Effect of scale and configuration on partial nitritation and anammox process

Abstract

Die ständige Neigung der Menschen, sich in städtischen Gebieten zu konzentrieren hat zu neuen Herausforderungen in Bezug auf das eingeleitete Abwasser und seine Behandlung geführt. Die Kombination der partiellen Nitritation und des Anammox Prozesses ist eine kosteneffiziente Methode, um kommunale Abwässer reich an Ammonium zu behandeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss von Maßstab und Konfiguration auf die partielle Nitritation und Anammox während einer Alkalinitätsreduzierung untersucht. Zur Durchführung der Untersuchung wurden zwei halbtechnische Reaktoren und ein 3 L Labor Reaktor zum Einsatz gebracht. Ammonium und andere Parameter wurden konstant gehalten, während dessen wurde die Alkalinität schrittweise reduziert. In einen der halbtechnischen Reaktoren wurde durch ein Sieb ein Reaktor mit zwei Kammern geschaffen. Eine Partikelmessung wurde durchgeführt, um zu sehen, in welchem Reaktor mehr Anammox Granulen mit größerem Durchmesser enthalten. Die Partikelmessung hat gezeigt, dass das Einkammersystem prozentual 40% Partikel in der Größe 50-150 μm und 43% in der Größe 10-50 μm beinhaltet, wohingegen im Zweikammersystem 34% Partikel in der Größe von 50-150 μm und 27% in der Größe von 10-50 μm wuchsen. Das kontinuierlich betriebene Zweikammersystem mit dem eingesetzten Sieb konnte größere Anammox Granulen zurückhalten. Die Auswertung der Stickstoffverbindungen zeigte, dass die Strategie für die Regulierung der im Reaktor vorhandenen Mikroorganismen gut funktionierte. Die durchschnittliche Stickstoffentfernung nach künstlicher Alkalinitätszufuhr im Einkammersystem erreichte 73 % und im Zweikammersystem 69 %. Dennoch war sowohl in den halbtechnischen Reaktoren als auch im kleintechnischen Reaktor eine Ansammlung von Nitrat vorhanden. Die durchschnittliche Stickstoffentfernung für einen m3 Belüftungsvolumen, während der Alkalinitätsuntersuchung war 0.0125 kg N im Einkammersystem (SBR) und 0.0180 kg im Zweikammersystem (kontinuierlich). Der 3 L Reaktor hatte mit 0.0024 kg vergleichbare Ergebnisse. Der 3 L Reaktor zeigte die geringste Sensibilität bezüglich Alkalinitätslimitierung, während das Einkammersystem am meisten davon betroffen war, indem die Abbauleistung schneller zurückging. Eine weitere Optimierung von Ammonium oxidierenden Bakterien könnte die Leistung der partiellen Nitritation und des Anammox Prozesses verbessern, besonders in dem kontinuierlichen Zweikammersystem mit dem Potential geringerer Lachgasemissionen.

The continuous disposition of people to concentrate in urban areas has risen challenges regarding the discharged wastewater and its treatment. Partial nitritation and anammox is a cost-effective method for treating municipal wastewater rich in ammonia. In the frame of this study, the influence of scale and configuration on the partial nitritation and anammox was assessed, while alkalinity was reduced. Two semi-scale reactors (375 L) and a 3 L lab reactor were set up to carry out the experiment. Ammonium and other parameters were kept constant while the alkalinity was reduced gradually. Furthermore, a mesh was integrated into one of the semi-scale reactors, to create two compartments. A particle measurement was undertaken to see which reactor had larger anammox granules. Particle measurement showed that the one-compartment system had 40% of size 50-150μm and 43% were of size 10-50μm, whereas the two-compartment system had 34% particles in the range of 50-150μm and 27% of 10-50μm. The integrated mesh did assist in retaining larger anammox granules in the two-compartment system. N-compound evaluation showed that the control strategy to regulate the microorganism consortia in the bioreactor worked well. The average nitrogen removal efficiency after supplemental alkalinity reached up to 76% for the one-compartment system and 69% for the two-compartment system. However, an accumulation of nitrates was present in both semi-scale reactors and the small-scale reactor. In one-compartment system (SBR) and two-compartment system (continuous) the average nitrogen removal efficiency during the alkalinity limitation experiment was 0.0125 and 0.0180 kg N removal per m3 aeration. Also, the small-scale reactor was comparable in this regard with 0.0024 kg N removal per m3 aeration. The 3 L reactor showed the least sensibility with respect to the alkalinity limitation, while the one-compartment bioreactor was the most affected by a faster reduction of removal rate. Further optimization of the ammonium oxidizing bacteria could possibly improve the performance of partial nitritation and anammox process, especially in the two-compartment system (continuous) with the potential of lower nitrous oxide emissions.