Der Prozess der anaeroben Ammoniakoxidation (ANAMMOX) wurde 1990 vom Kluyver Biotechnology Laboratory an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden entwickelt. Dieses Verfahren durchbricht die grundlegenden theoretischen Konzepte traditioneller biologischer Stickstoffentfernungsverfahren. Unter anaeroben Bedingungen wird Ammoniak zu Stickstoffgas oxidiert, wobei Ammoniak als Elektronendonor und Nitrat oder Nitrit als Elektronenakzeptor dienen. Dadurch wird im Vergleich zur Vollnitrifikation (Ammoniakoxidation zu Nitrat) mehr als 60 % der Sauerstoffzufuhr eingespart. Durch die Verwendung von Ammoniak als Elektronendonor wird auch die Kohlenstoffquelle eingespart, die bei herkömmlichen biologischen Stickstoffentfernungsprozessen erforderlich ist.
Das ANAMMOX-Verfahren bietet Vorteile wie eine hohe Stickstoffentfernungseffizienz, niedrige Betriebskosten und einen geringen Platzbedarf und birgt ein großes Entwicklungspotenzial in der Abwasserbehandlung. Derzeit wird dieses Verfahren bei der Behandlung von kommunalem Schlamm immer ausgereifter. Die weltweit erste ANAMMOX-Anlage im Produktionsmaßstab, die sich in der Abwasseraufbereitungsanlage Dokhaven in Rotterdam, Niederlande, befindet, hat eine volumetrische Stickstoffentfernungsrate (NRR) von bis zu 9,5 kg N/(m3·d). Darüber hinaus wird das ANAMMOX-Verfahren zunehmend bei der Behandlung von Abwässern mit hohem Ammoniak-Stickstoffgehalt eingesetzt, wie z. B. Abwässer aus der Fermentationsindustrie, Deponiesickerwasser und Aquakulturabwässer, wobei sich seine technischen Anwendungen weltweit rasch verbreiten.
Prinzip der anaeroben Ammoniakoxidation
Anammox ist eine biologische Reaktion unter anaeroben Bedingungen, bei der Ammoniak als Elektronendonor und Nitrit als Elektronenakzeptor verwendet werden, um Stickstoff und Nitrat zu erzeugen. Anammox umfasst zwei Prozesse: erstens den Zersetzungsstoffwechsel (Energieerzeugung), bei dem Ammoniak als Elektronendonor und Nitrit als Elektronenakzeptor fungiert und im Verhältnis 1:1 unter Bildung von Stickstoffgas reagiert und die Energie als ATP speichert; Zweitens der Anabolismus, bei dem Nitrit als Elektronenakzeptor fungiert, eine Reduktionskraft bereitstellt und Kohlendioxid und ATP aus dem Abbaustoffwechsel nutzt, um Zellmaterialien zu synthetisieren und dabei Nitrat zu produzieren. Anaerobe Ammoniakoxidationsbakterien (AnAOB) sind die Urheber der anaeroben Ammoniakoxidation.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358kg/mol
Der Prozess der anaeroben Ammoniumoxidation (ANAO) besteht im Wesentlichen aus zwei Schritten: Der erste Schritt ist die teilweise Nitrifikation, bei der nur etwa 55 % des Ammoniakstickstoffs in Nitritstickstoff umgewandelt werden müssen; Der zweite Schritt ist die anaerobe Ammoniumoxidation (ANAO), bei der Ammoniakstickstoff unter anaeroben Bedingungen durch Nitritstickstoff als Elektronenakzeptor zu Stickstoffgas oxidiert wird. Daher wird es auch als PN/A-Verfahren bezeichnet.
Bei diesem Prozess werden etwa 89 % des anorganischen Stickstoffs in Stickstoffgas und die restlichen 11 % in Nitratstickstoff umgewandelt. Im Vergleich zu herkömmlichen Nitrifikations--Denitrifikationsverfahren weist ANAO erhebliche technologische Vorteile auf. Der Energieverbrauch bei der Belüftung beträgt nur 55–60 % des Verbrauchs herkömmlicher Verfahren. Dieser Prozess erfordert nahezu keine Kohlenstoffquelle. Wenn bei der ANAO eine Kohlenstoffquelle hinzugefügt werden muss, um Nitratprodukte zu entfernen, ist die hinzugefügte Menge ebenfalls viel geringer als bei herkömmlichen Verfahren. Die Dosierung wird um 90 % reduziert; Der Anammox-Prozess kann den Alkalitätsverbrauch um 45 % reduzieren. Gleichzeitig ist die Schlammproduktion des Anammox-Verfahrens weitaus geringer als die herkömmlicher Denitrifikationsverfahren, was die Behandlungs- und Entsorgungskosten für überschüssigen Schlamm erheblich senken wird.
