul stripării amoniacului, literatura menţionează (în cazul folosirii instalaţiilor de tipul turnurilor de răcire cu funcţionare la temperatură ambiantă) consumuri de aer foarte ridicate de m aer/1m apă uzată. În epurarea apelor uzate, pentru unele scopuri, prezintă importanţă practică şi procesul invers, de transfer în apă a unor componenţi din faza gazoasă. Cel mai important caz este acela de introducerii de oxigen în apă. Aceasta se realizează cu ajutorul oxigenului gazos, dar, mai eficient, cu ajutorul aerului (aerare). Pentru aerare sunt folosite numeroase tipuri de dispozitive, clasificate, de obicei, în mecanice şi pneumatice, acestea asigurând dispersia apei în aer sau /şi a aerului în apă pentru crearea unei arii cât mai mari a suprafeţei de separare apă-aer pe care are loc transferul. Distilarea Distilarea este procesul de epurare a apelor uzate prin trecerea apei în fază de vapori prin încălzire, urmată de condensarea vaporilor. Datorită volatilităţii reduse a majorităţii impurităţilor dizolvate, se obţine, de obicei, o apă cu calitate net îmbunătăţită. Prin distilare se îndepărtează şi materii în suspensie, iar microorganismele sunt distruse aproape în totalitate. În comparaţie cu alte procese de epurare a apelor uzate, distilarea este în prezent dezavantajoasă datorită consumului relativ ridicat de energie. Chiar în cazul utilizării unor sisteme raţionale de încălzire, cum ar fi evaporatoare cu efect multiplu, consumul de căldură este semnificativ, de cca 45 kcal./1 kg apă. Totuşi, distilarea poate fi justificată când este folosită pentru concentrarea unor efluenţi cu toxicitate mare, care urmează a fi distruşi prin incinerare. Îngheţarea Îngheţarea ca proces de epurare, constă în trecerea apei din fază lichidă în fază solidă sub formă de cristale de gheaţă constituite din apă aproape pură, care se separă de soluţia reziduală îmbogăţită în impurităţi. Prin topirea cristalelor de gheaţă (după prealabila lor spălare cu apă curată) se obţine o apă de puritate ridicată. 155

16 O variantă a procesului de îngheţare se bazează pe formarea, la temperaturi apropiate de 0 0 C, între apă şi anumite substanţe, cum ar fi hidrocarburi alifatice cu greutate moleculară mică sau derivaţi halogenaţi ai acestora, a unor combinaţii solide care cuprind în reţeaua lor cristalină molecule de apă pură şi de hidrocarbură. După separarea din lichidul iniţial şi topirea cristalelor rezultă două faze nemiscibile, apa curată şi agentul de hidratare. Dacă acesta din urmă este, de exemplu, propanul, temperatura de topire a hidratului este de circa 5,7 0 C. Spumarea Spumarea este procesul de separare din apă a unor impurităţi organice dizolvate ca urmare a tendinţei de acumulare a lor pe interfaţa apă-aer, respectiv datorită respingerii lor din masa de apă. Cantitatea de poluant separată este proporţională cu aria interfeţei aer-apă, şi în acest caz este avantajoasă existenţa unei arii cât mai mari, care poate fi obţinută prin spumare. Formarea spumei este condiţionată de prezenţa în apă a substanţelor superficial-active, care au capacitatea de a micşora tensiunea superficială a apei. Astfel de substanţe, de exemplu detergenţii, proteinele şi hidrolizate de proteine, săruri ale unor acizi organici sulfonici şi carboxilici, saponine etc., pot fi prezente ca poluanţi în apele uzate. Există şi situaţii în care, pentru formarea spumei sau pentru a îmbunătăţi separarea unor impurităţi se adaugă agenţi de spumare, cum ar fi detergenţii cationici în doză minimă de circa 0,5 mg/l. Formarea spumei este indusă prin barbotarea în apă a aerului, de preferinţă difuzat sub