Quali sono le cause dell'accumulo di fanghi e come risolverlo

Risposta diretta: L'accumulo dei fanghi si verifica quando i fanghi attivi non riescono a depositarsi correttamente nel chiarificatore secondario, causando il trascinamento di solidi nell'effluente. Oltre il 90% dei casi è causato dalla crescita eccessiva di batteri filamentosi. I restanti casi coinvolgono meccanismi non filamentosi: rigonfiamento viscoso dovuto alla sovrapproduzione di esopolimeri e rigonfiamento zoogloeale da specifici acidi organici. Il fattore scatenante è quasi sempre uno squilibrio operativo – basso ossigeno disciolto, basso rapporto F/M, carenza di nutrienti o shock termico – e non un evento biologico casuale.

Che cos'è l'accumulazione dei fanghi?

Il bulking dei fanghi è un errore di sedimentazione nel processo dei fanghi attivi. Invece di compattarsi in modo netto sul fondo del chiarificatore secondario, i fanghi formano una massa voluminosa a lenta sedimentazione che sale verso lo stramazzo degli effluenti.

La misura diagnostica standard è la Indice del volume dei fanghi (SVI) :

SVI (mL/g) = Volume dei fanghi depositati dopo 30 minuti (mL/L) / MLSS (mg/L) x 1000

Un SVI elevato significa che ogni grammo di fango occupa più volume: il fango è soffice, leggero e difficile da separare. Il risultato: le prestazioni del chiarificatore secondario crollano, il TSS degli effluenti aumenta e l’efficienza del trattamento biologico diminuisce.

Due tipi di ammassamento dei fanghi

Tipo 1: Bulking filamentoso (>90% dei casi)

I batteri filamentosi sono una parte normale dei fanghi attivi sani: formano la spina dorsale strutturale delle particelle flocculanti. Il problema inizia quando crescono troppo e dominano la comunità microbica.

Gli organismi filamentosi hanno un rapporto superficie-volume molto più elevato rispetto ai batteri flocculanti. In condizioni di stress – basso DO, basso substrato, pochi nutrienti – questo rapporto dà loro un vantaggio competitivo: possono eliminare l’ossigeno disciolto e il substrato in modo più efficiente rispetto ai flocformatori. Una volta che proliferano oltre la soglia, si estendono verso l'esterno dalla matrice dei fiocchi, impedendo fisicamente la compattazione dei fanghi.

Esistono due modelli strutturali:

• Ponte aperto floc/inter-floc — i filamenti si estendono tra le particelle flocculanti, creando una rete poco connessa che intrappola l'acqua e resiste alla compressione
• Impedimento sterico — i singoli organismi sono così grandi da impedire alle altre particelle del fiocco di depositarsi normalmente

Gli organismi filamentosi più comunemente identificati negli impianti di depurazione:

Rigonfiamento filamentoso causato da Microtrix parvicella è fortemente associato a condizioni di bassa temperatura e basso carico: è un fenomeno invernale comune negli impianti municipali che utilizzano configurazioni A2O o con fossato di ossidazione. In uno studio su vasta scala presso un impianto cinese A2O, l'SVI ha raggiunto il picco di 265 ± 55 mL/g durante i mesi invernali, quando il carico di fanghi è sceso al di sotto di 0,05 kg COD/(kg MLSS·giorno).

Tipo 2: Bulking non filamentoso (<10% dei casi)

Il rigonfiamento non filamentoso si verifica quando gli stessi batteri che formano i fiocchi non funzionano correttamente, non perché i filamenti prendano il sopravvento, ma perché i batteri all'interno del fiocco producono quantità anormali di sostanze polimeriche extracellulari (EPS) che rendono il fiocco gelatinoso e trattiene l'acqua.

Due sottotipi:

Rigonfiamento viscoso (melma). — i batteri producono un eccesso di melma polisaccaridica in caso di carenza di nutrienti (in particolare carenza di azoto o fosforo). Il fango appare traslucido e gelatinoso al microscopio. L'SVI è elevato, ma il conteggio dei filamenti è normale. Il test dell'antrone (misura i polisaccaridi dei fanghi) mostrerà valori elevati (>20%), che lo distinguono dal bulking zoogloeale.

Bulking zoogloeale — Zoogloea i batteri crescono in condizioni di F/M elevato o quando specifici acidi organici e alcoli dominano l'affluente (da acque reflue settiche o fermentate). Al microscopio il fango forma masse simili a dita o a forma di ameba. A differenza del bulking filamentoso, il bulking zoogloeale è associato a concentrazioni di substrato elevate, non basse.

Cause principali: cosa effettivamente innesca il bulking

Comprendere il fattore scatenante è essenziale: trattare il sintomo (dosando il cloro) senza risolvere la causa principale produce solo un sollievo temporaneo.

Causa 1: basso livello di ossigeno disciolto (DO)

La causa operativa più comune. Quando il DO scende al di sotto di 1,0–1,5 mg/L nel bacino di aerazione, i batteri filamentosi, con la loro area superficiale maggiore, competono con i flocformatori per il limitato ossigeno disponibile.

