El proceso A²/O (anaeróbico/anóxico/aeróbico), con sus principales ventajas de flujo simple, baja inversión y operación y mantenimiento convenientes, ha mantenido durante mucho tiempo una posición dominante en la eliminación biológica de nitrógeno y fósforo para aguas residuales urbanas, y se usa ampliamente en varias plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas. Sin embargo, en la operación y el mantenimiento reales, muchas plantas de aguas residuales han caído en el mismo dilema: el TN (nitrógeno total) y el TP (fósforo total) son difíciles de lograr simultáneamente, especialmente cuando se tratan aguas residuales con la baja relación C/N predominante en mi país. Esto conduce a un círculo vicioso en el que la eliminación de nitrógeno conduce a fallas en la eliminación de fósforo, y la eliminación de fósforo conduce a fallas en la eliminación de nitrógeno, lo que resulta en frecuentes inspecciones y rectificaciones ambientales y costos de operación y mantenimiento persistentemente altos.
Este artículo, que combina tres documentos técnicos básicos, abandona las descripciones aproximadas y parte de la esencia del proceso. Desglosa y explica en detalle los principios del proceso A²/O, sus tres defectos inherentes, el mecanismo central de eliminación de fósforo por desnitrificación y el esquema de modificación óptimo para aguas residuales con bajo contenido de C/N. Al equilibrar profesionalismo y practicidad, los diseñadores, el personal de operación y mantenimiento y los profesionales de modificación de ingeniería pueden consultarlo y aplicarlo directamente.
I. Primero, comprenda el principio completo del proceso A²/O (flujo estándar + lógica de reacción)
1. Flujo de proceso estándar
El núcleo del proceso A²/O es la desnitrificación y eliminación simultánea de fósforo mediante el funcionamiento en serie de tres reactores, combinado con recirculación de lodos y recirculación interna. El caudal estándar es claro y trazable: Agua cruda → Tanque anaeróbico → Tanque anóxico → Tanque aeróbico → Tanque de sedimentación secundaria → Efluente. Todo el proceso no requiere equipos complejos, tiene poca dificultad de operación y mantenimiento y es adecuado para aplicaciones a gran-escala.
• Retorno de lodos: Tanque de sedimentación secundario → Tanque anaeróbico
• Retorno interno: Tanque aeróbico → Tanque anóxico
2. Principio de reacción central de tres-etapas (desglosar el papel de cada paso para comprender la esencia del proceso)
(1) Etapa anaeróbica (sin oxígeno molecular, sin nitrógeno nitrato)
• Las bacterias acumuladoras de polifosfato-(PAO) liberan activamente el fósforo almacenado en sus cuerpos en un ambiente anaeróbico, libre de nitrato-, mientras absorben DQO (materia orgánica biodegradable) fácilmente degradable de las aguas residuales y la convierten en PHB (ácido poli- -hidroxibutírico) para su almacenamiento, reservando así energía para la posterior absorción de fósforo;
• Si existe una pequeña cantidad de nitrato en la etapa anaeróbica (principalmente procedente del lodo devuelto), las bacterias desnitrificantes utilizarán preferentemente la fuente de carbono residual para la desnitrificación, consumiendo indirectamente la fuente de carbono requerida por los PAO, creando un peligro potencial de eliminación de fósforo;
• Al mismo tiempo, las bacterias fermentadoras descomponen la materia orgánica molecular grande en las aguas residuales que es difícil de degradar en ácidos grasos volátiles (AGV) que son fácilmente absorbidos por los PAO, proporcionando sustrato suficiente para la síntesis de PHB por parte de los PAO.
(2) Zona anóxica (sin oxígeno molecular, contiene nitrógeno nitrato)
• Las bacterias desnitrificantes utilizan el nitrato de la recirculación en la zona aeróbica como aceptor de electrones y la DQO residual en las aguas residuales como fuente de carbono para reducir el nitrato a nitrógeno (N₂), completando el proceso de desnitrificación. Este es el paso central en la eliminación de TN.
