rezumat teza doctorat iurciuc cristina elena hgim
DESCRIPTION
Referat facultate IM- epurerea apelorTRANSCRIPT
UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” DIN IAŞI
Facultatea de Hidrotehnică, Geodezie şi Ingineria Mediului
STUDII ŞI CERCETĂRI PRIVIND EPURAREA AVANSATĂ A APELOR UZATE ÎN VEDEREA VALORIFICĂRII EFLUENTULUI LA IRIGAREA CULTURILOR ENERGETICE
- REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT -
Conducător de doctorat:
Prof. Univ. Dr. Ing. Mihai DIMA
Doctorand:
Ing. Cristina Elena IURCIUC
IAŞI - 2013
Teza de doctorat a fost realizată cu sprijinul financiar al proiectului “STUDII
DOCTORALE PENTRU PERFORMANŢE EUROPENE ÎN CERCETARE ŞI INOVARE
(CUANTUMDOC)” POSDRU/107/1.5/S/79407.
Proiectul “STUDII DOCTORALE PENTRU PERFORMANŢE EUROPENE ÎN CERCETARE ŞI INOVARE (CUANTUMDOC)” POSDRU/107/1.5/S/79407, este un proiect strategic care are ca obiectiv general „Aplicarea de strategii manageriale, de cercetare şi didactice destinate îmbunătăţirii formării iniţiale a viitorilor cercetători prin programul de studii universitare de doctorat, conform procesului de la Bologna, prin dezvoltarea unor competenţe specifice cercetării ştiinţifice, dar şi a unor competenţe generale: managementul cercetării, competenţe lingvistice şi de comunicare, abilităţi de documentare, redactare, publicare şi comunicare ştiinţifică, utilizarea mijloacelor moderne oferite de TIC, spiritul antreprenorial de transfer al rezultatelor cercetării. Dezvoltarea capitalului uman pentru cercetare şi inovare va contribui pe termen lung la formarea doctoranzilor la nivel european cu preocupări interdisciplinare. Sprijinul financiar oferit doctoranzilor va asigura participarea la programe doctorale în ţara şi la stagii de cercetare în centre de cercetare sau universităţi din UE. Misiunea proiectului este formarea unui tânăr cercetator adaptat economiei de piaţă şi noilor tehnologii, având cunoştinţe teoretice, practice, economice şi manageriale la nivel internaţional, ce va promova principiile dezvoltării durabile şi de protecţie a mediului înconjurător.”
Proiect finanţat în perioada 2010 - 2013
Finanţare proiect: 16.810.100,00 RON
Beneficiar: Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi
Partener: Universitatea „Babeş Bolyai” din Cluj-Napoca
Director proiect: Prof. univ. dr. ing. Mihai BUDESCU
Responsabil proiect partener: Prof. univ. dr. ing. Alexandru OZUNU
MULȚUMIRI
Adresez în mod expres pe această cale sincere mulțumiri și recunoștință
conducătorului științific, domnului Prof. Univ. Dr. Ing. Mihai Dima, pentru
profesionalismul cu care m-a ghidat pe drumul către obținerea titlului de doctor în științe,
pentru competența și permanenta îndrumare deosebit de meticuloasă în toată perioada
pregătiri și elaborării tezei de doctorat.
Mulțumesc domnilor referenți Prof. Univ. Dr. Ing. Ion Giurma, Prof. Univ.
Dr. Ing. Sandu Marin, Prof. Univ. Dr. Ing. Gică Grădinariu și președintelui comisiei
Prof. Univ. Dr. Ing. Florian Stătescu, pentru amabilitatea de a accepta să facă parte din
comisia de doctorat, pentru timpul alocat evaluării acestei teze, pentru sugestiile și
recomandările oferite.
De asemenea, mulțumesc domnului Dr. Ing. Puiu Matei și șefului Stației de
Epurare a municipiului Piatra Neamț, domnul Ing. Florin Mihai pentru colaborare,
sugestii, recomandări și sprijinul acordat, oferindu-mi acces în stația de epurare și
posibilitatea utilizării parametrilor de exploatare a acestei stații de epurare.
Mulțumesc colaboratorilor firmei S.C. Kontrastwege SRL din Miercurea
Ciuc, Județul Harghita, domnului Director General Ing. Alexandru Benko şi d-șoarei
Ing. Cristina Racu atât pentru colaborare cât și pentru asigurarea unor materiale necesare
în toată această pregătire.
Mulțumesc domnului Prof. Univ. Dr. Ing. Ramiro Joaquim de Jesus Neves
de la Institutul Superior Tehnic din Lisabona, colectivului firmei Maretec, domnului Ing.
Guillaume Riflet, Ing. Eduardo Jauch și Ing. David Brito pentru ospitalitate, colaborare
fructuoasă și ajutorul acordat de-a lungul stagiului de cercetare în capitala Portugaliei,
Lisabona.
Deosebite mulțumiri profesorilor din cadrul Facultății de Hidrotehnică,
Geodezie și Ingineria Mediului care au contribuit la formarea mea profesională, dar și
colegilor, prietenilor, familiei pentru înțelegere și sprijinul moral oferit și tuturor celor
care m-au susținut în activitatea științifică.
Autoarea
Cuprins
CUPRINS:
Rezumat: Teză: CAPITOLUL I – DATE GENERALE. RESURSELE DE APĂ SI
VALORIFICAREA APELOR UZATE ÎN AGRICULTURĂ.
7 5
1.1. Necesitatea utilizării apelor uzate în irigaţii 7 5
1.1.1. Schimbările climatice și influența acestora asupra resurselor de
apă și a agriculturii
7 5
1.1.2. Prognoze şi scenarii privind impactul schimbărilor climatice
asupra mediului
8 10
1.2. Aspecte cantitative ale resurselor de apă la nivel mondial 8 13
1.3. Legislația U.E. și din România cu privire la valorificarea apelor uzate în
irigații 9 20
1.4. Particularităţi tehnice specifice valorificării apelor uzate în lucrările de
irigaţii
9 22
1.5. Aspecte ecologice și economice în cazul valorificării apelor uzate în
agricultură
9 24
1.6. Necesitatea şi oportunitatea studiului 10 25
1.7. Obiectivele cercetării 10 26
CAPITOLUL II – STADIUL ACTUAL AL VALORIFICĂRII APELOR
UZATE LA IRIGAREA CULTURILOR AGRICOLE. RISCURI ŞI
EXIGENŢE.
11 27
2.1. Realizări privind amenajările de irigații în ţările din Uniunea Europeană 11 27
2.1.1. Irigarea cu ape din resurse naturale 11 27
2.1.2. Irigarea cu ape uzate 11 27
2.2. Realizări privind amenajările de irigații în România 11 32
2.2.1. Irigarea cu ape din resurse naturale 11 32
2.2.1.1. Evoluţia cerinţelor de apă în domeniul irigaţiilor 11 33
2.2.1.2. Evoluția suprafețelor cultivate pentru obținerea
culturilor energetice
12 35
2.2.2. Irigarea cu ape uzate 13 40
2.3. Sisteme de agricultură şi eficacitatea irigării culturilor cu ape uzate 13 40
2.3.1. Sisteme de agricultură - 40
2.3.2. Sisteme de agricultură integrată și durabilă - 41
2.3.3. Riscuri şi exigenţe la irigarea cu ape uzate a culturilor agricole 14 43
2.3.3.1. Condiţii meteo la aplicarea lucrărilor de irigaţii - 43
2.3.3.2. Riscuri asupra solurilor şi asupra culturilor cauzate
de metale grele și bacterii patogene
- 44
2.3.4. Condiţii şi restricţii de aplicare 14 47
Concluzii parțiale
- 50
CAPITOLUL III – BAZELE TEORETICE ALE PROCESELOR DE
ELIMINARE A AZOTULUI ŞI FOSFORULUI DIN APELE UZATE.
MODELAREA MATEMATICĂ A MIŞCĂRII APEI ÎN SOL.
15 51
3.1. Teoria cinetică a proceselor de nitrificare-denitrificare/defosforizare 15 51
3.2. Modele matematice privind curgerea apei prin porii solului 17 68
3.2.1. Generalităţi asupra mişcării apei în sol 17 68
3.2.2. Modele matematice în soluri saturate – Legea lui Darcy 18 71
3.2.3. Modele matematice în soluri nesaturate – Legea lui Richards 19 77
3.3. Utilizarea programelor matematice pentru simularea proceselor cercetate 19 80
3.3.1. Utilizarea programului ISAREG şi a subprogramului EVAPOT 19 80
3.3.2. Utilizarea softului MOHID de modelare a fenomenului de
curgere a apei în sol
21 87
Cuprins
Rezumat: Teză:
CAPITOLUL IV – MĂSURI TEHNICE NECESARE PENTRU
VALORIFICAREA APELOR UZATE ÎN IRIGAŢII
24 94
4.1. Aspecte calitative privind apele uzate evacuate din aglomerările rurale şi
urbane
24 94
4.1.1. Compoziţia apelor uzate d.p.d.v. fizic, chimic, biologic şi
bacteriologic
24 94
4.1.2. Formele sub care se află substanţele nutritive (N şi P) în apele
uzate şi efectul lor asupra sănătăţii oamenilor şi asupra
animalelor
24 99
4.1.3. Necesitatea îndepărtării azotului și fosforului din apele uzate 26 107
4.2. Procese de îndepărtare a poluanţilor din apele uzate 27 110
4.2.1. Epurarea mecanică 27 110
4.2.2. Epurarea biologică convenţională 27 110
4.2.3. Epurarea biologică avansată 27 111
4.2.3.1. Scheme tehnologice biologice de nitrificare şi
denitrificare, tip preD, cu postD şi combinate
28 112
4.2.3.2. Eliminarea bacteriilor patogene 28 116
4.3. Tehnologii moderne aplicate în epurarea avansată a apelor uzate 28 117
4.3.1. Eliminarea azotului prin procese de nitrificare-denitrificare 28 117
4.3.1.1. Procedeul de eliminare a azotului cu nămol în bazin
unic
29 117
4.3.1.2. Procedeul de eliminare a azotului cu nămol în bazine
separate
29 118
4.3.2. Eliminarea fosforului prin procese anaerobe combinate cu cele
aerobe (de tip A/O)
30 120
4.3.2.1. Procedeul Anaerob/Onix 30 120
4.3.2.2. Procedeul PHOSTRIP 30 121
4.3.2.3. Procedeul bazinelor cu funcţionare secvenţială 31 121
4.3.3. Eliminarea azotului şi fosforului prin procese simultane(de tip
A2/O, Badenpho, UCT, VIP)
31 123
4.3.3.1. Procedeul Anaerob Anoxic/Oxic (A2/O) 31 123
4.3.3.2. Procedeul Bardenpho în 5 trepte 32 123
4.3.3.3. Procedeul UCT (University of Cape Town) 32 124
4.3.3.4. Procedeul VIP (Virginia Initiative Plant) 32 124
Concluzii parţiale
- 126
CAPITOLUL V – CERCETĂRI EXPERIMENTALE ASUPRA
TEHNOLOGIILOR DE EPURARE AVANSATĂ.
STUDIU DE CAZ: Staţia de Epurare a Municipiul Piatra Neamţ
33 127
5.1. Aspecte geografice privind Judeţul Piatra Neamţ 33 127
5.1.1. Generalităţi 33 127
5.1.2. Studii geomorfologice 33 128
5.1.3. Studii climatice 33 129
5.1.4. Studii hidrologice 35 132
5.1.5. Studii pedologice 35 133
5.2. Descrierea schemei tehnologice a staţiei de epurare retehnologizată şi
modernizată în vederea eliminării azotului şi fosforului
35 135
5.2.1. Amplasamentul staţiei de epurare 35 135
5.2.2. Mărimea debitului şi compoziţia apei uzate influente în staţia de
epurare
36 135
5.2.3. Determinarea gradului de epurare necesar apei uzate 37 139
5.2.4. Schema staţiei de epurare retehnologizată în vederea
implementării treptei terţiare
38 140
5.2.5. Studii de laborator asupra calităţii efluentului 41 145
Concluzii asupra eficienţei Staţiei de epurare a apelor uzate Piatra Neamţ
- 155
Cuprins
Rezumat: Teză:
CAPITOLUL VI – CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND
IRIGAREA CU APE UZATE A CULTURILOR DE RAPIŢĂ ŞI SALCIE
ENERGETICĂ. PROGRAME UTILIZATE LA SIMULAREA
LUCRĂRILOR DE IRIGAŢII
43 156
6.1. Metode de lucru şi aparatura utilizată 43 156
6.1.1. Aparatura şi echipamente folosite - 158
6.1.2. Cercetări asupra modificării structurii solului şi a
caracteristicilor fizico-chimice
44 161
6.2. Cercetări asupra culturilor de rapiţă şi salcie energetică 47 176
6.2.1. Rezultatele irigării rapiței cu ape uzate 47 179
6.2.2. Rezultatele irigării salciei energetice cu ape uzate 50 185
6.3. Cercetări prin simulare numerică la interfaţa sol-apă de irigaţii 53 190
6.3.1. Modelarea parametrilor de irigare având la bază programul
ISAREG şi subprogramul EVAPOT
53 190
6.3.2. Modelarea mişcării efluentului în sol utilizând programul
MOHID Land
53 195
Concluzii parţiale
- 209
CAPITOLUL VII – CONCLUZII GENERALE
60 211
7.1. Conţinutul tezei 60 211
7.2. Contribuţia şi originalitatea lucrării 62 214
7.3. Perspective viitoare de cercetare
63 215
BIBLIOGRAFIE
64 216
ANEXE
ANEXA 1 Activitatea stiințifică în cadrul programului de doctorat –
ANEXA 2 Fișiere de date definite în subrogramul EVAPOT și
programul ISAREG
–
ANEXA 3 Definirea modulelor și rezultatele simulărilor din programul
MOHID Land –
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
CAPITOLUL I
DATE GENERALE. RESURSELE DE APĂ ȘI
VALORIFICAREA APELOR UZATE ÎN AGRICULTURĂ
1.1. Necesitatea utilizării apelor uzate în irigații
Posibilitatea valorificării apelor uzate în irigații constituie o soluție în vederea
economisirii apei dulci în scopul asigurării cu apă potabilă a marilor aglomerări urbane,
respectiv utilizarea cât mai rațională a resurselor de apă existente la nivel planetar. De
asemenea, în zonele aride unde cantitatea de apă este un factor limitativ pentru producţia
agricolă, trebuie promovată soluţia irigării culturilor cu ape uzate. Se estimează că, la
nivelul anului 2050 nu va mai fi suficientă apă naturală pentru producerea hranei
necesare la nivel mondial şi de aceea este imperativ de a se promova şi susţine, încă de
pe acum, practici de economisire a apei dirijate în agricultură.
