Onverwacht bacteriehuwelijk

.chap Ammonium af te breken in één biologische waterzuiveringstank

Bijna gratis en voor niets doen de bacteriën hun werk in het afvalwater. Je hoeft ze niet bij te voeren. Wat lucht toevoegen en je hebt tevreden werkpaarden.

De dieprode Anammox-bacterie en een bacterie uit de Nitrosomonasfamilie vormen samen een goed paar. De Anammox-bacterie zet nitriet om in stikstofgas met ammonium als voedselbron. De nitrificerende Nitrosomonas-bacterie maakt het daarvoor benodigde nitriet met behulp van zuurstof uit ammonium. Samen zetten ze ammonium in afvalwater, dat in meren en sloten vissterfte kan veroorzaken, om in het onschadelijke stikstofgas.

Tot een paar jaar geleden dachten microbiologen dat de zuurstofhatende Anammox-bacterie en de zuurstofminnende Nitrosomonas-bacterie nooit beide in hetzelfde reactorvat konden gedijen. Bij heel lage zuurstofconcentraties en een overmaat aan ammonium kunnen ze echter prima samenleven, ontdekten Delftse microbiologen. En ze noemden het proces canon, wat staat voor completely autotrophic nitrogen removal over nitrite.

Waarschijnlijk beschermen de zuurstofliefhebbers de zuurstofhaters. Beide bacteriesoorten vormen samen een vlokje, waarbij de zuurstofhaters in het midden gaan zitten. ,,De zuurstofconcentratie in zo’n vlokje is in ieder geval zo laag dat we met een elektrode geen zuurstof meer kunnen detecteren”, vertelt vierdejaars promovendus ir. Olav Slieker. ,,Verder knijpen we de toegevoegde hoeveelheid zuurstof flink af”, stelt de microbioloog. Door de lage concentraties in de reactor verdwijnt de aanwezige zuurstof, die giftig is voor de anammox-bacterie, snel.

,,We voegen precies zoveel toe dat de zuurstof steeds snel met ongeveer de helft van het toegevoegde ammonium reageert.” De andere helft blijft dan voor de tweede reactie beschikbaar.

Zo’n goede balans tussen de hoeveelheid zuurstof en ammonium is essentieel. Voeg je te veel zuurstof toe in verhouding tot de aanwezig hoeveelheid ammonia, dan komt er een derde kaper op de kust. Deze ongewenste gast gebruikt zuurstof om nitriet in nitraat om te zetten en eet zo de kaas van het brood van de nuttige bacteriën. En dat is vervelend voor waterzuiveraars, omdat dan de ene milieuvervuilende stof, ammonium, wordt omgezet in een andere milieuvervuilende stof, namelijk nitraat.

Slib

Om de krachtsverhoudingen in de reactor te bepalen, nam de microbioloog regelmatig monsters van vlokjes bacteriën. Door unieke stukjes DNA-codes met lichtgevend label eraan toe te voegen, gaven de bacteriën onder een fluorescentiemicroscoop hun identiteit prijs.

In experimenten met te veel zuurstof zag Sliekers dat de ongewenste gast het proces verstoorde. Dit leverde echter geen onherstelbare schade. Hij gaf de bacteriën bijvoorbeeld een maand weinig ammonium te eten en daarna voerde hij de toevoer weer op. Het proces bleek robuust. De aërobe en anaërobe ammonium-oxiderende bacteriën hadden een huwelijkscrises overleefd en konden onder deze omstandigheden weer samenwerken in de afbraak van ammonium tot het onschadelijke stikstofgas. En dat maakt het systeem geschikt voor industriële toepassingen. Er blijft met dit proces wel altijd wat ammonium over, omdat ammonium altijd in overmaat aanwezig moet zijn om te voorkomen dat de derde kaper op de kust zijn slag slaat.

