1. No category

Anammox för klimatsmart
kväveavskiljning
Elzbieta Plaza
VA-teknik, Institutionen för hållbar utveckling, miljövetenskap och teknik (SEED)
Kungliga Tekniska Högskola - KTH
e-mail: [email protected]
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
1
Anammox och Deammonifikation
Anammox = Anaerob ammoniumoxidation (med nitrit)
+
-
NH4 + NO2  N2 + 2H2O
På grund av cellsyntes bildas även ca 5% nitrat
Deammonifikation = Kombinationen partiell nitritation
(ca 50% oxidation av ammonium)
och Anammox
Det är en helt autotrof process!!!
Mycket långsam bakterietillväxt (μmax: 0,065 d-1)
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
Fördelar ANAMMOX
Sparar energi!
Ingen extern kolkälla!
O2
Csource
NO3-N
NO2-N
NH2OH
N2H4
NH3
O2
N2
Nitritation
Nitrifikation
Nitratation
Denitrifikation
Anammox
Energi
Kemikalier
(metanol)
CO2
emission
Lustgas
emission
Traditionell teknik
1,3 kWh/kg N
2,3 kg/kg N
3,5 ton/ton N
Hög
Deammonifikation (Anammox)
0,5 kWh/kg N
0 kg/kg N
0,4 ton/ton N
Låg
Från två hinkar
i laboratorieskala (2 x 8 liter)
sedan 1999 vid KTH
Himmerfjärdsverkets
pilotanläggning
(2 x 2,1 m3)
åren 2001–2007
till fullskala 2007
Första fullskaleanläggningen i Sverige
med deammonifikation
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
Anammox i avloppsvattenrening
Rejekvattenbehandling
• Varmt vatten + hög N koncentration = på väg att bli etablerad teknik
15-20% minskning av N belastning till avloppsverk
3 anläggningar i Sverige:
• Stockholm Himmerfjärden (2007) – DeAmmon®, 480 kgN/d
• Malmö Sjölunda (2010) – ANITATmMox, 200 kgN/d
• Växjö (2012) – ANITATmMox, 430 kgN/d
Nästan 100 i bl.a Nederländerna, Österike, Schweiz, Kina, Japan och USA
I huvudlinjen för avloppsvattenrening
• Låga temperaturer och koncentrationer = utmaning
• Anammoxbakterier hittas trots detta
• Var finns de och hur skall vi uppmuntra dem?
Kan anammox tillämpas i huvudlinjen
med framgång?
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
FoU av anammoxtekniken - SSV
Tillämpning i huvudströmmen
 Vid låga temperaturer (13-17 °C)
 Vid låga koncentrationer (30-50
mg NH4-N/l)
 Nya systemlösningar baserade på
anammoxprocessen:
- System med UASB och anammoxprocess
- IFAS system
 Övervakning av den mikrobiella
aktiviteten i biofilmen
Experiment i pilot skala i 2,5 år
Effektivare rejektvattenbehandling
 Vid höga temp. (25-30 °C) och
koncentrationer (800-1200 mg NH4-N)
 Höga belastningar 3,5-4 g NH4-N/m2 d
 Enkel kontroll med on-line mättningar
(syre, pH, redox, konduktivitet)
 Bättre syrestyrningsstrategi
 Modelleringsstudier av
anammoxprocessen
 Inverkan på global uppvärmning:
växthusgasemmissioner
 Underlag för fullskalegenomförande vid
kommunala reningsverk
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
Anammox i huvudströmmen
Utmaningar
Låg temperatur
Behålla tillräcklig aktivitet av AOB och anammoxbakterier
Utkonkurrera NOB
Möjliga lösningar på problemet
Undertrycka NOB-aktivitet :
 periodvis syrefritt (intermittent luftning)
 AOB och NOB-affinitet till syre (DO-koncentration i luftad fas)
 maximera fri ammoniakoncentration (pH-kontroll, SBR, intermittent matning),
 irreversibel hämning av kemiska faktorer (FA, FNA)
Öka aktivitet AOB, anammoxbakterier och bioreaktorns kapacitet:
 adaptering,
 andra parametrar (totalt oorganiskt kol, fri ammoniakoncentration),
 högre koncentration av biomassa (IFAS).
