Anaerobik Amonyak Oksidasyonu (ANAMMOX) işlemi, 1990 yılında Hollanda'daki Delft Teknoloji Üniversitesi'ndeki Kluyver Biyoteknoloji Laboratuvarı tarafından geliştirildi. Bu süreç, geleneksel biyolojik nitrojen giderme işlemlerinin temel teorik kavramlarını kırmaktadır. Anaerobik koşullar altında amonyak, elektron donörü olarak amonyak ve elektron alıcısı olarak nitrat veya nitrit kullanılarak nitrojen gazına oksitlenir. Bu, tam nitrifikasyona (amonyağın nitrata oksidasyonu) kıyasla oksijen kaynağından %60'tan fazla tasarruf sağlar. Amonyağın elektron donörü olarak kullanılması, geleneksel biyolojik nitrojen giderme işlemlerinde gereken karbon kaynağından da tasarruf sağlar.
ANAMMOX prosesi, yüksek nitrojen giderme verimliliği, düşük işletme maliyetleri ve küçük ayak izi gibi avantajlara sahiptir ve atık su arıtımında büyük bir gelişme potansiyeline sahiptir. Şu anda, bu süreç belediye çamurunun arıtılmasında giderek olgunlaşmaktadır. Hollanda'nın Rotterdam kentindeki Dokhaven atık su arıtma tesisinde bulunan dünyanın ilk üretim-ölçekli ANAMMOX ünitesi, 9,5 kg N/(m3·d) kadar yüksek bir hacimsel nitrojen giderme oranına (NRR) sahiptir. Ayrıca, ANAMMOX prosesi, dünya çapında hızla yayılan mühendislik uygulamalarıyla, fermantasyon endüstriyel atık suyu, depolama sahası sızıntı suyu ve su ürünleri yetiştiriciliği atık suyu gibi yüksek-amonyaklı nitrojenli atık suyun arıtılmasında giderek daha fazla benimsenmektedir.
Anaerobik Amonyak Oksidasyonu Prensibi
Anammox, anaerobik koşullar altında, nitrojen ve nitrat üretmek için elektron donörü olarak amonyak ve elektron alıcısı olarak nitrit kullanan biyolojik bir reaksiyondur. Anammox iki süreci içerir: birincisi, amonyağın elektron donörü ve nitritin elektron alıcısı olarak hareket ettiği, nitrojen gazı üretmek için 1:1 oranında reaksiyona girdiği ve enerjiyi ATP olarak depoladığı ayrışma (enerji üretimi) metabolizması; ikincisi, nitritin elektron alıcısı olarak görev yaptığı, indirgeme gücü sağladığı ve hücresel materyalleri sentezlemek için ayrışma metabolizmasından üretilen karbondioksit ve ATP'yi kullandığı ve süreçte nitrat ürettiği anabolizma. Anaerobik amonyak oksidasyon bakterileri (AnAOB), anaerobik amonyak oksidasyonunun uygulayıcılarıdır.
NH4++ HAYIR2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358kg/mol
Anaerobik amonyum oksidasyonu (ANAO) işlemi temel olarak iki adımdan oluşur: İlk adım, amonyak nitrojeninin yalnızca %55'inin nitrit nitrojene dönüştürülmesinin gerektiği kısmi nitrifikasyondur; ikinci adım, anaerobik koşullar altında amonyak nitrojeninin, elektron alıcısı olarak nitrit nitrojen tarafından nitrojen gazına oksitlendiği anaerobik amonyum oksidasyonudur (ANAO). Bu nedenle PN/A süreci olarak da adlandırılmaktadır.
Bu proseste inorganik nitrojenin yaklaşık %89'u nitrojen gazına, geri kalan %11'i ise nitrat nitrojene dönüştürülür. Geleneksel nitrifikasyon-nitrifikasyondan arındırma işlemleriyle karşılaştırıldığında ANAO'nun önemli teknolojik avantajları vardır. Havalandırma enerji tüketimi geleneksel proseslerin tüketiminin yalnızca %55-60'ıdır; bu işlem neredeyse hiç karbon kaynağı gerektirmez. Nitrat ürünlerini uzaklaştırmak için ANAO sırasında bir karbon kaynağının eklenmesi gerekiyorsa eklenen miktar da geleneksel işlemlere göre çok daha azdır. Dozaj %90 oranında azaltılır; anammox işlemi alkalilik tüketimini %45 oranında azaltabilir. Aynı zamanda, anammox prosesinin çamur üretimi, geleneksel denitrifikasyon proseslerinden çok daha düşüktür ve bu da fazla çamurun arıtma ve bertaraf maliyetlerini önemli ölçüde azaltacaktır.