Condiția de a aplica soluția irigării cu ape uzate impune implementarea
tehnologiilor performante de purificare a acestor ape în scopul eliminării factorilor
toxici pentru sănătate (microorganismele, bacteriile, virușii, metalele grele) şi pentru a
respecta exigenţele în legislația aferentă privind protecţia mediului înconjurător. Soluția
de epurare a apelor uzate, frecvent aplicată, o constituie epurarea avansată (treapta
terțiară).
Prin urmare, creșterea populației și implicit a necesității resurselor de hrană,
intensificarea fenomenului de secetă şi necesitatea satisfacerii cerinței de apă pentru
agricultură, fac ca valorificarea apelor uzate să reprezinte o soluție pentru satisfacerea
cerinţei de apă.
1.1.1. Schimbările climatice și influența acestora asupra resurselor de apă și a
agriculturii
Schimbările climatice reprezintă una dintre cele mai mari ameninţări din punct
de vedere social, economic și al mediului. Potrivit celui de-al IV lea Raport Global de
Evaluare al Grupului Interguvernamental privind schimbările climatice – IPCC,
elaborat în anul 2007, activităţile umane contribuie semnificativ la declanșarea efectelor
climatice și a încălzirii globale. Impactul schimbărilor climatice se reflectă în formarea
efectului de seră, creşterea temperaturii medii cu variaţii semnificative la nivel regional,
diminuarea prin evaporare a resurselor de apă pentru populaţie, reducerea volumului
calotelor glaciare, creşterea nivelului oceanelor, modificarea ciclului hidrologic,
modificări în desfăşurarea anotimpurilor, creşterea frecvenţei şi intensităţii fenomenelor
climatice extreme precum si reducerea biodiversităţii.
În contextul actual al schimbărilor climatice, un loc aparte îl ocupă domeniul
agricol care asigură în primul rând hrană pentru toţi locuitorii planetei. Efectele
schimbărilor climatice asupra solului sunt evidențiate prin scăderea potențialului de
fotosinteză la nivelul solului, modificarea ciclului apei în natură prin reducerea vitezei
de evaporare a apei, scăderea potențialului agricol, creșterea suprafețelor regiunilor
aride, eroziunea solului, producerea inundațiilor, secetelor și alunecărilor de teren. Ca
urmare este foarte important ca domeniul agriculturii să ocupe un loc special în
strategiile de dezvoltare la nivel naţional, regional şi mondial.
7
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
1.1.2. Prognoze şi scenarii privind impactul schimbărilor climatice asupra mediului
Variabilitatea climatică va avea efecte directe asupra unor sectoare precum
agricultura, silvicultura, gospodărirea apelor, sectorul rezidențial și de infrastructură, va
conduce la modificarea perioadelor de vegetație si la deplasarea liniilor de demarcație
dintre păduri și pajiști, va determina creșterea frecvenței și intensității fenomenelor
meteorologice extreme (furtuni, inundații, secete), [134]. Regimul precipitaţiilor este
foarte variabil şi neuniform ca repartiţie, atât în spaţiu cât şi în timp, ceea ce duce la
secete frecvente.
1.2. Aspecte cantitative ale resurselor de apă la nivel mondial
În contextul actual al schimbărilor climatice și al diminuării resurselor de apă
au fost studiate resursele de apă la nivel mondial și asupra cerințelor de apă în domeniul
irigațiilor.
Un aspect care devine îngrijorător este acela că în ultimii 25 de ani scurgerile
de apă în peste 145 mari cursuri de apă din lume a scăzut cu 1/5 (20%) ca o consecinţă
primară a schimbărilor climatice [53]. Consumul mediu de apă la nivel mondial este de
650 m³/loc./an din care 8% pentru nevoi umane, 23% în industrie şi 69% în agricultură .
În România resursa de apa specifică este apreciată la 1780 m3/an·locuitor, din acest
punct de vedere țara noastră deține locul 21 în Europa.
Conform evaluării s-a constatat că o scădere a resurselor de apă și o creștere a
populației va duce la imposibilitatea producerii de hrană necesară în viitor, în multe
părţi ale lumii [10], [106]. Pentru a evita o astfel de criză a apei la nivel global, trebuie
să se găsească soluții privind creșterea productivității în vederea satisfacerii cerinţelor
tot mai mari de alimente, precum și modalităţi de a utiliza apa rațional.
Se estimează ca în anul 2025, doar pentru menținerea acelorași suprafețe
irigate în prezent cantitatea de apă necesară agriculturii va creşte cu 14% faţă de cea
actuală. Circa 90% din sporul de producţie agricolă se va realiza de pe terenurile
existente cultivate şi 10% de pe noi terenuri ce vor fi ameliorate prin lucrări specifice
(îndiguire, drenaj).
Tab. 1.6. Evoluţia cerinţelor de apă în România, [10]
Anul Cerinţa de apă
[mld. m3/an]
Din care nerecuperabil
[mld. m3/an]
1975 14,4 9,7
1980 22,4 15,3
1990 35 25,6
2000-2010 46 36
Conform datelor furnizate de “The World Resources Institute” privind situația
cerințelor de apă comparativ cu alte țări europene, în România din totalul cantităţilor de
apă utilizabilă 13% deserveşte populaţia, 46% în industrie şi restul de 41% sunt folosite
în agricultură.
8
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
1.3. Legislația U.E. și din România cu privire la valorificarea apelor uzate în
irigații
Penuriile severe de apă, contaminarea, zonele urbane dens populate,
agricultura intensiv irigată și populația în continuă creștere, cu standarde mai ridicate de
viață, sunt factori care fac esențială reutilizarea apelor uzate tratate, în vederea creșterii
cantității potențiale și atenuării deficitului de apă. Drept consecință ISO a creat un
comitet de proiect nou, ISO/PC 253, pentru a dezvolta un standard privind utilizarea și
epurarea apelor uzate în vederea folosirii acestora pentru irigații, denumit „Comitetul
ISO/PC 253 – Reutilizarea pentru irigații a apelor uzate și viitorul standard ISO
16075”.
Standardul are drept scop oferirea celor mai bune practici și prevenirea
efectelor adverse asupra sănătății publice, mediului, solurilor și culturilor agricole ca
urmare a irigării cu ape uzate epurate. Proiectul a fost propus inițial de SII (membru ISO
pentru Israel), care deține secretariatul ISO/PC253. Prima întâlnire a avut loc în
octombrie 2010 iar publicarea standardului ISO 16075 este așteptată în anul 2013.
1.4. Particularităţi tehnice specifice valorificării apelor uzate în lucrările de irigaţii
Administrarea apelor uzate trebuie efectuată în condiții optime de umiditate a
solului, pentru a se evita spălarea în profunzime a elementelor nutritive si pentru a
reduce scurgerile. De asemenea trebuie respectate următoarele măsuri:
a) nu se administrează în irigații ape uzate pe soluri a căror temperatură este sub 50C;
b) norma de udare se aplică astfel încât apa uzată să se infiltreze și înmagazineze
integral în sol;
c) nu se administrează în irigații apa uzată în zilele ploioase pentru a se evita infiltrarea
poluanților din apă sub zona de acțiune a sistemului radicular;
d) timpul de administrare se alege astfel încât până la semănat să aibă loc dispersia
sărurilor și nitrificarea concentrațiilor de amoniac, în concordanță cu nivelul de toleranță
al culturilor;
e) înainte de administrare, apa uzată se va stoca în bazine, cel puțin 30 de zile, pentru a
reduce potențialul epidemiologic.
La administrarea pe terenurile agricole a apelor uzate, în ceea ce privește
volumul de apă uzată distribuită trebuie avute în vedere textura solului, nivelul apei
freatice, drenajul natural al terenului, conținutul în azot al apei uzate, necesarul de azot
al culturilor și cerințele pentru apă a culturilor.
1.5. Aspecte ecologice şi economice în cazul valorificării apelor uzate în agricultură
La utilizarea apelor uzate în irigarea culturilor agricole trebuie să se aibă în
vedere:
necesitatea nutriţională a plantelor;
menţinerea valorii pH-ului din solurile pe care urmează a fi aplicate apele uzate la
limita de 6.5;
efluentul folosit în irigaţii să se încadreze în limitele maxime admisibile privind
compoziţia biologică şi bacteriologică.
9
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Cu toate că în desfăşurarea proceselor de epurare mecanică şi biologică
concentraţia microorganismelor patogene, ouă de helminţi, viruşi etc. au fost reduse şi
parţial distruse, totuşi, în efluent, rămâne o cantitate importantă de bacterii patogene.
Deci, există riscul unei contaminări bacteriologice a culturilor. Astfel că, înainte de
aplicarea apelor uzate pe câmpurile agricole, trebuie să se aibă în vedere eliminarea
riscului potenţial al contaminării ecosistemului agricol cu agenţi patogeni (bacterii,
viruşi, etc.).
Toate aceste procedee sunt costisitoare şi reclamă echipamente speciale, motiv
pentru care se apelează la soluţii ieftine şi uşor de verificat.
Când regimul precipitaţiilor este extrem de scăzut sau când se înregistrează
perioade îndelungate de secetă, apa uzată epurată poate fi folosită doar la culturi ce nu
sunt folosite pentru consum în hrana oamenilor sau animalelor [36]. Astfel de culturi pot
fi cele energetice (salcia energetică, rapiţa, iarba elefantului, etc.), constituind materia
primă pentru producerea de energie ecologică (peleţi, biodisel, biometan, etc.)
1.6. Necesitatea și oportunitatea studiului
Posibilitatea valorificării apelor uzate poate prezenta o soluție eficientă pentru
asigurarea de producții maxime în perioadele de secetă la unele culturi agricole. Pentru a
evita un posibil impact negativ asupra sănătății oamenilor, pe care l-ar putea prezenta
produsele agricole obținute prin irigarea cu ape uzate, se impune un studiu aprofundat
ştiinţific privind posibilitatea valorificării acestor ape în vederea irigării culturilor
energetice utilizate în producţia de biomasă.
Din aceste considerente, în prezenta teză de doctorat, se caută pe baza unor
cercetări efectuate în câmpuri experimentale, să se răspundă la problemele mai sus
menționate în strânsă corelare cu simularea matematică a irigării pe o perioada de 4 ani
consecutiv, în vederea stabilirii modificărilor asupra solului și culturii.
1.7. Obiectivele cercetării
Ţinând seama de gravele perturbări ecologice manifestate la nivel mondial, ca
urmare a schimbărilor climatice, reprezentand una dintre cele mai grave și actuale
probleme cu care ne confruntăm în secolul XXI, prezenta lucrare își propune
identificarea, analiza și implementarea noilor tehnologii avansate de epurare a apelor
uzate, în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice.
10
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
CAPITOLUL II
STADIUL ACTUAL AL VALORIFICĂRII APELOR UZATE
LA IRIGAREA CULTURILOR AGRICOLE.
RISCURI ŞI EXIGENŢE.
2.1. Realizări privind amenajările de irigații în ţările din Uniunea Europeană
2.1.1. Irigarea cu ape din resurse naturale
În Europa, 44% din apa captată se utilizează pentru producţia de energie, 24%
pentru agricultură, 21% pentru aprovizionarea cu apă a populaţiei şi 11% în industrie
[10]. În sudul Europei, spre exemplu, agricultura consumă 60% din totalul apei captate,
procentul ajungând chiar şi la 80 % în anumite zone, datorită deficitului în precipitaţii.
2.1.2. Irigarea cu ape uzate
În prezent nu există în Europa lucrări aprofundate ştiințific. Încercări pe
câmpuri experimentale au loc în Bulgaria (Varna - în apropiere de orașul Razlog se
irigă cu ape uzate provenite de la fabrica de bere), Franța (lângă Paris - ca metodă de
epurare se utilizează metoda de epurare biologic naturală, [22], [56]), Germania
(Braunschweig), Italia (Sicilia), Olanda (folosirea apelor uzate la irigarea prin
aspersiune), Polonia (zona orașului Lodz, Pabianioze și Wroclaw) și în Ungaria (unde
se folosesc apele uzate ale orașului Kecskemet la irigarea prin amenajări de câmpuri de
infiltrație).
2.2. Realizări privind amenajările de irigații în România
2.2.1. Irigarea cu ape din resurse naturale
În România, conform datelor furnizate de Agenţia Naţională de Îmbunătăţiri
Funciare, se irigă anual o suprafaţa totală de 2.997.471 ha, din care prin aspersiune
2.670.803 ha, prin brazde 276.938 ha şi prin inundare 49.730 ha (fig.2.7).
2.2.1.1. Evoluţia cerinţelor de apă în domeniul irigaţiilor
Zona irigabilă din România reprezintă 9% din totalul terenurilor arabile, în
timp ce suprafaţa irigată este de 1%. Conform datelor Administraţiei Naţionale de
Îmbunătăţiri Funciare [170], în România suprafeţele irigate au crescut în anul 2009,
comparativ cu cele din anul 2005, cu aproximativ 665.000ha, reprezentate de
aproximativ 432 de unițăți administrative particulare de irigații (fig.2.8). Suprafaţa cu
potenţial economic irigabil se apreciază la 5,5 mil ha, din care 3,5 mil ha cu eficienţă
economică mare. În acest context, irigaţiile vor deveni cel mai important consumator de
apă din agricultură şi unul dintre principalii consumatori pe plan naţional, solicitând în
medie 35 – 45% din resursele de apă exploatabile ale ţării.
