rezumat teza doctorat iurciuc cristina elena hgim

UNIVERSITATEA TEHNIC GHEORGHE ASACHI DIN IAI

Facultatea de Hidrotehnic, Geodezie i Ingineria Mediului

STUDII I CERCETRI PRIVIND EPURAREA AVANSAT A APELOR UZATE N VEDEREA VALORIFICRII EFLUENTULUI LA IRIGAREA CULTURILOR ENERGETICE

- REZUMAT TEZ DE DOCTORAT -

Conductor de doctorat:

Prof. Univ. Dr. Ing. Mihai DIMA

Doctorand:

Ing. Cristina Elena IURCIUC

IAI - 2013

Teza de doctorat a fost realizat cu sprijinul financiar al proiectului STUDII

DOCTORALE PENTRU PERFORMANE EUROPENE N CERCETARE I INOVARE

(CUANTUMDOC) POSDRU/107/1.5/S/79407.

Proiectul STUDII DOCTORALE PENTRU PERFORMANE EUROPENE N CERCETARE I INOVARE (CUANTUMDOC) POSDRU/107/1.5/S/79407, este un proiect strategic care are ca obiectiv general Aplicarea de strategii manageriale, de cercetare i didactice destinate mbuntirii formrii iniiale a viitorilor cercettori prin programul de studii universitare de doctorat, conform procesului de la Bologna, prin dezvoltarea unor competene specifice cercetrii tiinifice, dar i a unor competene generale: managementul cercetrii, competene lingvistice i de comunicare, abiliti de documentare, redactare, publicare i comunicare tiinific, utilizarea mijloacelor moderne oferite de TIC, spiritul antreprenorial de transfer al rezultatelor cercetrii. Dezvoltarea capitalului uman pentru cercetare i inovare va contribui pe termen lung la formarea doctoranzilor la nivel european cu preocupri interdisciplinare. Sprijinul financiar oferit doctoranzilor va asigura participarea la programe doctorale n ara i la stagii de cercetare n centre de cercetare sau universiti din UE. Misiunea proiectului este formarea unui tnr cercetator adaptat economiei de pia i noilor tehnologii, avnd cunotine teoretice, practice, economice i manageriale la nivel internaional, ce va promova principiile dezvoltrii durabile i de protecie a mediului nconjurtor.

Proiect finanat n perioada 2010 - 2013

Finanare proiect: 16.810.100,00 RON

Beneficiar: Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi din Iai

Partener: Universitatea Babe Bolyai din Cluj-Napoca

Director proiect: Prof. univ. dr. ing. Mihai BUDESCU

Responsabil proiect partener: Prof. univ. dr. ing. Alexandru OZUNU

MULUMIRI

Adresez n mod expres pe aceast cale sincere mulumiri i recunotin

conductorului tiinific, domnului Prof. Univ. Dr. Ing. Mihai Dima, pentru

profesionalismul cu care m-a ghidat pe drumul ctre obinerea titlului de doctor n tiine,

pentru competena i permanenta ndrumare deosebit de meticuloas n toat perioada

pregtiri i elaborrii tezei de doctorat.

Mulumesc domnilor refereni Prof. Univ. Dr. Ing. Ion Giurma, Prof. Univ.

Dr. Ing. Sandu Marin, Prof. Univ. Dr. Ing. Gic Grdinariu i preedintelui comisiei

Prof. Univ. Dr. Ing. Florian Sttescu, pentru amabilitatea de a accepta s fac parte din

comisia de doctorat, pentru timpul alocat evalurii acestei teze, pentru sugestiile i

recomandrile oferite.

De asemenea, mulumesc domnului Dr. Ing. Puiu Matei i efului Staiei de

Epurare a municipiului Piatra Neam, domnul Ing. Florin Mihai pentru colaborare,

sugestii, recomandri i sprijinul acordat, oferindu-mi acces n staia de epurare i

posibilitatea utilizrii parametrilor de exploatare a acestei staii de epurare.

Mulumesc colaboratorilor firmei S.C. Kontrastwege SRL din Miercurea

Ciuc, Judeul Harghita, domnului Director General Ing. Alexandru Benko i d-oarei

Ing. Cristina Racu att pentru colaborare ct i pentru asigurarea unor materiale necesare

n toat aceast pregtire.

Mulumesc 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 i Ing. David Brito pentru ospitalitate, colaborare

fructuoas i ajutorul acordat de-a lungul stagiului de cercetare n capitala Portugaliei,

Lisabona.

Deosebite mulumiri profesorilor din cadrul Facultii de Hidrotehnic,

Geodezie i Ingineria Mediului care au contribuit la formarea mea profesional, dar i

colegilor, prietenilor, familiei pentru nelegere i sprijinul moral oferit i tuturor celor

care m-au susinut n activitatea tiinific.

Autoarea

Cuprins

CUPRINS:

Rezumat: Tez: CAPITOLUL I DATE GENERALE. RESURSELE DE AP SI

VALORIFICAREA APELOR UZATE N AGRICULTUR.

7 5

1.1. Necesitatea utilizrii apelor uzate n irigaii 7 5 1.1.1. Schimbrile climatice i influena acestora asupra resurselor de

ap i a agriculturii 7 5

1.1.2. Prognoze i scenarii privind impactul schimbrilor climatice asupra mediului

8 10

1.2. Aspecte cantitative ale resurselor de ap la nivel mondial 8 13 1.3. Legislaia U.E. i din Romnia cu privire la valorificarea apelor uzate n

irigaii 9 20

1.4. Particulariti tehnice specifice valorificrii apelor uzate n lucrrile de irigaii

9 22

1.5. Aspecte ecologice i economice n cazul valorificrii apelor uzate n agricultur

9 24

1.6. Necesitatea i oportunitatea studiului 10 25 1.7. Obiectivele cercetrii 10 26

CAPITOLUL II STADIUL ACTUAL AL VALORIFICRII APELOR UZATE LA IRIGAREA CULTURILOR AGRICOLE. RISCURI I

EXIGENE.

11 27

2.1. Realizri privind amenajrile de irigaii n rile din Uniunea European 11 27 2.1.1. Irigarea cu ape din resurse naturale 11 27

2.1.2. Irigarea cu ape uzate 11 27

2.2. Realizri privind amenajrile de irigaii n Romnia 11 32 2.2.1. Irigarea cu ape din resurse naturale 11 32

2.2.1.1. Evoluia cerinelor de ap n domeniul irigaiilor 11 33 2.2.1.2. Evoluia suprafeelor cultivate pentru obinerea

culturilor energetice

12 35

2.2.2. Irigarea cu ape uzate 13 40

2.3. Sisteme de agricultur i eficacitatea irigrii culturilor cu ape uzate 13 40 2.3.1. Sisteme de agricultur - 40 2.3.2. Sisteme de agricultur integrat i durabil - 41 2.3.3. Riscuri i exigene la irigarea cu ape uzate a culturilor agricole 14 43

2.3.3.1. Condiii meteo la aplicarea lucrrilor de irigaii - 43 2.3.3.2. Riscuri asupra solurilor i asupra culturilor cauzate

de metale grele i bacterii patogene - 44

2.3.4. Condiii i restricii de aplicare 14 47 Concluzii pariale

- 50

CAPITOLUL III BAZELE TEORETICE ALE PROCESELOR DE ELIMINARE A AZOTULUI I FOSFORULUI DIN APELE UZATE.

MODELAREA MATEMATIC A MICRII APEI N SOL.

15 51

3.1. Teoria cinetic a proceselor de nitrificare-denitrificare/defosforizare 15 51 3.2. Modele matematice privind curgerea apei prin porii solului 17 68

3.2.1. Generaliti asupra micrii apei n sol 17 68 3.2.2. Modele matematice n soluri saturate Legea lui Darcy 18 71 3.2.3. Modele matematice n soluri nesaturate Legea lui Richards 19 77 3.3. Utilizarea programelor matematice pentru simularea proceselor cercetate 19 80

3.3.1. Utilizarea programului ISAREG i a subprogramului EVAPOT 19 80 3.3.2. Utilizarea softului MOHID de modelare a fenomenului de

curgere a apei n sol

21 87

Cuprins

Rezumat: Tez:

CAPITOLUL IV MSURI TEHNICE NECESARE PENTRU VALORIFICAREA APELOR UZATE N IRIGAII

24 94

4.1. Aspecte calitative privind apele uzate evacuate din aglomerrile rurale i urbane

24 94

4.1.1. Compoziia apelor uzate d.p.d.v. fizic, chimic, biologic i bacteriologic

24 94

4.1.2. Formele sub care se afl substanele nutritive (N i P) n apele uzate i efectul lor asupra sntii oamenilor i asupra animalelor

24 99

4.1.3. Necesitatea ndeprtrii azotului i fosforului din apele uzate 26 107 4.2. Procese de ndeprtare a poluanilor din apele uzate 27 110 4.2.1. Epurarea mecanic 27 110 4.2.2. Epurarea biologic convenional 27 110 4.2.3. Epurarea biologic avansat 27 111 4.2.3.1. Scheme tehnologice biologice de nitrificare i

denitrificare, tip preD, cu postD i combinate 28 112

4.2.3.2. Eliminarea bacteriilor patogene 28 116

4.3. Tehnologii moderne aplicate n epurarea avansat 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 nmol n bazin unic

29 117

4.3.1.2. Procedeul de eliminare a azotului cu nmol n 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 funcionare secvenial 31 121 4.3.3. Eliminarea azotului i 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 n 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 pariale

- 126

CAPITOLUL V CERCETRI EXPERIMENTALE ASUPRA TEHNOLOGIILOR DE EPURARE AVANSAT.

