Nell'attuale sistema tecnologico di trattamento dell'acqua, i filtri aerati biologici (BAF) sono diventati una delle scelte principali per il trattamento avanzato delle acque reflue municipali e di alcune acque reflue industriali grazie alla loro integrazione di biodegradazione e filtrazione fisica. Rispetto al tradizionale processo a fanghi attivi, il processo BAF ha un ingombro compatto, un'elevata efficienza di trattamento e una qualità dell'effluente stabile. Tuttavia, il controllo scientifico delle condizioni operative determina direttamente l'effetto del trattamento e i costi operativi. Questo articolo, combinando applicazioni ingegneristiche e dati sperimentali, analizza in modo approfondito i punti chiave del funzionamento e del controllo del processo BAF, in particolare i parametri chiave in termini di carico, rapporto acqua-aria, controlavaggio e gestione operativa, e fornisce riferimenti basati sui dati-per aiutare i professionisti del trattamento delle acque a comprendere e applicare meglio questo processo.
I. Parametro principale del funzionamento del processo BAF: carico
Nella progettazione e nel funzionamento del BAF, il carico è il fattore di controllo più critico. Due indici di carico comuni includono il carico idraulico e il carico volumetrico. Il carico volumetrico è spesso BOD₅, NH₃-N o NO₃-N e obiettivi operativi diversi richiedono carichi diversi.
I BAF carbonizzati consentono il tasso di carico volumetrico più elevato e possono sopportare concentrazioni più elevate di materia organica; i BAF nitrificanti hanno tassi di carico relativamente più bassi e la rimozione dell'azoto ammoniacale si basa su tempi di ritenzione più lunghi e su un apporto di ossigeno disciolto più stabile; I BAF denitrificanti richiedono tassi di carico idraulico più elevati per mantenere l'efficienza di rimozione dell'azoto. L'ottimizzazione del processo dovrebbe essere eseguita sulla base degli obiettivi effettivi degli effluenti nei progetti di ingegneria. Ad esempio, l'operazione di carbonizzazione ad alto-carico può essere utilizzata per le acque reflue industriali principalmente per la rimozione della materia organica, mentre la rimozione dell'azoto ammoniacale dalle acque reflue urbane richiede un tasso di carico volumetrico ridotto. Inoltre, i BAF a valle utilizzano generalmente velocità di carico inferiori, mentre i BAF a monte possono utilizzare velocità di carico più elevate.
II. Rapporto aria-a-acqua: un fattore chiave che influisce sull'efficienza di rimozione dell'azoto
Rispetto ai tradizionali processi a fanghi attivi, i BAF presentano migliori condizioni di trasferimento di massa e tassi di utilizzo dell'ossigeno più elevati, consentendo così un rapporto aria-a-acqua relativamente inferiore. Gli studi dimostrano che la rimozione di 1 kg di BOD₅ richiede un apporto di ossigeno di 0,42–0,8 kg O₂. L'apporto medio di ossigeno del BAF è di circa 0,51 kg O₂/kg BOD, molto inferiore agli 1,0–1,2 kg O₂/kg BOD dei processi convenzionali a fanghi attivi.
Per il funzionamento BAF carbonizzato, il rapporto convenzionale tra aria-e-acqua è (3–7):1. Se l'obiettivo principale è la rimozione dell'azoto ammoniacale, la fornitura d'aria necessaria per rimuovere 1 kg di NH₃-N è di circa 70 m³. Ciò significa che BAF può ridurre efficacemente il consumo energetico di aerazione garantendo al tempo stesso una quantità sufficiente di ossigeno disciolto, il che rappresenta un grande vantaggio. Tuttavia, in ingegneria, è fondamentale notare che un rapporto aria-acqua- eccessivamente basso può portare a una carenza di ossigeno nel letto filtrante e a una diminuzione dell'efficienza di nitrificazione; un rapporto aria-a-acqua eccessivamente elevato aumenterà il consumo di energia e potrebbe influire sulla stabilità del mezzo filtrante e del biofilm.
III. Intensità e frequenza del controlavaggio - Garantire l'attività del letto filtrante
Dopo un periodo di funzionamento, il letto filtrante potrebbe intasarsi a causa dell'intrappolamento di solidi sospesi e dell'ispessimento del biofilm. Pertanto, il controlavaggio è una fase operativa essenziale. Attualmente, il metodo comunemente utilizzato è il controlavaggio combinato di aria-acqua.
IV. Altri problemi da considerare durante il funzionamento
1. Controllo delle SS
Per evitare che i solidi sospesi intasino il letto filtrante, il SS influente deve essere controllato al di sotto di 60–100 mg/L. Le misure di pretrattamento comuni includono la sedimentazione o la flottazione. In caso contrario, non solo si verificherà un aumento della caduta di pressione nel letto filtrante, ma si aumenterà anche il carico del controlavaggio.
2. Carico shock del ritorno degli effluenti di controlavaggio
A causa del ciclo breve e dell'elevata intensità del controlavaggio, se l'acqua di ritorno entra direttamente nell'unità di trattamento-end, può facilmente causare un carico d'urto. Le soluzioni includono: la creazione di un serbatoio di equalizzazione (serbatoio tampone intermedio) per tamponare le fluttuazioni del volume e della qualità dell'acqua; e programmare ragionevolmente il tempo di controlavaggio per evitare sovrapposizioni con il flusso di picco degli affluenti.
3. Problemi sinergici di rimozione e disinfezione del fosforo
Nel trattamento avanzato o nel riutilizzo dell'acqua recuperata, il BAF viene spesso utilizzato in serie con unità di rimozione e disinfezione chimica del fosforo. Particolare attenzione deve essere prestata a: l'impatto degli agenti chimici sul biofilm, come la possibilità che eccessivi sali di ferro o alluminio possano inibire l'attività biologica; e l'abbinamento del regime di controlavaggio e dei residui di disinfezione per evitare l'inquinamento secondario.
In conclusione, BAF (fluidificazione corporea) è un processo che combina alta efficienza e compattezza ed è stato ampiamente utilizzato nel trattamento avanzato delle acque reflue municipali, nel trattamento delle acque reflue industriali e nell'utilizzo dell'acqua riciclata. Tuttavia non è una “panacea”. La sua massima efficacia può essere raggiunta solo attraverso una gestione raffinata e specifica del sito in termini di funzionamento e controllo. Il controllo del carico determina se gli obiettivi del trattamento possono essere raggiunti; la regolazione del rapporto aria-a-acqua si riferisce al consumo di energia e all'efficienza di rimozione dell'azoto; il controlavaggio è fondamentale per mantenere un funzionamento stabile-a lungo termine; e SS (solidi sospesi) e la gestione delle acque di ritorno sono le “condizioni nascoste” per garantire il sano funzionamento del sistema. In futuro, con lo sviluppo della gestione intelligente dell'acqua e delle tecnologie di controllo automatizzato, il funzionamento e il controllo di BAF diventeranno più raffinati e intelligenti e il suo ruolo nei sistemi di trattamento dell'acqua ecologici e a basso-carbonio diventerà sempre più importante.