DO target per fanghi attivi stabili: 2,0 mg/l minimo , 2,0–3,0 mg/L sostenuti.

Organismi di carica a basso DO: tipo 021N, Haliscomenobacter idrossi , Sphaerotilus natans .

Causa 2: rapporto F/M basso (basso carico di fanghi)

La causa principale più diffusa del rigonfiamento filamentoso in generale. F/M (rapporto alimenti-microrganismi) è la massa di BOD immessa nel sistema per unità di massa di MLSS al giorno.

F/M = carico BOD (kg/giorno) / MLSS nel serbatoio di aerazione (kg)

A bassi F/M il substrato è scarso. I batteri filamentosi, con un rapporto superficie-volume più elevato, sono meglio attrezzati per eliminare il substrato limitato rispetto ai batteri flocculanti. Dominano.

La soluzione pratica è aumentare F/M sprecando più fanghi (aumentando il tasso WAS) per ridurre MLSS o accettare un carico organico più elevato. Gli impianti di aerazione prolungata sono strutturalmente a rischio perché progettati per funzionare a bassi F/M.

Causa 3: carenza di nutrienti (N e P)

I batteri dei fanghi attivi necessitano di azoto e fosforo per costruire la massa cellulare. Il rapporto minimo generale è:

BOD : N : P = 100 : 5 : 1

Quando il rapporto BOD/N in ingresso supera 100:4, l'azoto diventa limitante. I batteri rispondono producendo EPS in eccesso dal carbonio non degradato: il BOD che non può essere assimilato nella crescita cellulare viene immagazzinato come polisaccaride extracellulare. Ciò causa direttamente un rigonfiamento viscoso (non filamentoso).

Nel trattamento delle acque reflue industriali – lavorazione alimentare, produzione di birra, impianti chimici – gli affluenti carenti di nutrienti sono estremamente comuni perché le acque reflue sono ad alto contenuto di carbonio ma possono contenere quantità minime di azoto o fosforo.

Correzione: aggiungere azoto esterno (solfato di ammonio, urea) e fosforo (acido fosforico) per ottenere il rapporto BOD:N:P minimo.

Causa 4: Influente settico o ricco di solfuri

Quando le acque reflue rimangono nei tubi di raccolta o nei serbatoi di contenimento per periodi prolungati senza aerazione, si sviluppano condizioni anaerobiche e si accumula solfuro (H₂S). Filamenti che favoriscono i solfuri — Tiotrix , Beggiatoa , Tipo 021N — proliferano quando questo affluente carico di solfuri entra nel serbatoio di aerazione.

In uno studio su vasta scala a lungo termine, Tiotrix il rigonfiamento ha causato il dilavamento ricorrente dei fanghi in un impianto di depurazione del caseificio. Tiotrix l’abbondanza ha raggiunto il 51,9% della comunità microbica totale. I controlli standard (aggiunta di cloruro di polialluminio, riduzione dei VFA) si sono rivelati inefficaci. Solo implementando cicli periodici di fame dei fanghi ridotti Tiotrix dal 51,9% all'1,0% e ripristino di un assestamento stabile.

Soluzione: pre-areare l'affluente prima che entri nel bacino di aerazione o dosare i sali di ferro nel sistema di raccolta per far precipitare il solfuro.

Causa 5: improvvisi cambiamenti del carico organico o idraulico (carico d'urto)

Un improvviso aumento del BOD, della portata o dell'inibitore tossico può interrompere temporaneamente l'equilibrio tra flocformatori e filamenti. I batteri flocculanti, più sensibili ai cambiamenti ambientali, vengono inibiti selettivamente. I batteri filamentosi, con maggiore tolleranza ambientale, sopravvivono e crescono nello spazio vuoto.

Ciò è particolarmente comune negli impianti industriali che ricevono scarichi discontinui o negli impianti municipali che ricevono afflussi di acqua piovana.

Causa 6: effetti della temperatura

La bassa temperatura rallenta il metabolismo dei batteri flocculanti più dei batteri filamentosi. Microtrix parvicella è specificatamente adattato al freddo e prolifera al di sotto dei 15°C. Le piante municipali nei climi temperati sperimentano spesso episodi di ammassamento filamentoso in inverno che si risolvono automaticamente con l'aumento delle temperature in primavera.

Al contrario, temperature molto elevate (>35°C) possono favorire alcuni filamenti termofili e alterare la normale struttura dei fiocchi.

Come diagnosticare l'accumulo di fanghi

Prima di trattare il bulking, identifica quale tipo e quale causa. Trattare la causa sbagliata fa sprecare tempo e sostanze chimiche.

Passaggio 1: misurare SVI

SVI > 150 mL/g conferma un problema di sedimentazione. SVI > 250 mg/L è un evento di bulking grave.

