Процесс анаэробного окисления аммиака (ANAMMOX) был разработан в 1990 году биотехнологической лабораторией Клюйвера Делфтского технологического университета в Нидерландах. Этот процесс нарушает основные теоретические концепции традиционных процессов биологического удаления азота. В анаэробных условиях аммиак окисляется до газообразного азота, используя аммиак в качестве донора электронов и нитрат или нитрит в качестве акцептора электронов. Это экономит более 60% подачи кислорода по сравнению с полной нитрификацией (окислением аммиака до нитрата). Использование аммиака в качестве донора электронов также экономит источник углерода, необходимый в традиционных процессах биологического удаления азота.
Процесс ANAMMOX имеет такие преимущества, как высокая эффективность удаления азота, низкие эксплуатационные расходы и небольшая занимаемая площадь, а также имеет большой потенциал для развития в области очистки сточных вод. В настоящее время этот процесс становится все более зрелым при обработке муниципальных осадков. Первая в мире производственная установка ANAMMOX-масштаба, расположенная на станции очистки сточных вод Дохавен в Роттердаме, Нидерланды, имеет объемную скорость удаления азота (NRR) до 9,5 кг N/(м3·сут). Кроме того, процесс ANAMMOX все чаще применяется при очистке сточных вод с высоким-аммиачным азотом, таких как промышленные сточные воды ферментации, фильтрат свалок и сточные воды аквакультуры, а его технические применения быстро распространяются по всему миру.
Принцип анаэробного окисления аммиака
Анаммокс — это биологическая реакция в анаэробных условиях, в которой аммиак используется в качестве донора электронов, а нитрит — в качестве акцептора электронов для получения азота и нитрата. Анаммокс включает в себя два процесса: во-первых, метаболизм разложения (производства энергии), где аммиак действует как донор электронов, а нитрит как акцептор электронов, реагируя в соотношении 1: 1 с образованием газообразного азота, сохраняя энергию в виде АТФ; во-вторых, анаболизм, при котором нитрит действует как акцептор электронов, обеспечивая восстанавливающую способность и используя углекислый газ и АТФ, образующиеся в результате метаболизма разложения, для синтеза клеточных материалов, производя при этом нитраты. Анаэробные бактерии окисления аммиака (АнАОБ) являются реализаторами анаэробного окисления аммиака.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358кг/моль
Процесс анаэробного окисления аммония (АНАО) в основном состоит из двух этапов: первый этап — частичная нитрификация, при которой только около 55% аммиачного азота необходимо преобразовать в нитритный азот; второй этап - анаэробное окисление аммония (АНАО), при котором аммиачный азот в анаэробных условиях окисляется до газообразного азота нитритом азота в качестве акцептора электронов. Поэтому его еще называют процессом ПН/А.
В этом процессе примерно 89% неорганического азота преобразуется в газообразный азот, а оставшиеся 11% превращаются в нитратный азот. По сравнению с традиционными процессами нитрификации-денитрификации, ANAO имеет значительные технологические преимущества. Потребление энергии при аэрации составляет всего 55-60% от потребления энергии традиционными процессами; этот процесс практически не требует источника углерода. Если во время ANAO необходимо добавить источник углерода для удаления нитратных продуктов, добавляемое количество также намного меньше, чем в традиционных процессах. Дозировка снижается на 90%; процесс анаммокс может снизить потребление щелочи на 45%. В то же время производство ила в процессе анаммокса намного ниже, чем в традиционных процессах денитрификации, что значительно снизит затраты на обработку и утилизацию избыточного ила.
Факторы, влияющие на Анаммокс
Создание подходящих условий выживания для анаммокс-бактерий в основных системах очистки сточных вод является актуальной задачей, включая обогащение анаммокс-бактерий и бактерий AOB (бактерии, азотизирующие аммиак, которые превращают аммиачный азот в нитрит), а также ингибирование бактерий NOB (бактерий, окисляющих нитрит, которые превращают нитрит в нитрат).
1. Температура
На метаболическую активность микроорганизмов большое влияние оказывает температура. Результаты предыдущих исследований показывают, что 35 градусов — оптимальная температура для анаммокса. Оптимальная температура для Анаммокса — это когда его биологический метаболизм самый быстрый, а репродуктивный цикл самый короткий. Однако температура большинства городских сточных вод низкая (10–25 градусов), особенно в некоторых регионах высоких-широт, таких как север моей страны, где температура сточных вод часто опускается ниже 10 градусов. Эффективность и стабильность Анаммокса в этих областях представляют собой серьезную проблему.
Основная температура городских сточных вод обычно составляет около 10–20 градусов, что ниже оптимальной температуры роста AnAOB (25–40 градусов), что влияет на рост концентраций аммиака и нитритов Anammox. 2..
