O processo de oxidação anaeróbica de amônia (ANAMMOX) foi desenvolvido em 1990 pelo Laboratório de Biotecnologia Kluyver da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda. Este processo rompe os conceitos teóricos básicos dos processos tradicionais de remoção biológica de nitrogênio. Sob condições anaeróbicas, a amônia é oxidada em gás nitrogênio usando amônia como doador de elétrons e nitrato ou nitrito como aceptor de elétrons. Isto economiza mais de 60% do fornecimento de oxigênio em comparação com a nitrificação completa (oxidação da amônia em nitrato). Usar amônia como doador de elétrons também economiza a fonte de carbono necessária nos processos tradicionais de remoção biológica de nitrogênio.
O processo ANAMMOX apresenta vantagens como alta eficiência de remoção de nitrogênio, baixos custos operacionais e pequena área ocupada, e tem grande potencial de desenvolvimento no tratamento de águas residuais. Atualmente, este processo está se tornando cada vez mais maduro no tratamento de lodos municipais. A primeira unidade ANAMMOX em escala de produção-do mundo, localizada na estação de tratamento de águas residuais de Dokhaven, em Rotterdam, Holanda, tem uma taxa de remoção volumétrica de nitrogênio (NRR) de até 9,5 kg N/(m3·d). Além disso, o processo ANAMMOX está sendo cada vez mais adotado no tratamento de águas residuais com alto teor de nitrogênio amoniacal, como águas residuais industriais de fermentação, lixiviados de aterros sanitários e águas residuais de aquicultura, com suas aplicações de engenharia se espalhando rapidamente em todo o mundo.
Princípio da oxidação anaeróbica da amônia
Anammox é uma reação biológica em condições anaeróbicas, usando amônia como doador de elétrons e nitrito como aceptor de elétrons para produzir nitrogênio e nitrato. Anammox envolve dois processos: primeiro, metabolismo de decomposição (produção de energia), onde a amônia atua como doador de elétrons e o nitrito como aceptor de elétrons, reagindo na proporção de 1:1 para produzir gás nitrogênio, armazenando a energia como ATP; segundo, o anabolismo, onde o nitrito atua como aceptor de elétrons, fornecendo poder redutor e utilizando dióxido de carbono e ATP produzidos a partir do metabolismo de decomposição para sintetizar materiais celulares, produzindo nitrato no processo. As bactérias de oxidação anaeróbica de amônia (AnAOB) são as implementadoras da oxidação anaeróbica de amônia.
NH4++ NÃO2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358kg/mol
O processo de oxidação anaeróbica de amônio (ANAO) consiste principalmente em duas etapas: A primeira etapa é a nitrificação parcial, na qual apenas cerca de 55% do nitrogênio amoniacal precisa ser convertido em nitrogênio nitrito; a segunda etapa é a oxidação anaeróbica de amônio (ANAO), onde o nitrogênio amoniacal, sob condições anaeróbicas, é oxidado em nitrogênio gasoso pelo nitrogênio nitrito como um aceptor de elétrons. Portanto, também é chamado de processo PN/A.
Neste processo, aproximadamente 89% do nitrogênio inorgânico é convertido em nitrogênio gasoso e os 11% restantes são convertidos em nitrogênio nitrato. Em comparação com os processos tradicionais de nitrificação-desnitrificação, a ANAO tem vantagens tecnológicas significativas. O seu consumo de energia de aeração é apenas 55-60% do dos processos tradicionais; este processo quase não requer nenhuma fonte de carbono. Se for necessário adicionar uma fonte de carbono durante a ANAO para remover produtos de nitrato, a quantidade adicionada também é muito menor do que nos processos tradicionais. A dosagem é reduzida em 90%; o processo anammox pode reduzir o consumo de alcalinidade em 45%. Simultaneamente, a produção de lamas do processo anammox é muito inferior à dos processos tradicionais de desnitrificação, o que reduzirá significativamente os custos de tratamento e eliminação do excesso de lamas.
