Processo A2O: la guida definitiva al trattamento delle acque reflue anaerobiche, anossiche e ossiche

Introduzione al Processo A2O

Nel mondo della moderna ingegneria delle acque reflue, lo steard per l’acqua pulita è cambiato. Non è più sufficiente rimuovere semplicemente i solidi oganici; le normative odierne richiedono la rimozione dei nutrienti disciolti che minacciano i nostri ecosistemi. Inserisci il Processo A2O (Anaerobicoo-Anossico-Ossico).

Il processo A2O è una configurazione ampiamente adottata del sistema a fanghi attivi progettata specificatamente per Rimozione biologica dei nutrienti (BNR) . A differenza dei metodi di trattamento tradizionali che si concentrano principalmente sulla rimozione del carbonio, il processo A2O agisce simultaneamente azoto e fosforo – i due principali colpevoli dell’eutrofizzazione dell’acqua.

Ricicleo in modo intelligente le acque reflue attraverso tre zone ambientali distinte: Anaerobic (niente ossigeno, niente nitrati), Anossico (niente ossigeno, sì nitrato) e Ossico (aerato): il sistema A2O crea un ecosistema diversificato di microrganismi. Questi microbi lavorano in armonia per scomporre la materia organica, convertire l’ammoniaca in azoto gassoso innocuo e intrappolare biologicamente il fosforo nei fanghi.

Perché il processo A2O è importante?

• Semplicità: Fornisce la rimozione simultanea di azoto e fosforo in un unico sistema per fanghi senza la necessità di additivi chimici.
• Efficienza: Utilizza il carbonio organico naturalmente presente nelle acque reflue per alimentare il processo di denitrificazione, riducendo la necessità di fonti di carbonio supplementari.
• Sostenibilità: Riducendo i carichi di nutrienti, previene la fioritura di alghe tossiche nei corpi idrici riceventi, proteggendo la vita acquatica e la salute umana.

Comprensione degli obiettivi di trattamento delle acque reflue

Per apprezzare l'eleganza del processo A2O, dobbiamo prima comprendere i nemici che combatte. Il trattamento delle acque reflue non consiste solo nel rendere l'acqua limpida; si tratta di rimuovere gli inquinanti chimici invisibili che interrompono l’equilibrio della natura.

Mentre il trattamento convenzionale si concentra su Carbonio (misurato come BOD/COD) e Solidi (TSS), processi avanzati come A2O sono progettati per affrontare Nutrienti .

I tre principali inquinanti

1. Materia organica (BOD/COD)

• Cos'è: Rifiuti biodegradabili (avanzi alimentari, rifiuti umani).
• Il pericolo: Se rilasciati non trattati, i batteri presenti nei fiumi e nei laghi consumeranno questa materia in modo aggressivo. In tal modo, consumano tutto l’ossigeno disciolto nell’acqua, soffocando i pesci e altre forme di vita acquatica.
• Ruolo di A2O: Il processo A2O rimuove la materia organica principalmente nelle zone anaerobiche e anossiche (utilizzandola come combustibile per reazioni specifiche) e termina il lavoro nella zona ossica.

2. Azoto (ammoniaca e nitrati)

• Cos'è: L'azoto entra nelle acque reflue principalmente attraverso l'urea e le proteine.
• Il pericolo:
  • Tossicità: Livelli elevati di ammoniaca sono direttamente tossici per i pesci.
  • Eutrofizzazione: L'azoto funge da fertilizzante per le alghe. Quando le alghe muoiono e marciscono, riducono l’ossigeno (zone morte).
• Ruolo di A2O: Il processo A2O converte l’ammoniaca tossica (NH ₄ ) in nitrato (NO ₃ ^- ), quindi rimuove l'ossigeno per rilasciare gas azoto innocuo (N ₂ ).

3. Fosforo

• Cos'è: Trovato in detersivi, saponi e rifiuti umani.
• Il pericolo: Il fosforo è solitamente il “nutriente limitante” nell’acqua dolce. Anche piccole aggiunte possono innescare massicce e incontrollabili fioriture di alghe che rendono l’acqua verde e tossica.
• Ruolo di A2O: Questa è la specialità del processo A2O. Sottoponendo i batteri nella zona anaerobica a stress, il sistema li prepara ad assorbire enormi quantità di fosforo nella zona ossica, intrappolandolo nei fanghi in modo che possa essere rimosso dall'acqua.

