Процесс A2O: полное руководство по анаэробной, бескислородной и кислородной очистке сточных вод

Введение в процесс A2О

В мире современной техники очистки сточных вод изменились стандарты чистой воды. Просто удалить органические твердые вещества уже недостаточно; Сегодняшние правила требуют удаления растворенных питательных веществ, которые угрожают нашим экосистемам. Введите Процесс А2О (Анаэробно-бескислородный-кислородный).

Процесс A2O — это широко распространенная конфигурация системы активного ила, разработанная специально для Биологическое удаление питательных веществ (BНR) . В отличие от традиционных методов очистки, которые направлены в первую очередь на удаление углерода, процесс A2O одновременно нацелен на азот и фосфор — два главных виновника эвтрофикации воды.

Путем разумной циркуляции сточных вод через три отдельные экологические зоны: Анаэробный (без кислорода, без нитратов), Бескислородный (нет кислорода, да нитраты), и кислородный (аэрированный) — система А2О создает разнообразную экосистему микроорганизмов. Эти микробы работают слаженно, расщепляя органические вещества, превращая аммиак в безвредный газообразный азот и биологически улавливая фосфор в осадке.

Почему важен процесс A2O?

• Простота: Он обеспечивает одновременное удаление азота и фосфора в одной системе отстоя без необходимости использования химических добавок.
• Эффективность: Он использует органический углерод, естественным образом присутствующий в сточных водах, для подпитки процесса денитрификации, снижая потребность в дополнительных источниках углерода.
• Устойчивость: Снижая нагрузку питательными веществами, он предотвращает цветение токсичных водорослей в водоемах, защищая водную жизнь и здоровье человека.

Понимание целей очистки сточных вод

Чтобы оценить элегантность процесса A2O, мы должны сначала понять, с какими врагами он борется. Очистка сточных вод заключается не только в том, чтобы вода выглядела чистой; речь идет об удалении невидимых химических загрязнителей, которые нарушают баланс природы.

В то время как традиционное лечение направлено на Углерод (измеряется как БПК/ХПК) и Твердые вещества (TSS), передовые процессы, такие как A2O, предназначены для решения Питательные вещества .

Три основных загрязнителя

1. Органическое вещество (БПК/ХПК)

• Что это такое: Биоразлагаемые отходы (пищевые отходы, отходы жизнедеятельности человека).
• Опасность: Если его выпустить без обработки, бактерии в реках и озерах будут агрессивно поглощать это вещество. При этом они расходуют весь растворенный в воде кислород, удушая рыбу и других водных обитателей.
• Роль A2O: Процесс A2O удаляет органические вещества в первую очередь в анаэробной и бескислородной зонах (используя их в качестве топлива для определенных реакций) и завершает работу в кислородной зоне.

2. Азот (аммиак и нитраты)

• Что это такое: Азот попадает в сточные воды преимущественно через мочевину и белки.
• Опасность:
  • Токсичность: Высокие уровни аммиака непосредственно токсичны для рыб.
  • Эвтрофикация: Азот действует как удобрение для водорослей. Когда водоросли умирают и гниют, они истощают кислород (мертвые зоны).
• Роль A2O: Процесс A2O преобразует токсичный аммиак (НH ₄ ) в нитрат (НЕТ ₃ ^- ), а затем удаляет кислород с выделением безвредного газообразного азота (N ₂ ).

3. Фосфор

• Что это такое: Содержится в моющих средствах, мыле и человеческих отходах.
• Опасность: Фосфор обычно является «ограничивающим питательным веществом» в пресной воде. Даже крошечные добавки могут спровоцировать массовое, неконтролируемое цветение водорослей, которые делают воду зеленой и токсичной.
• Роль A2O: В этом особенность процесса A2O. Создавая стресс для бактерий в анаэробной зоне, система заставляет их поглощать огромное количество фосфора в кислородной зоне, улавливая его в осадке, чтобы его можно было удалить из воды.

