Abstract
Von der Entdeckung in den frühen 1990er Jahren bis zur Fertigstellung eines großtechnischen Anammox-Reaktors dauerte es fast zwei Jahrzehnte, um das Geheimnis der Anammox-Bakterien zu lüften. Bei der Kommerzialisierung von Anammox gab es drei Meilensteine: die Entwicklung des ersten Anreicherungsnährbodens, die Fertigstellung des ersten kommerziellen Anammox-Reaktors und die schnelle Inbetriebnahme einer großtechnischen Anammox-Anlage. Bis heute hat die Anammox-Kultur durch zwei allgemeine Strategien große Fortschritte gemacht: (a) die Inbetriebnahme eines Reaktors von Grund auf und (b) die Befüllung des Reaktors mit angereichertem Anammox-Schlamm. Der erste Anammox-Reaktor in vollem Maßstab brauchte 3,5 Jahre, um bei der ersten Methode voll funktionsfähig zu sein, was neben dem Mangel an Anammox-Schlamm auch auf verschiedene andere Gründe zurückzuführen war. Der erste asiatische Anammox-Reaktor hingegen konnte dank der Verfügbarkeit von Anammox-Saatgut innerhalb von zwei Monaten in Betrieb genommen werden. Zusammen mit der Einführung von Anammox-Anlagen wird Anammox schließlich zur ersten Wahl für die Ammonium-Abwasserbehandlung.
1. Einleitung
Die herkömmliche biologische Stickstoffentfernung aus Abwasser besteht in der Regel aus zwei Schritten, der Nitrifikation und der Denitrifikation. Bei der Nitrifikation wird Ammonium biologisch zu Nitrat oxidiert, das dann bei der Denitrifikation unter Verwendung von organischem Material als Elektronendonator zu Stickstoffgas reduziert wird. Wenn das BSB/TKN-Verhältnis niedrig ist, wie bei vielen ammoniumreichen Abwässern, muss biologisch abbaubare organische Substanz zugesetzt werden, um eine vollständige Denitrifikation zu erreichen. Die Verfahren sind recht kostenintensiv, sowohl was den Sauerstoffbedarf für die aerobe Nitrifikation als auch die Zugabe organischer Substrate für die Denitrifikation betrifft. Der bei der konventionellen biologischen Stickstoffentfernung anfallende Überschussschlamm erhöht ebenfalls die Behandlungskosten.
Die anaerobe Ammoniumoxidation (Anammox) ist eine neuartige, autotrophe und kostengünstige Alternative zur herkömmlichen biologischen Stickstoffentfernung. Die Existenz dieser Bakterien wurde erstmals in den 1970er Jahren auf der Grundlage thermodynamischer Berechnungen vorhergesagt. Anammox-Bakterien oxidieren Ammonium unter anoxischen Bedingungen mit Nitrit als Elektronenakzeptor zu Stickstoffgas, und ihr Wachstum erfolgt durch Kohlendioxidfixierung (Tabelle 1).
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| Van de Graaf et al. . Strous et al. |
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Die Entdeckung des Anammox-Prozesses brachte revolutionäre Veränderungen für die herkömmliche biologische Stickstoffentfernung aus Abwasser. Einige einzigartige Merkmale machen das Anammox-Verfahren zu einer vielversprechenden und nachhaltigen Technik, wie z. B. die geringe Biomasseausbeute, die fehlende Notwendigkeit der Belüftung und die fehlende Zugabe von externen Kohlenstoffquellen. Das neu entdeckte Anammox-Verfahren eröffnet zwar neue Möglichkeiten für die Stickstoffentfernung aus dem Abwasser, doch das größte Hindernis für die Anwendung von Anammox ist die langsame Wachstumsrate (, Verdopplungszeit () von 11 Tagen) der Anammox-Mikroorganismen, was die praktische Anwendung dieses Verfahrens erschwert. Anammox-Bakterien lassen sich nur schwer in Reinkultur kultivieren, selbst Candidatus Brocadia anammoxidans konnte nur durch Percoll-Dichtezentrifugation bis zur scheinbaren Homogenität gereinigt werden. Um die praktische Anwendung des Anammox-Verfahrens zu ermöglichen, konzentrieren sich die Forscher auf die Anreicherung von langsam wachsenden Anammox-Bakterien. Viele Studien wurden durchgeführt, um Anammox-Organismen anzureichern, entweder durch verschiedene Methoden wie Biofilm oder Granulation oder durch alle Arten von Reaktoren. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Entwicklung des Anammox-Verfahrens und die entsprechenden Studien im Labor, insbesondere über die Entdeckung und Biochemie der für die anaerobe Ammoniumoxidation verantwortlichen Bakterien. Besondere Aufmerksamkeit wurde der Kommerzialisierung und der großtechnischen Anwendung der Anammox-Technik gewidmet.
