Anaerobinio amoniako oksidacijos (ANAMMOX) procesą 1990 metais sukūrė Delfto technologijos universiteto Nyderlandų Kluyver biotechnologijų laboratorija. Šis procesas laužo pagrindines tradicinių biologinių azoto šalinimo procesų teorines sampratas. Anaerobinėmis sąlygomis amoniakas oksiduojamas į azoto dujas, naudojant amoniaką kaip elektronų donorą ir nitratą arba nitritą kaip elektronų akceptorių. Tai sutaupo daugiau nei 60% deguonies tiekimo, palyginti su visišku nitrifikavimu (amoniako oksidacija į nitratą). Naudojant amoniaką kaip elektronų donorą, taip pat taupomas anglies šaltinis, reikalingas tradiciniams biologiniams azoto šalinimo procesams.
ANAMMOX procesas turi tokius privalumus kaip didelis azoto šalinimo efektyvumas, mažos eksploatacinės sąnaudos ir nedidelis plotas, taip pat turi didelį potencialą vystytis nuotekų valymo srityje. Šiuo metu šis procesas tampa vis brandesnis apdorojant komunalinį dumblą. Pirmojo pasaulyje gamybinio-masto ANAMMOX įrenginio, esančio Dokhaven nuotekų valymo įrenginiuose Roterdame, Nyderlanduose, tūrinis azoto pašalinimo greitis (NRR) siekia net 9,5 kg N/(m3·d). Be to, ANAMMOX procesas vis dažniau taikomas valant nuotekas, kuriose yra daug -amonio azoto, pvz., fermentacijos pramonines nuotekas, sąvartynų filtratą ir akvakultūros nuotekas, o jo inžineriniai pritaikymai sparčiai plinta visame pasaulyje.
Anaerobinio amoniako oksidacijos principas
Anammox yra biologinė reakcija anaerobinėmis sąlygomis, naudojant amoniaką kaip elektronų donorą ir nitritą kaip elektronų akceptorių, gaminant azotą ir nitratus. Anammox apima du procesus: pirma, skilimo (energijos gamybos) metabolizmą, kai amoniakas veikia kaip elektronų donoras, o nitritas – kaip elektronų akceptorius, reaguodamas santykiu 1:1, gamindamas azoto dujas, kaupdamas energiją kaip ATP; antra, anabolizmas, kai nitritas veikia kaip elektronų akceptorius, suteikdamas redukcinę galią, o anglies dioksidą ir ATP, susidarantį skaidant medžiagų apykaitą, panaudodamas ląstelių medžiagoms sintetinti, o procese gamina nitratus. Anaerobinės amoniako oksidacijos bakterijos (AnAOB) yra anaerobinio amoniako oksidacijos vykdytojos.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358kg/mol
Anaerobinis amonio oksidacijos (ANAO) procesas daugiausia susideda iš dviejų etapų: Pirmasis etapas yra dalinis nitrifikavimas, kurio metu tik apie 55 % amoniakinio azoto reikia paversti nitritiniu azotu; antrasis etapas yra anaerobinis amonio oksidavimas (ANAO), kai amoniakinis azotas anaerobinėmis sąlygomis oksiduojamas į azoto dujas, naudojant nitritinį azotą kaip elektronų akceptorių. Todėl jis dar vadinamas PN/A procesu.
Šiame procese maždaug 89% neorganinio azoto paverčiama azoto dujomis, o likusieji 11% paverčiami nitratiniu azotu. Palyginti su tradiciniais nitrifikacijos-denitrifikavimo procesais, ANAO turi didelių technologinių pranašumų. Jo aeracijos energijos sąnaudos sudaro tik 55–60 % tradicinių procesų; šiam procesui beveik nereikia anglies šaltinio. Jei ANAO metu reikia pridėti anglies šaltinio, kad būtų pašalinti nitratų produktai, pridedamas kiekis taip pat yra daug mažesnis nei naudojant tradicinius procesus. Dozė sumažinama 90%; anammokso procesas gali sumažinti šarmingumo suvartojimą 45%. Tuo pačiu metu anamokso proceso dumblo gamyba yra daug mažesnė nei tradicinių denitrifikacijos procesų, o tai žymiai sumažins perteklinio dumblo apdorojimo ir šalinimo išlaidas.
