Zrzuty azotu i fosforu na dużą skalę mogą powodować eutrofizację zbiorników wodnych.

Zrzuty azotu i fosforu na dużą skalę mogą powodować eutrofizację zbiorników wodnych. Dlatego też Chiny wykorzystują azot amonowy i fosfor całkowity jako ważne wskaźniki oceniające skuteczność oczyszczania w oczyszczalniach ścieków. Obecnie oczyszczanie ścieków opiera się głównie nadenitryfikacja biologiczna, który przekształca azot zawarty w ściekach w nieszkodliwy azot gazowy poprzez nitryfikację tlenową i denitryfikację beztlenową.

Azot całkowity odnosi się do zawartości azotu w cząstkach rozpuszczalnych i zawieszonych, w tym azotu nieorganicznego, takiego jak NO3-, NO2- i NH4+, oraz azotu organicznego, takiego jak aminokwasy, białka i aminy organiczne. Biologiczna denitryfikacja polega przede wszystkim na przekształceniu azotu organicznego w azot amonowy poprzez amonifikację w środowisku beztlenowym. Proces ten jest łatwy do przeprowadzenia i można go przeprowadzić w większości zakładów przetwarzania. Następnie w środowisku tlenowym azot amonowy jest przekształcany w azot azotanowy poprzez nitryfikację. Wreszcie, w środowisku beztlenowym, azot azotanowy jest przekształcany w gazowy amoniak poprzez denitryfikację, który ucieka z wody.

Do głównych procesów denitryfikacji zalicza sięprocesy osadu czynnego(A2O, rów utleniający, SBR itp.) i procesy biofilmu (filtry biologiczne, biologiczne zbiorniki do utleniania kontaktowego, biologiczne tarcze obrotowe itp.), które dobrze usuwają azot ze ścieków, ale mają pewne ograniczenia i złożoność pod względem procesu i działania.

Proces A2O, czyli proces beztlenowo-beztlenowo-tlenowy z osadem czynnym, obejmuje ścieki przepływające przez trzy odrębne strefy funkcjonalne — beztlenową, beztlenową i tlenową — gdzie różne społeczności drobnoustrojów usuwają materię organiczną, azot (N) i fosfor (P). Proces A2O jest najprostszym, jednoczesnym procesem usuwania fosforu i azotu, charakteryzującym się krótkim całkowitym czasem retencji hydraulicznej. W naprzemiennych warunkach beztlenowych, beztlenowych i tlenowych hamuje rozwój bakterii nitkowatych, przezwycięża pęcznienie osadu i zazwyczaj osiąga lepkość osadu (SVI) mniejszą niż 100. Ułatwia to oddzielenie oczyszczonych ścieków od osadu. Sekcje beztlenowe i beztlenowe wymagają jedynie delikatnego mieszania podczas pracy, co skutkuje niskimi kosztami operacyjnymi.

Zalety:Proces ten polega na najprostszym jednoczesnym usuwaniu azotu i fosforu, przy niewielkim całkowitym hydraulicznym czasie retencji i małej całkowitej powierzchni; w warunkach pracy naprzemiennej beztlenowo-tlenowej bakterie nitkowate nie mogą namnażać się w dużych ilościach i nie dochodzi do pęcznienia osadu; osad ma wysokie stężenie fosforu i wysoki efekt nawozu; Podczas pracy nie są wymagane żadne środki chemiczne, potrzebne jest jedynie delikatne mieszanie, a koszty eksploatacji są niskie.

Wady:Trudno jest dalej poprawiać skuteczność usuwania fosforu, wzrost osadu ma pewną granicę i nie jest łatwo go poprawić; skuteczność usuwania azotu również jest trudna do dalszej poprawy, objętość cyrkulacji wewnętrznej nie powinna być zbyt duża, w przeciwnym razie zwiększy to koszty operacyjne; w osadniku należy utrzymywać określone stężenie rozpuszczonego tlenu, czas przebywania powinien zostać skrócony, a stężenie rozpuszczonego tlenu nie powinno być zbyt wysokie, aby zapobiec zakłócaniu pracy reaktora przez krążący mieszany płyn.