STUDIU DE CAZ: Staia de Epurare a Municipiul Piatra Neam

33 127

5.1. Aspecte geografice privind Judeul Piatra Neam 33 127 5.1.1. Generaliti 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 staiei de epurare retehnologizat i modernizat n vederea eliminrii azotului i fosforului

35 135

5.2.1. Amplasamentul staiei de epurare 35 135 5.2.2. Mrimea debitului i compoziia apei uzate influente n staia de

epurare

36 135

5.2.3. Determinarea gradului de epurare necesar apei uzate 37 139

5.2.4. Schema staiei de epurare retehnologizat n vederea implementrii treptei teriare

38 140

5.2.5. Studii de laborator asupra calitii efluentului 41 145 Concluzii asupra eficienei Staiei de epurare a apelor uzate Piatra Neam

- 155

Cuprins

Rezumat: Tez:

CAPITOLUL VI CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVIND IRIGAREA CU APE UZATE A CULTURILOR DE RAPI I SALCIE

ENERGETIC. PROGRAME UTILIZATE LA SIMULAREA LUCRRILOR DE IRIGAII

43 156

6.1. Metode de lucru i aparatura utilizat 43 156 6.1.1. Aparatura i echipamente folosite - 158 6.1.2. Cercetri asupra modificrii structurii solului i a

caracteristicilor fizico-chimice

44 161

6.2. Cercetri asupra culturilor de rapi i salcie energetic 47 176 6.2.1. Rezultatele irigrii rapiei cu ape uzate 47 179 6.2.2. Rezultatele irigrii salciei energetice cu ape uzate 50 185 6.3. Cercetri prin simulare numeric la interfaa sol-ap de irigaii 53 190 6.3.1. Modelarea parametrilor de irigare avnd la baz programul

ISAREG i subprogramul EVAPOT 53 190

6.3.2. Modelarea micrii efluentului n sol utiliznd programul MOHID Land

53 195

Concluzii pariale

- 209

CAPITOLUL VII CONCLUZII GENERALE

60 211

7.1. Coninutul tezei 60 211 7.2. Contribuia i originalitatea lucrrii 62 214 7.3. Perspective viitoare de cercetare

63 215

BIBLIOGRAFIE

64 216

ANEXE

ANEXA 1 Activitatea stiinific n cadrul programului de doctorat ANEXA 2 Fiiere de date definite n subrogramul EVAPOT i

programul ISAREG

ANEXA 3 Definirea modulelor i rezultatele simulrilor din programul MOHID Land

Rezumat tez de doctorat : Studii i cercetri privind epurarea avansat a apelor uzate n vederea valorificrii efluentului la irigarea culturilor energetice

CAPITOLUL I

DATE GENERALE. RESURSELE DE AP I VALORIFICAREA APELOR UZATE N AGRICULTUR

1.1. Necesitatea utilizrii apelor uzate n irigaii

Posibilitatea valorificrii apelor uzate n irigaii constituie o soluie n vederea economisirii apei dulci n scopul asigurrii cu ap potabil a marilor aglomerri urbane, respectiv utilizarea ct mai raional a resurselor de ap existente la nivel planetar. De asemenea, n zonele aride unde cantitatea de ap este un factor limitativ pentru producia agricol, trebuie promovat soluia irigrii culturilor cu ape uzate. Se estimeaz c, la nivelul anului 2050 nu va mai fi suficient ap natural pentru producerea hranei necesare la nivel mondial i de aceea este imperativ de a se promova i susine, nc de pe acum, practici de economisire a apei dirijate n agricultur. Condiia de a aplica soluia irigrii cu ape uzate impune implementarea tehnologiilor performante de purificare a acestor ape n scopul eliminrii factorilor toxici pentru sntate (microorganismele, bacteriile, viruii, metalele grele) i pentru a respecta exigenele n legislaia aferent privind protecia mediului nconjurtor. Soluia de epurare a apelor uzate, frecvent aplicat, o constituie epurarea avansat (treapta teriar). Prin urmare, creterea populaiei i implicit a necesitii resurselor de hran, intensificarea fenomenului de secet i necesitatea satisfacerii cerinei de ap pentru agricultur, fac ca valorificarea apelor uzate s reprezinte o soluie pentru satisfacerea cerinei de ap.

1.1.1. Schimbrile climatice i influena acestora asupra resurselor de ap i a agriculturii

Schimbrile climatice reprezint una dintre cele mai mari ameninri din punct de vedere social, economic i al mediului. Potrivit celui de-al IV lea Raport Global de Evaluare al Grupului Interguvernamental privind schimbrile climatice IPCC, elaborat n anul 2007, activitile umane contribuie semnificativ la declanarea efectelor climatice i a nclzirii globale. Impactul schimbrilor climatice se reflect n formarea efectului de ser, creterea temperaturii medii cu variaii semnificative la nivel regional, diminuarea prin evaporare a resurselor de ap pentru populaie, reducerea volumului calotelor glaciare, creterea nivelului oceanelor, modificarea ciclului hidrologic, modificri n desfurarea anotimpurilor, creterea frecvenei i intensitii fenomenelor climatice extreme precum si reducerea biodiversitii. n contextul actual al schimbrilor climatice, un loc aparte l ocup domeniul agricol care asigur n primul rnd hran pentru toi locuitorii planetei. Efectele schimbrilor climatice asupra solului sunt evideniate prin scderea potenialului de fotosintez la nivelul solului, modificarea ciclului apei n natur prin reducerea vitezei de evaporare a apei, scderea potenialului agricol, creterea suprafeelor regiunilor aride, eroziunea solului, producerea inundaiilor, secetelor i alunecrilor de teren. Ca urmare este foarte important ca domeniul agriculturii s ocupe un loc special n strategiile de dezvoltare la nivel naional, regional i mondial.

7


1.1.2. Prognoze i scenarii privind impactul schimbrilor climatice asupra mediului

Variabilitatea climatic va avea efecte directe asupra unor sectoare precum agricultura, silvicultura, gospodrirea apelor, sectorul rezidenial i de infrastructur, va conduce la modificarea perioadelor de vegetaie si la deplasarea liniilor de demarcaie dintre pduri i pajiti, va determina creterea frecvenei i intensitii fenomenelor meteorologice extreme (furtuni, inundaii, secete), [134]. Regimul precipitaiilor este foarte variabil i neuniform ca repartiie, att n spaiu ct i n timp, ceea ce duce la secete frecvente.

1.2. Aspecte cantitative ale resurselor de ap la nivel mondial

n contextul actual al schimbrilor climatice i al diminurii resurselor de ap au fost studiate resursele de ap la nivel mondial i asupra cerinelor de ap n domeniul irigaiilor. Un aspect care devine ngrijortor este acela c n ultimii 25 de ani scurgerile de ap n peste 145 mari cursuri de ap din lume a sczut cu 1/5 (20%) ca o consecin primar a schimbrilor climatice [53]. Consumul mediu de ap la nivel mondial este de 650 m/loc./an din care 8% pentru nevoi umane, 23% n industrie i 69% n agricultur . n Romnia resursa de apa specific este apreciat la 1780 m3/anlocuitor, din acest punct de vedere ara noastr deine locul 21 n Europa. Conform evalurii s-a constatat c o scdere a resurselor de ap i o cretere a populaiei va duce la imposibilitatea producerii de hran necesar n viitor, n multe pri ale lumii [10], [106]. Pentru a evita o astfel de criz a apei la nivel global, trebuie s se gseasc soluii privind creterea productivitii n vederea satisfacerii cerinelor tot mai mari de alimente, precum i modaliti de a utiliza apa raional. Se estimeaz ca n anul 2025, doar pentru meninerea acelorai suprafee irigate n prezent cantitatea de ap necesar agriculturii va crete cu 14% fa de cea actual. Circa 90% din sporul de producie agricol se va realiza de pe terenurile existente cultivate i 10% de pe noi terenuri ce vor fi ameliorate prin lucrri specifice (ndiguire, drenaj).

Tab. 1.6. Evoluia cerinelor de ap n Romnia, [10]

Anul Cerina de ap [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 situaia cerinelor de ap comparativ cu alte ri europene, n Romnia din totalul cantitilor de ap utilizabil 13% deservete populaia, 46% n industrie i restul de 41% sunt folosite n agricultur.

8


1.3. Legislaia U.E. i din Romnia cu privire la valorificarea apelor uzate n irigaii

Penuriile severe de ap, contaminarea, zonele urbane dens populate, agricultura intensiv irigat i populaia n continu cretere, cu standarde mai ridicate de via, sunt factori care fac esenial reutilizarea apelor uzate tratate, n vederea creterii cantitii poteniale i atenurii deficitului de ap. Drept consecin ISO a creat un comitet de proiect nou, ISO/PC 253, pentru a dezvolta un standard privind utilizarea i epurarea apelor uzate n vederea folosirii acestora pentru irigaii, denumit Comitetul ISO/PC 253 Reutilizarea pentru irigaii a apelor uzate i viitorul standard ISO 16075. Standardul are drept scop oferirea celor mai bune practici i prevenirea efectelor adverse asupra sntii publice, mediului, solurilor i culturilor agricole ca urmare a irigrii cu ape uzate epurate. Proiectul a fost propus iniial de SII (membru ISO pentru Israel), care deine secretariatul ISO/PC253. Prima ntlnire a avut loc n octombrie 2010 iar publicarea standardului ISO 16075 este ateptat n anul 2013.