Faktoren, die Anammox beeinflussen
Die Schaffung geeigneter Überlebensbedingungen für Anammox-Bakterien in gängigen Abwasseraufbereitungssystemen ist eine aktuelle Herausforderung, einschließlich der Anreicherung von Anammox- und AOB-Bakterien (Ammoniak-stickstoffisierende Bakterien, die Ammoniakstickstoff in Nitrit umwandeln) und der Hemmung von NOB-Bakterien (nitritoxidierende Bakterien, die Nitrit in Nitrat umwandeln).
1. Temperatur
Die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen wird maßgeblich von der Temperatur beeinflusst. Frühere Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass 35 Grad die optimale Temperatur für Anammox ist. Die optimale Temperatur für Anammox ist, wenn sein biologischer Stoffwechsel am schnellsten und sein Reproduktionszyklus am kürzesten ist. Allerdings ist die Temperatur der meisten städtischen Abwässer niedrig (10–25 Grad), insbesondere in einigen Regionen hoher Breitengrade wie im Norden meines Landes, wo die Abwassertemperaturen oft unter 10 Grad liegen. Die Wirksamkeit und Stabilität von Anammox in diesen Bereichen stellen eine große Herausforderung dar.
Die Hauptstromtemperatur des städtischen Abwassers liegt im Allgemeinen bei etwa 10–20 Grad und damit niedriger als die optimale Wachstumstemperatur von AnAOB (25–40 Grad), was sich auf das Wachstum der Anammox. 2.-Ammoniak- und Nitritkonzentrationen auswirkt
Die Substrate für die anaerobe Ammoniumoxidation (ANAMO) sind Ammoniak und Nitrit. Allerdings können zu hohe Konzentrationen dieser beiden Stoffe den Prozess hemmen. Studien haben gezeigt, dass die Hemmkonzentrationen für Ammoniak 38,0–98,5 nmol/L und für Nitrit 5,4–12,0 nmol/L betragen. Jetten et al. fanden heraus, dass der ANAMMOX-Prozess bei Nitritkonzentrationen über 20 nmol/L deutlich gehemmt wird. Eine längere Exposition (2 Stunden) gegenüber hohen Nitritkonzentrationen kann die Aktivität von ANAMMOX vollständig zerstören, bei niedrigeren Nitritkonzentrationen (ca. 10 nmol/L) bleibt die Aktivität jedoch relativ hoch.
3. pH-Wert
Da Ammoniak und Nitrit in wässrigen Lösungen dissoziieren, beeinflusst der pH-Wert ANAMMOX. Studien haben gezeigt, dass das ANAMMOX-Verfahren in einem pH-Bereich von 6,7–8,3 gut funktioniert, wobei ein optimaler pH-Wert bei etwa 8 liegt.
4. Einfluss organischer Materie
Der CSB-Gehalt im Abwasser... Es fördert das Wachstum heterotropher denitrifizierender Bakterien und hemmt den Anammox-Prozess. Der Anammox-Prozess kann nur dann dominieren, wenn ersterer nur einen geringen Anteil an CSB verbraucht. Dieses Problem ist besonders wichtig bei der Behandlung von kommunalem Abwasser mit hoher -Intensität. Die Untersuchungen von Winkler et al. deuten darauf hin, dass bei 25 Grad und einem C/N-Verhältnis des Rohwassers von < 0,5 Anammox und heterotrophe Denitrifikation harmonisch koexistieren können, ohne dass es zu einer Verringerung der Stickstoffentfernungseffizienz kommt.
5. Stabilität der Short{1}}Nitrifikation Bei der Anwendung des Anammox-Verfahrens muss die NOB-Aktivität unter Mainstream-Bedingungen so weit wie möglich minimiert werden, um eine Nitritakkumulation zu ermöglichen und das Nitrifikationssystem in einem Short{2}}Nitrifikationszustand zu halten. Dies ist entscheidend für die Gewährleistung der Stabilität von Anammox. Der normale Ablauf des Prozesses ist von grundlegender Bedeutung und steht in direktem Zusammenhang mit seiner Behandlungswirkung. Die oben genannten Ziele können durch die Kontrolle von freiem Ammoniak erreicht werden. Aus diesem Grund wird Anammox hauptsächlich bei Abwässern mit hohem Ammoniak- und Stickstoffgehalt angewendet, da freies Ammoniak in Abwässern mit hohem Ammoniak- und Stickstoffgehalt NOB hemmen und das System unter geeigneten Kontrollbedingungen in einem kurzen Nitrifikationszustand halten kann. Allerdings wird in kommunalem Abwasser die Stabilität der Kurzschlussnitrifikation durch die Temperatur und den Ammoniakstickstoff beeinflusst, was einen stabilen Betrieb unmöglich macht! Beim PN/A-Prozess wird die Kurzschlussnitrifikationsstufe auch von der Temperatur beeinflusst, da die Aktivität von AOB bei niedrigen Temperaturen gehemmt wird, was die Ammoniak-Stickstoff-Umwandlungsrate verringert. Darüber hinaus ist die Aktivierungsenergie von AOB höher als die von NOB, was zu einer unzureichenden NO2-Akkumulation führt, wodurch nicht genügend Substrat für die Anammox-Reaktion bereitgestellt werden kann.
