Fanghi attivi

Il cosiddetto processo "a fanghi attivi " utilizza la depurazione biologica nel trattamento delle acque reflue . È un metodo di purificazione da colture libere. In un settore del trattamento delle acque ( ovvero le diverse fasi di depurazione per una data stazione), il processo a fanghi attivi fa parte dei trattamenti secondari.

Storico

Questo processo deriva dallo studio condotto a Manchester da Arden e Lockett. Svilupperanno la tecnica prima in un unico bacino e poi la miglioreranno aggiungendo altri bacini e stadi.

Da allora, i ricercatori hanno lavorato per migliorare gli impianti di trattamento dei fanghi attivi, in particolare creando modelli delle reazioni che si verificano durante il trattamento. Il loro lavoro (su scala internazionale) ha consentito in particolare la pubblicazione di una guida utente per i modelli operativi degli impianti di trattamento a fanghi attivi nonché lo sviluppo di nuove innovazioni.

Principio

Il principio è quello di degradare la materia organica (in sospensione o disciolta in acque reflue) principalmente dai batteri (compresi i batteri filamentosi ), che saranno essi stessi mangiati dai microrganismi ( protozoi , principalmente ciliati , in parte responsabili della flocculazione e fonte di progressiva chiarificazione dell'acqua).

La miscelazione permanente del mezzo consente un migliore accesso dei batteri alle particelle e una notevole aerazione necessaria per la sostenibilità del sistema di biodegradazione (solo l'inquinamento biodegradabile può essere trattato in questo modo). Segue la sedimentazione da cui i fanghi ricchi di batteri vengono restituiti al bacino di aerazione.

“I batteri filamentosi legano insieme i fiocchi e aumentano il rapporto superficie / volume, che favorisce il galleggiamento. La capacità di sedimentazione dei fiocchi è quindi inferiore. Questo fenomeno, chiamato "bulking", provoca anche schiume marroni. " . Quando queste schiume sono presenti in numero minore o assenti, i fiocchi batterici sono più piccoli e la torbidità maggiore.

Il processo a fanghi attivi ha quattro obiettivi:

eliminare l'inquinamento da carbonio (materia organica);
eliminare parte dell'inquinamento da azoto;
fissare il fosforo nel materiale decantato;
stabilizzare i fanghi (processo noto come “aerazione prolungata” o “ digestione aerobica ”).

Dominio dell'applicazione

La tecnica a fanghi attivi è idonea per acque reflue domestiche provenienti da agglomerati da circa 400 abitanti equivalenti, fino alle città più grandi. Esiste, tuttavia, per le singole installazioni, sebbene il processo non sia sufficientemente testato. Gli effluenti industriali o agroalimentari sono molto variabili, e possono essere trattati con questo processo a seconda dei casi, spesso adattandoli alla loro natura e caratteristiche.

Elementi di un impianto a fanghi attivi

Un processo a fanghi attivi finalizzato all'eliminazione della materia organica (inquinamento da carbonio, talvolta azoto e / o fosfato) comprende i seguenti elementi:

vasca di aerazione: in questa vasca vengono eseguite da una a quattro fasi, a seconda del tipo e del livello di trattamento desiderato:
- In tutti i casi, un bacino con alimentazione d'aria (turbina o diffusione di microbolle) in modo da ottenere un contenuto di ossigeno disciolto sufficiente per l'attività biologica per consentire l'eliminazione del carbonio e, se necessario, la nitrificazione dei composti azotati.
- Nel caso del trattamento dell'azoto, uno o due stadi anossici che consentono di denitrificare i composti azotati.
- Nel caso del trattamento del fosforo con mezzi biologici, una fase anaerobica (generalmente a monte di tutti gli altri bacini).
- Nel caso di trattamento di azoto, ricircolo dei fanghi mista della vasca di aerazione al 1 ° bacino anossico.

vasca di decantazione secondaria (detta anche chiarificatore): l'acqua depurata viene scaricata per “ trabocco ” nell'ambiente naturale (escluso trattamento terziario).

I fanghi , prodotti nella prima vasca, si depositano naturalmente e vengono ricondotti in gran parte alla vasca di aerazione (ricircolo), mentre la parte in eccesso viene convogliata ad un circuito di disidratazione o ad uno specifico stoccaggio.

Azione dei microrganismi

Il fango attivo è essenzialmente composto da microrganismi eterotrofi che hanno degradato materiali organici e prodotti di degradazione, compresi i materiali azotati, degradati in nitrati. L'introduzione di ossigeno per aerazione è quindi essenziale per la loro azione. I microrganismi vengono tenuti in intima miscela con l'acqua da trattare e vengono così costantemente a contatto con gli inquinanti organici delle acque reflue.

La possibile degradazione del nitrato (in diazoto ), chiamata denitrificazione , può essere causata ponendo i fanghi in condizioni anossiche (presenza di nitrato, assenza di ossigeno), o per fase nel bacino di aerazione (questo essendo interrotto) sia in un bacino non ventilato , chiamato bacino di anossia. Questa degradazione è prodotta da batteri specifici.

