Proces anaerobne oksidacije amonijakom (ANAMMOX) razvio je 1990. Kluyver Biotechnology Laboratory na Delft University of Technology u Nizozemskoj. Ovaj proces probija osnovne teorijske koncepte tradicionalnih bioloških procesa uklanjanja dušika. U anaerobnim uvjetima, amonijak se oksidira u plinoviti dušik koristeći amonijak kao donor elektrona i nitrat ili nitrit kao akceptor elektrona. Time se štedi više od 60% opskrbe kisikom u usporedbi s potpunom nitrifikacijom (oksidacija amonijaka u nitrat). Korištenje amonijaka kao donora elektrona također štedi izvor ugljika potreban u tradicionalnim biološkim procesima uklanjanja dušika.
Proces ANAMMOX ima prednosti kao što su visoka učinkovitost uklanjanja dušika, niski operativni troškovi i mali otisak, te ima veliki potencijal za razvoj u pročišćavanju otpadnih voda. Trenutno ovaj proces postaje sve zreliji u obradi komunalnog mulja. Prva proizvodna -jedinica ANAMMOX na svijetu, smještena u Dokhaven postrojenju za pročišćavanje otpadnih voda u Rotterdamu, Nizozemska, ima volumetrijsku stopu uklanjanja dušika (NRR) od čak 9,5 kg N/(m3·d). Nadalje, ANAMMOX proces se sve više prihvaća u obradi otpadnih voda s visokim -amonijačnim dušikom, kao što su industrijske otpadne vode fermentacije, procjedne vode s odlagališta otpada i otpadne vode iz akvakulture, s njegovom inženjerskom primjenom koja se brzo širi svijetom.
Princip anaerobne oksidacije amonijaka
Anammox je biološka reakcija u anaerobnim uvjetima, koja koristi amonijak kao donor elektrona i nitrit kao akceptor elektrona za proizvodnju dušika i nitrata. Anammox uključuje dva procesa: prvi, metabolizam razgradnje (proizvodnja energije), gdje amonijak djeluje kao donor elektrona, a nitrit kao akceptor elektrona, reagirajući u omjeru 1:1 da proizvede plin dušik, pohranjujući energiju kao ATP; drugo, anabolizam, gdje nitrit djeluje kao akceptor elektrona, osigurava reducirajuću snagu i koristi ugljični dioksid i ATP proizvedene metabolizmom razgradnje za sintetiziranje staničnih materijala, proizvodeći nitrat u procesu. Anaerobne bakterije oksidacije amonijaka (AnAOB) su provoditelji anaerobne oksidacije amonijaka.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358kg/mol
Proces anaerobne amonijeve oksidacije (ANAO) uglavnom se sastoji od dva koraka: Prvi korak je djelomična nitrifikacija, u kojoj se samo oko 55% amonijačnog dušika treba pretvoriti u nitritni dušik; drugi korak je anaerobna amonijeva oksidacija (ANAO), gdje se amonijačni dušik, pod anaerobnim uvjetima, oksidira u plinoviti dušik pomoću nitritnog dušika kao akceptora elektrona. Stoga se naziva i PN/A proces.
U tom procesu približno 89% anorganskog dušika pretvara se u plinoviti dušik, a preostalih 11% pretvara se u nitratni dušik. U usporedbi s tradicionalnim procesima nitrifikacije-denitrifikacije, ANAO ima značajne tehnološke prednosti. Njegova potrošnja energije za prozračivanje je samo 55-60% potrošnje tradicionalnih procesa; ovaj proces ne zahtijeva gotovo nikakav izvor ugljika. Ako je potrebno dodati izvor ugljika tijekom ANAO radi uklanjanja nitratnih proizvoda, dodana količina također je mnogo manja nego u tradicionalnim procesima. Doziranje se smanjuje za 90%; Anammox proces može smanjiti potrošnju alkaliteta za 45%. Istodobno, proizvodnja mulja u procesu anammox daleko je niža od proizvodnje tradicionalnih procesa denitrifikacije, što će značajno smanjiti troškove obrade i zbrinjavanja viška mulja.
