Project

De ontwikkeling van hoofdstroom partiële nitritatie/anammox als laatste stap naar een energie-positieve waterzuivering

Looptijd
01-01-2014 → 31-12-2017
Financiering
Gewestelijke en gemeenschapsmiddelen: IWT/VLAIO
Promotor
Mandaathouder
Onderzoeksdisciplines
  • Engineering and technology
    • Environmental microorganism biotechnology
Trefwoorden
Partiële nitritatie/anammox Energie autonome waterzuivering
 
Projectomschrijving

De uitvinding van conventioneel actief slib ongeveer 100 jaar geleden zorgde ervoor dat de mensheid hun afvalwater veilig kon behandelen, waardoor het milieu, gezondheid en
maatschappij beschermde. Deze waterzuivering is in de loop der tijd meer ontwikkeld, en verwijderd afvalwater bestanddelen zoals nutriënten (stikstof, fosfor), organische koolstof
en pathogenen efficiënt. Deze meer ontwikkelde waterzuivering komt echter met een extra kost, en we betalen nu ongeveer 60-120 euro pp-1 j-1. Een meer kosten-efficiënte waterzuivering kan gerealiseerd worden wanneer er meer circulair gedacht wordt, met hergebruik van water, energie en nutriënten uit afvalwater.
Een energie-autonome waterzuivering past goed binnen deze circulaire benadering, en realisatie is mogelijk door de opsplitsing van de verschillende processen die plaatsvinden
in de waterzuivering. De internationale consensus is te werken in een twee-staps proces, waar in de 1ste stap de energie en koolstof rijke fractie wordt geoogst en omgezet tot
biogas. In een tweede stap moeten de resterende nutriënten, zoals stikstof, nog steeds verwijderd worden van de resterende koolstof arme stroom.Huidige stikstofverwijderingstechnologieën, zoals nitrificatie/denitrificatie, hebben organische koolstof nodig om stikstof te verwijderen, partiële nitritatie/anammox (PN/A) heeft deze ‘koolstofhonger’ niet en is daarom ideaal als nabehandeling om te komen tot een energiepositieve en autonome waterzuivering die effluent kwaliteit garandeert.
Het proces partiële nitritatie/anammox is gebaseerd op een team van twee bacteriegroepen, met als eerste stap een partiële nitritatie waar ongeveer de helft van de ammonium wordt geoxideerd tot nitriet door de aerobe ammoniumoxiderende bacteriën (AerAOB). Het geproduceerde nitriet wordt vervolgens samen met het resterende
ammonium door de anoxische ammoniumoxiderende bacteriën (AnAOB) tot stikstofgas en een beetje nitraat omgezet, de zogenaamde anammoxomzetting. Nitrietoxiderende
bacteriën (NOB), die met zuurstof nitriet naar nitraat omzetten, zijn in dit proces ongewenst, want ze verlagen de verwijderingsefficiëntie. Het proces moet dus zo ontwikkeld worden dat de groeicondities optimaal zijn voor beide ammoniumoxiderende groepen (AerAOB & AnAOB), terwijl NOB onderdrukt worden.
Dit laatste aspect is een grote uitdaging voor de controle van PN/A voor de behandeling van huishoudelijk afvalwater, waar de lagere temperaturen (10-25°C), lagere ammoniumgehaltes (<50 mg N L-1) en dagdagelijkse fluctuaties in afvalwaterkwaliteit de controle van het proces bemoeilijken. Voor succesvolle operatie van het proces werd er een nieuw kader voorgesteld met ON/OFF controle; stimulatie/onderdrukking van de gewenste/ongewenste bacteriën en IN/OUT controle; retentie/verwijdering van de
ongewenste bacteriën. Combinatie van beide; ON/OFF + IN/OUT moet leiden tot een werkend proces. In dit doctoraat werden voor een succesvolle ON/OFF controle in
Hoofdstuk 2,3 en 4 verschillende aspecten mechanistisch uitgediept, waarna in Hoofdstuk 5 operationele strategieën (ON/OFF + IN/OUT) voor een hoofdstroom hybride
PN/A reactor werden bepaald.
