Zašto je proces anaerobne oksidacije amonijuma (Ammox), tehnologija biološke denitrifikacije, tako težak za povećanje u postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda?

predgovor:
Pogled na podatke iz mojih nedavnih članaka natjerao me da odustanem od ažuriranja, pa sam to odlagao do sada. Želeo bih da se zahvalim svojih preko 2.500 fanova na podršci. Industrija zaštite okoliša je u procvatu posljednjih godina, pa sam razmišljao o pokretanju vlastitog medija kako bih povećao svoje poslovanje i prihode. Međutim, nijedan od ovih napora nije ispunio moja očekivanja.

Vratimo se na temu. Ovaj članak je o "procesu biološke denitrifikacije anaerobne amonijum oksidacije (AMMOX)." Ovaj proces biološke denitrifikacije je u praktičnoj upotrebi u postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda od 2002. godine, ali njegova stopa usvajanja je izuzetno niska i retko je naći nekoliko postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda koje ga koriste u Kini. Njegov princip pokazuje da u poređenju sa tradicionalnim procesima nitrifikacije i denitrifikacije, nudi dvije značajne prednosti: nisku potrošnju energije (nema potrebe za ekstenzivnom aeracijom) i nema potrebe za izvorom ugljika (autotrofni mikroorganizmi). Korištenje ovog procesa može značajno smanjiti operativne troškove denitrifikacije.

Definicija: Tehnologija anaerobne oksidacije amonijuma (Anammox) je pozdravljena kao revolucionarni proboj u biološkom tretmanu otpadnih voda početkom 21. veka. Koristi posebnu vrstu autotrofnih bakterija, anaerobne bakterije koje oksidiraju amonijum, za direktnu pretvorbu amonijačnog dušika (NH₄⁺) i nitrita (NO₂⁻) u plinoviti dušik (N₂) pod anaerobnim ili kisikom-ograničenim uvjetima, postižući efikasno uklanjanje dušika. Ovaj proces revolucionira tradicionalni proces nitrifikacije-denitrifikacije, koji zahtijeva velike količine kisika i organskog izvora ugljika.

Osnovni princip:

Osnovna hemijska reakcija: NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2H₂O. Anaerobne bakterije koje oksidiraju amonijak direktno "povezuju" amonijak i nitrit kako bi proizvele bezopasni dušikov plin, eliminirajući potrebu za potpunom oksidacijom amonijačnog dušika u nitrat, a zatim smanjenjem.

Stanična fiksacija ugljika: Ova bakterijska zajednica koristi anorganski ugljik (kao što je CO₂/HCO₃⁻) kao izvor ugljika, koji raste kroz hemoautotrofni proces, značajno smanjujući potrošnju izvora organskog ugljika.

Značajne uštede energije: U poređenju s tradicionalnim procesima, ovaj proces teoretski smanjuje potrošnju energije aeracije za približno 60% (nema potrebe za potpunom nitrifikacijom), smanjuje organske izvore ugljika za 100% (nema potrebe za denitrifikacijom) i smanjuje proizvodnju viška mulja do 90%.

Uvjeti kontrole reakcije:

Precizna opskrba nitritima: Dio amonijačnog dušika mora biti precizno oksidiran u nitrit (kratkoročna-nitrifikacija) uz održavanje stabilne koncentracije NO₂⁻ (obično<30 mg/L). Excessively high concentrations inhibit bacterial activity, while excessively low concentrations result in insufficient reaction.

Precizna kontrola rastvorenog kiseonika (DO): Lokalizovano anoksično/anaerobno mikrookruženje (DO < 0,5 mg/L) mora biti stvoreno unutar reaktora kako bi se obezbedila životna sredina za anammoks bakterije, istovremeno obezbeđujući snabdevanje NO₂⁻ za preživljavanje bakterija koje oksidiraju amonijak{1}}.

Zahtjevi za temperaturu: Optimalna temperatura je 30-40 stepeni. niske temperature (<15°C) significantly reduce bacterial activity, increasing operational difficulties.

Zahtjevi za kvalitetu vode: Osjećaj na toksične tvari (kao što su teški metali, organske tvari i sulfidi), potreban je nizak sadržaj suspendiranih čvrstih tvari (SS).

Poteškoće u implementaciji procesa:

Ekstremno sporo pokretanje: Anammox bakterije imaju dugo vrijeme generiranja (10-14 dana) i sporo vrijeme udvostručavanja (otprilike 11 dana), a pokretanje reaktora obično traje 3-12 mjeseci ili čak duže.

