Nel caso di acque reflue industriali monocomponenti e carenti di azoto e fosforo, l'aggiunta tempestiva e appropriata di questi nutrienti è particolarmente importante.
Azoto, fosforo e altri nutrienti sono fattori importanti per il mantenimento della crescita e della riproduzione dei microrganismi. Se il fabbisogno di nutrienti (N, P) dei microrganismi non viene soddisfatto, questi non possono crescere e riprodursi normalmente, e la funzione depurativa dei fanghi attivi per le acque reflue verrà meno con la fine del ciclo vitale dei microrganismi stessi. Pertanto, per le acque reflue industriali monocomponenti e carenti di azoto e fosforo, è particolarmente importante un apporto tempestivo e adeguato di questi nutrienti.
1. La necessità di N e P per i fanghi attivi
L'azoto (N) e il fosforo (P) sono componenti importanti della maggior parte dei microrganismi presenti nei fanghi attivi. Pertanto, la base per comprendere le esigenze nutrizionali dei microrganismi è la comprensione della composizione chimica delle cellule. L'analisi chimica delle cellule mostra che le cellule microbiche contengono una grande quantità di acqua (circa l'80%) e il resto è costituito da sostanza secca (circa il 20%), a sua volta composta da sostanza organica (circa il 90%) e sostanza inorganica (circa il 10%). Tra le sostanze organiche, il carbonio è il principale elemento (circa il 53,1%), seguito dall'azoto (circa il 12,4%); tra le sostanze inorganiche, il fosforo è il principale elemento (50%), mentre il resto è costituito da zolfo, sodio, ecc. Generalmente, la formula chimica delle cellule microbiche può essere espressa come C60H87O23N12P, il che dimostra che N e P sono indispensabili per i microrganismi.
D'altro canto, la maggior parte delle acque reflue ha una composizione complessa e generalmente fornisce diversi nutrienti necessari ai microrganismi, ma per le acque reflue industriali con componenti relativamente semplici, il contenuto relativo di N e P è molto basso. Secondo la legge del fattore minimo – la crescita microbica è limitata dal nutriente con il contenuto relativo più basso piuttosto che dal contenuto assoluto più basso – si può dedurre che, quando si utilizzano metodi biologici per il trattamento delle acque reflue industriali, N e P tendono a diventare fattori limitanti. Pertanto, quando si utilizza il metodo a fanghi attivi per il trattamento di acque reflue industriali con componenti semplici, è necessaria l'aggiunta di azoto e fosforo.
2. Effetto del dosaggio di N e P sui fanghi attivi
Gli elementi nutritivi (N e P) sono molto importanti nella coltura a fanghi attivi e nelle normali fasi operative. Pertanto, l'effetto del dosaggio di azoto e fosforo sul trattamento delle acque reflue industriali monocomponenti mediante il metodo a fanghi attivi è il seguente:
1. Dosaggio insufficiente di N e P
Nel processo a fanghi attivi, l'effetto di un dosaggio insufficiente di azoto e fosforo sul trattamento delle acque reflue si manifesta principalmente nei seguenti aspetti:
(1) Scarsa flocculazione dei fanghi attivi
Per decomporre la sostanza organica, i fanghi attivi necessitano di un apporto di azoto e fosforo in proporzioni adeguate. In caso di carenza di azoto e fosforo, non si riesce a produrre una quantità sufficiente di microrganismi per la decomposizione della sostanza organica. In assenza di nutrienti, l'apporto di azoto e fosforo non può essere raggiunto nelle quantità necessarie durante il processo di sintesi dei fanghi attivi, con conseguente immediato deterioramento delle proprietà di flocculazione.
(2) Scarsa sedimentazione dei fanghi attivi
A causa della scarsa flocculazione dei fanghi attivi, l'eccessiva presenza di fiocchi fini non consente una buona sedimentazione. Il rigonfiamento dei batteri filamentosi è indice di una carenza di azoto e fosforo. Analogamente, a causa dell'incapacità di sintetizzare un numero sufficiente di microrganismi per far fronte all'elevata concentrazione di materia organica in ingresso, i fanghi attivi si trovano in uno stato di carico elevato. In queste condizioni, la scarsa sedimentazione dei fanghi attivi è inevitabile. I fanghi attivi si disgregano o flocculano in modo insufficiente, con conseguente formazione di schiuma e residui sulla superficie del liquido.
(3) Diminuzione dell'efficienza del trattamento dei fanghi attivi
Il calo dell'efficienza del trattamento è causato anche dalla mancanza di nutrienti necessari alla sintesi dei corpi batterici, che non possono essere sintetizzati in modo efficace e sufficiente. Allo stesso tempo, la struttura porosa dei fanghi attivi e le perdite dovute a una scarsa sedimentazione sono un'ulteriore causa della bassa efficienza del trattamento con fanghi attivi.