Veiksniai, turintys įtakos Anammox
Sukurti tinkamas anamokso bakterijų išgyvenimo sąlygas pagrindinėse nuotekų valymo sistemose yra dabartinis iššūkis, įskaitant anamokso ir AOB bakterijų (amoniako azotą sukeliančių bakterijų, kurios amoniakinį azotą paverčia nitritu) sodrinimą ir NOB bakterijų (nitritus oksiduojančių bakterijų, kurios nitritus paverčia nitratais) slopinimą.
1. Temperatūra
Mikroorganizmų metabolinį aktyvumą daugiausia veikia temperatūra. Ankstesni tyrimų rezultatai rodo, kad 35 laipsniai yra optimali anamokso temperatūra. Optimali Anammox temperatūra yra tada, kai jo biologinis metabolizmas yra greičiausias, o reprodukcinis ciklas trumpiausias. Tačiau daugumos faktinių miesto nuotekų temperatūra yra žema (10–25 laipsniai), ypač kai kuriuose aukštų platumų regionuose, pvz., šiaurinėje mano šalies dalyje, kur nuotekų temperatūra dažnai būna žemesnė nei 10 laipsnių. Anammox veiksmingumas ir stabilumas šiose srityse yra didelis iššūkis.
Pagrindinė miesto nuotekų temperatūra paprastai yra apie 10–20 laipsnių, žemesnė už optimalią AnAOB augimo temperatūrą (25–40 laipsnių), o tai turės įtakos amoniako. 2. amoniako ir nitritų koncentracijų augimui.
Anaerobinės amonio oksidacijos (ANAMO) substratai yra amoniakas ir nitritas. Tačiau pernelyg didelės šių dviejų medžiagų koncentracijos gali slopinti procesą. Tyrimai parodė, kad slopinančios amoniako koncentracijos yra 38,0–98,5 nmol/L, o nitritų – 5,4–12,0 nmol/L. Jetten ir kt. nustatė, kad esant didesnei nei 20 nmol/L nitritų koncentracijai, ANAMMOX procesas yra žymiai slopinamas. Ilgalaikis didelės nitritų koncentracijos poveikis (2 val.) gali visiškai sunaikinti ANAMMOX aktyvumą, tačiau esant žemesnei nitritų koncentracijai (apie 10 nmol/L), jo aktyvumas išlieka gana didelis.
3. pH reikšmė
Kadangi amoniakas ir nitritai disocijuoja vandeniniuose tirpaluose, pH vertė turi įtakos ANAMMOX. Tyrimai parodė, kad ANAMMOX procesas gerai veikia esant 6,7–8,3 pH diapazonui, o optimalus pH yra maždaug 8.
4. Organinės medžiagos įtaka
ChDS kiekis nuotekose... Skatina heterotrofinių denitrifikuojančių bakterijų augimą ir slopina Anammox procesą. Anammox procesas gali dominuoti tik tada, kai pirmasis suvartoja mažai COD. Ši problema ypač aktuali valant didelio-intensyvumo miesto nuotekas. Winkler ir kt. tyrimai rodo, kad esant 25 laipsnių temperatūrai, jei žaliavinio vandens C/N santykis yra < 0,5, Anammox ir heterotrofinė denitrifikacija gali harmoningai egzistuoti, nesumažinant azoto šalinimo efektyvumo.
5. Trumpojo-nitrifikavimo stabilumas Taikant Anammox procesą, NOB aktyvumas turi būti kiek įmanoma sumažintas pagrindinėmis sąlygomis, kad būtų galima kauptis nitritams ir palaikyti nitrifikacijos sistemą trumpo -nitrifikacijos būsenoje. Tai labai svarbu užtikrinant Anammox stabilumą. Normalus proceso veikimas yra esminis ir tiesiogiai susijęs su jo gydymo poveikiu. Aukščiau minėtus tikslus galima pasiekti kontroliuojant laisvąjį amoniaką. Todėl anamoksas daugiausia naudojamas nuotekoms, kuriose yra daug -amonio azoto, nes laisvasis amoniakas nuotekose, kuriose yra daug -amoniako azoto, gali slopinti NOB, palaikant sistemą trumpai-nitrifikacijos būsenoje tinkamomis kontrolės sąlygomis. Tačiau komunalinėse nuotekose trumpojo-nitrifikacijos stabilumui įtakos turi temperatūra ir amoniakinis azotas, todėl stabilus veikimas neįmanomas! PN/A procese trumpam-nitrifikacijos etapui taip pat turi įtakos temperatūra, nes AOB aktyvumas slopinamas esant žemai temperatūrai, todėl sumažėja amoniakinio azoto konversijos greitis. Be to, AOB aktyvinimo energija yra didesnė nei NOB, todėl susidaro nepakankamas NO2 kaupimasis, kuris negali suteikti pakankamai substrato Anammox reakcijai.
