Il funzionamento del processo a fanghi attivi richiede il corretto controllo di numerosi parametri, compreso il controllo dell'MLSS, uno degli indicatori più frequentemente utilizzati nel funzionamento quotidiano dei sistemi di acque reflue.
1. Definizione di MLSS
La concentrazione di fanghi attivi si riferisce al contenuto di solidi sospesi nel liquido miscelato all'uscita del serbatoio di aerazione, indicato con il simbolo MLSS, con unità di mg/L. Viene utilizzato per misurare la quantità di fanghi attivi nel serbatoio di aerazione. L’importo totale del MLSS comprende i seguenti quattro aspetti:
Microrganismi attivi;
Sostanze organiche non-biodegradabili adsorbite sui fanghi attivi;
Residuo dell'auto-ossidazione microbica;
Materia inorganica.
Durante il funzionamento, è particolarmente importante notare che MLSS si riferisce solo alla concentrazione del liquido miscelato nel serbatoio di aerazione, escludendo la concentrazione del liquido misto nel serbatoio di sedimentazione secondaria. Inoltre, quando si monitora la concentrazione del liquido miscelato nel serbatoio di aerazione, è fondamentale utilizzare la concentrazione del liquido miscelato all'uscita del serbatoio di aerazione come standard per misurare la concentrazione di fanghi attivi nell'intero serbatoio di aerazione.
2. Relazione tra concentrazione dei fanghi e altri indicatori di controllo
1. Relazione tra concentrazione dei fanghi attivi ed età dei fanghi
L'età dei fanghi è un mezzo operativo per raggiungere l'obiettivo dell'età dei fanghi rimuovendo i fanghi attivi. Un intervallo ragionevole per il controllo della concentrazione dei fanghi attivi può essere fornito attraverso un'età ragionevole dei fanghi e il rapporto tra cibo-e-microbo. Infatti, se la concentrazione dei fanghi attivi viene aumentata eccessivamente, l'età dei fanghi sarà particolarmente lunga, superando il valore di età dei fanghi normalmente controllato, anche quando la concentrazione di sostanza organica in affluente non è elevata. Ciò indica chiaramente che la concentrazione dei fanghi attivi viene controllata troppo alta, il che è molto più accurato che giudicare se la concentrazione dei fanghi attivi debba essere controllata in base al suo valore assoluto.
2. Relazione tra concentrazione dei fanghi attivi e temperatura dell'acqua
La crescita, la riproduzione e il metabolismo dei fanghi attivi nella vasca di trattamento biologico sono strettamente correlati alla temperatura dell'acqua. Per ogni diminuzione di 10 gradi della temperatura dell'acqua, l'attività dei fanghi attivi diminuirà della metà; quando la temperatura dell'acqua è inferiore a 10 gradi, l'effetto del trattamento è chiaramente scarso. Per risolvere questo problema, la concentrazione dei fanghi attivi può essere regolata per far fronte alle variazioni di temperatura dell’acqua:
Quando la temperatura dell'acqua è bassa, la concentrazione dei fanghi attivi può essere aumentata per compensare l'impatto negativo della ridotta attività dei fanghi attivi, ottenendo così una maggiore efficienza di rimozione a basse temperature dell'acqua.
Quando la temperatura dell'acqua è elevata, l'attività dei fanghi attivi è vigorosa. Una concentrazione eccessivamente elevata di fanghi attivi è dannosa per la sedimentazione dei fanghi attivi. In questo caso, riducendo la concentrazione dei fanghi attivi si può prevenire la formazione di fiocchi instabili e di surnatante torbido.
3. La relazione tra la concentrazione dei fanghi attivi e il rapporto di sedimentazione dei fanghi attivi
La concentrazione dei fanghi attivi influisce sul rapporto di sedimentazione finale. Una maggiore concentrazione di fanghi attivi determina un rapporto di sedimentazione finale più elevato e viceversa. Questo perché una maggiore concentrazione di fanghi attivi porta ad una maggiore quantità biologica, con conseguente rapporto di sedimentazione più elevato dopo la compressione e la sedimentazione. Una differenza fondamentale rispetto ad altri fattori che possono aumentare il rapporto di sedimentazione è osservare se il fango attivo compresso è denso e se il suo colore è marrone scuro. Nei casi in cui una maggiore concentrazione di fanghi non-attivi porta a un rapporto di sedimentazione più elevato, solitamente è dovuto a una scarsa compattazione e a un colore più opaco.
