Usage/subjects

Aerobic Treatment



Het doel van aerobe biologische zuivering is het omzetten van de biologisch afbreekbare vuilvracht in CO2, water, andere minerale bestanddelen en biomassa. Gedeeltelijke verwijdering van nutriënten is ook mogelijk (zie biologische nutriënten verwijdering).

Principle of operation

Aerobe biologische zuivering maakt gebruik van natuurlijke kringloopprocessen. Het creëren van optimale procesomstandigheden zorgt voor een versneld afbraakproces waardoor het afvalwater relatief snel gezuiverd wordt. Micro-organismen breken, in een zuurstofrijke omgeving, organisch materiaal af in twee te onderscheiden processen. Oxidatie van organisch materiaal resulteert in de vorming van voornamelijk minerale bestanddelen. Biosynthese zet het organisch materiaal om in nieuw celmateriaal welke wordt verwijderd door bijvoorbeeld bezinking of membraanfiltratie. Een derde verwijderingsmechanisme dat een belangrijke rol speelt in biologische zuivering is het vermogen van de biomassa (slib) om stoffen te adsorberen. Hierdoor kunnen, voor een deel, ook niet biologisch afbreekbare stoffen worden verwijderd zoals zware metalen en bestrijdingsmiddelen.

Installation description

Aerobe biologisch zuiveringen bestaan in verschillende uitvoeringsvormen, waarvan een aantal belangrijke hieronder besproken worden.

Actief slibsystemen

Conventioneel actief slibsysteem. Het actief slibsysteem is een continu proces. In de beluchtingstank wordt zuurstof toegevoegd door beluchting, waarmee de micro-organismen in het slib vervuiling afbreken, waardoor ze groeien. De scheiding van het slib/water mengsel gebeurt in de nabezinktank. Om het slibgehalte op peil te houden, meestal rond de 4 gram slib per liter, wordt er slib van de nabezinktank teruggevoerd naar de reactor. Het spuislib ( het teveel aan slib dat is aangegroeid) wordt afgevoerd en/of verder behandeld ( zie anaerobe zuivering voor slibvergisting).

Figuur 1 Envoudige weergave van een actief slibsysteem

Sequence Batch Reactor (SBR)

In een SBR vinden de achtereen volgende processtappen plaats in dezelfde reactor. Eerst wordt vervuild water toegevoerd naar de reactor waarna dit in verschillende stappen, afhankelijk van de te verwijderen stoffen, behandeld wordt. Uiteindelijk wordt het proces stilgezet waardoor slib kan bezinken en effluent wordt afgelaten. Een SBR systeem is flexibel in de wijze van bedrijven waardoor dit systeem erg geschikt is bij een variërende afvalwatersamenstelling. SBR systemen worden in allerlei uitvoeringsvormen toegepast. Vanwege de flexibiliteit en eenvoud worden deze systemen veel toegepast bij de behandeling van industriële afvalwaterstromen.

Figuur 2 Schematische weergave van SBR systeem

Figuur 3 Envoudige weergave van een Moving Bed Biofilm Reactor

Bij een slib op drager systeem groeit het slib als een film op een dragermateriaal. Onder andere zand, klei, poreus gesteente en kunststof dienen als dragermateriaal.

Er bestaan verschillende uitvoeringsvormen van slib op drager systemen. Hieronder worden een Biorotor, en een Moving Bed Biofilm Reactor weergegeven. Een belangrijk voordeel bij deze systemen is het hogere slibgehalte dat je kunt hanteren zonder last te hebben van slecht bezinkbaar slib en dus uitspoeling. De zuivering is hierdoor efficiënter met als gevolg dat de footprint, of het ruimtebeslag een stuk kleiner kan zijn.

De Biorotor is een unit die bestaat uit een trommel als frame met binnenin een honingraatstructuur of vulmateriaal waarop de biofilm kan groeien. De trommel is gedeeltelijk ondergedompeld in een met afvalwater doorstroomde bak. De rotatie van de trommel zorgt voor de benodigde zuurstof voor de micro-organismen. Een biorotor is zeer geschikt voor behandeling van afvalwater met een laag CZV- en Stikstof-Kjeldahl gehalte. Piekbelastingen zorgen voor een verminderde effluentkwaliteit.

