Le procédé d'oxydation anaérobie de l'ammoniac (ANAMMOX) a été développé en 1990 par le laboratoire de biotechnologie Kluyver de l'université de technologie de Delft aux Pays-Bas. Ce processus rompt avec les concepts théoriques de base des processus traditionnels d’élimination biologique de l’azote. Dans des conditions anaérobies, l'ammoniac est oxydé en azote gazeux en utilisant l'ammoniac comme donneur d'électrons et le nitrate ou le nitrite comme accepteur d'électrons. Cela permet d'économiser plus de 60 % de l'apport d'oxygène par rapport à une nitrification complète (oxydation de l'ammoniac en nitrate). L’utilisation de l’ammoniac comme donneur d’électrons permet également d’économiser la source de carbone requise dans les processus traditionnels d’élimination biologique de l’azote.
Le procédé ANAMMOX présente des avantages tels qu'une efficacité élevée d'élimination de l'azote, de faibles coûts d'exploitation et un faible encombrement, et présente un grand potentiel de développement dans le traitement des eaux usées. Actuellement, ce procédé devient de plus en plus abouti dans le traitement des boues municipales. La première unité ANAMMOX à l'échelle de production au monde, située dans la station d'épuration des eaux usées de Dokhaven à Rotterdam, aux Pays-Bas, a un taux d'élimination volumétrique de l'azote (NRR) pouvant atteindre 9,5 kg N/(m3·j). En outre, le procédé ANAMMOX est de plus en plus adopté dans le traitement des eaux usées à haute teneur en azote ammoniacal, telles que les eaux usées industrielles de fermentation, les lixiviats de décharge et les eaux usées d'aquaculture, ses applications techniques se répandant rapidement dans le monde entier.
Principe de l'oxydation anaérobie de l'ammoniac
Anammox est une réaction biologique dans des conditions anaérobies, utilisant l'ammoniac comme donneur d'électrons et le nitrite comme accepteur d'électrons pour produire de l'azote et du nitrate. Anammox implique deux processus : premièrement, le métabolisme de décomposition (production d'énergie), où l'ammoniac agit comme donneur d'électrons et le nitrite comme accepteur d'électrons, réagissant dans un rapport 1:1 pour produire de l'azote gazeux, stockant l'énergie sous forme d'ATP ; deuxièmement, l'anabolisme, où le nitrite agit comme accepteur d'électrons, fournissant un pouvoir réducteur et utilisant le dioxyde de carbone et l'ATP produits par le métabolisme de décomposition pour synthétiser des matériaux cellulaires, produisant ainsi du nitrate. Les bactéries anaérobies d’oxydation de l’ammoniac (AnAOB) sont les exécutants de l’oxydation anaérobie de l’ammoniac.
NH4++ NON2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358kg/mol
Le processus d'oxydation anaérobie de l'ammonium (ANAO) comprend principalement deux étapes : la première étape est la nitrification partielle, dans laquelle seulement environ 55 % de l'azote ammoniacal doit être converti en azote nitrite ; la deuxième étape est l'oxydation anaérobie de l'ammonium (ANAO), où l'azote ammoniacal, dans des conditions anaérobies, est oxydé en azote gazeux par l'azote nitrite en tant qu'accepteur d'électrons. C’est pourquoi on l’appelle également processus PN/A.
Dans ce processus, environ 89 % de l’azote inorganique est converti en azote gazeux et les 11 % restants sont convertis en azote nitrate. Par rapport aux processus traditionnels de nitrification-dénitrification, ANAO présente des avantages technologiques significatifs. Sa consommation d'énergie d'aération ne représente que 55 à 60 % de celle des procédés traditionnels ; ce processus ne nécessite presque aucune source de carbone. Si une source de carbone doit être ajoutée pendant l’ANAO pour éliminer les produits nitrates, la quantité ajoutée est également beaucoup plus faible que dans les processus traditionnels. Le dosage est réduit de 90 % ; le procédé anammox peut réduire la consommation d'alcalinité de 45 %. Simultanément, la production de boues du procédé anammox est bien inférieure à celle des procédés de dénitrification traditionnels, ce qui réduira considérablement les coûts de traitement et d'élimination des boues excédentaires.
