Hiệu suất loại bỏ nitơ dựa trên Anammox trong xử lý nước thải thứ cấp: Ít oxy hơn 60%, không có carbon bên ngoài

Quá trình nitrat hóa-khử nitrat thông thường tiêu thụ một lượng lớn năng lượng - máy thổi hoạt động 24/7 để cung cấp oxy cho quá trình oxy hóa amoniac, cộng với các nguồn carbon bên ngoài (metanol, axetat) để cung cấp nhiên liệu cho quá trình khử nitrat. Cùng với nhau, hai bước này có thể giải thích60–70% tổng ngân sách năng lượng của nhà máy xử lý. Anammox (oxy hóa amoni kỵ khí) hứa hẹn sẽ phá bỏ mô hình này: nó oxy hóa amoniac trực tiếp thành khí nitơ sử dụng nitrit làm chất nhận điện tử - không có carbon hữu cơ, lượng oxy tối thiểu, không có bùn dư. Nhưng lối tắt đã được phòng thí nghiệm chứng minh này gần với thực tế thương mại như thế nào đối với phương pháp điều trị thứ cấp chính thống? Nghiên cứu thí điểm này đặt các con số lên bàn.

Tại sao Anammox lại quan trọng đối với điều trị thứ cấp

Việc loại bỏ nitơ trong bùn hoạt tính thông thường tuân theo một lộ trình tiêu tốn nhiều năng lượng và được hiểu rõ. Đầu tiên, vi khuẩn oxy hóa amoniac (AOB) chuyển hóa NH₄⁺thành KHÔNG₂^-; sau đó vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB) chuyển đổi NO₂^-thành KHÔNG₃^-. Trong vùng thiếu khí tiếp theo, các chất khử nitơ dị dưỡng làm giảm NO₃^-quay lại N₂khí - nhưng chỉ khi chúng có đủ nguồn cung cấp cacbon hữu cơ có thể phân hủy sinh học, chất này thường cạn kiệt sau khi loại bỏ BOD ở thượng nguồn. Kết quả: các nhà máy buộc phải mua và định lượng carbon bên ngoài, làm tăng thêm chi phí vận hành và lượng khí thải carbon đáng kể.

Anammox viết lại hoàn toàn phương trình này. Vi khuẩn anammox - chủ yếuỨng cử viên BrocadiaVàỨng viên Kuenenia- Thực hiện phản ứng: NH₄⁺+ KHÔNG₂^- → N₂ + 2H₂O. So sánh điều này với quá trình khử nitrat thông thường và các lợi thế tăng lên nhanh chóng:

Nghiên cứu thí điểm: Thiết lập và tiếp cận

Một lò phản ứng theo mẻ giải trình tự quy mô thí điểm (SBR) đã được vận hành để đánh giá việc loại bỏ nitơ dựa trên anammox trong các điều kiện đại diện cho xử lý thứ cấp chính thống - cụ thể là nồng độ amoniac thấp hơn (40–80 mg N/L) và nhiệt độ vừa phải (20–25 độ) so với các ứng dụng dòng phụ cường độ cao (thường là 500–1.500 mg N/L ở 30–35 độ) trong đó anammox đã được triển khai thương mại.

Chiến lược vận hành sử dụng quá trình nitrat hóa một phần làm bước thượng nguồn: một phần amoniac đầu vào bị oxy hóa thành nitrit (nhắm mục tiêu khử NO₂^-/NH₄⁺tỷ lệ khoảng 1,0–1,3), sau đó dòng hỗn hợp đi vào lò phản ứng anammox để loại bỏ nitơ tự dưỡng. Các thông số vận hành chính được theo dõi bao gồm tốc độ nạp nitơ, nồng độ DO trong giai đoạn nitrat hóa một phần, độ ổn định nhiệt độ và nồng độ NO₂^-/NH₄⁺tỷ lệ bước vào giai đoạn anammox.

Kết quả thực hiện

Sau giai đoạn làm giàu và ổn định 90 ngày, hệ thống anammox đã đạt được hiệu suất ở trạng thái ổn định sau:

Hệ thống này đã chứng minh khả năng loại bỏ nitơ ổn định ở tốc độ tải thể tích 0,5–0,8 kg N/m³·d - cạnh tranh với việc lắp đặt anammox phụ mặc dù nhiệt độ vận hành thấp hơn. Tuy nhiên, việc duy trì NO chính xác₂^-/NH₄⁺tỷ lệ được chứng minh là thông số kiểm soát quan trọng nhất. Những sai lệch ngoài phạm vi 1,0–1,3 gây ra sự suy giảm hiệu suất nhanh chóng: nitrit dư thừa sẽ ức chế hoạt động anammox, trong khi nitrit không đủ sẽ khiến amoniac không được loại bỏ.

Các yếu tố hoạt động quan trọng

1. Độ nhạy nhiệt độ

Vi khuẩn Anammox thể hiện hoạt động tối ưu ở nhiệt độ 30–37 độ, với hoạt động giảm dần khoảng10–15% cho mỗi lần giảm 5 độdưới 30 độ. Trong nghiên cứu nhiệt độ chủ đạo này (20–25 độ), tốc độ loại bỏ nitơ xấp xỉ 40–55% so với mức sinh khối tương tự có thể đạt được ở 35 độ. Đối với các nhà máy xử lý ở vùng khí hậu ôn đới hoặc lạnh, mức phạt nhiệt độ này phải được tính vào kích thước lò phản ứng - lò phản ứng anammox chính thống hoạt động ở 15 độ có thể yêu cầuâm lượng gấp 2–3 lầncủa một thiết bị phụ xử lý cùng lượng nitơ ở nhiệt độ 35 độ.