Схема процесса A2O: пошаговое путешествие

Процесс A2O — это непрерывный путь сточных вод, предназначенный для создания особых условий окружающей среды, благоприятствующих разным типам бактерий. Ключ к успеху заключается не только в самих резервуарах, но и в двух важнейших контурах рециркуляции, которые перемещают воду и ил между собой.

1. Анаэробная зона (селектор)

Это начальная зона контакта, где начинается процесс.

• Приток: Неочищенные сточные воды (богатые органической «пищей») смешиваются с Возвратный активный ил (РАН) из вторичного осветлителя.
• Окружающая среда: Строго анаэробный. Растворенного кислорода нет (O ₂ ) и без нитратов (NO ₃ ).
• Ключевой процесс (P-релиз): В этой напряженной обстановке Организмы, накапливающие фосфаты (ПАО) выбраны. Они потребляют летучие жирные кислоты (ЛЖК) из сточных вод и, чтобы получить для этого энергию, разрушают свои внутренние полифосфатные связи, высвобождая ортофосфат в жидкость.

2. Аноксическая зона (денитрификация).

Сточные воды перетекают из анаэробной зоны в бескислородную зону, где к ним присоединяется массивный поток оборотной воды.

• Приток: Смешанный ликвор из анаэробной зоны Внутренняя рециркуляция смешанного щелока (ИМЛР) из Оксической зоны.
• Окружающая среда: Бескислородный. There is no free dissolved oxygen, but there is chemically bound oxygen in the form of nitrates (NO ₃ ), представленный IMLR.
• Ключевой процесс (денитрификация): Гетеротрофные бактерии используют оставшееся органическое вещество в качестве источника питания. Чтобы дышать, они отрывают атомы кислорода от молекул нитратов (NO ₃ ), превращая их в газообразный азот (N ₂ ), который безвредно пузырится из воды. Это основной механизм удаления азота.

3. Кислородная зона (аэробный двигатель)

Это самая большая и активная зона, куда энергично поступает воздух.

• Приток: Смешанный раствор из бескислородной зоны.
• Окружающая среда: Аэробика. Высокий уровень растворенного кислорода поддерживается диффузорами или аэраторами.
• Ключевой процесс 1 (Нитрификация): Автотрофные бактерии (например, Нитросомонас и Нитробактерия ) конвертировать токсичный аммиак (NH ₄ ) в нитраты (NO ₃ ).
• Ключевой процесс 2 (Luxury P-поглощение): ПАО, теперь находящиеся в богатой кислородом среде, «роскошно поглощают» большое количество фосфатов из воды, чтобы восстановить свои внутренние запасы, удаляя их из жидкой фазы.
• Раскол: В конце этой зоны большая часть богатой нитратами смешанной жидкости перекачивается обратно в бескислородную зону через IMLR , а остальное поступает в осветлитель.

4. Вторичный осветлитель (разделение)

Заключительный этап – процесс физического разделения.

• Приток: Смешанный щелок из кислородной зоны.
• Процесс: Биологические хлопья (ил) оседают на дно резервуара, оставляя наверху чистую очищенную воду.
• Отток (Сточные воды): Прозрачный супернатант стекает через водосливы и сбрасывается как очищенные сточные воды.
• Управление осадком: Осевший ил либо возвращается в исходное состояние, RAS для поддержания биологической популяции или удаления из системы по мере Отходы активного ила (WAS) для окончательного удаления фосфора и лишней биомассы.

Основные этапы процесса A2O

Процесс A2O представляет собой систему взвешенного выращивания с одним илом. Хотя он кажется линейным, его эффективность во многом зависит от внутренней рециркуляции. Сточные воды проходят через три отдельные экологические зоны, каждая из которых культивирует определенные бактериальные сообщества для борьбы с различными загрязнителями.

[Изображение блок-схемы процесса A2O]

1. Анаэробная зона (селектор)

Это начальная зона контакта, где неочищенные сточные воды смешиваются с возвратным активным илом (УЗВ).

