Abstract
Fra opdagelsen i begyndelsen af 1990’erne til færdiggørelsen af en anammox-reaktor i fuld skala tog det næsten to årtier at afdække anammox-bakteriernes hemmelige slør. Der var tre milepæle under kommercialiseringen af anammox: udviklingen af det første berigelseskulturmedie, færdiggørelsen af den første kommercielle anammoxreaktor og den hurtige opstart af et anammoxanlæg i fuld skala. Indtil nu er der sket store fremskridt i dyrkningen af anammox-bakterier gennem to generelle strategier: (a) opstart af en reaktor fra bunden og b) tilsætning af beriget anammox-slam til reaktoren. Det tog 3,5 år at få den første anammoxreaktor i fuld skala til at fungere fuldt ud ved hjælp af den første metode, hvilket skyldtes flere årsager, ud over manglen på anammoxslam. På den anden side blev den første asiatiske anammoxreaktor startet op på to måneder takket være tilgængeligheden af anammoxfrø. Sammen med gennemførelsen af anammoxanlæg bliver anammox i sidste ende det prioriterede valg til ammoniumrensning af spildevand.
1. Indledning
Konventionel biologisk fjernelse af kvælstof fra spildevand består normalt af to trin, nitrifikation og denitrifikation. Under nitrifikationsprocessen oxideres ammonium biologisk til nitrat, som derefter reduceres til kvælstofgas ved hjælp af organisk materiale som elektrondonor under denitrifikationsprocessen. Når BOD/TKN-forholdet er lavt, som det er tilfældet i mange ammoniumrige spildevandsområder, skal der tilsættes bionedbrydelige organiske stoffer for at opnå fuldstændig denitrifikation . Disse processer er ret omkostningskrævende, både hvad angår iltforbruget til aerob nitrifikation og tilsætning af organiske substrater til denitrifikation . Det overskydende slam, der dannes ved konventionel biologisk kvælstoffjernelse, øger også behandlingsomkostningerne.
Anaerob ammoniumoxidation (anammox) er et nyt, autotrofisk og omkostningseffektivt alternativ til den traditionelle biologiske kvælstoffjernelse . Eksistensen af bakterierne blev først forudsagt i 1970’erne på grundlag af termodynamiske beregninger. Anammox-bakterier oxiderer ammonium til kvælstofgas ved hjælp af nitrit som elektronacceptor under anoxiske forhold, og deres vækst sker ved kuldioxidfiksering (tabel 1) .
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Van de Graaf et al. . Strous et al. . |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Offentliggørelsen af anammox-processen medførte revolutionerende ændringer i forhold til konventionel biologisk fjernelse af kvælstof fra spildevand. Nogle unikke egenskaber gør anammox-processen til en lovende og bæredygtig teknik , såsom lavt biomasseudbytte, intet behov for beluftning og ingen tilsætning af eksterne kulstofkilder . Selv om den nyopdagede anammox-proces åbner nye muligheder for fjernelse af kvælstof fra spildevand, er den største hindring for gennemførelsen af anammox den langsomme væksthastighed (, fordoblingstid () på 11 dage) for anammox-mikroorganismer , hvilket gør denne proces vanskelig at anvende til praktisk spildevandsbehandling. I mellemtiden har det været yderst vanskeligt at dyrke anammox-bakterier i renkultur, og selv Candidatus Brocadia anammoxidans er kun blevet renset til tilsyneladende homogenitet ved Percoll-centrifugering med høj densitet . For at opfylde den praktiske anvendelse af anammox-processen fokuserer forskerne på berigelse af langsomt voksende anammox-bakterier. Der er gennemført mange undersøgelser med henblik på at berige anammoxorganismer, enten ved hjælp af forskellige metoder såsom biofilm eller granulering eller ved hjælp af alle typer reaktorer. I denne artikel gennemgås udviklingen af anammox-processen og de tilhørende undersøgelser i laboratoriet, især opdagelsen og biokemien af de bakterier, der er ansvarlige for den anaerobe ammoniumoxidation. Der blev lagt særlig vægt på kommercialisering og anvendelse i fuld skala af anammox-teknikken.