Rowy utleniające, zwane także reaktorami z ciągłym obiegiem, stanowią modyfikację i rozwinięcie konwencjonalnego procesu osadu czynnego oraz specjalną formę przedłużonego napowietrzania.

Jego głównymi funkcjami jest dostarczanie tlenu; zapewnić, aby osad czynny znajdował się w stanie zawieszonym, umożliwiającym dokładne wymieszanie i kontakt ścieków, powietrza i osadu; oraz doprowadzić wodę do obiegu wzdłuż zbiornika z określonym natężeniem przepływu (nie mniejszym niż 0,25 m/s), co jest istotne dla utrzymania funkcji oczyszczającej rowu utleniającego. Rowy utleniające oferują takie korzyści, jak dobra jakość ścieków, duża odporność na obciążenia udarowe, wysoka skuteczność usuwania fosforu i azotu, łatwa stabilizacja osadów, niskie zużycie energii i łatwość zautomatyzowanego sterowania.

Jednakże w praktyce nadal występuje szereg problemów, takich jak pęcznienie osadu, pienienie, unoszenie się osadu, nierównomierne natężenie przepływu i osadzanie się osadu.

Proces przerywanego osadu czynnego, w skrócie proces SBR, ma cykl operacyjny, który można podzielić na pięć etapów: dopływ, reakcja, sedymentacja, odciek i jałowość. Ten zintegrowany proces charakteryzuje się prostotą. Ponieważ istnieje tylko jeden zbiornik reakcyjny, nie ma potrzeby stosowania osadnika wtórnego, osadu powrotnego i powiązanego sprzętu. Generalnie zbiornik wyrównawczy nie jest wymagany i w większości przypadków można pominąć osadnik wstępny.

Cechy:W większości przypadków nie ma potrzeby ustawiania zbiornika wyrównawczego; wartość SVI jest niska, łatwo ulega sedymentacji i na ogół nie występuje pęcznienie osadu; reakcje usuwania fosforu i azotu przeprowadza się poprzez dostosowanie trybu pracy; stopień automatyzacji jest wysoki; przy prawidłowym wykonaniu efekt leczenia jest lepszy niż leczenie ciągłe; jednostkowa inwestycja jest stosunkowo niewielka; powierzchnia zajmowana przez urządzenie jest duża, ale ilość uzdatnionej wody jest niewielka.

Problemy:Zarówno procesy A2O, jak i procesy metodą rowu utleniającego wymagają dużych powierzchni zbiorników, co skutkuje wysokimi kosztami infrastruktury; Procesy zwrotu osadu i sedymentacji są złożone i energochłonne, co utrudnia ich przeprowadzanie w zwykłych małych oczyszczalniach ścieków i nie nadają się do modernizacji oczyszczalni ścieków. Proces SBR wymaga precyzyjnych dekanterów, aby zapewnić jakość ścieków, a późniejszy zbiornik wyrównawczy jest potrzebny do regulacji natężenia przepływu ścieków, co stawia wysokie wymagania automatyzacji.

Filtry biologiczne wymagają dużej powierzchni, a stałe nośniki w biologicznych zbiornikach utleniających są trudne w budowie i utrzymaniu; oba są również podatne na zatykanie, co stwarza poważne wyzwania dla długoterminowej, stabilnej pracy oczyszczalni ścieków. Z kolei biologiczne tarcze wirujące przepuszczają mniejsze ilości ścieków i są bardziej odpowiednie dla oczyszczalni ścieków o mniejszych wydajnościach oczyszczania.

