Applicazione del processo BIOLAK nell'adeguamento di un impianto di trattamento delle acque reflue a standard quasi-Classe IV
Introdotto in Cina all'inizio del 21° secolo, il processo BIOLAK ha ottenuto un'ampia applicazione nel trattamento delle acque reflue municipali grazie alla sua struttura semplice e ai bassi costi di investimento. Negli ultimi anni, con l’inasprimento degli standard di scarico e la crescente automazione, la maggior parte degli impianti BIOLAK esistenti devono essere aggiornati. Miglioramenti come l'aggiunta di vettori sospesi, l'adeguamento dei serbatoi e la ridefinizione delle zone funzionali vengono implementati per migliorare la rimozione di azoto e fosforo. Sebbene gli impianti di nuova costruzione adottino prevalentemente processi A²/O e fossa di ossidazione, ci sono pochi rapporti sulle prestazioni effettive di BIOLAK, soprattutto in base a rigorosi standard sulle emissioni. Il processo BIOLAK utilizza catene di aerazione oscillanti per creare zone temporali anossiche e aerobiche, funzionando essenzialmente come un processo A/O multi-fase. Attraverso l'ottimizzazione operativa, la qualità degli effluenti può soddisfare stabilmente lo standard delle acque superficiali quasi-Classe IV.
1 Contesto del progetto
Un impianto di trattamento delle acque reflue nella provincia di Hebei utilizza il processo BIOLAK come tecnologia principale. L'afflusso varia da 18.000 a 22.000 m³/d, con una media di 19.000 m³/d, trattando principalmente liquami domestici urbani e una piccola quantità di acque reflue di lavorazioni agricole. Le qualità dell'affluente e dell'effluente progettate sono mostrate inTabella 1. Lo standard di scarico originale era lo standard di grado A di *"Standard di scarico di sostanze inquinanti per impianti di trattamento delle acque reflue municipali" (GB 18918-2002)*. Dopo un aggiornamento che includeva la suddivisione di una zona anaerobica per migliorare la denitrificazione e la defosforizzazione, l'impianto ora è conforme ai limiti chiave dell'area di controllo degli *"Standard sullo scarico degli inquinanti idrici per il bacino del fiume Daqing" (DB13/2795-2018)*. Ad eccezione dell'azoto totale, tutti gli altri indicatori soddisfano gli standard di Classe IV specificati in *"Standard di qualità ambientale per le acque superficiali" (GB 3838-2002)*. Il flusso del processo è mostrato inFigura 1.
L'impianto utilizza ipoclorito di sodio per la disinfezione. Il fango viene disidratato mediante filtrazione su piastre e telai ad alta-pressione fino a un contenuto di umidità inferiore al 60% prima di essere trasportato per la co-lavorazione nei forni da cemento.
Il contributo di ciascuna unità di trattamento alla rimozione degli inquinanti è stato calcolato sulla base del bilancio di massa, con metodi specifici richiamati dalla letteratura.
2 Misure di ottimizzazione del controllo operativo
Durante il funzionamento sono state implementate molteplici misure di ottimizzazione per migliorare la stabilità degli effluenti e ottenere risparmi energetici e sui costi.
2.1 Controllo migliorato dell'ossigeno disciolto (DO).
I progetti di retrofit BIOLAK esistenti spesso notano la sua debole zonizzazione come una variante A/O multi-fase, che porta a una bassa efficienza di denitrificazione. In questo progetto, pur garantendo la conformità all’azoto ammoniacale degli effluenti, il DO massimo all’estremità della zona di aerazione è stato mantenuto a 0,5–1,0 mg/L, inferiore ai requisiti di controllo convenzionali del DO.
