Procesul de oxidare anaerobă a amoniacului (ANAMMOX) a fost dezvoltat în 1990 de Laboratorul de biotehnologie Kluyver de la Universitatea de Tehnologie Delft din Țările de Jos. Acest proces sparge conceptele teoretice de bază ale proceselor biologice tradiționale de îndepărtare a azotului. În condiții anaerobe, amoniacul este oxidat în azot gazos folosind amoniacul ca donor de electroni și nitratul sau nitritul ca acceptor de electroni. Acest lucru economisește mai mult de 60% din aportul de oxigen în comparație cu nitrificarea completă (oxidarea amoniacului în nitrat). Utilizarea amoniacului ca donor de electroni economisește și sursa de carbon necesară în procesele tradiționale de îndepărtare a azotului biologic.
Procesul ANAMMOX are avantaje precum eficiența ridicată de îndepărtare a azotului, costuri de operare reduse și amprentă mică și are un potențial mare de dezvoltare în tratarea apelor uzate. În prezent, acest proces devine din ce în ce mai matur în tratarea nămolurilor municipale. Prima unitate ANAMMOX la scară de producție-din lume, situată la stația de tratare a apelor uzate Dokhaven din Rotterdam, Țările de Jos, are o rată volumetrică de îndepărtare a azotului (NRR) de până la 9,5 kg N/(m3·d). În plus, procesul ANAMMOX este adoptat din ce în ce mai mult în tratarea apelor reziduale cu azot cu conținut ridicat de-amoniac, cum ar fi apele uzate industriale de fermentație, levigatul depozitului de deșeuri și apele uzate de acvacultură, cu aplicațiile sale de inginerie răspândindu-se rapid în întreaga lume.
Principiul oxidării anaerobe a amoniacului
Anammox este o reacție biologică în condiții anaerobe, folosind amoniacul ca donor de electroni și nitritul ca acceptor de electroni pentru a produce azot și nitrat. Anammox implică două procese: în primul rând, metabolismul de descompunere (producerea de energie), în care amoniacul acționează ca donor de electroni și nitritul ca acceptor de electroni, reacționând într-un raport de 1:1 pentru a produce azot gazos, stocând energia sub formă de ATP; în al doilea rând, anabolismul, în care nitritul acționează ca acceptor de electroni, oferind putere de reducere și utilizând dioxid de carbon și ATP produse din metabolismul de descompunere pentru a sintetiza materiale celulare, producând nitrat în acest proces. Bacteriile anaerobe de oxidare a amoniacului (AnAOB) sunt implementatoarele oxidării anaerobe a amoniacului.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG{=-358kg/mol
Procesul de oxidare anaerobă a amoniului (ANAO) constă în principal din două etape: Prima etapă este nitrificarea parțială, în care doar aproximativ 55% din azotul amoniac trebuie convertit în azot nitriți; a doua etapă este oxidarea anaerobă a amoniului (ANAO), în care azotul de amoniac, în condiții anaerobe, este oxidat la azot gazos de către azotul nitriți ca acceptor de electroni. Prin urmare, se mai numește și proces PN/A.
În acest proces, aproximativ 89% din azotul anorganic este transformat în azot gazos, iar restul de 11% este transformat în azot nitrat. În comparație cu procesele tradiționale de nitrificare-denitrificare, ANAO are avantaje tehnologice semnificative. Consumul său de energie de aerare este de doar 55-60% din cel al proceselor tradiționale; acest proces nu necesită aproape nicio sursă de carbon. Dacă în timpul ANAO trebuie adăugată o sursă de carbon pentru a elimina produsele nitrați, cantitatea adăugată este, de asemenea, mult mai mică decât în procesele tradiționale. Doza este redusă cu 90%; procesul anammox poate reduce consumul de alcalinitate cu 45%. Simultan, producția de nămol din procesul anammox este mult mai mică decât cea a proceselor tradiționale de denitrificare, ceea ce va reduce semnificativ costurile de tratare și eliminare a nămolului în exces.
