Lo scarico su larga scala di azoto e fosforo può causare l’eutrofizzazione dei corpi idrici.

Lo scarico su larga scala di azoto e fosforo può causare l’eutrofizzazione dei corpi idrici. Pertanto, la Cina utilizza l’azoto ammoniacale e il fosforo totale come importanti indicatori di valutazione per valutare l’effetto del trattamento degli impianti di trattamento delle acque reflue. Attualmente, il trattamento delle acque reflue si basa principalmente sudenitrificazione biologica, che converte l'azoto presente nelle acque reflue in azoto gassoso innocuo attraverso la nitrificazione aerobica e la denitrificazione anossica.

L'azoto totale si riferisce al contenuto di azoto nelle particelle solubili e sospese, compreso l'azoto inorganico come NO3-, NO2- e NH4+ e l'azoto organico come aminoacidi, proteine ​​e ammine organiche. La denitrificazione biologica prevede innanzitutto la conversione dell'azoto organico in azoto ammoniacale attraverso l'ammonificazione in un ambiente anaerobico. Questo processo è facilmente eseguibile e può essere completato nella maggior parte degli impianti di trattamento. Quindi, in un ambiente aerobico, l'azoto ammoniacale viene convertito in azoto nitrico attraverso la nitrificazione. Infine, in un ambiente anossico, l'azoto nitrato viene convertito in gas ammoniacale attraverso la denitrificazione, che fuoriesce dall'acqua.

I principali processi di denitrificazione includonoprocessi a fanghi attivi(A2O, fossa di ossidazione, SBR, ecc.) e processi di biofilm (filtri biologici, vasche di ossidazione biologica per contatto, dischi rotanti biologici, ecc.), che hanno buoni effetti di rimozione dell'azoto nelle acque reflue, ma presentano alcune limitazioni e complessità in termini di processo e funzionamento.

Il processo A2O, o processo a fanghi attivi anaerobico-anossico-aerobico, prevede che le acque reflue fluiscano attraverso tre zone funzionali distinte: anaerobica, anossica e aerobica, dove diverse comunità microbiche rimuovono la materia organica, l'azoto (N) e il fosforo (P). Il processo A2O è il più semplice processo di rimozione simultanea di fosforo e azoto, caratterizzato da un breve tempo di ritenzione idraulica totale. In condizioni alternate anaerobiche, anossiche e aerobiche, inibisce la crescita di batteri filamentosi, supera il rigonfiamento dei fanghi e in genere raggiunge una viscosità dei fanghi (SVI) inferiore a 100. Ciò facilita la separazione delle acque reflue trattate dai fanghi. Le sezioni anaerobica e anossica richiedono solo una leggera agitazione durante il funzionamento, con conseguenti bassi costi operativi.

Vantaggi:Questo processo rappresenta la rimozione simultanea più semplice di azoto e fosforo, con un tempo di ritenzione idraulica totale ridotto e una superficie totale ridotta; in condizioni di funzionamento alternato anaerobico-aerobico i batteri filamentosi non riescono a proliferare in grandi quantità e non si verifica alcun rigonfiamento dei fanghi; i fanghi hanno un'elevata concentrazione di fosforo ed un elevato effetto fertilizzante; non sono necessari prodotti chimici durante il funzionamento, è necessaria solo una leggera agitazione e il costo operativo è basso.

Svantaggi:L'efficienza di rimozione del fosforo è difficile da migliorare ulteriormente, la crescita dei fanghi ha un certo limite e non è facile da migliorare; Anche l'efficienza di rimozione dell'azoto è difficile da migliorare ulteriormente, il volume della circolazione interna non dovrebbe essere troppo elevato, altrimenti aumenterebbero i costi operativi; una certa concentrazione di ossigeno disciolto dovrebbe essere mantenuta nel serbatoio di sedimentazione, il tempo di permanenza dovrebbe essere ridotto e la concentrazione disciolta non dovrebbe essere troppo elevata per evitare che il liquore misto circolante interferisca con il reattore.

I pozzi di ossidazione, noti anche come reattori a circolazione continua, sono una modifica e uno sviluppo del processo convenzionale a fanghi attivi e una forma speciale di aerazione prolungata.

Le sue funzioni principali sono fornire ossigeno; garantire che i fanghi attivi siano in uno stato sospeso, consentendo una miscelazione completa e il contatto tra acque reflue, aria e fanghi; e far circolare l'acqua lungo la lunghezza della vasca ad una certa portata (non inferiore a 0,25 m/s), fondamentale per il mantenimento della funzione depurativa del fossato di ossidazione. I canali di ossidazione offrono vantaggi quali buona qualità degli effluenti, forte resistenza ai carichi d'urto, elevata efficienza di rimozione di fosforo e azoto, facile stabilizzazione dei fanghi, basso consumo energetico e facilità di controllo automatizzato.

