Rimozione avanzata dell'azoto negli impianti di depurazione: progettazione del processo MBBR a biofilm puro e analisi delle prestazioni|Caso di studio

Progettazione ingegneristica e prestazioni di un processo MBBR a biofilm puro per la rimozione avanzata dell'azoto

Con il progresso globale della costruzione della civiltà ecologica in Cina, gli standard di scarico per gli impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP) sono diventati sempre più rigorosi. Lo standard di Grado A dello "Standard di scarico degli inquinanti per gli impianti di trattamento delle acque reflue municipali" (GB 18918-2002) richiede TN inferiore o uguale a 15 mg/L, mentre gli standard locali in regioni come Pechino e Shandong fissano esplicitamente il limite a TN inferiore o uguale a 10 mg/L. Questi standard elevati vanno oltre i soli limiti di qualità dell’acqua, imponendo requisiti più severi sulla stabilità degli effluenti. Di conseguenza, esiste la necessità urgente di migliorare la capacità di rimozione dell’azoto dei processi di trattamento. Un approccio consiste nell’aumentare il dosaggio della fonte di carbonio nel processo esistente per migliorare la denitrificazione, ma ciò comporta costi operativi elevati e un aumento delle emissioni di carbonio. In alternativa, l’aggiunta di strutture avanzate per la rimozione dell’azoto, che spesso impiegano metodi di biofilm per arricchire in modo efficiente i batteri denitrificanti, può migliorare la rimozione del TN, ridurre la necessità di fonti esterne di carbonio e abbassare le emissioni di carbonio. Il reattore a biofilm a letto mobile (MBBR), con i suoi vantaggi di un forte arricchimento di batteri funzionali, ingombro ridotto e funzionamento e manutenzione semplici, è stato ampiamente applicato nella costruzione, espansione e aggiornamento degli impianti di depurazione. Può raggiungere stabilmente standard di scarico migliori rispetto alla qualità delle acque superficiali di quasi Classe IV e presenta potenzialità e vantaggi significativi per la rimozione avanzata dell’azoto negli impianti di depurazione. Questo articolo prende un impianto di depurazione nello Shandong come caso di studio per analizzare la logica progettuale e le prestazioni operative dell'applicazione di un processo MBBR a biofilm puro per la rimozione avanzata dell'azoto, con l'obiettivo di fornire un riferimento tecnico per un'efficiente denitrificazione delle acque reflue.

1. Panoramica del progetto

1.1 Introduzione al progetto

Un impianto di trattamento delle acque nello Shandong è stato costruito in due fasi. La prima fase, che utilizza il processo BIOLAK, è stata ufficialmente commissionata nel novembre 2003 con una capacità di trattamento di 40.000 m³/d. Il layout del processo BIOLAK e l'area disponibile per l'aggiornamento sono mostrati inFigura 1. Inizialmente, la qualità dell'effluente soddisfaceva lo standard di grado B GB 18918-2002. Entro il 2020, attraverso un dosaggio potenziato della fonte di carbonio e l’aggiunta di trattamenti avanzati, la qualità degli effluenti è stata migliorata fino allo standard di Grado A. Entro il 2023, dopo tre anni di funzionamento, la qualità complessiva degli effluenti potrebbe generalmente soddisfare lo standard di grado A, ma si trova ad affrontare due sfide importanti per quanto riguarda la rimozione dell’azoto:

Dosaggio di fonti di carbonio elevate: Per raggiungere l'obiettivo di TN inferiore o uguale a 15 mg/L, era necessaria una notevole quantità di fonte esterna di carbonio. I calcoli basati sulle sezioni del processo hanno mostrato un rapporto C/N pari a 5,9, mentre il processo AAO nella seconda fase dell'impianto richiedeva solo un C/N di 4,5–5,0 per garantire una conformità TN stabile. La grande aggiunta di fonti di carbonio ha anche influenzato negativamente il processo di nitrificazione aerobica, aumentando la domanda di ossigeno nella zona aerobica.

Scarsa stabilità della rimozione dell'azoto: Poiché la nitrificazione e la denitrificazione avvenivano nello stesso serbatoio in diverse condizioni richieste, i parametri operativi necessitavano di frequenti aggiustamenti in base ai cambiamenti degli affluenti. Il controllo di NH₃-N e TN era contraddittorio, rendendo difficile mantenere un equilibrio stabile tra nitrificazione e denitrificazione. La resistenza al carico d'urto del sistema era nella media, il che comportava una scarsa stabilità dell'effluente.

