Anaerobic Ammonia Oxidation (ANAMMOX)-prosessen ble utviklet i 1990 av Kluyver Biotechnology Laboratory ved Delft University of Technology i Nederland. Denne prosessen bryter gjennom de grunnleggende teoretiske konseptene til tradisjonelle biologiske nitrogenfjerningsprosesser. Under anaerobe forhold oksideres ammoniakk til nitrogengass ved å bruke ammoniakk som elektrondonor og nitrat eller nitritt som elektronakseptor. Dette sparer mer enn 60 % av oksygentilførselen sammenlignet med full nitrifikasjon (ammoniakkoksidasjon til nitrat). Bruk av ammoniakk som elektrondonor sparer også karbonkilden som kreves i tradisjonelle biologiske nitrogenfjerningsprosesser.
ANAMMOX-prosessen har fordeler som høy nitrogenfjerningseffektivitet, lave driftskostnader og lite fotavtrykk, og har stort potensial for utvikling innen avløpsvannbehandling. For tiden blir denne prosessen stadig mer moden i behandlingen av kommunalt slam. Verdens første ANAMMOX-enhet i produksjons-skala, lokalisert ved Dokhaven avløpsvannbehandlingsanlegg i Rotterdam, Nederland, har en volumetrisk nitrogenfjerningshastighet (NRR) så høy som 9,5 kg N/(m3·d). Videre blir ANAMMOX-prosessen i økende grad tatt i bruk i behandlingen av høy-ammoniakknitrogenavløpsvann, for eksempel gjæringsindustrielt avløpsvann, søppelfyllingsvann og akvakulturavløpsvann, med ingeniørapplikasjoner som sprer seg raskt over hele verden.
Prinsippet for anaerob ammoniakkoksidasjon
Anammox er en biologisk reaksjon under anaerobe forhold, som bruker ammoniakk som elektrondonor og nitritt som elektronakseptor for å produsere nitrogen og nitrat. Anammox involverer to prosesser: for det første nedbrytning (energiproduksjon) metabolisme, der ammoniakk fungerer som elektrondonor og nitritt som elektronakseptor, reagerer i et forhold på 1:1 for å produsere nitrogengass, og lagrer energien som ATP; for det andre, anabolisme, der nitritt fungerer som elektronakseptoren, gir reduserende kraft, og utnytter karbondioksid og ATP produsert fra nedbrytningsmetabolisme for å syntetisere cellulære materialer, og produsere nitrat i prosessen. Anaerobe ammoniakkoksidasjonsbakterier (AnAOB) er implementere av anaerob ammoniakkoksidasjon.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358kg/mol
Den anaerobe ammoniumoksidasjonsprosessen (ANAO) består i hovedsak av to trinn: Det første trinnet er delvis nitrifikasjon, hvor kun ca. 55 % av ammoniakknitrogenet må omdannes til nitrittnitrogen; det andre trinnet er anaerob ammoniumoksidasjon (ANAO), hvor ammoniakknitrogen, under anaerobe forhold, oksideres til nitrogengass av nitrittnitrogen som elektronakseptor. Derfor kalles det også PN/A-prosessen.
I denne prosessen blir omtrent 89 % av det uorganiske nitrogenet omdannet til nitrogengass, og de resterende 11 % omdannes til nitratnitrogen. Sammenlignet med tradisjonelle nitrifikasjons-denitrifikasjonsprosesser har ANAO betydelige teknologiske fordeler. Luftingsenergiforbruket er bare 55-60 % av det for tradisjonelle prosesser; denne prosessen krever nesten ingen karbonkilde. Hvis en karbonkilde må tilsettes under ANAO for å fjerne nitratprodukter, er mengden som tilsettes også mye mindre enn i tradisjonelle prosesser. Doseringen reduseres med 90 %; anammox-prosessen kan redusere alkalinitetsforbruket med 45 %. Samtidig er slamproduksjonen i anammox-prosessen langt lavere enn for tradisjonelle denitrifikasjonsprosesser, noe som vil redusere behandlings- og deponeringskostnadene for overflødig slam betydelig.
