Bacterieel teamwork maakt afvalwater stikstofvrij

Van Benthum werkte aan de geïntegreerde omzetting van ammonium, via nitriet en nitraat naar stikstofgas. Als uitgangspunt voor zijn onderzoek nam Van Benthum de biofilm airlift suspensie (BAS) reactor. Deze nitrificatiereactor werd in de jaren tachtig bij Gist-Brocades ontwikkeld door een team onder leiding van Van Benthums begeleider, professor Heijnen. De BAS-reactor bevat zanddeeltjes waarop nitrificerende bacteriën een laagje vormen. Door onderin de reactor een constante luchtstroom te pompen worden deze deeltjes samen met het afvalwater omhoog gestuwd dooreen centrale cilinder in de reactor. In de reactorsectie die deze cylinder omringt worden geen luchtbellen geblazen. Hierdoor is de dichtheid van het afvalwater in deze ring groter en daalt het water met de biofilmdeeltjes weer. De ingeblazen luchtstroom zorgt zo tegelijk voor menging van de biomassa en het afvalwater, en voor de overdracht van zuurstof die voor nitrificatie nodig is. ,,De BAS-reactors zijn bij Gist-Brocades te zien als enkele smalle twintig meter hoge kolommen. Juist het feit dat ze smal en hoog zijn, maakt ze aantrekkelijk voor de industrie. Conventionele actieve slib-bassins nemen veel meer grondoppervlak in. Dat maakt ze in het Westen van het land onaantrekkelijk”, licht Van Benthum toe. ,,Verder is het volume van de BAS-reactoren beperkt, omdat de bacteriën als biofilm op zware zanddeeltjes groeien en dus niet snel uitspoelen. De biomassaconcentratie is daardoor hoog.”
Groei

In de eerste jaren van zijn onderzoek keek Van Benthum naar de invloed van verschillende omstandigheden in een labschaal-reactor op de samenwerking van nitrificeerders en heterotrofen. Heterotrofe bacteriën hebben in tegenstelling tot de nitrificeerders, die autotroof zijn, een organische koolstofbron nodig om te kunnen groeien. Beide hebben zuurstof nodig.

,,De groei van beide stammen hangt af van de beschikbaarheid van een voedingsbodem op de plek waar ze groeien. De snellere groeiers zullen liever in suspensie groeien dan in een biofilm, omdat de beschikbaarheid van substraat dan groter is. Als de verblijftijd in de reactor verlaagd wordt, dan zullen de in suspensie groeiende bacteriën op een gegeven moment uitgespoeld worden. Dan zullen ook zij alleen in biofilm kunnen groeien en de langzamere daar overgroeien.”

In zijn systeem werden de langzaam groeiende nitrificeerders overgroeid door de heterotrofen, maar leverde dit geen problemen op voor de uiteindelijke ammoniumomzetting. Van Benthum wist zijn reactor zo te bedrijven dat na een opstartperiode de omzetting van ammonium naar nitriet op gewenste wijze verliep.

Daarna zocht hij naar een geschikte manier om naast nitrificatie ook denitrificatie uit te kunnen voeren in één proces. Het voornaamste struikelblok hierbij was dat de nitrificeerders zuurstof nodig hebben om ammonium te oxideren, maar de nitrificeerders juist in afwezigheid van zuurstof gedijen. Van Benthum bekeek verschillende oplossingen. ,,Eén mogelijkheid is om de reactor om en om met zuurstofrijke lucht en met gerecirculeerd zuurstofvrij afvalgas te beluchten. Een alternatief is om een deel van het zuurstofrijke afvalwater tussen de BAS-reactor en een zuurstofvrije reactor te laten circuleren.”