Pentru menţinerea valorilor necesare acoperirii cererii de alimente la nivel
mondial, aflate în creştere, ar trebui ca suprafeţele cu terenuri irigate să crească cu cca.
11
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
30% ceea ce ar conduce la necesitatea creşterii cantităţii de apă proaspătă pentru irigaţii
cu 15-20%.
2.2.1.2. Evoluția suprafețelor cultivate pentru obținerea culturilor energetice
Culturile energetice, conform R(CE) nr.1782/2003 Art.88, sunt culturile
agricole utilizate pentru obţinerea biocombustibililor, biocarburanţilor, energiei electrice
şi termice produsă din biomasă prin cogenerare. Organizaţia Naţiunilor Unite (ONU)
estimează că în 15 - 20 de ani, un sfert din energia şi combustibilii folosiţi la nivel
mondial vor proveni din biomasă sau din surse alternative. În acest context, culturile
energetice (rapiţa, salcia energetică, trestia, iarba energetică, floarea soarelui, soia, etc.)
prezintă un interes din ce în ce mai mare la nivel global, în scopul obţinerii biomasei.
Uniunea Europeană ocupă locul întâi pe plan mondial ca producător,
consumator și importator de rapiță, potrivit Departamentului de Agricultură al
guvernului american (USDA).
Fig.2.13.Primele poziții ale ţărilor producătoare de rapiţă în Europa, în 2012
La nivelul anului 2010, suprafaţa cultivată cu rapiţă a situat România în
primele cinci state membre U.E., iar ponderea acesteia în suprafața totală cultivată cu
rapiță a Europei a scăzut cu 1,7%, față de anul precedent. Se estimează că producţia va
scădea la 180.000 de tone, de la 670.000 de tone în 2012.
Fig.2.14. Suprafețele de exploatație agricolă din România şi zonele cu plantaţii de
rapiţă
12
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Salcia energetică este cunoscută şi sub denumirea de salcie repede
crescătoare, este cultivată în scopul obținerii de resurse energetice, fiind utilizată ca
biomasă pentru fabricarea de brichete sau peleţi folosite la încălzirea centralelor
termice.
În anii 70 au început cercetările pentru salcie la Institutul Lantmannen
Agroenergi (Suedia), în cadrul cărora s-a urmărit crearea unor soiuri cu valoare
energetică ridicată, cu dezvoltare rapidă, rezistente la diferite condiţii de mediu şi care
să reprezinte o sursă de biomasă ieftină. Astfel, s-au obţinut hibrizi cu o valoare calorică
de 4900 kcal/kg, cu o creştere zilnică între 3-3,5 cm şi care sunt rezistenţi la boli,
dăunători şi îngheţ. O plantaţie are viaţa de 25-30 ani în care în primul an de viaţă
producția este nesemnificativă, de cca. 10t/ha (în această perioadă se dezvoltă rădăcina)
iar în anii următori producţia anuală este de 40-45 t/ha (după evidenţele suedeze şi 50-
60 t/ha in Ungaria).
Acest tip de cultură nu este suficient de cunoscut, pe teritoiul Romaniei
cultivandu-se prima dată în anul 2007, în zona Harghitei şi a Braşovului (fig.2.15).
Fig.2.15. Zone din Romania în care se plantează salcia energetică
2.2.2. Irigarea cu ape uzate
În Romania existau, la nivelul anului 1996, peste 60000 ha cu amenajari
de irigație cu ape uzate, provenind de la complexele zootehnice, incluse în circa
30 de sisteme de irigație [63], [92]. În prezent acestea nu mai sunt funcționale,
fiind abandonate.
2.3. Sisteme de agricultură şi eficacitatea irigării culturilor cu ape uzate
Sistemul de agricultură reprezintă complexul de factori naturali şi antropici
care ajută la derularea firească a procesului de producţie agricolă.
În Europa, în domeniul agricol, în funcţie de tehnologiile utilizate sunt
practicate diferite sisteme de agricultură: durabilă, convenţională (moderat intensivă şi
puternic intensivă), de precizie, extensivă, biologică (alternativă) si organică;
13
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
2.3.3. Riscuri şi exigenţe la irigarea cu ape uzate a culturilor agricole
Rezultatele obţinute în ultima perioadă, de către cercetători specialişti în
diferite câmpuri experimentale au evidenţiat faptul că irigarea cu ape uzate, practicată în
mod necorespunzător poate prezenta diferite riscuri asupra mediului dintre care cele mai
importante sunt oboseala solului, calitatea necorespunzătoare a apelor uzate,
colmatarea terenurilor amenajate, riscuri cauzate de prezența metalelor grele, a
bacteriilor patogene.
2.3.4. Condiţii şi restricţii de aplicare
În compoziția apelor uzate predomină ca principali impurificatori substanțele
organice (hidrați, proteine, lipide), produșii lor de transformare precum și o mare
varietate a combinațiilor între aceste substanțe. Cei mai periculoși poluanți sunt cei de
natură organică, deoarece aceștia intră în fermentație accentuând fenomenul de
eutrofizare.
Cercetările recente evidenţiate în literatura de specialitate arată că în staţiile de
epurare echipate cu o treaptă mecanică şi biologică, eficienţa privind eliminarea azotului
total 5-25%, adică o mare parte din compușii azotului ajung în receptori cu consecințe
negative asupra mediului înconjurător.
Fosforul, împreună cu compușii azotului sunt asimilați cu ușurință de către
alge, contribuind direct la creșterea ritmului de eutrofizare a apelor stătătoare sau a celor
cu curgere lentă.
Tab.2.4. Eficiența eliminării concentrațiilor compușilor de azot
Forma de azot
Concentrația compușilor de N (mg/dm3) Eficiența medie
totală a epurării(%)
În apa uzată În efluentul
primar În efluentul
secundar
Azot organic 10-25 7-20 3-6 30-60
Amoniu 10-30 10-30 10-30 0
Nitriti 0-0,1 0-0,1 0-0,1 0
Nitrati 0-0,5 0-0,5 0-0,5 0
Azot total 15-50 15-40 15-40 15-40
Tab.2.5. Eficiența eliminării concentrațiilor compușilor de fosfor
Forma de fosfor
Concentrația compușilor de P (mg/dm3) Eficiența medie
totală a epurării (%)
În apa uzată
În efluentul primar În efluentul
secundar
Fosfor organic 1-3 0,5-2 0,5-1 30-60
Ortofosfati 2-8 1-7 1-8 0-40
Polifosfati 2-8 2-8 1-3 20-60
Fosfor total 4-14 3-12 3-11 10-30
Reținerea azotului și fosforului din apele uzate constituie o preocupare majoră
în întreaga lume datorită surselor de apă care sunt din ce în ce mai puține și mai poluate.
Sub aspect legislativ sunt evidențiate valorile indicatorilor de calitate ai apelor uzate ce
urmează a fi valorificate în irigații.
14
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
CAPITOLUL III
BAZELE TEORETICE ALE PROCESELOR DE ELIMINARE A AZOTULUI ŞI
FOSFORULUI DIN APELE UZATE.
MODELAREA MATEMATICĂ A MIŞCĂRII APEI ÎN SOL
3.1. Teoria cinetică a proceselor de nitrificare-denitrificare/defosforizare
Procesul de nitrificare biologică este procesul în care azotul, sub formă de ioni
de amoniu, din apa uzată neepurată este oxidat succesiv la nitrit (NO2-) și apoi la nitrat
(NO3-), într-un mediu bine oxigenat. Evacuarea apelor uzate nitrificate va satisface în
general cerințele de acceptare a receptorului unde reducerea necesarului de oxigen
pentru azot este cerută sau unde reducerea toxicității amoniacului este necesară.
În procesul de nitrificare au loc două procese importante: reducerea substanței
organice, ce se realizează cu ajutorul unor bacterii aerobe heterotrofe (fig.3.1.a.) și
respectiv reducerea azotului amoniacal (nitrificarea propriu-zisă) care se realizează cu
ajutorul unor populații de bacterii aerobe autotrofe (fig. 3.1.b.), care oxidează amoniu la
nitrat cu formarea intermediară a nitritului.
a) aerobe heterotrofe b) aerobe autotrofe
Fig.3.1. Reprezentarea schematică a metabolismului bacteriilor implicate în procesul de
nitrificare
Stoechiometria nitrificării
La nivel biochimic, procesul de nitrificare, presupune mai mult decât oxidarea
succesivă a amoniului la nitrit de către bacteriile Nitrosomonas și a nitritului la nitrat de
către Nitrobacter. Sunt implicate numeroase reacții intermediare și enzime.
Fig.3.2. Schema procesului de nitrificare
Cinetica nitrificării Expresiile cinetice vor fi dezvoltate pentru a descrie rata creșterii
nitrificatorilor și a oxidării amoniului precum și impactul pe care îl au un număr de
factori de mediu asupra acestor rate. De asemenea, vor fi evaluați și alți factori care au
15
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
un impact asupra eficienței și performanței bazinelor de nitrificare, inclusiv consumul
biochimic de oxigen la proporția de azot și influențele zonelor de reducție.
Factorii care influențează procesele de nitrificare sunt temperatura,
concentrația oxigenului dizolvat, pH-ului si alcalinității, raportul carbon organic
influent/azot.
Bazele teoretice ale procesului de denitrificare Denitrificarea biologică continuă procesul de nitrificare şi constă în reducerea
progresivă a nitratului la nitrit şi în final a nitritului până la forma de azot molecular,
utilizând un mediu lipsit de oxigen sub acțiunea bacteriilor denitrificatoare. Condiţia
necesară a acestei reacții o constituie lipsa oxigenului molecular, locul acestuia, pentru
asigurarea respiraţiei bacteriene, este luat de nitrat.
Fig. 3.7. Reprezentarea schematică a metabolismulului bacteriilor anoxice heterotrofe
Transformarea nitratului la o formă mai ușor de eliminat este realizată prin
bacterii de tipul achromobacter, aerobacter, alcaligenes, bacillus, brevibacterium,
flavobacteriu, lactobacillus, micrococcus, proteus, pseudomonas și spirillum.
Fig.3.8. Schema procesului de denitrificare
Stoichiometria denitrificării
În procesul de denitrificare, nitratul și nitritul acționează ca acceptor de
electroni în lanțul de transport electronic în același mod ca și oxigenul.
Procesul implică transferare de electroni de la un donor de electroni (ex. substrat
organic) la un acceptor de electroni oxidat (ex. oxigen, nitrat, nitrit). Ecuațiile
stoichiometrice teoretice pun în evidenţă masa de donatori de electroni (ex: substratul de
carbon) și acceptori (ex: oxigen, nitrați și nitriți) consumați și masa de celule produse în
timpul oricărui proces biologic.
Factorii care influențează denitrificarea sunt temperatura, concentrația
oxigenului dizolvat, pH-ului si alcalinității.
16
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.3.10. Schema procesului de nitrificare- denitrificare
3.2. Modele matematice privind curgerea apei prin porii solului
3.2.1. Generalităţi asupra mişcării apei în sol
Modelarea matematică a fenomenelor de curgere şi transport se bazează atât
pe modele hidrodinamice cât şi hidraulice. După modul de considerare a vitezei de
variaţie a parametrilor hidraulici în acvifere, problemele de curgere pot fi atât în regim
tranzitoriu, cât şi în regim permanent (staţionar). Trebuie subliniat faptul că "modelele
matematice sunt folositoare când sunt suficiente date geologice semnificative şi când
există înregistrări pe mai mulţi ani privind mişcarea contaminanţilor".
Solul, datorită organizării sale complexe, se prezintă ca un rezervor natural de
apă, cu un consum continuu al acesteia, dar şi în continuă reînnoire. Conţinutul de apă al
solului, mereu schimbător în cantitate şi calitate, îndeplineşte complexe funcţii
ecologice. El are un dublu caracter: de factor ecologic, participând la fiziologia şi
creşterea plantelor şi de determinant ecologic, influenţând sau condiţionând existenţa
altor factori şi determinanţi ecologici (aerul, căldura, reacţia, substanţele nutritive
accesibile, microorganismele, consistenţa, etc.)
Mişcarea apei din sol este determinată de diferenţa de potenţial a apei între
două puncte date [112]. Apa în sol se deplasează de la punctele cu potenţial hidraulic
mai mare către punctele cu potenţial hidraulic mai mic, iar forţa motrice a mişcării o
constituie gradientul potenţial al apei din sol.
Forţele ce determină circulaţia apei din sol pot fi împărţite, după forma
caracteristică a mişcării pe care o produc, în forţe mecanice (din care fac parte forţele
gravitaţionale), forţe de presiune (hidrostatice) si forţe capilare (care determină
circulaţia masivă/globală a apei în stare lichidă), [12].
17
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig. 3.12. Mişcarea apei în sol
Vegetația are un rol important în procesul de infiltrație și de scurgere de
suprafață. În prezenţa vegetaţiei o parte din precipitaţie este reţinută prin intercepţie de
stratul vegetal iar restul ajunge pe sol străbătând foliajul sau prin curgerea pe trunchiul
arborilor (fig.3.13).
Fig.3.13. Apa în sistemul sol-plantă-atmosferă.
3.2.2. Modele matematice în soluri saturate – Legea lui Darcy
În solul saturat, circulaţia apei are loc în conformitate cu legea lui Darcy.
Acesta, fiind solicitat să rezolve problema aprovizionării cu apă a oraşului Dijon, a
efectuat numeroase studii, ajungând la formularea legii care îi poartă numele.
