IntelSensWijzer
Stikstofverwijderingscontrole
Inhoud
- Welke online metingen worden gebruikt?
- Regelstrategieën
- Economische analyse
- Toepassingen
In een biologische zuivering komt stikstof voor onder vier verschillende vormen, nl. organische stikstof, ammonium, nitraat en nitriet. De drie eerste verbindingen komen gewoonlijk in de grootste concentraties voor. Nitriet is een tussenproduct in zowel de nitrificatie als denitrificatie en er is een accumulatie van nitriet mogelijk indien één van deze processen niet optimaal verloopt. De vier soorten verbindingen vormen samen de totale stikstof, waarvoor een effluentnorm van 15 mg/L aan veel bedrijven die lozen op oppervlaktewater is toegewezen door de Vlaamse Milieu Maatschappij.
Welke online metingen worden gebruikt
De ontwikkeling van stikstof sensoren/analysers maakt het mogelijk om een conventionele DO-controle uit te breiden door continu te bepalen hoeveel zuurstof of extra koolstofbrondosering nodig is voor stikstofverwijdering en zo constant te voldoen aan de effluentnorm. Ammonium wordt gemeten via colorimetrie, potentiometrie met glasselectieve elektroden of ion-selectiviteit. Nitraat wordt ook gemeten via ion-selectiviteit of via UV-absorptie.
Daarnaast worden robuuste metingen met een lagere investeringskost zoals de oxido-reductiepotentiaal (ORP), zuurstofopnamesnelheid en pH steeds meer gebruikt voor de eindpuntdetectie van de denitrificatie en nitrificatie. ORP en pH worden gemeten via potentiometrie. De zuurstofopnamesnelheid kan onrechtstreeks worden berekend door de helling van een DO-profiel te bepalen. DO wordt gemeten via amperometrie of fluorescentie.
Regelstrategieën
In een continu actief slib systeem
Master-slave regeling (ammonium/nitraat-zuurstof)
Een continu actief slibsysteem kan uitgerust worden met een ammonium en/of nitraatmeting ter optimalisatie van de stikstofverwijdering. Figuur 1 toont een master-slave regeling. De slave is telkens een PID-regeling op basis van de DO-concentratie, waarbij het setpunt wordt bepaald door de master die aangestuurd wordt door ammonium. In de praktijk wordt over het algemeen een ammoniumsetpunt van 0,5 tot 2 mg/L toegepast, naast de instelling van een maximaal en minimaal DO-setpunt. Daarnaast is het ook mogelijk om nitraat mee te nemen in de regeling door op een ammonium/nitraat verhouding te sturen.
Nitraatretourcontrole
Een directe meting van nitraat kan gebruikt worden voor de regeling van het nitraatretour- en het influentdebiet (Figuur 2). Er moet worden opgemerkt dat het nitraatretourdebiet niet te hoog mag zijn aangezien er anders teveel zuurstof wordt overgebracht naar het denitrificatiebekken, wat leidt tot minder uitgesproken anoxische condities.
Koolstofbrondosering
De dosering van een koolstofbron voor een optimale denitrificatie kan gebaseerd worden op een nitraatmeting in het bekken zelf. Wanneer de nitraatconcentratie niet onder een bepaald voorop gesteld setpunt zakt tijdens denitrificatie, is het aangewezen om extra koolstofbron te doseren.
In een SBR of alternerend belucht systeem
Rechtstreekse eindpuntdetectie nitrificatie/denitrificatie
In een SBR of in een alternerend belucht systeem maakt men gebruik van een ammonium en/of nitraatmeting voor de eindpuntdetectie van de nitrificatie en denitrificatie met een DO-controle tijdens beluchte fases, weergegeven in Figuur 3.
Een voorbeeld
Zowel de ammonium- als nitraatconcentratie zijn hoger dan respectievelijk 1 mg/L en 5 mg/L. Op dit moment is de verwijdering van stikstof onvoldoende en zal er verder belucht worden tot de ammoniumconcentratie daalt tot onder een bepaalde drempelwaarde. Wanneer de drempelwaarde gehaald is, zal de beluchting stoppen en wordt denitrificatie mogelijk. In het geval dat beide online metingen lager zijn dan de drempelwaarde, is het niet nodig om stikstof verder te verwijderen en wordt er enkel belucht ter verwijdering van organische stof.
Onrechtstreekse eindpuntdetectie nitrificatie/denitrificatie
Figuur 4 toont schematisch de verschillende mogelijke eindpuntdetecties van nitrificatie en denitrificatie in een SBR of alternerend belucht systeem.
Het eindpunt van de denitrificatie kan worden afgeleid van het ORP-profiel, zodat indien nodig extra denitrificatie kan worden voorzien. De redoxwaarde is een proxy voor de nitraatconcentratie in het bekken. Een concentratiedaling zorgt voor een verlaging van de ORP. Op het moment dat al het nitraat is omgezet, zal dit een plotse daling van de redoxwaarde veroorzaken, zichtbaar als de “nitraatknik”, weergegeven in Figuur 5.
