Caso di studio del processo MBBR+ACCA per l'ammodernamento e la ricostruzione di un impianto di trattamento delle acque reflue urbane
Nel contesto del boom economico cinese, il ritmo dell’industrializzazione e dell’urbanizzazione ha subito un’accelerazione significativa. Questo processo è inevitabilmente accompagnato da un aumento di anno in anno-su-dello scarico di acque reflue industriali e domestiche, che esacerba i problemi di inquinamento dell'acqua e incide sulla costruzione di una civiltà ecologica e sostenibile in Cina. Con l’attuazione completa del Piano d’azione per la prevenzione e il controllo dell’inquinamento idrico, sono stati imposti requisiti di scarico più severi agli impianti di trattamento delle acque reflue urbane in tutto il Paese. Gli standard locali in alcune città hanno raggiunto una qualità dell'acqua quasi-Classe IV e, per gli effluenti scaricati in corpi idrici sensibili, alcuni indicatori individuali si stanno gradualmente avvicinando allo standard di Classe III per le acque superficiali. Tuttavia, gli inquinanti residui nelle acque reflue urbane dopo il trattamento biologico sono principalmente composti organici non-biodegradabili con scarsa biodegradabilità. Affidarsi esclusivamente alle tradizionali tecnologie di miglioramento biologico è diventato insufficiente per soddisfare gli standard di emissione sempre più rigorosi.
Il coke attivato possiede un sistema mesoporoso altamente sviluppato in grado di adsorbire gli inquinanti macromolecolari presenti nell'acqua. Con elevata resistenza meccanica, stabilità, buone prestazioni di assorbimento e costi relativamente economici, è stato ampiamente applicato nel trattamento delle acque reflue industriali difficili da biodegradare. Negli ultimi anni, la tecnologia di filtrazione che utilizza coke attivo come mezzo ha trovato anche alcune applicazioni nel trattamento avanzato degli impianti di acque reflue municipali, ottenendo buoni risultati nella rimozione definitiva degli inquinanti. Combinando un esempio ingegneristico tratto da un progetto di ammodernamento di un impianto di trattamento delle acque reflue nella provincia di Henan, l'autore ha adottato il processo MBBR+ACCA (Activated Coke Circifying Adsorption) per aggiornare il trattamento delle acque reflue urbane. Gli indicatori COD, NH₃-N e TP dell'effluente soddisfacevano lo standard sull'acqua GB 3838-2002 Classe III, fornendo un riferimento per progetti di ammodernamento in altri impianti di trattamento delle acque reflue.
1. Situazione di base dell'impianto di trattamento delle acque reflue
La capacità di progettazione totale di questo impianto di trattamento delle acque reflue è di 50.000 m³/d, comprendente una capacità di progettazione di Fase I di 18.000 m³/d e una capacità di progettazione di Fase II di 32.000 m³/d. Tratta principalmente i liquami domestici urbani e una piccola quantità di acque reflue industriali. Nel 2012 è stato completato un aggiornamento, con l'effluente che soddisfa lo standard di grado 1A dello standard di scarico degli inquinanti per gli impianti di trattamento delle acque reflue municipali GB 18918-2002. Il processo principale è AO multi-stadio + filtro di denitrificazione + serbatoio di sedimentazione ad alta densità. Il flusso del processo è mostrato inFigura 1.
Attualmente l’impianto di trattamento delle acque reflue funziona quasi a piena capacità. Sulla base dei dati operativi attuali, con una buona manutenzione dell'impianto, la qualità degli effluenti può essere mantenuta stabilmente allo standard GB 18918-2002 Grado 1A. Le concentrazioni degli effluenti per COD, BOD₅, NH₃-N, TN e TP variano rispettivamente da 21,77-42,34 mg/L, 1,82-4,15 mg/L, 0,13-1,67 mg/L, 8,86-15,74 mg/L e 0,19-0,42 mg/L.