Het canonproces is speciaal geschikt voor het afvalwater dat vrijkomt na slibvergisting. Dit slib komt vrij bij de zuivering van rioolwater en is rijk aan organische stikstof die tijdens de vergisting wordt omgezet in ammonium. Daarnaast is dit soort afvalwater arm aan koolstofverbindingen, die in het traditionele proces als voedselbron voor de bacteriën dienen.

Lachgas

De twee bacteriën die samen in een zuurstofarme omgeving ammonium volledig kunnen afbreken, beginnen deze zomer hun werk al in proefafvalwaterzuiveringsinstallatie Dokhaven in Zuid-Holland. De zuurstofhater en de zuurstofliefhebber zitten daar echter nog in een verschillend reactorvat. De TU werkte ook mee aan de ontwikkeling van dit proces.

Dit soort nieuwe technologieën zijn veel goedkoper dan de bestaande, waarvoor veel meer beluchting nodig is enwaarin de bacteriën moeten worden bijgevoerd met organische koolstofbronnen als methanol. Bij dit traditionele biologische proces komen bovendien schadelijke tussenproducten vrij als bruingas of het broeikasgas lachgas.

De nieuwe reactie bespaart vooral geld op de energierekening, omdat je maar weinig zuurstof hoeft toe te voegen. Sliekers: ,,Lucht pompen in een reactor van bijvoorbeeld tien meter hoog is duur, omdat je het er met een behoorlijke druk in moet blazen.”

De kostenbesparing van het canonproces ten opzichte van het traditionele proces is minder dan een euro per kilo verwijderd stikstof. ,,Dat lijkt niet veel”, stelt Sliekers begeleider, prof.dr.ir. Mike Jetten, in zijn intreerede aan de Universiteit van Nijmegen. ,,Maar als je bedenkt dat er in een gemiddelde afvalwaterzuiveringsinstallatie in Nederland per dag 1500 kilo stikstof doorheen gaat, loopt dat verschil al gauw op tot 350 duizend euro per jaar. Met zo’n vierhonderd installaties in Nederland rekenen we onszelf al snel zo’n 140 miljoen euro rijker.”

.chap Ammonium af te breken in één biologische waterzuiveringstank

Bijna gratis en voor niets doen de bacteriën hun werk in het afvalwater. Je hoeft ze niet bij te voeren. Wat lucht toevoegen en je hebt tevreden werkpaarden.

De dieprode Anammox-bacterie en een bacterie uit de Nitrosomonasfamilie vormen samen een goed paar. De Anammox-bacterie zet nitriet om in stikstofgas met ammonium als voedselbron. De nitrificerende Nitrosomonas-bacterie maakt het daarvoor benodigde nitriet met behulp van zuurstof uit ammonium. Samen zetten ze ammonium in afvalwater, dat in meren en sloten vissterfte kan veroorzaken, om in het onschadelijke stikstofgas.

Tot een paar jaar geleden dachten microbiologen dat de zuurstofhatende Anammox-bacterie en de zuurstofminnende Nitrosomonas-bacterie nooit beide in hetzelfde reactorvat konden gedijen. Bij heel lage zuurstofconcentraties en een overmaat aan ammonium kunnen ze echter prima samenleven, ontdekten Delftse microbiologen. En ze noemden het proces canon, wat staat voor completely autotrophic nitrogen removal over nitrite.

Waarschijnlijk beschermen de zuurstofliefhebbers de zuurstofhaters. Beide bacteriesoorten vormen samen een vlokje, waarbij de zuurstofhaters in het midden gaan zitten. ,,De zuurstofconcentratie in zo’n vlokje is in ieder geval zo laag dat we met een elektrode geen zuurstof meer kunnen detecteren”, vertelt vierdejaars promovendus ir. Olav Slieker. ,,Verder knijpen we de toegevoegde hoeveelheid zuurstof flink af”, stelt de microbioloog. Door de lage concentraties in de reactor verdwijnt de aanwezige zuurstof, die giftig is voor de anammox-bacterie, snel.