2. Entdeckung und Phylogenie von Anammox
Bereits 1932 wurde berichtet, dass durch einen unbekannten Mechanismus während der Fermentation in den Sedimenten des Mendota-Sees, Wisconsin, USA, Distickstoffgas erzeugt wurde. Vor mehr als 40 Jahren stellte Richards fest, dass der größte Teil des Ammoniums, das bei der anaeroben Remineralisierung von organischem Material entstehen sollte, nicht erfasst wurde. Da kein biologischer Weg für diese Umwandlung bekannt war, wurde der biologischen anaeroben Oxidation von Ammonium wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Vor drei Jahrzehnten wurde die Existenz von zwei chemolithoautotrophen Mikroorganismen, die Ammonium zu Distickstoffgas oxidieren können, auf der Grundlage thermodynamischer Berechnungen vorhergesagt. Man ging davon aus, dass die anaerobe Oxidation von Ammonium nicht möglich sein würde, da die Vorgänger versucht hatten, eine biologische Grundlage für diese Reaktionen zu schaffen, und daran gescheitert waren. In den 1990er Jahren stimmten die phantastischen Beobachtungen von Arnold Mulder mit der Vermutung von Richards überein. In ihrem anoxischen denitrifizierenden Versuchsreaktor verschwand Ammonium auf Kosten von Nitrit mit einer deutlichen Stickstoffproduktion. Der Reaktor verwendete den Abfluss eines methanogenen Pilotreaktors, der Ammonium, Sulfid und andere Verbindungen enthielt, und Nitrat aus einer nitrifizierenden Anlage als Zufluss. Dieser Prozess wurde „Anammox“ genannt, und man erkannte, dass er für die Entfernung von unerwünschtem Ammonium von großer Bedeutung war. Auch ohne das vollständige Verständnis der Anammox-Reaktion ließ Arnold Mulder das Verfahren sofort patentieren. Die Entdeckung des Anammox-Verfahrens wurde auf dem 5. europäischen Kongress für Biotechnologie erstmals öffentlich vorgestellt. Mitte der 1990er Jahre wurde die Entdeckung von Anammox im Wirbelschichtreaktor veröffentlicht. Es wurde eine maximale Ammoniumentzugsrate von 0,4 kg N/m3/d erreicht. Es wurde gezeigt, dass für jedes verbrauchte Mol Ammonium 0,6 Mol Nitrat benötigt wurden, was zur Bildung von 0,8 Mol N2-Gas führte (siehe Tabelle 1). Im selben Jahr wurde die biologische Natur von Anammox erkannt. Markierungsexperimente mit 15 in Kombination mit 14 zeigten, dass das dominierende Produkt 98,2 % des gesamten markierten N2 ausmachte. Diese Ergebnisse standen im Widerspruch zu Reaktion 1, bei der der Anteil von und im gebildeten Distickstoffgas 75 % bzw. 25 % betragen würde. Es wurde festgestellt, dass anstelle von Nitrat Nitrit als Oxidationsmittel von Ammonium in der Anammox-Reaktion angenommen wurde ( in Tabelle 1) . Auf der Grundlage einer früheren Studie berechneten Strous et al. die Stöchiometrie des Anammox-Prozesses durch Massenbilanzierung (siehe Tabelle 1), was auch von anderen Gruppen weitgehend akzeptiert wird. Später wurden die Anammox-Bakterien als Planctomyceten identifiziert, und der erste identifizierte Anammox-Organismus wurde als Candidatus „Brocadia Anammoxidans“ bezeichnet. Vor 2002 ging man davon aus, dass Anammox eine untergeordnete Rolle im Stickstoffkreislauf natürlicher Ökosysteme spielt. Im Jahr 2002 wurde festgestellt, dass Anammox eine wichtige Rolle im biologischen Stickstoffkreislauf spielt und für 24 bis 67 % der gesamten N2-Produktion in den untersuchten Sedimenten des Festlandsockels verantwortlich ist. Weltweit könnte Anammox für 30-50 % der N2-Produktion im Ozean verantwortlich sein. Die Entdeckung des Anammox-Prozesses veränderte das Konzept des biologischen Stickstoffkreislaufs, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Der biologische N-Kreislauf (teilweise nach Arrigo ). DNRA, dissimilatorische Nitratreduktion zu Ammonium.