ANAMMOX procesas ir jo išvestiniai procesai
Praktiniuose inžineriniuose pritaikymuose naudojamas Anammox technologijas galima suskirstyti į skendinčio dumblo, granuliuoto dumblo ir bioplėvelės procesus.
1. Suspenduoto dumblo procesas
AOB ir AAOB Lėtai{0}}augantys ir ilgais generavimo ciklais mikroorganizmai lengvai prarandami įprastose suspenduoto dumblo sistemose. Todėl suspenduoto dumblo procesuose mikroorganizmams sulaikyti dažnai naudojami sekvenavimo paketiniai reaktoriai (SBR).
Iš visų SBR anammox technologijų 80% yra DEMON procesas. Šis procesas pirmą kartą buvo pritaikytas Strass nuotekų valymo įrenginiuose Austrijoje. Pagrindinis jo principas yra reguliuoti aeracijos laiką stebint pH pokyčius, taip sureguliuojant pusiausvyrą tarp trumpo-nitrifikacijos ir anamokso. Be to, šiame procese naudojami hidrociklonai, reguliuojantys AAOB ir AOB dumblo amžių. Veikiant išcentrinei jėgai, mikroorganizmai yra atskiriami į dvi dalis: lengvesnis AOB išsilieja iš viršaus, o sunkesnis AAOB kaupiasi apačioje ir teka atgal į reaktorių. „Strass“ nuotekų valyklos autotrofinio azoto šalinimo efektyvumas viršijo 85%.
2. Granuliuoto dumblo procesas
Tipiškas granuliuoto dumblo sistemos pavyzdys yra „Anammox“ reaktorius, kurį pastatė „Parker“ Roterdame. Ankstyvieji srauto-pa-procesai buvo linkę naudoti dviejų-pakopų sistemas, todėl iš tikrųjų „Anammox“ reaktorius buvo integruotas su anksčiau sukurta nitrifikacija... SHARON reaktorius buvo sujungtas į Sharon-Anammox reaktorių sistemą, kuri užtruko 3,5 metų. Vėliau Parker Biomedical sukūrė integruotą Anammox reaktorių. Tiek anamokso reaktorius, tiek integruotas reaktorius dviejų-pakopų sistemoje veikia nepertraukiamu srautu, su vidine pasvirusia plokšteline nusodinimo talpa, kad būtų sulaikomos dumblo dalelės.
3. Bioplėvelės procesai
Anammox procesai, kuriuose naudojama bioplėvelės technologija, daugiausia apima DeAmmon ir ANITATMMox. DeAmmon procesą sudaro trys MBBR reaktoriai ir vienas degazavimo bakas. Prireikus tris reaktorius galima sujungti nuosekliai arba lygiagrečiai, o MBBR užpildymo greitis yra 40–50%. ANITATMMox savo šoninėje srauto sistemoje pirmiausia naudoja integruotą MBBR reaktorių. ANITATMMox gali naudoti gryną MBBR bioplėvelę arba dumblo -plėvelės hibridą IFAS (Integrated Fat Film Assay). Gryno bioplėvelės procese AAOB bakterijos yra vidiniame pakavimo medžiagos sluoksnyje, o AOB – atokiausiame sluoksnyje; IFAS procese AAOB daugiausia yra ant pakavimo medžiagos, o AOB... suspenduotame dumble.
Pirmasis pasaulyje veikiantis anaerobinio amoniako oksidacijos (ANAO) projektas!
2002 m. Parker Systems pastatė pirmąjį pasaulyje produktyvų ANAO reaktorių Dokhaven nuotekų valymo gamykloje Roterdame, naudodama SharonAnammox sistemą dumblo sausinimo skysčiui apdoroti. Vėliau daugiau nei 100 tokių reaktorių buvo pastatyta Nyderlanduose, Vokietijoje, Japonijoje, Australijoje, Šveicarijoje ir JK. Keli anaerobinio amoniako oksidacijos nuotekų valymo įrenginiai apvalo nuotekas, įskaitant sąvartynų filtratą, gyvulininkystės ūkių nuotekas ir maisto nuotekas, be dumblo pūdymo skysčio.
