La logica fondamentale e i vantaggi/svantaggi del processo di denitrificazione AO
Il nucleo del processo di denitrificazione dell'AO è il funzionamento sequenziale di due fasi: anossica e aerobica. La conversione e la rimozione dell'azoto si ottengono attraverso l'azione sinergica dei microrganismi. Il processo specifico può essere suddiviso in tre fasi:
Ammonificazione: Nella fase anossica (serbatoio A, DO inferiore o uguale a 0,2 mg/L), i batteri eterotrofi convertono l'azoto degli inquinanti organici, come proteine e grassi nelle acque reflue, in azoto ammoniacale (NH₃-N).
Nitrificazione: Nella fase aerobica (serbatoio di O, DO=2–4 mg/L), i batteri nitrificanti, con un sufficiente apporto di ossigeno, ossidano l'azoto ammoniacale in azoto nitrato (NO₃⁻) o azoto nitrito (NO₂⁻).
Denitrificazione: Il liquido nitrificato dallo stadio aerobico viene riportato allo stadio anossico tramite ricircolo interno. I batteri denitrificanti, in condizioni anossiche, riducono l'azoto nitrato in azoto gassoso (N₂), che viene poi rilasciato dal corpo idrico attraverso l'aerazione, completando il ciclo di denitrificazione. Questa progettazione del processo offre due vantaggi principali:
In primo luogo, con il serbatoio anossico che precede il serbatoio aerobico, il carbonio organico nelle acque reflue può essere utilizzato direttamente dai batteri denitrificanti, riducendo sia il carico organico sul serbatoio aerobico sia il costo delle fonti esterne di carbonio.
In secondo luogo, l’alcalinità generata dalla denitrificazione compensa l’alcalinità consumata dalla nitrificazione nella vasca aerobica, contribuendo a mantenere la stabilità del pH del sistema.
Tuttavia, il processo AO presenta anche notevoli inconvenienti: la sua efficienza di rimozione dell’azoto non è elevata, in genere solo del 70–80%, molto inferiore al tasso di rimozione del 90–95% della materia organica. Tuttavia, per la maggior parte dei progetti convenzionali sulle acque reflue, il controllo dei parametri chiave può migliorare significativamente l’efficienza di rimozione dell’azoto. Per le acque reflue ad alto contenuto di-ammoniaca-azoto, in genere è sufficiente un progetto della serie AO a due-stadi.
Come migliorare l'efficienza di rimozione dell'azoto
MLSS (concentrazione di solidi sospesi in liquore misto): La concentrazione di MLSS influenza direttamente il numero di batteri nitrificanti e denitrificanti. Si consiglia di mantenerlo sopra i 3.000 mg/L; al di sotto di questo valore la capacità di rimozione dell'azoto del sistema diminuirà notevolmente.
Caricamento fanghi (COD/MLSS): I batteri nitrificanti sono "batteri-a crescita lenta". Se il carico organico è troppo elevato, i batteri eterotrofi si moltiplicheranno rapidamente, competendo per ossigeno e sostanze nutritive. Si consiglia di controllare il tasso di caricamento dei fanghi a meno di 0,10–0,15 kgCOD/kgMLSS·d. Ciò può essere ottenuto aumentando la concentrazione di MLSS o aumentando il volume del serbatoio di aerazione, riducendo il carico organico e fornendo spazio sufficiente per la proliferazione dei batteri nitrificanti.
Età dei fanghi: Il tasso di crescita specifico minimo dei batteri nitrificanti è solo 0,21/giorno, molto inferiore all'1,2/giorno dei batteri eterotrofi. Per consentire ai batteri nitrificanti di diventare la specie dominante, l'età dei fanghi deve essere superiore a 4,76 giorni. Tuttavia, l’età dei fanghi dei tradizionali processi a fanghi attivi è di soli 2-4 giorni, il che rappresenta uno dei motivi principali per cui la nitrificazione non può essere completata.
Carico di azoto ammoniacale: Il carico di azoto ammoniacale (azoto organico + azoto ammoniacale) per la nitrificazione deve essere controllato al di sotto di 0,05 gTKN/(gMLSS·d). Un carico eccessivo supererà la capacità di trattamento dei batteri nitrificanti, portando all'accumulo di azoto ammoniacale e all'interruzione della denitrificazione.
Fonte di carbonio influente dal serbatoio di aerazione: Se la concentrazione di BOD₅ nell'affluente è troppo elevata (superiore a 80 mg/L), i batteri eterotrofi proliferano, competendo con i batteri nitrificanti per l'ossigeno, inibendo così la nitrificazione. Pertanto, il BOD₅ che entra nel serbatoio di nitrificazione deve essere controllato al di sotto di 80 mg/L.
