Anaerobisen ammoniakin hapetusprosessin (ANAMMOX) kehitti vuonna 1990 Kluyver Biotechnology Laboratory Delftin teknillisessä yliopistossa Hollannissa. Tämä prosessi rikkoo perinteisten biologisten typenpoistoprosessien teoreettiset peruskäsitteet. Anaerobisissa olosuhteissa ammoniakki hapetetaan typpikaasuksi käyttämällä ammoniakkia elektronin luovuttajana ja nitraattia tai nitriittiä elektronin vastaanottajana. Tämä säästää yli 60 % hapen saannista verrattuna täydelliseen nitrifikaatioon (ammoniakin hapettuminen nitraatiksi). Ammoniakin käyttäminen elektronin luovuttajana säästää myös perinteisissä biologisissa typenpoistoprosesseissa tarvittavaa hiililähdettä.
ANAMMOX-prosessilla on etuja, kuten korkea typenpoistoteho, alhaiset käyttökustannukset ja pieni jalanjälki, ja sillä on suuri kehityspotentiaali jäteveden käsittelyssä. Tällä hetkellä tämä prosessi on yhä kypsempi yhdyskuntalietteen käsittelyssä. Maailman ensimmäisen tuotanto{2}}mittakaavan ANAMMOX-yksikön, joka sijaitsee Dokhavenin jätevedenpuhdistamolla Rotterdamissa, Alankomaissa, ja sen typenpoistonopeus (NRR) on jopa 9,5 kg N/(m3·d). Lisäksi ANAMMOX-prosessia omaksutaan yhä enemmän korkean-ammoniakityppipitoisen jäteveden, kuten käymisjätevesien, kaatopaikkojen suotoveden ja vesiviljelyjätevesien, käsittelyssä, ja sen tekniset sovellukset leviävät nopeasti maailmanlaajuisesti.
Anaerobisen ammoniakin hapetuksen periaate
Anammox on biologinen reaktio anaerobisissa olosuhteissa, jossa käytetään ammoniakkia elektronien luovuttajana ja nitriittiä elektronien vastaanottajana typen ja nitraattien tuottamiseksi. Anammox sisältää kaksi prosessia: ensinnäkin hajoaminen (energiantuotanto) aineenvaihdunta, jossa ammoniakki toimii elektronin luovuttajana ja nitriitti elektronien vastaanottajana, reagoi 1:1-suhteessa tuottaen typpikaasua ja varastoi energian ATP:nä; toiseksi anabolia, jossa nitriitti toimii elektronien vastaanottajana, tarjoten pelkistysvoimaa ja hyödyntäen hajoamisen aineenvaihdunnassa syntyvää hiilidioksidia ja ATP:tä solumateriaalien syntetisoimiseksi, jolloin prosessissa syntyy nitraattia. Anaerobiset ammoniakin hapetusbakteerit (AnAOB) ovat anaerobisen ammoniakin hapetuksen toteuttajia.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358 kg/mol
Anaerobinen ammoniumin hapetusprosessi (ANAO) koostuu pääosin kahdesta vaiheesta: Ensimmäinen vaihe on osittainen nitrifikaatio, jossa vain noin 55 % ammoniakkitypestä on muutettava nitriittitypeksi; toinen vaihe on anaerobinen ammoniumhapetus (ANAO), jossa ammoniakkityppi hapetetaan anaerobisissa olosuhteissa typpikaasuksi elektronien vastaanottajana toimivan nitriittitypen avulla. Siksi sitä kutsutaan myös PN/A-prosessiksi.
Tässä prosessissa noin 89 % epäorgaanisesta typestä muuttuu typpikaasuksi ja loput 11 % muuttuu nitraattitypeksi. Perinteisiin nitrifikaatio{3}}denitrifikaatioprosesseihin verrattuna ANAO:lla on merkittäviä teknologisia etuja. Sen ilmastusenergiankulutus on vain 55-60 % perinteisistä prosesseista; tämä prosessi ei vaadi lähes mitään hiililähdettä. Jos ANAO:n aikana on lisättävä hiilenlähdettä nitraattituotteiden poistamiseksi, lisättävä määrä on myös paljon pienempi kuin perinteisissä prosesseissa. Annosta pienennetään 90 %; anammox-prosessi voi vähentää alkalisuuden kulutusta 45 %. Samanaikaisesti anammox-prosessin lietteen tuotanto on paljon pienempi kuin perinteisissä denitrifikaatioprosesseissa, mikä vähentää merkittävästi ylimääräisen lietteen käsittely- ja hävityskustannuksia.
