Abstract
Van de ontdekking in het begin van de jaren negentig tot de voltooiing van een anammoxreactor op ware grootte, heeft het bijna twee decennia geduurd om de geheime sluier van de anammoxbacterie te ontsluieren. Er waren drie mijlpalen tijdens de commercialisering van anammox: de ontwikkeling van het eerste verrijkingscultuurmedium, de voltooiing van de eerste commerciële anammoxreactor, en de snelle opstart van een anammoxfabriek op ware grootte. Tot dusver heeft de kweek van anammoxbacteriën een grote vooruitgang gekend dankzij twee algemene strategieën: (a) het opstarten van een reactor vanaf nul en (b) het zaaien van de reactor met verrijkt anammoxslib. De eerste anammoxreactor op ware schaal deed er 3,5 jaar over om volledig operationeel te worden volgens de eerste aanpak, om verschillende redenen naast het gebrek aan anammoxslib. De eerste Aziatische anammoxreactor daarentegen startte in twee maanden op, dankzij de beschikbaarheid van anammoxzaad. Samen met de implementatie van anammox-installaties wordt anammox uiteindelijk de prioritaire keuze voor de behandeling van ammoniumhoudend afvalwater.
1. Introductie
Conventionele biologische stikstofverwijdering uit afvalwater bestaat meestal uit twee stappen, nitrificatie en denitrificatie. Tijdens het nitrificatieproces wordt ammonium biologisch geoxideerd tot nitraat, dat vervolgens wordt gereduceerd tot stikstofgas met behulp van organisch materiaal als elektronendonor tijdens het denitrificatieproces. Wanneer de BZV/TKN-verhouding laag is, zoals in veel ammoniumrijke afvalwaters, moet biologisch afbreekbaar organisch materiaal worden toegevoegd om volledige denitrificatie te bereiken. De werkzaamheden zijn vrij kostenintensief voor zowel het zuurstofverbruik voor aërobe nitrificatie als de toevoeging van organische substraten voor denitrificatie. Het overtollige slib dat ontstaat in het conventionele biologische stikstofverwijderingsproces verhoogt ook de behandelingskosten.
Anaerobe ammoniumoxidatie (anammox) is een nieuw, autotroof, en kosteneffectief alternatief voor het traditionele biologische stikstofverwijderingsproces . Het bestaan van deze bacteriën werd voor het eerst voorspeld in de jaren 1970 op basis van thermodynamische berekeningen. Anammoxbacteriën oxideren ammonium tot stikstofgas met behulp van nitriet als elektronenaccepter onder anoxische omstandigheden, en hun groei vindt plaats door kooldioxidebinding (tabel 1) .
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Van de Graaf et al. . Strous et al. . |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
De ontdekking van het anammoxproces bracht revolutionaire veranderingen teweeg in de conventionele biologische stikstofverwijdering uit afvalwater. Enkele unieke kenmerken maken van het anammoxproces een veelbelovende en duurzame techniek, zoals een lage biomassa-opbrengst, geen noodzaak voor beluchting, en geen toevoeging van externe koolstofbronnen. Hoewel het pas ontdekte anammoxproces nieuwe mogelijkheden opent voor de verwijdering van stikstof uit afvalwater, is het grootste obstakel voor de toepassing van anammox de trage groeisnelheid (, verdubbelingstijd () van 11 dagen) van anammoxmicro-organismen, waardoor dit proces moeilijk is voor praktische afvalwaterbehandelingen. Ondertussen zijn anammox bacteriën uiterst moeilijk te kweken in een zuivere cultuur, zelfs Candidatus Brocadia anammoxidans is alleen gezuiverd tot schijnbare homogeniteit door Percoll dichtheid centrifugatie . Met het oog op de praktische toepassing van het anammoxproces hebben onderzoekers zich toegelegd op de aanrijking van traaggroeiende anammoxbacteriën. Vele studies werden uitgevoerd om anammox organismen te verrijken, hetzij door verschillende methoden zoals biofilm of granulatie, of door alle soorten reactoren. Dit artikel geeft een overzicht van de ontwikkeling van het anammox-proces en de desbetreffende studies in het laboratorium, met name de ontdekking en de biochemie van de bacteriën die verantwoordelijk zijn voor de anaërobe oxidatie van ammonium. Speciale aandacht werd besteed aan de commercialisering en de grootschalige toepassing van anammox techniek.