Die spezifische rote Farbe von Anammox-Bakterien (Abbildung 2(a)) ist auf die Häm-C-Gruppe des Proteins Cytochrom C zurückzuführen, das eine wichtige Rolle im Anammox-Stoffwechsel spielt. Die unregelmäßigen Formen der Anammox-Bakterien wurden sowohl in der Transmissionselektronenmikroskopie als auch in der Rasterelektronenmikroskopie nachgewiesen (Abbildungen 2(b) und 2(c)). Die Anammox-Spezies haben ein einzelnes membrangebundenes Anammoxosom und ein Riboplasma mit ribosomenähnlichen Partikeln, die vom Paryphoplasma durch eine intrazytoplasmatische Membran getrennt sind. Die Zellen enthalten drei verschiedene membrangebundene Kompartimente: das Paryphoplasma, das Zytoplasma und das Anammoxosom.
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Die spezifische rote Farbe von Anammox-Bakterien (a), die typischen unregelmäßigen Formen von Anammox-Bakterien, dargestellt durch Rasterelektronenmikroskopie (b), und Transmissionselektronenmikroskopie-Bilder (c).
Bislang wurden fünf Anammox-Gattungen entdeckt, wobei die 16S rRNA-Gen-Sequenzidentität der Arten zwischen 87 und 99 % liegt. Es ist bekannt, dass alle Anammox-Bakterien zur gleichen monophyletischen Ordnung, den Brocadiales, gehören und mit den Planctomycetales verwandt sind. Unter ihnen wurden vier „Candidatus“-Anammox-Gattungen aus Belebtschlamm angereichert: „Kuenenia“ , „Brocadia“ , „Anammoxoglobus“ und „Jettenia“ . Die fünfte Anammox-Gattung, „Candidatus Scalindua“ , wurde häufig in natürlichen Lebensräumen nachgewiesen, insbesondere in Meeressedimenten und Sauerstoffminimumzonen.
3. Mögliche Reaktionsmechanismen für Anammox
Um den möglichen Stoffwechselweg für Anammox zu verstehen, wurden 1997 erstmals 15N-Markierungsversuche durchgeführt. Diese Experimente zeigten, dass Ammonium biologisch oxidiert wurde, wobei Hydroxylamin, das höchstwahrscheinlich aus Nitrit stammt, als wahrscheinlicher Elektronenakzeptor diente. Als Reaktion, die die Elektronenäquivalente für die Reduktion von Nitrit zu Hydroxylamin erzeugt, wird die Umwandlung von Hydrazin in Distickstoffgas postuliert. Generell wurden zwei mögliche Reaktionsmechanismen angesprochen. Ein membrangebundener Enzymkomplex setzt zunächst Ammonium und Hydroxylamin zu Hydrazin um, gefolgt von der Oxidation von Hydrazin zu Distickstoffgas im Periplasma. Gleichzeitig wird Nitrit an der zytoplasmatischen Stelle desselben Enzymkomplexes, der für die Oxidation von Hydrazin verantwortlich ist, mit einem internen Elektronentransport zu Hydroxylamin reduziert (Abbildung 3(a)). Ein anderer möglicher Mechanismus für den Anammox-Prozess sieht folgendermaßen aus: Ammonium und Hydroxylamin werden durch einen membrangebundenen Enzymkomplex zu Hydrazin umgewandelt, Hydrazin wird im Periplasma zu Distickstoffgas oxidiert, und die erzeugten Elektronen werden über eine Elektronentransportkette auf das Nitrit reduzierende Enzym im Zytoplasma übertragen, wo Nitrit zu NH2OH reduziert wird (Abbildung 3(b)). Ob die Reduktion von Nitrit und die Oxidation von Hydrazin an verschiedenen Stellen desselben Enzyms stattfinden (Abbildung 3(a)) oder die Reaktionen von verschiedenen Enzymsystemen katalysiert werden, die über eine Elektronentransportkette verbunden sind (Abbildung 3(b)), muss noch untersucht werden. Das Vorkommen von Hydrazin als Zwischenprodukt im mikrobiellen Stickstoffmetabolismus ist selten. Hydrazin wurde als enzymgebundenes Zwischenprodukt in der Nitrogenasereaktion vorgeschlagen .