2.2 Maggiore monitoraggio dei dati di processo
Per guidare il controllo del DO e il dosaggio della fonte esterna di carbonio, l'azoto nitrico e l'azoto ammoniacale sono stati monitorati all'estremità della zona anaerobica e nel serbatoio BIOLAK per determinare gli intervalli di controllo ottimali. Durante il funzionamento, il dosaggio della fonte di carbonio esterna è stato ridotto o interrotto quando l'azoto nitrato all'estremità della zona anaerobica veniva<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 Definizione degli obiettivi di controllo degli effluenti interni
Per garantire una conformità stabile, gli obiettivi di controllo interno sono stati fissati al 30%–80% dei limiti di scarico, in base alla difficoltà di controllare ciascun inquinante. Il superamento di questi limiti interni ha innescato immediati aggiustamenti dei parametri di processo per riportare le concentrazioni degli effluenti entro un intervallo accettabile. Gli obiettivi annuali di controllo interno per COD, azoto ammoniacale, azoto totale e fosforo totale erano rispettivamente 15 mg/L, 0,5 mg/L, 12 mg/L e 0,12 mg/L.
2.4 Mantenimento di un'adeguata concentrazione dei fanghi
Lo spreco di fanghi è stato adeguato in base al flusso, al carico e alla stagione. Il tempo di ritenzione dei fanghi (SRT) è stato mantenuto a 15–25 giorni e la concentrazione di solidi sospesi nel liquor misto (MLSS) a 2.500–4.500 mg/L. Nello specifico, il MLSS è stato controllato a 2.500–3.500 mg/L in estate e autunno, con un carico di fanghi di circa 0,06 kgCOD/(kgMLSS·d), e a 3.500–4.500 mg/L in inverno e primavera, con un carico di fanghi di circa 0,04 kgCOD/(kgMLSS·d).
2.5 Regolazione del funzionamento delle unità di trattamento avanzate
Le basse temperature invernali hanno influito sulla flocculazione e sulla sedimentazione. Il controlavaggio intempestivo dei filtri di tipo V- potrebbe portare a livelli elevati di solidi sospesi e COD negli effluenti. Pertanto, durante il funzionamento invernale, la frequenza del controlavaggio è stata aumentata in base alle prestazioni di coagulazione e lo scarico dei fanghi dalla vasca di sedimentazione della coagulazione- è stato intensificato per ridurre la concentrazione dei solidi sospesi dell'effluente.
3 Prestazioni del trattamento
Il COD influente annuale variava da 109 a 248 mg/L, con una media di 176 mg/L. Il COD dell'effluente variava da 9,5 a 20,1 mg/L, con una media di 12,1 mg/L. Quando il COD dell'effluente superava il target del controllo interno (15 mg/L), la frequenza del controlavaggio del filtro veniva aumentata per ridurre i solidi sospesi. Si consiglia di aggiornare il serbatoio di sedimentazione-di coagulazione con un serbatoio di sedimentazione-ad alta densità o di coagulazione magnetica-per una migliore efficienza di coagulazione.
L'azoto ammoniacale influente annuo variava da 17,8 a 54,9 mg/l, con una media di 31,9 mg/l. L'azoto ammoniacale effluente variava da 0,12 a 1,30 mg/L, con una media di 0,5 mg/L. Quando ha superato l'obiettivo di controllo interno, l'aerazione è stata adeguata in base alle misure di ottimizzazione. La qualità degli effluenti ha soddisfatto stabilmente i limiti chiave dell'area di controllo di *DB13/2795-2018* durante tutto l'anno.
A causa della bassa concentrazione della fonte di carbonio influente, l'attenzione si è concentrata sull'ottimizzazione delle condizioni del processo per migliorare la rimozione di azoto e fosforo, con l'obiettivo di risparmiare energia e costi.
