Bioreactor cu namol aerob granular alimentat in flux continuu pentru epurarea apelor uzate – CONFLOWAGS

Finantat prin PNCDI III – Program 2, Subprogram 2.1 – Competitivitate prin cercetare, dezvoltare şi inovare – Proiect experimental – demonstrativ

Perioada: 01.2017-06.2018

Director Proiect: Elena Elisabeta Manea

Rezumat

Tendințele actuale în cercetare în domeniul biotehnologiei mediului se concentrează mai putin pe dezvoltarea proceselor convenționale cu namol activ, in în favoarea soluțiilor biologice îmbunătățite și intensive, dintre care face parte si nămolul aerob granular (AGS)-tehnologie dezvoltată în prezent la nivel industrial doar în reactoare biologice secvențiale. Cercetările recene se concentrează pe adaptabilitatea AGS la funcționarea în bioreactoare cu alimentare continua.

Obiectivul general al proiectului, biotehnologie inovatoare,de epurarea apelor uzate bazată pe nămol aerob granular în reactor cu alimentare continua, se încadrează în zona de specializare inteligentă Bioeconomie- Biotehnologie. Ideea acestui proiect și planul său de implementare se bazează pe un model experimental existent de bioreactor aerob alimentat continuu pentru AGS, care va fi re-proiectat prin studii experimentale și teoretice pentru a îndeplini cerințele specifice pentru stabilitatea nămolului aerob granular.

Configurația bioreactorului va lua în considerare adaptabilitatea noii tehnologii la bioreactoare din stații de epurare a apelor uzate existente, îmbunătățind astfel eficiența acestora prin utilizarea AGS pentru îndepărtarea combinată a materiei organice și nutrienților.

Consorțiul ConFlowAGS este format din 2 parteneri – o organizație de cercetare din domeniul mediului și o universitate, recunoscute pentru dezvoltarea tehnologiilor de mediu. Participanții alcătuiesc o echipă echilibrată, multidisciplinară și competentă, care acoperă toate domeniile necesare implementării cu succes a proiectului, precum: tehnologii de mediu, biotehnologie, biologie moleculara, microscopie electronica si corelativa, chimie analitică, modelare matematică și simularea proceselor biologice.

Activitati

Etapa 1: Proiectarea si realizarea bioreactorului cu namol aerob granular cu alimentare continua. Demonstrarea teoretica si experimentala a tehnologiei

– Proiectarea bioreactorului cu alimentare continua

– Modelare si simulare in vederea optimizarii bioreactorului cu namol granular aerob cu alimentare in flux continuu.

– Evaluarea diversitatii si dinamicii populatiilor microbiene din namolul aerob granular.

– Evaluarea eficientelor de epurare a apelor uzate

– Simularea cineticii procesului biologic de epurare cu namol aerob granular si a eficientei acestuia

– Diseminarea rezultatelor

 Etapa 2: Validarea tehnologiei. Exploatarea rezultatelor si diseminare

– Validarea tehnologiei

– Exploatarea rezultatelor

– Diseminarea rezultatelor

Rezultate

• imbunătățirea configurației bioreactorului pentru dezvoltarea și stabilitatea structurii AGS;
• model validat pentru simularea eficienței procesului;
• hărți 3D ale structurii AGS, distribuția și diversitatea microorganismelor obținută prin microscopie imagistica avansată.

Obiectivele prevazute/realizate

Obiectiv General: Elaborarea unei solutii biotehnologice inovative de epurarea apelor uzate bazata pe namol aerob granular intr-un bioreactor alimentat in flux continuu

Obiective specifice prevazute si realizate:

• O noua configuratie a bioreactorului si parametri de operare in vederea obtinerii conditiilor necesare bunei desfasurari a procesului de epurare biologica cu namol aerob granular in flux continuu – Pe baza modelului experimental dezvoltat in vederea evaluarii evolutiei namolului aerob granular in conditii de alimentare continua, caracteristicile hidraulicii bioreactorului au fost imbunatatite pe baze teoretice si experimentale. Prin intermediul observatiilor experimentale si a modelarii si simularilor s-au evaluat posibilitatile de imbunatatire a profilelor de curgere in bioreactor, a sistemului de aerare si omogenizare in vederea: reducerii zonelor moarte (de viteze reduse), evitarii acumularii namolului aerob granular in zona radierului si cresterii fortelor de forfecare (conditie esentiala a stabilitatii namolului aerob granular). Functionarea bioreactorului a fost monitorizata continuu si, pe baza observatiilor experimentale s-au realizat simulari ale profilelor de curgere in diferite configuratii. Procesul de optimizare a fost unul continuu, avand la baza atat cercetari teoretice si experimentale pana la identificarea solutiilor care sa satisfaca necesitatile functionale ale namolului aerob granular in flux continuu. Astfel, s-au realizat patru modele experimentale de bioreactoare alimentate in flux continuu, in diferite configuratii si strategii de operare, optimizate pe baza rezultatelor modelarii si simularii configuratiei initiale si a determinarilor experimentale. Configuratiile au fost optimizate pana cand s-a demonstrate experimental prin monitorizarea concentratiilor de solide si a distributiei diametrelor granulelor retentia namolului granular in volumul aerob. In urma cercetarilor experimentale a rezultat ca toate cele patru modele experimentale asigura conditiile unei bune desfasurari a procesului biologic cu namol aerob granular in flux continuu, cele mai bune rezultate fiind obtinute pentru bioreactorul R1.
• Model matematic si simulari ale eficientei procesului de epurare pe baza procesului biologic din reactorul cu namol aerob granular cu alimentare continua, validat cu date experimentale – S-au realizat studii asupra modelarii si simularii cineticii procesului biologic de epurare cu namol aerob granular si a eficientei acestuia. In acest sens s-a elaborat un model pentru simularea cineticii procesului biologic cu namol aerob granular si a eficientei acestuia in indepartarea nutrientilor din apa uzata. Pe baza datelor obtinute din studiul de eficienta al procesului biologic s-au realizat simulari in trei softuri de modelare. In urma validarii, modelul a fost utilizat in evaluarea eficientei utilizarii namolului aerob granular in diferite conditii de incarcare a influentului.
• Caracterizare detaliata microbiologica si morfologica a granulelor de namol aerob – S-au evaluat diversitatea si dinamica populatiilor microbiene din namolul aerob granular. Granulele de namol aerob au fost monitorizate permanent in perioada de start-up, formare, conditii stationare, din punct de vedere al diversitatii microbiene prin analize pe baza de ADN. In plus, s-au studiat relatiile dintre structura granulelor si functionalitate la diferite nivele de rezolutie in contextul functional al componentelor granulelor prin microscopie electronica si corelativa. S-au obtinut harti tridimensionale ale structurii namolului aerob granular si s-a realizat un studiu asupra distributiei si diversitatii microorganismelor. Obiectivul a fost realizat.

Gradul de atingere a rezultatelor estimate (prezentarea produsului/tehnologiei sau serviciului rezultat al proiectului)

In urma implementarii proiectului s-a obtinut o configuratie de bioreactor pentru namol aerob granular alimentat in flux continuu validata la nivel de laborator, aplicabila in epurarea apelor uzate.

Rezultatul poate fi implementat in statii de epurare existente in scopul cresterii capacitatii sau eficientei acestora, prin adaptarea bioreactoarelor existente, fara a fi necesare constructii noi.

Prin implementarea sistemului granular in bioreactoarele cu functionare continua rezulta costurile de operare reduse comparativ cu cele ale statiilor de epurare cu namol active conventional sub forma de flocoane, este simplificata operarea bioreactoarelor, deoarece toate procesele biologice corespunzatoare proceselor conventionale anaerobe, anoxice si aerobe se desfasoara intr-un singur bioreactor (nemaifiind necesare recirculari). In plus, impactul implementarii sistemului cu namol granular este semnificativ si asupra proceselor unitare din cadrul liniei de tratare a namolului. Vitezele ridicate de sedimentare si caracteristicile fizice ale granulelor de namol conduc la o separare mai eficienta a acestora din masa de apa comparativ cu flocoanele de namol activ, rezultand namol concentratii mai ridicate de solide.

Modalităţi de valorificare a rezultatelor cercetarii – oportunitati de introducere in piata: avand in vedere validarea experimentala a configuratiei in cadrul prezentului proiect de cercetare, in vederea introducerii in piata sunt necesare studii de cercetare ulterioare la nivel pilot/prototip si testare la scara industriala a solutiei tehnice. Finantarile ce pot fi abordate in vederea atingerii obiectivului sunt fie de tip privat, public-privat, sau accesarea de fonduri in cadrul unui proiect de tip tehnologic-inovativ.

Prezentarea şi argumentarea nivelului de maturitate tehnologică (TRL) la finalul proiectului

Cercetarile experimentale din cadrul proiectului au vizat trecera de la un TRL 3 (Model experimental preliminar) la TRL 4 (Model experimental validat in laborator).

