Confronto tra i processi AO a due-fasi e i processi AO a tre-fasi: un'analisi Prospettiva
Attualmente, la maggior parte degli impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP) in Cina adotta processi basati su fanghi attivi-per il trattamento delle acque reflue. Di questi, quasi la metà utilizza il processo Anoxic-Oxic (AO). Il processo AO offre vantaggi come funzionamento stabile e basso costo. Tuttavia, la sua efficienza di rimozione dell’azoto totale (TN), che generalmente varia dal 60% all’80%, è limitata dai rapporti di riciclo interno. Con requisiti nazionali sempre più rigorosi per la rimozione dell'azoto, i processi AO convenzionali a fase singola spesso hanno difficoltà a soddisfare le richieste di trattamento TN. Sono così emersi processi AO a più-fasi. Collegando in serie due o più stadi AO, il nitrato prodotto nello stadio aerobico precedente fornisce il substrato per la denitrificazione nel successivo stadio anossico. Ciò raggiunge l'obiettivo di ridurre il rapporto di riciclo interno migliorando al contempo la rimozione complessiva del TN. Tuttavia, fasi eccessive possono anche aumentare la complessità operativa. Di conseguenza, le configurazioni più comunemente applicate in Cina sono attualmente i processi AO a due-e tre-fasi. Questo articolo presenta un'analisi comparativa dei processi AO a due-e tre-stadi utilizzando un impianto di depurazione nella Cina meridionale come caso di studio, con l'obiettivo di fornire un riferimento per la selezione di percorsi tecnici in progetti simili.
1 Panoramica del progetto
Un impianto di trattamento delle acque nel sud della Cina copre un'area totale di 8 ettari. La sua capacità di progetto originale era di 90.000 m³/giorno, con una qualità dell'effluente richiesta per soddisfare sia lo standard di Grado A dello "Standard di scarico degli inquinanti per gli impianti municipali di trattamento delle acque reflue" (GB 18918-2002) sia i "Limiti di scarico degli inquinanti idrici" della provincia di Guangdong (DB 44/26-2001) (di seguito denominato "Quasi-Class V"). L'impianto funzionava a pieno regime. Secondo la pianificazione pertinente era necessario un ampliamento. I futuri standard degli effluenti, basati sullo stato attuale, dovevano considerare un fabbisogno a lungo termine di TN inferiore o uguale a 10 mg/L. Considerando complessivamente le condizioni reali del sito, la scala di costruzione civile per questa espansione è stata fissata a 70.000 m³/d. L'impianto funzionerà a 50.000 m³/giorno nel breve termine e raggiungerà i 70.000 m³/giorno nel lungo termine, portando la capacità di trattamento totale dell'impianto a 160.000 m³/giorno. La qualità progettata dell'acqua affluente ed effluente è mostrata inTabella 1.
A causa dei vincoli del sito, il piano preliminare per l'espansione ha adottato il percorso del processo "Multi-AO + Peripheral-In Peripheral-Out Rectangular Sedimentation Tank + High-Sedimentation Tank + Fiber Plate-and-Frame Filter". Le strutture civili di tutte le unità principali sono state costruite per la scala di 70.000 m³/d, mentre sono state installate le apparecchiature per la capacità di 50.000 m³/d. Il serbatoio biologico impiegherebbe un processo AO a più-fasi nel breve termine. Nel lungo termine, l'aggiunta di vettori sospesi creerebbe un processo ibrido di fanghi attivi con biofilm-per soddisfare la domanda di espansione della capacità del 40%. Per questo progetto, sono state considerate le condizioni idrauliche per la scala di 70.000 m³/d, mentre il trattamento biologico è stato progettato per la scala di 50.000 m³/d. Poiché questo progetto intendeva adottare un processo AO a più-fasi, è stato condotto un confronto tra AO a due-e tre-fasi.