Zuurstofinhibitie op AnAOB (ON/OFF)
De aanwezigheid van partiële nitritatie in PN/A zorgt ervoor dat AnAOB altijd in de nabijheid van zuurstof zijn. Omdat de invloed van zuurstof op de AnAOB, dewelke strikt niet aeroob zijn en stress/inhibitie ondervinden door zuurstof, vaak ambigu in de literatuur beschreven is, werd een studie uitgevoerd rond de stressrespons van AnAOB op zuurstof.
In een hoogtechnologisch gecontroleerde reactoropstelling werden verschillende zuurstofconcentraties (0.0.5-2 mg O2 L-1) over verschillende tijdsintervallen (1.5-24h) toegevoegd, waarna de activiteitrespons van AnAOB met behulp van een
ammoniumsensor in detail werd opgevolgd (Δt = 10 min.). Na een korte blootstelling, bv. 1.5-6h, hervatte AnAOB direct zijn activiteit, die lager was dan de initiële activiteit voor
blootstelling. Afhankelijk van de stress tijdens de zuurstofblootstelling, herstelde de AnAOB activiteit gradueel in 5-37h tot een steady-state activiteit werd bereikt. Deze
resultaten tonen aan dat de respons belangrijk kan zijn voor verdere procesintensificatie.
De invloed van afvalwaterparameters op de AerAOB en NOB activiteit (ON/OFF)
Om de invloed van vaak fluctuerende en locatie-specifieke afvalwaterparameters op de AerAOB en NOB activiteit te bepalen, werden twee sterk verschillende waterzuiveringen
met elkaar vergeleken; Blue Plains (BP), Washington DC, US en Nieuwveer (NV), Breda, NL. Beide waterzuiveringen hebben een soortgelijk temperatuurprofiel, maar verschillen
in operationele en afvalwaterparameters, resulterend in een omgekeerde AerAOB/NOB activiteitverhouding op 20°C (BP = 0.6; NV = 1.6). Een modelmatige en statische methodiek werd ontwikkeld, genoemd ‘add-on mechanistisch model’. Dit add-on
mechanistisch model stelde ons in staat om de invloed van afvalwaterparameters van de waterzuivering, zoals temperatuur, anorganische koolstof (=alkaliniteit), ammonium- en
nitrietgehaltes, fosfaatgehaltes, op de AerAOB en NOB activiteit van elkaar te onderscheiden. De resultaten gaven aan dat AerAOB en NOB gelijkaardig reageren op de
temperatuur in beide waterzuiveringen, ondanks verschillen in de AerAOB gemeenschap.
In BP bleek de aanwezigheid van voldoende anorganische koolstof (~ 3mM C) echter noodzakelijk voor maximale groei en activiteit van AerAOB. Het opheffen van deze limitatie
zou leiden tot een gelijkaardige AerAOB/NOB activiteitsverhouding in beide zuiveringen.
Hoofdstroom integrated fixed-film activated sludge (IFAS) PN/A reactor op 26°C: operationele strategieën voor een optimale nitriet opnemer-bron te bekomen (ON/OFF + IN/OUT)
In deze testopstelling werd een IFAS-reactor gebruikt, waar vlokkig slib, dat voornamelijk de aerobe omzettingen (AerAOB, NOB) doet, samen zit met slib onder vorm van een
AnAOB rijke biofilm op een dragermateriaal, waar de stikstofverwijdering plaatsvindt. In de biofilm hebben de traag groeiende AnAOB een lange slibverblijftijd en worden ze
afgeschermd van zuurstof door een aerobe bacterielaag die op de biofilm groeit. In tegenstelling tot deze lange slibverblijftijd, kan wanneer de juiste procescondities aanwezig zijn, NOB geleidelijk aan uit de vlok gepoeld worden door het precies controleren van de aerobe vlokkige slibverblijftijd (AerSRTvlok) (IN/OUT control). Verdere selectie van de gewenste bacteriën kan gerealiseerd worden door het variëren van bv. de beluchting
en stikstofbelasting, waardoor de activiteit van de bacteriën gecontroleerd wordt (ON/OFFcontrol). De beste operationele periode was met continue beluchting met wisselend laag
(0.05 mg O2 L-1 voor 10 min.) en hoog (0.27 mg O2 L-1 voor 5 min.) zuurstofsetpoint, samen met een korte, maar voldoende vlokkige aerobe slibverblijftijd (~7d). Hier werd een goede
NOB onderdrukking en stikstofverwijderingssnelheid van 123 mg N L-1 d-1 behaald, waardoor de techniek inzetbaar wordt voor landen met warmere afvalwater temperaturen.
