Il processo di ossidazione anaerobica dell'ammoniaca (ANAMMOX) è stato sviluppato nel 1990 dal Kluyver Biotechnology Laboratory presso l'Università di Tecnologia di Delft nei Paesi Bassi. Questo processo rompe i concetti teorici di base dei tradizionali processi biologici di rimozione dell'azoto. In condizioni anaerobiche, l'ammoniaca viene ossidata in gas azoto utilizzando l'ammoniaca come donatore di elettroni e nitrato o nitrito come accettore di elettroni. Ciò consente di risparmiare oltre il 60% dell'apporto di ossigeno rispetto alla nitrificazione completa (ossidazione dell'ammoniaca in nitrato). Utilizzando l'ammoniaca come donatore di elettroni si risparmia anche la fonte di carbonio richiesta nei tradizionali processi biologici di rimozione dell'azoto.
Il processo ANAMMOX presenta vantaggi quali elevata efficienza di rimozione dell'azoto, bassi costi operativi e ingombro ridotto e ha un grande potenziale di sviluppo nel trattamento delle acque reflue. Attualmente questo processo sta diventando sempre più maturo nel trattamento dei fanghi urbani. La prima unità ANAMMOX su scala di produzione-al mondo, situata presso l'impianto di trattamento delle acque reflue di Dokhaven a Rotterdam, Paesi Bassi, ha un tasso di rimozione volumetrica dell'azoto (NRR) pari a 9,5 kg N/(m3·d). Inoltre, il processo ANAMMOX viene sempre più adottato nel trattamento delle acque reflue ad alto-azoto ammoniacale, come le acque reflue industriali di fermentazione, il percolato di discarica e le acque reflue dell'acquacoltura, con le sue applicazioni ingegneristiche che si diffondono rapidamente in tutto il mondo.
Principio dell'ossidazione anaerobica dell'ammoniaca
Anammox è una reazione biologica in condizioni anaerobiche, che utilizza l'ammoniaca come donatore di elettroni e il nitrito come accettore di elettroni per produrre azoto e nitrato. Anammox coinvolge due processi: il primo, il metabolismo di decomposizione (produzione di energia), in cui l'ammoniaca agisce come donatore di elettroni e il nitrito come accettore di elettroni, reagendo in un rapporto 1:1 per produrre azoto gassoso, immagazzinando l'energia come ATP; in secondo luogo, l'anabolismo, in cui il nitrito agisce come accettore di elettroni, fornendo potere riducente e utilizzando l'anidride carbonica e l'ATP prodotti dal metabolismo di decomposizione per sintetizzare materiali cellulari, producendo nitrato nel processo. I batteri anaerobici per l'ossidazione dell'ammoniaca (AnAOB) sono gli implementatori dell'ossidazione anaerobica dell'ammoniaca.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358kg/mol
Il processo di ossidazione anaerobica dell'ammonio (ANAO) consiste principalmente di due fasi: la prima fase è la nitrificazione parziale, in cui solo circa il 55% dell'azoto ammoniacale deve essere convertito in azoto nitrito; la seconda fase è l'ossidazione anaerobica dell'ammonio (ANAO), in cui l'azoto ammoniacale, in condizioni anaerobiche, viene ossidato in azoto gassoso dall'azoto nitrito come accettore di elettroni. Pertanto, è anche chiamato processo PN/A.
In questo processo, circa l'89% dell'azoto inorganico viene convertito in azoto gassoso e il restante 11% in azoto nitrato. Rispetto ai tradizionali processi di nitrificazione-denitrificazione, ANAO presenta vantaggi tecnologici significativi. Il suo consumo energetico per l'aerazione è solo il 55-60% di quello dei processi tradizionali; questo processo non richiede quasi alcuna fonte di carbonio. Se durante l’ANAO è necessario aggiungere una fonte di carbonio per rimuovere i prodotti nitrati, anche la quantità aggiunta è molto inferiore rispetto ai processi tradizionali. Il dosaggio è ridotto del 90%; il processo anammox può ridurre il consumo di alcalinità del 45%. Allo stesso tempo, la produzione di fanghi del processo anammox è di gran lunga inferiore a quella dei tradizionali processi di denitrificazione, il che ridurrà significativamente i costi di trattamento e smaltimento dei fanghi in eccesso.