Čimbenici koji utječu na Anammox
Stvaranje prikladnih uvjeta za preživljavanje anammox bakterija u glavnim sustavima za pročišćavanje otpadnih voda trenutni je izazov, uključujući obogaćivanje anammox i AOB bakterija (bakterije za nitrogenizaciju amonijaka, koje pretvaraju dušik iz amonijaka u nitrit) i inhibiciju bakterija NOB (bakterija za oksidaciju nitrita, koje pretvaraju nitrit u nitrat).
1. Temperatura
Na metaboličku aktivnost mikroorganizama uvelike utječe temperatura. Prethodni rezultati istraživanja pokazuju da je 35 stupnjeva optimalna temperatura za anammox. Optimalna temperatura za Anammox je kada je njegov biološki metabolizam najbrži i reproduktivni ciklus najkraći. Međutim, temperatura većine stvarnih gradskih otpadnih voda je niska (10–25 stupnjeva), posebno u nekim-regijama visoke geografske širine kao što je sjever moje zemlje, gdje su temperature otpadnih voda često ispod 10 stupnjeva. Učinkovitost i stabilnost Anammoxa u ovim područjima predstavljaju značajan izazov.
Glavna temperatura gradske otpadne vode općenito je oko 10-20 stupnjeva, niža od optimalne temperature rasta AnAOB (25-40 stupnjeva), što će utjecati na rast Anammox. 2. koncentracije amonijaka i nitrita
Supstrati za anaerobnu amonijevu oksidaciju (ANAMO) su amonijak i nitrit. Međutim, pretjerano visoke koncentracije ove dvije tvari mogu inhibirati proces. Istraživanja su pokazala da su inhibirajuće koncentracije za amonijak 38,0-98,5 nmol/L, a za nitrit 5,4-12,0 nmol/L. Jetten i sur. otkrili su da je pri koncentracijama nitrita iznad 20 nmol/L proces ANAMMOX značajno inhibiran. Dugotrajno izlaganje (2 sata) visokim koncentracijama nitrita može potpuno uništiti aktivnost ANAMMOX-a, ali pri nižim koncentracijama nitrita (oko 10 nmol/L), njegova aktivnost ostaje relativno visoka.
3. pH vrijednost
Budući da amonijak i nitrit disociraju u vodenim otopinama, pH vrijednost utječe na ANAMMOX. Studije su pokazale da ANAMMOX proces dobro funkcionira unutar pH raspona od 6,7–8,3, s optimalnim pH od oko 8.
4. Utjecaj organske tvari
Sadržaj KPK u otpadnoj vodi... Pospješuje rast heterotrofnih denitrifikacijskih bakterija i inhibira proces Anammox. Anammox proces može dominirati samo kada KPK konzumira do niske razine od strane prvog. Ovo je pitanje posebno istaknuto u obradi-gradskih otpadnih voda visokog intenziteta. Istraživanja Winklera i suradnika pokazuju da na 25 stupnjeva, ako je C/N omjer sirove vode < 0,5, Anammox i heterotrofna denitrifikacija mogu skladno koegzistirati bez dovođenja do smanjenja učinkovitosti uklanjanja dušika.
5. Stabilnost kratke-nitrifikacije Prilikom primjene Anammox procesa, aktivnost NOB-a mora se svesti na najmanju moguću mjeru u glavnim uvjetima kako bi se omogućilo nakupljanje nitrita i održao sustav nitrifikacije u kratkom{2}}stanju nitrifikacije. Ovo je ključno za osiguravanje stabilnosti Anammoxa. Normalno funkcioniranje procesa temeljno je i izravno povezano s njegovim učinkom tretmana. Navedeni ciljevi mogu se postići kontrolom slobodnog amonijaka. Stoga se anammox uglavnom primjenjuje na otpadne vode s-amonijačnim dušikom jer slobodni amonijak u otpadnim vodama s visokim-amonijačnim dušikom može inhibirati NOB, održavajući sustav u kratkom-stanju nitrifikacije pod odgovarajućim kontrolnim uvjetima. Međutim, u komunalnim otpadnim vodama, na stabilnost kratko{11}}nitrifikacije utječu temperatura i amonijačni dušik, što onemogućuje stabilan rad! U PN/A procesu, na kratki -fazu nitrifikacije također utječe temperatura jer je aktivnost AOB inhibirana na niskim temperaturama, smanjujući stopu pretvorbe amonijačnog dušika. Nadalje, aktivacijska energija AOB-a veća je od energije NOB-a, što dovodi do nedovoljne akumulacije NO2-, koja ne može osigurati dovoljno supstrata za Anammox reakciju.
