INFLUENȚA PROCESELOR DE COAGULARE-FLOCULARE ASUPRA BIOSTABILITĂȚII APEI

Transcription

1 UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII BUCUREŞTI Facultatea Hidrotehnică Departamentul de Inginerie Hidrotehnică ING. DANIELA SPÎNU INFLUENȚA PROCESELOR DE COAGULARE-FLOCULARE ASUPRA BIOSTABILITĂȚII APEI TEZĂ DE DOCTORAT REZUMAT Conducător doctorat: Prof. univ. dr. ing. Gabriel RACOVIŢEANU 2014

2 CUPRINS CUPRINS CUPRINS... PREFAȚĂ... ACRONIME ȘI ABREVIERI INTRODUCERE Necesitate obiectivă Materia organică naturală și biodegradabilă Componența materiei organice naturale Produșii reziduali de dezinfecție ai materiei organice naturale Materia organică naturală și biostabilitatea apei Materia organică naturală și procesele de coagulare-floculare Influența proceselor de coagulare-floculare asupra biostabilității apei Obiectivul tezei de doctorat... CAPITOLUL 2 - ELEMENTE TEORETICE PRIVIND PROCESUL DE COAGULARE- FLOCULARE Particule coloidale - stratul dublu electric Stabilitatea electrostatică a sistemelor coloidale Teoria DLVO Destabilizarea sistemelor coloidale Compresia dublului strat Adsorbţia şi neutralizarea sarcinii electrice Neutralizarea sarcinii prin mecanismul plasture electrostatic Adsorbţia şi punţile interparticule Înglobarea în precipitat Strategia dozării coagulanților Reactivi de coagulare-floculare Coagulanți metalici Polimeri sintetici și naturali Formarea particulelor floculate. Ecuațiile procesului de coagulare-floculare Ecuația Smoluchowski Difuzia browniană - flocularea pericinetică Transportul în stratul laminar flocularea ortocinetică Flocularea datorată vitezei diferite de sedimentare Teoria fractalilor în formarea particulelor floculate Ruperea flocoanelor Dozarea controlată a reactivilor de coagulare-floculare. 2.7 Modelarea matematică în tehnologia dozării reactivilor de coagulare-floculare U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 2

3 CUPRINS CAPITOLUL 3 - STADIUL ACTUAL PRIVIND UTILIZAREA BIOPOLIMERILOR ÎN PROCESELE DE COAGULARE-FLOCULARE Polimeri naturali cationici Chitosanul Moringa Oleifera Amidonul Plantago ovata Taninuri cationice Polimeri naturali anionici Opuntia Cactus Alginați Nirmali Taninuri anionice Polimeri naturali neionici Microbiofloculanți... CAPITOLUL 4 CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND INFLUENŢA PROCESELOR DE COAGULARE-FLOCULARE ASUPRA BIOSTABILITĂŢII APEI Calitatea apei brute Evaluarea comportării coagulanților Acţiunea coagulanţilor asupra turbidității apei brute Acțiunea coagulanților asupra carbonului organic și a biostabilității apei după faza de coagulare Corelații matematice între parametrii chimici și microbiologici determinați după faza de coagulare Acțiunea floculanților asupra carbonului organic și a biostabilității apei Acțiunea poliacrilamidei (AN) asupra carbonului organic al apei brute Acțiunea polisilicatului de aluminiu - CETACLEAR asupra carbonului organic al apei brute Acțiunea polichitinei Chitosan (CHS) asupra carbonului organic al apei brute Acțiunea comparativă a floculanților asupra carbonului organic Influența bentonitei ca adjuvant de coagulare Concluziile etapei experimentale de laborator... CAPITOLUL 5 CERCETĂRI EXPERIMENTALE LA NIVEL INDUSTRIAL PRIVIND OPTIMIZAREA PROCESELOR DE COAGULARE-FLOCULARE Calitatea apei brute Evaluarea reactivilor de coagulare floculare la scară industrială Evaluarea acțiunii coagulanților prehidrolizaţi bicomponent la scară industrială... U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 3

4 CUPRINS Evaluarea floculantului tip polisilicat (CETA) comparativ cu cel de tip poliacrilamidă (AN) Concluziile experimentelor privind testarea reactivilor de coagulare-floculare la scară industrială Determinarea relației matematice turbiditate-doză reactiv de coagulare Determinarea relației matematice turbiditate-doză sulfat de aluminiu Determinarea relației matematice turbiditate-doză coagulant prehidrolizat... Verificarea relației matematice determinate pentru doza de coagulant prehidrolizat Determinarea relației matematice turbiditate - doză floculant Evaluarea costurilor utilizării coagulanților și floculanților Concluziile experimentelor la scară industrială... CAPITOLUL 6 CONCLUZII Cuprinsul lucrării Elemente originale ale lucrării Cercetări experimentale privind acţiunea coagulanților, floculanților şi a adjuvantului de coagulare Determinarea relației matematice turbiditate-doză reactiv de coagulare-floculare Articole publicate în reviste de specialitate Perspectiva dezvoltării temei... BIBLIOGRAFIE... LISTA FIGURILOR... LISTA TABELELOR... *Notă: Structura rezumatului, numerotarea capitolelor, figurilor, relațiilor de calcul și notelor bibliografice este în concordanță cu textul integral al tezei. U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 4

5 PREFAȚĂ Atenţia acordată calităţii apei potabile şi noile cerinţe, din ce în ce mai restrictive în ceea ce priveşte concentraţia produşilor secundari ai reactivilor de coagulare-floculare, impune găsirea unor alternative care să reducă concentraţia de aluminiu rezidual, respectiv de acrilamidă, dar şi creşterea eficienţei de reducere a constituenţilor biobacteriologici şi organici din apele de suprafaţă supuse potabilizării, cu impact asupra sănătății consumatorilor. Teza de doctorat Influenţa proceselor de coagulare-floculare asupra biostabilităţii apei cuprinde 153 de pagini şi este structurată în şase capitole, 58 de relaţii de calcul, 14 de tabele şi 111 de figuri. Este însoțită de o bibliografie care cuprinde 159 de titluri. Lucrarea are la bază sinteza cercetărilor efectuate pe plan internaţional privind utilizarea biopolimerilor, dar şi a coagulanţilor prehidrolizaţi în tratarea apei. Cercetările efectuate de autor au implicat evaluarea a 17 coagulanți cu compoziție diferită, care acoperă majoritatea tipurilor de reactivi de coagulare pe bază de aluminiu şi fier, trei floculanți de tip diferit (poliacrilamidă, polisilicat, polichitină) împreună cu fiecare tip de coagulant şi evaluarea acțiunii bentonitei ca adjuvant de coagulare în ceea ce priveşte reducerea carbonului organic conținut în apele de suprafață. Rezultatele obtinute atât la nivel de laborator cât şi la scară industrială au arătat că cea mai bună combinaţie de reactivi este constituită din floculantul de tip polisilicat şi coagulantul de tip polihidroxiclorosulfat de aluminiu în ceea ce privește reducerea turbidității şi a materiei organice conținute în apa brută. Floculantul de tip polisilicat poate înlocui cu rezultate superioare poliacrilamida. Rezultatele obținute în etapa experimentală pot constitui un ghid pentru alegerea combinației optime coagulant-floculant-adjuvant de coagulare în funcție de forma de carbon organic a apei brute care se dorește redusă. Determinarea relațiilor matematice între turbiditate-doză reactiv de coagulare, respectiv floculare şi a factorilor care influențează major doza de reactiv: temperatura, conținutul de substanță organică a apei brute, doza de floculant se bazează pe analiza statistică a datelor de flux tehnologic. Corelațiile determinate pentru dozele de coagulant şi floculant pot fi utile stațiilor de tratare în ceea ce privește dimensionarea instalațiilor de coagulare-floculare, de adaptare rapidă a dozei la schimbările calitative ale apei brute, dar şi într-un program de automatizare a fazei de coagulare-floculare. Cuvinte cheie : coagulant prehidrolizat, biofloculanţi, chitosan, cetaclear, carbon organic biodegradabil, polisilicat, biostabilitate. U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 5

