Proces A2O: kompletny przewodnik po beztlenowym, beztlenowym i tlenowym oczyszczaniu ścieków

Wprowadzenie do procesu A2O

W świecie nowoczesnej inżynierii ściekowej zmienił się stiard czystej wody. Nie wystarczy już po prostu usunąć lubganiczne ciała stałe; dzisiejsze przepisy wymagają usuwania rozpuszczonych składników odżywczych, które zagrażają naszym ekosystemom. Wprowadź Proces A2O (Anaerobowo-beztlenowo-tlenowo).

Proces A2O jest powszechnie przyjętą konfiguracją systemu osadu czynnego, zaprojektowaną specjalnie do tego celu Biologiczne usuwanie składników odżywczych (BNR) . W przeciwieństwie do tradycyjnych metod oczyszczania, które koncentrują się przede wszystkim na usuwaniu węgla, proces A2O jest jednocześnie ukierunkowany azot i fosfor — dwaj główni sprawcy eutrofizacji wody.

Poprzez inteligentny obieg ścieków przez trzy odrębne strefy środowiskowe — Beztlenowy (bez tlenu, bez azotanów), Beztlenowy (bez tlenu, tak azotany) i tlenowy (napowietrzony) – system A2O tworzy zróżnicowany ekosystem mikroorganizmów. Te mikroorganizmy działają w harmonii, rozkładając materię organiczną, przekształcając amoniak w nieszkodliwy azot i biologicznie zatrzymując fosfor w osadzie.

Dlaczego proces A2O jest istotny?

• Prostota: Zapewnia jednoczesne usuwanie azotu i fosforu w jednym systemie osadu, bez konieczności stosowania dodatków chemicznych.
• Wydajność: Wykorzystuje węgiel organiczny naturalnie obecny w ściekach do napędzania procesu denitryfikacji, zmniejszając potrzebę stosowania dodatkowych źródeł węgla.
• Zrównoważony rozwój: Zmniejszając ładunek składników odżywczych, zapobiega zakwitom toksycznych glonów w zbiornikach wodnych, chroniąc życie wodne i zdrowie ludzkie.

Zrozumienie celów oczyszczania ścieków

Aby docenić elegancję procesu A2O, musimy najpierw zrozumieć wrogów, z którymi walczy. Oczyszczanie ścieków nie polega tylko na tym, aby woda wyglądała przejrzyście; chodzi o usunięcie niewidocznych zanieczyszczeń chemicznych, które zakłócają równowagę przyrody.

Podczas gdy leczenie konwencjonalne koncentruje się na Węgiel (mierzone jako BZT/ChZT) oraz ciała stałe (TSS) zaawansowane procesy, takie jak A2O, mają na celu rozwiązanie tych problemów Składniki odżywcze .

Trzy główne zanieczyszczenia

1. Materia organiczna (BZT/ChZT)

• Co to jest: Odpady biodegradowalne (resztki jedzenia, odpady ludzkie).
• Niebezpieczeństwo: Jeśli zostaną uwolnione bez leczenia, bakterie w rzekach i jeziorach będą agresywnie pochłaniać tę materię. W ten sposób zużywają cały rozpuszczony w wodzie tlen, dusząc ryby i inne organizmy wodne.
• Rola A2O: Proces A2O usuwa materię organiczną głównie w strefie beztlenowej i beztlenowej (wykorzystując ją jako paliwo do określonych reakcji) i kończy pracę w strefie tlenowej.

2. Azot (amoniak i azotany)

• Co to jest: Azot przedostaje się do ścieków głównie poprzez mocznik i białka.
• Niebezpieczeństwo:
  • Toksyczność: Wysoki poziom amoniaku jest bezpośrednio toksyczny dla ryb.
  • Eutrofizacja: Azot pełni funkcję nawozu dla glonów. Kiedy glony umierają i gniją, wyczerpują tlen (martwe strefy).
• Rola A2O: Proces A2O przekształca toksyczny amoniak (NH ₄ ) w azotany (NIE ₃ ^- ), a następnie usuwa tlen, uwalniając nieszkodliwy azot (N ₂ ).

