Un'analisi completa dei processi comunemente utilizzati negli impianti di trattamento delle acque reflue urbane

L'obiettivo principale del trattamento delle acque reflue urbane è rimuovere gli inquinanti come COD, BOD₅, TN e TP dalle acque reflue per soddisfare gli standard di scarico (adesione generale allo standard di Classe A dello "Standard di scarico degli inquinanti per gli impianti di trattamento delle acque reflue urbane" GB 18918-2002). Gli attuali processi tradizionali sono incentrati sul trattamento biologico, combinato con unità di pretrattamento e trattamento avanzato, formando un processo completo di "pretrattamento - trattamento principale - trattamento avanzato - smaltimento dei fanghi". Di seguito viene fornita un'introduzione dettagliata ai sei processi più utilizzati, coprendone i principi, i parametri chiave, i vantaggi e gli svantaggi e gli scenari applicabili, considerando anche i dettagli tecnici e la fattibilità ingegneristica.

1. Principio del processo

Utilizzando i fanghi attivi come nucleo, in condizioni aerobiche, i microrganismi assorbono e degradano gli inquinanti organici nelle acque reflue, ottenendo la purificazione delle acque reflue attraverso la separazione dell'acqua dei fanghi-. Processo principale: Vaglio a barre → Camera di sabbia → Serbatoio di sedimentazione primario → Serbatoio di aerazione → Serbatoio di sedimentazione secondario → Disinfezione e scarico; i fanghi residui vengono concentrati, disidratati e quindi smaltiti.

2. Parametri chiave di progettazione
* Tempo di ritenzione idraulica (HRT): 8-12 ore, con HRT maggiore o uguale a 6 ore nel serbatoio di aerazione;
* Tempo di ritenzione dei fanghi (SRT): 3-5 giorni (applicabile solo alla rimozione della materia organica, senza funzioni di rimozione di azoto e fosforo);
* Carico organico (F/M): 0,2-0,4 kgBOD₅/(kgMLSS·d);
* Concentrazione DO nel serbatoio di aerazione: 2-3 mg/l, utilizzando aerazione forzata o meccanica.

3. Vantaggi e svantaggi
* Vantaggi: tecnologia matura, funzionamento stabile, alta efficienza nel trattamento della materia organica (tasso di rimozione BOD₅ 85%-90%) e costi di investimento relativamente bassi;
* Svantaggi: nessuna funzione di rimozione di azoto e fosforo, rendendo difficile soddisfare gli attuali standard di Classe A; grande produzione di fanghi, incline al rigonfiamento filamentoso; ingombro elevato e consumo energetico relativamente elevato.

4. Scenari applicabili
* Adatto per impianti di trattamento delle acque reflue di prima realizzazione-con bassi standard di scarico o come unità di pretrattamento per acque reflue industriali; attualmente viene utilizzato raramente da solo nei nuovi progetti, ma principalmente come modulo base per il miglioramento dei processi.

1. Principio del processo
Il processo A²O (Anaerobico-Anossico-Aerobico) consente la rimozione simultanea di azoto e fosforo attraverso l'azione sinergica di tre zone: i batteri che accumulano fosforo-rilasciano fosforo nella zona anaerobica, i batteri denitrificanti rimuovono l'azoto nella zona anossica e i batteri nitrificanti nitrificano e i batteri che accumulano fosforo-assorbono il fosforo nella zona anossica zona aerobica. La versione modificata (con l'aggiunta di un serbatoio pre-anossico) risolve il problema della concorrenza delle fonti di carbonio tra denitrificazione e rimozione del fosforo, migliorando l'effetto di rimozione di azoto e fosforo. Processo principale: Pretrattamento → Serbatoio anaerobico → Serbatoio pre- anossico → Serbatoio anossico → Serbatoio aerobico → Serbatoio di sedimentazione secondaria → Trattamento avanzato → Scarico.