Pertanto, era necessario un aggiornamento del processo BIOLAK originale, con gli obiettivi principali di risolvere il conflitto tra nitrificazione e denitrificazione, ridurre i costi operativi di rimozione dell'azoto e migliorare la stabilità degli effluenti.

1.2 Sfide di aggiornamento

Poiché il processo BIOLAK non era adatto alla modifica del-serbatoio per migliorare le prestazioni, il piano era di rafforzare il trattamento costruendo una nuova unità avanzata per la rimozione dell'azoto. Il processo BIOLAK originale si concentrava principalmente sulla nitrificazione con la denitrificazione secondaria, mentre il nuovo processo si concentrerebbe sulla denitrificazione. Date le effettive esigenze di ristrutturazione, il progetto ha dovuto affrontare due sfide importanti: il terreno disponibile limitato per il nuovo processo e gli elevati requisiti di efficienza operativa.

Terreno disponibile limitato per il nuovo processo: La nuova costruzione doveva essere completata all'interno dell'area dell'impianto esistente, che sostanzialmente non disponeva di terreno riservato. La costruzione è stata possibile solo su un'area verde adiacente ai serbatoi BIOLAK, con una superficie disponibile di 400 m². Ciò significava che l'impronta del nuovo progetto per unità di acqua trattata doveva essere inferiore o uguale a 0,01 m²/(m³·d).

Requisiti di elevata efficienza operativa: Non si è trattato di un semplice upgrade ma di un'ulteriore ottimizzazione della zona funzionale biochimica. Si prevedeva che la nuova unità gestisse un carico di rimozione dell'azoto di 20 mg/L. Questo processo non solo doveva essere completato su un terreno limitato, ma doveva anche ridurre il dosaggio della fonte di carbonio rispetto alla denitrificazione BIOLAK originale, garantendo al tempo stesso prestazioni di denitrificazione stabili. Pertanto, sono state poste elevate esigenze sia in termini di efficienza di rimozione dell’azoto che di efficienza di utilizzo della fonte di carbonio.

2. Confronto e selezione dei processi

Dopo il trattamento mediante il processo BIOLAK, l'effluente TN è costituito principalmente da azoto nitrato. Attualmente, i processi maturi e avanzati di rimozione dell'azoto utilizzano principalmente metodi di biofilm, caratterizzati da microrganismi che si arricchiscono efficacemente sulle superfici del supporto in uno stato attaccato, offrendo un'efficienza di arricchimento di batteri funzionali significativamente più elevata rispetto ai tradizionali processi a fanghi attivi. I processi del biofilm possono essere ulteriormente suddivisi in tipi di letto-fisso e letto mobile-in base alla fluidificazione del vettore, come mostrato inFigura 2.I filtri denitrificatori, tipici processi di biofilm-a letto fisso, utilizzano mezzi filtranti granulari fissi come portatori di crescita microbica. Aggiungendo una fonte esterna di carbonio, sfruttano la denitrificazione del biofilm e la filtrazione dei mezzi per ottenere la rimozione simultanea di NO₃^--N, SS e altri inquinanti. I vantaggi includono una qualità stabile dell'acqua trattata, l'assenza della necessità di chiarificatori secondari e un layout compatto, che li rende ampiamente utilizzati negli aggiornamenti degli WWTP come unità di trattamento avanzata per rafforzare la rimozione del TN dagli effluenti secondari. Tuttavia, l’attenzione operativa deve concentrarsi sull’impatto del C/N sull’efficienza avanzata della denitrificazione. Il progetto di aggiornamento di Fase I dell'impianto di depurazione di Pingtang, anch'esso con una capacità di 40.000 m³/giorno, ha utilizzato un filtro denitrificante + flottazione ad aria disciolta (DAF) ad alta-efficienza come processo di trattamento avanzato per portare il TN degli effluenti a standard di acque superficiali quasi di-Classe IV, ottenendo un'impronta di circa 0,045 m²/(m³·d), risparmiando terreno e consentendo un trattamento efficiente, ma con un C/N alto quanto 18.34. Per soddisfare i nuovi standard locali per gli effluenti TN, l'impianto di recupero dell'acqua di Chengdu No. 9 ha adottato un serbatoio di sedimentazione ad alta-densità e un filtro denitrificante a letto profondo-come processo di aggiornamento, con un C/N di 5,7, ottenendo un trattamento avanzato secondo standard elevati. L'impianto di depurazione Dingqiao di Haining non è riuscito a soddisfare gli standard di scarico di grado A richiesti per il bacino del fiume Qiantang. Gao Feiya et al. ha utilizzato un filtro denitrificante a letto profondo-per il trattamento TN avanzato, rimuovendo contemporaneamente SS e TP, portando la qualità dell'effluente vicino a quasi-standard di Classe IV, ma con un elevato C/N di 15,68, con conseguenti costi elevati di rimozione dell'azoto. Inoltre, i processi di filtraggio richiedono un controlavaggio regolare, in genere utilizzando aria-acqua, che può influire sulla stabilità operativa.

