Anaerobās amonjaka oksidācijas (ANAMMOX) procesu 1990. gadā izstrādāja Delftas Tehnoloģiju universitātes Kluiveras biotehnoloģijas laboratorija Nīderlandē. Šis process pārkāpj tradicionālo bioloģisko slāpekļa atdalīšanas procesu teorētiskās koncepcijas. Anaerobos apstākļos amonjaks tiek oksidēts slāpekļa gāzē, izmantojot amonjaku kā elektronu donoru un nitrātu vai nitrītu kā elektronu akceptoru. Tas ietaupa vairāk nekā 60% skābekļa padeves, salīdzinot ar pilnu nitrifikāciju (amonjaka oksidēšanu līdz nitrātam). Izmantojot amonjaku kā elektronu donoru, tiek ietaupīts arī oglekļa avots, kas nepieciešams tradicionālajos bioloģiskajos slāpekļa noņemšanas procesos.
ANAMMOX procesam ir tādas priekšrocības kā augsta slāpekļa atdalīšanas efektivitāte, zemas ekspluatācijas izmaksas un mazs nospiedums, un tam ir liels potenciāls notekūdeņu attīrīšanas jomā. Šobrīd šis process kļūst arvien nobriedušāks sadzīves dūņu apstrādē. Pasaulē pirmā ražošanas- mēroga ANAMMOX iekārta, kas atrodas Dokhaven notekūdeņu attīrīšanas iekārtā Roterdamā, Nīderlandē, un tilpuma slāpekļa noņemšanas ātrums (NRR) ir pat 9,5 kg N/(m3·d). Turklāt ANAMMOX process tiek arvien vairāk izmantots tādu notekūdeņu attīrīšanā ar augstu-amonjaka slāpekļa saturu kā fermentācijas rūpnieciskie notekūdeņi, atkritumu poligonu izskalojumi un akvakultūras notekūdeņi, un tā inženiertehniskie pielietojumi strauji izplatās visā pasaulē.
Anaerobās amonjaka oksidācijas princips
Anammox ir bioloģiska reakcija anaerobos apstākļos, izmantojot amonjaku kā elektronu donoru un nitrītu kā elektronu akceptoru, lai iegūtu slāpekli un nitrātus. Anammox ietver divus procesus: pirmkārt, sadalīšanās (enerģijas ražošanas) metabolismu, kur amonjaks darbojas kā elektronu donors un nitrīts kā elektronu akceptors, reaģējot proporcijā 1:1, veidojot slāpekļa gāzi, uzglabājot enerģiju kā ATP; otrkārt, anabolisms, kur nitrīts darbojas kā elektronu akceptors, nodrošinot reducējošu jaudu un izmantojot sadalīšanās metabolisma procesā iegūto oglekļa dioksīdu un ATP, lai sintezētu šūnu materiālus, šajā procesā radot nitrātus. Anaerobās amonjaka oksidācijas baktērijas (AnAOB) ir anaerobās amonjaka oksidācijas īstenotājas.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358 kg/mol
Anaerobās amonija oksidācijas (ANAO) process galvenokārt sastāv no diviem posmiem: Pirmais solis ir daļēja nitrifikācija, kurā tikai aptuveni 55% no amonjaka slāpekļa jāpārvērš par nitrītu slāpekli; otrais solis ir anaerobā amonija oksidēšana (ANAO), kur amonjaka slāpeklis anaerobos apstākļos tiek oksidēts par slāpekļa gāzi, izmantojot nitrītu slāpekli kā elektronu akceptoru. Tāpēc to sauc arī par PN/A procesu.
Šajā procesā aptuveni 89% neorganiskā slāpekļa tiek pārveidoti par slāpekļa gāzi, bet atlikušie 11% tiek pārveidoti par nitrātu slāpekli. Salīdzinot ar tradicionālajiem nitrifikācijas-denitrifikācijas procesiem, ANAO ir ievērojamas tehnoloģiskās priekšrocības. Tā aerācijas enerģijas patēriņš ir tikai 55-60% no tradicionālajiem procesiem; šim procesam gandrīz nav nepieciešams oglekļa avots. Ja ANAO laikā ir nepieciešams pievienot oglekļa avotu, lai atdalītu nitrātu produktus, arī pievienotais daudzums ir daudz mazāks nekā tradicionālajos procesos. Deva tiek samazināta par 90%; anammox process var samazināt sārmainības patēriņu par 45%. Tajā pašā laikā anammoksa procesa dūņu ražošana ir daudz zemāka nekā tradicionālajos denitrifikācijas procesos, kas ievērojami samazinās lieko dūņu apstrādes un apglabāšanas izmaksas.
