Proiect PN-III-CERC-CO-PTE-2-2019

Echipament pentru stimularea proceselor biochimice din instalațiile de epurare a apelor reziduale
– ESELFBio –

 

Prezentarea proiectului

 

În instalațiile de epurare a apelor reziduale menajere, etapele care limitează în cea mai mare măsură capacitatea de epurare, respectiv impun timpi de procesare relativ lungi sunt etapele de epurare microbiologică (anaerobe și aerobe) cu nămol activ. Durata relativ mare a etapelor de epurare microbiologică se datorează în mare parte specificului proceselor biochimice care se desfășoară cu viteză relativ mică. Deși viteza proceselor biochimice poate fi accelerată prin creșterea temperaturii, acest lucru conduce la investiții suplimentare și costuri de exploatare sporite. În plus, durata de epurare microbiologică este mărită și de conținutului în substanțe xenobiotice (detergenți, fitosanitare, diverse chimicale utilizate în gospodării - cum ar fi CALGON-ul), pentru care experimental s-a demonstrat că inhibă activitatea microbiologică și capacitatea de biodegradare [1].

Pe de altă parte, o serie de studii, cercetări și brevete de invenție recente [2-19] au scos în evidență faptul că înmulțirea/multiplicarea și creșterea microorganismelor, respectiv capacitatea lor de metabolizare poate fi stimulată prin câmp electromagnetic de extremă joasă frecvență (ELF - extremely low frequency) în domeniul 1 – 300 Hz. De aici, rezultă că timpii de procesare în bazinele de epurare biologică aerobe și anaerobe din stațiile de epurare existente pot fi substanțial reduși prin stimularea biomasei (nămolului activ) în câmp electromagnetic ELF. Acest lucru duce la creșterea capacității de epurare a stației, reducerea ratelor de recirculare, care atrage cu sine o economie de energie la pompare, și la creșterea gradului de epurare, concretizat în reducerea conținutului de poluanți din apele deversate, chiar și în cazul apelor reziduale cu conținut mai ridicat de substanțe xenobiotice (inclusiv detergenți, erbicide etc.).

În acest context, scopul proiectului constă în creșterea cifrei de afaceri al CO (I.C.P.E. Bistrița S.A.) prin punerea în fabricație a unui produs nou, respectiv realizarea, experimentarea și omologarea unui prototip pentru stimularea în ELF a proceselor biochimice din instalațiile de epurare a apelor reziduale ESELFBio. Prin punerea în fabricație a noului produs, CO va putea oferta și servicii de instalare/ asistență tehnică și punere în funcțiune pe un număr mare de stații de epurare ape reziduale menajere din țară, ceea ce va duce atât la creșterea substanțială a cifrei de afaceri, cât și la crearea de noi locuri de muncă.

Astfel, principalul obiectiv al proiectului constă în extinderea ofertei de produse a CO, respectiv introducerea în fabricația curentă a ESELFBio, pentru atingerea căruia urmează să se realizeze în cadrul proiectului următoarele obiective intermediare:

  • • O1 – studiul, concepția și proiectarea modelului funcțional în mediu industrial ESELFBio;
  • • O2 – realizarea modelului funcțional în mediu industrial ESELFBio;
  • • O3 – experimentarea modelului funcțional în mediu industrial ESELFBio comparativ cu un bazin de bioepurare identic, dar fără dotare cu ESELFBio, optimizarea parametrilor de lucru (intensitatea [V/cm] și ELF [Hz] aplicate), demonstrarea eficienței și a funcționalității, elaborarea referențialului inițial (schiță Specificație Tehnică – S.T.) și diseminarea rezultatelor; 
  • • O4 – realizarea, certificarea/ omologarea prototipului ESELFBio și diseminarea rezultatelor;
    Pe tot parcursul derulării proiectului se va acorda o atenție deosebită identificării soluțiilor tehnice originale dezvoltate, pentru care se va proceda la solicitarea protecției intelectuale/ industriale prin brevet de invenție.

Pe tot parcursul derulării proiectului se va acorda o atenție deosebită identificării soluțiilor tehnice originale dezvoltate, pentru care se va proceda la solicitarea protecției intelectuale/ industriale prin brevet de invenție.

Pe plan internațional și național, procesele de epurare biologică aerobe și anaerobe a apelor reziduale menajere sunt cunoscute și uzual folosite. Epurarea microbiologică se realizează succesiv anaerob și aerob (prin barbotare cu aer) în bazine paralelipipedice sau rotunde cu nămol activ în suspensie. În aceste bazine se asigură o recirculare permanentă, astfel încât timpul de contact al apei reziduale cu diverse concentrații de poluanți să fie suficient de mare pentru a asigura metabolizarea poluanților până la atingerea concentrațiilor maxim admise la deversare, ajungând deseori la rate de recirculare chiar de 80%, ceea ce diminuează substanțial capacitatea de epurare [m3/oră] și implică consumuri energetice semnificative pentru acționarea pompelor de recirculare. În ultimele decenii, în urma extinderii susținute a rețelelor de canalizare, în România au fost construite și puse în funcțiune un număr apreciabil (aprox. 1000) de stații de epurare ape reziduale menajere comunale care folosesc bazine paralelipipedice pentru etapa microbiologică.