Facteurs affectant Anammox
Créer des conditions de survie appropriées pour les bactéries anammox dans les systèmes de traitement des eaux usées traditionnels est un défi actuel, notamment l'enrichissement des bactéries anammox et AOB (bactéries azotées de l'ammoniac, qui convertissent l'azote ammoniacal en nitrite) et l'inhibition des bactéries NOB (bactéries oxydantes des nitrites, qui convertissent les nitrites en nitrate).
1. Température
L'activité métabolique des micro-organismes est largement affectée par la température. Les résultats de recherches antérieures indiquent que 35 degrés est la température optimale pour l'anammox. La température optimale pour Anammox est celle où son métabolisme biologique est le plus rapide et son cycle de reproduction le plus court. Cependant, la température de la plupart des eaux usées urbaines est basse (10 à 25 degrés), en particulier dans certaines régions de haute -latitude comme le nord de mon pays, où les températures des eaux usées sont souvent inférieures à 10 degrés. L'efficacité et la stabilité d'Anammox dans ces domaines présentent un défi important.
La température principale des eaux usées urbaines est généralement d'environ 10 à 20 degrés, inférieure à la température de croissance optimale de l'AnAOB (25 à 40 degrés), ce qui affectera la croissance des concentrations d'Anammox. 2. d'ammoniac et de nitrite.
Les substrats pour l'oxydation anaérobie de l'ammonium (ANAMO) sont l'ammoniac et le nitrite. Toutefois, des concentrations trop élevées de ces deux substances peuvent inhiber le processus. Des études ont montré que les concentrations inhibitrices pour l’ammoniac sont de 38,0 à 98,5 nmol/L et pour les nitrites, de 5,4 à 12,0 nmol/L. Jetten et coll. ont découvert qu'à des concentrations de nitrite supérieures à 20 nmol/L, le processus ANAMMOX est significativement inhibé. Une exposition prolongée (2 heures) à des concentrations élevées de nitrites peut détruire complètement l'activité d'ANAMMOX, mais à des concentrations de nitrites plus faibles (environ 10 nmol/L), son activité reste relativement élevée.
3. Valeur pH
Étant donné que l'ammoniac et le nitrite se dissocient dans les solutions aqueuses, la valeur du pH affecte l'ANAMMOX. Des études ont montré que le procédé ANAMMOX fonctionne bien dans une plage de pH de 6,7 à 8,3, avec un pH optimal d'environ 8.
4. Influence de la matière organique
La teneur en DCO dans les eaux usées... Il favorise la croissance des bactéries dénitrifiantes hétérotrophes et inhibe le processus Anammox. Le processus Anammox ne peut dominer que lorsque la DCO est consommée à un faible niveau par le premier. Cette problématique est particulièrement importante dans le traitement des eaux usées urbaines de haute-intensité. Les recherches de Winkler et al. indiquent qu'à 25 degrés, si le rapport C/N de l'eau brute est < 0,5, Anammox et la dénitrification hétérotrophe peuvent coexister harmonieusement sans entraîner une diminution de l'efficacité d'élimination de l'azote.
5. Stabilité de la nitrification courte-Lors de l'application du procédé Anammox, l'activité NOB doit être minimisée autant que possible dans les conditions ambiantes pour permettre l'accumulation de nitrite et maintenir le système de nitrification dans un état de nitrification courte-. Ceci est crucial pour assurer la stabilité d’Anammox. Le fonctionnement normal du processus est fondamental et directement lié à son effet thérapeutique. Les objectifs susmentionnés peuvent être atteints grâce au contrôle de l’ammoniac libre. Par conséquent, c'est pourquoi l'anammox est principalement appliqué aux eaux usées à haute teneur en azote ammoniacal, car l'ammoniac libre dans les eaux usées à haute teneur en azote ammoniacal peut inhiber le NOB, maintenant le système dans un état de nitrification raccourci dans des conditions de contrôle appropriées. Cependant, dans les eaux usées municipales, la stabilité de la nitrification courte-est affectée par la température et l'azote ammoniacal, rendant un fonctionnement stable impossible ! Dans le processus PN/A, l'étape de nitrification raccourcie est également affectée par la température car l'activité de l'AOB est inhibée à basse température, réduisant ainsi le taux de conversion de l'azote ammoniacal. De plus, l'énergie d'activation de l'AOB est supérieure à celle du NOB, ce qui entraîne une accumulation insuffisante de NO2, qui ne peut pas fournir suffisamment de substrat pour la réaction Anammox.