Prima dell'ammodernamento, l'impianto si trovava ad affrontare i seguenti problemi: 1) L'invecchiamento e i filtri danneggiati nella sezione di pretrattamento consentivano ad alcuni detriti galleggianti di entrare nei serbatoi biologici, intasando facilmente le pompe e compromettendo il successivo trattamento; 2) Rimozione instabile del TN durante le basse temperature invernali e fluttuazioni significative nella qualità e quantità dell'acqua; 3) Volume insufficiente del serbatoio nei serbatoi biologici di Fase I e irragionevole partizionamento della zona anossica, che porta a una scarsa efficienza di rimozione del TN e a un elevato dosaggio chimico per la successiva aggiunta di fonte di carbonio; 4) Il sistema di aerazione originale utilizzava ventilatori centrifughi tradizionali ormai obsoleti e ad alto consumo energetico; 5) Grave intasamento dei media filtranti nei filtri di denitrificazione, controlavaggio incompleto e difficoltà di funzionamento stabile; 6) Frequenti guasti alle apparecchiature di miscelazione e agitazione nei serbatoi di sedimentazione ad alta-densità; 7) Frequenti guasti alle due filtropresse a nastro esistenti per la disidratazione dei fanghi, elevato contenuto di umidità dei fanghi disidratati, grandi volumi di fanghi ed elevati costi di smaltimento dei fanghi; 8) Mancanza di strutture per il controllo degli odori nei sistemi di pretrattamento e trattamento dei fanghi; 9) Sistema di controllo centrale obsoleto con capacità di archiviazione dati limitata e perdita della maggior parte delle funzioni operative remote.
2. Progettare la qualità dell'acqua
Considerando anni di dati operativi sulla qualità dell'acqua provenienti dall'impianto, con un livello di confidenza del 90% e includendo un certo margine, è stata determinata la qualità dell'influente di progetto. In base ai requisiti di qualità ambientale del corpo idrico ricevente, gli effluenti migliorati COD, BOD₅, NH₃-N e TP devono soddisfare lo standard per l'acqua GB 3838-2002 Classe III, mentre TN e SS aderiranno allo standard originale. Le qualità dell'affluente e dell'effluente del progetto sono mostrate inTabella 1.
3. Aggiornamento del concetto e del flusso del processo
3.1 Concetto di aggiornamento
In base alla qualità dell'effluente di progetto, questo aggiornamento stabilisce requisiti più elevati per COD, BOD₅, NH₃-N e TP. Considerando l'attuale processo dell'impianto, le caratteristiche della qualità dell'acqua e i problemi esistenti, l'attenzione si concentra su una maggiore rimozione di COD, NH₃-N e TP garantendo al tempo stesso una rimozione stabile del TN. Inoltre, lo spazio disponibile limitato all'interno dell'impianto esistente richiede il pieno sfruttamento del potenziale delle strutture esistenti attraverso il rinnovamento delle apparecchiature, l'intensificazione dei processi e il rinnovamento, con l'obiettivo di rimuovere efficacemente COD, NH₃-N, TN e TP. Pertanto, l'utilizzo dei serbatoi AO multi-stadio originali e l'aggiunta di vettori sospesi per formare un processo MBBR a fanghi attivati con biofilm ibrido- può migliorare efficacemente la stabilità del trattamento e la resistenza ai carichi d'urto. La lunga età dei fanghi del biofilm sui supporti è adatta alla crescita dei nitrificanti e al mantenimento di elevate concentrazioni di nitrificanti, migliorando significativamente la capacità di nitrificazione del sistema. Il denso biofilm all'interno dei carrier ha una lunga età del fango e ospita consistenti popolazioni di batteri nitrificanti e denitrificanti, consentendo la simultanea nitrificazione-denitrificazione (SND) e rafforzando così la rimozione dei TN. Pertanto, il processo MBBR è-adatto per l'aggiornamento di questo impianto.
Sulla base di un'esperienza simile in progetti di aggiornamento, per garantire una conformità stabile per COD e TP, sono ancora necessari ulteriori impianti di trattamento di salvaguardia oltre al processo esistente abbinato a MBBR. Il coke attivato, essendo un materiale poroso, mostra prestazioni di adsorbimento più significative rispetto al carbone attivo, rimuovendo efficacemente COD, SS, TP, colore, ecc. Inoltre, il coke attivato biologicamente può utilizzare microrganismi attaccati per degradare la materia organica, consentendo la rigenerazione dei siti di adsorbimento mentre adsorbono gli inquinanti. Questo meccanismo di equilibrio dinamico consente un funzionamento del sistema duraturo e stabile. Il processo ACCA (Activated Coke Circuring Adsorption) utilizza coke attivato come mezzo, integrando filtrazione e adsorbimento. Utilizza aria compressa per sollevare e pulire il media filtrante. Attraverso la suddivisione in zone del flusso-inverso e la progettazione del flusso uniforme, garantisce il pieno contatto tra coke attivato e acque reflue, ottenendo il massimo miglioramento della qualità dell'acqua e garantendo la conformità stabile degli effluenti.
Le apparecchiature obsolete e difettose dell'impianto verranno sostituite con apparecchiature tecnologicamente avanzate ed efficienti dal punto di vista energetico-per ridurre i costi operativi. Nello specifico, gli schermi di pretrattamento verranno sostituiti con schermi fini alimentati internamente per intercettare capelli e fibre, prevenendo l'intasamento degli schermi di ritenzione del vettore MBBR.