2. Parametri chiave di progettazione

TOS totale: 10-12 ore, rapporto TOS anaerobico:anossico:aerobico=1:3:5;
Tempo di ritenzione dei fanghi (SRT): 10-12 giorni a temperatura ambiente, 15 giorni a bassa temperatura (per bilanciare le esigenze di nitrificazione e rimozione del fosforo);
Rapporto di ricircolo: rapporto di ricircolo del bagno misto 200%-300% (frequenza variabile regolabile), rapporto di ricircolo dei fanghi 50%-80%;
Controllo DO: zona anaerobica inferiore o uguale a 0,2 mg/l, zona anossica inferiore o uguale a 0,5 mg/l, zona aerobica 2-3 mg/l.

3. Vantaggi e svantaggi

Vantaggi: Eccellente efficienza di rimozione di azoto e fosforo (tasso di rimozione TN 70%-80%, tasso di rimozione TP 80%-90%), costantemente conforme agli standard di Classe A; tecnologia matura, costi operativi moderati, adatta per acque reflue municipali con grandi fluttuazioni della qualità dell'acqua;
Svantaggi: esistono incongruenze nei parametri tra la rimozione di azoto e fosforo (SRT, conflitto tra i requisiti del rapporto di ricircolo); le acque reflue- con fonti di carbonio richiedono l'aggiunta di fonti esterne di carbonio; ingombro leggermente maggiore.

4. Scenari applicabili

Attualmente il processo preferito per la nuova costruzione, l'espansione e il potenziamento degli impianti di trattamento delle acque reflue urbane, particolarmente adatto per progetti di acque reflue municipali che richiedono il controllo simultaneo delle emissioni di azoto e fosforo. Può essere adattato anche a acque reflue complesse contenenti piccole quantità di acque reflue industriali (è necessario l'adeguamento del coefficiente di biodegradabilità).

1. Principio del processo

Questo processo combina la tecnologia di separazione a membrana con il trattamento biologico, sostituendo il serbatoio di sedimentazione secondaria con moduli a membrana per ottenere un'efficiente separazione dell'acqua dei fanghi-. Flusso principale: Pretrattamento → Serbatoio biologico (è possibile utilizzare configurazioni A²O, SBR, ecc.) → Serbatoio a membrana → Disinfezione e scarico. I moduli a membrana possono trattenere i microrganismi, mantenendo un'elevata concentrazione di MLSS nel serbatoio biologico e migliorando la nitrificazione e la rimozione della materia organica.

2. Parametri chiave di progettazione

Concentrazione MLSS: 6000-8000 mg/L (significativamente superiore rispetto ai processi tradizionali);
Tempo di ritenzione dei fanghi (SRT): 20-30 giorni (nitrificazione migliorata, adatta per acque reflue a bassa temperatura e a basso contenuto di C/N);
Flusso della membrana: 10-20 L/(m²·h), che richiede una pulizia fisico/chimica regolare;
Consumo energetico: 0,6-1,0 kWh/m³ (compreso il consumo energetico di aerazione e aspirazione della membrana).

3. Vantaggi e svantaggi

Vantaggi: eccellente qualità dell'effluente (TN inferiore o uguale a 8 mg/l, TP inferiore o uguale a 0,3 mg/l), conforme ai requisiti per il miglioramento della qualità dell'acqua quasi alla-Classe IV; l'impronta è solo 1/3-1/2 rispetto ai processi tradizionali; nessun rischio di perdita di fanghi, elevata stabilità operativa;
Svantaggi: Costo elevato del modulo a membrana (pari al 30%-40% dell'investimento totale); manutenzione complessa (suscettibile di intasamento), costi operativi elevati; consumo energetico più elevato rispetto ai tradizionali processi biologici.

4. Scenari applicabili

Adatto per aree centrali urbane con risorse territoriali limitate, progetti di ammodernamento con standard rigorosi sugli effluenti o scenari speciali di qualità dell'acqua come bassa temperatura e basso rapporto C/N; applicabile anche al trattamento decentralizzato delle acque reflue (ad esempio, comunità residenziali, parchi industriali).

