Waterzuiveringsprocessen

Waterzuiveringsprocessen

Dit artikel geeft een uitgebreide uitleg en beschrijving over alle natuurlijke waterzuiveringsprocessen die zich voordoen in helofytenfilters, technische IBA’s en septic tanks.

  • Biochemische processen
    • Anaerobe processen
    • Aerobe processen
    • Assimilatie
  • Fysische processen
    • zandfiltratie
    • Bezinking in een septic tank en technische IBA
    • Adsorptie van fosfaat
    • Adsorptie van microverontreinigingen

 

Het zuiveren van afvalwater door middel van een helofytenfilter, technische IBA of septic tank is een natuurlijk proces. Dat houdt in dat biochemische en fysische processen die normaal gesproken ook in de natuur voorkomen, de kern van de zuivering vormen. Hieronder worden de processen uitgelegd.

 

Biochemische processen

In een helofytenfilter zuiveringssysteem met septic tank of technische IBA vinden er biologisch gezien veel processen plaats. Verontreinigende stoffen worden afgebroken, omgezet of opgenomen door micro-organismen, het substraat en de planten. Deze zogenoemde biochemische afbraakprocessen zijn onder te verdelen in de aerobe (zuurstofrijk) en anaerobe (zuurstofarm) omzettingen. De belangrijkste zijn hieronder genoemd.

 

Anaerobe processen

 

  • Organische anaerobe afbraak: Organische verbindingen worden afgebroken tot methaangas (CH4) en koolstofdioxide (CO2). In huishoudelijk afvalwater waar o.a. ook het toilet op aangesloten is, bevat veel organische verontreiniging, zoals eiwitten, vetstoffen, koolhydraten en cellulose.

 

De afbraak van organisch materiaal verloopt eerst via het vormen van organische vetzuren en het daarna weer afbreken van deze organische vetzuren tot biogas. Hierdoor is bij een goed functionerende anaerobe zuivering een lichte pH-daling (verzuring) waarneembaar tussen het influent en het effluent.

 Er zijn verschillende soorten bacteriën betrokken bij de afbraak van organische stoffen in een anaerobe omgeving. De eerste groep bacteriën, “hydrolytische bacteriën”, zetten complexe organische verbindingen om in eenvoudigere verbindingen zoals aminozuren, suikers en vetzuren. De tweede groep bacteriën, “acidogene bacteriën”, zetten deze eenvoudige verbindingen vervolgens om in vluchtige vetzuren, waterstof (H2) en kooldioxide (CO2). De derde groep bacteriën, “acetogene bacteriën”, zetten deze vluchtige vetzuren vervolgens om in azijnzuur (CH3COOH), waterstof (H2) en kooldioxide (CO2). De laatste groep bacteriën, “methanogene bacteriën”, zetten vervolgens azijnzuur en waterstof om in methaan (CH4) en kooldioxide (CO2). (Bron: bodemrichtlijn.nl, Dutchwatertech.net)

 

  • Ammonificatie is de omzetting van ureum (het stikstofhoudende molecuul in urine) tot ammoniak. Ondanks dat ammoniak zelf een verontreinigende stof is voor vele milieus, is het een belangrijke tussenproduct in de stikstofcyclus. Daarvoor is het toch essentieel dat deze reactie plaatsvindt.

 

De reactievergelijking van het proces is: 

CO(NH2)2 + H2O → 2NH3 + CO2      Ureum reageert met water tot ammoniak en koolstofdioxide.

 Ammoniak reageert direct met water tot ammoniumionen NH4+ (aq).

 

  • Denitrificatie van nitraat (NO3) tot stikstofgas (N2) met de volgende reactievergelijking:

5 C(H20) + 4 NO3 + 4H+ à 5CO2 + 2N2 + 7H2O.

Er zijn verschillende soorten bacteriën die denitrificatie kunnen uitvoeren, waaronder Pseudomonas stutzeri, Paracoccus denitrificans en Thiobacillus denitrificans. Deze bacteriën gebruiken nitraat als elektronenacceptor (oxidator) en zetten het om in stikstofgas. Dit proces vindt alleen plaats onder anaerobe, (zuurstofarm) of anoxische (zuurstofloze) omstandigheden. Al deze bacteriën zijn chemo-heterotroof bacteriën. Dit houdt in dat ze een organische koolstofbron nodig hebben om het denitrificatieproces uit te voeren.

 Denitrificatie verloopt via een aantal tussenstappen. Afhankelijk van de pH kunnen ook andere eindproducten in kleine hoeveelheden gevormd worden, zoals lachgas (N2O) of stikstifmono-oxide (NO). (Bron: pcawater.com, publication.deltares.nl)

 

Zoals te zien is in alle reactievergelijkingen ontstaat er bij anaerobe afbraak altijd CO2 gas.

 

Aerobe processen

 

  • Aerobe afbraak van organische stoffen: Onder invloed van zuurstof worden organische verbindingen afgebroken tot CO2 en H2O.

 

  • Nitrificatie is proces waarbij onder invloed van zuurstof ammonium via nitriet tot nitraat wordt omgezet. Dit is een belangrijk proces in de stikstofcyclus. Hoe meer ammonium genitrificeerd kan wordt, hoe beter de zuivering plaatsvind.

 

2NH4 + 3O2 à 4H2O + 2NO2-    (ammonium oxidatie bacteriën)

2NO2- + O2 à NO3-                       (nitriet-oxidatie bacteriën)

De nitrificerende bacteriën zijn chemo-autotroof. Zij gebruiken C02 als koolstofbron voor de groei en zij verkrijgen de hiervoor benodigde energie uit de oxidatie van anorganische verbindingen, NH4+.