ANAMMOX-Prozess und seine abgeleiteten Prozesse
Anammox-Technologien, die in praktischen technischen Anwendungen eingesetzt werden, können in Schwebstoffschlamm-, Granulatschlamm- und Biofilmprozesse unterteilt werden.
1. Schwebstoffschlammverfahren
AOB und AAOB Langsames -Wachstum und lange Generationszyklen führen dazu, dass Mikroorganismen in herkömmlichen Schwebeschlammsystemen leicht verloren gehen. Daher werden bei Suspensionsschlammprozessen häufig Sequenzierungs-Batch-Reaktoren (SBRs) eingesetzt, um Mikroorganismen zurückzuhalten.
80 % aller SBR-Anammox-Technologien sind das DEMON-Verfahren. Dieses Verfahren wurde erstmals auf der Kläranlage Strass in Österreich angewendet. Sein Kernprinzip besteht darin, die Belüftungszeit durch Überwachung von pH-Änderungen anzupassen und so das Gleichgewicht zwischen Kurzschlussnitrifikation und Anammox anzupassen. Darüber hinaus nutzt dieser Prozess Hydrozyklone, um das Schlammalter von AAOB und AOB zu regulieren. Durch die Zentrifugalkraft werden die Mikroorganismen in zwei Teile getrennt: Das leichtere AOB läuft von oben über, während sich das schwerere AAOB unten ansammelt und zum Reaktor zurückfließt. Die Kläranlage Strass erreichte einen autotrophen Stickstoffentfernungswirkungsgrad von über 85 %.
2. Granulatschlammverfahren
Ein typisches Beispiel für ein Granulatschlammsystem ist der von Parker in Rotterdam gebaute Anammox-Reaktor. Frühe Flow-by-Flow-Prozesse verwendeten in der Regel zwei{3}stufige Systeme, sodass im tatsächlichen Betrieb der Anammox-Reaktor in die zuvor gebaute Nitrifikation integriert wurde ... Der SHARON-Reaktor wurde zum Sharon-Anammox-Reaktorsystem gekoppelt, dessen Inbetriebnahme 3,5 Jahre dauerte. Anschließend entwickelte Parker Biomedical einen integrierten Anammox-Reaktor. Sowohl der Anammox-Reaktor als auch der integrierte Reaktor im zweistufigen System arbeiten kontinuierlich im Aufwärtsstrom mit einem internen Sedimentationstank mit geneigter Platte, um eine Rückhaltung der Schlammpartikel zu erreichen.
3. Biofilmprozesse
Zu den Anammox-Prozessen mit Biofilmtechnologie zählen hauptsächlich DeAmmon und ANITATMMox. Der DeAmmon-Prozess besteht aus drei MBBR-Reaktoren und einem Entgasungstank. Die drei Reaktoren können je nach Bedarf in Reihe oder parallel geschaltet werden, mit einem MBBR-Füllgrad von 40–50 %. ANITATMMox verwendet in seinem Seitenstromsystem hauptsächlich einen integrierten MBBR-Reaktor. ANITATMMox kann reinen MBBR-Biofilm oder einen Schlammfilm-Hybrid IFAS (Integrated Fat Film Assay) verwenden. Beim reinen Biofilmprozess befinden sich AAOB-Bakterien in der innersten Schicht des Verpackungsmaterials und AOB in der äußersten Schicht; Beim IFAS-Verfahren befinden sich AAOB hauptsächlich auf dem Verpackungsmaterial und AOB... im suspendierten Schlamm.
Das weltweit erste betriebsbereite Projekt zur anaeroben Ammoniakoxidation (ANAO)!
Im Jahr 2002 baute Parker Systems den weltweit ersten produktiven ANAO-Reaktor in der Abwasseraufbereitungsanlage Dokhaven in Rotterdam und nutzte dabei das SharonAnammox-System zur Behandlung von Schlammentwässerungsflüssigkeit. Anschließend wurden über 100 solcher Reaktoren in den Niederlanden, Deutschland, Japan, Australien, der Schweiz und Großbritannien gebaut. Mehrere Abwasserbehandlungsanlagen mit anaerober Ammoniakoxidation behandeln neben Schlammaufschlussflüssigkeit auch Abwasser, einschließlich Deponiesickerwasser, Abwasser aus der Viehhaltung und Lebensmittelabwasser.
