El procés d'oxidació d'amoníac anaeròbic (ANAMMOX) va ser desenvolupat l'any 1990 pel Kluyver Biotechnology Laboratory de la Universitat Tecnològica de Delft als Països Baixos. Aquest procés trenca amb els conceptes teòrics bàsics dels processos biològics tradicionals d'eliminació de nitrogen. En condicions anaeròbiques, l'amoníac s'oxida en gas nitrogenat utilitzant amoníac com a donador d'electrons i nitrat o nitrit com a acceptor d'electrons. Això estalvia més del 60% del subministrament d'oxigen en comparació amb la nitrificació completa (oxidació d'amoníac a nitrat). L'ús d'amoníac com a donant d'electrons també estalvia la font de carboni necessària en els processos biològics tradicionals d'eliminació de nitrogen.
El procés ANAMMOX té avantatges com una alta eficiència en l'eliminació de nitrogen, costos operatius baixos i una petita empremta, i té un gran potencial de desenvolupament en el tractament d'aigües residuals. Actualment, aquest procés és cada cop més madur en el tractament dels fangs municipals. La primera unitat ANAMMOX de producció a escala-del món, ubicada a la planta de tractament d'aigües residuals de Dokhaven a Rotterdam, Països Baixos, té una taxa d'eliminació volumètrica de nitrogen (NRR) de fins a 9,5 kg N/(m3·d). A més, el procés ANAMMOX s'està adoptant cada cop més en el tractament d'aigües residuals amb alt-amoníac en nitrogen, com ara aigües residuals industrials de fermentació, lixiviats d'abocadors i aigües residuals d'aqüicultura, amb les seves aplicacions d'enginyeria que s'estan estenent ràpidament arreu del món.
Principi de l'oxidació anaeròbica de l'amoníac
Anammox és una reacció biològica en condicions anaeròbiques, utilitzant amoníac com a donador d'electrons i nitrit com a acceptor d'electrons per produir nitrogen i nitrat. Anammox implica dos processos: primer, el metabolisme de la descomposició (producció d'energia), on l'amoníac actua com a donador d'electrons i el nitrit com a acceptor d'electrons, reaccionant en una proporció 1:1 per produir nitrogen gasós, emmagatzemant l'energia com a ATP; segon, l'anabolisme, on el nitrit actua com a acceptor d'electrons, proporcionant poder reductor i utilitzant el diòxid de carboni i l'ATP produïts pel metabolisme de la descomposició per sintetitzar materials cel·lulars, produint nitrat en el procés. Els bacteris anaeròbics d'oxidació d'amoníac (AnAOB) són els implementadors de l'oxidació anaeròbica d'amoníac.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG{=-358kg/mol
El procés d'oxidació anaeròbica d'amoni (ANAO) consta principalment de dues etapes: el primer pas és la nitrificació parcial, en la qual només cal convertir al voltant del 55% del nitrogen amoníac en nitrogen de nitrit; el segon pas és l'oxidació anaeròbica d'amoni (ANAO), on el nitrogen d'amoníac, en condicions anaeròbiques, s'oxida a gas nitrogen pel nitrogen de nitrit com a acceptor d'electrons. Per tant, també s'anomena procés PN/A.
En aquest procés, aproximadament el 89% del nitrogen inorgànic es converteix en nitrogen gasós, i l'11% restant es converteix en nitrogen nitrat. En comparació amb els processos tradicionals de nitrificació-desnitrificació, ANAO té avantatges tecnològics importants. El seu consum d'energia d'aireació és només del 55-60% del dels processos tradicionals; aquest procés no requereix gairebé cap font de carboni. Si s'ha d'afegir una font de carboni durant l'ANAO per eliminar els productes nitrats, la quantitat afegida també és molt menor que en els processos tradicionals. La dosi es redueix en un 90%; el procés anammox pot reduir el consum d'alcalinitat en un 45%. Simultàniament, la producció de fangs del procés anammox és molt inferior a la dels processos tradicionals de desnitrificació, cosa que reduirà significativament els costos de tractament i eliminació de l'excés de fangs.
