فرآیند اکسیداسیون بی هوازی آمونیاک (ANAMMOX) در سال 1990 توسط آزمایشگاه بیوتکنولوژی Kluyver در دانشگاه صنعتی دلفت در هلند توسعه یافت. این فرآیند مفاهیم نظری اساسی فرآیندهای حذف نیتروژن بیولوژیکی سنتی را می شکند. در شرایط بی هوازی، آمونیاک با استفاده از آمونیاک به عنوان دهنده الکترون و نیترات یا نیتریت به عنوان گیرنده الکترون به گاز نیتروژن اکسید می شود. این باعث صرفه جویی بیش از 60 درصد از اکسیژن در مقایسه با نیتریفیکاسیون کامل (اکسیداسیون آمونیاک به نیترات) می شود. استفاده از آمونیاک به عنوان دهنده الکترون همچنین باعث صرفه جویی در منبع کربن مورد نیاز در فرآیندهای حذف بیولوژیکی نیتروژن سنتی می شود.
فرآیند ANAMMOX دارای مزایایی مانند راندمان حذف نیتروژن بالا، هزینه های عملیاتی کم و ردپای کوچک است و پتانسیل زیادی برای توسعه در تصفیه فاضلاب دارد. در حال حاضر، این فرآیند در تصفیه لجن شهری به طور فزاینده ای بالغ می شود. اولین واحد تولیدی در مقیاس ANAMMOX در جهان، واقع در تصفیه خانه فاضلاب Dokhaven در روتردام، هلند، دارای نرخ حذف حجمی نیتروژن (NRR) تا 9.5 کیلوگرم N/(m3·d) است. علاوه بر این، فرآیند ANAMMOX به طور فزاینده ای در تصفیه فاضلاب با نیتروژن آمونیاک بالا، مانند فاضلاب صنعتی تخمیر، شیرابه دفن زباله، و فاضلاب آبزی پروری، با کاربردهای مهندسی آن به سرعت در سراسر جهان گسترش یافته است.
اصل اکسیداسیون بی هوازی آمونیاک
Anammox یک واکنش بیولوژیکی در شرایط بی هوازی است که از آمونیاک به عنوان دهنده الکترون و نیتریت به عنوان گیرنده الکترون برای تولید نیتروژن و نیترات استفاده می کند. Anammox شامل دو فرآیند است: اول، متابولیسم تجزیه (تولید انرژی)، که در آن آمونیاک به عنوان دهنده الکترون و نیتریت به عنوان گیرنده الکترون عمل می کند و در نسبت 1:1 برای تولید گاز نیتروژن واکنش می دهد و انرژی را به عنوان ATP ذخیره می کند. دوم، آنابولیسم، که در آن نیتریت به عنوان گیرنده الکترون عمل می کند، قدرت کاهشی را فراهم می کند و از دی اکسید کربن و ATP تولید شده از متابولیسم تجزیه برای سنتز مواد سلولی استفاده می کند و در این فرآیند نیترات تولید می کند. باکتری های بی هوازی اکسیداسیون آمونیاک (AnAOB) مجریان اکسیداسیون بی هوازی آمونیاک هستند.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O، ΔG=-358kg/mol
فرآیند اکسیداسیون بی هوازی آمونیوم (ANAO) عمدتاً از دو مرحله تشکیل شده است: مرحله اول نیتریفیکاسیون جزئی است که در آن فقط حدود 55 درصد از نیتروژن آمونیاکی باید به نیتروژن نیتریت تبدیل شود. مرحله دوم، اکسیداسیون بی هوازی آمونیوم (ANAO) است، که در آن نیتروژن آمونیاکی، تحت شرایط بی هوازی، توسط نیتروژن نیتریت به عنوان گیرنده الکترون به گاز نیتروژن اکسید می شود. بنابراین به آن فرآیند PN/A نیز می گویند.
