A descarga em grande escala de azoto e fósforo pode causar a eutrofização das massas de água.

A descarga em grande escala de azoto e fósforo pode causar a eutrofização das massas de água. Portanto, a China utiliza nitrogênio amoniacal e fósforo total como importantes indicadores de avaliação para avaliar o efeito do tratamento das estações de tratamento de esgoto. Atualmente, o tratamento de esgoto depende principalmente dedesnitrificação biológica, que converte o nitrogênio do esgoto em gás nitrogênio inofensivo por meio de nitrificação aeróbica e desnitrificação anóxica.

O nitrogênio total refere-se ao conteúdo de nitrogênio em partículas solúveis e suspensas, incluindo nitrogênio inorgânico, como NO3-, NO2- e NH4+, e nitrogênio orgânico, como aminoácidos, proteínas e aminas orgânicas. A desnitrificação biológica envolve primeiro a conversão do nitrogênio orgânico em nitrogênio amoniacal por meio da amonificação em um ambiente anaeróbico. Este processo é facilmente realizado e pode ser concluído na maioria das instalações de tratamento. Então, em um ambiente aeróbio, o nitrogênio amoniacal é convertido em nitrogênio nitrato por meio da nitrificação. Finalmente, num ambiente anóxico, o azoto nitrato é convertido em gás amónia através da desnitrificação, que escapa da água.

Os principais processos de desnitrificação incluemprocessos de lodo ativado(A2O, vala de oxidação, SBR, etc.) e processos de biofilme (filtros biológicos, tanques de oxidação de contato biológico, discos rotativos biológicos, etc.), que apresentam bons efeitos de remoção de nitrogênio em águas residuais, mas apresentam certas limitações e complexidades em termos de processo e operação.

O processo A2O, ou processo de lodo ativado anaeróbico-anóxico-aeróbico, envolve águas residuais fluindo através de três zonas funcionais distintas - anaeróbica, anóxica e aeróbica - onde diferentes comunidades microbianas removem matéria orgânica, nitrogênio (N) e fósforo (P). O processo A2O é o processo mais simples de remoção simultânea de fósforo e nitrogênio, caracterizado por um curto tempo de retenção hidráulica total. Sob condições alternadas anaeróbicas, anóxicas e aeróbicas, inibe o crescimento de bactérias filamentosas, supera o acúmulo de lodo e normalmente atinge uma viscosidade de lodo (SVI) inferior a 100. Isso facilita a separação das águas residuais tratadas do lodo. As seções anaeróbica e anóxica requerem apenas agitação suave durante a operação, resultando em baixos custos operacionais.

Vantagens:Este processo é a remoção simultânea mais simples de nitrogênio e fósforo, com um pequeno tempo de retenção hidráulica total e um pequeno espaço total; sob condições de operação alternada anaeróbica-aeróbica, as bactérias filamentosas não podem proliferar em grandes quantidades e não há acúmulo de lodo; o lodo tem alta concentração de fósforo e alto efeito fertilizante; nenhum produto químico é necessário durante a operação, apenas uma agitação suave é necessária e o custo operacional é baixo.

Desvantagens:A eficiência da remoção de fósforo é difícil de melhorar ainda mais, o crescimento do lodo tem um certo limite e não é fácil de melhorar; a eficiência da remoção de nitrogênio também é difícil de melhorar ainda mais, o volume de circulação interna não deve ser muito alto, caso contrário aumentará os custos operacionais; uma certa concentração de oxigênio dissolvido deve ser mantida no tanque de sedimentação, o tempo de residência deve ser reduzido e a concentração dissolvida não deve ser muito alta para evitar que o licor misto circulante interfira no reator.

As valas de oxidação, também conhecidas como reatores de circulação contínua, são uma modificação e desenvolvimento do processo convencional de lodo ativado e uma forma especial de aeração prolongada.

Suas principais funções são fornecer oxigênio; garantir que o lodo ativado esteja em estado suspenso, permitindo a mistura completa e o contato entre águas residuais, ar e lodo; e fazer com que a água circule ao longo do comprimento do tanque a uma determinada vazão (não inferior a 0,25 m/s), o que é crucial para manter a função de purificação da vala de oxidação. As valas de oxidação oferecem vantagens como boa qualidade de efluentes, forte resistência a cargas de choque, alta eficiência de remoção de fósforo e nitrogênio, fácil estabilização de lodo, baixo consumo de energia e facilidade de controle automatizado.