3.2 Flusso del processo
Il flusso del processo aggiornato è mostrato inFigura 2. Per soddisfare i requisiti di prevalenza è stata aggiunta una nuova stazione di pompaggio. Un filtro di tipo V-di nuova costruzione funge da unità di pretrattamento per il successivo adsorbimento di coke attivato, garantendo la stabilità del sistema ACCA. L'acqua grezza passa attraverso filtri e camere di sabbia per rimuovere sostanze galleggianti, peli e particolati prima di entrare nei serbatoi biologici ibridi MBBR per una migliore rimozione dell'azoto. Il liquore miscelato entra quindi nei chiarificatori secondari per la separazione dei solidi. Il surnatante viene sollevato tramite la nuova stazione di pompaggio nei filtri di denitrificazione e nei serbatoi di sedimentazione ad alta-densità. L'effluente viene quindi sollevato dalla nuova stazione di pompaggio nel filtro di tipo V-e nei serbatoi di adsorbimento del coke attivato a due-stadi per un trattamento avanzato, rimuovendo ulteriormente COD, TP, SS, colore, ecc. L'effluente finale viene disinfettato prima dello scarico.
4. Parametri di progettazione delle principali unità di trattamento
4.1 Serbatoi biologici
I serbatoi biologici esistenti della Fase I sono divisi in due gruppi con un volume del serbatoio relativamente piccolo ma una struttura solida. Pertanto, per questo aggiornamento, pur rispettando i requisiti di prevalenza, le pareti del serbatoio sono state rialzate di 0,5 m. Dopo la ristrutturazione, il volume effettivo totale è di 10.800 m³, con una HRT totale di 14,4 ore e una HRT in zona anossica di 6,4 ore, aumentando il tempo di ritenzione anossica per migliorare la rimozione del TN. I serbatoi biologici esistenti di Fase II hanno un volume effettivo di 19.600 m³, una HRT totale di 14,7 ore e una HRT in zona anossica di 6,8 ore. Questo progetto prevedeva la sostituzione dei sistemi di aerazione e di alcuni vecchi miscelatori sommergibili nei serbatoi biologici di Fase I e II, nonché l'aggiunta di trasportatori sospesi e schermi di ritenzione. I supporti sono realizzati in poliuretano o altri materiali compositi ad alte-prestazioni, con una specifica cubica di 24 mm, una superficie specifica di 4.000 m²/m³ e un rapporto di riempimento del 20%. L'AOR del sistema di trattamento biologico è di 853,92 kg O₂/h, con una portata d'aria di 310,36 Nm³/min.
4.2 Stazione di pompaggio di sollevamento e serbatoio delle acque reflue
È stata costruita una nuova stazione di pompaggio per pompare gli effluenti dai serbatoi di sedimentazione ad alta-densità al filtro di tipo V-per un ulteriore trattamento. Un serbatoio delle acque reflue immagazzina le acque reflue del controlavaggio provenienti dai filtri. Piccole pompe vengono utilizzate per pompare uniformemente le acque reflue del controlavaggio nei serbatoi biologici di Fase II per evitare carichi d'urto. Sono state installate tre pompe di sollevamento secondarie (2 di servizio + 1 standby, Q=1,300 m³/h, H=12 m, N=75 kW), con controllo del convertitore di frequenza (VFD). Il serbatoio delle acque reflue di controlavaggio è dotato di 2 pompe di trasferimento (1 di servizio + 1 standby, Q=140 m³/h, H=7 m, N=5.5 kW) e un miscelatore sommergibile (N=2.2 kW) per prevenire la sedimentazione.
4.3 V-Filtro tipo
È stato costruito un nuovo filtro di tipo V- con dimensioni strutturali di 36,9 m (L) × 29,7 m (L) × 8,0 m (A). Utilizza media filtranti omogenei in sabbia di quarzo. Il filtro è diviso in 6 celle disposte su due file. Il tubo di uscita di ciascuna cella è dotato di una valvola di regolazione elettrica per controllare il funzionamento a livello dell'acqua costante. Il processo di controlavaggio può essere regolato tramite PLC. La velocità di filtrazione di progetto è di 7,0 m/h, la velocità di filtrazione forzata è di 8,4 m/h e l'area di filtraggio a cella singola-è di 49,4 m². L'intensità dell'acqua di controlavaggio è di 11 m³/(m²·h), l'intensità dell'aria di controlavaggio è di 55 m³/(m²·h) e l'intensità di spazzamento della superficie è di 7 m³/(m²·h). La durata del controlavaggio è di 10 minuti. Il ciclo di controlavaggio è di 24 ore (regolabile), lavando una cella alla volta. La dimensione della sabbia di quarzo è 1-1,6 mm con k₈₀ < 1,3. Vengono utilizzate piastre filtranti monolitiche colate-sul posto.
