Fondamenti tecnici e gestione operativa di un bacino di aerazione con ventilatore a basso-carico
1. Panoramica
1.1 Principio di funzionamento delle vasche di aerazione con ventilatore
L'aerazione con soffiante, comunemente utilizzata in Cina, comprende principalmente i tipi di aerazione diffusa, a spirale e microporosa. Un bacino di aerazione comprende tipicamente un sistema di aerazione, la struttura del bacino e porte di ingresso/uscita, che fungono da struttura chiave nel trattamento delle acque reflue a fanghi attivi. I metodi di aerazione comuni sono l'aerazione meccanica e quella tramite soffiante. I sistemi di aerazione con soffiante sono generalmente costituiti da aeratori e soffianti specializzati. I bacini sono spesso divisi in più compartimenti, ciascuno capace di afflusso indipendente. Le acque reflue entrano nel bacino ed escono dall'estremità opposta. Durante questo processo, l'aria viene erogata tramite compressori ai diffusori sul fondo della vasca e rilasciata sotto forma di bolle.
1.2 Ricerca correlata sui bacini di aerazione con ventilatore
La ricerca di Cheng Dandan et al. ha scoperto che negli impianti municipali di trattamento delle acque reflue (WWTP) cinesi, i ventilatori di aerazione consumano circa il 60% dell’energia totale. L'integrazione del sistema di aerazione con il controllo PID intelligente a circuito chiuso-per l'ossigeno disciolto (DO) e l'implementazione di strategie di risparmio energetico-del ventilatore possono affrontare in modo efficace l'elevato consumo energetico nei sistemi di aerazione degli impianti di depurazione, riducendolo di oltre il 30%.
Liu Xiaoqi et al. hanno utilizzato aeratori a flusso disperso per aumentare il contenuto di ossigeno nelle acque reflue durante il trattamento riducendo al contempo il consumo di energia. Ciò ha inoltre consentito di ottenere una miscelazione e una distribuzione uniforme dell'acqua-aria, riducendo i requisiti di precisione per il livellamento dell'installazione dell'aeratore.
Chang Kai et al. miglioramento delle prestazioni del sistema di bacino di aerazione convenzionale modificando la modalità di raccolta dell'aria originale. Hanno sostituito i tradizionali aeratori microporosi con aeratori microporosi con piastre in silicone ad alta-efficienza di trasferimento dell'ossigeno e hanno sostituito i bacini di aerazione a flusso diretto-a passaggio singolo con bacini a flusso a serpentina a tre-passi. L'integrazione di un controllo preciso dell'aerazione ha ulteriormente migliorato il sistema, risolvendo i problemi di elevato consumo energetico, bassa efficienza e scarso trasferimento di massa nei tradizionali metodi di aerazione con soffiante.
1.3 Gestione operativa delle vasche di aerazione con soffiante
I bacini di aerazione con soffiante sono ampiamente utilizzati nel trattamento delle acque reflue. Seguendo il principio del "trattamento separato per diversi flussi di rifiuti", un'unità di trattamento delle acque reflue saline di un impianto di depurazione specifico gestisce principalmente le acque reflue di desalinizzazione elettrica provenienti dalla distillazione sotto vuoto atmosferica, l'acqua depurata, le acque reflue di neutralizzazione dell'alchilazione e alcuni surnatanti e effluenti ad alta salinità. Questa unità è dotata di un sistema di trattamento biologico a tre-stadi, con il bacino di aerazione del ventilatore come stadio secondario. La sua domanda media di ossigeno chimico (COD) è costantemente inferiore a 100 mg/l, classificandolo come un processo a fanghi attivi a basso-carico. Oltre agli aggiornamenti delle apparecchiature, il mantenimento del funzionamento ottimale richiede un attento controllo e regolazione dei parametri di processo.
2. Panoramica della struttura
2.1 Flusso del processo dell'unità di trattamento delle acque reflue saline
L'unità utilizza un processo di "equalizzazione + separazione dell'olio + flottazione a due stadi + trattamento biologico a tre stadi", con l'effluente trattato inviato a un'unità di lucidatura. Il separatore d'olio utilizza un design combinato a flusso orizzontale e piastra inclinata. I due stadi di flottazione utilizzano rispettivamente la flottazione ad aria con cavitazione a vortice (CAF) e la flottazione ad aria disciolta pressurizzata a riflusso parziale (DAF). I tre stadi biologici sono in sequenza: serbatoio di aerazione dell'ossigeno puro III, serbatoio di aerazione del ventilatore e serbatoio biochimico secondario (EM-BAF). Il flusso del processo è mostrato inFigura 1.