Fatores que afetam o Anammox
Criar condições de sobrevivência adequadas para bactérias anammox em sistemas convencionais de tratamento de águas residuais é um desafio atual, incluindo o enriquecimento de bactérias anammox e AOB (bactérias nitrogenadoras de amônia, que convertem nitrogênio amoniacal em nitrito) e a inibição de bactérias NOB (bactérias oxidantes de nitrito, que convertem nitrito em nitrato).
1. Temperatura
A atividade metabólica dos microrganismos é amplamente afetada pela temperatura. Resultados de pesquisas anteriores indicam que 35 graus é a temperatura ideal para anammox. A temperatura ideal para Anammox é quando seu metabolismo biológico é mais rápido e seu ciclo reprodutivo é mais curto. No entanto, a temperatura da maioria das águas residuais urbanas reais é baixa (10–25 graus ), especialmente em algumas regiões de{6}latitudes elevadas, como o norte do meu país, onde as temperaturas das águas residuais são frequentemente inferiores a 10 graus . A eficácia e estabilidade do Anammox nestas áreas representam um desafio significativo.
A temperatura principal das águas residuais urbanas é geralmente em torno de 10–20 graus, inferior à temperatura ideal de crescimento do AnAOB (25–40 graus), o que afetará o crescimento das concentrações de amônia e nitrito de Anammox. 2.
Os substratos para oxidação anaeróbica de amônio (ANAMO) são amônia e nitrito. No entanto, concentrações excessivamente elevadas destas duas substâncias podem inibir o processo. Estudos demonstraram que as concentrações inibidoras de amônia são 38,0–98,5 nmol/L, e para nitrito, 5,4–12,0 nmol/L. Jetten et al. descobriram que em concentrações de nitrito acima de 20 nmol/L, o processo ANAMMOX é significativamente inibido. A exposição prolongada (2 horas) a altas concentrações de nitrito pode destruir completamente a atividade do ANAMMOX, mas em concentrações mais baixas de nitrito (cerca de 10 nmol/L), a sua atividade permanece relativamente elevada.
3. Valor do pH
Como a amônia e o nitrito se dissociam em soluções aquosas, o valor do pH afeta o ANAMMOX. Estudos demonstraram que o processo ANAMMOX funciona bem dentro de uma faixa de pH de 6,7 a 8,3, com um pH ideal em torno de 8.
4. Influência da Matéria Orgânica
O conteúdo de DQO em águas residuais... Promove o crescimento de bactérias desnitrificantes heterotróficas e inibe o processo Anammox. O processo Anammox só pode dominar quando o DQO é consumido em um nível baixo pelo primeiro. Esta questão é particularmente importante no tratamento de águas residuais urbanas de alta-intensidade. A pesquisa de Winkler et al. indica que a 25 graus, se a relação C/N da água bruta for <0,5, Anammox e desnitrificação heterotrófica podem coexistir harmoniosamente sem levar a uma diminuição na eficiência de remoção de nitrogênio.
5. Estabilidade da nitrificação-de atalho Ao aplicar o processo Anammox, a atividade NOB deve ser minimizada tanto quanto possível sob condições convencionais para permitir o acúmulo de nitrito e manter o sistema de nitrificação em um estado de-nitrificação de atalho. Isto é crucial para garantir a estabilidade do Anammox. O funcionamento normal do processo é fundamental e está diretamente relacionado ao seu efeito de tratamento. Os objetivos acima mencionados podem ser alcançados através do controle da amônia livre. Portanto, é por isso que o anammox é aplicado principalmente em águas residuais com alto-nitrogênio amoniacal, porque a amônia livre em águas residuais com alto-nitrogênio amoniacal pode inibir o NOB, mantendo o sistema em um estado de nitrificação-curto sob condições de controle adequadas. No entanto, em águas residuais municipais, a estabilidade da nitrificação-de atalho é afetada pela temperatura e pelo nitrogênio amoniacal, impossibilitando a operação estável! No processo PN/A, o estágio de nitrificação de atalho também é afetado pela temperatura porque a atividade do AOB é inibida em baixas temperaturas, reduzindo a taxa de conversão de nitrogênio amoniacal. Além disso, a energia de ativação do AOB é maior que a do NOB, levando ao acúmulo insuficiente de NO2, que não pode fornecer substrato suficiente para a reação Anammox.