1.4. Particulariti tehnice specifice valorificrii apelor uzate n lucrrile de irigaii

Administrarea apelor uzate trebuie efectuat n condiii optime de umiditate a solului, pentru a se evita splarea n profunzime a elementelor nutritive si pentru a reduce scurgerile. De asemenea trebuie respectate urmtoarele msuri: a) nu se administreaz n irigaii ape uzate pe soluri a cror temperatur este sub 50C; b) norma de udare se aplic astfel nct apa uzat s se infiltreze i nmagazineze integral n sol;

c) nu se administreaz n irigaii apa uzat n zilele ploioase pentru a se evita infiltrarea poluanilor din ap sub zona de aciune a sistemului radicular; d) timpul de administrare se alege astfel nct pn la semnat s aib loc dispersia srurilor i nitrificarea concentraiilor de amoniac, n concordan cu nivelul de toleran al culturilor;

e) nainte de administrare, apa uzat se va stoca n bazine, cel puin 30 de zile, pentru a reduce potenialul epidemiologic. La administrarea pe terenurile agricole a apelor uzate, n ceea ce privete volumul de ap uzat distribuit trebuie avute n vedere textura solului, nivelul apei freatice, drenajul natural al terenului, coninutul n azot al apei uzate, necesarul de azot al culturilor i cerinele pentru ap a culturilor.

1.5. Aspecte ecologice i economice n cazul valorificrii apelor uzate n agricultur

La utilizarea apelor uzate n irigarea culturilor agricole trebuie s se aib n vedere:

necesitatea nutriional a plantelor; meninerea valorii pH-ului din solurile pe care urmeaz a fi aplicate apele uzate la limita de 6.5;

efluentul folosit n irigaii s se ncadreze n limitele maxime admisibile privind compoziia biologic i bacteriologic.

9


Cu toate c n desfurarea proceselor de epurare mecanic i biologic concentraia microorganismelor patogene, ou de helmini, virui etc. au fost reduse i parial distruse, totui, n efluent, rmne o cantitate important de bacterii patogene. Deci, exist riscul unei contaminri bacteriologice a culturilor. Astfel c, nainte de aplicarea apelor uzate pe cmpurile agricole, trebuie s se aib n vedere eliminarea riscului potenial al contaminrii ecosistemului agricol cu ageni patogeni (bacterii, virui, etc.). Toate aceste procedee sunt costisitoare i reclam echipamente speciale, motiv pentru care se apeleaz la soluii ieftine i uor de verificat. Cnd regimul precipitaiilor este extrem de sczut sau cnd se nregistreaz perioade ndelungate de secet, apa uzat epurat poate fi folosit doar la culturi ce nu sunt folosite pentru consum n hrana oamenilor sau animalelor [36]. Astfel de culturi pot

fi cele energetice (salcia energetic, rapia, iarba elefantului, etc.), constituind materia prim pentru producerea de energie ecologic (pelei, biodisel, biometan, etc.)

1.6. Necesitatea i oportunitatea studiului

Posibilitatea valorificrii apelor uzate poate prezenta o soluie eficient pentru asigurarea de producii maxime n perioadele de secet la unele culturi agricole. Pentru a evita un posibil impact negativ asupra sntii oamenilor, pe care l-ar putea prezenta produsele agricole obinute prin irigarea cu ape uzate, se impune un studiu aprofundat tiinific privind posibilitatea valorificrii acestor ape n vederea irigrii culturilor energetice utilizate n producia de biomas. Din aceste considerente, n prezenta tez de doctorat, se caut pe baza unor cercetri efectuate n cmpuri experimentale, s se rspund la problemele mai sus menionate n strns corelare cu simularea matematic a irigrii pe o perioada de 4 ani consecutiv, n vederea stabilirii modificrilor asupra solului i culturii.

1.7. Obiectivele cercetrii

innd seama de gravele perturbri ecologice manifestate la nivel mondial, ca urmare a schimbrilor climatice, reprezentand una dintre cele mai grave i actuale probleme cu care ne confruntm n secolul XXI, prezenta lucrare i propune identificarea, analiza i implementarea noilor tehnologii avansate de epurare a apelor uzate, n vederea valorificrii efluentului la irigarea culturilor energetice.

10


CAPITOLUL II

STADIUL ACTUAL AL VALORIFICRII APELOR UZATE LA IRIGAREA CULTURILOR AGRICOLE.

RISCURI I EXIGENE.

2.1. Realizri privind amenajrile de irigaii n rile din Uniunea European

2.1.1. Irigarea cu ape din resurse naturale

n Europa, 44% din apa captat se utilizeaz pentru producia de energie, 24% pentru agricultur, 21% pentru aprovizionarea cu ap a populaiei i 11% n industrie [10]. n sudul Europei, spre exemplu, agricultura consum 60% din totalul apei captate, procentul ajungnd chiar i la 80 % n anumite zone, datorit deficitului n precipitaii.

2.1.2. Irigarea cu ape uzate

n prezent nu exist n Europa lucrri aprofundate tiinific. ncercri pe cmpuri experimentale au loc n Bulgaria (Varna - n apropiere de oraul Razlog se irig cu ape uzate provenite de la fabrica de bere), Frana (lng Paris - ca metod de epurare se utilizeaz metoda de epurare biologic natural, [22], [56]), Germania (Braunschweig), Italia (Sicilia), Olanda (folosirea apelor uzate la irigarea prin

aspersiune), Polonia (zona oraului Lodz, Pabianioze i Wroclaw) i n Ungaria (unde se folosesc apele uzate ale oraului Kecskemet la irigarea prin amenajri de cmpuri de infiltraie).

2.2. Realizri privind amenajrile de irigaii n Romnia

2.2.1. Irigarea cu ape din resurse naturale

n Romnia, conform datelor furnizate de Agenia Naional de mbuntiri Funciare, se irig anual o suprafaa total de 2.997.471 ha, din care prin aspersiune 2.670.803 ha, prin brazde 276.938 ha i prin inundare 49.730 ha (fig.2.7).

2.2.1.1. Evoluia cerinelor de ap n domeniul irigaiilor

Zona irigabil din Romnia reprezint 9% din totalul terenurilor arabile, n timp ce suprafaa irigat este de 1%. Conform datelor Administraiei Naionale de mbuntiri Funciare [170], n Romnia suprafeele irigate au crescut n anul 2009, comparativ cu cele din anul 2005, cu aproximativ 665.000ha, reprezentate de

aproximativ 432 de unii administrative particulare de irigaii (fig.2.8). Suprafaa cu potenial economic irigabil se apreciaz la 5,5 mil ha, din care 3,5 mil ha cu eficien economic mare. n acest context, irigaiile vor deveni cel mai important consumator de ap din agricultur i unul dintre principalii consumatori pe plan naional, solicitnd n medie 35 45% din resursele de ap exploatabile ale rii. Pentru meninerea valorilor necesare acoperirii cererii de alimente la nivel mondial, aflate n cretere, ar trebui ca suprafeele cu terenuri irigate s creasc cu cca.

11


30% ceea ce ar conduce la necesitatea creterii cantitii de ap proaspt pentru irigaii cu 15-20%.

2.2.1.2. Evoluia suprafeelor cultivate pentru obinerea culturilor energetice

Culturile energetice, conform R(CE) nr.1782/2003 Art.88, sunt culturile

agricole utilizate pentru obinerea biocombustibililor, biocarburanilor, energiei electrice i termice produs din biomas prin cogenerare. Organizaia Naiunilor Unite (ONU) estimeaz c n 15 - 20 de ani, un sfert din energia i combustibilii folosii la nivel mondial vor proveni din biomas sau din surse alternative. n acest context, culturile energetice (rapia, salcia energetic, trestia, iarba energetic, floarea soarelui, soia, etc.) prezint un interes din ce n ce mai mare la nivel global, n scopul obinerii biomasei. Uniunea European ocup locul nti pe plan mondial ca productor, consumator i importator de rapi, potrivit Departamentului de Agricultur al guvernului american (USDA).

Fig.2.13.Primele poziii ale rilor productoare de rapi n Europa, n 2012

La nivelul anului 2010, suprafaa cultivat cu rapi a situat Romnia n primele cinci state membre U.E., iar ponderea acesteia n suprafaa total cultivat cu rapi a Europei a sczut cu 1,7%, fa de anul precedent. Se estimeaz c producia va scdea la 180.000 de tone, de la 670.000 de tone n 2012.

Fig.2.14. Suprafeele de exploataie agricol din Romnia i zonele cu plantaii de

rapi

12


Salcia energetic este cunoscut i sub denumirea de salcie repede cresctoare, este cultivat n scopul obinerii de resurse energetice, fiind utilizat ca biomas pentru fabricarea de brichete sau pelei folosite la nclzirea centralelor termice.

n anii 70 au nceput cercetrile pentru salcie la Institutul Lantmannen Agroenergi (Suedia), n cadrul crora s-a urmrit crearea unor soiuri cu valoare energetic ridicat, cu dezvoltare rapid, rezistente la diferite condiii de mediu i care s reprezinte o surs de biomas ieftin. Astfel, s-au obinut hibrizi cu o valoare caloric de 4900 kcal/kg, cu o cretere zilnic ntre 3-3,5 cm i care sunt rezisteni la boli, duntori i nghe. O plantaie are viaa de 25-30 ani n care n primul an de via producia este nesemnificativ, de cca. 10t/ha (n aceast perioad se dezvolt rdcina) iar n anii urmtori producia anual este de 40-45 t/ha (dup evidenele suedeze i 50-60 t/ha in Ungaria).

Acest tip de cultur nu este suficient de cunoscut, pe teritoiul Romaniei cultivandu-se prima dat n anul 2007, n zona Harghitei i a Braovului (fig.2.15).