Figuur 4 Figuur 4, Moving Bed Biofilm Reactor (meerstraps)

In een MBBR groeit het slib op een medium met een groot specifiek oppervlak. Overtollig slib laat los en wordt gescheiden middels bezinking of flotatie ( zie figuur 4). Voordeel is het hogere slibgehalte dat gehanteerd kan worden waardoor het een efficiënt systeem is. Een actief slib systeem is relatief eenvoudig om te bouwen naar een MBBR waardoor de capaciteit vergroot wordt.

Membraan Bioreactor (MBR)

Een MBR werkt volgens hetzelfde principe als het actief slibsysteem met dit verschil dat de scheiding van slib en water gebeurt door middel van membraan filtratie. Zowel Micro- als Ultrafiltratie membranen worden hiervoor gebruikt, (zie Micro- en Ultrafiltratie), die intern of extern worden ingezet.

Het belangrijkste voordeel hiervan is het hogere slibgehalte dat gehanteerd kan worden, 10- 20 gr mixed liquor suspended solids (MLSS/L), waardoor een kleiner reactor volume voldoet ten opzichte van conventionele systemen.

Figuur 5 Membraanbioreactor

Door de membraanfiltratie wordt een verregaande verwijdering van zevend stof bereikt, de effluent kwaliteit is over het algemeen dan ook hoger dan bij een conventioneel systeem (bij een zelfde influent kwaliteit).

Belangrijkste nadelen zijn het hogere energieverbruik, de mogelijkheid tot verstoppen van de membranen en de kostprijs.

Voor het reinigen van de membranen wordt gebruik gemaakt van lucht, forward- en backflushing en chemische reinigingsmiddelen.

Individuele Behandeling Afvalwater (IBA)

Voor situaties waar een aansluiting op het riool niet mogelijk is omdat deze te ver weg licht, in de praktijk is dit meer dan 40 meter vanaf de perceelgrens, kan een lozing worden toegestaan indien deze door een ‘voorziening’ (IBA) gaat. De lozingsnormen waaraan moet worden voldaan worden bepaald door de waterkwaliteitsbeheerder, dit is meestal het waterschap. Er zijn verschillende IBA-klassen te onderscheiden:

Een IBA klasse 1 is een bijzondere septische put, met een inhoud van minimaal 6 m³ verdeeld in 3 compartimenten in een verhouding van 2:1:1. De zuivering vindt alleen plaats op basis van bezinking, er vinden weinig tot geen omzettingen plaats.

Een IBA-klasse II breekt organisch materiaal af door gebruik te maken van aerobe biologische zuivering.

Een IBA-klasse III A zorgt tevens voor de verwijdering van stikstof.

Een IBA-klasse III B zorgt daarnaast voor een verwijdering van fosfaat.

Er zijn veel verschillende soorten IBA’s op de markt, we maken onderscheid tussen de compacte systemen en de natuurlijke systemen.

De compacte systemen werken volgens het zelfde principe als een actiefslib systeem en beschikbaar in de IBA-klasse II en III A en B.

Figuur 6 Compacte IBA-klasse III A, denitrificatie in de middelste tank

De compacte systemen bestaan meestal uit drie tanks met respectievelijk de aerobe omzetting van de organische vervuiling en de nitrificantie , denitrificatie, en bezinking. Er kan een voorbezinktank en/of een olie/vetafscheider worden voorgeschakeld om het systeem te beschermen en te zorgen voor een betere effluent kwaliteit. Een pomp zorgt voor de benodigde lucht in het aerobe compartiment.

Natuurlijke systemen, helofytenfilters.