در این فرآیند تقریباً 89 درصد از نیتروژن معدنی به گاز نیتروژن و 11 درصد باقی مانده به نیتروژن نیترات تبدیل می شود. در مقایسه با فرآیندهای سنتی نیتریفیکاسیون{3}}نیتریفیکاسیون، ANAO دارای مزایای تکنولوژیکی قابل توجهی است. مصرف انرژی هوادهی آن تنها 55 تا 60 درصد از فرآیندهای سنتی است. این فرآیند تقریباً به هیچ منبع کربنی نیاز ندارد. اگر در طول ANAO برای حذف محصولات نیترات نیاز به افزودن منبع کربن باشد، مقدار اضافه شده نیز بسیار کمتر از فرآیندهای سنتی است. دوز 90٪ کاهش می یابد. فرآیند anammox می تواند مصرف قلیایی را تا 45٪ کاهش دهد. به طور همزمان، تولید لجن در فرآیند آناموکس به مراتب کمتر از فرآیندهای نیترات زدایی سنتی است که به طور قابل توجهی هزینه های تصفیه و دفع لجن اضافی را کاهش می دهد.
عوامل موثر بر آناموکس
ایجاد شرایط بقای مناسب برای باکتریهای آناموکس در سیستمهای تصفیه فاضلاب جریان اصلی، از جمله غنیسازی باکتریهای anammox و AOB (باکتریهای نیتروژنکننده آمونیاک، که نیتروژن آمونیاکی را به نیتریت تبدیل میکنند) و مهار باکتریهای NOB (باکتریهای اکسیدکننده نیتریت، که نیتریت را به نیترات تبدیل میکنند) یک چالش کنونی است.
1. دما
فعالیت متابولیک میکروارگانیسم ها تا حد زیادی تحت تأثیر دما است. نتایج تحقیقات قبلی نشان می دهد که 35 درجه دمای مطلوب برای آناموکس است. دمای مطلوب برای Anammox زمانی است که متابولیسم بیولوژیکی آن سریعترین و چرخه تولیدمثلی آن کوتاهترین باشد. با این حال، دمای اکثر فاضلابهای شهری واقعی پایین است (10 تا 25 درجه)، بهویژه در برخی از مناطق با عرض جغرافیایی بالا مانند شمال کشور من، جایی که دمای فاضلاب اغلب کمتر از 10 درجه است. اثربخشی و پایداری Anammox در این مناطق یک چالش مهم است.
دمای جریان اصلی فاضلاب شهری به طور کلی حدود 10-20 درجه است که کمتر از دمای رشد بهینه AnAOB (25-40 درجه) است که بر رشد غلظت آمونیاک و نیتریت Anammox تأثیر می گذارد.
بسترهای اکسیداسیون بی هوازی آمونیوم (ANAMO) آمونیاک و نیتریت هستند. با این حال، غلظت بیش از حد بالای این دو ماده می تواند روند را مهار کند. مطالعات نشان داده اند که غلظت مهارکننده آمونیاک 38.0-98.5 نانومول در لیتر و برای نیتریت 5.4-12.0 نانومول در لیتر است. جتن و همکاران نشان داد که در غلظتهای نیتریت بالای 20 نانومول در لیتر، فرآیند ANAMMOX به طور قابلتوجهی مهار میشود. قرار گرفتن طولانی مدت (2 ساعت) با غلظت های بالای نیتریت می تواند به طور کامل فعالیت ANAMMOX را از بین ببرد، اما در غلظت های پایین نیتریت (حدود 10 نانومول در لیتر)، فعالیت آن نسبتا بالا باقی می ماند.
3. مقدار pH
از آنجایی که آمونیاک و نیتریت در محلول های آبی تفکیک می شوند، مقدار pH بر ANAMMOX تأثیر می گذارد. مطالعات نشان داده اند که فرآیند ANAMMOX در محدوده pH 6.7-8.3 به خوبی عمل می کند و pH بهینه آن حدود 8 است.
