Οικονομική και ενεργειακά αποδοτική αφαίρεση αζώτου από λύματα υψηλής αντοχής σε αμμωνία με χρήση φυκιών, βακτηρίων και ανταλλαγής ιόντων

Με την αυξανόμενη πίεση στους φυσικούς πόρους και την ανάγκη για καθαρό νερό και βιώσιμες και ενεργειακά αποδοτικές τεχνολογίες, οι μονάδες επεξεργασίας λυμάτων ωθούνται προς την ενοποίηση της ανάκτησης πόρων και ενέργειας. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη προσέγγιση είναι η προσθήκη αναερόβιας χώνευσης αποβλήτων οργανικής ύλης.

Η λειτουργία των αναερόβιων χωνευτών σε θερμόφιλες θερμοκρασίες έχει ως αποτέλεσμα την αυξημένη παραγωγή βιοαερίου, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας επί τόπου. Το μειονέκτημα αυτής της διαδικασίας είναι η παραγωγή απορριπτόμενου νερού που παράγεται κατά την αφυδάτωση της αναερόβια χωνεμένης ιλύος. Το νερό απόρριψης χαρακτηρίζεται από πολύ υψηλή συγκέντρωση αμμωνίου-αζώτου (NH₄ -Ν) (έως 2.000 mg/L), το οποίο απελευθερώνεται από τα κύτταρα κατά την αποικοδόμηση της οργανικής ύλης.

Σε πολλές εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων, το απορριπτόμενο νερό ανακυκλώνεται πίσω στην κεφαλή της μονάδας χωρίς προηγούμενη επεξεργασία. Όταν επανακυκλοφορεί πίσω στην κύρια διαδικασία, προσθέτει έως και 15-30% του NH₄ -Ν φορτίο στην εισροή, το οποίο μπορεί να αναστείλει τη νιτροποίηση, να αυξήσει τις απαιτήσεις αερισμού και να επηρεάσει αρνητικά τη συνολική απόδοση απομάκρυνσης αζώτου.

Η χωριστή επεξεργασία του απορριπτόμενου νερού αντιπροσωπεύει μια καλύτερη εναλλακτική λύση. Μειώνει το φορτίο επιστροφής Ν, μεσολαβεί στις διακυμάνσεις του φορτίου και αυξάνει την απόδοση απομάκρυνσης της κύριας ροής Ν, γεγονός που μπορεί να βοηθήσει τη μονάδα να συμμορφωθεί με τους περιβαλλοντικούς κανονισμούς που στοχεύουν στη μείωση του ευτροφισμού. Επιπλέον, μειώνει την κατανάλωση ενέργειας και χημικών. Η χρήση αποκλειστικών αντιδραστήρων που είναι βελτιστοποιημένοι για την επεξεργασία χαμηλών ροών, υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής NH₄ Οι συγκεντρώσεις μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την αποτελεσματικότητα της επεξεργασίας απόρριψης νερού.

Οι διεργασίες βιολογικής αφαίρεσης αζώτου (BNR), όπως η νιτροποίηση/απονιτροποίηση, χρησιμοποιούνται συνήθως στην επεξεργασία λυμάτων. Η συμβατική νιτροποίηση/απονιτροποίηση περιλαμβάνει οξείδωση αμμωνίου (NH₄ ) σε νιτρικό (NO₃). ) μέσω νιτρωδών (ΟΧΙ₂ ) σχηματισμός και μείωση του NO₃ σε αέριο άζωτο (N₂ ). Η προσθήκη οξυγόνου και εύκολα βιοαποδομήσιμης οργανικής ύλης σε διαδοχικά αερόβια και ανοξικά στάδια απαιτείται συνήθως για αυτή τη διαδικασία, με αποτέλεσμα υψηλό λειτουργικό κόστος. Μια εναλλακτική διαδικασία BNR, συντόμευση αφαίρεσης αζώτου, όπου NH₄ οξειδώνεται σε ΝΟ₂ (νιτροποίηση) και στη συνέχεια μειώνεται σε N₂ (απονιτροποίηση), προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα. Η διαδικασία απαιτεί 25% λιγότερο αερισμό, 40% λιγότερη πηγή άνθρακα και δημιουργεί 40% λιγότερη λάσπη.

Τα φύκια έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί στην επεξεργασία λυμάτων. Τα φύκια μπορούν να αφαιρέσουν το άζωτο είτε με άμεση αφομοίωση του αζώτου είτε με την παραγωγή οξυγόνου παρουσία φωτός που καταναλώνεται από μικροοργανισμούς νιτροποίησης. Η συμβίωση φυκιών και βακτηρίων μπορεί να αποφέρει ορισμένα οικονομικά οφέλη και να κάνει τη συμβατική διαδικασία BNR πιο οικονομική και λιγότερο ενεργοβόρα. Μέχρι πρόσφατα, η κύρια εστίαση αυτής της έρευνας ήταν η χρήση φυκιών και βακτηρίων στη διαδικασία νιτροποίησης.