Субстратами анаэробного окисления аммония (АНАМО) являются аммиак и нитрит. Однако чрезмерно высокие концентрации этих двух веществ могут тормозить этот процесс. Исследования показали, что ингибирующие концентрации для аммиака составляют 38,0–98,5 нмоль/л, для нитрита – 5,4–12,0 нмоль/л. Джеттен и др. обнаружили, что при концентрации нитрита выше 20 нмоль/л процесс ANAMMOX значительно ингибируется. Длительное воздействие (2 часа) высоких концентраций нитрита может полностью разрушить активность АНАММОКСа, однако при более низких концентрациях нитрита (около 10 нмоль/л) его активность остается относительно высокой.
3. Значение pH
Поскольку в водных растворах аммиак и нитрит диссоциируют, значение pH влияет на ANAMMOX. Исследования показали, что процесс ANAMMOX хорошо работает в диапазоне pH 6,7–8,3 с оптимальным pH около 8.
4. Влияние органики
Содержание ХПК в сточных водах... Способствует росту гетеротрофных денитрифицирующих бактерий и ингибирует процесс Анаммокс. Процесс Анаммокс может доминировать только в том случае, если ХПК потребляется первым до низкого уровня. Эта проблема особенно актуальна при очистке городских сточных вод высокой-интенсивности. Исследования Винклера и др. показывают, что при 25 градусах, если соотношение C/N в сырой воде <0,5, Анаммокс и гетеротрофная денитрификация могут гармонично сосуществовать, не приводя к снижению эффективности удаления азота.
5. Стабильность короткой-нитрификации. При применении процесса Анаммокс активность NOB должна быть сведена к минимуму в максимально возможной степени в обычных условиях, чтобы обеспечить накопление нитритов и поддерживать систему нитрификации в состоянии короткой-нитрификации. Это имеет решающее значение для обеспечения стабильности Анаммокса. Нормальное функционирование процесса имеет основополагающее значение и напрямую связано с его лечебным эффектом. Вышеупомянутые цели могут быть достигнуты за счет контроля содержания свободного аммиака. Именно поэтому анаммокс в основном применяется для сточных вод с высоким-аммиачным азотом, поскольку свободный аммиак в сточных водах с высоким-аммиачным азотом может ингибировать NOB, поддерживая систему в состоянии короткой-нитрификации при подходящих условиях контроля. Однако в городских сточных водах на стабильность короткой-нитрификации влияют температура и аммиачный азот, что делает стабильную работу невозможной! В процессе PN/A на короткую- стадию нитрификации также влияет температура, поскольку активность АОБ ингибируется при низких температурах, снижая скорость конверсии аммиачного азота. Кроме того, энергия активации AOB выше, чем у NOB, что приводит к недостаточному накоплению NO2-, что не может обеспечить достаточное количество субстрата для реакции Анаммокс.
Процесс ANAMMOX и его производные процессы
Технологии Анаммокс, используемые в практических инженерных приложениях, можно разделить на процессы с взвешенным илом, гранулированным илом и биопленочными процессами.
1. Процесс взвешенного осадка
AOB и AAOB Медленно-растущие микроорганизмы с длительными циклами образования легко теряются в обычных системах с взвешенным илом. Поэтому в процессах с взвешенным илом часто используются реакторы периодического действия (SBR) для удержания микроорганизмов.
Из всех технологий SBR-анаммокс 80% представляют собой процесс DEMON. Этот процесс был впервые применен на очистных сооружениях Штрасс в Австрии. Его основной принцип заключается в корректировке времени аэрации путем мониторинга изменений pH, тем самым регулируя баланс между короткой-нитрификацией и анаммоксом. Кроме того, в этом процессе используются гидроциклоны для регулирования возраста осадка AAOB и AOB. Под действием центробежной силы микроорганизмы разделяются на две части: более легкий АОБ переливается сверху, а более тяжелый АОБ накапливается внизу и возвращается обратно в реактор. На станции очистки сточных вод Штрасс достигнута эффективность автотрофного удаления азота более 85%.
2. Процесс гранулированного ила
Типичным примером системы гранулированного ила является реактор Анаммокс, построенный компанией Parker в Роттердаме. В ранних проточных-поточных-процессах, как правило, использовались двух-ступенчатые системы, поэтому в реальной эксплуатации реактор Анаммокс был интегрирован с ранее построенной системой нитрификации... Реактор ШАРОН был соединен с реакторной системой Шарон-Анаммокс, запуск которой занял 3,5 года. Впоследствии компания Parker Biomedical разработала интегрированный реактор Анаммокс. И анаммокс-реактор, и встроенный реактор в двухступенчатой системе работают в режиме непрерывного восходящего потока с внутренним отстойником с наклонной пластиной для удержания частиц ила.