Teško zadržavanje mulja: Specijalizovani dizajni reaktora (kao što su granulirani mulj i sistemi biofilma) su potrebni za efikasno zadržavanje-anammox bakterija koje sporo rastu.

Složeno spajanje procesa: Stabilna implementacija nitrifikacije kratkog dometa-(za proizvodnju NO₂⁻) i efikasno spajanje sa Anammox reakcijom (kao što je jedno- ili dvostepeni- proces) ključni su izazovi inženjerske kontrole.

Slaba otpornost na udarno opterećenje: Sistem ima lošu toleranciju na fluktuacije uticajnog kvaliteta, zapremine i temperature, što otežava održavanje operativne stabilnosti.

Dokhaven postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda u Rotterdamu, Holandija (prva svjetska potpuna-primjena - 2002): Koristi SHARON® (kratka-nitrifikacija) + Anammox® proces za tretiranje digestata mulja. Uspješno poslovanje dugi niz godina predstavlja prekretnicu u tehnološkom inženjerstvu.

Postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda Strass u Austriji: Jedno od energetski{0}}najnezavisnijih postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda na svijetu. Njegov sporedni DEMON® proces (zasnovan na Anammoxu) za tretman digestata značajno smanjuje potrošnju energije, pomažući biljci da postigne više od 100% energetske samodovoljnosti.

Fabrika za rekuperaciju vode Changi u Singapuru: Široka primjena Anammox tehnologije (DEMON proces) u njenom bočnom tretmanu digestata mulja, poboljšavajući efikasnost tretmana i održivost.

Gaobeidian fabrika regenerisane vode u Pekingu, Kina: Jedno od prvih velikih-postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda u Kini koje je uvelo i uspješno koristi tehnologiju sidestream Anammox (DEMON proces) za tretman digestata mulja.

Postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda Huaifang u Pekingu, Kina: Anammox proces zasnovan na MBBR-u koristi se za tretman digestata mulja nakon termalne hidrolize.

Uprkos svojim značajnim prednostima, anaerobna oksidacija amonijuma (ANAMMOX) i dalje je mala-primjena, posebno u uobičajenom tretmanu komunalnih otpadnih voda. Glavni razlozi su sljedeći:

1. Visoke tehničke barijere i složena kontrola: Anaerobna oksidacija amonijuma je osetljiva na fluktuacije kvaliteta vode i zahteva izuzetno visoku preciznost kontrole parametara kao što su rastvoreni kiseonik, koncentracija nitrita i temperatura, što daleko prevazilazi tradicionalne procese. Rad i održavanje zahtijevaju visoko kvalifikovane tehničare.

2. Sporo pokretanje i velika ulaganja: Dug period pokretanja (nekoliko mjeseci ili čak više od godinu dana) povećava početne troškove projekta i rizike. Specijalizirani reaktori (kao što su granulirani pokrivači mulja i MBBR) potrebni za obogaćivanje bakterijama i zadržavanje mulja zahtijevaju velike početne investicije.

3. Nedostatak dizajna i radnog iskustva: U poređenju sa stoljetnim-postupkom aktivnog mulja, ANAMMOX tehnologija je u praktičnoj inženjerskoj praksi tek otprilike 20 godina, a specifikacije dizajna, uputstva za upotrebu i iskustvo u rješavanju problema su daleko manje zreli.

4. Poteškoće u kontroli mikrobnih uslova životne sredine: komunalne otpadne vode, koje karakterišu niske temperature (posebno zimi), niske koncentracije amonijačnog azota, složen sastav vode (COD, SS, inhibitori) i velike fluktuacije u zapremini vode, značajno se razlikuju od optimalnih uslova rasta za bakterije Anammox, što otežava stabilan rad.

5. Ovisnost o tradicionalnim procesima denitrifikacije i povjerenje u njih: Tradicionalni procesi nitrifikacije i denitrifikacije su zreli i pouzdani, jednostavni za rukovanje i vrlo otporni na udarna opterećenja. Podržani su velikim iskustvom u dizajnu i radu i brojnim uspješnim studijama slučaja, stvarajući jaku osnovu podrške. Na kraju krajeva, malo ko bi razmišljao o napuštanju uspostavljenih procesa radi novih, i značajnim rizicima ulaganja koji su uključeni.