Il flusso del processo A2O: un viaggio passo dopo passo

Il processo A2O è un viaggio continuo per le acque reflue, progettato per creare condizioni ambientali specifiche che favoriscono diversi tipi di batteri. La chiave del suo successo non risiede solo nei serbatoi stessi, ma nei due circuiti di ricircolo critici che spostano l'acqua e i fanghi tra di essi.

1. La zona anaerobica (il selettore)

Questa è la zona di contatto iniziale in cui inizia il processo.

• Afflusso: Le acque reflue grezze influenti (ricche di "cibo" organico) vengono mescolate con Fanghi attivi di ritorno (RAS) dal chiarificatore secondario.
• Ambiente: Rigorosamente anaerobico. Non c'è ossigeno disciolto (O ₂ ) e senza nitrati (NO ₃ ).
• Processo chiave (rilascio P): In questo ambiente stressato, Organismi che accumulano fosfato (PAO) sono selezionati. Consumano acidi grassi volatili (VFA) dalle acque reflue e, per ottenere l'energia necessaria, distruggono i loro legami polifosfati interni, rilasciando ortofosfato nel liquido.

2. La zona anossica (denitrificazione)

Le acque reflue fluiscono dalla zona anaerobica alla zona anossica, dove vengono raggiunte da un massiccio flusso di acqua riciclata.

• Afflusso: Liquore misto della zona anaerobica Riciclo interno dei liquori misti (IMLR) dalla zona ossica.
• Ambiente: Anossico. There is no free dissolved oxygen, but there is chemically bound oxygen in the form of nitrates (NO ₃ ) proposto dall'IMLR.
• Processo chiave (denitrificazione): I batteri eterotrofi utilizzano la materia organica rimanente come fonte di cibo. Per respirare, privano gli atomi di ossigeno delle molecole di nitrato (NO ₃ ), convertendoli in gas azoto (N ₂ ), che fuoriesce dall'acqua senza causare danni. Questo è il meccanismo principale per la rimozione dell'azoto.

3. La zona ossica (il motore aerobico)

Questa è la zona più grande e attiva, dove l'aria viene introdotta vigorosamente.

• Afflusso: Liquore misto della zona anossica.
• Ambiente: Aerobico. Livelli elevati di ossigeno disciolto sono mantenuti da diffusori o aeratori.
• Processo chiave 1 (nitrificazione): Batteri autotrofi (es Nitrosomonas e Nitrobatterio ) convertono l'ammoniaca tossica (NH ₄ ) in nitrati (NO ₃ ).
• Processo chiave 2 (P-Assunzione del lusso): I PAO, ora in un ambiente ricco di ossigeno, “assorbono” grandi quantità di fosfato dall’acqua per ricostruire le loro riserve interne, rimuovendolo dalla fase liquida.
• La divisione: Alla fine di questa zona, gran parte del liquore misto ricco di nitrati viene pompata nella zona anossica attraverso il IMLR , mentre il resto confluisce nel chiarificatore.

4. Il Chiarificatore Secondario (Separazione)

La fase finale è un processo di separazione fisica.

• Afflusso: Liquore misto della zona Oxic.
• Processo: I fiocchi biologici (fanghi) si depositano sul fondo della vasca lasciando nella parte superiore l'acqua limpida e trattata.
• Deflusso (effluente): Il surnatante limpido scorre sopra gli sbarramenti e viene scaricato come effluente trattato.
• Gestione dei fanghi: I fanghi depositati vengono riciclati all'inizio come RAS per mantenere la popolazione biologica o rimossa dal sistema come Fanghi attivi di rifiuto (WAS) per rimuovere definitivamente il fosforo e la biomassa in eccesso.

Fasi fondamentali del processo A2O

Il processo A2O è un sistema a crescita sospesa a fango singolo. Sebbene sembri lineare, la sua efficienza dipende in gran parte dal ricircolo interno. Le acque reflue si muovono attraverso tre zone ambientali distinte, ciascuna delle quali coltiva comunità batteriche specifiche per colpire diversi inquinanti.

[Immagine del diagramma di flusso del processo A2O]

1. La zona anaerobica (il selettore)

Questa è la zona di contatto iniziale in cui le acque reflue grezze influenti si mescolano con i fanghi attivi di ritorno (RAS).