2.2 Descrizione della vasca di aerazione del ventilatore
Il bacino di aerazione del ventilatore è una struttura riconvertita originariamente costruita nel 1995 come parte di un'unità di trattamento delle acque reflue oleose. Utilizza un design tradizionale di aerazione a flusso a pistone- con un volume effettivo di 3.888 m³ e un tempo di ritenzione idraulica corrente (HRT) di circa 17,6 ore. Il bacino opera su due treni paralleli, ciascuno con quattro scompartimenti. Sul fondo sono installati degli aeratori alimentati da ventilatori centrifughi per fornire ossigeno per il metabolismo dei fanghi attivi. È inoltre dotato di due chiarificatori secondari (Φ18m x 5m).
All'interno del sistema biologico a tre-stadi:
- Fase 1 (serbatoio di aerazione con ossigeno puro III): La funzione primaria è la rimozione del COD.
- Fase 2 (serbatoio di aerazione del ventilatore): La funzione primaria è la rimozione dell'azoto ammoniacale (NH₃-N), la funzione secondaria è l'ulteriore rimozione del COD.
- Fase 3 (serbatoio biochimico secondario - EM-BAF): Funziona per purificare ulteriormente il COD e l'NH₃-N degli effluenti, garantendo la qualità finale dell'acqua.
2.3 Qualità dell'affluente e dell'effluente del bacino di aerazione con ventilatore
L'influente al bacino di aerazione del ventilatore proviene dal serbatoio di aerazione a ossigeno puro III, con limiti di inquinanti: CODcr inferiore o uguale a 300 mg/L, NH₃-N inferiore o uguale a 30 mg/L, Solidi sospesi (SS) inferiore o uguale a 50 mg/L.
I suoi effluenti alimentano il Serbatoio Biochimico Secondario, con limiti: CODcr Inferiore o uguale a 120 mg/L, NH₃-N Inferiore o uguale a 30 mg/L, SS Inferiore o uguale a 50 mg/L.
L'effluente finale del serbatoio biochimico secondario deve soddisfare: CODcr inferiore o uguale a 70 mg/L, petrolio inferiore o uguale a 5 mg/L, NH₃-N inferiore o uguale a 3 mg/L.
Nel corso del 2021, il CODcr medio degli affluenti del bacino è stato di 67,094 mg/L e l'NH₃-N medio è stato di 23,098 mg/L, entrambi conformi ai requisiti di progettazione. Tuttavia, il COD influente notevolmente basso ha portato a una carenza di fonti di carbonio per i fanghi attivi, influenzandone il normale metabolismo. Al contrario, una quantità sufficiente di azoto ammoniacale e una bassa concentrazione di inquinanti organici nel liquore misto hanno favorito la nitrificazione, che è avvenuta in modo efficace.
3. Fattori d'influenza operativa e misure di controllo
3.1 Impatto del basso carico influente e dell'invecchiamento dei fanghi
Con COD influente a 67,094 mg/L-al di sotto sia del limite di progettazione (inferiore o uguale a 300 mg/L) che della domanda di carbonio microbico (circa. 100 mg/L BOD₅)-i fanghi attivi hanno riscontrato una carenza di fonte di carbonio. Il basso carico ha comportato una crescita lenta del fango, rendendolo incline all'invecchiamento e alla formazione di una struttura sciolta. Fanghi invecchiati e morti formavano schiuma che galleggiava sulla superficie del chiarificatore secondario. In mancanza di attrezzature per la raccolta della schiuma, questa fuoriusciva con l'effluente, provocando torbidità, superando i limiti di COD e SS e successivamente sovraccaricando il serbatoio biochimico secondario a valle, influenzando la qualità dell'effluente finale.