3. Процессы биопленки
Процессы Anammox с использованием биопленочной технологии в основном включают DeAmmon и ANITATMMox. Процесс ДеАммона состоит из трех реакторов МББР и одного дегазационного резервуара. При необходимости три реактора могут быть соединены последовательно или параллельно со степенью заполнения MBBR 40–50%. ANITATMMox в основном использует встроенный реактор MBBR в своей системе бокового-потока. ANITATMMox может использовать чистую биопленку MBBR или гибридную пленку осадка - IFAS (интегрированный анализ жирной пленки). В процессе создания чистой биопленки бактерии AAOB находятся в самом внутреннем слое упаковочного материала, а AOB - в самом внешнем слое; в процессе МФСА ААОБ находятся в основном на насадочном материале, а АОБ... во взвешенном иле.
Первый в мире действующий проект анаэробного окисления аммиака (ANAO)!
В 2002 году компания Parker Systems построила первый в мире производительный реактор ANAO на станции очистки сточных вод Дохавен в Роттердаме, используя систему SharonAnammox для очистки жидкости для обезвоживания осадка. Впоследствии более 100 таких реакторов было построено в Нидерландах, Германии, Японии, Австралии, Швейцарии и Великобритании. Несколько установок по очистке сточных вод анаэробным окислением аммиака очищают сточные воды, включая фильтрат свалок, сточные воды животноводческих ферм и пищевые сточные воды, а также жидкость для разложения осадка.
1. Анаэробная обработка осадка окислением аммиака на очистных сооружениях DOKHAVEN в Роттердаме, Нидерланды.
Органический ил как носитель энергии сначала рассматривается как преобразование содержащегося в нем органического вещества в энергетический газ-метан. На основе этого формируется процесс обработки осадка, представленный на рисунке. Избыточный ил, образующийся в процессе очистки сточных вод, перед поступлением в резервуар для варки осадка (5) подвергается двум различным методам сгущения. Избыточный ил и ил из аэротенка секции А- перед сгущением фильтруются через мелкое сито (1), а затем параллельно поступают в два гравитационных сгустителя (2). Осевший ил имеет содержание воды 94%; отделенный супернатант затем возвращается в процесс очистки сточных вод для дальнейшей очистки.
Жидкость для разложения осадка содержит относительно высокую концентрацию аммиачного азота (до 1500 мг N/л), а температура воды составляет 28 градусов. степень . Столь высокая нагрузка азота, поступающего в процесс очистки сточных вод, увеличит нагрузку по удалению азота. Поэтому внедрение новейших технологий SHARON и ANAMMOX для раздельной денитрификации дигестата ила является последним мероприятием по модернизации очистных сооружений DOKHAVEN за последние годы. В октябре 1998 года здесь начал работу первый в мире производительный реактор ШАРОН (11), а в июне 2002 года — первый в мире реактор АНАММОКС (12).
2. Параметры процесса
1) Один комплект тонких сит, расход 510 м³/ч, расстояние между ситами 3 мм.
2) Два комплекта гравитационных сгустителей, Ф23,6 м, H=3 м, нагрузка по сухому веществу 36 кг/(м²·сут), объем осадка 530 м³/сут (влажность 94%).
3) Производительность ленточного сгустителя 90 м³/ч или 700 кг сухих веществ/ч.
4) Резервуар-уравнитель избыточного ила 900 м³.
5) 6) Два резервуара для разложения осадка, Ф22 м, H=23 м, время выдержки 28 дней при 33 градусах, в результате чего после сбраживания получается объем ила 600 м³/сут (содержание влаги 96%). Резервуар для уравнивания осадка имеет емкость 900 м³.
7) Две центрифуги производительностью 40 м³/ч.
8) Два резервуара для хранения обезвоженного осадка объемом 150 м³ каждый; время хранения 2,5 дня; Н=14 м.
9) Один реактор ШАРОН; Ф19,5 м, H=5.75 м, расход 550 м³/сут, время гидравлического удерживания 3 суток, время аэробного удерживания 24 ч, температура 35 град, pH 7–7,2, концентрация растворенного кислорода 1,5 мг/л.
10) Один реактор АНАММОКС; Ф2,2 м, H=18 м (V=70 м³), расход 550 м³/сут. Реактор работает с производительностью м3/сут, временем гидравлического удерживания 3 ч, расчетной нагрузкой 800 кгН/сут, температурой 35 градусов и pH 7,5.
Реактор SHARON окисляет половину аммиачного азота до нитритного азота (без контроля pH). Оставшаяся половина аммиачного азота и конвертированный нитритный азот (половина общего аммиачного азота в приходящем потоке) образуют молярное соотношение, необходимое для ANAMMOX (1:1), что позволяет напрямую превращать аммиачный азот и нитритный азот в газообразный азот посредством автотрофной конверсии. По сравнению с традиционными процессами нитрификации/денитрификации процесс SHARON/ANAMMOX снижает эксплуатационные расходы на 90 %, выбросы CO2 на 88 %, не производит вредного газа N₂O, не требует органических веществ, не производит избыточного ила и экономит 50 % земельной площади, демонстрируя значительную устойчивость и экономические преимущества.