Faktori, kas ietekmē Anammox
Piemērotu izdzīvošanas apstākļu radīšana anammoksu baktērijām galvenajās notekūdeņu attīrīšanas sistēmās ir aktuāls izaicinājums, tostarp anammoksa un AOB baktēriju (amonjaka slāpekļa baktēriju, kas pārvērš amonjaka slāpekli nitrītos) bagātināšana un NOB baktēriju (nitrītu oksidējošās baktērijas, kas nitrītus pārvērš nitrātos) inhibēšana.
1. Temperatūra
Mikroorganismu vielmaiņas aktivitāti lielā mērā ietekmē temperatūra. Iepriekšējie pētījumu rezultāti liecina, ka anammoksam optimālā temperatūra ir 35 grādi. Anammox optimālā temperatūra ir tad, kad tā bioloģiskais metabolisms ir visātrākais un reproduktīvais cikls ir visīsākais. Tomēr vairumā faktisko komunālo notekūdeņu temperatūra ir zema (10–25 grādi), īpaši dažos augstu{6}}platuma grādu reģionos, piemēram, manas valsts ziemeļos, kur notekūdeņu temperatūra bieži ir zemāka par 10 grādiem. Anammox efektivitāte un stabilitāte šajās jomās rada ievērojamu izaicinājumu.
Pilsētas notekūdeņu galvenā temperatūra parasti ir aptuveni 10–20 grādi, kas ir zemāka par AnAOB optimālo augšanas temperatūru (25–40 grādi), kas ietekmēs Anammox. 2. amonjaka un nitrītu koncentrācijas pieaugumu.
Anaerobās amonija oksidācijas (ANAMO) substrāti ir amonjaks un nitrīts. Tomēr pārāk augsta šo divu vielu koncentrācija var kavēt procesu. Pētījumi liecina, ka inhibējošā koncentrācija amonjakam ir 38,0–98,5 nmol/L, bet nitrīta – 5,4–12,0 nmol/L. Jetten et al. atklāja, ka pie nitrītu koncentrācijas virs 20 nmol/L ANAMMOX process tiek ievērojami kavēts. Ilgstoša (2 stundas) augstas nitrītu koncentrācijas iedarbība var pilnībā iznīcināt ANAMMOX aktivitāti, taču pie zemākas nitrītu koncentrācijas (apmēram 10 nmol/L) tā aktivitāte saglabājas salīdzinoši augsta.
3. pH vērtība
Tā kā amonjaks un nitrīts ūdens šķīdumos disociējas, pH vērtība ietekmē ANAMMOX. Pētījumi liecina, ka ANAMMOX process labi darbojas pH diapazonā no 6,7 līdz 8,3, un optimālais pH ir aptuveni 8.
4. Organisko vielu ietekme
ĶSP saturs notekūdeņos... Tas veicina heterotrofu denitrificējošu baktēriju augšanu un kavē Anammox procesu. Anammox process var dominēt tikai tad, ja pirmais patērē ĶSP līdz zemam līmenim. Šī problēma ir īpaši aktuāla augstas-intensitātes komunālo notekūdeņu attīrīšanā. Vinklera et al. pētījumi liecina, ka pie 25 grādiem, ja neapstrādāta ūdens C/N attiecība ir < 0,5, Anammox un heterotrofiskā denitrifikācija var harmoniski pastāvēt līdzās, neizraisot slāpekļa atdalīšanas efektivitātes samazināšanos.
5. Īslaicīgas-nitrifikācijas stabilitāte Lietojot Anammox procesu, NOB aktivitāte ir pēc iespējas jāsamazina parastajos apstākļos, lai nodrošinātu nitrītu uzkrāšanos un uzturētu nitrifikācijas sistēmu īstermiņa-nitrifikācijas stāvoklī. Tas ir ļoti svarīgi, lai nodrošinātu Anammox stabilitāti. Procesa normāla darbība ir fundamentāla un tieši saistīta ar tā ārstēšanas efektu. Iepriekšminētos mērķus var sasniegt, kontrolējot brīvo amonjaku. Tāpēc anammokss galvenokārt tiek izmantots notekūdeņos ar augstu-amonjaka slāpekļa saturu, jo brīvais amonjaks notekūdeņos ar augstu-amonjaka slāpekļa saturu var kavēt NOB, uzturot sistēmu īstermiņa-nitrifikācijas stāvoklī piemērotos kontroles apstākļos. Tomēr komunālajos notekūdeņos īslaicīgas-nitrifikācijas stabilitāti ietekmē temperatūra un amonjaka slāpeklis, tāpēc stabila darbība nav iespējama! PN/A procesā īsu{12}}nitrifikācijas posmu ietekmē arī temperatūra, jo AOB aktivitāte tiek kavēta zemā temperatūrā, samazinot amonjaka slāpekļa konversijas ātrumu. Turklāt AOB aktivācijas enerģija ir augstāka nekā NOB, izraisot nepietiekamu NO2 uzkrāšanos, kas nevar nodrošināt pietiekami daudz substrāta Anammox reakcijai.