• L'ambiente: Condizioni strettamente anaerobiche. Non esiste ossigeno libero (O ₂ ) e senza ossigeno legato (nitrato/nitrito).
• Il meccanismo (rilascio di fosforo): In questo ambiente pieno di stress, Organismi che accumulano fosfato (PAO) sono dominanti. Per sopravvivere, consumano acidi grassi volatili (VFA) dalle acque reflue. Per ottenere l'energia necessaria per assorbire questi VFA, i PAO rompono i loro legami polifosfati interni, rilasciando ortofosfato nel liquido.
• Il risultato: Paradossalmente, le concentrazioni di fosfati aumentare in questa fase. Questo “rilascio” è un precursore necessario per la “adozione del lusso” che avverrà successivamente.

2. La zona anossica (denitrificazione)

Le acque reflue fluiscono dalla zona anaerobica alla zona anossica. Qui, un cruciale circuito di riciclo interno alimenta il liquore misto ricco di nitrati dalla fine del processo (la zona ossica).

• L'ambiente: Anossico conditions. There is no free dissolved oxygen, but chemically bound oxygen is present in the form of Nitrates (NO3 ^- ).
• Il meccanismo (denitrificazione): I batteri eterotrofi utilizzano la materia organica (BOD) rimasta nelle acque reflue come cibo. Per respirare, tolgono le molecole di ossigeno dai nitrati.
• Il cambiamento chimico: Questo processo converte il nitrato (NO3 ^- ) in gas di azoto (N ₂ ), che fuoriesce dall'acqua senza causare danni.
  NO3 ^- → NO2 ^- → NO → N ₂ O → N ₂
• Il risultato: Rimozione significativa dell'azoto totale.

3. La zona ossica (trattamento aerobico)

Questa è la fase biologica finale in cui l'aerazione viene introdotta tramite aeratori meccanici di superficie o sistemi ad aria diffusa.

• L'ambiente: Condizioni aerobiche con livelli elevati di ossigeno disciolto (DO) (tipicamente 2,0 mg/l o superiore).
• Meccanismo A (Nitrificazione): Batteri autotrofi (es Nitrosomonas e Nitrobatterio ) convertire l'ammoniaca (NH ₄ ) in Nitrati (NO3 ^- ). Questo nitrato viene quindi riciclato nella zona anossica per essere rimosso.
• Meccanismo B (assorbimento di fosforo di lusso): I PAO, ora in un ambiente ricco di ossigeno, vanno in overdrive. Ossidano le sostanze organiche immagazzinate (assorbite nella fase anaerobica) per ricostituire le riserve di fosfato. Assorbono molto più fosfato di quello rilasciato in precedenza.

• Il risultato: L'ammoniaca viene ossidata e il fosfato in fase liquida viene drasticamente ridotto poiché rimane intrappolato all'interno dei batteri (che alla fine verranno rimossi come fanghi).

Fattori che influenzano l'efficienza del processo A2O

Il processo A2O è un atto di bilanciamento biologico. Poiché si basa su microrganismi viventi, il sistema è sensibile ai cambiamenti ambientali. Per ottenere una rimozione ottimale dei nutrienti, gli operatori devono monitorare e controllare attentamente diversi fattori chiave.

1. Controllo dell'ossigeno disciolto (DO).

Questo è il parametro più critico. I batteri in ciascuna zona richiedono uno specifico ambiente di ossigeno per funzionare.

• Zona anaerobica: Deve essere strettamente anaerobico (DO ≅ 0 mg/L). Anche piccole quantità di ossigeno qui fermeranno il rilascio di fosforo.
• Anossico Zone: Deve avere un DO basso (DO < 0,5 mg/L) ma un alto contenuto di nitrati. Se il DO entra in questa zona (ad esempio, tramite eccessiva turbolenza o fanghi di ritorno troppo aerati), i batteri utilizzeranno l'ossigeno libero invece dell'ossigeno nitrato, arrestando la denitrificazione.
• Ossico Zone: Richiede DO sufficiente (2,0 - 3,0 mg/L). Se i livelli scendono troppo, la nitrificazione si interrompe; se i livelli sono troppo alti, spreca energia e rimanda l'ossigeno in eccesso alla zona anossica attraverso il circuito di riciclo.

2. Rapporti di ricircolo interno

Il “cuore” del processo A2O sono le sue pompe.