Anammoxiin vaikuttavat tekijät
Sopivien eloonjäämisolosuhteiden luominen anammox-bakteereille yleisissä jätevedenpuhdistusjärjestelmissä on nykyinen haaste, mukaan lukien anammox- ja AOB-bakteerien rikastaminen (ammoniakkityppeä aiheuttavat bakteerit, jotka muuttavat ammoniakkitypen nitriitiksi) ja NOB-bakteerien (nitriittiä hapettavat bakteerit, jotka muuttavat nitriittiä nitraatiksi) estäminen.
1. Lämpötila
Mikro-organismien metaboliseen toimintaan vaikuttaa suurelta osin lämpötila. Aiemmat tutkimustulokset osoittavat, että 35 astetta on optimaalinen lämpötila anammoxille. Anammoxin optimaalinen lämpötila on, kun sen biologinen aineenvaihdunta on nopein ja lisääntymiskierto lyhin. Useimpien kaupunkien jätevesien lämpötila on kuitenkin alhainen (10–25 astetta), erityisesti joillakin korkeilla-leveysasteilla, kuten kotimaani pohjoisosassa, missä jäteveden lämpötilat ovat usein alle 10 astetta. Anammoxin tehokkuus ja vakaus näillä alueilla ovat merkittävä haaste.
Yhdyskuntajätevesien valtavirran lämpötila on yleensä noin 10–20 astetta, alhaisempi kuin AnAOB:n optimaalinen kasvulämpötila (25–40 astetta), mikä vaikuttaa Anammox. 2. Ammoniakin ja nitriittipitoisuuksien kasvuun.
Anaerobisen ammoniumin hapetuksen (ANAMO) substraatit ovat ammoniakki ja nitriitti. Näiden kahden aineen liian suuret pitoisuudet voivat kuitenkin estää prosessin. Tutkimukset ovat osoittaneet, että ammoniakin estopitoisuudet ovat 38,0–98,5 nmol/L ja nitriitin 5,4–12,0 nmol/L. Jetten et ai. havaitsivat, että yli 20 nmol/L nitriittipitoisuuksilla ANAMMOX-prosessi estyy merkittävästi. Pitkäaikainen altistuminen (2 tuntia) korkeille nitriittipitoisuuksille voi tuhota ANAMMOX-aktiivisuuden täysin, mutta alhaisemmilla nitriittipitoisuuksilla (noin 10 nmol/L) sen aktiivisuus pysyy suhteellisen korkeana.
3. pH-arvo
Koska ammoniakki ja nitriitti dissosioituvat vesiliuoksissa, pH-arvo vaikuttaa ANAMMOXiin. Tutkimukset ovat osoittaneet, että ANAMMOX-prosessi toimii hyvin pH-alueella 6,7–8,3 ja optimaalinen pH on noin 8.
4. Orgaanisen aineen vaikutus
Jäteveden COD-pitoisuus... Se edistää heterotrofisten denitrifioivien bakteerien kasvua ja estää Anammox-prosessia. Anammox-prosessi voi hallita vain, kun COD kuluttaa alhaiselle tasolle. Tämä ongelma on erityisen tärkeä korkean-intensiteetin kaupunkijätevesien käsittelyssä. Winkler ym. tutkimukset osoittavat, että 25 asteessa, jos raakaveden C/N-suhde on < 0,5, Anammox ja heterotrofinen denitrifikaatio voivat esiintyä harmonisesti rinnakkain ilman, että typenpoistoteho heikkenee.
5. Lyhyt-nitrifikaation stabiilisuus Anammox-prosessia käytettäessä NOB-aktiivisuus on minimoitava niin paljon kuin mahdollista tavanomaisissa olosuhteissa, jotta nitriitin kerääntyisi ja nitrifikaatiojärjestelmä pysyisi lyhyessä-nitrifikaatiotilassa. Tämä on erittäin tärkeää Anammoxin vakauden varmistamiseksi. Prosessin normaali toiminta on perustavanlaatuista ja liittyy suoraan sen hoitovaikutukseen. Edellä mainitut tavoitteet voidaan saavuttaa säätelemällä vapaata ammoniakkia. Tästä syystä anammoksia käytetään pääasiassa korkean-ammoniakityppipitoisen jäteveteen, koska vapaa ammoniakki runsas-ammoniakityppipitoisessa jätevedessä voi estää NOB:n ja pitää järjestelmän lyhyessä-nitrifikaatiotilassa sopivissa säätöolosuhteissa. Kuitenkin yhdyskuntajätevesissä lämpötila ja ammoniakkityppi vaikuttavat oikosulkunitrifikaation vakauteen, mikä tekee vakaan toiminnan mahdottomaksi! PN/A-prosessissa lyhyt{12}}nitrifikaatiovaiheeseen vaikuttaa myös lämpötila, koska AOB:n aktiivisuus estyy alhaisissa lämpötiloissa, mikä vähentää ammoniakkitypen konversionopeutta. Lisäksi AOB:n aktivaatioenergia on korkeampi kuin NOB:n, mikä johtaa riittämättömään NO2:n kertymiseen, mikä ei voi tarjota tarpeeksi substraattia Anammox-reaktiolle.
