چرا فرآیند اکسیداسیون بی هوازی آمونیوم (Ammox) که یک فناوری بیولوژیکی نیترات زدایی است، در کارخانه های تصفیه فاضلاب بسیار دشوار است؟

پیشگفتار:
نگاهی اجمالی به داده های مقالات اخیرم باعث شد که بخواهم از به روز رسانی صرف نظر کنم، بنابراین تا کنون آن را به تعویق انداخته ام. من می خواهم از بیش از 2500 طرفدارم برای حمایت آنها تشکر کنم. صنعت حفاظت از محیط زیست در سال های اخیر رونق گرفته است، بنابراین به فکر راه اندازی یک رسانه شخصی برای افزایش کسب و کار و درآمدم افتادم. با این حال، هیچ یک از این تلاش ها انتظارات من را برآورده نکرد.

برگردیم به موضوع. این مقاله در مورد "فرایند نیترات زدایی بیولوژیکی اکسیداسیون بی هوازی آمونیوم (AMMOX) است." این فرآیند بیولوژیکی نیترات زدایی از سال 2002 در تصفیه خانه های فاضلاب مورد استفاده عملی قرار گرفته است، اما نرخ پذیرش آن بسیار پایین است و به ندرت می توان چند تصفیه خانه فاضلاب را در چین پیدا کرد. اصل آن نشان می دهد که در مقایسه با فرآیندهای نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی سنتی، دو مزیت قابل توجه را ارائه می دهد: مصرف انرژی کم (بدون نیاز به هوادهی زیاد) و عدم نیاز به منبع کربن (میکروارگانیسم های اتوتروف). استفاده از این فرآیند می تواند هزینه های عملیاتی نیترات زدایی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

تعریف: فناوری اکسیداسیون بی هوازی آمونیوم (Anammox) به عنوان یک پیشرفت انقلابی در تصفیه بیولوژیکی فاضلاب در اوایل قرن بیست و یکم مورد استقبال قرار گرفته است. برای تبدیل مستقیم نیتروژن آمونیاکی (NH4+) و نیتریت (NO2-) به گاز نیتروژن (N2) تحت شرایط بی‌هوازی یا اکسیژن{2}}محدود، از نوع خاصی از باکتری‌های اتوتروف، باکتری‌های اکسیدکننده آمونیوم بی‌هوازی، استفاده می‌کند. این فرآیند فرآیند سنتی نیتریفیکاسیون{4}}نیتریت زدایی را متحول می کند، که به مقادیر زیادی اکسیژن و منبع کربن آلی نیاز دارد.

اصل اصلی:

واکنش شیمیایی هسته: NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O. باکتری های بی هوازی اکسید کننده آمونیوم به طور مستقیم آمونیاک و نیتریت را به هم متصل می کنند تا گاز نیتروژن بی ضرر تولید کنند و نیاز به اکسید کردن کامل نیتروژن آمونیاک به نیترات و سپس کاهش آن را از بین می برند.

تثبیت کربن سلولی: این جامعه باکتریایی از کربن غیر آلی (مانند CO2/HCO3-) به عنوان منبع کربن استفاده می کند که از طریق یک فرآیند شیمیایی اتوتروفیک رشد می کند و مصرف منبع کربن آلی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

صرفه جویی قابل توجه در انرژی: در مقایسه با فرآیندهای سنتی، این فرآیند از نظر تئوری مصرف انرژی هوادهی را تقریباً 60٪ کاهش می دهد (بدون نیاز به نیتریفیکاسیون کامل)، منابع کربن آلی را تا 100٪ (بدون نیاز به نیترات زدایی) و تولید لجن اضافی را تا 90٪ کاهش می دهد.

شرایط کنترل واکنش:

تامین دقیق نیتریت: بخشی از نیتروژن آمونیاکی باید دقیقاً به نیتریت اکسید شود (نیتریفیکاسیون کوتاه مدت) در حالی که غلظت NO2- پایدار حفظ شود (معمولاً<30 mg/L). Excessively high concentrations inhibit bacterial activity, while excessively low concentrations result in insufficient reaction.

کنترل دقیق اکسیژن محلول (DO): یک ریزمحیط بدون اکسیژن/بی هوازی موضعی (DO <0.5 میلی گرم در لیتر) باید در راکتور ایجاد شود تا محیط زندگی برای باکتری های آناموکس فراهم شود و در عین حال تامین NO2- برای بقای باکتری های اکسید کننده آمونیاک نیز تضمین شود.

دما مورد نیاز: دمای مطلوب 30-40 درجه است. دمای پایین (<15°C) significantly reduce bacterial activity, increasing operational difficulties.

الزامات کیفی آب: حساس به مواد سمی (مانند فلزات سنگین، مواد آلی و سولفیدها)، مقدار کمی مواد جامد معلق (SS) مورد نیاز است.

دشواری اجرای فرآیند:

راه اندازی بسیار آهسته: باکتری Anammox دارای زمان تولید طولانی (10-14 روز) و زمان دو برابر شدن کند (تقریباً 11 روز) است و راه اندازی راکتور معمولاً 3-12 ماه یا حتی بیشتر طول می کشد.