Fig.2.15. Zone din Romania n care se planteaz salcia energetic

2.2.2. Irigarea cu ape uzate

n Romania existau, la nivelul anului 1996, peste 60000 ha cu amenajari

de irigaie cu ape uzate, provenind de la complexele zootehnice, incluse n circa 30 de sisteme de irigaie [63], [92]. n prezent acestea nu mai sunt funcionale, fiind abandonate.

2.3. Sisteme de agricultur i eficacitatea irigrii culturilor cu ape uzate

Sistemul de agricultur reprezint complexul de factori naturali i antropici care ajut la derularea fireasc a procesului de producie agricol. n Europa, n domeniul agricol, n funcie de tehnologiile utilizate sunt practicate diferite sisteme de agricultur: durabil, convenional (moderat intensiv i puternic intensiv), de precizie, extensiv, biologic (alternativ) si organic;

13


2.3.3. Riscuri i exigene la irigarea cu ape uzate a culturilor agricole

Rezultatele obinute n ultima perioad, de ctre cercettori specialiti n diferite cmpuri experimentale au evideniat faptul c irigarea cu ape uzate, practicat n mod necorespunztor poate prezenta diferite riscuri asupra mediului dintre care cele mai importante sunt oboseala solului, calitatea necorespunztoare a apelor uzate, colmatarea terenurilor amenajate, riscuri cauzate de prezena metalelor grele, a bacteriilor patogene.

2.3.4. Condiii i restricii de aplicare

n compoziia apelor uzate predomin ca principali impurificatori substanele organice (hidrai, proteine, lipide), produii lor de transformare precum i o mare varietate a combinaiilor ntre aceste substane. Cei mai periculoi poluani sunt cei de natur organic, deoarece acetia intr n fermentaie accentund fenomenul de eutrofizare.

Cercetrile recente evideniate n literatura de specialitate arat c n staiile de epurare echipate cu o treapt mecanic i biologic, eficiena privind eliminarea azotului total 5-25%, adic o mare parte din compuii azotului ajung n receptori cu consecine negative asupra mediului nconjurtor. Fosforul, mpreun cu compuii azotului sunt asimilai cu uurin de ctre alge, contribuind direct la creterea ritmului de eutrofizare a apelor stttoare sau a celor cu curgere lent.

Tab.2.4. Eficiena eliminrii concentraiilor compuilor de azot

Forma de azot

Concentraia compuilor de N (mg/dm3) Eficiena medie total a

epurrii(%) n apa uzat

n efluentul primar

n 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. Eficiena eliminrii concentraiilor compuilor de fosfor

Forma de fosfor

Concentraia compuilor de P (mg/dm3) Eficiena medie total a epurrii

(%) n apa uzat

n efluentul primar n 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

Reinerea azotului i fosforului din apele uzate constituie o preocupare major n ntreaga lume datorit surselor de ap care sunt din ce n ce mai puine i mai poluate. Sub aspect legislativ sunt evideniate valorile indicatorilor de calitate ai apelor uzate ce urmeaz a fi valorificate n irigaii.

14


CAPITOLUL III

BAZELE TEORETICE ALE PROCESELOR DE ELIMINARE A AZOTULUI I FOSFORULUI DIN APELE UZATE.

MODELAREA MATEMATIC A MICRII APEI N SOL

3.1. Teoria cinetic a proceselor de nitrificare-denitrificare/defosforizare

Procesul de nitrificare biologic este procesul n care azotul, sub form de ioni de amoniu, din apa uzat neepurat este oxidat succesiv la nitrit (NO2

-) i apoi la nitrat (NO3

-), ntr-un mediu bine oxigenat. Evacuarea apelor uzate nitrificate va satisface n

general cerinele de acceptare a receptorului unde reducerea necesarului de oxigen pentru azot este cerut sau unde reducerea toxicitii amoniacului este necesar. n procesul de nitrificare au loc dou procese importante: reducerea substanei organice, ce se realizeaz cu ajutorul unor bacterii aerobe heterotrofe (fig.3.1.a.) i respectiv reducerea azotului amoniacal (nitrificarea propriu-zis) care se realizeaz cu ajutorul unor populaii de bacterii aerobe autotrofe (fig. 3.1.b.), care oxideaz amoniu la nitrat cu formarea intermediar a nitritului.

a) aerobe heterotrofe b) aerobe autotrofe

Fig.3.1. Reprezentarea schematic a metabolismului bacteriilor implicate n procesul de nitrificare

Stoechiometria nitrificrii La nivel biochimic, procesul de nitrificare, presupune mai mult dect oxidarea

succesiv a amoniului la nitrit de ctre bacteriile Nitrosomonas i a nitritului la nitrat de ctre Nitrobacter. Sunt implicate numeroase reacii intermediare i enzime.

Fig.3.2. Schema procesului de nitrificare

Cinetica nitrificrii Expresiile cinetice vor fi dezvoltate pentru a descrie rata creterii nitrificatorilor i a oxidrii amoniului precum i impactul pe care l au un numr de factori de mediu asupra acestor rate. De asemenea, vor fi evaluai i ali factori care au

15


un impact asupra eficienei i performanei bazinelor de nitrificare, inclusiv consumul biochimic de oxigen la proporia de azot i influenele zonelor de reducie. Factorii care influeneaz procesele de nitrificare sunt temperatura, concentraia oxigenului dizolvat, pH-ului si alcalinitii, raportul carbon organic influent/azot.

Bazele teoretice ale procesului de denitrificare Denitrificarea biologic continu procesul de nitrificare i const n reducerea progresiv a nitratului la nitrit i n final a nitritului pn la forma de azot molecular, utiliznd un mediu lipsit de oxigen sub aciunea bacteriilor denitrificatoare. Condiia necesar a acestei reacii o constituie lipsa oxigenului molecular, locul acestuia, pentru asigurarea respiraiei bacteriene, este luat de nitrat.

Fig. 3.7. Reprezentarea schematic a metabolismulului bacteriilor anoxice heterotrofe

Transformarea nitratului la o form mai uor de eliminat este realizat prin bacterii de tipul achromobacter, aerobacter, alcaligenes, bacillus, brevibacterium,

flavobacteriu, lactobacillus, micrococcus, proteus, pseudomonas i spirillum.

Fig.3.8. Schema procesului de denitrificare

Stoichiometria denitrificrii n procesul de denitrificare, nitratul i nitritul acioneaz ca acceptor de electroni n lanul de transport electronic n acelai mod ca i oxigenul. Procesul implic transferare de electroni de la un donor de electroni (ex. substrat organic) la un acceptor de electroni oxidat (ex. oxigen, nitrat, nitrit). Ecuaiile stoichiometrice teoretice pun n eviden masa de donatori de electroni (ex: substratul de carbon) i acceptori (ex: oxigen, nitrai i nitrii) consumai i masa de celule produse n timpul oricrui proces biologic. Factorii care influeneaz denitrificarea sunt temperatura, concentraia oxigenului dizolvat, pH-ului si alcalinitii.

16


Fig.3.10. Schema procesului de nitrificare- denitrificare

3.2. Modele matematice privind curgerea apei prin porii solului

3.2.1. Generaliti asupra micrii apei n sol

Modelarea matematic a fenomenelor de curgere i transport se bazeaz att pe modele hidrodinamice ct i hidraulice. Dup modul de considerare a vitezei de variaie a parametrilor hidraulici n acvifere, problemele de curgere pot fi att n regim tranzitoriu, ct i n regim permanent (staionar). Trebuie subliniat faptul c "modelele matematice sunt folositoare cnd sunt suficiente date geologice semnificative i cnd exist nregistrri pe mai muli ani privind micarea contaminanilor". Solul, datorit organizrii sale complexe, se prezint ca un rezervor natural de ap, cu un consum continuu al acesteia, dar i n continu rennoire. Coninutul de ap al solului, mereu schimbtor n cantitate i calitate, ndeplinete complexe funcii ecologice. El are un dublu caracter: de factor ecologic, participnd la fiziologia i creterea plantelor i de determinant ecologic, influennd sau condiionnd existena altor factori i determinani ecologici (aerul, cldura, reacia, substanele nutritive accesibile, microorganismele, consistena, etc.) Micarea apei din sol este determinat de diferena de potenial a apei ntre dou puncte date [112]. Apa n sol se deplaseaz de la punctele cu potenial hidraulic mai mare ctre punctele cu potenial hidraulic mai mic, iar fora motrice a micrii o constituie gradientul potenial al apei din sol. Forele ce determin circulaia apei din sol pot fi mprite, dup forma caracteristic a micrii pe care o produc, n fore mecanice (din care fac parte forele gravitaionale), fore de presiune (hidrostatice) si fore capilare (care determin circulaia masiv/global a apei n stare lichid), [12].

17


Fig. 3.12. Micarea apei n sol

Vegetaia are un rol important n procesul de infiltraie i de scurgere de suprafa. n prezena vegetaiei o parte din precipitaie este reinut prin intercepie de stratul vegetal iar restul ajunge pe sol strbtnd foliajul sau prin curgerea pe trunchiul arborilor (fig.3.13).

Fig.3.13. Apa n sistemul sol-plant-atmosfer.

3.2.2. Modele matematice n soluri saturate Legea lui Darcy

n solul saturat, circulaia apei are loc n conformitate cu legea lui Darcy. Acesta, fiind solicitat s rezolve problema aprovizionrii cu ap a oraului Dijon, a efectuat numeroase studii, ajungnd la formularea legii care i poart numele. Domenii de valabilitate a legii lui Darcy

Legea lui Darcy este valabil pentru regimurile de curgere laminar care au loc, de obicei, n nisipurile fine, iluri i argile. Legea lui Darcy poate s descrie nsi procesele curgerii continuu sau staionare, n care fluxul rmne constant i egal de-a

18


lungul sistemului de direcionare (deci potenialul i gradientul rmn n orice punct constant cu timpul).

