Effetti dell'operazione del progetto di ammodernamento dell'impianto di trattamento delle acque reflue a Tianjin
Un impianto di trattamento delle acque reflue a Tianjin è stato sottoposto a un progetto di ammodernamento e ristrutturazione adottando il processo Bardenpho-MBBR modificato, elevando la qualità degli effluenti dallo standard di Grado A specificato nello "Standard di scarico degli inquinanti per gli impianti di trattamento delle acque reflue municipali" (GB 18918-2002) allo standard di Classe A dello standard locale di Tianjin DB 12/599-2015. Il processo Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) prevede l'aggiunta di trasportatori sospesi MBBR nel reattore, fornendo siti per l'attacco microbico e la formazione di biofilm attaccati, aumentando così la biomassa effettiva nel sistema e ottenendo la rimozione degli inquinanti. Il processo MBBR offre vantaggi quali elevato carico di trattamento, forte resistenza ai carichi d'urto, prestazioni di trattamento stabili, gestione operativa semplice e funzionamento del processo flessibile. Un numero crescente di impianti di depurazione in Cina sta adottando il processo MBBR per la ristrutturazione. Questo articolo analizza le prestazioni operative di un impianto di depurazione di Tianjin dopo il suo ammodernamento, con l'obiettivo di fornire un riferimento per progetti di ammodernamento simili.
1. Attuale processo di rimozione biologica dell'azoto e del fosforo
Il serbatoio biologico originale utilizzava un processo A²/O con una capacità di trattamento di 12.500 t/giorno. L'età totale dei fanghi di progetto era di 14 giorni, la concentrazione di solidi sospesi in liquori misti (MLSS) era di 3.500 mg/l, la temperatura dell'acqua di progetto era di 10 gradi, la resa dei fanghi era di 0,936 kgSS/kgBOD e il carico dei fanghi era di 0,082 kgBOD/kgMLSS. La profondità effettiva dell'acqua del serbatoio biologico era di 6 m, con un volume totale del serbatoio di 9.052,2 m³ e un tempo di ritenzione idraulica totale (HRT) di 17,4 ore. La distribuzione della TOS era: zona di selezione 0,58 h, zona anaerobica 1,38 h, zona anossica 2,85 h, zona swing 0,92 h e zona aerobica 11,67 h. Il riciclo dei fanghi è stato del 100% e il riciclo interno dei liquori misti è stato del 300%. Il serbatoio biologico originale era costituito principalmente da sezioni anaerobiche-anossiche-aerobiche. I parametri operativi possono essere regolati in base alle condizioni dell'affluente e ai requisiti degli effluenti per ottenere la rimozione di azoto e fosforo, con una qualità dell'effluente conforme allo standard di grado A GB 18918-2002.
2. Panoramica del progetto di riqualificazione e ristrutturazione
Questo aggiornamento mirava a migliorare la qualità degli effluenti per soddisfare lo standard di Classe A dello standard locale di Tianjin "Standard di scarico di sostanze inquinanti per gli impianti di trattamento delle acque reflue municipali" (DB 12/599-2015). La qualità dell'affluente e dell'effluente progettata è mostrata inTabella 1. In base ai valori TN dell'affluente e dell'effluente di progetto, per ottenere un TN dell'effluente inferiore a 10 mg/l è necessario un tasso di denitrificazione del 75,6% nel sistema del serbatoio biologico. Il serbatoio biologico originale utilizzava una configurazione A²/O. I calcoli basati sulla configurazione originale del serbatoio indicavano che il rapporto di riciclo interno avrebbe dovuto aumentare dall'originale 200% al 310%, insieme all'aggiunta di una grande quantità di fonte esterna di carbonio. Ciò non solo aumenterebbe i costi operativi, ma anche il grande volume del flusso di riciclo interno potrebbe disturbare l’ambiente anossico. Ciò potrebbe far sì che l’effettiva HRT nella zona anossica sia inferiore al requisito minimo, influenzando l’efficienza della denitrificazione. Il processo MBBR potenzia la capacità di denitrificazione del sistema e migliora la qualità degli effluenti aggiungendo trasportatori sospesi per aumentare la concentrazione di biomassa all'interno del serbatoio, soddisfacendo così i requisiti di aggiornamento.
Senza modificare il volume del serbatoio biologico esistente, le zone funzionali interne del serbatoio biologico sono state riconfigurate. La configurazione A²/O originale (anaerobica-anossica-aerobica) è stata modificata in una configurazione Bardenpho a 6 fasi-: zona anaerobica, zona anossica, zona swing, zona aerobica, zona post-anossica e zona post-aerobica. Nello specifico, la zona di selezione originale è stata convertita in una zona anaerobica. La zona anaerobica originale, la zona swing (parte anteriore) e la zona anossica erano tutte utilizzate come zona pre-anossica. La metà anteriore del primo corridoio nella zona aerobica originale è stata adattata a una zona swing. Il primo, secondo e terzo corridoio aerobico originali sono stati convertiti nella zona MBBR, dove sono stati aggiunti vettori sospesi, insieme a sistemi di screening di ingresso/uscita e un sistema di aerazione ausiliario inferiore. Il quarto corridoio aerobico è stato convertito in una zona post-anossica. La zona di swing originale è stata suddivisa funzionalmente e adattata in zone post-anossica e post-aerobica. I parametri del serbatoio biologico ristrutturato sono mostrati inTabella 2.