Naturalmente anche una concentrazione troppo bassa di fanghi attivi influisce in modo significativo sul rapporto di sedimentazione. Tuttavia, ciò spesso non è causato da una riduzione intenzionale della concentrazione dei fanghi attivi da parte degli operatori, ma piuttosto da una concentrazione di sostanza organica influente eccessivamente bassa. In questi casi, gli operatori, ritenendo che la concentrazione dei fanghi attivi sia troppo bassa, cercano di aumentarla, con conseguente invecchiamento dei fanghi attivi. L'osservazione del rapporto di sedimentazione finale rivelerà i segni tipici dell'invecchiamento dei fanghi attivi: elevata comprimibilità, colore scuro e un surnatante trasparente contenente fiocchi fini.
Se si verifica un basso rapporto di sedimentazione a causa di uno scarico anomalo dei fanghi, l'osservazione rivelerà anche che il fango attivo sedimentato è di colore pallido, ha scarsa comprimibilità ed è sparso.
3. L'impatto della concentrazione dei fanghi sulla nitrificazione e denitrificazione
1. L'impatto della concentrazione dei fanghi sulla nitrificazione
Molti fattori ambientali influenzano la nitrificazione, tra cui pH, temperatura, SRT, DO, BOD/TKN, concentrazione di fanghi e sostanze tossiche. Negli impianti di trattamento delle acque reflue reali, solo parametri quali SRT, DO, BOD/TKN e concentrazione dei fanghi possono essere controllati durante il funzionamento del processo.
UN. Nella nitrificazione aerobica, concentrazioni più elevate di fanghi determinano una concentrazione relativamente più elevata di batteri nitrificanti, portando così a un tasso più elevato di nitrificazione aerobica in condizioni di elevata concentrazione di fanghi.
B. Una certa età dei fanghi è necessaria per garantire la presenza di batteri nitrificanti nei fanghi biologici. La creazione di condizioni di vita favorevoli per i batteri nitrificanti aumenta ulteriormente la loro proporzione nella comunità microbica, aumentandone così la concentrazione. A concentrazioni elevate di fanghi, viene consumato più BOD nella fase anaerobica, con il risultato di un rapporto BOD/TKN relativamente più basso nella fase aerobica.
Alcuni studi hanno dimostrato una relazione inversa tra la proporzione di batteri nitrificanti nei fanghi attivi e BOD/TKN. Poiché i batteri nitrificanti sono autotrofi, la concentrazione di substrato organico non è un fattore limitante per la loro crescita. Tuttavia, se la concentrazione del substrato organico è troppo elevata, i batteri eterotrofi-ad alto tasso di crescita-prolifereranno rapidamente, competendo per l'ossigeno disciolto. Ciò rallenta la crescita dei batteri autotrofi e impedisce ai batteri nitrificanti aerobici di ottenere un vantaggio, con conseguente riduzione del tasso di nitrificazione.
C. L'ossigeno disciolto (DO) è generalmente un indicatore importante nella fase di nitrificazione degli impianti di trattamento delle acque reflue, tipicamente superiore a 2 mg/l. Nella maggior parte dei processi del canale di ossidazione, il valore medio di DO all'interno del canale è difficile da raggiungere 2 mg/L, rimanendo generalmente a 1 mg/L o inferiore. Tuttavia, l'effetto di nitrificazione è ancora buono. La ragione di ciò è che la concentrazione relativamente elevata di fanghi tipica dei canali di ossidazione, pur determinando un valore DO inferiore, migliora altri fattori favorevoli alla nitrificazione.
Una maggiore concentrazione dei fanghi aumenta il volume effettivo della vasca di trattamento biologico riducendone il carico. Da un’altra prospettiva, l’aumento della concentrazione dei fanghi aumenta anche la capacità aerobica dei microrganismi. Nelle stesse condizioni di aerazione, anche la lettura del misuratore di ossigeno disciolto dovrebbe essere inferiore. I punti precedenti spiegano che l'aumento della concentrazione dei fanghi può ridurre opportunamente il valore di ossigeno disciolto (DO) nella vasca di trattamento biologico mantenendo un buon livello di nitrificazione.
