Je leest:

Afbraak zonder zuurstof, win-win-win

Afbraak zonder zuurstof, win-win-win

Auteur: | 12 juni 2018
iStockphoto

Er is een hele dierentuin aan micro-organismen nodig die nauw met elkaar moeten samenwerken om het geconcentreerde industriële afvalwater te zuiveren. Daarnaast moeten de micro-organismen het kleine beetje energie dat wordt gewonnen uit de reactie met elkaar delen. Aangezien dit heel weinig is, leidt dit ertoe dat er nauwelijks nieuwe biomassa gevormd wordt. Hierdoor heeft het bedrijf geen additionele kosten voor het verwerken van het slib.

3 05
Hoogbelaste anaerobe zuiveringsreactor geplaatst direct naast de fabriek van de Suikerunie.
Paques BV

Wanneer een afvalwaterstroom veel organische stof bevat, zal er veel zuurstof in de beluchtingstanks geblazen moeten worden om al het aanwezige koolstof door bacteriën te kunnen laten oxideren naar CO2. De hiervoor noodzakelijke forse omvang van de benodigde waterzuiveringsinstallaties is ook nodig om al de bacteriën die de oxidatie uitvoeren te kunnen herbergen. Aangezien deze aerobe bacteriën iets meer dan de helft van de koolstof die ze afbreken, omzetten in nieuwe biomassa, ofwel nieuw slib, komen er grote stromen spui-slib vrij.

De prijs van zo’n zuivering wordt onbetaalbaar omdat de aanvoer van de enorme hoeveelheden lucht (zuurstof) door compressoren veel energie kost. Daarbij zal de ontstane grote hoeveelheid slib, in feite een afvalproduct, moeten worden verwerkt. Dit is in Nederland erg duur aangezien al dat slib moet worden verbrand. Het zal dan ook geen verrassing zijn dat begin jaren 70, toen de Wet verontreiniging oppervlaktewateren (WVO) van kracht werd, vele agro-industriële bedrijven enorme problemen hadden om de zuiveringsheffingen te kunnen voldoen.

Behoud van energie

Gelukkig had moeder natuur nog een ander microbieel proces in petto waarmee organische stof kan worden gemineraliseerd tot zijn bouwstenen. Dit zogenaamde anaerobe proces speelt zich af op die plaatsen waar organische stof aanwezig is maar geen zuurstof, bijvoorbeeld in moerassen en de natte ondergrond. In plaats van zuurstof wordt een deel van de koolstof zelf gereduceerd.

Het andere deel van de koolstof wordt geoxideerd. Het eindproduct is een gasvormig mengsel van volledig geoxideerd koolstof, CO2 en volledig gereduceerd koolstof, CH4, ofwel methaan. Dit gasmengsel wordt ook wel biogas genoemd en kan dienen als brandstof. Het gevormde methaan is vergelijkbaar met het methaan dat we decennia lang bij Slochteren in Groningen uit de grond hebben gehaald.

Het aerobe zuiveringsproces is in feite een verbrandingsproces waarbij de koolstof met de aanwezig zuurstof wordt omgezet tot CO2. In het anaerobe zuiveringsproces gaat vrijwel niets van de chemisch gebonden energie verloren en komt de energiewaarde van de oorspronkelijke organische stof in het eindproduct biogas terecht. Er is dus sprake van een tweevoudige energiewinst: 1) er wordt geen (fossiele) energie verbruikt om de benodigde zuurstof in de zuiveringstank te blazen, en 2) alle chemisch gebonden energie uit de oorspronkelijke organische vuillast wordt teruggewonnen als een bruikbare energiedrager (biogas).

Het biogas kan weer als energiebron dienen voor het industriële productieproces. Een bierbrouwer die zo’n 10.000 hectoliter bier per dag produceert, om maar één voorbeeld te noemen, verdient zo al snel een miljoen euro per jaar aan niet verbruikte energie door anaeroob in plaats van aeroob te zuiveren. De anaerobe zuiveringstechnologie is voornamelijk in Nederland na invoering van de WVO verder ontwikkeld en Nederlandse bedrijven zijn momenteel wereldmarktleiders van deze technologie.