6 1 Introducere 1.1 Necesitate obiectivă Apa potabilă trebuie să fie lipsită de microorganisme, paraziţi sau substanţe care, prin număr sau concentraţie, pot constitui un pericol potenţial pentru sănătatea umană [75]. Biostabilitatea apei reprezintă rezistența acesteia la dezvoltarea microorganismelor și a biofilmului în reţeaua de distribuţie. Definirea stabilității biologice în ceea ce privește calitatea apei este complicată, deoarece activitatea microbiană este afectată de condițiile de mediu, proprietățile microorganismelor şi concentrația de materie organică biodegradabilă. Acest lucru a constituit impedimentul major în stabilirea atât la nivel naţional, cât şi la nivel internaţional, a unor reglementări cu privire la parametrii specifici. Calitatea apei potabile, conform Directivei Uniunii Europene 98/83/EC [31] transpusă în România prin Legea 458/2002 [75], cuprinde următoarele limite pentru parametrii care contribuie la biostabilitatea apei: - Turbiditate 1 NTU; - Oxidabilitate - 5 mg/l O 2 ; - Carbon organic total nici o modificare anormală; - Bacterii coliforme - 0/100ml - Escherichia Coli - 0/100ml - Enterococi - 0/100 ml - Clostridium perfringens - 0/100ml - Trihalometani micrograme/l Coagularea, flocularea și sedimentarea sunt etape critice în cadrul proceselor tehnologice de tratare a apelor în scop potabil. Din punct de vedere istoric, procesele de coagulare au fost concepute în primul rând pentru îndepărtarea turbidității, după care reducerea substanței organice a devenit un obiectiv al coagulării datorită impactului pe care îl au constituenții organici asupra biostabilității apei. 1.2 Obiectivul tezei de doctorat Conformarea la standardele de potabilitate impuse de Directiva 98/83/CE dar şi gestionarea resursei naturale care o constituie apele de suprafață folosite ca surse de apă brută supuse procesului de potabilizare, impune atât asigurarea calității apei distribuite populaţiei cât şi a deversărilor de ape tehnologice în emisar, astfel încât să se reducă riscul afectării consumatorilor de posibilele îmbolnăviri datorate produşilor toxici rezultaţi din procesul tehnologic sau a insuficienței reducerii substanțelor indezirabile din apa brută, dar şi a impactului asupra mediului. Prezenta lucrare își propune: caracterizarea elementelor cheie ale proceselor de coagulare-floculare; evaluarea stadiului actual al utilizării biopolimerilor în procesele de coagulare floculare; U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 6

7 evaluarea eficienţei coagulanţilor prehidrolizați și a biopolimerilor în procesul de coagulare-floculare a apelor de suprafață supuse potabilizării şi influenţa acestora asupra biostabilitații apei; reducerea concentraţiei aluminului rezidual şi a acrilamidei în apa potabilă prin determinarea combinației optime coagulant-floculant; creşterea eficienţei de reducere a constituenţilor biobacteriologici şi organici ai apelor de suprafaţă supuse potabilizării cu impact asupra sănătății consumatorilor; determinarea unor corelații matematice între parametrii procesului de coagulare-floculare care pot fi utilizate în schemele de tratare. Capitolul 2 - Elemente teoretice privind procesul de coagulare-floculare 2.1 Particule coloidale-stratul dublu electric Majoritatea contaminanților din apele de suprafață (substanțe minerale, organice, virusuri, bacterii, alge) conțin particule coloidale, ce conferă stabilitate suspensiei, deoarece forța gravitațională nu poate determina agregarea acestora. În acest supcapitol sunt prezentate: teoria stratului dublu electric, ecuaţia potenţialului Zeta şi stabilitatea sistemelor coloidale. 2.2 Stabilitatea electrostatica a sistemelor coloidale Teoria DLVO Acest subcapitol descrie pe larg ecuaţiile forţelor de atracţie, respingere şi a energiei nete de interacţiune funcţie de tăria ionică a soluţiei coloidale. 2.3 Destabilizarea sistemelor coloidale În funcţie de reactivii folosiţi, destabilizarea suspensiilor coloidale se poate produce în diferite moduri: compresia dublului strat; adsorbţia și neutralizarea sarcinii electrice; neutralizare prin mecanismul plasture electrostatic ; adsorbția și formarea de punți interparticule; înglobarea în precipitat. În acest subcapitol este detaliat fiecare mecanism ce determină destabilizarea suspensiilor coloidale. 2.4 Reactivi de coagulare-floculare Reactivii utilizați în procesele de coagulare floculare se împart în: coagulanți, adjuvanți de coagulare, floculanți, adjuvanți de floculare. Coagulanții metalici sunt sub forma solidă sau prehidrolizată. Cei mai utilizaţi sunt pe baza de aluminiu si/sau fier. U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 7

