Proces anaerobní oxidace amoniaku (ANAMMOX) byl vyvinut v roce 1990 v Kluyver Biotechnology Laboratory na Delft University of Technology v Nizozemsku. Tento proces prolamuje základní teoretické koncepty tradičních biologických procesů odstraňování dusíku. Za anaerobních podmínek se amoniak oxiduje na plynný dusík za použití amoniaku jako donoru elektronů a dusičnanu nebo dusitanu jako akceptoru elektronů. Tím se ušetří více než 60 % dodávky kyslíku ve srovnání s plnou nitrifikací (oxidace amoniaku na dusičnany). Použití amoniaku jako donoru elektronů také šetří zdroj uhlíku požadovaný v tradičních biologických procesech odstraňování dusíku.
Proces ANAMMOX má výhody, jako je vysoká účinnost odstraňování dusíku, nízké provozní náklady a malý půdorys, a má velký potenciál pro rozvoj v čištění odpadních vod. V současné době je tento proces při zpracování komunálních kalů stále vyzrálejší. První sériově vyráběná jednotka ANAMMOX na světě-, která se nachází v čistírně odpadních vod Dokhaven v Rotterdamu v Nizozemsku, má objemový objem odstraňování dusíku (NRR) až 9,5 kg N/(m3·d). Kromě toho je proces ANAMMOX stále více používán při čištění odpadních vod s vysokým-amonným dusíkem, jako jsou fermentační průmyslové odpadní vody, výluhy ze skládek a odpadní vody z akvakultury, přičemž jeho inženýrské aplikace se rychle šíří po celém světě.
Princip anaerobní oxidace amoniaku
Anammox je biologická reakce za anaerobních podmínek, při které se k výrobě dusíku a dusičnanů používá amoniak jako donor elektronů a dusitany jako akceptor elektronů. Anammox zahrnuje dva procesy: za prvé, rozklad (výroba energie) metabolismus, kde čpavek působí jako donor elektronů a dusitany jako akceptor elektronů, reagující v poměru 1:1 za vzniku plynného dusíku, přičemž energii ukládají jako ATP; za druhé, anabolismus, kde dusitany působí jako akceptor elektronů, poskytující redukční výkon a využívající oxid uhličitý a ATP produkovaný rozkladným metabolismem k syntéze buněčných materiálů, přičemž v tomto procesu vznikají dusičnany. Bakterie anaerobní oxidace amoniaku (AnAOB) jsou realizátory anaerobní oxidace amoniaku.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358kg/mol
Proces anaerobní oxidace amonného (ANAO) sestává hlavně ze dvou kroků: Prvním krokem je částečná nitrifikace, při které je třeba pouze asi 55 % amonného dusíku přeměnit na dusitanový dusík; druhým krokem je anaerobní amonná oxidace (ANAO), kdy je amoniakální dusík za anaerobních podmínek oxidován na plynný dusík dusitanovým dusíkem jako akceptorem elektronů. Proto se také nazývá proces PN/A.
Při tomto procesu se přibližně 89 % anorganického dusíku přemění na plynný dusík a zbývajících 11 % se přemění na dusičnanový dusík. Ve srovnání s tradičními nitrifikačními-procesy denitrifikace má ANAO významné technologické výhody. Jeho spotřeba energie na provzdušňování je pouze 55-60 % spotřeby tradičních procesů; tento proces nevyžaduje téměř žádný zdroj uhlíku. Pokud je třeba během ANAO přidat zdroj uhlíku k odstranění dusičnanových produktů, přidané množství je také mnohem menší než u tradičních procesů. Dávkování se sníží o 90 %; proces anammox může snížit spotřebu alkality o 45 %. Současně je produkce kalu v procesu anammox mnohem nižší než u tradičních denitrifikačních procesů, což výrazně sníží náklady na zpracování a likvidaci přebytečného kalu.