Tijdens experimenten toonde Van Benthum aan dat de geïntegreerde nitrificatie en denitrificatie in de verschillende opstellingen inderdaad plaatsvond. Een probleem vormden micro-organismen die met de nitrificeerders om zuurstof concurreerden, en een opstartperiode waarin te veel van het milieuonvriendelijke distikstofoxide werd geproduceerd. Desondanks bleek het proces voorspoedig te verlopen. Daarmee waren de microbiologische fundamenten voor de geïntegreerde nitrificatie en denitrificatie van afvalwater gelegd.

Tot dan toe had Van Benthum alleen naar een alternatieve werkwijze of naar de combinatie van bestaande reactoren gekeken. Een veelbelovende reactoropstelling, die Van Benthum nog niet onderzocht had, was de uitbreiding van de bestaande BAS-reactor met een extra ring. In deze zogenaamde BASE-reactor, waarbij de E staat voor extensie, is een extra ring opgenomen. Hierin komen geen luchtbellen voor en daalt het water zo langzaam dat er een zuurstofvrije zone ontstaat. In deze zone vindt de denitrificatie plaats.

Van Benthum werkte aan een hydrodynamisch model voor het drie-fasen systeem in deze reactor dat gevormd wordt door de vaste biomassa fase, het afvalwater en de lucht die door de reactor geblazen werd. Dit was een complex probleem vanwege de vele interacties tussen de fasen in het systeem. ,,De gas holdup en stroming in de reactor veranderen continu door de veranderende afvalwatersamenstelling, biomassagroei en het gebruik van antischuimmiddel.”

Als logische vervolgstap naar een goed werkend proces op industriële schaal, ontwierp Van Benthum een zes meter hoge pilot BASE-reactor om zijn hydrodynamische model te kunnen valideren. Daarmee rondde hij zijn onderzoek af. Aan biologische experimenten in zijn reactor kwam hij niet toe. Van Benthum: ,,De tijd was op en daarnaast had ik voor nitrificatie/denitrificatie experimenten op pilotschaal zo’n zes kubiek meter afvalwater per dag nodig. Dat gaf wat logistieke problemen.”

De enige biologische experimenten die in de reactor plaatsvonden was de test van een nog steeds onbekende collega, of de reactor als aquarium dienst zou kunnen doen. Vissen bleken het in de doorzichtige reactor prima naar hun zin te hebben en Van Benthum moest met een schepnet aan de slag.

Naast deze grap kende zijn onderzoek geen echte tegenslagen. ,,Op een enkel gat in de reactor na waren er geen grote problemen. Het onderzoek verliep vlot. Een kwestie van goed plannen”, aldus Van Benthum. Ondanks het feit dat hij de reactor op pilot-schaal niet met echt afvalwater heeft kunnen testen, durft hij te concluderen dat het BASE-reactor concept levensvatbaar is. Het bedrijf Paques is inmiddels bezig een dergelijke reactor te commercialiseren. De totale verwijdering van stikstof uit afvalwater is daarmee een stap dichterbij gekomen.

,

Bioprocestechnologie

Afvalwater bevat altijd stikstofverbindingen, waarvan een aanzienlijk deel uit ammonium bestaat. Zo bevat rioolwater rond de veertig milligram ammonium per liter en industrieel afvalwater soms wel enkele grammen per liter. Als dit water ongezuiverd op het oppervlaktewater wordt geloosd, zorgt ammonium voor verzuring en eutrofiëring; door bacteriële oxidatie wordt dan zuurstof aan het water onttrokken. De stoffen waarin ammonium omgezet wordt, brengen nog een scala aan schadelijke gevolgen met zich mee. Zo leidt nitraat tot eutrofiëring, is nitriet kankerverwekkend en breken stikstofoxiden de ozonlaag af. Daarnaast werken ze verzuring in de hand en dragen ze bij aan het broeikaseffect.

