Proces beztlenowego utleniania amoniaku (ANAMMOX) został opracowany w 1990 roku przez Laboratorium Biotechnologii Kluyver na Politechnice w Delft w Holandii. Proces ten przełamuje podstawowe koncepcje teoretyczne tradycyjnych procesów biologicznego usuwania azotu. W warunkach beztlenowych amoniak jest utleniany do gazowego azotu przy użyciu amoniaku jako donora elektronów i azotanu lub azotynu jako akceptora elektronów. Oszczędza to ponad 60% tlenu w porównaniu do pełnej nitryfikacji (utlenianie amoniaku do azotanów). Stosowanie amoniaku jako donora elektronów pozwala również zaoszczędzić źródło węgla wymagane w tradycyjnych procesach biologicznego usuwania azotu.
Proces ANAMMOX ma takie zalety, jak wysoka wydajność usuwania azotu, niskie koszty operacyjne i niewielkie rozmiary, a także ma ogromny potencjał rozwoju w zakresie oczyszczania ścieków. Obecnie proces ten staje się coraz bardziej dojrzały w oczyszczaniu osadów komunalnych. Pierwsza na świecie-produkcyjna jednostka ANAMMOX na skalę produkcyjną, zlokalizowana w oczyszczalni ścieków Dokhaven w Rotterdamie w Holandii, charakteryzuje się objętościowym współczynnikiem usuwania azotu (NRR) wynoszącym aż 9,5 kg N/(m3·d). Co więcej, proces ANAMMOX jest coraz częściej stosowany w oczyszczaniu ścieków o wysokiej-azocie amonowym, takich jak ścieki przemysłowe pofermentacyjne, odcieki ze składowisk i ścieki z akwakultury, a jego zastosowania inżynieryjne szybko rozprzestrzeniają się na całym świecie.
Zasada beztlenowego utleniania amoniaku
Anammox to reakcja biologiczna w warunkach beztlenowych, w której wykorzystuje się amoniak jako donor elektronów i azotyn jako akceptor elektronów, w celu wytworzenia azotu i azotanów. Anammox obejmuje dwa procesy: po pierwsze, metabolizm rozkładu (wytwarzanie energii), podczas którego amoniak działa jako donor elektronów, a azotyn jako akceptor elektronów, reagując w stosunku 1:1, wytwarzając azot gazowy, magazynując energię w postaci ATP; po drugie, anabolizm, w którym azotyn działa jako akceptor elektronów, zapewniając siłę redukującą i wykorzystując dwutlenek węgla i ATP powstałe w wyniku metabolizmu rozkładu do syntezy materiałów komórkowych, wytwarzając w tym procesie azotany. Bakterie beztlenowe utleniające amoniak (AnAOB) są realizatorami beztlenowego utleniania amoniaku.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358kg/mol
Proces beztlenowego utleniania amonu (ANAO) składa się głównie z dwóch etapów: Pierwszym etapem jest częściowa nitryfikacja, w której tylko około 55% azotu amonowego wymaga konwersji do azotu azotynowego; drugim etapem jest beztlenowe utlenianie amonu (ANAO), podczas którego azot amonowy w warunkach beztlenowych jest utleniany do azotu gazowego przez azot azotynowy jako akceptor elektronów. Dlatego nazywany jest także procesem PN/A.
W tym procesie około 89% azotu nieorganicznego przekształca się w azot gazowy, a pozostałe 11% przekształca się w azot azotanowy. W porównaniu z tradycyjnymi procesami nitryfikacji-denitryfikacji, ANAO ma znaczną przewagę technologiczną. Zużycie energii na napowietrzanie wynosi tylko 55-60% zużycia energii w tradycyjnych procesach; proces ten nie wymaga prawie żadnego źródła węgla. Jeśli podczas ANAO konieczne jest dodanie źródła węgla w celu usunięcia produktów azotanowych, dodawana ilość jest również znacznie mniejsza niż w tradycyjnych procesach. Dawka jest zmniejszona o 90%; proces anammox może zmniejszyć zużycie zasadowości o 45%. Jednocześnie produkcja osadu w procesie anammox jest znacznie niższa niż w przypadku tradycyjnych procesów denitryfikacji, co znacząco obniży koszty oczyszczania i utylizacji osadu nadmiernego.