2. Ontdekking en fylogenie van Anammox
Al in 1932 werd gerapporteerd dat dinitrogeen gas werd gegenereerd via een onbekend mechanisme tijdens fermentatie in de sedimenten van Lake Mendota, Wisconsin, USA. Meer dan 40 jaar geleden merkte Richards op dat het grootste deel van het ammonium dat geproduceerd zou moeten worden tijdens de anaërobe remineralisatie van organisch materiaal, niet te verantwoorden was. Aangezien er geen biologische route voor deze omzetting bekend was, kreeg de biologische anaërobe oxidatie van ammonium weinig verdere aandacht. Drie decennia geleden werd op basis van thermodynamische berekeningen het bestaan voorspeld van twee chemolithoautotrofe micro-organismen die in staat waren ammonium te oxideren tot dinitrogeen gas. Men dacht dat anaërobe oxidatie van ammonium niet haalbaar zou zijn, ervan uitgaande dat de voorgangers hadden geprobeerd en gefaald om een biologische basis voor deze reacties te leggen . In de jaren 1990 waren de fantastische waarnemingen van Arnold Mulder juist in overeenstemming met de suggestie van Richards . In hun anoxische denitrificerende proefreactor verdween ammonium ten koste van nitriet met een duidelijke stikstofproductie. De reactor gebruikte het effluent van een methanogene proefreactor, dat ammonium, sulfide en andere verbindingen bevatte, en nitraat van een nitrificerende installatie als influent. Dit proces kreeg de naam “anammox” en men realiseerde zich dat het van groot belang was voor de verwijdering van ongewenst ammonium. Zelfs zonder volledig inzicht in de anammoxreactie patenteerde Arnold Mulder het proces onmiddellijk. De ontdekking van het anammoxproces werd voor het eerst publiekelijk voorgesteld op het 5e Europese congres over biotechnologie. Halverwege de jaren negentig werd de ontdekking van anammox in de wervelbedreactor gepubliceerd. Er werd een maximale ammoniumverwijderingssnelheid van 0,4 kg N/m3/d bereikt. Er werd aangetoond dat voor elke mol ammonium die werd verbruikt, 0,6 mol nitraat nodig was, wat resulteerde in de vorming van 0,8 mol N2-gas ( in tabel 1). In datzelfde jaar werd de biologische aard van anammox vastgesteld. Labelingexperimenten met 15 in combinatie met 14 toonden aan dat dit het dominante product was, dat 98,2% uitmaakte van het totaal gelabelde N2. Deze bevindingen waren in strijd met reactie 1 waarin het percentage van en in het gevormde dinitrogeengas respectievelijk 75% en 25% zou bedragen. Men realiseerde zich dat, in plaats van nitraat, nitriet werd aangenomen als het oxidatiemiddel van ammonium in de anammoxreactie ( in tabel 1) . Op basis van een eerdere studie berekenden Strous et al. de stoichiometrie van het anammoxproces door massabalans ( in Tabel 1), die door andere groepen algemeen wordt aanvaard. Later werden anammoxbacteriën geïdentificeerd als planctomyceten , en het eerste geïdentificeerde anammoxorganisme kreeg de naam Candidatus “Brocadia Anammoxidans” . Vóór 2002 werd aangenomen dat anammox een ondergeschikte rol speelde in de N-cyclus in natuurlijke ecosystemen. In 2002 werd vastgesteld dat anammox een belangrijke rol speelt in de biologische stikstofcyclus en verantwoordelijk is voor 24-67% van de totale N2-productie in de onderzochte sedimenten van het continentaal plat. Wereldwijd kan anammox verantwoordelijk zijn voor 30-50% van de N2-productie in de oceaan. De ontdekking van het anammoxproces heeft het concept van de biologische stikstofcyclus gewijzigd, zoals weergegeven in figuur 1.
