Процесът на анаеробно амонячно окисление (ANAMMOX) е разработен през 1990 г. от биотехнологичната лаборатория Kluyver към Техническия университет в Делфт, Холандия. Този процес преминава през основните теоретични концепции на традиционните процеси за биологично отстраняване на азот. При анаеробни условия амонякът се окислява до азотен газ, като се използва амоняк като донор на електрони и нитрат или нитрит като акцептор на електрони. Това спестява повече от 60% от доставката на кислород в сравнение с пълната нитрификация (окисляване на амоняк до нитрат). Използването на амоняк като донор на електрони също спестява източника на въглерод, необходим в традиционните процеси за биологично отстраняване на азот.
Процесът ANAMMOX има предимства като висока ефективност на отстраняване на азота, ниски оперативни разходи и малък отпечатък и има голям потенциал за развитие в пречистването на отпадъчни води. В момента този процес става все по-зрял при третирането на битови утайки. Първият в света производствен-мащабен агрегат ANAMMOX, разположен в пречиствателната станция за отпадъчни води Dokhaven в Ротердам, Холандия, има обемна скорост на отстраняване на азот (NRR) до 9,5 kg N/(m3·d). Освен това, процесът ANAMMOX се възприема все повече при третирането на отпадъчни води с високо -амонячен азот, като промишлени отпадъчни води от ферментация, инфилтрат от сметища и отпадъчни води от аквакултури, като неговите инженерни приложения се разпространяват бързо в световен мащаб.
Принцип на анаеробно окисляване на амоняк
Anammox е биологична реакция при анаеробни условия, използваща амоняк като донор на електрони и нитрит като акцептор на електрони за получаване на азот и нитрат. Anammox включва два процеса: първо, метаболизъм на разлагане (производство на енергия), където амонякът действа като донор на електрони, а нитритът като акцептор на електрони, реагирайки в съотношение 1:1, за да произведе азотен газ, съхранявайки енергията като АТФ; второ, анаболизъм, където нитритът действа като акцептор на електрони, осигурявайки редуцираща мощност и използвайки въглероден диоксид и АТФ, произведени от метаболизма на разлагане, за синтезиране на клетъчни материали, произвеждайки нитрат в процеса. Бактериите за анаеробно окисление на амоняк (AnAOB) са изпълнители на анаеробно окисляване на амоняк.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358kg/mol
Процесът на анаеробно амониево окисление (ANAO) се състои главно от две стъпки: Първата стъпка е частична нитрификация, при която само около 55% от амонячния азот трябва да се преобразува в нитритен азот; втората стъпка е анаеробно амониево окисляване (ANAO), където амонячният азот, при анаеробни условия, се окислява до азотен газ от нитритен азот като акцептор на електрони. Следователно той се нарича още PN/A процес.
При този процес приблизително 89% от неорганичния азот се превръща в азотен газ, а останалите 11% се превръщат в нитратен азот. В сравнение с традиционните процеси на нитрификация-денитрификация, ANAO има значителни технологични предимства. Консумацията на енергия за аериране е само 55-60% от тази на традиционните процеси; този процес не изисква почти никакъв източник на въглерод. Ако трябва да се добави източник на въглерод по време на ANAO за отстраняване на нитратни продукти, добавеното количество също е много по-малко, отколкото при традиционните процеси. Дозировката е намалена с 90%; процесът anammox може да намали потреблението на алкалност с 45%. В същото време, производството на утайка от анаммокс процеса е много по-ниско от това при традиционните процеси на денитрификация, което значително ще намали разходите за обработка и обезвреждане на излишната утайка.
Фактори, влияещи върху Anammox
Създаването на подходящи условия за оцеляване на anammox бактериите в основните системи за пречистване на отпадъчни води е настоящо предизвикателство, включително обогатяването на anammox и AOB бактерии (амонячни азотни бактерии, които превръщат амонячния азот в нитрит) и инхибирането на NOB бактерии (нитрит-окисляващи бактерии, които превръщат нитритите в нитрати).
1. Температура
Метаболитната активност на микроорганизмите до голяма степен се влияе от температурата. Предишни резултати от изследвания показват, че 35 градуса е оптималната температура за анамокс. Оптималната температура за Anammox е, когато неговият биологичен метаболизъм е най-бърз и неговият репродуктивен цикъл е най-кратък. Температурата на повечето действителни градски отпадъчни води обаче е ниска (10–25 градуса), особено в някои региони с висока-географска ширина, като северната част на моята страна, където температурите на отпадъчните води често са под 10 градуса. Ефективността и стабилността на Anammox в тези области представлява значително предизвикателство.
Основната температура на градските отпадъчни води обикновено е около 10–20 градуса, по-ниска от оптималната температура на растеж на AnAOB (25–40 градуса), което ще повлияе на растежа на концентрациите на амоняк и нитрит Anammox. 2.