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Möglicher biochemischer Weg und zelluläre Lokalisierung der an der Anammox-Reaktion beteiligten Enzymsysteme. Die Abbildung wurde mit Genehmigung von FEMS Microbiology Reviews and Process Biochemistry modifiziert.
Eine mögliche Rolle von NO oder HNO bei der Anammox-Reaktion wurde von Hooper et al. durch die Kondensation von NO oder HNO und Ammonium an einem Enzym aus der Familie der Ammonium-Monooxygenasen vorgeschlagen. Das gebildete Hydrazin oder Imin könnte anschließend durch das Enzym Hydroxylaminoxidoreduktase in Distickstoffgas umgewandelt werden, und die bei der Reaktion entstehenden reduzierenden Äquivalente werden benötigt, um NO oder HNO und Ammonium zu kombinieren oder Nitrit zu NO zu reduzieren. Die Umweltgenomanalyse der Spezies Candidatus Kuenenia stuttgartiensis, die einen etwas anderen und komplementären Stoffwechselmechanismus aufweist, postulierte NO als Zwischenprodukt anstelle von Hydroxylamin (Abbildung 4) . Aber auch diese Hypothese stimmte darin überein, dass Hydrazin ein wichtiges Zwischenprodukt in diesem Prozess ist. In diesem Stoffwechselweg (Abbildung 4) gibt es zwei Enzyme, die nur bei Anammox-Bakterien vorkommen: Hydrazinhydrolase (hh) und Hydrazin-Dehydrogenase (hd). Die hh produziert Hydrazin aus Stickstoffoxid und Ammonium, und die hd überträgt die Elektronen von Hydrazin auf Ferredoxin. Nur wenige neue Gene, wie einige bekannte Gene für die Fettsäurebiosynthese und S-Adenosylmethionin-Radikalenzyme, die an der Elektronenübertragung und Katalyse beteiligte Domänen enthalten, wurden entdeckt.
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Hypothetische Stoffwechselwege und umgekehrter Elektronentransport im Anammoxosom. (a) Anammox-Katabolismus, der Nitrit als Elektronenakzeptor für die Erzeugung einer Protonenmotivkraft über die Anammoxosomenmembran verwendet. (b) Der durch die Protonenmotivkraft angetriebene umgekehrte Elektronentransport kombiniert den zentralen Katabolismus mit Nitratreduktase (NAR), um Ferredoxin für die Kohlendioxidreduktion im Acetyl-CoA-Weg zu erzeugen. HAO, Hydrazin-Oxidoreduktase; HD, Hydrazin-Dehydrogenase; HH, Hydrazin-Hydrolase; NIR, Nitrit-Oxidoreduktase; Q, Chinin. Hellblaue Rauten, Cytochrome; blaue Pfeile, Reduktionen; rosa Pfeile, Oxidationen. Abbildung modifiziert, mit Genehmigung, aus Nature.
4. Entwicklung von Basal- und Designated-Medien
Nachdem man erkannt hatte, dass Nitrit der Elektronenakzeptor und Ammonium der Elektronendonor ist, wurde ein Basalmedium mit Ammonium, Nitrit, Bikarbonat, Mineralien und Spurenelementen für die Anreicherung von Anammox-Mikroorganismen entwickelt. Das Medium enthielt Ammonium (5-30 mM) und Nitrit (5-35 mM) als einzigen Elektronendonor bzw. Elektronenakzeptor und Bikarbonat (10 mM) als einzige Kohlenstoffquelle. Mineralien und Spurenelemente wurden ebenfalls zugeführt. Die Phosphatkonzentration des Mediums wurde unter 0,5 mM gehalten, um seine mögliche hemmende Wirkung auf den Prozess zu vermeiden, und das Medium wurde mit Argongas gespült, um anaerobe Bedingungen zu erreichen. Experimente, die in einem Wirbelschichtreaktor mit basischem Anreicherungsmedium durchgeführt wurden, zeigten, dass die anaerobe Ammoniumentfernungsrate von ursprünglich 0,4 kg N/m3/Tag auf 2,4 kg N/m3/Tag anstieg. Die maximale spezifische Aktivität der Biomasse im Wirbelschichtreaktor betrug 25 nmol /mg VS/min. Für jedes Mol oxidiertes Ammonium wurden 0,041 Mol CO2 in die Biomasse eingebaut. Die geschätzte Wachstumsrate in den Wirbelschichtsystemen betrug 0,001/h, was einer Verdopplungszeit von etwa 29 Tagen entspricht. Das Basismedium steigerte die Aktivitäten der Anammox-Bakterien.