Σε προηγούμενες μελέτες στο εργαστήριό μας, οι Wang et al. (2015) ήταν οι πρώτοι που ανέπτυξαν μια νέα τεχνολογία που συνδυάζει κοινοπραξίες φυκιών-βακτηρίων με συντόμευση απομάκρυνσης αζώτου. Χρησιμοποιώντας έναν αντιδραστήρα παρτίδας φωτο-αλληλουχίας φυκιών-βακτηρίων (PSBR) με εναλλασσόμενους κύκλους φωτός και σκότους και προσθήκη εξωτερικής πηγής οργανικού άνθρακα, οι Wang et al. (2015) πέτυχε 95% NH₄ αφαίρεση από αναερόβια χωνεμένο συμπύκνωμα κοπριάς χοίρων. Στο PSBR, το οξυγόνο που παράγεται από τα φύκια μέσω της φωτοσύνθεσης κατά τη διάρκεια του κύκλου φωτός προώθησε τη νιτροποίηση, ενώ κατά τη διάρκεια του σκοτεινού κύκλου το οξυγόνο καταναλώθηκε γρήγορα από μικροοργανισμούς, οι οποίοι διεγείρουν την απονιτροποίηση (Εικόνα 1).

Η καταστολή των νιτρωδών μικροοργανισμών που είναι υπεύθυνοι για την παραγωγή νιτρικών έγινε με τη χρήση υψηλών συγκεντρώσεων αμμωνίου και νιτρωδών και χαμηλών συγκεντρώσεων διαλυμένου οξυγόνου. Υπολογίστηκε ότι η φωτοσύνθεση των φυκών παρείχε το 74% του οξυγόνου στο σύστημα, ενώ το υπόλοιπο 26% προερχόταν από μηχανικό αερισμό. Αυτό δείχνει ότι το προτεινόμενο PSBR μπορεί να προσφέρει σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας και κόστους σε σχέση με τη συμβατική διαδικασία BNR.

Σε μια μελέτη παρακολούθησης που πραγματοποιήθηκε από τους Arashiro et al. (2017), έγινε μια πρώτη προσπάθεια κατανόησης των κυρίαρχων παραγόντων που διέπουν αυτή τη νέα διαδικασία, όπως ο χρόνος κατακράτησης στερεών (SRT), καθώς και η ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου που περιγράφει πώς η συγκέντρωση των στερεών στο PSBR επηρεάζει τη διαθεσιμότητα φωτός και σχετίζονται με την παραγωγή οξυγόνου και την απομάκρυνση του αζώτου. Το μοντέλο ενεργού λάσπης της Διεθνούς Ένωσης Νερού Νο. 3, τροποποιημένο ώστε να περιλαμβάνει διεργασίες φυκιών, προσέφερε καλή προσαρμογή στα πειραματικά δεδομένα.

Arashiro et al. (2017) ανέφερε μια πολύ παρόμοια συνολική απόδοση απομάκρυνσης ανόργανου Ν 95% και 94% σε PSBR που λειτουργούσαν με SRT 7 και 11 ημερών, αντίστοιχα. Ταυτόχρονα, παρατήρησαν μείωση της έντασης φωτός λόγω υψηλότερης συγκέντρωσης στερεών και αυτοσκίασης των κυττάρων σε ένα PSBR με υψηλότερο SRT, που είχε ως αποτέλεσμα μια αντίστοιχη μείωση στη διαθεσιμότητα οξυγόνου για τα νιτροποιητικά βακτήρια. Η τρέχουσα έρευνά μας εξετάζει περαιτέρω την επίδραση του SRT στην απόδοση του PSBR όσον αφορά την αφαίρεση αζώτου, καθώς και τις αλλαγές στη σύνθεση των μικροβιακών κοινοτήτων σε διάφορες SRT.

Παρά τα πλεονεκτήματα του PSBR με τη συντόμευση απομάκρυνσης αζώτου, η προσθήκη μιας πηγής οργανικού άνθρακα εξακολουθεί να απαιτείται για την απονιτροποίηση. Προκειμένου να μειωθεί το κόστος που σχετίζεται με τη χημική προσθήκη, οι Manser et al. (2016) ανέπτυξε μια νέα έννοια που ονομάζεται ALGAMMOX. Το ALGAMMOX ή η αναερόβια οξείδωση του αμμωνίου από φύκια συνδυάζεται σε ένα μικροφύκη PSBR, βακτήρια οξειδώσεως αμμωνίας και κόκκους anammox (Εικόνα 2).

Το Anammox οξειδώνει το αμμώνιο παρουσία νιτρωδών σε αέριο άζωτο υπό ανοξικές συνθήκες. Όντας αυτότροφοι μικροοργανισμοί, δεν απαιτούν οργανικό άνθρακα για το μεταβολισμό τους. Με βάση τα προκαταρκτικά αποτελέσματα, το ALGAMMOX έδειξε πολλά υποσχόμενο για την επίτευξη πλήρους απομάκρυνσης αζώτου από λύματα υψηλής αντοχής σε αμμωνία χωρίς την ανάγκη μηχανικού αερισμού ή προσθήκης οργανικού άνθρακα.