Contromisura: Il team operativo ha controllato la concentrazione dei solidi sospesi del liquore misto (MLSS). Utilizzando un cilindro graduato da 1000 ml per il test dell'indice di volume dei fanghi (SVI) di 30 minuti, hanno mantenuto l'SVI attorno al 20%, corrispondente a un MLSS di circa 2 g/L. Questa efficienza di rimozione degli inquinanti bilanciata previene l'invecchiamento dei fanghi, il galleggiamento e il deterioramento della qualità dell'acqua. La lenta crescita dei fanghi ha comportato uno spreco minimo e poco frequente, consentendo ai batteri nitrificanti un tempo di residenza superiore al loro tempo minimo di generazione, promuovendo ulteriormente la nitrificazione.
3.2 Impatto del controllo dell'ossigeno disciolto (DO).
I microrganismi nei fanghi attivi sono principalmente aerobici e in genere richiedono DO tra 1-3 mg/L. Gli standard aziendali fissano l’intervallo di DO per i tradizionali bacini di aerazione con flusso a tappo a 2-4 mg/L, con la nitrificazione che richiede DO generalmente non inferiore a 2,0 mg/L. L’attuale basso carico di affluenti e l’ulteriore riduzione della concentrazione di MLSS hanno abbassato la domanda di DO, rendendo difficile il controllo. Il mantenimento della miscelazione completa spesso aumentava il DO al di sopra di 4 mg/l, mentre il controllo del DO entro l'intervallo target talvolta portava a una miscelazione inadeguata in alcune aree, causando la sedimentazione dei fanghi.
Inoltre, un elevato DO accelera la decomposizione della materia organica, esacerbando l’invecchiamento dei fanghi. Pertanto, in pratica, il DO è controllato intorno a 3 mg/L. Inoltre, tutte le valvole dell'aria vengono regolate circa una volta al mese per migliorare l'uniformità della miscelazione, riattivare i fiocchi dormienti e mantenere attiva la biomassa.
3.3 Impatto della temperatura dell'acqua
La temperatura influenza in modo significativo l’attività microbica. Le temperature adeguate promuovono l’attività, mentre le basse temperature la inibiscono o la riducono, e le alte temperature possono alterare la fisiologia o causare la morte. In questo sistema, i batteri termofili sono i principali gruppi funzionali. Per la sicurezza del sistema, la temperatura viene generalmente mantenuta tra 15 e 35 gradi, sebbene l'intervallo adatto sia 10 e 45 gradi. Superare i 30 gradi può denaturare le proteine nitrificanti, riducendone l'attività. Il fango attivo contiene batteri sia degradanti che nitrificanti il COD-, con la nitrificazione che ha un intervallo ottimale più ristretto di 5–30 gradi.
L'affluente delle acque reflue saline contiene flussi-ad alta temperatura. Gli incidenti passati hanno comportato giorni consecutivi di temperature dell'affluente superiori a 40 gradi, che hanno portato alla disintegrazione dei fanghi, alla morte dei degradatori e nitrificatori del COD- e al collasso del sistema. Successivamente, è stato installato un termometro sulla linea degli effluenti del serbatoio di equalizzazione per controllare rigorosamente che la temperatura di scarico non superi i 40 gradi, soddisfacendo i requisiti di temperatura dei fanghi. Nel 2021 non si sono verificati incidenti simili che abbiano interessato la nitrificazione.
3.4 Impatto dell'alcalinità
Secondo gli standard aziendali pertinenti, quando si utilizzano fanghi attivi per la rimozione dell'ammoniaca, il rapporto tra l'alcalinità totale dell'affluente e l'azoto ammoniacale non deve essere inferiore a 7,14; in caso contrario, è necessario integrare l'alcalinità. Con un NH₃-N influente di progettazione di 30 mg/L e una media effettiva di 23,098 mg/L, l'alcalinità totale richiesta non è inferiore a 214,2 mg/L. Attualmente, l’alcalinità influente è insufficiente e richiede l’aggiunta giornaliera di carbonato di sodio (Na₂CO₃) per soddisfare le esigenze del processo.
3.5 Impatto del pH e delle sostanze tossiche
Activated sludge microorganisms thrive in a pH range of 6.5–8.5. Below pH 4.5, protozoa largely disappear, most microbial activity is inhibited, fungi become dominant, floc structure is destroyed, and sludge bulking can occur. Above pH 9, metabolism is severely affected, causing floc disintegration and bulking. Wastewater with pH >10 o<5 should be neutralized before entering the aeration basin.