Czynniki wpływające na Anammox
Stworzenie odpowiednich warunków przeżycia bakterii anammox w głównych systemach oczyszczania ścieków stanowi aktualne wyzwanie, obejmujące wzbogacanie bakterii anammox i AOB (bakterie azotujące amoniak, które przekształcają azot amonowy w azotyn) oraz hamowanie bakterii NOB (bakterie utleniające azotyny, które przekształcają azotyn w azotan).
1. Temperatura
Na aktywność metaboliczną mikroorganizmów duży wpływ ma temperatura. Wyniki poprzednich badań wskazują, że optymalną temperaturą dla anammoxu jest 35 stopni. Optymalna temperatura dla preparatu Anammox to okres, w którym jego metabolizm biologiczny jest najszybszy, a cykl rozrodczy najkrótszy. Jednak temperatura większości ścieków komunalnych jest niska (10–25 stopni), zwłaszcza w niektórych regionach-na dużych szerokościach geograficznych, np. na północy mojego kraju, gdzie temperatura ścieków często spada poniżej 10 stopni. Skuteczność i stabilność Anammox w tych obszarach stanowi poważne wyzwanie.
Temperatura głównego nurtu ścieków miejskich wynosi zazwyczaj około 10–20 stopni, czyli jest niższa od optymalnej temperatury wzrostu AnAOB (25–40 stopni), co będzie miało wpływ na wzrost stężeń amoniaku i azotynów Anammox. 2.
Substratami do beztlenowego utleniania amonu (ANAMO) są amoniak i azotyn. Jednak zbyt wysokie stężenia tych dwóch substancji mogą zahamować ten proces. Badania wykazały, że stężenia hamujące dla amoniaku wynoszą 38,0–98,5 nmol/L, a dla azotynów 5,4–12,0 nmol/L. Jetten i in. odkryli, że przy stężeniach azotynów powyżej 20 nmol/l proces ANAMMOX jest znacząco hamowany. Długotrwała ekspozycja (2 godziny) na wysokie stężenia azotynów może całkowicie zniszczyć aktywność ANAMMOX, ale przy niższych stężeniach azotynów (około 10 nmol/L) jego aktywność pozostaje stosunkowo wysoka.
3. Wartość pH
Ponieważ amoniak i azotyn dysocjują w roztworach wodnych, wartość pH wpływa na ANAMMOX. Badania wykazały, że proces ANAMMOX działa dobrze w zakresie pH 6,7–8,3, przy optymalnym pH około 8.
4. Wpływ materii organicznej
Zawartość ChZT w ściekach... Sprzyja rozwojowi heterotroficznych bakterii denitryfikacyjnych i hamuje proces Anammox. Proces Anammox może dominować tylko wtedy, gdy ChZT zostanie zużyty do niskiego poziomu przez ten pierwszy. Problem ten jest szczególnie widoczny w przypadku oczyszczania ścieków komunalnych-o dużej intensywności. Badania Winklera i wsp. wskazują, że w temperaturze 25 stopni, jeśli stosunek C/N w wodzie surowej wynosi < 0,5, Anammox i denitryfikacja heterotroficzna mogą harmonijnie współistnieć, nie powodując zmniejszenia wydajności usuwania azotu.
5. Stabilność krótkiej{{1}nitryfikacji Podczas stosowania procesu Anammox aktywność NOB musi być jak najbardziej zminimalizowana w warunkach głównego nurtu, aby umożliwić gromadzenie się azotynów i utrzymać system nitryfikacji w stanie-krótkiej nitryfikacji. Ma to kluczowe znaczenie dla zapewnienia stabilności preparatu Anammox. Prawidłowe funkcjonowanie procesu ma fundamentalne znaczenie i jest bezpośrednio związane z efektem jego oczyszczania. Powyższe cele można osiągnąć poprzez kontrolę wolnego amoniaku. Dlatego właśnie anammox stosuje się głównie do ścieków o wysokiej-azocie amonowym, ponieważ wolny amoniak w ściekach o wysokiej-azocie amonowym może hamować NOB, utrzymując system-w stanie krótkotrwałej nitryfikacji w odpowiednich warunkach kontrolnych. Jednak w ściekach komunalnych na stabilność-krótkotrwałej nitryfikacji wpływa temperatura i azot amonowy, co uniemożliwia stabilną pracę! W procesie PN/A na-etap krótkiej nitryfikacji wpływa także temperatura, ponieważ w niskich temperaturach aktywność AOB jest hamowana, co zmniejsza stopień konwersji azotu amonowego. Co więcej, energia aktywacji AOB jest wyższa niż NOB, co prowadzi do niewystarczającej akumulacji NO2, co nie może zapewnić wystarczającej ilości substratu dla reakcji Anammox.