,,We voegen precies zoveel toe dat de zuurstof steeds snel met ongeveer de helft van het toegevoegde ammonium reageert.” De andere helft blijft dan voor de tweede reactie beschikbaar.

Zo’n goede balans tussen de hoeveelheid zuurstof en ammonium is essentieel. Voeg je te veel zuurstof toe in verhouding tot de aanwezig hoeveelheid ammonia, dan komt er een derde kaper op de kust. Deze ongewenste gast gebruikt zuurstof om nitriet in nitraat om te zetten en eet zo de kaas van het brood van de nuttige bacteriën. En dat is vervelend voor waterzuiveraars, omdat dan de ene milieuvervuilende stof, ammonium, wordt omgezet in een andere milieuvervuilende stof, namelijk nitraat.

Slib

Om de krachtsverhoudingen in de reactor te bepalen, nam de microbioloog regelmatig monsters van vlokjes bacteriën. Door unieke stukjes DNA-codes met lichtgevend label eraan toe te voegen, gaven de bacteriën onder een fluorescentiemicroscoop hun identiteit prijs.

In experimenten met te veel zuurstof zag Sliekers dat de ongewenste gast het proces verstoorde. Dit leverde echter geen onherstelbare schade. Hij gaf de bacteriën bijvoorbeeld een maand weinig ammonium te eten en daarna voerde hij de toevoer weer op. Het proces bleek robuust. De aërobe en anaërobe ammonium-oxiderende bacteriën hadden een huwelijkscrises overleefd en konden onder deze omstandigheden weer samenwerken in de afbraak van ammonium tot het onschadelijke stikstofgas. En dat maakt het systeem geschikt voor industriële toepassingen. Er blijft met dit proces wel altijd wat ammonium over, omdat ammonium altijd in overmaat aanwezig moet zijn om te voorkomen dat de derde kaper op de kust zijn slag slaat.

Het canonproces is speciaal geschikt voor het afvalwater dat vrijkomt na slibvergisting. Dit slib komt vrij bij de zuivering van rioolwater en is rijk aan organische stikstof die tijdens de vergisting wordt omgezet in ammonium. Daarnaast is dit soort afvalwater arm aan koolstofverbindingen, die in het traditionele proces als voedselbron voor de bacteriën dienen.

Lachgas

De twee bacteriën die samen in een zuurstofarme omgeving ammonium volledig kunnen afbreken, beginnen deze zomer hun werk al in proefafvalwaterzuiveringsinstallatie Dokhaven in Zuid-Holland. De zuurstofhater en de zuurstofliefhebber zitten daar echter nog in een verschillend reactorvat. De TU werkte ook mee aan de ontwikkeling van dit proces.

Dit soort nieuwe technologieën zijn veel goedkoper dan de bestaande, waarvoor veel meer beluchting nodig is enwaarin de bacteriën moeten worden bijgevoerd met organische koolstofbronnen als methanol. Bij dit traditionele biologische proces komen bovendien schadelijke tussenproducten vrij als bruingas of het broeikasgas lachgas.

De nieuwe reactie bespaart vooral geld op de energierekening, omdat je maar weinig zuurstof hoeft toe te voegen. Sliekers: ,,Lucht pompen in een reactor van bijvoorbeeld tien meter hoog is duur, omdat je het er met een behoorlijke druk in moet blazen.”

De kostenbesparing van het canonproces ten opzichte van het traditionele proces is minder dan een euro per kilo verwijderd stikstof. ,,Dat lijkt niet veel”, stelt Sliekers begeleider, prof.dr.ir. Mike Jetten, in zijn intreerede aan de Universiteit van Nijmegen. ,,Maar als je bedenkt dat er in een gemiddelde afvalwaterzuiveringsinstallatie in Nederland per dag 1500 kilo stikstof doorheen gaat, loopt dat verschil al gauw op tot 350 duizend euro per jaar. Met zo’n vierhonderd installaties in Nederland rekenen we onszelf al snel zo’n 140 miljoen euro rijker.”