Application of Anaerobic Ammonium Oxidation in Mainstream Municipal Wastewater Treatment
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Partielle Nitritation in Kombination mit anaerober Ammoniumoxidation (PN-A, de auch Deammonifikation) hat in den vergangenen Jahren als Alternative zu konventionellen Verfahren der Stickstoffelimination mehr und mehr an Aufmerksamkeit gewonnen. PN-A verbraucht weniger Belüftungsenergie und erfordert keinen organischen Kohlenstoff wie die Denitrifikation. PN-A Verfahren werden schon erfolgreich zur Behandlung hochkonzentrierter und warmer Abwässer, meist aus der Schlammentwässerung kommunaler Kläranlagen eingesetzt. Dieses Forschungsprojekt untersuchte nun inwieweit die Anwendbarkeit von PN-A Verfahren über bisherige Anwendungen hinaus erweitert werden kann, insbesondere auf kältere Abwässer mit niedrigeren Konzentrationen. Um Möglichkeiten auszuloten und zu untersuchen welche Technologie am besten geeignet sind, wurden vier Laborreaktoren über einen Zeitraum von über 2 Jahren betrieben und intensiv beprobt. Dabei wurde ein interdisziplinärer Ansatz verfolgt, der Reaktorbetrieb (zwei verschiedene Technologien, SBR und MBBR) mit Batchversuchen und molekularbiologischen Methoden kombinierte, um ein vertieftes Prozessverständnis zu generieren. Zum ersten Mal kam dabei ein Forschungsansatz zum Einsatz, der auf einer realistischen und stetigen Temperaturänderung (von 20° bis 10°C und zurück zu 20°C über ein Jahr) beruhte und gleichzeitig verschiedene Verfahren verglich. Dabei wurden zwei einjährige Zyklen durchlaufen, einer mit synthetischem Medium (nur Ammonium als Substrat) und einer mit realem Abwasser. Folgende Erkenntnisse wurden erzielt: Schon während des ersten Temperaturabfalls von 20°C nach 10°C konnte eine starke Korrelation zwischen der Struktur der Biomasse (suspendiert, granuliert, 2mm und 10 mm dicker Biofilm) und der Leistung der Reaktoren beobachtet werden, wobei die dickeren Biofilme besser abschnitten. - Die Hypothese, dass die Akkumulation von Nitrat eine der größeren Herausforderungen sein würde, bestätigte sich nicht, da eher eine vermehrte Anreicherung von Nitrit beobachtet werden konnte, insb. in Temperaturbereichen von 10-15°C. - Diese Nitrit-Akkumulation korrelierte gut mit der Biomassegeometrie: der dickste Biofilm (10 mm) zeigte die geringste Nitrit-Akkumulation bei niedrigen Temperaturen. Dies bestätigte sich auch aus den Batch Versuchen, mit welchen sich nachweisen lies, dass nur in dem MBBR mit dem 10 mm Biofilm ein Rückgang des Nitrits und ein Wieder-Anstieg der Anammox Aktivität bei 10°C beobachtet werden konnte. - Aus der durchgeführte Populationsanalyse zeigte sich, dass die Inokula, obwohl sie aus ganz unterschiedlichen Anlagen stammten, die gleiche Kern-Population an Stickstoffentfernern aufwiesen. Etwas überraschen war, dass die Biomassen zu über 50 % aus heterotropher Biomasse bestanden, und die eigentliche Kern-Population der autotrophen Stickstoffentferner nur einen geringeren Anteil ausmachte. - Die Veränderung in der mikrobiellen Population war in den MBBR eher gering, wohingegen beide SBR deutliche Veränderungen zu verzeichnen hatten, u.a. auch einen deutlich höheren Verlust an Anammox Bakterien. - Die durchgeführten Temperaturanstiege und der Wechsel der Zulaufzusammensetzung zum realen Abwasser hatten eine bessere Regenerationsfähigkeit der dünnen Biofilme gegenüber den dickeren Biofilmen zur Folge, was sich auch an der Erholung der Populationen der aeroben und anaeroben Ammoniumoxidierer zeigte. Die Kombination verschiedener Methoden und die lange Reaktorlaufzeit erlaubten einen sehr detaillierten Blick in den PN-A Prozess. Dieses Forschungsprojekt hat gezeigt, dass eine Anwendung von PN-A Verfahren in der kommunalen Abwasserreinigung generell möglich ist. Zukünftige Arbeiten sollten sich mit der Optimierung des Betriebs und der Prozessstabilität beschäftigen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2014) Low Temperature Partial Nitritation/Anammox in a Moving Bed Biofilm Reactor treating low strength Wastewater. Environmental Science & Technology, 48(15), 8784-8792
Gilbert E.M., Agrawal S., Karst S., Horn H., Nielsen P. H., Lackner S.
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(2014) Response of different Nitrospira sp. to anoxic periods depends on operational DO. Environmental Science & Technology, 48(5), 2934-2941
Gilbert E.M., Agrawal S., Brunner F.C., Schwartz T., Horn H. and Lackner S.
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(2014) The Role of Biofilm Thickness on Partial Nitritation/Anammox Performance at Low Temperature, 11th IWA Leading Edge Conference on Water and Wastewater Technologies, Abu Dhabi, UAE
Gilbert E.M., Agrawal S., Horn H., Lackner S.
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(2014). Effect of annual temperature changes on the combined partial nitritation-anammox process, IWA Specialist Conference on Global Challenges for Sustainable Wastewater Treatment and Resource Recovery, Kathmandu, Nepal
Gilbert E.M., Agrawal S., Horn H., Lackner S.
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(2014). NOB Suppression in Partial Nitritation/Anammox Processes for Side- and Mainstream Treatment, IWA Specialist Conference on Global Challenges for Sustainable Wastewater Treatment and Resource Recovery, Kathmandu, Nepal
Gilbert E.M. Agrawal S., Brunner F., Moser S., Becker S., Horn H., Lackner S.
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(2015) Comparing different Reactor Configurations for Partial Nitritation/Anammox at low Temperatures. Water Research, 81, 92-100
Gilbert E.M., Agrawal S., Schwartz T., Horn H., Lackner S.
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(2015) Influence of seasonal temperature fluctuations on two different partial nitritation-anammox reactors treating mainstream municipal wastewater. Water Science & Technology, 72(8), 1358-1363
Lackner S., Welker S., Gilbert E.M., Horn H.
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(2015). Influence of seasonal temperature increase on PN/A reactors for mainstream wastewater treatment, IWA Specialist Conference on Nutrient Removal and Recovery: moving innovations into practice, Gdańsk, Poland
Lackner S., Welker S., Gilbert E.M., Horn H.
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(2015). Microbial Community Analysis by Next-Generation Sequencing and qPCR in mainstream PN/A Reactors, IWA Specialist Conference on Nutrient Removal and Recovery: moving innovations into practice, Gdańsk, Poland
Agrawal S., Gilbert E.M., Schwartz T., Horn H., Karst S., Nielsen P.H., Lackner S.
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(2016). Substrate Contentment: Influence of residual ammonium and dissolved oxygen concentrations on autotrophic nitrogen removal. WEF/IWA Nutrient Removal and Recovery, Denver, Colorado, USA
Welker S., Horn H., Lackner S.