Cercetarile efectuate in scopul validarii tehnologiei la scara de laborator au constat in: evaluarea eficientelor de epurare a bioreactoarelor cu namol aerob granular in diferite variante constructive comparativ cu limitele de evacuare impuse prin HG 352/2005 – NTPA 001, studiu experimental comparativ pentru doua sisteme diferite ce utilizeaza namol aerob granular (secvential si continuu), evaluarea comparativa a eficientelor si costurilor de operare pentru instalatii industriale pe baza de namol aerob granular comparativ cu sisteme conventionale de epurare si studiu al adaptabilitatii solutiilor de epurare in regim continuu cu namol aerob granular in statii de epurare existente.

Modul de atribuire şi exploatare de catre parteneri a drepturilor de proprietate (intelectuală, de producţie, difuzare, comercializare etc.) asupra rezultatelor proiectului

Conform normelor de etica in cercetare in vigoare si prevederilor acordului ferm de colaborare, drepturile de proprietate intelectuala asupra rezultatelor obtinute in cadrul proiectului revin fiecarui partener, in functie de contributia la obtinerea rezultatelor implementarii proiectului.

Toate informatiile tangibile si intangibile transmise intre organizatiile partenere in proiect au fost considerate de fiecare parte drept confidentiale, cu obligativitatea reciproca de a nu divulga sau utiliza aceste informatii fara acordul scris al celuilalt partener ce participa la realizarea proiectului.

Organizatiile partenere in proiect au publicat rezultatele proprii generate în cadrul Proiectului, asigurandu-se că furnizarea acestora nu afectează protejarea drepturilor de proprietate intelectuala aferente rezultatelor brevetabile. Obligatia de difuzare a rezultatelor proprii a revenit partenerilor implicati in realizarea proiectului. Fiecare publicaţie sau orice rezultat apărut şi raportat în urma cercetării finanţate de la bugetul de stat prin Autoritatea Contractantă a avut menţionat numele finanţatorului şi nr. de Contract.  Drepturile de difuzare a rezultatelor pe perioada implemenarii proiectului au aparţinut fiecarui partener, in functie de contributia la obtinerea rezultatelor. Rezultatele cercetarilor teoretice si experimentale au stat la baza redactarii a noua lucrari stiintifice publicate in reviste ISI sau diseminate in cadrul unor conferinte internationale:

• Elena Elisabeta Manea, Costel Bumbac, Olga Tiron, Razvan Laurentiu Dinu, Valeriu Robert Badescu Simulation of aerobic granular sludge process efficiency. Participare la Simpozionul International Mediul si Industria – SIMI 2017, Selectata si publicata in REV.CHIM.(Bucharest)♦68♦No. 8 ♦2017, IF 1.232
• Costel Bumbac, Elena Elisabeta Manea, Olga Tiron, Valeriu Robert Badescu, Laurentiu Dinu. Advanced correlation between treatment performances and sludge characteristics, Participare la Simpozionul International Mediul si Industria – SIMI 2017,  Selectata si publicata in REV.CHIM.(Bucharest)♦ianuarie 2018; IF 1.232
• Corina Boncescu, Lacramioara Diana Robescu, Adriana Elena Mierloiu, Numerical modeling of flow and air dispersion into aerobic granular sludge bioreactor for wastewater treatment, 17th International Multidisciplinary Scientific GeoConferences SGEM 2017, 29 June – 5 July 2017, Bulgaria, Ecology, Economics, Education, and Legislation Conference Proceedings, vol. 17, Issue 52, pp.667-672, ISBN 978-619-7408-09-6, ISSN 1314-2704, DOI: 10.5593/sgem2017/52, indexata SCOPUS
• Corina Boncescu, Lacramioara Diana Robescu, Determination of oxygenation performances of aeration equipment, 2017 International Conference on ENERGY and ENVIRONMENT (CIEM), DOI 10.1109/CIEM.2017.8120764, idexata IEEExplore
• Corina Boncescu, Adriana Mierloiu, Lacramioara Diana Robescu, Optimizing design of an aerobic granular sludge bioreactor using numerical simulation, 9th International Conference on Environmental Engineering and Management, Circular Economy and Environmental Sustainability, 6-9 September 2017, Bologna, Italy
• Costel Bumbac, Elena Elisabeta Manea, Experimental studies on microbial populations diversity in continuous flow aerobic granular sludge systems, ICRST (2018) VIIIth International Conference on Researches in Science & Technology, 10-11 June, Rome, Italy
• Elena Elisabeta Manea, Costel Bumbac, Aerobic granular sludge reactors flow optimization towards continuous flow systems, ICRST (2018) VIIIth International Conference on Researches in Science & Technology, 10-11 June, Rome, Italy
• Lacramioara Diana Robescu, Andreya Dana Bondrea, Iuliana Radosavlevici, Andrei Stoicescu, 2nd International Conference on Environment, Chemical Engineering & Materials – ECEM’18, 22/06/2018 – 24/06/2018, Sliema, Malta
• Corina Boncescu, Lacramioara Diana Robescu, Modeling efficiency of biological process with aerobic granular sludge, 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConferences SGEM 2017, 29 June – 5 July 2018, Bulgaria, Ecology, Economics, Education,and Legislation Conference Proceedings, Acceptata spre publicare
• Elena-Adriana Jarcu (Mierloiu), Lacramioara- Diana Robescu, Dana-Andreya Bondrea, Analysis of treatment scenarios for recycling and reusing of wastewater, 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConferences SGEM 2017, 29 June – 5 July 2018, Bulgaria, Ecology, Economics, Education,and Legislation Conference Proceedings, Acceptata spre publicare

