Modelarea proceselor de sedimentare în stațiile de epurare

Sistemele de epurare a apelor uzate au un istoric care depăşeşte 100 de ani, dar modalitatea de funcţionare şi, mai ales, de construcţie a acestor sisteme s-a bazat vreme îndelungată pe dat exclusiv empirice.

În a doua jumătate a secolului trecut, o serie de cercetători şi, ulterior, institute de cercetare sau grupuri de lucru s-au ocupat cu definirea, concretizarea şi optimizarea unor sisteme de modelare, care să poată fi utilizate în designul şi controlul staţiilor de epurare, fie în ansamblul lor, fie pentru diferitele aspecte ale procesului de epurare.

Mai multe etape succesive pot fi identificate în relativ scurta perioadă de existenţă a modelării acestor procese: o etapă iniţială sau clasică, o etapă a modelelor „State-of-Art” şi o etapă a folosirii sistemelor bazate pe inteligenţă artificială (AI), mai mult sau mai puţin distincte în timp, la care se adaugă diverse încercări originale de modelare, bazate pe algoritmi matematici utilizaţi în alte sectoare ale ştiinţei.

La momentul actual, sistemele de modelare „State-of-Art” sunt pe departe cele mai des folosite, în ciuda problemelor de structură ale modelelor, existând numeroase adaptări la nivel local ale acestor sisteme, iar tendinţa de viitor pare a fi controlul unor structuri realizate şi operate pe baza modelelor „State-of-Art” prin algoritmi de tip AI.

Problema fundamentală pare a fi tratarea predominant inginerească a epurării (ambele sisteme de modelare, „State-of-Art” şi AI fiind construite pe baza unor date de tip cantitativ - volume, cantităţi, concentraţii), cu toate că elementele care realizează epurarea propriu-zisă sunt microorganisme, iar relaţiile dintre ele sunt specifice ecosistemelor.

Apa este o substanţă indispensabilă vieţii, fiind considerată condiţia necesară şi suficientă pentru apariţia proceselor care definesc materia vie.

Apa este folosită în agricultură pentru a compensa lipsa precipitaţiilor sau a apei accesibile din sol. Apa folosită în comunităţile umane îşi modifică proprietăţile, devenind ceea ce se numeşte „apă uzată” (Vaicum, 1981), impurificată sau poluată în urma folosirii, fie ea menajeră sau industrială. Ea este preluată de sisteme de canalizare, care o transportă spre sisteme de epurare urbane, cu menţiunea că, în conformitate cu legislaţia românească, apele uzate industriale trebuie preepurate, îndepărtându-se substanţele nefavorabile vieţii.

Apa de canalizare cuprinde 95% apă, şi 5% impurităţi (anorganice: nisip, pietriş, fragmente de lemn, sticlă, metale, sau organice: produse ale metabolismului uman, resturi alimentare etc.) sau microorganisme (bacterii, fungi, alge, protozoare). După o tratare de tip fizic, în care se realizează îndepărtarea impurităţilor anorganice, sistemul de epurare cuprinde una sau mai multe trepte de epurare biologică. Cel mai utilizat este cel denumit nămol activ, datorită simplităţii instalaţiilor şi uşurinţei în exploatare, precum şi capacităţii volumetrice ridicate a instalaţiilor.

Istoria procedeului începe în debutul secolului al XX-lea, graţie cercetărilor întreprinse de Bolton în 1902, de Black şi Phelps în 1910, de Clark şi Gate, sau de Fowler şi Mumford, între 1912 şi 1913, cercetători britanici sau americani, care au studiat rolul determinant al microorganismelor în oxidarea substanţelor organice, în timpul aerării apelor uzate menajere, fără a identifica necesitatea cultivării populaţiilor de astfel de microorganisme în concentraţie ridicată.

Epurarea apelor ca procedeu tehnologic a fost gândit pentru a reda ecosistemului în stare cât mai bună un element folosit de societatea umană, ea fiind, teoretic, o tehnologie ecologică sau de mediu. În realitate, o astfel de abordare e simplistă, întrucât apele epurate, redate reţelelor hidrografice de unde au fost preluate, sunt reutilizate de comunităţile umane din aval, fie pentru alimentarea cu apă potabilă a comunităţilor umane, fie pentru utilizare în agricultură sau industrie alimentară, unde o calitate bună a apei e de dorit. Aspectul economic se împleteşte, aşadar, cu cel ecologic, din acest punct de vedere.

Modelarea proceselor implicate în epurarea apelor uzate vine în ajutorul perfecţionării epurării, ajutând, implicit, ambele aspecte discutate. Instalaţiile concepute până în anii ’60, bazate pe date empirice, aveau mari probleme de concepţie a structurii şi a dimensionării instalaţiilor, dar şi de operare a acestora, de unde şi frecvente probleme legate de procesul de epurare (Ognean, 1981).

Cele mai cunoscute astfel de probleme sunt eficienţa necorespunzătoare de îndepărtare a substanţelor organice din amestecul de epurat şi funcţionarea necorespunzătoare a nămolului activ (aglomerarea nămolului, formarea de flocoane necorespunzătoare sau fragmentarea acestora), datorate, după cum au reliefat Ognean (1981) sau Bucur (2003), fie unor deficienţe de construcţie a instalaţiei (volume insuficiente sau prea mari ale aerotancurilor, volume insuficiente ale instalaţiilor de oxigenare, structuri geometrice necorespunzătoare folosite), fie unor deficienţe de operare (viteze necorespunzătoare de curgere prin instalaţie, oxigenări necorespunzătoare, timpi de retenţie necorespunzători).

Încă de la început, modelele matematice au oferit informaţii operatorilor şi constructorilor staţiilor de epurare capabile să evite sau să corecteze erorile menţionate anterior, informaţii referitoare, în principal, la modul în care încărcarea organică este consumată de microorganisme, la cineticile de creştere a nămolului activ, la timpii de retenţie necesari etc. Modele de dată mai recentă sunt chiar mai utile, fiind concepute ca un „operator” matematic, capabil să gestioneze întreaga funcţionare a staţiei de epurare, iar implicarea algoritmilor Inteligenţei Artificiale a constituit doar un nou pas în această direcţie. Indiferent de modelul folosit, rezultatul, în urma aplicării corecte, nu poate fi decât un efluent mai curat, în conformitate cu scopul economic şi cel ecologic al procesului.