Applicazione del processo AAO modificato nel trattamento delle acque reflue domestiche delle miniere di carbone
Le acque reflue domestiche nelle miniere di carbone provengono principalmente da mense del personale, dormitori, uffici, lavanderie e bagni, con il drenaggio delle piscine che rappresenta oltre il 55% del volume totale. Lo scarico delle acque di balneazione è relativamente concentrato, il che comporta notevoli fluttuazioni di flusso. Caratterizzato da una minore concentrazione organica e da un elevato livello di solidi sospesi (SS), il drenaggio dei bagni differisce notevolmente dai tipici liquami domestici. Il suo modello di scarico sfalsato con altri flussi di acque reflue contribuisce a una sostanziale variabilità della qualità dell'acqua.
La maggior parte delle miniere di carbone in Cina si trovano in aree remote dove i costi di trasporto dei fanghi sono elevati. Pertanto, dovrebbero essere selezionati processi di trattamento con una minore resa di fanghi. Con lo sviluppo delle miniere e l’aumento del personale, il flusso delle acque reflue spesso supera la capacità originaria del progetto, rendendo necessari processi con forte adattabilità ai cambiamenti nella qualità e quantità dell’acqua all’interno della stessa impronta. In base a politiche ambientali sempre più rigorose che richiedono il pieno riutilizzo degli effluenti trattati con scarico zero, i processi devono garantire una qualità degli effluenti elevata e stabile.
Attualmente, il processo AAO (Anaerobic-Anoxic-Oxic) è la scelta preferita nel trattamento delle acque reflue municipali. Questo articolo analizza l'efficacia applicativa di un processo AAO modificato (AAO + Suspended Carrier Process) per le acque reflue domestiche delle miniere di carbone, in base alle sue caratteristiche uniche.
1. Processo AAO modificato
Il processo AAO è la configurazione di flusso più semplice per la rimozione simultanea di azoto e fosforo. I batteri filamentosi non possono proliferare estesamente in condizioni alternate di anaerobiosi, anossiche e aerobiche, prevenendo l’accumulo dei fanghi. Non richiede alcuna aggiunta chimica, ma solo una leggera miscelazione in serbatoi anaerobici e anossici, con conseguenti bassi costi operativi. Il fango ha un alto contenuto di fosforo, che gli conferisce un buon valore fertilizzante.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >200%, questo riciclo interno consuma una notevole energia. L'effluente che entra nel chiarificatore secondario deve mantenere un certo livello di ossigeno disciolto (DO) per prevenire condizioni anaerobiche e rilascio di fosforo, ma non troppo alto per evitare di interferire con la denitrificazione nel serbatoio anossico attraverso il liquore misto riciclato.
Il processo AAO modificato (AAO + processo di trasporto sospeso) mitiga efficacemente questi inconvenienti. Aumenta la massa microbica nei serbatoi biologici, migliora il carico volumetrico, raggiunge la completa separazione del tempo di ritenzione idraulica (HRT) e del tempo di ritenzione dei fanghi (SRT), rafforza la resilienza ai carichi d'urto idraulici e organici, fornisce una buona qualità degli effluenti anche con fonti a basso contenuto di carbonio, produce fanghi meno e più stabili (riducendo i requisiti di capacità di gestione dei fanghi a valle). L'effluente può soddisfare gli standard di qualità dell'acqua "The Reuse of Urban Recycling Water-Water Quality Standard for Urban Miscellaneous Water" (GB/T 18920-2020) e "Code for Design of Coal Presentation Engineering" (GB 50359-2016) per il lavaggio del carbone. Hou Feng et al. ha applicato il processo AAO+con trasportatore sospeso in un impianto sotterraneo di trattamento delle acque reflue, raggiungendo gli standard di Grado 1A per "Standard di scarico degli inquinanti per gli impianti di trattamento delle acque reflue municipali" (GB 18918-2002), con indicatori chiave (COD, BOD5, NH3-N, TP) che hanno raggiunto gli standard di Classe IV per "Standard di qualità ambientale per le acque superficiali" (GB 3838-2002). Hao Ruigang et al. ha utilizzato "Ossidazione a bio-contatto A/O + Flocculazione a vortice perforata + Sedimentazione a tubo inclinato + Filtrazione attiva della sabbia" nell'espansione di un impianto di acque reflue domestiche di una miniera di carbone, ottenendo una qualità degli effluenti migliore del Grado 1A. Yan Ziyu et al. ha inoltre ottenuto buoni risultati utilizzando processi di biofilm per aggiornare il trattamento delle acque reflue domestiche di una miniera di carbone esistente. Il processo AAO modificato consente aumenti di capacità e miglioramento della qualità degli effluenti negli impianti esistenti con modifiche minime.
