El funcionament del procés de fangs actius requereix el control adequat de nombrosos paràmetres, entre els quals el control de MLSS, un dels indicadors més utilitzats en el funcionament diari dels sistemes d'aigües residuals.
1. Definició de MLSS
La concentració de fangs activats es refereix al contingut de sòlids en suspensió del licor mesclat a la sortida del dipòsit d'aireació, indicat amb el símbol MLSS, amb unitats de mg/L. S'utilitza per mesurar la quantitat de fangs actius al dipòsit d'aireació. La quantitat total de MLSS inclou els quatre aspectes següents:
microorganismes actius;
Matèria orgànica no-biodegradable adsorbida al fang activat;
Residus de l'auto{0}}oxidació microbiana;
Matèria inorgànica.
Durant el funcionament, és especialment important tenir en compte que MLSS només es refereix a la concentració del licor barrejat al dipòsit d'aireació, excloent la concentració del licor barrejat al tanc de sedimentació secundari. A més, quan es controla la concentració de licor barrejat al dipòsit d'aireació, és crucial utilitzar la concentració del licor barrejat a la sortida del dipòsit d'aireació com a estàndard per mesurar la concentració de fang activat a tot el dipòsit d'aireació.
2. Relació entre la concentració de fangs i altres indicadors de control
1. Relació entre la concentració de fangs activats i l'edat dels fangs
L'edat dels fangs és un mitjà operatiu per assolir l'objectiu d'edat dels fangs eliminant els fangs activats. Es pot donar un rang raonable per controlar la concentració de fangs activats mitjançant l'edat raonable dels fangs i la proporció d'aliment-a-microbi. De fet, si la concentració de fangs activats augmenta excessivament, l'edat del fang serà especialment llarga, superant el valor d'edat del fang normalment controlat, fins i tot quan la concentració de matèria orgànica influïda no sigui alta. Això indica clarament que la concentració de fangs activats s'està controlant massa alta, cosa que és molt més precís que jutjar si la concentració de fangs activats s'ha de controlar en funció del seu valor absolut.
2. Relació entre la concentració de fangs activats i la temperatura de l'aigua
El creixement, la reproducció i el metabolisme dels fangs activats al dipòsit de tractament biològic estan estretament relacionats amb la temperatura de l'aigua. Per cada disminució de 10 graus de la temperatura de l'aigua, l'activitat dels fangs actius disminuirà a la meitat; quan la temperatura de l'aigua és inferior als 10 graus, l'efecte del tractament és clarament pobre. Per fer-ho, es pot ajustar la concentració de fangs activats per fer front als canvis de temperatura de l'aigua:
Quan la temperatura de l'aigua és baixa, la concentració de fangs activats es pot augmentar per compensar l'impacte negatiu de la reducció de l'activitat de fangs activats, aconseguint així una major eficiència d'eliminació a baixes temperatures de l'aigua.
Quan la temperatura de l'aigua és alta, l'activitat dels fangs activats és vigorosa. Una concentració excessivament alta de fangs activats és perjudicial per a la decantació de fangs activats. En aquest cas, la reducció de la concentració de fangs activats pot evitar la formació de flocs inestables i sobrenedant tèrbol.
3. La relació entre la concentració de fangs activats i la relació de sedimentació de fangs activats
La concentració de fangs activats afecta la relació de decantació final. Una concentració més alta de fangs activats dóna com a resultat una relació final de decantació més alta, i viceversa. Això es deu al fet que una concentració més alta de fangs activats condueix a una quantitat biològica més gran, donant lloc a una relació de sedimentació més alta després de la compressió i la sedimentació. Una diferència clau amb altres factors que poden augmentar la relació de decantació és observar si el fang activat comprimit és dens i si el seu color és marró fosc. En els casos en què l'augment de la concentració de fangs no-activats condueix a una proporció de sedimentació més alta, normalment es deu a una compactació deficient i un color més apagat.
Per descomptat, la concentració de fangs activats massa baixa també afecta significativament la relació de sedimentació. Tanmateix, això sovint no és causat pels operadors que redueixen intencionadament la concentració de fangs actius, sinó per una concentració de matèria orgànica d'influència excessivament baixa. En aquests casos, els operadors, sentint que la concentració de fangs activats és massa baixa, intenten augmentar-la, donant lloc a l'envelliment del fang activat. L'observació de la relació de sedimentació final revelarà signes típics d'envelliment de fangs activats: alta compressibilitat, color fosc i un sobrenedant clar que conté flóculs fins.
Si es produeix una baixa relació de sedimentació a causa d'una descàrrega anormal de fangs, l'observació també revelarà que el fang activat assentat és de color pàl·lid, té poca compressibilitat i és escàs.