• Algunas bacterias especiales-acumuladoras de polifosfato (es decir, bacterias desnitrificantes-acumuladoras de polifosfato-DNPAO) pueden romper con la comprensión tradicional de la "absorción aeróbica de fósforo", utilizando nitrato en lugar de oxígeno como aceptor de electrones para lograr una absorción excesiva de fósforo durante la desnitrificación. Esta es la eliminación de fósforo por desnitrificación en la que nos centraremos más adelante.
• El caudal de la recirculación interna determina directamente el suministro de nitrógeno nitrato en la zona anóxica y es un parámetro de control clave que afecta la eficiencia de la desnitrificación y el efecto de eliminación de fósforo de la desnitrificación.
(3) Etapa Aeróbica (Aeróbica)
• Las bacterias nitrificantes (bacterias autótrofas), en un ambiente con suficiente oxígeno, oxidan el nitrógeno amoniacal (NH₄⁺-N) en las aguas residuales a nitrato (NO₃⁻-N), completando la reacción de nitrificación y proporcionando suficientes aceptores de electrones para la desnitrificación y la eliminación de fósforo en la etapa anóxica;
• Las bacterias que acumulan polifosfato-(incluidos los DNPAO), en un ambiente aeróbico, absorben grandes cantidades de fósforo de las aguas residuales y lo almacenan en sus cuerpos, lo que da como resultado un contenido de fósforo que excede con creces los niveles normales (es decir, una absorción excesiva de fósforo), sentando las bases para la posterior eliminación de fósforo a través de la descarga de lodos;
• Al mismo tiempo, los microorganismos en la etapa aeróbica degradan aún más la DQO restante en las aguas residuales, eliminan el nitrógeno generado durante el proceso de desnitrificación, evitan que los lodos floten y garantizan un rendimiento estable de sedimentación de los lodos.
3. Ruta final de eliminación de nitrógeno y fósforo
• Vía de eliminación de nitrógeno: Nitrificación en tanque aeróbico (nitrógeno amoniacal → nitrato) → Desnitrificación en tanque anóxico (nitrato → nitrógeno) → El nitrógeno se escapa naturalmente, logrando la eliminación total del nitrógeno;
II. Puntos débiles fatales: tres defectos inherentes al proceso A²/O (principio-contradicción de nivel)
Muchas plantas de tratamiento de aguas residuales creen que el proceso A²/O es difícil de alcanzar estándares, y lo atribuyen erróneamente a una operación y mantenimiento inadecuados. Sin embargo, este no es el caso-el problema central es el conflicto inherente entre los tres tipos de microorganismos funcionales (bacterias nitrificantes, bacterias desnitrificantes y bacterias acumuladoras de polifosfato-). Sus necesidades de entorno vital y nutrientes son completamente diferentes, lo que les imposibilita alcanzar simultáneamente sus condiciones óptimas de crecimiento dentro del mismo sistema de lodos. Esta es la contradicción a nivel de principio-que el proceso A²/O lucha por superar.
1. Competencia de fuentes de carbono (el conflicto central)
2. Conflicto de edad de lodos
• Vía de eliminación de fósforo: Liberación de fósforo del tanque anaeróbico (las bacterias que acumulan polifosfato-liberan fósforo de sus cuerpos) → Absorción de fósforo del tanque aeróbico/anóxico (las bacterias que acumulan polifosfato-absorben excesivamente el fósforo de las aguas residuales) → Descarga del exceso de lodo (eliminando el lodo rico en fósforo-del sistema), completando la eliminación total del fósforo.
3. Interferencia de nitrato con la eliminación anaeróbica de fósforo
En los procesos tradicionales A²/O, el lodo de retorno del tanque de sedimentación secundario ingresa directamente a la etapa anaeróbica. Estos lodos de retorno arrastran inevitablemente una gran cantidad de nitratos producidos en la etapa aeróbica. Una vez en la etapa anaeróbica, estos nitratos interrumpen completamente el proceso de eliminación de fósforo de tres maneras:
• Etapa anaeróbica: la necesidad principal de las bacterias que acumulan polifosfato-es absorber DQO fácilmente degradable y sintetizar PHB para la posterior liberación y absorción de fósforo. Ésta es la base de la eliminación de fósforo y es indispensable.