2 Confronto tra processi AO a due-fasi e a tre-fasi
2.1 Flusso del processo
Il principio fondamentale del processo AO multi-fase è quello di utilizzare il nitrato prodotto nella precedente fase aerobica per la denitrificazione nella successiva fase anossica, riducendo così il rapporto di riciclo interno. In teoria, più fasi portano a una migliore rimozione del TN, ma il controllo diventa più complesso. Nella pratica ingegneristica, l'AO a due- e tre-stadi è predominante. I relativi flussi di processo sono mostrati inFigura 1. Per un AO a due-fasi, il riciclo interno viene generalmente progettato all'interno della prima fase AO. Per un AO a tre-fasi, generalmente non viene utilizzato il riciclo interno. Gli impianti di depurazione di Pechino che utilizzano il processo AO a due-fasi includono Qinghe (400.000 m³/giorno), Xiaohongmen (500.000 m³/giorno), Gao'antun (400.000 m³/giorno), Dingfuzhuang (200.000 m³/giorno) e Huaifang (600.000 m³/giorno). Questo processo offre vantaggi quali attrezzature semplici, bassi costi operativi e di manutenzione, forte resistenza ai carichi d'urto ed elevata compatibilità con altri processi, facilitando futuri aggiornamenti per soddisfare standard di effluenti più elevati. Teoricamente, un'AO a tre-fasi in serie può eliminare la necessità di apparecchiature di riciclo interne, consentire un'allocazione più razionale delle fonti di carbonio e ridurre i costi di investimento e operativi. Questo processo viene applicato principalmente in scenari con sufficienti fonti di carbonio ed elevate richieste di rimozione dell'azoto. Casi tipici includono l'impianto di depurazione di Qujing nello Yunnan (80.000 m³/giorno), l'impianto di depurazione urbano del distretto di Ninghe a Tianjin (90.000 m³/giorno), l'impianto di depurazione Zhangguizhuang a Tianjin (200.000 m³/giorno) e l'impianto di recupero di Daoxianghu a Pechino (80.000 m³/giorno).
2.2 Confronto dei processi
Considerando che non sono disponibili terreni aggiuntivi per futuri aggiornamenti in questo sito e che alcuni nuovi progetti locali stanno già implementando uno standard TN per gli effluenti inferiore o uguale a 10 mg/L, il confronto del processo ha considerato un effluente del serbatoio biologico TN inferiore o uguale a 10 mg/L per accogliere la possibilità di ulteriori requisiti rigorosi per gli effluenti in futuro. Altri indicatori hanno aderito alla qualità dell'effluente di progetto. In base al layout, per la scala a breve-termine di 50.000 m³/giorno, il tempo massimo di ritenzione idraulica (HRT) per il serbatoio biologico era di 18 ore. Combinando le condizioni reali del progetto, i risultati della simulazione BioWin e la comodità dell'accoppiamento con i trasportatori sospesi, è stato condotto un confronto tra i processi AO a due-e a tre-stadi.
2.2.1 Simulazione BioWin
È stata fissata una TOS iniziale di 18 ore che è stata gradualmente ridotta. La HRT minima per raggiungere il requisito TN dell'effluente è stata di 14 ore. Per l'AO a due-stadi, i punti di distribuzione influenti erano la zona anaerobica, la zona anossica del primo-stadio e la zona anossica del secondo-stadio. Per l'AO a tre-stadi, i punti influenti erano la zona anaerobica, la zona anossica del secondo-stadio e la zona anossica del terzo-stadio.
① Studio con rapporto di distribuzione degli influenti fisso
Impostando il rapporto di distribuzione degli influenti a 4:3:3 per entrambi, le simulazioni hanno confrontato tre schemi: AO a due-stadi (rapporto di riciclo 200%), AO a tre-stadi con un rapporto di riciclo totale del 200% (riciclo al 100% entro il primo stadio AO + 100% di riciclo dalla terza zona ossica alla prima zona anossica) e AO a tre{9}}stadi con un rapporto di riciclo di 100% (riciclare solo all'interno della prima fase AO). I flussi di simulazione sono mostrati inFigura 2.
Tabella 2mostra i risultati della simulazione per un rapporto influente fisso alla HRT=14 h.
