4003

Tabela 4.2. Konwersja amonu w reaktorze typu SHARON

Parametr    Wartości

Stężenie N-NHs* w dopływie    (mg N/l)    1156±160

Stężenie N-NH,|^ w dopływie    (mg N/l)    519 164

Stężenie N-NO2' w odpływie    (mg N/l)    547 ±151

Ładunek azotowy    (mg    N/l    doba^-1)    1070±300

4.3.2. Anammox (anaerobic ammonia oxidation) (lub anaraoks). Dotychczas wiedziano, żc utlenianie amonu odbywa się w warunkach tlenowych lub w warunkach o obniżonej ilości tlenu w hodowlach z zastosowaniem bakterii nitryfikacyjnych. Utlenianie amonu było również obserwowane w warunkach beztlenowych, w obecności gazowego dwutlenku azotu (NO;). Nitrozobakterie mogą również prowadzić proces denitryfikacji w obecności amonu jako donora elektronów, w warunkach zmniejszonego stężenia tlenu.

Mulder i wsp. (1995) pierwsi stwierdzili istnienie procesu beztlenowego utleniania amonu (anammox) w denitryfikacyjnym złożu fluidalnym, w którym usuwano azot ze ścieków wcześniej poddanych procesowi metagenizacji. Jak podawali autorzy, duże ilości amonu znikały w obecności azotanów, z wydzieleniem azotu cząsteczkowego, zgodnie z reakcją:

5 NH₄⁺ + 3 NOy -> 4 N_: + 9 H_:0 + 2H⁺ AG = -1483,5 kJ/rcakcję

Dalsze badania dowodzą, że w procesie anammox preferowanymi akceptorami elektronów okazały się azotyny:

NH₄⁺ + NO; -» N; + 2 H;0 AG = -358 kJ/mol NH₄⁺

Głównym produktem utleniania amonu w^r procesie anammox byl N\ a jedynie około 10% azotu było transferowane do azotanów. Sumarycznie reakcje anammox można zapisać równaniem reakcji:

NH₄⁺ + 1,31 N0₂ + 0,066 HCO3 + 0,13 H⁺ ->

—^ 1,02 N; + 0,26 N0₃ + 2,03 H-O + 0,066 CH₂O₀^N_tu5

Reakcje prowadzone w procesie anammox otwierają nowe możliwości usuwania azotu ze ścieków, bez dodawania egzogennego źródła węgla i energii. Produktami pośred-

Ryc. 4.3. Schemat mechanizmu utleniania amonu w obecności azotynów (azotanów) w procesie anammox (z: Khin I. Annachbatre Ajit P. 2004 Novel microbial nitrogen removal procosses. Bid-technoiogy Adimnces 22(7) 519 532 dzięki uprzejmości 1 za zgodą Elsevier)

• —

nimi utleniania amonu w obecności azotynów, z udziałem mikroorganizmów, jest hydroksylamina i hydrazyna. Głównym źródłem węgla dla bakterii prowadzących reakcje anammox jest dwutlenek węgla.

W 1977 roku Broda pisał, żc istnieje termodynamiczna możliwość występowania bakterii chemolitotroficznych zdolnych do utleniania amonu do azotu cząsteczkowego w obecności azotynów i dwutlenku węgla, ale autor nie wykazał istnienia tego ty^pu mikroorganizmów w przyrodzie. Pierwsze doniesienie o mikroorganizmach zdolnych do powadzenia beztlenowego utleniania amonu zostało skierowane do uczestników V Europejskiego Kongresu Biotechnologicznego w Kopenhadze w 1990 roku.

Bakterie prowadzące reakcje anammox (ryc. 4.4) należą do trzech rodzajów: Brocadia, Kuenenia i Scalindua, przy czym pierwsze dwa rodzaje zostały wyizolowane z systemów oczyszczających ścieki, ostatni Scalindua wyizolowano z prób pobranych w Morzu Czarnym. Jest to grupa mikroorganizmów należących do rzędu Planctomyce-tes w domenie Bacteria. Mikroorganizmy prowadzące reakcje anammox - utleniania amonu w warunkach beztlenowych najlepiej rosną w podłożach lub ściekach zawierających amon w stężeniu 5-30 mM, azotyny 5-35 rnM, węglany w stężeniu 10 mM, fosforany w stężeniu poniżej 0,5 mM oraz tlen w stężeniu < 1 mM. Z zachowaniem tych warunków mikroorganizmy anammox hodowane w beztlenowym złożu fluidalnym zdolne były do konwersji azotu z 0,4 g do 3 g/l doba^-1, przy maksymalnej aktywności wynoszącej 25 nmoli/mg s.m. ■ mitr¹. Zasymilowanie jednej cząsteczki CO: wymaga utlenienia 24 moli amonu. Jednakże specyficzna szybkość wzrostu wynosiła 0,001 godz ', co odpowiada czasowi podwojenia komórek około 29 dni (ryc. 4.5 oraz ryc. 4.6).

Wysoka aktywność w procesie anammox jest wykrywana u tych gatunków bakterii w środowisku pH 6,4 do 8,3, w temperaturze od 20 do 43"C dla szczepów mezofilnych i od 6°C dla szczepów morskich. Bardziej aktywne bakterie należą do Kuenenia stuttgar-tiensis (55 nmołi N^/mg białka min^-1 przy pH 8,0 i temperaturze inkubacji 40°C) niż gatunku Brocadia anammoxidans (26,5 nmoli N^mg białka - min^-1 przy pH 8,0 i temperaturze inkubacji 37°C). Dodatkowo szczep Kuenenia stuttgartiensis jest bardziej oporny na azotyny niż Brocadia anammoxidans. Aktywność bakterii prowadzących reakcje anammox jest dwadzieścia pięć razy większa niż tlenowych nitrozobakterii utleniających amon w warunkach denitryfikacyjnych. Ale z drugiej strony, są one siedem razy mniej aktywne niż nitrozobakterie utleniające amon w warunkach tlenowych. Ogólnie bakterie prowadzące reakcje anammox są bardzo wrażliwe na tlen przy stężeniu tak małym jak 2 mM oraz nz azotyny (5-10 mM całkowicie hamuje aktywność, która może być odwracalna).

Badania dotyczące beztlenowego utleniania amonu w hodowlach mikroorganizmów prowadzono z zastosowaniem znakowanego ^,5N. Z badań tych wynika, że azotyny będące akceptorem elektronów są redukowane do hydroksyl aminy, która następnie reaguje z amonem będącym donorem elektronów, w wyniku czego do środowiska wydzielany jest azot cząsteczkowy. W hodowlach stacjonarnych, z nadmiarem hydro-ksylaminy i amonu, obserwowano przejściową kumulację hydrazyny, wskazując, że hydrazyna jest ostatnim produktem pośrednim przed transformacją do azotu cząsteczkowego. Utlenianie hydrazyny do azotu cząsteczkowego generuje elektrony, które są

65