3.2.3. Modele matematice n soluri nesaturate Legea lui Richards

Legea lui Darcy, dei conceput iniial pentru micarea apei n solurile saturate, a fost extins de Richards i pentru condiii de nesaturare, cu precizarea c acum conductivitatea hidraulic este o funcie a suciunii matriciale.

3.3. Utilizarea programelor matematice pentru simularea proceselor cercetate

Dezvoltarea cercetarilor n domeniul complex al relaiilor dintre apa-sol-plant i variaiile climatice, a permis elaborarea unor modele matematice capabile de a simula procesele naturale n conducerea procesului de irigare i micarea apei n sol.

3.3.1. Utilizarea programului ISAREG i a subprogramului EVAPOT

Simulrile de irigaii cu ajutorul acestor modele i programe de calcul permit stabilirea cerinelor de irigaii n condiii climatice reale (de distribuia n timp a precipitaiilor i a evapotranspiraiei), pedologice (capacitatea de reinere, .a), agrotehnice. Elementele bilanului 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 cerina de irigaie

ISAREG este un model conceptual pentru simularea i optimizarea programrii irigrii terenurilor agricole realizat de profesorul Pereira i colaboratorii si de la Institutul de Agronomie, Universitatea Tehnic din Lisabona (Portugalia), la care am participat personal la diverse aplicaii. Modelul stabilete datele de aplicare a udrilor i normele de udare pentru un sezon i pentru o cultur, efectueaz un bilan sol ap pentru irigaii, n combinaie cu o rutin pentru ap producie, pentru a optimiza programarea udrilor. Modelul de calcul al necesitilor hidrice se bazeaz pe realizarea bilanului hidric al solului, considerndu-l un rezervor care primete ap din precipitaii, irigaii, ascensiunea capilar, i care pierde ap prin evapotranspiraia culturilor, prin scurgerile superficiale i prin percolare (fig. 3.16).

19


Fig. 3.16. Bilanul hidric al solului

Fig. 3.17. Schema logic a programului ISAREG

Submodulul EVAPOT aparine modulului de calcul ISAREG, conceput s determine evaporaia de referin zilnic, lunar sau anual pe perioada luat n calcul.

20


Modulul ISAREG este dependent de fiierele formate n urma rulrii submodulul EVAPOT. Pentru rularea submodulului EVAPOT, se definete perioada de calcul i se creaz fiiere cu datele climatice caracteristice zonei cercetate. Subprogramul ofer posibilitatea determinrii evaporaiei de referin dup 3 metode de calcul. Metoda Penman i metoda Penman-Monteith ofer cea mai mare precizie n calculul ET0 pentru perioade de estimare sub 5 zile.

3.3.2. Utilizarea softului MOHID de modelare a fenomenului de curgere a apei n sol

Denumirea MOHID reprezint prescurtarea din portughez "Modelo Hidrodinmico" (Model Hidrodinamic). Programul a fost creat n 1985 i dezvoltat ulterior de o echip de cercettori din cadrul Institutului Superior Tehnic n colaborare cu Hidromod Lda. (http://www.hidromod.pt), incluznd de asemenea contribuii ale echipei permanente de cercetare i ale doctoranzilor din cadrul Departamentului de Inginerie a Mediului i Mecanic, ct i a studenilor 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 n ANSI FORTRAN 95 utiliznd filosofia programrii orientate pe obiect, integrnd diverse modele numerice i susinnd interfaa grafic a utilizatorului ce gestioneaz toat pre i post-procesarea, fiind structurat pe trei modele: MOHID Land, MOHID River i MOHID Water, acestea rezolv o serie ntreag de probleme reprezentate schematic n figura 3.20.

Fig.3.20. Principalele probleme rezolvate n cadrul programului MOHID

21


Ecuaiile ce definesc modulele din softul MOHID Land MOHID Land este cel mai recent executabil de baz din cadrul programului MOHID. n cadrul lui a fost integrat si executabilul MOHID Soil care simuleaz fluxul de ap prin mediul poros. Acesta rezolv ecuaia lui Richards pentru a simula fluxurile de ap n mediul poros saturat i nesaturat, proprietile hidraulice fiind descrise cu ajutorul funciei Van Genuchten

.

Fig.3.23. Geometria i ecuaiile Mohid Land, [166]

Suprafaa terenului este descris bidimensional de o reea de linii orizontale, impartita in celule (fig.3.23). nlimea este specificat n centrul fiecrei celule din grila de linii, folosind un DTM (digital terrain model). Mediul poros este un domeniu

tridimensional, cu aceleai linii orizontale ca i suprafa, i cu linii verticale care s permit determinarea grosimii straturilor. Reeaua hidrografic este un domeniu unidimensional definit din DTM. Pentru calcularea variabilelor i a fluxurilor, modelul folosete abordarea volumului finit (volum de control).

Modulele din MOHID Land

Module dezvoltate asociate cu procese specifice ce pot fi ntlnite n funcie de mediile specifice simulate, creaz o structur modular. Procesele principale rezolvate fiind prezentate n cele ce urmeaz pentru fiecare modul MOHID Land.

Tab.3.4. Modulele MOHID Land Denumire modul Descriere

Modulul Athmosfere calculeaz evapotranspiraia real i de referin

Modulul PorousMedia calculeaz infiltraiile, micarea nesaturat i saturat a apei

Modulul Porous

Media Properties

calculeaz proprietile de transport i transformrile din sol

Modulul Sediment

Quality

calculeaz transformrile proprietilor n sol conduse de microorganisme (mineralizarea, nitrificarea, denitrificarea, etc.)

22


Denumire modul Descriere

Modulul PREEQC calculeaz transformarea proprietilor n sol prin echilibru chimic

Modulul Runoff calculeaz scurgerea de suprafa n zona luat n calcul

Modulul Runoff

Properties

calculeaz proprietile transportului n timpul scurgerilor

Modulul Vegetation gestioneaz creterea vegetaiei i practicile agricole

Modulul Basin

gestioneaz informaiile dintre module i calculeaz interfaa, fornd fluxurile dintre atmosfer i sol (evaportranspiraia potenial)

n vederea centralizrii datelor iniiale programul mparte fiierul numit General data, n 4 subfiiere numite: Boundary conditions, Digital Terrain, Initial Conditions i TimeSeries Location.

Scheme logice de modelare a programului MOHID

n funcie de modulul care ne intereseaz i pe baza relaiilor pe care funcioneaz programul matematic de simulare MOHID Land, s-au elaborat scheme logice de funcionare pentru Modulul Hidrodinamic i Modulul Water Proprieties.

Fig. 3.24. Schema logic a modulului Hidrodinamic

Fig. 3.25. Schema logic ntre modulul Water Properties i alte module

23


CAPITOLUL IV

MSURI TEHNICE NECESARE PENTRU VALORIFICAREA APELOR UZATE N IRIGAII

4.1. Aspecte calitative privind apele uzate evacuate din aglomerrile rurale i urbane

4.1.1. Compoziia apelor uzate d.p.d.v. fizic, chimic, biologic i bacteriologic

Caracterizarea compoziiei apelor uzate privind calitatea acestora se face n urma analizelor de laborator de ctre agenii economici ce utilizeaz reelele de canalizare, inspectoratele de protecie a mediului, direciile de ape bazinale i administratorii staiilor de epurare, urmrindu-se astfel caracteristicile fizice, chimice i biologice.

4.1.2. Formele sub care se afl substanele nutritive (N i P) n apele uzate i efectul lor asupra sntii oamenilor i asupra animalelor

Azotul este elementul de baz din constituia proteinelor i aminoacizilor ce provine din diverse procese biochimice de degradare a produselor vegetale i animale, unde sunt transformai n ioni de amoniu, nitrai, nitrii sau rmn ca azot albuminoidal.

Fig.4.3. Ciclul azotului

24


Fig. 4.6. Ciclul azotului n apele de suprafa

Fig. 4.7. Ciclul azotului n sol i n freatic

Prezena fosforului n apele naturale este legat de iroirea apelor pe cmpuri fertilizate cu ngrminte fosfatice precum i prin impurificarea cu ape uzate menajere, de la uniti zootehnice i de la degradarea biochimic a microorganismelor vegetale i animale, fiind unul din constituienii de baz ai celulelor vegetale i animale.

25


Fig. 4.8. Circuitul P n natur

4.1.3. Necesitatea ndeprtrii azotului i fosforului din apele uzate

Azotul i fosforul sunt elementele chimice cunoscute sub denumirea de nutrieni, fiind substane necesare vieii. ns n situaiile n care cantitile acestora depesc limita admisibil n apele uzate acestea prezint un impact negativ asupra mediului nconjurtor, devenind poluani agresivi pentru apele subterane, apele de suprafa, sol i aer.

Biostimularea creterii plantelor i algelor n apele de suprafaa (fenomenul de eutrofizare)

Fig.4.9. Schema fenomenului de eutrofizare

n prezent 30-40% din apele de suprafa sunt afectate ntr-o masur mai mic sau mai mare de fenomenul de eutrofizare [49], [56]. Eliminarea nutrienilor din ap este esenial pentru un impact redus al staiei de epurare asupra mediului nconjurtor prin reducerea la minim a riscului de eutrofizare a cursurilor naturale [43].

26


4.2. Procese de ndeprtare a poluanilor din apele uzate

Epurarea apelor uzate se poate realiza prin metode ce se bazeaz pe procese fizice, chimice i biologice, care difer funcie de tipul poluanilor i concentraia lor n ap uzat.