La stațiile de epurare ape menajere aflate actualmente în funcțiune pe plan internațional și național, NU sunt aplicate etape de epurare cu biomasă activată în câmp electric ELF, deși în urma creșterii permanente a consumului de detergenți și alte chimicale (inclusiv CALGON [1]) în gospodăriile populației, se asistă la creșterea concentrației acestor produși xenobiotici în apele reziduale menajere, ceea ce impune timpi de staționare și rate de recirculare ridicate (cu diminuarea corespunzătoare a capacității de epurare și implicit creșterea riscului de evacuare înainte de epurarea microbiologică completă). Uneori, în cazuri extreme se asistă chiar la „otrăvirea” nămolului activ, cu toate consecințele aferente. Astfel, avantajul tehnico-economic adus de ESELFBio este oportun în condițiile intensificării calitative și cantitative a poluanților din apele uzate și înăspririi legislației în vigoare în ceea ce privește calitatea apelor deversate în emisari.

Prin proiect se propune retehnologizarea stațiilor de epurare a apelor reziduale menajere prin instalarea pe bazinele de epurare microbiologice existente a unui echipament de stimulare a activității microbiene prin expunere în câmp electromagnetic de extremă joasă frecvență ELF – ESELFBio, prin care are loc creșterea și înmulțirea/multiplicarea semnificativă a microorganismelor participante în proces [5-8, 15, 19] (se reduce durata etapei LAG și crește semnificativ viteza proceselor din etapa de creștere intensivă [20, 21]). În cazul stațiilor de epurare noi, se propune prevederea produsului ESELFBio în componența bazinelor de epurare microbiologice încă din stadiul de proiectare.

A se remarca preocupările susținute și contribuțiile la stadiul cunoștințelor actuale în domeniul influenței ELF asupra activității microbiene a personalului (autorii marcați cu bold și subliniere în bibliografie) afiliați CO și P1 (Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Inginerie Electrică ICPE – CA) - condiție esențială pentru succesul proiectului.

În domeniul influenței câmpurilor electromagnetice asupra celulelor vii, P1 a derulat mai multe proiecte C&D ale căror rezultate urmează să fie transferate la CO (agent economic) pentru realizarea și validarea/omologarea prototipului ESELFBio, respectiv:

  1. Proiect Nucleu nr. 0935/2009 - Subtema 4/2015: faza sept. 2015 „Instalație de biogaz cu procese fermentative stimulate in câmp electromagnetic” din care a rezultat un model experimental (de laborator) de fermentator stimulat în câmp electromagnetic testat. In baza rezultatelor obținute s-a solicitat un brevet de invenție [22] și a fost publicat un articol de specialitate [6];
  2. Proiect Nucleu PN 16 11 03 01 /2016, Influența câmpurilor electromagnetice asupra celulei vii, finalizat prin model experimental de bioreactor în câmp electromagnetic, rezultate experimentale pentru diverse specii de microorganisme și diseminare prin articole de specialitate [7, 8];
  3. Proiect - Contract nr. PN 09 35 0301 - Interacţia câmpului electromagnetic cu celula vie, fazele 1, 2 și 3, din care au rezultat un studiu documentar exhaustiv privind influențele câmpurilor electromagnetice de origine antropică asupra materiei vii, o instalație experimentală de laborator - bioreactor în câmp electromagnetic de extremă joasă frecvență ELF [23], un model experimental de generator ELF capabil să debiteze în domeniul 1 – 300 Hz (reglabil) tensiuni de până la 5 kV reglabile [24], un raport de experimentare pentru diverse microorganisme în bioreactor [23] prin generatorul experimental ELF [24]. De asemenea a rezultat o soluție tehnică originală, care a generat o cerere de brevet de invenție (în curs de examinare) [4].

Toate cele de la 1)- 3) satisfac/ sunt la nivelul de maturitate tehnologică TRL 4.

Prin derularea proiectului, respectiv realizarea obiectivelor O1 - O4 se propune concepția, proiectarea, realizarea, experimentarea (pe bazinele aferente etapelor microbiologice de epurare ale unei stații comunale existente/ în exploatare) și demonstrarea funcționalității/ eficienței în mediu industrial (TRL 5), realizarea și validarea/omologarea la nivel de prototip a unui produs nou - ESELFBio - în vederea introducerii în fabricația curentă a CO, deci se atinge nivelul de maturitate tehnologică TRL 6.