formă de bule fine. Consumurile de aer sunt de ordinul a 4-8 m /m apă uzată, iar timpii de retenţie hidraulică în bazinul de spumare de 5-10 min. Spuma acumulată la suprafaţa apei în bazinul de spumare se îndepărtează continuu prin raclare, în asemenea cantitate şi de la o astfel de diferenţă de la suprafaţa masei de lichid, încât conţinutul în apă al spumei să fie cât mai scăzut. Este de dorit ca volumul de concentrat lichid, rezultat după spargerea spumei, să nu depăşească 1% din volumul apei epurate. Separarea prin spumare a fost aplicată la îndepărtarea detergenţilor din ape şi la epurarea apelor uzate din industria celulozei şi a hârtiei. Adsorbţia Adsorbţia, ca proces de epurare, are la bază fenomenul de reţinere pe suprafaţa unui corp a moleculelor unei substanţe dizolvate în apă. Materialul solid sau lichid pe care are loc reţinerea se numeşte adsorbant iar substanţa care este reţinută adsorbat. Substanţele reţinute pot fi îndepărtate prin încălzire sau extracţie, astfel încât adsorbantul îşi recapătă aproape în întregime proprietăţile iniţiale. Adsorbţia permite reţinerea unor poluanţi chiar când aceştia sunt prezenţi în concentraţii mici şi prezintă selectivitate pentru anumite substanţe. Procesul de adsorbţie este caracterizat prin echilibrul de adsorbţie, care exprimă repartiţia cantitativă, la echilibru, a substanţei adsorbite între faza de 156

17 adsorbant şi faza apoasă supusă epurării şi prin cinetica de adsorbţie, care urmăreşte mecanismul procesului şi viteza cu care se desfăşoară acesta. Raportul de distribuţie al adsorbantului între adsorbant şi apă la o temperatură dată, după un timp de contact suficient pentru stabilirea echilibrului, se exprimă prin izoterma de adsorbţie (figura 1.7). Pe baza unor teorii cu privire la mecanismul adsorbţiei sau pe baza rezultatelor experimentale au fost propuse ecuaţii care reuşesc să descrie izotermele de adsorbţie (pe porţiuni limitate). Valoarea de saturaţie10 mg/l O ecuaţie frecvent utilizată, dezvoltată 100 pe baze empirice, a fost propusă de 75 Freundlich a = K C n, (1.7) Cantitatea adsorbită, (mg/g) Concentraţia (c), (mg/l) Figura 1.7. Izoterma de adsorbţie a fenolului pe cărbune activ, la temperatura camerei unde: a - cantitatea adsorbită pe un gram de adsorbant, în mg/g; K şi n - constante C - concentraţia adsorbatului în faza lichidă, în mg/l. Ca adsorbanţi se utilizează materiale solide caracterizate printr-o suprafaţă specifică foarte mare. La cărbunele activ, adsorbantul cel mai folosit în epurarea apelor, suprafaţa specifică ajunge la valori în jurul a 1000 m /g. Cărbunele activ se utilizează sub formă de granule (diametre de 1-6 mm) sau de pulberi (0,1-0,5 mm).în afara cărbunelui activ au fost folosiţi ca adsorbanţi pentru epurare şi cocsul, cenuşile fine de la arderea combustibililor, cenuşile de la arderea nămolurilor etc. Cercetările privind adsorbţia pe cărbune activ a impurităţilor dizolvate în apă au condus la următoarele concluzii: - capacitatea de adsorbţie este puternic influenţată de greutatea moleculară a adsorbatului, crescând o dată cu aceasta; - creşterea temperaturii micşorează capacitatea de adsorbţie, dar măreşte viteza de adsorbţie; - scăderea ph-ului influenţează de obicei favorabil capacitatea de adsorbţie; - capacitatea de adsorbţie şi viteza de adsorbţie cresc la micşorarea dimensiunilor particulelor de adsorbant; - capacitatea de adsorbţie depinde de timpul de contact, fiind maximă la atingerea echilibrului. Adsorbţia se aplică, de regulă, pentru îndepărtarea din apă a unor impurităţi în concentraţie scăzută, rămase după aplicarea altor procese de epurare şi atunci când se impune un grad de epurare foarte ridicat. Sunt rare cazurile în care substanţele adsorbite din apă sunt separate din adsorbant prin desorbţie în vederea 157