ANAMMOX-prosessi ja sen johdannaisprosessit
Käytännön suunnittelusovelluksissa käytettävät Anammox-teknologiat voidaan jakaa suspendoituneeseen liete-, rakeiseen liete- ja biofilmiprosesseihin.
1. Suspendoidun lietteen käsittely
AOB ja AAOB Hitaasti{0}}kasvava ja pitkien tuotantojaksojen ansiosta mikro-organismit häviävät helposti tavanomaisissa lietejärjestelmissä. Siksi suspendoituneen lieteprosesseissa käytetään usein sekvensointieräreaktoreita (SBR) mikro-organismien säilyttämiseksi.
Kaikista SBR anammox -tekniikoista 80 % on DEMON-prosessia. Tätä menetelmää sovellettiin ensimmäisen kerran Strassin jätevedenpuhdistamolla Itävallassa. Sen ydinperiaate on säätää ilmastusaikaa tarkkailemalla pH-muutoksia, mikä säätelee tasapainoa lyhyt-nitrifikaation ja anammoxin välillä. Lisäksi tässä prosessissa käytetään hydrosykloneja säätelemään AAOB:n ja AOB:n lietteen ikää. Keskipakovoiman vaikutuksesta mikro-organismit erotetaan kahteen osaan: kevyempi AOB vuotaa yli ylhäältä, kun taas raskaampi AAOB kerääntyy pohjalle ja virtaa takaisin reaktoriin. Strassin jätevedenpuhdistamon autotrofinen typenpoistotehokkuus oli yli 85 %.
2. Rakeinen lieteprosessi
Tyypillinen esimerkki rakeisesta lietejärjestelmästä on Parkerin Rotterdamissa rakentama Anammox-reaktori. Varhaiset flow{1}}by-prosesseissa käytettiin yleensä kaksi-vaiheista järjestelmää, joten todellisessa toiminnassa Anammox-reaktori integroitiin aiemmin rakennettuun nitrifikaatioon... SHARON-reaktori yhdistettiin Sharon-Anammox-reaktorijärjestelmäksi, jonka käynnistyminen kesti 3,5 vuotta. Myöhemmin Parker Biomedical kehitti integroidun Anammox-reaktorin. Sekä anammox-reaktori että integroitu reaktori kaksivaiheisessa järjestelmässä toimivat jatkuvatoimisesti ylösvirtauksella, jossa on sisäinen kalteva levysedimentointisäiliö lietteen hiukkasten pidättämiseksi.
3. Biofilmiprosessit
Biofilmiteknologiaa käyttäviä Anammox-prosesseja ovat pääasiassa DeAmmon ja ANITATMMox. DeAmmon-prosessi koostuu kolmesta MBBR-reaktorista ja yhdestä kaasunpoistosäiliöstä. Kolme reaktoria voidaan kytkeä sarjaan tai rinnan tarpeen mukaan, MBBR-täyttöasteella 40–50 %. ANITATMMox käyttää ensisijaisesti integroitua MBBR-reaktoria sivuvirtausjärjestelmässään. ANITATMMox voi käyttää puhdasta MBBR-biofilmiä tai liete{7}}kalvohybridiä IFAS:a (Integrated Fat Film Assay). Puhtaassa biofilmiprosessissa AAOB-bakteerit ovat pakkausmateriaalin sisimmässä kerroksessa ja AOB-bakteerit uloimmassa kerroksessa; IFAS-prosessissa AAOB ovat pääasiassa pakkausmateriaalissa ja AOB... suspendoituneessa lietteessä.
Maailman ensimmäinen toimiva anaerobinen ammoniakin hapetus (ANAO) -projekti!
Parker Systems rakensi vuonna 2002 maailman ensimmäisen tuottavan ANAO-reaktorin Dokhavenin jätevedenpuhdistamolle Rotterdamissa, jossa käytettiin SharonAnammox-järjestelmää lietteen vedenpoistonesteen käsittelyyn. Myöhemmin yli 100 tällaista reaktoria rakennettiin Hollannissa, Saksassa, Japanissa, Australiassa, Sveitsissä ja Isossa-Britanniassa. Useat anaerobisen ammoniakin hapetusjätevedenpuhdistamot käsittelevät jätevedet, mukaan lukien kaatopaikan suotovedet, kotieläintilojen jätevedet ja ruokajätevedet, lietteen mädätysnesteen lisäksi.