1. Principio del processo

Utilizzando un reattore a fossato ad anello-, le acque reflue circolano all'interno del fossato attraverso spazzole o dischi rotanti per l'aerazione, creando zone aerobiche e anossiche alternate per ottenere la degradazione e la denitrificazione della materia organica. Le configurazioni comuni includono fossati di ossidazione a carosello, fossati di ossidazione Orbal e fossati di ossidazione integrati (compresi serbatoi di sedimentazione secondaria).

2. Parametri chiave di progettazione

HRT totale: 15-25 ore (lungo tempo di ritenzione idraulica, forte resistenza ai carichi d'urto);
Tempo di ritenzione dei fanghi (SRT): 10-20 giorni (adatto per i requisiti di rimozione dell'azoto);
Carico organico (F/M): 0,05-0,15 kgBOD₅/(kgMLSS·d);
Ossigeno disciolto: distribuzione graduale all'interno della fossa (2-3 mg/L in zona aerobica, 0,5-1 mg/L in zona anossica).

3. Vantaggi e svantaggi

Vantaggi: resistenza estremamente forte ai carichi d'urto, adatta per acque reflue con grandi fluttuazioni nella qualità e quantità dell'acqua; funzionamento e gestione semplici, bassi costi di manutenzione; buon effetto di rimozione dell'azoto (tasso di rimozione TN 70%-75%);
Svantaggi: debole effetto di rimozione del fosforo (richiede la rimozione chimica ausiliaria del fosforo); grande ingombro, elevato consumo energetico; flessibilità operativa insufficiente.

4. Scenari applicabili
Adatto per impianti di trattamento delle acque reflue in città di piccole e medie-dimensioni (volume 50.000-500.000 m³/d), acque reflue complesse con grandi fluttuazioni nella qualità dell'acqua (inclusa una piccola quantità di acque reflue industriali) o progetti con capacità operative e di gestione limitate.

1. Principio del processo

Utilizzando un reattore intermittente, vengono completate cinque fasi all'interno dello stesso serbatoio: affluente, aerazione (aerobica), sedimentazione, scarico degli effluenti e periodo di inattività. La degradazione della materia organica e la rimozione di azoto e fosforo vengono ottenute attraverso l'allocazione del tempo. Le versioni modificate (processi CAST, CASS) aggiungono una zona di selezione e una zona di pre-reazione per migliorare le prestazioni di sedimentazione dei fanghi e l'efficienza di rimozione del fosforo.

2. Parametri di progettazione chiave:
Un ciclo operativo: 4-6 ore (di cui 2-3 ore di aerazione e 1-1,5 ore di sedimentazione);
Tempo di ritenzione dei fanghi (SRT): 10-15 giorni;
Concentrazione MLSS: 3000-5000 mg/L;
Rapporto di drenaggio: 1/3-1/2 (ogni drenaggio non deve superare 1/2 del volume del serbatoio).

3. Vantaggi e svantaggi

Vantaggi: ingombro ridotto (non è necessario un serbatoio di sedimentazione secondaria separato); funzionamento flessibile, con parametri del ciclo regolabili in base alla qualità dell'acqua; adatto per volumi d'acqua da piccoli a medi, consentendo la rimozione simultanea di azoto e fosforo.
Svantaggi: requisiti elevati per il controllo automatizzato (richiede un controllo preciso dei tempi di ciascuna fase); stabilità della qualità dell'effluente insufficiente, facilmente influenzata dai parametri operativi; rapida usura delle apparecchiature (avvii-frequenti arresti di valvole e pompe).

4. Scenari applicabili
Adatto per impianti di trattamento delle acque reflue urbane di piccole e medie- dimensioni (volume dell'acqua inferiore o uguale a 100.000 m³/giorno), progetti decentralizzati di trattamento delle acque reflue (come comunità e parchi industriali) o scenari con fluttuazioni significative della qualità dell'acqua che richiedono una regolazione flessibile delle modalità operative.

