Een grotere waterzuiveringscapaciteit in Vlaanderen dankzij bacteriën in korrels?

Leestijd: 5 minuten

Een grotere waterzuiveringscapaciteit in Vlaanderen dankzij bacteriën in korrels?

BioCo (UGent)

28/01/2021

In Vlaanderen wordt steeds meer afvalwater geproduceerd. Uitbreiding van bestaande waterzuiveringsinstallaties is echter duur en soms onmogelijk. De oplossing bestaat erin om zoveel mogelijk water te zuiveren op een zo klein mogelijk oppervlak. Biedt de introductie van ‘aeroob korrelslib’ – bacteriën die groeien in snel bezinkbare korrels – in onze bestaande waterzuiveringsinstallaties een oplossing?

 

 

Figuur 1: De capaciteit van de cirkelvormige bezinkingsbekkens kan worden vergroot dankzij beter bezinkbare korrels – maar betekent dat winst op alle vlakken?

Dagelijks worden immense hoeveelheden water verbruikt in huishoudens, industrie en landbouw. Elke Vlaming produceert gemiddeld 150 liter afvalwater per dag (Aquafin, 2020). Dit afvalwater dient gezuiverd te worden alvorens het geloosd kan worden in de omgeving. Waterzuivering is in hoofdzaak een biologisch proces, waarbij bacteriën de afvalstoffen in het water omzetten naar de onschadelijke gassen koolstofdioxide en stikstofgas, die verdwijnen in de atmosfeer. Voor een deel van deze omzettingen is zuurstof nodig, wat een significante hoeveelheid energie vereist. De bacteriën zelf groeien tijdens deze omzettingen en worden vervolgens verwijderd aan de hand van een bezinkingsbekken, waarin ze worden gescheiden van het gezuiverde afvalwater.

Steeds meer afvalwater en steeds minder ruimte

De huidige behandelingscapaciteit van de bestaande waterzuiveringsinstallaties volstaat veelal niet meer. De hoeveelheid geproduceerd afvalwater neemt immers toe omwille van een stijgend aantal huishoudens dat aangesloten is op het rioleringssysteem, alsook door een verhoogde levensstandaard. Daarenboven gelden ook steeds strengere lozingsnormen. Vervanging of uitbreiding van de bestaande waterzuiveringsinstallaties is erg duur en soms onmogelijk wegens plaatsgebrek. Een knelpunt van de bestaande waterzuiveringsinstallaties is echter de slechte bezinkbaarheid van de bacteriën. Deze bacteriën, actiefslib genaamd, vormen losse, vlokkige structuren, die traag naar de bodem van de installatie bezinken. Hierdoor zijn grote bezinkingsbekkens nodig om het actiefslib voldoende tijd en ruimte te geven om zich te scheiden van het gezuiverde water (Figuur 1).

Mogelijke oplossing?

Aeroob korrelslib is een veelbelovende waterzuiveringstechniek waarbij bacteriën in compacte korrels groeien. Deze compacte korrels bezinken veel sneller, te vergelijken met hagelstenen versus sneeuw bij het vlokkige actiefslib. De goed bezinkbare korrels kunnen zich veel efficiënter afscheiden van het gezuiverde water, wat leidt tot compacte installaties en dus een hogere behandelingscapaciteit voor dezelfde oppervlakte. Bovendien kan in sommige gevallen het energieverbruik tot zelfs 50% lager liggen.

In nieuwgebouwde installaties worden deze veelbelovende korrels toegepast in batchreactoren, dit is een type van discontinu bedreven reactoren waarin afvalwaterconcentraties relatief hoog zijn en het groeiproces van korrels goed geregeld kan worden. Bestaande waterzuiveringsinstallaties in Vlaanderen zijn echter veelal continu doorstroomde reactoren, waarin de afvalwaterconcentraties lager zijn. De vraag rijst dus of aeroob korrelslib ook voordelig kan worden toegepast in bestaande continu doorstroomde installaties. Wegens de duidelijke voordelen van aeroob korrelslib, wordt er momenteel wereldwijd al veel onderzoek gedaan naar de mogelijkheid om korrels in continue reactoren te groeien en te behouden. In dit masterproefonderzoek werd even aangenomen dat dit mogelijk is of zal zijn in de toekomst en richtten we ons op een basisvraag: is het vervangen van actiefslib in onze huidige continue waterzuiveringsinstallaties door aeroob korrelslib überhaupt een goed idee? De criteria hierbij waren de behandelingscapaciteit en het energieverbruik van waterzuiveringsinstallaties.