Questo processo prevede l'aggiunta di trasportatori sospesi ai serbatoi anossici e aerobici, combinando i vantaggi dei processi a fanghi attivi e biofilm. È caratterizzato da un elevato carico volumetrico, da una grande biomassa, da un'elevata efficienza di trattamento, da una forte adattabilità ai processi di trattamento delle acque reflue, da una maggiore stabilità del processo e da una buona rimozione dei nutrienti. Forma biofilm attivi altamente specializzati, aumentando l'efficienza per volume e stabilità del reattore, consentendo reattori più piccoli. I fanghi del biofilm di depurazione contengono più protozoi/metazoi, hanno una densità maggiore e dimensioni delle particelle più grandi, con conseguente buona sedimentabilità e facile separazione dei solidi-liquidi. Consente la separazione completa SRT-HRT, elimina l'accumulo di fanghi ed è adatto per acque reflue ricche di sostanze organiche solubili.
2.1 Caso di studio
Una miniera di carbone nella città di Yan'an, a circa 16 km dalla città di Zichang, dispone di un impianto di trattamento delle acque reflue domestiche con una capacità progettata di 1.200 m³/giorno. Il processo è: "Schermo + Serbatoio di equalizzazione + AAO con vettori sospesi + Trattamento avanzato (Coagulazione-Sedimentazione-Filtrazione) + Disinfezione". I fanghi vengono trattati tramite "Ispessimento per gravità + Disidratazione con pressa a vite". L'effluente soddisfa i limiti più severi di *GB/T 18920-2020* e GB 50359-2016 per l'acqua di lavaggio del carbone. L'acqua trattata viene riutilizzata per il verde minerario e come acqua di reintegro nell'impianto di preparazione del carbone. La qualità dell'affluente/effluente del design è presenteTabella 1. Il flusso del processo è mostrato inFigura 1.
Le acque reflue passano attraverso uno schermo (spazio di 5 mm, angolo di installazione di 75 gradi) in un serbatoio di equalizzazione (L×L×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, profondità effettiva 2,95 m, volume 247,8 m³, HRT 4,13 h), soddisfacendo i requisiti GB 50810-2012. Due miscelatori impediscono la sedimentazione. Tre pompe sommergibili (2 duty +1 standby, Q=32.5 m³/h, H=17 m, N=4 kW) sollevano l'acqua verso i serbatoi biologici.
Il sistema biologico è costituito da due treni paralleli. Per treno:
- Serbatoio anaerobico: L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, profondità effettiva 4,5 m, HRT 1,5 h.
- Serbatoio anossico: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, profondità effettiva 4,25 m, HRT 2,83 h.
- Bombola aerobica: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, profondità effettiva 4,0 m, HRT 10,0 h. La HRT totale del sistema è 15,75 h. Nella vasca aerobica sono installati dei supporti sospesi (rapporto di riempimento 80%, superficie specifica 600 m²/m³). Il rapporto aria-a-acqua di progettazione è 13,7:1. Vengono utilizzati tre ventilatori Roots (2 duty +1 standby, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa). Il rapporto di riciclo dei fanghi è del 100%, il rapporto di riciclo dei liquori misti è del 200%.
Due chiarificatori secondari rettangolari periferici-ingresso/uscita (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m ciascuno) hanno un tasso di carico superficiale di 1,2 m³/(m²·h) e HRT di 2,5 h.
Un depuratore d'acqua integrato (che combina coagulazione, sedimentazione e filtrazione) fornisce un trattamento avanzato per l'ulteriore rimozione di SS e fosforo.
Il trattamento dei fanghi comprende l'ispessimento per gravità (serbatoio in acciaio al carbonio da Φ2,5 m×5,0 m) seguito dalla disidratazione con pressa a vite. La poliacrilammide (PAM) viene dosata a 3,0–5,0 kg/t di solidi secchi prima della disidratazione. La quantità giornaliera di fango disidratato è inferiore o uguale a 150 kg con un contenuto di umidità inferiore o uguale all'80%, trasportato fuori-sito.
La disinfezione utilizza un-generatore di ClO2 in loco (dosaggio efficace di cloro 120 g/h) dosato all'ingresso del pozzo trasparente. Il pozzo trasparente ha un volume effettivo di 250 m³, garantendo un tempo di contatto di 4,2 ore.
L'impianto è dotato di un ampio monitoraggio in linea (flussometri, cloro residuo, pH, DO, COD, torbidità, livello/concentrazione dei fanghi) e sistemi di controllo automatizzati per pompe, soffianti, controlavaggio, dosaggio di prodotti chimici e miscelazione, garantendo un funzionamento intelligente e non presidiato.
2.2 Analisi delle prestazioni
L'impianto ha completato la messa in servizio nel 2021 ed è operativo da oltre due anni. La qualità effettiva degli affluenti/effluenti nel 2024 è mostrata inTabella 2.
Il rapporto BOD5/N influente è 5,5, indicando acque reflue con un basso rapporto carbonio-e-azoto (C/N), che diminuisce ulteriormente in estate a causa delle infiltrazioni di precipitazioni e dei cambiamenti delle abitudini. Le temperature invernali estreme a Yan'an possono raggiungere i -21 gradi. La qualità effettiva degli effluenti è migliore di quella prevista, con tassi di rimozione che raggiungono: COD 97,8%, BOD5 99.7%, SS 99,7%, NH3-N 93,5%, TP 87,10%, rispettando gli standard per l'acqua e il lavaggio del carbone.