1. Lietteen anaerobinen ammoniakin hapetuskäsittely DOKHAVEN-jätevedenpuhdistamolla Rotterdamissa, Alankomaissa
Orgaanisen lietteen katsotaan ensinnäkin muuntavan siinä olevan orgaanisen aineen energian kantajana energeettiseksi kaasu{0}}metaaniksi. Tämän perusteella muodostuu kuvan mukainen lietteenkäsittelyprosessi. Jätevedenkäsittelyprosessin ylimääräinen liete käy läpi kaksi eri sakeutusmenetelmää ennen kuin se menee lietteen mädätyssäiliöön (5). Ylimääräinen liete ja liete A--osan ilmastussäiliöstä suodatetaan hienon sihdin (1) läpi ennen sakeuttamista, minkä jälkeen ne syötetään kahteen painovoiman sakeutussäiliöön (2) rinnakkain. Laskeutuneen lietteen vesipitoisuus on 94 %; erotettu supernatantti palautetaan sitten jätevedenkäsittelyprosessiin jatkokäsittelyä varten.
Lietteen mädätysneste sisältää suhteellisen korkean pitoisuuden ammoniakkityppeä (jopa 1500 mg N/L) ja veden lämpötila on 28 astetta. tutkinto. Tällainen suuri typpikuormitus jätevedenkäsittelyprosessiin lisää typenpoiston taakkaa. Siksi uusimpien SHARON- ja ANAMMOX-tekniikoiden käyttöönotto lietteen mädätteen erillisessä denitrifikaatiokäsittelyssä on DOKHAVEN-jätevedenpuhdistamon viimeisin päivitystoimenpide viime vuosina. Maailman ensimmäinen tuottava SHARON-reaktori (11) aloitti toimintansa täällä lokakuussa 1998, ja maailman ensimmäinen ANAMMOX-reaktori (12) otettiin käyttöön kesäkuussa 2002.
2. Prosessiparametrit
1) Yksi sarja hienoja seuloja, virtausnopeus 510 m³/h, seulaväli 3 mm.
2) Kaksi sarjaa painovoiman sakeuttajia, Ф23,6 m, H=3 m, kuiva-ainekuorma 36 kg/(m²·d), lietteen tilavuus 530 m³/d (kosteus 94 %).
3) Hihnasakeuttimen käsittelykapasiteetti 90 m³/h tai 700 kg kuiva-ainetta/h.
4) Ylimääräisen lietteen tasaussäiliö 900 m³.
5) 6) Kaksi lietteen mädätyssäiliötä, Ф22 m, H=23 m, retentioaika 28 päivää 33 asteessa, jolloin lietteen tilavuus on 600 m³/d (96 % kosteuspitoisuus) mädätyksen jälkeen. Lietteen tasaussäiliön tilavuus on 900 m³.
7) Kaksi sentrifugia, käsittelykapasiteetti 40 m³/h.
8) Kaksi kuivattua lietteen varastointisäiliötä, kummankin tilavuus 150 m³; säilytysaika 2,5 päivää; H=14 m.
9) yksi SHARON-reaktori; Ф19,5 m, H=5.75 m, virtausnopeus 550 m³/d, hydraulinen retentioaika 3 vrk, aerobinen retentioaika 24 h, lämpötila 35 astetta, pH 7-7,2, liuenneen hapen pitoisuus 1,5 mg/L.
10) yksi ANAMMOX-reaktori; Ф2,2 m, H=18 m (V=70 m³), virtausnopeus 550 m³/d. Reaktorin teho on m³/d, hydraulinen retentioaika 3 h, mitoituskuorma 800 kgN/d, lämpötila 35 astetta ja pH 7,5.
SHARON-reaktori hapettaa puolet ammoniakkitypestä nitriittitypeksi (ilman pH-säätöä). Jäljelle jäävä puolet ammoniakkitypestä ja muunnettu nitriittityppi (puolet sisäänvirtaavan ammoniakkitypen kokonaismäärästä) muodostavat ANAMMOX:iin tarvittavan moolisuhteen (1:1), jolloin ammoniakkityppi ja nitriittityppi voidaan muuttaa suoraan typpikaasuksi autotrofisen konversion kautta. Perinteisiin nitrifikaatio-/denitrifikaatioprosesseihin verrattuna SHARON/ANAMMOX-prosessi vähentää käyttökustannuksia 90 %, CO2-päästöjä 88 %, ei tuota haitallista N2O-kaasua, ei vaadi orgaanista ainetta, ei tuota ylimääräistä lietettä ja säästää 50 % maa-alasta, mikä osoittaa merkittäviä kestävyyttä ja taloudellisia etuja.