(4) L'effluente del serbatoio di sedimentazione secondaria è di colore giallo brunastro
Esistono diverse ragioni per cui l'effluente del serbatoio di sedimentazione secondaria assume una colorazione giallo-brunastra. Tra queste, la carenza di azoto e fosforo nei fanghi attivi, che compromette la sintesi e il metabolismo dei fanghi stessi, causandone la disgregazione. Quando i fanghi attivi disgregati si dissolvono nel corpo idrico, si manifesta l'anomalia cromatica dell'effluente proveniente dal serbatoio di sedimentazione secondaria.
(5) È difficile aumentare la concentrazione dei fanghi attivi
Nella fase iniziale del trattamento delle acque reflue con fanghi attivi, se l'apporto di azoto e fosforo non è sufficiente durante la fase di coltivazione e acclimatazione dei fanghi attivi, ciò influirà negativamente sull'aumento della concentrazione dei fanghi stessi. Questo si manifesta con una bassa concentrazione di fanghi attivi e con la mancata formazione del biofilm dopo un lungo periodo di tempo. Durante la fase di coltivazione dei fanghi attivi, il fabbisogno di nutrienti (N, P) è lo stesso di quello per la coltivazione normale e deve essere rigorosamente controllato. Tuttavia, rispetto alla quantità di nutrienti aggiunta durante il normale funzionamento, è necessario un apporto leggermente superiore, in genere circa il 15% in più rispetto al valore normale. L'obiettivo è quello di fornire le condizioni ambientali necessarie per un rapido avvio della coltivazione dei fanghi attivi e di garantire la rapida crescita della concentrazione di fanghi attivi durante il processo di coltivazione.
2. Aggiunta eccessiva di N e P
L'aggiunta eccessiva di nutrienti azotati e fosfatici è dannosa anche per la sedimentazione dei fanghi attivi. I suoi effetti negativi sul sistema durante il trattamento delle acque reflue con il metodo dei fanghi attivi si manifestano principalmente nei seguenti aspetti:
(1) Crescita di muschio o alghe nel serbatoio di sedimentazione secondaria
Come le alghe, il muschio si riproduce tramite fotosintesi e necessita di nutrienti (N, P) come elementi essenziali. Quando l'agente nutritivo viene aggiunto in eccesso, è molto facile che il muschio cresca allo sfioratore di uscita del serbatoio di sedimentazione secondaria. Tracce di alghe possono essere trovate anche quando la qualità dell'acqua è ben trattata. Il motivo è che, a causa dell'eccessivo apporto di azoto e fosforo nel sistema biochimico, i fanghi attivi non possono essere completamente utilizzati e si verifica una relativa eutrofizzazione. Ciò riduce anche l'efficienza di trattamento del filtro biologico, in genere diminuendo l'efficienza di rimozione del 10%. Questo perché le alghe che crescono non sono in grado di degradare la materia organica presente nelle acque reflue e necessitano solo di nutrienti e luce solare come energia per la crescita e la riproduzione.
(2) Nel serbatoio di sedimentazione secondaria compare del fango galleggiante
Esistono molteplici ragioni per il galleggiamento dei fanghi nel serbatoio di sedimentazione secondaria, ma il galleggiamento dei fanghi attivi causato da un'eccessiva aggiunta di nutrienti azotati e fosfatici è dovuto principalmente all'eccesso di azoto presente nei fanghi attivi, che provoca la denitrificazione dei fanghi attivi in condizioni anaerobiche. Il gas generato durante il processo di denitrificazione trasporta i fiocchi di fanghi attivi a galleggiare, e il loro stato galleggiante si presenta spesso sotto forma di fiocchi di neve.
(3) Cambiamenti nella fase biologica nel sistema a fanghi attivi
L'aggiunta eccessiva di nutrienti azotati e fosfatici provoca anche cambiamenti nella fase biologica del sistema a fanghi attivi. Questi cambiamenti possono essere confermati dall'osservazione delle specie di protozoi, che si manifestano principalmente con variazioni nel numero di ciliati rettili, come ad esempio la predominanza di specie di ciliati al posto dei vermi campanulari e altre modifiche nella flora protozoica dei fanghi attivi. Da questo punto di vista, si può constatare che un'aggiunta eccessiva di nutrienti azotati e fosfatici ha un effetto limitato sui microrganismi presenti nei fanghi attivi per un certo periodo di tempo, ma un'aggiunta eccessiva a lungo termine altera la popolazione microbica e ha un impatto relativamente grave sull'efficacia del trattamento.
(4) Contenuto eccessivo di azoto e fosforo nell'effluente
La quantità di microrganismi presenti nei fanghi attivi è certa, così come la quantità di nutrienti (N, P) necessari per la loro crescita. Se la quantità di nutrienti (N, P) aggiunti è eccessiva, parte di N e P non verrà utilizzata e verrà scaricata dal serbatoio di sedimentazione secondaria insieme alle acque reflue trattate, con conseguente aumento eccessivo del contenuto di N e P nell'effluente della sedimentazione secondaria. Ciò comprometterà l'efficacia del trattamento delle acque reflue e, in una certa misura, aggraverà l'eutrofizzazione del corpo idrico.