La riproduzione dei microrganismi avviene in condizioni favorevoli, quando la loro crescita è importante ei batteri iniziano a dividersi. Gli esopolimeri che secernono consentono loro di agglomerarsi in fiocchi di sedimentazione (questa è flocculazione ). Le condizioni operative scelte sono quelle che favoriscono la sedimentazione di questi fiocchi. Al fine di mantenere una sufficiente biomassa batterica, i fanghi vengono riciclati pompando nella vasca di decantazione secondaria (i fanghi estratti vengono ricircolati nella vasca di trattamento aerobico ). Parte del lavoro di gestione e dimensionamento di un sistema a fanghi attivi consiste nella gestione di questa biomassa. Questo può essere reso insufficiente da un ricircolo insufficiente, intossicazione di batteri da inquinamento massiccio, troppa acqua in ingresso (fenomeno di risciacquo), o anche durante la messa in servizio o la rimessa in servizio, che comporta una carica progressiva.

Bacini di aerazione

L'aerazione delle acque reflue avviene nelle vasche contenenti i fanghi attivi, che hanno una forma adeguata a seconda del sistema di aerazione, delle modalità di immissione dell'acqua e dei fanghi attivi. Chiamiamo questi bacini, serbatoi di aerazione , serbatoi a fanghi attivi o bacini di ossidazione . L'aerazione può essere fornita in superficie da turbine di aerazione di tipo lento o nella parte inferiore mediante metodi a rampa di distribuzione delle bolle d'aria forniti da un booster o da un compressore d' aria . Le rampe di distribuzione sono completate da diffusori d'aria noti come bolle grandi o bolle fini, a seconda dell'efficienza desiderata . L'efficienza del trasferimento dell'aria nell'acqua può essere migliorata aumentando l'altezza dell'acqua (solo per le rampe di distribuzione).

Il fabbisogno giornaliero di ossigeno è correlato al carico organico giornaliero e alla sua modalità di degradazione, nonché alla quantità di azoto da nitrificare . Sebbene la degradazione dell'inquinamento da carbonio si arresti durante il ciclo di Krebs , è necessario riossidare le molecole di trasporto dell'idrogeno di questo ciclo attraverso la respirazione (questo percorso cattura il suo elettrone riossidando queste molecole). Tuttavia, la respirazione richiede un accettore di elettroni, cioè un substrato respirabile ossidato come l'ossigeno. Infine, l'ossigeno fornito viene utilizzato nelle vie respiratorie per produrre energia, un percorso che reintegrerà il ciclo di Krebs, consentendo così una continua degradazione della materia organica. Durante la denitrificazione viene utilizzato l'ossigeno dei nitrati. Pertanto, i requisiti di ossigeno vengono calcolati dai requisiti delle catene respiratorie batteriche e dai requisiti per la nitrificazione. La quantità di ossigeno da fornire corrisponde quindi a queste esigenze meno i risparmi realizzati durante la respirazione dei nitrati. Il fabbisogno di ossigeno quindi differisce dalla quantità da fornire.

Esistono due tipi di respirazione:

respirazione esogena, quella che degrada l'inquinamento: un flusso × di BOD 5
respirazione endogena, per la respirazione degli organelli cellulari: b × quantità di biomassa

aeb essendo coefficienti dipendenti dal carico di massa.

Pertanto, i requisiti di ossigeno per la respirazione sono: a × flusso di BOD 5 + b × quantità di biomassa.

Requisiti per la nitrificazione: 4,18 × (NTK inserito - 0,05 × DB0 5 )
Fabbisogno totale di ossigeno = a × flusso di BOD 5 + b × quantità di biomassa + 4,18 × (NTK immesso - 0,05 * DB0 5 )
Risparmio per denitrificazione = 2,86 * (NTK inserito - 0,05 × DB0 5 ) × 0,7 (NB: efficienza 70%) = Q 02 da fornire

La scelta del sistema di aerazione è importante perché questa voce rappresenta tra il 60-80% del consumo energetico di un impianto di trattamento delle acque reflue. I sistemi di ventilazione possono essere suddivisi in due classi principali. Esistono sistemi che aerano in superficie e sistemi che aerano l'acqua mediante gorgogliamento, quindi installati sotto il livello dell'acqua. Nei sistemi di superficie, ci sono sistemi meccanici lenti e sistemi meccanici veloci. I sistemi meccanici veloci sono usati raramente nelle stazioni comunali perché poco efficienti in termini di efficienza energetica. I sistemi lenti includono aeratori ad albero verticale (chiamati anche turbine lente) e aeratori ad albero orizzontale (chiamati pennello). Per piscine molto piccole, queste spazzole hanno il vantaggio di spingere bene l'acqua, d'altra parte la loro efficienza è inferiore del +/- 10% rispetto alle turbine lente di grande diametro.

Di tutti i sistemi di aerazione superficiale, gli aeratori ad albero verticale lento sono i più utilizzati perché hanno la migliore efficienza di ossigenazione, la più alta capacità di ossigenazione per unità e la migliore capacità di miscelazione per i grandi stagni.