Die Entwicklung des Basismediums, der Meilenstein der Anammox-Anreicherung, löste den glühenden Eifer für diese noch junge Untersuchung aus. Seitdem hat sich eine Vielzahl von Forschern mit diesem Thema befasst. Da das Medium positive Auswirkungen auf den Anammox-Prozess hat, konzentrierten sich viele Studien auf diesen Bereich. Leider gibt es keine systematische Studie zur Entwicklung eines Mediums wie bei anderen Bakterien.
In unserem Labor wurde eine Studie zur Entwicklung eines geeigneten Mediums durchgeführt, indem der Wachstumsbedarf von Anammox-Bakterien in Bezug auf Aminosäuren untersucht wurde. Zwanzig L-Aminosäuren wurden dem Basismedium zugesetzt (Tabelle 2). Nach Versuchsreihe I wurde Versuchsreihe II durchgeführt, um die verstärkten Auswirkungen der selektiven Aminosäuren auf das Wachstum der Mikroorganismen weiter zu untersuchen. Um das Wachstum der Anammox-Bakterien zu quantifizieren, wurden quantitative molekulare Techniken eingesetzt. Vorläufige Experimente zeigten, dass Glycin, Methionin, Threonin, Tryptophan und Tyrosin das Wachstum von Anammox-Bakterien verstärken. Andererseits verringerten Asparagin, Asparaginsäure und Histidin die bakteriellen Aktivitäten leicht. Während 12 von 20 L-Aminosäuren (Alanin, Arginin, Cystein, Glutaminsäure, Glutamin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Phenylalanin, Prolin, Serin und Valin) das Wachstum der Anammox-Bakterien vollständig hemmten, was dazu führte, dass sich der Schlamm von rötlich zu schwärzlich verfärbte. Weitere 3 Aminosäuren (Asparagin, Asparaginsäure und Histidin) verlangsamten das Wachstum der Anammox-Bakterien. Diese unveröffentlichte Studie würde Anammox-Studien und deren Anwendung zugute kommen.
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| Optische Dichte (600 nm) nach 7 Tagen Inkubation bei 35°C, + bedeutet Zunahme, – bedeutet Abnahme, und n.d. bedeutet aufgrund der Farbveränderung nicht nachweisbar. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
5. Anammox-Kultur im Labor
Das Anammox-Verfahren hat sich als schwierig für die praktische Anwendung erwiesen. Anammox-Bakterien wachsen in einem Gemisch von Bakterienpopulationen, und sie wurden nicht in einer Reinkultur isoliert. Da Anammox-Bakterien strikt anaerob und autotroph sind, lassen sie sich nur schwer anreichern, so dass die Anwendung dieses Verfahrens mangels ausreichender Biomasse für den Prozess begrenzt ist. Es wurden verschiedene Methoden zur Kultivierung und Anreicherung von Anammox-Biomasse aus verschiedenen Arten von Saatschlämmen angewandt. In einer Batch-Studie wurde eine relative Population von 88 % Anammox-Bakterien erreicht, die aus einem rotierenden biologischen Kontaktor (RBC) zur Behandlung von Deponiesickerwasser beimpft wurden. Anreicherungskulturen von Anammox-Bakterien wurden auch in Reaktoren im Labormaßstab entwickelt, die mit Meeressedimenten und Bodenproben aus Reisfeldern sowie Belebtschlamm aus Kläranlagen beimpft wurden .
Die langsame Wachstumsrate der Anammox-Bakterien mit einer ungefähren Verdopplungszeit von 11 Tagen ist das Haupthindernis für die Anwendung des Anammox-Verfahrens. Daher ist beim Anammox-Verfahren eine lange Anlaufzeit zu erwarten. Die Verkürzung der Anlaufzeit des Anammox-Prozesses durch die Verringerung des Auswaschungspotenzials der Anammox-Biomasse ist eine wichtige Strategie für die großtechnische Anwendung. Um die Auswaschung von Anammox-Biomasse zu minimieren, wurden verschiedene Reaktortypen verwendet, darunter ein kontinuierlicher Rührkesselreaktor, ein anaerober biologischer Filtrationsreaktor, ein Sequencing Batch Reactor (SBR), ein Upflow-Reaktor und ein Biofilm-Reaktor. In einem Membranbioreaktor (MBR) wurde ein schnelleres Wachstum von Anammox-Bakterien erreicht (die Verdopplungszeit betrug weniger als 10 Tage), was zu einer noch nie dagewesenen Reinheit der Anreicherung von 97,6 % führte. Es wurde berichtet, dass durch die Bildung kompakter Aggregate eine große Menge an aktiver Anammox-Biomasse in einem Reaktor erhalten bleibt. Daher ist die Granulierung auch ein alternativer Ansatz für die Anammox-Anreicherung.
