Rotas tecnológicas de remoção de fósforo total e nitrogênio total: dos princípios do processo à seleção de engenharia

Rotas tecnológicas de remoção de fósforo total e nitrogênio total: dos princípios do processo à seleção de engenharia

Em projetos de atualização de estações de esgoto municipais e de tratamento de águas residuais industriais, a remoção simultânea de fósforo total (TP) e nitrogênio total (TN) é um desafio técnico e um indicador-chave da regulamentação ambiental. O fósforo total provém principalmente de detergentes em esgotos domésticos, fosfatos em águas residuais industriais e resíduos de pesticidas. O nitrogênio total consiste em nitrogênio amoniacal, nitrogênio nitrato, nitrogênio orgânico, etc. Ambos são fatores-chave que causam a eutrofização da água.

Para empreiteiros de engenharia e integradores de sistemas, compreender o escopo aplicável e as condições de limite de diversas tecnologias de remoção de fósforo e nitrogênio é a base para o projeto de processos e seleção de equipamentos.

1. Rotas da tecnologia de remoção de fósforo total

O fósforo total existe na água nas formas de ortofosfato, polifosfato e fósforo orgânico. Diferentes formas correspondem a diferentes mecanismos de remoção.

1.1 Método de precipitação química

A precipitação química é o processo principal para remoção de fósforo. Envolve a adição de sais metálicos ou cal para converter radicais fosfato em precipitados insolúveis.

Método de precipitação com sal de cálcio:A adição de cal (CaO) ou cloreto de cálcio a águas residuais contendo fósforo gera precipitado de hidroxiapatita em condições alcalinas. A equação de reação é a seguinte:

5Ca²⁺ + 7OH⁻ + 3H₂PO₄⁻ → Ca₅(OH)(PO₄)₃↓ + 6H₂O

Parâmetros de engenharia:O melhor efeito de remoção de fósforo é alcançado quando pH é controlado em 10,5–12,5 e a concentração de fosfato no efluente pode ser inferior a 0,5 mg/L. O tempo de reação é de 10 a 15 minutos. Cooperar com o floculante PAM pode melhorar a eficiência da sedimentação.

Método de precipitação de sal de alumínio/ferro:A adição de sulfato de alumínio, cloreto de polialumínio ou cloreto férrico gera precipitados de fosfato de alumínio ou fosfato de ferro. Sua vantagem é que ele pode operar sob condições pH (6,5–7,5) quase neutras, adequadas para remoção de fósforo em sistemas pós-bioquímicos.

Deve-se notar que o método de precipitação química visa principalmente o fósforo inorgânico e tem efeito limitado na remoção do fósforo orgânico. A verificação do processo é necessária de acordo com a qualidade real da água.

1.2 Remoção biológica de fósforo

A remoção biológica de fósforo depende do comportamento excessivo de absorção de fósforo por organismos acumuladores de fósforo (PAOs) em ambientes alternados anaeróbicos/aeróbicos. Na fase anaeróbica, o polifosfato é hidrolisado para liberar fosfato; na fase aeróbica, o excesso de fosfato é absorvido e armazenado nas células como polifosfato, e o fósforo é removido através da descarga do excesso de lodo.

Quando o sistema de remoção biológica aprimorada de fósforo (EBPR) opera de forma estável, o fósforo total do efluente pode atingir menos de 0,5 mg/L. No entanto, a remoção biológica de fósforo é sensível às fontes influentes de carbono e às condições operacionais, e a eficiência diminui significativamente sob condições de baixa temperatura ou baixa relação carbono-nitrogênio.

1.3 Método de adsorção

Utilizando o efeito de adsorção de materiais porosos para remover o fosfato da água. Estudos demonstraram que o carvão ativado à base de lodo tem capacidade de adsorção de fósforo de 7,3 mg/g sob pH 6 e tempo de adsorção de 360 ​​minutos, o que é melhor que 4,1 mg/g do carvão ativado comercial. Biochar preparado a partir de fibra de tamareira pode atingir uma taxa total de remoção de fósforo de 81% a 91%.

O método de adsorção é adequado para tratamento profundo de águas residuais contendo fósforo de baixa concentração ou como unidade de tratamento terciário, mas os custos de regeneração e substituição de adsorventes precisam ser incluídos na avaliação econômica de engenharia.