3. L'impacte de la concentració de fangs en la nitrificació i desnitrificació
1. L'impacte de la concentració de fangs en la nitrificació
Molts factors ambientals influeixen en la nitrificació, com el pH, la temperatura, SRT, DO, BOD/TKN, concentració de fangs i substàncies tòxiques. A les plantes de tractament d'aigües residuals reals, només es poden controlar paràmetres com ara SRT, DO, BOD/TKN i la concentració de fangs durant el funcionament del procés.
a. En la nitrificació aeròbica, les concentracions més altes de fangs donen lloc a una concentració relativament més alta de bacteris nitrificants, la qual cosa condueix a una taxa més alta de nitrificació aeròbica en condicions d'alta concentració de fangs.
b. És necessària una certa edat dels fangs per garantir la presència de bacteris nitrificants en els fangs biològics. La creació de condicions de vida favorables per als bacteris nitrificants augmenta encara més la seva proporció a la comunitat microbiana, augmentant així la seva concentració. A concentracions elevades de fang, es consumeix més DBO en l'etapa anaeròbica, donant lloc a una relació DBO/TKN relativament més baixa en l'etapa aeròbica.
Alguns estudis han demostrat una relació inversa entre la proporció de bacteris nitrificants en fangs activats i DBO/TKN. Com que els bacteris nitrificants són autòtrofs, la concentració de substrat orgànic no és un factor limitant per al seu creixement. Tanmateix, si la concentració de substrat orgànic és massa alta, provocarà que els bacteris heteròtrofs d'alta taxa de creixement-{3}} proliferin ràpidament, competint per l'oxigen dissolt. Això frena el creixement dels bacteris autòtrofs i evita que els bacteris nitrificants aeròbics obtinguin un avantatge, donant lloc a una taxa de nitrificació reduïda.
c. L'oxigen dissolt (DO) és generalment un indicador important en l'etapa de nitrificació de les plantes de tractament d'aigües residuals, normalment per sobre de 2 mg/L. En la majoria dels processos de rasa d'oxidació, el valor mitjà de DO dins de la rasa és difícil d'assolir 2 mg/L, generalment romanent a 1 mg/L o inferior. Tanmateix, l'efecte de nitrificació encara és bo. La raó d'això és que la concentració relativament alta de fangs exclusiva de les sèquies d'oxidació, tot i que resulta en un valor de DO més baix, millora altres factors propicis a la nitrificació.
L'augment de la concentració de fangs augmenta el volum efectiu del dipòsit de tractament biològic alhora que redueix la càrrega. Des d'una altra perspectiva, augmentar la concentració de fangs també augmenta la capacitat aeròbica dels microorganismes. En les mateixes condicions d'aireació, la lectura del comptador d'oxigen dissolt també hauria de ser més baixa. Els punts anteriors expliquen que augmentar la concentració de fangs pot reduir adequadament el valor d'oxigen dissolt (DO) al dipòsit de tractament biològic mentre es manté un bon nivell de nitrificació.
d. Per garantir el creixement i la reproducció normals dels bacteris nitrificants en els fangs activats, l'edat dels fangs s'ha de controlar generalment a més de 8 dies. Tanmateix, per garantir un avantatge competitiu relativament equilibrat per als bacteris nitrificants enfront d'altres bacteris heteròtrofs, s'ha d'augmentar l'edat dels fangs sense provocar un envelliment sever dels fangs, la qual cosa augmenta la concentració de fangs en el sistema biològic.
2. L'impacte de la concentració de fangs en la desnitrificació
La desnitrificació biològica és el procés pel qual els bacteris desnitrificants utilitzen l'oxigen iònic dels nitrats per descompondre la matèria orgànica en condicions anòxiques. El nitrat es redueix a N2, completant el procés de desnitrificació. Els bacteris desnitrificants són bacteris facultatius heteròtrofs abundants en els sistemes de tractament d'aigües residuals. En condicions aeròbiques, utilitzen l'oxigen per a la respiració i la descomposició oxidativa de la matèria orgànica.
En condicions sense oxigen molecular, quan els ions nitrat i nitrit estan presents simultàniament, poden utilitzar l'oxigen d'aquests ions per a la respiració, oxidant i descomposant la matèria orgànica. Els bacteris desnitrificants poden utilitzar una gran varietat de substrats orgànics com a donants d'electrons en el procés de desnitrificació, incloent-hi hidrats de carboni, àcids orgànics, alcohols i fins i tot compostos com alcans, benzoats i altres derivats del benzè, que sovint són els components principals de les aigües residuals. Molts factors influeixen en la velocitat de desnitrificació, com ara el pH, la temperatura, l'oxigen dissolt (DO), la relació carboni-a-nitrogen (proporció C/N) i la concentració de fangs. A les plantes de tractament d'aigües residuals reals, només es poden controlar paràmetres com el DO i la concentració de fangs durant el funcionament del procés. Tot i que la relació C/N és el factor d'influència més important en la reacció de desnitrificació, depèn molt de la qualitat de l'aigua afluent i, en general, és difícil de controlar a la pràctica.
a. La desnitrificació requereix l'absència d'oxigen molecular per permetre als bacteris desnitrificants utilitzar l'oxigen iònic dels nitrats i nitrits per descompondre la matèria orgànica. Com s'ha esmentat anteriorment, els sistemes biològics amb altes concentracions de fangs poden reduir adequadament l'oxigen dissolt (DO) durant la nitrificació mantenint l'eficiència de la nitrificació. Per tant, reduir el DO al final de la nitrificació redueix eficaçment el contingut de DO transportat al líquid de retorn de nitrats, disminuint l'impacte de l'oxigen molecular en el procés de desnitrificació a la zona anòxica i millorant la capacitat dels bacteris desnitrificants d'utilitzar fonts de carboni.