Anammox'u Etkileyen Faktörler
Anammox ve AOB bakterilerinin zenginleştirilmesi (amonyak nitrojenini nitrite dönüştüren amonyak nitrojenize edici bakteriler) ve NOB bakterilerinin (nitrit oksitleyici bakteriler, nitriti nitrata dönüştürür) inhibisyonu dahil olmak üzere, ana atık su arıtma sistemlerinde anammox bakterileri için uygun hayatta kalma koşullarının oluşturulması, güncel bir zorluktur.
1. Sıcaklık
Mikroorganizmaların metabolik aktivitesi büyük ölçüde sıcaklıktan etkilenir. Önceki araştırma sonuçları, anammox için en uygun sıcaklığın 35 derece olduğunu gösteriyor. Anammox için en uygun sıcaklık, biyolojik metabolizmasının en hızlı ve üreme döngüsünün en kısa olduğu zamandır. Bununla birlikte, gerçek kentsel atık suların çoğunun sıcaklığı düşüktür (10–25 derece), özellikle atık su sıcaklıklarının genellikle 10 derecenin altında olduğu, ülkemin kuzeyi gibi-bazı yüksek enlem bölgelerinde. Anammox'un bu alanlardaki etkinliği ve istikrarı önemli bir zorluk teşkil etmektedir.
Kentsel atık suyun ana sıcaklığı genellikle 10–20 derece civarında olup, AnAOB'nin optimal büyüme sıcaklığından (25–40 derece) düşüktür; bu, Anammox. 2. Amonyak ve Nitrit Konsantrasyonlarının büyümesini etkileyecektir.
Anaerobik amonyum oksidasyonunun (ANAMO) substratları amonyak ve nitrittir. Ancak bu iki maddenin aşırı yüksek konsantrasyonları süreci engelleyebilir. Çalışmalar, amonyak için inhibe edici konsantrasyonların 38,0–98,5 nmol/L, nitrit için ise 5,4–12,0 nmol/L olduğunu göstermiştir. Jetten ve ark. 20 nmol/L'nin üzerindeki nitrit konsantrasyonlarında ANAMMOX işleminin önemli ölçüde inhibe edildiğini buldu. Yüksek nitrit konsantrasyonlarına uzun süre maruz kalmak (2 saat), ANAMMOX aktivitesini tamamen yok edebilir, ancak daha düşük nitrit konsantrasyonlarında (yaklaşık 10 nmol/L), aktivitesi nispeten yüksek kalır.
3. pH Değeri
Amonyak ve nitrit sulu çözeltilerde ayrıştığı için pH değeri ANAMMOX'u etkiler. Çalışmalar, ANAMMOX prosesinin 6,7-8,3 pH aralığında iyi çalıştığını ve optimum pH'ın 8 civarında olduğunu göstermiştir.
4. Organik Maddenin Etkisi
Atık sudaki COD içeriği... Heterotrofik denitrifikasyon bakterilerinin büyümesini teşvik eder ve Anammox sürecini engeller. Anammox süreci yalnızca COD'nin önceki tarafından düşük bir seviyeye kadar tüketilmesi durumunda hakim olabilir. Bu sorun özellikle yüksek-yoğunluktaki kentsel atık suyun arıtılmasında belirgindir. Winkler ve arkadaşlarının araştırması, 25 derecede, eğer ham suyun C/N oranı < 0,5 ise, Anammox ve heterotrofik denitrifikasyonun, nitrojen giderim verimliliğinde bir azalmaya yol açmadan uyumlu bir şekilde bir arada var olabileceğini göstermektedir.
5. Kısa-Kısa Kesim Nitrifikasyonunun Kararlılığı Anammox işlemini uygularken, nitrit birikimine izin vermek ve nitrifikasyon sistemini kısa- nitrifikasyon durumunda tutmak için ana akım koşullar altında NOB aktivitesinin mümkün olduğunca en aza indirilmesi gerekir. Bu Anammox'un stabilitesini sağlamak için çok önemlidir. Prosesin normal işleyişi temeldir ve tedavi etkisi ile doğrudan ilişkilidir. Yukarıda belirtilen hedeflere serbest amonyağın kontrolü yoluyla ulaşılabilir. Bu nedenle, anammox'un esas olarak yüksek-amonyaklı nitrojenli atık suya uygulanmasının nedeni budur, çünkü yüksek-amonyaklı nitrojenli atık sudaki serbest amonyak, sistemi uygun kontrol koşulları altında kısa- nitrifikasyon durumunda tutarak NOB'u engelleyebilir. Ancak belediye atık suyunda, kısa yoldan nitrifikasyonun stabilitesi sıcaklıktan ve amonyak nitrojeninden etkilenerek stabil çalışmayı imkansız hale getirir! PN/A işleminde kısa kesim nitrifikasyon aşaması da sıcaklıktan etkilenir çünkü AOB'nin aktivitesi düşük sıcaklıklarda engellenir ve amonyak nitrojen dönüşüm oranı azalır. Ayrıca AOB'nin aktivasyon enerjisi NOB'unkinden daha yüksektir, bu da yetersiz NO2 birikimine yol açar ve bu da Anammox reaksiyonu için yeterli substratı sağlayamaz.
