Il processo A²/O (anaerobico/anossico/aerobico), con i suoi principali vantaggi di flusso semplice, bassi investimenti e facilità di funzionamento e manutenzione, ha da tempo mantenuto una posizione dominante nella rimozione biologica di azoto e fosforo dalle acque reflue urbane ed è ampiamente utilizzato in vari impianti di trattamento delle acque reflue urbane. Tuttavia, nel funzionamento e nella manutenzione, molti impianti di trattamento delle acque reflue sono caduti nello stesso dilemma: TN (azoto totale) e TP (fosforo totale) sono difficili da raggiungere contemporaneamente, soprattutto quando si trattano le acque reflue con il basso rapporto C/N prevalente nel mio paese. Ciò porta a un circolo vizioso in cui la rimozione dell’azoto porta alla mancata rimozione del fosforo, e la rimozione del fosforo porta alla mancata rimozione dell’azoto, con conseguenti frequenti ispezioni e correzioni ambientali e costi operativi e di manutenzione persistentemente elevati.
Questo articolo, combinando tre documenti tecnici fondamentali, abbandona le descrizioni approssimative e parte dall'essenza del processo. Analizza e spiega in dettaglio i principi del processo A²/O, i suoi tre difetti intrinseci, il meccanismo principale di denitrificazione della rimozione del fosforo e lo schema di modifica ottimale per le acque reflue a basso contenuto di C/N. Bilanciando professionalità e praticità, può essere direttamente consultato e applicato da progettisti, personale operativo e di manutenzione e professionisti delle modifiche tecniche.
I. Innanzitutto, comprendere il principio completo del processo A²/O (flusso standard + logica di reazione)
1. Flusso di processo standard
Il cuore del processo A²/O è la denitrificazione e la rimozione simultanea del fosforo attraverso il funzionamento in serie di tre reattori, combinato con il ricircolo dei fanghi e il ricircolo interno. Il flusso standard è chiaro e tracciabile: Acqua grezza → Serbatoio anaerobico → Serbatoio anossico → Serbatoio aerobico → Serbatoio di sedimentazione secondaria → Effluente. L'intero processo non richiede apparecchiature complesse, presenta basse difficoltà di funzionamento e manutenzione ed è adatto per applicazioni su larga-scala.
• Ritorno fanghi: vasca di sedimentazione secondaria → vasca anaerobica
• Ritorno interno: Serbatoio aerobico → Serbatoio anossico
2. Principio fondamentale della reazione in tre-fasi (scomporre il ruolo di ogni fase per comprendere l'essenza del processo)
(1) Stadio anaerobico (senza ossigeno molecolare, senza azoto nitrato)
• I batteri che accumulano polifosfati-(PAO) rilasciano attivamente il fosforo immagazzinato nei loro corpi in un ambiente anaerobico e privo di nitrati-, assorbendo al contempo COD (sostanza organica biodegradabile) facilmente degradabile dalle acque reflue e convertendolo in PHB (acido poli- -idrossibutirrico) per lo stoccaggio, riservando così energia per il successivo assorbimento del fosforo;
• Se è presente una piccola quantità di nitrati nello stadio anaerobico (principalmente dai fanghi di ritorno), i batteri denitrificanti utilizzeranno preferenzialmente la fonte di carbonio residuo per la denitrificazione, consumando indirettamente la fonte di carbonio richiesta dai PAO, creando un potenziale pericolo di rimozione del fosforo;
• Allo stesso tempo, i batteri in fermentazione decompongono la grande materia organica molecolare nelle acque reflue che è difficile da degradare in acidi grassi volatili (VFA) che vengono facilmente assorbiti dai PAO, fornendo un substrato sufficiente per la sintesi di PHB da parte dei PAO.
(2) Zona anossica (senza ossigeno molecolare, contiene azoto nitrato)
• I batteri denitrificatori utilizzano il nitrato proveniente dal ricircolo nella zona aerobica come accettore di elettroni e il COD residuo nelle acque reflue come fonte di carbonio per ridurre il nitrato in azoto (N₂), completando il processo di denitrificazione. Questo è il passaggio fondamentale nella rimozione del TN.