instabilità nei filtri denitrificanti, la ricerca sull'applicazione della denitrificazione autotrofica (SAD) basata sullo zolfo- ai filtri denitrificanti ha attirato l'attenzione. Il SAD utilizza zolfo elementare o composti di zolfo come donatori di elettroni in condizioni anaerobiche o anossiche per ridurre NO₃^-da -N a N₂. Offre vantaggi come una buona efficienza di denitrificazione, l'assenza della necessità di una fonte di carbonio organico, bassi costi operativi e una bassa produzione di fanghi. Canzone Qingyuan et al. hanno studiato l'effetto di rimozione dell'azoto di un filtro SAD sugli effluenti secondari. Dopo aver ottimizzato le condizioni pilota, la rimozione dei nitrati è rimasta stabile al di sopra del 95%, ma il tasso di consumo dei mezzi ha raggiunto il 20% annuo, accompagnato da una maggiore concentrazione di solfato nell'effluente e da una diminuzione del pH. Per evitare rischi di inquinamento secondario da SAD, Li Tianxin et al. terreni preparati mediante pellettizzazione di una miscela di zolfo e polvere di calcare. L'aggiunta di una certa proporzione di calcare al letto filtrante ha neutralizzato l'acidità generata e prodotto un precipitato di CaSO₄, riducendo la concentrazione di solfato nell'effluente e risolvendo efficacemente i problemi della produzione di acido e degli alti livelli di solfato. Tuttavia, il calcare occupava lo spazio destinato ai mezzi donatori di elettroni all’interno del sistema, indebolendo la capacità avanzata di denitrificazione, aumentando la durezza dell’effluente e aumentando i costi operativi. La ricerca attuale sulla tecnologia SAD è principalmente su scala di laboratorio e pilota, con un’esperienza ingegneristica insufficiente come riferimento. Sono necessarie ulteriori ricerche applicate prima della promozione-su scala industriale.

MBBR è un tipico rappresentante dei processi di biofilm a letto fluidizzato- e di una nuova tecnologia di trattamento delle acque reflue che ha ricevuto notevole attenzione negli ultimi anni. Utilizza trasportatori sospesi con una densità vicina a quella dell'acqua per arricchire in modo specifico i microrganismi, formando un biofilm per ottenere una rimozione avanzata dell'azoto. I processi di biofilm a letto fluidizzato- evitano inoltre problemi di intasamento e controlavaggio dei mezzi. Attualmente, l’MBBR a biofilm puro per la denitrificazione avanzata degli impianti di depurazione vanta oltre 20 anni di esperienza operativa di successo all’estero e sta vedendo un’applicazione sempre più ampia in Cina. Zheng Zhijia et al. ha utilizzato un processo MBBR a biofilm puro a due-fasi per la denitrificazione avanzata. A C/N=4.0, l'azoto nitrato effluente del sistema si è stabilizzato a (1,87 ± 1,07) mg/L, con un tasso medio di rimozione del TN del 93,3%. Un impianto di depurazione delle acque di una zona di sviluppo in una determinata città ha costruito un nuovo bioserbatoio MBBR-come trattamento terziario avanzato per una maggiore denitrificazione. Il carico di rimozione del TN nella sezione anossica del biofilm MBBR puro è stato di 1,1 g/(m²·d), migliorando l'affidabilità della denitrificazione del sistema. Gao Yanbo et al., con l'obiettivo di aumentare la capacità dell'impianto originale, hanno costruito un nuovo bioserbatoio MBBR a biofilm AO puro a due stadi-, ottenendo un TN dell'effluente stabile inferiore a 5 mg/l con un'elevata efficienza di denitrificazione. Pertanto, il processo MBBR a biofilm puro mostra un grande potenziale per la rimozione avanzata dell’azoto negli impianti di depurazione, combinando vantaggi come un’elevata efficienza di utilizzo della fonte di carbonio, un elevato carico di trattamento e un ingombro ridotto. Tuttavia, impone anche requisiti più elevati alle apparecchiature, che richiedono apparecchiature affidabili per supportare un funzionamento stabile del processo. Un confronto tra i comuni processi avanzati di rimozione dell'azoto è mostrato inTabella 1.

