Nel settore del trattamento delle acque reflue, la "biodegradabilità delle acque reflue" è un argomento fondamentale che non può essere evitato, sia nella progettazione del processo, nel funzionamento e nella messa in servizio, sia nella risoluzione dei problemi. Determina direttamente quale processo di trattamento scegliere, se è possibile soddisfare gli standard di scarico e influisce anche sui costi operativi e sulla stabilità dell'intero sistema di trattamento delle acque reflue.
L'indicatore più comunemente utilizzato e intuitivo per giudicare la biodegradabilità delle acque reflue è il rapporto BOD₅/COD-il "gold standard" de facto del settore: quando BOD₅/COD > 0,3, le acque reflue sono facilmente biodegradabili; tra 0,2 e 0,3 le acque reflue sono biodegradabili; e < 0,2, le acque reflue sono difficili da biodegradare.
Questo insieme di valori apparentemente semplice nasconde la logica alla base del trattamento delle acque reflue. Oggi spiegheremo questo indicatore fondamentale in parole povere, dalla definizione e interpretazione all'applicazione pratica, ai fattori che influenzano e alle precauzioni per i test. Ricco di informazioni pratiche, è facile per il nuovo personale di manutenzione iniziare rapidamente e anche i professionisti esperti possono colmare eventuali lacune nelle loro conoscenze.
I. Innanzitutto, capire: cosa sono BOD₅ e COD?
Per comprendere il significato di BOD₅/COD, dobbiamo prima chiarire il significato di due indicatori fondamentali-funzionano come due "metri" per misurare gli inquinanti nelle acque reflue, misurati solo da angolazioni diverse.
1. COD: la "quantità totale di tutti gli inquinanti nelle acque reflue"
COD sta per Chemical Oxygen Demand, che si riferisce alla quantità di ossigeno consumato quando tutti gli inquinanti ossidabili (comprese le sostanze organiche e inorganiche) nelle acque reflue vengono ossidati utilizzando un forte ossidante (solitamente dicromato di potassio). L'unità è mg/l.
In poche parole, il COD misura la “somma di tutti gli inquinanti ossidabili nelle acque reflue”, indipendentemente dal fatto che questi inquinanti possano essere decomposti dai microrganismi. Le sue caratteristiche includono il rilevamento rapido e dati stabili, che lo rendono l'"indicatore di rilevamento rapido" più comunemente utilizzato nel trattamento delle acque reflue per valutare rapidamente il grado di inquinamento.
Ad esempio, i metalli pesanti e la materia organica tossica nelle acque reflue industriali, nonché l’amido e il grasso nelle acque reflue domestiche, possono essere tutti ossidati da forti ossidanti e verranno inclusi nel valore COD. Pertanto, il COD riflette solo “quanto grave sia l’inquinamento”, ma non “se questi inquinanti possano essere trattati dai microrganismi”.
2. BOD₅: la quantità di sostanze inquinanti nelle acque reflue che possono essere decomposte dai microrganismi
BOD₅ sta per Biochemical Oxygen Demand (BOD), che si riferisce alla quantità di ossigeno consumato dai microrganismi nelle acque reflue per cinque giorni in condizioni aerobiche mentre la materia organica viene decomposta e metabolizzata. Anche l'unità è mg/l.
A differenza del COD, il BOD₅ misura solo la "materia organica che può essere decomposta dai microrganismi"-ovvero gli inquinanti che i microrganismi possono "consumare". Poiché il nucleo del trattamento delle acque reflue si basa sull'attività metabolica dei microrganismi per convertire gli inquinanti in acqua e anidride carbonica innocue, il BOD₅ è l'indicatore chiave della "biodegradabilità delle acque reflue".
Due dettagli sono importanti qui: in primo luogo, "cinque giorni"-poiché la decomposizione microbica della materia organica richiede tempo, il consenso del settore è di utilizzare cinque giorni come periodo di test standard, che riflette meglio il tasso metabolico effettivo dei microrganismi in funzione; in secondo luogo, "condizioni aerobiche"-corrisponde ai comuni processi di trattamento aerobico (come AO e MBR). Gli indicatori per il trattamento anaerobico differiranno, ma il BOD₅ rimane un riferimento di base.