Fattori che influenzano Anammox
Creare condizioni di sopravvivenza adeguate per i batteri anammox nei principali sistemi di trattamento delle acque reflue è una sfida attuale, compreso l’arricchimento dei batteri anammox e AOB (batteri azotonizzanti l’ammoniaca, che convertono l’azoto ammoniacale in nitrito) e l’inibizione dei batteri NOB (batteri ossidanti i nitriti, che convertono i nitriti in nitrati).
1. Temperatura
L’attività metabolica dei microrganismi è in gran parte influenzata dalla temperatura. I risultati di ricerche precedenti indicano che 35 gradi sono la temperatura ottimale per anammox. La temperatura ottimale per Anammox è quando il suo metabolismo biologico è più veloce e il suo ciclo riproduttivo è più breve. Tuttavia, la temperatura della maggior parte delle acque reflue urbane è bassa (10-25 gradi), soprattutto in alcune regioni ad alta-latitudine come il nord del mio paese, dove le temperature delle acque reflue sono spesso inferiori a 10 gradi. L’efficacia e la stabilità di Anammox in queste aree rappresentano una sfida significativa.
La temperatura principale delle acque reflue urbane è generalmente intorno ai 10–20 gradi, inferiore alla temperatura di crescita ottimale di AnAOB (25–40 gradi), che influenzerà la crescita delle concentrazioni di ammoniaca e nitriti di Anammox. 2.
I substrati per l'ossidazione anaerobica dell'ammonio (ANAMO) sono ammoniaca e nitrito. Tuttavia, concentrazioni eccessivamente elevate di queste due sostanze possono inibire il processo. Gli studi hanno dimostrato che le concentrazioni inibenti per l’ammoniaca sono 38,0–98,5 nmol/L, e per i nitriti, 5,4–12,0 nmol/L. Jetten et al. hanno scoperto che a concentrazioni di nitriti superiori a 20 nmol/L, il processo ANAMMOX è significativamente inibito. L'esposizione prolungata (2 ore) a concentrazioni elevate di nitriti può distruggere completamente l'attività di ANAMMOX, ma a concentrazioni di nitriti inferiori (circa 10 nmol/L), la sua attività rimane relativamente elevata.
3. Valore del pH
Poiché l'ammoniaca e il nitrito si dissociano in soluzioni acquose, il valore del pH influisce su ANAMMOX. Gli studi hanno dimostrato che il processo ANAMMOX funziona bene in un intervallo di pH compreso tra 6,7 e 8,3, con un pH ottimale di circa 8.
4. Influenza della materia organica
Il contenuto di COD nelle acque reflue... Promuove la crescita di batteri denitrificanti eterotrofi e inibisce il processo Anammox. Il processo Anammox può prevalere solo quando il COD viene consumato a un livello basso dal primo. Questo problema è particolarmente evidente nel trattamento delle acque reflue urbane ad alta-intensità. La ricerca di Winkler et al. indica che a 25 gradi, se il rapporto C/N dell'acqua grezza è < 0,5, Anammox e la denitrificazione eterotrofa possono coesistere armoniosamente senza portare a una diminuzione dell'efficienza di rimozione dell'azoto.
5. Stabilità della nitrificazione-corta Quando si applica il processo Anammox, l'attività NOB deve essere ridotta al minimo il più possibile in condizioni normali per consentire l'accumulo di nitriti e mantenere il sistema di nitrificazione in uno stato di nitrificazione-corta. Ciò è fondamentale per garantire la stabilità di Anammox. Il normale funzionamento del processo è fondamentale e direttamente correlato al suo effetto terapeutico. Gli obiettivi sopra menzionati possono essere raggiunti attraverso il controllo dell’ammoniaca libera. Pertanto, questo è il motivo per cui anammox viene applicato principalmente alle acque reflue ad alto-azoto ammoniacale, poiché l'ammoniaca libera nelle acque reflue ad alto-azoto ammoniacale può inibire il NOB, mantenendo il sistema in uno stato-di nitrificazione breve in condizioni di controllo adeguate. Tuttavia, nelle acque reflue urbane, la stabilità della nitrificazione-abbreviata è influenzata dalla temperatura e dall'azoto ammoniacale, rendendo impossibile un funzionamento stabile! Nel processo PN/A, anche la fase breve di nitrificazione- è influenzata dalla temperatura poiché l'attività dell'AOB viene inibita a basse temperature, riducendo il tasso di conversione dell'azoto ammoniacale. Inoltre, l’energia di attivazione dell’AOB è superiore a quella del NOB, portando ad un accumulo insufficiente di NO2, che non può fornire un substrato sufficiente per la reazione Anammox.