D. Per garantire la normale crescita e riproduzione dei batteri nitrificanti nei fanghi attivi, l'età dei fanghi dovrebbe generalmente essere controllata a più di 8 giorni. Tuttavia, per garantire un vantaggio competitivo relativamente equilibrato ai batteri nitrificanti rispetto ad altri batteri eterotrofi, l'età dei fanghi dovrebbe essere aumentata senza causare un grave invecchiamento dei fanghi, che aumenta corrispondentemente la concentrazione dei fanghi nel sistema biologico.
2. L'impatto della concentrazione dei fanghi sulla denitrificazione
La denitrificazione biologica è il processo mediante il quale i batteri denitrificanti utilizzano l'ossigeno ionico presente nei nitrati per decomporre la materia organica in condizioni anossiche. Il nitrato viene ridotto a N2, completando il processo di denitrificazione. I batteri denitrificanti sono batteri facoltativi eterotrofi abbondanti nei sistemi di trattamento delle acque reflue. In condizioni aerobiche, utilizzano l'ossigeno per la respirazione e la decomposizione ossidativa della materia organica.
In condizioni senza ossigeno molecolare, quando gli ioni nitrato e nitrito sono presenti contemporaneamente, possono utilizzare l'ossigeno in questi ioni per la respirazione, l'ossidazione e la decomposizione della materia organica. I batteri denitrificanti possono utilizzare un’ampia varietà di substrati organici come donatori di elettroni nel processo di denitrificazione, inclusi carboidrati, acidi organici, alcoli e persino composti come alcani, benzoati e altri derivati del benzene, che sono spesso i componenti principali delle acque reflue. Molti fattori influenzano la velocità di denitrificazione, tra cui pH, temperatura, ossigeno disciolto (DO), rapporto carbonio-a-azoto (rapporto C/N) e concentrazione dei fanghi. Negli attuali impianti di trattamento delle acque reflue, solo parametri come DO e concentrazione dei fanghi possono essere controllati durante il funzionamento del processo. Sebbene il rapporto C/N sia il fattore d’influenza più importante nella reazione di denitrificazione, esso dipende fortemente dalla qualità dell’acqua affluente ed è generalmente difficile da controllare nella pratica.
UN. La denitrificazione richiede l'assenza di ossigeno molecolare per consentire ai batteri denitrificanti di utilizzare l'ossigeno ionico presente nei nitrati e nei nitriti per decomporre la materia organica. Come accennato in precedenza, i sistemi biologici con elevate concentrazioni di fanghi possono ridurre adeguatamente l’ossigeno disciolto (DO) durante la nitrificazione mantenendo l’efficienza della nitrificazione. Pertanto, l'abbassamento del DO alla fine della nitrificazione riduce efficacemente il contenuto di DO trasportato nel liquido di ritorno del nitrato, diminuendo l'impatto dell'ossigeno molecolare sul processo di denitrificazione nella zona anossica e migliorando la capacità dei batteri denitrificanti di utilizzare fonti di carbonio.
Allo stesso tempo, elevate concentrazioni di fanghi determinano anche una capacità aerobica metabolica endogena relativamente elevata, che consuma ulteriormente ossigeno disciolto nelle zone di ritorno e anossiche. Inoltre, concentrazioni molto elevate di fanghi alterano la viscosità del liquido miscelato, aumentando la resistenza alla diffusione e riducendo così il DO trasportato nel liquido di ritorno. In alcuni processi di trattamento che utilizzano canali aperti come canali di ritorno, ciò può ridurre l'ossigenazione richiesta per il flusso di ritorno. In sintesi, elevate concentrazioni di fanghi svolgono un ruolo significativo nella riduzione del DO durante la fase di denitrificazione nell’effettivo funzionamento del processo.