• IMLR (Riciclo Interno Liquori Misti): Questo determina la quantità di nitrato che viene rimossa. Un rapporto standard è dal 200% al 300% del flusso influente. Se il rapporto è troppo basso, i nitrati fuoriescono nell'effluente. Se è troppo alto diluisce il liquore miscelato e riduce il tempo di ritenzione.
• RAS (Fanghi attivi di restituzione): Ciò garantisce che la zona anaerobica abbia abbastanza biomassa. Solitamente impostato a Dal 50% al 100% del flusso influente.

3. Temperatura e pH

Batteri diversi hanno “zone di comfort” diverse.

• Temperatura: I batteri nitrificanti (zona ossica) sono molto sensibili al freddo. Sotto i 12 °C , la loro attività diminuisce notevolmente, rischiando un elevato livello di ammoniaca nello scarico.
• pH: La nitrificazione consuma l'alcalinità, abbassando naturalmente il pH. Se il pH scende al di sotto 6.5 , i batteri smettono di funzionare. Gli operatori spesso devono aggiungere alcalinità (come calce o carbonato di sodio) per mantenere un pH intermedio 7.0 e 8.0 .

4. Rapporto carbonio-nutrienti (C:N:P)

I batteri hanno bisogno di cibo (carbonio) per svolgere il loro lavoro.

• Denitrificazione richiede carbonio organico. Se le acque reflue sono “deboli” (basso BOD), non ci sarà abbastanza cibo perché i batteri possano abbattere i nitrati nella zona anossica.
• Rimozione del fosforo fa affidamento sugli acidi grassi volatili (VFA). Se l’affluente è privo di VFA, la rimozione del fosforo sarà scarsa.

Vantaggi e svantaggi del processo A2O

Sebbene A2O sia uno standard di riferimento per la rimozione dei nutrienti biologici, non è un sistema “installa e dimentica”. Presenta vantaggi e svantaggi distinti rispetto ai fanghi attivi convenzionali.

I vantaggi (pro)

• Rimozione simultanea dei nutrienti: Rimuove efficacemente BOD, azoto e fosforo in un unico sistema di fanghi senza bisogno di stadi di precipitazione chimica separati.
• Operazione economicamente vantaggiosa: Utilizzando i nitrati (al posto dell'aria) per ossidare il BOD nella zona anossica, il processo recupera ossigeno, riducendo la richiesta energetica complessiva di aerazione.
• Proprietà dei fanghi migliorate: La zona di selezione anaerobica sopprime la crescita di batteri filamentosi, che spesso causano l’accumulo di fanghi. Ciò porta ad una migliore sedimentazione dei fanghi nel chiarificatore.
• Nessun prodotto chimico aggiunto: Si basa su meccanismi biologici piuttosto che su costosi coagulanti chimici (come l’allume o il cloruro ferrico) per la rimozione del fosforo.

Gli svantaggi (contro)

• Sensibilità alla qualità dell'influente: Il processo dipende fortemente dal rapporto tra BOD e azoto/fosforo nelle acque reflue grezze. Se l’acqua in ingresso è povera di materia organica (carbonio), l’efficienza di rimozione diminuisce drasticamente.
• Complessità operativa: Il bilanciamento dei due cicli di riciclo (RAS e IMLR) richiede operatori esperti e sistemi di controllo precisi.
• Feedback sui nitrati: Se il riciclo interno non viene gestito correttamente i nitrati possono rifluire nella zona anaerobica. I nitrati nella zona anaerobica agiscono come un veleno per il meccanismo di rimozione del fosforo.
• Capitale iniziale più elevato: La necessità di tre zone separate, pareti interne, miscelatori e pompe di riciclo aumenta i costi di costruzione iniziali rispetto a un semplice serbatoio di aerazione.

Applicazioni nel mondo reale di A2O

Il processo A2O è versatile e scalabile, il che lo rende la scelta preferita per diversi scenari di trattamento delle acque reflue.

1. Trattamento delle acque reflue municipali

Questa è l'applicazione più comune. Le città di tutto il mondo utilizzano A2O per soddisfare rigorosi standard sugli effluenti che vietano lo scarico di azoto e fosforo nei fiumi e nei laghi.

• Adeguamento: Uno dei maggiori punti di forza di A2O è che molti serbatoi di aerazione “plug-flow” esistenti possono essere adattati ai sistemi A2O semplicemente installando deflettori (pareti) per creare le tre zone e aggiungendo pompe di ricircolo.
• Scala: È efficace per impianti di medie e grandi dimensioni (che servono popolazioni da 10.000 a oltre 1.000.000).

2. Applicazioni industriali

Le industrie che producono rifiuti organici ad alto contenuto di nutrienti trovano A2O particolarmente efficace.