Proces MBBRopracowywany jest w oparciu o filtry biologiczne i procesy biologicznego złoża fluidalnego. Wykorzystując jednocześnie zalety procesów biofilmu i osadu czynnego, przezwycięża problemy związane z blokowaniem upakowania i wysokim zużyciem energii podczas płukania wstecznego, które często występują w procesach biofilmu, a także problemy utraty osadu w procesach osadu czynnego, zwiększając skuteczność jego biologicznego oczyszczania.

Nośniki MBBR są wykonane z materiałów polimerowych zawierających różne pierwiastki śladowe, które sprzyjają szybkiemu przyleganiu i wzrostowi drobnoustrojów. Są one modyfikowane i konstruowane przy użyciu specjalnych procesów, w wyniku czego powstają nośniki o takich zaletach, jak duża powierzchnia właściwa, dobra hydrofilowość, wysoka aktywność biologiczna, szybkie tworzenie biofilmu, dobry efekt leczenia i długa żywotność.

Mikroorganizmy mogą intensywnie przyłączać się do nośnika MBBR, co powoduje znaczny wzrost biomasy w systemie oczyszczania biologicznego przy jednoczesnym utrzymaniu stałego stężenia osadu. Prowadzi to do odpowiedniej poprawy wydajności i efektywności oczyszczania systemu oraz zwiększa jego odporność na obciążenia udarowe powodowane przez wodę o różnej jakości. Kiedy biofilm przyczepiony do nośnika MBBR osiąga określoną grubość, tworzy się gradient rozpuszczonego tlenu, w wyniku czego w nośniku w zbiorniku aerobowym powstają strefy beztlenowe. Umożliwia to bakteriom denitryfikacyjnym przeprowadzenie denitryfikacji w nośniku, czyli jednoczesnej nitryfikacji i denitryfikacji. To skutecznie chroni źródła węgla, umożliwiając dobrą wydajność usuwania azotu nawet przy niższych stosunkach węgla do azotu.

Wszystkie nośniki MBBR mają gęstość mniejszą niż 1, a po utworzeniu biofilmu ich gęstość jest podobna do gęstości wody, co pozwala im pozostać zawieszonymi w wodzie. W praktyce napowietrzanie połączone z mieszaniem służy do upłynnienia nośników w wodzie, tworząc trójfazową fluidyzację gaz-ciecz-ciało stałe. Poprawia to kontakt pomiędzy fazami gazową, ciekłą i nośną, znacznie poprawiając efektywność wykorzystania tlenu i skutecznie zmniejszając objętość napowietrzania i zużycie energii.

Proces MBBR wymaga jedynie dodania określonego dodatku i zainstalowania ekranu nośnego na istniejącym procesie oczyszczania biologicznego. Osiąga zwiększoną zdolność usuwania azotu bez konieczności budowy rozległej infrastruktury, co znacznie zmniejsza koszty inwestycji. Pokazuje obiecujące perspektywy rozwoju w zakresie modernizacji i doposażenia oczyszczalni ścieków.

Tradycyjne procesy denitryfikacji utleniają NH4+ do NO2-, a następnie do NO3-. Czynnikami aktywnymi są bakterie utleniające azotyny i bakterie nitryfikacyjne, zwane łącznie bakteriami nitryfikacyjnymi. Można wyciągnąć następujące wnioski: utlenianie azotynów wytwarza więcej energii niż nitryfikacja, stąd większa szybkość reakcji; utlenianie azotynów generuje dużą ilość H+, obniżając pH układu, podczas gdy nitryfikacja nie ma wpływu na pH układu; stosunek tlenowy pomiędzy utlenianiem azotynów i nitryfikacją wynosi 3:1; Bakterie utleniające azotyny i bakterie nitryfikacyjne mają w dużej mierze podobne właściwości fizjologiczne, ale bakterie utleniające azotyny mają krótszą żywotność i szybszy wzrost, dzięki czemu są w stanie lepiej przystosować się do obciążeń udarowych i niekorzystnych warunków środowiskowych.