Fig. 4.11. Schema general a circuitului apelor uzate n staia de epurare

4.2.1. Epurarea mecanic n cadrul treptei primare (epurarea mecanic) sunt folosite instalaii de reinere a corpurilor i suspensiilor mari (grtare, site), de separare a uleiurilor i grsimilor prin flotare (separatoare de grsimi, sedimentarea materialelor solide n suspensie, realizat n deznisipatoare i decantoare).

4.2.2. Epurarea biologic convenional n cadrul treptei de epurare secundare (epurarea biologic) se folosesc procese biochimice prin care se ndeprteaz materiile solide coloidale i compuii organici biodegradabili, realizat n bazine cu nmol activ, n filtre biologice sau iazuri biologice.

4.2.3. Epurarea biologic avansat

Epurarea avansat a apelor uzate sau treapta teriar, constituie o soluie nou tehnologic de reinere din apele uzate a compuilor azotului i fosforului n special, precum i a altor impurificatori a cror structur chimic i biologic nu permit a fi reinute i eliminate ntr-o staie de epurare convenional [21], [37], [44], [98].

Fig. 4.13. Clasificarea metodelor de epurare avansat

27


4.2.3.1. Scheme tehnologice biologice de nitrificare i denitrificare, tip preD, cu postD i combinate Pentru realizarea nitrificrii i denitrificrii se pot utiliza diferite scheme tehnologice unde se poate asigura desfurarea proceselor n acelai reactor sau n reactoare independente.

Procedeele de nitrificare pot fi clasificate pe baza gradului de separare a

funciilor de oxidare a carbonului i de eliminare a azotului prin nitrificare: a) nitrificare ntr-o singur faz, unde oxidarea carbonului i nitrificarea au loc n acelai reactor (fig.4.14).

Fig.4.14. Schema de nitrificare ntr-o singur faz

b) nitrificarea n dou faze separate, unde oxidarea carbonului i nitrificarea au loc n reactoare independente (fig.4.15.).

Fig. 4.15. Schema de nitrificare n dou faze separate.

4.2.3.2. Eliminarea bacteriilor patogene

Eliminarea bacteriilor patogene din apele uzate epurate, constituie un proces

de epurare avansat ce se efectueaz prin procedeul de dezinfecie, care cuprinde dou faze: ptrunderea dezinfectantului prin peretele celular i denaturarea materiilor proteice din protoplasm [40].

4.3. Tehnologii moderne aplicate n epurarea avansat a apelor uzate

4.3.1. Eliminarea azotului prin procese de nitrificare-denitrificare

Eliminarea concentraiilor de azot din apele uzate prin metode avansate de epurare presupune transformarea azotului amoniacal n nitrat n mediul aerob, respectiv

transformarea nitratului n azot gazos n mediul anoxic.

28


4.3.1.1. Procedeul de eliminare a azotului cu nmol n bazin unic

Acest procedeu prezint avantajul eliminrii costurilor ridicate pentru sursele externe de carbon, pentru realizarea procesului de nitrificare utilizndu-se doar carbonul

existent n apele uzate i fragmentele de esut celular bacterian rmas dup dezintegrarea endogen a organismelor.

Fig.4.23. Schema tehnologic combinat de tip Bardenpho n patru trepte

4.3.1.2. Procedeul de eliminare a azotului cu nmol n bazine separate

Procesele n care se realizeaz oxidarea substanei organice n bazine separate pot fi procese cu biomas n suspensie sau cu biomas fixat.

Fig.4.24. Schema tehnologic pentru eliminarea azotului cu nmol n bazine separate

n cazul proceselor cu biomas fixat se utilizeaz filtrele biologice cu discuri (fig.4.25) i bazine cu pat fluidizat (fig.4.26)

Fig.4.25.Schema tehnologic cu denitrificare n filtru biologic cu discuri

29


Fig.4.26. Schema tehnologic cu denitrificare n bazin biologic cu pat fluidizat

4.3.2. Eliminarea fosforului prin procese anaerobe combinate cu cele aerobe (de tip A/O) Fosforul este reinut prin ncorporarea ortofosfailor, polifosfailor i a fosforului legat organic, n esutul celular, cantitatea total de fosfor ndeprtat din sistem fiind funcie de cantitatea de flocoane biologice produse efectiv.

4.3.2.1. Procedeul Anaerob/Onix (A/O)

Fig. 4.27. Schema tehnologic de eliminarea fosforului, A/O

4.3.2.2. Procedeul PHOSTRIP

Fig. 4.28. Schema tehnologic de eliminarea fosforului, phostrip

30


4.3.2.3. Procedeul bazinelor cu funcionare secvenial

Fig. 4.29. Schema tehnologic de eliminarea fosforului n bazinul cu funcionare

secvenial (a.umplere bazin; b.desfurare proces biologic amestec sau aerare; c.proces de sedimentare;

d.golire bazin)

4.3.3. Eliminarea azotului i fosforului prin procese simultane (de tip A2/O, Badenpho, UCT, VIP)

Cele mai multe tehnologii de ndeprtare combinat a acestor compui implic o serie de combinaii ntre zone anaerobe, anoxice i aerobe, sau compartimente special destinate eliminrii azotului i fosforului. Principalele tehnologii pentru eliminarea simultan a azotului i fosforului sunt procedeul A2/O, procedeul Bardenpho n 5 trepte, procedeul UCT, procedeul VIP.

4.3.3.1. Procedeul Anaerob Anoxic/Oxic (A2/O)

Fig.4.30. Schema tehnologic de eliminare a azotului i fosforului tip A2/O

31


4.3.3.2. Procedeul Bardenpho n 5 trepte

Fig.4.31. Schema tehnologic de eliminare a azotului i fosforului, tip Bardenpho

4.3.3.3. Procedeul UCT (University of Cape Town)

Fig.4.32. Schema tehnologic de eliminare a azotului i fosforului, tip UCT

4.3.3.4. Procedeul VIP (Virginia Initiative Plant)

Fig.4.33. Schema tehnologic de eliminare a azotului i fosforului, tip VIP

n urma epurrii avansate, folosind tehnologiile menionate de nitrificare-denitrificare/defosforizare, efluentul prezint caliti ce se ncadreaz n restriciile impuse de NTPA-001/2005 i deci este inofensiv pentru mediu. n plus, este indicat pentru valorificarea la irigarea culturilor agricole.

32


CAPITOLUL V

CERCETRI EXPERIMENTALE ASUPRA TEHNOLOGIILOR DE EPURARE AVANSAT.

STUDIU DE CAZ: Staia de epurare a municipiului Piatra Neam

5.1. Aspecte geografice privind Judeul Piatra Neam

5.1.1. Generaliti

Judeul Neam este situat n partea central-estic a Romniei, ocup o poziie care se suprapune, n parte Carpailor Orientali, Subcarpailor Moldoveneti i Podiului Moldovenesc, limitndu-se la nord cu judeul Suceava, la vest cu judeul Harghita, la sud cu judeul Bacu, iar la est cu judeele Vaslui i Iai. Se ntinde pe o suprafa de 5896 km, ceea ce reprezint 2,5% din suprafaa total a rii.

5.1.2. Studii geomorfologice

Fig.5.3. Amplasare geomorfologic zonal 3D a municipiului Piatra Neam

5.1.3. Studii climatice

Exceptnd zona de munte, anual n jude se nregistreaz 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 i 23 zile cu temperaturi medii >200C. Maxima absolut, de +38,6C (din august 1952) s-a nregistrat la Piatra Neam, iar minima de -33,2C (din februarie 1954) s-a semnalat n Roman.

33


Fig.5.4.Temperaturi medii anuale n perioada 2008-2011

Fig.5.5. Variaii medii anuale ale vitezei vntului n perioada 2008-2011

Fig.5.6. Variaii medii anuale ale radiaiilor n 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


Vit

eza

van

tulu

i [m

/s]

2008

2009

2010

2011

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450


[w/m

]

2008

2009

2010

2011

34


Fig.5.7. Precipitaii medii anuale n perioada 2008-2011

5.1.4. Studii hidrologice

Sistemul hidrografic al oraului este format din ape curgatoare (Bistria, Cuejdiu), praie (Sarata, Borzoghean, Doamna) i lacuri (acumularea Batca Doamnei - 255 hectare cu un volum de aproximativ 10 milioane m3 de ap) i lacul Reconstrucia (10 hectare cu un volum de aproximativ 250.000 m3 de ap).

5.1.5. Studii pedologice

n zona montan ntlnim soluri silvestre (brune acide, brune podzolice i rendzine brune pe poriuni mai restrnse) care au, n general grosimi mici i sunt acoperite cu pduri i pajiti naturale.

5.2. Descrierea schemei tehnologice a staiei de epurare retehnologizat i modernizat n vederea eliminrii azotului i fosforului

5.2.1. Amplasamentul staiei de epurare

Staia de epurare a apelor uzate este situat n partea de sud-est a municipiului Piatra Neam.

0

50

100

150

200

250

300


Pre

cip

itat

ii [m

m]

2008

2009

2010

2011

35


Fig.5.9. Amplasamentul Staia de epurare a apelor uzate Piatra Neam

A fost construit n anul 1966 i modernizat ulterior n mai multe etape: treapta primar n 1982 i treapta secundar n 1983. Obiectivul principal n tehnica de epurare a apelor uzate este de a realiza un grad de epurare ct mai ridicat, pentru

atingerea cruia trebuie modernizate n mare parte majoritatea staiilor de epurare existente pentru a funciona n conformitate cu normele de exploatare i directivele Uniunii Europene.

5.2.2. Mrimea debitului i compoziia apei uzate influente n staia de epurare Staia de epurare a fost reabilitat pentru un debit de 45000 m3/zi.