Per quanto riguarda il funzionamento del processo, il liquore misto dalla zona aerobica viene riciclato alla zona anossica e all'interno della zona anossica viene aggiunta una fonte di carbonio. I batteri denitrificanti utilizzano la fonte di carbonio per la denitrificazione per rimuovere l'azoto nitrico prodotto nella zona aerobica. L'azoto nitrato residuo entra nella zona post-anossica, dove viene aggiunta un'ulteriore fonte di carbonio per continuare la denitrificazione. Dopo il rinnovamento, la concentrazione di solidi sospesi del liquore misto (MLSS) è 4.000 mg/L, il riciclo dei fanghi è del 50%–100%, il riciclo interno del liquore misto è del 200%–250% e l'ossigeno disciolto nella zona MBBR è di 2–5 mg/L. Il diagramma di flusso del processo dopo la ristrutturazione è mostrato inFigura 1.
3. Messa in servizio del sistema dopo la ristrutturazione del serbatoio biologico
Una volta completata la ristrutturazione del serbatoio biologico, è iniziata la fase di messa in servizio. I fanghi disidratati provenienti da un altro impianto di depurazione sono stati aggiunti al serbatoio biologico, aumentando rapidamente la concentrazione dei fanghi fino a superare i 3.000 mg/l in breve tempo. Ciò ha ridotto il periodo di coltivazione e acclimatazione dei fanghi, consentendo un rapido avvio del serbatoio biologico e il ripristino della sua capacità di rimozione di azoto e fosforo. Durante il periodo di prova, a causa del flusso di affluenti e delle concentrazioni di sostanze inquinanti relativamente bassi, il carico operativo effettivo era inferiore al carico di progetto. L'approccio consisteva innanzitutto nel coltivare e acclimatare i fanghi attivi fino a quando il sistema biologico non si fosse stabilizzato e la qualità degli effluenti non avesse soddisfatto gli standard, quindi aggiungere vettori MBBR per la formazione di biofilm.
Dopo che i trasportatori furono aggiunti alla sezione aerobica del serbatoio biologico, furono prima immersi. I microrganismi si attaccano gradualmente alle loro superfici. Visivamente, il colore della superficie del supporto è cambiato da bianco a un tenue giallo terroso man mano che più microrganismi si attaccavano e il biofilm diventava più denso. Il colore del supporto si è gradualmente approfondito. Due mesi dopo l'aggiunta del trasportatore, la formazione del biofilm era buona, con la superficie del trasportatore che appariva giallastra-marrone e il colore gradualmente più scuro. Quattro mesi dopo l'aggiunta del trasportatore, il biofilm sulla superficie del trasportatore appariva marrone scuro ed era denso. La progressione della formazione del biofilm potrebbe essere osservata intuitivamente in base ai cambiamenti nel colore del supporto, come mostrato inFigura 2. Nel dicembre 2021, l'esame microscopico dei fanghi attivi del serbatoio biologico e dei fanghi dei trasportatori ha rivelato strutture fiocchi compatte con buone proprietà di adsorbimento e sedimentazione. Visivamente, i trasportatori mostravano un'evidente formazione di biofilm. L'esame microscopico ha identificato organismi come Vorticella, Opercularia ed Epistylis, con avvistamenti occasionali di alcuni ciliati mobili, indicando il completamento della fase di formazione del biofilm.
4. Prestazioni operative dopo la ristrutturazione del serbatoio biologico
4.1 Prestazioni di rimozione per COD e BOD dopo la ristrutturazione
I valori COD e BOD degli effluenti per il 2022 sono mostrati inFigura 3. Il COD dell'effluente variava da 10,2 a 24,9 mg/L, con una media di 18,0 mg/L. Il BOD dell'effluente variava da 2,1 a 4,9 mg/L, con una media di 3,4 mg/L. Sia il COD che il BOD degli effluenti soddisfacevano stabilmente lo standard locale di Classe A di Tianjin. Il sistema rinnovato non solo ha dimostrato buone prestazioni di rimozione di COD e BOD, ma ha anche mantenuto livelli di COD e BOD degli effluenti stabili e conformi durante la stagione delle piene, anche quando il carico effettivo di affluenti dell'impianto ha raggiunto il 110% della sua capacità progettata. Ciò indica che il sistema possiede una buona resistenza ai carichi d'urto.