Processo ANAMMOX e seus Processos Derivados
As tecnologias Anammox usadas em aplicações práticas de engenharia podem ser divididas em processos de lodo suspenso, lodo granular e biofilme.
1. Processo de Lodo Suspenso
AOB e AAOB De crescimento- lento e com longos ciclos de geração, os microrganismos são facilmente perdidos em sistemas convencionais de lodo suspenso. Portanto, os processos de lodo suspenso geralmente empregam reatores de sequenciamento em batelada (SBRs) para reter microrganismos.
De todas as tecnologias anammox da SBR, 80% são o processo DEMON. Este processo foi aplicado pela primeira vez na estação de tratamento de águas residuais de Strass, na Áustria. Seu princípio básico é ajustar o tempo de aeração monitorando as mudanças de pH, ajustando assim o equilíbrio entre a nitrificação curta e o anammox. Além disso, este processo utiliza hidrociclones para regular a idade do lodo AAOB e AOB. Sob força centrífuga, os microrganismos são separados em duas partes: o AOB mais leve transborda do topo, enquanto o AAOB mais pesado se acumula na parte inferior e flui de volta para o reator. A estação de tratamento de águas residuais de Strass alcançou uma eficiência de remoção autotrófica de nitrogênio superior a 85%.
2. Processo de Lodo Granular
Um exemplo típico de sistema de lodo granular é o reator Anammox construído pela Parker em Rotterdam. Os processos iniciais de fluxo-por{2}}fluxo tendiam a usar sistemas de dois-estágios, portanto, na operação real, o reator Anammox foi integrado à nitrificação construída anteriormente... O reator SHARON foi acoplado para formar o sistema de reator Sharon-Anammox, que levou 3,5 anos para iniciar. Posteriormente, a Parker Biomedical desenvolveu um reator Anammox integrado. Tanto o reator anammox quanto o reator integrado no sistema de dois-estágios operam em fluxo ascendente contínuo, com um tanque interno de sedimentação de placa inclinada para obter retenção de partículas de lodo.
3. Processos de Biofilme
Os processos Anammox que utilizam tecnologia de biofilme incluem principalmente DeAmmon e ANITATMMox. O processo DeAmmon consiste em três reatores MBBR e um tanque de desgaseificação. Os três reatores podem ser conectados em série ou paralelo conforme necessário, com uma taxa de enchimento MBBR de 40% a 50%. ANITATMMox usa principalmente um reator MBBR integrado em seu sistema-de fluxo lateral. ANITATMMox pode usar biofilme MBBR puro ou um IFAS (Integrated Fat Film Assay) híbrido de filme de lodo. No processo de biofilme puro, as bactérias AAOB estão na camada mais interna do material de embalagem e as AOB estão na camada mais externa; no processo IFAS, AAOB estão principalmente no material de embalagem, e AOB... Em lodo suspenso.
O primeiro projeto operacional de oxidação anaeróbica de amônia (ANAO) do mundo!
Em 2002, a Parker Systems construiu o primeiro reator ANAO produtivo do mundo na estação de tratamento de águas residuais de Dokhaven, em Rotterdam, usando o sistema SharonAnammox para tratar o líquido de desidratação de lodo. Posteriormente, mais de 100 desses reatores foram construídos na Holanda, Alemanha, Japão, Austrália, Suíça e Reino Unido. Várias estações de tratamento de águas residuais por oxidação anaeróbica de amônia tratam águas residuais, incluindo lixiviados de aterros sanitários, águas residuais de fazendas de gado e águas residuais de alimentos, além de líquido de digestão de lodo.