4. تأثیر مواد آلی
محتوای COD در فاضلاب ... باعث رشد باکتری های نیترات زدایی هتروتروف می شود و فرآیند Anammox را مهار می کند. فرآیند Anammox تنها زمانی می تواند تسلط داشته باشد که COD در سطح پایینی توسط اولی مصرف شود. این موضوع به ویژه در تصفیه فاضلاب شهری با شدت بالا برجسته است. تحقیقات وینکلر و همکاران نشان می دهد که در دمای 25 درجه، اگر نسبت C/N آب خام کمتر از 0.5 باشد، Anammox و نیترات زدایی هتروتروف می توانند به طور هماهنگ بدون کاهش راندمان حذف نیتروژن، همزیستی کنند.
5. پایداری نیتریفیکاسیون کوتاه{1}}برش در هنگام اعمال فرآیند Anammox، فعالیت NOB باید تا حد امکان تحت شرایط اصلی به حداقل برسد تا امکان تجمع نیتریت فراهم شود و سیستم نیتریفیکاسیون در حالت نیتریفیکاسیون کوتاه- حفظ شود. این برای اطمینان از پایداری Anammox بسیار مهم است. عملکرد طبیعی این فرآیند اساسی است و به طور مستقیم با اثر درمانی آن مرتبط است. اهداف فوق از طریق کنترل آمونیاک آزاد قابل دستیابی است. بنابراین، به همین دلیل است که anammox عمدتاً برای فاضلاب با نیتروژن بالا-آمونیاک استفاده میشود، زیرا آمونیاک آزاد در فاضلاب نیتروژن آمونیاک بالا میتواند NOB را مهار کند و سیستم را در حالت نیتریفیکاسیون کوتاه- تحت شرایط کنترل مناسب حفظ کند. با این حال، در فاضلاب شهری، پایداری نیتریفیکاسیون کوتاه{11} تحت تأثیر دما و نیتروژن آمونیاکی قرار میگیرد و عملکرد پایدار را غیرممکن میکند! در فرآیند PN/A، مرحله نیتریفیکاسیون کوتاه{12}} نیز تحت تأثیر دما قرار میگیرد زیرا فعالیت AOB در دماهای پایین مهار میشود و نرخ تبدیل نیتروژن آمونیاکی را کاهش میدهد. علاوه بر این، انرژی فعالسازی AOB بالاتر از NOB است که منجر به تجمع ناکافی NO2 میشود که نمیتواند بستر کافی برای واکنش Anammox را فراهم کند.
فرآیند ANAMMOX و فرآیندهای مشتق آن
فن آوری های Anammox مورد استفاده در کاربردهای مهندسی عملی را می توان به فرآیندهای لجن معلق، لجن دانه ای و بیوفیلم تقسیم کرد.
1. فرآیند لجن معلق
AOB و AAOB آهسته{0}}رشد میکنند و با چرخههای تولید طولانی، میکروارگانیسمها به راحتی در سیستمهای لجن معلق معمولی از بین میروند. بنابراین، فرآیندهای لجن معلق اغلب از راکتورهای دسته ای توالی یابی (SBRs) برای حفظ میکروارگانیسم ها استفاده می کنند.
از تمام فن آوری های SBR anammox، 80٪ فرآیند DEMON است. این فرآیند برای اولین بار در تصفیه خانه فاضلاب Strass در اتریش به کار گرفته شد. اصل اصلی آن تنظیم زمان هوادهی با نظارت بر تغییرات pH است، در نتیجه تعادل بین نیتریفیکاسیون کوتاه-و anammox تنظیم میشود. علاوه بر این، این فرآیند از هیدروسیکلون ها برای تنظیم سن لجن AAOB و AOB استفاده می کند. تحت نیروی گریز از مرکز، میکروارگانیسمها به دو بخش تقسیم میشوند: AOB سبکتر از بالا سرریز میکند، در حالی که AAOB سنگینتر در پایین جمع میشود و به راکتور برمیگردد. تصفیه خانه فاضلاب استراس به راندمان حذف نیتروژن اتوتروف بیش از 85 درصد دست یافت.