• Окружающая среда: Строго анаэробные условия. Свободного кислорода нет (О ₂ ) и без связанного кислорода (нитрат/нитрит).
• Механизм (высвобождение фосфора): В этой напряженной обстановке, Организмы, накапливающие фосфаты (ПАО) являются доминирующими. Чтобы выжить, они потребляют летучие жирные кислоты (ЛЖК) из сточных вод. Чтобы получить энергию, необходимую для поглощения этих ЛЖК, ПАО разрушают внутренние полифосфатные связи, высвобождая ортофосфат в жидкость.
• Результат: По иронии судьбы, концентрации фосфатов увеличение на этом этапе. Этот «освобождение» является необходимым предшественником «поглощения роскошью», которое произойдет позже.

2. Аноксическая зона (денитрификация).

Сточные воды перетекают из анаэробной зоны в бескислородную зону. Здесь важнейший внутренний контур рециркуляции подает богатую нитратами смешанную жидкость обратно из конца процесса (кислородная зона).

• Окружающая среда: Бескислородный conditions. There is no free dissolved oxygen, but chemically bound oxygen is present in the form of Nitrates (NO3 ^- ).
• Механизм (денитрификация): Гетеротрофные бактерии используют органические вещества (БПК), оставшиеся в сточных водах, в качестве пищи. Чтобы дышать, они отрывают молекулы кислорода от нитратов.
• Химический сдвиг: Этот процесс превращает нитрат (NO3 ^- ) в газообразный азот (N ₂ ), который безвредно пузырится из воды.
  NO3 ^- → NO2 ^- → NO → N ₂ O → N ₂
• Результат: Значительное удаление общего азота.

3. Кислородная зона (аэробная процедура)

Это заключительная биологическая стадия, на которой аэрация осуществляется с помощью механических поверхностных аэраторов или систем диффузии воздуха.

• Окружающая среда: Аэробные условия с высоким уровнем растворенного кислорода (РК) (обычно 2,0 мг/л или выше).
• Механизм А (Нитрификация): Автотрофные бактерии (например, Нитросомонас и Нитробактерия ) конвертировать Аммиак (NH ₄ ) в нитраты (NO3 ^- ). Этот нитрат затем возвращается обратно в бескислородную зону для удаления.
• Механизм B (поглощение роскошного фосфора): ПАО, теперь находящиеся в среде, богатой кислородом, переходят в перегрузку. Они окисляют накопленную органику (абсорбированную в анаэробной фазе), чтобы пополнить запасы фосфатов. Они поглощают гораздо больше фосфатов, чем выделяли раньше.

• Результат: Аммиак окисляется, а количество фосфатов в жидкой фазе резко уменьшается, поскольку они задерживаются внутри бактерий (которые в конечном итоге удаляются в виде осадка).

Факторы, влияющие на эффективность процесса A2O

Процесс A2O — это биологический баланс. Поскольку система опирается на живые микроорганизмы, она чувствительна к изменениям окружающей среды. Чтобы добиться оптимального удаления питательных веществ, операторы должны тщательно отслеживать и контролировать несколько ключевых факторов.

1. Контроль растворенного кислорода (DO)

Это самый критический параметр. Бактериям в каждой зоне для функционирования требуется определенная кислородная среда.

• Анаэробный Zone: Должен быть строго анаэробным (DO ≅ 0 мг/л). Даже небольшое количество кислорода здесь остановит выделение фосфора.
• Бескислородный Zone: Должен иметь низкий уровень растворенного кислорода (DO < 0,5 мг/л), но высокий уровень нитратов. Если DO попадает в эту зону (например, из-за чрезмерной турбулентности или чрезмерного аэрирования возвратного ила), бактерии будут использовать свободный кислород вместо нитратного кислорода, останавливая денитрификацию.
• кислородный Zone: Требуется достаточное количество растворенного кислорода (2,0–3,0 мг/л). Если уровни падают слишком низко, нитрификация прекращается; если уровни слишком высоки, он тратит энергию и отправляет избыток кислорода обратно в бескислородную зону через контур рециркуляции.

2. Коэффициенты внутренней рециркуляции

«Сердцем» процесса A2O являются его насосы.