Impactul rezultatelor obţinute, cu sublinierea celui mai semnificativ rezultat obţinut

Domeniul epurarii apelor uzate are o importanta deosebita, atat din punct de vedere al impactului asupra mediului, al sanatatii umane, cat si economic. Importanta domeniului este subliniata si de eforturile sustinute si consecventa cercetarilor in vederea identificarii solutiilor inovatoare de crestere a eficientei proceselor si reducere a impactului si a costurilor proceselor unitare.

Namolul aerob granular reprezinta una dintre solutiile biotehnologice recente de reducere a impactului antropic asupra mediului prin reducerea emisiilor de poluanti in cursurile naturale de apa.

Principalele avantaje ale namolului aerob granular comparativ cu namolul activ conventional sub forma de flocoane: prezinta o structura densa, proprietati superioare de sedimentare si separare, eficiente imbunatatite de indepartare a nutrientilor si incarcarii organice din apele uzate. Abordarea tematicii proiectului pe toata durata implementarii a fost una integrata, ce a inclus si imbinat cercetari teoretice si experimentale in vederea identificarii unei solutii adaptabile la nevoile si configuratiile reale din statiile de epurare a  apelor uzate. Importanta ansamblului rezultatelor proiectului este data in principiu de urmatoarele aspecte: studiul a vizat o tematica de cercetare actuala la nivel international, activitatile au fost desfasurate tinand cont permanent de modul in care rezultatele ar putea fi transpuse la nivel pilot sau industrial, pe toata perioada de implementare au fost imbinate competentele complementare ale membrilor echipelor de cercetare in vederea acoperirii tuturor componentelor necesare validarii solutiilor tehnice dezvoltate.

Tematica cercetarii – identificarea unei configuratii de bioreactor cu namol aerob granular alimentat in flux continuu a rezultat, pe de o parte, din nevoia identificata in cadrul statiilor de epurare a apelor uzate de crestere a capacitatii sistemelor si a eficientei acestora, pe de alta parte din identificarea unui vid in abordarea cercetarilor prin prisma adaptabilitatii ulterioare la scara industriala a solutiilor.

Rezultatele proiectului prezinta un impact considerabil asupra nivelului de performanta al activitatii de cercetare-dezvoltare- inovare a membrilor echipei de implementare prin intermediul noilor instrumente de cercetare insusite/elaborate – metode de evaluare a diversitatii microbiene prin tehnici de biologie moleculara (extractie si amplificare ADN) si microscopie confocala/electronica si corelativa. Instrumentele au fost dezvoltate in vederea monitorizarii si evaluarii calitatii namolului granular in perioada de start-up si operare a bioreactoarelor si vor fi aplicate in cercetarile viitoare.

Modelul matematic dezvoltat pentru simularea procesului biologic de epurare cu namol aerob granular poate fi dezvoltat si adaptat in vederea evaluarii unei game largi de procese biologice,  fie in scopul validarii datelor rezultate din proiectare fie in cel al optimizarii unor procese biologice existente. 

Rezultatul cu cel mai mare impact este reprezentat de configuratia de bioreactor elaborata si validata in conditii de laborator in vederea asigurarii conditiilor optime pentru mentinerea structurii granulare a namolului aerob si a eficientei acestuia de epurare in regim de alimentare continuu.

Implementarea acestei solutii bazata pe namol granular prezinta o serie de avantaje comparativ cu procedeele biologice conventionale cu namol activ: volumul necesar desfasurarii proceselor biologice de indepartare nutrienti si incarcare organica este mai mic comparativ cu cel aferent proceselor cu namol activ sub forma de flocoane; nu sunt necesare recirculari interne, nici recircularea namolului; buna adaptabilitate la variatii ale incarcarii influentului si a debitului; cantitatea de namol excedentar rezultata este cu aproximativ 30% mai redusa comparativ cu procesele cu namol activ sub forma de flocoane; viteze superioare de sedimentare.