3. Fosfor

• Co to jest: Występuje w detergentach, mydłach i odpadach ludzkich.
• Niebezpieczeństwo: Fosfor jest zwykle „ograniczającym składnikiem odżywczym” w wodzie słodkiej. Nawet najmniejsze dodatki mogą wywołać masowe, niekontrolowane zakwity glonów, które powodują, że woda staje się zielona i toksyczna.
• Rola A2O: Na tym polega specjalność procesu A2O. Stresując bakterie w strefie beztlenowej, system przygotowuje je do wchłonięcia ogromnych ilości fosforu w strefie tlenowej, zatrzymując go w szlamie, aby można go było usunąć z wody.

Przebieg procesu A2O: podróż krok po kroku

Proces A2O to ciągła podróż ścieków, mająca na celu stworzenie specyficznych warunków środowiskowych sprzyjających różnym typom bakterii. Klucz do sukcesu leży nie tylko w samych zbiornikach, ale w dwóch kluczowych pętlach recyrkulacji, które przemieszczają wodę i osad pomiędzy nimi.

1. Strefa beztlenowa (Selektor)

Jest to początkowa strefa kontaktu, w której rozpoczyna się proces.

• Napływ: Dopływające ścieki surowe (bogate w organiczną „żywność”) są mieszane Powrót osadu czynnego (RAS) z osadnika wtórnego.
• Środowisko: Ściśle beztlenowy. Nie ma rozpuszczonego tlenu (O ₂ ) i nie zawiera azotanów (NO ₃ ).
• Kluczowy proces (wydanie P): W tym zestresowanym środowisku Organizmy gromadzące fosforany (PAO) są wybrane. Zużywają lotne kwasy tłuszczowe (LKT) ze ścieków i, aby uzyskać do tego energię, rozkładają wewnętrzne wiązania polifosforanowe, uwalniając ortofosforan do cieczy.

2. Strefa beztlenowa (denitryfikacja)

Ścieki przepływają ze strefy beztlenowej do strefy beztlenowej, gdzie łączy się z nimi ogromny strumień wody poddanej recyklingowi.

• Napływ: Alkohol mieszany ze strefy beztlenowej Wewnętrzny recykling mieszanych alkoholi (IMLR) ze strefy Oxic.
• Środowisko: Beztlenowy. There is no free dissolved oxygen, but there is chemically bound oxygen in the form of nitrates (NO ₃ ) wniesione przez IMLR.
• Kluczowy proces (denitryfikacja): Bakterie heterotroficzne wykorzystują pozostałą materię organiczną jako źródło pożywienia. Aby oddychać, usuwają atomy tlenu z cząsteczek azotanów (NO ₃ ), przekształcając je w azot (N ₂ ), który nieszkodliwie wypływa z wody. Jest to główny mechanizm usuwania azotu.

3. Strefa tlenowa (silnik aerobowy)

Jest to największa i najbardziej aktywna strefa, do której intensywnie wprowadzane jest powietrze.

• Napływ: Alkohol mieszany ze strefy beztlenowej.
• Środowisko: Aerobik. Wysoki poziom rozpuszczonego tlenu jest utrzymywany przez dyfuzory lub aeratory.
• Kluczowy proces 1 (nitryfikacja): Bakterie autotroficzne (np Nitrosomonas i Nitrobacter ) przekształcają toksyczny amoniak (NH ₄ ) w azotany (NIE ₃ ).
• Kluczowy proces 2 (pobór luksusowych P): PAO, obecnie znajdujące się w środowisku bogatym w tlen, „luksusowo pobierają” duże ilości fosforanów z wody w celu odbudowania swoich wewnętrznych zapasów, usuwając je z fazy ciekłej.
• Podział: Na końcu tej strefy duża część wymieszanego ługu bogatego w azotany jest pompowana z powrotem do strefy beztlenowej poprzez IMLR , a reszta przepływa do osadnika.