Proces ANAMMOX i jego procesy pochodne
Technologie Anammox stosowane w praktycznych zastosowaniach inżynieryjnych można podzielić na procesy osadów zawieszonych, osadów ziarnistych i biofilmów.
1. Proces osadu zawieszonego
AOB i AAOB Powolny-wzrost i długie cykle wytwarzania sprawiają, że mikroorganizmy łatwo giną w konwencjonalnych systemach osadu zawieszonego. Dlatego w procesach osadu zawieszonego często wykorzystuje się sekwencyjne reaktory wsadowe (SBR) do zatrzymywania mikroorganizmów.
Spośród wszystkich technologii SBR anammox 80% to proces DEMON. Proces ten został po raz pierwszy zastosowany w oczyszczalni ścieków Strass w Austrii. Jego podstawową zasadą jest dostosowywanie czasu napowietrzania poprzez monitorowanie zmian pH, regulując w ten sposób równowagę pomiędzy krótką-nitryfikacją a anammoxem. Ponadto w procesie tym wykorzystuje się hydrocyklony do regulowania wieku osadów AAOB i AOB. Pod wpływem siły odśrodkowej mikroorganizmy rozdzielają się na dwie części: lżejszy AOB przelewa się od góry, natomiast cięższy AAOB gromadzi się na dole i spływa z powrotem do reaktora. Oczyszczalnia ścieków Strass osiągnęła skuteczność autotroficznego usuwania azotu na poziomie ponad 85%.
2. Proces osadu granulowanego
Typowym przykładem systemu osadu granulowanego jest reaktor Anammox zbudowany przez firmę Parker w Rotterdamie. Wczesne procesy przepływu-by-przepływu zwykle wykorzystywały systemy dwu-stopniowe, więc w rzeczywistości reaktor Anammox został zintegrowany z wcześniej zbudowanym reaktorem nitryfikacji... Reaktor SHARON został połączony, tworząc system reaktora Sharon-Anammox, którego uruchomienie trwało 3,5 roku. Następnie firma Parker Biomedical opracowała zintegrowany reaktor Anammox. Zarówno reaktor anammox, jak i reaktor zintegrowany w systemie dwustopniowym-pracują w sposób ciągły z przepływem w górę, z wewnętrznym osadnikiem z nachyloną płytą, zapewniającym zatrzymanie cząstek osadu.
3. Procesy biofilmu
Procesy Anammox wykorzystujące technologię biofilmu obejmują głównie DeAmmon i ANITATMMox. Proces DeAmmona składa się z trzech reaktorów MBBR i jednego zbiornika odgazowującego. W razie potrzeby trzy reaktory można połączyć szeregowo lub równolegle, przy stopniu napełnienia MBBR wynoszącym 40–50%. ANITATMMox wykorzystuje przede wszystkim zintegrowany reaktor MBBR w swoim systemie-z przepływem bocznym. ANITAMMox może wykorzystywać czysty biofilm MBBR lub hybrydowy-film osadowy IFAS (zintegrowany test filmu tłuszczowego). W procesie czystego biofilmu bakterie AAOB znajdują się w najbardziej wewnętrznej warstwie materiału opakowaniowego, a AOB w warstwie najbardziej zewnętrznej; w procesie IFAS AAOB znajdują się głównie na materiale opakowaniowym, a AOB... w osadzie zawieszonym.
Pierwszy na świecie operacyjny projekt beztlenowego utleniania amoniaku (ANAO)!
W 2002 roku firma Parker Systems zbudowała pierwszy na świecie wydajny reaktor ANAO w oczyszczalni ścieków Dokhaven w Rotterdamie, wykorzystując system SharonAnammox do oczyszczania cieczy odwadniającej osad. Następnie zbudowano ponad 100 takich reaktorów w Holandii, Niemczech, Japonii, Australii, Szwajcarii i Wielkiej Brytanii. Wiele oczyszczalni ścieków z beztlenowym utlenianiem amoniaku oczyszcza ścieki, w tym odcieki ze składowisk, ścieki z gospodarstw hodowlanych i ścieki spożywcze, a także płyn pofermentacyjny.