Tuttavia, nel funzionamento reale, esistono ancora una serie di problemi, come l'accumulo di fanghi, la formazione di schiuma, il galleggiamento dei fanghi, la portata irregolare e la deposizione dei fanghi.

Il processo intermittente a fanghi attivi, o in breve processo SBR, ha un ciclo operativo che può essere suddiviso in cinque fasi: affluente, reazione, sedimentazione, effluente e inattiva. Questo processo integrato è caratterizzato dalla sua semplicità. Poiché è presente un solo serbatoio di reazione, non sono necessari un serbatoio di sedimentazione secondaria, fanghi di ritorno e relative apparecchiature. Generalmente non è necessario un serbatoio di equalizzazione e, nella maggior parte dei casi, è possibile omettere un serbatoio di sedimentazione primaria.

Caratteristiche:Nella maggior parte dei casi non è necessario predisporre una vasca di equalizzazione; il valore SVI è basso, è facile da sedimentare e generalmente non si verifica alcun rigonfiamento dei fanghi; le reazioni di rimozione del fosforo e dell'azoto vengono effettuate regolando la modalità operativa; il grado di automazione è elevato; se eseguito correttamente, l'effetto del trattamento è migliore del trattamento continuo; l'investimento unitario è relativamente piccolo; l'impronta è ampia, ma il volume d'acqua trattato è piccolo.

Problemi:Sia i processi A2O che quelli con fossa di ossidazione richiedono grandi aree di serbatoio, con conseguenti elevati costi infrastrutturali; I processi di ritorno e sedimentazione dei fanghi sono complessi e ad alta intensità energetica, il che li rende difficili da intraprendere per i normali piccoli impianti di trattamento delle acque reflue e inadatti all'ammodernamento degli impianti di trattamento delle acque reflue. Il processo SBR richiede decanter ad alta precisione per garantire la qualità degli effluenti e un successivo serbatoio di equalizzazione è necessario per regolare la portata degli effluenti, ponendo elevate esigenze di automazione.

I filtri biologici richiedono una vasta area e i vettori fissi nei serbatoi di ossidazione biologica per contatto sono difficili da costruire e mantenere; entrambi sono inoltre soggetti a intasamenti, ponendo sfide significative al funzionamento stabile a lungo termine degli impianti di trattamento delle acque reflue. I dischi rotanti biologici, invece, gestiscono volumi più piccoli di acque reflue e sono più adatti per impianti di trattamento delle acque reflue con capacità di trattamento inferiori.

Il processo MBBRè sviluppato sulla base di filtri biologici e processi biologici a letto fluido. Sfruttando contemporaneamente i vantaggi dei processi a biofilm e a fanghi attivi, supera i problemi di intasamento dell'impaccamento e l'elevato consumo energetico del controlavaggio che spesso si riscontrano nei processi a biofilm, nonché i problemi di perdita di fanghi nei processi a fanghi attivi, rendendo il suo effetto di trattamento biologico più efficace.

I carrier MBBR sono realizzati con materiali polimerici che incorporano vari oligoelementi che promuovono un rapido attaccamento e crescita microbica. Sono modificati e costruiti utilizzando processi speciali, che danno origine a trasportatori con vantaggi quali ampia area superficiale specifica, buona idrofilicità, elevata attività biologica, rapida formazione di biofilm, buon effetto di trattamento e lunga durata.

I microrganismi possono attaccarsi ampiamente al vettore MBBR, determinando un aumento significativo della biomassa nel sistema di trattamento biologico mantenendo una concentrazione di fanghi costante. Ciò porta ad un corrispondente miglioramento della capacità e dell'efficienza del trattamento del sistema e migliora la sua resistenza ai carichi d'urto derivanti dalle diverse qualità dell'acqua. Quando il biofilm attaccato al carrier MBBR raggiunge un certo spessore, crea un gradiente di ossigeno disciolto, determinando zone anossiche all'interno del carrier nel serbatoio aerobico. Ciò consente ai batteri denitrificanti di eseguire la denitrificazione all'interno del trasportatore, ovvero nitrificazione e denitrificazione simultanee. Ciò preserva efficacemente le fonti di carbonio, consentendo una buona capacità di rimozione dell’azoto anche a rapporti carbonio-azoto più bassi.