De biologische N-cyclus (gedeeltelijk gebaseerd op Arrigo ). DNRA, dissimilatoire nitraatreductie tot ammonium.
De specifieke rode kleur van anammoxbacteriën (figuur 2(a)) is te danken aan de heem c-groep van het eiwit cytochroom c dat een belangrijke rol speelt in het anammoxmetabolisme . De onregelmatige vormen van anammoxbacteriën werden zowel door transmissie-elektronenmicroscopie als door scanning-elektronenmicroscopie weergegeven (figuren 2(b) en 2(c)). De anammox-soorten hebben een enkel membraangebonden anammoxosoom en riboplasma met ribosoomachtige deeltjes die van het paryphoplasma zijn gescheiden door een intracytoplasmatisch membraan. De cellen bevatten drie afzonderlijke membraangebonden compartimenten: het paryphoplasma, cytoplasma, en anammoxosoom.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
De specifieke rode kleur van anammoxbacteriën (a), de typische onregelmatige vormen van anammoxbacteriën weergegeven door scanningelektronenmicroscopie (b), en transmissie-elektronenmicroscopiebeelden (c).
Tot nu toe zijn er vijf anammoxgeslachten ontdekt, met 16S rRNA-gensequentie-identiteiten van de soorten variërend van 87 tot 99% . Het is bekend dat alle anammoxbacteriën tot dezelfde monofyletische orde behoren, de Brocadiales genaamd, en verwant zijn aan de Planctomycetales. Onder hen zijn vier “Candidatus” anammox genera verrijkt uit geactiveerd slib: “Kuenenia’, ‘Brocadia’, ‘Anammoxoglobus’ en ‘Jettenia’. Het vijfde anammox-geslacht, “Candidatus Scalindua” , is vaak gedetecteerd in natuurlijke habitats, vooral in mariene sedimenten en zuurstofarme zones.
3. Mogelijke reactiemechanismen voor anammox
Om de mogelijke metabolische route voor anammox te begrijpen, werden in 1997 voor het eerst 15N-labelingexperimenten uitgevoerd. Deze experimenten toonden aan dat ammonium biologisch geoxideerd werd met hydroxylamine, hoogstwaarschijnlijk afgeleid van nitriet, als waarschijnlijke electronenacceptor. De omzetting van hydrazine in dinitrogeen gas wordt verondersteld als de reactie die de elektron equivalenten genereert voor de reductie van nitriet tot hydroxylamine. In het algemeen werden twee mogelijke reactiemechanismen onderzocht. Een membraangebonden enzymcomplex zet eerst ammonium en hydroxylamine om in hydrazine, gevolgd door de oxidatie van hydrazine tot dinitrogeen gas in het periplasma. Tegelijkertijd wordt nitriet gereduceerd tot hydroxylamine op de cytoplasmatische plaats van hetzelfde enzymcomplex dat verantwoordelijk is voor de oxidatie van hydrazine met een intern elektronentransport (figuur 3(a)). Een ander mogelijk mechanisme voor het anammoxproces wordt als volgt geconcludeerd: ammonium en hydroxylamine worden door een membraangebonden enzymcomplex omgezet in hydrazine, hydrazine wordt in het periplasma geoxideerd tot dinitrogeen gas, en de gegenereerde elektronen worden via een elektronentransportketen overgedragen aan het nitrietreducerende enzym in het cytoplasma waar nitriet wordt gereduceerd tot NH2OH (figuur 3(b)). Of de reductie van nitriet en de oxidatie van hydrazine op verschillende plaatsen van hetzelfde enzym plaatsvinden (figuur 3(a)) of dat de reacties worden gekatalyseerd door verschillende enzymsystemen die via een elektronentransportketen met elkaar verbonden zijn (figuur 3(b)), moet nog worden onderzocht. Het voorkomen van hydrazine als tussenproduct in het microbiële stikstofmetabolisme is zeldzaam. Hydrazine is voorgesteld als een enzym-gebonden tussenproduct in de nitrogenase reactie .