ESELFBio propus spre realizare, experimentare și omologare prototip principial se compune din două componente principale:

a) - un generator de tensiune ELF care să debiteze:

  • • tensiune de ieșire reglabilă între 200 și 5000 Vrms;
  • • frecvență reglabilă cu o rezoluție de 0,5 Hz între 1 și 300 Hz;
  • • curenți (predominant capacitivi) de până la 5 mA/m2 de electrod de polarizație;

Reglajul parametrilor de ieșire se va realiza prin comandă digitală de la automatul programabil. Această componentă va fi integrabilă în sistemul SCADA al stației de epurare prevăzută cu ESELFBio.

b) - un set de electrozi adecvați care, imersați plan paralel [23] în suspensia apă reziduală- nămol activ, creează un câmp ELF de polarizare impus (de până la 15 Vrms/cm de suspensie), dar fără a declanșa procese de transfer de sarcină între electrozi și suspensie (electroliza suspensiei NU are loc). În aceste condiții, se constată că pentru electrozii de polarizație trebuie ca:

  • suprafața metalică să fie corespunzător izolată față de suspensia nămol activ- apă reziduală, respectiv să asigure o tensiune de străpungere de minim 6-8 kV pe toată durata de funcționare în condițiile de exploatare date (suspensie nămol activ în apă reziduală menajeră);
  • să fie prevăzuți conductori de racord flexibili, corespunzător izolați (ptr. 10 kV) pentru condițiile de exploatare date.

 

Diagrama

 

În baza experienței echipei de la CO în realizarea surselor de înaltă tensiune aferente generatoarelor de ozon, concepția și execuția generatorului de tensiune ELF nu ridică probleme deosebite, mai puțin problema transformatorului ridicător de tensiune care trebuie să funcționeze/ sa aibă un raport de transformare corespunzător, inclusiv la frecvențe cuprinse între 1 și 40 Hz, aspect ce este o provocare ce urmează să fie rezolvată în baza experienței în inginerie electrică a CO și P1.

La concepția și realizarea electrozilor de polarizare, principala provocare constă în aplicarea izolației adecvate pe suprafața metalică (plasă de sârmă), inclusiv peste conexiunea caburilor de racord la plasa de sârmă. Această provocare urmează să fie rezolvată prin experiența în domeniul materialelor electroizolante polimerice a echipei de la P1, precum și prin experiența în realizarea izolațiilor aferente instalațiilor de ozon a CO.

Principalele provocări în atingerea obiectivelor de la O3 constau în optimizarea parametrilor de lucru (intensitatea [V/cm] și frecvența extremă joasă ELF [Hz] aplicate) și demonstrarea eficienței și a funcționalității ESELFBio în mediu industrial, pe o instalație de epurare existentă. În ceea ce privește optimizarea parametrilor de lucru, se cunoaște faptul că ELF acționează selectiv asupra biomasei, respectiv doar anumite frecvențe discrete din banda 1 – 300 Hz stimulează aparatul enzimatic al microorganismelor la o sursă de hrană (poluant din apa reziduală) dată [5, 6, 8]. De asemenea, se cunoaște faptul că efectul de stimulare crește (aproximativ liniar) cu intensitatea E a câmpului ELF aplicat în domeniul 1-15 Vrms/cm, peste care (la E >15 Vrms/cm) microorganismele mor în urma străpungerii (perforării) membranei celulare [19]. Problematicii intensității câmpului aplicat se va rezolva prin modelarea și determinarea distribuției de câmp pe sistemul metal electrod/ izolație/ biomasă/ izolație/ metal electrod pentru diverse tensiuni ELF aplicate pe geometria dată a sistemului stației de epurare ape dotate cu ESELFBio model funcțional (în mediu industrial), conform [23], prin softul specializat Ansoft Maxwell 14.0, urmând ca, prin tensiunea aplicată pe electrozii de polarizație, câmpul electric pe biomasă să nu depășească 15 Vrms/cm. Determinarea frecvenței la care stimularea nămolului activ are loc se va rezolva prin aplicarea soluției tehnice din [4], respectiv prin tehnica spectroscopiei dielectrice. Astfel, pe echipamentul specializat din dotarea P1 se vor determina (pe probele de nămol activ furnizate de CO) frecvențele la care funcția tgδ (pierderi în dielectric) = f (frecvență) prezintă discontinuități [5] în domeniul 1-300 Hz (componente ale biomasei întră în rezonanță, ceea ce duce la scăderea energiei de activare a proceselor biochimice). Demonstrarea funcționalității și eficienței se va rezolva prin determinări comparative de conținut în poluanți la intrare și ieșire pe două linii de bioepurare identice (cum ar fi cele de la stația de epurare din comuna Romuli județul Bistrița-Năsăud), dintre care pe bazinele de bioepurare anaerobe și aerobe ale primei linii se va instala și va fi pus în funcțiune modelul funcțional în mediu industrial ESELFBio. Prin analize chimice specifice, conform reglementărilor din domeniul apelor reziduale (CO dispune de personal și laborator specializat) se vor urmări comparativ atât conținutul în poluanți, cât și timpii de tratament microbiologic, respectiv ratele de recirculare necesare încadrării în limite a apei evacuate.