Tab.5.5. Parametrii de curegere luai n calcul la proiectarea staiei

Debitul n perioada secetoas Qd 27,000 m

3/zi

Qmediu 1,100 m3/or

Debitul mediu

Qmediu 45,000 m3/zi

Qmediu 1,900 m3/ or

560 l/sec

Debitul n punctul culminant

calculat din or n or qpeak

2,800 m3/ or

780 l/sec

Curgerea maxim

Qmax 90,000 m3/zi

qmax 6,000 m3/ or

1,700 l/sec

36


Fig.5.10. Variaia debitelor influente n staia de epurare, anul 2011

Fig.5.11. Probele efluent i influent, staia de epurare Piatra Neam

5.2.3. Determinarea gradului de epurare necesar apei uzate

Deoarece cantitile i concentraiile de poluani sunt mrimi direct proporionale, calculul eficienei treptelor de tratare poate fi determinat i pe baza concentraiilor avnd la baz valorile medii ale parametrilor analizai.

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


5.2.4. Schema staiei de epurare retehnologizat n vederea implementrii treptei teriare

n anul 1997 staia de epurare a apelor uzate a fost retehnologizat i modernizat n scopul implementarii treptei teriare de epurare, la un debit mediu pe timp uscat de 45.000 m3/zi, pentru o populaie echivalent de 205.000 consumatori, respectiv 137.000 consumatori casnici, 47.800 consumatori industriali, 18.500 instituii, restul de 1.700 populaie echivalent corespunznd apei recuperate de la Staia de tratare a apei potabile (STAP).

Staia de epurare funcioneaz n prezent cu toate treptele de epurare, respectiv treapta primar, secundar i teriar. n figura 5.12 este prezentat vedere de ansamblu a staiei de epurare, iar n figura 5.13 schema tehnologic n plan a acesteia dup retehnologizare.

Fig.5.12. Vedere de ansamblu a staiei de epurare, dup retehnologizare

38


Fig 5.13. Schema n plan a staiei de epurare Piatra Neam

1-camera deversoare; 2-camera de distribuie la decantoarele primare; 3-camera de distribuie la decantoarele secundare; 4-bazin de amestec nmol ngroat; 5-bazin de fermentare; 6-staie de pompare ap de nmol; 7-atelier mecanic; 8-staie de pompare nmol biologic; 9-camera deversoare treapta biologic; 10-tanc tampon; 11-camera distribuie treapta biologic; 12-arztor gaze neutilizate; 13-decantoare primare radiale; 14-tancuri anoxice; 15-

bazine cu nmol activat.

39


Fig 5.14. Schema tehnologic a staiei de epurare Piatra Neam, dup retehnologizare

A. Linia apei - reprezentat prin culoarea albastr;

B. Linia nmolului - reprezentat prin culoarea maro;

40


5.2.5. Studii de laborator asupra calitii efluentului

Evidenierea mrimii principalilor indicatori din efluent i compararea cu

valorile admise pe terenurile agricole.

Valorile parametrilor analizai (M.T.S., CBO5, CCO-Cr, NH4, NO2-, NO3

-, NT,

PT), pe toat perioada anului 2011, att din punct de vedere calitativ ct i cantitativ corespunztoare tabelelor 5.11 i 5.12 prezentate n lucrare, au fost sintetizate grafic, pentru fiecare parametru n parte n figurile 5.13 pn la 5.36.

Fig.5.17.Variaia concentraiei parametrului NH4

Fig.5.19.Variaia concentraiei 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


Fig.5.29.Variaia cantitativ a parametrului NH4

Fig.5.31.Variaia cantitativ a parametrului NO3

Rezultatele analizelor de laborator privind valorile cantitative ct i calitative a principalilor parametrii analizai, sintetizate n figurile 5.13 pn la 5.36, conduc la concluzia final conform creia efluentul ndeplinete condiiile de calitate precizate n NTPA 001/2005 i poate fi valorificat n irigarea culturilor agricole, n special a celor energetice. De asemenea, se poate afirma c n perioadele n care acesta nu este necesar la irigare, respectiv n perioada de recoltare, se poate evacua direct n emisar fr 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


CAPITOLUL VI

CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVIND IRIGAREA CU APE UZATE

A CULTURILOR DE RAPI I SALCIE ENERGETIC. PROGRAME UTILIZATE LA SIMULAREA

LUCRRILOR DE IRIGAII.

6.1. Metode de lucru i aparatura utilizat

Cercetrile experimentale au fost efectuate att n condiii de laborator ct i de teren. S-a avut n vedere efectuarea unor studii i cercetri chiar la locul de producere i valorificare a apelor uzate epurate prin metode avansate. Avnd n vedere c posibilitatea valorificrii apelor uzate se realizeaz n principiu n imediata apropiere a staii de epurare, unde exist terenuri agricole disponibile i n acelai timp n zone ce ndeplinesc condiiile cerute de criteriile de pretabilitate a terenurilor pentru irigarea cu ape uzate, soluia cea mai favorabil pentru amplasarea cmpului experimental a prezentat-o zona limitrof a Staiei de Epurare Piatra Neam.

Fig.6.1. Identificarea zonei reprezentnd zona cmpului experimental

Pentru realizarea obiectivelor propuse au fost efectuate o serie de determinri fizico-chimice asupra probelor de sol i a materialului vegetal (rapi i salcie

Cmp experimental

43


energetic). Metodele de analiz folosite pentru caracterizarea solurilor i determinarea unor metale grele din sol i culturi sunt redate schematic n figura:

Fig.6.2.Metode de determinare folosite n cercetare

Cercetrile enumerate au avut loc n perioada anului 2011, iar experimentele au fost realizate pe culturile de rapi i salcie energetic.

6.1.2. Cercetri asupra modificrii structurii solului i a caracteristicilor fizico-

chimice

n vederea determinrii calitii solului au fost prelevate probe din zona

experimental i analizate att pedologic ct i agrochimic n laborator. Solul folosit n experiene este de tipul cernoziom cambic, din punct de

vedere textural se ncadreaz n categoria solurilor nisipoargiloase (32,6% argil, 25,1% lut i 42,3% nisip), permeabilitate mijlocie, eroziune mic spre mijlocie, neinundabil, capacitate mijlocie de ap util i adncime mare a pnzei freatice. Reacia solului slab acid (pH7.50). Cernoziomul cambic luat n studiu prezint o secven morfologic de tipul: Am A Bv C (fig.6.15.).

Fig.6.15. Morfologia cernoziomului

cambic

44


Cercetrile efectuate n laborator asupra structurii solului celor trei probe prelevate, s-au analizat funcie de urmtorii parametrii: umiditate, granulometrie, variaia pH-ului, densitatea prii solide, compoziia chimic a solurilor, concentraia

metalelor grele.

Conform rezultatelor, s-a obinut o valoare medie a umidittii pentru proba irigat cu ape uzate de 39%, cu 1% mai mic fa de valoarea solului irigat cu efluentul teriar i 21% mai mare fa de proba martor. Rezultatele arat c, fa de acelai tip de sol irigat cu ap martor, n cazul utilizrii ca ap de irigat ap uzat solul prezint o umiditate mai ridicat, 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 dup irigare

Sol iniial (neirigat)

P1

(irigarea cu ap din rul Bistria)

P2

(irigarea cu efluent primar)

P3

(irigarea cu effluent teriar)

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%

Argil (


Compoziia i modul de distribuie a elementelor componente din sol determin o serie de caliti sau proprieti care influeneaz reinerea i migrarea poluanilor. n acest sens, s-au efectuat determinri asupra celor trei probe de sol pentru determinarea concentraiilor de Na+, Ca2+ i Mg2+, a cror valori au fost reprezentate separat sub form grafic n figurile 6.22, 6.23 i 6.24.

Fig.6.23. Concentraia de Ca2+ n probele de sol

Fig.6.24. Concentraia de Mg2+ n probele de sol

n scopul determinrii impactului apei uzate asupra solului, din punct de vedere al coninutului n metale grele, s-au prelevat probe de sol pe adncimea de 0-30cm, din toate cele 3 cmpuri 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


Fig.6.25. Concentraia metalelor grele n cele 3 probe de sol

Tab.6.14.Concentraiile metalelor grele n 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 prob martor , P2-prob sol irigat cu efluent primar, P3-prob sol irigat cu efluent teriar

6.2. Cercetri asupra culturilor de rapi i salcie energetice

n cercetrile efectuate n cmpul experimental au fost folosite dou tipuri de culturi din categoria culturilor energetice, respectiv rapia (Bassica napus) i salcia energetic (Salix viminalis energo).

6.2.1. Rezultatele irigrii rapiei cu ape uzate

naintea nsmnrii seminelor de rapi s-a analizat influena 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.]

nainte de irigare Dup irigarea cu efluent primar Dup irigarea cu efluent teriar

Cd

Zn

Cu

Pb

Cr

Ni

47


Fig.6.30. Germinarea seminelor de rapi n cele 3 zile

Rata de germinaie a fost mai mare n cazul folosirii efluentului primar, respectiv de aproximativ 98%, dect n cazul folosirii efluentului teriar (84%), datorit numrului mrit de poluani prezeni n apa ce influeneaz germinaia seminelor.

Fig.6.32. Cultura de rapi n cmpul experimental

Experimentele au vizat analiza gradului de acumulare a metalelor grele n

diferite pri ale plantelor (rdcin, tulpin, frunze i semine). Comparativ cu coninutul n metale grele al solului, analizele au artat c aceste culturi au un grad ridicat n nlturarea ionilor de Cd, Zn, Pb, Cr din sol (absorbia metalului).