1. Anaerobinis dumblo apdorojimas oksiduojant amoniaku DOKHAVEN nuotekų valymo įrenginiuose Roterdame, Nyderlanduose
Manoma, kad organinis dumblas, kaip energijos nešiklis, jame esančias organines medžiagas pirmiausia paverčia energetinėmis dujomis{0}}metanu. Remiantis tuo, formuojamas paveikslėlyje parodytas dumblo apdorojimo procesas. Perteklinis dumblas, susidaręs nuotekų valymo procese, prieš patenka į dumblo pūdymo baką (5), sutirštinamas dviem skirtingais būdais. Perteklinis dumblas ir dumblas iš A-sekcijos aeracijos bako prieš sutirštinant filtruojamas per smulkų sietą (1), o tada lygiagrečiai patenka į du tankinimo tankus (2). Nusistojusio dumblo vandens kiekis yra 94 %; tada atskirtas supernatantas grąžinamas į nuotekų valymo procesą tolesniam valymui.
Dumblo pūdymo skystyje yra gana didelė amoniakinio azoto koncentracija (iki 1500 mg N/L), o vandens temperatūra yra 28 laipsniai. laipsnis . Tokia didelė azoto apkrova, patenkanti į nuotekų valymo procesą, padidins azoto pašalinimo naštą. Todėl naujausių SHARON ir ANAMMOX technologijų pritaikymas atskiram dumblo pūdytuvo denitrifikaciniam apdorojimui yra naujausia DOKHAVEN nuotekų valymo įrenginio atnaujinimo priemonė pastaraisiais metais. Pirmasis pasaulyje produktyvus SHARON reaktorius (11) čia pradėjo veikti 1998 metų spalį, o pirmasis pasaulyje ANAMMOX reaktorius (12) pradėtas eksploatuoti 2002 metų birželį.
2. Proceso parametrai
1) Vienas smulkių sietų komplektas, debitas 510 m³/h, atstumas tarp ekranų 3 mm.
2) Du rinkiniai gravitacinių tirštiklių, Ф23,6 m, H=3 m, sausųjų medžiagų apkrova 36 kg/(m²·d), dumblo tūris 530 m³/d (drėgmės kiekis 94%).
3) Juostos tirštiklio apdorojimo našumas 90 m³/h arba 700 kg sausųjų medžiagų/val.
4) Perteklinio dumblo išlyginimo rezervuaras 900 m³.
5) 6) Du dumblo pūdymo rezervuarai, Ф22 m, H=23 m, sulaikymo laikas 28 dienos 33 laipsnių temperatūroje, todėl po pūdymo dumblo tūris yra 600 m³/d (96 % drėgmės kiekis). Dumblo išlyginimo rezervuaro talpa yra 900 m³.
7) Dvi centrifugos, kurių apdorojimo našumas yra 40 m³/h.
8) Du nusausinto dumblo laikymo rezervuarai, kurių kiekvieno tūris yra 150 m³; saugojimo laikas 2,5 dienos; H=14 m.
9) Vienas SHARON reaktorius; Ф19,5 m, H=5.75 m, srautas 550 m³/d, hidraulinis sulaikymo laikas 3 paros, aerobinis sulaikymo laikas 24 val., temperatūra 35 laipsniai, pH 7-7,2, ištirpusio deguonies koncentracija 1,5 mg/L.
10) Vienas ANAMMOX reaktorius; Ф2,2 m, H=18 m (V=70 m³), debitas 550 m³/d. Reaktorius veikia m³/d našumu, 3 val. hidraulinės sulaikymo trukmės, 800 kgN/d projektinės apkrovos, 35 laipsnių temperatūros ir 7,5 pH.
SHARON reaktorius pusę amoniakinio azoto oksiduoja į nitritinį azotą (be pH kontrolės). Likusi pusė amoniakinio azoto ir konvertuoto nitrito azoto (pusė viso įtekančio amoniakinio azoto) sudaro molinį santykį, reikalingą ANAMMOX (1:1), leidžiantį amoniakinį azotą ir nitritinį azotą tiesiogiai paversti azoto dujomis autotrofinės konversijos būdu. Palyginti su tradiciniais nitrifikacijos / denitrifikacijos procesais, SHARON/ANAMMOX procesas sumažina eksploatavimo išlaidas 90%, CO2 emisiją 88%, nesukuria kenksmingų N₂O dujų, nereikalauja organinių medžiagų, negamina perteklinio dumblo ir sutaupo 50% žemės ploto, o tai rodo didelę tvarumą ir ekonominę naudą.