Domenii de valabilitate a legii lui Darcy
Legea lui Darcy este valabilă pentru regimurile de curgere laminară care au
loc, de obicei, în nisipurile fine, şilţuri şi argile. Legea lui Darcy poate să descrie însăşi
procesele curgerii continuu sau staţionare, în care fluxul rămâne constant şi egal de-a
18
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
lungul sistemului de direcţionare (deci potenţialul şi gradientul rămân în orice punct
constant cu timpul).
3.2.3. Modele matematice în soluri nesaturate – Legea lui Richards
Legea lui Darcy, deşi concepută iniţial pentru mişcarea apei în solurile
saturate, a fost extinsă de Richards şi pentru condiţii de nesaturare, cu precizarea că
acum conductivitatea hidraulică este o funcţie a sucţiunii matriciale.
3.3. Utilizarea programelor matematice pentru simularea proceselor cercetate
Dezvoltarea cercetarilor în domeniul complex al relațiilor dintre apa-sol-plantă și
variațiile climatice, a permis elaborarea unor modele matematice capabile de a simula
procesele naturale în conducerea procesului de irigare și mișcarea apei în sol.
3.3.1. Utilizarea programului ISAREG şi a subprogramului EVAPOT
Simulările de irigaţii cu ajutorul acestor modele şi programe de calcul permit
stabilirea cerinţelor de irigaţii în condiţii climatice reale (de distribuţia în timp a
precipitaţiilor şi a evapotranspiraţiei), pedologice (capacitatea de reţinere, ş.a),
agrotehnice. Elementele bilanţului hidric sunt modelate matematic, folosindu-se fie
modelele de tip "flux", fie modelele de tip "rezervor" [139].
Fig.3.15. Clasificarea modelelor de calcul pentru cerința de irigație
ISAREG este un model conceptual pentru simularea şi optimizarea
programării irigării terenurilor agricole realizat de profesorul Pereira și colaboratorii săi
de la Institutul de Agronomie, Universitatea Tehnică din Lisabona (Portugalia), la care
am participat personal la diverse aplicații. Modelul stabilește datele de aplicare a
udărilor și normele de udare pentru un sezon și pentru o cultură, efectuează un bilanţ sol
– apă pentru irigaţii, în combinaţie cu o rutină pentru apă – producţie, pentru a optimiza
programarea udărilor.
Modelul de calcul al necesităţilor hidrice se bazează pe realizarea bilanţului
hidric al solului, considerându-l un rezervor care primeşte apă din precipitaţii, irigaţii,
ascensiunea capilară, şi care pierde apă prin evapotranspiraţia culturilor, prin scurgerile
superficiale şi prin percolare (fig. 3.16).
19
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig. 3.16. Bilanţul hidric al solului
Fig. 3.17. Schema logică a programului ISAREG
Submodulul EVAPOT aparţine modulului de calcul ISAREG, conceput să
determine evaporaţia de referinţă zilnică, lunară sau anuală pe perioada luată în calcul.
20
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Modulul ISAREG este dependent de fișierele formate în urma rulării submodulul
EVAPOT. Pentru rularea submodulului EVAPOT, se definește perioada de calcul şi se
crează fișiere cu datele climatice caracteristice zonei cercetate.
Subprogramul oferă posibilitatea determinării evaporaţiei de referinţă după 3
metode de calcul. Metoda Penman şi metoda Penman-Monteith oferă cea mai mare
precizie în calculul ET0 pentru perioade de estimare sub 5 zile.
3.3.2. Utilizarea softului MOHID de modelare a fenomenului de curgere a apei
în sol
Denumirea MOHID reprezintă prescurtarea din portugheză "Modelo
Hidrodinâmico" (Model Hidrodinamic). Programul a fost creat în 1985 şi dezvoltat
ulterior de o echipă de cercetători din cadrul Institutului Superior Tehnic în colaborare
cu Hidromod Lda. (http://www.hidromod.pt), incluzând de asemenea contribuţii ale
echipei permanente de cercetare şi ale doctoranzilor din cadrul Departamentului de
Inginerie a Mediului şi Mecanică, cât şi a studenţilor de la cursul de master "Modelarea
mediului marin".
Software-ul MOHID este un sistem de modelare al apei, bazat pe module de
volume finite realizate în ANSI FORTRAN 95 utilizând filosofia programării orientate
pe obiect, integrând diverse modele numerice şi susţinând interfaţa grafică a
utilizatorului ce gestionează toată pre şi post-procesarea, fiind structurat pe trei modele:
MOHID Land, MOHID River și MOHID Water, acestea rezolvă o serie întreagă de
probleme reprezentate schematic în figura 3.20.
Fig.3.20. Principalele probleme rezolvate în cadrul programului MOHID
21
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Ecuaţiile ce definesc modulele din softul MOHID Land
MOHID Land este cel mai recent executabil de bază din cadrul programului
MOHID. În cadrul lui a fost integrat si executabilul MOHID Soil care simulează fluxul
de apă prin mediul poros. Acesta rezolvă ecuaţia lui Richards pentru a simula fluxurile
de apă în mediul poros saturat şi nesaturat, proprietăţile hidraulice fiind descrise cu
ajutorul funcţiei Van Genuchten
.
Fig.3.23. Geometria şi ecuaţiile Mohid Land, [166]
Suprafaţa terenului este descrisă bidimensional de o reţea de linii orizontale,
impartita in celule (fig.3.23). Înălţimea este specificată în centrul fiecărei celule din grila
de linii, folosind un DTM (digital terrain model). Mediul poros este un domeniu
tridimensional, cu aceleaşi linii orizontale ca şi suprafaţă, şi cu linii verticale care să
permită determinarea grosimii straturilor. Reţeaua hidrografică este un domeniu
unidimensional definit din DTM. Pentru calcularea variabilelor şi a fluxurilor, modelul
foloseşte abordarea volumului finit (volum de control).
Modulele din MOHID Land
Module dezvoltate asociate cu procese specifice ce pot fi întâlnite în funcție de
mediile specifice simulate, crează o structură modulară. Procesele principale rezolvate
fiind prezentate în cele ce urmează pentru fiecare modul MOHID Land.
Tab.3.4. Modulele MOHID Land Denumire modul Descriere
Modulul Athmosfere calculează evapotranspirația reală și de referință
Modulul PorousMedia calculează infiltraţiile, mişcarea nesaturată şi saturată a apei
Modulul Porous
Media Properties
calculează proprietăţile de transport şi transformările din sol
Modulul Sediment
Quality
calculează transformările proprietăţilor în sol conduse de microorganisme (mineralizarea, nitrificarea, denitrificarea, etc.)
22
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Denumire modul Descriere
Modulul PREEQC calculează transformarea proprietăţilor în sol prin echilibru chimic
Modulul Runoff calculează scurgerea de suprafaţă în zona luată în calcul
Modulul Runoff
Properties
calculează proprietăţile transportului în timpul scurgerilor
Modulul Vegetation gestionează creşterea vegetaţiei şi practicile agricole
Modulul Basin
gestionează informaţiile dintre module şi calculează interfaţa, forțând fluxurile dintre atmosferă şi sol (evaportranspiraţia
potenţială)
În vederea centralizării datelor inițiale programul împarte fișierul numit
„General data”, în 4 subfişiere numite: „Boundary conditions”, „Digital Terrain”,
„Initial Conditions” şi „TimeSeries Location”.
Scheme logice de modelare a programului MOHID
În funcție de modulul care ne interesează și pe baza relațiilor pe care
funcționează programul matematic de simulare MOHID Land, s-au elaborat scheme
logice de funcționare pentru Modulul Hidrodinamic şi Modulul Water Proprieties.
Fig. 3.24. Schema logică a modulului Hidrodinamic
Fig. 3.25. Schema logică între modulul Water Properties și alte module
23
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
CAPITOLUL IV
MĂSURI TEHNICE NECESARE PENTRU
VALORIFICAREA APELOR UZATE ÎN IRIGAŢII
4.1. Aspecte calitative privind apele uzate evacuate din aglomerările rurale şi
urbane
4.1.1. Compoziţia apelor uzate d.p.d.v. fizic, chimic, biologic şi bacteriologic
Caracterizarea compoziţiei apelor uzate privind calitatea acestora se face în
urma analizelor de laborator de către agenţii economici ce utilizează reţelele de
canalizare, inspectoratele de protecţie a mediului, direcţiile de ape bazinale şi
administratorii staţiilor de epurare, urmărindu-se astfel caracteristicile fizice, chimice şi
biologice.
4.1.2. Formele sub care se află substanţele nutritive (N şi P) în apele uzate şi efectul
lor asupra sănătăţii oamenilor şi asupra animalelor
Azotul este elementul de bază din constituția proteinelor și aminoacizilor ce
provine din diverse procese biochimice de degradare a produselor vegetale și animale,
unde sunt transformați în ioni de amoniu, nitrați, nitriți sau rămân ca azot albuminoidal.
Fig.4.3. Ciclul azotului
24
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig. 4.6. Ciclul azotului în apele de suprafaţă
Fig. 4.7. Ciclul azotului în sol şi în freatic
Prezența fosforului în apele naturale este legată de șiroirea apelor pe câmpuri
fertilizate cu îngrășăminte fosfatice precum şi prin impurificarea cu ape uzate menajere,
de la unități zootehnice și de la degradarea biochimică a microorganismelor vegetale și
animale, fiind unul din constituienții de bază ai celulelor vegetale și animale.
25
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig. 4.8. Circuitul P în natură
4.1.3. Necesitatea îndepărtării azotului și fosforului din apele uzate
Azotul și fosforul sunt elementele chimice cunoscute sub denumirea de
nutrienți, fiind substanțe necesare vieții. Însă în situațiile în care cantitățile acestora
depășesc limita admisibilă în apele uzate acestea prezintă un impact negativ asupra
mediului înconjurător, devenind poluanți agresivi pentru apele subterane, apele de
suprafață, sol și aer.
Biostimularea creşterii plantelor şi algelor în apele de suprafaţa (fenomenul
de eutrofizare)
Fig.4.9. Schema fenomenului de eutrofizare
În prezent 30-40% din apele de suprafață sunt afectate într-o masură mai mică
sau mai mare de fenomenul de eutrofizare [49], [56]. Eliminarea nutrienților din apă este
esențială pentru un impact redus al stației de epurare asupra mediului înconjurător prin
reducerea la minim a riscului de eutrofizare a cursurilor naturale [43].
26
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
4.2. Procese de îndepărtare a poluanţilor din apele uzate
Epurarea apelor uzate se poate realiza prin metode ce se bazează pe procese
fizice, chimice şi biologice, care diferă funcţie de tipul poluanţilor şi concentraţia lor în
apă uzată.
Fig. 4.11. Schema generală a circuitului apelor uzate în stația de epurare
4.2.1. Epurarea mecanică În cadrul treptei primare (epurarea mecanică) sunt folosite instalaţii de reţinere
a corpurilor şi suspensiilor mari (grătare, site), de separare a uleiurilor şi grăsimilor prin
flotare (separatoare de grăsimi, sedimentarea materialelor solide în suspensie, realizată
în deznisipatoare şi decantoare).
4.2.2. Epurarea biologică convenţională În cadrul treptei de epurare secundare (epurarea biologică) se folosesc procese
biochimice prin care se îndepărtează materiile solide coloidale şi compuşii organici
biodegradabili, realizată în bazine cu nămol activ, în filtre biologice sau iazuri biologice.
4.2.3. Epurarea biologică avansată
Epurarea avansată a apelor uzate sau treapta terţiară, constituie o soluţie nouă
tehnologică de reţinere din apele uzate a compuşilor azotului şi fosforului în special,
precum şi a altor impurificatori a căror structură chimică şi biologică nu permit a fi
reţinute şi eliminate într-o staţie de epurare convenţională [21], [37], [44], [98].
Fig. 4.13. Clasificarea metodelor de epurare avansată
27
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
4.2.3.1. Scheme tehnologice biologice de nitrificare şi denitrificare, tip preD, cu
postD şi combinate Pentru realizarea nitrificării și denitrificării se pot utiliza diferite scheme
tehnologice unde se poate asigura desfășurarea proceselor în același reactor sau în
reactoare independente.
Procedeele de nitrificare pot fi clasificate pe baza gradului de separare a
funcțiilor de oxidare a carbonului și de eliminare a azotului prin nitrificare:
a) nitrificare într-o singură fază, unde oxidarea carbonului și nitrificarea au loc în
același reactor (fig.4.14).
Fig.4.14. Schema de nitrificare într-o singură fază
b) nitrificarea în două faze separate, unde oxidarea carbonului și nitrificarea au loc în
reactoare independente (fig.4.15.).
Fig. 4.15. Schema de nitrificare în două faze separate.
4.2.3.2. Eliminarea bacteriilor patogene
Eliminarea bacteriilor patogene din apele uzate epurate, constituie un proces
de epurare avansată ce se efectuează prin procedeul de dezinfecție, care cuprinde două
faze: pătrunderea dezinfectantului prin peretele celular și denaturarea materiilor proteice
din protoplasmă [40].
4.3. Tehnologii moderne aplicate în epurarea avansată a apelor uzate
4.3.1. Eliminarea azotului prin procese de nitrificare-denitrificare
Eliminarea concentraţiilor de azot din apele uzate prin metode avansate de
epurare presupune transformarea azotului amoniacal în nitrat în mediul aerob, respectiv
transformarea nitratului în azot gazos în mediul anoxic.
28
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
4.3.1.1. Procedeul de eliminare a azotului cu nămol în bazin unic
Acest procedeu prezintă avantajul eliminării costurilor ridicate pentru sursele
externe de carbon, pentru realizarea procesului de nitrificare utilizându-se doar carbonul
existent în apele uzate şi fragmentele de ţesut celular bacterian rămas după dezintegrarea
endogenă a organismelor.
Fig.4.23. Schema tehnologică combinată de tip Bardenpho în patru trepte
4.3.1.2. Procedeul de eliminare a azotului cu nămol în bazine separate
Procesele în care se realizează oxidarea substanţei organice în bazine separate
pot fi procese cu biomasă în suspensie sau cu biomasă fixată.