2. فرآیند لجن دانه ای
یک نمونه معمولی از سیستم لجن دانه ای، راکتور Anammox است که توسط پارکر در روتردام ساخته شده است. فرآیندهای اولیه جریان-با-جریان از سیستمهای دو مرحلهای استفاده میکردند، بنابراین در عملیات واقعی، راکتور Anammox با نیتریفیکاسیون قبلی ادغام شد... راکتور SHARON برای تشکیل سیستم راکتور شارون-Anammox، که راهاندازی آن 3.5 سال طول کشید، جفت شد. متعاقباً، پارکر بیومدیکال یک راکتور یکپارچه Anammox را توسعه داد. هر دو راکتور anammox و راکتور یکپارچه در سیستم دو مرحلهای به روشی پیوسته با جریان بالا کار میکنند، با یک مخزن تهنشینی صفحه شیبدار داخلی برای حفظ ذرات لجن.
3. فرآیندهای بیوفیلم
فرآیندهای Anammox با استفاده از فناوری بیوفیلم عمدتاً شامل DeAmmon و ANITATMMox است. فرآیند DeAmmon از سه راکتور MBBR و یک مخزن گاززدایی تشکیل شده است. این سه راکتور می توانند در صورت نیاز به صورت سری یا موازی با نرخ پر شدن MBBR بین 40 تا 50 درصد به هم متصل شوند. ANITATMMox در درجه اول از یک راکتور MBBR یکپارچه در سیستم جریان جانبی- خود استفاده می کند. ANITATMMox میتواند از بیوفیلم خالص MBBR یا یک فیلم هیبرید IFAS (آزمایش فیلم چربی یکپارچه) استفاده کند. در فرآیند بیوفیلم خالص، باکتری های AAOB در داخلی ترین لایه مواد بسته بندی و AOB در بیرونی ترین لایه قرار دارند. در فرآیند IFAS، AAOB عمدتا بر روی مواد بسته بندی است و AOB... در لجن معلق.
اولین پروژه عملیاتی اکسیداسیون آمونیاک بی هوازی (ANAO) جهان!
در سال 2002، پارکر سیستمز اولین راکتور تولیدی ANAO جهان را در تصفیه خانه فاضلاب Dokhaven در روتردام با استفاده از سیستم SharonAnammox برای تصفیه مایع آبگیری لجن ساخت. متعاقباً بیش از 100 راکتور از این دست در هلند، آلمان، ژاپن، استرالیا، سوئیس و بریتانیا ساخته شد. تصفیه خانه های فاضلاب اکسیداسیون بی هوازی چندگانه با آمونیاک، فاضلاب از جمله شیرابه های دفن زباله، فاضلاب مزارع دام و فاضلاب مواد غذایی را علاوه بر مایع هضم لجن، تصفیه می کنند.
1. تصفیه بی هوازی اکسیداسیون آمونیاک لجن در تصفیه خانه فاضلاب DOKHAVEN در روتردام، هلند
لجن آلی به عنوان یک حامل انرژی، ابتدا ماده آلی موجود در آن را به گاز{0}}متان پرانرژی تبدیل می کند. بر این اساس فرآیند تصفیه لجن نشان داده شده در شکل شکل می گیرد. لجن اضافی حاصل از فرآیند تصفیه فاضلاب قبل از ورود به مخزن هضم لجن تحت دو روش غلیظ شدن متفاوت قرار می گیرد (5). لجن و لجن اضافی از مخزن هوادهی مقطع A قبل از ضخیم شدن از طریق یک صفحه ریز (1) فیلتر می شود و سپس وارد دو مخزن ضخیم شدن گرانشی (2) به صورت موازی می شود. لجن ته نشین شده دارای محتوای آب 94 درصد است. سپس مایع رویی جدا شده برای تصفیه بیشتر به فرآیند تصفیه فاضلاب بازگردانده می شود.