Helofyten zijn planten die ingeworteld zijn in de bodem maar met een relatief groot deel boven de wateroppervlakte uitsteken. Mattenbies, lisdodde en riet zijn de meest gebruikte planten voor deze filters. Riet geniet de voorkeur omwille van zijn gunstige eigenschappen voor waterzuivering. Door het uitgebreide wortelstelsel en de grote hoeveelheid biomassa heeft riet een groot leefoppervlak voor bacteriën en andere micro-organismen. Deze zorgen voor een aanzienlijk deel van de zuiverende werking. Er bestaan drie types van helofytenfilters:

  • Vloeivelden: helofytenfilters met oppervlaktestroming;
  • Wortelzone-velden: helofytenfilters met onderstroming;
  • Percolatievelden of infiltratievelden: helofytenfilters met verticale stroming.

Helofytenfilters kunnen zuiveren tot en met klasse III B, door ijzer of aluminium toe te voegen in het filterbed wordt fosfaat neergeslagen. Een helofytenfilter is een natuurlijk systeem dat zeer weinig energie behoeft, alleen voor het oppompen van het water. Nadeel is het grote ruimtegebruik van deze systemen. Per inwoner equivalent kan er gerekend worden op tussen de 4 en 5 M2 aan filterbed. Door de lage temperaturen is het mogelijk dat helofytenfilters in de winter minder presteren.

Process automation and maintenance

Aerobe biologische zuiveringen zijn over het algemeen verregaand geautomatiseerd. Aan de hand van analyse resultaten wordt de processturing geoptimaliseerd.

Process variables and constraints

In aerobe biologische zuivering is alles er op gericht om de omstandigheden voor de micro-organismen zo gunstig mogelijk te maken. Belangrijke factoren die van invloed zijn op de werking van het systeem zijn de pH-waarde ( tussen 6,5 en 8,0) het zuurstofgehalte in het water en de temperatuur.

Toxische stoffen kunnen een storende werking hebben op het proces. Een aantal van deze stoffen staan in onderstaande tabel weergegeven.

Tabel 1 Grenswaarden toxiciteit van een aantal stoffen voor actief slib

Voor een goede groei van de biomassa is een juiste verhouding tussen C/N/P ( 100/5/1) belangrijk. In sommige gevallen is nutriënten toevoeging noodzakelijk ( zie hulpstoffen in de biologische zuivering).

 

Applications opportunities

Toepassingsmogelijkheden van aërobe zuivering zijn te vinden in de;

  • Rioolwater Zuiveringsinstallaties (RWZI’s),
  • Individuele Behandeling Afvalwater (IBA’s), woonhuizen, wegrestaurants e.d.
  • Voedingsmiddelen industrie,
  • Agro-industrie
  • Afvalstoffenverwerking
  • Chemische industrie

Pros and cons

Voordelen

  • Flexibele en robuuste techniek waarmee een hoge zuiveringsgraad mee kan worden gehaald. Hoge effluentkwaliteit
  • Mogelijkheid tot vergaande verwijdering van stikstof. fosfaat en bepaalde microverontreinigingen.

Kosteneffectief ten opzichte van chemische oxidatie

Nadelen

  • Bij hoge belasting wordt veel slib geproduceerd dat verder moet worden verwerkt.
  • Ten opzichte van anaerobe zuivering een hoog energieverbruik.
  • Betreffende uitvoeringsvorm is vaak gebonden aan een bepaalde afvalwaterkarakteristiek.

Sources

Gray, N.F., Water Technology (an introduction for environmental scientists), 2010

Vlaams Gewest, Energie- en Milieu Informatie Systeem (EMIS), www.emis.vito.be,  sept 2012.

Environmental Technology, Monographs handbook, Envi Tech Consult, INC, Den Haag, Handbook on Wastewater

Website Paques, augustus2012

Website Ondeo, augustus 2012

EIPPCB, Reference Document on BAT in Common Waste Water and Waste Gas Treatment / Management Systems in the Chemical Sector, draft februari 2003

Notenboom, G., Grontmij

Figuur 3:  www.emis.vito.be/wass-technieken

Figuur 4 en 5: Ondeo Industrial Solutions

Figuur 6: Dirkse Milieu Technologie

Figuur 7: Individuele Behandeling van Afvalwater, IBA-systemen, CIW, 1999.

Figuur 8: EIPPCB, Reference Document on BAT in Common Waste Water and Waste Gas Treatment / Management Systems in the Chemical Sector, draft februari 2003