Als gevolg van de bevolkingsgroei en de stijgende levensstandaard blijft de hoeveelheid geproduceerd en geloosd afvalwater wereldwijd toenemen, wat leidt tot een toenemende vraag naar afvalwaterzuiveringsinstallaties in termen van capaciteit, verbruik van energie en andere hulpbronnen, alsook koolstofvoetafdruk. In de afgelopen decennia zijn er verschillende innovatieve afvalwaterzuiveringstechnologieën voorgesteld om tot een duurzaam afvalwaterbeheer te komen. Technologieën voor biologische stikstofverwijdering uit afvalwater op basis van de partiële nitritatie-anammox-route vereisen bijvoorbeeld ongeveer 60% minder beluchtingsenergie, geen toevoeging van externe organische koolstof, stoten minder CO₂ uit en produceren 70-80% minder slib in vergelijking met conventionele nitrificatie-denitrificatie processen.

Bij afvalwaterzuivering worden broeikasgassen uitgestoten. Bij biologische stikstofverwijdering uit het afvalwater kan lachgas (N₂O) worden gevormd en uitgestoten. N₂O is een krachtig broeikasgas dat over een periode van 100 jaar 298 keer sterker is dan CO₂. Zelfs kleine hoeveelheden N₂O-uitstoot kunnen dus aanzienlijk bijdragen aan de koolstofvoetafdruk van een afvalwaterzuiveringsinstallatie.

Het belangrijkste doel van deze thesis is het minimaliseren van de uitstoot van broeikasgassen tijdens biologische stikstofverwijdering in partiële nitritatie-anammox reactoren. De focus ligt hierbij op configuraties van de eentraps korrelslibreactor. De term ‘eentraps’ verwijst naar de partiële nitritatie- en anammoxreacties die gelijktijdig plaatsvinden in één enkele reactor. ‘Korrelslib’ verwijst naar het feit dat de bacteriën, die deze omzettingen uitvoeren, groeien in dichte, snel bezinkende korrels, wat resulteert in een compacter proces. In dit werk worden de N₂O-vorming, emissiemechanismen en de mogelijke N₂O-mitigatiestrategieën onderzocht via wiskundige modellen en simulatie, experimenten op laboratoriumschaal en volledige data-analyse.

De belangrijkste N₂O-vormingsroutes wordt aangebracht en gerelateerd aan verschillende N₂O-vormingsmodellen die in de literatuur worden voorgesteld. Bovendien worden enkele uitdagingen bij de werking en controle van een eentraps partiële nitritatie-anammox aangehaald en gerelateerd aan de doelstellingen van dit werk. De in de literatuur gerapporteerde N₂O-emissies vertonen aanzienlijke variaties, en er werden enkele schijnbare tegenstrijdigheden gevonden met betrekking tot het effect van bedrijfsomstandigheden zoals opgeloste zuurstof (DO) concentratie, korrelgrootte, stikstofbelasting, temperatuur en organische belasting. De hypothese was dat dit te wijten kan zijn aan de verschillende (combinaties van) waarden die in verschillende onderzoeken op de bedrijfsomstandigheden worden toegepast. Deze hypothese werd geverifieerd door het toepassen van een wiskundig model van een partiële nitritatie-anammox reactor in korrelslib om het effect te onderzoeken van meerdere factoren die de N₂O-emissies van deze systemen beïnvloeden. Individuele veranderingen van bedrijfsparameters leidden tot grote en vaak niet-monotone veranderingen in de gesimuleerde N₂O-emissies, die de grote verscheidenheid aan emissiefactoren en enkele schijnbare tegenstrijdigheden in de literatuur zouden kunnen verklaren. Nitrifier-denitrificatie in de buitenste granulaatlaag bleek de belangrijkste bron van N₂O te zijn. Heterotrofe denitrificatie fungeerde als een opslag in diepere lagen, ook al is deze route verwaarloosd in eerdere modelstudies. De DO-concentratie die tegelijkertijd een lage N₂O-emissie en een hoge stikstofverwijdering mogelijk maakt, blijkt zeer locatiespecifiek te zijn, afhankelijk van de afvalwatersamenstelling en korrelgrootte. De aanwezigheid van organische substraten maakt procesoptimalisatie gemakkelijker omdat het N₂O-verbruik kan stimuleren via heterotrofe denitrificatie.