II. Interpretazione di base: cosa significa effettivamente il rapporto BOD₅/COD?
Il rapporto BOD₅/COD rappresenta essenzialmente la proporzione tra "la materia organica nelle acque reflue che può essere decomposta dai microrganismi" e "tutti gli inquinanti ossidabili nelle acque reflue". Un rapporto più elevato indica che gli inquinanti presenti nelle acque reflue vengono “consumati” più facilmente dai microrganismi, con conseguente migliore biodegradabilità; un rapporto più basso indica che più sostanze inquinanti nelle acque reflue hanno difficoltà a decomporsi per i microrganismi, con conseguente minore biodegradabilità.
Perfezioniamo ulteriormente l'interpretazione delle tre gamme industriali comunemente utilizzate, combinate con scenari operativi pratici, per renderle facilmente comprensibili a tutti:
1. BOD₅/COD > 0,3: facilmente biodegradabile, preferibile trattamento biologico
Quando il rapporto è maggiore di 0,3, significa che più del 30% degli inquinanti presenti nelle acque reflue può essere decomposto da microrganismi, indicando una buona biodegradabilità. In questo caso si preferiscono processi di trattamento biologico (come fanghi attivi, biofilm, A²O, MBR, ecc.), che garantiscono l'efficacia del trattamento riducendo i costi operativi.
Esempi comuni includono: liquami domestici (BOD₅/COD tipicamente tra 0,4 e 0,6) e acque reflue della lavorazione alimentare (come le acque reflue dei macelli e le acque reflue dei prodotti a base di soia, dove il rapporto può raggiungere oltre 0,5). Questo tipo di acque reflue non richiedono alcun pretrattamento complesso e possono entrare direttamente nella vasca di trattamento biologico. I microrganismi possono decomporre in modo efficiente gli inquinanti e l'effluente soddisfa facilmente gli standard di scarico COD e BOD₅.
Punti chiave per il funzionamento e la manutenzione: il fulcro del funzionamento di questo tipo di acque reflue è il controllo di parametri come DO (ossigeno disciolto), MLSS (solidi miscelati con metanolo-) e F/M (caricamento dei fanghi) nel serbatoio di trattamento biologico per garantire l'attività microbica. Ciò elimina la necessità di grandi quantità di agenti chimici aggiuntivi, con conseguente riduzione dei costi operativi.
2. 0.2 Inferiore o uguale a BOD₅/COD Inferiore o uguale a 0,3: biodegradabile, richiede un pretrattamento potenziato
Le acque reflue in questo intervallo hanno una biodegradabilità moderata, il che significa che dal 20% al 30% degli inquinanti può essere decomposto dai microrganismi, ma rimane una grande quantità di inquinanti recalcitranti (come la materia organica ad alto peso-molecolare-in alcune acque reflue industriali). Questo tipo di acque reflue non possono essere introdotte direttamente nel serbatoio di trattamento biologico, altrimenti porteranno a un carico microbico eccessivo, a una diminuzione dell'efficienza del trattamento e persino a problemi come l'accumulo di fanghi e standard eccessivi degli effluenti.
Esempi comuni includono: acque reflue di tintura e stampa, acque reflue a metà-fase della produzione della carta e alcune acque reflue chimiche. Questo tipo di acque reflue richiede un pretrattamento potenziato per convertire la materia organica recalcitrante in materia organica biodegradabile, aumentando il rapporto BOD₅/COD, prima di entrare nel sistema di trattamento biologico.
I metodi di pretrattamento comuni includono: ossidazione avanzata (come l'ossidazione con Fenton e l'ossidazione con ozono), acidificazione con idrolisi (decomposizione di grandi molecole organiche in piccoli acidi organici per aumentare il contenuto di BOD₅) e sedimentazione per coagulazione (rimozione di alcuni solidi sospesi recalcitranti). Dopo il pretrattamento, il rapporto può solitamente essere aumentato fino a superare 0,3, soddisfacendo i requisiti del trattamento biologico.