Το πρόβλημα με την επεξεργασία ροών αποβλήτων υψηλής συγκέντρωσης είναι ότι η παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων ελεύθερης αμμωνίας έχει ανασταλτική επίδραση στα φύκια. Προηγουμένως, αυτό το ζήτημα επιλύθηκε με αραίωση του συμπυκνώματος με γλυκό νερό ή χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση αντιδραστήρα τροφοδοσίας παρτίδας. Μία από τις πιθανές στρατηγικές για την επεξεργασία λυμάτων υψηλής αντοχής σε αμμωνία προτάθηκε από τους Wang et al. (2018) ο οποίος πρότεινε μια νέα διαδικασία φωτοσύνθεσης και ανταλλαγής ιόντων υβριδικών φυκών (HAPIX). Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το αμμώνιο προσροφάται προσωρινά από ένα υλικό ανταλλαγής ιόντων ζεόλιθο, που αντιπροσωπεύεται από τον χαβαζίτη, ο οποίος θα μειώσει τη συγκέντρωση της ελεύθερης αμμωνίας στο υγρό κάτω από το ανασταλτικό επίπεδο. Η επακόλουθη εκρόφηση αμμωνίου από τον ζεόλιθο θα υποστηρίξει την ανάπτυξη των φυκών (Εικόνα 3).

Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι η προτεινόμενη διεργασία HAPIX ήταν ικανή να μειώσει την τοξικότητα της ελεύθερης αμμωνίας απορροφώντας το μεγαλύτερο μέρος του αμμωνίου που υπήρχε στο συμπύκνωμα. Επιπλέον, διάφορες δοσολογίες ζεόλιθου αποδείχθηκε ότι έχουν επίδραση στην παραγωγή πρωτεΐνης και αμύλου στη βιομάζα των φυκών, η οποία μπορεί να συλλεχθεί για χρήση ως ζωοτροφή ή για παραγωγή πολυμερών. Οι Δρ. Ο Ergas και ο Wang κατέθεσαν δίπλωμα ευρεσιτεχνίας (17A090PRC_Ergas, σε εκκρεμότητα) για τη διαδικασία HAPIX το 2018.

Η τρέχουσα έρευνά μας συνεχίζει να χρησιμοποιεί υλικό ανταλλαγής ιόντων για την επεξεργασία λυμάτων υψηλής αντοχής σε αμμωνία, ενσωματώνοντάς το με βακτηριακή βιομάζα φυκιών και κόκκους anammox για μείωση τόσο του μηχανικού αερισμού όσο και της ανάγκης για προσθήκη οργανικού άνθρακα. Η νέα προτεινόμενη διαδικασία ονομάζεται ALGAMMIX (φυκική αναερόβια οξείδωση αμμωνίου με ανταλλαγή ιόντων).

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Διαδικασία υβριδικής φωτοσύνθεσης και ανταλλαγής ιόντων (HAPIX) για επεξεργασία λυμάτων υψηλής αντοχής σε αμμώνιο, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Water Research. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Meng Wang, Karl A. Payne και Sarina J. Ergas από το University of South Florida και Shuang Tong από το University of South Florida, China University of Geoscience και το Beijing Key Laboratory of Meat Processing Technology.

Αυτό το υλικό βασίζεται σε εργασία που υποστηρίζεται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών με τους αριθμούς επιχορήγησης 1243510 και 1511439. Τυχόν απόψεις, ευρήματα και συμπεράσματα ή συστάσεις που εκφράζονται σε αυτό το υλικό είναι των συγγραφέων και δεν αντικατοπτρίζουν απαραίτητα τις απόψεις του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών .

Αναφορές:

1. Arashiro, L.T., Rada-Ariza, A.M., Wang, M., van der Steen, P. &Ergas, S.J. (2017). Μοντελοποίηση συντόμευσης απομάκρυνσης αζώτου από λύματα χρησιμοποιώντας κοινοπραξία φυκιών-βακτηρίων. Water Science and Technology, 75 (4), σελ. 782-792.
2. Manser, N.D., Wang, M., Ergas, S.J., Mihelcic, J.R., Mulder, A., van de Vossenberg, J., van Lier, J.B. &van der Steen, P. Βιολογική αφαίρεση αζώτου σε παρτίδα φωτοαλληλουχίας αντιδραστήρα με κοινοπραξία βακτηρίων που νιτροποιούν φύκια και κόκκους anammox.
3. Wang, M., Payne, K., Tong, S. &Ergas, S.J. (2018). Διαδικασία φωτοσύνθεσης και ανταλλαγής ιόντων υβριδικών φυκών (HAPIX) για επεξεργασία λυμάτων υψηλής αντοχής σε αμμώνιο. Water Research, 142, σσ. 65-74.
4. Wang, Μ., Yang, Η., Ergas, S.J. και van der Steen, P. (2015). Μια νέα διαδικασία συντόμευσης απομάκρυνσης αζώτου χρησιμοποιώντας μια κοινοπραξία φυκιών-βακτηρίων σε αντιδραστήρα παρτίδας φωτο-αλληλουχίας (PSBR). Έρευνα για το νερό, 87, σσ. 38-48.