El proceso de oxidación anaeróbica de amoníaco (ANAMMOX) fue desarrollado en 1990 por el Laboratorio de Biotecnología Kluyver de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos. Este proceso rompe los conceptos teóricos básicos de los procesos tradicionales de eliminación biológica de nitrógeno. En condiciones anaeróbicas, el amoníaco se oxida en gas nitrógeno utilizando amoníaco como donante de electrones y nitrato o nitrito como aceptor de electrones. Esto ahorra más del 60% del suministro de oxígeno en comparación con la nitrificación completa (oxidación del amoníaco a nitrato). El uso de amoníaco como donante de electrones también ahorra la fuente de carbono necesaria en los procesos tradicionales de eliminación biológica de nitrógeno.
El proceso ANAMMOX tiene ventajas como una alta eficiencia de eliminación de nitrógeno, bajos costos operativos y un tamaño reducido, y tiene un gran potencial de desarrollo en el tratamiento de aguas residuales. Actualmente, este proceso está cada vez más maduro en el tratamiento de lodos municipales. La primera unidad ANAMMOX a escala de producción-del mundo, ubicada en la planta de tratamiento de aguas residuales de Dokhaven en Rotterdam, Países Bajos, tiene una tasa de eliminación volumétrica de nitrógeno (NRR) de hasta 9,5 kg N/(m3·d). Además, el proceso ANAMMOX se está adoptando cada vez más en el tratamiento de aguas residuales con alto contenido de nitrógeno-amoniaco, como aguas residuales industriales de fermentación, lixiviados de vertederos y aguas residuales de acuicultura, y sus aplicaciones de ingeniería se están extendiendo rápidamente por todo el mundo.
Principio de oxidación anaeróbica de amoníaco
Anammox es una reacción biológica en condiciones anaeróbicas, que utiliza amoníaco como donante de electrones y nitrito como aceptor de electrones para producir nitrógeno y nitrato. Anammox implica dos procesos: primero, metabolismo de descomposición (producción de energía), donde el amoníaco actúa como donante de electrones y el nitrito como aceptor de electrones, reaccionando en una proporción de 1:1 para producir gas nitrógeno, almacenando la energía como ATP; en segundo lugar, el anabolismo, donde el nitrito actúa como aceptor de electrones, proporcionando poder reductor y utilizando dióxido de carbono y ATP producidos a partir del metabolismo de la descomposición para sintetizar materiales celulares, produciendo nitrato en el proceso. Las bacterias anaeróbicas de oxidación de amoníaco (AnAOB) son las que implementan la oxidación anaeróbica de amoníaco.
NH4++NO2-=N2+ 2H2O, ΔG=-358kg/mol
El proceso de oxidación anaeróbica de amonio (ANAO) consta principalmente de dos pasos: el primer paso es la nitrificación parcial, en la que sólo alrededor del 55% del nitrógeno amoniacal debe convertirse en nitrógeno nitrito; el segundo paso es la oxidación anaeróbica de amonio (ANAO), donde el nitrógeno amoniacal, en condiciones anaeróbicas, se oxida a gas nitrógeno mediante nitrógeno nitrito como aceptor de electrones. Por lo tanto, también se le llama proceso PN/A.
En este proceso, aproximadamente el 89% del nitrógeno inorgánico se convierte en gas nitrógeno y el 11% restante se convierte en nitrato de nitrógeno. En comparación con los procesos tradicionales de nitrificación-desnitrificación, ANAO tiene importantes ventajas tecnológicas. Su consumo de energía de aireación es sólo del 55-60% del de los procesos tradicionales; este proceso casi no requiere ninguna fuente de carbono. Si es necesario agregar una fuente de carbono durante ANAO para eliminar los productos de nitrato, la cantidad agregada también es mucho menor que en los procesos tradicionales. La dosis se reduce en un 90%; El proceso anammox puede reducir el consumo de alcalinidad en un 45%. Al mismo tiempo, la producción de lodos del proceso anammox es muy inferior a la de los procesos de desnitrificación tradicionales, lo que reducirá significativamente los costes de tratamiento y eliminación del exceso de lodos.
