Het Anaërobe Ammoniakoxidatieproces (ANAMMOX) werd in 1990 ontwikkeld door het Kluyver Biotechnologielaboratorium van de Technische Universiteit Delft in Nederland. Dit proces doorbreekt de theoretische basisconcepten van traditionele biologische stikstofverwijderingsprocessen. Onder anaerobe omstandigheden wordt ammoniak geoxideerd tot stikstofgas, waarbij ammoniak als elektronendonor en nitraat of nitriet als elektronenacceptor wordt gebruikt. Hiermee wordt ruim 60% van de zuurstoftoevoer bespaard ten opzichte van volledige nitrificatie (ammoniakoxidatie tot nitraat). Door ammoniak als elektronendonor te gebruiken, wordt ook de koolstofbron bespaard die nodig is bij traditionele biologische stikstofverwijderingsprocessen.
Het ANAMMOX-proces heeft voordelen zoals een hoge efficiëntie van stikstofverwijdering, lage bedrijfskosten en een kleine voetafdruk, en heeft een groot potentieel voor ontwikkeling op het gebied van afvalwaterzuivering. Momenteel wordt dit proces steeds volwassener bij de behandeling van gemeentelijk slib. 's Werelds eerste ANAMMOX-eenheid op productie-schaal, gelegen in de afvalwaterzuiveringsinstallatie Dokhaven in Rotterdam, Nederland, heeft een volumetrische stikstofverwijderingssnelheid (NRR) van wel 9,5 kg N/(m3·d). Bovendien wordt het ANAMMOX-proces steeds vaker toegepast bij de behandeling van afvalwater met een hoog-ammoniak-stikstofgehalte, zoals industrieel fermentatiewater, percolaat van stortplaatsen en aquacultuurafvalwater, waarbij de technische toepassingen zich snel over de hele wereld verspreiden.
Principe van anaërobe ammoniakoxidatie
Anammox is een biologische reactie onder anaërobe omstandigheden, waarbij ammoniak als elektronendonor en nitriet als elektronenacceptor wordt gebruikt om stikstof en nitraat te produceren. Bij Anammox zijn twee processen betrokken: ten eerste het ontledingsmetabolisme (energieproductie), waarbij ammoniak fungeert als de elektronendonor en nitriet als de elektronenacceptor, en reageert in een verhouding van 1:1 om stikstofgas te produceren, waarbij de energie wordt opgeslagen als ATP; ten tweede, anabolisme, waarbij nitriet fungeert als de elektronenacceptor, het reducerende vermogen levert en koolstofdioxide en ATP gebruikt die worden geproduceerd door het ontbindingsmetabolisme om cellulaire materialen te synthetiseren, waarbij nitraat wordt geproduceerd. Anaërobe ammoniakoxidatiebacteriën (AnAOB) zijn de uitvoerders van anaërobe ammoniakoxidatie.
NH4++ NEE2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358kg/mol
Het anaerobe ammoniumoxidatieproces (ANAO) bestaat hoofdzakelijk uit twee stappen: De eerste stap is de gedeeltelijke nitrificatie, waarbij slechts ongeveer 55% van de ammoniakstikstof omgezet hoeft te worden in nitrietstikstof; de tweede stap is anaërobe ammoniumoxidatie (ANAO), waarbij ammoniakstikstof, onder anaërobe omstandigheden, wordt geoxideerd tot stikstofgas door nitrietstikstof als elektronenacceptor. Daarom wordt dit ook wel het PN/A-proces genoemd.
Bij dit proces wordt ongeveer 89% van de anorganische stikstof omgezet in stikstofgas en de resterende 11% in nitraatstikstof. Vergeleken met traditionele nitrificatie-denitrificatieprocessen heeft ANAO aanzienlijke technologische voordelen. Het energieverbruik voor beluchting bedraagt slechts 55-60% van dat van traditionele processen; dit proces vereist vrijwel geen koolstofbron. Als er tijdens ANAO een koolstofbron moet worden toegevoegd om nitraatproducten te verwijderen, is de toegevoegde hoeveelheid ook veel kleiner dan bij traditionele processen. De dosering wordt met 90% verlaagd; het anammox-proces kan het alkaliteitsverbruik met 45% verminderen. Tegelijkertijd is de slibproductie van het anammox-proces veel lager dan die van traditionele denitrificatieprocessen, wat de behandelings- en verwijderingskosten van overtollig slib aanzienlijk zal verlagen.