• Alcuni speciali batteri che accumulano polifosfato-(ad esempio, i batteri denitrificanti che accumulano polifosfato-DNPAO) possono superare la tradizionale concezione di "assorbimento aerobico di fosforo", utilizzando il nitrato invece dell'ossigeno come accettore di elettroni per ottenere un eccessivo assorbimento di fosforo durante la denitrificazione. Questa è la rimozione del fosforo mediante denitrificazione su cui ci concentreremo più avanti.
• La portata del ricircolo interno determina direttamente l'apporto di azoto nitrico nella zona anossica ed è un parametro di controllo chiave che influenza l'efficienza della denitrificazione e l'effetto di rimozione del fosforo della denitrificazione.
(3) Fase aerobica (aerobica)
• I batteri nitrificanti (batteri autotrofi), in un ambiente con sufficiente ossigeno, ossidano l'azoto ammoniacale (NH₄⁺-N) nelle acque reflue in nitrato (NO₃⁻-N), completando la reazione di nitrificazione e fornendo sufficienti accettori di elettroni per la denitrificazione e la rimozione del fosforo nella fase anossica;
• I batteri che accumulano polifosfati- (compresi i DNPAO), in un ambiente aerobico, assorbono grandi quantità di fosforo dalle acque reflue e lo immagazzinano nei loro corpi, con il risultato che il contenuto di fosforo supera di gran lunga i livelli normali (ovvero, un eccessivo assorbimento di fosforo), ponendo le basi per la successiva rimozione del fosforo attraverso lo scarico dei fanghi;
• Allo stesso tempo, i microrganismi nella fase aerobica degradano ulteriormente il COD rimanente nelle acque reflue, eliminano l'azoto generato durante il processo di denitrificazione, impediscono il galleggiamento dei fanghi e garantiscono prestazioni stabili di sedimentazione dei fanghi.
3. Percorso finale di rimozione dell'azoto e del fosforo
• Percorso di rimozione dell'azoto: Nitrificazione in vasca aerobica (azoto ammoniacale → nitrato) → Denitrificazione in vasca anossica (nitrato → azoto) → L'azoto fuoriesce naturalmente, ottenendo la rimozione totale dell'azoto;
II. Punti critici fatali: tre difetti intrinseci del processo A²/O (contraddizione di principio-a livello)
Molti impianti di trattamento delle acque reflue ritengono che il processo A²/O sia difficile da raggiungere rispetto agli standard, attribuendo erroneamente questo a un funzionamento e una manutenzione inadeguati. Tuttavia, non è questo il caso-il problema principale è il conflitto intrinseco tra i tre tipi di microrganismi funzionali (batteri nitrificanti, batteri denitrificanti e batteri accumulatori di polifosfato-). Le loro esigenze in termini di ambiente di vita e sostanze nutritive sono completamente diverse, rendendo impossibile per loro soddisfare contemporaneamente le condizioni di crescita ottimali all'interno dello stesso sistema di fanghi. Questa è la contraddizione di principio-a livello che il processo A²/O fatica a superare.
1. Competizione per le fonti di carbonio (il conflitto principale)
2. Conflitto sull'età dei fanghi
• Percorso di rimozione del fosforo: rilascio di fosforo dal serbatoio anaerobico (i batteri che accumulano polifosfati-rilasciano fosforo dai loro corpi) → Assorbimento di fosforo dal serbatoio aerobico/anossico (i batteri che accumulano polifosfati-assorbono eccessivamente fosforo dalle acque reflue) → Scarico dei fanghi in eccesso (rimuovendo i fanghi ricchi di fosforo-dal sistema), completando la rimozione totale del fosforo.
3. Interferenza dei nitrati con la rimozione anaerobica del fosforo
Nei processi tradizionali A²/O i fanghi di ritorno dalla vasca di sedimentazione secondaria entrano direttamente nella fase anaerobica. Questi fanghi di ritorno trasportano inevitabilmente una grande quantità di nitrati prodotti nella fase aerobica. Una volta giunti allo stadio anaerobico, questi nitrati interrompono completamente il processo di rimozione del fosforo in tre modi:
• Stadio anaerobico: la necessità principale dei batteri che accumulano polifosfati- è quella di assorbire COD facilmente degradabile e sintetizzare PHB per il successivo rilascio e assorbimento di fosforo. Questo è il fondamento della rimozione del fosforo ed è indispensabile.