Sulla base di un confronto completo, sebbene il processo SAD non richieda l’aggiunta di fonti di carbonio, la sua attuale applicazione non è ancora matura e comporta rischi di inquinamento secondario, quindi non è stato preso in considerazione per questo aggiornamento. Sebbene i filtri denitrificatori siano ampiamente utilizzati, sono per lo più impiegati negli aggiornamenti degli impianti di depurazione dove il TN dell'affluente/effluente di progetto è spesso 15/12 mg/L, gestendo un carico di rimozione del TN relativamente piccolo. Poiché questo progetto richiedeva di soddisfare esigenze di rimozione di TN elevate a lungo-termine, il funzionamento ridurrebbe significativamente il ciclo di controlavaggio del filtro, aumentando le difficoltà operative e l'instabilità. Il processo MBBR a biofilm puro combina vantaggi come l’elevata efficienza di utilizzo del carbonio, l’assenza di necessità di controlavaggio, l’applicazione matura e l’assenza di inquinamento secondario. Considerando le sfide del processo e i requisiti di ristrutturazione, il progetto ha infine selezionato la costruzione di un nuovo bioserbatoio MBBR a biofilm puro- (di seguito denominato serbatoio MBBR) come soluzione avanzata per la rimozione dell'azoto per la prima fase, progettato con un C/N=4.5 e un periodo di recupero dell'investimento pianificato di 7,37 anni.

3. Nuovo Piano di Costruzione

3.1 Flusso del processo

È mostrato il flusso del processo di trattamento delle acque reflue dopo la ristrutturazioneFigura 3. Gli affluenti dell'impianto passano attraverso filtri fini, camere a vortice e vasche di sedimentazione primaria prima di entrare nel bioserbatoio BIOLAK-per la rimozione di materia organica, azoto ammoniacale, ecc. Viene quindi sollevato tramite pompe nel serbatoio MBBR per la rimozione avanzata del TN. Il serbatoio MBBR è progettato per un TN di affluente di 35 mg/L e un TN di effluente inferiore o uguale a 15 mg/L. L'effluente dell'MBBR viene trasportato tramite pompe secondarie al trattamento avanzato esistente dell'impianto per la separazione dei solidi-liquidi e lo smaltimento dei fanghi. L'effluente finale viene disinfettato prima dello scarico nel fiume ricevente. I fanghi in eccesso vengono ispessiti, disidratati e trasportati fuori-sito per lo smaltimento.

3.2 Nuovo serbatoio MBBR

Il serbatoio MBBR utilizza un processo AO, costruito utilizzando serbatoi Lipp per l'assemblaggio modulare, completato in 30 giorni. Il tempo di ritenzione idraulica totale del sistema (HRT) è di 1,43 ore. All'interno dei serbatoi vengono aggiunti trasportatori sospesi aerobici e anossici specializzati di tipo SPR-III, con un rapporto di riempimento del 60% nella zona aerobica e del 55% nella zona anossica. I supporti sono cilindrici oblati, di 25 mm di diametro e 10 mm di altezza, con una superficie specifica effettiva maggiore o uguale a 800 m²/m³. La zona anossica è dotata di 4 miscelatori a frequenza variabile dedicati-MBBR (tipo di potenza chimica SPR), N=5.5 kW ciascuno, che forniscono una fluidificazione uniforme e sufficiente per i trasportatori. Dopo la maturazione del biofilm, vengono regolarmente azionati 2 miscelatori, mentre gli altri 2 funzionano come hot standby. La zona aerobica utilizza ventilatori a vite per l'aerazione. Un singolo ventilatore ha una portata d'aria di 14,50 m³/min, pressione 90 kPa, N=22 kW. È installato un set di diffusori a tubo forato dedicati alla zona aerobica (tipo SPR). A causa del basso volume di aerazione richiesto, di solito è possibile utilizzare le soffianti della Fase I esistenti, mentre la nuova soffiante e le soffianti della Fase I fungono da backup reciproci. Sia nella zona aerobica che in quella anossica sono installati nuovi schermi di intercettazione materiale (tipo SPR), di 12 mm di spessore, con una durata prevista di 30 anni.

3.3 Nuove strutture di supporto

• Sistema influente: Gli effluenti del bioserbatoio BIOLAK- vengono sollevati nel serbatoio MBBR. 4 sono installate pompe di ingresso (2 di servizio, 2 di standby), ciascuna con Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Sistema di dosaggio della fonte di carbonio: L'effluente del bioserbatoio BIOLAK di Fase I- contiene solo COD che è difficile da utilizzare. Per garantire una denitrificazione avanzata nella zona anossica del serbatoio MBBR, viene utilizzato acetato di sodio mentre sono installate pompe dosatrici della fonte di carbonio esterna. 4 (2 di servizio, 2 di standby), ciascuna con Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.