Faktory ovlivňující Anammox
Vytváření vhodných podmínek pro přežití bakterií anammox v běžných systémech čištění odpadních vod je aktuální výzvou, včetně obohacování bakterií anammox a AOB (amoniakové dusíkaté bakterie, které přeměňují amoniakální dusík na dusitany) a inhibice bakterií NOB (bakterie oxidující dusitany, které přeměňují dusitany na dusičnany).
1. Teplota
Metabolická aktivita mikroorganismů je do značné míry ovlivněna teplotou. Předchozí výsledky výzkumu naznačují, že 35 stupňů je optimální teplota pro anammox. Optimální teplota pro Anammox je, když je jeho biologický metabolismus nejrychlejší a reprodukční cyklus nejkratší. Teplota většiny skutečných městských odpadních vod je však nízká (10–25 stupňů), zejména v některých oblastech s vysokou-šířkou, jako je severní moje země, kde jsou teploty odpadních vod často nižší než 10 stupňů . Účinnost a stabilita Anammoxu v těchto oblastech představuje významnou výzvu.
Teplota hlavního proudu městských odpadních vod je obecně kolem 10–20 stupňů, nižší než optimální růstová teplota AnAOB (25–40 stupňů), což ovlivní růst koncentrací amoniaku a dusitanů Anammox{4}}
Substrátmi pro anaerobní oxidaci amonia (ANAMO) jsou amoniak a dusitany. Příliš vysoké koncentrace těchto dvou látek však mohou proces brzdit. Studie ukázaly, že inhibiční koncentrace pro amoniak jsou 38,0–98,5 nmol/l a pro dusitany 5,4–12,0 nmol/l. Jetten a kol. zjistili, že při koncentracích dusitanů nad 20 nmol/l je proces ANAMMOX významně inhibován. Dlouhodobá expozice (2 hodiny) vysokým koncentracím dusitanů může zcela zničit aktivitu ANAMMOX, ale při nižších koncentracích dusitanů (kolem 10 nmol/l) zůstává jeho aktivita relativně vysoká.
3. Hodnota pH
Protože se amoniak a dusitany ve vodných roztocích disociují, hodnota pH ovlivňuje ANAMMOX. Studie ukázaly, že proces ANAMMOX funguje dobře v rozmezí pH 6,7–8,3, s optimálním pH kolem 8.
4. Vliv organické hmoty
Obsah CHSK v odpadní vodě... Podporuje růst heterotrofních denitrifikačních bakterií a inhibuje proces Anammox. Proces Anammox může dominovat pouze tehdy, když je COD spotřebováno na nízkou úroveň. Tento problém je zvláště významný při čištění městských odpadních vod s vysokou-intenzitou. Výzkum Winklera et al. ukazuje, že při 25 stupních, pokud je poměr C/N surové vody < 0,5, mohou Anammox a heterotrofní denitrifikace harmonicky koexistovat, aniž by to vedlo ke snížení účinnosti odstraňování dusíku.
5. Stabilita zkratové-nitrifikace Při použití procesu Anammox musí být aktivita NOB co nejvíce minimalizována za běžných podmínek, aby se umožnila akumulace dusitanů a aby se systém nitrifikace udržoval ve stavu krátce-nitrifikace. To je klíčové pro zajištění stability Anammoxu. Normální fungování procesu je zásadní a přímo souvisí s jeho léčebným efektem. Výše uvedených cílů lze dosáhnout kontrolou volného amoniaku. To je důvod, proč se anammox používá hlavně v odpadních vodách s vysokým-amonným dusíkem, protože volný čpavek v odpadních vodách s vysokým-amonným dusíkem může inhibovat NOB a udržovat systém ve stavu krátce-nitrifikace za vhodných kontrolních podmínek. V komunálních odpadních vodách je však stabilita zkratk{11}}nitrifikace ovlivněna teplotou a amoniakálním dusíkem, což znemožňuje stabilní provoz! V procesu PN/A je krátký-stupeň nitrifikace také ovlivněn teplotou, protože aktivita AOB je při nízkých teplotách inhibována, čímž se snižuje rychlost konverze amoniakálního dusíku. Kromě toho je aktivační energie AOB vyšší než aktivační energie NOB, což vede k nedostatečné akumulaci NO2, která nemůže poskytnout dostatek substrátu pro Anammoxovu reakci.