Factores que afectan a Anammox
Crear condiciones de supervivencia adecuadas para las bacterias anammox en los principales sistemas de tratamiento de aguas residuales es un desafío actual, incluido el enriquecimiento de las bacterias anammox y AOB (bacterias nitrogenadoras de amoníaco, que convierten el nitrógeno amoniacal en nitrito) y la inhibición de las bacterias NOB (bacterias oxidantes de nitrito, que convierten el nitrito en nitrato).
1. Temperatura
La actividad metabólica de los microorganismos se ve afectada en gran medida por la temperatura. Los resultados de investigaciones anteriores indican que 35 grados es la temperatura óptima para anammox. La temperatura óptima para Anammox es cuando su metabolismo biológico es más rápido y su ciclo reproductivo es más corto. Sin embargo, la temperatura de la mayoría de las aguas residuales urbanas es baja (entre 10 y 25 grados), especialmente en algunas regiones de latitudes altas-como el norte de mi país, donde las temperaturas de las aguas residuales suelen estar por debajo de los 10 grados. La eficacia y estabilidad de Anammox en estas áreas presentan un desafío importante.
La temperatura principal de las aguas residuales urbanas es generalmente de entre 10 y 20 grados, más baja que la temperatura óptima de crecimiento de AnAOB (25 a 40 grados), lo que afectará el crecimiento de las concentraciones de amoníaco y nitrito de Anammox. 2.
Los sustratos para la oxidación anaeróbica de amonio (ANAMO) son el amoníaco y el nitrito. Sin embargo, concentraciones excesivamente altas de estas dos sustancias pueden inhibir el proceso. Los estudios han demostrado que las concentraciones inhibidoras del amoníaco son de 38,0 a 98,5 nmol/L y de los nitritos, de 5,4 a 12,0 nmol/L. Jetten et al. descubrieron que en concentraciones de nitrito superiores a 20 nmol/L, el proceso ANAMMOX se inhibe significativamente. La exposición prolongada (2 horas) a altas concentraciones de nitrito puede destruir completamente la actividad de ANAMMOX, pero a concentraciones de nitrito más bajas (alrededor de 10 nmol/L), su actividad permanece relativamente alta.
3. Valor del pH
Dado que el amoníaco y el nitrito se disocian en soluciones acuosas, el valor del pH afecta a ANAMMOX. Los estudios han demostrado que el proceso ANAMMOX funciona bien dentro de un rango de pH de 6,7 a 8,3, con un pH óptimo de alrededor de 8.
4. Influencia de la Materia Orgánica
El contenido de DQO en las aguas residuales... Promueve el crecimiento de bacterias desnitrificantes heterótrofas e inhibe el proceso Anammox. El proceso Anammox sólo puede dominar cuando el primero consume DQO en un nivel bajo. Este problema es particularmente prominente en el tratamiento de aguas residuales urbanas de alta-intensidad. La investigación de Winkler et al. indica que a 25 grados, si la relación C/N del agua cruda es < 0,5, Anammox y la desnitrificación heterótrofa pueden coexistir armoniosamente sin provocar una disminución en la eficiencia de eliminación de nitrógeno.
5. Estabilidad de la nitrificación de corte-corto Al aplicar el proceso Anammox, la actividad de NOB debe minimizarse tanto como sea posible en condiciones principales para permitir la acumulación de nitrito y mantener el sistema de nitrificación en un estado de nitrificación de corte corto-. Esto es crucial para garantizar la estabilidad de Anammox. El funcionamiento normal del proceso es fundamental y está directamente relacionado con su efecto de tratamiento. Los objetivos antes mencionados se pueden lograr mediante el control del amoníaco libre. Por lo tanto, esta es la razón por la que anammox se aplica principalmente a aguas residuales con alto contenido de nitrógeno-amoniaco, porque el amoníaco libre en las aguas residuales con alto contenido de nitrógeno-amoniaco puede inhibir el NOB, manteniendo el sistema en un estado de nitrificación-corto bajo condiciones de control adecuadas. Sin embargo, en las aguas residuales municipales, la estabilidad de la nitrificación-de atajo se ve afectada por la temperatura y el nitrógeno amoniacal, lo que hace imposible un funcionamiento estable. En el proceso PN/A, la etapa corta-de nitrificación también se ve afectada por la temperatura porque la actividad de AOB se inhibe a bajas temperaturas, lo que reduce la tasa de conversión de nitrógeno amoniacal. Además, la energía de activación de AOB es mayor que la de NOB, lo que lleva a una acumulación insuficiente de NO2, que no puede proporcionar suficiente sustrato para la reacción de Anammox.