La massa di biofilm attivo nei serbatoi anossici/aerobici raggiunge i 125 g/m² di carrier, equivalente a un MLSS di 13 g/L-quattro volte quello dei fanghi attivi convenzionali. I microrganismi sono nella fase di respirazione endogena, con conseguente produzione giornaliera di fanghi di circa 1/3 rispetto ai metodi convenzionali, con una migliore sedimentabilità, consentendo apparecchiature di trattamento dei fanghi più piccole.
Sebbene l'ossidazione a bio-contatto possa funzionare senza riciclo dei fanghi, la ricerca di Xiong Ren et al. mostra che i sistemi con riciclo raggiungono tassi di rimozione più elevati per COD, TN, NH3-N, SS e riducono la resa dei fanghi del 29,6%. Questo progetto incorpora il riciclo del liquore misto, con flessibilità operativa basata sulla qualità dell'effluente.
L'impianto (1200 m³/g) occupa 1350,3 m², con un investimento di capitale di 20 milioni di CNY e costi operativi di 1,05 CNY/m³.
Rispetto all'AAO convenzionale, che richiede un SRT prolungato per un funzionamento efficace a bassa-temperatura, questo processo modificato mantiene la semplicità della rimozione simultanea dei nutrienti arricchendo al tempo stesso la comunità biologica di trasportatori. La separazione SRT-HRT migliora la bio-stabilità, garantendo un funzionamento affidabile in condizioni di basso C/N e bassa-temperatura. È possibile mantenere un effluente stabile con un riciclo dei fanghi minimo o nullo, consentendo la riduzione dei fanghi in-situ e minori costi di gestione dei fanghi. La sua semplicità e la mancanza di volume lo rendono particolarmente adatto al trattamento delle acque reflue domestiche delle miniere di carbone.
3. Ricerca di ottimizzazione per il processo AAO
I processi AAO modificati sono generalmente progettati in base ai parametri contenuti nello "Standard per la progettazione dell'ingegneria delle acque reflue all'aperto" (GB 50014-2021). Tuttavia, è necessaria l’ottimizzazione dei parametri operativi (HRT, SRT, aerazione, rapporti di riciclo, MLSS) specifici delle acque reflue delle miniere di carbone per identificare le condizioni ottimali per la progettazione e il funzionamento futuri.
Nell'AAO convenzionale, i fanghi vengono riciclati dal serbatoio aerobico a quello anaerobico, trasportando nitrati e un elevato DO, che possono compromettere la rimozione biologica del fosforo. Si può prendere in considerazione il processo dell'Università di Città del Capo (UCT), in cui i fanghi vengono riciclati nel serbatoio anossico, il liquore nitrificato nel serbatoio anossico e viene aggiunto un ulteriore riciclo dal serbatoio anossico a quello anaerobico per migliorare la rimozione del bio-P.
Il trattamento dei fanghi può rappresentare il 50–60% dei costi operativi di un impianto. Dovrebbero essere adottate tecnologie di riduzione dei fanghi in-situ. L'elevato MLSS nei bioserbatoi AAO modificati-porta a un elevato rapporto F/M, dove può verificarsi il disaccoppiamento del metabolismo, promuovendo la riduzione dei fanghi e abbassando i costi di gestione dei fanghi. L'attenzione futura dovrebbe essere focalizzata sull'applicazione di tecnologie di riduzione in-situ come la crescita criptica tramite micro-lisi, il processo di sedimentazione-ossica-anaerobica (OSA) e il disaccoppiamento del metabolismo nel trattamento delle acque reflue delle miniere di carbone.
Questo processo è adatto per l'ammodernamento degli impianti AAO esistenti nelle miniere di carbone. L'aggiunta di trasportatori ai serbatoi anossici/aerobici può migliorare la qualità degli effluenti, aumentare la capacità e migliorare la stabilità del sistema. Per gli impianti con requisiti di effluenti più severi, la sostituzione del chiarificatore secondario con un sistema MBR può migliorare ulteriormente la qualità dell’acqua.
4. Conclusione
- Il processo AAO modificato è adatto per aggiornare i sistemi AAO esistenti nelle miniere di carbone per migliorare la stabilità, aumentare la capacità o soddisfare standard più severi.
- Quando si trattano le acque reflue domestiche delle miniere di carbone, gli effluenti possono soddisfare contemporaneamente gli standard *GB/T 18920-2002* per l'irrigazione stradale/verde e gli standard GB 50359-2016 per l'acqua di lavaggio del carbone, dimostrando una forte adattabilità ai cambiamenti nella qualità e quantità dell'acqua.
- Il processo produce fanghi stabili con buona sedimentabilità e facile separazione, genera meno fanghi e riduce i costi di trattamento dei fanghi.