Astfel, impactul implementarii solutiei tehnologice este unul amplu, cuprinzand aspecte ecologice, economice si sociale.

Impactul asupra mediului generat de solutia biotehnologica  in configuratia validata la nivel de laborator in cadrul activitatilor desfasurate prin proiect este net inferior celui al procedeelor conventionale cu namol activ datorita eficientelor net superioare de reducere a concentratiilor poluantilor din apa uzata, pe de o parte, si prin faptul ca genereaza o cantitate inferioara de namol in exces, pe de alta parte. In plus, amprenta la sol necesara pentru realizarea bioreactoarelor din treapta biologica este net inferioara celei necesare unui proces biologic de epurare avansata cu namol activ conventional sub forma de flocoane.

Impactul asupra costurilor de operare a fost evaluat comparativ cu cel al utilizarii namolului activ sub forma de flocoane pentru o statie de epurare. In urma simularilor realizate, a rezultat o reducere considerabila a consumului de energie electrica aferent treptei de epurare biologica. Evaluarea nu a luat in calcul reducerea consumului de energie si capacitatea inferioara necesara a echipamentelor din cadrul liniei de prelucrare a namolului (structura densa si compacta a namolului granular si vitezele superioare de sedimentare conduc la o eficienta imbunatatita de separare din mediul apos). Impactul asupra costurilor de epurare se  reflecta si in impact social prin reducerea costurilor de epurare la consumator.

Consortiu

INCD ECOIND

INCD-ECOIND este unicul institut din tara care are o abordare globala a problemelor de mediu in domeniul ecologiei industriale.Institutul este structurat in patru departamente /compartimente de cercetare si furnizare servicii de mediu: Departament Control Poluare (DCP) care include laboratoarele de încercări Control Poluare Ape, Sol, Deșeuri, Control Poluare Aer, Bioteste-Analize Biologice, Departament Tehnologii de Mediu si Transfer Tehnologic ( DTMT), Colectivul de Dezvoltare si Transfer Tehnologic, Departament Evaluare, Monitorizare Poluare Mediu (DEMPM), Compartiment Sisteme de Management. INCD-ECOIND are implementat si certificat un Sistem Integrat de Management al Calității (ISO 9001:2008) si de Mediu (ISO 14001:2004). Laboratoarele de încercări din cadrul Departamentului Control Poluare sunt acreditate RENAR conform SR EN ISO 17025:2005. https://www.incdecoind.ro/

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI, Departamentul Hidraulică, Maşini Hidraulice şi Ingineria Mediului

Departamentul Hidraulică, Maşini Hidraulice şi Ingineria Mediului (DHMHIM), face parte din Facultatea de Energetică, alături de Departamentele de Producerea şi Utilizarea Energiei (DPUE), respectiv de Sisteme Electroenergetice (DSE). Departamentul Hidraulică, Mașini Hidraulice şi Ingineria Mediului coordonează activitatea didactică şi de pregătire profesională a studenţilor programelor de studii universitare de licenţă Hidroenergetică şi Ingineria şi protecţia mediului în industrie şi programelor de studii universitare de masterat MS6 – Hidraulică Tehnică şi Hidroenergetică, MS7 – Ingineria Mediului în Energetică, MB1 – Managementul Mediului şi Dezvoltare Durabilă, ale Facultăţii de Energetică. Împreună cu celelalte două departamente ale Facultăţii de Energetică coordonează sau participă la pregătirea studenților programelor de studii de licență Energetică şi Tehnologii Nucleare, Ingineria Sistemelor Electroenergetice, Managementul Energeticii, Termoenergetică, Inginerie Economică în Domeniul Energetic şi Informatică Industrială şi ai programelor de master Sisteme Termoenergetice, Eficienţă energetică, Ingineria Nucleară. De asemenea, departamentul este implicat în pregătirea studenţilor Facultăţilor de Inginerie Electrică, Inginerie Mecanică şi Mecatronică, Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice, Ingineria Sistemelor Biotehnice, Transporturi, Inginerie în Limbi Străine şi a celor de la Facultatea de Inginerie Medicală. Hydrop.pub.ro

Contact

Institutul National de Cercetare – Dezvoltare pentru Ecologie Industriala – ECOIND

Sediul: Strada Drumul Podu Dambovitei Nr. 71-73, 060652

elena.manea@incdecoind.ro