Factori care afectează Anammox
Crearea unor condiții de supraviețuire adecvate pentru bacteriile anammox în sistemele principale de tratare a apelor uzate este o provocare actuală, inclusiv îmbogățirea bacteriilor anammox și AOB (bacteriile de azot cu amoniac, care transformă azotul amoniac în nitriți) și inhibarea bacteriilor NOB (bacteriile oxidante de nitriți, care transformă nitritul în nitrat).
1. Temperatura
Activitatea metabolică a microorganismelor este în mare măsură afectată de temperatură. Rezultatele cercetărilor anterioare indică faptul că 35 de grade este temperatura optimă pentru anammox. Temperatura optimă pentru Anammox este atunci când metabolismul său biologic este cel mai rapid și ciclul său de reproducere este cel mai scurt. Cu toate acestea, temperatura majorității apelor uzate urbane reale este scăzută (10–25 grade ), în special în unele regiuni cu latitudini înalte-, cum ar fi nordul țării mele, unde temperaturile apelor uzate sunt adesea sub 10 grade . Eficacitatea și stabilitatea Anammox în aceste zone reprezintă o provocare semnificativă.
Temperatura principală a apelor uzate urbane este în general în jur de 10–20 de grade, mai mică decât temperatura optimă de creștere a AnAOB (25–40 de grade), ceea ce va afecta creșterea concentrațiilor de amoniac și nitriți Anammox. 2.
Substraturile pentru oxidarea anaerobă a amoniului (ANAMO) sunt amoniacul și nitriții. Cu toate acestea, concentrațiile excesiv de mari ale acestor două substanțe pot inhiba procesul. Studiile au arătat că concentrațiile inhibitoare pentru amoniac sunt 38,0–98,5 nmol/L, iar pentru nitriți, 5,4–12,0 nmol/L. Jetten şi colab. a constatat că la concentrații de nitriți peste 20 nmol/L, procesul ANAMMOX este inhibat semnificativ. Expunerea prelungită (2 ore) la concentrații mari de nitriți poate distruge complet activitatea ANAMMOX, dar la concentrații mai mici de nitriți (în jur de 10 nmol/L), activitatea acestuia rămâne relativ ridicată.
3. Valoarea pH-ului
Deoarece amoniacul și nitriții se disociază în soluții apoase, valoarea pH-ului afectează ANAMMOX. Studiile au arătat că procesul ANAMMOX funcționează bine într-un interval de pH de 6,7-8,3, cu un pH optim de aproximativ 8.
4. Influența materiei organice
Conținutul de COD din apele uzate... Promovează creșterea bacteriilor heterotrofe denitrificatoare și inhibă procesul Anammox. Procesul Anammox poate domina doar atunci când COD este consumat la un nivel scăzut de către primul. Această problemă este deosebit de importantă în tratarea apelor uzate urbane de-intensitate mare. Cercetările lui Winkler și colab. indică faptul că la 25 de grade, dacă raportul C/N al apei brute este < 0,5, Anammox și denitrificarea heterotrofă pot coexista armonios fără a duce la o scădere a eficienței de îndepărtare a azotului.
5. Stabilitatea nitrificării scurt-La aplicarea procesului Anammox, activitatea NOB trebuie redusă cât mai mult posibil în condițiile principale pentru a permite acumularea de nitriți și pentru a menține sistemul de nitrificare într-o stare de-nitrificare scurtă. Acest lucru este crucial pentru asigurarea stabilității lui Anammox. Funcționarea normală a procesului este fundamentală și direct legată de efectul său de tratament. Obiectivele menționate mai sus pot fi atinse prin controlul amoniacului liber. Prin urmare, acesta este motivul pentru care anammox este aplicat în principal apelor reziduale cu azot-amoniacabil, deoarece amoniacul liber din apele reziduale cu azot-amoniacal poate inhiba NOB, menținând sistemul într-o stare de nitrificare-scurtă în condiții de control adecvate. Cu toate acestea, în apele uzate municipale, stabilitatea nitrificării-scurte este afectată de temperatură și azot amoniac, ceea ce face imposibilă funcționarea stabilă! În procesul PN/A, etapa de nitrificare-scurtă este, de asemenea, afectată de temperatură, deoarece activitatea AOB este inhibată la temperaturi scăzute, reducând rata de conversie a azotului amoniac. Mai mult, energia de activare a AOB este mai mare decât cea a NOB, ceea ce duce la o acumulare insuficientă de NO2, care nu poate oferi suficient substrat pentru reacția Anammox.