ANAMMOX proces i njegovi izvedeni procesi
Anammox tehnologije koje se koriste u praktičnim inženjerskim primjenama mogu se podijeliti na procese suspendiranog mulja, zrnatog mulja i biofilma.
1. Proces suspendiranog mulja
AOB i AAOB Sporo{0}}rastući i s dugim generacijskim ciklusima, mikroorganizmi se lako gube u konvencionalnim sustavima suspendiranog mulja. Stoga procesi suspendiranog mulja često koriste šaržne reaktore za sekvenciranje (SBR) za zadržavanje mikroorganizama.
Od svih SBR anammox tehnologija, 80% je DEMON proces. Ovaj je postupak prvi put primijenjen u postrojenju za pročišćavanje otpadnih voda u Strassu u Austriji. Njegov temeljni princip je prilagoditi vrijeme prozračivanja praćenjem pH promjena, čime se prilagođava ravnoteža između kratke-nitrifikacije i anammoxa. Nadalje, ovaj proces koristi hidrociklone za regulaciju starosti mulja AAOB i AOB. Pod djelovanjem centrifugalne sile mikroorganizmi se razdvajaju na dva dijela: lakši AOB se prelijeva s vrha, dok se teži AAOB nakuplja na dnu i teče natrag u reaktor. Uređaj za pročišćavanje otpadnih voda Strass postigao je učinkovitost autotrofnog uklanjanja dušika od preko 85%.
2. Proces granuliranog mulja
Tipičan primjer sustava granuliranog mulja je reaktor Anammox koji je izgradio Parker u Rotterdamu. Rani tok-po-procesi toka koristili su sustave s dva-faze, tako da je u stvarnom radu Anammox reaktor bio integriran s prethodno izgrađenom nitrifikacijom... SHARON reaktor spojen je da bi se formirao Sharon-Anammox reaktorski sustav, za čije je pokretanje trebalo 3,5 godine. Naknadno je Parker Biomedical razvio integrirani Anammox reaktor. I anammox reaktor i integrirani reaktor u dvo-stupanjskom sustavu rade uzlaznim kontinuiranim načinom, s unutarnjim nagnutim pločastim taložnikom za postizanje zadržavanja čestica mulja.
3. Procesi biofilma
Anammox procesi koji koriste tehnologiju biofilma uglavnom uključuju DeAmmon i ANITATMMox. DeAmmon proces sastoji se od tri MBBR reaktora i jednog spremnika za otplinjavanje. Tri reaktora mogu se spojiti u seriju ili paralelno prema potrebi, sa stopom punjenja MBBR-a od 40%-50%. ANITATMMox prvenstveno koristi integrirani MBBR reaktor u svom bočnom-sustavu protoka. ANITATMMox može koristiti čisti MBBR biofilm ili hibridni-film IFAS (Integrated Fat Film Assay). U procesu čistog biofilma, AAOB bakterije nalaze se u najunutarnjem sloju materijala za pakiranje, a AOB su u najudaljenijem sloju; u IFAS procesu, AAOB su uglavnom na materijalu za pakiranje, a AOB... u suspendiranom mulju.
Prvi operativni projekt anaerobne oksidacije amonijaka (ANAO) na svijetu!
Parker Systems je 2002. izgradio prvi svjetski produktivni ANAO reaktor u Dokhaven postrojenju za pročišćavanje otpadnih voda u Rotterdamu, koristeći SharonAnammox sustav za obradu tekućine za odvodnjavanje mulja. Kasnije je izgrađeno više od 100 takvih reaktora u Nizozemskoj, Njemačkoj, Japanu, Australiji, Švicarskoj i Velikoj Britaniji. Višestruka postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda anaerobne oksidacije amonijaka pročišćavaju otpadne vode uključujući procjedne vode s deponija, otpadne vode sa stočnih farmi i otpadne vode od hrane, uz tekućinu za digestiju mulja.
