Ett stort intresse för anammoxprocessen finns i hela världen idag och en omfattade forskning och utveckling har skett under senare år. Processen används vanligen för behandling av kväverika och varma avloppsvattenströmmar som till exempel rejektvatten från slambehandling. Intresse finns att utveckla processen för behandling av avloppsvatten med lägre kvävehalter och temperatur. Försök vid Wangeningen University i Holland har genomförts för att belysa möjligheter och problemställningar.
Av: Bengt Andersson
Traditionell rening av avloppsvatten i en aktivtslamprocess ger låga utgående halter av organiskt material och närsalter till priset av en hög energiförbrukning, ett överskottsslam som måste disponeras och ett eventuellt behov av tillsats av extern kolkälla för denitrifikation. I artikeln föreslås en processlösning, där avloppsvattnet först behandlas i en anaerob process med tillhörande rötning och därefter i en Anammox-process. Autotrof avskiljning av kväve i en anammoxprocess lämpar sig väl eftersom utgående avloppsvatten från den anaeroba processen innehåller ammonium och bikarbonat.
Vanligtvis används anammoxprocessen för behandling av rejektvattenströmmar med hög ammoniumkoncentration och hög temperatur. Senare forskning har visat på möjligheterna att använda processen även vid låga temperaturer, i de flesta fall dock fortsatt vid höga kvävehalter. För att kunna behandla avloppsvatten med låga kvävehalter erfordras en process med hög avskiljningshastighet, vilket i sin tur kräver att processen drivs vid en lägre hydraulisk uppehållstid och med bra möjligheter att hålla kvar biomassan i processen. Vidare måste en del av ammoniumkvävet i utgående avloppsvatten från den anaeroba processen oxideras till nitrit för att anammoxprocessen skall kunna fungera.
Artikeln redovisar försök att tillämpa en anammoxprocess för kväveavskiljning direkt efter en anaerob behandling av kommunalt avloppsvatten med en låg inkommande kvävehalt och vid en temperatur av 20 o C.
Försöken
Försöken genomfördes i laboratorieskala i en gaslift reaktor. Reaktorn ympades vid försökets början med granuler från en fullskalereaktor med anammox biomassa.
Reaktorn belastades med ett syntetiskt avloppsvatten, som till cirka 20 % utgjordes av utgående vatten från en anaerob UASB-process, och vars sammansättning gav en genomsnittlig kvävehalt av 69 mg/l. Temperaturen i vattnet och i reaktorn uppgick till cirka 20 o C.
Aktiviteten i biomassan på granulerna från reaktorn bestämdes i batchvisa försök utanför reaktorn. Samtliga kvävefraktioner analyserades liksom halten suspenderat material och protein. Dessutom gjordes mikroskopiska undersökningar av granulerna med biomassa.
Resultat
Resultatet visade att reaktorns kväveavskiljningskapacitet ökade kontinuerligt under försökets drygt 250 dygn. Efter en inledande fas omfattade cirka 50 dygn, då kväveavskiljningen var mycket begränsad och nitrithalten ganska hög (omkring 20 mg N/l), ökade aktiviteten och nitrithalten minskade stegvis till under 1 mg N/l. Då nitrithalten stabiliserats på en låg nivå (mindre än cirka 2 mg N/l) minskades den hydrauliska uppehållstiden och kvävebelastningen ökade. Under 253 dygns försök noterades att den kortaste hydrauliska uppehållstiden var 5.3 timmar med en kvävebelastning av 310 mg N/(l*d). Kväveavskiljningsaktiviteten ökade exponentiellt efter den inledande fasen och nettotillväxthastigheten kunde bestämmas till 0,040 d-1, vilket motsvarar en fördubblingstid av 17 dygn. Stökiometrin i reaktorn bestämdes flera gånger under försökets gång och analyserna bekräftade en mycket nära överensstämmelse med den andra rapporterat för en anammoxprocess.