Processo ANAMMOX e suoi processi derivati
Le tecnologie Anammox utilizzate nelle applicazioni pratiche di ingegneria possono essere suddivise in processi a fanghi sospesi, fanghi granulari e biofilm.
1. Processo a fanghi sospesi
AOB e AAOB A crescita lenta-e con cicli di generazione lunghi, i microrganismi si perdono facilmente nei sistemi convenzionali a fanghi sospesi. Pertanto, i processi con fanghi sospesi spesso impiegano reattori batch di sequenziamento (SBR) per trattenere i microrganismi.
Di tutte le tecnologie SBR anammox, l'80% è rappresentato dal processo DEMON. Questo processo è stato applicato per la prima volta presso l'impianto di trattamento delle acque reflue di Strass in Austria. Il suo principio fondamentale è regolare il tempo di aerazione monitorando le variazioni di pH, regolando così l'equilibrio tra nitrificazione- breve e anammox. Inoltre, questo processo utilizza idrocicloni per regolare l'età dei fanghi di AAOB e AOB. Sotto la forza centrifuga, i microrganismi vengono separati in due parti: l'AOB più leggero trabocca dall'alto, mentre l'AAOB più pesante si accumula sul fondo e rifluisce nel reattore. L'impianto di trattamento delle acque reflue di Strass ha raggiunto un'efficienza di rimozione autotrofa dell'azoto superiore all'85%.
2. Processo dei fanghi granulari
Un tipico esempio di sistema a fanghi granulari è il reattore Anammox costruito dalla Parker a Rotterdam. I primi processi flusso-per-flusso tendevano a utilizzare sistemi a due-stadi, quindi nel funzionamento effettivo, il reattore Anammox è stato integrato con il reattore di nitrificazione precedentemente costruito... Il reattore SHARON è stato accoppiato per formare il sistema di reattore Sharon-Anammox, che ha impiegato 3,5 anni per avviarsi. Successivamente, Parker Biomedical ha sviluppato un reattore Anammox integrato. Sia il reattore anammox che il reattore integrato nel sistema a due stadi- funzionano in modo continuo verso l'alto, con un serbatoio di sedimentazione interno a piastre inclinate per ottenere la ritenzione delle particelle di fango.
3. Processi del biofilm
I processi Anammox che utilizzano la tecnologia del biofilm includono principalmente DeAmmon e ANITATMMox. Il processo DeAmmon è costituito da tre reattori MBBR e un serbatoio di degasaggio. I tre reattori possono essere collegati in serie o in parallelo a seconda delle necessità, con un tasso di riempimento dell'MBBR del 40%–50%. ANITATMMox utilizza principalmente un reattore MBBR integrato nel suo sistema di flusso laterale-. ANITATMMox può utilizzare biofilm MBBR puro o un ibrido di film di fango IFAS (Integrated Fat Film Assay). Nel processo del biofilm puro, i batteri AAOB si trovano nello strato più interno del materiale di imballaggio, mentre gli AOB si trovano nello strato più esterno; nel processo IFAS, gli AAOB si trovano principalmente sul materiale di imballaggio e gli AOB... nei fanghi in sospensione.
Il primo progetto operativo di ossidazione anaerobica dell'ammoniaca (ANAO) al mondo!
Nel 2002, Parker Systems ha costruito il primo reattore ANAO produttivo al mondo presso l'impianto di trattamento delle acque reflue di Dokhaven a Rotterdam, utilizzando il sistema SharonAnammox per trattare il liquido di disidratazione dei fanghi. Successivamente furono costruiti oltre 100 reattori di questo tipo nei Paesi Bassi, in Germania, in Giappone, in Australia, in Svizzera e nel Regno Unito. Numerosi impianti di trattamento delle acque reflue con ossidazione anaerobica dell'ammoniaca trattano le acque reflue, compreso il percolato di discarica, le acque reflue degli allevamenti di bestiame e le acque reflue alimentari, oltre al liquido di digestione dei fanghi.