(a)
(b)
(a)
(b)
Mogelijke biochemische route en cellulaire lokalisatie van de enzymsystemen die betrokken zijn bij de anammoxreactie. Figure modified, with permission, from FEMS Microbiology Reviews and Process Biochemistry .
Een mogelijke rol van NO of HNO in anammox werd voorgesteld door Hooper et al. door middel van condensatie van NO of HNO en ammonium op een enzym dat verwant is aan de ammoniummonooxygenase-familie. Het gevormde hydrazine of imine zou vervolgens door het enzym hydroxylamine oxidoreductase kunnen worden omgezet in dinitrogeen gas, en de reductie-equivalenten die bij deze reactie vrijkomen zijn nodig om NO of HNO en ammonium te combineren of nitriet te reduceren tot NO. Milieugenomics-analyse van de soort Candidatus Kuenenia stuttgartiensis, via een enigszins verschillend en aanvullend metabolisme-mechanisme, postuleerde NO als het tussenproduct in plaats van hydroxylamine (figuur 4) . Maar ook in deze hypothese was men het erover eens dat hydrazine een belangrijk tussenproduct in het proces was. In deze route (figuur 4) zijn er twee enzymen die uniek zijn voor anammoxbacteriën: hydrazinehydrolase (hh) en hydrazine-dehydrogenase (hd). Hh produceert hydrazine uit stikstofmonoxide en ammonium, en hd brengt de elektronen van hydrazine over naar ferredoxine. Er werden weinig nieuwe genen ontdekt, zoals enkele bekende genen voor vetzuurbiosynthese en S-adenosylmethionine-radicaal enzym, die domeinen bevatten die betrokken zijn bij elektronenoverdracht en katalyse.
(a)
(b)
(a)
(b)
Hypothetische metabole routes en omgekeerd elektronentransport in het anammoxosoom. (a) Anammox-katabolisme waarbij nitriet als elektronenacceptor wordt gebruikt voor de totstandbrenging van een protonmotorische kracht over het anammoxosomale membraan. (b) Door proton-motorkracht aangedreven omgekeerd elektronentransport combineert centraal katabolisme met nitraatreductase (NAR) om ferredoxine te genereren voor de reductie van koolstofdioxide in de acetyl-CoA-route. HAO, hydrazine-oxidoreductase; HD, hydrazine-dehydrogenase; HH, hydrazine-hydrolase; NIR, nitriet-oxidoreductase; Q, kinine. Lichtblauwe diamanten, cytochromen; blauwe pijlen, reducties; roze pijlen, oxidaties. Figuur gewijzigd, met toestemming, van Nature .
4. Basaal en Aangewezen Medium Ontwikkeling
Zodra nitriet werd gerealiseerd als de elektronenacceptor met ammonium als elektronendonor, een basaal medium met ammonium, nitriet, bicarbonaat, mineralen, en sporenelementen werd ontwikkeld voor de verrijking van anammox micro-organismen . Het medium bevatte ammonium (5-30 mM) en nitriet (5-35 mM), als respectievelijk enige elektronendonor en -acceptor, met bicarbonaat (10 mM) als enige koolstofbron. Ook werd gezorgd voor mineralen en sporenelementen. De fosfaatconcentratie van het medium werd onder 0,5 mM gehouden, om een mogelijk remmend effect op het proces te voorkomen, en het medium werd gespoeld met argongas om anaërobe omstandigheden te bereiken. Experimenten die werden uitgevoerd in een wervelbedreactor met basisch verrijkingsmedium toonden aan dat de anaërobe ammoniumverwijderingssnelheid toenam van de oorspronkelijke 0,4 kg N/m3/dag tot 2,4 kg N/m3/dag. De maximale specifieke activiteit van de biomassa in de wervelbedreactor was 25 nmol /mg VS/min. Voor elke mol geoxideerd ammonium werd 0,041 mol CO2 in de biomassa opgenomen. De geschatte groeisnelheid in de wervelbedsystemen was 0,001/u, wat overeenkomt met een verdubbelingstijd van ongeveer 29 dagen. Het basismedium versterkte de activiteiten van anammox bacteriën.