Proces ANAMMOX a jeho odvozené procesy
Technologie Anammox používané v praktických strojírenských aplikacích lze rozdělit na procesy suspendovaný kal, granulovaný kal a biofilmový proces.
1. Proces suspendovaného kalu
AOB a AAOB Pomalu-rostoucí a s dlouhými generačními cykly se mikroorganismy snadno ztrácejí v konvenčních suspendovaných kalových systémech. Proto procesy se suspendovaným kalem často využívají sekvenační dávkové reaktory (SBR) k zadržení mikroorganismů.
Ze všech technologií SBR anammox tvoří 80 % proces DEMON. Tento proces byl poprvé aplikován na čističce odpadních vod Strass v Rakousku. Jeho základním principem je upravit dobu provzdušňování sledováním změn pH, a tím upravit rovnováhu mezi krátkou-nitrifikací a anammoxem. Kromě toho tento proces využívá hydrocyklony k regulaci stáří kalu AAOB a AOB. Pod odstředivou silou se mikroorganismy rozdělí na dvě části: lehčí AOB přetéká shora, zatímco těžší AAOB se hromadí u dna a proudí zpět do reaktoru. Čistírna odpadních vod Strass dosáhla účinnosti autotrofního odstraňování dusíku přes 85 %.
2. Proces granulovaného kalu
Typickým příkladem systému granulovaného kalu je reaktor Anammox postavený firmou Parker v Rotterdamu. Procesy časného průtoku-by{2}}protokem měly tendenci používat dvou-stupňové systémy, takže ve skutečném provozu byl reaktor Anammox integrován s dříve postavenou nitrifikací... Reaktor SHARON byl propojen a vytvořil reaktorový systém Sharon-Anammox, jehož spuštění trvalo 3,5 roku. Následně Parker Biomedical vyvinul integrovaný reaktor Anammox. Jak reaktor anammox, tak integrovaný reaktor ve dvou-stupňovém systému pracují kontinuálně vzhůru, s vnitřní sedimentační nádrží se šikmou deskou, aby se dosáhlo zadržování kalových částic.
3. Biofilmové procesy
Mezi procesy Anammox využívající biofilmovou technologii patří především DeAmmon a ANITATMMox. Proces DeAmmon se skládá ze tří reaktorů MBBR a jedné odplyňovací nádrže. Tyto tři reaktory lze podle potřeby zapojit do série nebo paralelně, s mírou plnění MBBR 40 %–50 %. ANITATMMox primárně používá integrovaný reaktor MBBR ve svém bočním-systému proudění. ANITATMMox může používat čistý biofilm MBBR nebo hybridní film -kalového filmu IFAS (Integrated Fat Film Assay). V procesu čistého biofilmu jsou bakterie AAOB v nejvnitřnější vrstvě obalového materiálu a AOB jsou ve vnější vrstvě; v procesu IFAS jsou AAOB hlavně na obalovém materiálu a AOB... v suspendovaném kalu.
První na světě fungující projekt anaerobní oxidace amoniaku (ANAO)!
V roce 2002 postavila společnost Parker Systems první produktivní reaktor ANAO na světě v čistírně odpadních vod Dokhaven v Rotterdamu pomocí systému SharonAnammox k úpravě kapaliny pro odvodňování kalu. Následně bylo postaveno více než 100 takových reaktorů v Nizozemsku, Německu, Japonsku, Austrálii, Švýcarsku a Velké Británii. Několik čistíren odpadních vod s anaerobní oxidací amoniaku čistí odpadní vody včetně výluhů ze skládek, odpadních vod z chovů hospodářských zvířat a potravinářských odpadních vod, kromě kapaliny pro rozklad kalu.