8 Subcapitolul detaliază formarea speciilor mononucleare şi polinucleare de hidroliză dar şi modul de acţiune a acestora asupra constituenţilor apei brute. 2.5 Formarea particulelor floculate. Ecuațiile procesului de coagularefloculare Teoriile floculării au evoluat de la următoarele observații: particulele mici, datorită mișcării aleatorii brawniene dintre moleculele de apă, suferă coliziuni cu alte particule (Smoluchowski) [25]; agitarea unei mase de apă ce conţine particule în suspensie duce la mărirea flocoanelor datorită creşterii vitezei ciocnirilor dintre particule (Langelier) [25]; Pentru a descrie procesul de floculare se folosesc trei modele predominante: particule sferice într-un domeniu de flux liniar; particule sferice într-un câmp de curgere neliniar; modelul fractal. Principalele diferențe dintre modelele de floculare sunt viteza și modul în care particulele cresc în dimensiune ca urmare a mecanismelor implicate. Capitolul 3 - Stadiul actual privind utilizarea biopolimerilor în procesele de coagulare-floculare Ultimele două decenii au readus în atenția cercetătorilor biopolimerii naturali. Aceștia reprezintă o resursă regenerabilă, reduc impactul asupra mediului și cresc calitatea apei livrate. Funcție de sarcina electrică grefată pe lanțul polimeric, biopolimerii sunt cationici, anionici și neionici. Aceștia au fost testați în procesul de tratare a apelor ca adjuvanţi de coagulare, coagulanţi primari sau secundari, floculanţi. Avantajele folosirii substanțelor naturale comparativ cu cele de sinteză sunt: reducerea conținutului de substanțe reziduale cu efect asupra sănătății consumatorilor; creșterea eficienței întregului proces tehnologic; scăderea toxicității apelor tehnologice și posibilitatea de refolosire în flux tehnologic; scăderea cantității de nămol cu 20-30% în faza de coagulare floculare comparativ cu coagulanții metalici; creșterea biodegradabilității și a capacității de deshidratare a nămolului; efect asupra metalelor grele și radioactive; impact redus asupra mediului. Studiile efectuate până în prezent nu au identificat cu precizie care sunt substanțele active și implicit mecanismul de coagulare-floculare în cazul biopolimerilor, datorită conținutului mare de compuși conținuți de aceștia. U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 8

9 Capitolul 4 Cercetări experimentale privind influenţa proceselor de coagulare-floculare asupra biostabilităţii apei Cercetarea experimentală a vizat testarea a 17 coagulanți, 3 floculanți și adjuvantul de coagulare de tip bentonită prin metoda Jar-test, cu următoarele etape: evaluarea acțiunii coagulanților prehidrolizaţi comparativ cu cei monometal asupra reducerii carbonului organic total, dizolvat, biodegradabil din apele de suprafață supuse potabilizării; stabilirea unor corelații matematice între valorile parametrilor chimici și microbiologici determinați după faza de coagulare; evaluarea eficienţei biofloculanților comparativ cu poliacrilamida asupra reducerii carbonului organic total, dizolvat, biodegradabil; evaluarea influenţei adjuvantului de coagulare tip bentonită în reducerea carbonului organic. 4.1 Calitatea apei brute Cercetările experimentale s-au efectuat folosind apă de suprafață încadrată în categoria A2 conform NTPA 013/2006, ce provine din lacul de acumularea Paltinu. 4.2 Evaluarea comportării coagulanților Acţiunea coagulanţilor asupra turbidității apei brute. În această etapă experimentală s-au testat 17 coagulanți diferiți - Tabel 4.2, şase dintre aceştia fiind pe bază de aluminiu, şapte conținând compuși ai aluminiului și fierului, trei polihidroxicloruri de aluminiu-siliciu, pentru intervalul de turbiditate a apei brute de NTU. Nr. crt. Tabel Tipul și caracteristicile coagulanților utilizați în cercetarea experimentală Denumire Simbol comercial Formula chimică Conținut substanţă activă 1 Sulfat de aluminiu SAL Al 2 (SO4) 3 17% Al 2 O 3 2 Policlorura de aluminiu PAC 10 UHB [Al(OH) a Cl b ] 10% Al 2 O 3 12 % Cl 3 Policlorura de aluminiu PAC 20UHB [Al(OH) a Cl b ] 19% Al 2 O 3 6 % Cl 4 Policlorura de aluminiu PAC 22UHB [Al(OH) a Cl b ] 21.5% Al 2 O 3 9 % Cl 5 Policlorura de aluminiu PAC 22UHB [Al(OH) a Cl b ] 23.5% Al 2 O 3 9 % Cl 6 Polihidroxiclorosulfat de aluminiu PAC 14 HB [Al(OH) a Cl b SO 4c ] 14% Al 2 O 3 9 % Cl ; 2% SO 4 U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 9

10 7 Polihidroxiclorura de PAC UHS [AlSi(OH) a Cl b ] 19% Al 2 O 3 aluminiu și siliciu 0.08% SiO 2 8 Polihidroxiclorura de PAC UHB [AlSi(OH) a Cl b ] 22% Al 2 O 3 aluminiu și siliciu 0.08% SiO 2 9 Polihidroxiclorura de PAC UHB-P [AlSi(OH) a Cl b ] 48% Al 2 O 3 aluminiu și siliciu 0.16% SiO 2 10 Clorura ferică - FeCl 3 99% FeCl 3 11 Policlorura de aluminiu și fier 12 Policlorura de aluminiu și fier 13 Policlorura de aluminiu și fier 14 Sulfat de aluminiu și fier 15 Polihidroxiclorura de aluminiu și fier 16 Polihidroxiclorura de aluminiu și fier 17 Polihidroxiclorura de aluminiu și fier FIX C9/50 [FeCl 2 +Al(OH) a Cl b ] 8.5% Al 2 O % Fe FIX C13/70 [FeCl 2 +Al(OH) a Cl b ] 12% Al 2 O % Fe FIX C16/90 [FeCl 2 +Al(OH) a Cl b ] 15% Al 2 O 3 1% Fe FIX S14/50 [Al 2 (SO4) 3 +Fe 2 (SO4) 3 ] 4% Al 2 O 3 9 % Fe 2 O 3 PAC+5%FeCl 3 AlCl 3 +FeCl % AlCl 3 5% FeCl 3 PAC+10%FeCl 3 AlCl 3 +FeCl % AlCl 3 10% FeCl 3 PAC+15%FeCl 3 AlCl 3 +FeCl % AlCl 3 15% FeCl 3 Evaluarea performanțelor fiecărui coagulant a necesitat determinarea dozei optime pentru care reactivul de coagulare prezintă cea mai bună combinaţie între: eficienţa de reducere a turbidităţii, eficienţa de reducere a constituenţilor organici, concentraţie scăzută de aluminiu rezidual, efect redus asupra ph-ului apei brute În urma cercetarilor experimentale ce a implicat peste 500 de teste de coagulare tip Jar Test pe 10 niveluri de turbiditate a apei brute cuprinse între NTU, s-a determinat că reactivii de coagulare care aparţin aceleaşi clase de compuşi (ex: policloruri de aluminiu) necesită, pentru cea mai bună performanţă individuală, aceeaşi doză optimă. Deşi dozele optime sunt aproximativ egale, performanţa fiecărui coagulant în reducerea constituenţilor apei brute este diferită. Pentru evaluarea acţiunii coagulanţilor asupra turbidităţii apei s-a calculat eficiența de reducere pentru fiecare coagulant şi valoare a turbidităţii apei brute testate (relația 4.1), urmată de calcularea mediei eficiențelor obținute (relația 4.2). unde: EFR(T) EFR eficiența în reducerea turbidității; T turbiditate [NTU]; i coagulant, i = Tbruta -T(i) T bruta (4.1) U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 10