• Las aguas residuales urbanas de mi país generalmente sufren de una baja relación C/N (DQO/TN < 4,5), lo que resulta en una grave escasez de fuentes de carbono. La competencia entre los dos tipos de microorganismos por las fuentes de carbono conduce inevitablemente a una situación en la que uno es fuerte y el otro débil-una buena eliminación de nitrógeno da como resultado una mala eliminación de fósforo; Una buena eliminación de fósforo da como resultado una eliminación excesiva de nitrógeno.
• Etapa anóxica: El requisito principal de las bacterias desnitrificantes es utilizar DQO como donador de electrones para convertir los nitratos en gas nitrógeno, completando así la eliminación del nitrógeno. Esto también depende de la DQO.
III. Clave para romper el cuello de botella: desnitrificación y eliminación de fósforo: uso dual del carbono para aliviar el conflicto en principio
1. Principio de desnitrificación y eliminación de fósforo
Para abordar los defectos inherentes del proceso A²/O, la solución más eficaz es el "uso dual de carbono". El objetivo principal es utilizar las características metabólicas especiales de las bacterias acumuladoras de polifosfato-desnitrificante (DNPAO/DPB) para permitir que una única fuente de carbono satisfaga simultáneamente las necesidades de eliminación de nitrógeno y fósforo. Esto alivia fundamentalmente la competencia por las fuentes de carbono y el conflicto entre la edad de los lodos. El proceso metabólico específico es el siguiente:
• Bacterias acumuladoras de polifosfato-: son bacterias heterótrofas de rápido crecimiento. El núcleo de su eliminación de fósforo es eliminar el fósforo del sistema descargando el exceso de lodo. Por lo tanto, se requiere una edad de lodo relativamente corta (5-1). • 0d (0 días): Una edad excesivamente larga del lodo provoca la re-liberación de fósforo de las bacterias que acumulan polifosfato-, lo que reduce significativamente la eficiencia de eliminación de fósforo.
• Bacterias nitrificantes: Son bacterias autótrofas con tasas de crecimiento y reproducción extremadamente lentas. Requieren una edad de lodo relativamente larga (15 a 25 días) para sobrevivir de manera estable y completar la reacción de nitrificación. Una edad de lodo demasiado corta provoca la descarga de una gran cantidad de bacterias nitrificantes, lo que hace que la eliminación eficaz del nitrógeno amoniacal sea ineficaz.
• El proceso A²/O utiliza un único sistema de lodos, lo que permite establecer sólo una edad de lodo uniforme. Una edad de lodo prolongada para mantener la nitrificación conducirá a un desperdicio de fósforo, mientras que una edad de lodo corta para mantener la eliminación de fósforo conducirá al colapso de la nitrificación; ambos no pueden lograrse simultáneamente.
2. Parámetros clave para la activación de la desnitrificación y la eliminación de fósforo con A²/O
1. Consumo preferencial de fuentes de carbono: Las bacterias desnitrificantes utilizan nitrato como aceptor de electrones, consumiendo preferentemente DQO fácilmente degradable en la etapa anaeróbica, evitando que las bacterias acumuladoras de polifosfato-(PAB) obtengan suficiente carbono para sintetizar PHB.
2. Inhibición de la liberación de fósforo por parte de los PPA: los PPA requieren un entorno estrictamente anaeróbico y libre de nitrato-para la liberación de fósforo. La presencia de nitrato inhibe directamente el proceso de liberación de fósforo, lo que incluso conduce a una "captación anaeróbica de fósforo" anormal, lo que impide la absorción aeróbica/anóxica posterior de fósforo y provoca que falle la eliminación de fósforo.
3. Alteración del ambiente anaeróbico: el nitrato consume el ambiente anaeróbico en la etapa anaeróbica durante la desnitrificación, inhibiendo indirectamente la actividad metabólica de los PPA.