1. Anaerobní úprava kalů oxidací amoniakem na čistírně odpadních vod DOKHAVEN v Rotterdamu, Nizozemsko
Organický kal jako nosič energie je nejprve považován za přeměnu organické hmoty v něm na energetický plyn-metan. Na základě toho je vytvořen proces úpravy kalu znázorněný na obrázku. Přebytečný kal z procesu čištění odpadních vod prochází dvěma různými způsoby zahušťování před vstupem do vyhnívací nádrže kalu (5). Přebytečný kal a kal z provzdušňovací nádrže sekce A jsou před zahuštěním filtrovány přes jemné síto (1) a poté vstupují paralelně do dvou gravitačních zahušťovacích nádrží (2). Usazený kal má obsah vody 94 %; separovaný supernatant se poté vrací do procesu čištění odpadních vod k dalšímu zpracování.
Kapalina vyhnívající kal obsahuje relativně vysokou koncentraci amoniakálního dusíku (až 1500 mg N/L) a teplota vody je 28 stupňů. stupně . Takto vysoké zatížení dusíkem vstupujícím do procesu čištění odpadních vod zvýší zatížení odstraňováním dusíku. Proto je přijetí nejnovějších technologií SHARON a ANAMMOX pro separovanou denitrifikaci kalového digestátu posledním modernizačním opatřením čistírny odpadních vod DOKHAVEN v posledních letech. V říjnu 1998 zde byl uveden do provozu první produktivní reaktor SHARON (11) na světě a v červnu 2002 byl uveden do provozu první reaktor ANAMMOX (12).
2. Parametry procesu
1) Jedna sada jemných sít, průtok 510 m³/h, rozteč sít 3 mm.
2) Dvě sady gravitačních zahušťovadel, Ф23,6 m, H=3 m, zatížení sušiny 36 kg/(m²·d), objem kalu 530 m³/d (obsah vlhkosti 94 %).
3) Zpracovací kapacita pásového zahušťovače 90 m³/h nebo 700 kg sušiny/h.
4) Vyrovnávací nádrž přebytečného kalu 900 m³.
5) 6) Dvě vyhnívací nádrže kalu, Ф22 m, H=23 m, doba zdržení 28 dní při 33 stupních, výsledkem je objem kalu 600 m³/d (96% obsah vlhkosti) po vyhnívání. Vyrovnávací nádrž kalu má kapacitu 900 m³.
7) Dvě odstředivky se zpracovatelskou kapacitou 40 m³/h.
8) Dvě skladovací nádrže odvodněného kalu, každá o objemu 150 m³; retenční doba 2,5 dne; H=14 m.
9) Jeden reaktor SHARON; Ф19,5 m, H=5.75 m, průtok 550 m³/d, hydraulický retenční čas 3 dny, aerobní retenční čas 24 h, teplota 35 stupňů, pH 7–7,2, koncentrace rozpuštěného kyslíku 1,5 mg/l.
10) Jeden reaktor ANAMMOX; Ф2,2 m, H=18 m (V=70 m³), průtok 550 m³/d. Reaktor pracuje při kapacitě m³/d, s hydraulickým retenčním časem 3 h, návrhovým zatížením 800 kgN/d, teplotou 35 stupňů a pH 7,5.
Reaktor SHARON oxiduje polovinu amoniakálního dusíku na dusitanový dusík (bez kontroly pH). Zbývající polovina amoniakálního dusíku a přeměněný dusitanový dusík (polovina celkového amoniakálního dusíku v přítoku) tvoří molární poměr požadovaný pro ANAMMOX (1:1), což umožňuje přímou konverzi amoniakálního dusíku a dusitanového dusíku na plynný dusík prostřednictvím autotrofní konverze. Ve srovnání s tradičními procesy nitrifikace/denitrifikace snižuje proces SHARON/ANAMMOX provozní náklady o 90 %, emise CO2 o 88 %, neprodukuje žádný škodlivý plyn N₂O, nevyžaduje žádné organické látky, neprodukuje žádné přebytečné kaly a šetří 50 % plochy půdy, což prokazuje významnou udržitelnost a ekonomické výhody.