2. Opdagelse og fylogeni af anammox
Det blev allerede i 1932 rapporteret, at der blev dannet dinitrogengas via en ukendt mekanisme under fermentering i sedimenterne i Lake Mendota, Wisconsin, USA . For mere end 40 år siden bemærkede Richards, at størstedelen af det ammonium, der burde produceres under den anaerobe remineralisering af organisk materiale, var uregistreret. Da der ikke var nogen kendt biologisk vej til denne omdannelse, fik den biologiske anaerobe oxidation af ammonium ikke megen yderligere opmærksomhed . For tre årtier siden blev det på grundlag af termodynamiske beregninger forudsagt, at der findes to kemolithoautotrofe mikroorganismer, der er i stand til at oxidere ammonium til dinitrogengas . Man mente, at anaerob oxidation af ammonium ikke ville være mulig, idet man antog, at forgængerne havde forsøgt og ikke formået at etablere et biologisk grundlag for disse reaktioner . I 1990’erne var Arnold Mulder’s fantastiske observationer netop i overensstemmelse med Richards’ forslag . I deres anoxiske denitrificerende pilotreaktor forsvandt ammonium på bekostning af nitrit med en klar kvælstofproduktion. Reaktoren anvendte udstrømningen fra en methanogen pilotreaktor, som indeholdt ammonium, sulfid og andre forbindelser, og nitrat fra et nitrifikationsanlæg som tilstrømning. Denne proces blev kaldt “anammox”, og man indså, at den havde stor betydning for fjernelsen af uønsket ammonium. Selv uden fuld forståelse af anammox-reaktionen tog Arnold Mulder straks patent på processen . Opdagelsen af anammox-processen blev først præsenteret offentligt på den 5. europæiske kongres om bioteknologi . I midten af 1990’erne blev opdagelsen af anammox-processen i en fluidiseret bed-reaktor offentliggjort . Der blev opnået en maksimal ammoniumfjernelse på 0,4 kg N/m3/d. Det blev vist, at der for hvert mol ammonium, der forbruges, kræves 0,6 mol nitrat, hvilket resulterer i dannelse af 0,8 mol N2-gas ( i tabel 1). Samme år blev den biologiske karakter af anammox identificeret. Mærkningseksperimenter med 15 i kombination med 14 viste, at det var det dominerende produkt, der udgjorde 98,2 % af det samlede mærkede N2. Disse resultater var i modstrid med reaktion 1, hvor procentdelen af og i den dannede dinitrogengas ville være henholdsvis 75 % og 25 %. Det blev indset, at i stedet for nitrat blev nitrit antaget som oxidationsmiddel for ammonium i anammoxreaktionen ( i tabel 1) . På grundlag af en tidligere undersøgelse beregnede Strous et al. stoichiometrien for anammox-processen ved hjælp af massebalancering ( i tabel 1), hvilket er bredt accepteret af andre grupper. Senere blev anammox-bakterier identificeret som planctomyceter , og den første identificerede anammox-organisme blev kaldt Candidatus “Brocadia Anammoxidans” . Før 2002 blev anammox antaget at være en mindre vigtig aktør i N-cyklussen i naturlige økosystemer . I 2002 blev det konstateret, at anammox spiller en vigtig rolle i den biologiske kvælstofcyklus og tegner sig for 24-67 % af den samlede N2-produktion i de undersøgte sedimenter på kontinentalsoklen . Globalt set kan anammox være ansvarlig for 30-50 % af N2-produktionen i havet . Opdagelsen af anammox-processen ændrede begrebet biologisk kvælstofkredsløb som vist i figur 1.
Det biologiske N-kredsløb (delvist baseret på Arrigo ) . DNRA, dissimilatorisk nitratreduktion til ammonium.
Den specifikke røde farve hos anammox-bakterier (figur 2(a)) skyldes hæm c-gruppen i proteinet cytochrom c, der spiller en vigtig rolle i anammox-metabolismen . De uregelmæssige former af anammox-bakterier blev vist ved både transmissions- og scanningelektronmikroskopi (figur 2(b) og 2(c)). Anammox-arterne har et enkelt membranbundet anammoxosom og riboplasma med ribosomlignende partikler, der er adskilt fra paryphoplasmaet ved en intracytoplasmisk membran. Cellerne indeholder tre forskellige membranbundne rum: paryphoplasma, cytoplasma og anammoxosom.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Den specifikke røde farve af anammox-bakterier (a), de typiske uregelmæssige former af anammox-bakterier vist ved scanningelektronmikroskopi (b) og billeder ved transmissionselektronmikroskopi (c).