ANAMMOX Süreci ve Türev Süreçleri
Pratik mühendislik uygulamalarında kullanılan Anammox teknolojileri askıda çamur, granüler çamur ve biyofilm proseslerine ayrılabilir.
1. Askıda Çamur Prosesi
AOB ve AAOB Yavaş-büyüyen ve uzun nesil döngüleri olan mikroorganizmalar, geleneksel askıda çamur sistemlerinde kolayca kaybolur. Bu nedenle, askıda çamur proseslerinde mikroorganizmaları tutmak için sıklıkla sıralı kesikli reaktörler (SBR'ler) kullanılır.
Tüm SBR anammox teknolojilerinin %80'i DEMON sürecidir. Bu proses ilk olarak Avusturya'daki Strass atıksu arıtma tesisinde uygulandı. Temel prensibi, pH değişikliklerini izleyerek havalandırma süresini ayarlamak, böylece kısa yoldan nitrifikasyon ile anammoks arasındaki dengeyi ayarlamaktır. Ayrıca bu proseste AAOB ve AOB'nin çamur yaşını düzenlemek için hidrosiklonlar kullanılır. Merkezkaç kuvveti altında mikroorganizmalar iki parçaya ayrılır: daha hafif olan AOB üstten taşar, daha ağır olan AAOB ise altta birikir ve reaktöre geri akar. Strass atık su arıtma tesisi %85'in üzerinde ototrofik nitrojen giderme verimliliğine ulaştı.
2. Granül Çamur Prosesi
Granül çamur sisteminin tipik bir örneği Parker tarafından Rotterdam'da inşa edilen Anammox reaktörüdür. İlk akış-by-akış süreçleri iki-aşamalı sistem kullanma eğilimindeydi, bu nedenle fiili operasyonda Anammox reaktörü önceden oluşturulmuş nitrifikasyonla entegre edildi... SHARON reaktörü, çalışmaya başlaması 3,5 yıl süren Sharon-Anammox reaktör sistemini oluşturmak üzere bağlandı. Daha sonra Parker Biomedical entegre bir Anammox reaktörü geliştirdi. İki aşamalı sistemdeki hem anammox reaktörü hem de entegre reaktör, çamur parçacıklarının tutulmasını sağlamak için dahili bir eğimli plaka çökeltme tankı ile sürekli yukarı akışlı bir şekilde çalışır.
3. Biyofilm Süreçleri
Biyofilm teknolojisini kullanan Anammox süreçleri esas olarak DeAmmon ve ANITATMMox'u içerir. DeAmmon prosesi üç MBBR reaktörü ve bir gaz giderme tankından oluşur. Üç reaktör, %40 ila %50 MBBR dolum oranıyla gerektiği gibi seri veya paralel olarak bağlanabilir. ANITATMMox, yan akış sisteminde öncelikle entegre bir MBBR reaktörü kullanır. ANITATMMox saf MBBR biyofilmi veya çamur-hibrit filmi IFAS (Entegre Yağ Filmi Tahlili) kullanabilir. Saf biyofilm prosesinde AAOB bakterileri ambalaj malzemesinin en iç katmanında, AOB bakterileri ise en dış katmanında yer alır; IFAS sürecinde, AAOB esas olarak ambalaj malzemesi üzerindedir ve AOB... Askıda çamurdadır.
Dünyanın ilk operasyonel anaerobik amonyak oksidasyonu (ANAO) projesi!
2002 yılında Parker Systems, çamur susuzlaştırma sıvısını arıtmak için SharonAnammox sistemini kullanarak Rotterdam'daki Dokhaven atık su arıtma tesisinde dünyanın ilk üretken ANAO reaktörünü inşa etti. Daha sonra Hollanda, Almanya, Japonya, Avustralya, İsviçre ve Birleşik Krallık'ta bu türden 100'den fazla reaktör inşa edildi. Çoklu anaerobik amonyak oksidasyonlu atık su arıtma tesisleri, çamur çürütme sıvısının yanı sıra depolama sahası sızıntı suyu, hayvancılık çiftliği atık suyu ve gıda atık suyu da dahil olmak üzere atık suları arıtır.
