Molti impianti di trattamento delle acque reflue alla fine si trovano ad affrontare lo stesso problema: il flusso o il carico di sostanze inquinanti aumentano, i limiti di scarico diventano più severi, ma c’è poco spazio per un altro serbatoio biologico. In queste situazioni, l’espansione della capacità non sempre richiede grei opere civili. Identificando il vero collo di bottiglia del processo e migliorando la ritenzione della biomassa, l'aerazione, la chiarificazione, la separazione tramite membrana o il controllo del processo, un impianto esistente potrebbe essere in grado di trattare una quantità sostanzialmente maggiore di acque reflue rispettando l'impronta attuale.
Perché i serbatoi biologici esistenti diventano il collo di bottiglia
Un impianto di trattamento delle acque reflue può sembrare “pieno” per diversi motivi. In alcuni impianti, il flusso idraulico medio è aumentato a causa della crescita demografica, dell’espansione industriale o di ulteriori linee di produzione. In altri, il flusso rimane simile ma i carichi di COD, BOD, ammoniaca o azoto totale influenti sono aumentati.
Requisiti più severi per gli effluenti possono anche far apparire sottodimensionato un processo biologico esistente. Un serbatoio che una volta forniva una rimozione sufficiente del carbonio potrebbe non avere una biomassa efficace, una capacità di trasferimento di ossigeno o un tempo di ritenzione dei solidi sufficienti per ottenere una nitrificazione stabile o limiti di nutrienti più esigenti.
Questo è il motivo per cui gli ingegneri dovrebbero distinguere tra capacità idraulica and capacità biologica . La capacità idraulica descrive la quantità di flusso che può fisicamente passare attraverso il serbatoio con un tempo di ritenzione accettabile. La capacità biologica descrive la quantità di carico inquinante che la popolazione microbica trattenuta può effettivamente rimuovere.
| Tipico collo di bottiglia | Sintomo comune | Cosa può indicare |
|---|---|---|
| Carico organico | COD o BOD ad alto effluente | Biomassa attiva, ossigeno o tempo di contatto insufficienti |
| Nitrificazione | Ammoniaca ad alto effluente | SRT basso, bassa temperatura, ossigeno inadeguato o biomassa nitrificante insufficiente |
| Aerazione | DO persistentemente basso | Capacità di trasferimento dell'ossigeno insufficiente |
| Chiarimento | TSS ad alto effluente o coltre di fanghi in risalita | Limitazione del caricamento dei solidi nel chiarificatore secondario |
| Idraulica | TOS breve o prestazioni instabili durante i picchi | Limitazione della capacità correlata al flusso |
Un serbatoio biologico esistente può essere vincolato idraulicamente prima di essere ottimizzato biologicamente, o sovraccaricato biologicamente anche quando il suo tempo di ritenzione idraulica appare ancora accettabile.
Aumentare la biomassa senza aumentare il volume del serbatoio: retrofit MBBR e IFAS
Uno dei modi più efficaci per aumentare la capacità di trattamento biologico all’interno di un serbatoio esistente è trattenere una biomassa più attiva. Le tecnologie del reattore a biofilm a letto mobile e dei fanghi attivi a film fisso integrato ottengono ciò fornendo supporti di plastica su cui i microrganismi possono crescere come biofilm attaccato.
In un processo convenzionale a fanghi attivi, la quantità di biomassa che può essere trattenuta è fortemente legata alla sedimentazione dei fanghi e al funzionamento del loro ritorno. Introducendo i trasportatori di biofilm, parte della popolazione microbica viene trattenuta sui media indipendentemente dal chiarificatore secondario.
Ciò può essere particolarmente utile per la nitrificazione perché i microrganismi che ossidano l'ammoniaca crescono in modo relativamente lento. Il biofilm fornisce una superficie stabile dove questi organismi possono rimanere nel sistema anche quando la ritenzione dei solidi sospesi è limitata.
In un Aggiornamento MBBR , la biomassa attaccata può svolgere gran parte dell'attività di trattamento. In un Adeguamento dell'IFAS , il processo dei fanghi attivi in sospensione viene mantenuto mentre i trasportatori del biofilm aggiungono un'ulteriore popolazione di microrganismi attaccati.