4. Oczyszczacz wtórny (separacja)

Ostatnim etapem jest proces fizycznej separacji.

• Napływ: Mieszanka alkoholowa ze strefy Oxic.
• Proces: Biologiczne kłaczki (szlam) osiadają na dnie zbiornika, pozostawiając na górze czystą, oczyszczoną wodę.
• Odpływ (ściek): Klarowny supernatant przepływa przez jazy i jest odprowadzany jako oczyszczony ściek.
• Zarządzanie osadami: Osadzony osad jest albo ponownie zawracany na początek jako RAS w celu utrzymania populacji biologicznej lub usunięcia z systemu jako Odpadowy osad czynny (WAS) do trwałego usunięcia fosforu i nadmiaru biomasy.

Podstawowe etapy procesu A2O

Proces A2O to system wzrostu zawieszonego z pojedynczym osadem. Choć wydaje się to liniowe, jego wydajność zależy w dużej mierze od wewnętrznej recyrkulacji. Ścieki przepływają przez trzy odrębne strefy środowiskowe, z których każda hoduje określone zbiorowiska bakterii, których zadaniem jest zwalczanie różnych substancji zanieczyszczających.

[Obraz schematu przebiegu procesu A2O]

1. Strefa beztlenowa (Selektor)

Jest to strefa początkowego kontaktu, w której surowe dopływające ścieki mieszają się z osadem czynnym powrotnym (RAS).

• Środowisko: Warunki ściśle beztlenowe. Nie ma wolnego tlenu (O ₂ ) i bez związanego tlenu (azotan/azotyn).
• Mechanizm (uwalnianie fosforu): W tym pełnym stresu środowisku Organizmy gromadzące fosforany (PAO) są dominujące. Aby przetrwać, zużywają lotne kwasy tłuszczowe (VFA) ze ścieków. Aby uzyskać energię potrzebną do wchłonięcia tych LKT, PAO rozkładają swoje wewnętrzne wiązania polifosforanowe, uwalniając ortofosforan do cieczy.
• Wynik: Jak na ironię, stężenia fosforanów zwiększyć na tym etapie. To „uwolnienie” jest niezbędnym wstępem do „wchłonięcia luksusu”, który ma miejsce później.

2. Strefa beztlenowa (denitryfikacja)

Ścieki przepływają ze strefy beztlenowej do strefy beztlenowej. W tym przypadku kluczowa wewnętrzna pętla recyklingu dostarcza mieszany ług bogaty w azotany z powrotem z końca procesu (strefa tlenowa).

• Środowisko: Beztlenowy conditions. There is no free dissolved oxygen, but chemically bound oxygen is present in the form of Nitrates (NO3 ^- ).
• Mechanizm (denitryfikacja): Bakterie heterotroficzne wykorzystują pozostałą w ściekach materię organiczną (BZT) jako pożywienie. Aby oddychać, usuwają cząsteczki tlenu z azotanów.
• Przesunięcie chemiczne: Proces ten przekształca azotany (NO3 ^- ) w azot (N ₂ ), który nieszkodliwie wypływa z wody.
  NO3 ^- → NO2 ^- → NO → N ₂ O → N ₂
• Wynik: Znaczące usunięcie azotu całkowitego.

3. Strefa tlenowa (leczenie aerobowe)

Jest to końcowy etap biologiczny, w którym wprowadza się napowietrzanie za pomocą mechanicznych aeratorów powierzchniowych lub systemów powietrza rozproszonego.

• Środowisko: Warunki tlenowe z wysokim poziomem rozpuszczonego tlenu (DO) (zwykle 2,0 mg/l lub więcej).
• Mechanizm A (nitryfikacja): Bakterie autotroficzne (np Nitrosomonas i Nitrobacter ) przekonwertować amoniak (NH ₄ ) na azotany (NO3 ^- ). Azotan ten jest następnie zawracany z powrotem do strefy beztlenowej w celu usunięcia.
• Mechanizm B (pobór luksusowego fosforu): PAO, obecnie znajdujące się w środowisku bogatym w tlen, pracują nadmiernie. Utleniają zmagazynowane substancje organiczne (wchłonięte w fazie beztlenowej), aby uzupełnić zapasy fosforanów. Pochłaniają znacznie więcej fosforanów, niż wypuściły wcześniej.