Kiedy bakterie nitryfikacyjne zostaną zahamowane, NO2- będzie się gromadzić. Jest oczywiste, że w tradycyjnym procesie nitryfikacji-denitryfikacji i usuwania azotu, pod działaniem bakterii denitryfikacyjnych, denitryfikacja może rozpocząć się od azotanów lub azotynów. Jednakże wielokrotna konwersja z NO2- do NO3-, a następnie z NO3- z powrotem do NO2-, zużywa więcej rozpuszczonego tlenu i źródeł węgla organicznego. Jeżeli w rzeczywistych procesach proces konwersji jest kontrolowany w taki sposób, że całość lub większość NH4+ zostaje przekształcona w NO2 zamiast NO3, a denitryfikacja zachodzi bezpośrednio z NO2, proces ten nazywany jest nitryfikacją skróconą-denitryfikacją. Dzięki nieustannym wysiłkom pracowników ochrony środowiska w wielu reaktorach udało się osiągnąć skrótową nitryfikację-denitryfikację.

W porównaniu z tradycyjnymi procesami denitryfikacji, krótka nitryfikacja-denitryfikacja wykazuje następujące zalety.

1. Oszczędność energii:Na etapie nitryfikacji dopływ tlenu zmniejsza się o prawie 25%, co zmniejsza zużycie energii;
2. Oszczędza zewnętrzne źródło węgla:Proces denitryfikacji z NO2- do N2 zmniejsza źródło węgla organicznego o 40% w porównaniu do procesu z NO3- do N2;
3. Może skrócić czas retencji hydraulicznej:W środowisku o wysokiej zawartości amoniaku szybkość nitryfikacji NH4+ i szybkość denitryfikacji NO2- są większe niż szybkość utleniania NO2- i szybkość denitryfikacji NO3-. W ten sposób można skrócić hydrauliczny czas retencji i odpowiednio zmniejszyć objętość reaktora.
4. Zmniejszona produkcja osadu:Pozorny współczynnik wydajności bakterii utleniających azotyny wynosi 0,04 ~ 0,13 gVSS/gN, pozorny współczynnik wydajności bakterii nitryfikacyjnych wynosi 0,02 ~ 0,07 gVSS/gN, a pozorny współczynnik wydajności bakterii denitryfikacyjnych NO2 i bakterii denitryfikacyjnych NO3 wynoszą odpowiednio 0,345 gVSS/gN i 0,765 gVSS/gN. Dlatego też produkcję osadu można zmniejszyć o 24–33% podczas krótkiej nitryfikacji i denitryfikacji oraz o 50% podczas denitryfikacji.

Problemy:Procesy krótkiej nitryfikacji-denitryfikacji (SCD) znajdują się obecnie na etapie badań i mają ograniczone praktyczne zastosowania inżynieryjne. Ze względu na trudności w kontrolowaniu czynników takich jak temperatura i pH na etapie SCD, potrzebne są bardziej wyrafinowane technologie wykrywania online i kontroli rozmytej, aby osiągnąć stabilne procesy SCD i rozszerzyć ich zastosowanie.

Beztlenowe utlenianie amoniaku to proces reakcji biologicznej, w którym beztlenowe bakterie utleniające amoniak wykorzystują azotyn jako akceptor elektronów do utleniania azotu amonowego do azotu gazowego w warunkach beztlenowych. Reakcja ta ma zwykle stosunkowo ostre wymagania co do warunków zewnętrznych (pH, temperatura, rozpuszczony tlen itp.), jednak ponieważ nie wymaga udziału tlenu i materii organicznej, jej badania i rozwój procesowy mają znaczenie dla zrównoważonego rozwoju.

Beztlenowe oczyszczanie azotem amonowym zazwyczaj obejmuje wstępną obróbkę skróconego procesu nitryfikacji mającego na celu przekształcenie części azotu amonowego w ściekach w azotyn. Istnieją już udane przykłady jego zastosowania w oczyszczaniu ścieków z koksowni i odcieków składowiskowych.