Субстратите за анаеробно амониево окисление (ANAMO) са амоняк и нитрит. Прекомерно високите концентрации на тези две вещества обаче могат да попречат на процеса. Проучванията показват, че инхибиращите концентрации за амоняк са 38,0–98,5 nmol/L, а за нитритите 5,4–12,0 nmol/L. Jetten и др. установиха, че при концентрации на нитрити над 20 nmol/L процесът ANAMMOX е значително инхибиран. Продължителното излагане (2 часа) на високи концентрации на нитрити може напълно да унищожи активността на ANAMMOX, но при по-ниски концентрации на нитрити (около 10 nmol/L), неговата активност остава относително висока.
3. рН стойност
Тъй като амонякът и нитритът се дисоциират във водни разтвори, стойността на pH влияе върху ANAMMOX. Проучванията показват, че процесът ANAMMOX работи добре в диапазон на pH от 6,7–8,3, с оптимално pH около 8.
4. Влияние на органичната материя
Съдържанието на COD в отпадъчните води... То насърчава растежа на хетеротрофни денитрифициращи бактерии и инхибира процеса Anammox. Процесът Anammox може да доминира само когато COD се консумира до ниско ниво от първия. Този проблем е особено важен при пречистването на градските отпадъчни води с висока-интензивност. Изследванията на Winkler et al. показват, че при 25 градуса, ако съотношението C/N на суровата вода е < 0,5, Anammox и хетеротрофната денитрификация могат да съществуват хармонично, без да водят до намаляване на ефективността на отстраняване на азота.
5. Стабилност на кратко{1}}нитрификацията Когато се прилага процесът Anammox, активността на NOB трябва да бъде сведена до минимум при основните условия, за да се позволи натрупването на нитрити и да се поддържа нитрификационната система в състояние на кратко{2}}нитрификация. Това е от решаващо значение за осигуряване на стабилността на Anammox. Нормалното функциониране на процеса е фундаментално и пряко свързано с лечебния ефект. Горепосочените цели могат да бъдат постигнати чрез контрол на свободния амоняк. Ето защо анаммокс се прилага главно към отпадъчни води с високо-амонячен азот, тъй като свободният амоняк в отпадъчните води с високо-амонячен азот може да инхибира NOB, поддържайки системата в кратко-състояние на нитрификация при подходящи контролни условия. В градските отпадъчни води обаче стабилността на късо{11}}нитрификацията се влияе от температурата и амонячния азот, което прави стабилната работа невъзможна! В процеса PN/A краткият -етап на нитрификация също се влияе от температурата, тъй като активността на AOB се инхибира при ниски температури, намалявайки степента на преобразуване на амонячен азот. Освен това енергията на активиране на AOB е по-висока от тази на NOB, което води до недостатъчно натрупване на NO2, което не може да осигури достатъчно субстрат за реакцията Anammox.
Процес ANAMMOX и неговите производни процеси
Технологиите Anammox, използвани в практически инженерни приложения, могат да бъдат разделени на процеси на суспендирана утайка, гранулирана утайка и биофилм.
1. Процес на суспендирана утайка
AOB и AAOB Бавно-растящи и с дълги цикли на генериране, микроорганизмите лесно се губят в конвенционалните системи за суспендирана утайка. Следователно процесите на суспендирана утайка често използват секвениращи периодични реактори (SBR) за задържане на микроорганизми.
От всички технологии SBR anammox, 80% са процесът DEMON. Този процес е приложен за първи път в пречиствателната станция на Strass в Австрия. Неговият основен принцип е да регулира времето за аериране чрез наблюдение на промените в рН, като по този начин регулира баланса между късо-нитрификация и анамокс. Освен това, този процес използва хидроциклони за регулиране на възрастта на утайката на AAOB и AOB. Под въздействието на центробежна сила микроорганизмите се разделят на две части: по-лекият AOB прелива отгоре, докато по-тежкият AAOB се натрупва на дъното и се връща обратно към реактора. Пречиствателната станция за отпадъчни води Strass постигна ефективност на автотрофно отстраняване на азот от над 85%.
2. Процес на гранулирана утайка
Типичен пример за система за гранулирана утайка е реакторът Anammox, построен от Parker в Ротердам. Ранните процеси поток-по-поток са имали тенденция да използват дву-етапни системи, така че в действителната работа реакторът Anammox беше интегриран с предишната нитрификация... Реакторът SHARON беше свързан, за да образува реакторната система Sharon-Anammox, чието стартиране отне 3,5 години. Впоследствие Parker Biomedical разработи интегриран реактор Anammox. Както реакторът anammox, така и интегрираният реактор в дву-степенната система работят по непрекъснат начин на възходящ поток, с вътрешен наклонен пластинчат седиментационен резервоар за постигане на задържане на частици утайка.
