تم تطوير عملية أكسدة الأمونيا اللاهوائية (ANAMMOX) في عام 1990 من قبل مختبر كلويفر للتكنولوجيا الحيوية في جامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا. تخترق هذه العملية المفاهيم النظرية الأساسية لعمليات إزالة النيتروجين البيولوجية التقليدية. في ظل الظروف اللاهوائية، تتأكسد الأمونيا إلى غاز النيتروجين باستخدام الأمونيا كمانح للإلكترون والنترات أو النتريت كمستقبل للإلكترون. وهذا يوفر أكثر من 60% من إمدادات الأكسجين مقارنة بالنترجة الكاملة (أكسدة الأمونيا إلى نترات). إن استخدام الأمونيا كمانح للإلكترون يوفر أيضًا مصدر الكربون المطلوب في عمليات إزالة النيتروجين البيولوجية التقليدية.
تتمتع عملية ANAMMOX بمزايا مثل الكفاءة العالية في إزالة النيتروجين، وتكاليف التشغيل المنخفضة، والبصمة الصغيرة، ولديها إمكانات كبيرة للتطوير في معالجة مياه الصرف الصحي. حاليًا، أصبحت هذه العملية ناضجة بشكل متزايد في معالجة الحمأة البلدية. أول وحدة إنتاج ANAMMOX على نطاق - في العالم، تقع في محطة معالجة مياه الصرف الصحي Dokhaven في روتردام، هولندا، وتتمتع بمعدل إزالة النيتروجين الحجمي (NRR) يصل إلى 9.5 كجم N/(m3·d). علاوة على ذلك، يتم اعتماد عملية ANAMMOX بشكل متزايد في معالجة مياه الصرف الصحي التي تحتوي على نسبة عالية من نيتروجين الأمونيا، مثل مياه الصرف الصناعي المتخمرة، والمادة المرتشحة في مدافن النفايات، ومياه الصرف الصحي الخاصة بتربية الأحياء المائية، مع انتشار تطبيقاتها الهندسية بسرعة في جميع أنحاء العالم.
مبدأ أكسدة الأمونيا اللاهوائية
أناموكس هو تفاعل بيولوجي تحت الظروف اللاهوائية، باستخدام الأمونيا كمانح للإلكترون والنتريت كمستقبل للإلكترون لإنتاج النيتروجين والنترات. يشتمل أناموكس على عمليتين: أولاً، استقلاب التحلل (إنتاج الطاقة)، حيث تعمل الأمونيا كمانح للإلكترون والنيتريت كمستقبل للإلكترون، ويتفاعل بنسبة 1:1 لإنتاج غاز النيتروجين، وتخزين الطاقة على شكل ATP؛ ثانيًا، عملية البناء، حيث يعمل النتريت كمستقبل للإلكترون، مما يوفر طاقة مختزلة، واستخدام ثاني أكسيد الكربون وATP الناتج عن استقلاب التحلل لتجميع المواد الخلوية، وإنتاج النترات في هذه العملية. بكتيريا أكسدة الأمونيا اللاهوائية (AnAOB) هي منفذي أكسدة الأمونيا اللاهوائية.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O، ΔG=-358kg/mol
تتكون عملية أكسدة الأمونيوم اللاهوائية (ANAO) بشكل أساسي من خطوتين: الخطوة الأولى هي النترجة الجزئية، حيث يجب تحويل حوالي 55٪ فقط من نيتروجين الأمونيا إلى نيتروجين النتريت؛ الخطوة الثانية هي أكسدة الأمونيوم اللاهوائية (ANAO)، حيث يتأكسد نيتروجين الأمونيا، في الظروف اللاهوائية، إلى غاز النيتروجين بواسطة نيتروجين النتريت كمستقبل للإلكترون. ولذلك، يطلق عليها أيضًا عملية PN/A.