No entanto, na operação real, ainda existe uma série de problemas, como acúmulo de lodo, formação de espuma, flutuação de lodo, vazão irregular e deposição de lodo.

O processo de lodo ativado intermitente, ou processo SBR, possui um ciclo operacional que pode ser dividido em cinco etapas: afluente, reação, sedimentação, efluente e ocioso. Este processo integrado é caracterizado pela sua simplicidade. Como existe apenas um tanque de reação, não há necessidade de tanque de sedimentação secundário, lodo de retorno e equipamentos relacionados. Geralmente, não é necessário um tanque de equalização e, na maioria dos casos, um tanque de sedimentação primário pode ser omitido.

Características:Na maioria dos casos, não há necessidade de montar um tanque de equalização; o valor do SVI é baixo, é fácil de sedimentar e geralmente não ocorre acúmulo de lodo; as reações de remoção de fósforo e nitrogênio são realizadas ajustando o modo de operação; o grau de automação é alto; quando feito corretamente, o efeito do tratamento é melhor que o tratamento contínuo; o investimento unitário é relativamente pequeno; a pegada é grande, mas o volume de água tratada é pequeno.

Problemas:Tanto os processos de A2O como de valas de oxidação requerem grandes áreas de tanques, resultando em elevados custos de infra-estrutura; Os processos de retorno e sedimentação de lamas são complexos e consomem muita energia, tornando-os difíceis de serem realizados por pequenas estações de tratamento de águas residuais comuns e inadequados para a modernização de estações de tratamento de águas residuais. O processo SBR requer decantadores de alta precisão para garantir a qualidade do efluente, e um tanque de equalização subsequente é necessário para regular a vazão do efluente, exigindo muito da automação.

Os filtros biológicos requerem uma grande área e os transportadores fixos nos tanques de oxidação de contato biológico são difíceis de construir e manter; ambos também são propensos a entupimentos, o que representa desafios significativos para a operação estável a longo prazo das estações de tratamento de águas residuais. Os discos rotativos biológicos, por outro lado, lidam com volumes menores de águas residuais e são mais adequados para estações de tratamento de águas residuais com capacidades de tratamento menores.

O processo MBBRé desenvolvido com base em filtros biológicos e processos biológicos de leito fluidizado. Ao aproveitar simultaneamente as vantagens dos processos de biofilme e lodo ativado, supera os problemas de bloqueio de empacotamento e alto consumo de energia de retrolavagem que são frequentemente encontrados em processos de biofilme, bem como os problemas de perda de lodo em processos de lodo ativado, tornando seu efeito de tratamento biológico mais eficaz.

Os transportadores MBBR são feitos de materiais poliméricos que incorporam vários oligoelementos que promovem a rápida fixação e crescimento microbiano. Eles são modificados e construídos por meio de processos especiais, resultando em transportadores com vantagens como grande área superficial específica, boa hidrofilicidade, alta atividade biológica, rápida formação de biofilme, bom efeito de tratamento e longa vida útil.

Os microrganismos podem anexar-se extensivamente ao transportador MBBR, resultando num aumento significativo da biomassa no sistema de tratamento biológico, mantendo ao mesmo tempo uma concentração constante de lamas. Isto leva a uma melhoria correspondente na capacidade e eficiência de tratamento do sistema e aumenta a sua resistência a cargas de choque provenientes de diferentes qualidades de água. Quando o biofilme ligado ao transportador MBBR atinge uma certa espessura, cria um gradiente de oxigênio dissolvido, resultando em zonas anóxicas dentro do transportador no tanque aeróbio. Isto permite que as bactérias desnitrificantes realizem a desnitrificação dentro do transportador, isto é, nitrificação e desnitrificação simultâneas. Isto conserva eficazmente as fontes de carbono, permitindo uma boa capacidade de remoção de azoto, mesmo em proporções mais baixas de carbono para azoto.