• Le acque reflue urbane nel mio paese generalmente presentano un basso rapporto C/N (COD/TN < 4,5), con conseguente grave carenza di fonti di carbonio. La competizione tra i due tipi di microrganismi per le fonti di carbonio porta inevitabilmente a una situazione in cui uno è forte e l'altro debole-una buona rimozione dell'azoto si traduce in una scarsa rimozione del fosforo; una buona rimozione del fosforo comporta una rimozione eccessiva dell'azoto.
• Stadio anossico: il requisito principale dei batteri denitrificanti è utilizzare il COD come donatore di elettroni per convertire i nitrati in azoto gassoso, completando così la rimozione dell'azoto. Anche questo si basa su COD.
III. La chiave per superare il collo di bottiglia: denitrificazione e rimozione del fosforo – Doppio utilizzo del carbonio per alleviare il conflitto di principio
1. Principio di denitrificazione e rimozione del fosforo
Per affrontare i difetti intrinseci del processo A²/O, la soluzione più efficace è il “doppio uso del carbonio”. L'obiettivo principale è quello di utilizzare le speciali caratteristiche metaboliche dei batteri denitrificanti che accumulano polifosfato-(DNPAO/DPB) per consentire a un'unica fonte di carbonio di soddisfare contemporaneamente le esigenze di rimozione di azoto e fosforo. Ciò allevia sostanzialmente la competizione per le fonti di carbonio e il conflitto tra l’età dei fanghi. Il processo metabolico specifico è il seguente:
• Batteri che accumulano polifosfati-: sono batteri eterotrofi a crescita rapida. Il fulcro della loro rimozione del fosforo è rimuovere il fosforo dal sistema scaricando i fanghi in eccesso. Pertanto è necessaria un’età del fango relativamente breve (5–1). • 0d (0 giorni): un'età dei fanghi eccessivamente lunga porta al ri-rilascio di fosforo dai batteri che accumulano polifosfati-, riducendo significativamente l'efficienza di rimozione del fosforo.
• Batteri nitrificanti: sono batteri autotrofi con tassi di crescita e riproduzione estremamente lenti. Richiedono un'età dei fanghi relativamente lunga (15–25 giorni) per sopravvivere stabilmente e completare la reazione di nitrificazione. Un'età dei fanghi troppo breve comporta lo scarico di una grande quantità di batteri nitrificanti, rendendo inefficace l'efficace rimozione dell'azoto ammoniacale.
• Il processo A²/O utilizza un sistema a fango singolo, consentendo di impostare una sola età uniforme del fango. Una lunga età dei fanghi per mantenere la nitrificazione porterà allo spreco di fosforo, mentre una breve età dei fanghi per mantenere la rimozione del fosforo porterà al collasso della nitrificazione; entrambi non possono essere raggiunti contemporaneamente.
2. Parametri chiave per l'attivazione A²/O della denitrificazione e della rimozione del fosforo
1. Consumo preferenziale della fonte di carbonio: i batteri denitrificanti utilizzano il nitrato come accettore di elettroni, consumando preferenzialmente COD facilmente degradabile nella fase anaerobica, impedendo ai batteri accumulatori di polifosfato-(PAB) di ottenere carbonio sufficiente per sintetizzare PHB.
2. Inibizione del rilascio di fosforo da parte dei PPA: i PPA richiedono un ambiente rigorosamente anaerobico e privo di nitrati-per il rilascio di fosforo. La presenza di nitrato inibisce direttamente il processo di rilascio del fosforo, portando anche ad un anomalo "assorbimento anaerobico di fosforo", impedendo il successivo assorbimento aerobico/anossico di fosforo e causando il fallimento della rimozione del fosforo.
3. Interruzione dell'ambiente anaerobico: il nitrato consuma l'ambiente anaerobico nella fase anaerobica durante la denitrificazione, inibendo indirettamente l'attività metabolica dei PPA.