I sistemi sommersi comprendono molti sistemi ma i più utilizzati sono le bollicine fini. È interessante notare che i nuovi sistemi di diffusione dell'aria (al contrario del gorgogliamento convenzionale) promettono eccellenti rendimenti energetici.

Confrontando i sistemi più comunemente usati, vale a dire le turbine a bolle lente e fini, gli aeratori di superficie ad albero verticale di tipo lento (turbine lente) presentano molteplici vantaggi. La loro manutenzione è trascurabile mentre gli aeratori a bolle fini devono essere puliti. La vita utile delle turbine lente è molto più lunga e la loro affidabilità è molto più alta. D'altra parte, le loro prestazioni misurate secondo la norma EN 12255-15 danno risultati migliori per le bollicine fini. Questa norma permette di misurare e quindi confrontare l'efficienza di impianti in condizioni standard, quindi a 20 ° C, 1013 mbar e con acqua pulita (potabile). Per avere una buona immagine della bolletta energetica, è necessario integrare il fattore alfa. Questo fattore è il rapporto tra il Kla (coefficiente di trasferimento dell'ossigeno) nelle acque reflue e il Kla nelle acque chiare. Questo fattore alfa dipendente dall'acqua è molto diverso durante l'aerazione in superficie o sott'acqua. È chiaramente favorevole per gli aeratori di superficie (dell'ordine di 0,9 per gli aeratori di superficie) mentre è solo ± 0,6 per i sistemi a bolle fini (valore per le acque reflue urbane). Inoltre, gli aeratori di superficie generalmente non richiedono un miscelatore mentre l'efficienza energetica di un sistema di aerazione deve comprendere tutti gli accessori utilizzati per l'aerazione. In determinati periodi di funzionamento, si può vedere che il consumo di energia degli aeratori di superficie di tipo lento (di grande diametro) è simile alle bolle fini, a parità di tutte le altre condizioni. Ciò è stato dimostrato in particolare nei Paesi Bassi, dove i due sistemi sono sistematicamente installati sui contatori di energia. Altri criteri sono importanti da prendere in considerazione come il rumore, gli aerosol e gli accessori essenziali per un sistema di ventilazione. Gli aeratori di superficie di tipo lento possono essere completamente coperti per eliminare qualsiasi fastidio. Per bolle fini, il soppressore deve essere coperto e posizionato in un edificio con eventuali filtri d'aria. La ventilazione superficiale richiede meno edifici e molto meno lavoro sul sito, il che limita l' energia incorporata . Va anche notato che le aziende stanno commercializzando aeratori solari senza collegamento alla rete elettrica e senza batteria. Queste macchine sono destinate alle lagune ed è quindi la laguna che funge da accumulatore di energia a breve termine sotto forma di ossigeno disciolto.

Riepilogo degli elementi di dimensionamento

Dati effluenti

Volume prodotto per abitante equivalente (eqh): circa 150 L / giorno in Francia (per confronto, è superiore a 400 L / giorno negli Stati Uniti e in Canada)
Carico organico per eqh: circa 45-60 g di BOD5 / d in Francia. Il valore utilizzato in Francia è 60 g / g di BOD5 per un eqh, questo valore è fissato dall'articolo R.2224-6 del codice delle autorità locali. Da un punto di vista giuridico, in tutti i testi dell'Unione Europea, il valore dell'eqh è di 60 g / g di BOD5.
COD (Chemical Oxygen Demand) per eqh: 120 g [COD] / d in Francia
Azoto prodotto da eqh: 15 g [N] / d in Francia
Materia sospesa per eqh: 90 g [MES] / d in Francia
Fosforo per eqh: circa 1,5 g [P] / d in Francia nel 2008
il numero di abitanti della zona
portata giornaliera in m 3 / h
flusso di picco in m 3 / h

Dimensionamento

Tempo di permanenza nel bacino di aerazione: da 8 a 50 ore
Tempo di permanenza nel chiarificatore: da 5 a 10 ore
Potenza di ventilazione installata:
Volume del bacino di aerazione per abitante equivalente (eqh): circa 0,2 m 3
Volume chiarificatore per eqh: da circa 0,05 a 0,1 m 3 (da 50 a 100 L )
Ricircolo dei fanghi (dal bacino di decantazione al bacino di aerazione): dal 5 al 10% dei fanghi viene estratto dal circuito ogni giorno, ovvero una "età dei fanghi" da 10 a 20 giorni, dal bacino di aerazione o vasca di decantazione, a seconda la loro concentrazione nella vasca di aerazione e la quantità presente nel decantatore.
Produzione di fanghi per eqh e al giorno: da 30 a 60 g di sostanza secca al giorno o da 1 a 3 litri di fango non addensato.
Nel reattore biologico (o vasca di aerazione) la biomassa dovrebbe essere approssimativamente uguale a 10 volte la quantità di materia organica che entra ogni giorno.

Note e riferimenti

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Vedi anche

link esterno

Bibliografia

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