Quá trình oxy hóa amoniac kỵ khí (ANAMMOX) được phát triển vào năm 1990 bởi Phòng thí nghiệm công nghệ sinh học Kluyver tại Đại học Công nghệ Delft ở Hà Lan. Quá trình này phá vỡ các khái niệm lý thuyết cơ bản của quá trình loại bỏ nitơ sinh học truyền thống. Trong điều kiện yếm khí, amoniac bị oxy hóa thành khí nitơ sử dụng amoniac làm chất cho điện tử và nitrat hoặc nitrit làm chất nhận điện tử. Điều này giúp tiết kiệm hơn 60% lượng oxy cung cấp so với quá trình nitrat hóa hoàn toàn (oxy hóa amoniac thành nitrat). Sử dụng amoniac làm chất cho điện tử cũng giúp tiết kiệm nguồn carbon cần thiết trong các quy trình loại bỏ nitơ sinh học truyền thống.
Quy trình ANAMMOX có những ưu điểm như hiệu quả loại bỏ nitơ cao, chi phí vận hành thấp, diện tích nhỏ và có tiềm năng lớn để phát triển trong lĩnh vực xử lý nước thải. Hiện nay, quá trình này ngày càng trở nên hoàn thiện trong việc xử lý bùn thải đô thị. Đơn vị ANAMMOquy mô sản xuất- đầu tiên trên thế giới, đặt tại nhà máy xử lý nước thải Dokhaven ở Rotterdam, Hà Lan, có tốc độ loại bỏ nitơ thể tích (NRR) cao tới 9,5 kg N/(m3·d). Hơn nữa, quy trình ANAMMOX ngày càng được áp dụng rộng rãi trong xử lý nước thải có hàm lượng nitơ amoniăc cao-, chẳng hạn như nước thải công nghiệp lên men, nước rỉ rác từ bãi chôn lấp và nước thải nuôi trồng thủy sản, với các ứng dụng kỹ thuật của nó lan rộng nhanh chóng trên toàn thế giới.
Nguyên lý oxy hóa kỵ khí amoniac
Anammox là một phản ứng sinh học trong điều kiện kỵ khí, sử dụng amoniac làm chất cho điện tử và nitrit làm chất nhận điện tử để tạo ra nitơ và nitrat. Anammox bao gồm hai quá trình: thứ nhất là chuyển hóa phân hủy (sản xuất năng lượng), trong đó amoniac đóng vai trò là chất cho điện tử và nitrit là chất nhận điện tử, phản ứng theo tỷ lệ 1:1 để tạo ra khí nitơ, dự trữ năng lượng dưới dạng ATP; thứ hai, quá trình đồng hóa, trong đó nitrit đóng vai trò là chất nhận điện tử, cung cấp năng lượng khử và sử dụng carbon dioxide và ATP được tạo ra từ quá trình trao đổi chất phân hủy để tổng hợp các vật liệu tế bào, tạo ra nitrat trong quá trình này. Vi khuẩn oxy hóa amoniac kỵ khí (AnAOB) là tác nhân thực hiện quá trình oxy hóa amoniac kỵ khí.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358kg/mol
Quá trình oxy hóa amoni kỵ khí (ANAO) chủ yếu bao gồm hai bước: Bước đầu tiên là quá trình nitrat hóa một phần, trong đó chỉ có khoảng 55% nitơ amoniac cần chuyển đổi thành nitơ nitrit; Bước thứ hai là quá trình oxy hóa amoni kỵ khí (ANAO), trong đó nitơ amoniac, trong điều kiện kỵ khí, bị oxy hóa thành khí nitơ bởi nitơ nitrit làm chất nhận điện tử. Vì vậy, nó còn được gọi là quá trình PN/A.
Trong quá trình này, khoảng 89% nitơ vô cơ được chuyển thành khí nitơ và 11% còn lại được chuyển thành nitơ nitrat. So với các quy trình khử nitrat-truyền thống, ANAO có những lợi thế công nghệ đáng kể. Tiêu thụ năng lượng sục khí chỉ bằng 55-60% so với quy trình truyền thống; quá trình này hầu như không cần nguồn carbon. Nếu cần bổ sung nguồn cacbon trong quá trình ANAO để loại bỏ các sản phẩm nitrat thì lượng bổ sung cũng nhỏ hơn nhiều so với các quy trình truyền thống. Liều lượng giảm 90%; quá trình anammox có thể giảm mức tiêu thụ kiềm tới 45%. Đồng thời, việc tạo ra bùn của quá trình anammox thấp hơn nhiều so với quá trình khử nitrat truyền thống, điều này sẽ làm giảm đáng kể chi phí xử lý và thải bỏ bùn dư thừa.