Dalla Tabella 2 si può vedere che sia per l'AO a due-stadio che per quello a tre-stadio, si consiglia di impostare il riciclo interno nel primo stadio AO per massimizzare la denitrificazione nella prima zona anossica utilizzando la fonte di carbonio nell'affluente grezzo. Per l'AO a tre-stadi, l'impostazione del riciclo interno dalla fine del terzo stadio alla prima zona anossica ha leggermente migliorato la rimozione di TN e TP, ma l'efficienza di rimozione della materia organica è diminuita. Questa è un'ipotesi attribuita all'aumento del flusso complessivo nel serbatoio biologico dovuto al riciclo, che trasportava l'ossigeno disciolto nella zona anossica, influenzando l'ambiente anossico. Inoltre, l’effettiva HRT in ciascuna zona si è ridotta e la transizione tra le condizioni operative è stata accelerata, portando a una riduzione dell’efficienza. Per caratteristiche di influenti come quelle di questo progetto nel sud della Cina, dove la concentrazione di TN non è molto elevata, l'AO a due-stadi può soddisfare pienamente i requisiti degli effluenti, senza mostrare alcun vantaggio netto per l'AO a tre-stadi. Per scenari con COD elevato e influsso elevato di TN, l'AO a tre-fasi potrebbe essere più adatto.
② Studio sull'adeguamento dei rapporti di distribuzione degli influenti
Sia l'AO a due- che a tre-fase sono stati impostati con un rapporto di riciclo interno del 100% nella prima fase AO. Sono stati condotti studi su rapporti di distribuzione degli influenti multi-punto (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Qui, 1:0:0 significa che tutti gli influenti entrano in prima linea; 3:7:0 per i tre-stadi AO significa che l'influente è distribuito solo nella zona anaerobica e nel secondo stadio AO. I risultati della simulazione per i rapporti di distribuzione corretti sono mostrati inTabella 3.
Dalla tabella 3 si può vedere che il rapporto di distribuzione ha un leggero impatto sulla qualità degli effluenti. La tendenza generale è che all’aumentare della proporzione degli affluenti distribuiti agli stadi successivi, aumentano le concentrazioni di TN, NH₃-N e TP degli effluenti, così come aumenta gradualmente anche la richiesta di aerazione. Quando il rapporto influente era 3:7:0, l'AO a tre-stadi ha mostrato una rimozione del TN leggermente migliore e un rapporto aria-a-acqua leggermente inferiore rispetto all'AO a due-stadi. Tuttavia, nel funzionamento reale, questa differenza è generalmente trascurabile. Inoltre, l'aumento della percentuale di affluenti nelle fasi successive, pur essendo vantaggioso per l'utilizzo della fonte di carbonio nella denitrificazione, aumenta inevitabilmente il carico sulle reazioni biochimiche a causa dell'ingresso di NH₃-N, materia organica e TP. Pertanto, si consiglia di mantenere la configurazione dell'affluente multi-punto e di effettuare regolazioni graduali in base alla qualità effettiva dell'acqua durante il funzionamento. Vale la pena notare che sebbene l'AO a tre-stadi abbia mostrato una migliore rimozione del TN rispetto all'AO a due-stadi con un rapporto di afflusso di 2:4:4, con l'aumento dell'affluente verso gli stadi successivi, l'effluente NH₃-N ha mostrato una tendenza in aumento, a quel punto NH₃-N non poteva più soddisfare lo standard dell'effluente.
③ Prestazioni del trattamento di AO a due-fasi e a tre-fasi
È stata simulata una configurazione AO a tre-fasi con HRT=14 h, rapporti di volume uguali per ogni fase (1:1:1), riciclo interno al 100% impostato nel primo stadio AO e un rapporto influente di 4:3:3, in due condizioni: con riciclo al 100% e con riciclo chiuso. È stata simulata una configurazione AO a due-fasi con HRT=14 h, set di riciclo interno al 100% e un rapporto influente di 4:3:3. I risultati hanno mostrato che l'AO a due-stadi ha raggiunto il TN ottimale dell'effluente a 6,29 mg/L; l'AO a tre-stadi con riciclo interno al 100% nella parte anteriore ha raggiunto il miglior risultato successivo con 7,51 mg/l; l'AO a tre-stadi senza riciclo interno ha ottenuto risultati peggiori con 8,52 mg/l. Tutti e tre gli scenari potrebbero soddisfare il requisito di verifica degli effluenti (TN inferiore o uguale a 10 mg/L).