• IMLR (внутренняя переработка смешанного щелока): Это определяет, сколько нитратов будет удалено. Стандартное соотношение от 200% до 300% входящего потока. Если соотношение слишком низкое, нитраты попадают в сточные воды. Если оно слишком высокое, это разбавляет смешанный раствор и сокращает время удерживания.
• RAS (возврат активированного ила): Это гарантирует, что в анаэробной зоне будет достаточно биомассы. Обычно устанавливается на от 50% до 100% притока.

3. Температура и pH

У разных бактерий разные «зоны комфорта».

• Температура: Нитрифицирующие бактерии (кислородная зона) очень чувствительны к холоду. Ниже 12 °С , их активность значительно падает, создавая риск высокого содержания аммиака в сбросах.
• рН: Нитрификация поглощает щелочность, естественным образом снижая pH. Если pH падает ниже 6.5 , бактерии перестают работать. Операторам часто приходится добавлять щелочь (например, известь или кальцинированную соду), чтобы поддерживать уровень pH между 7.0 и 8.0 .

4. Соотношение углерода и питательных веществ (C:N:P)

Бактериям нужна пища (углерод), чтобы выполнять свою работу.

• Денитрификация требуется органический углерод. Если сточные воды «слабые» (низкий БПК), бактериям не хватит пищи для расщепления нитратов в бескислородной зоне.
• Удаление фосфора основан на летучих жирных кислотах (ЛЖК). Если в притоке отсутствуют ЛЖК, удаление фосфора будет плохим.

Преимущества и недостатки процесса A2O

Хотя A2O является золотым стандартом биологического удаления питательных веществ, это не система «установил и забыл». Он имеет явные плюсы и минусы по сравнению с обычным активным илом.

Преимущества (Плюсы)

• Одновременное удаление питательных веществ: Он эффективно удаляет БПК, азот и фосфор в одной системе отстоя без необходимости отдельных стадий химического осаждения.
• Экономичная эксплуатация: Используя нитраты (вместо воздуха) для окисления БПК в бескислородной зоне, процесс восстанавливает кислород, снижая общую потребность в энергии для аэрации.
• Улучшенные свойства осадка: Анаэробная селекторная зона подавляет рост нитчатых бактерий, которые часто вызывают «набухание ила». Это приводит к лучшему осаждению ила в отстойнике.
• Без добавления химикатов: Он основан на биологических механизмах, а не на дорогих химических коагулянтах (таких как квасцы или хлорид железа) для удаления фосфора.

Недостатки (Минусы)

• Чувствительность к влияющему качеству: Процесс сильно зависит от соотношения БПК и азота/фосфора в неочищенных сточных водах. Если в поступающей воде мало органических веществ (углерода), эффективность удаления резко падает.
• Сложность эксплуатации: Балансировка двух контуров рециркуляции (RAS и IMLR) требует квалифицированных операторов и точных систем управления.
• Отзыв по нитратам: Если внутренняя рециркуляция не осуществляется должным образом, нитраты могут попасть обратно в анаэробную зону. Нитраты в анаэробной зоне действуют как яд для механизма удаления фосфора.
• Высший начальный капитал: Требование наличия трех отдельных зон, внутренних стен, смесителей и рециркуляционных насосов увеличивает первоначальную стоимость строительства по сравнению с простым аэротенком.

Реальные применения A2O

Процесс A2O универсален и масштабируем, что делает его предпочтительным выбором для различных сценариев очистки сточных вод.

1. Очистка муниципальных сточных вод

Это самое распространенное приложение. Города по всему миру используют A2O для соблюдения строгих стандартов сточных вод, которые запрещают сброс азота и фосфора в реки и озера.

• Модернизация: Одной из самых сильных сторон A2O является то, что многие существующие аэротенки с поршневым потоком можно переоборудовать в системы A2O, просто установив перегородки (стены) для создания трех зон и добавив рециркуляционные насосы.
• Масштаб: Он эффективен для средних и крупных предприятий (обслуживает население от 10 000 до более 1 000 000 человек).

2. Промышленное применение

Промышленности, производящие органические отходы с высоким содержанием питательных веществ, считают A2O особенно эффективным.