في هذه العملية، يتم تحويل ما يقرب من 89% من النيتروجين غير العضوي إلى غاز النيتروجين، ويتم تحويل الـ 11% المتبقية إلى نيتروجين نترات. بالمقارنة مع عمليات إزالة النتروجين-التقليدية، تتمتع ANAO بمزايا تكنولوجية كبيرة. استهلاك طاقة التهوية هو فقط 55-60% من استهلاك العمليات التقليدية؛ ولا تتطلب هذه العملية أي مصدر للكربون تقريبًا. إذا كانت هناك حاجة إلى إضافة مصدر كربون أثناء عملية ANAO لإزالة منتجات النترات، فإن الكمية المضافة تكون أيضًا أقل بكثير من العمليات التقليدية. يتم تقليل الجرعة بنسبة 90٪. يمكن لعملية أناموكس تقليل استهلاك القلوية بنسبة 45%. في الوقت نفسه، يكون إنتاج الحمأة من خلال عملية الأناموكس أقل بكثير من عمليات إزالة النتروجين التقليدية، مما سيقلل بشكل كبير من تكاليف معالجة الحمأة الزائدة والتخلص منها.
العوامل المؤثرة على أناموكس
يمثل خلق ظروف بقاء مناسبة لبكتيريا الأناموكس في أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي تحديًا حاليًا، بما في ذلك إثراء بكتيريا الأناموكس وAOB (بكتيريا نيتروجين الأمونيا، التي تحول نيتروجين الأمونيا إلى نتريت)، وتثبيط بكتيريا NOB (بكتيريا مؤكسدة النتريت، التي تحول النتريت إلى نترات).
1. درجة الحرارة
يتأثر النشاط الأيضي للكائنات الحية الدقيقة إلى حد كبير بدرجة الحرارة. تشير نتائج الأبحاث السابقة إلى أن 35 درجة هي درجة الحرارة المثالية لأناموكس. درجة الحرارة المثالية لـ Anammox هي عندما يكون التمثيل الغذائي البيولوجي هو الأسرع وتكون دورة التكاثر الخاصة به أقصر. ومع ذلك، فإن درجة حرارة معظم مياه الصرف الصحي الفعلية في المناطق الحضرية منخفضة (10-25 درجة)، خاصة في بعض مناطق خطوط العرض المرتفعة مثل شمال بلدي، حيث غالبًا ما تكون درجات حرارة مياه الصرف الصحي أقل من 10 درجات. تمثل فعالية واستقرار Anammox في هذه المناطق تحديًا كبيرًا.
تبلغ درجة الحرارة السائدة لمياه الصرف الصحي في المناطق الحضرية عمومًا حوالي 10-20 درجة، وهي أقل من درجة حرارة النمو المثالية لـ AnAOB (25-40 درجة)، مما سيؤثر على نمو تركيزات الأمونيا والنيتريت.
ركائز أكسدة الأمونيوم اللاهوائية (ANAMO) هي الأمونيا والنتريت. ومع ذلك، فإن التركيزات العالية جدًا من هاتين المادتين يمكن أن تمنع هذه العملية. أظهرت الدراسات أن التركيزات المثبطة للأمونيا هي 38.0-98.5 نانومول/لتر، وللنتريت 5.4-12.0 نانومول/لتر. جيتن وآخرون. وجد أنه عند تركيزات النتريت التي تزيد عن 20 نانومول/لتر، يتم تثبيط عملية ANAMMOX بشكل كبير. التعرض لفترة طويلة (ساعتين) لتركيزات عالية من النتريت يمكن أن يدمر نشاط ANAMMOX تمامًا، ولكن عند تركيزات أقل من النتريت (حوالي 10 نانومول / لتر)، يظل نشاطه مرتفعًا نسبيًا.
3. قيمة الرقم الهيدروجيني
بما أن الأمونيا والنتريت تنفصلان في المحاليل المائية، فإن قيمة الرقم الهيدروجيني تؤثر على ANAMMOX. أظهرت الدراسات أن عملية ANAMMOX تعمل بشكل جيد ضمن نطاق درجة حموضة يتراوح بين 6.7 و8.3، مع درجة حموضة مثالية تبلغ حوالي 8.