Faktorer som påvirker Anammox
Å skape egnede overlevelsesbetingelser for anammox-bakterier i vanlige avløpsvannbehandlingssystemer er en aktuell utfordring, inkludert anrikning av anammox- og AOB-bakterier (ammoniakknitrogeniserende bakterier, som omdanner ammoniakknitrogen til nitritt), og hemming av NOB-bakterier (nitrittoksiderende bakterier, som omdanner nitritt til nitritt).
1. Temperatur
Den metabolske aktiviteten til mikroorganismer påvirkes i stor grad av temperatur. Tidligere forskningsresultater indikerer at 35 grader er den optimale temperaturen for anammox. Den optimale temperaturen for Anammox er når dens biologiske metabolisme er raskest og dens reproduksjonssyklus er kortest. Imidlertid er temperaturen på de fleste faktiske urbane avløpsvann lav (10–25 grader ), spesielt i noen regioner med høye- breddegrader, for eksempel nord i landet mitt, hvor avløpsvanntemperaturene ofte er under 10 grader . Effektiviteten og stabiliteten til Anammox i disse områdene utgjør en betydelig utfordring.
Hovedtemperaturen i byavløpsvann er vanligvis rundt 10–20 grader, lavere enn den optimale veksttemperaturen for AnAOB (25–40 grader), noe som vil påvirke veksten av Anammox. 2. Ammoniakk- og Nitrittkonsentrasjoner
Substratene for anaerob ammoniumoksidasjon (ANAMO) er ammoniakk og nitritt. Imidlertid kan for høye konsentrasjoner av disse to stoffene hemme prosessen. Studier har vist at hemmende konsentrasjoner for ammoniakk er 38,0–98,5 nmol/L, og for nitritt 5,4–12,0 nmol/L. Jetten et al. fant at ved nitrittkonsentrasjoner over 20 nmol/L, hemmes ANAMMOX-prosessen betydelig. Langvarig eksponering (2 timer) for høye nitrittkonsentrasjoner kan fullstendig ødelegge ANAMMOX-aktiviteten, men ved lavere nitrittkonsentrasjoner (rundt 10 nmol/L) forblir aktiviteten relativt høy.
3. pH-verdi
Siden ammoniakk og nitritt dissosieres i vandige løsninger, påvirker pH-verdien ANAMMOX. Studier har vist at ANAMMOX-prosessen fungerer godt innenfor et pH-område på 6,7–8,3, med en optimal pH på rundt 8.
4. Påvirkning av organisk materiale
COD-innholdet i avløpsvann... Det fremmer veksten av heterotrofe denitrifiserende bakterier og hemmer Anammox-prosessen. Anammox-prosessen kan bare dominere når COD forbrukes til et lavt nivå av førstnevnte. Dette problemet er spesielt fremtredende i behandlingen av-byavløpsvann med høy intensitet. Winkler et al.s forskning indikerer at ved 25 grader, hvis råvannets C/N-forhold er < 0,5, kan Anammox og heterotrofisk denitrifikasjon sameksistere harmonisk uten å føre til en reduksjon i nitrogenfjerningseffektiviteten.
5. Stabilitet av kort-nitrifikasjon Når Anammox-prosessen brukes, må NOB-aktiviteten minimeres så mye som mulig under vanlige forhold for å tillate nitrittakkumulering og opprettholde nitrifikasjonssystemet i en kort-nitrifikasjonstilstand. Dette er avgjørende for å sikre stabiliteten til Anammox. Den normale driften av prosessen er grunnleggende og direkte relatert til dens behandlingseffekt. De nevnte målene kan oppnås gjennom kontroll av fri ammoniakk. Derfor er dette grunnen til at anammox hovedsakelig brukes på høy-ammoniakknitrogenavløpsvann, fordi fri ammoniakk i høy-ammoniakknitrogenavløpsvann kan hemme NOB, og holde systemet i en kort-nitrifikasjonstilstand under passende kontrollforhold. I kommunalt avløpsvann påvirkes imidlertid stabiliteten til kort{11}}nitrifikasjon av temperatur og ammoniakknitrogen, noe som gjør stabil drift umulig! I PN/A-prosessen påvirkes det korte-nitrifikasjonsstadiet også av temperaturen fordi aktiviteten til AOB hemmes ved lave temperaturer, noe som reduserer konverteringsraten for ammoniakknitrogen. Videre er aktiveringsenergien til AOB høyere enn for NOB, noe som fører til utilstrekkelig NO2-akkumulering, som ikke kan gi nok substrat for Anammox-reaksjonen.