• Wynik: Amoniak ulega utlenieniu, a ilość fosforanów w fazie ciekłej ulega drastycznej redukcji, ponieważ zostaje uwięziona wewnątrz bakterii (które ostatecznie zostaną usunięte w postaci osadu).

Czynniki wpływające na wydajność procesu A2O

Proces A2O zapewnia równowagę biologiczną. Ponieważ opiera się na żywych mikroorganizmach, system jest wrażliwy na zmiany środowiskowe. Aby osiągnąć optymalne usuwanie składników odżywczych, operatorzy muszą uważnie monitorować i kontrolować kilka kluczowych czynników.

1. Kontrola rozpuszczonego tlenu (DO).

To najbardziej krytyczny parametr. Bakterie w każdej strefie wymagają do funkcjonowania określonego środowiska tlenowego.

• Beztlenowy Zone: Musi być ściśle beztlenowy (DO ≅ 0 mg/l). Nawet niewielkie ilości tlenu zatrzymają uwalnianie fosforu.
• Beztlenowy Zone: Musi mieć niski DO (DO < 0,5 mg/l), ale wysoki poziom azotanów. Jeśli DO dostanie się do tej strefy (np. poprzez nadmierne turbulencje lub nadmiernie napowietrzony osad powrotny), bakterie wykorzystają wolny tlen zamiast tlenu azotanowego, zatrzymując denitryfikację.
• tlenowy Zone: Wymaga wystarczającej ilości DO (2,0 - 3,0 mg/l). Jeśli poziom spadnie zbyt nisko, nitryfikacja ustaje; jeśli poziomy są zbyt wysokie, marnuje energię i wysyła nadmiar tlenu z powrotem do strefy beztlenowej poprzez pętlę recyklingu.

2. Współczynniki recyrkulacji wewnętrznej

„Serce” procesu A2O stanowią pompy.

• IMLR (wewnętrzny recykling mieszanego alkoholu): Określa to, ile azotanów zostanie usuniętych. Standardowy współczynnik to 200% do 300% dopływu. Jeśli stosunek jest zbyt niski, azotany ulatniają się ze ściekami. Jeśli jest zbyt wysoka, rozcieńcza wymieszaną ciecz i skraca czas retencji.
• RAS (powrót osadu czynnego): Dzięki temu w strefie beztlenowej znajduje się wystarczająca ilość biomasy. Zwykle ustawiane o godz 50% do 100% przepływu wpływów.

3. Temperatura i pH

Różne bakterie mają różne „strefy komfortu”.

• Temperatura: Bakterie nitryfikacyjne (strefa tlenowa) są bardzo wrażliwe na zimno. Poniżej 12 °C , ich aktywność znacznie spada, co stwarza ryzyko wystąpienia dużej ilości amoniaku w zrzutach.
• pH: Nitryfikacja pochłania zasadowość, naturalnie obniżając pH. Jeśli pH spadnie poniżej 6.5 , bakterie przestają działać. Operatorzy często muszą dodać alkaliczność (np. wapno lub sodę kalcynowaną), aby utrzymać pH pomiędzy 7,0 i 8,0 .

4. Stosunek węgla do składników odżywczych (C:N:P)

Bakterie potrzebują pożywienia (węgla), aby wykonywać swoją pracę.

• Denitryfikacja wymaga węgla organicznego. Jeśli ścieki są „słabe” (niskie BZT), nie będzie wystarczającej ilości pożywienia, aby bakterie mogły rozłożyć azotany w strefie beztlenowej.
• Usuwanie fosforu opiera się na lotnych kwasach tłuszczowych (VFA). Jeśli dopływ nie zawiera LKT, usuwanie fosforu będzie słabe.

