Proces A2O: Konečný průvodce anaerobním, anoxickým a oxickým čištěním odpadních vod

Úvod do procesu A2O

Ve světě moderního inženýrství odpadních vod se staard pro čistou vodu posunul. Již nestačí pouze odstranit neboganické pevné látky; dnešní předpisy vyžadují odstranění rozpuštěných živin, které ohrožují naše ekosystémy. Zadejte A2O proces (Anaerobně-anoxické-oxické).

Proces A2O je široce používaná konfigurace systému aktivovaného kalu navržená speciálně pro Biologické odstranění živin (BNR) . Na rozdíl od tradičních metod úpravy, které se zaměřují především na odstraňování uhlíku, proces A2O cílí současně dusík a fosfor — dva hlavní viníci za eutrofizací vody.

Inteligentním cyklováním odpadní vody přes tři odlišné ekologické zóny – Anaerobní (žádný kyslík, žádné dusičnany), Anoxický (žádný kyslík, ano dusičnany) a Oxický (aerated)—systém A2O vytváří rozmanitý ekosystém mikroorganismů. Tito mikrobi pracují v harmonii při rozkladu organické hmoty, přeměně amoniaku na neškodný plynný dusík a biologickém zachycení fosforu v kalu.

Proč je proces A2O významný?

• jednoduchost: Poskytuje současné odstranění dusíku a fosforu v jediném kalovém systému bez potřeby chemických přísad.
• Účinnost: Využívá organický uhlík přirozeně přítomný v odpadní vodě jako palivo pro proces denitrifikace, čímž se snižuje potřeba doplňkových zdrojů uhlíku.
• udržitelnost: Snížením zátěže živinami zabraňuje kvetení toxických řas v přijímajících vodních útvarech, čímž chrání vodní život a lidské zdraví.

Pochopení cílů čištění odpadních vod

Abychom ocenili eleganci procesu A2O, musíme nejprve pochopit nepřátele, se kterými bojuje. Čištění odpadních vod není jen o tom, aby voda vypadala čistě; jde o odstranění neviditelných chemických znečišťujících látek, které narušují rovnováhu přírody.

Zatímco konvenční léčba se zaměřuje na Carbon (měřeno jako BSK/CHSK) a Pevné látky (TSS), pokročilé procesy jako A2O jsou navrženy pro řešení Živiny .

Tři hlavní znečišťující látky

1. Organické látky (BOD/COD)

• co to je: Biologicky rozložitelný odpad (zbytky potravin, lidský odpad).
• Nebezpečí: Pokud se uvolní bez úpravy, bakterie v řekách a jezerech tuto hmotu agresivně pohltí. Přitom spotřebovávají veškerý rozpuštěný kyslík ve vodě a dusí ryby a další vodní živočichy.
• Role A2O: Proces A2O odstraňuje organickou hmotu primárně v anaerobní a anoxické zóně (používá ji jako palivo pro specifické reakce) a dokončuje práci v oxické zóně.

2. Dusík (amoniak a dusičnany)

• co to je: Dusík vstupuje do odpadních vod především prostřednictvím močoviny a bílkovin.
• Nebezpečí:
  • Toxicita: Vysoké hladiny amoniaku jsou pro ryby přímo toxické.
  • Eutrofizace: Dusík působí jako hnojivo pro řasy. Když řasy umírají a hnijí, vyčerpávají kyslík (mrtvé zóny).
• Role A2O: Proces A2O přeměňuje toxický amoniak (NH ₄ ) na dusičnany (NE ₃ ^- ), a poté odstraní kyslík, aby se uvolnil neškodný plynný dusík (N ₂ ).

3. Fosfor

• co to je: Nachází se v pracích prostředcích, mýdlech a lidském odpadu.
• Nebezpečí: Fosfor je obvykle „limitující živinou“ ve sladké vodě. I nepatrné přírůstky mohou vyvolat masivní, nekontrolovatelné květy řas, které změní vodu na zelenou a toxickou.
• Role A2O: To je specialita procesu A2O. Zatížením bakterií v anaerobní zóně je systém připraví tak, aby absorbovaly obrovské množství fosforu v oxické zóně a zachytily ho v kalu, aby jej bylo možné odstranit z vody.