Indtil nu er der opdaget fem anammox-slægter med 16S rRNA-gen-sekvensidentiteter for arterne, der varierer fra 87 til 99 % . Det er velkendt, at alle anammox-bakterier tilhører den samme monofyletiske orden ved navn Brocadiales og er beslægtet med Planctomycetales. Blandt dem er fire “Candidatus”-anammox-slægter blevet beriget fra aktiveret slam: “Kuenenia” , “Brocadia” , “Anammoxoglobus” og “Jettenia” . Den femte anammox-slægt, “Candidatus Scalindua” , er ofte blevet påvist i naturlige levesteder, især i marine sedimenter og iltminimumszoner.
3. Mulige reaktionsmekanismer for anammox
For at forstå den mulige metaboliske vej for anammox blev der først udført 15N-mærkningsforsøg i 1997 . Disse eksperimenter viste, at ammonium blev biologisk oxideret med hydroxylamin, der sandsynligvis stammer fra nitrit, som den sandsynlige elektronacceptor. Omdannelsen af hydrazin til dinitrogengas er postuleret som den reaktion, der genererer elektronækvivalenterne til reduktion af nitrit til hydroxylamin. Generelt blev der behandlet to mulige reaktionsmekanismer . Et membranbundet enzymkompleks konverterer først ammonium og hydroxylamin til hydrazin, efterfulgt af oxidation af hydrazin til dinitrogengas i periplasmaet. Samtidig reduceres nitrit til hydroxylamin på det cytoplasmatiske sted i det samme enzymkompleks, der er ansvarligt for hydrazinoxidationen, med en intern elektrontransport (figur 3(a)). En anden mulig mekanisme for anammox-processen kan konkluderes som følger: ammonium og hydroxylamin omdannes til hydrazin af et membranbundet enzymkompleks, hydrazin oxideres i periplasmaet til dinitrogengas, og de genererede elektroner overføres via en elektrontransportkæde til nitritreducerende enzym i cytoplasmaet, hvor nitrit reduceres til NH2OH (figur 3(b)). Det skal endnu undersøges, om reduktionen af nitrit og oxidationen af hydrazin sker på forskellige steder i det samme enzym (figur 3(a)), eller om reaktionerne katalyseres af forskellige enzymsystemer, der er forbundet via en elektrontransportkæde (figur 3(b)). Hydrazin forekommer sjældent som et mellemprodukt i mikrobiel kvælstofmetabolisme . Hydrazin er blevet foreslået som et enzymbundet mellemprodukt i nitrogenasereaktionen .
(a)
(b)
(a)
(b)
Mulig biokemisk vej og cellulær lokalisering af de enzymsystemer, der er involveret i anammoxreaktionen. Figur modificeret med tilladelse fra FEMS Microbiology Reviews and Process Biochemistry .
En mulig rolle for NO eller HNO i anammox blev foreslået af Hooper et al. ved hjælp af kondensation af NO eller HNO og ammonium på et enzym, der er beslægtet med ammoniummonooxygenasefamilien. Den dannede hydrazin eller imin kan derefter omdannes af enzymet hydroxylamin oxidoreduktase til dinitrogengas, og de reducerende ækvivalenter, der produceres i reaktionen, er nødvendige for at kombinere NO eller HNO og ammonium eller for at reducere nitrit til NO. Miljøgenomanalyse af arten Candidatus Kuenenia stuttgartiensis postulerede, via en lidt anderledes og komplementær metabolisme-mekanisme, at NO er mellemproduktet i stedet for hydroxylamin (figur 4) . Men denne hypotese var også enig i, at hydrazin var et vigtigt mellemprodukt i processen. I denne vej (figur 4) er der to enzymer, der er unikke for anammox-bakterier: hydrazinhydrolase (hh) og hydrazindehydrogenase (hd). Hh producerer hydrazin fra nitrogenoxid og ammonium, og hd overfører elektronerne fra hydrazin til ferredoxin. Der blev påvist få nye gener, f.eks. nogle kendte gener for fedtsyrebiosyntese og S-adenosylmethioninradikalenzymer , der indeholder domæner, der er involveret i elektronoverførsel og katalyse.