4. تأثير المواد العضوية
محتوى COD في مياه الصرف الصحي... إنه يعزز نمو بكتيريا إزالة النتروجين غير المتجانسة ويمنع عملية Anammox. لا يمكن لعملية Anammox أن تهيمن إلا عندما يتم استهلاك COD إلى مستوى منخفض بواسطة الأول. تبرز هذه المشكلة بشكل خاص في معالجة مياه الصرف الصحي الحضرية ذات الكثافة العالية-. تشير أبحاث وينكلر وآخرون إلى أنه عند درجة حرارة 25 درجة، إذا كانت نسبة C/N في الماء الخام أقل من 0.5، فإن أناموكس ونزع النتروجين غير المتجانس يمكن أن يتعايشا بانسجام دون أن يؤدي ذلك إلى انخفاض كفاءة إزالة النيتروجين.
5. استقرار النترجة ذات القطع القصير- عند تطبيق عملية Anammox، يجب تقليل نشاط NOB قدر الإمكان في ظل الظروف السائدة للسماح بتراكم النتريت والحفاظ على نظام النترت في حالة النترجة ذات القطع القصير -. وهذا أمر بالغ الأهمية لضمان استقرار Anammox. يعد التشغيل الطبيعي للعملية أمرًا أساسيًا ويرتبط بشكل مباشر بتأثير العلاج. ويمكن تحقيق الأهداف المذكورة أعلاه من خلال التحكم في الأمونيا الحرة. لذلك، هذا هو السبب وراء تطبيق الأناموكس بشكل أساسي على مياه الصرف الصحي التي تحتوي على نسبة عالية من نيتروجين الأمونيا -، لأن الأمونيا الحرة في مياه الصرف الصحي التي تحتوي على نسبة عالية من نيتروجين الأمونيا - يمكن أن تمنع NOB، مما يحافظ على النظام في حالة نترجة قصيرة - تحت ظروف تحكم مناسبة. ومع ذلك، في مياه الصرف الصحي البلدية، يتأثر استقرار عملية النترجة القصيرة-بدرجة الحرارة ونيتروجين الأمونيا، مما يجعل التشغيل المستقر مستحيلًا! في عملية PN/A، تتأثر أيضًا مرحلة النترجة القصيرة -بدرجة الحرارة نظرًا لأن نشاط AOB يتم تثبيطه عند درجات حرارة منخفضة، مما يقلل من معدل تحويل نيتروجين الأمونيا. علاوة على ذلك، فإن طاقة التنشيط لـ AOB أعلى من طاقة NOB، مما يؤدي إلى تراكم غير كافٍ لـ NO2، والذي لا يمكنه توفير ركيزة كافية لتفاعل Anammox.
عملية ANAMMOX والعمليات المشتقة منها
يمكن تقسيم تقنيات Anammox المستخدمة في التطبيقات الهندسية العملية إلى الحمأة المعلقة، والحمأة الحبيبية، وعمليات الأغشية الحيوية.
1. عملية الحمأة المعلقة
AOB وAAOB بطيئان النمو- ومع دورات التوليد الطويلة، يتم فقدان الكائنات الحية الدقيقة بسهولة في أنظمة الحمأة المعلقة التقليدية. لذلك، غالبًا ما تستخدم عمليات الحمأة المعلقة مفاعلات دفعية متسلسلة (SBRs) للاحتفاظ بالكائنات الحية الدقيقة.
من بين جميع تقنيات SBR anammox، 80% منها هي عملية DEMON. تم تطبيق هذه العملية لأول مرة في محطة معالجة مياه الصرف الصحي ستراس في النمسا. مبدأها الأساسي هو ضبط وقت التهوية من خلال مراقبة تغيرات الرقم الهيدروجيني، وبالتالي ضبط التوازن بين النترجة القصيرة - والأناموكس. علاوة على ذلك، تستخدم هذه العملية السيكلونات المائية لتنظيم عمر الحمأة لـ AAOB وAOB. تحت قوة الطرد المركزي، يتم فصل الكائنات الحية الدقيقة إلى قسمين: يفيض AOB الأخف من الأعلى، بينما يتراكم AAOB الأثقل في الأسفل ويتدفق عائداً إلى المفاعل. حققت محطة معالجة مياه الصرف الصحي في ستراس كفاءة إزالة النيتروجين ذاتية التغذية بنسبة تزيد عن 85%.