11 EFR m(t) n i1 EFR(T) unde: EFR m eficiența medie; n număr de teste pe intervalul de turbiditate NTU. n (4.2) Rezultatele privind eficienţa medie de reducere a turbidităţii apei brute pentru intervalul NTU pentru cei 17 coagulanţi testaţi sunt prezentate grafic în figura 4.1. Figura 4.1 Eficiența medie în reducerea turbidității pentru fiecare tip de coagulant Coagulanții prehidrolizați bicomponent cationic aluminiu-siliciu şi anionic sulfat-clorură prezintă o mai bună acțiune asupra reducerii turbidităţii apei brute, comparativ cu cei tip monocomponent Acțiunea coagulanților asupra carbonului organic și a biostabilității apei după faza de coagulare Determinările experimentale au vizat evaluarea acțiunii fiecărui coagulant asupra reducerii carbonului organic total (TOC), carbonului organic dizolvat (DOC) şi a carbonului organic biodegradabil (BDOC) din apa brută. Pentru o analiză comparativă s-a calculat eficienţa de reducere a fiecărei forme de carbon: Unde: Eficienţa reducere carbon organic total - EFR (TOC) TOC(bruta) TOC EFR(TOC) i TOC(bruta) (i) (4.3) U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 11

12 TOC( bruta) conţinutul de carbon organic total în apa brută TOC (i) conţinutul de carbon organic total în supernatant pentru coagulantul i Eficienţa reducere carbon organic dizolvat-efr (DOC) DOC(bruta) DOC EFR(DOC) i DOC(bruta) (i) (4.4) Unde: DOC( bruta) conţinutul de carbon organic dizolvat în apa brută DOC(i) conţinutul de carbon organic total în supernatant pentru coagulantul i Eficienţa reducere carbon organic biodegradabil - EFR (BDOC) BDOC(bruta) BDOC EFR(BDOC) i BDOC(bruta) (i) (4.5) Unde: BDOC( bruta) conţinutul de carbon organic dizolvat în apa brută BDOC(i) conţinutul de carbon organic total în supernatant pentru coagulantul i i coagulantului i; i= O sinteză a rezultatelor obținute este prezentată în figura 4.2, unde se evidențiază efectul fiecărui coagulant testat asupra formelor de carbon organic din apa brută. Figura Eficienţa de reducere a TOC, DOC, BDOC pentru coagulanţii testaţi Concluziile acestei serii de experimente privind evaluarea coagulanților în reducerea turbidităţii şi a carbonului organic sunt: coagulanții prehidrolizați sunt performanţi comparativ cu cei monometal; U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 12

13 dintre coagulanții prehidrolizați cei de tip bicomponent aluminiu-siliciu și sulfat-clorură prezintă o mai bună eficiență comparativ cu cei tip polihidroxiclorură monocomponent; coagulanții prehidrolizați aluminiu-fier (II) prezintă o eficiență mai redusă comparativ cu cei ce conțin doar policlorura de aluminiu, deoarece clorura feroasă din compoziția acestui tip de coagulant are efect negativ asupra performanțelor acestuia; clorura ferică în procent de 5% îmbunătățește performanța policlorurii de aluminiu din componența polihidroxiclorurii de aluminiu și fier în reducerea carbonului organic total și dizolvat, dar nu și în reducerea carbonului organic biodegradabil, acest lucru datorându-se acțiunii specifice a clorurii ferice asupra carbonului organic de natura chimică conținut în apa brută și mai puțin asupra formelor biodegradabile; coagulanții bicomponent prehidrolizați aluminiu-siliciu și sulfat-clorură prezintă cea mai mare eficiență în reducerea BDOC Corelații matematice între parametrii chimici și microbiologici determinați după faza de coagulare Pentru stabilirea unor corelații matematice între valorile indicatorilor chimici și microbiologici determinați după faza de coagulare, s-au analizat rezultatele obținute pentru supernatantul rezultat în urma coagulării probelor de apă cu cei 17 reactivi de coagulare testați. Corelație matematică DOC-BDOC O primă relație matematică a fost stabilită între conținutul de carbon organic biodegradabil și logaritmul concentrației de carbon organic dizolvat din supernatant care se prezintă în figura 4.3. Figura Corelaţie matematică log DOC-BDOC după faza de coagulare Această corelație poate evalua efectul pe care îl va avea un coagulant asupra carbonului organic biodegradabil, cunoscându-se valoarea carbonului organic dizolvat. Astfel, se poate scurta timpul de analiză de la 5 zile la câteva ore. U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 13

14 Corelație matematică eficiență reducere bacterii heterotrofe-eficienţă reducere BDOC Pentru determinarea relaţiei matematice între eficiența de reducere a bacteriilor heterotrofe și eficienţa de reducere al carbonului organic biodegradabil, s-au utilizat următoarele formule de calcul: Eficiența logaritmică de reducere bacterii heterotrofe - EFR log(bht): EFR log(bht) i log BHT bruta log BHT ) - log(bht bruta i (4.6) unde: log (BHT brută ) logaritmul concentrației de bacterii hetrotrofe din apa brută [UFC/ml]; log (BHT i ) logaritmul concentrației de bacterii hetrotrofe din supernatantul probei coagulantului i [UFC/ml]; i coagulantul, i= Eficienţa reducere carbon organic biodegradabil: EFR(BDOC) relaţia 4.3 Corelația determinată între eficiența de reducere a bacteriilor heterotrofe și eficienţa de reducere al carbonului organic biodegradabil este liniară figura 4.4. Figura Corelație matematică între eficiența logaritmică a reducerii bacteriilor heterotrofe şi eficienţa de reducere a BDOC, după faza de coagulare Această corelație liniară permite evaluarea eficienței treptei de coagulare-floculare în ceea ce privește reducerea carbonului organic biodegradabil pe baza rezultatelor obținute în determinările de bacterii heterotrofe. U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 14

15 Corelație matematică eficiență reducere turbiditate-eficiență reducere bacterii Clostridium perfringens Pentru a determina o corelație matematică s-a calculat: Unde: Eficiența logaritmică reducere turbiditate-efrlog(t): T turbiditate [NTU]; bruta log(tbruta ) -log T i EFR log(t) i log(t ) log(t brută ) logaritmul turbidității apei brute; log(t i ) logaritmul turbidității supernatantului probei tratata cu coagulantul i; Unde: Eficiența logaritmică de reducere bacterii Clostridium perfringens EFR log(cp): EFR lo g(cp) i CP Clostridium perfringens [nr/100ml]; log CPbruta -log(cp i) log(cp log(cp bruta ) logaritmul concentrației de bacterii Clostridium perfringens din apa brută; log(cp i ) logaritmul concentrației de bacterii Clostridium perfringens din supernatantul probei tratata cu coagulantul i; i coagulantul, i= Corelația determinată între eficiența logaritmică de reducere a turbidităţii şi eficiența logaritmică de reducere a bacteriilor Clostridium perfringens este prezentată în figura 4.5 bruta ) (4.7) (4.8) Figura Corelație matematică între eficiența reducerii turbidității și eficiența reducerii bacteriilor Clostridium perfringens, după faza de coagulare U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 15