ANAMMOX-prosessen og dens avledede prosesser
Anammox-teknologier som brukes i praktiske ingeniørapplikasjoner kan deles inn i suspendert slam, granulært slam og biofilmprosesser.
1. Suspendert slamprosess
AOB og AAOB Sakte-voksende og med lange generasjonssykluser går mikroorganismer lett tapt i konvensjonelle suspenderte slamsystemer. Derfor bruker suspenderte slamprosesser ofte sekvenserende batch-reaktorer (SBR) for å holde på mikroorganismer.
Av alle SBR anammox-teknologier er 80 % DEMON-prosessen. Denne prosessen ble først brukt på Strass avløpsrenseanlegg i Østerrike. Dens kjerneprinsipp er å justere luftetiden ved å overvåke pH-endringer, og dermed justere balansen mellom kort-nitrifikasjon og anammox. Videre bruker denne prosessen hydrosykloner for å regulere slamalderen til AAOB og AOB. Under sentrifugalkraft deles mikroorganismene i to deler: den lettere AOB renner over fra toppen, mens den tyngre AAOB akkumuleres i bunnen og strømmer tilbake til reaktoren. Strass avløpsrenseanlegg oppnådde en autotrofisk nitrogenfjerningseffektivitet på over 85 %.
2. Granulær slamprosess
Et typisk eksempel på et granulært slamsystem er Anammox-reaktoren bygget av Parker i Rotterdam. Tidlig strømnings-for-strømningsprosesser hadde en tendens til å bruke to-systemer, så i faktisk drift ble Anammox-reaktoren integrert med den tidligere bygde nitrifikasjonen... SHARON-reaktoren ble koblet til Sharon-Anammox-reaktorsystemet, som tok 3,5 år å starte opp. Deretter utviklet Parker Biomedical en integrert Anammox-reaktor. Både anammox-reaktoren og den integrerte reaktoren i to-systemet fungerer på en kontinuerlig oppstrømsmåte, med en intern skrånende platesedimentasjonstank for å oppnå slampartikkelretensjon.
3. Biofilmprosesser
Anammox-prosesser som bruker biofilmteknologi inkluderer hovedsakelig DeAmmon og ANITATMMox. DeAmmon-prosessen består av tre MBBR-reaktorer og en avgassingstank. De tre reaktorene kan kobles i serie eller parallelt etter behov, med en MBBR-fyllingsgrad på 40–50 %. ANITATMMox bruker primært en integrert MBBR-reaktor i sidestrømningssystemet-. ANITATMMox kan bruke ren MBBR-biofilm eller en slam-filmhybrid IFAS (Integrated Fat Film Assay). I den rene biofilmprosessen er AAOB-bakterier i det innerste laget av pakningsmaterialet, og AOB er i det ytterste laget; i IFAS-prosessen er AAOB hovedsakelig på emballasjematerialet, og AOB... I suspendert slam.
Verdens første operative prosjekt for anaerob ammoniakkoksidasjon (ANAO)!
I 2002 bygde Parker Systems verdens første produktive ANAO-reaktor ved Dokhaven avløpsvannbehandlingsanlegget i Rotterdam, ved å bruke SharonAnammox-systemet til å behandle slamavvanningsvæske. Deretter ble over 100 slike reaktorer bygget i Nederland, Tyskland, Japan, Australia, Sveits og Storbritannia. Flere anaerob ammoniakkoksidasjonsavløpsrenseanlegg behandler avløpsvann inkludert søppelfylling, husdyravløpsvann og matavløpsvann, i tillegg til slamfordøyningsvæske.