2. عملية الحمأة الحبيبية
ومن الأمثلة النموذجية لنظام الحمأة الحبيبية مفاعل أناموكس الذي بناه باركر في روتردام. تميل عمليات التدفق المبكر-بواسطة-التدفق إلى استخدام نظامي مرحلتين-، لذلك في التشغيل الفعلي، تم دمج مفاعل أناموكس مع النترجة التي تم بناؤها مسبقًا... تم اقتران مفاعل شارون لتكوين نظام مفاعل شارون-أناموكس، والذي استغرق بدء تشغيله 3.5 سنوات. وفي وقت لاحق، قامت شركة باركر بيوميديكال بتطوير مفاعل أناموكس المتكامل. يعمل كل من مفاعل أناموكس والمفاعل المدمج في نظام المرحلتين-بطريقة تدفق مستمر للأعلى، مع خزان ترسيب ذو لوحة مائلة داخلية لتحقيق الاحتفاظ بجزيئات الحمأة.
3. عمليات الأغشية الحيوية
تشمل عمليات Anammox التي تستخدم تقنية الأغشية الحيوية بشكل أساسي DeAmmon وANITATMMox. تتكون عملية DeAmmon من ثلاثة مفاعلات MBBR وخزان واحد لتفريغ الغاز. يمكن توصيل المفاعلات الثلاثة على التوالي أو بالتوازي حسب الحاجة، بمعدل تعبئة MBBR يتراوح بين 40% إلى 50%. يستخدم ANITATMMox بشكل أساسي مفاعل MBBR متكامل في نظام التدفق الجانبي -. يمكن لـ ANITATMMox استخدام الأغشية الحيوية MBBR النقية أو الحمأة- فيلم هجين IFAS (فحص فيلم الدهون المتكامل). في عملية الأغشية الحيوية النقية، توجد بكتيريا AAOB في الطبقة الأعمق من مادة التعبئة، وتكون بكتيريا AOB في الطبقة الخارجية؛ في عملية IFAS، تركز AAOB بشكل أساسي على مواد التعبئة، وAOB... في الحمأة المعلقة.
أول مشروع تشغيلي لأكسدة الأمونيا اللاهوائية (ANAO) في العالم!
في عام 2002، قامت شركة Parker Systems ببناء أول مفاعل ANAO إنتاجي في العالم في محطة معالجة مياه الصرف الصحي Dokhaven في روتردام، وذلك باستخدام نظام SharonAnammox لمعالجة سائل نزح الحمأة. وبعد ذلك، تم بناء أكثر من 100 مفاعل من هذا النوع في هولندا وألمانيا واليابان وأستراليا وسويسرا والمملكة المتحدة. تعمل محطات معالجة مياه الصرف الصحي المتعددة بأكسدة الأمونيا اللاهوائية على معالجة مياه الصرف الصحي بما في ذلك سائل هضم النفايات، ومياه الصرف الصحي في مزارع الماشية، ومياه الصرف الصحي الغذائية، بالإضافة إلى سائل هضم الحمأة.
1. معالجة أكسدة الأمونيا اللاهوائية للحمأة في محطة معالجة مياه الصرف الصحي في دوخافن في روتردام، هولندا
يعتبر الحمأة العضوية، باعتبارها حاملة للطاقة، أولًا بمثابة تحويل المادة العضوية الموجودة فيها إلى غاز -ميثان نشط. وبناء على ذلك تتشكل عملية معالجة الحمأة الموضحة في الشكل. تخضع الحمأة الزائدة الناتجة عن عملية معالجة مياه الصرف الصحي لطريقتين مختلفتين للتكثيف قبل دخولها إلى خزان هضم الحمأة (5). تتم تصفية الحمأة والحمأة الزائدة من خزان التهوية بالقسم A- من خلال شاشة دقيقة (1) قبل التسميك، ثم يتم إدخال خزاني التسميك بالجاذبية (2) بالتوازي. تحتوي الحمأة المستقرة على نسبة ماء تبلغ 94%؛ يتم بعد ذلك إرجاع المادة الطافية المنفصلة إلى عملية معالجة مياه الصرف الصحي لمزيد من المعالجة.