نگهداری دشوار لجن: طراحی‌های تخصصی راکتور (مانند لجن دانه‌ای و سیستم‌های بیوفیلم) برای حفظ مؤثر-باکتری‌های آناموکس با رشد آهسته مورد نیاز است.

کوپلینگ فرآیند پیچیده: اجرای پایدار نیتریفیکاسیون با برد کوتاه (برای تولید NO2-) و جفت شدن کارآمد با واکنش Anammox (مانند یک-یا دو مرحله-فرایند تک مرحله ای) چالش های کلیدی کنترل مهندسی هستند.

مقاومت بار شوک ضعیف: سیستم تحمل ضعیفی در برابر نوسانات کیفیت، حجم و دما دارد و حفظ پایداری عملیاتی را دشوار می کند.

تصفیه خانه فاضلاب Dokhaven در روتردام، هلند (اولین{0}}کاربرد مقیاس کامل در جهان - 2002): از فرآیند SHARON® (نیتریفیکاسیون کوتاه{{2}) + Anammox® برای تصفیه لجن هضم شده استفاده می‌کند. عملیات موفقیت آمیز برای چندین سال نشان دهنده یک نقطه عطف در مهندسی فناوری است.

تصفیه خانه فاضلاب استراس در اتریش: یکی از انرژی‌ترین-تصفیه‌خانه‌های فاضلاب مستقل جهان. فرآیند جانبی DEMON® آن (بر اساس Anammox) برای تصفیه مواد هضم به طور قابل توجهی مصرف انرژی را کاهش می دهد و به گیاه کمک می کند تا به خودکفایی انرژی بیش از 100٪ برسد.

کارخانه احیای آب چانگی در سنگاپور: کاربرد{0}مقیاس وسیع فناوری Anammox (فرآیند DEMON) در تصفیه جریان جانبی هضم لجن، بهبود کارایی و پایداری تصفیه.

کارخانه آب احیا شده Gaobeidian در پکن، چین: یکی از اولین-تصفیه‌خانه‌های فاضلاب در مقیاس بزرگ در چین است که فناوری Anammox جریان جانبی (فرایند DEMON) را برای تصفیه لجن معرفی کرده و با موفقیت کار می‌کند.

تصفیه خانه فاضلاب Huaifang در پکن، چین: فرآیند Anammox مبتنی بر MBBR{0}}برای تصفیه لجن هضم شده پس از هیدرولیز حرارتی استفاده می شود.

با وجود مزایای قابل توجهی که دارد، اکسیداسیون بی هوازی آمونیوم (ANAMMOX) همچنان یک کاربرد کم حجم است، به ویژه در تصفیه فاضلاب شهری. دلایل اصلی به شرح زیر است:

1. موانع فنی بالا و کنترل پیچیده: اکسیداسیون بی هوازی آمونیوم به نوسانات کیفیت آب حساس است و به دقت کنترل بسیار بالایی برای پارامترهایی مانند اکسیژن محلول، غلظت نیتریت و دما نیاز دارد که بسیار فراتر از فرآیندهای سنتی است. بهره برداری و نگهداری نیاز به تکنسین های بسیار ماهر دارد.

2. راه اندازی آهسته و سرمایه گذاری بالا: دوره راه اندازی طولانی (چند ماه یا حتی بیش از یک سال) هزینه ها و ریسک های اولیه پروژه را افزایش می دهد. راکتورهای تخصصی (مانند پتوهای لجن دانه ای و MBBR) مورد نیاز برای غنی سازی باکتری و نگهداری لجن نیاز به سرمایه گذاری اولیه بالایی دارند.

3. فقدان تجربه طراحی و عملیاتی: در مقایسه با فرآیند لجن فعال یک قرن، فناوری ANAMMOX تنها حدود 20 سال است که در عمل مهندسی عمل می‌کند و مشخصات طراحی، دستورالعمل‌های عملیاتی، و تجربه عیب‌یابی بسیار کمتر ساخته شده است.

4. مشکل در کنترل شرایط محیطی میکروبی: فاضلاب شهری که با دمای پایین (به ویژه در فصل زمستان)، غلظت نیتروژن آمونیاک کم، ترکیب آب پیچیده (COD، SS، بازدارنده ها) و نوسانات زیاد در حجم آب مشخص می شود، به طور قابل توجهی با شرایط رشد بهینه برای باکتری Anammox متفاوت است و عملکرد پایدار را دشوار می کند.

5. وابستگی و اعتماد به فرآیندهای نیترات زدایی سنتی: فرآیندهای نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی سنتی بالغ و قابل اعتماد هستند، کار با آن آسان است و در برابر بارهای ضربه ای بسیار مقاوم هستند. آنها توسط طراحی و تجربه عملیاتی گسترده و مطالعات موردی موفق متعدد پشتیبانی می‌شوند و پایه‌ای قوی از پشتیبانی ایجاد می‌کنند. به هر حال، تعداد کمی از فرآیندهای تثبیت شده برای فرآیندهای جدید، و ریسک های سرمایه گذاری قابل توجهی که در آن وجود دارد، کنار گذاشته می شوند.