Il metabolismo microbico aerobico può tamponare moderatamente le variazioni di pH. Ad esempio, l’utilizzo dei composti azotati può abbassare il pH durante la nitrificazione, mentre la decarbossilazione produce ammine alcaline, aumentando il pH. Ciò consente un'acclimatazione a lungo-termine alle acque reflue leggermente acide/alcaline. L'alcalinità intrinseca delle acque reflue aiuta anche a inibire la caduta del pH.
Tuttavia, cambiamenti drastici del pH (ad esempio, un improvviso afflusso di sostanze alcaline in un sistema acido) hanno un impatto significativo sui microbi e possono interromperne il funzionamento. Pertanto, la necessità di neutralizzazione dipende dal caso specifico. Fluttuazioni minori e consistenti del pH, soprattutto con acidi/basi deboli, potrebbero non richiedere la neutralizzazione. Fluttuazioni maggiori richiedono la regolazione del pH su neutro.
I batteri nitrificanti sono altamente sensibili al pH-, con nitrificazione ottimale a pH 7,2–8,0, mentre i microbi generali preferiscono 6,5–8,5. Per specifiche acque reflue industriali, i tipi di sostanze tossiche sono spesso fissi, ma le concentrazioni e i volumi di scarico variano. Oltre all'equalizzazione, i livelli delle sostanze tossiche influenti devono essere monitorati e controllati. Dopo l'acclimatazione dei fanghi, dovrebbe essere stabilito un limite massimo di concentrazione dell'affluente in base al grado di acclimatazione e all'esperienza operativa. Un superamento prolungato richiede misure come la riduzione dell’afflusso, l’aumento del riciclo dei fanghi o il miglioramento dell’ossigenazione per prevenire l’avvelenamento microbico e il fallimento del trattamento. Attualmente negli affluenti del bacino non sono state rilevate sostanze tossiche che provocano intossicazioni microbiche.
3.6 Impatto dei carichi d'urto influenti
Il COD influente rimane stabilmente basso con fluttuazioni minori, e anche NH₃-N e azoto totale (TN) rimangono entro intervalli relativamente stabili per lunghi periodi. La popolazione nitrificante rimane relativamente fissa. Tuttavia, a causa del loro lento tasso di crescita, un aumento improvviso e significativo degli affluenti NH₃-N o TN può saturare la capacità di rimozione del bacino, compromettendo la qualità degli effluenti NH₃-N e TN.
Teoricamente, la richiesta microbica di N e P segue un rapporto BOD₅:N:P di 100:5:1. Tuttavia, il contenuto di N e P varia notevolmente a seconda del tipo di acque reflue industriali. Alcune acque reflue hanno un alto contenuto di N e P e richiedono la rimozione per soddisfare gli standard. Altri sono carenti e necessitano di un'integrazione per evitare di limitare il metabolismo. Per i bacini operativi che trattano acque reflue a basso contenuto di N/P, livelli influenti di circa 10 mg/L di NH₃-N e 5 mg/L di fosfato possono soddisfare le esigenze microbiche. Livelli prolungati al di sotto di questi richiedono un dosaggio N/P maggiore.
Il funzionamento quotidiano richiede un attento monitoraggio di NH₃-N e TN in tutti i flussi di affluenti e negli effluenti del serbatoio di equalizzazione, nonché nei flussi di riciclo dai serbatoi di regolazione, per evitare di sovraccaricare l'unità di depurazione a valle e minacciare la sicurezza dell'acqua di scarico finale.
4. Conclusione
Essendo il reattore di nitrificazione centrale dell'unità di trattamento delle acque reflue saline, il bacino di aerazione del ventilatore richiede un attento monitoraggio quotidiano della temperatura dell'acqua, dell'NH₃-N influente e del TN. Sono essenziali un controllo rigoroso della concentrazione di MLSS, il mantenimento di DO intorno a 3 mg/L e la garanzia di un'adeguata aggiunta di alcalinità. Con queste misure ottimizzate, il sistema funziona stabilmente con un'eccellente qualità dell'effluente: COD medio di 54,213 mg/L, NH₃-N di 9,678 mg/L e SS di 23,849 mg/L, soddisfacendo pienamente i requisiti di afflusso del serbatoio biochimico secondario. Anche i test continui, il riepilogo e l’ottimizzazione sotto molteplici aspetti sono cruciali per garantire ulteriormente l’affidabilità delle apparecchiature e l’efficienza del trattamento del sistema.