1. Anaerobna obrada mulja oksidacijom amonijaka u DOKHAVEN postrojenju za pročišćavanje otpadnih voda u Rotterdamu, Nizozemska
Prvo se smatra da organski mulj, kao nositelj energije, pretvara organsku tvar u sebi u energetski plin-metan. Na temelju toga formira se proces obrade mulja prikazan na slici. Višak mulja iz procesa obrade otpadnih voda prolazi dvije različite metode zgušnjavanja prije ulaska u spremnik za digestiju mulja (5). Višak mulja i mulj iz A-aeracijskog spremnika se filtriraju kroz fino sito (1) prije zgušnjavanja, a zatim paralelno ulaze u dva gravitacijska zgušnjivača (2). Taloženi mulj ima sadržaj vode od 94%; odvojeni supernatant se zatim vraća u proces obrade otpadnih voda na daljnju obradu.
Tekućina za digestiju mulja sadrži relativno visoku koncentraciju amonijačnog dušika (do 1500 mg N/L), a temperatura vode je 28 stupnjeva. stupanj . Tako veliko opterećenje dušikom koji ulazi u proces pročišćavanja otpadnih voda povećat će opterećenje uklanjanja dušika. Stoga je usvajanje najnovijih tehnologija SHARON i ANAMMOX za odvojenu denitrifikacijsku obradu digestata mulja najnovija mjera nadogradnje DOKHAVEN postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda u posljednjih nekoliko godina. Prvi svjetski produktivni reaktor SHARON (11) ovdje je počeo s radom u listopadu 1998., a prvi svjetski reaktor ANAMMOX (12) pušten je u rad u lipnju 2002. godine.
2. Parametri procesa
1) Jedan set finih sita, protok 510 m³/h, razmak sita 3 mm.
2) Dva kompleta gravitacijskih zgušnjivača, F23,6 m, H=3 m, opterećenje suhe tvari 36 kg/(m²·d), volumen mulja 530 m³/d (sadržaj vlage 94%).
3) Kapacitet obrade trake za zgušnjavanje 90 m³/h ili 700 kg suhe tvari/h.
4) Spremnik za izjednačavanje viška mulja 900 m³.
5) 6) Dva spremnika za digestiju mulja, F22 m, H=23 m, vrijeme zadržavanja 28 dana na 33 stupnja, što rezultira volumenom mulja od 600 m³/d (96% sadržaja vlage) nakon digestije. Spremnik za izjednačavanje mulja ima kapacitet od 900 m³.
7) Dvije centrifuge, kapaciteta obrade 40 m³/h.
8) Dva spremnika odvodnjenog mulja, svaki zapremine 150 m³; vrijeme zadržavanja 2,5 dana; H=14 m.
9) Jedan reaktor SHARON; F19,5 m, H=5.75 m, brzina protoka 550 m³/d, hidrauličko vrijeme zadržavanja 3 dana, aerobno vrijeme zadržavanja 24 h, temperatura 35 stupnjeva, pH 7–7,2, koncentracija otopljenog kisika 1,5 mg/L.
10) Jedan ANAMMOX reaktor; F2,2 m, H=18 m (V=70 m³), protok 550 m³/d. Reaktor radi s kapacitetom od m³/d, s hidrauličkim vremenom zadržavanja od 3 h, projektiranim opterećenjem od 800 kgN/d, temperaturom od 35 stupnjeva i pH od 7,5.
SHARON reaktor oksidira polovicu amonijačnog dušika u nitritni dušik (bez kontrole pH). Preostala polovica amonijačnog dušika i pretvoreni nitritni dušik (polovica ukupnog amonijačnog dušika u protoku) čine molarni omjer potreban za ANAMMOX (1:1), omogućujući da se amonijačni dušik i nitritni dušik izravno pretvore u plinoviti dušik autotrofnom pretvorbom. U usporedbi s tradicionalnim procesima nitrifikacije/denitrifikacije, SHARON/ANAMMOX proces smanjuje operativne troškove za 90%, emisiju CO2 za 88%, ne proizvodi štetni plin N₂O, ne zahtijeva organske tvari, ne proizvodi višak mulja i štedi 50% površine zemlje, pokazujući značajnu održivost i ekonomsku korist.