Simultàniament, les altes concentracions de fangs també donen lloc a una capacitat aeròbica metabòlica endògena relativament forta, consumint encara més oxigen dissolt a les zones de retorn i anòxica. A més, concentracions molt elevades de fang alteren la viscositat del licor mesclat, augmentant la resistència a la difusió i reduint així el DO transportat al líquid de retorn. En alguns processos de tractament que utilitzen canals oberts com a canals de retorn, això pot reduir l'oxigenació necessària per al flux de retorn. En resum, les altes concentracions de fangs tenen un paper important en la reducció del DO durant l'etapa de desnitrificació en l'operació real del procés.
b. Com que els bacteris desnitrificants són bacteris facultatius heteròtrofs i són abundants en els sistemes de tractament d'aigües residuals, augmentar la concentració de fangs al sistema pot augmentar eficaçment la concentració de bacteris desnitrificants. La velocitat de desnitrificació és en gran mesura independent de les concentracions de nitrats i nitrits, però presenta una reacció de primer -ordre amb la concentració de bacteris desnitrificants.
Per tant, en l'operació real del procés, les altes concentracions de fangs poden escurçar el temps de desnitrificació i reduir el volum efectiu de la zona anòxica. Donat un volum efectiu fix a la zona anòxica, les concentracions elevades de fang permeten una millor utilització de la matèria orgànica relativament difícil de--degradar a la matriu orgànica com a font de carboni. Això és especialment important per als processos d'eliminació de nitrogen i fòsfor, especialment quan les fonts de carboni són insuficients.
c. Les altes concentracions de fangs donen lloc a diàmetres de flocs microbians relativament més grans. Durant la nitrificació, el baix nivell d'oxigen dissolt condueix a un gradient de pressió d'oxigen més petit, facilitant la formació d'ambients anòxics dins dels flocs, afavorint així la desnitrificació. Per tant, altes concentracions de fangs poden promoure la desnitrificació simultània.
4. L'impacte de la concentració de fangs en l'eliminació biològica de fòsfor
La clau per a l'eliminació biològica del fòsfor és augmentar la proporció de bacteris-acumulants de polifosfat al sistema de fangs activats, alhora que promou el seu creixement i reproducció ràpids durant el funcionament del sistema, mantenint un alt contingut de fòsfor dins dels bacteris que s'acumulen-polifosfats després de la descàrrega.
Per augmentar la proporció de bacteris-acumulants de polifosfats (PAC) als fangs activats del sistema, cal crear un ambient i unes condicions hidràuliques més favorables per al seu creixement i reproducció. Això significa tenir un bon ambient anaeròbic i aeròbic en el flux del procés. El control dels factors ambientals a la zona anaeròbica és especialment important per al creixement i la reproducció dels bacteris PAC i per aconseguir l'eliminació de fòsfor. Una alta concentració de fangs a la zona anaeròbica és més beneficiosa per als bacteris PAC.
L'eficiència de l'eliminació biològica de fòsfor està estretament relacionada amb l'edat dels fangs. Només amb una certa edat del fang (al voltant de 3 dies) es pot eliminar eficaçment l'excés de fòsfor, aconseguint la funció d'eliminació de fòsfor. Tenint en compte un sòlids en suspensió (SS) d'influent fix, ja que la concentració de fangs és directament proporcional a l'edat del fang, com més gran sigui la concentració de fangs més enllà d'un determinat interval, pitjor serà l'efecte d'eliminació de fòsfor.
a. Tot i que es manté una edat de fang suficient per a l'eficiència d'eliminació de fòsfor, augmentar la concentració de fang a la zona anaeròbica dóna lloc a una concentració corresponent de bacteris PAC més alta. Això augmenta la quantitat de microorganismes-alliberadors de fòsfor, que al seu torn augmenta la quantitat de microorganismes aeròbics-que absorbeixen fòsfor posterior, millorant així l'efecte global d'eliminació de fòsfor del sistema.
b. A la zona anaeròbica, els bacteris que s'acumulen-polifosfat absorbeixen VFA i alliberen fòsfor. Simultàniament, en condicions d'alta concentració de fangs, la zona anaeròbica pot servir com a secció d'acidificació anaeròbica del sistema, hidrolitzant anaeròbicament matèria orgànica recalcitrant de gran pes-molecular- a l'aigua. L'energia alliberada durant l'alliberament de fòsfor pels bacteris acumuladors de polifosfat-es pot utilitzar per absorbir activament l'àcid acètic, H+, etc., formant PHB i emmagatzemant-lo dins dels bacteris. Això afavoreix el procés d'acidificació de la matèria orgànica, millora la biodegradabilitat de les aigües residuals i augmenta la font de carboni utilitzada per a les reaccions de desnitrificació en els processos de tractament posteriors.