Samtidig anaerob ammoniumoxidation och hydroge

Av: Bengt Andersson

I en anammoxprocess omvandlas ammonium och nitrit till kvävgas och nitrat med hjälp av kemoautotrofa anammoxbakterier och processen medför stora besparingar för luftning och elektrongivare. Nitrathalten kan emellertid inte minskas i anammoxprocessen och ett kompletterande steg kan därför erfordras. En komplettering med heterotrof denitrifikation är en möjlighet men då erfordras tillsats av organiskt kol som elektrongivare, vilket inte passar in i anammoxprocessen. Därför krävs en utveckling av en process som kan drivas och fungera genom tillsats av endast oorganiska föreningar.

En möjlig process är en kombination av anammox och hydrogenotrof denitrifikation (HD), där processen drivs genom reduktion av NO₃-N och NO₂-N. I denna process (CAHD) utnyttjas kvävgas som elektrongivare, där utgående NO₃-N från anammox tillsammans med H₂ omvandlas till NO₂-N som i sin tur omvandlas med inkommande NH₄-N till N₂ och NO₃-N i anammoxprocessen. Stökiometriskt avskiljs ungefär samma mängd ammonium och nitrat i processen, mängden överskottsslam begränsas genom de autotrofa reaktionerna och tillsats av kvävgas stör inte anammoxprocessen.  

För en utveckling av CAHD-processen erfordras en noggrann och allsidig utvärdering av nyckelparametrarna för processkombinationen, processtabiliteten och den mikrobiella strukturen. Syftet med refererad studie var att utvärdera en CAHD-process med ett syntetiskt oorganiskt avloppsvatten vad gäller val av driftparametrar och att belysa stabiliteten under ett långtidstest. Vidare vad avsikten att kunna förklara mekanismerna genom bestämning av den huvudsakliga mikrobiella sammansättningen relaterad till CAHD.

Genomförande

Försöken genomfördes i laboratorieskala i två parallella fastbäddsreaktorer, där den ena drevs utan och den andra med pH-kontroll genom tillförsel av CO₂. Rektorerna ympades med ett anammoxslam och tillförd vätgas genererades i en vattenelektrolysgenerator. 

Försöken indelades i fyra olika delförsök. Det första var en utvärdering av CAHD-processen med 40 mg N/l av NH₄ och NO₃ och 5 ml H₂/min/l_reaktor. Det andra och det tredje var batchförsök med pH-kontroll med 40 mg N/l av NH₄ och NO₂ för att belysa anammoxprocessen resp. med 40 mg N/l av NH₄ och NO₃ och 5 ml H₂/min/l_reaktor för att belysa HD-processen. Det fjärde avsåg att belysa effekten av en minskad H₂-dosering. Efter utvärdering av de fyra delförsöken startades ett nytt försök med beaktande av resultaten från de tidigare försöken och för att belysa långtidsstabiliteten av CAHD-processen.

Provtagning gjordes för analys av kvävefraktioner samt för bestämning av den mikrobiella sammansättningen genom etablerad teknik.

Resultat

Avsikten med delförsöken var att hitta rätt H₂-dosering för en hög NH₄– och NO₃-avskiljning och med tillräcklig tillgång till NO₂ för anammoxprocessen. I det första försöket med konstant H₂-dosering erhölls en avskiljning av 46, 80 resp. 56 % av NH₄, NO₃ resp. DIN (summan av NH₄, NO₃ och NO₂). NO₂-halten var omkring 5 mg N/l under försöket. pH-kontroll av processen erfordrades för att undvika störning av anammoxprocessen.

I det tredje delförsöket var avskiljningen av NH₄ otillräcklig på grund av för hög dosering av H₂ med otillräcklig NO₂-halt för anammox. En minskad H₂-dosering i det fjärde delförsöket resulterade emellertid i en lägre avskiljning av NO₃. Slutsatsen var att minska kontakttiden mellan H₂ och HD-bakterierna genom intermittent H₂-dosering. 

Efter en omstart av reaktorerna fortsatte försöken med intermittent H₂-dosering under 180 dygn. Doseringen uppgick fortsatt till 5 ml H₂/min/l_reaktormed dosering under 14 minuter och utan dosering under 6 minuter. Utgående halter av NH₄ och NO₃ var konstant lägre än 15 resp. 10 mg N/l. Vid försökets slut var avskiljningen av NH₄-N, NO₃-N resp. DIN 73.4, 80.4 resp. 77 % med en avskiljning av 0,21 kg N/m³/d vid en belastning av 0,27 kg/m³/d. Förhållandet mellan NO₃– och NH₄-avskiljningen var mindre än 1,6 och närmare det teoretiska värdet jämfört med förhållandena under delförsök 1. Med intermittent H₂-dosering kunde NO₂-reduktion via HD-processen undvikas med bibehållen god NO₃-avskiljning och med en fungerande anammoxprocess för god NH₄-avskiljning utan NO₂-brist.

Den mikrobiologiska karakteriseringen visade att dominerande släkten utgjordes av Planctomycetes och β-Proteobacteria, där den relativa förekomsten förändrades markant efter H₂-doseringen. Dominerande bakterie inom Planctomycetes var Candidatus Jettenia, som är känd för sin aktivitet i anammoxprocessen. Den relativa förekomsten minskade från omkring 50 till drygt 15 % i slutet av försöket. Dominerande bakterie inom β-Proteobacteria var Dok59, som ökade kraftigt till omkring 65 % vid H₂-dosering. Information om Dok59 är begränsad men den visade stor likhet med Sulfuritalea hydrogenivorans, som kan reducera nitrat med vätgas som elektrongivare och som är en del av mikrobiologin i ett anammoxslam.  

Processens huvudsakliga flaskhalsar handlar om höga produktionskostnader för vätgasen och ett lågt gasutnyttjande på grund av den låga lösligheten i vatten. Försök till förbättringar pågår i form av applikationer med slutna trycksatta reaktorer och förbättring av diffusorerna med indikationer på en möjlig 75-procentig minskning av vätgasbehovet.

Slutsatser

Försök med samtidig avskiljning av ammonium och nitrat i en kombinerad process med anammox och hydrogenotrof denitrifikation med dosering av vätgas visade att  

Källa: T. Kamei, R. Eamrat, K. Shinoda, Y. Tanaka, F. Kazama. Coupled anaerobic ammonium oxidation and hydrogenotrophic denitrification for simultaneous NH₄-N and NO₃-N removal. Water Science & Technology 2019, 75.5, pp 975 – 984.

Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.