1. Anaerob ammoniakkoksidasjonsbehandling av slam ved avløpsrenseanlegget DOKHAVEN i Rotterdam, Nederland
Organisk slam, som en energibærer, anses først å omdanne det organiske materialet i det til en energisk gass-metan. Basert på dette dannes slambehandlingsprosessen vist i figuren. Overskuddsslammet fra avløpsvannbehandlingsprosessen gjennomgår to forskjellige fortykningsmetoder før det går inn i slamråtetanken (5). Overflødig slam og slam fra luftetanken i A-seksjonen filtreres gjennom en fin sikt (1) før fortykning, og går deretter inn i to gravitasjonsfortykningstanker (2) parallelt. Det sedimenterte slammet har et vanninnhold på 94 %; den separerte supernatanten returneres deretter til avløpsvannbehandlingsprosessen for videre behandling.
Slamråtningsvæsken inneholder en relativt høy konsentrasjon av ammoniakknitrogen (opptil 1500 mg N/L), og vanntemperaturen er 28 grader. grad. En så høy nitrogenbelastning som kommer inn i avløpsvannbehandlingsprosessen vil øke belastningen av nitrogenfjerning. Derfor er innføringen av de nyeste SHARON- og ANAMMOX-teknologiene for separat denitrifikasjonsbehandling av slamavfall det siste oppgraderingstiltaket til DOKHAVEN-renseanlegget de siste årene. Verdens første produktive SHARON-reaktor (11) ble satt i drift her i oktober 1998, og verdens første ANAMMOX-reaktor (12) ble satt i drift i juni 2002.
2. Prosessparametre
1) Ett sett finsikter, strømningshastighet 510 m³/t, siktavstand 3 mm.
2) To sett tyngdekraftsfortykkere, Ф23,6 m, H=3 m, tørrstoffbelastning 36 kg/(m²·d), slamvolum 530 m³/d (fuktighetsinnhold 94%).
3) Behandlingskapasitet for båndfortykningsmiddel 90 m³/t eller 700 kg tørrstoff/t.
4) Overskuddsslamutjevningstank 900 m³.
5) 6) To slamtanker, Ф22 m, H=23 m, retensjonstid 28 dager ved 33 grader, noe som resulterer i et slamvolum på 600 m³/d (96 % fuktighetsinnhold) etter nedbryting. En slamutjevningstank har en kapasitet på 900 m³.
7) To sentrifuger, med en prosesskapasitet på 40 m³/t.
8) To avvannede slamlagringstanker, hver med et volum på 150 m³; retensjonstid 2,5 dager; H=14 m.
9) En SHARON-reaktor; Ф19,5 m, H=5.75 m, strømningshastighet 550 m³/d, hydraulisk retensjonstid 3 dager, aerob retensjonstid 24 timer, temperatur 35 grader, pH 7–7,2, konsentrasjon oppløst oksygen 1,5 mg/L.
10) En ANAMMOX-reaktor; Ф2,2 m, H=18 m (V=70 m³), strømningshastighet 550 m³/d. Reaktoren opererer med en kapasitet på m³/d, med en hydraulisk retensjonstid på 3 timer, en designbelastning på 800 kgN/d, en temperatur på 35 grader og en pH på 7,5.
SHARON-reaktoren oksiderer halvparten av ammoniakknitrogenet til nitrittnitrogen (uten pH-kontroll). Den resterende halvparten av ammoniakknitrogenet og det omdannede nitrittnitrogenet (halvparten av det totale ammoniakknitrogenet i innløpet) danner det molare forholdet som kreves for ANAMMOX (1:1), slik at ammoniakknitrogen og nitrittnitrogen kan omdannes direkte til nitrogengass via autotrof konvertering. Sammenlignet med tradisjonelle nitrifikasjons-/denitrifikasjonsprosesser, reduserer SHARON/ANAMMOX-prosessen driftskostnadene med 90 %, CO2-utslippene med 88 %, produserer ingen skadelig N₂O-gass, krever ikke noe organisk materiale, produserer ikke overflødig slam og sparer 50 % av landarealet, noe som viser betydelig bærekraft og økonomiske fordeler.