Các yếu tố ảnh hưởng đến Anammox
Tạo điều kiện sống sót thích hợp cho vi khuẩn anammox trong các hệ thống xử lý nước thải chính thống là một thách thức hiện nay, bao gồm việc làm giàu vi khuẩn anammox và AOB (vi khuẩn nitơ hóa amoniac, chuyển đổi nitơ amoniac thành nitrit) và ức chế vi khuẩn NOB (vi khuẩn oxy hóa nitrit, chuyển đổi nitrit thành nitrat).
1. Nhiệt độ
Hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật bị ảnh hưởng phần lớn bởi nhiệt độ. Các kết quả nghiên cứu trước đây cho thấy 35 độ là nhiệt độ tối ưu cho anammox. Nhiệt độ tối ưu cho Anammox là khi quá trình trao đổi chất sinh học của nó diễn ra nhanh nhất và chu kỳ sinh sản của nó ngắn nhất. Tuy nhiên, nhiệt độ thực tế của hầu hết nước thải đô thị đều thấp (10–25 độ ), đặc biệt ở một số vùng-vĩ độ cao như miền bắc nước tôi, nơi nhiệt độ nước thải thường dưới 10 độ . Hiệu quả và tính ổn định của Anammox trong các lĩnh vực này là một thách thức đáng kể.
Nhiệt độ chủ đạo của nước thải đô thị nhìn chung khoảng 10–20 độ, thấp hơn nhiệt độ tăng trưởng tối ưu của AnAOB (25–40 độ ), điều này sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển của Anammox. 2. Nồng độ Amoniac và Nitrite
Chất nền cho quá trình oxy hóa amoni kỵ khí (ANAMO) là amoniac và nitrit. Tuy nhiên, nồng độ quá cao của hai chất này có thể ức chế quá trình. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ ức chế đối với amoniac là 38,0–98,5nmol/L và đối với nitrit là 5,4–12,0nmol/L. Jetten và cộng sự. nhận thấy rằng ở nồng độ nitrit trên 20nmol/L, quá trình ANAMMO bị ức chế đáng kể. Tiếp xúc kéo dài (2 giờ) với nồng độ nitrit cao có thể phá hủy hoàn toàn hoạt động của ANAMMO, nhưng ở nồng độ nitrit thấp hơn (khoảng 10nmol/L), hoạt động của nó vẫn tương đối cao.
3. Giá trị pH
Vì amoniac và nitrit phân ly trong dung dịch nước nên giá trị pH ảnh hưởng đến ANAMMO. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng quy trình ANAMMO hoạt động tốt trong phạm vi pH từ 6,7–8,3, với độ pH tối ưu khoảng 8.
4. Ảnh hưởng của chất hữu cơ
Hàm lượng COD trong nước thải... Thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn khử nitrat dị dưỡng và ức chế quá trình Anammox. Quá trình Anammox chỉ có thể chiếm ưu thế khi COD được tiêu thụ ở mức thấp. Vấn đề này đặc biệt nổi bật trong việc xử lý nước thải đô thị có cường độ-cao. Nghiên cứu của Winkler và cộng sự chỉ ra rằng ở nhiệt độ 25 độ, nếu tỷ lệ C/N của nước thô < 0,5 thì quá trình Anammox và quá trình khử nitrat dị dưỡng có thể cùng tồn tại hài hòa mà không làm giảm hiệu quả loại bỏ nitơ.
5. Tính ổn định của quá trình nitrat hóa cắt ngắn Khi áp dụng quy trình Anammox, hoạt động NOB phải được giảm thiểu tối đa có thể trong các điều kiện chính thống để cho phép tích lũy nitrit và duy trì hệ thống nitrat hóa ở trạng thái nitrat hóa cắt ngắn. Điều này rất quan trọng để đảm bảo sự ổn định của Anammox. Hoạt động bình thường của quy trình là cơ bản và liên quan trực tiếp đến hiệu quả xử lý của nó. Các mục tiêu nói trên có thể đạt được thông qua việc kiểm soát amoniac tự do. Do đó, đây là lý do tại sao anammox chủ yếu được áp dụng cho nước thải có hàm lượng nitơ amoniăc cao-vì amoniac tự do trong nước thải có hàm lượng nitơ amoniăc{{8} cao có thể ức chế NOB, duy trì hệ thống ở trạng thái nitrat hóa-trong thời gian ngắn trong các điều kiện kiểm soát phù hợp. Tuy nhiên, trong nước thải đô thị, độ ổn định của quá trình nitrat hóa ngắn hạn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nitơ amoniac, khiến cho hoạt động ổn định là không thể! Trong quy trình PN/A, giai đoạn nitrat hóa ngắn cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ do hoạt động của AOB bị ức chế ở nhiệt độ thấp, làm giảm tốc độ chuyển đổi nitơ amoniac. Hơn nữa, năng lượng hoạt hóa của AOB cao hơn NOB dẫn đến lượng NO2- tích lũy không đủ, không cung cấp đủ cơ chất cho phản ứng Anammox.