• Cibo e bevande: Gli stabilimenti lattiero-caseari, le birrerie e i macelli producono spesso acque reflue con elevati carichi di azoto e fosforo. A2O aiuta queste strutture a soddisfare i permessi di scarico ambientale senza costi chimici eccessivi.
• Piante fertilizzanti: Questi impianti trattano elevate concentrazioni di ammoniaca, rendendo essenziali le capacità di nitrificazione/denitrificazione di A2O.

Manutenzione e risoluzione dei problemi

Anche un sistema A2O perfettamente progettato può affrontare sfide operative. I sistemi biologici sono dinamici; un cambiamento del tempo, della composizione degli influenti o di un guasto delle apparecchiature può interrompere il delicato equilibrio dei batteri.

Problemi operativi comuni e soluzioni

La tabella seguente illustra i problemi più frequenti che gli operatori devono affrontare negli impianti A2O e come risolverli.

Suggerimenti per la manutenzione preventiva

• Calibrazione del sensore: Il processo A2O si basa sui sensori DO e nitrati per controllare le pompe. Calibrarli settimanalmente.
• Manutenzione del miscelatore: Le zone Anaerobica e Anossica utilizzano miscelatori sommergibili per mantenere i solidi in sospensione senza aggiungere ossigeno. Se un miscelatore si guasta, i solidi si depositano e riducono il volume effettivo del serbatoio.
• Ispezione della pompa: Le pompe di riciclo interne (IMLR) funzionano continuamente. L'analisi regolare delle vibrazioni e i controlli della tenuta sono fondamentali per prevenire guasti improvvisi.

Domande frequenti (FAQ) sul processo A2O

D: Qual è la differenza principale tra il processo A/O e il processo A2O?
R: Il processo A/O standard (anaerobico-ossico) è progettato principalmente per Fosforo rimozione. Manca della zona “anossica” e del riciclo interno dei nitrati, il che significa che non può rimuovere efficacemente l’azoto. L'A2O (Anaerobico-Anossico-Ossico) aggiunge quel passaggio intermedio da rimuovere entrambi Azoto e fosforo.

D: Perché la zona anaerobica deve essere priva di nitrati?
R: Se nella zona anaerobica sono presenti nitrati, i batteri utilizzeranno l’ossigeno dei nitrati per respirare invece di fermentare le acque reflue. Ciò impedisce la condizione di “stress” necessaria agli organismi che accumulano fosforo (PAO) per rilasciare fosforo, interrompendo di fatto il processo biologico di rimozione del fosforo.

D: Qual è l'efficienza di rimozione tipica di un sistema A2O?
R: Un impianto A2O ben gestito può in genere ottenere:

• BOD/COD: > 90%
• Azoto totale (TN): 60% – 80% (limitato dal rapporto di riciclo interno)
• Fosforo totale (TP): 70% – 90%

D: Cos'è l'MLSS e perché è importante in A2O?
R: MLSS sta per Solidi sospesi di liquori misti . È una misura della concentrazione di batteri (biomassa) nel serbatoio. Nei sistemi A2O, l'MLSS viene solitamente mantenuto tra 3.000 mg/L e 5.000 mg/L. Se è troppo basso, non ci sono abbastanza batteri per trattare l’acqua; se è troppo alto, il chiarificatore potrebbe sovraccaricarsi.

D: Il processo A2O può soddisfare rigorosi limiti di azoto totale (ad esempio < 3 mg/L)?
R: L'A2O standard spesso fatica a raggiungere limiti di azoto molto bassi perché si basa su un unico circuito di riciclo interno. Per soddisfare i limiti inferiori a 3-5 mg/l, le piante spesso necessitano di una zona anossica secondaria (processo Bardenpho modificato) o dell'aggiunta di una fonte esterna di carbonio (come il metanolo) per aumentare la denitrificazione.

D: Perché nel mio impianto A2O si verifica la “risalita dei fanghi” nel chiarificatore?
R: La risalita del fango è solitamente causata da denitrificazione incontrollata nel chiarificatore. Se i fanghi rimangono lì troppo a lungo, i batteri convertono i nitrati rimanenti in bolle di azoto gassoso, che si attaccano ai fanghi e li galleggiano in superficie. La soluzione è aumentare il tasso di ritorno dei fanghi attivi (RAS) per far uscire i fanghi dal chiarificatore più velocemente.