Modeling and optimizing bio-filtration units in a real wastewater treatment plant

Biological aerated filters (BAFs) have found many applications worldwide due to the stricter effluent limits and low-footprint. However, their high energy consumption for backwashing, internal recycling and intense aeration requires optimization. In this study, a model for the Peschiera Borromeo’s second sewage treatment line, including sedimentation tank, BAF (BIOFOR) and UV disinfection, was developed and calibrated in BioWin software. Based on the model’s results, several operational scenarios and a technical upgrade was suggested. Examining of oxygen profiles in the biofilm proves a lack of oxygen at the bottom, therefore an increase in the bulk DO was recommended but not more than 4 mg / l due to the limited ammonia diffusion. Moreover, application of a cascade P controller to manipulate aeration intensity was investigated since keeping DO around 4 mg/l is neither biologically nor economically optimal. It shows lower ammonia concentration and aeration intensity than base scenario. Another issue is the distribution of the nitrification rate along the height of the biofilter which is of a great importance during peak load. Results show non-uniformity in nitrification rate along filter mainly due to the low ammonia volumetric loading rate, which causes incomplete treatment of ammonia throughout the peak load duration. Analyzing HRT vs NH4-N concentration unveils the potential use of a PI controller on internal recycling. It can increase nitrification while decreasing recycling flowrate. In addition, determined Damkohler number for C+N BIOFOR shows that the nitrification process is biomass-limited during cold seasons, so lower backwashing was recommended which results in minor effluent’s ammonia concentration than the base scenario. Analyzing NO3-N concentration in DN BIOFOR shows partial denitrification, accordingly integration of the flotation tank to the wastage flowrate from backwashing was investigated. It can decrease COD removal efficiency of primary settling in the upstream of DN BIOFOR to provide higher amount ED for denitrification process. Results reveals it stimulates the competition between fast growing heterotrophic and nitrifier bacteria for DO and place in fixed biomass due to higher C/N ratio and as a result, prohibit nitrification.

I filtri aerati biologici (BAFs) hanno trovato negli ultimi 30 anni molte applicazioni in tutto il mondo, a causa della miglior qualità dell'effluente ottenibile rispetto ai tradizionali trattamenti a fanghi attivi. Tuttavia, l'elevato consumo energetico per il trattamento, il ricircolo interno e l'aerazione intensa rende necessario ridurre l'impronta energetica per non incorrere in costi molto superiori a quelli dei processi a fanghi attivi. In questo studio, il modello per la seconda linea del trattamento delle acque di scarico di Peschiera Borromeo è stato sviluppato e calibrato con modelli sviluppato con la piattaforma software BioWin. La linea include la sedimentazione primaria, la biofilttazione biologica BAF (BIOFOR) e la disinfezione UV. L'esame del profilo di concentrazione di ossigeno all'interno del biofilm ha indicato che la concentrazione di ossigeno disciolto (DO) presente nella fase liquida, di oltre 4 mg / l, non è necessaria, in quanto il processo è limitato dall'ammoniaca. La simulazione ha ipotizzato l'adozione di un controllo a cascata su OD e azoto ammoniacale per gestire l'intensità di aerazione quando la concentrazione di NH4-N effluente supera la soglia geneticamente limitante (2 mg/l). Il modello ha così consentito di valutare il miglioramento delle prestazioni del processo con l'adozione di questo controllo. Il modello mostra una distribuzione eterogenea del tasso di nitrificazione in BAF a causa del basso carico di azoto ammoniacale. Ciò comporta una minore efficienza durante i picchi di carico. L'analisi del tempo di ritenzione idraulico (HRT) in funzione della concentrazione di azoto ammoniacale, indica che il controllo di processo a cascata consentirebbe di migliorare le prestazioni dei biofiltri regolando la portata di ricircolo interno. Con l'adozione di un regolatore PI si potrebbe ridurre la portata di ricircolo e la concentrazione di NH4-N degli effluenti. Il numero di Damkohler determinato per C + N BIOFOR dimostra che il processo di nitrificazione è limitato nel biofilm durante la stagione fredda. La diminuzione della concentrazione di ammoniaca negli effluenti è stata osservata per una diminuzione dell'intensità di controlavaggio. L'analisi della concentrazione di azoto nitrico nel biofiltro di denitricazione (DN BIOFOR) mostra che la denitrificazione è parziale, soprattutto a causa della limitazione di COD disponibile dovuta alla sua elevata rimozione nella sedimenta ione primaria che precede il biofiltro. Si potrebbe quindi proporre di ridurre l'efficienza di rimozione del COD a monte di DN BIOFOR per fornire una quantità maggiore di COD per il processo di denitrificazione. Anche se può aiutare la denitrificazione, se non attentamente gestito, ciò potrebbe deteriorare il processo di nitrificazione in C + N BIOFOR, a causa del più alto rapporto C / N.