Resultados de la verificación práctica: Bajo el control de los parámetros anteriores, la tasa de absorción de fósforo en la etapa anóxica puede alcanzar el 69%, sin requerir ninguna fuente de carbono adicional. La eficiencia de eliminación de nitrógeno y fósforo se mejora simultáneamente, mientras que la tasa de aireación en la etapa aeróbica se puede reducir en aproximadamente un 20 %, lo que ahorra significativamente el consumo de energía operativa.
IV. Una solución devastadora para aguas residuales con bajo C/N: proceso combinado A²/O + BAF
Las bajas relaciones C/N son comunes en las aguas residuales urbanas de mi país, con valores medidos que a menudo oscilan entre 3,1 y 5,9, muy por debajo del 4,5 requerido para un cumplimiento estable de los estándares A²/O. Incluso con parámetros operativos optimizados, es poco probable que un solo proceso A²/O cumpla consistentemente con el estándar de descarga Clase A a largo plazo. Por lo tanto, se necesita un proceso combinado para abordar fundamentalmente esta deficiencia inherente.
• Etapa anaeróbica: las DNPAO, al igual que las bacterias ordinarias que acumulan polifosfato-, liberan fósforo de sus células mientras absorben DQO fácilmente biodegradable de las aguas residuales, sintetizan PHB y lo almacenan dentro de sus células, completando así la liberación de fósforo y las reservas de fuentes de carbono.
La práctica del motor ha demostrado que A²/O + BAF (filtro aireado biológico) es actualmente la ruta de actualización más madura, más fácil de implementar y rentable-. La idea central es "la operación separada de nitrificación y eliminación de fósforo", permitiendo que ambos tipos de microorganismos crezcan en sus entornos óptimos, resolviendo por completo los conflictos de edad de los lodos y la competencia de fuentes de carbono.
• Ventajas principales: logra 1 parte de fuente de carbono (PHB)=desnitrificación + eliminación de fósforo, duplicando directamente la utilización de la fuente de carbono. No se necesita ninguna fuente de carbono adicional para mejorar simultáneamente la desnitrificación y la eficiencia de eliminación de fósforo, lo que es perfectamente adecuado para aguas residuales con bajas relaciones C/N.
• Etapa anóxica: los DNPAO ya no dependen del oxígeno, sino que utilizan nitrato como aceptor de electrones, reduciendo simultáneamente el nitrato a nitrógeno (completando la desnitrificación) y utilizando su PHB almacenado como fuente de energía para absorber el exceso de fósforo de las aguas residuales (completando la eliminación de fósforo).
1. Principio básico: Separación de nitrificación y eliminación de fósforo.
2. Resultados reales (C/N=4.2)
• Tiempo de Retención de Lodos (SRT): Controlado en torno a los 15 días. Esta edad de los lodos satisface los requisitos de crecimiento de las bacterias nitrificantes (garantizando la eficiencia de la nitrificación) y al mismo tiempo equilibra el enriquecimiento y la actividad de los DNPAO, evitando edades de lodos excesivamente largas o cortas que podrían afectar negativamente a la eficiencia del tratamiento.
• Relación de recirculación interna: controlada entre 3,0 y 3,5. En esta proporción, la concentración de nitrato en el efluente anóxico del tanque se mantiene entre 1 y 3 mg/L, lo que proporciona suficientes aceptores de electrones para los DNPAO sin provocar que un exceso de nitrato entre en la zona anaeróbica e interfiera con la liberación de fósforo.
• Relación de volumen anóxico/anaeróbico: aumentar adecuadamente la relación de volumen de la zona anóxica prolonga el tiempo de residencia de los DNPAO en la zona anóxica, mejorando la desnitrificación y la eliminación de fósforo.
• Control estricto de nitrato en la sección anaeróbica: Al optimizar el método de reflujo, la concentración de nitrato en la sección anaeróbica se controla a<0.5 mg/L, providing a stable anaerobic environment for DNPAOs to release phosphorus and synthesize PHB.