Factors que afecten Anammox
Crear condicions de supervivència adequades per als bacteris anammox als sistemes de tractament d'aigües residuals principals és un repte actual, incloent l'enriquiment de bacteris anammox i AOB (bacteris nitrogenats d'amoníac, que converteixen el nitrogen amoníac en nitrit) i la inhibició dels bacteris NOB (bacteris oxidants de nitrits, que converteixen nitrits en nitrat).
1. Temperatura
L'activitat metabòlica dels microorganismes es veu afectada en gran mesura per la temperatura. Els resultats de la investigació anterior indiquen que 35 graus és la temperatura òptima per a anammox. La temperatura òptima per a Anammox és quan el seu metabolisme biològic és més ràpid i el seu cicle reproductiu és el més curt. Tanmateix, la temperatura de la majoria de les aigües residuals urbanes reals és baixa (10-25 graus), especialment en algunes regions de latituds altes-com el nord del meu país, on les temperatures de les aigües residuals solen ser inferiors als 10 graus . L'eficàcia i l'estabilitat d'Anammox en aquestes àrees presenten un repte important.
La temperatura principal de les aigües residuals urbanes és generalment d'uns 10-20 graus, inferior a la temperatura de creixement òptima d'AnAOB (25-40 graus), que afectarà el creixement de les concentracions d'amoníac i nitrits d'Anammox. 2.
Els substrats per a l'oxidació anaeròbica d'amoni (ANAMO) són l'amoníac i els nitrits. Tanmateix, concentracions excessivament altes d'aquestes dues substàncies poden inhibir el procés. Els estudis han demostrat que les concentracions inhibidores de l'amoníac són de 38,0–98,5 nmol/L, i per al nitrit, de 5,4–12,0 nmol/L. Jetten et al. va trobar que a concentracions de nitrits superiors a 20 nmol/L, el procés ANAMMOX s'inhibeix significativament. L'exposició prolongada (2 hores) a concentracions elevades de nitrits pot destruir completament l'activitat d'ANAMMOX, però a concentracions de nitrits més baixes (al voltant de 10 nmol/L), la seva activitat continua sent relativament alta.
3. Valor pH
Com que l'amoníac i el nitrit es dissocien en solucions aquoses, el valor del pH afecta ANAMMOX. Els estudis han demostrat que el procés ANAMMOX funciona bé dins d'un rang de pH de 6,7 a 8,3, amb un pH òptim d'uns 8.
4. Influència de la matèria orgànica
El contingut de DQO a les aigües residuals... Afavoreix el creixement de bacteris desnitrificants heteròtrofs i inhibeix el procés Anammox. El procés Anammox només pot dominar quan el COD es consumeix a un nivell baix per part del primer. Aquest problema és especialment important en el tractament d'aigües residuals urbanes d'alta-intensitat. La investigació de Winkler et al. indica que a 25 graus, si la relació C/N de l'aigua crua és < 0,5, Anammox i la desnitrificació heteròtrofa poden coexistir harmoniosament sense provocar una disminució de l'eficiència d'eliminació de nitrogen.
5. Estabilitat de la nitrificació de tall curt-Quan s'aplica el procés Anammox, l'activitat del NOB s'ha de minimitzar tant com sigui possible en condicions generals per permetre l'acumulació de nitrits i mantenir el sistema de nitrificació en un estat de nitrificació-curt. Això és crucial per garantir l'estabilitat d'Anammox. El funcionament normal del procés és fonamental i està directament relacionat amb el seu efecte de tractament. Els objectius esmentats es poden assolir mitjançant el control de l'amoníac lliure. Per tant, és per això que anammox s'aplica principalment a les aigües residuals de nitrogen alt-amoníac, perquè l'amoníac lliure de les aigües residuals de nitrogen alt-amoníac pot inhibir el NOB, mantenint el sistema en un estat de nitrificació-breu en condicions de control adequades. Tanmateix, a les aigües residuals municipals, l'estabilitat de la nitrificació-a curt termini es veu afectada per la temperatura i el nitrogen amoníac, cosa que fa impossible el funcionament estable. En el procés PN/A, l'etapa de nitrificació de tall curt-també es veu afectada per la temperatura perquè l'activitat de l'AOB s'inhibeix a baixes temperatures, reduint la taxa de conversió de nitrogen d'amoníac. A més, l'energia d'activació d'AOB és superior a la de NOB, la qual cosa condueix a una acumulació insuficient de NO2, que no pot proporcionar prou substrat per a la reacció d'Anammox.