Il rapporto di riempimento, la geometria del vettore, l'effettiva area superficiale protetta, la miscelazione, l'aerazione, gli schermi di ritenzione del mezzo, l'apporto di ossigeno, le caratteristiche delle acque reflue e l'attività di rimozione del bersaglio devono essere tutti considerati insieme.
Rapporti di riempimento eccessivi possono rendere più difficile la miscelazione, aumentare la richiesta d'aria, creare movimenti irregolari del trasportatore e aumentare il carico idraulico sugli schermi di ritenzione. Un retrofit di successo inizia quindi con un calcolo del carico biologico piuttosto che semplicemente riempiendo il serbatoio con la massima quantità di materiale possibile.
Migliorare l'aerazione prima di espandere il processo biologico
Alcune piante che sembrano aver bisogno di più volume biologico sono in realtà limitate dal trasferimento di ossigeno. L’aumento della biomassa o il caricamento senza abbastanza ossigeno possono peggiorare le prestazioni del trattamento, anche quando il reattore biologico stesso è sufficientemente grande.
I sistemi di aerazione perdono prestazioni nel tempo. I diffusori possono sporcarsi, la caduta di pressione può aumentare, la distribuzione del flusso d’aria può diventare irregolare e i vecchi sistemi a bolle grossolane potrebbero richiedere più potenza del ventilatore per trasferire la stessa quantità di ossigeno.
Elevate concentrazioni di MLSS possono ridurre ulteriormente l’efficienza reale del trasferimento di ossigeno rispetto all’acqua pulita. Anche la profondità del serbatoio, la chimica delle acque reflue, i tensioattivi, la temperatura, le condizioni del diffusore e la disposizione dell’aerazione influiscono sull’ossigeno effettivamente disponibile per i microrganismi.
Domande da verificare prima di aggiungere ulteriore volume biologico
| Aerazione Problem | Possibile azione di retrofit |
|---|---|
| Elevata caduta di pressione nel diffusore | Pulisci o sostituisci i diffusori vecchi |
| Bassa efficienza di trasferimento dell'ossigeno | Valutare l'aggiornamento del diffusore a bolle fini |
| Distribuzione DO non uniforme | Ottimizza la disposizione del diffusore e la distribuzione del flusso d'aria |
| Ventilatore vicino alla capacità | Ridurre la perdita di pressione del sistema o valutare l'aggiornamento del ventilatore |
| Elevata energia di aerazione | Migliora il controllo del flusso d'aria e l'efficienza del trasferimento di ossigeno |
Per molti impianti esistenti, ripristinare o migliorare l’efficienza del trasferimento di ossigeno è uno dei modi più rapidi per recuperare la capacità biologica inutilizzata senza modificare l’impronta del reattore.
Aumenta la concentrazione di SRT e biomassa, ma fai attenzione al chiarificatore
Un impianto a fanghi attivi convenzionale a volte può trattare un carico aggiuntivo aumentando il tempo di ritenzione dei solidi e mantenendo più biomassa nel processo biologico. Ciò potrebbe comportare la riduzione dello spreco di fanghi, l’aumento dell’MLSS o l’ottimizzazione del funzionamento del recupero dei fanghi attivi.
Tuttavia, questa strategia ha dei limiti pratici. Un MLSS più elevato aumenta la massa solida che deve passare attraverso il chiarificatore secondario. Aumenta inoltre la richiesta di ossigeno e può aumentare la viscosità del liquore misto, riducendo l'efficienza del trasferimento di ossigeno e rendendo più difficile la separazione dei fanghi.
Se la capacità biologica aumenta mentre la chiarificazione secondaria rimane invariata, l'impianto potrebbe riscontrare una maggiore copertura di fango, trascinamento di solidi, sedimentazione instabile o problemi di TSS degli effluenti.
Gli ingegneri dovrebbero quindi valutare il tasso di tracimazione superficiale, il tasso di carico dei solidi, l'indice del volume dei fanghi, la capacità dei fanghi di ritorno e le prestazioni del flusso di picco prima di aumentare significativamente l'MLSS.