16 Dependența dintre eficiența logaritmică a reducerii turbidității și eficiența logaritmică a reducerii bacteriilor clostridium perfingens permite afirmarea faptului că obținerea unei turbidități cât mai scăzute după treapta de coagulare implică concentrații scăzute de agenți patogeni. 4.3 Acțiunea floculanților asupra carbonului organic și a biostabilității apei Această serie de teste a vizat evaluarea comportării a trei floculanţi de tip poliacrilamidă, polisilicat și polichitină. Caracteristicile floculanților utilizați în experimente sunt prezentați în tabelul 4.4. Tabelul 4.4 Tipul și caracteristicile floculanților utilizați în cercetarea experimentală Nr. crt. Denumire Simbol Conținut 1 poliacrilamidă slab anionică AN conținut acrilamidă liberă: 45mg/l 2 polisilicat de aluminiu CETA conținut SiO mg/l conținut aluminiu mg/l 3 polichitină CHS 70% diacetilată Floculanții au fost testați, pe rând, împreună cu fiecare dintre cei 17 coagulanți din Tabelul 4.2. Doza de floculant utilizată în experimente a fost de 0.1 mg/l pentru toţi cei trei floculanţi Acțiunea comparativă a floculanților asupra carbonului organic Figura Acțiunea comparativă a floculanților asupra TOC apă brută (zona hașurată reprezintă acțiunea coagulanților fără floculant) U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 16

17 Figura Acțiunea comparativă a floculanților asupra DOC apă brută (zona hașurată reprezintă acțiunea coagulanților fără floculant) Figura Acțiunea comparativă a floculanților asupra BDOC apă brută (zona hașurată reprezintă acțiunea coagulanților fără floculant) Concluziile experimentelor ce au vizat evaluarea acțiunii floculanților în ceea ce privește reducerea carbonului organic sunt: U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 17

18 floculantul de tip poliacrilamidă crește acțiunea coagulanților pe bază de fier în ceea ce privește reducerea TOC, dar nu influențează DOC și BDOC; utilizarea poliacrilamidei la coagulanții pe bază de aluminiu are acțiune negativă asupra reducerii BDOC; biofloculanții (cetaclear și chitosan) cresc performanța în reducerea carbonului organic total pentru coagulanții de tip policlorură de aluminiu monocomponent pentru coagulanții tip polihidroxiclorură de aluminiu bicomponent, biofloculanții cresc acțiunea asupra reducerii tuturor formelor de carbon investigate ( TOC, DOC și BDOC). Biofloculanții reprezintă o opțiune viabilă pentru înlocuirea floculantului de tip poliacrilamidă cu efecte în asigurarea biostabilităţii apei. Efectul acestora în reducerea carbonului organic este net superior poliacrilamidei. 4.3 Influența bentonitei ca adjuvant de coagulare S-a ales pentru testare ca adjuvant de coagulare bentonita, datorită acțiunii sale asupra materiei organice și a faptului că mărește eficienţa de coagulare pentru apele cu turbiditate mică. Bentonitele au o sarcină electrică negativă şi pot creşte masa flocoanelor, mărindu-le viteza de sedimentare. Bentonita este o argilă formată din silicaţi de aluminiu care conține cantități variabile de oxizi de Ca, Mg, Fe. Componentul principal este montmorillonitul cu următoarea formulă chimică Al 2 [Si 4 O 10 (OH) 2 ]. nh 2 O. Pentru a evalua modul în care floculanţii modifică acţiunea bentonitei ca adjuvant de coagulare, s-au testat cei 17 coagulanţi împreună cu fiecare tip de floculant utilizat în acest program experimental: de tip poliacrilamidă (AN), de tip polisilicat ( CETA), de tip polichitină (CHS) împreună cu bentonita. Figura Acțiunea bentonitei (bent) la sistemul coagulanți-floculanţi asupra TOC apă brută (zona hașurată reprezintă acțiunea sistemului coagulanți bentonită fără floculant) U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 18

19 Figura Acțiunea bentonitei la sistemul coagulanți-floculanți asupra DOC apă brută (zona hașurată reprezintă acțiunea sistemului coagulanți-bentonită fără floculant) Figura Acțiunea bentonitei la sistemul coagulanți-floculanți asupra BDOC apă brută (zona hașurată reprezintă acțiunea sistemului coagulanți-bentonită fără floculant) Concluziile testelor privind efectul bentonitei asupra coagulanților și floculanților sunt prezentate în continuare: U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 19

20 utilizarea bentonitei împreună cu coagulanții pe bază de aluminiu crește eficienţa de reducere a BDOC; adjuvantul de coagulare de tip bentonic împreună cu coagulanții prehidrolizați aluminiusiliciu și floculant chitosan prezintă cea mai bună performanță în reducerea BDOC; pentru reducerea DOC nu se recomandă utilizarea bentonitei la coagulanții prehidrolizați ai aluminiului. Capitolul 5 Cercetări experimentale la nivel industrial privind optimizarea proceselor de coagulare-floculare Cercetările experimentale la nivel industrial s-au desfășurat în cadrul Uzinei de Apă Paltinu-Voila aparținând S.C. Exploatare Sistem Zonal Prahova şi a cuprins următoarele etape: evaluarea eficienţei coagulanților și floculanților cu cea mai bună performanță obținută în cercetarea de laborator (Cap. 4), la nivel industrial, pentru a determina combinația optimă; stabilirea relațiilor matematice turbiditate-doză coagulant respectiv doză floculant și a factorilor de influență, prin analiza statistică a datelor obținute în procesul tehnologic pe o perioada de 2-4 ani; evaluarea costurilor reactivilor de coagulare-floculare. 5.2 Evaluarea reactivilor de coagulare floculare la scară industrială Testele experimentale la nivel industrial au avut drept scop: evaluarea eficienţei coagulanților bicomponent polihidroxiclorosulfat de aluminiu PAC 14-HB și polihidroxiclorură de aluminiu-siliciu PAC UHS; evaluarea eficienţei floculantului de tip polisilicat Cetaclear comparativ cu poliacrilamida AN; determinarea combinației optime coagulant-floculant care prezintă cea mai bună eficienţă de reducere a turbidităţii şi încărcării organice Evaluarea acțiunii coagulanților prehidrolizaţi bicomponent la scară industrială Cercetarea experimentală a vizat testarea coagulantului PAC UHS polihidroxiclorură de aluminiu-siliciu comparativ cu PAC 14-HB polihidroxiclorosulfat de aluminiu. Programul de testare a cuprins trei cicluri experimentale a câte 7 zile. Evaluând comportarea celor doi coagulanți prehidrolizați bicomponent, fără floculant, se observă că polihidroxiclorura de aluminiu și siliciu PAC UHS determină o reducere a turbidității superioară polihidroxiclorosulfatului de aluminiu PAC 14 HB figura 5.3. Turbiditatea medie a apei decantate rezultate în urma tratării cu coagulantul PAC UHS este cu 12% mai scăzută decât cea tratată cu PAC 14 HB. Reducerea dozei cu 20% pentru coagulantul bicomponent aluminiu-siliciu PAC UHS, comparativ cu doza pentru coagulantul PAC 14 HB, scade performanţa coagulantului cu siliciu în reducerea turbidităţii. Aceste date experimentale obţinute la scară industrială confirmă datele U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 20