Todos os portadores de MBBR têm densidade inferior a 1 e, após a formação do biofilme, sua densidade é semelhante à da água, permitindo que permaneçam suspensos na água. Na operação real, a aeração combinada com agitação é usada para fluidizar os transportadores na água, formando uma fluidização trifásica gás-líquido-sólido. Isto melhora o contato entre as fases gasosa, líquida e transportadora, melhorando significativamente a eficiência da utilização do oxigênio e reduzindo efetivamente o volume de aeração e o consumo de energia.

O processo MBBR requer apenas a adição de um aditivo específico e a instalação de uma tela transportadora sobre o processo de tratamento biológico existente. Alcança maior capacidade de remoção de nitrogênio sem extensa construção de infraestrutura, reduzindo significativamente os custos de investimento. Mostra perspectivas de desenvolvimento promissoras na modernização e modernização de estações de tratamento de águas residuais.

Os processos tradicionais de desnitrificação oxidam NH4+ em NO2- e depois em NO3-. Os agentes ativos são bactérias oxidantes de nitrito e bactérias nitrificantes, conhecidas coletivamente como bactérias nitrificantes. Podem ser tiradas as seguintes conclusões: a oxidação do nitrito produz mais energia do que a nitrificação, daí a sua taxa de reação mais rápida; a oxidação do nitrito gera grande quantidade de H+, diminuindo o pH do sistema, enquanto a nitrificação não tem efeito no pH do sistema; a relação aeróbica entre a oxidação do nitrito e a nitrificação é de 3:1; bactérias oxidantes de nitrito e bactérias nitrificantes têm características fisiológicas muito semelhantes, mas as bactérias oxidantes de nitrito têm vida útil mais curta e crescimento mais rápido, portanto, são mais capazes de se adaptar a cargas de choque e condições ambientais adversas.

Quando as bactérias nitrificantes são inibidas, o NO2- acumula-se. Claramente, no processo tradicional de remoção de nitrogênio de nitrificação-desnitrificação, sob a ação de bactérias desnitrificantes, a desnitrificação pode começar a partir de nitrato ou nitrito. No entanto, a conversão repetida de NO2- para NO3-, e depois de NO3- novamente para NO2-, consome mais oxigênio dissolvido e fontes de carbono orgânico. Se, em processos reais, este processo de conversão for controlado de modo que todo ou a maior parte do NH4+ seja convertido em NO2- em vez de NO3-, e a desnitrificação ocorra diretamente a partir de NO2-, este processo é chamado de nitrificação-desnitrificação de atalho. Através dos esforços incessantes dos trabalhadores ambientais, a nitrificação-desnitrificação de atalho foi alcançada em muitos reactores.

Em comparação com os processos tradicionais de desnitrificação, a nitrificação-desnitrificação de atalho apresenta as seguintes vantagens.

1. Economia de energia:Durante a fase de nitrificação, o fornecimento de oxigénio é reduzido em quase 25%, reduzindo assim o consumo de energia;
2. Economiza fonte externa de carbono:O processo de desnitrificação de NO2- para N2 reduz a fonte de carbono orgânico em 40% em comparação com o processo de NO3- para N2;
3. Pode reduzir o tempo de retenção hidráulica:Em um ambiente com alto teor de amônia, a taxa de nitrificação do NH4+ e a taxa de desnitrificação do NO2- são mais rápidas do que a taxa de oxidação do NO2- e a taxa de desnitrificação do NO3-. Portanto, o tempo de retenção hidráulica pode ser reduzido e o volume do reator pode ser reduzido em conformidade.
4. Produção reduzida de lodo:O coeficiente de rendimento aparente de bactérias oxidantes de nitrito é 0,04 ~ 0,13gVSS / gN, o coeficiente de rendimento aparente de bactérias nitrificantes é 0,02 ~ 0,07gVSS / gN, e os coeficientes de rendimento aparente de bactérias desnitrificantes de NO2 e bactérias desnitrificantes de NO3 são 0,345gVSS / gN e 0,765gVSS / gN, respectivamente. Portanto, a produção de lodo pode ser reduzida em 24~33% durante a nitrificação e desnitrificação de atalho, e em 50% durante a desnitrificação.