3.1 Ottimizzazione del controllo DO e rimozione totale dell'azoto
L'azoto totale (TN) influente annuo variava da 20,3 a 55,6 mg/L (vediFigura 2), con una media di 42,1 mg/l. Il TN dell'effluente variava da 2,5 a 14,2 mg/L, con una media di 8,8 mg/L, entro il target di controllo interno (12 mg/L). Il tasso medio di rimozione del TN è stato del 79,1%. Con un rapporto di riciclo dei fanghi del 90% (nessun riciclo interno del liquore misto), l'efficienza teorica della denitrificazione era del 47,4%, indicando che la denitrificazione si verificava anche in altre zone del processo oltre il selettore anaerobico. Sono mostrate le variazioni di azoto lungo il percorso di trattamento in un ciclo tipicoFigura 3.
In un ciclo tipico, il TN influente era 42,0 mg/L, con la somma di ammoniaca e azoto nitrico pari a 35,2 mg/L. Dopo il selettore anaerobico, il TN era 16,7 mg/L, con un conseguente tasso di rimozione del 43,5% tramite bilancio di massa, coerente con il valore teorico. Il serbatoio BIOLAK ha contribuito alla rimozione di TN del 24,0%. Il TN dell'effluente è stato ulteriormente ridotto nella vasca di sedimentazione secondaria, contribuendo con un'ulteriore rimozione dell'11,3%, principalmente a causa del suo lungo tempo di ritenzione idraulica (8,6 ore) che consente la denitrificazione guidata dalla fonte di carbonio endogeno-. Le altre unità hanno contribuito alla rimozione dell'1,9%. Il TN dell'effluente finale è stato di 8,1 mg/L, con un tasso di rimozione totale dell'80,7%.
L'esperienza operativa mostra che il controllo del DO è fondamentale per la rimozione del TN nel processo BIOLAK. Nei processi convenzionali, il DO viene generalmente misurato all'estremità della zona aerobica in una struttura a canale dove il DO è relativamente uniforme attraverso la sezione trasversale. Tuttavia, nel serbatoio BIOLAK, l’estremità della zona di aerazione è larga quasi 70 metri, con DO che aumenta dal bordo del pendio al centro, differendo di 0,5–1,0 mg/L. Pertanto, la posizione delle sonde DO richiede particolare attenzione.
Controllando rigorosamente il DO massimo all'estremità della zona di aerazione del BIOLAK, è stato effettivamente garantito un ambiente anossico necessario per la denitrificazione. È stata ottenuta la nitrificazione e denitrificazione simultanea (SND) utilizzando fonti endogene di carbonio, con conseguente efficace rimozione del TN.
3.2 Rimozione totale del fosforo e ottimizzazione operativa
Il fosforo totale (TP) influente annuo variava da 1,47 a 4,80 mg/L (vediFigura 4), con una media di 2,99 mg/l. Il TP dell'effluente variava da 0,04 a 0,17 mg/L. Il dosaggio dell'agente di rimozione del fosforo è stato regolato in base al target di controllo interno (0,12 mg/L). La concentrazione media di TP nell'effluente era di 0,07 mg/L, rispettando stabilmente lo standard di scarico, con un tasso medio di rimozione di TP del 98,3%.
Sono mostrate le variazioni dei fosfati lungo il ciclo di trattamento in un ciclo tipicoFigura 5.
Il fosfato in ingresso era 2,70 mg/L, mentre il fosfato nei fanghi di ritorno era 0,58 mg/L, rendendo il fosfato teorico in ingresso nel selettore anaerobico pari a 1,70 mg/L. Dopo il rilascio anaerobico di fosforo da parte degli organismi accumulatori di polifosfato-(PAO), la concentrazione di fosfato ha raggiunto 3,2 mg/L. Il rapporto di concentrazione del fosfato (massimo nella zona anaerobica/affluente) era 1,9, indicando un rilascio significativo. Il motivo principale era l'efficace denitrificazione in condizioni di basso DO, con conseguente bassa concentrazione di nitrati nei fanghi di ritorno alla zona anaerobica, mantenendo un buon ambiente anaerobico (ORP generalmente inferiore a -200 mV) e promuovendo il rilascio di fosforo.