21 obţinute la nivel de Jar test, prezentate în Tabelul 4.3, şi anume: coagulanţi cu compoziţie diferită prezintă aceeaşi doză optimă. Figura Testarea comparativă a coagulanților bicomponent la nivel industrial - valori medii zilnice - Reducerea dozei cu 20% pentru coagulantul bicomponent aluminiu-siliciu PAC UHS, comparativ cu doza pentru coagulantul PAC 14 HB, scade performanţa coagulantului cu siliciu în reducerea turbidităţii. Aceste date experimentale obţinute la scară industrială confirmă datele obţinute la nivel de Jar test, prezentate în Tabelul 4.3, şi anume: coagulanţi cu compoziţie diferită prezintă aceeaşi doză optimă. Floculantul tip poliacrilamidă AN, îmbunătăţeşte performanţa în reducerea turbidităţii pentru ambii coagulanţi testaţi. Coagulantul PAC 14 HB împreună cu floculantul AN în doză de 0.1 g/mc are o acţiune mai pronunţată în reducerea suspensiilor din apă comparativ cu combinaţia PAC UHS-AN. Turbiditatea medie a apei decantate rezultate în urma tratării cu PAC 14 HB şi floculant AN este cu 24% mai scăzută decât cea tratată cu PAC UHS-AN (Tabel 5.5). Poliacrilamida inhibă acţiunea siliciului din componenţa UHS. În ceea ce privește acțiunea asupra carbonului organic, se poate observa o eficienţă mult mai bună în reducerea TOC şi DOC (figura 5.4) a coagulantului polihidroxiclorosulfat de aluminiu PAC14 HB comparativ cu PAC UHS. Coagulantul cu siliciu UHS fără floculant are o acţiune mai ridicată în reducerea carbonului organic biodegradabil, comparativ cu PAC 14 HB. Reducerea dozei cu 20% pentru coagulantul UHS scade acțiunea acestuia asupra tuturor formelor de carbon organic. Comparând datele obţinute privind eficienţa de reducere a carbonului organic a coagulanţilor cu şi fără floculant se observă ca poliacrilamida: U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 21

22 creşte eficienta de reducere TOC şi DOC pentru ambii coagulanţi; scade performanţa PAC UHS în reducerea BDOC; obţine cele mai ridicate eficienţe de reducere a carbonului organic total, dizolvat şi biodegradabil împreună cu polihidroxiclorosulfat de aluminiu PAC 14 HB. Figura 5.4 Eficienţa de reducere TOC, DOC, BDOC pentru coagulanţii bicomponent cu şi fără floculant tip poliacrilamidă (AN), la scară industrială Evaluarea floculantului tip polisilicat (CETA) comparativ cu cel de tip poliacrilamidă (AN) Evaluarea floculantului tip polisilicat-cetaclear, comparativ cu cel de tip poliacrilamidă, s-a efectuat pe linia industrială care conține două decantoare. Pe unul din decantoare s-a utilizat floculant tip poliacrilamidă iar pe celalalt floculant Cetaclear. Coagulantul utilizat a fost polihidroxiclorosulfatul de aluminiu PAC 14 HB. Programul experimental a cuprins două cicluri experimentale a câte 10 zile. Floculantul de tip polisilicat Cetaclear în combinație cu coagulantul PAC 14 HB obține rezultate superioare în reducerea turbidităţii comparativ cu floculantul tip poliacrilamidă. Turbiditatea medie a apei decantate rezultate în urma tratării cu floculantul Cetaclear este cu 64% mai scăzută decât cea tratată cu floculantul tip poliacrilamidă. Performanţa Cetaclear se menține şi în cazul scăderii dozei cu 20%, comparativ cu poliacrilamida. Turbiditatea medie a apei decantate rezultate în urma tratării cu Cetaclear cu doze de 0.08 g/mc este cu 36% mai scăzută decât cea tratată cu poliacrilamida cu doze de 0.1 g/mc U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 22

23 Figura 5.5 Valori medii zilnice turbiditate testarea comparativă a floculanţilor la scară industrială Acțiunea comparativă a celor doi floculanți în combinație cu coagulantul PAC 14 HB în reducerea carbonului organic este prezentată în figura 5.6. Figura Eficienţa de reducere TOC, DOC, BDOC a cetaclear (CETA) comparativ cu poliacrilamida (AN), la scară industrială Floculantul Cetaclear în combinație cu coagulantul 14 HB obține rezultate mai bune de reducere a carbonului organic (total, dizolvat, biodegradabil), comparativ cu poliacrilamida. U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 23

24 5.3. Determinarea relației matematice turbiditate-doză reactiv de coagulare Cercetările experimentale au avut ca obiectiv determinarea unor relații matematice între turbiditate doza de coagulant și a factorilor ce influențează major doza de reactiv de coagulare: temperatura, conținutul de substanță organică a apei brute, doza de floculant. În acest sens s-au parcurs următoarele etape: analiza datelor de flux tehnologic pe o perioadă de 2-4 ani pentru a determina corelația turbiditate doză coagulant la diferite temperaturi ale apei brute, pentru o concentrație de substanțe organice a apei brute de 1 mg/l O 2 (exprimată ca indice permanganat); determinarea expresiei matematice a coeficientului care cuantifică influența temperaturii asupra dozei de coagulant; influența dozei de floculant asupra dozei de coagulant; determinarea influenței conținutului de substanță organică asupra dozei de coagulant și cuantificarea acesteia. Analizând datele de flux tehnologic la diferite temperaturi ale apei brute se observă că scăderea temperaturii are o acțiune de multiplicare a dozei de coagulant, deci factorul de temperatură va fi într-o relație de înmulțire cu doza de coagulant. Ecuația matematică a factorului de temperatură este în funcţie de gradul de prehidroliză, astfel: pentru sulfatul de aluminiu: pentru coagulant prehidrolizat: unde: t temperatura apei brute at t at t Din analiza datelor se observă că adaosul de floculant de tip poliacrilamidă reduce doza de coagulant cu ~20%, de aceea factorul de cuantificare a dozei de coagulant funcție de doza de floculant s-a considerat între 1 și 1.2 Pentru a cuantifica influența conținutului de substanțe organice asupra dozei de coagulant, s-au analizat valorile medii rotunjite obținute pe același nivel de turbiditate și temperatură, dar la concentraţii diferite de substanță organică (exprimate ca indice permanganat IP). Relația matematică turbiditate-doză sulfat de aluminiu, în care se ține cont de temperatura apei brute, doza de floculant și concentrația de substanță organică, este: [ NTU Doza sulfat de aluminiu g / mc at bf 38 ln turbiditate apa brută IP(mg / l) unde: a t coeficient ce ține cont de temperatura apei brute; a t = t; (5.1) (5.2) (5.3) U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 24