4.4 Serbatoi di adsorbimento di coke attivato
È stato costruito un nuovo serbatoio di adsorbimento di coke attivato con dimensioni strutturali di 49,5 m (L) × 30,15 m (L) × 11,0 m (H). Utilizza una configurazione di filtraggio a due-stadi con un totale di 36 celle, 18 celle per fase. La velocità di filtrazione massima è di 6,02 m³/(m²·h), con una media di 4,63 m³/(m²·h). Le dimensioni della cella singola del primo-stadio- sono L×L×A=5.0 m × 5,0 m × 11,0 m, con un tempo di contatto con il letto vuoto (EBCT) di 1,4 h. Le dimensioni della singola cella del secondo-stadio-sono L×L×A=5.0 m × 5,0 m × 9,5 m, con un EBCT di 1,08 h. L'impianto utilizza 2.000 tonnellate di coke attivo con granulometria 2-8 mm, dotato di lavacoke mobili, distributori d'acqua, stramazzi di ingresso/uscita, ecc.
4.5 Costruzione di Coca Cola attivata
È stato costruito un nuovo edificio per il coke attivato per immagazzinare coke attivato e fornirlo ai serbatoi di adsorbimento. Le dimensioni strutturali sono 33,5 m (L) × 13,0 m (L) × 6,5 m (A). Le principali apparecchiature ausiliarie includono: 1 vaglio vibrante per la disidratazione del coke attivato, 3 pompe di alimentazione del coke (2 di servizio + 1 standby, Q=40 m³/h, H=25 m, N=7.5 kW), 2 pompe di scarico del filtrato (1 di servizio + 1 standby, Q=120 m³/h, H=20 m, N=18.5 kW), 2 compressori d'aria (1 servizio + 1 standby, Q=7.1 m³/min, N=37 kW) e un serbatoio del ricevitore dell'aria (V=2 m³, P=0.8 MPa).
4.6 Locale di disidratazione piastre-e-telaio
Una nuova sala di disidratazione a piastre-e-telaio è stata costruita accanto alla sala di disidratazione dei fanghi esistente. A causa dei limiti di spazio, è stato configurato un set di filtropressa a piastre-e-telaio (area filtro 300 m²), che funge da backup per il filtropressa a nastro. Le strutture ausiliarie includono un serbatoio di condizionamento (volume effettivo 80 m³). La quantità di fango è di 6.150 kg DS/giorno, con un contenuto di umidità del fango di alimentazione ispessito del 97% e un contenuto di umidità del panello disidratato del 60%. Le principali attrezzature ausiliarie includono: 2 pompe di alimentazione (1 servizio + 1 standby, Q=60 m³/h, H=120 m, N=7.5 kW), 2 pompe per l'acqua pressata (1 servizio + 1 standby, Q=12 m³/h, H=187 m, N=11 kW), 1 pompa di lavaggio (Q=20 m³/h, H=70 m, N=7.5 kW), 2 pompe dosatrici (1 di servizio + 1 standby, Q=4 m³/h, H=60 m, N=3 kW), 1 compressore d'aria (Q=3.45 m³/min, N=22 kW), 1 set di serbatoio del ricevitore d'aria (V=5 m³, P=1.0 MPa) e 1 set di unità di preparazione PAM (Q=2 m³/h, N=1.5 kW).
4.7 Sistema di controllo degli odori
È stato aggiunto un nuovo sistema di controllo degli odori di biofiltrazione con una portata d'aria di progetto di 12.000 m³/h. I tubi in plastica rinforzata con vetro (GRP) vengono utilizzati per raccogliere e trattare gli odori provenienti dai sistemi di pretrattamento e trattamento dei fanghi. Per sigillare le apparecchiature di pretrattamento vengono utilizzati telai in acciaio inossidabile e pannelli di resistenza in PC.
4.8 Altri aggiornamenti della struttura
- Sostituiti con 2 vagli fini alimentati internamente con apertura 5 mm, con coclee e serbatoio acqua di lavaggio, V=10 m³ e 2 pompe acqua di lavaggio (1 duty + 1 standby, Q=25 m³/h, H=70 m, N=11 kW).
- Sostituito con 4 ventilatori a sospensione pneumatica più efficienti, controllati da VFD (3 duty + 1 standby, Q=130 m³/min, P=63 kPa, N=150 kW).