Proceso ANAMMOX y sus Procesos Derivados
Las tecnologías de Anammox utilizadas en aplicaciones prácticas de ingeniería se pueden dividir en procesos de lodos suspendidos, lodos granulares y biopelículas.
1. Proceso de lodos suspendidos
AOB y AAOB De crecimiento lento-y con ciclos de generación largos, los microorganismos se pierden fácilmente en los sistemas de lodos suspendidos convencionales. Por lo tanto, los procesos de lodos suspendidos a menudo emplean reactores discontinuos de secuenciación (SBR) para retener microorganismos.
De todas las tecnologías SBR anammox, el 80% son el proceso DEMON. Este proceso se aplicó por primera vez en la planta de tratamiento de aguas residuales de Strass en Austria. Su principio básico es ajustar el tiempo de aireación mediante el monitoreo de los cambios de pH, ajustando así el equilibrio entre-nitrificación corta y anammox. Además, este proceso utiliza hidrociclones para regular la edad de los lodos de AAOB y AOB. Bajo la fuerza centrífuga, los microorganismos se separan en dos partes: el AOB más ligero rebosa desde arriba, mientras que el AAOB más pesado se acumula en la parte inferior y regresa al reactor. La planta de tratamiento de aguas residuales de Strass logró una eficiencia de eliminación autótrofa de nitrógeno superior al 85%.
2. Proceso de lodos granulares
Un ejemplo típico de sistema de lodos granulares es el reactor Anammox construido por Parker en Rotterdam. Los primeros procesos flujo-por-flujo tendían a utilizar sistemas de dos-etapas, por lo que, en la operación real, el reactor Anammox se integró con el sistema de nitrificación previamente construido... El reactor SHARON se acopló para formar el sistema del reactor Sharon-Anammox, que tardó 3,5 años en ponerse en marcha. Posteriormente, Parker Biomedical desarrolló un reactor Anammox integrado. Tanto el reactor anammox como el reactor integrado en el sistema de dos-etapas operan de manera continua ascendente, con un tanque de sedimentación de placa inclinada interno para lograr la retención de partículas de lodo.
3. Procesos de biopelículas
Los procesos Anammox que utilizan tecnología de biopelículas incluyen principalmente DeAmmon y ANITATMMox. El proceso DeAmmon consta de tres reactores MBBR y un tanque de desgasificación. Los tres reactores se pueden conectar en serie o en paralelo según sea necesario, con una tasa de llenado de MBBR del 40 % al 50 %. ANITATMMox utiliza principalmente un reactor MBBR integrado en su sistema de flujo lateral. ANITATMMox puede utilizar biopelícula MBBR pura o una película híbrida de lodo-IFAS (ensayo integrado de película grasa). En el proceso de biopelícula pura, las bacterias AAOB se encuentran en la capa más interna del material de empaque y las AOB en la capa más externa; en el proceso IFAS, los AAOB se encuentran principalmente en el material de embalaje y los AOB... en lodos suspendidos.
¡El primer proyecto operativo de oxidación anaeróbica de amoníaco (ANAO) del mundo!
En 2002, Parker Systems construyó el primer reactor ANAO productivo del mundo en la planta de tratamiento de aguas residuales de Dokhaven en Rotterdam, utilizando el sistema SharonAnammox para tratar el líquido de deshidratación de lodos. Posteriormente se construyeron más de 100 reactores de este tipo en los Países Bajos, Alemania, Japón, Australia, Suiza y el Reino Unido. Múltiples plantas de tratamiento de aguas residuales anaeróbicas por oxidación de amoníaco tratan aguas residuales, incluidos lixiviados de vertederos, aguas residuales de granjas ganaderas y aguas residuales de alimentos, además del líquido de digestión de lodos.