2. Rotas de tecnologia de remoção total de nitrogênio

O núcleo da remoção total de nitrogênio é converter várias formas de nitrogênio em gás nitrogênio e liberá-lo do corpo d'água. Os caminhos técnicos convencionais incluem desnitrificação biológica e métodos físico-químicos.

2.1 Processo de desnitrificação biológica

A desnitrificação biológica é concluída acoplando processos de nitrificação e desnitrificação.

Nitrificação:Em condições aeróbicas, o nitrogênio amoniacal é oxidado sequencialmente em nitrogênio nitrato por bactérias nitríticas e bactérias nitrificantes.

Desnitrificação:Sob condições anóxicas, as bactérias desnitrificantes usam matéria orgânica como doadores de elétrons para reduzir o nitrogênio nitrato em gás nitrogênio.

Processos comuns em engenharia incluem:

• Processo AAO (Anaeróbico-Anóxico-Óxico):Estrutura padrão de três estágios, obtendo remoção simultânea de nitrogênio e fósforo. O processo AAO aprimorado, por meio do controle refinado da taxa de refluxo interno e adição de fonte de carbono, pode atingir efluentes TN<11 mg/L and TP<0.5 mg/L when the influent C/N ratio is 3–4.

• Processo Bardenpho:Um estágio pós-anóxico adicional é adicionado para fazer uso total de fontes de carbono endógenas para profundas desnitrificação. Estudos demonstraram que sob dosagem de fonte de carbono de 38,63 mg/L e taxa de refluxo interno de 300%, o TN do efluente é de 8,15 mg/L e o TP é de 0,3 mg/L.

• Processo AOA-SBR:Reator em lote de sequenciamento anaeróbico/óxico/anóxico. Sob baixa temperatura de 15,7°C, quando o TN do afluente é 45,5 mg/L e o TP é 3,9 mg/L, o efluente é reduzido para 10,9 mg/L e 0,1 mg/L respectivamente.

2.2 Estratégia de adição de fonte externa de carbono

Baixa relação carbono-nitrogênio (C/N<4) is a typical feature of municipal sewage in northern regions. Insufficient carbon sources will limit denitrification efficiency. In actual projects, external carbon sources such as sodium acetate are used for supplementation.

Estratégias de controle fino vinculam a dosagem da fonte de carbono com a concentração de nitrogênio nitrato na seção anóxica, que pode reduzir o consumo de fontes de carbono por tonelada de água de 60 ga 20 g (calculado como acetato de sódio puro), economizando cerca de 70% nos custos de fontes de carbono

2.3 Métodos de desnitrificação físico-química

Para águas residuais contendo nitrogênio em alta concentração que não podem ser tratadas bioquimicamente (como aterros sanitários). lixiviados e águas residuais industriais), os seguintes métodos podem ser usados:

• Troca iônica:Adsorção seletiva de íons de amônio usando materiais como zeólita

• Membrana separação:Osmose reversa ou eletrodiálise para obter concentração e separação de nitrogênio

• Removedor de nitrogênio amoniacal:Aplicável apenas a águas residuais dominadas por nitrogênio amoniacal, convertendo-as em gás nitrogênio por meio de reações químicas. Observe que os removedores de nitrogênio amoniacal são ineficazes contra nitrogênio nitrato e nitrogênio orgânico. O efeito de remoção total de nitrogênio depende da proporção de nitrogênio amoniacal no nitrogênio total.

3. Combinação de processos e referência de seleção de engenharia

4. Sinergia de Processo: Dificuldades de Engenharia na Remoção Simultânea de Nitrogênio e Fósforo

Existem contradições de processo em a remoção simultânea de nitrogênio total e fósforo total:

• A remoção biológica de fósforo requer fontes de carbono suficientes (seção anaeróbica), enquanto a desnitrificação biológica também consome fontes de carbono (seção anóxica)

• A remoção de fósforo depende da descarga excessiva de lodo, enquanto a desnitrificação depende em idades mais longas de lodo

A engenharia alcança o equilíbrio por meio das seguintes estratégias:

• Adotar processo de entrada de água em etapas para distribuir fontes de carbono para seções anaeróbicas e anóxicas

• Idade do lodo controlada em 10–15 dias, levando em consideração as necessidades de crescimento de bactérias nitrificantes e bactérias acumuladoras de fósforo

• Quando os requisitos de TP do efluente são estrito (<0.3 mg/L), supplement chemical post-precipitation unit

5. Monitoramento e Controle de Processo

Para integradores de sistemas, o monitoramento on-line do fósforo total e do nitrogênio total é a base da regulação do processo. Atualmente, o monitoramento do fósforo total utiliza o método espectrofotométrico de molibdato de amônio (limite de detecção de 0,01–1,0 mg/L), e o nitrogênio total utiliza o método espectrofotométrico ultravioleta de digestão com persulfato de potássio alcalino. No processo AAO, a concentração de nitrogênio nitrato na seção anóxica é o parâmetro chave para controlar a taxa de refluxo interno e a dosagem da fonte externa de carbono.