Quy trình ANAMMOX và các quy trình phái sinh của nó
Công nghệ Anammox được sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế có thể được chia thành các quy trình bùn lơ lửng, bùn dạng hạt và màng sinh học.
1. Quá trình bùn lơ lửng
AOB và AAOB Phát triển chậm{0}}và có chu kỳ phát triển dài, vi sinh vật dễ dàng bị mất đi trong các hệ thống bùn lơ lửng thông thường. Do đó, các quy trình xử lý bùn lơ lửng thường sử dụng các lò phản ứng theo mẻ tuần tự (SBR) để giữ lại các vi sinh vật.
Trong số tất cả các công nghệ anammox SBR, 80% là quy trình DEMON. Quá trình này lần đầu tiên được áp dụng tại nhà máy xử lý nước thải Strass ở Áo. Nguyên tắc cốt lõi của nó là điều chỉnh thời gian sục khí bằng cách theo dõi sự thay đổi độ pH, từ đó điều chỉnh sự cân bằng giữa quá trình nitrat hóa cắt ngắn và quá trình anammox. Hơn nữa, quá trình này sử dụng hydrocyclone để điều chỉnh tuổi bùn của AAOB và AOB. Dưới lực ly tâm, các vi sinh vật được tách thành hai phần: AOB nhẹ hơn tràn từ trên xuống, trong khi AAOB nặng hơn tích tụ ở phía dưới và chảy ngược trở lại lò phản ứng. Nhà máy xử lý nước thải Strass đạt hiệu suất loại bỏ nitơ tự dưỡng trên 85%.
2. Quá trình bùn dạng hạt
Một ví dụ điển hình của hệ thống bùn dạng hạt là lò phản ứng Anammox do Parker xây dựng ở Rotterdam. Các quy trình dòng chảy-theo-đầu tiên có xu hướng sử dụng hai hệ thống-giai đoạn, do đó, trong hoạt động thực tế, lò phản ứng Anammox đã được tích hợp với quá trình nitrat hóa được xây dựng trước đó... Lò phản ứng SHARON được ghép nối để tạo thành hệ thống lò phản ứng Sharon-Anammox, mất 3,5 năm để khởi động. Sau đó, Parker Biomedical đã phát triển lò phản ứng Anammox tích hợp. Cả lò phản ứng anammox và lò phản ứng tích hợp trong hệ thống hai giai đoạn- đều hoạt động theo kiểu dòng chảy lên liên tục, với một bể lắng dạng tấm nghiêng bên trong để đạt được khả năng giữ lại hạt bùn.
3. Quy trình màng sinh học
Các quy trình Anammox sử dụng công nghệ màng sinh học chủ yếu bao gồm DeAmmon và ANITATMox. Quá trình DeAmmon bao gồm ba lò phản ứng MBBR và một bể khử khí. Ba lò phản ứng có thể được kết nối nối tiếp hoặc song song khi cần thiết, với tỷ lệ lấp đầy MBBR là 40%–50%. ANITATMox chủ yếu sử dụng lò phản ứng MBBR tích hợp trong hệ thống-dòng chảy phụ của nó. ANITATMox có thể sử dụng màng sinh học MBBR nguyên chất hoặc IFAS màng-hỗn hợp bùn (Xét nghiệm màng chất béo tích hợp). Trong quy trình màng sinh học thuần túy, vi khuẩn AAOB nằm ở lớp trong cùng của vật liệu đóng gói và AOB nằm ở lớp ngoài cùng; trong quy trình IFAS, AAOB chủ yếu có trên vật liệu đóng gói và AOB... Trong bùn lơ lửng.
Dự án oxy hóa amoniac kỵ khí (ANAO) đầu tiên trên thế giới đang hoạt động!
Năm 2002, Parker Systems đã xây dựng lò phản ứng ANAO hiệu quả đầu tiên trên thế giới tại nhà máy xử lý nước thải Dokhaven ở Rotterdam, sử dụng hệ thống SharonAnammox để xử lý chất lỏng khử nước bùn. Sau đó, hơn 100 lò phản ứng như vậy đã được xây dựng ở Hà Lan, Đức, Nhật Bản, Úc, Thụy Sĩ và Anh. Nhiều nhà máy xử lý nước thải oxy hóa amoniac kỵ khí xử lý nước thải bao gồm nước rỉ rác từ bãi chôn lấp, nước thải trang trại chăn nuôi và nước thải thực phẩm, ngoài chất lỏng tiêu hóa bùn.