El procés ANAMMOX i els seus processos derivats
Les tecnologies Anammox utilitzades en aplicacions pràctiques d'enginyeria es poden dividir en processos de fangs en suspensió, fangs granulars i processos de biofilm.
1. Procés de fangs en suspensió
AOB i AAOB De creixement lent-i amb cicles de generació llargs, els microorganismes es perden fàcilment als sistemes convencionals de fangs en suspensió. Per tant, els processos de fangs en suspensió sovint utilitzen reactors de seqüenciació per lots (SBR) per retenir microorganismes.
De totes les tecnologies SBR anammox, el 80% són el procés DEMON. Aquest procés es va aplicar per primera vegada a la planta de tractament d'aigües residuals de Strass a Àustria. El seu principi bàsic és ajustar el temps d'aireació mitjançant el seguiment dels canvis de pH, ajustant així l'equilibri entre la nitrificació-curta i l'anammox. A més, aquest procés utilitza hidrociclons per regular l'edat dels fangs d'AAOB i AOB. Sota la força centrífuga, els microorganismes es separen en dues parts: l'AOB més lleuger desborda des de la part superior, mentre que l'AAOB més pesat s'acumula a la part inferior i torna al reactor. La depuradora d'aigües residuals de Strass va aconseguir una eficiència d'eliminació de nitrogen autòtrofa superior al 85%.
2. Procés de fangs granulars
Un exemple típic de sistema de fangs granulars és el reactor Anammox construït per Parker a Rotterdam. Els primers processos de flux-per-acostumen a utilitzar sistemes de dues-etapes, de manera que en funcionament real, el reactor Anammox es va integrar amb la nitrificació construïda anteriorment... El reactor SHARON es va acoblar per formar el sistema del reactor Sharon-Anammox, que va trigar 3,5 anys a posar-se en marxa. Posteriorment, Parker Biomedical va desenvolupar un reactor Anammox integrat. Tant el reactor anammox com el reactor integrat al sistema de dues etapes -funcionen de manera contínua de flux ascendent, amb un dipòsit de sedimentació de placa inclinada interna per aconseguir la retenció de partícules de fang.
3. Processos de biofilm
Els processos Anammox que utilitzen tecnologia de biofilm inclouen principalment DeAmmon i ANITATMMox. El procés DeAmmon consta de tres reactors MBBR i un tanc de desgasificació. Els tres reactors es poden connectar en sèrie o en paral·lel segons sigui necessari, amb una taxa d'ompliment MBBR del 40% al 50%. ANITATMMox utilitza principalment un reactor MBBR integrat al seu sistema de flux-lateral. ANITATMMox pot utilitzar biofilm MBBR pur o una pel·lícula de fang-híbrida IFAS (Integrated Fat Film Assay). En el procés de biofilm pur, els bacteris AAOB es troben a la capa més interna del material d'embalatge i AOB es troben a la capa més externa; en el procés IFAS, AAOB es troben principalment en el material d'embalatge, i AOB... En fangs en suspensió.
El primer projecte operatiu d'oxidació d'amoníac anaeròbic (ANAO) del món!
L'any 2002, Parker Systems va construir el primer reactor ANAO productiu del món a la planta de tractament d'aigües residuals de Dokhaven a Rotterdam, utilitzant el sistema SharonAnammox per tractar el líquid de deshidratació de fangs. Posteriorment, es van construir més de 100 reactors d'aquest tipus als Països Baixos, Alemanya, Japó, Austràlia, Suïssa i el Regne Unit. Múltiples plantes de tractament d'aigües residuals d'oxidació anaeròbica d'amoníac tracten aigües residuals, com ara lixiviats d'abocador, aigües residuals de granja ramadera i aigües residuals d'aliments, a més del líquid de digestió de fangs.