(a)
(b)
(a)
(b)
(a)
(b)
Hypothetiske metaboliske veje og omvendt elektrontransport i anammoxosomet. (a) Anammox-katabolisme, der anvender nitrit som elektronacceptor til skabelse af en protonmotivationskraft over den anammoxosomale membran. (b) Protonmotivkraft-drevet omvendt elektrontransport kombinerer central katabolisme med nitratreduktase (NAR) for at generere ferredoxin til kuldioxidreduktion i acetyl-CoA-vejen. HAO, hydrazin oxidoreduktase; HD, hydrazin dehydrogenase; HH, hydrazin hydrolase; NIR, nitrit oxidoreduktase; Q, kinin. Lysblå diamanter: cytokromer; blå pile: reduktioner; lyserøde pile: oxidationer. Figur modificeret med tilladelse fra Nature.
4. Udvikling af basale og udpegede medier
Når det blev erkendt, at nitrit er elektronacceptor med ammonium som elektrondonor, blev der udviklet et basalt medium indeholdende ammonium, nitrit, bicarbonat, mineraler og sporstoffer til berigelse af anammox-mikroorganismer . Mediet indeholdt ammonium (5-30 mM) og nitrit (5-35 mM) som henholdsvis den eneste elektrondonor og elektronacceptor med bicarbonat (10 mM) som eneste kulstofkilde. Der blev også tilført mineraler og sporstoffer. Mediets fosfatkoncentration blev holdt under 0,5 mM for at undgå dets mulige hæmmende virkning på processen, og mediet blev skyllet med argongas for at opnå anaerobe forhold. Forsøg, der blev udført i en fluidbedreaktor med basalt berigelsesmedium, viste, at den anaerobe ammoniumfjernelse steg fra de oprindelige 0,4 kg N/m3/dag til 2,4 kg N/m3/dag . Den maksimale specifikke aktivitet af biomassen i fluidbedreaktoren var 25 nmol /mg VS/min. For hver mol ammonium, der blev oxideret, blev der optaget 0,041 mol CO2 i biomassen. Den anslåede vækstrate i fluidbed-systemerne var 0,001/h, hvilket svarer til en fordoblingstid på ca. 29 dage. Basalmediet øgede anammox-bakteriernes aktiviteter.
Udviklingen af basalmediet, milepælen for anammox-berigelse, tændte den ivrige iver for denne spæde undersøgelse. Siden da er et stort antal forskere oversvømmet i dette specifikke emne. Da mediet viser positive virkninger på anammoxprocessen, fokuserede mange undersøgelser deres opmærksomhed på dette område. Desværre findes der ikke nogen undersøgelse af systemisk medieudvikling som for andre bakterier.
I vores laboratorium blev der gennemført en undersøgelse med henblik på at designe et passende medie ved at undersøge anammox-bakteriers vækstkrav med hensyn til aminosyrer. Der blev tilsat 20 L-aminosyrer til basalmediet (tabel 2). Efter forsøgssæt I blev forsøgssæt II udført for yderligere at evaluere de selektive aminosyrers øgede virkninger på mikroorganismernes vækst. For at kvantificere væksten af anammox-bakterier blev der anvendt kvantitative molekylære teknikker. Foreløbige forsøg viste, at glycin, methionin, threonin, tryptofan og tyrosin forbedrede væksten af anammox-bakterier. På den anden side mindskede asparagin, asparaginsyre og histidin bakterieaktiviteterne en smule. 12 ud af 20 L-aminosyrer (alanin, arginin, cystein, glutaminsyre, glutamin, isoleucin, leucin, lysin, phenylalanin, prolin, serin og valin) hæmmer helt væksten af anammox-bakterier, hvilket resulterer i, at slammet bliver rødligt til sortligt. Andre 3 aminosyrer (asparagin, asparaginsyre og histidin) bremsede væksten af anammox-bakterier. Denne upublicerede undersøgelse vil være til gavn for anammoxundersøgelser og deres anvendelse.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Optisk tæthed (600 nm) efter 7 dages inkubation ved 35 °C, + betyder stigning, – betyder fald, og n.d. betyder ikke påvist på grund af farveændring. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
5. Anammox-kultur i laboratoriet
Anammox-processen er blevet anerkendt som værende vanskelig at anvende til praktiske formål. Anammox-bakterier vokser i en blanding af bakteriepopulationer, og de er ikke blevet isoleret i en ren kultur . Anammox-bakterier, der er strengt anaerobe og autotrofe, er vanskelige at berige, hvilket gør anvendelsen af denne proces begrænset på grund af manglende adgang til den biomasse, der kræves til processen. Der er blevet anvendt forskellige metoder til at dyrke og berige anammox-biomasse fra forskellige typer frøslam . Der blev opnået en relativ population på 88 % anammox-bakterier i en batchundersøgelse, som blev inokuleret fra en roterende biologisk kontaktor (RBC) til behandling af perkolat fra en losseplads . Der blev også udviklet en berigelseskultur af anammox-bakterier i reaktorer i laboratorieskala, som blev podet med marine sedimenter og jordprøver fra rismarker og aktiveret slam fra spildevandsbehandlingsanlæg .