In applicazioni di chiarificazione adeguate, i sedimentatori a tubi o i moduli a lamelle possono aumentare l'area di sedimentazione effettiva all'interno dell'impronta del chiarificatore esistente. Questo approccio può essere interessante quando la capacità di chiarificazione idraulica è il vincolo principale, sebbene non sia una soluzione universale per ogni chiarificatore secondario a fanghi attivi. Per prima cosa devono essere valutate le caratteristiche dei fanghi e il comportamento idraulico.
Utilizzare il retrofit MBR quando la separazione dei solidi diventa il vincolo di capacità
In alcuni impianti il reattore biologico non è il problema principale. Il vero limite è il chiarificatore secondario. Quando è necessaria più biomassa ma la sedimentazione per gravità non può trattenerla in modo affidabile, la separazione tramite membrana può fornire un altro percorso di retrofit.
Un bioreattore a membrana separa l'acqua trattata dal liquore misto utilizzando una barriera fisica a membrana anziché fare affidamento sulla tradizionale sedimentazione dei fanghi. Ciò consente alla concentrazione della biomassa di essere meno dipendente dalle prestazioni del chiarificatore e può supportare un funzionamento MLSS più elevato con un ingombro compatto.
L'MBR può anche produrre effluenti a basso contenuto di solidi sospesi ed è particolarmente interessante laddove il riutilizzo dell'acqua, la terra limitata o una qualità di scarico più rigorosa rientrano nell'obiettivo di espansione.
Il compromesso è una maggiore complessità del sistema. I moduli a membrana richiedono il lavaggio con aria, il pompaggio del permeato, il controllo delle incrostazioni, la pulizia chimica periodica, il pretrattamento e l'eventuale sostituzione della membrana.
| Opzione di retrofit | Più adatto quando |
|---|---|
| MBBR/IFAS | È necessaria una maggiore capacità biologica o biomassa nitrificante |
| Aerazione Upgrade | Il trasferimento di ossigeno limita la capacità del trattamento |
| Ottimizzazione MLSS/SRT | Il sistema a fanghi attivi presenta ancora margine operativo |
| Aggiornamento del chiarificatore | La capacità di separazione idraulica o dei solidi è limitante |
| Modifica dell'MBR | Sono necessarie un’elevata ritenzione della biomassa, un’elevata qualità degli effluenti o una riduzione dell’impronta |
Ottimizza il controllo del processo prima di aggiungere l'hardware
Non tutti i problemi di capacità richiedono nuove attrezzature. Uno scarso controllo del processo può far sì che un impianto esistente appaia fisicamente sottodimensionato anche quando un significativo potenziale di trattamento rimane inutilizzato.
L'aerazione è un esempio comune. Il funzionamento continuo dei ventilatori a una potenza fissa può provocare un eccesso di ossigeno durante i periodi di basso carico e un ossigeno inadeguato durante i picchi. Il controllo basato sul DO o il controllo dell’aerazione basato sull’ammoniaca possono abbinare meglio l’offerta di ossigeno alla domanda biologica effettiva.
La gestione dell’SRT è altrettanto importante. Uno spreco eccessivo di fanghi può ridurre la biomassa nitrificante, mentre uno spreco insufficiente può creare MLSS inutilmente elevati e problemi di chiarificazione. L'ottimizzazione di RAS, WAS, riciclo interno, dosaggio del carbonio e aerazione intermittente può talvolta ripristinare una significativa stabilità del processo.
Anche la equalizzazione del flusso può aiutare. Un impianto può essere in grado di trattare in media il carico giornaliero, ma fallire durante brevi picchi di flusso o eventi ad alta intensità. L'equalizzazione ridistribuisce tali picchi nel tempo, riducendo lo stress sul reattore biologico e sul chiarificatore.
Controllo biologico
SRT, MLSS, F/M, gestione dello spreco e del ritorno dei fanghi.
Controllo dell'aerazione
Controllo DO, aerazione basata sull'ammoniaca, bilanciamento del flusso d'aria e ottimizzazione del ventilatore.
Controllo idraulico
Equalizzazione del flusso, gestione dei picchi di flusso e ottimizzazione del riciclo interno.
Monitoraggio in linea
NH₄-N, NO₃-N, DO, flusso, torbidità e altri indicatori di processo.