Perguntas frequentes

Q1.A remoção química do fósforo é eficaz no fósforo orgânico?

Ineficaz. O método de precipitação química só é eficaz em íons fosfato inorgânicos. O fósforo orgânico precisa primeiro ser convertido em fósforo inorgânico através de oxidação ou biodegradação antes da remoção da precipitação.

Q2.Por que a desnitrificação é difícil em águas residuais com baixa proporção de carbono para nitrogênio?

O processo de desnitrificação requer matéria orgânica como doadora de elétrons. Quando C/N é inferior a 4, a fonte de carbono da água bruta é insuficiente para apoiar a desnitrificação completa, e fontes externas de carbono (como acetato de sódio) ou estratégias de entrada de água multiponto precisam ser complementadas.

Q3.Como escolher entre a remoção biológica de fósforo e a remoção química de fósforo?

A remoção biológica de fósforo é utilizada no processo principal (baixo custo operacional, mas a eficiência é afetada pelas flutuações na qualidade da água); a remoção química do fósforo é usada como medida de salvaguarda (reação estável, mas alto custo químico). Na engenharia, muitas vezes é adotado um modo combinado de biologia como principal e química como auxiliar.

Q4.Quando a conformidade total do nitrogênio é difícil, quais parâmetros devem ser ajustados primeiro?

Verifique em sequência: taxa de refluxo interno (deve ser 200%–400%), oxigênio dissolvido na seção anóxica (deve ser<0.5 mg/L), carbon source dosage and dosing point (should be added at the entrance of the anoxic zone), sludge age (nitrifying bacteria require longer sludge age).

Q5.Para reduzir o fósforo total de 1,0 mg/L para 0,3 mg/L, qual processo é o mais econômico?

Quando o TP do afluente foi reduzido para cerca de 1,0 mg/L, o potencial de remoção biológica de fósforo está próximo do limite superior. O uso de sais de alumínio ou ferro para pós-precipitação química (dosagem de cerca de 10–30 mg/L) é uma solução econômica e viável para remoção profunda de fósforo.

Q6.Quanto tempo dura o ciclo de saturação da adsorção de carvão ativado para remoção de fósforo?

Depende da concentração de fósforo afluente e do tipo de carbono. A regeneração é necessária quando a adsorção de fósforo atinge 60% a 70% da capacidade de adsorção saturada. Tomando como exemplo o carvão ativado de casca de coco, ao tratar efluentes secundários com fósforo 1–2 mg/L, o ciclo de saturação é de cerca de 2.000–5.000 volumes de leito.

Q7.Os equipamentos integrados de tratamento de águas residuais podem atender simultaneamente aos padrões TP e TN?

Sim, pode ser configurado. É necessário adotar processos com controle segmentado anaeróbio, anóxico e aeróbio (como equipamentos integrados AAO), e estar equipado com dosadores de produtos químicos e instrumentos de monitoramento on-line. Adequado para cenários descentralizados de tratamento de águas residuais de 50–500 m³/d.

Resumo:

A remoção de fósforo total e nitrogênio total é um desafio sistemático na engenharia de tratamento de águas residuais. A remoção total de fósforo baseia-se principalmente na precipitação química e na remoção biológica de fósforo, enquanto a remoção total de nitrogênio é centrada na nitrificação/desnitrificação biológica. Há um jogo entre os dois na distribuição da fonte de carbono e no controle da idade do lodo.

Os empreiteiros de engenharia precisam esclarecer as características da qualidade da água influente (relação C/N, forma de fósforo, faixa de temperatura) na fase de projeto, selecionar os processos principais correspondentes e reservar unidades de dosagem de produtos químicos e filtração profunda como garantias de conformidade. Os integradores de sistemas devem se concentrar na configuração de instrumentos de monitoramento on-line (nitrogênio nitrato, nitrogênio amoniacal, analisadores TP/TN) para fornecer suporte de dados para uma regulação refinada de processos.

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