Het op biologische wijze omzetten van overtollige stikstofverbindingen uit het afvalwater in stikstofgas (N2) dat vervolgens uitwijkt naar de atmosfeer.

Principle of operation

De verwijdering van stikstof uit het water bestaat uit twee stappen. Tijdens de nitrificatie wordt ammonium in een zuurstofrijke omgeving via nitriet omgezet in nitraat. In de denitrificerende stap wordt het nitraat, in een zuurstofarme omgeving omgezet in stikstofgas.

Nitrificatie

In het nitrificatie proces zijn o.a. de micro-organismen Nitrosomonas en Nitrobacter verantwoordelijk voor de omzetting van ammonium (NH4+) via nitriet (NO2) naar uiteindelijk, nitraat (NO3). De totaal reactie ziet er als volgt uit;

NH4++2O2→NO3+H2O+H+

Zoals in de reactievergelijking te zien is vindt het proces plaats in een zuurstofrijke omgeving. Onder normale omstandigheden is de omzetting van ammonium naar nitriet (NO2) door Nitrosomonas de limiterende factor. Door de geringe groeisnelheid van zowel Nitrosomonas als Nitrobacter is de slibleeftijd die gehanteerd wordt een zeer belangrijke factor voor de nitrificatie. Ligt de slibleeftijd lager dan de groeisnelheid dan spoelen de nitrificerende organismen uit. De groeisnelheid is zeer afhankelijk van de temperatuur.

Denitrificatie

Voor de denitrificatie zijn heterotrofe bacteriën nodig. Zij gebruiken onder zuurstofarme/ loze omstandigheden nitraat en vervolgens nitriet als energiebron, wat zij omzetten tot stikstofgas. De totaalreactie ziet er als volgt uit;

6NO3+5CH3OH→3N2+5CO2+H2O+6OH

Een belangrijke voorwaarde voor een goede denitrificatie is de aanwezigheid van voldoende organische koolstofbron én zuurstofarme omstandigheden.  

Installation description

Voor een adequate omzetting van de stikstofhoudende componenten en de uiteindelijke uitwijking van het stikstofgas uit het afvalwater worden veel verschillende systeemconfiguraties gebruikt. Deze verschillende configuraties zijn in de loop der jaren ontwikkeld en hebben allemaal als doel het creëren van optimale omstandigheden voor zowel nitrificatie als denitrificatie, dit vaak ook in samenhang met de (biologische) verwijdering van fosfor uit het afvalwater.

Figuur 1 conventionele configuratie t.b.v. stikstofverwijdering

Dit systeem gaat uit van een voorgeschakelde denitrificatietank. Dit garandeert de aanwezigheid van voldoende organische koolstofbron die nodig is om te denitrificeren. De aanvoer van nitraat, gevormd in de daaropvolgende beluchtingstank (ook wel nitrificatietank), gebeurt door recirculatie van de slibwatermassa van de nitrificatietank naar de denitrificatietank. De mate waarin dit gebeurt, is van invloed op het uiteindelijke verwijdering rendement.

Voor het verwijderen van ammonium uit ammoniumrijk afvalwater zoals afvalwater van vergistinginstallaties (bv bij RWZI’s), composteerinstallaties en bepaalde typen industrieel afvalwater zijn alternatieven ontwikkeld.

Process automation and maintenance

Deze processen worden verregaand geautomatiseerd. Optimalisatie vindt plaats op basis van analyseresultaten.

Process variables and constraints

Voor een goed nitrificatieproces dient voldaan te worden aan volgende proces vereisten:

  • De concentratie aan opgeloste zuurstof moet minimaal 2 mg/l bedragen.
  • Wegens een trage aangroei van de Nitrosomonas en Nitrobacter bacterietypen dient de slib retentie in het systeem minstens 10 dagen te bedragen.
  • De temperatuur dient binnen de range van 10 tot 40°C te liggen, met een optimum rond 30°C. Nitrificatie verloopt moeizamer bij lage temperaturen.
  • De pH moet neutraal te zijn. Sterk zure (pH<5) of basische condities (pH>9) moeten worden gecorrigeerd. De optimale pH voor nitrificatie is 7,5 en bij pH-waarden lager dan 7,0 wordt nitrificatie geremd.
  • Wegens het verzurende karakter van de nitrificatiereactie dient hier in het bijzonder aandacht aan besteed te worden. De denitrificatie zorgt reeds voor een gedeeltelijke pH stijging; Het gehalte aan ammoniak (NH3) en salpeterigzuur (HNO2) moet binnen bepaalde grenzen liggen, om geen inhibitie van nitrificatie te veroorzaken.

Voor een goed denitrificatieproces moet rekening gehouden worden met volgende zaken

  • Denitrificatie gaat door bij temperaturen van 5 tot 60°C en een pH tussen 6 en 8.
  • Het gehalte aan opgeloste zuurstof is best zo laag mogelijk (maximaal 1mg/L).
  • Er moet voldoende koolstofbron aanwezig zijn. Als vuistregel wordt een theoretische verhouding BOD/N van minimaal 3 gehanteerd om volledige denitrificatie toe te laten. In de praktijk zal dit eerder 4 à 5 zijn.
  • o.v. het gehalte aan organische koolstof (C) en stikstof (N) moet voldoende fosfor (P) in het afvalwater aanwezig zijn. In sommige gevallen moet fosfor worden toegevoegd.
  • Hoge concentraties aan zouten of andere chemicaliën kunnen het proces negatief beïnvloeden.
  • Het denitrificatieproces is beduidend minder gevoelig voor pH, temperatuur schommelingen en de aanwezigheid van toxische componenten.

Applications opportunities

  • RWZI’s, behandeling huishoudelijk afvalwater.
  • Voedingsmiddelenindustrie
  • Individuele Behandeling Afvalwater, IBA
  • Landbouw, veeteelt

Pros and cons

Voordelen

  • Vergaande verwijdering van stikstof mogelijk.
  • Bestaande zuiveringen kunnen achteraf aangepast worden om zo stikstof te verwijderen.
  • Veel kenis over aanwezig.

Nadelen

  • Gevoelig proces, vatbaar voor storingen.
  • Verreist behoorlijk toezicht.

Sources

  1. Gray,N.F, Water Technology, An Introduction for Environmental Scientists and Engineers,2010 derde druk.
  2. EIPPCB, Reference Document on BAT in Common Waste Water and Waste Gas Treatment / Management Systems in the Chemical Sector, draft februari 2003
  3. Vlaams Gewest, EMIS, www.emis.vito.be , sept 2012
  4. STOWA, Het Actief Slibproces, de mogelijkheden en de grenzen, 2007
  5. Figuur 1: EIPPCB, Reference Document on BAT in Common Waste Water and Waste Gas Treatment / Management Systems in the Chemical Sector, draft februari 2003
  6. Notenboom, G. Grontmij
  7. George Tchobanoglous, Franklin L. Burton, WASTEWATER ENGINEERING Treatment,Disponsal and Reuse, McGRAW-Hill, Boston, Massachusetts 1991.