Tabella 4mostra il confronto dei parametri di progettazione tra l'AO a due-fase e a tre-fase. Si può vedere che per entrambi i processi, la HRT richiesta per raggiungere il requisito TN dell'effluente è inferiore a 18 ore. Le principali differenze tra i due processi sono le seguenti:
UN. Teoricamente, l'AO a tre-fasi ha un limite superiore più elevato; cioè, se gestito correttamente, sia i costi di investimento che quelli operativi possono essere inferiori. L'AO a due-fasi prevede meno elementi e fasi dell'attrezzatura, con conseguenti minori costi delle attrezzature e minori difficoltà di gestione operativa.
B. Per questo progetto specifico, poiché è stato considerato il lungo termine e il volume del serbatoio è stato progettato per una HRT di 18-ore, l'investimento civile sarebbe identico sia che si adotti l'AO a due-stadi o a tre-stadi. Il costo dell'attrezzatura per l'AO in tre-fasi è più elevato. Pertanto, dal punto di vista degli investimenti, l’adozione dell’AO a due fasi è più economica.
C. Per quanto riguarda i costi operativi, l'AO a tre-stadi potrebbe far risparmiare circa 0,002 CNY/m³ eliminando al 100% il costo energetico del riciclo del liquore misto. Considerando la potenziale diminuzione dell'efficienza di utilizzo della fonte di carbonio durante il funzionamento effettivo a causa dell'alternanza di condizioni anossiche/ossiche nei tre-stadi AO, la differenza effettiva nei costi operativi sarebbe probabilmente ancora minore.
2.2.2 Analisi dello scenario-a lungo termine del vettore sospeso
A causa dei requisiti unici di questo progetto, il serbatoio biologico doveva considerare la fattibilità e la convenienza del piano di espansione della capacità a lungo-termine, ovvero l'impatto dell'aggiunta di vettori sospesi.
Il nucleo del processo MBBR è aumentare la biomassa nel reattore aggiungendo vettori sospesi. Questi possono essere aggiunti a serbatoi aerobici, anossici o anaerobici. Tuttavia, considerando la fluidificazione del vettore, la loro aggiunta a serbatoi anaerobici o anossici aumenterebbe significativamente i requisiti di potenza di miscelazione. Pertanto è preferibile l'aggiunta ai serbatoi aerobici. Il volume delle zone anaerobiche/anossiche può essere integrato separando la zona aerobica, mentre la carenza di volume aerobico viene compensata dai trasportatori aggiunti. In altre parole, il volume aerobico insufficiente è sostenuto dall'aumento della superficie dei trasportatori sospesi, che viene calcolata in base alla conversione del carico inquinante per determinare la quantità di trasportatori richiesta, controllando un determinato rapporto di riempimento per ottenere il volume aggiunto.
In base ai calcoli, se si adottasse il processo AO a due-fasi e si aggiungessero tutti i portatori sospesi alla zona aerobica del primo-stadio a lungo termine, la superficie del portatore MBBR richiesta sarebbe di 2.597.708 m², con un costo di 12,99 milioni di CNY. Altri costi fissi relativi alle apparecchiature (compresi i sistemi di fluidificazione MBBR, miscelatori dedicati, sistemi di screening e sistemi di controllo intelligente) ammonterebbero a 6,15 milioni di CNY. Se si adottasse il processo AO a tre-fasi, a causa di zone più disperse, la zona MBBR dovrebbe essere divisa in 2 sezioni (zone aerobiche di primo-stadio e di secondo-stadio). Di conseguenza, il costo per l'installazione delle corrispondenti apparecchiature fisse MBBR (esclusi i vettori stessi) aumenterebbe leggermente fino a 7,77 milioni di CNY, mentre il costo del vettore rimane lo stesso. Ciò significa che l'adozione dell'AO in tre-fasi aumenterebbe i futuri investimenti di retrofit di 1,62 milioni di CNY e aumenterebbe anche la complessità del retrofit. Inoltre, il sistema di screening è l'area più soggetta a problemi dopo l'aggiunta del vettore. L'AO a tre-fasi aggiunge una sezione aggiuntiva di schermate, aumentando la difficoltà operativa.