I trasportatori MBBR hanno tutti una densità inferiore a 1 e, dopo la formazione del biofilm, la loro densità è simile a quella dell'acqua, consentendo loro di rimanere sospesi nell'acqua. Nel funzionamento effettivo, l'aerazione combinata con l'agitazione viene utilizzata per fluidificare i trasportatori nell'acqua, formando una fluidizzazione trifase gas-liquido-solido. Ciò migliora il contatto tra le fasi gassosa, liquida e di trasporto, migliorando significativamente l'efficienza di utilizzo dell'ossigeno e riducendo efficacemente il volume di aerazione e il consumo di energia.

Il processo MBBR richiede solo l'aggiunta di un additivo specifico e l'installazione di uno schermo portante in aggiunta al processo di trattamento biologico esistente. Raggiunge una maggiore capacità di rimozione dell’azoto senza la costruzione di infrastrutture estese, riducendo significativamente i costi di investimento. Mostra promettenti prospettive di sviluppo nell’ammodernamento e nell’ammodernamento degli impianti di trattamento delle acque reflue.

I tradizionali processi di denitrificazione ossidano NH4+ in NO2- e quindi in NO3-. Gli agenti attivi sono batteri nitritori ossidanti e batteri nitrificanti, noti collettivamente come batteri nitrificanti. Si possono trarre le seguenti conclusioni: l'ossidazione dei nitriti produce più energia della nitrificazione, da qui la sua velocità di reazione più rapida; l'ossidazione dei nitriti genera una grande quantità di H+, abbassando il pH del sistema, mentre la nitrificazione non ha alcun effetto sul pH del sistema; il rapporto aerobico tra ossidazione dei nitriti e nitrificazione è 3:1; i batteri nitritori-ossidanti e i batteri nitrificanti hanno caratteristiche fisiologiche in gran parte simili, ma i batteri nitriti-ossidanti hanno una durata di vita più breve e una crescita più rapida, quindi sono meglio in grado di adattarsi ai carichi d'urto e alle condizioni ambientali avverse.

Quando i batteri nitrificanti vengono inibiti, si accumula NO2-. Chiaramente, nel tradizionale processo di rimozione dell'azoto di nitrificazione-denitrificazione, sotto l'azione dei batteri denitrificanti, la denitrificazione può iniziare sia dal nitrato che dal nitrito. Tuttavia, la conversione ripetuta da NO2- a NO3-, e poi da NO3- a NO2-, consuma più ossigeno disciolto e fonti di carbonio organico. Se, nei processi reali, questo processo di conversione è controllato in modo che tutto o la maggior parte di NH4+ venga convertito in NO2- invece che NO3-, e la denitrificazione avvenga direttamente da NO2-, questo processo è chiamato nitrificazione-denitrificazione rapida. Grazie agli sforzi incessanti degli operatori ambientali, in molti reattori è stata ottenuta una breve nitrificazione-denitrificazione.

Rispetto ai tradizionali processi di denitrificazione, la nitrificazione-denitrificazione rapida presenta i seguenti vantaggi.

1. Risparmio energetico:Durante la fase di nitrificazione l'apporto di ossigeno viene ridotto di quasi il 25%, riducendo così il consumo energetico;
2. Risparmia la fonte esterna di carbonio:Il processo di denitrificazione da NO2- a N2 riduce la fonte di carbonio organico del 40% rispetto al processo da NO3- a N2;
3. Può ridurre il tempo di ritenzione idraulica:In un ambiente ad alto contenuto di ammoniaca, il tasso di nitrificazione di NH4+ e il tasso di denitrificazione di NO2- sono più veloci del tasso di ossidazione di NO2- e del tasso di denitrificazione di NO3-. Pertanto, il tempo di ritenzione idraulica può essere abbreviato e il volume del reattore può essere ridotto di conseguenza.
4. Ridotta produzione di fanghi:Il coefficiente di resa apparente dei batteri nitritori-ossidanti è 0,04~0,13 gVSS/gN, il coefficiente di resa apparente dei batteri nitrificanti è 0,02~0,07 gVSS/gN e i coefficienti di resa apparente dei batteri denitrificanti NO2 e dei batteri denitrificanti NO3 sono rispettivamente 0,345 gVSS/gN e 0,765 gVSS/gN. Pertanto, la produzione di fanghi può essere ridotta del 24~33% durante la nitrificazione e denitrificazione rapida e del 50% durante la denitrificazione.