- Sostituito il media filtrante nei filtri denitrificatori esistenti con 1.800 m³ di media ceramico (granulometria 3-5 mm).
- Sostituiti 2 agitatori di miscelazione nei serbatoi di sedimentazione ad alta-densità (velocità 60-80 giri/min, N=5.5 kW), 4 agitatori di flocculazione (velocità 10-20 giri/min, N=2.2 kW) e i sedimentatori a tubi (260 m²).
- Sostituito il filtropressa a nastro con un nastro largo 2 m e un compressore d'aria corrispondente, 1 set.
- Utilizzando la sala di controllo centrale originale, attrezzature e strumenti aggiornati e un controllo centralizzato consolidato, è stato creato un sistema di comunicazione dati a livello di stabilimento-per ottenere la comunicazione dei dati tra la sala di controllo centrale e le sottostazioni, nonché l'automazione del controllo del processo di produzione.
5. Prestazioni operative e indicatori tecnico{{1}economici
5.1 Prestazioni operative
Dopo il completamento di questo progetto di aggiornamento, tutte le unità di trattamento hanno funzionato stabilmente. Sono riportati i dati di monitoraggio della qualità delle acque influenti ed effluenti per il 2023Tabella 2.
Come mostrato, le concentrazioni medie degli effluenti per COD, NH₃-N, TN, TP e SS erano 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 e 2,63 mg/L, con tassi di rimozione medi rispettivamente del 95,16%, 99,45%, 77,31%, 94,75% e 97,38%. Il COD, l'NH₃-N e il TP dell'effluente soddisfacevano costantemente lo standard dell'acqua GB 3838-2002 Classe III.
Il progetto aggiornato è operativo da quasi due anni. I risultati indicano che il processo MBBR+ACCA è stabile, efficiente e produce effluenti di alta-qualità, dimostrando una forte resistenza ai carichi d'urto e alle condizioni di bassa-temperatura. Anche con una temperatura minima invernale dell'acqua di 9,4 gradi e fluttuazioni significative della qualità dell'acqua, la qualità degli effluenti è rimasta stabile e ha soddisfatto gli standard di scarico. Prima e dopo l’aggiornamento, il dosaggio della fonte di carbonio non è aumentato, ma la rimozione del TN è stata significativamente migliorata. Questo perché, da un lato, i microrganismi nitrificanti attaccati ai trasportatori MBBR crescono e si accumulano in un ambiente aerobico stabile, portando a una nitrificazione più completa. D'altra parte, il nitrato è stato ulteriormente rimosso nei serbatoi MBBR aggiornati e nei serbatoi anossici. Il sistema ACCA finale funge da salvaguardia, assorbendo e rimuovendo ulteriormente COD, TP, SS ecc. recalcitranti, rendendo la qualità dell'effluente più stabile. Inoltre, dopo l'implementazione del progetto, l'impianto può produrre acqua depurata di alta-qualità, ponendo le basi per il futuro riutilizzo dell'acqua.
5.2 Indicatori tecnici-economici
L'investimento totale per questo progetto è stato di 86.937.600 RMB, compresi costi di costruzione e installazione di 74.438.500 RMB, altre spese di 7.593.500 RMB, costi imprevisti di 4.101.600 RMB e capitale circolante iniziale di 804.000 RMB. Dopo un funzionamento stabile del sistema, il costo aggiuntivo dell'elettricità per l'intero impianto è di 0,11 RMB/m³, il costo del coke attivato è di 0,39 RMB/m³, con un conseguente aumento totale dei costi operativi di circa 0,50 RMB/m³.
6. Conclusione
- Questo progetto ha implementato il rinnovamento delle apparecchiature, l'intensificazione dei processi e il rinnovamento presso l'impianto di trattamento delle acque reflue esistente e ha aggiunto un trattamento avanzato, migliorando l'efficienza di rimozione di COD, NH₃-N, TN e TP.
- Dopo l'aggiornamento, utilizzando il processo principale "MBBR+ACCA", il COD dell'effluente, NH₃-N e TP sono migliorati stabilmente dal Grado 1A allo standard di Classe III delle acque superficiali e la rimozione di TN è stata significativamente migliorata.
- La pratica dimostra che questo processo funziona in modo stabile ed efficiente, è resistente agli shock di carico, produce effluenti di alta-qualità e aggiunge un costo operativo di circa 0,50 RMB/m³. Può servire da riferimento per progetti di ammodernamento e iniziative di riutilizzo dell'acqua in altri impianti di trattamento delle acque reflue.