Rapporto C/N: Per garantire una denitrificazione completa, il rapporto C/N deve essere controllato tra 4 e 6. Se la fonte di carbonio è insufficiente, la denitrificazione non può procedere completamente e rimarrà azoto nitrato, con conseguente elevata concentrazione di azoto totale nell'effluente.
Concentrazione di azoto ammoniacale influente: L'effetto della concentrazione di azoto ammoniacale sulla nitrificazione mostra una tendenza "aumento e poi diminuzione". A basse concentrazioni, la velocità di reazione aumenta con l'aumentare della concentrazione. Tuttavia, quando la concentrazione di azoto ammoniacale nella parte anteriore del serbatoio aerobico nelle acque reflue urbane supera i 100 mg/l e nelle acque reflue industriali supera i 150 mg/l, la nitrificazione verrà inibita. Per le acque reflue ad alto contenuto di-ammoniaca-azoto (come le acque reflue dell'acquacoltura e il percolato di discarica), la concentrazione iniziale dell'affluente può essere ridotta attraverso la diluizione del ricircolo.
Rapporto di ricircolo interno (ricircolo del liquido di nitrificazione): Un rapporto di ricircolo più elevato si traduce in un tasso di denitrificazione più elevato, ma aumenta anche i costi dell'elettricità. In genere è controllato tra il 300 e il 500% e può essere-regolato con precisione in base ai dati sull'azoto totale degli effluenti. Se l'azoto totale è elevato, il rapporto di ricircolo può essere opportunamente aumentato. Se i costi operativi sono troppo elevati, è possibile ridurli pur rispettando gli standard.
Ossigeno disciolto (DO) nel serbatoio di nitrificazione: I batteri nitrificanti sono "batteri aerobici" e una quantità sufficiente di ossigeno è un prerequisito per la nitrificazione. Si consiglia di mantenere la DO tra 2 e 4 mg/L. Teoricamente, per ossidare 1 g di NH₄⁺ sono necessari 4,57 g di ossigeno. Se il DO scende al di sotto di 2 mg/L, la reazione di nitrificazione rallenterà in modo significativo.
Tempo di ritenzione idraulica (HRT): Un tempo di ritenzione sufficiente è essenziale per una reazione completa. La TOS per la nitrificazione dovrebbe essere superiore a 6 ore, mentre per la denitrificazione dovrebbe essere di 2 ore, con un rapporto di 3:1. Altrimenti, l’efficienza di rimozione dell’azoto diminuirà rapidamente.
pH e alcalinità: Il pH ottimale per i batteri nitrificanti è 8,0–8,4 e per i batteri denitrificanti è 6,5–7,5. Le deviazioni del pH da questi intervalli influenzeranno gravemente l'attività microbica. Inoltre, la nitrificazione completa di 1 g di azoto ammoniacale richiede 7,1 g di alcalinità (calcolata come CaCO₃), mentre l'alcalinità prodotta dalla denitrificazione può compensare circa la metà. Se l'alcalinità è insufficiente, deve essere ripristinata tempestivamente (ad esempio, aggiungendo carbonato di sodio) per prevenire la caduta del pH e l'inibizione della nitrificazione.
Temperatura: La temperatura influenza direttamente l'attività microbica. La temperatura ottimale per la nitrificazione è di 20–30 gradi e si ferma quasi al di sotto dei 5 gradi. La temperatura ottimale per la denitrificazione è di 20–40 gradi e la velocità scende rapidamente sotto i 15 gradi. Durante il funzionamento e la manutenzione invernale, è necessario mantenere i tassi di denitrificazione aumentando l'età dei fanghi, riducendo il carico ed estendendo il tempo di ritenzione idraulica.
Salinità: Una salinità eccessiva danneggia le membrane cellulari microbiche e influisce sul trasferimento di ossigeno, inibendo così la nitrificazione. In condizioni normali, la nitrificazione può procedere normalmente quando la concentrazione di cloro è inferiore a 2.000 mg/L. Se l'affluente è stabile, è possibile coltivare batteri resistenti al sale-per consentire il funzionamento anche a una concentrazione di cloro di 5.000 mg/l. Nota: le fluttuazioni della salinità sono più pericolose di un'elevata salinità, poiché possono facilmente portare alla perdita di fanghi.
Sostanze tossiche e nocive: I metalli pesanti, i fenoli, la tiourea, l'ammoniaca libera, gli antibiotici, ecc., possono uccidere direttamente i batteri nitrificanti o inibirne l'attività enzimatica. Quando si trattano le acque reflue contenenti queste sostanze, il pretrattamento (come coagulazione, sedimentazione e adsorbimento) è essenziale e l'introduzione di sostanze tossiche e nocive nel serbatoio di trattamento biologico dovrebbe essere severamente vietata.
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