Utspolningen av biomassa var tydligt liten och det bekräftades även av de låga halterna av suspenderade ämnen i utgående vatten. Bestämningar av protein visade även att koncentrationen av dispers biomassa var låg.
Utgående kvävehalt analyserades kontinuerligt under försöket. I början av försöket var kvävehalten hög (cirka 20 mg N/l) beroende på att processen var nitritbegränsad. Genom en mindre justering av förhållandet mellan nitrit och ammonium i inkommande vatten efter cirka 200 dygns försök minskade utgående kvävehalt till under 10 mg N/l med låga såväl nitrit- som ammoniumhalter. Stökiometriskt för en anammoxprocess med en inkommande kvävehalt av 69 mg N/l kan utgående kvävehalt som lägst bli 7,7 mg N/l beroende på produktionen av nitrat.
Under försöket var temperaturen 20 o C och temperaturen i ett kommunalt avloppsvatten kan vara lägre än så. För att belysa effekten vid lägre temperaturer avslutades försöket med att minska temperaturen till 15 resp. 10 o C i snabba steg. Aktiviteten minskade härvid från 177 mg N/(l*d) vid 20 o C till 96 resp. 62 mg N/(l*d) vid 15 resp. 10 o C. Aktiveringsenergin kunde bestämmas till 72 kJ/mol, vilket är av samma storleksordning som för reaktorer med högre temperaturer. Författarna drar slutsatsen att den långa driften av reaktorn vid 20 o C inte har anrikat anammoxbiomassa med lägre temperaturoptimum.
Tillämpning av processen
En stor del av aktiviteten i reaktorn kunde hänföras till aktiviteten i biofilmen, vilket innebär att en biofilmsprocess är en bra teknologi för att uppnå en bra kvarhållning av biomassa vid låga temperaturer.
Processen verkar kunna uppfylla nuvarande krav på 10 mg N/l i utgående vatten. Högre krav som framför i ramvattendirektivet innebär behov av kompletteringar, vilket kan ske på olika sätt.
I en praktisk applikation erfordras att drygt hälften av ammoniumkvävet i inkommande vatten oxideras till nitrit. Detta kräver en strikt selektion mellan ammoniumoxiderande och nitritoxiderande bakterier, vilket förväntas vara en framtida stor utmaning för tillämpningen av anammoxprocessen vid låga temperaturer. Ytterligare en utmaning föreligger då verkligt avloppsvatten med suspenderade och kolloidala ämnen behandlas och som kan medföra en konkurrenssituation om nitritet mellan heterotrofa bakterier och anammoxbakterier.
Slutsatser
En gaslift reaktor med anammox biomassa drevs vid 20 ° C och tillfördes ett syntetiskt avloppsvatten med inblandning av 20 volymprocent utgående avloppsvatten från en anaerob UASB-reaktor. Försöken resulterade i:
- en tillväxt och kvarhållande av anammox bakterier med en uppskattad nettotillväxt av 0,040 d -1, vilket motsvarar en fördubblingstid av 17 d. Detta har inte tidigare rapporterats för 20 ° C.
- en kvävebelastning motsvarande 310 mg N / (l * d), uppnådd vid en genomsnittlig kvävehalt av 69 mg N / l i inkommande vatten
- låga ammonium- och nitrithalter i utgående vatten som varierade mellan 0,03-0,17 mg N/l.
- kort hydraulisk uppehållstid på 5,3 timmar, vilket gör processen attraktivt för kväverening av anaerobt förbehandlat kommunalt avloppsvatten
- att den skenbara aktiveringsenergin uppskattades till 72 kJ/mol med hjälp av försök med plötsliga och korta förändringar av reaktortemperaturen, vilket motsvarar förhållandena i en anammoxreaktor som drivs vid högre temperatur.
Källa: Tim L.G. Hendrickx, Yang Wang, Christel Kampman, Grietje Zeeman, Hardy Temmink, Cees J.N. Buisman. Autotrophic nitrogen removal from low strength wastewater at low temperature. Water Research 46 (2012) pp 2187-2193
Hela artikeln från Water research finns att köpa här.