Op dat moment ageerde de vlok met AerAOB als een ‘nitriet-bron’, en de biofilm op drager met AnAOB en NOB als ‘nitriet-opnemer’. Voor een optimale nitriet bron is er een
evenwicht nodig tussen een voldoende slibconcentratie (0.5-1 g VSS L-1) voor voldoende ammoniumomzetting te bekomen en een korte slibverblijftijd ~7d bij lage zuurstofsetpoints
(0.05-0.3 mg O2 L-1) voor het uitspoelen van NOB uit de vlok. Voor een optimale nitrietopnemer bevoordeelde een lager zuurstofsetpoint (0.05 vs. 0.15 mg O2 L-1) en hogere
stikstofbelasting (150-200 vs. 60 mg N L-1 d-1) de AnAOB boven de NOB, terwijl de biofilmdikte waarschijnlijk geen invloed had. De operationele strategieën die gebruikt zijn
binnen het ‘nitriet bron-opnemer model’ kunnen als rode draad gebruikt worden voor het succesvol opereren van hoofdstroom PN/A. Nieuwe retourslibbehandeling voor NOB-onderdrukking (ON/OFF) Een afvalwaterzuivering heeft een slibretour die het slib terugbrengt in de reactor nadat het gescheiden is van het gezuiverde water. Om AerAOB en AnAOB een competitief
voordeel te geven t.o.v. NOB werd een nieuwe retourslibbehandeling uitgedacht die de AerAOB/NOB verhouding van het vlokkige slib vergroot. Deze kan bijvoorbeeld toegpastworden op het vlokkige slib van de IFAS reactor. Voor de behandeling werden de afzonderlijke en gecombineerde effecten van gekende NOB (en AerAOB) stressfactoren,
namelijk sulfide (0-600 mg S L-1), anaerobe starvatie (0-8 d) en een extra vrij ammoniak shock (30 mg FA-N L-1) onderzocht. Zowel directe effecten (binnen 1 dag) als lange termijneffecten (binnen 2-weken) werden bekeken. De beste combinatie was met toevoeging van 150 mg L-1 sulfide, 2 dagen anaerobe starvatie en een Fa-shock. Ondanks dat er op korte termijn geen gewenst effect werd gezien, herstelde AerAOB op lange
termijn sneller dan NOB. Dit resulteerde voor een eenmalige blootstelling in een nitrietaccumulatieratio (effluent nitriet op nitraat + nitriet) die piekte op 50% na 12 dagen.
Het bestuderen van lange-termijnseffecten is daardoor cruciaal voor het design van een optimale NOB-onderdrukking, terwijl het toevoegen van verschillende gecombineerde
stressoren kan leiden tot een praktisch implementeerbare retourslibbehandeling.
Dit doctoraat heeft door zijn focus op zowel mechanistische inzichten als operationele strategieën de bouwstenen gelegd voor de ontwikkeling van hoofdstroom PN/A. De sterke
verlinking tussen microbiologie (aanwezigheid, taxonomie en morfologie) en activiteit zorgde voor nieuwe inzichten. Verdere ontwikkeling van deze technologie kan een energie-autonome waterzuivering creëren met gedegen effluent kwaliteit, die gezondheid van mens en milieu beschermd en die de uitdagingen van de 21ste eeuw mede oplost.