Punti chiave per il funzionamento e la manutenzione: Il controllo della fase di pretrattamento è fondamentale. Ad esempio, il dosaggio del reagente di ossidazione Fenton e il tempo di ritenzione dell'acidificazione dell'idrolisi influenzeranno l'effetto di miglioramento del rapporto. Nella fase di trattamento biologico, l’età dei fanghi e il dosaggio della fonte di carbonio devono essere adeguati in modo appropriato per garantire che i microrganismi possano metabolizzare efficacemente gli inquinanti.
3. BOD₅/COD < 0,2: scarsa efficienza del trattamento biochimico.
Quando il rapporto è inferiore a 0,2, indica che meno del 20% degli inquinanti presenti nelle acque reflue può essere decomposto da microrganismi; la maggior parte sono sostanze recalcitranti (come metalli pesanti, materia organica tossica e composti ad alto peso molecolare). Forzare il trattamento biochimico su questo tipo di acque reflue non solo comporterà un’efficienza di trattamento estremamente bassa, ma potrebbe anche portare al collasso del sistema biochimico a causa dell’inibizione dell’attività microbica da parte di sostanze tossiche, con conseguente effluente che non soddisfa gli standard.
Esempi comuni includono: acque reflue chimiche (come acque reflue contenenti pesticidi e acque reflue farmaceutiche), acque reflue galvaniche e acque reflue organiche ad alta-concentrazione (dopo una degradazione-a lungo termine). Il principio fondamentale per il trattamento di questo tipo di acque reflue è "il trattamento fisico e chimico come approccio principale, integrato dal trattamento biochimico" o addirittura l'assenza totale di trattamento biochimico.
I metodi di trattamento comuni includono: adsorbimento fisico (come l’adsorbimento con carbone attivo), precipitazione chimica, ossidazione avanzata e separazione tramite membrana (come l’ultrafiltrazione e l’osmosi inversa), che rimuovono direttamente gli inquinanti attraverso mezzi fisici o chimici, anziché fare affidamento sul metabolismo microbico. Se il trattamento biologico è effettivamente necessario, è necessario eseguire prima un pretrattamento avanzato per aumentare il rapporto BOD₅/COD al di sopra di 0,2. Allo stesso tempo, i microrganismi tossici-resistenti dovrebbero essere aggiunti e acclimatati gradualmente per garantire l'efficacia del trattamento.
Punti operativi chiave: attenzione al controllo dell'efficacia del trattamento della fase di pretrattamento, monitoraggio del contenuto di sostanze tossiche nelle acque reflue per evitare che entrino nel sistema biologico. Se vengono utilizzati ausili biologici, parametri quali carico, temperatura e pH devono essere rigorosamente controllati per evitare avvelenamento microbico.
III. Promemoria chiave: quattro fattori fondamentali che influiscono sul rapporto BOD₅/COD
Molti addetti alle operazioni e alla manutenzione incontrano il problema che il rapporto BOD₅/COD dello stesso lotto di acque reflue varia in momenti diversi, a volte fluttuando anche in modo significativo. Questo perché il rapporto è influenzato da molteplici fattori. Comprendere questi fattori è fondamentale per determinare con precisione la biodegradabilità ed evitare valutazioni errate.
1. La qualità stessa delle acque reflue (il fattore più cruciale)
I tipi di materia organica nelle acque reflue determinano direttamente il rapporto: maggiore è il contenuto di materia organica facilmente biodegradabile (come zuccheri, proteine e oli), maggiore è il BOD₅ e maggiore è il rapporto; maggiore è il contenuto di materia organica persistente (come composti aromatici, metalli pesanti e solventi organici), maggiore è il COD, ma il BOD₅ non cambia molto, risultando in un rapporto inferiore.
Ad esempio, le acque reflue domestiche contengono materia organica più facilmente biodegradabile, con un conseguente rapporto più elevato; mentre le acque reflue chimiche contengono materia organica più persistente, risultando in un rapporto inferiore. Inoltre, anche il pH e la temperatura nelle acque reflue influiscono sull'attività microbica, influenzando indirettamente i risultati del test BOD₅ e quindi il rapporto.