Factoren die Anammox beïnvloeden
Het creëren van geschikte overlevingsomstandigheden voor anammox-bacteriën in reguliere afvalwaterzuiveringssystemen is een huidige uitdaging, waaronder de verrijking van anammox- en AOB-bacteriën (ammoniak-stikstofvormende bacteriën, die ammoniak-stikstof omzetten in nitriet) en de remming van NOB-bacteriën (nitriet-oxiderende bacteriën, die nitriet in nitraat omzetten).
1. Temperatuur
De metabolische activiteit van micro-organismen wordt grotendeels beïnvloed door de temperatuur. Eerdere onderzoeksresultaten geven aan dat 35 graden de optimale temperatuur is voor anammox. De optimale temperatuur voor Anammox is wanneer het biologische metabolisme het snelst is en de voortplantingscyclus het kortst is. De temperatuur van het meeste daadwerkelijke stedelijke afvalwater is echter laag (10-25 graden), vooral in sommige hoge- breedtegraden, zoals het noorden van mijn land, waar de temperatuur van het afvalwater vaak onder de 10 graden ligt. De effectiviteit en stabiliteit van Anammox in deze gebieden vormen een aanzienlijke uitdaging.
De reguliere temperatuur van stedelijk afvalwater ligt over het algemeen rond de 10–20 graden, lager dan de optimale groeitemperatuur van AnAOB (25–40 graden), wat de groei van Anammox zal beïnvloeden.. 2. Ammoniak- en nitrietconcentraties
De substraten voor anaerobe ammoniumoxidatie (ANAMO) zijn ammoniak en nitriet. Te hoge concentraties van deze twee stoffen kunnen het proces echter remmen. Uit onderzoek is gebleken dat de remmende concentraties voor ammoniak 38,0–98,5 nmol/l bedragen, en voor nitriet 5,4–12,0 nmol/l. Jetten et al. ontdekte dat bij nitrietconcentraties boven 20 nmol/L het ANAMMOX-proces aanzienlijk wordt geremd. Langdurige blootstelling (2 uur) aan hoge nitrietconcentraties kan de activiteit van ANAMMOX volledig vernietigen, maar bij lagere nitrietconcentraties (ongeveer 10 nmol/L) blijft de activiteit relatief hoog.
3. pH-waarde
Omdat ammoniak en nitriet in waterige oplossingen dissociëren, heeft de pH-waarde invloed op ANAMMOX. Studies hebben aangetoond dat het ANAMMOX-proces goed werkt binnen een pH-bereik van 6,7–8,3, met een optimale pH van ongeveer 8.
4. Invloed van organische stof
Het CZV-gehalte in afvalwater... Het bevordert de groei van heterotrofe denitrificerende bacteriën en remt het Anammox-proces. Het Anammox-proces kan alleen domineren als CZV tot een laag niveau door eerstgenoemde wordt verbruikt. Dit probleem speelt vooral een rol bij de behandeling van hoog-stedelijk afvalwater. Uit het onderzoek van Winkler et al. blijkt dat bij een temperatuur van 25 graden, als de C/N-verhouding van het ruwe water < 0,5 is, Anammox en heterotrofe denitrificatie harmonieus naast elkaar kunnen bestaan zonder dat dit leidt tot een afname van de efficiëntie van de stikstofverwijdering.
5. Stabiliteit van korte-nitrificatie Bij toepassing van het Anammox-proces moet de NOB-activiteit onder reguliere omstandigheden zoveel mogelijk worden geminimaliseerd om nitrietaccumulatie mogelijk te maken en het nitrificatiesysteem in een korte- nitrificatietoestand te houden. Dit is cruciaal voor het waarborgen van de stabiliteit van Anammox. De normale werking van het proces is fundamenteel en houdt rechtstreeks verband met het behandelingseffect ervan. De bovengenoemde doelen kunnen worden bereikt door de beheersing van vrije ammoniak. Daarom wordt anammox voornamelijk toegepast op afvalwater met een hoog-ammoniakstikstofgehalte, omdat vrije ammoniak in afvalwater met een hoog-ammoniakstikstofgehalte NOB kan remmen, waardoor het systeem in een korte- nitrificatietoestand wordt gehouden onder geschikte controleomstandigheden. In gemeentelijk afvalwater wordt de stabiliteit van korte-nitrificatie echter beïnvloed door de temperatuur en ammoniakstikstof, waardoor een stabiele werking onmogelijk wordt! In het PN/A-proces wordt de korte nitrificatiefase ook beïnvloed door de temperatuur, omdat de activiteit van AOB wordt geremd bij lage temperaturen, waardoor de conversiesnelheid van ammoniak-stikstof afneemt. Bovendien is de activeringsenergie van AOB hoger dan die van NOB, wat leidt tot onvoldoende NO2-ophoping, wat niet voldoende substraat kan opleveren voor de Anammox-reactie.