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
7
FoU av anammoxtekniken - SSV
Experimentella system, labb- och pilotskaleförsök
vid Hammarby Sjöstadsverk
Reaktorparametrar
arbetsvolym: 200L
Kaldnesbärare: 80 L
Elektrokemiska on-line mätningar
R1
R2
(syre, pH, konduktivitet, redox.)
MBBR- Moving Bed Biofilm Reactor
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
Mätteknik för Anammoxprocessen
Elektrokemiska mätningar (syre,
pH, konduktivitet, redox )
Fysikalisk - kemiska mätningar
Specifik anammoxaktivitetstest
(SAA)- anammoxaktivitet
OUR Test - AOB, NOB, H
bakterieaktivitet
NUR Test – denitrifikationsbakterieaktivitet
SAA
Mätningar baserade på
mikrobiologi (CLSM,
FISH, PCR, q-PCR )
Biofilmstruktur
Funktion och mikrobiell
population
OUR
NUR
Enstegs nitritation/anammox vid låga temperaturer
6
25°C
Period IV
Period III
Period II
Period I
22°C
19°C
16°C
Period V
13°C
Period VI
10°C
5
gNm-2d-1
4
3
2
1
0
0
100
200
300
Nitrogen loading rate
400
500
Nitrogen removal rate
600
700
800
Days
1 100
1 000
900
mgN L-1
800
700
600
81.5%
500
76.3%
71.9%
75.9%
52.7%
400
300
15.9%
200
100
0
0
NH4-N
100
NO2-N
200
NO3-N
300
Influent NH4-N
400
500
600
700
800
Days
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
10
Enstegs nitritation/anammox vid låga temperaturer
Period I
4,5
Period II
Period III
Period IV
Period V
Period VI
SAA and NUR (gNm-2d-1)
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
100
SAA
200
300
NUR
400
Days
500
600
700
800
The potential activities of the anammox bacteria (measured as SAA) and denitrifying bacteria (measured by NUR) of the biomass on the carriers at
different periods in the MBBR. The data show average values, error bars show standard deviation (n=3) for SAA
Temperature in MBBR (°C)
25
22
19
16
13
10
Nitrogen conversion in
the activity test
(OUR)
NOB(gNm-2d-1)
AOB(gNm-2d-1)
1.24
1.01
0.92
0.67
0.78
0.81
Ratio (NRR/SAA)
0.67
0.71
0.71
0.58
0.45
1.03
80%
77%
77%
46%
30%
10%
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
11
Enstegs nitritation/anammox vid låga temperaturer
3
Specific Anammox aactivity (gNm-2d-1)
19°C
16°C
13°C
10°C
2,5
2
1,5
1
0,5
0
25
20
15
10
5
Temperature (°C )
Influence of the temperature, applied in the batch activity tests (5-25°C), on the SAA of biomass from periods III, IV,
VI and VI, corresponding to reactor temperatures of 19, 16, 13 and 10°C (n=3). Error bars show standard
deviation.