Fig.4.24. Schema tehnologică pentru eliminarea azotului cu nămol în bazine separate
În cazul proceselor cu biomasă fixată se utilizează filtrele biologice cu discuri
(fig.4.25) şi bazine cu pat fluidizat (fig.4.26)
Fig.4.25.Schema tehnologică cu denitrificare în filtru biologic cu discuri
29
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.4.26. Schema tehnologică cu denitrificare în bazin biologic cu pat fluidizat
4.3.2. Eliminarea fosforului prin procese anaerobe combinate cu cele aerobe (de
tip A/O) Fosforul este reţinut prin încorporarea ortofosfaţilor, polifosfaţilor şi a
fosforului legat organic, în ţesutul celular, cantitatea totală de fosfor îndepărtată din
sistem fiind funcţie de cantitatea de flocoane biologice produse efectiv.
4.3.2.1. Procedeul Anaerob/Onix (A/O)
Fig. 4.27. Schema tehnologică de eliminarea fosforului, A/O
4.3.2.2. Procedeul PHOSTRIP
Fig. 4.28. Schema tehnologică de eliminarea fosforului, phostrip
30
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
4.3.2.3. Procedeul bazinelor cu funcţionare secvenţială
Fig. 4.29. Schema tehnologică de eliminarea fosforului în bazinul cu funcţionare
secvenţială (a.umplere bazin; b.desfăşurare proces biologic – amestec sau aerare; c.proces de sedimentare;
d.golire bazin)
4.3.3. Eliminarea azotului şi fosforului prin procese simultane (de tip A2/O,
Badenpho, UCT, VIP)
Cele mai multe tehnologii de îndepărtare combinată a acestor compuşi implică
o serie de combinaţii între zone anaerobe, anoxice şi aerobe, sau compartimente special
destinate eliminării azotului şi fosforului. Principalele tehnologii pentru eliminarea
simultană a azotului şi fosforului sunt procedeul A2/O, procedeul Bardenpho în 5
trepte, procedeul UCT, procedeul VIP.
4.3.3.1. Procedeul Anaerob Anoxic/Oxic (A2/O)
Fig.4.30. Schema tehnologică de eliminare a azotului şi fosforului tip A2/O
31
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
4.3.3.2. Procedeul Bardenpho în 5 trepte
Fig.4.31. Schema tehnologică de eliminare a azotului şi fosforului, tip Bardenpho
4.3.3.3. Procedeul UCT (University of Cape Town)
Fig.4.32. Schema tehnologică de eliminare a azotului şi fosforului, tip UCT
4.3.3.4. Procedeul VIP (Virginia Initiative Plant)
Fig.4.33. Schema tehnologică de eliminare a azotului şi fosforului, tip VIP
În urma epurării avansate, folosind tehnologiile menţionate de nitrificare-
denitrificare/defosforizare, efluentul prezintă calităţi ce se încadrează în restricţiile
impuse de NTPA-001/2005 şi deci este inofensiv pentru mediu. În plus, este indicat
pentru valorificarea la irigarea culturilor agricole.
32
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
CAPITOLUL V
CERCETĂRI EXPERIMENTALE ASUPRA TEHNOLOGIILOR DE EPURARE
AVANSATĂ.
STUDIU DE CAZ: Staţia de epurare a municipiului Piatra Neamţ
5.1. Aspecte geografice privind Judeţul Piatra Neamţ
5.1.1. Generalităţi
Judeţul Neamţ este situat în partea central-estică a României, ocupă o poziţie
care se suprapune, în parte Carpaţilor Orientali, Subcarpaţilor Moldoveneşti şi Podişului
Moldovenesc, limitându-se la nord cu judeţul Suceava, la vest cu judeţul Harghita, la
sud cu judeţul Bacău, iar la est cu judeţele Vaslui şi Iaşi. Se întinde pe o suprafaţă de
5896 km², ceea ce reprezintă 2,5% din suprafaţa totală a ţării.
5.1.2. Studii geomorfologice
Fig.5.3. Amplasare geomorfologică zonală 3D a municipiului Piatra Neamț
5.1.3. Studii climatice
Exceptând zona de munte, anual în judeţ se înregistrează cca. 270 zile cu
temperaturi medii > 00C, 220 zile cu temperaturi >50C, 170 zile cu temperaturi >100C,
115 zile cu temperaturi >150C, 68 zile cu temperaturi >180C şi 23 zile cu temperaturi
medii >200C. Maxima absolută, de +38,6ºC (din august 1952) s-a înregistrat la Piatra
Neamţ, iar minima de -33,2ºC (din februarie 1954) s-a semnalat în Roman.
33
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.5.4.Temperaturi medii anuale în perioada 2008-2011
Fig.5.5. Variații medii anuale ale vitezei vântului în perioada 2008-2011
Fig.5.6. Variații medii anuale ale radiaţiilor în perioada 2008-2011
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
ian feb mar apr mai iun iul aug sep oct nov dec
Tem
pe
ratu
ra [
oC
] 2008
2009
2010
2011
0
1
1
2
2
3
3
4
4
ian feb mar apr mai iun iul aug sep oct nov dec
Vit
eza
van
tulu
i [m
/s]
2008
2009
2010
2011
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
ian feb mar apr mai iun iul aug sep oct nov dec
[w/m
²]
2008
2009
2010
2011
34
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.5.7. Precipitații medii anuale în perioada 2008-2011
5.1.4. Studii hidrologice
Sistemul hidrografic al orașului este format din ape curgatoare (Bistrița,
Cuejdiu), pâraie (Sarata, Borzoghean, Doamna) și lacuri (acumularea Batca Doamnei -
255 hectare cu un volum de aproximativ 10 milioane m3 de apă) și lacul Reconstrucția
(10 hectare cu un volum de aproximativ 250.000 m3 de apă).
5.1.5. Studii pedologice
În zona montană întâlnim soluri silvestre (brune acide, brune podzolice şi
rendzine brune pe porţiuni mai restrânse) care au, în general grosimi mici şi sunt
acoperite cu păduri şi pajişti naturale.
5.2. Descrierea schemei tehnologice a staţiei de epurare retehnologizată şi
modernizată în vederea eliminării azotului şi fosforului
5.2.1. Amplasamentul staţiei de epurare
Staţia de epurare a apelor uzate este situată în partea de sud-est a municipiului Piatra
Neamţ.
0
50
100
150
200
250
300
ian feb mar apr mai iun iul aug sep oct nov dec
Pre
cip
itat
ii [m
m]
2008
2009
2010
2011
35
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.5.9. Amplasamentul Stația de epurare a apelor uzate Piatra Neamț
A fost construită în anul 1966 şi modernizată ulterior în mai multe etape:
treapta primară în 1982 şi treapta secundară în 1983. Obiectivul principal în tehnica de
epurare a apelor uzate este de a realiza un grad de epurare cât mai ridicat, pentru
atingerea căruia trebuie modernizate în mare parte majoritatea staţiilor de epurare
existente pentru a funcţiona în conformitate cu normele de exploatare şi directivele
Uniunii Europene.
5.2.2. Mărimea debitului şi compoziţia apei uzate influente în staţia de epurare
Staţia de epurare a fost reabilitată pentru un debit de 45000 m3/zi.
Tab.5.5. Parametrii de curegere luaţi în calcul la proiectarea staţiei
Debitul în perioada secetoasă Qd 27,000 m3/zi
Qmediu 1,100 m3/oră
Debitul mediu
Qmediu 45,000 m3/zi
Qmediu 1,900 m3/ oră
560 l/sec
Debitul în punctul culminant
calculat din oră în oră qpeak
2,800 m3/ oră
780 l/sec
Curgerea maximă
Qmax 90,000 m3/zi
qmax 6,000 m3/ oră
1,700 l/sec
36
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.5.10. Variația debitelor influente în stația de epurare, anul 2011
Fig.5.11. Probele efluent și influent, stația de epurare Piatra Neamț
5.2.3. Determinarea gradului de epurare necesar apei uzate
Deoarece cantităţile şi concentraţiile de poluanţi sunt mărimi direct
proporţionale, calculul eficienţei treptelor de tratare poate fi determinat şi pe baza
concentraţiilor având la bază valorile medii ale parametrilor analizaţi.
0
5000
10000
15000
20000
25000
15598.3 15998.3 15215.4
14127.0 14792.7
13156.9 14083.1
13894.1 14167.3
18679.1 20264.4
18966.5 D
eb
it [
mc/
zi]
37
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
5.2.4. Schema staţiei de epurare retehnologizată în vederea implementării treptei
terţiare
În anul 1997 staţia de epurare a apelor uzate a fost retehnologizată şi
modernizată în scopul implementarii treptei terțiare de epurare, la un debit mediu pe
timp uscat de 45.000 m3/zi, pentru o populaţie echivalentă de 205.000 consumatori,
respectiv 137.000 consumatori casnici, 47.800 consumatori industriali, 18.500 instituţii,
restul de 1.700 populaţie echivalentă corespunzând apei recuperate de la Staţia de tratare
a apei potabile (STAP).
Staţia de epurare funcţionează în prezent cu toate treptele de epurare, respectiv
treapta primară, secundară şi terţiară. În figura 5.12 este prezentată vedere de ansamblu a
stației de epurare, iar în figura 5.13 schema tehnologică în plan a acesteia după
retehnologizare.
Fig.5.12. Vedere de ansamblu a stației de epurare, după retehnologizare
38
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig 5.13. Schema în plan a staţiei de epurare Piatra Neamţ
1-camera deversoare; 2-camera de distribuție la decantoarele primare; 3-camera de distribuție la decantoarele secundare; 4-bazin de amestec nămol
îngroșat; 5-bazin de fermentare; 6-stație de pompare apă de nămol; 7-atelier mecanic; 8-stație de pompare nămol biologic; 9-camera deversoare treapta
biologică; 10-tanc tampon; 11-camera distribuție treapta biologică; 12-arzător gaze neutilizate; 13-decantoare primare radiale; 14-tancuri anoxice; 15-
bazine cu nămol activat.
39
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig 5.14. Schema tehnologică a staţiei de epurare Piatra Neamţ, după retehnologizare
A. Linia apei - reprezentată prin culoarea albastră;
B. Linia nămolului - reprezentată prin culoarea maro;
40
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
5.2.5. Studii de laborator asupra calităţii efluentului
Evidenţierea mărimii principalilor indicatori din efluent şi compararea cu
valorile admise pe terenurile agricole.
Valorile parametrilor analizaţi (M.T.S., CBO5, CCO-Cr, NH4, NO2-, NO3
-, NT,
PT), pe toată perioada anului 2011, atât din punct de vedere calitativ cât şi cantitativ
corespunzătoare tabelelor 5.11 şi 5.12 prezentate în lucrare, au fost sintetizate grafic,
pentru fiecare parametru în parte în figurile 5.13 până la 5.36.
Fig.5.17.Variaţia concentraţiei parametrului NH4
Fig.5.19.Variaţia concentraţiei parametrului NO3
3.24
1.54 1.25
1.42 1.65
1.85 1.89 1.96
0.85 0.73 0.7 0.89
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
NH
4 [
mg/
l]
NH4
L.M.A.
11.7 10.17
17.7 19.42 19.95 18.95 18.2 17.01
19.11
14.62 13.88 14.15
25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25
0
5
10
15
20
25
30
NO
3 [
mg/
l]
NO3
L.M.A.
41
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.5.29.Variaţia cantitativă a parametrului NH4
Fig.5.31.Variaţia cantitativă a parametrului NO3
Rezultatele analizelor de laborator privind valorile cantitative cât şi calitative a
principalilor parametrii analizaţi, sintetizate în figurile 5.13 până la 5.36, conduc la
concluzia finală conform căreia efluentul îndeplineşte condiţiile de calitate precizate în
NTPA 001/2005 şi poate fi valorificat în irigarea culturilor agricole, în special a celor
energetice. De asemenea, se poate afirma că în perioadele în care acesta nu este necesar
la irigare, respectiv în perioada de recoltare, se poate evacua direct în emisar fără
pericolul de a se dezvolta fenomenul de eutrofizare.
50.5
24.6 19.0 20.1
24.4 24.3 26.6 27.2
12.0 13.6 14.2 16.9
31.2 32.0 30.4 28.3 29.6 26.3 28.2 27.8 28.3
37.4 40.5 37.9
0
10
20
30
40
50
60
NH
4 [
mg/
l]
NH4
L.M.A.
182.5 162.7
269.3 274.3 295.1 249.3 256.3 236.3
270.7 273.1 281.3 268.4
390.0 400.0 380.4 353.2 369.8 328.9 352.1 347.4 354.2
467.0 506.6
474.2
0
100
200
300
400
500
600
NO
3 [
mg/
l]
NO3
L.M.A.
42
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
CAPITOLUL VI
CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND
IRIGAREA CU APE UZATE
A CULTURILOR DE RAPIŢĂ ŞI SALCIE ENERGETICĂ.
PROGRAME UTILIZATE LA SIMULAREA
LUCRĂRILOR DE IRIGAŢII.
6.1. Metode de lucru şi aparatura utilizată
Cercetările experimentale au fost efectuate atât în condiţii de laborator cât şi
de teren. S-a avut în vedere efectuarea unor studii şi cercetări chiar la locul de producere
şi valorificare a apelor uzate epurate prin metode avansate.
Având în vedere că posibilitatea valorificării apelor uzate se realizează în
principiu în imediata apropiere a stații de epurare, unde există terenuri agricole
disponibile și în același timp în zone ce îndeplinesc condițiile cerute de criteriile de
pretabilitate a terenurilor pentru irigarea cu ape uzate, soluția cea mai favorabilă pentru
amplasarea câmpului experimental a prezentat-o zona limitrofă a Staţiei de Epurare
Piatra Neamţ.