Come identificare il vero collo di bottiglia prima di scegliere un retrofit
Un aggiornamento efficace della capacità dell'impianto dovrebbe iniziare con un audit del processo piuttosto che con la selezione delle apparecchiature. L'obiettivo è determinare esattamente cosa impedisce all'impianto esistente di trattare più flusso o carico.
Controlla il caricamento degli influenti
Esamina il flusso medio e di picco, COD, BOD, TSS, ammoniaca, azoto totale, temperatura, scarichi industriali e cronologia dei carichi d'urto.
Controlla le prestazioni biologiche
Esamina MLSS, MLVSS, SRT, rapporto F/M, DO, rimozione dell'ammoniaca, produzione di fanghi e prestazioni del trattamento stagionale.
Controllare la capacità di aerazione
Misura il flusso d'aria, il carico del ventilatore, la perdita di pressione del diffusore, la distribuzione dell'ossigeno disciolto e le effettive limitazioni del trasferimento di ossigeno.
Controlla Chiarimento
Esaminare la velocità di tracimazione superficiale, il caricamento dei solidi, la profondità del manto di fango, l'SVI, il funzionamento dei fanghi di ritorno e i solidi sospesi degli effluenti.
Abbinare l'adeguamento al vincolo
La limitazione della biomassa può puntare verso MBBR o IFAS; limitazione dell'ossigeno verso miglioramenti dell'aerazione; limitazione della chiarificazione verso miglioramenti nella separazione dei solidi; e l'impronta più i vincoli di qualità degli effluenti verso l'MBR.
Retrofit vs nuova costruzione di serbatoi: come confrontare gli aspetti economici
Il retrofit è interessante perché riduce la costruzione civile, ma non è automaticamente la soluzione più economica in ogni impianto. I serbatoi esistenti devono essere strutturalmente solidi, l’impianto idraulico deve rimanere funzionante e l’aumento di capacità richiesto deve essere realizzabile entro i vincoli di processo esistenti.
La costruzione di nuovi serbatoi può richiedere scavi, cemento armato, nuove tubazioni, terreni, permessi, infrastrutture elettriche e lunghi periodi di costruzione. Potrebbe anche essere difficile gestire impianti in cui bypassare le acque reflue o chiudere i treni di trattamento non è pratico.
Un retrofit può invece coinvolgere supporti di biofilm, schermi di ritenzione, sostituzione del diffusore, modifiche del ventilatore, moduli a membrana, apparecchiature di chiarificazione, pompe, controlli e lavori di installazione temporanea.
| Fattore | Nuovo serbatoio biologico | Retrofit di impianti esistenti |
|---|---|---|
| Requisito fondiario | Solitamente alto | Basso |
| Edilizia civile | Significativo | Solitamente limitato |
| Periodo di costruzione | Più a lungo | Spesso più breve |
| Interruzione del processo | Potenzialmente significativo | Spesso più facile da mettere in fase |
| Massima capacità di espansione | Alto | Limitato dalle infrastrutture esistenti |
| Requisito ingegneristico | Progettazione di nuovi processi | Audit dettagliato delle limitazioni esistenti |
Gli aspetti economici del retrofit sono spesso più forti laddove il terreno è costoso, l’espansione civile è difficile, l’impianto deve rimanere costantemente operativo e l’aumento di capacità richiesto è sufficientemente moderato da essere ottenuto attraverso un maggiore inventario di biomassa, un migliore trasferimento di ossigeno, una migliore separazione dei solidi o un controllo del processo più efficace.
Hai bisogno di più capacità dal tuo impianto di trattamento delle acque reflue esistente?
Prima di costruire un altro serbatoio biologico, valutare se il sistema esistente è limitato da biomassa, aerazione, chiarificazione, separazione a membrana o controllo del processo. NIHAO può supportare valutazioni di miglioramento della capacità che coinvolgono mezzi MBBR, diffusori di aerazione, sedimentatori di tubi e soluzioni di membrana MBR.
Per una revisione iniziale, fornire la capacità di trattamento attuale e target, le dimensioni del serbatoio, il COD/BOD dell'affluente, la concentrazione di ammoniaca o azoto totale, l'MLSS attuale, la configurazione di aerazione, le dimensioni del chiarificatore e la qualità dell'effluente richiesta.