Zusammenfassend kann man sagen, dass es zwei Hauptansätze (Strategien) gibt, um einen Anammox-Reaktor in Betrieb zu nehmen: (a) einen Reaktor von Grund auf zu starten und (b) ihn mit hoch angereichertem Anammox-Schlamm zu impfen. Bei der ersten Strategie ist die Reaktorkonfiguration sehr wichtig. Die SBR-Technik gewährleistete über ein Jahr lang einen zuverlässigen Betrieb unter stabilen Bedingungen mit effizienter Biomasserückhaltung (mehr als 90 % der Biomasse wurde im Reaktor gehalten) und homogener Verteilung von Substraten, Produkten und Biomasseaggregaten. Der MBR wurde auch erfolgreich für die Kultivierung von Anammox-Bakterien mit schneller Wachstumsrate eingesetzt (die Mindestverdopplungszeit für Anammox-Bakterien wurde auf 5,5-7,5 Tage geschätzt). Unter den verschiedenen Reaktoren ist der Anammox-Vliesmembranreaktor (ANMR) eine neuartige Reaktorkonfiguration zur Anreicherung von Anammox-Biomasse (Abbildung 5). Der Reaktor wurde entwickelt, indem eine Reihe von Vliesmembranmodulen, die auch als Abflussöffnung dienten, mit einem anaeroben Reaktor verbunden wurden. Das Membranmodul wurde außerhalb des Reaktors installiert, was einen Unterschied zu den eingetauchten Membranreaktoren darstellt. Im Gegensatz zu konventionellen MBR zirkulierte das Abwasser im Membranmodul, und die Biofilme wuchsen auf der inneren Oberfläche der Membran. Ein großer Teil der suspendierten Biomasse konnte durch die Filtration durch die Vliesmembran und die Biofilme im Reaktor verbleiben, was zu einer Verbesserung der Abwasserqualität und einer Erhöhung des Feststoffrückhalts im Reaktor führte. Nach mehr als acht Monaten Betrieb wurde die Reinheit (Prozentsatz der Anammox-Zellen in der Gemeinschaft) der Anammox-Bakterien im Reaktor auf 97,7 % beziffert. Der kostengünstige ANMR-Reaktor erwies sich als geeignet für die langsam wachsenden Anammox-Bakterien und bietet folgende Vorteile: (1) ein großer Teil der Biomasse konnte durch Filtration durch die Vliesmembran und die Bildung eines Biofilms im Reaktor verbleiben, (2) die Bildung von Aggregaten und Biofilmen verbesserte den Feststoffrückhalt im Reaktor, (3) die Vliesmembran war kosteneffizient, und (4) das Design des anaeroben Reaktors konnte das einströmende Medium verdünnen und die Hemmung durch hohe Nitritkonzentrationen vermeiden, was zu einer hohen Toleranzfähigkeit der Substrate führte. In letzter Zeit wurde der UASB-Reaktor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) für die Kultivierung langsam wachsender Bakterien sehr empfohlen. Dies liegt nicht nur an der Verbesserung der physiologischen Bedingungen, die für die Bakterien und ihre Interaktionen, insbesondere die Syntrophie im anaeroben System, günstig sind, sondern auch an der Bildung von Granulatschlamm, die der Hauptgrund für die erfolgreiche Einführung des UASB-Reaktors ist. Die Granulierung verbessert also auch die Anammox-Anwendung. Überraschenderweise verwendeten Ni und seine Kollegen inaktives methanogenes Granulat als Inokula, um eine schnelle Granulation erfolgreich zu realisieren. Die Nitritkonzentration in der Anfangsphase war deutlich höher als der veröffentlichte toxische Wert für Anammox-Bakterien und andere Studien im Labormaßstab. Die Ansiedlung und Vermehrung von Anammox-Bakterien in den inaktiven methanogenen Granulaten könnte der Hauptgrund für die hohe Anammox-Reinheit in kurzer Zeit sein. Anammox-Zellen könnten das Skelett der inaktiven methanogenen Granula nutzen und sich von innen her vermehren, wie im TEM beobachtet wurde (Abbildung 6). Der zweite, bereits erwähnte Ansatz verkürzt die für die Anammox-Inbetriebnahme benötigte Zeit erheblich, sofern eine große Menge an Anammox-Schlamm vorhanden ist. Durch den schrittweisen Bau von Anammox-Anlagen im großen Maßstab wird die Verfügbarkeit von Anammox-Schlamm erhöht. Die Einführung des exotischen Anammox-Schlamms zur Saat eines Granulatreaktors ist eine gute Wahl. Der Reaktor wurde innerhalb von zwei Wochen erfolgreich in Betrieb genommen; außerdem wurde über einen langen Zeitraum eine hohe Stickstoffentfernung erreicht, was zeigt, dass die Beimpfung von reifem Anammox-Granulat ideal ist, um einen neuen Reaktor in Betrieb zu nehmen.