يحتوي سائل هضم الحمأة على تركيز مرتفع نسبيًا من نيتروجين الأمونيا (يصل إلى 1500 ملجم N/L)، ودرجة حرارة الماء 28 درجة. درجة . مثل هذا الحمل العالي من النيتروجين الذي يدخل في عملية معالجة مياه الصرف الصحي سيزيد من عبء إزالة النيتروجين. ولذلك، فإن اعتماد أحدث تقنيات SHARON وANAMMOX لمعالجة إزالة النتروجين بشكل منفصل لهضم الحمأة هو أحدث إجراء ترقية لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي في DOKHAVEN في السنوات الأخيرة. بدأ هنا تشغيل أول مفاعل شارون (11) منتج في العالم في أكتوبر 1998، وتم تشغيل أول مفاعل أناموكس (12) في العالم في يونيو 2002.
2. معلمات العملية
1) مجموعة واحدة من المصافي الدقيقة، معدل التدفق 510 م3/ساعة، تباعد الشبك 3 مم.
2) مجموعتان من مكثفات الجاذبية، Ф23.6 م، H=3 م، حمل المواد الصلبة الجافة 36 كجم/(م²·ي)، حجم الحمأة 530 م³/ي (محتوى الرطوبة 94%).
3) قدرة معالجة مثخن الحزام 90 متر مكعب / ساعة أو 700 كجم من المواد الصلبة الجافة / ساعة.
4) خزان معادلة الحمأة الزائدة 900 م3.
5) 6) خزانان لهضم الحمأة، Ф22 م، H=23 م، مدة الاحتفاظ 28 يومًا عند 33 درجة، مما يؤدي إلى حجم الحمأة 600 م³/ي (محتوى رطوبة 96٪) بعد الهضم. تبلغ سعة خزان معادلة الحمأة 900 متر مكعب.
7) عدد 2 جهاز طرد مركزي بقدرة معالجة 40 م3/ساعة.
8) خزانان لتخزين الحمأة المنزوعة الماء، سعة كل منهما 150 مترًا مكعبًا؛ وقت الاحتفاظ 2.5 يوم؛ ح=14 م.
9) مفاعل شارون واحد؛ Ф19.5 م، H=5.75 م، معدل التدفق 550 م³/ي، وقت الاحتفاظ الهيدروليكي 3 أيام، وقت الاستبقاء الهوائي 24 ساعة، درجة الحرارة 35 درجة، الرقم الهيدروجيني 7-7.2، تركيز الأكسجين المذاب 1.5 مجم/لتر.
10) مفاعل أناموكس واحد؛ Ф2.2 م، H=18 م (V=70 م³)، معدل التدفق 550 م³/ي. يعمل المفاعل بقدرة m³/d، مع زمن احتجاز هيدروليكي قدره 3 ساعات، وحمل تصميمي قدره 800 كجم نيوتن/يوم، ودرجة حرارة 35 درجة، ودرجة حموضة 7.5.
يقوم مفاعل شارون بأكسدة نصف نيتروجين الأمونيا إلى نيتروجين النتريت (بدون التحكم في الرقم الهيدروجيني). يشكل النصف المتبقي من نيتروجين الأمونيا ونيتروجين النتريت المحول (نصف إجمالي نيتروجين الأمونيا في السائل المتدفق) النسبة المولية المطلوبة لـ ANAMMOX (1:1)، مما يسمح بتحويل نيتروجين الأمونيا ونيتروجين النتريت مباشرة إلى غاز النيتروجين عبر التحويل الذاتي التغذية. بالمقارنة مع عمليات النترجة/نزع النتروجين التقليدية، تعمل عملية SHARON/ANAMMOX على تقليل تكاليف التشغيل بنسبة 90%، وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 88%، ولا تنتج غاز أكاسيد النيتروجين الضار، ولا تتطلب مواد عضوية، ولا تنتج أي حمأة زائدة، وتوفر 50% من مساحة الأرض، مما يدل على الاستدامة والفوائد الاقتصادية الكبيرة.