Domande frequenti
È possibile aumentare la capacità di un impianto di trattamento delle acque reflue esistente senza aggiungere un nuovo serbatoio biologico?
Sì, in molti casi. Le possibili strategie includono il retrofit MBBR o IFAS, miglioramenti dell'aerazione, una maggiore ritenzione della biomassa, ottimizzazione del controllo del processo, miglioramenti della chiarificazione e MBR. L'approccio corretto dipende dall'effettivo collo di bottiglia del processo.
Quanta capacità aggiuntiva può fornire un retrofit MBBR?
Non esiste una percentuale universale. L'aumento di capacità dipende dal carico dell'affluente, dal trattamento target, dalla superficie del mezzo, dal rapporto di riempimento, dall'aerazione, dalla temperatura, dal volume del serbatoio esistente e dal fatto che l'adeguamento sia progettato principalmente per la rimozione del carbonio o la nitrificazione.
Qual è la differenza tra il retrofit MBBR e IFAS?
MBBR si basa principalmente su supporti di biofilm a crescita attaccata, mentre IFAS combina il biofilm attaccato con fanghi attivi sospesi convenzionali. L'IFAS viene comunemente preso in considerazione quando un impianto a fanghi attivi esistente necessita di ulteriore biomassa senza abbandonare l'attuale processo di crescita sospesa.
Come faccio a sapere se il mio impianto è limitato in biomassa o limitato in ossigeno?
Esaminare DO, carico del ventilatore, distribuzione dell'ossigeno, SRT, MLSS, rimozione dell'ammoniaca e carico organico. Se è presente biomassa sufficiente ma il DO rimane inadeguato, l’aerazione potrebbe rappresentare il vincolo principale. Se l'ossigeno è adeguato ma il trattamento rimane limitato alla biomassa, potrebbe essere più appropriata un'ulteriore crescita attaccata.
Posso semplicemente aumentare l’MLSS per trattare più acque reflue?
Solo entro limiti pratici. Un MLSS più elevato aumenta l’inventario della biomassa ma aumenta anche la domanda di ossigeno e il carico di solidi del chiarificatore secondario. Un MLSS eccessivo può comportare una scarsa sedimentazione, una maggiore copertura di fanghi e un trascinamento di solidi.
L'aggiunta dei mezzi MBBR aumenterà la domanda di aerazione?
Può. Una biomassa più attiva aumenta la domanda di ossigeno, mentre il movimento dei trasportatori richiede anche un’adeguata miscelazione. La capacità di aerazione dovrebbe pertanto essere controllata ogni volta che si aggiungono mezzi MBBR o IFAS a un bacino esistente.
I diffusori a bolle fini possono aumentare la capacità di trattamento delle acque reflue?
Possono aiutare quando il trasferimento di ossigeno è il fattore limitante. Migliorare l’efficienza del diffusore può aumentare l’ossigeno disponibile senza aggiungere volume al serbatoio, sebbene sia necessario valutare anche la capacità del ventilatore, i requisiti di pressione e le condizioni delle acque reflue.
Quando il chiarificatore secondario diventa il collo di bottiglia dopo un aggiornamento biologico?
Ciò può verificarsi quando un MLSS più elevato o un flusso idraulico maggiore aumentano il carico di solidi oltre la capacità pratica del chiarificatore. I sintomi includono una coltre di fango in aumento, scarsa sedimentazione ed elevata TSS degli effluenti.
Quando si dovrebbe prendere in considerazione un retrofit MBR anziché MBBR?
L'MBR può essere interessante quando la separazione dei solidi, l'impronta, l'elevata concentrazione di biomassa o l'effluente di alta qualità costituiscono i principali vincoli. MBBR o IFAS sono spesso più appropriati quando l'obiettivo principale è aggiungere capacità biologica all'interno di un reattore esistente.
Quali informazioni sono necessarie per progettare un ammodernamento della capacità di un impianto di trattamento delle acque reflue?
I dati utili includono flusso corrente e di picco, capacità target, dimensioni del serbatoio, COD/BOD, ammoniaca, TN, TSS, temperatura, MLSS, SRT, DO, apparecchiature di aerazione, dimensioni del chiarificatore, caratteristiche di sedimentazione dei fanghi e limiti di effluenti richiesti.
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