18 valorificării; adsorbanţii epuizaţi sunt fie aruncaţi, în cazul adsorbanţilor ieftini, fie regeneraţi pentru refolosire. După modul în care se realizează contactul între apa de epurat şi adsorbant se disting adsorbţia statică şi dinamică. În primul caz adsorbantul fin divizat este agitat cu apa şi după un timp anumit este separat prin decantare sau filtrare, în timp ce în cazul adsorbţiei dinamice, apa uzată străbate în flux continuu un strat fix, mobil sau fluidizat de adsorbant. Cele mai multe instalaţii de epurare prin adsorbţie sunt de tipul dinamic şi utilizează paturi fixe de cărbune activ cu granulaţia de 0,5-,0 mm, mai ales în filtre închise, înălţimea stratului de cărbune în aceste filtre fiind de 1- m. În unele cazuri, au fost folosite şi filtre deschise, cu viteze mai mici şi cu înălţimi ale stratului de 0,5-1,0 m. Creşterea timpului de contact între apă şi cărbune influenţează semnificativ eficienţa epurării, în timp ce, o viteză mărită de circulaţie a apei favorizează adsorbţia. La filtrele cu cărbune activ se adoptă viteze de filtrare de 5-0 m / h. Pentru a evita colmatarea filtrelor este importantă îndepărtarea prealabilă a poluanţilor în suspensie. Din experienţă rezultă că un cărbune activ de bună calitate poate adsorbi o masă de substanţe organice reprezentând cca. 5% din masa sa, după care este necesară regenerarea. Aceasta se face mai ales pe cale termică; la cca C în atmosferă cu compoziţie controlată de aer şi vapori de apă. Pentru alegerea adsorbantului şi pentru stabilirea condiţiilor de exploatare optime se recomandă efectuarea prealabilă de teste de laborator. 1.. Procese chimice Procesele chimice de epurare sunt acelea în care poluanţii sunt transformaţi în alte substanţe mai uşor de separat, cum ar fi precipitate insolubile sau gaze care pot fi stripate, cu nocivitate mai scăzută sau mai susceptibile de a fi îndepărtate prin alte procese de epurare, de exemplu prin procese biologice Neutralizarea Neutralizarea este procesul prin care ph-ul unei ape uzate, având valori în afara intervalului favorabil dezvoltării florei şi faunei acvatice (ph=6,5-8,5), este reglat prin adaus de acizi sau baze după caz. Neutralizarea apei are ca efect şi micşorarea însuşirilor corozive ale apei care pot determina degradarea materialelor cu care vine în contact, cum ar fi conducte, construcţii şi instalaţii de transport sau de epurare. 158

19 Neutralizarea apelor acide Industriile care evacuează acizi sunt foarte variate : fabrici de acizi şi de explozivi, industria metalurgică, decapări şi acoperiri metalice, rafinării de petrol, fabrici de îngrăşăminte, instalaţii de obţinere a derivaţilor organici halogenaţi, etc. Înainte de a stabili măsurile de neutralizare este necesar, în primul rând, să se epuizeze toate posibilităţile de a micşora cantitatea de acizi evacuată ; prin aceasta, în afară de economia de acizi se obţine şi micşorarea cheltuielilor pentru neutralizare. În al doilea rând, trebuie examinată posibilitatea de neutralizare reciprocă, totală sau parţială, a apelor uzate acide şi alcaline, rezultate din aceeaşi întreprinderea sau din întreprinderi învecinate. În astfel de cazuri, se prevăd bazine de egalizare separate pentru ape acide şi cele alcaline, bazine din care se poate realiza apoi o dozare proporţională cu debitele medii ale celor două categorii. Pentru neutralizarea apelor acide se poate folosi o gamă largă de substanţe cu caracter