Dopo la zona di aerazione del BIOLAK, si è verificato un sostanziale assorbimento di fosforo, riducendo la concentrazione di fosfato alla fine a 0,3 mg/L, ottenendo un'efficienza di rimozione biologica del fosforo dell'88,9%. Dopo le vasche di sedimentazione e stabilizzazione, la concentrazione di fosfati è aumentata a 0,64 mg/L. L'analisi suggerisce che ciò era dovuto alla lunga HRT nella vasca di sedimentazione e al DO rigorosamente controllato nella vasca BIOLAK, che creavano una condizione anaerobica nella vasca di sedimentazione e causavano il rilascio secondario di fosforo. Dopo il dosaggio chimico nell'unità di coagulazione, il fosfato dell'effluente è stato ridotto a 0,06 mg/L. Pertanto, considerando i costi economici e la complessità operativa, sacrificare parte dell’efficienza di rimozione biologica del fosforo per migliorare la denitrificazione è una strategia di ottimizzazione praticabile per impianti simili.
4 Costi operativi
I costi operativi diretti comprendono elettricità, prodotti chimici e smaltimento dei fanghi. Sulla base delle statistiche annuali, il consumo energetico specifico è stato di 0,66 kWh/m³. Con un prezzo dell'elettricità di 0,65 CNY/kWh (sulla base di un insieme di tariffe di punta/non di punta-di punta), il costo dell'elettricità era di 0,429 CNY/m³. Questo consumo è più alto secondo lo "Standard di valutazione della qualità operativa degli impianti municipali di trattamento delle acque reflue", principalmente a causa dell'efficienza di utilizzo dell'ossigeno leggermente inferiore del sistema di aerazione. I costi dei prodotti chimici, inclusi acetato di sodio, agente per la rimozione del fosforo, PAM, ipoclorito di sodio e prodotti chimici per la disidratazione, sono stati pari a 0,151 CNY/m³. L'utilizzo specifico e i costi sono mostrati inTabella 2.
I fanghi provengono principalmente da fonti biologiche e chimiche (vasca di coagulazione). La filtrazione con piastre e telai ad alta-pressione viene utilizzata con calce e cloruro ferrico come agenti condizionanti. Il dosaggio della calce è pari a circa il 25% del peso del fango secco. La torta disidratata ha un contenuto di umidità del 60%. La produzione giornaliera di fanghi disidratati è di circa 9 tonnellate, con una resa specifica in fanghi secchi di circa 0,15%. Il trasporto dei fanghi costa 250 CNY/ton, con un conseguente costo di smaltimento dei fanghi di circa 0,118 CNY/m³. Pertanto, il costo totale di produzione diretta è di 0,698 CNY/m³.
5 Conclusioni
① Un impianto di trattamento delle acque reflue nella provincia di Hebei, utilizzando il processo BIOLAK per trattare le acque reflue municipali, ha funzionato ininterrottamente per un anno con una qualità degli effluenti che soddisfaceva stabilmente i limiti chiave dell'area di controllo di *DB13/2795-2018* (standard sulle acque superficiali Quasi Classe IV).
② Come variante del processo A/O multi-fase, il controllo del DO massimo alla fine della zona di aerazione del BIOLAK a 0,5–1,0 mg/L ha prodotto un tasso di rimozione del TN del 24,0% nella zona del BIOLAK e dell'11,3% nel serbatoio di sedimentazione. Ciò ha ottenuto la nitrificazione-denitrificazione simultanea e la denitrificazione della fonte di carbonio endogeno, dimostrando una significativa capacità di rimozione dell'azoto.
③ Il costo operativo diretto per il processo BIOLAK è stato di 0,698 CNY/m³. Le misure di ottimizzazione operativa, compreso il monitoraggio dei dati di processo e la definizione di obiettivi ragionevoli di controllo interno, possono fornire riferimenti per ottimizzare il funzionamento e ottenere risparmi energetici/costi in impianti simili di trattamento delle acque reflue.