1. Beztlenowe utlenianie amoniakiem osadów w oczyszczalni ścieków DOKHAVEN w Rotterdamie, Holandia
Początkowo uważa się, że osad organiczny jako nośnik energii przekształca znajdującą się w nim materię organiczną w gaz-energetyczny. Na tej podstawie powstaje proces oczyszczania osadu pokazany na rysunku. Osad nadmierny z procesu oczyszczania ścieków poddawany jest dwóm różnym metodom zagęszczania przed wejściem do zbiornika fermentacyjnego osadu (5). Osad nadmierny i szlam ze zbiornika napowietrzającego sekcji A- są przed zagęszczaniem filtrowane przez drobne sito (1), a następnie wprowadzane równolegle do dwóch zbiorników zagęszczania grawitacyjnego (2). Osadzony osad zawiera 94% wody; oddzielony supernatant zawraca się następnie do procesu oczyszczania ścieków w celu dalszego oczyszczania.
Płyn pofermentacyjny osadu zawiera stosunkowo wysokie stężenie azotu amonowego (do 1500 mg N/L), a temperatura wody wynosi 28 stopni. stopień . Tak duży ładunek azotu wprowadzany do procesu oczyszczania ścieków spowoduje zwiększenie obciążenia związanego z usuwaniem azotu. Dlatego też przyjęcie najnowszych technologii SHARON i ANAMMOX do oddzielnej denitryfikacji osadu pofermentacyjnego jest najnowszym krokiem unowocześniającym oczyszczalnię ścieków DOKHAVEN w ostatnich latach. Pierwszy na świecie produktywny reaktor SHARON (11) rozpoczął tu pracę w październiku 1998 r., a pierwszy na świecie reaktor ANAMMOX (12) został oddany do użytku w czerwcu 2002 r.
2. Parametry procesu
1) Jeden zestaw drobnych sit, przepływ 510 m³/h, rozstaw sit 3 mm.
2) Dwa zestawy zagęszczaczy grawitacyjnych, Ф23,6 m, H=3 m, zawartość suchej masy 36 kg/(m²·d), objętość osadu 530 m³/d (zawartość wilgoci 94%).
3) Wydajność zagęszczacza taśmowego 90 m³/h lub 700 kg suchej masy/h.
4) Zbiornik wyrównawczy osadu nadmiernego 900 m³.
5) 6) Dwa zbiorniki do fermentacji osadu, Ф22 m, H=23 m, czas retencji 28 dni w temperaturze 33 stopni, co daje objętość osadu po fermentacji 600 m3/d (wilgotność 96%). Zbiornik wyrównawczy osadu ma pojemność 900 m3.
7) Dwie wirówki o wydajności przerobowej 40 m³/h.
8) Dwa zbiorniki do magazynowania osadu odwodnionego, każdy o pojemności 150 m3; czas retencji 2,5 dnia; H=14 m.
9) Jeden reaktor SHARON; Ф19,5 m, H=5.75 m, natężenie przepływu 550 m³/d, czas retencji hydraulicznej 3 dni, czas retencji tlenowej 24 h, temperatura 35 stopni, pH 7–7,2, stężenie rozpuszczonego tlenu 1,5 mg/l.
10) Jeden reaktor ANAMMOX; Ф2,2 m, H=18 m (V=70 m³), przepływ 550 m³/d. Reaktor pracuje z wydajnością m3/d, hydraulicznym czasem retencji 3 h, obciążeniem obliczeniowym 800 kgN/d, temperaturą 35 stopni i pH 7,5.
Reaktor SHARON utlenia połowę azotu amonowego do azotu azotynowego (bez kontroli pH). Pozostała połowa azotu amonowego i przekształcony azot azotynowy (połowa całkowitego azotu amonowego we wlocie) tworzą stosunek molowy wymagany dla ANAMMOX (1:1), umożliwiając bezpośrednie przekształcenie azotu amonowego i azotynu w azot gazowy poprzez konwersję autotroficzną. W porównaniu z tradycyjnymi procesami nitryfikacji/denitryfikacji, proces SHARON/ANAMMOX zmniejsza koszty operacyjne o 90%, emisję CO2 o 88%, nie wytwarza szkodliwego gazu N₂O, nie wymaga materii organicznej, nie wytwarza nadmiernego osadu i oszczędza 50% powierzchni gruntów, wykazując znaczące korzyści w zakresie zrównoważonego rozwoju i ekonomiczne.