Het beluchtingsdebiet in een partiële nitritatie-anammoxreactor wordt typisch aangepast om de bulk DO-concentratie op een vast instelpunt te houden. De fluctuaties in de hoeveelheden vlokken, die opzettelijk of onvermijdelijk naast granulaat aanwezig zijn, kunnen echter het optimale DO-instelpunt voor maximale F wijzigen, wat ook invloed kan hebben op de N₂O-vorming. In deze thesis is ook het effect van beluchtingsregelstrategieën op de stikstofverwijderingsefficiëntie en de uitstoot van lachgas (N₂O) in een partiële nitritatie-anammoxreactor met korrelslib behandeld. Meer specifiek werden DO-regeling, constante luchtstroom en effluent-ammoniumcontrolestrategieën vergeleken door middel van simulatie. Bij het toepassen van DO-regeling moesten DO-setpoints worden aangepast aan de hoeveelheid vlokken die in de reactor aanwezig waren om een hoge stikstofverwijdering te behouden en de N₂O-uitstoot te verminderen, wat in de praktijk moeilijk te realiseren is vanwege variabele vlokfracties. Constante regeling van het luchtdebiet kon een goede stikstofverwijderingsefficiëntie behouden, onafhankelijk van de vlokfractie in de reactor, maar slaagde er niet in om de N₂O te verminderen. Beheersing van de ammoniumconcentratie in het effluent resulteerde in zowel een hoge stikstofverwijderingsefficiëntie als relatief lage N₂O-emissies, ook bij aanwezigheid van vlokken. Schommelingen in vlokfracties veroorzaakten aanzienlijke verstoringen in de stikstofverwijdering en N₂O-emissies onder DO-regeling, maar hadden minder effect bij een constante luchtstroom en ammoniumcontrole in het effluent. Toch leidden snelle en scherpe dalingen in vlokken tot een piek in N₂O-emissies bij een constante luchtstroom en ammoniumcontrole in het effluent. Over het geheel genomen bereikte de ammoniumcontrole in het effluent de hoogste gemiddelde stikstofverwijdering en de laagste N₂O-emissies en verbruikte de laagste beluchtingsenergie bij fluctuerende vlokconcentraties.

Een experimentele studie op lange termijn met een korrelslibreactor voor ééntraps partiële nitritatie-anammox werd uitgevoerd om de simulatieresultaten verkregen te valideren. Het effect van beluchtingsregelingsstrategieën, influent organische stoffen en vlokverwijdering op zowel stikstofverwijdering als N₂O-emissies werden onderzocht, en de interpretatie werd aangevuld met wiskundige modellen. De constante DO-regeling hield geen lage nitriet- en nitraatconcentraties in het effluent in stand en leidde tot aanzienlijke fluctuaties in de N₂O-emissies. Ter vergelijking: het toepassen van een constant luchtdebiet leidde tot een stabielere effluentkwaliteit en minder N₂O-emissies, wat de simulatieresultaten bevestigden. De aanwezigheid van influent organische koolstof hielp om nitriet-oxiderende bacteriën te onderdrukken (NOB) en verminderde de totale N₂O-emissies zonder een grote invloed op de stikstofverwijderingsefficiëntie. De vlokverwijdering had contrasterende effecten op de N₂O-emissies bij verschillende beluchtingsbeheersingsstrategieën. Bij constante DO resulteerde het verwijderen van vlokken in een relatief hoge reductie van ammoniak oxiderende bacteriën (AOB), die overvloedig aanwezig waren in vlokken, wat leidde tot een lagere ammoniumoxidatiesnelheid en dus minder N₂O-emissies. Als echter een constante luchtstroom werd toegepast, leidde vlokverwijdering tot een hogere DO, wat de invloed van AOB-reductie op ammoniumoxidatie compenseerde en het nitrietverbruik door anammox remde, wat leidde tot iets hogere N₂O-emissies. Dit contrasterende effect van vlokverwijdering op de N₂O-emissies werd ook bevestigd door simulatiestudies. Incidentele pH-dalingen in de reactor leidden tot een daling van de N₂O-emissies bij constante DO. Bij een constant luchtdebiet trad echter een N₂O-piek op aan het begin en herstel van de pH-daling, die meer uitgesproken is bij de aanwezigheid van influent organische stoffen. Anammox kan de N₂O-productie aanzienlijk verminderen tijdens heterotrofe denitrificatie, waarschijnlijk door te concurreren voor stikstofmonoxide met denitrificeerders.

Experimentele gegevens van een full-scale eentraps partiële nitritatie-anammox korrelslibreactor werden geanalyseerd door middel van wiskundige modellering en simulatie, om inzicht te krijgen in N₂O-vorming en emissiedynamiek en om N₂O-mitigatiestrategieën te ontwikkelen. Het gekalibreerde model kon de gemiddelde N₂O-emissies kwantitatief voorspellen en de N₂O-dynamiek kwalitatief karakteriseren. Nitrificerende nitrificatie werd geïdentificeerd als de dominante route voor de vorming van N₂O. De afgasrecirculatie als mogelijke strategie voor het verminderen van de N₂O-emissie werd door middel van simulatie getest en vertoonde inderdaad enige verbetering, zij het ten koste van een hoger energieverbruik voor beluchting.

De openbare doctoraatsverdediging is gepland op 16 maart 2021 om 14u.

Wie graag een uitnodiging voor dit (virtuele) evenement wil ontvangen, kan een e-mail sturen naar xinyu.wan@ugent.be.