De ontwikkeling van het basismedium, de mijlpaal van anammox verrijking, zette de vurige ijver voor dit prille onderzoek aan. Sindsdien heeft een groot aantal onderzoekers zich met dit specifieke onderwerp beziggehouden. Aangezien het medium positieve effecten heeft op het anammoxproces, hebben veel studies hun aandacht op dit gebied gericht. Helaas is er geen systemische medium ontwikkeling studie zoals die voor andere bacteriën.
In ons lab, werd een studie uitgevoerd naar het ontwerpen van een geschikt medium door het onderzoeken van de groei behoefte van anammox bacteriën met betrekking tot aminozuren. Twintig L-aminozuren werden toegevoegd aan het basismedium (tabel 2). Na experiment set I werd set II uitgevoerd om de versterkte effecten van de selectieve aminozuren op de groei van de micro-organismen verder te evalueren. Om de groei van anammoxbacteriën te kwantificeren, werden kwantitatieve moleculaire technieken gebruikt. Uit voorlopige experimenten bleek dat glycine, methionine, threonine, tryptofaan en tyrosine de groei van anammoxbacteriën versterkten. Anderzijds verminderden asparagine, asparaginezuur en histidine de bacteriële activiteiten in geringe mate. Terwijl 12 van de 20 L-aminozuren (alanine, arginine, cysteïne, glutaminezuur, glutamine, isoleucine, leucine, lysine, fenylalanine, proline, serine en valine) de groei van anammoxbacteriën volledig afremden, waardoor het slib van roodachtig naar zwartachtig veranderde. Nog eens 3 aminozuren (asparagine, asparaginezuur, en histidine) vertraagden de groei van de anammoxbacteriën. Deze ongepubliceerde studie zou het anammox-onderzoek en de toepassing ervan ten goede komen.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Optische dichtheid (600 nm) na 7 dagen incubatie bij 35°C, + betekent toename, – betekent afname, en n.d. betekent niet gedetecteerd vanwege de kleurverandering. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
5. Anammox-cultuur in het laboratorium
Anammox-proces is erkend als moeilijk toepasbaar voor praktische toepassingen. Anammox-bacteriën groeien in een mengsel van bacteriepopulaties, en zij zijn niet geïsoleerd in een zuivere cultuur. Omdat anammoxbacteriën strikt anaëroob en autotroof zijn, is het moeilijk ze te verrijken, waardoor de toepassing van dit proces beperkt blijft omdat er niet voldoende biomassa voor het proces beschikbaar is. Er zijn verschillende methoden gebruikt om anammoxbiomassa te kweken en te verrijken uit verschillende soorten zaadslib. Een relatieve populatie van 88% anammoxbacteriën werd bereikt in een batchstudie waarbij werd geïnoculeerd uit een roterende biologische contactor (RBC) voor de behandeling van percolatiewater van een stortplaats. Verrijking cultuur van anammox bacteriën werd ook ontwikkeld in lab-schaal reactoren geënt met mariene sedimenten en rijstveld bodemmonsters en geactiveerd slib van afvalwaterzuiveringsinstallaties .
De trage groei van anammoxbacteriën met een geschatte verdubbelingstijd van 11 dagen is het grootste obstakel voor de implementatie van het anammoxproces. Bijgevolg wordt bij het anammoxproces een lange opstartperiode verwacht. Het verkorten van de opstartperiode van het anammoxproces door het uitwaspotentieel van de anammoxbiomassa te verminderen, wordt een belangrijke strategie voor grootschalige toepassing. Verschillende soorten reactoren zijn gebruikt om het uitspoelen van anammoxbiomassa te minimaliseren, waaronder een continu geroerde tankreactor, een anaerobe biologisch gefiltreerde reactor, een sequencing batchreactor (SBR), een opstroomreactor en een biofilmreactor. Een snellere groei van anammoxbacteriën werd bereikt in een membraanbioreactor (MBR) (de verdubbelingstijd bedroeg minder dan 10 dagen), wat resulteerde in een ongekende zuiverheid van de verrijking van 97,6% . De vorming van compacte aggregaten werd gerapporteerd om een grote hoeveelheid actieve anammox biomassa in een reactor te behouden . Daarom is granulatie ook een alternatieve benadering voor anammox-verrijking.