1. Tratamento de oxidação anaeróbica com amônia de lodo na estação de tratamento de águas residuais DOKHAVEN em Rotterdam, Holanda
O lodo orgânico, como transportador de energia, é inicialmente considerado para converter a matéria orgânica contida nele em um gás energético-metano. Com base nisso, é formado o processo de tratamento de lodo mostrado na figura. O excesso de lodo do processo de tratamento de efluentes passa por dois métodos diferentes de espessamento antes de entrar no tanque de digestão de lodo (5). O excesso de lodo e lodo do tanque de aeração de seção A- são filtrados através de uma tela fina (1) antes do espessamento e, em seguida, entram em dois tanques de espessamento por gravidade (2) em paralelo. O lodo sedimentado possui teor de água de 94%; o sobrenadante separado é então devolvido ao processo de tratamento de águas residuais para tratamento adicional.
O líquido de digestão de lodo contém uma concentração relativamente alta de nitrogênio amoniacal (até 1500 mg N/L) e a temperatura da água é de 28 graus. grau . Uma carga tão elevada de azoto que entra no processo de tratamento de águas residuais aumentará a carga de remoção de azoto. Portanto, a adoção das mais recentes tecnologias SHARON e ANAMMOX para o tratamento de desnitrificação separado do digerido de lamas é a mais recente medida de atualização da estação de tratamento de águas residuais DOKHAVEN nos últimos anos. O primeiro reator SHARON produtivo do mundo (11) começou a operar aqui em outubro de 1998, e o primeiro reator ANAMMOX do mundo (12) foi colocado em operação em junho de 2002.
2. Parâmetros do Processo
1) Um conjunto de peneiras finas, vazão 510 m³/h, espaçamento entre peneiras 3 mm.
2) Dois conjuntos de espessadores por gravidade, Ф23,6 m, H=3 m, carga de sólidos secos 36 kg/(m²·d), volume de lodo 530 m³/d (teor de umidade 94%).
3) Capacidade de processamento do espessador de correia 90 m³/h ou 700 kg de sólidos secos/h.
4) Tanque de equalização de excesso de lodo 900 m³.
5) 6) Dois tanques de digestão de lodo, Ф22 m, H=23 m, tempo de retenção de 28 dias a 33 graus, resultando em um volume de lodo de 600 m³/d (96% de umidade) após a digestão. Um tanque de equalização de lodo tem capacidade de 900 m³.
7) Duas centrífugas, com capacidade de processamento de 40 m³/h.
8) Dois tanques de armazenamento de lodo desidratado, cada um com volume de 150 m³; tempo de retenção 2,5 dias; H=14m.
9) Um reator SHARON; Ф19,5 m, H=5.75 m, vazão 550 m³/d, tempo de retenção hidráulica 3 dias, tempo de retenção aeróbica 24 h, temperatura 35 graus, pH 7–7,2, concentração de oxigênio dissolvido 1,5 mg/L.
10) Um reator ANAMMOX; Ф2,2 m, H=18 m (V=70 m³), vazão 550 m³/d. O reator opera com capacidade de m³/d, com tempo de retenção hidráulica de 3 h, carga projetada de 800 kgN/d, temperatura de 35 graus e pH de 7,5.
O reator SHARON oxida metade do nitrogênio amoniacal em nitrogênio nitrito (sem controle de pH). A metade restante do nitrogênio amoniacal e o nitrogênio nitrito convertido (metade do nitrogênio amoniacal total no afluente) formam a proporção molar necessária para ANAMMOX (1: 1), permitindo que o nitrogênio amoniacal e o nitrogênio nitrito sejam diretamente convertidos em nitrogênio gasoso por meio de conversão autotrófica. Em comparação com os processos tradicionais de nitrificação/desnitrificação, o processo SHARON/ANAMMOX reduz os custos operacionais em 90%, as emissões de CO2 em 88%, não produz gás N₂O prejudicial, não requer matéria orgânica, não produz lodo em excesso e economiza 50% da área terrestre, demonstrando sustentabilidade significativa e benefícios económicos.