A2O Process Flow: Cesta krok za krokem

Proces A2O je nepřetržitá cesta pro odpadní vodu, navržená tak, aby vytvořila specifické podmínky prostředí, které upřednostňují různé typy bakterií. Klíč k jeho úspěchu nespočívá pouze v nádržích samotných, ale ve dvou kritických recirkulačních smyčkách, které mezi nimi pohybují vodu a kal.

1. Anaerobní zóna (selektor)

Toto je počáteční kontaktní zóna, kde proces začíná.

• Přítok: Smíchá se surová přitékající odpadní voda (bohatá na organické „potraviny“) Vraťte aktivovaný kal (RAS) ze sekundárního čističe.
• Prostředí: Přísně anaerobní. Neexistuje žádný rozpuštěný kyslík (O ₂ ) a žádné dusičnany (NO ₃ ).
• Klíčový proces (P-Release): V tomto stresovém prostředí, Organismy akumulující fosfáty (PAO) jsou vybrány. Spotřebovávají těkavé mastné kyseliny (VFA) z odpadní vody a aby získaly energii k tomu, rozkládají své vnitřní polyfosfátové vazby a uvolňují ortofosfát do kapaliny.

2. Anoxická zóna (denitrifikace)

Odpadní voda proudí z anaerobní zóny do anoxické zóny, kde se na ni napojuje mohutný proud recyklované vody.

• Přítok: Směsný likér z anaerobní zóny Internal Mixed Liquor Recycle (IMLR) z Oxické zóny.
• Prostředí: Anoxický. There is no free dissolved oxygen, but there is chemically bound oxygen in the form of nitrates (NO ₃ ) zavedený IMLR.
• Klíčový proces (denitrifikace): Heterotrofní bakterie využívají zbývající organickou hmotu jako zdroj potravy. Aby mohli dýchat, odstraňují atomy kyslíku z molekul dusičnanů (NO ₃ ), přeměňuje je na plynný dusík (N ₂ ), který neškodně vybublává z vody. Toto je primární mechanismus odstraňování dusíku.

3. Oxická zóna (aerobní motor)

Jedná se o největší a nejaktivnější zónu, kam je intenzivně přiváděn vzduch.

• Přítok: Míchaný likér z Anoxic zóny.
• Prostředí: Aerobní. Vysoké hladiny rozpuštěného kyslíku udržují difuzéry nebo provzdušňovače.
• Klíčový proces 1 (Nitrifikace): Autotrofní bakterie (např Nitrosomonas a Nitrobacter ) přeměňovat toxický amoniak (NH ₄ ) na dusičnany (NE ₃ ).
• Klíčový proces 2 (luxusní příjem P): PAO, nyní v prostředí bohatém na kyslík, „luxusně vychytávají“ velké množství fosfátu z vody, aby obnovily své vnitřní zásoby a odstranily je z kapalné fáze.
• Rozdělení: Na konci této zóny je velká část směsného louhu bohatého na dusičnany čerpána zpět do Anoxické zóny přes IMLR , zatímco zbytek proudí do čiřiče.

4. Sekundární čistič (separace)

Poslední fází je fyzický proces separace.

• Přítok: Míchaný likér ze zóny Oxic.
• proces: Biologické vločky (kal) se usazují na dně nádrže a nahoře zůstává čistá, upravená voda.
• Odtok (odtok): Čirý supernatant protéká přes jezy a je vypouštěn jako upravený odpad.
• Nakládání s kaly: Usazený kal je buď recyklován zpět na začátek jako RAS zachovat biologickou populaci nebo odstranit ze systému jako Odpad aktivovaný kal (WAS) k trvalému odstranění fosforu a přebytečné biomasy.

Základní fáze procesu A2O

Proces A2O je jednokalový suspendovaný růstový systém. I když se zdá lineární, jeho účinnost do značné míry závisí na vnitřní recirkulaci. Odpadní voda prochází třemi odlišnými environmentálními zónami, z nichž každá kultivuje specifická bakteriální společenství, aby se zaměřila na různé znečišťující látky.

[Obrázek vývojového diagramu procesu A2O]

1. Anaerobní zóna (selektor)

Toto je počáteční kontaktní zóna, kde se surová přitékající odpadní voda mísí s vratným aktivovaným kalem (RAS).