Fig.6.1. Identificarea zonei reprezentând zona câmpului experimental
Pentru realizarea obiectivelor propuse au fost efectuate o serie de determinări
fizico-chimice asupra probelor de sol şi a materialului vegetal (rapiţă şi salcie
Câmp experimental
43
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
energetică). Metodele de analiză folosite pentru caracterizarea solurilor şi determinarea
unor metale grele din sol şi culturi sunt redate schematic în figura:
Fig.6.2.Metode de determinare folosite în cercetare
Cercetările enumerate au avut loc în perioada anului 2011, iar experimentele au
fost realizate pe culturile de rapiță și salcie energetică.
6.1.2. Cercetări asupra modificării structurii solului şi a caracteristicilor fizico-
chimice
În vederea determinării calităţii
solului au fost prelevate probe din zona
experimentală şi analizate atât pedologic
cât şi agrochimic în laborator.
Solul folosit în experienţe este de
tipul cernoziom cambic, din punct de
vedere textural se încadrează în categoria
solurilor nisipoargiloase (32,6% argilă,
25,1% lut şi 42,3% nisip), permeabilitate
mijlocie, eroziune mică spre mijlocie,
neinundabil, capacitate mijlocie de apă
utilă şi adâncime mare a pânzei freatice.
Reacţia solului slab acidă
(pH≈7.50). Cernoziomul cambic luat în
studiu prezintă o secvenţă morfologică de
tipul: Am – A – Bv – C (fig.6.15.).
Fig.6.15. Morfologia cernoziomului
cambic
44
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Cercetările efectuate în laborator asupra structurii solului celor trei probe
prelevate, s-au analizat funcție de următorii parametrii: umiditate, granulometrie,
variația pH-ului, densitatea părții solide, compoziția chimică a solurilor, concentrația
metalelor grele.
Conform rezultatelor, s-a obținut o valoare medie a umiditătii pentru proba
irigată cu ape uzate de 39%, cu 1% mai mică față de valoarea solului irigat cu efluentul
terțiar și 21% mai mare față de proba martor. Rezultatele arată că, față de același tip de
sol irigat cu apă martor, în cazul utilizării ca apă de irigat apă uzată solul prezintă o
umiditate mai ridicată, deci o capacitate de stocare a apei mai mare.
Fig.6.20.Curbele granulometrice a probelor de sol P1, P2 si P3
Tab.6.5. Centralizarea rezultatelor pentru stabilirea clasei texturale Stabilirea clasei texturale după irigare
Sol inițial
(neirigat)
P1
(irigarea cu apă din râul Bistriţa)
P2
(irigarea cu efluent primar)
P3
(irigarea cu effluent terţiar)
Nisip (2-0,02mm) 42.3% 57,6% 80,4% 83,4%
Praf (0,002-0,02mm) 25.1% 23,2% 8,3% 7,5%
Argilă (<0,002 mm) 32.6% 19,1% 11,4% 9,1%
Fig.6.21.Valorile pH solurilor la diferite adâncimi
9.14 13.21 16.64 20.07 27.08 29.04
100
11.37 15.73 19.63 24.14 33.33 37.54
100
19.12 33.87
42.37 47.92 56.45
73.46 100
0
20
40
60
80
100
120
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Pro
cen
te c
um
ula
te [
%]
Diamentru [µm]
Curbele granulometrice
0-10cm
10-20cm
20-30cm
0
5
10
P1 P2 P3
7.66 8.61 8.12
7.96 8.89
7.9 7.2
8.7 7.43
Val
oar
e p
H
45
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Compoziția și modul de distribuție a elementelor componente din sol
determină o serie de calități sau proprietăți care influențează reținerea și migrarea
poluanților. În acest sens, s-au efectuat determinări asupra celor trei probe de sol pentru
determinarea concentrațiilor de Na+, Ca2+ și Mg2+, a căror valori au fost reprezentate
separat sub formă grafică în figurile 6.22, 6.23 și 6.24.
Fig.6.23. Concentrația de Ca2+ în probele de sol
Fig.6.24. Concentrația de Mg2+ în probele de sol
În scopul determinării impactului apei uzate asupra solului, din punct de
vedere al conţinutului în metale grele, s-au prelevat probe de sol pe adâncimea de 0-
30cm, din toate cele 3 câmpuri experimentale.
0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 0.0035
0-25cm 25-50cm 50-100cm 100-150cm 100-200cm
P1 0.0028 0.0020 0.0020 0.0017 0.0015
P2 0.0010 0.0030 0.0030 0.0034 0.0014
P3 0.0027 0.0019 0.0019 0.0016 0.0014
Co
nce
ntr
atia
Ca2
+ [m
Eq/l
]
P1
P2
P3
0.0000
0.0010
0.0020
0.0030
0.0040
0.0050
0.0060
0-25cm 25-50cm 50-100cm 100-150cm 100-200cm
P1 0.0014 0.0009 0.0016 0.0014 0.0015
P2 0.0050 0.0020 0.0020 0.0021 0.0040
P3 0.0014 0.0009 0.0016 0.0014 0.0015
Co
nce
ntr
atia
Mg2
+ [m
Eq/l
]
P1
P2
P3
46
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.6.25. Concentrația metalelor grele în cele 3 probe de sol
Tab.6.14.Concentraţiile metalelor grele în sol comparativ cu limitele maxime admisibile
Parametru U.M.
Valoare L.M.A. (Ordinul
nr. 756/1997)
(mg/kg s.u.) P1 P2 P3
Cd ppm 0.8 0.99 0.82 3
Zn ppm 74.1 152.0 98.1 300
Cu ppm 30.3 42.2 34.3 100
Pb ppm 20.0 48.4 22.2 50
Cr ppm 15.2 19.2 20.0 100
Ni ppm 20.3 26.0 22.1 50
*P1 probă martor , P2-probă sol irigat cu efluent primar, P3-probă sol irigat cu efluent terțiar
6.2. Cercetări asupra culturilor de rapiţă şi salcie energetice
În cercetările efectuate în câmpul experimental au fost folosite două tipuri de
culturi din categoria culturilor energetice, respectiv rapița (Bassica napus) și salcia
energetică (Salix viminalis energo).
6.2.1. Rezultatele irigării rapiței cu ape uzate
Înaintea însămânţării seminţelor de rapiţă s-a analizat influenţa apei uzate la
germinarea acestei culturi.
0.8 0.99 0.82
74
152
98
30 42
34
20
48
22 15 19
20 20
26 22
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Co
nce
ntr
atie
po
luan
t [m
g/kg
s.
u.]
Înainte de irigare După irigarea cu efluent primar După irigarea cu efluent terţiar
Cd
Zn
Cu
Pb
Cr
Ni
47
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.6.30. Germinarea semințelor de rapiță în cele 3 zile
Rata de germinaţie a fost mai mare în cazul folosirii efluentului primar,
respectiv de aproximativ 98%, decât în cazul folosirii efluentului terțiar (84%), datorită
numărului mărit de poluanți prezenți în apa ce influenţează germinaţia seminţelor.
Fig.6.32. Cultura de rapiță în câmpul experimental
Experimentele au vizat analiza gradului de acumulare a metalelor grele în
diferite părți ale plantelor (rădăcină, tulpină, frunze și semințe).
Comparativ cu conținutul în metale grele al solului, analizele au arătat că
aceste culturi au un grad ridicat în înlăturarea ionilor de Cd, Zn, Pb, Cr din sol (absorbţia
metalului).
48
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.6.34. Concentraţiile de metale grele în tulpinile de rapiţă
Fig.6.36. Concentraţiile de metale grele în seminţele de rapiţă
0
5
10
15
20
25
30
35
Cd Zn Cu Pb Cr Ni
0.1
10.38
2.7 0.18 0.27 0.51
0.29
31.42
8.3
0.78 0.9 1.42 0.15
21.3
5.1
0.41 0.45 0.92
Co
nce
ntr
atie
[m
g.kg
-1] P1
P2
P3
0
5
10
15
20
25
30
Cd Zn Cu Pb Cr Ni
0.03
16.2
3.88
0.05 0.3 0.43 0.05
28.8
11.2
0.1 0.18 2.8
0.04
20.2
4.21
0.07 0.37 0.59
Co
nce
ntr
atie
[m
g.kg
-1]
P1
P2
P3
49
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.6.37. Concentrația macronutrienților din plantă
Fig.6.38. Monstre din culturile de rapiţă obținute în urma irigării
În condiţii de irigare a culturii cu efluent terţiar, comparativ cu varianta
martor, producţia înregistrată în varianta irigată cu efluent terţiar este 20,1% mai mare,
reprezentând 228 g/m2 (2280 kg/ha), diferenţă distinct semnificativă.
6.2.2. Rezultatele irigării salciei energetice cu ape uzate
Butaşii de salcie energetică, folosiţi în experimente, aparţin familiei botanice
Salicaceae, genul Salix care cuprinde 350 de specii lemnoase, perene cu frunze
cazatoare. Înființarea culturii s-a făcut în perioada de primavară timpurie, respectiv luna
aprilie, prin plantarea butaşilor în zona de cercetare stabilită.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
N P K Ca Mg
1.9 0.9 1.2 0.8
3.1
15.4
5.1
3.3
18.2
12.6
6.2
2.2 1.7
13.8
8.2
Co
nce
ntr
atie
[%
] P1
P2
P3
P1 P3 P2
50
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Monitorizarea asupra culturii s-a efectuat din perioada de plantare și până la
recoltare, care a avut loc în timpul pauzei vegetative, după căderea frunzelor, respectiv
în luna noiembrie.
Fig.6.41. Cultura la 15 zile
Fig.6.43. Cultura la 30 zile
Cultura de salcie energetică a crescut în medie cu 3.1 cm pe zi în cazul irigării
cu efluentul terțiar, ajungând după o perioadă de 30 de zile la înălțimea de aproximativ
95 cm. Acest lucru a confirmat rata mare de creștere a plantei și adaptabilitatea rapidă la
condițiile existente.
51
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.6.45. Compoziția metalelor grele din biomasa lemnoasă în funcție de tipul de apă
aplicate
Rezultatele analizei privind concentrațiile de metale grele în plantă arată că
valorile cele mai mari s-au obținut în plantațiile din solurile irigate cu apa uzată (efluent
primar).
În urma analizării ratei de adsorbție al cadiului din sol, s-a constatat că acest
tip de cultură prezintă o capacitate ridicată de adsorbție a metalelor grele din sol într-un
timp relativ scurt, prezentând astfel un avantaj în plus în cultivarea lor pe terenurile din
imediata apropiere a stațiilor de epurare a apelor uzate.
Fig.6.47. Compoziția chimică din biomasa lemnoasă în funcție de tipul de apă aplicate
În urma determinărilor, masa uscată a plantațiilor de control a fost de
aproximativ 2300 g/m2, 4200g/m2 în cazul utilizării apei uzate la irigare (efluent
primar), respectiv 3600 g/m2 în cazul irigării cu efluent terțiar.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Cd Zn Cu Pb Cr Ni
1.3
98.0
3.2 7.2
3.2 4.3 0.6
67.3
8.4
30.4
2.4 4.2
0.8
25.0
6.5
18.2
1.0 3.2
Co
nce
ntr
atie
[m
g.kg
-1l]
P1
P2
P3
0
1
2
3
4
5
6
7
8
N P K Ca Mg Na
5.97
0.8
3.13 3.47
0.43 0.06
7.27
1.87
4.87
2.57
0.6 0.18
6.07
0.93
2.47
3.7
0.43 0.08
Co
nce
ntr
atie
[m
g.kg
-1l]
P1
P2
P3
52
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
6.3. Cercetări prin simulare numerică la interfaţa sol-apă de irigaţii
6.3.1. Modelarea parametrilor de irigare având la bază programul ISAREG şi
subprogramul EVAPOT
Pentru rularea submodulului EVAPOT în scopul calculării evapotraspirației de
referință, s-a definit perioada de calcul corespunzătoare perioadei de vegetaţie a culturii
folosite în cercetare aferentă fiecarei luni, respectiv luna a IV a până în luna aIXa,
începând cu anul 2008 până în anul 2011 inclusiv. Atât datele iniţiale de intrare
(temperaturi, precipitații, radiații, viteza vântului etc) sub care s-a rulat subprogramul cât
şi forma definirii lor, în vederea rulării programului, sunt prezentate în anexa 2 a tezei de
doctorat.
Fig.6.48.Rezultatele calculului ETO prin rularea submodulului EVAPOT
În vederea rulării programului ISAREG, s-au ales trei scenarii de calcul.
Primul caz, cel în care nu se efectuează irigarea culturii, luându-se în calcul doar
precipitaţiile înregistrate, programul calculează perioadele în care s-a înregistrat deficit
mare de umiditate (perioadă în care a fost absolut necesară irigarea culturii), precum şi
pierderea producţiei la ha.
6.3.2. Modelarea mişcării efluentului în sol utilizând programul MOHID Land
Scopul principal al modelării cu programul MOHID a fost cel de a furniza o
analiză statistică a evoluţiei parametrilor solului sub un anumit set de condiţii, pe o
perioadă de timp îndelungată. Ca urmare a condiţiei de bază privind utilizarea unei ape
speciale la irigare, respectiv apa uzată, a fost necesară o adaptare a modulului prin
crearea unor fișiere ce prezintă condiții speciale, atât cantitative cât și calitative a apei ce
se infiltrează în coloana de sol. Astfel că, pe lângă modulele principale ale programului
MOHID, a fost utilizat un modul nou, denumit „Discharge”, modul creat în scopul
centralizării şi definirii cantitative a parametrilor efluentului.
Modelul matematic care stă la baza programului de calcul ţine cont de
regularităţile care au loc în sistemul sol-plantă-apă de irigat, stabilite pe baza condiţiilor
pedoclimatice şi analizelor agrochimice a solului luat în calcul. Pentru definirea
fişierelor de datelor iniţiale, reprezentând studii climatice, s-au folosit datele zilnice
specifice zonei cercetate, înregistrate în perioada 2008 - 2011, date ce au fost
centralizate şi prezentate ca valori medii lunare în capitolul 5, figurile 5.4, 5.5, 5.6 si
5.7.