Procesul ANAMMOX și procesele sale derivate
Tehnologiile Anammox utilizate în aplicațiile practice de inginerie pot fi împărțite în procese de nămol în suspensie, nămol granular și procese de biofilm.
1. Procesul de nămol în suspensie
AOB și AAOB Creștere lentă-și cu cicluri lungi de generare, microorganismele se pierd ușor în sistemele convenționale cu nămol în suspensie. Prin urmare, procesele cu nămol în suspensie folosesc adesea reactoare discontinue de secvențiere (SBR) pentru a reține microorganismele.
Din toate tehnologiile SBR anammox, 80% sunt procesul DEMON. Acest proces a fost aplicat pentru prima dată la stația de epurare a apelor uzate Strass din Austria. Principiul său de bază este ajustarea timpului de aerare prin monitorizarea modificărilor pH-ului, ajustând astfel echilibrul dintre nitrificarea-scurtă și anammox. În plus, acest proces utilizează hidrocicloni pentru a regla vârsta nămolului AAOB și AOB. Sub forța centrifugă, microorganismele sunt separate în două părți: AOB mai ușor se revarsă de sus, în timp ce AAOB mai greu se acumulează în partea de jos și curge înapoi în reactor. Stația de tratare a apelor uzate Strass a atins o eficiență autotrofă de îndepărtare a azotului de peste 85%.
2. Procesul de nămol granular
Un exemplu tipic de sistem de nămol granular este reactorul Anammox construit de Parker în Rotterdam. Procesele timpurii flux-prin-flux au avut tendința de a utiliza sisteme în două-etape, așa că în funcționarea reală, reactorul Anammox a fost integrat cu nitrificarea construită anterior... Reactorul SHARON a fost cuplat pentru a forma sistemul de reactor Sharon-Anammox, care a durat 3,5 ani pentru a porni. Ulterior, Parker Biomedical a dezvoltat un reactor integrat Anammox. Atât reactorul anammox, cât și reactorul integrat în sistemul în două-etape funcționează într-un mod continuu cu flux ascendent, cu un rezervor de sedimentare cu placă înclinată intern pentru a obține reținerea particulelor de nămol.
3. Procese de biofilm
Procesele Anammox care utilizează tehnologia biofilm includ în principal DeAmmon și ANITATMMox. Procesul DeAmmon constă din trei reactoare MBBR și un rezervor de degazare. Cele trei reactoare pot fi conectate în serie sau în paralel, după cum este necesar, cu o rată de umplere MBBR de 40%–50%. ANITATMMox utilizează în principal un reactor MBBR integrat în sistemul său de flux lateral-. ANITATMMox poate folosi biofilm MBBR pur sau un hibrid de peliculă de nămol IFAS (Integrated Fat Film Assay). În procesul de biofilm pur, bacteriile AAOB se află în stratul cel mai interior al materialului de ambalare, iar AOB se află în stratul exterior; în procesul IFAS, AAOB sunt în principal pe materialul de ambalare, iar AOB... În nămol în suspensie.
Primul proiect operațional de oxidare a amoniacului anaerob (ANAO) din lume!
În 2002, Parker Systems a construit primul reactor ANAO productiv din lume la stația de tratare a apelor uzate Dokhaven din Rotterdam, folosind sistemul SharonAnammox pentru a trata lichidul de deshidratare a nămolului. Ulterior, peste 100 de astfel de reactoare au fost construite în Țările de Jos, Germania, Japonia, Australia, Elveția și Marea Britanie. Mai multe stații de tratare a apelor uzate cu oxidare anaerobă a amoniacului tratează apele uzate, inclusiv levigatul depozitului de deșeuri, apele uzate ale fermei de animale și apele uzate alimentare, în plus față de lichidul de digestie a nămolului.