Problemas:Os processos de nitrificação-desnitrificação de atalho (SCD) estão atualmente em fase de pesquisa, com aplicações práticas de engenharia limitadas. Devido à dificuldade em controlar fatores como temperatura e pH durante o estágio de SCD, são necessárias tecnologias mais sofisticadas de detecção on-line e controle difuso para alcançar processos de SCD estáveis ​​e expandir sua aplicação.

A oxidação anaeróbica da amônia é um processo de reação biológica no qual bactérias anaeróbicas oxidantes da amônia usam nitrito como um aceptor de elétrons para oxidar o nitrogênio amoniacal em gás nitrogênio sob condições anaeróbicas. Esta reação geralmente tem requisitos relativamente severos em condições externas (pH, temperatura, oxigênio dissolvido, etc.), mas como não requer a participação de oxigênio e matéria orgânica, sua pesquisa e desenvolvimento de processos são de importância para o desenvolvimento sustentável.

O tratamento anaeróbico com nitrogênio amoniacal normalmente envolve um processo de nitrificação de pré-tratamento para converter uma porção do nitrogênio amoniacal nas águas residuais em nitrito. Já existem exemplos bem-sucedidos de sua aplicação no tratamento de águas residuais de coquerias e lixiviados de aterros sanitários.

A oxidação anaeróbica de amônio é uma reação microbiana que produz gás nitrogênio. Oferece diversas vantagens: como a amônia atua diretamente como doador de elétrons na desnitrificação, a matéria orgânica exógena é eliminada, economizando custos operacionais e evitando a poluição secundária; o oxigênio é efetivamente utilizado, reduzindo o consumo de energia do suprimento de oxigênio; e como parte da amônia participa diretamente da oxidação anaeróbica do amônio sem sofrer nitrificação, a produção de ácido é reduzida e a produção de álcalis é zero, diminuindo assim a quantidade de reagentes químicos necessários para a neutralização, diminuindo os custos operacionais e mitigando a poluição secundária.

Este processo remove sólidos suspensos (SS), demanda química de oxigênio (DQO) e DBO, e realiza nitrificação, desnitrificação, remoção de fósforo e AOX (uma substância nociva). Caracteriza-se por integrar oxidação biológica e intercepção de sólidos em suspensão, dispensando a necessidade de posterior tanque de sedimentação (tanque de sedimentação secundário). Possui grande carga volumétrica e hidráulica, curto tempo de retenção hidráulica, requer menor investimento em infraestrutura, produz efluentes de boa qualidade, tem baixo consumo de energia operacional e economiza custos operacionais.

BAF é um reator de biofilme de terceira geração que não só tem as vantagens da tecnologia de biofilme, mas também desempenha um papel eficaz na filtração espacial usando meios filtrantes especiais e design adequado de distribuição de gás.

Características tecnológicas:

1. O fluxo ar-água é horizontal e ascendente, o que garante excelente uniformidade de ar e água, evita a formação de bolhas de ar e bloqueio na camada de meio filtrante e resulta em alta utilização de oxigênio e baixo consumo de energia.
2. Em contraste com a filtração de fluxo descendente, a filtração de fluxo ascendente mantém condições de pressão positiva em toda a altura do leito filtrante, o que pode evitar melhor a formação de canalização ou curto-circuito, evitando assim armadilhas de ar que poderiam afetar o processo de filtração formando canalização.
3. O fluxo ascendente cria condições favoráveis ​​de impulso de semi-coluna para o processo, garantindo a estabilidade e eficácia a longo prazo do processo BAF, mesmo com altas taxas e cargas de filtração.
4. O uso do fluxo de ar horizontal ascendente permite uma melhor utilização do espaço de filtração. O ar pode transportar matéria sólida profundamente no leito do filtro, resultando em uma carga alta e matéria sólida uniforme no tanque do filtro, estendendo assim o ciclo de retrolavagem e reduzindo o tempo de limpeza e a quantidade de ar e água usada durante a limpeza.
5. O efeito de corte do meio filtrante nas bolhas de ar prolonga o tempo de residência das bolhas de ar no leito filtrante, melhorando assim a utilização do oxigênio.
6. Devido à excelente capacidade de interceptação de lodo do filtro, não há necessidade de instalação de tanque de sedimentação secundário após o BAF.