Samenvattend zijn er twee hoofdbenaderingen (strategieën) om een anammoxreactor op te starten: (a) een reactor vanaf nul opstarten en b) deze inoculeren met sterk verrijkt anammoxslib. Voor de eerste strategie is de reactorconfiguratie van groot belang. De SBR-techniek garandeerde gedurende één jaar een betrouwbare werking onder stabiele omstandigheden met een efficiënte retentie van de biomassa (meer dan 90% van de biomassa bleef in de reactor) en een homogene verdeling van substraten, producten en biomassa-aggregaten. De MBR werd ook met succes toegepast voor de kweek van anammoxbacteriën met een snelle groeisnelheid (de minimale verdubbelingstijd voor anammoxbacteriën werd geschat op 5,5-7,5 dagen) . Van de verschillende reactoren is de anammoxvliesmembraanreactor (ANMR) een nieuwe reactorconfiguratie voor de verrijking van anammoxbiomassa (figuur 5). De reactor werd ontwikkeld door een set van niet-geweven membraanmodule, die ook diende als effluentpoort, te verbinden met een anaërobe reactor. De membraanmodule werd buiten de reactor geïnstalleerd, wat verschilt van de verzonken membraanreactoren. In tegenstelling tot de conventionele MBR circuleerde het afvalwater in de membraanmodule, en de biofilms groeiden op het membraanbinnenoppervlak. Een groot deel van de gesuspendeerde biomassa kon in de reactor blijven door filtratie door het vliesmembraan en de biofilms, wat resulteerde in een verbetering van de effluentkwaliteit en een verbetering van de vaste stofretentie in de reactor. Na meer dan acht maanden werking werd de zuiverheid (percentage anammoxcellen in de gemeenschap) van de anammoxbacteriën in de reactor gekwantificeerd op 97,7% . De kosteneffectieve ANMR bleek geschikt te zijn voor de langzaam groeiende anammoxbacteriën met de volgende voordelen: (1) een grote hoeveelheid biomassa kon in de reactor blijven door filtratie door het vliesmembraan en de vorming van biofilm, (2) de vorming van aggregaten en biofilm verbeterde de vaste retentie in de reactor, (3) het vliesmembraan was kostenefficiënt, en (4) het ontwerp van de anaerobe reactor kon het influent medium verdunnen en inhibitie door hoge nitrietconcentraties vermijden, wat leidde tot een hoog tolerantievermogen van substraten. Recentelijk werd de upflow anaerobe slibdekenreactor (UASB) sterk aanbevolen voor de kweek van langzaam groeiende bacteriën. Dit is niet alleen te danken aan de verbetering van de fysiologische omstandigheden, waardoor deze gunstig worden voor bacteriën en hun interacties, met name syntrofismen in het anaërobe systeem, maar ook aan de vorming van korrelslib, de belangrijkste reden voor de succesvolle invoering van de UASB-reactor . Vandaar dat granulatie ook de toepassing van anammox verbetert. Verrassend genoeg gebruikten Ni en zijn collega’s inactieve methanogene korrels als inocula om met succes snelle granulatie te realiseren . De nitrietconcentratie bij de start was aanzienlijk hoger dan het gepubliceerde toxische niveau voor anammoxbacteriën en andere studies op laboratoriumschaal. De huisvesting en proliferatie van anammoxbacteriën in de inactieve methanogene korrels zou de voornaamste reden kunnen zijn voor de hoge anammoxzuiverheid in een korte periode. Anammoxcellen zouden gebruik kunnen maken van het skelet van inactieve methanogene korrels en zich van binnenuit kunnen vermeerderen, zoals met TEM is waargenomen (figuur 6). De tweede eerder genoemde benadering verkort de vereiste tijd voor het opstarten van anammox aanzienlijk onder de premisse van een grote hoeveelheid anammoxslib, maar wordt gewoonlijk beperkt door het gebrek aan anammoxslib. Door de geleidelijke bouw van anammoxinstallaties op ware grootte neemt de beschikbaarheid van anammoxslib toe. De introductie van het exotische anammoxslib om een korrelreactor te zaaien is een goede keuze. De reactor werd in twee weken met succes opgestart; bovendien werd gedurende een lange periode een hoge stikstofverwijdering bereikt, waaruit blijkt dat de inoculatie van rijpe anammoxkorrels ideaal was om een nieuwe reactor op te starten.