1. Xử lý bùn bằng oxy hóa kỵ khí amoniac tại nhà máy xử lý nước thải DOKHAVEN ở Rotterdam, Hà Lan
Bùn hữu cơ, với vai trò là chất mang năng lượng, trước tiên được coi là có tác dụng chuyển đổi chất hữu cơ trong đó thành khí metan-năng lượng. Dựa vào đó, quy trình xử lý bùn như trong hình được hình thành. Bùn dư từ quá trình xử lý nước thải trải qua hai phương pháp cô đặc khác nhau trước khi đưa vào bể tiêu hóa bùn (5). Bùn dư và bùn từ bể sục khí phần A-được lọc qua lưới lọc mịn (1) trước khi cô đặc, sau đó đi vào hai bể cô đặc trọng lực (2) song song. Bùn lắng có hàm lượng nước 94%; chất nổi phía trên được tách ra sau đó được đưa trở lại quy trình xử lý nước thải để xử lý tiếp.
Chất lỏng phân hủy bùn chứa nồng độ nitơ amoniac tương đối cao (lên tới 1500 mg N/L) và nhiệt độ nước là 28 độ. bằng cấp . Tải lượng nitơ cao như vậy đi vào quá trình xử lý nước thải sẽ làm tăng gánh nặng loại bỏ nitơ. Do đó, việc áp dụng các công nghệ SHARON và ANAMMOX mới nhất để xử lý khử nitrat riêng biệt trong bùn thải là biện pháp nâng cấp mới nhất của nhà máy xử lý nước thải DOKHAVEN trong những năm gần đây. Lò phản ứng SHARON hiệu quả đầu tiên trên thế giới (11) bắt đầu hoạt động tại đây vào tháng 10 năm 1998, và lò phản ứng ANAMMOX đầu tiên trên thế giới (12) được đưa vào hoạt động vào tháng 6 năm 2002.
2. Thông số quy trình
1) Một bộ sàng mịn, tốc độ dòng chảy 510 m³/h, khoảng cách sàng 3 mm.
2) Hai bộ chất làm đặc trọng lực, Ф23,6 m, H=3 m, tải trọng chất rắn khô 36 kg/(m²·d), thể tích bùn 530 m³/d (độ ẩm 94%).
3) Công suất xử lý chất làm đặc đai 90 m³/h hoặc 700 kg chất rắn khô/h.
4) Bể cân bằng bùn dư 900 m³.
5) 6) Hai bể phân hủy bùn, Ф22 m, H=23 m, thời gian lưu 28 ngày ở 33 độ, tạo ra thể tích bùn sau khi phân hủy là 600 m³/d (độ ẩm 96%). Bể cân bằng bùn có dung tích 900 m³.
7) Hai máy ly tâm, công suất xử lý 40 m³/h.
8) Hai bể chứa bùn đã tách nước, mỗi bể có thể tích 150 m³; thời gian lưu giữ 2,5 ngày; H=14 m.
9) Một lò phản ứng SHARON; Ф19,5 m, H=5.75 m, tốc độ dòng chảy 550 m³/d, thời gian lưu thủy lực 3 ngày, thời gian lưu hiếu khí 24 giờ, nhiệt độ 35 độ, pH 7–7,2, nồng độ oxy hòa tan 1,5 mg/L.
10) Một lò phản ứng ANAMMOX; Ф2,2 m, H=18 m (V=70 m³), tốc độ dòng chảy 550 m³/d. Lò phản ứng hoạt động với công suất m³/d, thời gian lưu thủy lực là 3 giờ, tải trọng thiết kế 800 kgN/d, nhiệt độ 35 độ và độ pH 7,5.
Lò phản ứng SHARON oxy hóa một nửa lượng nitơ amoniac thành nitơ nitrit (không kiểm soát độ pH). Nửa còn lại của nitơ amoniac và nitơ nitrit chuyển đổi (một nửa tổng lượng nitơ amoniac trong dòng chảy vào) tạo thành tỷ lệ mol cần thiết cho ANAMMOX (1:1), cho phép nitơ amoniac và nitơ nitrit được chuyển đổi trực tiếp thành khí nitơ thông qua quá trình chuyển đổi tự dưỡng. So với các quy trình nitrat hóa/khử nitrat truyền thống, quy trình SHARON/ANAMMOX giúp giảm 90% chi phí vận hành, 88% lượng khí thải CO2, không tạo ra khí N₂O độc hại, không cần chất hữu cơ, không tạo ra bùn dư thừa và tiết kiệm 50% diện tích đất, chứng tỏ tính bền vững và lợi ích kinh tế đáng kể.