ANAMMOX-proces en zijn afgeleide processen
Anammox-technologieën die in praktische technische toepassingen worden gebruikt, kunnen worden onderverdeeld in zwevende slib-, korrelslib- en biofilmprocessen.
1. Zwevende slibproces
AOB en AAOB Langzaam-groeiend en met lange generatiecycli gaan micro-organismen gemakkelijk verloren in conventionele zwevende slibsystemen. Daarom maken gesuspendeerde slibprocessen vaak gebruik van sequencing batchreactoren (SBR's) om micro-organismen vast te houden.
Van alle SBR anammox-technologieën is 80% het DEMON-proces. Dit proces werd voor het eerst toegepast in de afvalwaterzuiveringsinstallatie van Strass in Oostenrijk. Het kernprincipe is het aanpassen van de beluchtingstijd door het monitoren van pH-veranderingen, waardoor de balans tussen korte-nitrificatie en anammox wordt aangepast. Bovendien maakt dit proces gebruik van hydrocyclonen om de slibleeftijd van AAOB en AOB te reguleren. Onder middelpuntvliedende kracht worden de micro-organismen in twee delen gescheiden: de lichtere AOB stroomt van bovenaf over, terwijl de zwaardere AAOB zich onderaan ophoopt en terugstroomt naar de reactor. De afvalwaterzuiveringsinstallatie van Strass behaalde een autotrofe stikstofverwijderingsefficiëntie van meer dan 85%.
2. Korrelslibproces
Een typisch voorbeeld van een korrelslibsysteem is de Anammoxreactor van Parker in Rotterdam. Vroege stroom-by-flow-processen hadden de neiging om twee-trapssystemen te gebruiken, dus tijdens de daadwerkelijke werking werd de Anammox-reactor geïntegreerd met de eerder gebouwde nitrificatie... De SHARON-reactor werd gekoppeld om het Sharon-Anammox-reactorsysteem te vormen, dat 3,5 jaar nodig had om op te starten. Vervolgens ontwikkelde Parker Biomedical een geïntegreerde Anammox-reactor. Zowel de anammoxreactor als de geïntegreerde reactor in het twee-trapssysteem werken op een continue manier met opwaartse stroming, met een interne sedimentatietank met schuine platen om het vasthouden van slibdeeltjes te bereiken.
3. Biofilmprocessen
Anammox-processen die gebruik maken van biofilmtechnologie omvatten voornamelijk DeAmmon en ANITATMMox. Het DeAmmon-proces bestaat uit drie MBBR-reactoren en één ontgassingstank. De drie reactoren kunnen indien nodig in serie of parallel worden aangesloten, met een MBBR-vullingspercentage van 40% -50%. ANITATMMox maakt voornamelijk gebruik van een geïntegreerde MBBR-reactor in zijn zij-stroomsysteem. ANITATMMox kan pure MBBR-biofilm of een slib-film hybride IFAS (Integrated Fat Film Assay) gebruiken. Bij het pure biofilmproces bevinden AAOB-bacteriën zich in de binnenste laag van het verpakkingsmateriaal en AOB in de buitenste laag; in het IFAS-proces zit AAOB voornamelijk op het verpakkingsmateriaal, en AOB... in zwevend slib.
's Werelds eerste operationele anaërobe ammoniakoxidatie (ANAO)-project!
In 2002 bouwde Parker Systems 's werelds eerste productieve ANAO-reactor in de afvalwaterzuiveringsinstallatie Dokhaven in Rotterdam, waarbij gebruik werd gemaakt van het SharonAnammox-systeem om slibontwateringsvloeistof te behandelen. Vervolgens werden ruim 100 van dergelijke reactoren gebouwd in Nederland, Duitsland, Japan, Australië, Zwitserland en Groot-Brittannië. Meerdere anaerobe afvalwaterzuiveringsinstallaties voor ammoniakoxidatie behandelen afvalwater, inclusief percolaat van stortplaatsen, afvalwater van veehouderijen en voedselafvalwater, naast slibverteringsvloeistof.