2. Errori di rilevamento (facilmente trascurati)
Entrambi i processi di rilevamento di BOD₅ e COD hanno procedure operative rigorose. Un funzionamento improprio in qualsiasi fase può portare a errori di rilevamento, influenzando il rapporto.
Ad esempio, nei test COD, un dosaggio insufficiente di ossidante o un tempo di riscaldamento inadeguato porteranno a un valore COD inferiore, con conseguente rapporto più elevato. Allo stesso modo, nei test BOD₅, una diluizione impropria del campione di acqua o una deviazione della temperatura della coltura di 20 gradi ±1 grado causeranno valori BOD₅ imprecisi, influenzando l'interpretazione del rapporto.
Raccomandazione: aderire rigorosamente agli standard nazionali durante i test, calibrare regolarmente gli strumenti di test ed eseguire test su campioni paralleli per garantire la stabilità dei dati. Evita errori nella selezione del processo o aggiustamenti operativi dovuti a errori di test.
3. Tempo di ritenzione e pretrattamento delle acque reflue
Un tempo di ritenzione eccessivo delle acque reflue nelle condutture o nei serbatoi di equalizzazione causerà la decomposizione prematura di parte della materia organica da parte dei microrganismi, portando ad una diminuzione del contenuto di BOD₅ e ad un rapporto inferiore. Al contrario, un tempo di ritenzione insufficiente comporta una degradazione incompleta della materia organica, un contenuto di BOD₅ più elevato e un rapporto più elevato.
Inoltre, anche i processi di pretrattamento influenzano il rapporto: ad esempio, il pretrattamento di idrolisi acidificazione aumenta il contenuto di BOD₅, facendo aumentare il rapporto; il pretrattamento di coagulazione e sedimentazione rimuove parte della materia organica e, se la materia organica rimossa è facilmente degradabile, porterà ad una diminuzione del BOD₅ e ad un rapporto inferiore.
4. L'impatto delle sostanze tossiche e pericolose
Se le acque reflue contengono sostanze tossiche come metalli pesanti, battericidi e fenoli, inibiranno l'attività microbica, determinando una lettura BOD₅ inferiore (perché i microrganismi non possono decomporre correttamente la materia organica), ma la lettura COD rimane inalterata, causando così un rapporto inferiore.
In questo caso un rapporto basso non indica necessariamente una scarsa biodegradabilità, ma piuttosto che le sostanze tossiche inibiscono i microrganismi. In questi casi, le sostanze tossiche devono essere rimosse prima di testare il rapporto per determinare con precisione la biodegradabilità.
IV. Applicazione pratica: in che modo il rapporto guida la selezione e il funzionamento dei processi di trattamento delle acque reflue?
Comprendere il significato e i fattori che influenzano il rapporto BOD₅/COD è importante, ma ancora più importante è fondamentale imparare come utilizzarlo per guidare il lavoro pratico-che si tratti della progettazione del processo di un nuovo impianto di trattamento delle acque reflue o dell'adeguamento operativo di uno esistente, questo indicatore gioca un ruolo chiave.
1. Fase di progettazione del processo: determinazione del processo di trattamento principale
Quando si costruisce un nuovo impianto di trattamento delle acque reflue, il primo passo è testare il rapporto BOD₅/COD delle acque reflue. In base al rapporto, selezionare un processo di trattamento appropriato:
- Rapporto > 0,3: dare priorità ai processi di trattamento biologico, come A²O, MBR, SBR, ecc., eliminando la necessità di pretrattamenti complessi e riducendo i costi di investimento;
- 0.2 Inferiore o uguale al rapporto Inferiore o uguale a 0,3: utilizzare una combinazione di "pretrattamento + trattamento biologico". Le opzioni di pretrattamento includono l'acidificazione dell'idrolisi, l'ossidazione avanzata, ecc., per migliorare la biodegradabilità prima dell'ingresso nel sistema biologico;
- Rapporto < 0,2: utilizzare principalmente un trattamento fisico-chimico, come ossidazione avanzata, separazione tramite membrana, adsorbimento su carbone attivo, ecc., integrato da un trattamento biologico quando necessario (che richiede una profonda acclimatazione dei microrganismi).