III. Calcolo del dosaggio di N e P
Determinare la quantità di azoto e fosforo da aggiungere è il presupposto per un dosaggio razionale dei nutrienti. Per confermare la quantità di azoto e fosforo da aggiungere durante il processo aerobico, si utilizza solitamente il seguente rapporto empirico: sostanza organica: azoto: fosforo = 100:5:1. Nella formula del rapporto, la sostanza organica può essere rappresentata da C, l'azoto da N e il fosforo da P. L'espressione può quindi essere trasformata in: C:N:P=100:5:1. Questo rapporto può essere interpretato come la necessità di 5 g di azoto e 1 g di fosforo per ogni 100 g di sostanza organica decomposta, al fine di garantire un equilibrio nel fabbisogno di nutrienti durante il processo di decomposizione della sostanza organica da parte dei fanghi attivi.
Nelle applicazioni ingegneristiche reali, si riscontra spesso che la quantità di N e P aggiunta tramite calcoli teorici è superiore al fabbisogno effettivo. La ragione principale di ciò risiede nel fatto che le acque reflue in ingresso contengono ancora una certa quantità di nutrienti. Se si ignora il contenuto di questi nutrienti e si procede all'aggiunta in base alla quantità teorica, la concentrazione di azoto e fosforo nelle acque di scarico supererà i limiti consentiti. Pertanto, è necessario prestare la dovuta attenzione ai valori di azoto e fosforo presenti nelle acque reflue in ingresso, calcolarne il contenuto effettivo e sottrarlo dal valore calcolato teoricamente, in modo da evitare un eccesso di azoto e fosforo aggiunto.
1. Metodo di calcolo dell'aggiunta di fonte di azoto
Attualmente, la questione dell'azoto (N) è relativamente poco controversa ed è generalmente riconosciuta come TKN (Total Total Nation). Ad eccezione di specifici reflui industriali, l'azoto organico presente nell'affluente effettivo è molto ridotto, pertanto l'aggiunta viene calcolata principalmente in base all'aggiunta di azoto ammoniacale. La quantità di fonte di azoto aggiunta è data da: N=V*G/Y.
Dove:
Aggiunta della fonte N—N
V—volume d'acqua nella piscina
G—differenza in N da integrare
Quantità Y—N convertita dalla fonte N
(1) Urea come fonte di N aggiunta (peso molecolare CH4N2O: 60,06 g/mol)
L'urea contiene il 46,7% di N. Se è necessario aggiungere 1 g di fonte di N, è necessario aggiungere urea Y=1/0,467=2,14 g. (2) Solfato di ammonio come fonte di azoto ((NH4)2·SO4 peso molecolare: 132,14)
Il solfato di ammonio contiene il 21,2% di azoto. Se è necessaria 1 g di fonte di azoto, allora occorre aggiungere 4,72 g di solfato di ammonio.
(3) Nitrato di ammonio come fonte di azoto (NH4NO3 peso molecolare 80 g/mol)
Il nitrato di ammonio contiene il 35% di azoto. Se è necessaria 1 g di fonte di azoto, allora occorre aggiungere 2,86 g di nitrato di ammonio.
2. Calcolo dell'aggiunta di fosfato
La coltura generale dei fanghi viene generalmente calcolata sulla base di un rapporto CNP di 100:5:1. Attualmente non vi sono controversie riguardo al TP, che è generalmente riconosciuto come fosfato. Ad eccezione delle acque reflue industriali con fosforo organico specifico e ipofosforo, l'aggiunta effettiva viene calcolata sulla base del fosfato. La quantità di fonte di P aggiunta è: P=V*G/Z.
Nella formula:
P—dosaggio della fonte di P
V—volume d'acqua nella piscina
G—differenza di N da integrare
Z—quantità di fosfato convertita dalla fonte P
(1) Il fosfato monosodico viene utilizzato come fonte di P aggiunta (Na2HPO4.7H2O, peso molecolare 268,07 g/mol). Il contenuto di P del fosfato monosodico è dell'11,57%. Se è necessario aggiungere 1 g di fonte di P, è necessario aggiungere Z=1/ 0,1157=8,64 g di fosfato monosodico.
(2) Il fosfato monopotassico viene utilizzato come fonte di P aggiunta (K2HPO4-3H2O, peso molecolare 228,22 g/mol). Il contenuto di P del fosfato monopotassico è del 13,6%. Se è necessario aggiungere 1 g di fonte di P, è necessario aggiungere Z=1/ 0,136 =7,35 g di fosfato monopotassico.
(3) Il superfosfato, un fertilizzante fosfatico, viene utilizzato come fonte di P. Il fosforo effettivo presente nel fertilizzante fosfatico è il pentossido di fosforo solubile (P2O5, peso molecolare 141,94 g/mol). Il contenuto effettivo di fosforo nel fertilizzante fosfatico è del 12%, e il contenuto di P nel P2O5 è del 43,66%. Se è necessario 1 g di fonte di P, è necessario aggiungere 19,09 g di fertilizzante fosfatico.
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Data di pubblicazione: 22 novembre 2024