3. Parámetros operativos óptimos
• Sección A²/O (edad corta del lodo, 5 a 10 días): se abandona la nitrificación y se centra en la "liberación anaeróbica de fósforo + eliminación de fósforo por desnitrificación anóxica". El ajuste de edad corta del lodo garantiza una eliminación eficiente del fósforo mediante la acumulación de polifosfato-bacterias a través de la descarga del lodo, mientras que los DNPAO utilizan su PHB interno para la desnitrificación, maximizando la utilización de fuentes limitadas de carbono.
• Diseño de reflujo interno: el licor nitrificado (rico en nitrato) producido en la sección BAF se refluye a la sección anóxica A²/O, proporcionando suficientes aceptores de electrones para los DNPAO, formando un circuito cerrado de "nitrificación BAF → eliminación de fósforo por desnitrificación A²/O", logrando estándares simultáneos de eliminación de nitrógeno y fósforo.
• Etapa BAF (Long Sludge Age 30d+): Dedicada a la nitrificación. El material de empaque del tanque BAF forma una biopelícula que permite que las bacterias nitrificantes crezcan de manera estable en la membrana. La larga edad de los lodos asegura una nitrificación óptima, consiguiendo una eliminación cercana al 100% del nitrógeno amoniacal, resolviendo por completo la nitrificación insuficiente.
V. Atajos de modernización de ingeniería: tres procesos A²/O mejorados y maduros (aplicación directa, implementación de bajo costo-)
1. Proceso UCT/MUCT (Resolver la interferencia de nitrato)
• Calidad del efluente: DQO=34mg/L, TN=13.3mg/L, TP=0.1mg/L, todos cumpliendo con el "Estándar de descarga de contaminantes para plantas de tratamiento de aguas residuales municipales" (estándar GB (18918-2002) Clase A;
• Calidad del agua afluente (simulando condiciones de baja relación C/N, C/N=4.2): DQO=240mg/L, TN=57mg/L, TP=5.1mg/L;
• Actividad microbiana: la proporción de bacterias que acumulan polifosfato-desnitrificante (DNPAO) en el sistema alcanza el 40,5%, lo que mejora significativamente la utilización de la fuente de carbono y elimina la necesidad de agregar una fuente de carbono externa adicional.
• Eficiencia de eliminación: tasa de eliminación de DQO 85,8%, tasa de eliminación de TN 76,9%, tasa de eliminación de TP 98%, efectos estables de eliminación de nitrógeno y fósforo sin fluctuaciones;
2. Proceso A²/O invertido (fuente de carbono priorizada para la eliminación de nitrógeno)
Modificación principal: ajustar la secuencia de las tres secciones del tanque a anóxico → anaeróbico → aeróbico, sin necesidad de equipos nuevos, solo ajustando la dirección del flujo de agua, adecuado para la modernización de bajo-costo de plantas existentes.
• Relación de retorno de lodos: 100%, lo que garantiza una concentración estable de lodos en la sección A²/O y proporciona suficiente biomasa para DNPAO y organismos acumuladores de polifosfato-(PAO).
• Ratio de retorno interno: Controlado al 250%. Esta relación proporciona suficientes nitratos a la sección anóxica A²/O y al mismo tiempo evita el consumo excesivo de energía debido al retorno excesivo, ofreciendo la mejor rentabilidad-.
• Control microbiano: Al optimizar los parámetros operativos, la proporción de PAO desnitrificantes en el sistema se estabiliza en 40,5%, maximizando la desnitrificación y la eliminación de fósforo.
• Control de oxígeno disuelto (OD): A²/O sección aeróbica DO=1–2 mg/L (cumpliendo los requisitos de absorción de fósforo de los PAO y evitando el desperdicio excesivo de energía debido al alto OD); Sección BAF DO=4–5 mg/L (cumple con los requisitos de nitrificación de las bacterias nitrificantes y garantiza la eliminación completa del nitrógeno amoniacal).