Opzet simulatiestudie

Aeroob korrelslib verschilt van actiefslib in twee voorname kenmerken: een hogere bezinkingssnelheid en diffusielimitatie. Diffusielimitatie is het onvermijdelijke resultaat van de compacte structuur van een korrel, waardoor afvalstoffen de kern van de bacteriële korrel moeilijker kunnen bereiken. Hierdoor wordt de omzetting van deze afvalstoffen door de bacteriën vertraagd, wat leidt tot een verminderde zuivering. In dit masterproefonderzoek werd het afzonderlijke en gezamenlijke effect nagegaan van zowel betere bezinkbaarheid als diffusielimitatie op de maximale behandelingscapaciteit en het energieverbruik van continu doorstroomde waterzuiveringsinstallaties.

Hoopvolle resultaten

De betere bezinkbaarheid van aeroob korrelslib deed de maximale behandelingscapaciteit van de waterzuiveringsinstallatie stijgen met bijna 40% (Figuur 2 – ‘beter bezinkbaar slib’), in lijn met de verwachtingen. Het hierbij in rekening brengen van de bestaande diffusielimitatie zorgde echter voor een duidelijk negatief effect. In het aeroob korrelslib systeem waar zowel betere bezinkbaarheid als diffusielimitatie werden gemodelleerd, was de maximale behandelingscapaciteit nog maar 7% groter dan die van het oorspronkelijk actiefslibsysteem. Bovendien ging dit ten koste van een hoger energieverbruik, ongeveer 40% meer voor aeroob korrelslib dan voor het oorspronkelijke actiefslibsysteem. Deze hogere beluchtingsenergie was te wijten aan de sterke diffusielimitatie door de lagere concentratie aan afvalstoffen in de continu doorstroomde waterzuiveringsinstallaties ten opzichte van batchreactoren. Hierdoor moest meer zuurstof toegevoegd worden om de zuiveringsreacties voldoende te laten doorgaan.

 

Figuur 2: Behandelingscapaciteit (links) en energieverbruik (rechts) in het continu systeem voor verschillende scenario’s.

In een volgende stap werd het bedrijf van de waterzuiveringsinstallatie geoptimaliseerd. Hierbij werd de zuurstofinbreng in de verschillende reactorcompartimenten afgestemd op de nadelige diffusielimitatie, die op die manier positief benut werd. Concreet: als men ervoor zorgt dat zuurstof niet tot in de kern van de korrel raakt, kunnen hier nu reacties doorgaan die geen zuurstof verdragen, met name die waarbij stikstofgas wordt gevormd. Voor deze omzettingen is dan geen aparte reactor meer nodig. Dit leidde tot een verbetering in behandelingscapaciteit van 21%, terwijl het energieverbruik ook nog 10% beter was dan in het conventioneel actiefslib proces. Het is duidelijk dat een optimalisatie van de bedrijfsvoering nodig is om ten volle voordeel te halen uit het aeroob korrelslib.

Zijn korrels de toekomst?

De belangrijkste conclusie van dit onderzoek is dat diffusielimitatie in continu doorstroomde aeroob korrelslibsystemen een enorm belangrijke invloed heeft, ook al wordt deze eigenschap vaak over het hoofd gezien bij korrelslib. Voor de realisatie van continue aeroob korrelslibinstallaties in de toekomst moet men dus niet alleen aandacht besteden aan de groei en stabilisatie van de korrels, maar ook rekening houden met een veel grotere diffusielimitatie dan in de typische batchreactoren. Het is aangewezen om de diffusielimitatie in continue systemen zo klein mogelijk te houden door een slimme bedrijfsvoering en een slim procesontwerp.

Onze hoopvolle resultaten tonen aan dat mits een optimalisatie van de bedrijfsvoering van de huidige continue waterzuiveringsinstallaties een significante verbetering in behandelingscapaciteit en verminderd energieverbruik kan gerealiseerd worden. Bijkomende optimalisatie kan bijvoorbeeld door de korrelgrootte te zoeken waarbij een goed evenwicht is tussen de voordelige betere bezinkbaarheid en nadelige diffusielimitatie. Dankzij aeroob korrelslib kunnen in bepaalde gevallen dure uitbreidingswerken vermeden worden en kan oppervlakte gespaard blijven. Verder onderzoek zal uitwijzen hoe we de continue installatie exact moeten ontwerpen en bedrijven om optimaal voordeel te halen uit deze kleine, merkwaardige korrels.

 

Aquafin. (2020). Inwonersequivalent (IE). Geraadpleegd via https://www.aquafin.be/nl-be/wat-doen-we/inwonersequivalent-ie

Contactgegevens

Social Share Buttons and Icons powered by Ultimatelysocial