Процес анаеробне оксидације амонијака (АНАММОКС) је развијен 1990. од стране Клуивер биотехнолошке лабораторије на Технолошком универзитету Делфт у Холандији. Овај процес пробија основне теоријске концепте традиционалних биолошких процеса уклањања азота. У анаеробним условима, амонијак се оксидује у гас азота користећи амонијак као донор електрона и нитрат или нитрит као акцептор електрона. Ово штеди више од 60% снабдевања кисеоником у поређењу са потпуном нитрификацијом (оксидација амонијака до нитрата). Коришћење амонијака као донора електрона такође штеди извор угљеника који је потребан у традиционалним процесима биолошког уклањања азота.
АНАММОКС процес има предности као што су висока ефикасност уклањања азота, ниски оперативни трошкови и мали отисак, и има велики потенцијал за развој у третману отпадних вода. Тренутно, овај процес постаје све зрелији у третману комуналног муља. Прва светска производна- јединица АНАММОКС, смештена у постројењу за пречишћавање отпадних вода Докхавен у Ротердаму, Холандија, има запреминску брзину уклањања азота (НРР) чак 9,5 кг Н/(м3·д). Штавише, АНАММОКС процес се све више усваја у третману отпадних вода са високим садржајем-амонијачног азота, као што су ферментационе индустријске отпадне воде, процедне воде са депоније и отпадне воде из аквакултуре, са његовом инжењерском применом која се брзо шири широм света.
Принцип анаеробне оксидације амонијака
Анаммок је биолошка реакција у анаеробним условима, користећи амонијак као донор електрона и нитрит као акцептор електрона за производњу азота и нитрата. Анаммок укључује два процеса: прво, метаболизам разлагања (производње енергије), где амонијак делује као донор електрона, а нитрит као акцептор електрона, реагујући у односу 1:1 да би произвео гас азота, чувајући енергију као АТП; друго, анаболизам, где нитрит делује као акцептор електрона, обезбеђујући редукујућу снагу и користећи угљен-диоксид и АТП произведене у метаболизму распадања за синтезу ћелијских материјала, производећи нитрате у процесу. Бактерије анаеробне оксидације амонијака (АнАОБ) су имплементатори анаеробне оксидације амонијака.
НХ4++ НО2-= Н2+ 2Х2О, ΔГ=-358 кг/мол
Процес анаеробне амонијум оксидације (АНАО) углавном се састоји од два корака: Први корак је делимична нитрификација, у којој само око 55% амонијачног азота треба да се претвори у нитритни азот; други корак је анаеробна оксидација амонијума (АНАО), где се амонијачни азот, у анаеробним условима, оксидује у гасни азот помоћу нитритног азота као акцептора електрона. Стога се назива и ПН/А процес.
У овом процесу, приближно 89% неорганског азота се претвара у гасовити азот, а преосталих 11% се претвара у нитратни азот. У поређењу са традиционалним процесима нитрификације{3}}денитрификације, АНАО има значајне технолошке предности. Његова потрошња енергије за аерацију је само 55-60% од оне у традиционалним процесима; овај процес не захтева скоро никакав извор угљеника. Ако је потребно додати извор угљеника током АНАО да би се уклонили производи нитрата, додата количина је такође много мања него у традиционалним процесима. Дозирање се смањује за 90%; анаммок процес може смањити потрошњу алкалности за 45%. Истовремено, производња муља анаммок процесом је далеко нижа него код традиционалних процеса денитрификације, што ће значајно смањити трошкове третмана и одлагања вишка муља.
Фактори који утичу на Анаммок
Стварање одговарајућих услова за преживљавање за анаммок бактерије у главним системима за пречишћавање отпадних вода је тренутни изазов, укључујући обогаћивање анаммок и АОБ бактерија (бактерије које амонијак азотирају, које претварају амонијачни азот у нитрит) и инхибицију НОБ бактерија (бактерије које оксидирају нитрит, које претварају нитрит у нитрат).
1. Температура
На метаболичку активност микроорганизама у великој мери утиче температура. Резултати претходних истраживања показују да је 35 степени оптимална температура за анаммок. Оптимална температура за Анаммок је када је његов биолошки метаболизам најбржи, а репродуктивни циклус најкраћи. Међутим, температура већине стварних градских отпадних вода је ниска (10–25 степени), посебно у неким регионима са високим{6}}ширинама као што је север моје земље, где су температуре отпадних вода често испод 10 степени. Ефикасност и стабилност Анаммок-а у овим областима представљају значајан изазов.