4.2 Prestazioni di rimozione per TN e NH₃-N dopo la ristrutturazione
Sono mostrati i valori TN e NH₃-N degli effluenti per il 2022Figura 4. Il TN variava da 3,72 a 8,74 mg/L, con una media di 6,43 mg/L. NH₃-N variava da 0,02 a 1,25 mg/L, con una media di 0,12 mg/L. Durante il funzionamento invernale, a causa delle temperature più basse, i tassi di nitrificazione e denitrificazione sono diminuiti. In pratica, la concentrazione dei fanghi è stata aumentata fino a superare i 6.000 mg/l. Il funzionamento ad elevata concentrazione di fanghi è vantaggioso per migliorare la resistenza del sistema biologico ai carichi d'urto, soprattutto a basse temperature. La sinergia tra l'elevata concentrazione di fanghi e il biofilm attaccato ai supporti MBBR migliora l'effetto di trattamento del sistema biologico.
I portatori MBBR forniscono un ambiente favorevole per le comunità microbiche, supportandone la crescita e la riproduzione. Dopo l'acclimatazione e la maturazione, la capacità di nitrificazione e denitrificazione del biofilm si rafforza. I microrganismi si attaccano e crescono a strati sulla superficie del supporto, aumentando la densità della zoogloia e formando strutture di fango grandi, dense e rapidamente stabili. Di fronte a cambiamenti esterni della qualità dell'acqua, i microrganismi sulla superficie del vettore secernono sostanze polimeriche extracellulari (EPS) per autoprotezione, riducendo così l'impatto dei cambiamenti improvvisi della qualità dell'acqua sui microrganismi dello strato interno-.
Negli impianti di depurazione che utilizzano il processo MBBR, sono stati osservati fenomeni simultanei di nitrificazione e denitrificazione (SND) nella zona del trasportatore aerobico. Il test dei valori TN dell'affluente e dell'effluente dalla zona del trasportatore aerobico ha rivelato una differenza di 2–6 mg/L. Questa differenza era più pronunciata, soprattutto quando l'ossigeno disciolto nella vasca aerobica era controllato al di sotto di 2 mg/l, indicando un SND più significativo in condizioni di basso ossigeno disciolto. L'effluente TN della vasca di sedimentazione secondaria ha pienamente soddisfatto gli standard, il che significa che la rimozione del TN è stata completata nella fase di trattamento biologico. Nel funzionamento effettivo, il filtro denitrificante-del letto profondo funziona come un processo di salvaguardia. In condizioni normali, funziona come un normale filtro per garantire che gli indicatori SS soddisfino gli standard.
4.3 Prestazioni di rimozione per TP e SS dopo la ristrutturazione
I valori TP e SS degli effluenti per il 2022 sono mostrati inFigura 5. Il TP degli effluenti dell'impianto di depurazione variava da 0,04 a 0,22 mg/l, con una media di 0,10 mg/l. La SS dell'effluente variava da 1 a 4 mg/L, con una media di 2,2 mg/L. Dopo l'aggiornamento, il TP dell'effluente del serbatoio di sedimentazione secondaria era di circa 1,0 mg/L e l'SS di circa 26 mg/L. Aggiungendo cloruro ferrico e PAM nel serbatoio di sedimentazione ad alta-efficienza per migliorare la coagulazione e attraverso un'ulteriore purificazione nel filtro denitrificante a letto profondo-, l'effluente TP e SS hanno soddisfatto stabilmente lo standard locale di Classe A di Tianjin e il valore del colore è stato significativamente ridotto.
5. Conclusione
Per soddisfare lo standard locale di Classe A di Tianjin, il processo A²/O originale presso l'impianto di depurazione è stato trasformato in una configurazione Bardenpho a cinque-stadi, incorporando il processo MBBR nella sezione aerobica per migliorare la rimozione dell'azoto biologico, riducendo TN e NH₃-N dell'effluente. Durante la stagione delle piene con flusso eccessivo, tutti gli indicatori hanno soddisfatto stabilmente gli standard, dimostrando una buona resistenza agli urti. Dopo il rinnovamento del serbatoio biologico, il rapporto di riciclo interno era del 200%–300%, il riciclo dei fanghi esterni era del 50%–100%, la concentrazione dei fanghi era di 4.000–6.000 mg/L, l'ossigeno disciolto nella zona aerobica era controllato a 3–5 mg/L e l'ossigeno disciolto nella zona anaerobica era controllato a 0,2–0,5 mg/L. Nel 2022, la qualità degli effluenti dell'impianto di depurazione era: COD 10,2–24,9 mg/L, media 18,0 mg/L; BOD 2,1–4,9 mg/L, media 3,4 mg/L; NH₃-N 0,02–1,25 mg/L, media 0,12 mg/L; TN 3,72–8,74 mg/L, media 6,43 mg/L; TP 0,04–0,22 mg/L, media 0,1 mg/L; SS 1–4 mg/L, media 2,2 mg/L. Tutti hanno soddisfatto stabilmente lo standard di Classe A dello standard locale di Tianjin "Standard di scarico di sostanze inquinanti per gli impianti municipali di trattamento delle acque reflue" (DB 12/599-2015).