bazic (oxizi, hidroxizi, carbonaţi). Alegerea neutralizantului se face în funcţie de natura acidului care trebuie neutralizat, de costul neutralizantului, de volumul şi caracteristicile sedimentelor formate după neutralizare. Neutralizanţii care pot fi luaţi în consideraţie în practică sunt : piatra de var CaCO şi dolomita CaMg(CO ) ; varul CaO sub formă de hidroxid de calciu(lapte de var sau var stins praf); NaOH şi Na CO. Pentru neutralizare se pot folosi şi unele deşeuri industriale cum sunt nămolurile de la fabricile de sodă, unele sterile de la preparaţiile miniere, nămolurile de la obţinerea acetilenei din carbid, etc. Piatra de var (CaCO ) este unul dintre primii neutralizanţi folosiţi pentru neutralizarea apelor acide. După provenienţa ei, piatra de var prezintă reactivitate variabilă faţă de acizii minerali. Aceasta depinde de compoziţia chimică şi mai ales de structura cristalină a materialului. Reactivitatea diferitelor feluri de carbonaţi de calciu naturali scade în ordinea: dolomită, cretă, ardezie, marmură, calcar de scoici. Filtrarea printr-un strat de calcar granular are efect de neutralizare numai în cazul apelor cu conţinut mic de acizi până la 0,-0,5 % ;dacă concentraţia este mai mare, în afară de scăderea reactivităţii, se produce o cimentare a granulelor din patul filtrant. Având în vedere că prin reacţia calcarului cu acidul sulfuric rezultă sulfat de calciu greu solubil, calcarul nu este indicat pentru ape uzate care conţin acest acid, întrucât sulfatul de calciu format pe suprafaţa granulelor împiedică contactul ulterior al acidului cu carbonatul de calciu. Reactivitatea pietrei de var este micşorată chiar şi în cazul acizilor clorhidric şi azotic, dacă aceştia sunt prezenţi în concentraţii mai mari (peste 1, %), deşi dau compuşi de reacţie solubili. Explicaţia pare a fi aceea că la concentraţii mari de acizi rezultă o cantitate sporită de bioxid de carbon care, acoperind o mare parte din granulele de calcar, le micşorează suprafaţa de contact. Neutralizarea prin filtrare peste piatră de var nu este posibilă când în apă sunt prezenţi ioni ai metalelor grele care formează pelicule de hidroxizi pe suprafaţa granulelor. Piatra de var se poate folosi la neutralizare şi sub formă de pulbere care se adaugă ca atare, în stare uscată, sau sub 159

20 formă de suspensie apoasă. Şi în acest caz apar limitele menţionate, legate de natura şi concentraţia acizilor. Varul stins sub formă de praf (var hidratat) prezintă avantajul că poate fi manipulat, transportat şi dozat în această stare cu multă uşurinţă. Dozarea varului sub formă de praf are în plus avantajul că reduce timpul de decantare şi volumul sedimentelor Laptele de var (suspensie de hidroxid de calciu în apă) se foloseşte la neutralizare în concentraţie de 5-10 % CaO. Doza de var se calculează astfel încât să reprezinte circa 105 % din valoarea calculată stoichiometric. În cazul neutralizării acidului sulfuric, se recomandă ca reglarea adausului să fie făcută astfel încât ph-ul amestecului să fie cât mai aproape de valoarea ph=7, când rezultă un precipitat cu granule mai mari care sedimentează mai repede. Hidroxidul şi carbonatul de sodiu sunt neutralizanţi foarte eficienţi, uşor de transportat, depozitat şi dozat, care duc la formarea unor sedimente mai puţin voluminoase decât calcarul şi varul. În schimb, costul lor este mai ridicat. Cele două substanţe pot fi achiziţionate ca produse solide, hidroxidul de sodiu putând fi achiziţionat şi sub formă de leşie concentrată. Neutralizarea apelor alcaline Cantităţile de alcalii care se evacuează cu apele uzate industriale sunt