1. Principio del processo
Integra tutte le fasi del trattamento biologico (degradazione del COD, rimozione dell'azoto, rimozione del fosforo, stabilizzazione dei fanghi) in un unico serbatoio biologico. Attraverso la progettazione a zone e un sistema di aerazione ad alta-efficienza, si ottengono la rimozione simultanea di azoto e fosforo e la riduzione dei fanghi. Il punto forte è il sistema di aerazione BioDopp (aerazione a schiuma fine su ampie- aree), che ha un'elevata efficienza di trasferimento dell'ossigeno ed è di facile manutenzione.

2. Parametri chiave di progettazione
Consumo energetico: 0,075 kWh/m³ (significativamente inferiore rispetto ai processi tradizionali, dimostrando sostanziali vantaggi in termini di risparmio energetico-);
Concentrazione MLSS: 8 g/L (elevata concentrazione di fanghi, che migliora l'efficienza del trattamento);
Efficienza di trasferimento dell'ossigeno: 5 kgO₂/kWh, richiesta di ossigeno 0,2-0,3 mg/l;
HRT totale: 8-12 ore, adatto per le esigenze di routine del trattamento delle acque reflue municipali.

3. Vantaggi e svantaggi
Vantaggi: eccezionale effetto di risparmio energetico-(il consumo di energia è solo 1/5-1/8 dei processi tradizionali); elevata integrazione, ingombro ridotto; bassa produzione di fanghi, eliminando la necessità di un complesso smaltimento dei fanghi; facile manutenzione del sistema di aerazione (può essere pulito online, senza tempi di inattività); Svantaggi: soglia tecnica elevata, le apparecchiature principali dipendono dalle importazioni; adatto a qualità dell'acqua specifiche, l'adattabilità alle acque reflue recalcitranti e ad alto contenuto di sale necessita di ulteriori verifiche.

4. Scenari applicabili
Adatto per impianti di trattamento delle acque reflue municipali di nuova costruzione (perseguendo il risparmio energetico e la riduzione dei consumi) e progetti di trattamento delle acque reflue dei parchi industriali. È stato applicato con successo in Germania, Repubblica Ceca e nelle province di Shanghai e Hebei nel mio paese.

La selezione dei processi per gli impianti di trattamento delle acque reflue urbane richiede una considerazione globale di cinque fattori chiave: caratteristiche di qualità dell'acqua, standard di scarico, volume d'acqua, risorse del territorio e costi operativi. La logica di base è la seguente:

• Standard di qualità e scarico dell'acqua: per la rimozione simultanea di azoto e fosforo per soddisfare gli standard di Classe A, sono preferiti i processi A²O e MBR modificati; per il miglioramento della qualità dell'acqua vicino alla Classe IV, sono preferiti i processi MBR; per qualità dell'acqua con grandi fluttuazioni, sono preferiti i processi con fossa di ossidazione e SBR modificato.
• Water Volume: Large wastewater treatment plants (>500.000 m³/d) privilegiano i processi di A²O modificato e di fossa di ossidazione; gli impianti di trattamento delle acque reflue di piccole e medie-dimensioni (10.000-500.000 m³/d) possono scegliere i processi A²O, SBR modificato o BioDopp; progetti decentralizzati (<10,000 m³/d) prioritize SBR and MBR processes.
• Terreno e costi: nelle aree centrali urbane dove il terreno scarseggia, si preferiscono i processi MBR, SBR e BioDopp; per budget limitati, sono preferiti i processi con A²O modificato e con fossa di ossidazione; per il risparmio energetico a lungo termine-si possono prendere in considerazione i processi BioDopp.
• Esercizio e gestione: per gli impianti con capacità operative e gestionali limitate, sono preferiti i processi con fossa di ossidazione e A²O modificato (semplici da utilizzare); per quelli con livelli di automazione più elevati, sono adatti i processi MBR e SBR modificati.

In sintesi, il processo A²O modificato, con i suoi vantaggi di rimozione stabile di azoto e fosforo, costi moderati e ampia adattabilità, rimane la scelta principale per gli impianti di trattamento delle acque reflue urbane; il processo MBR è adatto per esigenze di aggiornamento e layout compatto; e processi più recenti come BioDopp offrono nuove direzioni per il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni, e i loro scenari applicativi si espanderanno gradualmente in futuro.