Risultati della verifica pratica: sotto il controllo dei parametri di cui sopra, il tasso di assorbimento del fosforo nella fase anossica può raggiungere il 69%, senza richiedere alcuna fonte di carbonio aggiuntiva. L'efficienza di rimozione dell'azoto e del fosforo viene contemporaneamente migliorata, mentre il tasso di aerazione nella fase aerobica può essere ridotto di circa il 20%, con un notevole risparmio sul consumo energetico operativo.
IV. Una soluzione devastante per acque reflue a basso contenuto di C/N: processo combinato A²/O + BAF
Bassi rapporti C/N sono comuni nelle acque reflue urbane del mio paese, con valori misurati che spesso vanno da 3,1 a 5,9, molto al di sotto del 4,5 richiesto per la conformità stabile agli standard A²/O. Anche con parametri operativi ottimizzati, è improbabile che un singolo processo A²/O soddisfi costantemente lo standard di scarico di Classe A a lungo termine. Pertanto, è necessario un processo combinato per affrontare radicalmente questa carenza intrinseca.
• Stadio anaerobico: i DNPAO, come i normali batteri che accumulano polifosfati-, rilasciano fosforo dalle loro cellule mentre assorbono COD facilmente biodegradabile dalle acque reflue, sintetizzano PHB e lo immagazzinano all'interno delle loro cellule, completando così il rilascio di fosforo e le riserve di fonti di carbonio.
La pratica del motore ha dimostrato che A²/O + BAF (filtro aerato biologico) è attualmente il percorso di aggiornamento più maturo, facilmente implementabile ed economicamente vantaggioso. L’idea centrale è “un’operazione separata di nitrificazione e rimozione del fosforo”, che consente a entrambi i tipi di microrganismi di crescere nei loro ambienti ottimali, risolvendo completamente i conflitti sull’età dei fanghi e la competizione per le fonti di carbonio.
• Vantaggi principali: ottiene 1 parte di denitrificazione della fonte di carbonio (PHB)=+ rimozione del fosforo, raddoppiando direttamente l'utilizzo della fonte di carbonio. Non è necessaria alcuna fonte aggiuntiva di carbonio per migliorare contemporaneamente l'efficienza di denitrificazione e rimozione del fosforo, perfettamente adatto per acque reflue con bassi rapporti C/N.
• Stadio anossico: i DNPAO non fanno più affidamento sull'ossigeno ma utilizzano il nitrato come accettore di elettroni, riducendo contemporaneamente il nitrato in azoto (completando la denitrificazione) e utilizzando il PHB immagazzinato come fonte di energia per assorbire il fosforo in eccesso dalle acque reflue (completando la rimozione del fosforo).
1. Principio fondamentale: separazione della nitrificazione e rimozione del fosforo
2. Risultati effettivi (C/N=4.2)
• Tempo di ritenzione dei fanghi (SRT): controllato a circa 15 giorni. Questa età dei fanghi soddisfa le esigenze di crescita dei batteri nitrificanti (garantendo l'efficienza della nitrificazione) bilanciando allo stesso tempo l'arricchimento e l'attività dei DNPAO, evitando età dei fanghi eccessivamente lunghe o brevi che potrebbero influire negativamente sull'efficienza del trattamento.
• Rapporto di ricircolo interno: controllato a 3,0–3,5. A questo rapporto, la concentrazione di nitrati nell’effluente del serbatoio anossico viene mantenuta a 1–3 mg/L, fornendo accettori di elettroni sufficienti per i DNPAO senza causare l’ingresso di un eccesso di nitrati nella zona anaerobica e interferire con il rilascio di fosforo.
• Rapporto volumetrico anossico/anaerobico: aumentando opportunamente il rapporto volumetrico della zona anossica si prolunga il tempo di residenza dei DNPAO nella zona anossica, migliorando la denitrificazione e la rimozione del fosforo.
• Controllo rigoroso dei nitrati nella sezione anaerobica: ottimizzando il metodo a riflusso, la concentrazione di nitrati nella sezione anaerobica viene controllata a<0.5 mg/L, providing a stable anaerobic environment for DNPAOs to release phosphorus and synthesize PHB.