Zalety i wady procesu A2O

Chociaż A2O jest złotym standardem w zakresie biologicznego usuwania składników odżywczych, nie jest to system, który można zainstalować i zapomnieć. Ma wyraźne zalety i wady w porównaniu do konwencjonalnego osadu czynnego.

Zalety (Zalety)

• Jednoczesne usuwanie składników odżywczych: Skutecznie usuwa BZT, azot i fosfor w jednym systemie osadu, bez konieczności stosowania oddzielnych etapów chemicznego strącania.
• Ekonomiczna eksploatacja: Dzięki zastosowaniu azotanów (zamiast powietrza) do utlenienia BZT w strefie beztlenowej, w procesie odzyskuje się tlen, zmniejszając całkowite zapotrzebowanie na energię napowietrzania.
• Ulepszone właściwości osadu: Strefa selektora beztlenowego hamuje rozwój bakterii nitkowatych, które często powodują „pęcznienie osadu”. Prowadzi to do lepszego osadzania osadu w osadniku.
• Bez dodatku substancji chemicznych: Do usuwania fosforu wykorzystuje się mechanizmy biologiczne, a nie drogie koagulanty chemiczne (takie jak ałun lub chlorek żelaza).

Wady (wady)

• Wrażliwość na wpływową jakość: Proces ten w dużym stopniu zależy od stosunku BZT do azotu/fosforu w ściekach surowych. Jeśli dopływająca woda ma niską zawartość materii organicznej (węgla), skuteczność usuwania drastycznie spada.
• Złożoność operacji: Równoważenie dwóch pętli recyklingu (RAS i IMLR) wymaga wykwalifikowanych operatorów i precyzyjnych systemów sterowania.
• Informacje zwrotne dotyczące azotanów: Jeśli wewnętrzny obieg nie jest odpowiednio zarządzany, azotany mogą przedostać się z powrotem do strefy beztlenowej. Azotany w strefie beztlenowej działają jak trucizna dla mechanizmu usuwania fosforu.
• Wyższy kapitał założycielski: Wymóg dotyczący trzech oddzielnych stref, ścian wewnętrznych, mieszalników i pomp recyrkulacyjnych zwiększa początkowe koszty budowy w porównaniu z prostym zbiornikiem napowietrzającym.

Zastosowania A2O w świecie rzeczywistym

Proces A2O jest wszechstronny i skalowalny, co czyni go preferowanym wyborem w przypadku różnorodnych scenariuszy oczyszczania ścieków.

1. Oczyszczanie ścieków komunalnych

Jest to najczęstsze zastosowanie. Miasta na całym świecie wykorzystują A2O do spełnienia rygorystycznych norm dotyczących ścieków, które zabraniają odprowadzania azotu i fosforu do rzek i jezior.

• Modernizacja: Jedną z największych zalet A2O jest to, że wiele istniejących zbiorników napowietrzających z przepływem tłokowym można zamontować w systemach A2O, po prostu instalując przegrody (ściany) w celu utworzenia trzech stref i dodając pompy recyrkulacyjne.
• Skala: Jest skuteczny w przypadku zakładów o średniej i dużej skali (obsługujących populacje od 10 000 do ponad 1 000 000).

2. Zastosowania przemysłowe

W branżach wytwarzających odpady organiczne o wysokiej zawartości składników odżywczych A2O jest szczególnie skuteczne.

• Jedzenie i napoje: Mleczarnie, browary i rzeźnie często wytwarzają ścieki o dużej zawartości azotu i fosforu. A2O pomaga tym obiektom uzyskać pozwolenia na zrzuty do środowiska bez nadmiernych kosztów środków chemicznych.
• Rośliny nawozowe: Obiekty te radzą sobie z wysokimi stężeniami amoniaku, co sprawia, że możliwości nitryfikacji/denitryfikacji A2O są niezbędne.

Konserwacja i rozwiązywanie problemów

Nawet doskonale zaprojektowany system A2O może stawić czoła wyzwaniom operacyjnym. Systemy biologiczne są dynamiczne; zmiana pogody, skład ścieków lub awaria sprzętu mogą zakłócić delikatną równowagę bakterii.