Den langsomme væksthastighed for anammox-bakterier med den omtrentlige fordoblingstid på 11 dage er den største hindring for gennemførelsen af anammox-processen . Der forventes derfor en lang opstartsperiode i anammox-processen. Forkortelse af opstartsperioden for anammox-processen ved at reducere udvaskningspotentialet af anammox-biomasse bliver en vigtig strategi for anvendelse i fuld skala. Der er blevet anvendt forskellige reaktortyper til at minimere udvaskningen af anammox-biomasse, herunder kontinuerlig omrørt tankreaktor, anaerob biologisk filtreret reaktor, sekventering af batchreaktor (SBR), opstrømsreaktor og biofilmreaktor . Der blev opnået en hurtigere vækst af anammox-bakterier i en membranbioreaktor (MBR) (fordoblingstiden var mindre end 10 dage), hvilket resulterede i en hidtil uset renhed af berigelsen på 97,6 % . Det blev rapporteret, at dannelsen af kompakte aggregater kunne opretholde en stor mængde aktiv anammox-biomasse i en reaktor . Granulering er derfor også en alternativ metode til anammoxberigelse.
Sammenfattende er der to hovedtilgange (strategier) til opstart af en anammoxreaktor: (a) at starte en reaktor fra bunden og (b) at inokulere den med højt beriget anammoxslam. For den første strategi er reaktorkonfigurationen meget vigtig. SBR-teknikken sikrede over et år pålidelig drift under stabile forhold med effektiv tilbageholdelse af biomasse (mere end 90 % af biomassen blev fastholdt i reaktoren) og homogen fordeling af substrater, produkter og biomasseaggregater . MBR-teknikken blev også anvendt med succes til dyrkning af anammox-bakterier med hurtig væksthastighed (den minimale fordoblingstid for anammox-bakterier blev anslået til 5,5-7,5 dage) . Blandt de forskellige reaktorer er anammox nonwoven membranreaktoren (ANMR) en ny reaktorkonfiguration til berigelse af anammox-biomasse (figur 5) . Reaktoren blev udviklet ved at forbinde et sæt nonwoven-membranmodul, der også tjente som udløbsport, med en anaerob reaktor. Membranmodulet blev installeret uden for reaktoren, hvilket adskiller sig fra de nedsænkede membranreaktorer. I modsætning til konventionelle MBR-moduler cirkulerede spildevandet i membranmodulet, og biofilmene voksede på membranens indvendige overflade. En stor del af den suspenderede biomasse kunne forblive i reaktoren ved filtrering gennem den ikke-vævede membran og biofilmene, hvilket resulterede i en forbedring af spildevandskvaliteten og en forøgelse af faststoftilbageholdelsen i reaktoren. Efter over otte måneders drift blev renheden (procentdel af anammox-celler i samfundet) af anammox-bakterier i reaktoren kvantificeret til 97,7 % . Den omkostningseffektive ANMR har vist sig at være velegnet til de langsomt voksende anammox-bakterier og har følgende fordele: (1) en stor del af biomassen kunne forblive i reaktoren ved filtrering gennem den ikke-vævede membran og dannelse af biofilm, (2) dannelsen af aggregater og biofilm forbedrede faststoftilbageholdelsen i reaktoren, (3) den ikke-vævede membran var omkostningseffektiv, og (4) udformningen af den anaerobe reaktor kunne fortynde det tilstrømmende medium og undgå hæmning fra høje nitritkoncentrationer, hvilket førte til en høj toleranceevne af substrater. For nylig blev UASB-reaktoren (upflow anaerobic slam blanket) stærkt anbefalet til dyrkning af langsomt voksende bakterier . Dette skyldes ikke kun forbedringen af de fysiologiske forhold, der gør dem gunstige for bakterier og deres interaktioner, især syntrofismer i det anaerobe system, men også dannelsen af granulært slam, hvilket er hovedårsagen til den vellykkede indførelse af UASB-reaktoren . Granulering forbedrer derfor også anvendelsen af anammox. Overraskende nok brugte Ni og hans kolleger inaktive methanogene granulater som inokula til at realisere hurtig granulering med succes . Nitritkoncentrationen ved opstart var betydeligt højere end det offentliggjorte giftige niveau for anammox-bakterier og andre undersøgelser i laboratorieskala. Anammox-bakteriernes ophold og formering i de inaktive methanogene granulater kan være hovedårsagen til den høje anammox-rensning på kort tid. Anammox-cellerne kunne bruge skelettet af de inaktive methanogene granulater og formere sig indefra, som det blev observeret i TEM (figur 6). Den anden tilgang, der er nævnt tidligere, forkorter den nødvendige tid til opstart af anammox betydeligt under forudsætning af en stor mængde anammoxslam, men er normalt begrænset af manglen på anammoxslam. Den gradvise opførelse af anammoxanlæg i fuld skala øger tilgængeligheden af anammoxslam. Indførelse af eksotisk anammoxslam som frø i en granulereaktor er et godt valg . Reaktoren blev startet med succes på to uger; desuden blev der opnået høj kvælstoffjernelse i en lang periode, hvilket viser, at inokulering af modent anammoxgranulat var ideel til opstart af en ny reaktor.
Skematisk diagram over anammox nonwoven membranreaktoren (ANMR) .
(a)
(b)
(a)
(b)
(a) Transmissionselektronmikroskopisk billede, der viser hvilende celler i frøgranulatet (bar = 2 μm). (b) Transmissionselektronmikroskopisk billede, der viser anammox-bakterierne i granulernes indre (bar = 2 μm).
6. Kommerciel anvendelse af anammox-processen
Manglen på rene kulturer af anammox-bakterier gør en genomisk tilgang mindre ligetil. Kombineret med den lave maksimale specifikke vækstrate for anammox-bakterier og de strenge driftsbetingelser er den praktiske anvendelse af anammox langt bagud i forhold til forskningsfremskridtene.
Der er gjort en stor indsats for at udvikle et salgbart produkt. Her vil vi gerne nævne Paques BV (Balk, Nederlandene) for deres utrættelige indsats for den praktiske anvendelse af anammox-processen. I begyndelsen af 2001 opskalerede Van Dongen et al. i samarbejde med Paques BV en SHARON-reaktor (single reactor system for high rate ammonium removal over nitrit) i laboratorieskala. Udløbsvandet fra SHARON-processen var ideelt egnet som tilstrømning til anammox-processen, da ammoniumet blev oxideret med 53 % til nitrit i stedet for nitrat i SHARON-processen ved 1,2 kg N-belastning pr. m3 pr. dag uden pH-kontrol . Det kombinerede SHARON-anammox-system kunne fungere stabilt i lange perioder, og forfatterne forudsagde, at den kombinerede proces var klar til at blive gennemført i fuld skala.
Baseret på en konstant og vellykket undersøgelse blev den første fuldskala granulære anammoxreaktor gennemført i 2007 på spildevandsrensningsanlægget hos Waterboard Hollandse Delta i Rotterdam, Nederlandene . Dette er starten på den kommercielle anvendelse af anammox-processen, hvilket er endnu en milepæl. Den første reaktor i fuld skala på 70 m3 blev direkte opskaleret 7000 gange fra et forsøg på 10 l i laboratorieskala. Reaktoren blev oprindeligt inokuleret med nitrificerende slam og en samlet mængde på 9,6 m3; fra dag 622 til 1033 blev der tilsat bundfældet biomasse fra en anammox-berigelsesreaktor. Selv med tilsætning af anammoxslam tog opstarten 3,5 år, hvilket er 1,5 år længere end planlagt. Der var flere årsager til den lange opstartstid, ud over den lave vækstrate af anammox-mikroorganismer. Den vigtigste er, at der ikke var noget anammox-sædeslam til rådighed til at inokulere den første reaktor i fuld skala, og forsinkelsen skyldtes tekniske problemer som f.eks. drifts- og temperaturproblemer, da den første reaktor i fuld skala blev opskaleret direkte fra laboratorieskala og sprang pilotfasen over. Denne første reaktor i fuld skala havde på den anden side karakter af et pilotanlæg. I september 2006 var reaktoren i fuld drift, og belastningshastigheden kunne nås op på 750 kg/d, hvilket er 50 % højere end konstruktionsbelastningen.