1. Tractament anaeròbic d'oxidació d'amoníac de fangs a la planta de tractament d'aigües residuals de DOKHAVEN a Rotterdam, Països Baixos
Primer es considera que els fangs orgànics, com a portador d'energia, converteixen la matèria orgànica que hi ha en un gas-metà energètic. A partir d'això, es forma el procés de tractament de fangs que es mostra a la figura. L'excés de fangs del procés de tractament d'aigües residuals se sotmet a dos mètodes diferents d'espessiment abans d'entrar al dipòsit de digestió de fangs (5). L'excés de fang i el fang del dipòsit d'aireació de la secció A-es filtren a través d'una pantalla fina (1) abans d'engrossir-se i, a continuació, entren dos dipòsits d'espessiment per gravetat (2) en paral·lel. Els fangs decantats tenen un contingut d'aigua del 94%; el sobrenedant separat es retorna després al procés de tractament d'aigües residuals per a un tractament posterior.
El líquid de digestió de fangs conté una concentració relativament alta de nitrogen amoníac (fins a 1500 mg N/L) i la temperatura de l'aigua és de 28 graus. grau. Una càrrega de nitrogen tan alta que entra al procés de tractament d'aigües residuals augmentarà la càrrega de l'eliminació de nitrogen. Per tant, l'adopció de les últimes tecnologies SHARON i ANAMMOX per al tractament de desnitrificació separada del digestat de fangs és l'última mesura d'actualització de la planta de tractament d'aigües residuals de DOKHAVEN en els darrers anys. El primer reactor SHARON productiu del món (11) va començar a funcionar aquí l'octubre de 1998, i el primer reactor ANAMMOX (12) del món es va posar en funcionament el juny de 2002.
2. Paràmetres del procés
1) Un joc de pantalles fines, cabal 510 m³/h, espai entre pantalla 3 mm.
2) Dos conjunts d'espessidors per gravetat, Ф23,6 m, H=3 m, càrrega de sòlids secs 36 kg/(m²·d), volum de fang 530 m³/d (contingut d'humitat 94%).
3) Capacitat de processament de l'espessidor de cinta 90 m³/h o 700 kg de sòlids secs/h.
4) Dipòsit de compensació de fangs sobrants 900 m³.
5) 6) Dos dipòsits de digestió de fangs, Ф22 m, H=23 m, temps de retenció de 28 dies a 33 graus, donant lloc a un volum de fang de 600 m³/d (96% de contingut d'humitat) després de la digestió. Un dipòsit de compensació de fangs té una capacitat de 900 m³.
7) Dues centrífugues, amb una capacitat de processament de 40 m³/h.
8) Dos dipòsits d'emmagatzematge de fangs deshidratats, cadascun amb un volum de 150 m³; temps de retenció 2,5 dies; H=14 m.
9) Un reactor SHARON; Ф19,5 m, H=5.75 m, cabal 550 m³/d, temps de retenció hidràulica 3 dies, temps de retenció aeròbica 24 h, temperatura 35 graus, pH 7–7,2, concentració d'oxigen dissolt 1,5 mg/L.
10) Un reactor ANAMMOX; Ф2,2 m, H=18 m (V{=70 m³), cabitat 550 m³/d. El reactor funciona a una capacitat de m³/d, amb un temps de retenció hidràulica de 3 h, una càrrega de disseny de 800 kgN/d, una temperatura de 35 graus i un pH de 7,5.
El reactor SHARON oxida la meitat del nitrogen d'amoníac a nitrogen de nitrit (sense control del pH). La meitat restant del nitrogen amoníac i el nitrogen de nitrit convertit (la meitat del nitrogen total d'amoníac a l'afluent) formen la proporció molar necessària per a ANAMMOX (1:1), permetent que el nitrogen amoníac i el nitrogen de nitrit es converteixin directament en nitrogen gasós mitjançant conversió autòtrofa. En comparació amb els processos tradicionals de nitrificació/desnitrificació, el procés SHARON/ANAMMOX redueix els costos operatius en un 90%, les emissions de CO2 en un 88%, no produeix gas N₂O nociu, no requereix matèria orgànica, no produeix excés de fangs i estalvia el 50% de la superfície terrestre, demostrant una sostenibilitat i beneficis econòmics significatius.