1. Anaërobe ammoniakoxidatiebehandeling van slib in de afvalwaterzuiveringsinstallatie DOKHAVEN in Rotterdam, Nederland
Organisch slib, als energiedrager, wordt in de eerste plaats overwogen om de organische stof daarin om te zetten in een energetisch gas-methaan. Op basis hiervan wordt het in de figuur weergegeven slibbehandelingsproces gevormd. Het overtollige slib uit het afvalwaterzuiveringsproces ondergaat twee verschillende indikkingsmethoden voordat het in de slibgistingstank (5) terechtkomt. Het overtollige slib en slib uit de beluchtingstank met A--sectie worden gefilterd door een fijn scherm (1) voordat het wordt ingedikt, en gaat vervolgens parallel naar twee door zwaartekracht indikkingstanks (2). Het bezonken slib heeft een watergehalte van 94%; het gescheiden supernatant wordt vervolgens teruggevoerd naar het afvalwaterzuiveringsproces voor verdere behandeling.
De slibgistingsvloeistof bevat een relatief hoge concentratie ammoniakstikstof (tot 1500 mg N/L) en de watertemperatuur is 28 graden. rang . Een dergelijke hoge stikstofbelasting die het afvalwaterzuiveringsproces binnenkomt, zal de last van de stikstofverwijdering vergroten. Daarom is de toepassing van de nieuwste SHARON- en ANAMMOX-technologieën voor de afzonderlijke denitrificatiebehandeling van slibdigestaat de nieuwste upgrademaatregel van de DOKHAVEN afvalwaterzuiveringsinstallatie van de afgelopen jaren. 's Werelds eerste productieve SHARON-reactor (11) werd hier in oktober 1998 in bedrijf genomen, en 's werelds eerste ANAMMOX-reactor (12) werd in juni 2002 in gebruik genomen.
2. Procesparameters
1) Eén set fijne zeven, debiet 510 m³/u, zeefafstand 3 mm.
2) Twee sets zwaartekrachtindikkers, Ф23,6 m, H=3 m, drogestofgehalte 36 kg/(m²·d), slibvolume 530 m³/d (vochtgehalte 94%).
3) Verwerkingscapaciteit bandindikker 90 m³/u of 700 kg droge stof/u.
4) Overtollige slibcompensatietank 900 m³.
5) 6) Twee slibgistingstanks, Ф22 m, H=23 m, verblijftijd 28 dagen bij 33 graden, resulterend in een slibvolume van 600 m³/d (96% vochtgehalte) na vergisting. Een slibegalisatietank heeft een inhoud van 900 m³.
7) Twee centrifuges, met een verwerkingscapaciteit van 40 m³/u.
8) Twee ontwaterde slibopslagtanks, elk met een inhoud van 150 m³; bewaartijd 2,5 dagen; H=14 m.
9) Eén SHARON-reactor; Ф19,5 m, H=5.75 m, debiet 550 m³/d, hydraulische retentietijd 3 dagen, aerobe retentietijd 24 uur, temperatuur 35 graden, pH 7–7,2, concentratie opgeloste zuurstof 1,5 mg/l.
10) Eén ANAMMOX-reactor; Ф2,2 m, H=18 m (V=70 m³), debiet 550 m³/d. De reactor werkt met een capaciteit van m³/d, met een hydraulische verblijftijd van 3 uur, een ontwerpbelasting van 800 kgN/d, een temperatuur van 35 graden en een pH van 7,5.
De SHARON-reactor oxideert de helft van de ammoniakstikstof tot nitrietstikstof (zonder pH-regeling). De resterende helft van de ammoniakstikstof en de omgezette nitrietstikstof (de helft van de totale ammoniakstikstof in het influent) vormen de molaire verhouding die nodig is voor ANAMMOX (1:1), waardoor ammoniakstikstof en nitrietstikstof via autotrofe conversie direct kunnen worden omgezet in stikstofgas. Vergeleken met traditionele nitrificatie/denitrificatieprocessen verlaagt het SHARON/ANAMMOX-proces de bedrijfskosten met 90% en de CO2-uitstoot met 88%, produceert het geen schadelijk N₂O-gas, vereist het geen organisch materiaal, produceert het geen overtollig slib en bespaart het 50% van het landoppervlak, wat aanzienlijke duurzaamheids- en economische voordelen aantoont.