Der blev bygget yderligere fire anammoxanlæg før 2008, tre i Europa og et i Asien (tabel 3). Den tredje reaktor, der var en del af et anlæg til behandling af spildevandet fra en kartoffelfabrik, udviste den største ammoniumbelastningsgrad. Reaktorens kapacitet er 1200 kg N/d, mens kun ca. 700 kg N/d omdannes, da der ikke er mere kvælstof til rådighed i spildevandet. Japan byggede den første asiatiske anammoxreaktor i fuld skala i en halvlederfabrik. I 2009 offentliggjorde Paques Environmental Technology (Shanghai) nyheden om, at der var indgået en aftale om at bygge verdens største anammox-baserede spildevandsrensningsanlæg i Kina. Anammox-processen blev designet til at have en kapacitet til omdannelse af 11 tons kvælstof pr. dag, hvilket er næsten ti gange større end det største anlæg, der blev bygget før 2008. Den totrins kombination af anammox og interne cirkulationsreaktorer (IC-reaktorer) vil være den sjette fuldskalaanvendelse af anammox. Siden 2009 har anammox gennemgået en enorm udvikling. Paques har opført yderligere 11 anammoxanlæg, hvoraf syv er placeret i Kina. Som verdens største udviklingsmarked bidrager Kina i høj grad til kommercialiseringen af anammox-processen.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Abma et al. og kommunikation med Paques BV. Værdier i parentes betyder opnåede belastninger (kg N/d). Ingen mere kvælstof til rådighed. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Takket være erfaringerne fra de etablerede anammox-anlæg blev opstartstiden for det markedsføringsegnede anlæg kortere og kortere. Dette kunne være endnu en milepæl. Den anden reaktor blev startet op på 1 år, og det tog 2 måneder at starte det første asiatiske anlæg op. Indtil nu er der mere end 30 fuldskalaanlæg i drift rundt om i verden, hovedsagelig i Østrig, Kina, Japan, Nederlandene og USA. Alle disse anlæg lægger vægt på, at anammox-processen bliver en kommerciel teknik.
7. Konklusion
Opdagelsen af den grønne proces, anammox, medfører revolutionerende ændringer i forhold til konventionel biologisk kvælstoffjernelse. Denne unikke proces, der spiller en vigtig rolle i det biologiske kvælstofkredsløb, yder et stort bidrag til vores miljø og økonomi. Udviklingen af anammox har oplevet flere vigtige punkter: laboratoriekultur baseret på basalmedium, gennemførelse af reaktorsystemer i fuld skala og omfattende tekniske anvendelser. Selv om opstart af reaktoren fra bunden er universel, er inokulering med højt beriget anammoxslam mere gennemførlig. I øjeblikket er der mindst 30 anammox-systemer i fuld skala i drift. Anvendelse af anammox-processen er således et attraktivt alternativ til de nuværende spildevandsbehandlingssystemer til fjernelse af ammoniak-stickstof.
Højdepunkter
Der blev gennemgået en gennemgang af udviklingen af anammox-processen fra laboratoriet til kommercialiseringen. Der var tre milepæle: basalmedium, første anlæg og omfattende anvendelser. Tilplantning med beriget anammox-slam er mere gennemførligt end at starte fra bunden. Der er over 30 anammoxanlæg i fuld skala i drift rundt om i verden. Anammox bliver i sidste ende det prioriterede valg til ammoniumbehandling af spildevand.
Interessekonflikter
Forfatterne erklærer, at der ikke er nogen interessekonflikter.
Akkreditering
Forfatterne er taknemmelige for støtten fra National Natural Science Foundation of China (nos. 51108251 og 21177075), Research Award Fund for Outstanding Middle-aged and Young Scientist of Shandong Province (no. BS2012HZ007), Natural Science Foundation for Distinguished Young Scholar of Shandong Provincial (no. JQ201216), Independent Innovation Foundation of Shandong University (no. 2012GN001), og Overseas Personnel Pioneer Plan of Jinan (no. 20110406).