Molte persone che lavorano nel trattamento delle acque reflue hanno un'intuizione: "I microorganismi sono la forza principale, quindi più fanghi significano una maggiore capacità di trattamento". Ciò sembra ragionevole, ma nel funzionamento reale spesso porta a problemi.
Coloro che sono stati coinvolti nella messa in servizio in loco-hanno probabilmente assistito a questo scenario: effluenti fluttuanti, azoto ammoniacale occasionale che supera gli standard e la prima reazione dell'operatore è una "concentrazione di fanghi insufficiente", che porta a uno scarico dei fanghi ridotto o addirittura assente. L'MLSS aumenta gradualmente da 3.000 a 4.000, 5.000 e 6.000 mg/L.
Stranamente, sebbene una maggiore concentrazione di fanghi risolva il problema, crea nuovi problemi:- traboccamenti di fanghi dal serbatoio di sedimentazione secondaria, SS dell'effluente supera gli standard, la frequenza del ventilatore è già al massimo e il DO nel serbatoio aerobico non può essere aumentato.
Allora dov'è il problema?
La relazione tra concentrazione dei fanghi e capacità del sistema non è lineare, ma parabola.
Collo di bottiglia nella fornitura di ossigeno: l '"ultimo miglio" del trasferimento di ossigeno disciolto
Innanzitutto, consideriamo l’aerazione: per ogni aumento di 1.000 mg/l della concentrazione dei fanghi, il tasso di consumo di ossigeno nel serbatoio aumenta. Per mantenere il metabolismo giornaliero di 1 kg di fanghi attivi sono necessari circa 0,8-1,2 kg di ossigeno. Quando il MLSS aumenta da 3.000 a 5.000, la biomassa totale nel serbatoio aumenta di quasi il 70%, portando a un aumento della domanda complessiva di ossigeno.
Una crisi più profonda risiede nei limiti del trasferimento di ossigeno su microscala. Quando MLSS supera un certo valore, la dimensione delle particelle e la densità dei fiocchi di fango attivo aumentano significativamente. Ciò fa sì che la resistenza al trasferimento dell'ossigeno aumenti esponenzialmente, creando il problema dell '"ultimo miglio" del trasferimento dell'ossigeno disciolto.
A questo punto, sebbene il DO nella vasca aerobica possa rimanere a 2,0-3,0 mg/L, circa il 60% del volume all'interno dei fiocchi potrebbe già essere in uno stato di condizioni anossiche. I batteri nitrificanti sono come i residenti schiacciati in una “stanza interna senza finestre”, dove l’ossigeno viene consumato dai batteri eterotrofi esterni prima di raggiungere la loro area. Il tasso di utilizzo del DO (carbonio organico disciolto) diminuisce in modo significativo, l'attività dei batteri nitrificanti viene soppressa e l'azoto ammoniacale inizia ad aumentare. Allo stesso tempo, l’ambiente anossico localizzato facilita la proliferazione dei batteri filamentosi, allentando la struttura del fango e deteriorando le prestazioni di sedimentazione.
Limite di decantazione: la crisi di "sovraccarico" della vasca di decantazione secondaria
Osservando il sedimentatore secondario: maggiore è la concentrazione dei fanghi, più materia solida entra nel sedimentatore secondario. Il valore di progetto del carico superficiale per un tipico serbatoio di sedimentazione secondario con ingresso centrale e uscita circostante è 0,8~1,2 m³/m²·h, e il carico di solidi è solitamente controllato a 4~6 kg/m²·h.
Un continuo aumento del MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids) porterà direttamente ad un aumento significativo del carico di solidi del serbatoio di decantazione secondario, superando il limite di capacità di progettazione. Una volta sovraccaricato, l'effetto di separazione dell'acqua dei fanghi-si indebolisce, il surnatante diventa torbido e gli SS dell'effluente superano lo standard. A volte uno strato di fango fine galleggia sull'intera superficie del sedimentatore secondario e la regolazione del rapporto di flusso di ritorno è inefficace. Molti solidi sospesi degli effluenti che superano lo standard non sono radicati nella sezione di trattamento biologico, ma piuttosto nella concentrazione di fanghi che supera la capacità di progetto del serbatoio di decantazione secondaria.