2. Ngưỡng ức chế Nitrit

Trong khi vi khuẩn anammox sử dụng nitrit làm chất nhận điện tử thì nitrit dư thừa sẽ gây độc. Nghiên cứu đã xác định được ngưỡng ức chế rõ ràng: nồng độ nitrit trên50–70 mg N/Lgây ra sự suy giảm có thể đo lường được trong hoạt động anammox và nồng độ trên 100 mg N/L dẫn đến sự ức chế gần như hoàn toàn cần 48–72 giờ để phục hồi sau khi nồng độ nitrit giảm. Do đó, việc giám sát nitrit theo thời gian thực và kiểm soát phản hồi nhanh là rất cần thiết - các sơ đồ điều khiển thủ công hoặc dựa trên bộ đếm thời gian chắc chắn sẽ rơi vào tình trạng ức chế.

3. Ngăn chặn NOB

Sự hiện diện của vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB) trong giai đoạn nitrat hóa một phần là kẻ thù của quá trình anammox hiệu quả. NOB cạnh tranh với vi khuẩn anammox về nitrit, oxy hóa nó thành nitrat - chất mà anammox không thể sử dụng - và làm giảm hiệu quả loại bỏ nitơ tổng thể. Các chiến lược ức chế NOB được thử nghiệm trong nghiên cứu này bao gồm: duy trì nồng độ DO thấp (0,3–0,8 mg/L trong lò phản ứng nitrat hóa) để ưu tiên AOB hơn NOB, vận hành ở nồng độ amoniac tự do cao để ức chế chọn lọc NOB và các chu trình sục khí gián đoạn khai thác động học phục hồi khác nhau của AOB và NOB sau giai đoạn thiếu oxy.

4. Duy trì và làm giàu sinh khối

Vi khuẩn Anammox phát triển chậm, thời gian nhân đôi là 7–14 ngày ngay cả trong điều kiện tối ưu. Điều này làm cho việc duy trì sinh khối trở nên vô cùng quan trọng. Nghiên cứu đã sử dụng bùn dạng hạt làm chất mang sinh khối, đạt được vận tốc lắng tuyệt vời (trên 30 m/h) giúp tách biệt hiệu quả thời gian lưu thủy lực khỏi thời gian lưu chất rắn. Đối với các phương pháp tiếp cận dựa trên màng sinh học (chất mang MBBR hoặc IFAS), diện tích bề mặt được bảo vệ cung cấp một cơ chế lưu giữ thay thế có thể mạnh mẽ hơn trước các rối loạn thủy lực.

Con đường thực tế đến Anammox chính thống

Trong khi anammox dòng bên là một công nghệ trưởng thành, có khả năng thanh toán với hàng trăm công trình lắp đặt quy mô lớn trên toàn thế giới, thì anammox dòng chính để xử lý thứ cấp vẫn là một lĩnh vực mới nổi với những thách thức cụ thể: nhiệt độ thấp hơn làm giảm tốc độ động học, nồng độ amoniac thấp hơn khiến việc kiểm soát quy trình trở nên nhạy cảm hơn và sự hiện diện của cacbon hữu cơ trong nước thải dòng chính có thể kích thích quá trình khử nitrat dị dưỡng cạnh tranh với anammox đối với nitrit.

Phương pháp tiếp cận ngắn hạn hứa hẹn nhất là cấu hình kết hợp: quá trình nitrat hóa-anammox một phần để loại bỏ nitơ phụ (nơi công nghệ đã được chứng minh), kết hợp với quá trình nitrat hóa-khử nitrat thông thường để xử lý chính thống. Cấu hình này nắm bắt được khả năng tiết kiệm năng lượng ở nơi chúng được thực hiện dễ dàng nhất - trên dòng phụ ấm, cường độ cao - trong khi vẫn duy trì hiệu suất chính thống đáng tin cậy. Khi công nghệ anammox chính thống phát triển và các thách thức về nhiệt độ/điều khiển được vượt qua, ranh giới lai có thể chuyển sang hướng đóng góp lớn hơn cho anammox.

Nghiên cứu này xác nhận rằng việc loại bỏ nitơ dựa trên anammox mang lại một lộ trình khả thi hướng tới xử lý nước thải thứ cấp tiết kiệm năng lượng, với tổng tốc độ loại bỏ nitơ là 0,5–0,8 kg N/m³·d có thể đạt được ở nhiệt độ thông thường. Các yếu tố thành công chính bao gồm việc kiểm soát chính xác lượng NO₂^-/NH₄⁺thông qua giám sát thời gian thực, ức chế NOB hiệu quả trong giai đoạn nitrat hóa và duy trì sinh khối mạnh mẽ để bù đắp cho tốc độ tăng trưởng anammox chậm. Mặc dù việc triển khai chủ đạo vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu tiên tiến, nhưng các khuyến khích về kinh tế và môi trường ít oxy hơn - 60%, không carbon bên ngoài, ít bùn hơn 80% - khiến việc tiếp tục phát triển trở thành khoản đầu tư được ưu tiên cao cho ngành nước.