1. Rotterdam, Hollanda'daki DOKHAVEN atık su arıtma tesisinde çamurun anaerobik amonyak oksidasyonu arıtımı
Bir enerji taşıyıcısı olarak organik çamurun öncelikle içindeki organik maddeyi enerjik bir gaz-metana dönüştürdüğü düşünülmektedir. Buna dayanarak şekilde gösterilen çamur arıtma prosesi oluşturulmuştur. Atıksu arıtma prosesinde oluşan fazla çamur, çamur çürütme tankına (5) girmeden önce iki farklı yoğunlaştırma yöntemine tabi tutulur. A-bölümü havalandırma tankından gelen fazla çamur ve çamur, yoğunlaştırmadan önce ince bir elekten (1) filtrelenir ve ardından paralel olarak iki yerçekimi yoğunlaştırma tankına (2) girer. Çöken çamurun su içeriği %94'tür; ayrılan süpernatan daha sonra ileri arıtma için atık su arıtma prosesine geri gönderilir.
Çamur çürütme sıvısı nispeten yüksek konsantrasyonda amonyak nitrojen (1500 mg N/L'ye kadar) içerir ve su sıcaklığı 28 derecedir. derece . Atık su arıtma prosesine giren bu kadar yüksek nitrojen yükü, nitrojen giderim yükünü artıracaktır. Bu nedenle, çamur çürütme ürününün ayrı denitrifikasyon arıtımı için en son SHARON ve ANAMMOX teknolojilerinin benimsenmesi, son yıllarda DOKHAVEN atık su arıtma tesisinin en son yükseltme önlemidir. Dünyanın ilk verimli SHARON reaktörü (11) Ekim 1998'de burada faaliyete geçti ve dünyanın ilk ANAMMOX reaktörü (12) Haziran 2002'de işletmeye alındı.
2. Süreç Parametreleri
1) Bir takım ince elek, akış hızı 510 m³/saat, elek aralığı 3 mm.
2) İki takım yerçekimi yoğunlaştırıcı, Ф23,6 m, H=3 m, kuru katı madde yükü 36 kg/(m²·d), çamur hacmi 530 m³/d (nem içeriği %94).
3) Bant yoğunlaştırıcı işleme kapasitesi 90 m³/saat veya 700 kg kuru katı madde/saat.
4) Fazla çamur dengeleme tankı 900 m³.
5) 6) İki çamur çürütme tankı, Ф22 m, H=23 m, bekletme süresi 33 derecede 28 gün, çürütmeden sonra 600 m³/d çamur hacmi (%96 nem içeriği) elde edilir. Çamur dengeleme tankının kapasitesi 900 m³'tür.
7) 40 m³/saat işleme kapasiteli iki santrifüj.
8) Her biri 150 m³ hacimli iki adet susuzlaştırılmış çamur depolama tankı; saklama süresi 2,5 gün; H=14 m.
9) Bir SHARON reaktörü; Ф19,5 m, H=5.75 m, akış hızı 550 m³/d, hidrolik tutma süresi 3 gün, aerobik tutma süresi 24 saat, sıcaklık 35 derece, pH 7–7,2, çözünmüş oksijen konsantrasyonu 1,5 mg/L.
10) Bir ANAMMOX reaktörü; Ф2,2 m, H=18 m (V=70 m³), akış hızı 550 m³/d. Reaktör m³/d kapasitede, 3 saat hidrolik tutma süresinde, 800 kgN/d tasarım yükünde, 35 derece sıcaklıkta ve 7,5 pH'da çalışmaktadır.
SHARON reaktörü amonyak nitrojeninin yarısını nitrit nitrojene oksitler (pH kontrolü olmadan). Amonyak nitrojeninin geri kalan yarısı ve dönüştürülmüş nitrit nitrojen (giriş suyundaki toplam amonyak nitrojeninin yarısı), ANAMMOX için gereken molar oranı (1:1) oluşturarak amonyak nitrojeni ve nitrit nitrojenin, ototrofik dönüşüm yoluyla doğrudan nitrojen gazına dönüştürülmesine olanak tanır. Geleneksel nitrifikasyon/denitrifikasyon işlemleriyle karşılaştırıldığında, SHARON/ANAMMOX prosesi işletme maliyetlerini %90 oranında, CO2 emisyonlarını %88 oranında azaltır, zararlı N₂O gazı üretmez, organik madde gerektirmez, fazla çamur üretmez ve arazi alanından %50 tasarruf sağlar; bu da önemli sürdürülebilirlik ve ekonomik faydalar sağlar.