Anammox för klimatsmart kväveavskiljning

Anammox för klimatsmart kväveavskiljning Elzbieta Plaza VA-teknik, Institutionen för hållbar utveckling, miljövetenskap och teknik (SEED) Kungliga Tekniska Högskola - KTH e-mail: elap@kth.se 1

Anammox och Deammonifikation Anammox = Anaerob ammoniumoxidation (med nitrit) NH 4 + + NO 2 - N 2 + 2H 2 O 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 (μ max : 0,065 d -1 )

Fördelar ANAMMOX Sparar energi! Ingen extern kolkälla! O 2 NO 3 -N C source NO 2 -N NH 2 OH N 2 H 4 N 2 O 2 NH 3 Nitritation Nitrifikation Nitratation Denitrifikation Anammox Energi Kemikalier (metanol) CO 2 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 m 3 ) åren 2001 2007 till fullskala 2007 Första fullskaleanläggningen i Sverige med deammonifikation

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) ANITA Tm Mox, 200 kgn/d Växjö (2012) ANITA Tm Mox, 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?

FoU av anammoxtekniken - SSV Tillämpning i huvudströmmen Vid låga temperaturer (13-17 C) Vid låga koncentrationer (30-50 mg NH 4 -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 NH 4 -N) Höga belastningar 3,5-4 g NH 4 -N/m 2 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

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). 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

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 Mätningar baserade på mikrobiologi (CLSM, FISH, PCR, q-pcr ) Biofilmstruktur Funktion och mikrobiell population SAA OUR NUR

Enstegs nitritation/anammox vid låga temperaturer 6 Period I Period II Period III Period IV Period V Period VI 25 C 22 C 19 C 16 C 13 C 10 C 5 4 gnm -2 d -1 3 2 1 0 1 100 1 000 900 800 mgn L -1 700 600 500 400 300 200 100 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Nitrogen loading rate Nitrogen removal rate Days 81.5% 76.3% 71.9% 75.9% 52.7% 0 100 200 300 400 500 600 700 800 NH4-N NO2-N NO3-N Influent NH4-N Days 15.9% 10

Enstegs nitritation/anammox vid låga temperaturer 4,5 Period I Period II Period III Period IV Period V Period VI 4 SAA and NUR (gnm -2 d -1 ) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 SAA NUR Days 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) Nitrogen conversion in the activity test (OUR) AOB(gNm -2 d -1) NOB(gNm -2 d -1) Ratio (NRR/SAA) 25 1.24 0.67 80% 22 1.01 0.71 77% 19 0.92 0.71 77% 16 0.67 0.58 46% 13 0.78 0.45 30% 10 0.81 1.03 10% 11

Enstegs nitritation/anammox vid låga temperaturer 3 Specific Anammox aactivity (gnm -2 d -1 ) 2,5 2 1,5 1 0,5 19 C 16 C 13 C 10 C 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. 12

Enstegs nitritation/anammox vid låga temperaturer AOB Anammox Bacteria Other Bacteria 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) 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 15

UASB + deammonifikation Experimentell uppställning och driftperioder T=20 C T=25 C Period I II III (from 2014-03) Syfte Studera deammonifikation I MBBR vid övergång från rejektvatten till primär behandlat avloppsvatten Optimering av processprestanda genom testning av olika driftstrategier Testning av IFAS system for kväveavlägsning 16

Period I Övergång till huvudströmmens avloppsvatten HRT = 2.5 d NL = 1.8 g N /(m 2 d) MLSS = 178 mg/l HRT = 0.75 d NL = 0.21 g N /(m 2 d) MLSS = 13 mg/l 17

Period I och II - Systemkapacitet och kväveflöden SAA: 3.5 1.5 g N/(m 2 d); Nitratackumulering sedan fas VI (108 mg NH 4 -N/L); NO 3 -N prod /NH 4 -N rem kvot före övergång till IFAS = 37%; N-avlägsning i fas VIII var max. 40%. Blev bättre senare. 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 NO 3 produktion (% of NH 4 oxiderat) 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)) Syre- och energibehov 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 Energi för pumpning /omrörning Metan-COD och elektricitet från biogas - 20-20 - 15 a 30 40 55 + 38 + 51 + 70 Netto Energi - 44-21 + 24 a lägre pga inget recirkulationsflöde b 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) 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. 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, B- M., Persson, F., Baresel, C. 2014. Deammonification Synthesis report 2014. Nr B2210, Oct 2014, Swedish Environmental Research Institute (IVL). 22