2. Fase di adeguamento operativo: ottimizzazione dei parametri di processo e risoluzione dei problemi operativi
Per gli impianti di trattamento delle acque reflue esistenti, il rapporto BOD₅/COD è una "banderuola" per gli adeguamenti operativi. Gli scenari applicativi comuni sono i seguenti:
(1) Effluent COD exceeds the standard, but the ratio is normal (>0,3): indica un funzionamento anomalo del sistema biologico, probabilmente dovuto a DO insufficiente, invecchiamento dei fanghi o carico eccessivo. Parametri come il volume di aerazione, il volume di scarico dei fanghi e il rapporto di ritorno devono essere regolati per ripristinare l'attività microbica.
(2) Il COD dell'effluente supera lo standard, ma il rapporto è basso (<0.3): This indicates excessive recalcitrant pollutants in the wastewater. Pretreatment needs to be strengthened to increase the ratio, or the dosage of chemical agents needs to be increased to assist in removing recalcitrant pollutants.
(3) Improvviso calo del rapporto: verificare se sono entrate sostanze tossiche o nocive, se ci sono errori nel rilevamento o se il tempo di ritenzione delle acque reflue è troppo lungo. Adottare contromisure tempestive (come interrompere il flusso d'acqua, cambiare l'acqua o rafforzare il pretrattamento).
(4) Fluttuazione eccessiva del rapporto: ottimizzare il funzionamento del serbatoio di equalizzazione, estendere il tempo di ritenzione, omogeneizzare la qualità dell'acqua ed evitare shock sulla qualità dell'acqua che causano fluttuazioni del rapporto, influenzando così la stabilità del sistema biologico. 3. Fase di risoluzione dei problemi: individuare rapidamente la causa principale
In caso di malfunzionamento di un sistema di trattamento delle acque reflue (ad esempio, ammassamento di fanghi, standard eccessivi di effluenti), il test del rapporto BOD₅/COD può restringere rapidamente l'ambito della risoluzione dei problemi:
- Rapporto normale, ma rigonfiamento dei fanghi: ciò è molto probabilmente dovuto a un controllo improprio dei parametri biochimici (ad es. DO insufficiente, rapporto F/M eccessivamente alto), piuttosto che a un problema di biodegradabilità;
- Rapporto basso e scarsa attività microbica: ciò è molto probabilmente dovuto all'inibizione da parte di sostanze tossiche o quantità eccessive di inquinanti recalcitranti, che richiedono un'indagine approfondita della qualità degli affluenti e un pretrattamento potenziato.
V. Riepilogo: ricorda questi 3 punti per utilizzare in modo efficace il rapporto BOD₅/COD
1. Logica fondamentale: il rapporto BOD₅/COD è il rapporto tra "inquinanti che possono essere decomposti dai microrganismi" e "inquinanti totali". Maggiore è il rapporto, migliore è la biodegradabilità.
2. Standard Range: >0,3: facilmente biodegradabile (principalmente biochimico); 0,2~0,3: Biodegradabile (pretrattamento + biochimico);<0.2: Difficult to biodegrade (primarily physicochemical).
3. Applicazione pratica: utilizzare il rapporto per la selezione della progettazione e del processo; utilizzare il rapporto per il funzionamento e la regolazione dei parametri; utilizzare il rapporto per la risoluzione dei problemi e l'analisi delle cause principali.
Per il personale addetto alle operazioni e alla manutenzione del trattamento delle acque reflue, il rapporto BOD₅/COD non è solo un semplice valore numerico, ma uno "strumento fondamentale" che guida il nostro lavoro. Padroneggiare la sua interpretazione e gli scenari applicativi consente un controllo più preciso del funzionamento del processo, costi di trattamento ridotti e la garanzia che gli effluenti soddisfino gli standard.
Infine un promemoria: in pratica non ci si può basare esclusivamente sul rapporto BOD₅/COD. È inoltre necessario considerare fattori quali il pH, la temperatura e il contenuto di sostanze tossiche delle acque reflue per effettuare la selezione del processo e gli adeguamenti operativi più ragionevoli.