Beztlenowe utlenianie amonu to reakcja mikrobiologiczna, w wyniku której wytwarza się gazowy azot. Ma kilka zalet: ponieważ amoniak działa bezpośrednio jako donor elektronów podczas denitryfikacji, eliminuje egzogenną materię organiczną, oszczędzając koszty operacyjne i zapobiegając wtórnym zanieczyszczeniom; tlen jest skutecznie wykorzystywany, co zmniejsza zużycie energii dostarczanej przez tlen; a ponieważ część amoniaku uczestniczy bezpośrednio w beztlenowym utlenianiu amonu bez poddawania się nitryfikacji, produkcja kwasu jest zmniejszona, a produkcja zasad wynosi zero, zmniejszając w ten sposób ilość odczynników chemicznych potrzebnych do neutralizacji, obniżając koszty operacyjne i łagodząc wtórne zanieczyszczenia.

W procesie tym usuwane są zawiesiny stałe (SS), chemiczne zapotrzebowanie tlenu (ChZT) i BZT, a także przeprowadzana jest nitryfikacja, denitryfikacja, usuwanie fosforu i AOX (substancji szkodliwej). Charakteryzuje się połączeniem utleniania biologicznego i wychwytywania zawiesin, co pozwala uniknąć konieczności stosowania kolejnego osadnika (osadnika wtórnego). Ma duże obciążenie objętościowe i obciążenie hydrauliczne, krótki czas retencji hydraulicznej, wymaga mniejszych inwestycji w infrastrukturę, wytwarza ścieki dobrej jakości, ma niskie zużycie energii operacyjnej i oszczędza koszty operacyjne.

BAF to reaktor na biofilm trzeciej generacji, który nie tylko posiada zalety technologii biofilmu, ale także odgrywa skuteczną rolę w filtracji przestrzennej dzięki zastosowaniu specjalnych mediów filtracyjnych i odpowiedniej konstrukcji dystrybucji gazu.

Charakterystyka technologiczna:

1. Przepływ powietrza i wody odbywa się poziomo i ku górze, co zapewnia doskonałą równomierność powietrza i wody, zapobiega tworzeniu się pęcherzyków powietrza i zatorom w warstwie mediów filtracyjnych, a także zapewnia wysokie wykorzystanie tlenu i niskie zużycie energii.
2. W przeciwieństwie do filtracji z przepływem w dół, filtracja z przepływem w górę utrzymuje dodatnie ciśnienie na całej wysokości złoża filtracyjnego, co pozwala lepiej zapobiegać tworzeniu się kanałów lub zwarć, unikając w ten sposób pułapek powietrznych, które mogłyby wpływać na proces filtracji poprzez tworzenie kanałów.
3. Przepływ w górę stwarza korzystne warunki wypychania półkolumny dla procesu, zapewniając długoterminową stabilność i skuteczność procesu BAF nawet przy wysokich szybkościach filtracji i obciążeniach.
4. Zastosowanie poziomego nawiewu powietrza ku górze pozwala na lepsze wykorzystanie przestrzeni filtracyjnej. Powietrze może przenosić cząstki stałe w głąb złoża filtracyjnego, co skutkuje dużym obciążeniem i jednorodnością cząstek stałych w zbiorniku filtra, wydłużając w ten sposób cykl płukania wstecznego i redukując czas czyszczenia oraz ilość powietrza i wody zużywanej podczas czyszczenia.
5. Efekt cięcia materiału filtracyjnego na pęcherzykach powietrza wydłuża czas przebywania pęcherzyków powietrza w złożu filtracyjnym, poprawiając w ten sposób wykorzystanie tlenu.
6. Ze względu na doskonałą zdolność wychwytywania osadu przez filtr, nie ma potrzeby instalowania osadnika wtórnego po BAF.