De “nitraatknik” is dikwijls niet visueel zichtbaar, waardoor het programmeren ervan niet eenvoudig is. Daarom stelt men in de praktijk redoxsetpunten vast. Dit betekent concreet dat wanneer de “nitraatknik” niet visueel wordt waargenomen, er een redoxsetpunt (bv. -100 mV) wordt toegepast afhankelijk van de procesomstandigheden.
De nitrificatie kan eveneens dynamisch geregeld worden door gebruik te maken een onrechtstreekse eindpuntdetectie van de nitrificatie (als ammonium laag is), nl. de val in zuurstofopnamesnelheid of het pH-profiel. Enkel een zuurstof- en/of pH-sensor is hiervoor vereist.
Tabel 1 toont reactievergelijkingen die voorgaande verklaren. Wanneer ammonium bijna is weggereageerd, schiet de DO-concentratie door en daalt de zuurstofopnamesnelheid. Het pH-profiel toont in dit geval een knik en daalt minder sterk, waardoor dit enkel waarneembaar is indien de buffercapaciteit niet te hoog is. De val van de zuurstofopnamesnelheid is dan ook het meest geschikt als eindpunt.
Tabel 1: Eindpuntdetectie van de nitrificatie.
| Als NH4+ laag is, “valt” de zuurstofopnamesnelheid | Als NH4+ laag is, daalt de pH minder sterk |
| 2 NH4+ + 3 O2 → 2 NO2– + 4 H+ + 2 H2O | 2 NH4+ + 3 O2 → 2 NO2– + 4 H+ + 2 H2O |
| 2 NO2– + O2 → 2 NO3– | 2 NO2– + O2 → 2 NO3– |
De dosering van een koolstofbron voor een optimale denitrificatie kan gebaseerd worden op zowel een nitraatmeting als een ORP-meting. Wanneer de nitraatconcentratie of ORP-waarde niet onder een bepaald vooropgesteld setpunt zakt tijdens denitrificatie, is het aangewezen om extra koolstofbron te doseren.
Economische analyse
Kosten
Tabel 2 geeft een overzicht van de investerings- en operationele kost voor totale stikstof, ammonium- en nitraatmetingen. Een ammonium of nitraatmeting door middel van respectievelijk colorimetrie, potentiometrie met gasselectieve elektroden en UV-absorptie doet men best op een gefilterd afvalwater zonder zwevende stof. Er kan gecorrigeerd worden voor zwevende stofconcentraties tot 5 g/L. Het staal wordt gewoonlijk gefilterd door een filtratiesysteem, dat een kost van ongeveer 10 000 euro met zich meebrengt. Het is mogelijk om via hetzelfde filtratiesysteem alternerend verschillende analysers/sensoren te voeden. De ion-selectieve sensor (ion-selectiviteit) kan rechtstreeks in het bekken geplaatst worden zonder filtratie. De investeringskost van dergelijke sensor omvat een kabel, transmitter en bevestigingsarmatuur.
De operationele kost bestaat uit onderhoud door leverancier en gebruiker en vervanging van reagentia bij colorimetrie. Het filtersysteem moet ook om de paar maanden gereinigd worden.
Een ion-selectieve sensor is zeer gevoelig aan drift, waardoor de meting van de ene dag op de andere een foutieve waarde kan geven. Daarom moet deze liefst wekelijks en minstens één keer per maand onderhoud krijgen. Daarnaast moet het zoutgehalte in het afvalwater stabiel blijven en mag het niet te hoog zijn. De meettechniek is niet in elke situatie toepasbaar, en wordt voornamelijk gebruikt voor trending.
Tabel 2: Investerings- en operationele kost voor totale stikstof, ammonium en nitraatmetingen. (indicatieve waarden in september 2018!).
| Meetprincipe | Colorimetrie (ammonium) | Potentiometrie (ammonium) | UV-absorptie (nitraat) | Ion-selectiviteit (ammonium en nitraat |
| CAPEX (€) | 15 000 – 25 000* | 15 000 – 25 000* | 10 000 – 15 000* | 5 000 – 7 000** |
| OPEX (€/jaar) | 500 – 1 500*** | 500 – 1 500*** | 1 000 – 2 000*** | 2 000 – 6 000*** |
| Totale kost over 8 jaar | 19 000 – 37 000 | 19 000 – 37 000 | 18 000 – 31 000 | 21 000 – 55 000 |
*excl. filtratiesysteem, reken hiervoor een extra € 10 000;
** excl. kabel, transmitter, bevestigingsarmatuur en software integratie, reken hiervoor een extra € 1 000 – € 3 000;
***afhankelijk van de procescondities
Baten
De drijfveer voor het instellen van een stikstofverwijderingscontrole is in de eerste plaats de effluentkwaliteit en processtabiliteit, zoals weergegeven in Figuur 6. Het gebruik van een ammoniummeting in de regeling is een directe maat voor de zuurstofvraag en leidt tot minder overbeluchten. Daarnaast leidt het gebruik van een nitraatmeting tot een optimale afstemming tussen stikstofverwijdering en energieverbruik en geeft meer ruimte voor denitrificatie. Naast voorgaande spelen ook de lozingsheffingen, de exploitatie eigenschappen en de slibeigenschappen een rol. Indien lozingsheffingen een rol spelen, kunnen de kosten voor een hogere heffing (ammoniumsetpunt hoger) hoger zijn dan de energiewinst.