ANAMMOX process un tā atvasinātie procesi
Praktiskajos inženiertehniskajos lietojumos izmantotās Anammox tehnoloģijas var iedalīt suspendēto dūņu, granulēto dūņu un bioplēves procesos.
1. Suspendēto dūņu process
AOB un AAOB Lēni{0}}augošs un ar gariem ģenerēšanas cikliem mikroorganismi tiek viegli zaudēti parastajās suspendēto dūņu sistēmās. Tāpēc suspendēto dūņu procesos mikroorganismu aizturēšanai bieži tiek izmantoti sekvencēšanas partijas reaktori (SBR).
No visām SBR anammox tehnoloģijām 80% ir DEMON process. Šis process pirmo reizi tika izmantots Strass notekūdeņu attīrīšanas iekārtā Austrijā. Tās pamatprincips ir pielāgot aerācijas laiku, uzraugot pH izmaiņas, tādējādi pielāgojot līdzsvaru starp īsu-nitrifikāciju un anammoksu. Turklāt šajā procesā tiek izmantoti hidrocikloni, lai regulētu AAOB un AOB dūņu vecumu. Centrbēdzes spēka ietekmē mikroorganismi tiek sadalīti divās daļās: vieglāks AOB pārplūst no augšas, bet smagāks AAOB uzkrājas apakšā un plūst atpakaļ uz reaktoru. Strass notekūdeņu attīrīšanas iekārta sasniedza autotrofiskā slāpekļa atdalīšanas efektivitāti, kas pārsniedz 85%.
2. Granulēto dūņu process
Tipisks granulēto dūņu sistēmas piemērs ir Roterdamā Parkera uzbūvētais Anammox reaktors. Agrīnās plūsmas -pa -plūsmas procesos parasti tika izmantotas divu-pakāpju sistēmas, tāpēc faktiskajā darbībā Anammox reaktors tika integrēts ar iepriekš iebūvēto nitrifikāciju... SHARON reaktors tika savienots, lai izveidotu Sharon-Anammox reaktoru sistēmu, kuras palaišana prasīja 3,5 gadus. Pēc tam Parker Biomedical izstrādāja integrētu Anammox reaktoru. Gan anammoksa reaktors, gan integrētais reaktors divu -pakāpju sistēmā darbojas nepārtraukti augšupplūsmā ar iekšēju slīpu plākšņu sedimentācijas tvertni, lai panāktu dūņu daļiņu aizturi.
3. Bioplēves procesi
Anammox procesi, kuros izmanto bioplēves tehnoloģiju, galvenokārt ietver DeAmmon un ANITATMMox. DeAmmon process sastāv no trim MBBR reaktoriem un vienas degazēšanas tvertnes. Trīs reaktorus pēc vajadzības var savienot virknē vai paralēli ar MBBR piepildījuma ātrumu 40–50%. ANITATMMox savā sānu -plūsmas sistēmā galvenokārt izmanto integrētu MBBR reaktoru. ANITATMMox var izmantot tīru MBBR bioplēvi vai dūņu{7}}plēves hibrīdu IFAS (Integrated Fat Film Assay). Tīrā bioplēves procesā AAOB baktērijas atrodas iepakojuma materiāla visdziļākajā slānī, un AOB atrodas visattālākajā slānī; IFAS procesā AAOB galvenokārt atrodas uz iepakojuma materiāla, un AOB... suspendētajās dūņās.
Pasaulē pirmais operatīvais anaerobās amonjaka oksidācijas (ANAO) projekts!
2002. gadā Parker Systems uzcēla pasaulē pirmo produktīvo ANAO reaktoru Dokhaven notekūdeņu attīrīšanas iekārtā Roterdamā, izmantojot SharonAnammox sistēmu, lai attīrītu dūņu atūdeņošanas šķidrumu. Pēc tam Nīderlandē, Vācijā, Japānā, Austrālijā, Šveicē un Apvienotajā Karalistē tika uzbūvēti vairāk nekā 100 šādu reaktoru. Vairākas anaerobās amonjaka oksidācijas notekūdeņu attīrīšanas iekārtas attīra notekūdeņus, tostarp poligonu izskalojumus, lopkopības fermu notekūdeņus un pārtikas notekūdeņus, papildus dūņu fermentācijas šķidrumam.