• Prostředí: Přísně anaerobní podmínky. Neexistuje žádný volný kyslík (O ₂ ) a žádný vázaný kyslík (dusičnany/dusitany).
• Mechanismus (uvolňování fosforu): V tomto prostředí plném stresu, Organismy akumulující fosfáty (PAO) jsou dominantní. Aby přežili, konzumují těkavé mastné kyseliny (VFA) z odpadních vod. Aby získaly energii potřebnou k absorpci těchto VFA, PAO rozkládají své vnitřní polyfosfátové vazby a uvolňují ortofosfát do kapaliny.
• Výsledek: Je ironií, že koncentrace fosfátů zvýšit v této fázi. Toto „uvolnění“ je nezbytným předstupněm pro „uchopení luxusu“, ke kterému dojde později.

2. Anoxická zóna (denitrifikace)

Odpadní voda proudí z anaerobní zóny do anoxické zóny. Zde klíčová vnitřní recyklační smyčka přivádí směsný louh bohatý na dusičnany zpět z konce procesu (oxická zóna).

• Prostředí: Anoxický conditions. There is no free dissolved oxygen, but chemically bound oxygen is present in the form of Nitrates (NO3 ^- ).
• Mechanismus (denitrifikace): Heterotrofní bakterie využívají organickou hmotu (BSK) zbývající v odpadní vodě jako potravu. Aby mohli dýchat, zbavují dusičnanů molekul kyslíku.
• Chemický posun: Tento proces přeměňuje dusičnany (NO3 ^- ) na plynný dusík (N ₂ ), který neškodně vybublává z vody.
  NO3 ^- → NO2 ^- → NO → N ₂ O → N ₂
• Výsledek: Významné odstranění celkového dusíku.

3. Oxická zóna (aerobní léčba)

Toto je konečná biologická fáze, kde se provzdušňování zavádí pomocí mechanických povrchových provzdušňovačů nebo systémů rozptýleného vzduchu.

• Prostředí: Aerobní podmínky s vysokými hladinami rozpuštěného kyslíku (DO) (typicky 2,0 mg/l nebo vyšší).
• Mechanismus A (Nitrifikace): Autotrofní bakterie (např Nitrosomonas a Nitrobacter ) přeměňte amoniak (NH ₄ ) na dusičnany (NO3 ^- ). Tento dusičnan je poté recyklován zpět do Anoxické zóny, kde je odstraněn.
• Mechanismus B (vychytávání luxusního fosforu): PAO, nyní v prostředí bohatém na kyslík, jdou na maximum. Oxidují uložené organické látky (absorbované v anaerobní fázi), aby doplnily své zásoby fosfátů. Přijímají mnohem více fosfátů, než uvolňovaly dříve.

• Výsledek: Amoniak je oxidován a fosforečnan v kapalné fázi je drasticky redukován, protože je zachycen uvnitř bakterií (které budou nakonec odstraněny jako kal).

Faktory ovlivňující efektivitu procesu A2O

Proces A2O je akt biologické rovnováhy. Protože se spoléhá na živé mikroorganismy, je systém citlivý na změny prostředí. Pro dosažení optimálního odstranění živin musí operátoři pečlivě sledovat a kontrolovat několik klíčových faktorů.

1. Kontrola rozpuštěného kyslíku (DO).

Toto je nejkritičtější parametr. Bakterie v každé zóně vyžadují ke svému fungování specifické kyslíkové prostředí.

• Anaerobní Zone: Musí být přísně anaerobní (DO ≅ 0 mg/l). I malé množství kyslíku zde zastaví uvolňování fosforu.
• Anoxický Zone: Musí mít nízké DO (DO < 0,5 mg/l), ale vysoké dusičnany. Pokud se DO dostane do této zóny (např. prostřednictvím nadměrné turbulence nebo převzdušnění vratného kalu), bakterie využijí volný kyslík místo dusičnanového kyslíku, čímž zastaví denitrifikaci.
• Oxický Zone: Vyžaduje dostatečné DO (2,0 - 3,0 mg/l). Pokud hladiny klesnou příliš nízko, nitrifikace se zastaví; pokud jsou hladiny příliš vysoké, plýtvá energií a posílá přebytečný kyslík zpět do anoxické zóny přes recyklační smyčku.

2. Vnitřní recirkulační poměry

„Srdce“ procesu A2O jsou jeho čerpadla.