Een betere beluchtingsregeling leidt niet per definitie tot energiebesparing. Wanneer het ingestelde ammoniumsetpunt bijvoorbeeld lager ligt dan in de uitgangssituatie, kan het zijn dat er meer belucht wordt dan voordien. In dit geval zal het energieverbruik waarschijnlijk stijgen, aangezien er meer belucht moet worden om de lagere concentratie te bereiken. De effluentkwaliteit zal wel beter zijn, waardoor de te betalen heffingen lager liggen.
Toepassingen
Ervaringen IntelSens
Een ammonium of nitraatmeting is geïnstalleerd in respectievelijk 13% en 14% van de bezochte waterzuiveringsinstallaties waarbij het noodzakelijk is om stikstof te verwijderen (64), vnl. in de groente verwerkende, chemische en afvalverwerkingssector.
In 29% van de gevallen met een ammoniummeting werd een automatische controle geïmplementeerd, 29% gebruikte een manuele controle en 43% gebruikte de meting enkel voor monitoring.
In 44% van de gevallen met een nitraatmeting werd een automatische controle geïmplementeerd, 11% werd gebruikt voor een manuele controle, 22% gebruikte de meting enkel voor monitoring en de overige 22% gebruikte de meting niet.
Ammonium en nitraat werden vijf keer gemeten met een ion-selectieve sensor, daarnaast werd ammonium drie keer gemeten via colorimetrie en nitraat vier keer via UV-absorptie.
Een redoxmeting werd in 14% van de gevallen gebruikt voor een optimale stikstofverwijdering. In 11% van de installaties werd er automatisch gestuurd op basis van de redoxmeting (via een setpunt). In 37% van de installaties werd de meting gebruikt voor een manuele regeling via een visuele controle van de “nitraatknie”. Alle resultaten zijn weergegeven in Figuur 7.
Case
Case 1: Afwisseling beluchte en onbeluchte fases o.b.v. DO en nitraat
Een textielbedrijf heeft een continu actief slibsysteem waarin de beluchting geregeld wordt via de online gemeten zuurstofconcentratie tussen 0,6 en 1,6 mg O2/L. De beluchting wordt uitgeschakeld wanneer de nitraatconcentratie hoger is dan 5 mg NO3–/L. Op deze manier wordt de ammoniumconcentratie laag gehouden en wordt er voor gezorgd dat de nitraatconcentratie niet te sterk stijgt.
Case 2: Ion-selectieve sensor gebruikt voor SBR aansturing
Een afvalverwerkend bedrijf heeft een ion-selectieve ammonium- en nitraatmeting in een SBR. Deze wordt gebruikt om de stikstofverwijdering beter te controleren. De ammonium- en nitraatconcentratie worden respectievelijk rond 1 mg NH4+/L en 8 mg NO3–/L gehouden.
Case 3: Inschakeling beluchtingsvelden o.b.v. ammonium en nitraat
Een ander afvalverwerkend bedrijf heeft een beluchtingsbekken met verschillende beluchtingsvelden. Het aantal velden dat in werking is, wordt bepaald door een online meting van de zuurstof-, ammonium- en nitraatconcentratie. Hierbij heeft de zuurstofconcentratie voorrang op deze van ammonium, die op zijn beurt belangrijker is dan de nitraatconcentratie. De beluchters worden frequentie gestuurd via verschillende geïnstalleerde zuurstofmetingen. Er wordt extra koolstofbron gedoseerd indien de ammoniumconcentratie laag is (bv. 3 mg/L) en de nitraatconcentratie hoog (bv. 12 mg/L). Ammonium en nitraat worden gemeten door respectievelijk colorimetrie en UV-absorptie.
Case 4: Redox bepaalt heropstart beluchters
De beluchting bij een groente verwerkend bedrijf wordt geregeld door middel van een zuurstof- en redoxmeting. De beluchting wordt afgezet wanneer de zuurstofconcentratie hoger wordt dan 2,3 mg/L en wordt opnieuw aangezet wanneer de redoxwaarde tot onder -100 mV daalt. Deze dubbele controle laat toe om een defecte sonde te kunnen opvangen.
Case 5: Andere procesvoering o.b.v. redox
Een groente verwerkend bedrijf kent periodes van weinig productie wat leidt tot een lage belasting naar de wzi toe. De wzi bestaat uit twee bekkens die beiden zijn opgedeeld in een denitrificatie- en een beluchtingszone. De denitrificatiezones zijn voorzien van ORP-sensoren. Het profiel wordt opgevolgd en wanneer de redoxwaarde tot onder -500 mV daalt, door verregaande denitrificatie, weet men dat er zwaar belast organisch water binnenkomt en wordt er een alarmwaarde gegenereerd.
Indien de redoxwaarde positief is doordat er een laag organisch belast water gevoed wordt, kan er overgegaan worden tot een andere procesvoering, nl. de twee bekkens parallel gebruiken of één bekken tijdelijk niet gebruiken.