Fase 2: esame microscopico

Prendere un campione di liquore misto fresco ed esaminarlo al microscopio a contrasto di fase con ingrandimento 100–400x.

Passaggio 3: verificare i parametri operativi

Come risolvere il problema dell'accumulo di fanghi

Risposta immediata (giorni 1–7): contenere il problema

L'obiettivo nella prima settimana è impedire che il chiarificatore trabocchi mentre si affrontano le cause profonde.

Aumentare il tasso dei fanghi attivi di ritorno (RAS). — tirando indietro i fanghi dal chiarificatore più velocemente si evita che la coltre di fanghi risalga verso lo stramazzo degli effluenti. Aumentare temporaneamente il RAS al 75–100% del flusso affluente.

Ridurre il tasso di fanghi attivi di rifiuto (WAS). — contrariamente a quanto previsto, arrestando o riducendo temporaneamente WAS si accumula MLSS, che aumenta il rapporto F/M e svantaggia i batteri filamentosi. Usare con cautela: se il DO è già basso, un MLSS maggiore peggiora il deficit di ossigeno.

Clorazione della linea RAS — il dosaggio del cloro (2–10 mg Cl₂/g MLSS/giorno) direttamente nel tubo RAS è il controllo di emergenza più utilizzato. I batteri filamentosi che si estendono all'esterno del fiocco sono preferibilmente esposti al cloro, mentre i batteri all'interno del fiocco sono parzialmente protetti. Si tratta di una soluzione temporanea: non risolve la causa principale. Il sovradosaggio distrugge i nitrificanti.

Aggiunta di coagulante — il cloruro di polialluminio (PAC) o il cloruro ferrico dosato nella vasca di aerazione o nell'ingresso del chiarificatore migliora la sedimentabilità a breve termine per la formazione di massa non filamentosa. Meno efficace contro i tipi filamentosi.

Correzione della causa principale (settimane 1–4): eliminare il fattore scatenante

Soluzione Strutturale: Selettore Biologico

A selettore è una piccola zona di contatto (tipicamente il 5–10% del volume totale di aerazione) posta prima del bacino di aerazione principale, dove le acque reflue influenti incontrano i fanghi di ritorno in presenza di un'elevata concentrazione di substrato.

In condizioni di substrato elevato (alto F/M) nel selettore, i batteri flocculanti assorbono e immagazzinano rapidamente il substrato come polimeri intracellulari. I batteri filamentosi, che si adattano meglio agli ambienti con substrato basso, non possono competere ad alte concentrazioni di substrato e vengono soppressi selettivamente.

Tre tipi di selettori:

I selettori sono la soluzione strutturale a lungo termine più affidabile per le piante con ammassamento filamentoso cronico, in particolare sistemi a basso F/M come aerazione prolungata e fossati di ossidazione.

Accumulo di fanghi e fanghi in risalita: non confonderli

Una diagnosi errata comune. Entrambe le condizioni causano la presenza di solidi nell'effluente, ma le cause e le soluzioni sono completamente diverse.

La risalita dei fanghi è causata dalla denitrificazione che avviene all'interno del chiarificatore: l'NO₃ viene convertito in gas N₂, che si attacca ai fiocchi di fango e li solleva in superficie. Sembra identico al rigonfiamento derivante dallo stramazzo degli effluenti ma richiede una logica di trattamento opposta.

Riepilogo: lista di controllo per la diagnosi dell'accumulo di fanghi

Quando SVI supera 150 ml/g, scorrere questo elenco in ordine:

1. Controllare il DO nella vasca di aerazione: se < 1,5 mg/l, aumentare immediatamente l'aerazione
2. Controllare il rapporto F/M: se < 0,10, aumentare la velocità WAS per ridurre l'MLSS
3. Controllare il BOD influente:N:P — se N-limitato (BOD/N > 100:4), aggiungere la fonte di azoto
4. Controllare l'afflusso per solfuri/setticità: se è rilevabile H₂S, pre-areare l'affluente
5. Condurre l'esame microscopico: identificare la morfologia filamentosa e non filamentosa
6. Se filamentoso: avviare la clorazione RAS come controllo temporaneo; implementare la correzione strutturale (selettore, aumento DO, riduzione SRT)
7. Se non filamentoso (viscoso): corretto equilibrio dei nutrienti; verificare l'inibizione tossica
8. Se Microthrix in inverno: aumentare la velocità di carico dei fanghi; considerare il selettore anossico
9. Monitorare l'SVI ogni 2-3 giorni finché non ritorna a < 150 mL/g

Prodotti correlati: I diffusori a disco e il tubo di aerazione di Nihao mantengono un'aerazione stabile a bolle fini e prevengono le condizioni di basso DO che innescano la formazione di massa filamentosa. I mezzi MBBR offrono un processo biologico alternativo che è strutturalmente immune all'accumulo di fanghi: i trasportatori di biofilm non sono soggetti a cedimenti. Contatta nihaowater per il supporto nella progettazione del sistema di aerazione.