1. Anaerobe Ammoniakoxidationsbehandlung von Schlamm in der Kläranlage DOKHAVEN in Rotterdam, Niederlande
Man geht zunächst davon aus, dass organischer Schlamm als Energieträger die darin enthaltene organische Substanz in ein energiereiches Gas -Methan umwandelt. Darauf aufbauend entsteht der in der Abbildung dargestellte Schlammbehandlungsprozess. Der Überschussschlamm aus der Abwasserbehandlung durchläuft zwei unterschiedliche Eindickverfahren, bevor er in den Schlammfaulbehälter (5) gelangt. Der überschüssige Schlamm und der Schlamm aus dem Belebungsbecken mit Abschnitt A- werden vor der Eindickung durch ein Feinsieb (1) gefiltert und gelangen dann parallel in zwei Schwerkrafteindickungstanks (2). Der abgesetzte Schlamm hat einen Wassergehalt von 94 %; Der abgetrennte Überstand wird dann zur weiteren Behandlung in den Abwasserbehandlungsprozess zurückgeführt.
Die Schlammfaulungsflüssigkeit enthält eine relativ hohe Konzentration an Ammoniakstickstoff (bis zu 1500 mg N/L) und die Wassertemperatur beträgt 28 Grad. Grad . Eine derart hohe Stickstoffbelastung, die in den Abwasserbehandlungsprozess gelangt, erhöht die Belastung durch die Stickstoffentfernung. Daher ist der Einsatz der neuesten SHARON- und ANAMMOX-Technologien zur separaten Denitrifikationsbehandlung von Schlammgärresten die jüngste Modernisierungsmaßnahme der DOKHAVEN-Kläranlage in den letzten Jahren. Im Oktober 1998 ging hier der weltweit erste produktive SHARON-Reaktor (11) und im Juni 2002 der weltweit erste ANAMMOX-Reaktor (12) in Betrieb.
2. Prozessparameter
1) Ein Satz Feinsiebe, Durchflussmenge 510 m³/h, Siebabstand 3 mm.
2) Zwei Sätze von Schwerkrafteindickern, Ф23,6 m, H=3 m, Trockensubstanzbelastung 36 kg/(m²·d), Schlammvolumen 530 m³/d (Feuchtigkeitsgehalt 94 %).
3) Verarbeitungskapazität des Bandeindickers 90 m³/h oder 700 kg Trockensubstanz/h.
4) Überschussschlammausgleichsbecken 900 m³.
5) 6) Zwei Schlammfaulungsbehälter, Ф22 m, H=23 m, Verweilzeit 28 Tage bei 33 Grad, was zu einem Schlammvolumen von 600 m³/d (96 % Feuchtigkeitsgehalt) nach der Faulung führt. Ein Schlammausgleichsbecken hat ein Fassungsvermögen von 900 m³.
7) Zwei Zentrifugen mit einer Verarbeitungskapazität von 40 m³/h.
8) Zwei Lagertanks für entwässerten Schlamm mit einem Volumen von jeweils 150 m³; Aufbewahrungszeit 2,5 Tage; H=14 m.
9) Ein SHARON-Reaktor; Ф19,5 m, H=5.75 m, Durchflussrate 550 m³/d, hydraulische Verweilzeit 3 Tage, aerobe Verweilzeit 24 h, Temperatur 35 Grad, pH 7–7,2, Konzentration des gelösten Sauerstoffs 1,5 mg/L.
10) Ein ANAMMOX-Reaktor; Ф2,2 m, H=18 m (V=70 m³), Durchfluss 550 m³/d. Der Reaktor arbeitet mit einer Kapazität von m³/Tag, einer hydraulischen Verweilzeit von 3 Stunden, einer Auslegungslast von 800 kgN/Tag, einer Temperatur von 35 Grad und einem pH-Wert von 7,5.
Der SHARON-Reaktor oxidiert die Hälfte des Ammoniakstickstoffs zu Nitritstickstoff (ohne pH-Kontrolle). Die verbleibende Hälfte des Ammoniakstickstoffs und der umgewandelte Nitritstickstoff (die Hälfte des gesamten Ammoniakstickstoffs im Zufluss) bilden das für ANAMMOX erforderliche Molverhältnis (1:1), sodass Ammoniakstickstoff und Nitritstickstoff durch autotrophe Umwandlung direkt in Stickstoffgas umgewandelt werden können. Im Vergleich zu herkömmlichen Nitrifikations-/Denitrifikationsverfahren reduziert das SHARON/ANAMMOX-Verfahren die Betriebskosten um 90 %, die CO2-Emissionen um 88 %, erzeugt kein schädliches N₂O-Gas, erfordert keine organische Substanz, erzeugt keinen überschüssigen Schlamm und spart 50 % der Landfläche ein, was erhebliche Nachhaltigkeit und wirtschaftliche Vorteile beweist.