Età dei fanghi squilibrata: la trappola dell'invecchiamento dietro la concentrazione
Un altro fattore facilmente trascurabile è l’età dei fanghi. Con un volume di scarico dei fanghi costante, l’aumento del MLSS allungherà l’età dei fanghi.
L'eccessiva età dei fanghi porta al loro invecchiamento: i microrganismi entrano nella fase di respirazione endogena, aumentando il proprio consumo di ossigeno, ma la loro attività effettiva nel degradare gli inquinanti diminuisce significativamente. I fiocchi di fango invecchiato diventano fini e frammentati, sedimentano più lentamente e si perdono facilmente con gli effluenti.
Trovare il "punto di equilibrio": il controllo dinamico è la chiave
In pratica, la "concentrazione adeguata" è sempre più importante della "concentrazione elevata". Non esiste un’unica concentrazione ottimale dei fanghi universalmente applicabile; i parametri operativi devono essere regolati dinamicamente in base alle condizioni operative specifiche:
Carico influente: in condizioni di carico organico elevato, un aumento moderato della concentrazione dei fanghi può tamponare gli shock della qualità dell'acqua; con carichi di affluenti bassi e a lungo termine, un'eccessiva concentrazione di fanghi non farà altro che aumentare il consumo di energia del ventilatore e la pressione sulla manutenzione dello scarico dei fanghi.
Condizioni di temperatura dell'acqua: in inverno, le basse temperature riducono l'attività metabolica microbica, consentendo un moderato aumento della biomassa MLSS (Multi-Sludge Solids) per garantire la nitrificazione. In estate, temperature dell’acqua più elevate e una maggiore attività microbica riducono la concentrazione dei fanghi, risparmiando energia di aerazione e riducendo il rischio di accumulo dei fanghi.
Benchmark principale: focus su F/M (rapporto feed-a-microrganismi)
Il parametro di riferimento più affidabile per giudicare se la concentrazione dei fanghi è ragionevole è il rapporto F/M (rapporto alimentazione-a-microrganismi), piuttosto che concentrarsi rigidamente su un singolo valore MLSS.
Per i sistemi convenzionali di acque reflue municipali, l'intervallo F/M adatto è tipicamente 0,1~0,2 kg BOD₅/kg MLSS·d (alcuni processi possono ridurlo a 0,2~0,4).
Un rapporto F/M inferiore a 0,05 indica una mancanza di substrato microbico a lungo termine-; la fame continua porterà rapidamente all'invecchiamento dei fanghi.
Un rapporto F/M superiore a 0,4 indica riserve di biomassa effettive insufficienti, rendendo gli effluenti altamente suscettibili al superamento degli standard durante gli shock della qualità dell’acqua.
Gli aggiustamenti giornalieri alla velocità di scarico dei fanghi per stabilizzare il rapporto tra mangime-e-microrganismi sono molto più scientifici che attenersi rigidamente a una concentrazione fissa di fanghi. Molti-impianti di trattamento delle acque reflue ben consolidati regolano dinamicamente le concentrazioni di fanghi in base alle condizioni reali: aumentando moderatamente la concentrazione in inverno per mantenere l'efficienza del trattamento e diminuendola in estate per risparmiare energia e controllare l'accumulo dei fanghi. Queste sono esperienze pratiche riassunte dal personale in prima linea dopo innumerevoli prove ed errori.
In definitiva, la concentrazione dei fanghi è semplicemente un mezzo per regolare il processo, mai l’obiettivo finale del funzionamento. Ciò che miriamo davvero a raggiungere è la stabilità del sistema a lungo-termine, effluenti costantemente conformi e costi operativi controllabili.
Sia i livelli MLSS eccessivamente alti che quelli bassi sono dannosi per il funzionamento stabile del sistema. La concentrazione ottimale dei fanghi è quella che mantiene la portata (F/M) entro un intervallo ragionevole, garantisce ossigeno disciolto (DO) stabile e controllabile, previene il deflusso dei fanghi dalla sedimentazione secondaria e soddisfa costantemente gli standard di qualità dell'acqua. Questo valore può essere superiore o inferiore al valore di riferimento del progetto, ma un valore superiore non è sempre migliore.