Simulările au fost realizate pentru tipul de sol caracteristic zonei studiate, a
căror caracteristici structurale au fost determinate în laboratorul pedologic şi sunt
53
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
prezentate în capitolul 5, respectiv terenurile din imediata apropiere a staţiei de epurare
Piatra Neamţ (fig.6.63).
De asemenea, caracteristicile culturii folosite în cadrul simulărilor, au fost cele
specifice culturii de rapiță, definite automat în program prin identificarea codului
specific plantei cultivate din catalogul MOHID. Caracteristicile apei de irigat au fost
definite prin introducerea în program a valorilor zilnice specifice parametrilor
efluentului epurat terțiar, analizat la stația de epurare Piatra Neamţ în anul 2011, a
căror valori sunt centralizate și prezentate ca valori medii lunare în capitolul 5, tabelele
5.11, respectiv 5.12.
Simulările au fost realizate prin definirea în program a unei parcele de sol de
dimensiuni 100X100cm, împărţită în 9 coloane de sol cu dimensiuni egale (fig.6.65.).
Fig.6.65. Numerotarea şi împărţirea
coloanei de sol în 9 coloane de sol
Fig.6.66. Reprezentarea pe verticală a
coloanei de sol c2.2.
Coloana de sol (fig.6.66), are o înălţime de 3 metri, împărţită în 5 orizonturi şi 50
de straturi, fiecare orizont fiind împărțit în câte 10 straturi (fig.6.67).
Programul calculează și oferă rezultate pentru coloana de sol c2.2. (fig.6.65),
considerând a fi coloana cu proprietăţile cele mai relevante, înconjurată de restul coloanelor
cu caracteristici identice și aceasta nu poate fi influențată de vreo coloană de alt tip cum e
cazul celor marginale.
Pentru determinarea parametrilor hidraulici, necesari a fi introduși in modelul
aferent caracteristicilor coloanei de sol, s-a utilizat programul Rosetta (fig.6.68) care
estimează diferite proprietăţi ale solului precum parametrii de reţinere a apei în conformitate
cu van Genuchten (1980), parametrii conductivităţii hidraulice saturate şi nesaturate în
conformitate cu van Genuchten (1980) şi Mualem (1976), [132].
54
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.6.69. Variaţiile umidităţii în coloana de sol
Fig. 6.72. Viteza de infiltraţie în sol
Fig.6.73. Variația umiditații relative
55
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.6.74. Factorul de stres datorat variațiilor de temperatură
Fig.6.75. Variații ale radiațiilor solare în sol
Fig.6.83. Variatiile valorilor NO3
− în coloana de sol
56
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.6.85. Variatiile solutiei de P in coloana de sol
Fig.6.87. Potențialul de creștere al culturii
Fig. 6.88. Aportul de drenaj din stratul vegetal
Fig.6.94. Potențialul de biomasă al culturii
57
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.6.93. Eficiența utilizării radiațiilor de către plantă
De asemenea, programul generează date și oferă rezultate grafice și pentru
cantitatea de CO2 din sol, variațiile conținutului relativ de umiditate, variația precipitațiilor
în sol, rata de absorbție a N, P, Ca2+, acumularea în sol a particulelor refractoare, variația
privind masa totală a culturii, masa totală a N cumulată în plantă, creșterea maximă a
rădăcinii în adâncime, variația radiațiilor active, variațiile soluțiilor de Mg, K, Cl, Na, C din
sol, etc. grafice centralizate în anexa 3 a tezei.
De asemenea, în Mohid rezultatele pot fi afişate şi sub formă de hărţi în format
.hdf, oferind astfel posibilitatea vizualizării variațiilor parametrilor în timp și în plan vertical
a coloanei de sol (fig. 6.96) sau prin corelarea cu un alt parametru (fig. 6.98).
Fig.6.96.Variaţia umidităţii la un interval diferit de timp, în coloana de sol
58
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Fig.6.98. Umiditatea în sol corelată cu rata precipitaţiilor
Prin utilizarea modulului Sediment Quality s-a intenționat apropierea rezultatelor
obținute din simulări cu cele de pe teren, efectuate în Piatra Neamț, în perioada anului 2011
și prin urmare apropierea de realitate.
Fig.6.101. Concentrația NH4
+ în coloana de sol
Rezultatele simulărilor sunt aproape identice cu valorile măsurate pentru NH4+,
Na+ și Mg2+ măsurate în teren. Acest lucru demonstrează că modulul utilizat în simulare
poate oferi rezultate foarte apropiate de cele reale obținute în teren.
0
5
10
15
20
25
6/26/2009 7/1/2009 7/6/2009 7/11/2009 7/16/2009 7/21/2009 7/26/2009 7/31/2009 8/5/2009
NH4+
NH4+ (Mohid)
59
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
CAPITOLUL VII
CONCLUZII GENERALE
Prezenta lucrare are la bază şi documentarea efectuată de autoare în perioada 1
octombrie 2010 – 1 septembrie 2013, precum şi cercetările efectuate la Institutul Superior
Tehnic, Departamentul de Inginerie Mecanică din Lisabona, Portugalia, în perioada 28
februarie – 27 octombrie 2012, în cadrul bursei de studii obţinute prin programul
CUANTUMDOC.
7.1. Conţinutul tezei
Lucrarea intitulată „Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor
uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice”, este
structurată pe 7 capitole, dezvoltată pe 215 pagini, 226 figuri, 51 tabele, 105 relaţii
matematice, anexe şi o listă cu 178 referinţe bibliografice.
Primul capitol „Date generale. Resursele de apă şi valorificarea apelor uzate în
agricultură” stabileşte necesitatea utilizării apelor uzate în agricultură în contextul actual al
schimbărilor climatice, cu un studiu aprofundat asupra aspectelor cantitative a resurselor de
apă la nivel mondial şi asupra evoluţiei cerinţelor de apă în domeniul irigaţiilor, evidenţiind
în acelaşi timp obiectivele cercetării şi oportunitatea temei.
În capitolul al doilea „Stadiul actual al valorificării apelor uzate la irigarea
culturilor agricole. Riscuri şi exigenţe” este prezentată o analiză a situaţiei actuale din U.E.
şi din România din punct de vedere a tipurilor de ape utilizate în agricultură, respectiv ape
din surse naturale şi ape uzate. De asemenea, este prezentată o sinteză a principalelor
sisteme de agricultură, riscurile şi exigenţele utilizării apelor uzate la irigarea culturilor
agricole.
Cel de-al treilea capitol „Bazele teoretice ale proceselor de eliminare a azotului şi
fosforului din apele uzate. Modelarea matematică a mişcării apei în sol” are la bază partea
teoretică a cineticii proceselor de nitrificare-denitrificare în scopul eliminării azotului şi
fosforului din apele uzate, precum şi baza teoretică privind mişcarea apei în sol şi
prezentarea programelor de modelare matematică utilizate în vederea efectuării simulărilor
pentru lucrările de irigaţii.
În cadrul celui de-al patrulea capitol „Măsuri tehnice necesare pentru
valorificarea apelor uzate în irigaţii” sunt evidenţiate aspectele calitative ale apelor uzate,
privind compoziția acestora din punct de vedere fizic, chimic, biologic şi bacteriologic. Cei
mai periculoși poluanţi din compoziția apelor uzate sunt cei de natura organică, precum şi
nutrienţii (N şi P), la care se adaugă o mare varietate a combinațiilor între aceste substanțe,
deoarece în condiţii de temperatură ridicată, intră în fermentaţie accentuând fenomenul de
eutrofizare. Capitolul prezintă formele sub care se găsesc compuşi ai azotului şi fosforului în
atmosferă, în sol, în apele subterane şi cele uzate, abordând totodată efectele acestora asupra
sănătăţii omenilor, animalelor, mediului în general, evidenţiind astfel necesitatea eliminării
lor din apele uzate.
60
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Tot în cadrul acestui capitol sunt evidenţiate procesele de epurare avansate,
folosind procedeele tehnologice moderne de nitrificare-denitrificare/defosforizare pentru
reducerea concentraţiilor de azot şi fosfor din apele uzate, în scopul obţinerii unui efluent ce
poate fi valorificat în irigarea culturilor agricole.
Capitolul cinci, „Cercetări experimentale asupra tehnologiilor de epurare
avansată. Studiu de caz: staţia de epurare a municipiului Piatra Neamţ”, evidenţiază în
primul rând aspectele generale ale zonei de cercetare, respectiv staţia de epurare a
municipiul Piatra Neamt, modernizată şi retehnologizată în anul 1997, prin implementarea
treptei de epurare terţiară (adoptarea schemei tehnologice cu predenitrificare).
De asemenea, sunt prezentate rezultatele cercetărilor experimentale privind
eficienţa epurării staţiei, concluzionând următoarele:
Analizele de laborator efectuate în zona aerobă (de nitrificare) indică o eficienţă ridicată
în eliminarea concentraţiilor de CBO5 şi a celor de NH4, în reactor concentraţiile oxigenului
fiind, în medie de 2mg/dm3;
Analizele de laborator, a probelor recoltate din zona anoxică, au pus în evidenţă o
activitate intensă a bacteriilor autotrofe denitrificatoare care în final, prin reducerea nitraţilor
(NO3-) formează azotul gazos ce se evacuează în atmosferă. În majoritatea cazurilor acest
gaz se ataşează de solidele biologice din reactor şi împiedică procesul lor de sedimentare în
decantorul secundar. Din acest motiv, se recomandă soluţia de stripare (spălare) a azotului.
Efluentul îndeplineşte condiţiile de calitate precizate în NTPA 001/2005 şi poate fi
valorificat în irigarea culturilor agricole, în special a celor energetice. De asemenea, se poate
afirma că în perioadele în care acesta nu este necesar la irigare, se poate evacua direct în
emisarul Bistriţa, fără pericolul de dezvoltare a fenomenului de eutrofizare.
În capitolul şase, „Cercetări experimentale privind irigarea cu ape uzate a
culturilor de rapiţă şi salcie energetică. Programe utilizate la simularea lucrărilor de
irigaţii”, s-au pus în evidenţă rezultatele experimentale obţinute în laborator, în câmpul
experimental şi în urma rulării programelor de simulare.
Cercetările experimentale au fost orientate spre culturile de rapiţă şi de salcie
energetică, care poartă denumirea generică de culturi energetice, deoarece prin procesarea
lor în instalaţii speciale se obţin combustibili necesari acţionării motoarelor cu ardere internă
(biodissel, etanol), pentru producerea de energie electrică şi termică (producerea de peleţi).
Aceste culturi nu sunt afectate de poluanţii din apele uzate, în cazul când, accidental
depăşesc concentraţiile admisibile, deoarece producţia de biomasă este supusă proceselor
biologice de fermentare, sub acţiunea bacteriilor anaerobe. De-a lungul procesului, prin
fermentare sunt distruse, parţial, bacteriile patogene, ouăle de helminţi etc, motiv pentru care
acest procedeu cunoaşte o largă aplicabilitate.
Cercetările efectuate în laborator asupra structurii solului celor trei probe
prelevate, s-au analizat în funcţie de următorii parametrii: umiditate, granulometrie, variaţia
pH-ului, densitatea aparentă şi densitatea părţii solide, compoziţia chimică a sărurilor,
concentraţia metalelor grele. Toţi aceşti indicatori nu au suferit modificări în urma irigării cu
ape uzate a solului de tip cernoziom cambic.
Cercetările asupra culturilor energetice (rapiţă, salcie energetică) au avut în vedere
variaţia gradului de acumulare a metalelor grele în diferite părţi ale plantelor. Comparativ cu
61
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
conţinutul de metale grele din sol, cercetările au pus în evidenţă fenomenul de absorţie a
acestor metale de către rădăcinile şi tulpinile acestor plante şi în consecinţă, solul nu va mai
fi afectat de concentraţiile metalelor grele (Cd, Zn, Cu, Pb, Cr, Ni) din apele uzate. În ceea
ce priveşte producţia agricolă a culturilor, cercetările au pus în evidenţă sporuri de producţie
de 20.1%-28.6% faţă de probele irigate cu apă martor din râul Bistrița.
Pentru a verifica rezultatele experimentale obţinute prin măsurători „in situ” şi
prin analize de laborator, s-a utilizat un program de simulare cu denumirea de MOHID Land
(modulele Vegetation, Preeqc, SedimentQuality). În scopul adaptării programului, în cazul
în care se dorește simularea efluentului în sol, a fost esențială introducerea în program a
modulului Discharge pentru definirea caracteristicilor specifice efluentului folosit. Modelul
pentru transportul soluțiilor în sol a fost utilizat pe o coloană de sol și poate fi utilizat și la
scară mare, pe o suprafață de ordinul hectarelor. De asemenea, rezultatele au confirmat
faptul că această cultură are capacitate de adaptare la stresul hidric, iar acumularea în metale
grele nu a influențat producția biomasei în cazul irigării pe o perioadă de timp îndelungată.
În ultimul capitol „Concluzii generale” sunt evidenţiate problemele abordate în
cadrul lucrării, punându-se în evidenţă contribuţiile personale şi elementele de originalitate,
precum şi direcţiile şi orientările viitoare.
Anexa 1 cuprinde activitatea științifică în cadrul programului de doctorat,
prezentând date publicistice privind cele 18 lucrări publicate și în curs de publicare,
conferințele la care am participat și date privind premiile obţinute (trofeu cristal optic
obținut în cadrul ceremoniei de decernare a premiilor la Conferința Tehnico-Știintifică
organizată de Asociația Romană a Apei, Palatul Parlamentului, București, în perioada 10-12
iunie 2013).
În anexa 2 sunt centralizate figuri reprezentând fișiere de date și rezultatele
obținute în urma simulărilor efectuate cu programele EVAPOT și ISAREG.
Anexa 3 cuprinde figuri reprezentând definirea modulelor utilizate în cadrul
programului MOHID Land și rezultatele simulărilor obținute în urma rulării.
