Процес анаеробного окислення аміаку (ANAMMOX) був розроблений у 1990 році біотехнологічною лабораторією Клюйвер Делфтського технологічного університету в Нідерландах. Цей процес порушує основні теоретичні концепції традиційних біологічних процесів видалення азоту. В анаеробних умовах аміак окислюється до газоподібного азоту, використовуючи аміак як донор електронів і нітрат або нітрит як акцептор електронів. Це економить понад 60% постачання кисню порівняно з повною нітрифікацією (окислення аміаку до нітрату). Використання аміаку як донора електронів також економить джерело вуглецю, необхідне в традиційних біологічних процесах видалення азоту.
Процес ANAMMOX має такі переваги, як висока ефективність видалення азоту, низькі експлуатаційні витрати та невелика площа, а також має великий потенціал для розвитку очищення стічних вод. В даний час цей процес стає все більш зрілим при обробці міського мулу. Перша у світі виробнича-установка ANAMMOX, розташована на станції очищення стічних вод Dokhaven у Роттердамі, Нідерланди, має об’ємну швидкість видалення азоту (NRR) до 9,5 кг N/(м3·д). Крім того, процес ANAMMOX все частіше застосовується для обробки стічних вод із високим вмістом-аміачного азоту, таких як промислові стічні води бродіння, фільтрат звалищ і стічні води аквакультури, і його інженерне застосування швидко поширюється по всьому світу.
Принцип анаеробного окислення аміаку
Анаммокс — це біологічна реакція в анаеробних умовах, яка використовує аміак як донор електронів і нітрит як акцептор електронів для отримання азоту та нітрату. Anammox включає два процеси: по-перше, метаболізм розкладання (вироблення енергії), де аміак діє як донор електронів, а нітрит — як акцептор електронів, реагуючи у співвідношенні 1:1 з утворенням азоту, накопичуючи енергію як АТФ; по-друге, анаболізм, де нітрит діє як акцептор електронів, забезпечуючи відновлювальну потужність і використовуючи вуглекислий газ і АТФ, що утворюються в результаті метаболізму розкладання, для синтезу клітинних матеріалів, утворюючи в процесі нітрати. Реалізаторами анаеробного окислення аміаку є бактерії анаеробного аміакоокислення (АнАОБ).
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358кг/моль
Процес анаеробного окислення амонію (ANAO) в основному складається з двох етапів: перший етап – це часткова нітрифікація, під час якої лише близько 55% аміачного азоту потрібно перетворити на нітритний азот; другим етапом є анаеробне окислення амонію (ANAO), де аміачний азот в анаеробних умовах окислюється до газоподібного азоту нітритним азотом як акцептором електронів. Тому його також називають процесом PN/A.
У цьому процесі приблизно 89% неорганічного азоту перетворюється на газоподібний азот, а решта 11% перетворюється на нітратний азот. Порівняно з традиційними процесами нітрифікації-денітрифікації ANAO має значні технологічні переваги. Споживання енергії на аерацію становить лише 55-60% від традиційних процесів; цей процес майже не потребує джерела вуглецю. Якщо під час ANAO необхідно додати джерело вуглецю для видалення нітратних продуктів, додана кількість також буде набагато меншою, ніж у традиційних процесах. Дозування знижується на 90%; процес anammox може зменшити споживання лужності на 45%. Водночас утворення осаду в процесі анаммокс набагато нижче, ніж у традиційних процесах денітрифікації, що значно зменшить витрати на обробку та утилізацію надлишкового осаду.
Фактори, що впливають на анаммокс
Створення відповідних умов виживання для анаммоксних бактерій у основних системах очищення стічних вод є актуальною проблемою, включаючи збагачення анаммоксів та AOB бактерій (бактерій, що азотують аміак, які перетворюють азот аміаку на нітрит), і інгібування бактерій NOB (бактерій, що окиснюють нітрити, які перетворюють нітрити на нітрати).
1. Температура
На метаболічну активність мікроорганізмів значною мірою впливає температура. Результати попередніх досліджень показують, що оптимальною температурою для анаммокса є 35 градусів. Оптимальна температура для Anammox - це коли його біологічний метаболізм найшвидший, а репродуктивний цикл найкоротший. Однак температура більшості фактичних міських стічних вод низька (10–25 градусів), особливо в деяких високо-регіонах, таких як північ моєї країни, де температура стічних вод часто нижча за 10 градусів. Ефективність і стабільність Anammox в цих областях є серйозною проблемою.
Основна температура міських стічних вод зазвичай становить близько 10–20 градусів, що нижче за оптимальну температуру зростання AnAOB (25–40 градусів), що вплине на зростання концентрації аміаку та нітритів Anammox. 2..