• Еда и напитки: Молочные заводы, пивоварни и скотобойни часто производят сточные воды с высоким содержанием азота и фосфора. A2O помогает этим предприятиям соблюдать разрешения на выбросы в окружающую среду без чрезмерных затрат на химикаты.
• Заводы по производству удобрений: Эти предприятия работают с высокими концентрациями аммиака, что делает необходимыми возможности нитрификации/денитрификации A2O.

Техническое обслуживание и устранение неполадок

Даже идеально спроектированная система A2O может столкнуться с эксплуатационными проблемами. Биологические системы динамичны; Изменение погоды, состав приточной воды или отказ оборудования могут нарушить хрупкий баланс бактерий.

Общие эксплуатационные проблемы и решения

В таблице ниже представлены наиболее частые проблемы, с которыми сталкиваются операторы на предприятиях A2O, и способы их устранения.

Советы по профилактическому обслуживанию

• Калибровка датчика: Процесс A2O основан на использовании датчиков DO и нитратов для управления насосами. Калибруйте их еженедельно.
• Техническое обслуживание миксера: В анаэробной и бескислородной зонах используются погружные мешалки для удержания твердых частиц во взвешенном состоянии без добавления кислорода. Если смеситель выйдет из строя, твердые частицы осядут и уменьшат эффективный объем резервуара.
• Проверка насоса: Внутренние рециркуляционные насосы (IMLR) работают непрерывно. Регулярный анализ вибрации и проверки уплотнений жизненно важны для предотвращения внезапного выхода из строя.

Часто задаваемые вопросы (FAQ) о процессе A2O

Вопрос: В чем основное различие между процессом A/O и процессом A2O?
А: Стандартный процесс A/O (анаэробно-оксидный) предназначен в первую очередь для Фосфор удаление. В нем отсутствует «бескислородная» зона и внутренняя рециркуляция нитратов, что означает, что он не может эффективно удалять азот. A2O (анаэробно-бескислородный-кислородный) добавляет средний этап удаления оба Азот и фосфор.

Вопрос: Почему в анаэробной зоне не должно быть нитратов?
А: Если нитраты присутствуют в анаэробной зоне, бактерии будут использовать кислород нитратов для дыхания, а не ферментировать сточные воды. Это предотвращает состояние «стресса», необходимое для высвобождения фосфора организмами, накапливающими фосфор (ПАО), эффективно нарушая процесс биологического удаления фосфора.

Вопрос: Какова типичная эффективность удаления в системе A2O?
А: Хорошо управляемый завод A2O обычно может достичь:

• БПК/ХПК: > 90%
• Общий азот (TN): 60–80 % (ограничено коэффициентом внутренней переработки)
• Общий фосфор (TP): 70% – 90%

Вопрос: Что такое MLSS и почему это важно в A2O?
А: MLSS означает Смешанные взвешенные вещества в спирте . Это мера концентрации бактерий (биомасса) в аквариуме. В системах A2O MLSS обычно поддерживается на уровне от 3000 до 5000 мг/л. Если он слишком низкий, бактерий для очистки воды недостаточно; если оно слишком высокое, осветлитель может перегрузиться.

Вопрос: Может ли процесс A2O соответствовать строгим ограничениям по общему содержанию азота (например, < 3 мг/л)?
А: Стандартный A2O часто с трудом достигает очень низких пределов содержания азота, поскольку он основан на единственном внутреннем цикле рециркуляции. Чтобы соблюдать пределы ниже 3–5 мг/л, растениям часто требуется вторичная бескислородная зона (модифицированный процесс Барденфо) или добавление внешнего источника углерода (например, метанола) для ускорения денитрификации.

Вопрос: Почему на моей установке A2O в отстойнике наблюдается «подъем осадка»?
А: Подъем осадка обычно вызван неконтролируемая денитрификация в осветителе. Если ил остается там слишком долго, бактерии превращают оставшиеся нитраты в пузырьки азота, которые прилипают к осадку и всплывают на поверхность. Решение состоит в том, чтобы увеличить норму возврата активного ила (RAS), чтобы быстрее выводить ил из отстойника.