3. Parametri operativi ottimali
• Sezione A²/O (età del fango breve 5–10 giorni): la nitrificazione viene abbandonata, concentrandosi sul "rilascio anaerobico di fosforo + rimozione del fosforo con denitrificazione anossica". L'impostazione di un'età breve dei fanghi garantisce un'efficace rimozione del fosforo da parte dei batteri che accumulano polifosfati-attraverso lo scarico dei fanghi, mentre i DNPAO utilizzano il loro PHB interno per la denitrificazione, massimizzando l'utilizzo di fonti limitate di carbonio.
• Progettazione del riflusso interno: il liquore nitrificato (ricco di nitrato) prodotto nella sezione BAF viene fatto rifluire nella sezione anossica A²/O, fornendo accettori di elettroni sufficienti per DNPAO, formando un circuito chiuso di "nitrificazione BAF → rimozione del fosforo denitrificato A²/O", ottenendo standard di rimozione simultanea di azoto e fosforo.
• Fase BAF (Long Sludge Age 30d+): dedicata alla nitrificazione. Il materiale di imballaggio del serbatoio BAF forma un biofilm, consentendo ai batteri nitrificanti di crescere stabilmente sulla membrana. La lunga età dei fanghi garantisce una nitrificazione ottimale, raggiungendo quasi il 100% di rimozione dell'azoto ammoniacale, risolvendo completamente la nitrificazione insufficiente.
V. Scorciatoie per l'adeguamento tecnico: 3 processi A²/O maturi e migliorati (applicazione diretta, implementazione a basso-costo)
1. Processo UCT/MUCT (risolvere l'interferenza dei nitrati)
• Qualità degli effluenti: COD=34mg/L, TN=13.3mg/L, TP=0.1mg/L, tutti conformi allo "Standard di scarico degli inquinanti per gli impianti di trattamento delle acque reflue municipali" (Standard di Classe A GB (18918-2002);
• Qualità dell'acqua influente (simulando condizioni di basso rapporto C/N, C/N=4.2): COD=240mg/L, TN=57mg/L, TP=5.1mg/L;
• Attività microbica: la percentuale di batteri denitrificanti che accumulano polifosfato-(DNPAO) nel sistema raggiunge il 40,5%, migliorando significativamente l'utilizzo della fonte di carbonio, eliminando la necessità di aggiungere ulteriori fonti di carbonio esterne.
• Efficienza di rimozione: tasso di rimozione COD 85,8%, tasso di rimozione TN 76,9%, tasso di rimozione TP 98%, effetti di rimozione stabili di azoto e fosforo senza fluttuazioni;
2. Processo A²/O invertito (fonte di carbonio prioritaria per la rimozione dell'azoto)
Modifica del nucleo: regolazione della sequenza delle tre sezioni del serbatoio su anossica → anaerobica → aerobica, che non richiede nuove attrezzature, ma solo la regolazione della direzione del flusso dell'acqua, adatta per l'ammodernamento a basso-costo degli impianti esistenti.
• Rapporto di ritorno dei fanghi: 100%, garantendo una concentrazione stabile dei fanghi nella sezione A²/O e fornendo biomassa sufficiente per DNPAO e organismi accumulatori di polifosfati- (PAO).
• Tasso di rendimento interno: controllato al 250%. Questo rapporto fornisce nitrati sufficienti alla sezione anossica A²/O evitando al tempo stesso un consumo energetico eccessivo dovuto a un rendimento eccessivo, offrendo il miglior rapporto costo-efficace.
• Controllo microbico: ottimizzando i parametri operativi, la percentuale di PAO denitrificanti nel sistema si stabilizza al 40,5%, massimizzando la denitrificazione e la rimozione del fosforo.
• Controllo dell'ossigeno disciolto (DO): sezione aerobica A²/O DO=1–2 mg/L (soddisfare i requisiti di assorbimento di fosforo dei PAO ed evitare eccessivi sprechi energetici dovuti a DO elevato); Sezione BAF DO=4–5 mg/L (soddisfa i requisiti di nitrificazione dei batteri nitrificanti e garantisce la completa rimozione dell'azoto ammoniacale).