48


Fig.6.34. Concentraiile de metale grele n tulpinile de rapi

Fig.6.36. Concentraiile de metale grele n seminele de rapi

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


Fig.6.37. Concentraia macronutrienilor din plant

Fig.6.38. Monstre din culturile de rapi obinute n urma irigrii

n condiii de irigare a culturii cu efluent teriar, comparativ cu varianta martor, producia nregistrat n varianta irigat cu efluent teriar este 20,1% mai mare, reprezentnd 228 g/m2 (2280 kg/ha), diferen distinct semnificativ.

6.2.2. Rezultatele irigrii salciei energetice cu ape uzate

Butaii de salcie energetic, folosii n experimente, aparin familiei botanice Salicaceae, genul Salix care cuprinde 350 de specii lemnoase, perene cu frunze

cazatoare. nfiinarea culturii s-a fcut n perioada de primavar timpurie, respectiv luna aprilie, prin plantarea butailor n zona de cercetare stabilit.

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


Monitorizarea asupra culturii s-a efectuat din perioada de plantare i pn la

recoltare, care a avut loc n timpul pauzei vegetative, dup cderea frunzelor, respectiv n luna noiembrie.

Fig.6.41. Cultura la 15 zile

Fig.6.43. Cultura la 30 zile

Cultura de salcie energetic a crescut n medie cu 3.1 cm pe zi n cazul irigrii cu efluentul teriar, ajungnd dup o perioad de 30 de zile la nlimea de aproximativ 95 cm. Acest lucru a confirmat rata mare de cretere a plantei i adaptabilitatea rapid la condiiile existente.

51


Fig.6.45. Compoziia metalelor grele din biomasa lemnoas n funcie de tipul de ap

aplicate

Rezultatele analizei privind concentraiile de metale grele n plant arat c valorile cele mai mari s-au obinut n plantaiile din solurile irigate cu apa uzat (efluent primar).

n urma analizrii ratei de adsorbie al cadiului din sol, s-a constatat c acest tip de cultur prezint o capacitate ridicat de adsorbie a metalelor grele din sol ntr-un timp relativ scurt, prezentnd astfel un avantaj n plus n cultivarea lor pe terenurile din

imediata apropiere a staiilor de epurare a apelor uzate.

Fig.6.47. Compoziia chimic din biomasa lemnoas n funcie de tipul de ap aplicate

n urma determinrilor, masa uscat a plantaiilor de control a fost de aproximativ 2300 g/m2, 4200g/m2 n cazul utilizrii apei uzate la irigare (efluent primar), respectiv 3600 g/m2 n cazul irigrii cu efluent teriar.

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


6.3. Cercetri prin simulare numeric la interfaa sol-ap de irigaii

6.3.1. Modelarea parametrilor de irigare avnd la baz programul ISAREG i

subprogramul EVAPOT

Pentru rularea submodulului EVAPOT n scopul calculrii evapotraspiraiei de referin, s-a definit perioada de calcul corespunztoare perioadei de vegetaie a culturii folosite n cercetare aferent fiecarei luni, respectiv luna a IV a pn n luna aIXa, ncepnd cu anul 2008 pn n anul 2011 inclusiv. Att datele iniiale de intrare (temperaturi, precipitaii, radiaii, viteza vntului etc) sub care s-a rulat subprogramul ct i forma definirii lor, n vederea rulrii programului, sunt prezentate n anexa 2 a tezei de doctorat.

Fig.6.48.Rezultatele calculului ETO prin rularea submodulului EVAPOT

n vederea rulrii programului ISAREG, s-au ales trei scenarii de calcul. Primul caz, cel n care nu se efectueaz irigarea culturii, lundu-se n calcul doar precipitaiile nregistrate, programul calculeaz perioadele n care s-a nregistrat deficit mare de umiditate (perioad n care a fost absolut necesar irigarea culturii), precum i pierderea produciei la ha.

6.3.2. Modelarea micrii efluentului n sol utiliznd programul MOHID Land

Scopul principal al modelrii cu programul MOHID a fost cel de a furniza o analiz statistic a evoluiei parametrilor solului sub un anumit set de condiii, pe o perioad de timp ndelungat. Ca urmare a condiiei de baz privind utilizarea unei ape speciale la irigare, respectiv apa uzat, a fost necesar o adaptare a modulului prin crearea unor fiiere ce prezint condiii speciale, att cantitative ct i calitative a apei ce se infiltreaz n coloana de sol. Astfel c, pe lng modulele principale ale programului MOHID, a fost utilizat un modul nou, denumit Discharge, modul creat n scopul centralizrii i definirii cantitative a parametrilor efluentului. Modelul matematic care st la baza programului de calcul ine cont de regularitile care au loc n sistemul sol-plant-ap de irigat, stabilite pe baza condiiilor pedoclimatice i analizelor agrochimice a solului luat n calcul. Pentru definirea fiierelor de datelor iniiale, reprezentnd studii climatice, s-au folosit datele zilnice specifice zonei cercetate, nregistrate n perioada 2008 - 2011, date ce au fost

centralizate i prezentate ca valori medii lunare n capitolul 5, figurile 5.4, 5.5, 5.6 si 5.7.

Simulrile au fost realizate pentru tipul de sol caracteristic zonei studiate, a cror caracteristici structurale au fost determinate n laboratorul pedologic i sunt

53


prezentate n capitolul 5, respectiv terenurile din imediata apropiere a staiei de epurare Piatra Neam (fig.6.63). De asemenea, caracteristicile culturii folosite n cadrul simulrilor, au fost cele specifice culturii de rapi, definite automat n program prin identificarea codului specific plantei cultivate din catalogul MOHID. Caracteristicile apei de irigat au fost

definite prin introducerea n program a valorilor zilnice specifice parametrilor

efluentului epurat teriar, analizat la staia de epurare Piatra Neam n anul 2011, a cror valori sunt centralizate i prezentate ca valori medii lunare n capitolul 5, tabelele 5.11, respectiv 5.12.

Simulrile au fost realizate prin definirea n program a unei parcele de sol de dimensiuni 100X100cm, mprit n 9 coloane de sol cu dimensiuni egale (fig.6.65.).

Fig.6.65. Numerotarea i mprirea coloanei de sol n 9 coloane de sol

Fig.6.66. Reprezentarea pe vertical a

coloanei de sol c2.2.

Coloana de sol (fig.6.66), are o nlime de 3 metri, mprit n 5 orizonturi i 50 de straturi, fiecare orizont fiind mprit n cte 10 straturi (fig.6.67). Programul calculeaz i ofer rezultate pentru coloana de sol c2.2. (fig.6.65), considernd a fi coloana cu proprietile cele mai relevante, nconjurat de restul coloanelor cu caracteristici identice i aceasta nu poate fi influenat de vreo coloan de alt tip cum e cazul celor marginale.

Pentru determinarea parametrilor hidraulici, necesari a fi introdui in modelul aferent caracteristicilor coloanei de sol, s-a utilizat programul Rosetta (fig.6.68) care

estimeaz diferite proprieti ale solului precum parametrii de reinere a apei n conformitate cu van Genuchten (1980), parametrii conductivitii hidraulice saturate i nesaturate n conformitate cu van Genuchten (1980) i Mualem (1976), [132].

54


Fig.6.69. Variaiile umiditii n coloana de sol

Fig. 6.72. Viteza de infiltraie n sol

Fig.6.73. Variaia umiditaii relative

55


Fig.6.74. Factorul de stres datorat variaiilor de temperatur

Fig.6.75. Variaii ale radiaiilor solare n sol

Fig.6.83. Variatiile valorilor NO3

n coloana de sol

56


Fig.6.85. Variatiile solutiei de P in coloana de sol

Fig.6.87. Potenialul de cretere al culturii

Fig. 6.88. Aportul de drenaj din stratul vegetal

Fig.6.94. Potenialul de biomas al culturii

57


Fig.6.93. Eficiena utilizrii radiaiilor de ctre plant

De asemenea, programul genereaz date i ofer rezultate grafice i pentru cantitatea de CO2 din sol, variaiile coninutului relativ de umiditate, variaia precipitaiilor n sol, rata de absorbie a N, P, Ca2+, acumularea n sol a particulelor refractoare, variaia privind masa total a culturii, masa total a N cumulat n plant, creterea maxim a rdcinii n adncime, variaia radiaiilor active, variaiile soluiilor de Mg, K, Cl, Na, C din sol, etc. grafice centralizate n anexa 3 a tezei.

De asemenea, n Mohid rezultatele pot fi afiate i sub form de hri n format .hdf, oferind astfel posibilitatea vizualizrii variaiilor parametrilor n timp i n plan vertical a coloanei de sol (fig. 6.96) sau prin corelarea cu un alt parametru (fig. 6.98).

Fig.6.96.Variaia umiditii la un interval diferit de timp, n coloana de sol

58


Fig.6.98. Umiditatea n sol corelat cu rata precipitaiilor

Prin utilizarea modulului Sediment Quality s-a intenionat apropierea rezultatelor obinute din simulri cu cele de pe teren, efectuate n Piatra Neam, n perioada anului 2011

i prin urmare apropierea de realitate.

Fig.6.101. Concentraia NH4

+ n coloana de sol

Rezultatele simulrilor sunt aproape identice cu valorile msurate pentru NH4+,

Na+ i Mg2+ msurate n teren. Acest lucru demonstreaz c modulul utilizat n simulare poate oferi rezultate foarte apropiate de cele reale obinute n 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


CAPITOLUL VII

CONCLUZII GENERALE

Prezenta lucrare are la baz i documentarea

rezumat teza doctorat iurciuc cristina elena hgim

Documents