7.2. Contribuţia şi originalitatea lucrării
Utilizarea unor tehnologii moderne de epurare avansată a apelor uzate, în vederea
valorificării lor ca apă de irigaţii pentru culturile energetice se înscrie în cerinţele şi
recomandările Uniunii Europene, atât în domeniul protecţiei mediului înconjurător cât şi în
reciclarea apelor uzate în circuitul natural.
În acest scop, în lucrarea de faţă s-au urmărit şi realizat următoarele obiective,
unele fiind cu caracter de originalitate:
Un studiu al literaturii de specialitate privind necesitatea utilizării apelor uzate în
irigaţii;
Restricţii tehnice, ecologice, economice şi legislative privind valorificarea apelor uzate
în agricultură;
O sinteză asupra stadiului actual de irigare cu ape uzate a culturilor agricole. Realizări
în ţările din Uniunea Europeană şi din România;
62
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Aprofundarea proceselor de epurare avansată prin procese de nitrificare-denitrificare a
apelor uzate şi a mişcării apei (efluentului) în sol pe baza unei modelări matematice
adecvate;
Utilizarea softului MOHID de modelare a fenomenului de curgere a apei prin porii
solului;
Măsuri tehnice preliminare lucrărilor de irigaţii prin implementarea unor tehnologii
moderne cu performanţe ridicate în epurarea avansată a apelor uzate;
Cercetări experimentale privind verificarea calităţii efluentului evacuate de la staţia de
epurare a municipiului Piatra Neamţ, dacă se încadrează în exigenţele de calitate impuse
culturilor agricole irigate;
Prezentarea culturilor energetice ca sursă de energie alternativă (biodissel, metanol
etc.) în urma procesării biomasei recoltate;
Cercetările de laborator şi în camp experimental asupra culturilor de rapiţă şi de salcie
energetică;
Studiu asupra fenomenului de simulare numerică a parametrilor de irigare cu ajutorul
programelor de simulare ISAREG şi MOHID Land.
7.3. Perspective viitoare de cercetare
În zonele cu precipitaţii reduse, precum şi în contextul actual al schimbărilor
climatice cu perioade secetoase pe perioade îndelungate, se impune a studia şi a cerceta noi
soluţii de a asigura apa necesară culturilor agricole.
Tema acestei lucrări reprezintă o alternativă ce trebuie aplicată şi promovată în
strategia economică viitoare a unei ţări.
Pentru localităţile mici (zonele rurale) este suficient ca apele uzate brute să fie
epurate biologic pe cale naturală (câmpuri de irigaţii, iazuri biologice etc.), iar pentru apele
uzate provenite din centrele urbane este obligatorie modernizarea staţiilor de epurare pentru
a asigura epurarea avansată.
Biomasa obţinută din culturile energetice reprezintă o sursă sigură, ieftină şi
permanentă de combustibil energetic sub formă de biodiesel şi methanol, de unde prin
ardere se obţine energie electrică şi termică.
În România nu se cunosc preocupări în promovarea irigaţiilor cu ape uzate la
culturile energetice. Studiile şi cercetările din această lucrare oferă suficiente argumente
tehnice, economice şi ecologice de a implementa aceste tehnologii care rezolvă, cu eficienţă
economică şi ridicată, producţii mari de culturi energetice chiar în perioadele de secetă.
63
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ:
8. Anei F. D., Unguraşu A.N., Iurciuc C. E., Stătescu F., 2013 „Concepts of soil water
movements”, acceptată pentru publicarea în Buletinul Institutului Politehnic din Iaşi,
Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi”, ISSN 1224-3892, Vol. aprilie.
10. Baran Gh., Şerban P., 2007, Dezvoltarea durabilă şi managementul resurselor de apă,
Revista Hidrotehnica, vol. 45, nr. 3 – 4.
12. Bartha I., Javgureanu V., Marcoie N., 2004, Hidraulică, vol.2, Ed. Performantica, Iaşi.
21. Bosset E., 1970, Eliminarea materiilor eutrofizante - a treia treaptă de epurare a apelor
uzate, rev. La tehnique de l'eau, Paris, Franța.
37. Damian C., Barbul A., 2000, Tehnologii noi pentru încadrarea în normativul NTPA 001,
nitrificare, denitrificare, defosforizare în treapta biologică, Seminar Ştiinţific –
Tehnologii pentru reţinerea azotului şi fosforului din apele uzate şi necesitatea
dezinfectării apelor epurate, U.T.C. Bucureşti.
40. Dragne M., Temereanca G., Paraschiv S., 2000, Poluare cu azot amoniacal consecinţe şi
soluţii, Seminar Ştiinţific – Tehnologii pentru reţinerea azotului şi fosforului din apele
uzate şi necesitatea dezinfectării apelor epurate, U.T.C. Bucureşti.
43. Dima M., 2005, Epurarea apelor uzate, Ed. Tehnopress, Iași.
44. Dima M., 2002, Bazele epurarii biologice a apelor uzate, Ed. Tehnopress, Iași.
45. Dima M., 2000, Unele aspecte asupra teoriei procesului de nitrificare – denitrificare,
vol Conferinta ARA – UTC București, Ed. Matrix Rom, p.14–26, București.
47.Dima M., Iurciuc C. E., 2013, Modern orientations in advanced wastewater purification
with technological process of nitrogen elimination, în volumulul Conferinţei
Internaționale„Scientific and technical conference – Water services and the new energy
challenges”, Bucureşti, Ed. EstFalia, pag. 471-479, ISBN 978-606-8284-66-8, categ. B.
49. Dojlido, J. R., Best G. A., 1993, Chemistry of water pollution, Ellis Howod Ltd.,
London.
53. Drobot R., 2001, Conservarea şi protecţia resurselor de apă, Rev. Hidrotehnica, Ziua
Mondială a Apei, 46, 2-3, pg. 64 – 68, Bucureşti.
56. Faby J. A., Brissaud F., Bontoux J., 1999, Wastewater reuse in France:Water quality
standards and wastewater treatment technologies, Water Science and Technology.40(4-
5):37-42.
60. Giurma I, Nacu F., Iurciuc C.E., 2013, Problematica gestionării ecosistemice a
cursurilor de apă, volumul conferinţei „Scientific and technical conference – Water
services and the new energy challenges”, Bucureşti, Ed. EstFalia, pag. 358-368, ISBN
978-606-8284-66-8, categ. B.
63. Gobjilă W., 1985, Folosirea apelor uzate în agricultură , Ed. Ceres, Bucureşti.
64. Gus P., Cordos N., Mihaiu I., Rusu T., Ivan I., 2003, Rapița-tehnilogie de cultivare:
Aliment si combustibil, Rape-growing technology: food and fuel, Ed. Risoprint.
77. Iurciuc C. E., 2010, Epurarea avansată a apelor uzate în contextul dezvoltării durabile și
a valorificării efluentului în irigarea culturilor energetice, proiect de cercetare pentru
școala doctorală, Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi”, Facultatea de Hidrotehnică,
Geodezie şi Ingineria Mediului, Iaşi.
78. Iurciuc C. E., 2011, Stadiul actual privind valorificarea apelor uzate in irigatii.
Necesitatea epurarii avansate a apelor uzate, raport de cercetare nr.1, Universitatea
64
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
Tehnică „Gheorghe Asachi”, Facultatea de Hidrotehnică, Geodezie şi Ingineria
Mediului, Iaşi.
79. Iurciuc C. E., 2012, Cercetări teoretice asupra proceselor de epurare avansată a apelor
uzate. Studii asupra bilanțului apei în sol, raport de cercetare nr.2, Universitatea Tehnică
„Gheorghe Asachi”, Facultatea de Hidrotehnică, Geodezie şi Ingineria Mediului, Iaşi.
80. Iurciuc C. E., 2013, Cercetări experimentale pe diferite culturi irigate cu ape uzate.
Interpretarea rezultatelor obținute și recomandări viitoare, raport de cercetare nr.3,
Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi”, Facultatea de Hidrotehnică, Geodezie şi
Ingineria Mediului, Iaşi.
81. Iurciuc C. E., 2011, Technological schemes in advanced wastewater treatment, B+, 1st
Danube-Black Sea Regional Young Water Professional Conference, Innovations in the
field of water supply, sanitation and water quality, ARA, ISBN 978-973-7681-98-0, Ed.
Estfalia, pag.345-351, Bucuresti.
82. Iurciuc C. E., Dima M., Roca D., 2011, Impact compounds of nitrogen and phosphorus
from wastewater on the environment and methods to improve, Buletinul Institutului
Politehnic din Iași, Chimie și Inginerie Chimică, Tomul LVII(LXI), Fasc.4, categ. B+,
ISSN 0254-7104, Ed. Politehnium, pag. 75-82, Iași.
83. Iurciuc C. E., Dima M., Anei D.F., Ungurasu A.N., 2013, Reuse wastewater in
agriculture - a global perspective, acceptată pentru publicarea în Buletinul Institutului
Politehnic din Iaşi, Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi”, ISSN 1224-3892.
84. Iurciuc C. E., Dima M., 2012, Soil irrigation with wastewater in the context of
sustainable development, Volumul Simpozionului Internaţional „Present Environment
and Sustainable Development”, Universitatea „Alexandru Ioan Cuza”, Facultatea de
Geografie si Geologie, vol. 6, nr. 2, categ. B+, ISSN: 1843-5971, pag.135-146, Iași.
85. Iurciuc C. E., Roca D., 2012, Theoretical aspects of advanced methods of wastewater
treatment in order to eliminate pollutants from surface waters, Volumul Lucrări
Ştiinţifice, Universitatea de Știinte Agricole și Medicină Veterinară „Ion Ionescu de la
Brad”, Seria Agronomie,vol. 55, nr. 2 Supliment, categ. B+, ISSN: 1454-7414, pag. 33-
37, Iași.
86. Iurciuc C. E., Dima M., 2013, Wastewater for irrigation in agriculture: Some effects of
effluent on soil quality and canola (Brassica napus oleifera)growth, publicată în
Jurnalul Environmental Engineering and Management, categ. ISI, ISSN 1582-9596,
Vol. 12, No. 4, Ed. Politehnium, pag. 801-806, Iaşi
87. Iurciuc C. E., Dima M., Nacu F., 2013, Reuse wastewater in agriculture as alternative
source of irrigation in the context of sustainable development, volumul conferinţei
„Scientific and technical conference – Water services and the new energy challenges”,
Bucureşti, Ed. EstFalia, pag. 77-87, ISBN 978-606-8284-66-8, categ. B.
88. Iurciuc C. E., 2013, Aspecte privind valorificarea apelor uzate în scopul atingerii
standardelor agriculturii ecologice, în volumul workshop-ului „Tendinţe şi cerinţe de
interdisciplinaritate în cercetare. Prezentarea rezultatelor obţinute de doctoranzi” din
cadrul proiectului CUANTUMDOC, Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi”, ISBN
978-973-621-408-0, pag. 21-28, Iaşi.
89. Iurciuc C. E., Unguraşu A.N., Nacu F., 2013, The health risks of wastewater reuse in
vegetable irrigation, acceptată pentru publicare în volumul Simpozionului Internaţional
„Mediul actual şi Dezvoltare Durabilă”, categ. B+, organizat de Facultatea de Geografie
65
Rezumat teză de doctorat : Studii şi cercetări privind epurarea avansată a apelor uzate în vederea valorificării efluentului la irigarea culturilor energetice
şi Geologie, Departamentul de Geografie, Colectivul de Geografia mediului al Univ.
“Al. Ioan Cuza”, Iași, ISSN 1843-5971.
92. Jelea F., Pricop Gh., Salay G., 1996, Canalizarea centrelor agricole și folosirea apelor
reziduale la irigații, Ed. Agro-Silvica, București.
98. Macoveanu M., 1997, Epurarea avansată a apelor uzate conținând compuși organici
nebiodegradabili, Ed. Gh Asachi, Iași.
106. Molden D., 2007, Water for food, Water for life: A Comprehensive Assessment of
Water Management in Agriculture, Earthscan/IWMI.
112. Neves R., Chambel-Leitao P., Leitao P.C., 2000, Modelacao numerica da circulacao
da aqua no solo. O modelo MOHID, Pedologia - Revista de ciencia do solo, vol 28, 46-
55, 2000, Oeiras, Portugal.
132. Schaap M.G., Leij F.J., van Genuchten M. Th., 2001, Rosetta - a computer program
for estimating soil hydraulic parameters with hierarchical pedotransfer functions,
Journal of Hydrology, 251:163-176.
139. Teixeira J.L., 1986, Modelos de programação e condução da rega. Tese de
Doutoramento, ISA.UTL, Lisabona.
142. Unguraşu A.N., Anei F.D., Iurciuc C. E., Stătescu F., 2013, Characterization of
certain soil processes using software-based modelling, publicată în Jurnalul
Environmental Engineering and Management, categ. ISI, ISSN 1582-9596, Vol. 12, No.
4, Ed. Politehnium, pag. 801-806, Iaşi
143. Ungurașu A.N., Iurciuc C. E., Anei F. D., 2013, Variation of soil water content in Iasi
area, volumul conferinţei „Scientific and technical conference – Water services and the
new energy challenges”, Bucureşti, Editura EstFalia, pag. 464-470, ISBN 978-606-
8284-66-8, categ. B.
144. Unguraşu A.N., Iurciuc C. E., Stătescu F., Nacu F., 2013, Researches concerning soil
analisys with electronic microscope, acceptată pentru publicare în volumul
Simpozionului Internaţional „Mediul actual şi Dezvoltare Durabilă”, categ. B+,
Facultatea de Geografie şi Geologie, Departamentul de Geografie, Colectivul de
Geografia mediului al Universităţii “Al. Ioan Cuza”, Iași, ISSN 1843-5971,.
156. ***NP 107/2004 – partea aIVa; Treapta de epurare avansată a apelor uzate.
164. *** http://www.chimiamediului.ro.
166. *** http://www.mohid.com/.
168. *** http://www.ea.europa.com.
174. *** http://www.unwater.org/statistics.html.
66