1. Tratamiento anaeróbico de oxidación con amoníaco de lodos en la planta de tratamiento de aguas residuales de DOKHAVEN en Rotterdam, Países Bajos
En primer lugar, se considera que el lodo orgánico, como portador de energía, convierte la materia orgánica que contiene en un gas energético-metano. En base a esto se forma el proceso de tratamiento de lodos que se muestra en la figura. El exceso de lodos del proceso de tratamiento de aguas residuales se somete a dos métodos diferentes de espesamiento antes de ingresar al tanque de digestión de lodos (5). El exceso de lodos y los lodos del tanque de aireación de la sección A-se filtran a través de un tamiz fino (1) antes del espesamiento, y luego ingresan a dos tanques de espesamiento por gravedad (2) en paralelo. Los lodos sedimentados tienen un contenido de agua del 94%; Luego, el sobrenadante separado se devuelve al proceso de tratamiento de aguas residuales para su posterior tratamiento.
El líquido de digestión de lodos contiene una concentración relativamente alta de nitrógeno amoniacal (hasta 1500 mg N/L) y la temperatura del agua es de 28 grados. grado . Una carga tan alta de nitrógeno que ingresa al proceso de tratamiento de aguas residuales aumentará la carga de eliminación de nitrógeno. Por lo tanto, la adopción de las últimas tecnologías SHARON y ANAMMOX para el tratamiento de desnitrificación separada del digestato de lodos es la última medida de mejora de la planta de tratamiento de aguas residuales de DOKHAVEN en los últimos años. El primer reactor SHARON (11) productivo del mundo entró en funcionamiento aquí en octubre de 1998, y el primer reactor ANAMMOX (12) del mundo se puso en funcionamiento en junio de 2002.
2. Parámetros del proceso
1) Un juego de cribas finas, caudal 510 m³/h, separación entre cribas 3 mm.
2) Dos juegos de espesadores por gravedad, Ф23,6 m, H=3 m, carga de sólidos secos 36 kg/(m²·d), volumen de lodos 530 m³/d (contenido de humedad 94%).
3) Capacidad de procesamiento del espesador de banda 90 m³/h o 700 kg de sólidos secos/h.
4) Tanque de ecualización de lodos sobrantes de 900 m³.
5) 6) Dos tanques de digestión de lodos, Ф22 m, H=23 m, tiempo de retención 28 días a 33 grados, lo que da como resultado un volumen de lodo de 600 m³/d (96% de contenido de humedad) después de la digestión. Un tanque de compensación de lodos tiene una capacidad de 900 m³.
7) Dos centrífugas, con capacidad de procesamiento de 40 m³/h.
8) Dos tanques de almacenamiento de lodos deshidratados, cada uno con un volumen de 150 m³; tiempo de retención 2,5 días; H=14 metro.
9) Un reactor SHARON; Ф19,5 m, H=5.75 m, caudal 550 m³/d, tiempo de retención hidráulica 3 días, tiempo de retención aeróbica 24 h, temperatura 35 grados, pH 7–7,2, concentración de oxígeno disuelto 1,5 mg/L.
10) Un reactor ANAMMOX; Ф2,2 m, H=18 m (V=70 m³), caudal 550 m³/d. El reactor opera a una capacidad de m³/d, con un tiempo de retención hidráulica de 3 h, una carga de diseño de 800 kgN/d, una temperatura de 35 grados y un pH de 7,5.
El reactor SHARON oxida la mitad del nitrógeno amoniacal a nitrógeno nitrito (sin control de pH). La mitad restante del nitrógeno amoniacal y el nitrógeno nitrito convertido (la mitad del nitrógeno amoniacal total en el afluente) forman la relación molar requerida para ANAMMOX (1:1), lo que permite que el nitrógeno amoniacal y el nitrógeno nitrito se conviertan directamente en gas nitrógeno mediante conversión autótrofa. En comparación con los procesos tradicionales de nitrificación/desnitrificación, el proceso SHARON/ANAMMOX reduce los costos operativos en un 90 %, las emisiones de CO2 en un 88 %, no produce gas N₂O nocivo, no requiere materia orgánica, no produce exceso de lodo y ahorra un 50 % de la superficie terrestre, lo que demuestra importantes beneficios económicos y de sostenibilidad.