25 t temperatura apei brute -⁰C; b f coeficient care ține cont de adaosul de floculant și este cuprins între 1 și 1.2, funcție de natura și cantitatea de floculant adăugată; b f = 1.2 când nu se adaugă floculant IP conținutul de substanță organică a apei brute exprimat ca indice permanganat [mg/l O 2 ] conform SR ISO 8467/2001. Figura 5.13 Corelație turbiditate-doză sulfat de aluminiu la temperatura apei brute de 15 C, conținut de substanță organică IP~1 mg/l O 2 Relația matematică turbiditate-doză coagulant prehidrolizat, în care se ține cont de temperatura apei brute, doza de floculant, conținutul de substanțe organice pentru turbiditate apă brută sub 13 NTU Doza coagulant prehidrolizat g/mc =a [0. t bf 8 turbiditate apă brută NTU IP (5.4) pentru turbiditate apă brută NTU Doza coagulant prehidrolizat g/mc =a t bf[ 15 ln turbiditate apă brută NTU IP (5.5) unde: a t coeficient ce ține cont de temperatura apei brute; a t = t; t temperatura apei brute [⁰ C]; b f = coeficient care ține cont de adaosul de floculant și este cuprins între 1 și 1.2, funcție de natura și cantitatea de floculant adăugată; b f =1.2 când nu se adaugă floculant; IP = conținutul de substanță organică a apei brute exprimată ca indice permanganat [mg/l O 2 ] conform SR ISO 8467/2001. U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 25

26 Figura Corelație turbiditate apa brută (2-12 NTU)-doză coagulant prehidrolizat a t =1 și IP= 1mg/lO 2 Figura Corelație turbiditate apă brută ( NTU) - doză coagulant prehidrolizat a t =1 și IP=1 mg/lo Determinarea relației matematice turbiditate - doză floculant Cercetările experimentale au avut ca obiectiv determinarea unei relații matematice între turbiditate doza floculant și a influenţei temperaturii asupra dozei de floculant. floculant t Doza g / mc a [ ln turbiditate apă brută NTU 0.03 (5.6) U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 26

27 unde: a t coeficient ce ține cont de temperatura apei brute; a t = t; t temperatura apei brute [⁰ C]. Figura Corelație matematică turbiditate-doză floculant 5.5 Evaluarea costurilor utilizării coagulanților și floculanților Pentru a determina costurile reactivilor de coagulare s-au considerat patru coagulanți reprezentativi: sulfatul de aluminiu-sal, policlorura de aluminiu PAC 22-UHB, polihidroxiclorosulfatul de aluminiu PAC 14-HB, polihidroxiclorura de aluminiu-siliciu PAC UHS. Ca reactivi de floculare s-au ales următoarele tipuri: poliacrilamidă, cetaclear, chitosan. Figura 5.26 Costul reactivilor de coagulare și floculare la 1000 mc apă, funcție de tipul de coagulant U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 27

28 Analiza costurilor reactivilor de coagulare-floculare în 16 variante de tratare utilizarea coagulanților prehidrolizați determină mărirea costurilor de operare, comparativ cu folosirea sulfatului de aluminiu, între 1.6 și 2.8 ori, funcție de tipul de coagulant; - costul reactivilor de floculare reprezintă % din costul coagulantului în cazul poliacrilamidei și a floculantului pe bază de siliciu şi între % în cazul chitosanului; - floculantul de tip polisilicat-cetaclear reprezintă o variantă economică pentru înlocuirea poliacrilamidei, având un cost comparabil. Capitolul 6 Concluzii 6.1 Cuprinsul lucrării Lucrarea Influenţa proceselor de coagulare-floculare asupra biostabilităţii apei cuprinde 153 de pagini şi este structurată în şase capitole, 58 de relaţii de calcul, 14 de tabele şi 111 de figuri. Este însoțită de o bibliografie care cuprinde 159 de titluri. Necesitatea obiectivă a subiectului este analizată în Capitolul 1. Se prezintă reglementările cuprinse în Legea 458/2002 şi în Directiva CE 98/83, care fac referire la biostabilitatea apei potabile. În 1.1 este caracterizată materia organică naturală conținută în apele de suprafață supuse potabilizării, din punct de vedere al compoziției şi a influenţei factorilor de mediu: temperatura apei, caracteristicile bazinului hidrografic (vegetație, sol, umiditate), conținutul algal şi de nutrienţi, activităţii umane prezintă structura chimică a unei molecule de substanță organică naturală şi pune în evidenţă complexitatea acesteia. Tabelul 1.1 cuprinde fracțiunile existente în NOM din punct de vedere al caracterului acid şi hidrofob prezintă produșii secundari pe care NOM îi formează cu dezinfectanții, care au acțiune cancerigenă şi genotoxică. Datorită impactului pe care aceştia îl au asupra sănătății consumatorilor, reglementările la nivel național şi internațional au stabilit limite maxim admise pentru acești compuși, limite care sunt prezentate în Tabelul 1.2. Dependenţa între NOM şi biostabilitatea apei este prezentată în unde se evidențiază principalii indicatori utilizați în studiile experimentale: carbonul organic biodegradabil (BDOC) şi carbonul organic asimilabil (AOC). Rolul şi influenţa proceselor de coagulare-floculare asupra reducerii NOM şi a biostabilităţii apei este prezentată în şi În 1.2 sunt definite obiectivele lucrării: - evaluarea eficienţei coagulanţilor prehidrolizaţi şi a biopolimerilor în procesul de coagulare-floculare a apelor de suprafață supuse potabilizării şi influenţa acestora asupra biostabilităţii apei; - reducerea concentraţiei aluminului rezidual şi a acrilamidei în apa potabilă, prin determinarea combinației optime coagulant-floculant; - creşterea eficienţei de reducere a constituenţilor biobacteriologici şi organici ai apelor de suprafaţă supuse potabilizării, cu impact asupra sănătății consumatorilor; U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 28