Typowe problemy operacyjne i rozwiązania

Poniższa tabela przedstawia najczęstsze problemy napotykane przez operatorów w zakładach A2O oraz sposoby ich rozwiązywania.

Wskazówki dotyczące konserwacji zapobiegawczej

• Kalibracja czujnika: Proces A2O opiera się na czujnikach DO i azotanów do sterowania pompami. Kalibruj je co tydzień.
• Konserwacja miksera: W strefach beztlenowych i beztlenowych stosowane są mieszadła zanurzeniowe, które utrzymują cząstki stałe w stanie zawiesiny bez dodawania tlenu. Jeśli mieszalnik ulegnie awarii, ciała stałe opadną i zmniejszą efektywną objętość zbiornika.
• Kontrola pompy: Wewnętrzne pompy recyrkulacyjne (IMLR) pracują w sposób ciągły. Regularna analiza drgań i kontrola uszczelnień są niezbędne, aby zapobiec nagłej awarii.

Często zadawane pytania (FAQ) dotyczące procesu A2O

P: Jaka jest główna różnica między procesem A/O a procesem A2O?
O: Standardowy proces A/O (anaerobowo-oksydacyjny) jest przeznaczony przede wszystkim do Fosfor usunięcie. Brakuje mu strefy „beztlenowej” i wewnętrznego recyklingu azotanów, co oznacza, że ​​nie może skutecznie usuwać azotu. A2O (beztlenowo-beztlenowo-tlenowo) dodaje ten środkowy krok do usunięcia oba Azot i fosfor.

P: Dlaczego strefa beztlenowa musi być wolna od azotanów?
O: Jeśli w strefie beztlenowej obecne są azotany, bakterie będą wykorzystywać tlen z azotanów do oddychania, zamiast fermentować ścieki. Zapobiega to powstaniu stanu „stresu” potrzebnego organizmom gromadzącym fosfor (PAO) do uwolnienia fosforu, skutecznie zakłócając proces biologicznego usuwania fosforu.

P: Jaka jest typowa wydajność usuwania w systemie A2O?
O: Dobrze obsługiwana instalacja A2O może zazwyczaj osiągnąć:

• BZT/COD: > 90%
• Azot całkowity (TN): 60% – 80% (ograniczone wewnętrznym współczynnikiem recyklingu)
• Fosfor całkowity (TP): 70% – 90%

P: Czym jest MLSS i dlaczego jest ważny w A2O?
O: MLSS oznacza Mieszane substancje stałe zawieszone w alkoholu . Jest to miara stężenia bakterii (biomasy) w zbiorniku. W systemach A2O MLSS utrzymuje się zwykle na poziomie od 3000 mg/L do 5000 mg/L. Jeśli jest zbyt niski, nie ma wystarczającej liczby bakterii do uzdatniania wody; jeśli będzie za wysoka, odstojnik może zostać przeciążony.

P: Czy proces A2O może spełniać rygorystyczne limity całkowitego azotu (np. < 3 mg/l)?
O: Standardowy A2O często ma trudności z osiągnięciem bardzo niskich limitów azotu, ponieważ opiera się na jednej wewnętrznej pętli recyklingu. Aby osiągnąć limity poniżej 3-5 mg/l, rośliny często potrzebują dodatkowej strefy beztlenowej (zmodyfikowany proces Bardenpho) lub dodatku zewnętrznego źródła węgla (takiego jak metanol) w celu przyspieszenia denitryfikacji.

P: Dlaczego w osadniku w mojej instalacji A2O występuje „wznoszący się osad”?
O: Przyczyną powstawania osadu jest zwykle: niekontrolowana denitryfikacja w klarowniku. Jeśli osad zalega tam zbyt długo, bakterie przekształcają pozostałe azotany w pęcherzyki azotu, które przyklejają się do osadu i unoszą go na powierzchnię. Rozwiązaniem jest zwiększenie ilości osadu czynnego powrotnego (RAS), aby szybciej usunąć osad z osadnika.