• IMLR (Internal Mixed Liquor Recycle): To určuje, kolik dusičnanů se odstraní. Standardní poměr je 200 % až 300 % přítoku. Pokud je poměr příliš nízký, dusičnany unikají do odpadních vod. Je-li příliš vysoká, ředí směsný louh a zkracuje dobu zdržení.
• RAS (Return Activated Sludge): To zajišťuje, že anaerobní zóna má dostatek biomasy. Obvykle nastaveno na 50 % až 100 % přítoku.

3. Teplota a pH

Různé bakterie mají různé „komfortní zóny“.

• teplota: Nitrifikační bakterie (Oxic zone) jsou velmi citlivé na chlad. Pod 12 °C jejich aktivita výrazně klesá, což riskuje vysoký obsah amoniaku ve vypouštění.
• pH: Nitrifikace spotřebovává zásaditost a přirozeně snižuje pH. Pokud pH klesne pod 6.5 , bakterie přestanou fungovat. Operátoři často potřebují přidat zásaditost (jako vápno nebo soda), aby udrželi pH mezi 7.0 a 8.0 .

4. Poměr uhlíku k živinám (C:N:P)

Bakterie potřebují ke své práci potravu (uhlík).

• Denitrifikace vyžaduje organický uhlík. Pokud je odpadní voda „slabá“ (nízký BSK), nebude pro bakterie dostatek potravy, aby rozložily dusičnany v Anoxické zóně.
• Odstranění fosforu spoléhá na těkavé mastné kyseliny (VFA). Pokud přítok postrádá VFA, odstraňování fosforu bude slabé.

Výhody a nevýhody procesu A2O

Zatímco A2O je zlatým standardem pro biologické odstraňování živin, není to systém „nainstaluj a zapomeň“. Ve srovnání s konvenčním aktivovaným kalem má zřetelné klady a zápory.

Výhody (Pros)

• Současné odstranění živin: Účinně odstraňuje BSK, dusík a fosfor v jediném kalovém systému bez nutnosti samostatných chemických srážecích stupňů.
• Nákladově efektivní provoz: Použitím dusičnanů (místo vzduchu) k oxidaci BSK v anoxické zóně proces obnovuje kyslík, čímž se snižuje celková spotřeba energie na provzdušňování.
• Vylepšené vlastnosti kalu: Anaerobní selektorová zóna potlačuje růst vláknitých bakterií, které často způsobují „hromadění kalu“. To vede k lepšímu usazování kalu v čiřiči.
• Žádné přidané chemikálie: Při odstraňování fosforu se spoléhá spíše na biologické mechanismy než na drahé chemické koagulanty (jako kamenec nebo chlorid železitý).

Nevýhody (nevýhody)

• Citlivost na vliv kvality: Proces silně závisí na poměru BSK k dusíku/fosforu v surové odpadní vodě. Pokud má vstupní voda nízký obsah organické hmoty (uhlík), účinnost odstraňování drasticky klesá.
• Složitost provozu: Vyvážení dvou recyklačních smyček (RAS a IMLR) vyžaduje kvalifikovanou obsluhu a přesné řídicí systémy.
• Zpětná vazba na dusičnany: Pokud není vnitřní recyklace řízena správně, dusičnany mohou proudit zpět do anaerobní zóny. Dusičnany v anaerobní zóně působí jako jed na mechanismus odstraňování fosforu.
• Vyšší počáteční kapitál: Požadavek na tři samostatné zóny, vnitřní stěny, mísiče a recyklační čerpadla zvyšuje počáteční stavební náklady ve srovnání s jednoduchou provzdušňovací nádrží.

Aplikace A2O v reálném světě

Proces A2O je všestranný a škálovatelný, takže je preferovanou volbou pro různé scénáře čištění odpadních vod.

1. Čištění komunálních odpadních vod

Toto je nejběžnější aplikace. Města po celém světě používají A2O ke splnění přísných norem pro odpadní vody, které zakazují vypouštění dusíku a fosforu do řek a jezer.

• Dodatečná montáž: Jednou z největších předností A2O je to, že mnoho stávajících provzdušňovacích nádrží s „plug-flow“ lze dodatečně namontovat do systémů A2O jednoduše instalací přepážek (stěn) pro vytvoření tří zón a přidáním recirkulačních čerpadel.
• Měřítko: Je účinný pro středně velké až velké rostliny (obsluhující populace od 10 000 do více než 1 000 000).

2. Průmyslové aplikace

Průmyslová odvětví, která produkují organický odpad s vysokým obsahem živin, považují A2O za zvláště efektivní.