3. Proceso JHB
Modificación del núcleo: se agrega un tanque de pre-desnitrificación anóxica a lo largo del camino del lodo devuelto a la etapa anaeróbica. El lodo devuelto ingresa primero a este tanque, donde se somete a una pre-desnitrificación utilizando una porción de la DQO afluente, lo que reduce aún más el contenido de nitrato en el lodo.
VI. Resumen: La lógica del logro del proceso A²/O (recuerde esto en una frase para evitar desvíos)
• Modificación del núcleo: El proceso tradicional A²/O de "lodo devuelto a la etapa anaeróbica" se ajusta a "lodo devuelto al tanque anóxico", permitiendo que el lodo devuelto se someta primero a una desnitrificación en la etapa anóxica, consumiendo los nitratos que transporta.
• Efecto de modificación: después de la desnitrificación en la etapa anóxica, el lodo que ingresa a la etapa anaeróbica está casi libre de nitrato-y la eficiencia de liberación de fósforo en la etapa anaeróbica aumenta en un 50%+, resolviendo fundamentalmente el problema de la interferencia de los nitratos con la eliminación de fósforo. El proceso MUCT, en particular, agrega dos tanques anóxicos para separar aún más la desnitrificación de lodos de la desnitrificación de licores mixtos, lo que resulta en un rendimiento más estable e idoneidad para plantas de tratamiento de aguas residuales con interferencia severa de nitratos.
• Asignación priorizada de fuentes de carbono: el agua cruda ingresa primero a la zona anóxica, donde las bacterias desnitrificantes obtienen preferencialmente fuentes de carbono, lo que mejora significativamente la eficiencia de la desnitrificación y resuelve el problema de la desnitrificación insuficiente en proporciones bajas de C/N.
• Ventajas de operación y mantenimiento: proceso simplificado, sin necesidad de equipos adicionales ni costos de operación y mantenimiento, ciclo de modificación corto y baja dificultad de implementación, lo que la convierte en una de las soluciones preferidas para actualizar plantas existentes.
• Eliminación de fósforo más estable: las bacterias que acumulan polifosfato-se encuentran en un "estado de inanición" en la zona anóxica. Después de ingresar a la zona anaeróbica, absorben fuentes de carbono y liberan fósforo de manera más eficiente, lo que resulta en una absorción aeróbica más completa del fósforo y una eliminación más estable del fósforo.
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Notas adicionales: Este proceso aborda específicamente el problema del contenido excesivamente alto de nitrato en el lodo devuelto, con un mejor rendimiento de desnitrificación que el proceso UCT, pero requiere un tanque adicional. Es adecuado para plantas de tratamiento de aguas residuales con altos requisitos de desnitrificación y margen de modificación.
1. Principio fundamental
Liberación anaeróbica de fósforo → Eliminación de nitrógeno anóxico + Eliminación de fósforo por desnitrificación → Nitrificación aeróbica + Absorción de fósforo, tres etapas que funcionan sinérgicamente, basándose en lodos y recirculación interna en un circuito cerrado;
2. Obstáculos inherentes
La competencia de fuentes de carbono, las discrepancias en la edad de los lodos y la interferencia de nitratos-estos tres no pueden resolverse mediante la operación y el mantenimiento convencionales, y son obstáculos clave para lograr el cumplimiento;
3. Solución principal
Utilizar bacterias acumuladoras de polifosfato-desnitrificante (DNPAO) para una "utilización dual del carbono": esto alivia la escasez de fuentes de carbono y, al mismo tiempo, logra la eliminación de nitrógeno y fósforo.
4. Esencial para relaciones C/N bajas
El proceso combinado A²/O + BAF separa la nitrificación y la eliminación de fósforo, lo que permite que cada una alcance un rendimiento óptimo y alcance consistentemente los estándares de Grado A.
5. Prioridad para la modernización
Los procesos UCT y A²/O invertido ofrecen bajo costo, facilidad de implementación y no requieren demolición o reconstrucción importante, lo que los hace adecuados para actualizaciones rápidas de plantas existentes.