B. Poiché i batteri denitrificanti sono batteri facoltativi eterotrofi e sono abbondanti nei sistemi di trattamento delle acque reflue, l'aumento della concentrazione di fanghi nel sistema può effettivamente aumentare la concentrazione di batteri denitrificanti. La velocità di denitrificazione è in gran parte indipendente dalle concentrazioni di nitrati e nitriti, ma mostra una reazione del primo-ordine con la concentrazione di batteri denitrificanti.
Pertanto, nell'effettivo funzionamento del processo, elevate concentrazioni di fanghi possono abbreviare il tempo di denitrificazione e ridurre il volume effettivo della zona anossica. Dato un volume effettivo fisso nella zona anossica, elevate concentrazioni di fanghi consentono un migliore utilizzo della materia organica relativamente difficile-da-degradare nella matrice organica come fonte di carbonio. Ciò è particolarmente importante per i processi di rimozione di azoto e fosforo, soprattutto quando le fonti di carbonio sono insufficienti.
C. Elevate concentrazioni di fanghi determinano diametri dei fiocchi microbici relativamente più grandi. Durante la nitrificazione, il basso livello di ossigeno disciolto porta a un gradiente di pressione dell'ossigeno più piccolo, facilitando la formazione di ambienti anossici all'interno dei fiocchi, promuovendo così la denitrificazione. Pertanto, elevate concentrazioni di fanghi possono promuovere la denitrificazione simultanea.
4. L'impatto della concentrazione dei fanghi sulla rimozione biologica del fosforo
La chiave per la rimozione biologica del fosforo è aumentare la percentuale di batteri che accumulano polifosfato-nel sistema a fanghi attivi, promuovendo contemporaneamente la loro rapida crescita e riproduzione durante il funzionamento del sistema, mantenendo un elevato contenuto di fosforo all'interno dei batteri che accumulano polifosfato-al momento dello scarico.
Per aumentare la percentuale di batteri accumulatori di polifosfati-(PAC) nei fanghi attivi del sistema, è necessario creare un ambiente e condizioni idrauliche più favorevoli per la loro crescita e riproduzione. Ciò significa avere un buon ambiente anaerobico e aerobico nel flusso del processo. Il controllo dei fattori ambientali nella zona anaerobica è particolarmente importante per la crescita e la riproduzione dei batteri PAC e per ottenere la rimozione del fosforo. Un'elevata concentrazione di fanghi nella zona anaerobica è più vantaggiosa per i batteri PAC.
L’efficienza della rimozione biologica del fosforo è strettamente correlata all’età dei fanghi. Solo con una certa età del fango (circa 3 giorni) è possibile rimuovere efficacemente il fosforo in eccesso, realizzando la funzione di rimozione del fosforo. Dato un affluente fisso di solidi sospesi (SS), poiché la concentrazione dei fanghi è direttamente proporzionale all'età dei fanghi, maggiore è la concentrazione dei fanghi oltre un certo intervallo, peggiore è l'effetto di rimozione del fosforo.
UN. Pur mantenendo un'età dei fanghi sufficiente per l'efficienza della rimozione del fosforo, l'aumento della concentrazione dei fanghi nella zona anaerobica si traduce in una concentrazione corrispondentemente più elevata di batteri PAC. Ciò aumenta la quantità di microrganismi che rilasciano fosforo-, che a loro volta aumentano la quantità di microrganismi aerobici che successivamente assorbono fosforo-, migliorando così l'effetto complessivo di rimozione del fosforo del sistema.
B. Nella zona anaerobica, i batteri che accumulano polifosfati-assorbono i VFA e rilasciano fosforo. Allo stesso tempo, in condizioni di elevata concentrazione di fanghi, la zona anaerobica può fungere da sezione di acidificazione anaerobica del sistema, idrolizzando anaerobicamente la materia organica recalcitrante ad alto-peso molecolare-nell'acqua. L'energia rilasciata durante il rilascio del fosforo dai batteri che accumulano polifosfato-può essere utilizzata per assorbire attivamente acido acetico, H+, ecc., formando PHB e immagazzinandolo all'interno dei batteri. Ciò favorisce il processo di acidificazione della materia organica, migliora la biodegradabilità delle acque reflue e aumenta la fonte di carbonio utilizzata per le reazioni di denitrificazione nei successivi processi di trattamento.