29 - determinarea unor corelații matematice între parametrii procesului de coagularefloculare care pot fi utilizate în schemele de tratare. Capitolul 2 prezintă elemente teoretice ale procesului de coagulare floculare. Caracterizarea stratului dublu electric este prezentată în 2.,1 iar teoria DLVO privind stabilitatea electrostatică a sistemelor coloidale este cuprinsă în 2.2. Mecanismele privind destabilizarea sistemelor coloidale: compresia dublului strat, neutralizarea sarcinii electrice, înglobarea în precipitat, adsorbția şi formarea punților interparticule, sunt prezentate în 2.3. Subcapitolul 2.4 prezintă tipurile de reactivi de coagulare floculare. Formarea speciilor active mono şi polinucleare ale coagulanților metalici, factorii de influenţă: ph, alcalinitate, temperatura apei, tip coagulant, sunt cuprinse în Reactivii de floculare-polimerii sintetici şi naturali utilizați în tratarea apei sunt prezentați în Ecuațiile matematice care modelează procesele de coagulare floculare, sunt analizate în 2.5. Este prezentată ecuația Smoluchowski şi modelele folosite pentru a descrie următoarele procese: particule sferice într-un domeniu de flux liniar; particule sferice într-un câmp de curgere neliniar; modelul fractal. Capitolul 3 prezintă stadiul actual al utilizării biopolimerilor în procesele de coagularefloculare. 3.1 prezintă polimeri naturali cationici: chitosanul, Moringa Oleifera, Plantago ovata, taninuri cationice. Sunt prezentate rezultatele studiilor de cercetare privind utilizarea acestor biopolimeri ca reactivi de coagulare şi/sau floculare, comparativ cu coagulanții pe bază de aluminiu şi de fier. Polimerii naturali anionici (alginaţi, nirmali, taninuri anionice) sunt analizați în 3.2, din punct de vedere al rezultatelor obținute de cercetători asupra reducerii constituenților organici în tratarea apelor şi a apelor uzate. Polimerii naturali neionici şi microbiofloculanţii sunt prezentați în 3.3 şi 3.4. Avantajele folosirii substanțelor naturale comparativ cu cele de sinteză sunt: - reducerea conținutului de substanțe reziduale cu efect asupra sănătății; - reducerea toxicității apelor tehnologice şi posibilitatea de refolosire în flux tehnologic; - diminuarea cantității de nămol cu 20-30% în faza de coagulare floculare comparativ cu coagulanții metalici; - creșterea biodegradabilităţii şi a capacităţii de deshidratare a nămolului; - impact redus asupra mediului. Capitolul 4 Cercetări experimentale privind influenţa proceselor de coagulare-floculare asupra biostabilităţii apei, prezintă cercetările la nivel de laborator, structurate pe etape şi faze experimentale, care au cuprins: evaluarea acțiunii coagulanților prehidrolizaţi comparativ cu cei monometal asupra reducerii carbonului organic, total, dizolvat, biodegradabil din apele de suprafață supuse potabilizării; determinarea unor corelații matematice între parametrii chimici şi cei microbiologici, determinați după faza de coagulare; U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 29

30 acțiunea biofloculanţilor comparativ cu poliacrilamida asupra reducerii carbonului organic, total, dizolvat, biodegradabil; acțiunea adjuvantului de coagulare tip bentonită în reducerea carbonului organic. Cercetarea experimentală a vizat: evaluarea acțiunii comparative a 17 coagulanți cu compoziție diferită, care acoperă majoritatea tipurilor de reactivi de coagulare pe bază de aluminiu şi fier existenţi la nivel mondial; testarea a trei floculanți de tip diferit (poliacrilamidă, polisilicat, polichitină) împreună cu fiecare tip de coagulant, obţinându-se 51 de combinații diferite coagulant-floculant, care au putut fi evaluate din punct de vedere al performantelor asupra carbonului organic conținut în apele de suprafață supuse potabilizării; testarea adjuvantului de coagulare de tip bentonită cu fiecare din cele 17 tipuri de coagulant şi cu cele 51 de combinații coagulant-floculant. Calitatea apei brute utilizată în cercetările experimentale precum şi valorile (medie, minimă, maximă) principalilor indicatori pe un an calendaristic sunt prezentate în 4.1. Determinarea dozei optime pentru fiecare tip de coagulant, prezentată în 4.2.1, pune în evidenţă faptul că reactivii de coagulare care aparțin aceleași clase de compuși (ex: policloruri de aluminiu, policloruri ferice) necesită pentru cea mai bună performanţă individuală, aceeaşi doză optimă. Performanta fiecărui coagulant în reducerea constituenților apei brute este determinată de gradul de polimerizare al produșilor de hidroliză, respectiv de conținutul de Al 13, despre care literatura de specialitate [2, 8, 36] conţine numeroase studii experimentale. Evaluarea eficienţei coagulanților în reducerea turbidităţii apelor de suprafață este prezentată în Figura 4.1, şi pune în evidenta acțiunea superioară a coagulanților bicomponent prehidrolizaţi. Rezultatele acțiunii celor 17 coagulanți de tip şi compoziție diferită (sulfat de aluminiu, policloruri de aluminiu cu compoziție variabilă de oxid de aluminiu, polihidroxiclorosulfat de aluminiu, polihidroxicloruri de aluminiu şi siliciu cu compoziție variabilă aluminiu-siliciu, clorura ferică, policloruri de aluminiu şi fier, sulfat feric) asupra concentrației de carbon organic şi a biostabilităţii apei (reducere a carbonului organic biodegradabil), sunt prezentate în Figura 4.2 prezintă acțiunea fiecărui coagulant testat în reducerea carbonului organic total, dizolvat şi biodegradabil. Aceste rezultate pun în evidenţă: coagulanţii prehidrolizaţi sunt eficienți în reducerea carbonului organic în toate formele sale, comparativ cu cei monometal; coagulanţii bicomponent prehidrolizaţi aluminiu-siliciu şi sulfat-clorură prezintă o mai bună acțiune comparativ cu cei tip prehidrolizaţi monocomponent; din punct de vedere al biostabilităţii apei după faza de coagulare, coagulanţii bicomponent prehidrolizaţi aluminiu-siliciu şi sulfat-clorură prezintă cea mai bună comportare in ceea ce priveste eficienţa de reducere BDOC Corelațiile matematice între parametrii chimici şi microbiologici determinați după faza de coagulare sunt prezentate în Se introduc formulele de calcul ale eficienţei logaritmice pentru turbiditate, bacterii heterotrofe, bacterii Clostridium perfringens (4.6), (4.7), (4.8). Corelațiile obținute pun în evidenţă următoarele: U.T.C.B - D.I.H. - Colectiv de Alimentări cu Apă și Canalizări 30