Procédé ANAMMOX et ses procédés dérivés
Les technologies Anammox utilisées dans des applications pratiques d’ingénierie peuvent être divisées en processus de boues en suspension, de boues granulaires et de biofilm.
1. Processus des boues en suspension
AOB et AAOB À croissance lente-et avec de longs cycles de génération, les micro-organismes se perdent facilement dans les systèmes de boues en suspension conventionnels. Par conséquent, les procédés de boues en suspension utilisent souvent des réacteurs discontinus de séquençage (SBR) pour retenir les micro-organismes.
De toutes les technologies SBR anammox, 80 % sont le procédé DEMON. Ce procédé a été appliqué pour la première fois à la station d'épuration de Strass en Autriche. Son principe de base est d'ajuster le temps d'aération en surveillant les changements de pH, ajustant ainsi l'équilibre entre la nitrification courte - et l'anammox. De plus, ce procédé utilise des hydrocyclones pour réguler l’âge des boues d’AAOB et d’AOB. Sous la force centrifuge, les micro-organismes sont séparés en deux parties : l’AOB plus léger déborde par le haut, tandis que l’AAOB plus lourd s’accumule au fond et retourne vers le réacteur. La station d'épuration de Strass a atteint une efficacité d'élimination autotrophe de l'azote de plus de 85 %.
2. Processus de boues granulaires
Un exemple typique de système à boues granulaires est le réacteur Anammox construit par Parker à Rotterdam. Les premiers processus flux-par-flux avaient tendance à utiliser des systèmes à deux-étages, donc en fonctionnement réel, le réacteur Anammox a été intégré à la nitrification précédemment construite... Le réacteur SHARON a été couplé pour former le système de réacteur Sharon-Anammox, dont le démarrage a pris 3,5 ans. Par la suite, Parker Biomedical a développé un réacteur Anammox intégré. Le réacteur anammox et le réacteur intégré dans le système à deux étages fonctionnent de manière continue vers le haut, avec un bassin de sédimentation interne à plaques inclinées pour obtenir la rétention des particules de boue.
3. Processus de biofilm
Les procédés Anammox utilisant la technologie du biofilm comprennent principalement DeAmmon et ANITATMox. Le procédé DeAmmon se compose de trois réacteurs MBBR et d'un réservoir de dégazage. Les trois réacteurs peuvent être connectés en série ou en parallèle selon les besoins, avec un taux de remplissage MBBR de 40 à 50 %. ANITATMMox utilise principalement un réacteur MBBR intégré dans son système à flux latéral-. ANITATMox peut utiliser un biofilm MBBR pur ou un film hybride de boue-IFAS (Integrated Fat Film Assay). Dans le processus de biofilm pur, les bactéries AAOB se trouvent dans la couche la plus interne du matériau d'emballage et les AOB se trouvent dans la couche la plus externe ; dans le procédé IFAS, les AAOB se trouvent principalement sur le matériau de remplissage, et les AOB... Dans les boues en suspension.
Le premier projet opérationnel d’oxydation anaérobie de l’ammoniac (ANAO) au monde !
En 2002, Parker Systems a construit le premier réacteur ANAO productif au monde dans la station d'épuration des eaux usées de Dokhaven à Rotterdam, en utilisant le système SharonAnammox pour traiter le liquide de déshydratation des boues. Par la suite, plus de 100 réacteurs de ce type ont été construits aux Pays-Bas, en Allemagne, au Japon, en Australie, en Suisse et au Royaume-Uni. Plusieurs usines de traitement des eaux usées par oxydation anaérobie de l'ammoniac traitent les eaux usées, notamment les lixiviats de décharge, les eaux usées des élevages et les eaux usées alimentaires, en plus du liquide de digestion des boues.