Субстратами для анаеробного окислення амонію (ANAMO) є аміак і нітрит. Однак надмірно високі концентрації цих двох речовин можуть гальмувати процес. Дослідження показали, що інгібуючі концентрації для аміаку складають 38,0–98,5 нмоль/л, а для нітритів — 5,4–12,0 нмоль/л. Jetten та ін. виявили, що при концентраціях нітритів вище 20 нмоль/л процес ANAMMOX значно пригнічується. Тривала дія (2 години) високих концентрацій нітритів може повністю зруйнувати активність ANAMMOX, але при нижчих концентраціях нітритів (близько 10 нмоль/л) його активність залишається відносно високою.
3. Значення pH
Оскільки аміак і нітрит дисоціюють у водних розчинах, значення pH впливає на ANAMMOX. Дослідження показали, що процес ANAMMOX добре працює в діапазоні pH 6,7–8,3, з оптимальним pH близько 8.
4. Вплив органічних речовин
Вміст ГПК у стічних водах... Сприяє росту гетеротрофних денітрифікуючих бактерій і пригнічує процес Anammox. Процес Anammox може домінувати лише тоді, коли COD споживається до низького рівня першим. Ця проблема особливо актуальна під час очищення-міських стічних вод високої інтенсивності. Дослідження Winkler та ін. показують, що при 25 градусах, якщо співвідношення C/N сирої води становить < 0,5, Anammox і гетеротрофна денітрифікація можуть гармонійно співіснувати, не призводячи до зниження ефективності видалення азоту.
5. Стабільність короткої -нітрифікації При застосуванні процесу Anammox активність NOB має бути мінімізована, наскільки це можливо, у основних умовах, щоб дозволити накопичення нітритів і підтримувати систему нітрифікації у -стані короткої нітрифікації. Це має вирішальне значення для забезпечення стабільності Anammox. Нормальна робота процесу є фундаментальною та безпосередньо пов’язана з його лікувальним ефектом. Вищезазначені цілі можуть бути досягнуті шляхом контролю вільного аміаку. Тому анаммокс в основному застосовується для стічних вод із високим-амонійним вмістом азоту, оскільки вільний аміак у високих-аміачних стічних водах може інгібувати NOB, підтримуючи систему в -стані короткої нітрифікації за відповідних умов контролю. Однак у муніципальних стічних водах на стабільність короткочасної-нітрифікації впливають температура та аміачний азот, що унеможливлює стабільну роботу! У процесі PN/A на коротку -стадію нітрифікації також впливає температура, оскільки активність AOB пригнічується за низьких температур, знижуючи швидкість перетворення аміачного азоту. Крім того, енергія активації AOB вища, ніж енергія активації NOB, що призводить до недостатнього накопичення NO2, яке не може забезпечити достатньо субстрату для реакції Anammox.
Процес ANAMMOX та його похідні процеси
Технології Anammox, які використовуються в практичних інженерних додатках, можна розділити на процеси зваженого мулу, гранульованого мулу та біоплівки.
1. Процес утворення зваженого шламу
AOB і AAOB Повільно-ростучі та довгі цикли генерації мікроорганізми легко втрачаються в звичайних системах зваженого мулу. Тому в процесах обробки зваженого мулу часто використовуються реактори періодичної дії (SBR) для утримання мікроорганізмів.
З усіх технологій SBR anammox 80% є процесом DEMON. Цей процес вперше був застосований на станції очищення стічних вод у Штрассе в Австрії. Його основний принцип полягає в тому, щоб регулювати час аерації шляхом моніторингу змін рН, таким чином регулюючи баланс між коротко-нітрифікацією та анаммоксом. Крім того, у цьому процесі використовуються гідроциклони для регулювання віку осаду AAOB і AOB. Під дією відцентрової сили мікроорганізми поділяються на дві частини: легша АОВ переливається зверху, а важча ААВ накопичується внизу і повертається в реактор. Станція очищення стічних вод Strass досягла ефективності автотрофного видалення азоту понад 85%.
2. Процес гранульованого шламу
Типовим прикладом системи гранульованого мулу є реактор Anammox, побудований компанією Parker у Роттердамі. Ранні процеси потоку-за-потоком зазвичай використовували дво{3}}ступеневі системи, тож у фактичній роботі реактор Anammox був інтегрований із раніше побудованою нітрифікацією... Реактор SHARON було з’єднано, щоб утворити реакторну систему Sharon-Anammox, на запуск якої знадобилося 3,5 роки. Згодом Parker Biomedical розробила інтегрований реактор Anammox. І реактор anammox, і інтегрований реактор у дво-ступеневій системі працюють безперервно з висхідним потоком із внутрішньою нахиленою пластинчастою седиментаційною ємністю для досягнення утримування частинок мулу.