• Jídlo a nápoje: Mlékárny, pivovary a jatka často produkují odpadní vody s vysokým obsahem dusíku a fosforu. A2O pomáhá těmto zařízením splnit povolení k ekologickému vypouštění bez nadměrných nákladů na chemikálie.
• Rostliny na hnojiva: Tato zařízení se vypořádávají s vysokými koncentracemi amoniaku, a proto jsou schopnosti nitrifikace/denitrifikace A2O zásadní.

Údržba a odstraňování problémů

I perfektně navržený systém A2O může čelit provozním problémům. Biologické systémy jsou dynamické; změna počasí, složení přítoku nebo selhání zařízení mohou narušit jemnou rovnováhu bakterií.

Běžné provozní problémy a řešení

Níže uvedená tabulka uvádí nejčastější problémy, se kterými se operátoři v závodech A2O potýkají, a jak je opravit.

Tipy na preventivní údržbu

• Kalibrace senzoru: Proces A2O spoléhá na senzory DO a dusičnanů pro řízení čerpadel. Kalibrujte je každý týden.
• Údržba mixéru: Anaerobní a Anoxické zóny používají ponorné mixéry k udržení pevných látek v suspenzi bez přidávání kyslíku. Pokud dojde k poruše mixéru, pevné látky se usadí a sníží účinný objem nádrže.
• Kontrola čerpadla: Vnitřní recyklační čerpadla (IMLR) běží nepřetržitě. Pravidelná analýza vibrací a kontrola těsnění jsou životně důležité, aby se zabránilo náhlému selhání.

Často kladené otázky (FAQ) o procesu A2O

Otázka: Jaký je hlavní rozdíl mezi procesem A/O a procesem A2O?
A: Standardní A/O (anaerobně-oxický) proces je určen především pro fosfor odstranění. Postrádá „anoxickou“ zónu a vnitřní recyklaci dusičnanů, což znamená, že nemůže účinně odstraňovat dusík. A2O (Anaerobic-Anoxic-Oxic) přidává tento střední krok k odstranění obojí Dusík a fosfor.

Otázka: Proč musí být anaerobní zóna bez dusičnanů?
A: Pokud jsou dusičnany přítomny v anaerobní zóně, bakterie budou využívat kyslík z dusičnanů k dýchání namísto fermentace odpadní vody. Tím se zabrání „stresovému“ stavu potřebnému k tomu, aby organismy hromadící fosfor (PAO) uvolňovaly fosfor a účinně narušovaly proces biologického odstraňování fosforu.

Otázka: Jaká je typická účinnost odstraňování systému A2O?
A: Dobře provozovaný závod A2O může obvykle dosáhnout:

• BOD/COD: > 90 %
• Celkový dusík (TN): 60 % – 80 % (omezeno vnitřním recyklačním poměrem)
• Celkový fosfor (TP): 70 % – 90 %

Otázka: Co je MLSS a proč je důležitý v A2O?
A: MLSS znamená Suspendované pevné látky smíšeného likéru . Je to míra koncentrace bakterií (biomasy) v nádrži. V systémech A2O se MLSS obvykle udržuje mezi 3 000 mg/l a 5 000 mg/l. Pokud je příliš nízká, není dostatek bakterií k úpravě vody; pokud je příliš vysoká, čistička se může přetížit.

Otázka: Může proces A2O splňovat přísné limity celkového dusíku (např. < 3 mg/l)?
A: Standardní A2O se často snaží dosáhnout velmi nízkých limitů dusíku, protože se spoléhá na jedinou vnitřní recyklační smyčku. Aby byly splněny limity pod 3-5 mg/l, rostliny často potřebují sekundární anoxickou zónu (proces Modified Bardenpho) nebo přidání externího zdroje uhlíku (jako je metanol) k posílení denitrifikace.

Otázka: Proč v mé elektrárně A2O dochází k „vzrůstajícímu kalu“ v čističce?
A: Stoupající kal je obvykle způsoben neřízená denitrifikace v čističi. Pokud tam kal sedí příliš dlouho, bakterie přemění zbývající dusičnany na bublinky plynného dusíku, které se přilepí na kal a vyplavou ho na povrch. Řešením je zvýšit rychlost Return Activated Sludge (RAS), aby se kal dostal z čističky rychleji.