Schematische Darstellung des Anammox-Vliesmembranreaktors (ANMR) .
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(a) Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme, die ruhende Zellen im Samenkörnchen zeigt (Balken = 2 μm). (b) Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme der Anammox-Bakterien im Inneren der Körnchen (Balken = 2 μm).
6. Kommerzielle Anwendung des Anammox-Verfahrens
Das Fehlen von Reinkulturen von Anammox-Bakterien macht einen genomischen Ansatz weniger einfach. In Verbindung mit der geringen maximalen spezifischen Wachstumsrate von Anammox-Bakterien und den strengen Betriebsbedingungen blieb die praktische Anwendung von Anammox weit hinter den Forschungsfortschritten zurück.
Viele Anstrengungen wurden unternommen, um ein marktfähiges Produkt zu entwickeln. Hier möchten wir die Paques BV (Balk, Niederlande) für ihre unermüdlichen Bemühungen um die praktische Anwendung des Anammox-Verfahrens erwähnen. Anfang 2001 haben Van Dongen et al. in Zusammenarbeit mit der Paques BV einen SHARON-Reaktor (single reactor system for high rate ammonium removal over nitrite) im Labormaßstab hochgefahren. Das Abwasser des SHARON-Verfahrens war ideal als Zufluss für das Anammox-Verfahren geeignet, da das Ammonium im SHARON-Verfahren bei einer Belastung von 1,2 kg N pro m3 und Tag ohne pH-Kontrolle zu 53 % zu Nitrit und nicht zu Nitrat oxidiert wurde. Das kombinierte SHARON-Anammox-System konnte über lange Zeiträume stabil arbeiten, und die Autoren sagten voraus, dass das Kombinationsverfahren für eine großtechnische Umsetzung bereit sei.
Auf der Grundlage konstanter und erfolgreicher Studien wurde 2007 der erste großtechnische Granulat-Anammox-Reaktor in der Kläranlage des Waterboard Hollandse Delta in Rotterdam (Niederlande) fertiggestellt. Dies bedeutet den Beginn der kommerziellen Anwendung des Anammox-Verfahrens und stellt einen weiteren Meilenstein dar. Der erste großtechnische Reaktor mit einem Volumen von 70 m3 wurde direkt von einem 10-Liter-Laborversuch auf das 7000-fache vergrößert. Der Reaktor wurde zunächst mit nitrifizierendem Schlamm und einer Gesamtmenge von 9,6 m3 angeimpft; ab dem Tag 622 bis 1033 wurde abgesetzte Biomasse aus einem Anammox-Anreicherungsreaktor zugegeben. Selbst mit der Zugabe von Anammox-Schlamm dauerte die Inbetriebnahme 3,5 Jahre, 1,5 Jahre länger als geplant. Neben den geringen Wachstumsraten der Anammox-Mikroorganismen gab es mehrere Gründe für die lange Anlaufzeit. Der wichtigste Grund war, dass kein Anammox-Saatschlamm zur Beimpfung des ersten großtechnischen Reaktors zur Verfügung stand, und die Verzögerung wurde durch technische Probleme wie Betriebs- und Temperaturprobleme verursacht, da der erste großtechnische Reaktor direkt aus dem Labormaßstab hochgefahren wurde, ohne die Pilotphase zu durchlaufen. Dieser erste großtechnische Reaktor hatte dagegen Pilotanlagencharakter. Im September 2006 war der Reaktor voll in Betrieb und die Beladungsrate konnte auf ein Niveau von 750 kg/d gesteigert werden, was 50 % über der Auslegungslast liegt.