Dal confronto di cui sopra, a causa dell'eccessivo partizionamento nell'AO a tre-fasi, con ciascuna partizione avente un volume simile, la sua difficoltà di retrofit è superiore a quella dell'AO a due-stadi. Anche la costruzione, la complessità operativa e l'aggiunta di apparecchiature di screening comportano investimenti più elevati rispetto all'AO a due-fasi. Pertanto, l'adozione dell'AO a due-fasi è più favorevole al futuro accoppiamento con i vettori sospesi.
2.3 Risultato del confronto
Sulla base dell'analisi di cui sopra, sia i processi AO a due-che a tre-stadi possono raggiungere l'obiettivo di TN dell'effluente inferiore o uguale a 10 mg/l. Date le condizioni al contorno di questo progetto-spazio limitato, la necessità di massimizzare il volume del serbatoio a breve-termine e il piano a lungo-termine per aggiungere vettori sospesi-l'AO a due-fasi presenta vantaggi in termini di investimento a breve-termine e comodità di gestione/manutenzione delle apparecchiature. Offre inoltre una maggiore compatibilità per futuri retrofit con vettori sospesi, con conseguente investimento complessivo inferiore e minori retrofit e difficoltà operative. Pertanto, dopo un'analisi approfondita, per questo progetto è stato consigliato il processo AO in due-fasi.
3 Prestazioni operative
L'investimento totale stimato per questo progetto è di 304,5721 milioni di CNY, con costi di costruzione di 243,6019 milioni di CNY, che si traducono in un costo di costruzione unitario di 3.480,03 CNY/m³. Il costo del trattamento è di 1,95 CNY/m³ e il costo operativo è di 1,20 CNY/m³.
Per questo progetto, il serbatoio biologico ha una HRT totale di 18 ore (che comprende: zona anaerobica 2 h, zona anossica di primo-stadio 3,5 h, zona aerobica di primo-stadio 7,5 h, zona di degassamento 0,5 h, zona anossica di secondo-stadio 2,5 h, zona aerobica di secondo-stadio 2 h), con una profondità effettiva dell'acqua di 8,6 m. È implementata la presa d'acqua sezionale regolabile, consentendo di regolare il rapporto di distribuzione degli affluenti con incrementi del 20% secondo necessità. Nel funzionamento effettivo, la concentrazione di solidi sospesi del liquore misto (MLSS) nel serbatoio biologico varia da 3.500 a 4.000 mg/l, il rapporto di ritorno dei fanghi varia dal 40% al 100% e il rapporto di riciclo interno del liquore misto varia dal 100% al 200%. La qualità effettiva dell'affluente e dell'effluente è mostrata inTabella 5, che si allinea sostanzialmente in modo coerente con i risultati della simulazione.
4 Conclusione
Utilizzando un impianto di trattamento delle acque nel sud della Cina come caso di studio, è stato condotto un confronto tecnico ed economico tra i processi AO a due-e tre-stadi con l'aiuto della simulazione BioWin. L'AO a due-fasi, con meno elementi e fasi dell'attrezzatura, costi delle attrezzature inferiori e minori difficoltà di gestione operativa, è più adatto alle condizioni della Cina meridionale dove il TN influente non è molto elevato. Per l'AO a tre-stadi, l'impostazione del riciclo interno dalla fine del terzo stadio alla prima zona anossica ha influito negativamente sull'efficienza di rimozione del TN, ha aumentato le difficoltà di gestione operativa e ha aumentato i costi di investimento. Il design soddisfa contemporaneamente i requisiti di trattamento a breve-termine di 50.000 m³/d e TN inferiori o uguali a 10 mg/l, mentre la scala a lungo-termine di 70.000 m³/d può essere raggiunta mediante l'accoppiamento con vettori sospesi. I risultati operativi effettivi sono ampiamente coerenti con i risultati della simulazione BioWin, con un TN medio dell'effluente di 6,86 mg/L, soddisfacendo i requisiti di progettazione.