1. Traitement par oxydation anaérobie de l'ammoniac des boues à la station d'épuration des eaux usées de DOKHAVEN à Rotterdam, Pays-Bas
Les boues organiques, en tant que vecteur d'énergie, sont d'abord considérées pour convertir la matière organique qu'elles contiennent en un gaz énergétique -méthane. Sur cette base, le processus de traitement des boues illustré sur la figure est formé. Les boues excédentaires issues du processus de traitement des eaux usées subissent deux méthodes d'épaississement différentes avant d'entrer dans la cuve de digestion des boues (5). Les boues en excès et les boues du bassin d'aération de la section A- sont filtrées sur un tamis fin (1) avant épaississement, puis entrent dans deux bassins d'épaississement par gravité (2) en parallèle. Les boues décantées ont une teneur en eau de 94 % ; le surnageant séparé est ensuite renvoyé au processus de traitement des eaux usées pour un traitement ultérieur.
Le liquide de digestion des boues contient une concentration relativement élevée d'azote ammoniacal (jusqu'à 1 500 mg N/L) et la température de l'eau est de 28 degrés. degré . Une charge d’azote aussi élevée entrant dans le processus de traitement des eaux usées augmentera la charge d’élimination de l’azote. Par conséquent, l'adoption des dernières technologies SHARON et ANAMMOX pour le traitement de dénitrification séparé du digestat de boues est la dernière mesure de modernisation de la station d'épuration de DOKHAVEN ces dernières années. Le premier réacteur SHARON (11) productif au monde a été mis en service ici en octobre 1998 et le premier réacteur ANAMMOX (12) au monde a été mis en service en juin 2002.
2. Paramètres du processus
1) Un jeu de tamis fins, débit 510 m³/h, espacement des tamis 3 mm.
2) Deux ensembles d'épaississeurs gravitaires, Ф23,6 m, H=3 m, charge de matières sèches 36 kg/(m²·d), volume de boues 530 m³/d (teneur en humidité 94 %).
3) Capacité de traitement de l'épaississeur à bande 90 m³/h ou 700 kg de matières sèches/h.
4) Réservoir d'égalisation des boues excédentaires 900 m³.
5) 6) Deux cuves de digestion des boues, Ф22 m, H=23 m, temps de séjour 28 jours à 33 degrés, ce qui donne un volume de boues de 600 m³/j (teneur en humidité de 96 %) après digestion. Un bassin d'égalisation des boues a une capacité de 900 m³.
7) Deux centrifugeuses, d'une capacité de traitement de 40 m³/h.
8) Deux réservoirs de stockage de boues déshydratées, chacun d'un volume de 150 m³ ; temps de rétention 2,5 jours ; H=14m.
9) Un réacteur SHARON ; Ф19,5 m, H=5.75 m, débit 550 m³/j, temps de rétention hydraulique 3 jours, temps de rétention aérobie 24 h, température 35 degrés, pH 7–7,2, concentration en oxygène dissous 1,5 mg/L.
10) Un réacteur ANAMMOX ; Ф2,2 m, H=18 m (V=70 m³), débit 550 m³/j. Le réacteur fonctionne à une capacité de m³/j, avec un temps de rétention hydraulique de 3 h, une charge nominale de 800 kgN/j, une température de 35 degrés et un pH de 7,5.
Le réacteur SHARON oxyde la moitié de l'azote ammoniacal en azote nitrique (sans contrôle du pH). La moitié restante de l'azote ammoniacal et de l'azote nitrite converti (la moitié de l'azote ammoniacal total dans l'influent) forment le rapport molaire requis pour ANAMMOX (1 : 1), permettant à l'azote ammoniacal et à l'azote nitrite d'être directement convertis en azote gazeux via une conversion autotrophe. Comparé aux processus traditionnels de nitrification/dénitrification, le procédé SHARON/ANAMMOX réduit les coûts d'exploitation de 90 %, les émissions de CO2 de 88 %, ne produit aucun gaz N₂O nocif, ne nécessite aucune matière organique, ne produit aucun excès de boues et permet d'économiser 50 % de superficie, démontrant des avantages économiques et durables importants.