Ammonium wordt in allerlei andere stikstofverbindingen omgezet door een groot aantal verschillende bacteriële stammen. Deze komen overal in de natuur voor, maar kunnen in een afvalwaterzuiveringsinstallatie gericht worden ingezet om ammonium uit het water te verwijderen. ,,Tot voor kort mocht men nog nitraathoudend afvalwater op het riool lozen”, aldus Van Benthum, die vorige week promoveerde bij de vakgroep Bioprocestechnologie. ,,Daarom beperkten veel bedrijven hun afvalwaterzuivering tot nitrificatie.” Tijdens de nitrificatie worden ammonium en zuurstof door bepaalde bacteriën, de zogenaamde ‘nitrificeerders’, in nitriet of nitraat omgezet. Ammoniumvrij maar nitraat bevattend afvalwater kon tot voor kort zo het riool in.

Tegenwoordig zijn de regels echter aangescherpt en moeten vrijwel alle stikstofverbindingen uit het afvalwater worden verwijderd. Daarom wordt er nu veel aandacht besteed aan denitrificatie, het omzetten van nitriet of nitraat in stikstofgas. Hiervoor worden andere bacteriestammen ingezet, de zogenaamde denitrificeerders. Deze groeien dus op het afvalproduct van de nitrificeerders en produceren op hun beurt stikstofgas. Van Benthum: ,,En dat stikstofgas zal voorlopig nog wel in de atmosfeer geloosd mogen worden, die bestaat daar toch al voor zo’n tachtig procent uit.”

Van Benthum werkte aan de geïntegreerde omzetting van ammonium, via nitriet en nitraat naar stikstofgas. Als uitgangspunt voor zijn onderzoek nam Van Benthum de biofilm airlift suspensie (BAS) reactor. Deze nitrificatiereactor werd in de jaren tachtig bij Gist-Brocades ontwikkeld door een team onder leiding van Van Benthums begeleider, professor Heijnen. De BAS-reactor bevat zanddeeltjes waarop nitrificerende bacteriën een laagje vormen. Door onderin de reactor een constante luchtstroom te pompen worden deze deeltjes samen met het afvalwater omhoog gestuwd dooreen centrale cilinder in de reactor. In de reactorsectie die deze cylinder omringt worden geen luchtbellen geblazen. Hierdoor is de dichtheid van het afvalwater in deze ring groter en daalt het water met de biofilmdeeltjes weer. De ingeblazen luchtstroom zorgt zo tegelijk voor menging van de biomassa en het afvalwater, en voor de overdracht van zuurstof die voor nitrificatie nodig is. ,,De BAS-reactors zijn bij Gist-Brocades te zien als enkele smalle twintig meter hoge kolommen. Juist het feit dat ze smal en hoog zijn, maakt ze aantrekkelijk voor de industrie. Conventionele actieve slib-bassins nemen veel meer grondoppervlak in. Dat maakt ze in het Westen van het land onaantrekkelijk”, licht Van Benthum toe. ,,Verder is het volume van de BAS-reactoren beperkt, omdat de bacteriën als biofilm op zware zanddeeltjes groeien en dus niet snel uitspoelen. De biomassaconcentratie is daardoor hoog.”
Groei

In de eerste jaren van zijn onderzoek keek Van Benthum naar de invloed van verschillende omstandigheden in een labschaal-reactor op de samenwerking van nitrificeerders en heterotrofen. Heterotrofe bacteriën hebben in tegenstelling tot de nitrificeerders, die autotroof zijn, een organische koolstofbron nodig om te kunnen groeien. Beide hebben zuurstof nodig.

,,De groei van beide stammen hangt af van de beschikbaarheid van een voedingsbodem op de plek waar ze groeien. De snellere groeiers zullen liever in suspensie groeien dan in een biofilm, omdat de beschikbaarheid van substraat dan groter is. Als de verblijftijd in de reactor verlaagd wordt, dan zullen de in suspensie groeiende bacteriën op een gegeven moment uitgespoeld worden. Dan zullen ook zij alleen in biofilm kunnen groeien en de langzamere daar overgroeien.”