3. Processo JHB
Modifica del nucleo: un serbatoio di pre-denitrificazione anossico viene aggiunto lungo il percorso dei fanghi restituiti allo stadio anaerobico. I fanghi restituiti entrano prima in questo serbatoio, dove subiscono la pre-denitrificazione utilizzando una parte del COD influente, riducendo ulteriormente il contenuto di nitrati nei fanghi.
VI. Sommario: La logica del raggiungimento del processo A²/O (ricordalo in una frase per evitare deviazioni)
• Modifica del nucleo: il tradizionale processo A²/O di "fanghi restituiti allo stadio anaerobico" viene modificato in "fanghi restituiti al serbatoio anossico", consentendo ai fanghi restituiti di subire prima la denitrificazione nello stadio anossico, consumando i nitrati che trasporta.
• Effetto di modifica: dopo la denitrificazione nella fase anossica, i fanghi che entrano nella fase anaerobica sono quasi privi di nitrati- e l'efficienza di rilascio del fosforo nella fase anaerobica è aumentata di oltre il 50%, risolvendo sostanzialmente il problema dell'interferenza dei nitrati con la rimozione del fosforo. Il processo MUCT, in particolare, aggiunge due serbatoi anossici per separare ulteriormente la denitrificazione dei fanghi dalla denitrificazione dei liquori misti, con conseguente prestazione più stabile e idoneità per gli impianti di trattamento delle acque reflue con grave interferenza dei nitrati.
• Allocazione prioritaria delle fonti di carbonio: l'acqua grezza entra prima nella zona anossica, dove i batteri denitrificanti ottengono preferenzialmente fonti di carbonio, migliorando significativamente l'efficienza della denitrificazione e risolvendo il problema della denitrificazione insufficiente con bassi rapporti C/N.
• Vantaggi di funzionamento e manutenzione: processo semplificato, nessuna necessità di attrezzature aggiuntive o costi di funzionamento e manutenzione, ciclo di modifica breve e bassa difficoltà di implementazione, che lo rendono una delle soluzioni preferite per l'aggiornamento degli impianti esistenti.
• Rimozione più stabile del fosforo: i batteri che accumulano polifosfato- sono in uno "stato di fame" nella zona anossica. Dopo essere entrati nella zona anaerobica, assorbono le fonti di carbonio e rilasciano il fosforo in modo più efficiente, con conseguente assorbimento aerobico più completo del fosforo e rimozione più stabile del fosforo.
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Note aggiuntive: questo processo affronta specificamente il problema del contenuto di nitrati eccessivamente elevato nei fanghi restituiti, con prestazioni di denitrificazione migliori rispetto al processo UCT, ma richiede un serbatoio aggiuntivo. È adatto per impianti di trattamento delle acque reflue con elevati requisiti di denitrificazione e spazio per modifiche.
1. Principio fondamentale
Rilascio anaerobico di fosforo → Rimozione anossica di azoto + Rimozione di fosforo denitrificazione → Nitrificazione aerobica + Assorbimento di fosforo, tre fasi che lavorano in sinergia, basandosi su fanghi e ricircolo interno in un circuito chiuso;
2. Ostacoli intrinseci
Competizione per le fonti di carbonio, discrepanze sull'età dei fanghi e interferenza dei nitrati-questi tre fattori non possono essere risolti attraverso il funzionamento e la manutenzione convenzionali e rappresentano ostacoli fondamentali al raggiungimento della conformità;
3. Soluzione principale
Utilizzo di batteri denitrificanti che accumulano polifosfato-(DNPAO) per il "doppio utilizzo del carbonio": questo allevia la carenza di fonti di carbonio ottenendo contemporaneamente la rimozione di azoto e fosforo.
4. Essenziale per bassi rapporti C/N
Il processo combinato A²/O + BAF separa la nitrificazione e la rimozione del fosforo, consentendo a ciascuna di ottenere prestazioni ottimali e raggiungere costantemente gli standard di Grado A.
5. Priorità per il retrofit
I processi UCT e A²/O invertito offrono costi contenuti, facilità di implementazione e non richiedono demolizioni o ricostruzioni importanti, rendendoli adatti per rapidi aggiornamenti di impianti esistenti.