Главна температура градске отпадне воде је генерално око 10-20 степени, нижа од оптималне температуре раста АнАОБ (25-40 степени), што ће утицати на раст Анаммок. 2. концентрација амонијака и нитрита
Супстрати за анаеробну оксидацију амонијума (АНАМО) су амонијак и нитрит. Међутим, превисоке концентрације ове две супстанце могу инхибирати процес. Истраживања су показала да су инхибирајуће концентрације амонијака 38,0–98,5 нмол/Л, а нитрита 5,4–12,0 нмол/Л. Јеттен ет ал. открили да је при концентрацијама нитрита изнад 20 нмол/Л, АНАММОКС процес значајно инхибиран. Продужена изложеност (2 сата) високим концентрацијама нитрита може потпуно уништити активност АНАММОКС-а, али при нижим концентрацијама нитрита (око 10 нмол/Л), његова активност остаје релативно висока.
3. пХ вредност
Пошто се амонијак и нитрит дисоцирају у воденим растворима, пХ вредност утиче на АНАММОКС. Студије су показале да АНАММОКС процес добро функционише у опсегу пХ од 6,7-8,3, са оптималним пХ од око 8.
4. Утицај органске материје
Садржај ЦОД у отпадној води... Промовише раст хетеротрофних денитрификујућих бактерија и инхибира Анаммок процес. Анаммок процес може доминирати само када се ЦОД конзумира на ниском нивоу од стране првог. Ово питање је посебно истакнуто у третману градских отпадних вода високог{3}}интензитета. Истраживање Винклера и сарадника показује да на 25 степени, ако је однос Ц/Н сирове воде < 0,5, Анаммок и хетеротрофна денитрификација могу хармонично коегзистирати без довођења до смањења ефикасности уклањања азота.
5. Стабилност краткотрајне-нитрификације Приликом примене Анаммок процеса, активност НОБ-а мора бити што је више могуће сведена на минимум у уобичајеним условима како би се омогућила акумулација нитрита и одржавао систем нитрификације у кратко- стању нитрификације. Ово је кључно за осигурање стабилности Анаммок-а. Нормалан рад процеса је фундаменталан и директно повезан са његовим ефектом лечења. Наведени циљеви се могу постићи контролом слободног амонијака. Због тога се анаммок углавном примењује на отпадне воде са високим садржајем-амонијачног азота, јер слободни амонијак у високо-отпадној води са високим садржајем амонијачног азота може инхибирати НОБ, одржавајући систем у краткотрајном- стању нитрификације под одговарајућим контролним условима. Међутим, у комуналним отпадним водама, на стабилност кратко{11}}нитрификације утичу температура и амонијачни азот, што онемогућава стабилан рад! У ПН/А процесу, на фазу кратко{12}}нитрификације такође утиче температура јер је активност АОБ-а инхибирана на ниским температурама, смањујући стопу конверзије амонијачног азота. Штавише, енергија активације АОБ-а је већа од енергије НОБ-а, што доводи до недовољне акумулације НО2-, што не може да обезбеди довољно супстрата за Анаммок реакцију.
АНАММОКС процес и његови деривати
Анаммок технологије које се користе у практичним инжењерским апликацијама могу се поделити на суспендовани муљ, грануларни муљ и процесе биофилма.
1. Процес суспендованог муља
АОБ и ААОБ споро-расту и са дугим циклусима производње, микроорганизми се лако губе у конвенционалним системима суспендованог муља. Стога, процеси суспендованог муља често користе секвенционе шаржне реакторе (СБР) за задржавање микроорганизама.
Од свих СБР анаммок технологија, 80% је ДЕМОН процес. Овај процес је први пут примењен у постројењу за пречишћавање отпадних вода Штрас у Аустрији. Његов основни принцип је прилагођавање времена аерације праћењем пХ промена, чиме се подешава равнотежа између кратко{3}}нитрификације и анаммокса. Штавише, овај процес користи хидроциклоне да регулише старост муља ААОБ и АОБ. Под центрифугалном силом, микроорганизми се раздвајају на два дела: лакши АОБ се прелива са врха, док се тежи ААОБ акумулира на дну и тече назад у реактор. Постројење за пречишћавање отпадних вода Страсс постигло је ефикасност аутотрофног уклањања азота од преко 85%.
2. Процес грануларног муља
Типичан пример система гранулисаног муља је Анаммок реактор који је изградио Паркер у Ротердаму. Рани проточни-по-процеси су обично користили системе са два-степена, тако да је у стварном раду Анаммок реактор био интегрисан са претходно изграђеном нитрификацијом... СХАРОН реактор је спојен да формира Схарон-Анаммок реакторски систем, за који је требало 3,5 године да се покрене. Након тога, Паркер Биомедицал је развио интегрисани Анаммок реактор. И анаммок реактор и интегрисани реактор у двостепеном систему-функционишу на континуирани начин узлазног тока, са унутрашњим косим плочастим таложником за постизање задржавања честица муља.