In zijn systeem werden de langzaam groeiende nitrificeerders overgroeid door de heterotrofen, maar leverde dit geen problemen op voor de uiteindelijke ammoniumomzetting. Van Benthum wist zijn reactor zo te bedrijven dat na een opstartperiode de omzetting van ammonium naar nitriet op gewenste wijze verliep.

Daarna zocht hij naar een geschikte manier om naast nitrificatie ook denitrificatie uit te kunnen voeren in één proces. Het voornaamste struikelblok hierbij was dat de nitrificeerders zuurstof nodig hebben om ammonium te oxideren, maar de nitrificeerders juist in afwezigheid van zuurstof gedijen. Van Benthum bekeek verschillende oplossingen. ,,Eén mogelijkheid is om de reactor om en om met zuurstofrijke lucht en met gerecirculeerd zuurstofvrij afvalgas te beluchten. Een alternatief is om een deel van het zuurstofrijke afvalwater tussen de BAS-reactor en een zuurstofvrije reactor te laten circuleren.”

Tijdens experimenten toonde Van Benthum aan dat de geïntegreerde nitrificatie en denitrificatie in de verschillende opstellingen inderdaad plaatsvond. Een probleem vormden micro-organismen die met de nitrificeerders om zuurstof concurreerden, en een opstartperiode waarin te veel van het milieuonvriendelijke distikstofoxide werd geproduceerd. Desondanks bleek het proces voorspoedig te verlopen. Daarmee waren de microbiologische fundamenten voor de geïntegreerde nitrificatie en denitrificatie van afvalwater gelegd.

Tot dan toe had Van Benthum alleen naar een alternatieve werkwijze of naar de combinatie van bestaande reactoren gekeken. Een veelbelovende reactoropstelling, die Van Benthum nog niet onderzocht had, was de uitbreiding van de bestaande BAS-reactor met een extra ring. In deze zogenaamde BASE-reactor, waarbij de E staat voor extensie, is een extra ring opgenomen. Hierin komen geen luchtbellen voor en daalt het water zo langzaam dat er een zuurstofvrije zone ontstaat. In deze zone vindt de denitrificatie plaats.

Van Benthum werkte aan een hydrodynamisch model voor het drie-fasen systeem in deze reactor dat gevormd wordt door de vaste biomassa fase, het afvalwater en de lucht die door de reactor geblazen werd. Dit was een complex probleem vanwege de vele interacties tussen de fasen in het systeem. ,,De gas holdup en stroming in de reactor veranderen continu door de veranderende afvalwatersamenstelling, biomassagroei en het gebruik van antischuimmiddel.”

Als logische vervolgstap naar een goed werkend proces op industriële schaal, ontwierp Van Benthum een zes meter hoge pilot BASE-reactor om zijn hydrodynamische model te kunnen valideren. Daarmee rondde hij zijn onderzoek af. Aan biologische experimenten in zijn reactor kwam hij niet toe. Van Benthum: ,,De tijd was op en daarnaast had ik voor nitrificatie/denitrificatie experimenten op pilotschaal zo’n zes kubiek meter afvalwater per dag nodig. Dat gaf wat logistieke problemen.”

De enige biologische experimenten die in de reactor plaatsvonden was de test van een nog steeds onbekende collega, of de reactor als aquarium dienst zou kunnen doen. Vissen bleken het in de doorzichtige reactor prima naar hun zin te hebben en Van Benthum moest met een schepnet aan de slag.

Naast deze grap kende zijn onderzoek geen echte tegenslagen. ,,Op een enkel gat in de reactor na waren er geen grote problemen. Het onderzoek verliep vlot. Een kwestie van goed plannen”, aldus Van Benthum. Ondanks het feit dat hij de reactor op pilot-schaal niet met echt afvalwater heeft kunnen testen, durft hij te concluderen dat het BASE-reactor concept levensvatbaar is. Het bedrijf Paques is inmiddels bezig een dergelijke reactor te commercialiseren. De totale verwijdering van stikstof uit afvalwater is daarmee een stap dichterbij gekomen.