Problemi:I processi brevi di nitrificazione-denitrificazione (SCD) sono attualmente in fase di ricerca, con applicazioni ingegneristiche pratiche limitate. A causa della difficoltà nel controllare fattori come la temperatura e il pH durante la fase SCD, sono necessarie tecnologie di rilevamento online e controllo fuzzy più sofisticate per ottenere processi SCD stabili ed espandere la loro applicazione.

L'ossidazione anaerobica dell'ammoniaca è un processo di reazione biologica in cui i batteri anaerobici ossidanti l'ammoniaca utilizzano il nitrito come accettore di elettroni per ossidare l'azoto ammoniacale in azoto gassoso in condizioni anaerobiche. Questa reazione di solito ha requisiti relativamente severi in termini di condizioni esterne (pH, temperatura, ossigeno disciolto, ecc.), ma poiché non richiede la partecipazione di ossigeno e materia organica, la sua ricerca e lo sviluppo del processo sono importanti per lo sviluppo sostenibile.

Il trattamento anaerobico con azoto ammoniacale prevede in genere un processo di nitrificazione abbreviato di pretrattamento per convertire una parte dell'azoto ammoniacale presente nelle acque reflue in nitrito. Esistono già esempi di successo della sua applicazione nel trattamento delle acque reflue delle cokerie e del percolato di discarica.

L'ossidazione anaerobica dell'ammonio è una reazione microbica che produce gas azoto. Offre numerosi vantaggi: poiché l'ammoniaca agisce direttamente come donatore di elettroni nella denitrificazione, la materia organica esogena viene eliminata, risparmiando sui costi di esercizio e prevenendo l'inquinamento secondario; l'ossigeno viene utilizzato in modo efficace, riducendo il consumo energetico di fornitura di ossigeno; e poiché parte dell'ammoniaca partecipa direttamente all'ossidazione anaerobica dell'ammonio senza subire nitrificazione, la produzione di acido è ridotta e la produzione di alcali è pari a zero, diminuendo così la quantità di reagenti chimici necessari per la neutralizzazione, abbassando i costi operativi e mitigando l'inquinamento secondario.

Questo processo rimuove i solidi sospesi (SS), la domanda chimica di ossigeno (COD) e il BOD ed esegue nitrificazione, denitrificazione, rimozione del fosforo e AOX (una sostanza nociva). Si caratterizza per l'integrazione dell'ossidazione biologica e dell'intercettazione dei solidi sospesi, risparmiando la necessità di una successiva vasca di sedimentazione (vasca di sedimentazione secondaria). Ha un grande carico volumetrico e un carico idraulico, un breve tempo di ritenzione idraulica, richiede meno investimenti in infrastrutture, produce una buona qualità degli effluenti, ha un basso consumo energetico operativo e consente di risparmiare sui costi operativi.

BAF è un reattore a biofilm di terza generazione che non solo presenta i vantaggi della tecnologia a biofilm, ma svolge anche un ruolo efficace nella filtrazione spaziale utilizzando mezzi filtranti speciali e un'adeguata progettazione della distribuzione del gas.

Caratteristiche tecnologiche:

1. Il flusso aria-acqua è orizzontale e verso l'alto, il che garantisce un'eccellente uniformità di aria e acqua, previene la formazione di bolle d'aria e intasamenti nello strato del media filtrante e si traduce in un elevato utilizzo di ossigeno e un basso consumo energetico.
2. A differenza della filtrazione downflow, la filtrazione upflow mantiene condizioni di pressione positiva su tutta l'altezza del letto filtrante, che possono evitare meglio la formazione di canalizzazioni o cortocircuiti, evitando così trappole d'aria che potrebbero influenzare il processo di filtrazione formando canalizzazioni.
3. Il flusso verso l'alto crea condizioni di spinta della semicolonna favorevoli per il processo, garantendo la stabilità e l'efficacia a lungo termine del processo BAF anche con velocità di filtrazione e carichi elevati.
4. L'uso del flusso d'aria orizzontale verso l'alto consente un migliore utilizzo dello spazio di filtrazione. L'aria può trasportare la materia solida in profondità nel letto filtrante, determinando un carico elevato e una materia solida uniforme nel serbatoio del filtro, estendendo così il ciclo di controlavaggio e riducendo il tempo di pulizia e la quantità di aria e acqua utilizzate durante la pulizia.
5. L'effetto di taglio del mezzo filtrante sulle bolle d'aria prolunga il tempo di permanenza delle bolle d'aria nel letto filtrante, migliorando così l'utilizzo dell'ossigeno.
6. Grazie all'eccellente capacità di intercettazione dei fanghi del filtro, non è necessaria l'installazione di una vasca di sedimentazione secondaria dopo il BAF.