3. Процеси біоплівки
Процеси Anammox з використанням технології біоплівки в основному включають DeAmmon і ANITATMMox. Процес DeAmmon складається з трьох реакторів MBBR і одного резервуара дегазації. За потреби три реактори можна з’єднати послідовно або паралельно зі швидкістю заповнення MBBR 40–50%. ANITATMMox в основному використовує інтегрований реактор MBBR у системі бокового потоку-. ANITATMMox може використовувати чисту біоплівку MBBR або гібридну плівку шламу- IFAS (інтегрований аналіз жирової плівки). У процесі виробництва чистої біоплівки бактерії AAOB знаходяться у самому внутрішньому шарі пакувального матеріалу, а AOB – у зовнішньому шарі; у процесі IFAS AAOB знаходяться в основному на пакувальних матеріалах, а AOB... у зваженому мулі.
Перший у світі діючий проект анаеробного окислення аміаку (ANAO)!
У 2002 році компанія Parker Systems побудувала перший у світі продуктивний реактор ANAO на станції очищення стічних вод Dokhaven у Роттердамі, використовуючи систему SharonAnammox для очищення рідини для зневоднення осаду. Згодом понад 100 таких реакторів було побудовано в Нідерландах, Німеччині, Японії, Австралії, Швейцарії та Великобританії. Кілька станцій для очищення стічних вод з анаеробним окисленням аміаку очищають стічні води, включаючи фільтрат зі звалищ, стічні води тваринницьких ферм і харчові стічні води, на додаток до рідини для зброджування мулу.
1. Анаеробне окислення аміаком осаду на станції очищення стічних вод DOKHAVEN у Роттердамі, Нідерланди
Вважається, що органічний мул як носій енергії перетворює органічну речовину в ньому на енергетичний газ-метан. На основі цього формується процес обробки осаду, зображений на малюнку. Надлишковий осад з процесу очищення стічних вод проходить два різні методи згущення перед тим, як потрапити в резервуар для зброджування осаду (5). Надлишковий мул і мул з аеротенка секції A фільтруються через дрібне сіто (1) перед згущенням, а потім надходять у два гравітаційні згущувальні резервуари (2) паралельно. Відстояний осад має вміст води 94%; потім відокремлений супернатант повертається в процес очищення стічних вод для подальшої обробки.
Осадова рідина містить відносно високу концентрацію аміачного азоту (до 1500 мг N/л), а температура води становить 28 градусів. ступінь . Таке високе навантаження азоту, що надходить у процес очищення стічних вод, збільшить навантаження на видалення азоту. Таким чином, впровадження новітніх технологій SHARON і ANAMMOX для окремої денітрифікаційної обробки осаду перевареного мулу є останнім заходом з модернізації станції очищення стічних вод DOKHAVEN за останні роки. У жовтні 1998 року тут почав працювати перший у світі продуктивний реактор SHARON (11), а в червні 2002 року — перший у світі реактор ANAMMOX (12).
2. Параметри процесу
1) Один набір тонких сит, витрата 510 м³/год, відстань між ситами 3 мм.
2) Два комплекти гравітаційних згущувачів, Ф23,6 м, H=3 м, навантаження сухих речовин 36 кг/(м²·д), об’єм осаду 530 м³/д (вологість 94%).
3) Продуктивність стрічкового згущувача 90 м³/год або 700 кг сухої речовини/год.
4) Резервуар вирівнювання надлишкового осаду 900 м³.
5) 6) Два резервуари для зброджування осаду, Ф22 м, H=23 м, час утримування 28 днів при 33 градусах, що призводить до об’єму осаду 600 м³/день (вміст вологи 96%) після зброджування. Ємність вирівнювальної ємності 900 м³.
7) Дві центрифуги, продуктивністю 40 м³/год.
8) Два резервуари для зберігання зневодненого шламу, об’ємом 150 м³ кожен; термін зберігання 2,5 доби; Г=14 хв.
9) Один реактор ШАРОН; Ф19,5 м, H=5.75 м, витрата 550 м³/добу, гідравлічний час утримування 3 доби, аеробний час утримання 24 год, температура 35 град., pH 7–7,2, концентрація розчиненого кисню 1,5 мг/л.
10) Один реактор ANAMMOX; Ф2,2 м, H=18 м (V=70 м³), витрата 550 м³/добу. Реактор працює з продуктивністю м³/день, гідравлічним часом утримування 3 години, розрахунковим навантаженням 800 кгН/день, температурою 35 градусів і рН 7,5.
Реактор SHARON окислює половину аміачного азоту до нітритного азоту (без контролю pH). Решта половини аміачного азоту та перетвореного нітритного азоту (половина загального аміачного азоту у витоку) утворюють молярне співвідношення, необхідне для ANAMMOX (1:1), що дозволяє аміачному азоту та нітритному азоту безпосередньо перетворюватися на газоподібний азот шляхом автотрофного перетворення. Порівняно з традиційними процесами нітрифікації/денітрифікації, процес SHARON/ANAMMOX знижує експлуатаційні витрати на 90%, викиди CO2 на 88%, не виробляє шкідливого газу N₂O, не потребує органічних речовин, не утворює надлишкового мулу та зберігає 50% земельної площі, демонструючи значну стійкість та економічні вигоди.