1. Tratarea anaerobă prin oxidare cu amoniac a nămolului la stația de epurare a apelor uzate DOKHAVEN din Rotterdam, Țările de Jos
Se consideră că nămolul organic, ca purtător de energie, transformă materia organică din el într-un gaz energetic-metan. Pe baza acestuia, se formează procesul de tratare a nămolului prezentat în figură. Nămolul în exces din procesul de epurare a apelor uzate suferă două metode diferite de îngroșare înainte de a intra în rezervorul de digestie a nămolului (5). Excesul de nămol și nămolul din rezervorul de aerare a secțiunii A-se filtrează printr-o sită fină (1) înainte de îngroșare, apoi intră în două rezervoare de îngroșare gravitațională (2) în paralel. Namolul decantat are un continut de apa de 94%; supernatantul separat este apoi returnat la procesul de tratare a apei uzate pentru tratare ulterioară.
Lichidul de digestie a nămolului conține o concentrație relativ mare de azot amoniac (până la 1500 mg N/L), iar temperatura apei este de 28 de grade. gradul . O încărcătură atât de mare de azot care intră în procesul de tratare a apelor uzate va crește sarcina de eliminare a azotului. Prin urmare, adoptarea celor mai recente tehnologii SHARON și ANAMMOX pentru tratarea separată de denitrificare a digestatului de nămol este cea mai recentă măsură de modernizare a stației de tratare a apelor uzate DOKHAVEN din ultimii ani. Primul reactor SHARON (11) productiv din lume a început să funcționeze aici în octombrie 1998, iar primul reactor ANAMMOX (12) din lume a fost pus în funcțiune în iunie 2002.
2. Parametrii procesului
1) Un set de site fine, debit 510 m³/h, distanță între ecrane 3 mm.
2) Două seturi de îngroșatori gravitaționali, Ф23,6 m, H=3 m, încărcare cu solide uscate 36 kg/(m²·d), volumul nămolului 530 m³/d (conținut de umiditate 94%).
3) Capacitate de procesare a îngroșatorului cu bandă 90 m³/h sau 700 kg solide uscate/h.
4) Rezervor de egalizare a nămolului în exces 900 m³.
5) 6) Două rezervoare de digestie a nămolului, Ф22 m, H=23 m, timp de retenție 28 zile la 33 grade , rezultând un volum de nămol de 600 m³/zi (96% conținut de umiditate) după digestie. Un rezervor de egalizare a nămolului are o capacitate de 900 m³.
7) Două centrifuge, cu o capacitate de procesare de 40 m³/h.
8) Două rezervoare de stocare a nămolului deshidratat, fiecare cu un volum de 150 m³; timp de retenție 2,5 zile; H=14 m.
9) Un reactor SHARON; Ф19,5 m, H=5.75 m, debit 550 m³/zi, timp de retenție hidraulică 3 zile, timp de retenție aerobă 24 h, temperatură 35 grade, pH 7–7,2, concentrație de oxigen dizolvat 1,5 mg/L.
10) Un reactor ANAMMOX; Ф2,2 m, H=18 m (V{=70 m³), debit 550 m³/zi. Reactorul funcționează la o capacitate de m³/zi, cu un timp de retenție hidraulic de 3 ore, o sarcină de proiectare de 800 kgN/d, o temperatură de 35 de grade și un pH de 7,5.
Reactorul SHARON oxidează jumătate din azotul amoniac în azot nitriți (fără control al pH-ului). Jumătatea rămasă din azotul de amoniac și azotul de azot transformat (jumătate din azotul total de amoniac din influent) formează raportul molar necesar pentru ANAMMOX (1:1), permițând transformarea directă a azotului amoniac și a azotului azotat în azot gazos prin conversie autotrofă. În comparație cu procesele tradiționale de nitrificare/denitrificare, procesul SHARON/ANAMMOX reduce costurile de operare cu 90%, emisiile de CO2 cu 88%, nu produce gaz N₂O dăunător, nu necesită materie organică, nu produce exces de nămol și economisește 50% din suprafața terenului, demonstrând sustenabilitate și beneficii economice semnificative.