Schematisch diagram van de anammox niet-geweven membraanreactor (ANMR) .
(a)
(b)
(a)
(b)
(a) Transmissie-elektronenmicrografiek waarop slapende cellen in de zaadkorrel te zien zijn (balk = 2 μm). (b) Transmissie-elektronenmicrografie waarop de anammoxbacteriën in het inwendige van de korrels te zien zijn (staaf = 2 μm).
6. Commerciële toepassing van het anammoxproces
Het ontbreken van zuivere culturen van anammoxbacteriën maakt een genomische benadering minder eenvoudig. Gecombineerd met de lage maximale specifieke groeisnelheid van anammoxbacteriën en de strenge operationele voorwaarden, bleef de praktische toepassing van anammox ver achter bij de vooruitgang van het onderzoek.
Er zijn al heel wat inspanningen geleverd voor de ontwikkeling van een verkoopbaar product. Hier willen we de Paques BV (Balk, Nederland) noemen voor zijn niet aflatende inspanningen voor de praktische toepassing van het anammoxproces. Begin 2001 hebben Van Dongen et al. in samenwerking met de firma Paques BV een SHARON-reactor (single reactor system for high rate ammoniumverwijdering boven nitriet) op laboratoriumschaal opgeschaald. Het effluent van het SHARON-proces was bij uitstek geschikt als influent voor het anammoxproces, aangezien het ammonium in het SHARON-proces met 53% werd geoxideerd tot nitriet in plaats van nitraat bij een belasting van 1,2 kg N per m3 per dag zonder pH-regeling. Het gecombineerde SHARON-anammox-systeem kon over lange perioden stabiel werken, en de auteurs voorspelden dat het combinatieproces klaar was voor implementatie op ware grootte.
Op basis van constante en succesvolle studie, werd in 2007 de eerste granulaire anammox reactor op grote schaal gerealiseerd in de afvalwaterzuiveringsinstallatie van Waterschap Hollandse Delta in Rotterdam, Nederland. Dit is het begin van de commerciële toepassing van het anammoxproces en vormt een nieuwe mijlpaal. De eerste reactor op ware grootte van 70 m3 werd direct 7000 maal opgeschaald vanuit een laboratoriumexperiment van 10 liter. De reactor werd aanvankelijk geënt met nitrificerend slib en een totale hoeveelheid van 9,6 m3; gesedimenteerde biomassa uit een anammox-verrijkingsreactor werd toegevoegd van dag 622 tot dag 1033 . Zelfs met de toevoeging van anammoxslib duurde de opstart 3,5 jaar, 1,5 jaar langer dan ontworpen. Naast de lage groeisnelheid van de anammoxmicro-organismen waren er verschillende redenen voor de lange opstarttijd. De belangrijkste reden is dat er geen anammoxzaadslib beschikbaar was om de eerste volledige reactor mee te enten, en de vertraging werd veroorzaakt door technische problemen zoals operationele en temperatuurproblemen, aangezien de eerste volledige reactor rechtstreeks vanaf laboratoriumschaal werd opgeschaald en de proeffase werd overgeslagen. Deze eerste reactor op ware grootte had daarentegen het karakter van een proefinstallatie. In september 2006 was de reactor in vol bedrijf en kon een beladingsgraad van 750 kg/d worden bereikt, 50% hoger dan de ontwerpbelasting.