3. Биофилмски процеси
Анаммок процеси који користе технологију биофилма углавном укључују ДеАммон и АНИТАТММок. ДеАмон процес се састоји од три МББР реактора и једног резервоара за дегазацију. Три реактора могу бити повезана серијски или паралелно по потреби, са стопом пуњења МББР-а од 40%–50%. АНИТАТММок првенствено користи интегрисани МББР реактор у свом бочном-систему. АНИТАТММок може да користи чисти МББР биофилм или муљ{7}}хибридни филм ИФАС (Интегратед Фат Филм Ассаи). У процесу чистог биофилма, ААОБ бактерије су у унутрашњем слоју материјала за паковање, а АОБ су у најудаљенијем слоју; у ИФАС процесу, ААОБ су углавном на материјалу за паковање, а АОБ... У суспендованом муљу.
Први оперативни пројекат анаеробне оксидације амонијака (АНАО) на свету!
2002. године, Паркер Системс је изградио први продуктивни АНАО реактор на свету у постројењу за пречишћавање отпадних вода Докхавен у Ротердаму, користећи СхаронАнаммок систем за третман течности за одводњавање муља. Потом је изграђено преко 100 таквих реактора у Холандији, Немачкој, Јапану, Аустралији, Швајцарској и Великој Британији. Вишеструка постројења за пречишћавање отпадних вода са анаеробном оксидацијом амонијака третирају отпадне воде укључујући процедне воде са депоније, отпадне воде са сточне фарме и отпадне воде из хране, поред течности за варење муља.
1. Анаеробни третман муља оксидацијом амонијака у постројењу за пречишћавање отпадних вода ДОКХАВЕН у Ротердаму, Холандија
Прво се сматра да органски муљ, као носилац енергије, претвара органску материју у њему у енергетски гас-метан. На основу тога се формира процес третмана муља приказан на слици. Вишак муља из процеса третмана отпадних вода пролази кроз две различите методе згушњавања пре него што уђе у резервоар за дигестију муља (5). Вишак муља и муља из резервоара за аерацију А-секције се филтрирају кроз фино сито (1) пре згушњавања, а затим улазе у два гравитациони резервоара за згушњавање (2) паралелно. Таложени муљ има садржај воде од 94%; издвојени супернатант се затим враћа у процес третмана отпадних вода ради даљег третмана.
Течност за варење муља садржи релативно високу концентрацију амонијачног азота (до 1500 мг Н/Л), а температура воде је 28 степени. степен . Тако велико оптерећење азотом које улази у процес пречишћавања отпадних вода ће повећати терет уклањања азота. Стога је усвајање најновијих СХАРОН и АНАММОКС технологија за одвојени третман денитрификацијом дигестата муља најновија мера надоградње ДОКХАВЕН постројења за пречишћавање отпадних вода последњих година. Први светски продуктивни реактор ШАРОН (11) почео је да ради овде у октобру 1998. године, а први светски АНАММОКС реактор (12) пуштен је у рад јуна 2002. године.
2. Параметри процеса
1) Један сет финих сита, проток 510 м³/х, размак сита 3 мм.
2) Два сета гравитационих згушњивача, Ф23,6 м, Х=3 м, оптерећење сувим материјама 36 кг/(м²·д), запремина муља 530 м³/д (садржај влаге 94%).
3) Капацитет обраде згушњивача траке 90 м³/х или 700 кг суве чврсте материје/х.
4) Резервоар за изједначавање вишка муља 900 м³.
5) 6) Два резервоара за дигестију муља, Ф22 м, Х=23 м, време задржавања 28 дана на 33 степена, што резултира запремином муља од 600 м³/д (96% садржаја влаге) након дигестије. Резервоар за изједначавање муља има капацитет од 900 м³.
7) Две центрифуге, капацитета обраде 40 м³/х.
8) два резервоара за одводњавање муља, сваки запремине 150 м³; време задржавања 2,5 дана; Х=14 м.
9) Један СХАРОН реактор; Ф19,5 м, Х=5.75 м, проток 550 м³/д, хидраулично време задржавања 3 дана, аеробно време задржавања 24 х, температура 35 степени, пХ 7–7,2, концентрација раствореног кисеоника 1,5 мг/Л.
10) Један АНАММОКС реактор; Ф2,2 м, Х=18 м (В=70 м³), проток 550 м³/д. Реактор ради са капацитетом од м³/д, са хидрауличким временом задржавања од 3 х, пројектованим оптерећењем од 800 кгН/д, температуром од 35 степени и пХ од 7,5.
СХАРОН реактор оксидира половину амонијачног азота у нитритни азот (без контроле пХ). Преостала половина амонијачног азота и конвертованог нитритног азота (половина укупног амонијачног азота у инфлуенту) формирају моларни однос потребан за АНАММОКС (1:1), омогућавајући да се амонијачни азот и нитритни азот директно претворе у гас азота путем аутотрофне конверзије. У поређењу са традиционалним процесима нитрификације/денитрификације, СХАРОН/АНАММОКС процес смањује оперативне трошкове за 90%, емисију ЦО2 за 88%, не производи штетни гас Н₂О, не захтева органску материју, не производи вишак муља и штеди 50% површине земљишта, показујући значајну одрживост и економске користи.