în general mai mici decât cele de acizi. Pentru neutralizarea apelor alcaline se pot folosi acizii reziduali rezultaţi din diferite procese industriale, cu condiţia ca aceştia să nu conţină în concentraţii supărătoare alte impurităţi. Un neutralizant ieftin pentru apele uzate alcaline îl constituie gazele de ardere bogate în bioxid de carbon, circa 14 % vol., care rezultă de exemplu de la centralele termice. Se poate utiliza şi bioxidul de carbon îmbuteliat, în acest caz, instalaţia şi exploatarea ei sunt foarte simple, dar cheltuielile sunt ridicate. Bioxidul de carbon pentru neutralizare poate fi produs şi direct în apele uzate, prin combustie cu ajutorul unui arzător scufundat. La instalaţiile de neutralizare cu funcţionare continuă se recomandă automatizarea dozării reactivilor în funcţie de ph-ul urmărit. Cum în practică aciditatea sau alcalinitatea apelor uzate brute este foarte variabilă, nu este posibilă reglarea manuală a dozei de reactivi de neutralizare. În cazul debitelor mici de ape uzate se pot adopta instalaţii de neutralizare cu funcţionare discontinuă, simple, uşor de exploatat şi sigure. In fig.1.8. este prezentată schema unei instalaţii de neutralizare în regim continuu. 160

21 Agent neutralizant Influent Regulator ph Regulator ph Apă neutralizată Figura 1.8. Instalaţie de neutralizare 1... Oxidarea şi reducerea Oxidarea şi reducerea sunt procese în care substanţele se transformă în altele ca urmare a schimbului de electroni. Despre materialele care se transformă cedând electroni se spune că se oxidează, iar despre cele care acceptă electroni, că se reduc, cele din prima categorie fiind materiale reducătoare, iar cele din a doua, materiale oxidante. Întrucât nu poate exista o reacţie de oxidare fără o reacţie cuplată de reducere, procesul în ansamblul său este numit o reacţie de oxidoreducere. Această interpretare a reacţiilor de oxido-reducere este aplicabilă compuşilor anorganici. În cazul celor organici, oxidarea se poate defini ca având loc atunci când are loc un transfer de specii diferite de cele ionice normale, şi anume: electronul e -, atomul liber de hidrogen H, atomul liber de oxigen O, radicalul hidroxil OH, atomul liber de clor Cl, ionul de clor Cl sau alte specii asemănătoare. Pentru scopuri practice, în domeniul epurării apelor se poate accepta interpretarea reacţiei de oxidare ca aceea în care are loc adiţie de oxigen sau îndepărtare de hidrogen. Oxidarea Scopul oxidării în epurarea apelor uzate este de a converti compuşii chimici nedoriţi în alţii care nu sunt, sau sunt mai puţin supărători. În acest scop, nu este necesară oxidarea completă, de exemplu, în cazul substanţelor organice, nu este necesară transformarea lor până la bioxid de carbon, apă şi alţi oxizi. Oxidarea se aplică atât substanţelor anorganice (de exemplu Mn, S -, CN -, SO - etc.) cât şi celor organice (de exemplu fenoli, amine, acizi humici, diverse combinaţii cu însuşiri toxice, bacterii etc.). Oxidarea chimică cu oxigen din aer decurge cu viteze satisfăcătoare numai la temperaturi şi presiuni peste cele ordinare şi, eventual, în prezenţă de catalizatori. În practică se recurge la agenţi oxidanţi mai energici: ozonul, permanganaţii, feraţii, apa oxigenată, clorul şi bioxidul de clor. Costul ridicat al unora dintre aceştia, cum sunt feriţii şi apa oxigenată, a limitat mult aplicarea lor în practică. Există şi alte metode de oxidare, indirecte, dintre care cea mai importantă este oxidarea anodică directă prin intermediul unor produşi de electroliză, de exemplu cu clor activ. Activitatea agenţilor chimici oxidanţi poate fi intensificată 161