Vóór 2008 werden nog eens vier anammoxinstallaties gebouwd, drie in Europa en één in Azië (tabel 3). De derde reactor, onderdeel van een installatie voor de zuivering van het effluent van een aardappelfabriek, vertoonde de grootste ammoniumbelasting. De capaciteit van de reactor is 1200 kg N/d, terwijl slechts ongeveer 700 kg N/d wordt omgezet omdat er geen stikstof meer beschikbaar is in het afvalwater. Japan bouwde de eerste Aziatische anammoxreactor op ware schaal in een halfgeleiderfabriek. In 2009 bracht Paques Environmental Technology (Shanghai) het nieuws naar buiten dat een overeenkomst was bereikt om ’s werelds grootste op anammox gebaseerde afvalwaterzuiveringsinstallatie in China te bouwen. Het anammoxproces is ontworpen om een conversiecapaciteit van 11 ton stikstof per dag te hebben, bijna tien keer zo groot als de grootste installatie die vóór 2008 is gebouwd. De tweestapscombinatie van anammox en interne circulatiereactoren (IC) wordt de zesde grootschalige toepassing van anammox. Sinds 2009 heeft anammox een enorme ontwikkeling doorgemaakt. Paques heeft nog eens elf anammoxinstallaties in gebruik genomen, waarvan zeven in China. Als ’s werelds grootste ontwikkelingsmarkt levert China een aanzienlijke bijdrage aan de commercialisering van het anammoxproces.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Abma et al. en communicatie met Paques BV. Waarden tussen haakjes betekenen bereikte belasting (kg N/d). Geen stikstof meer beschikbaar. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dankzij de ervaring van de gevestigde anammoxinstallaties werd de opstarttijd van de verhandelbare installatie steeds korter. Dit zou een nieuwe mijlpaal kunnen zijn. De tweede reactor startte op in 1 jaar en het duurde 2 maanden voor de opstart van de eerste Aziatische installatie. Tot dusver zijn wereldwijd meer dan 30 volwaardige variantinstallaties in bedrijf, voornamelijk in Oostenrijk, China, Japan, Nederland en de VS. Al deze installaties zijn erop gericht van het anammox-proces een commerciële techniek te maken.
7. Conclusie
De ontdekking van het groene proces, anammox, brengt revolutionaire veranderingen teweeg in de conventionele biologische stikstofverwijdering. Dit unieke proces, dat een belangrijke rol speelt in de biologische stikstofcyclus, levert een grote bijdrage aan ons milieu en onze economie. De ontwikkeling van anammox kende verschillende belangrijke fasen: laboratoriumkweek op basis van een basaal medium, implementatie van een reactorsysteem op ware schaal en uitgebreide technische toepassingen. Hoewel het opstarten van de reactor vanaf nul universeel is, is inoculatie met sterk verrijkt anammoxslib haalbaarder. Momenteel zijn ten minste 30 full-scale anammoxsystemen operationeel. De toepassing van het anammoxproces biedt dus een aantrekkelijk alternatief voor de huidige afvalwaterzuiveringssystemen voor de verwijdering van ammoniak en stikstof.
Hoogtepunten
De ontwikkeling van het anammoxproces van laboratorium tot commercialisering werd geëvalueerd. Er waren drie mijlpalen: basismedium, eerste plant, en uitgebreide toepassingen. Inzaaien met verrijkt anammoxslib is haalbaarder dan van nul beginnen. Wereldwijd zijn meer dan 30 volwaardige anammoxinstallaties in bedrijf. Anammox wordt uiteindelijk de prioritaire keuze voor de behandeling van ammoniumhoudend afvalwater.
Conflict of Interests
De auteurs verklaren dat er geen belangenconflict is.
Acknowledgments
De auteurs erkennen dankbaar de steun van de National Natural Science Foundation of China (nos. 51108251 en 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), en het Overseas Personnel Pioneer Plan van Jinan (nr. 20110406).