مایع هضم لجن حاوی غلظت نسبتاً بالایی از نیتروژن آمونیاکی (تا 1500 میلی گرم N/L) و دمای آب 28 درجه است. درجه . چنین بار نیتروژن بالایی که وارد فرآیند تصفیه فاضلاب می شود، بار حذف نیتروژن را افزایش می دهد. بنابراین، استفاده از آخرین فناوریهای SHARON و ANAMMOX برای تصفیه مجزای نیترات زدایی لجن هضم شده، آخرین اقدام بهروزرسانی تصفیهخانه فاضلاب DOKHAVEN در سالهای اخیر است. اولین رآکتور مولد SHARON (11) در اکتبر 1998 در اینجا شروع به کار کرد و اولین راکتور ANAMMOX (12) جهان در ژوئن 2002 به بهره برداری رسید.
2. پارامترهای فرآیند
1) یک مجموعه صفحه نمایش خوب، سرعت جریان 510 متر مکعب در ساعت، فاصله صفحه نمایش 3 میلی متر.
2) دو مجموعه غلیظ کننده ثقلی، Ф23.6 متر، H=3 متر، بار جامد خشک 36 کیلوگرم/(m²·d)، حجم لجن 530 متر مکعب در روز (محتوای رطوبت 94 درصد).
3) ظرفیت پردازش ضخیم کننده کمربند 90 m³ / ساعت یا 700 کیلوگرم جامدات خشک در ساعت.
4) مخزن یکسان سازی لجن اضافی 900 متر مکعب.
5) 6) دو مخزن هضم لجن، Ф22 متر، H=23 متر، زمان ماند 28 روز در دمای 33 درجه، که منجر به حجم لجن 600 m³/d (96 درصد رطوبت) پس از هضم می شود. مخزن یکسان سازی لجن دارای ظرفیت 900 متر مکعب می باشد.
7) دو سانتریفیوژ با ظرفیت پردازش 40 m³/h.
8) دو مخزن ذخیره لجن آبگیری هر کدام به حجم 150 متر مکعب. زمان نگهداری 2.5 روز؛ H=14 m.
9) یک راکتور شارون. Ф19.5 متر، H=5.75 متر، سرعت جریان 550 m³/d، زمان ماند هیدرولیک 3 روز، زمان ماند هوازی 24 ساعت، دما 35 درجه، pH 7-7.2، غلظت اکسیژن محلول 1.5 میلی گرم در لیتر.
10) یک راکتور ANAMMOX. Ф2.2 متر، H=18 متر (V=70 m³)، سرعت جریان 550 m³/d. راکتور با ظرفیت m³/d، با زمان نگهداری هیدرولیکی 3 ساعت، بار طراحی 800 کیلوگرم نیوتن در روز، دمای 35 درجه و pH 7.5 کار می کند.
راکتور SHARON نیمی از نیتروژن آمونیاکی را به نیتروژن نیتریت (بدون کنترل pH) اکسید می کند. نیمی از نیتروژن آمونیاکی و نیتروژن نیتریت تبدیل شده (نیمی از کل نیتروژن آمونیاکی موجود در ورودی) نسبت مولی مورد نیاز برای ANAMMOX (1:1) را تشکیل می دهند و اجازه می دهند نیتروژن آمونیاکی و نیتروژن نیتروژن مستقیماً از طریق تبدیل اتوتروفیک به گاز نیتروژن تبدیل شوند. در مقایسه با فرآیندهای سنتی نیتریفیکاسیون / نیترات زدایی، فرآیند SHARON/ANAMMOX هزینه های عملیاتی را تا 90٪، انتشار CO2 را تا 88٪ کاهش می دهد، هیچ گاز مضر N2O تولید نمی کند، به مواد آلی نیاز ندارد، لجن اضافی تولید نمی کند و 50٪ از سطح زمین را ذخیره می کند، که پایداری و مزایای اقتصادی قابل توجهی را نشان می دهد.