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
12
Enstegs nitritation/anammox vid låga temperaturer
AOB
Anammox
Bacteria
Other
Bacteria
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
13
Studerade system – jonbyte med partiell
nitritation/anammoxprocess
Koncentration med jonbyte efter högbelastad aktivslamprocess (HRAS)
Koncentration med jonbyte efter UASB reaktor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
14
Studerade system – partiell nitritation/anammox efter
avskiljning av organiskt material i UASB-reaktor
A
Deammonifikation in MBBR-system efter UASB
B
Deammonifikation i IFAS-system efter UASB
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
15
UASB + deammonifikation
Experimentell uppställning och driftperioder
T=20 °C
T=25 °C
Period
Syfte
I
Studera deammonifikation I
MBBR vid övergång från
rejektvatten till primär
behandlat avloppsvatten
II
Optimering av
processprestanda genom
testning av olika
driftstrategier
III (from 2014-03)
Testning av IFAS
system for
kväveavlägsning
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
16
Period I – Övergång till huvudströmmens avloppsvatten
HRT = 2.5 d
NL = 1.8 g N /(m2 d)
MLSS = 178 mg/L
HRT = 0.75 d
NL = 0.21 g N /(m2 d)
MLSS = 13 mg/L
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
17
Period I och II - Systemkapacitet och kväveflöden
• Nitratackumulering sedan fas VI (108 mg NH4-N/L);
• SAA: 3.5→1.5 g N/(m2 d);
• NO3-Nprod/NH4-Nrem kvot före övergång till IFAS = 37%;
• N-avlägsning i fas VIII var max. 40%. Blev bättre senare.
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
18
Period III - IFAS system (Integrated Fixed Film
Activated Sludge)
36
53
70
52
Effektivitet (%)
18
34
55
46
NRR (g N / m3 d)
44
31
19
40
NO3 produktion
(% of NH4 oxiderat)
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
19
19
Avloppsverk med Anammox–mer biogas!
Energikonsumption för 3 alternativ avloppsrening: A) konventionell
B) konventionell med anammox för rejektvattenbehandling; C) med
anammox i huvudlinjen (Siegrist et al. 2008 (S1))
Massflöde (g p-1 d-1)
Energi (Wh p-1 d-1)
Alt. A
Alt. B
Alt. C
Alt. A
Alt. B
Alt. C
Luftning, C avskiljning
40
30
15
- 40
- 30
- 15
Luftning, N b avskiljning
22
22
16
- 22
- 22
- 16
- 20
- 20
- 15 a
+ 38
+ 51
+ 70
- 44
- 21
+ 24
Syre- och energibehov
Energi för pumpning
/omrörning
Metan-COD och
elektricitet från biogas
30
40
Netto Energi
a
b
55
lägre pga inget recirkulationsflöde
Nitrat i utfföde för A och B: 2,5 g p-1 d-1; för C 1.1 g p-1 d-1
Ref: S1. H. Siegrist et al., Water Sci. Technol.57, 57, 383 (2008)
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
20
Slutsatser
•
Effektiv kväverening från avloppsvattnet i huvudlinjen är möjlig genom kombination av jonbyte
för kvävekoncentration och partiell nitritation / Anammox
•
Studierna visade stabilitet i nitritations-/Anammoxbiomassa i MBBR vid låg temperatur och låg
kvävekoncentration
•
Aktivitet av Anammoxbakterier minskade signifikant med sjunkande temperatur. Bakteriell
sammansättning av biofilm (anammoxbakterier och AOB) har inte ändrats (qPCR)
•
Nitritation / Anammox visade god processprestanda vid låga temperaturer (ner till 13 °C) och
vid höga kvävekoncentrationer
•
Undertryckande av NOB är en nyckelfaktor för framgångsrik drift av processen.
Intermittent luftning med rätt DO-värde kan vara ett sätt för NOB-undertryckande
•
Kombination av UASB för borttagning av organiskt material och nitritation / Anammox för
kväveavskiljning är en potentiell teknik för framtida kommunal avloppsrening
•
IFAS-system ger bättre effektivitet och fler möjligheter för kontroll av AOB / NOB konkurrens.
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
21
TACK!
KTH/IVL
Jozef Trela
Andriy Malovanyy
Razia Sultana
Jingjing Yang
Karol Trojanowicz
Elzbieta Plaza
Chalmers tekniska
högskola
Britt-Marie Wilén
Frank Persson
Trela, J., Malovanyy, A., Yang, J., Plaza, E., Trojanowicz, K., Sultana, R., Wilén, BM., Persson, F., Baresel, C. 2014. Deammonification Synthesis report 2014. Nr
B2210, Oct 2014, Swedish Environmental Research Institute (IVL).
Avlopp & Miljö – Örebro 20-21 Januari 2015
22