Onder normale procesomstandigheden verloopt het proces van ammoniumoxidatie veel langzamer dan de nitriet-oxidatie reactie. De omzetting van ammonium tot nitriet is de snelheidsbepalende stap in nitrificatie. Onder normale omstandigheden wordt er dan ook geen of weinig nitriet in het effluent aangetroffen. Een van de belangrijkste eigenschappen van chemo-autotrofe nitrificerende bacteriën is dat groeisnelheid traag is.

 

Voor alle biologische processen geldt: hoe hoger de temperatuur, hoe sneller de processen verlopen. (Bron: microbiolognyote.com, Wikipedia)

 

Assimilatie

Naast het omzetten en verwijderen van verontreinigingen vindt er in de septic tank, IBA en in het helofytenfilter ook groei van micro-organismen en planten plaats. Tijdens de groei nemen ze organische stoffen, nitraat en fosfaat op. Deze opname wordt assimilatie genoemd. Dit proces kan een significant percentage van de verwijdering van zowel stikstof als fosfaat betekenen. Doorgaans wordt in een helofytenfilter een opname door planten van 5% gehanteerd (Stefanakis et al., 2014).

 

Micro-organismen verzorgen de biochemische zuiveringsprocessen (Bron: photomacrography.net)

 

Fysische processen

 

Zandfiltratie

Een belangrijk fysisch proces in een helofytenfilter is de filtratie door het substraat. Zwevende stof en vaste delen worden gevangen in het filter en worden uit het water gefilterd. De onzuiverheden worden mechanisch opgevangen. Zand fungeert als een natuurlijke barrière, waarbij deeltjes worden vastgehouden en schadelijke stoffen worden gefilterd. Dit proces is niet alleen effectief maar ook duurzaam, omdat het de natuurlijke eigenschappen van zand benut zonder het gebruik van chemicaliën.

 

Bezinking in een septic tank en technische IBA

In een septic tank begint het proces van bezinking zodra huishoudelijk afvalwater de tank binnenstroomt. Dit water draagt een mix van vaste stoffen, organische materie en vloeistof met zich mee. Bij binnenkomst ondergaat het water een langzaam stromingsproces, waarbij de zwaardere deeltjes, zoals slib en andere vaste stoffen, hun snelheid verliezen en geleidelijk naar de bodem van de tank zakken.

De bezinking is mogelijk door de werking van de zwaartekracht. Zodra de deeltjes de bodem bereiken, vormen ze een sedimentlaag. Tegelijkertijd stijgt het heldere water, dat nu vrij is van de meeste vaste stoffen, op naar de bovenkant van de tank. Hierdoor ontstaat een duidelijke scheiding tussen het gezuiverde water aan de oppervlakte en het bezonken slib op de bodem. Dit proces vindt van nature plaats, zonder de noodzaak van externe energiebronnen of chemicaliën.

 

Adsorptie van fosfaat

Fosfaat (PO43-) is een belangrijke verontreiniging dat uit het water gezuiverd moet worden. Samen met nitraat is fosfaat de belangrijkste voedingsstof voor schadelijke algenbloei in oppervlaktewater. Omdat fosfaat biologische gezien niet verder afgebroken kan worden, zijn er andere processen belangrijk bij de verwijdering van fosfaat. Het meest prominente verwijderingsmechanisme voor fosfaat is chemisch: adsorptie aan metaalionen. Oplosbaar anorganisch fosfaat bindt zich aan metaalionen en vormt een vaste stof op het mineraaloppervlak van het adsorptiemateriaal.

 

De aanwezigheid van ijzer (Fe) en aluminium (Al) verhoogt de kationconcentratie die nodig is voor de adsorptie. Op de lange termijn (>10 jaar) kan een helofytenfilter verzadigd raken met gebonden fosfaat. De fosfaatverwijdering zal dan afnemen. Vernieuwing van het substraat is dan nodig om ervoor te zorgen dat de fosforadsorptie voldoende blijft. Het is ongunstig om te doen als het filter volgroeid is met plantenwortels en bacteriekolonies. Ondanks dat dit ongewenst is, is het noodzakelijk om dit uit te voren? Het nieuwe substraat heeft een paar weken nodig om nieuwe plantenwortels en micro-organismen te laten groeien die stikstofverwijdering uitvoeren. Fosfaatopname door planten en micro-organismen is meestal laag, maar kan significant zijn in afvalwateren met lage fosfaatconcentraties (Vymazal, 2007).

 

Adsorptie van microverontreinigingen

Microverontreinigingen spelen in de landelijke waterhuishouding een steeds grotere rol. Voorheen stonden voornamelijk zware metalen in de belangstelling, maar tegenwoordig kunnen medicijnresten aan dat lijstje worden toegevoegd. Diverse medicijnen kunnen goed worden afgebroken door anaerobe en aerobe afbraakprocessen, zoals ibuprofen, diclofenac en metoprolol. Echter, daarnaast zijn er ook medicijnresten resistent tegen deze typen afbraak. Carbamazepine, oxazepam en diazepam zijn medicijnen die moeizaam biologisch afbreken en op een andere manier verwijderd moeten worden. Adsorptie is één van de methoden om dit te doen. Medicijnresten binden zich aan een adsorptiemiddel, bijvoorbeeld actieve kool. In een helofytenfilter kan actief kool aan het substraat toegevoegd worden om microverontreinigingen te adsorberen.