3. Процеси на биофилм
Процесите Anammox, използващи технология за биофилм, включват главно DeAmmon и ANITATMMox. Процесът DeAmmon се състои от три реактора MBBR и един дегазиращ резервоар. Трите реактора могат да бъдат свързани последователно или паралелно, ако е необходимо, със степен на запълване на MBBR от 40%–50%. ANITATMMox използва основно интегриран реактор MBBR в своята система за страничен-поток. ANITATMMox може да използва чист биофилм MBBR или хибриден филм от утайка- IFAS (интегриран анализ на мастен филм). В процеса на чист биофилм, AAOB бактериите са в най-вътрешния слой на опаковъчния материал, а AOB са в най-външния слой; в процеса IFAS, AAOB са главно върху опаковъчния материал, а AOB... В суспендирана утайка.
Първият в света действащ проект за анаеробно амонячно оксидиране (ANAO)!
През 2002 г. Parker Systems построи първия в света продуктивен ANAO реактор в станцията за пречистване на отпадъчни води Dokhaven в Ротердам, използвайки системата SharonAnammox за третиране на течността за обезводняване на утайки. Впоследствие са построени над 100 такива реактора в Холандия, Германия, Япония, Австралия, Швейцария и Великобритания. Множество инсталации за пречистване на отпадъчни води с анаеробно окисление на амоняк пречистват отпадъчни води, включително инфилтрат от сметища, отпадъчни води от животновъдни ферми и хранителни отпадъчни води, в допълнение към течността за смилане на утайки.
1. Анаеробно окисление с амоняк на утайки в пречиствателната станция за отпадъчни води DOKHAVEN в Ротердам, Холандия
Първоначално се смята, че органичната утайка, като енергиен носител, превръща органичната материя в нея в енергиен газ-метан. Въз основа на това се формира процесът на обработка на утайките, показан на фигурата. Излишната утайка от процеса на пречистване на отпадъчните води преминава през два различни метода на сгъстяване, преди да влезе в резервоара за смилане на утайки (5). Излишната утайка и утайката от аерационния резервоар на секция A-се филтрират през фино сито (1) преди сгъстяване и след това влизат паралелно в два гравитационни сгъстяващи резервоара (2). Утаената утайка е с водно съдържание 94%; отделеният супернатант след това се връща в процеса на пречистване на отпадъчни води за по-нататъшно третиране.
Течността за смилане на утайките съдържа относително висока концентрация на амонячен азот (до 1500 mg N/L), а температурата на водата е 28 градуса. степен . Такова голямо натоварване с азот, навлизащо в процеса на пречистване на отпадъчни води, ще увеличи тежестта на отстраняването на азота. Ето защо, приемането на най-новите технологии SHARON и ANAMMOX за отделно денитрификационно третиране на остатък от утайки е най-новата мярка за надграждане на пречиствателната станция за отпадъчни води DOKHAVEN през последните години. Първият в света продуктивен реактор SHARON (11) започна работа тук през октомври 1998 г., а първият в света реактор ANAMMOX (12) беше пуснат в експлоатация през юни 2002 г.
2. Параметри на процеса
1) Един комплект фини сита, дебит 510 m³/h, разстояние между ситата 3 mm.
2) Два комплекта гравитационни уплътнители, Ф23,6 m, H=3 m, натоварване на сухо вещество 36 kg/(m²·d), обем на утайката 530 m³/d (съдържание на влага 94%).
3) Капацитет на обработка на лентовия уплътнител 90 m³/h или 700 kg сухи твърди вещества/h.
4) Резервоар за изравняване на излишната утайка 900 m³.
5) 6) Два резервоара за смилане на утайки, Ф22 m, H=23 m, време на задържане 28 дни при 33 градуса, което води до обем на утайката от 600 m³/d (96% съдържание на влага) след смилане. Резервоар за изравняване на утайки е с капацитет 900 m³.
7) Две центрофуги, с капацитет на обработка 40 m³/h.
8) Два резервоара за съхранение на обезводнени утайки, всеки с обем 150 m³; време на задържане 2,5 дни; Ч=14 м.
9) Един реактор ШАРОН; Ф19,5 m, H=5.75 m, дебит 550 m³/d, хидравлично време на задържане 3 дни, аеробно време на задържане 24 часа, температура 35 градуса, pH 7–7,2, концентрация на разтворен кислород 1,5 mg/L.
10) Един реактор ANAMMOX; Ф2,2 m, H=18 m (V=70 m³), дебит 550 m³/d. Реакторът работи с капацитет от m³/d, с хидравлично време на задържане от 3 часа, проектно натоварване от 800 kgN/d, температура от 35 градуса и pH от 7,5.
Реакторът SHARON окислява половината от амонячния азот до нитритен азот (без контрол на pH). Останалата половина от амонячния азот и преобразувания нитритен азот (половината от общия амонячен азот във входящия поток) образуват моларното съотношение, необходимо за ANAMMOX (1:1), което позволява на амонячния азот и нитритния азот да бъдат директно превърнати в азотен газ чрез автотрофно преобразуване. В сравнение с традиционните процеси на нитрификация/денитрификация, процесът SHARON/ANAMMOX намалява оперативните разходи с 90%, емисиите на CO2 с 88%, не произвежда вреден N₂O газ, не изисква органични вещества, не произвежда излишна утайка и спестява 50% от земната площ, демонстрирайки значителна устойчивост и икономически ползи.