1. Trattamento di ossidazione anaerobica dell'ammoniaca dei fanghi presso l'impianto di trattamento delle acque reflue DOKHAVEN a Rotterdam, Paesi Bassi
Si ritiene innanzitutto che i fanghi organici, come vettore energetico, convertano la materia organica in essi contenuta in un gas energetico-metano. Sulla base di ciò si forma il processo di trattamento fanghi mostrato in figura. I fanghi in eccesso provenienti dal processo di trattamento delle acque reflue vengono sottoposti a due diversi metodi di ispessimento prima di entrare nella vasca di digestione dei fanghi (5). I fanghi in eccesso e i fanghi provenienti dal serbatoio di aerazione della sezione A- vengono filtrati attraverso un vaglio fine (1) prima dell'ispessimento, quindi entrano in due serbatoi di ispessimento per gravità (2) in parallelo. I fanghi sedimentati hanno un contenuto di acqua pari al 94%; il surnatante separato viene quindi reimmesso nel processo di trattamento delle acque reflue per un ulteriore trattamento.
Il liquido di digestione dei fanghi contiene una concentrazione relativamente elevata di azoto ammoniacale (fino a 1500 mg N/L) e la temperatura dell'acqua è di 28 gradi. grado . Un carico di azoto così elevato in ingresso nel processo di trattamento delle acque reflue aumenterà l’onere della rimozione dell’azoto. Pertanto, l’adozione delle più recenti tecnologie SHARON e ANAMMOX per il trattamento separato di denitrificazione del digestato di fanghi è l’ultima misura di aggiornamento dell’impianto di trattamento delle acque reflue DOKHAVEN negli ultimi anni. Il primo reattore SHARON produttivo al mondo (11) ha iniziato a funzionare qui nell'ottobre 1998, e il primo reattore ANAMMOX al mondo (12) è stato messo in funzione nel giugno 2002.
2. Parametri di processo
1) Un set di filtri fini, portata 510 m³/h, distanza tra i filtri 3 mm.
2) Due set di ispessitori a gravità, Ф23,6 m, H=3 m, carico di solidi secchi 36 kg/(m²·d), volume dei fanghi 530 m³/d (contenuto di umidità 94%).
3) Capacità di lavorazione dell'addensatore a nastro 90 m³/h o 700 kg di solidi secchi/h.
4) Vasca equalizzazione fanghi di supero 900 m³.
5) 6) Due serbatoi di digestione dei fanghi, Ф22 m, H=23 m, tempo di ritenzione 28 giorni a 33 gradi, con un volume di fanghi di 600 m³/d (contenuto di umidità del 96%) dopo la digestione. Una vasca di equalizzazione fanghi ha una capacità di 900 m³.
7) Due centrifughe, con una capacità di trattamento di 40 m³/h.
8) Due vasche di stoccaggio fanghi disidratati, ciascuna del volume di 150 m³; tempo di conservazione 2,5 giorni; H=14 m.
9) Un reattore SHARON; Ф19,5 m, H=5.75 m, portata 550 m³/d, tempo di ritenzione idraulica 3 giorni, tempo di ritenzione aerobica 24 ore, temperatura 35 gradi, pH 7–7,2, concentrazione di ossigeno disciolto 1,5 mg/L.
10) Un reattore ANAMMOX; Ф2,2 m, H=18 m (V=70 m³), portata 550 m³/d. Il reattore funziona a una capacità di m³/d, con un tempo di ritenzione idraulica di 3 ore, un carico di progetto di 800 kgN/d, una temperatura di 35 gradi e un pH di 7,5.
Il reattore SHARON ossida metà dell'azoto ammoniacale in azoto nitrito (senza controllo del pH). La restante metà dell'azoto ammoniacale e dell'azoto nitrito convertito (metà dell'azoto ammoniacale totale nell'affluente) formano il rapporto molare richiesto per ANAMMOX (1:1), consentendo la conversione diretta dell'azoto ammoniacale e dell'azoto nitrito in azoto gassoso tramite conversione autotrofica. Rispetto ai tradizionali processi di nitrificazione/denitrificazione, il processo SHARON/ANAMMOX riduce i costi operativi del 90%, le emissioni di CO2 dell'88%, non produce gas N₂O nocivo, non richiede materia organica, non produce fanghi in eccesso e consente di risparmiare il 50% della superficie terrestre, dimostrando una sostenibilità e vantaggi economici significativi.