1. Dūņu anaerobā amonjaka oksidācijas apstrāde DOKHAVEN notekūdeņu attīrīšanas iekārtā Roterdamā, Nīderlandē
Tiek uzskatīts, ka organiskās dūņas kā enerģijas nesējs vispirms pārvērš tajās esošās organiskās vielas enerģētiskā gāzē-metānā. Pamatojoties uz to, veidojas attēlā redzamais dūņu apstrādes process. Notekūdeņu attīrīšanas procesa liekās dūņas tiek pakļautas divām dažādām sabiezēšanas metodēm pirms nonākšanas dūņu fermentācijas tvertnē (5). Liekās dūņas un dūņas no A-sekcijas aerācijas tvertnes pirms sabiezēšanas tiek filtrētas caur smalku sietu (1) un pēc tam paralēli tiek ievadītas divās gravitācijas biezināšanas tvertnēs (2). Nosēdinātajās dūņās ūdens saturs ir 94%; atdalītais supernatants pēc tam tiek atgriezts notekūdeņu attīrīšanas procesā turpmākai attīrīšanai.
Dūņu fermentācijas šķidrums satur salīdzinoši augstu amonjaka slāpekļa koncentrāciju (līdz 1500 mg N/L), un ūdens temperatūra ir 28 grādi. grāds . Tik liela slāpekļa slodze, kas nonāk notekūdeņu attīrīšanas procesā, palielinās slāpekļa atdalīšanas slogu. Tāpēc jaunāko SHARON un ANAMMOX tehnoloģiju pieņemšana atsevišķai dūņu digestāta denitrifikācijas apstrādei ir jaunākais DOKHAVEN notekūdeņu attīrīšanas iekārtas modernizācijas pasākums pēdējos gados. Pasaulē pirmais produktīvais SHARON reaktors (11) šeit sāka darboties 1998. gada oktobrī, bet pasaulē pirmais ANAMMOX reaktors (12) tika nodots ekspluatācijā 2002. gada jūnijā.
2. Procesa parametri
1) Viens smalku sietu komplekts, plūsmas ātrums 510 m³/h, attālums starp sietiem 3 mm.
2) Divi gravitācijas biezinātāju komplekti, Ф23,6 m, H=3 m, sauso vielu slodze 36 kg/(m²·d), dūņu tilpums 530 m³/d (mitrums 94%).
3) Lentes biezinātāja apstrādes jauda 90 m³/h vai 700 kg sausnas/h.
4) Lieko dūņu izlīdzināšanas tvertne 900 m³.
5) 6) Divas dūņu fermentācijas tvertnes, Ф22 m, H=23 m, aiztures laiks 28 dienas pie 33 grādiem, kā rezultātā dūņu tilpums pēc fermentācijas ir 600 m³/d (96% mitruma saturs). Dūņu izlīdzināšanas tvertnes ietilpība ir 900 m³.
7) Divas centrifūgas ar apstrādes jaudu 40 m³/h.
8) divas atūdeņotās dūņu uzglabāšanas tvertnes, katra ar tilpumu 150 m³; glabāšanas laiks 2,5 dienas; H=14 m.
9) Viens SHARON reaktors; Ф19,5 m, H=5.75 m, plūsmas ātrums 550 m³/d, hidrauliskās aiztures laiks 3 dienas, aerobās aiztures laiks 24 h, temperatūra 35 grādi, pH 7-7,2, izšķīdušā skābekļa koncentrācija 1,5 mg/L.
10) Viens ANAMMOX reaktors; Ф2,2 m, H=18 m (V=70 m³), plūsmas ātrums 550 m³/d. Reaktors darbojas ar jaudu m³/d, ar hidraulisko aiztures laiku 3 h, projektēto slodzi 800 kgN/d, temperatūru 35 grādi un pH 7,5.
SHARON reaktors pusi no amonjaka slāpekļa oksidē par nitrītu slāpekli (bez pH kontroles). Atlikusī puse no amonjaka slāpekļa un pārveidotais nitrītu slāpeklis (puse no kopējā amonjaka slāpekļa ieplūdē) veido molāro attiecību, kas nepieciešama ANAMMOX (1:1), ļaujot amonjaka slāpeklim un nitrītu slāpeklim tieši pārveidoties par slāpekļa gāzi, izmantojot autotrofisku pārveidi. Salīdzinot ar tradicionālajiem nitrifikācijas/denitrifikācijas procesiem, SHARON/ANAMMOX process samazina ekspluatācijas izmaksas par 90%, CO2 emisijas par 88%, nerada kaitīgu N₂O gāzi, neprasa organiskas vielas, nerada liekās dūņas un ietaupa 50% zemes platības, demonstrējot ievērojamu ilgtspējību un ekonomiskos ieguvumus.