Weitere vier Anammox-Anlagen wurden vor 2008 gebaut, drei in Europa und eine in Asien (Tabelle 3). Der dritte Reaktor, Teil einer Anlage zur Behandlung des Abwassers einer Kartoffelfabrik, wies die höchste Ammoniumbelastung auf. Die Kapazität des Reaktors beträgt 1200 kg N/d, wobei nur etwa 700 kg N/d umgewandelt werden, da kein Stickstoff mehr im Abwasser vorhanden ist. Japan baute den ersten asiatischen Anammox-Reaktor im großen Maßstab in einem Halbleiterwerk. Im Jahr 2009 gab das Unternehmen Paques Environmental Technology (Shanghai) bekannt, dass eine Vereinbarung über den Bau der weltweit größten Anammox-Abwasseraufbereitungsanlage in China getroffen wurde. Das Anammox-Verfahren wurde so konzipiert, dass es eine Umwandlungskapazität von 11 Tonnen Stickstoff pro Tag hat und damit fast zehnmal größer ist als die größte vor 2008 gebaute Anlage. Die zweistufige Kombination aus Anammox- und IC-Reaktoren (Internal Circulation) ist die sechste großtechnische Anwendung von Anammox. Seit 2009 hat Anammox eine enorme Entwicklung erfahren. Weitere 11 Anammox-Anlagen wurden von Paques realisiert, sieben davon in China. Als größter Entwicklungsmarkt der Welt trägt China wesentlich zur Kommerzialisierung des Anammox-Verfahrens bei.
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| Abma et al. und Kommunikation mit Paques BV. Werte in Klammern bedeuten erreichte Frachten (kg N/d). Kein Stickstoff mehr verfügbar. |
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Dank der Erfahrungen aus den etablierten Anammox-Anlagen wurde die Anlaufzeit der marktfähigen Anlage immer kürzer. Dies könnte ein weiterer Meilenstein sein. Der zweite Reaktor wurde innerhalb eines Jahres in Betrieb genommen, während die erste asiatische Anlage 2 Monate brauchte, um in Betrieb zu gehen. Bis heute sind weltweit mehr als 30 Anlagen in vollem Maßstab in Betrieb, vor allem in Österreich, China, Japan, den Niederlanden und den USA. All dies unterstreicht, dass sich das Anammox-Verfahren zu einer kommerziellen Technik entwickelt.
7. Schlussfolgerung
Die Entdeckung des grünen Prozesses, Anammox, bringt revolutionäre Veränderungen für die konventionelle biologische Stickstoffentfernung. Dieser einzigartige Prozess spielt eine wichtige Rolle im biologischen Stickstoffkreislauf und leistet einen großen Beitrag zu unserer Umwelt und Wirtschaft. Die Entwicklung von Anammox durchlief mehrere wichtige Etappen: die Laborkultur auf der Basis von Basalmedium, die Implementierung eines Reaktorsystems im großen Maßstab und umfangreiche technische Anwendungen. Obwohl die Inbetriebnahme eines Reaktors von Grund auf universell ist, ist die Beimpfung mit hoch angereichertem Anammox-Schlamm praktikabler. Derzeit sind mindestens 30 Anammox-Systeme im großen Maßstab in Betrieb. Somit bietet die Anwendung des Anammox-Verfahrens eine attraktive Alternative zu den derzeitigen Abwasserbehandlungssystemen für die Ammoniak-Stickstoff-Entfernung.
Highlights
Die Entwicklung des Anammox-Verfahrens vom Labor bis zur Kommerzialisierung wurde überprüft. Es gab drei Meilensteine: Basismedium, erste Anlage und umfangreiche Anwendungen. Die Befruchtung mit angereichertem Anammox-Schlamm ist praktikabler als ein Neuanfang. Weltweit sind über 30 Anammox-Anlagen in vollem Maßstab in Betrieb. Anammox wird schließlich zur ersten Wahl für die Ammonium-Abwasserbehandlung.
Interessenkonflikt
Die Autoren erklären, dass es keinen Interessenkonflikt gibt.
Danksagungen
Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung durch die National Natural Science Foundation of China (nos. 51108251 und 21177075), Research Award Fund for Outstanding Middle-aged and Young Scientist of Shandong Province (Nr. BS2012HZ007), Natural Science Foundation for Distinguished Young Scholar of Shandong Provincial (Nr. JQ201216), Independent Innovation Foundation of Shandong University (Nr. 2012GN001) und dem Overseas Personnel Pioneer Plan of Jinan (Nr. 20110406).