Anaerobeafbraakjpg
Schematische weergave van de anaerobe afbraak van koolhydraten, eiwitten en vetten in afvalwater door bacteriën tot methaangas.
Sittrop Grafisch Realisatie Bureau, Nijmegen

Dierentuin aan bacteriën

In het anaerobe zuiveringsproces moeten vele micro-organismen met elkaar samen werken om organische stoffen volledig om te zetten naar biogas. Eerst moeten complexe stoffen in stukken worden gehakt. Dit proces noemen we ‘hydrolyse’. Dit gebeurt ook in de groenbak thuis in de zomer als het lekker warm is. Daarna begint het mengsel van organisch afval te stinken naar organische zuren. Dit is de tweede afbraakstap van de anaerobe zuivering: zuurstofloze fermentatie of ‘verzuring’ waarbij bacteriën neutrale organische stoffen zoals suikers, eiwitten en vetten omzetten in vetzuren en alcoholen.

Vervolgens zetten weer andere bacteriën deze stoffen om in azijnzuur dat de derde stap in de anaerobe zuivering is, de ‘azijnzuurvorming’. Tenslotte is het de beurt aan methaanvormende micro-organismen die in de vierde stap het azijnzuur en ook het gevormde kooldioxide met waterstof omzetten in methaan.

Er is blijkbaar dus een hele dierentuin aan micro-organismen nodig die nauw met elkaar moeten samenwerken om het geconcentreerde industriële afvalwater te zuiveren. Daarnaast moeten de micro-organismen het kleine beetje energie dat wordt gewonnen uit de reactie met elkaar delen. Aangezien dit heel weinig is, leidt dit ertoe dat er nauwelijks nieuwe biomassa ofwel spui-slib gevormd wordt. Hierdoor heeft het bedrijf geen additionele kosten voor het verwerken van het slib.

Korrelslib

In de afgelopen decennia is ook gebleken dat de anaerobe micro-organismen vaak in korrelvormige structuren groeien. Deze anaerobe slibkorrels hebben een hoge dichtheid en dus ook een hoge bezinkbaarheid en zitten vol met anaerobe (methanogene) micro-organismen. De hoge bezinkbaarheid maakt hen uitermate geschikt om ze toe te passen in zuiveringsreactoren van bijvoorbeeld 20-25 meter hoog met een relatief gering grondoppervlak. Ook dit is een enorm voordeel aangezien bij fabrieken vaak nauwelijks plaats is om een zuiveringsinstallatie te bouwen.

Doordat de anaerobe slibkorrels zo goed bezinken, kan een anaerobe reactor dus ook veel zuiveringsslib herbergen. Dit type zuivering kan wel 10 keer zoveel slib vasthouden dan de aerobe zuiveringen die we in Nederland voor de rioolwaterzuivering gebruiken. Hierdoor kunnen de anaerobe afvalwaterzuiveringen dus ook zo’n 10 keer zoveel vuillast per tijdseenheid verwerken vergeleken met de aerobe zuiveringen.

Het anaerobe korrelslib dat geproduceerd wordt, is waardevol en zelfs essentieel voor de werking van bepaalde type anaerobe zuiveringen. Eigenlijk is het helemaal geen afvalproduct en heeft het een interessante marktwaarde. Bedrijven die voldoende anaeroob slib produceren, verkopen dit slib aan andere bedrijven die anaerobe reactoren willen opstarten.

In dit filmpje kun je zien hoe waterzuivering met anaerobe korrelslib werkt.

Kortom: er zijn alleen maar voordelen om deze manier van zuiveren toe te passen voor geconcentreerd industrieel afvalwater. Dit is dan ook precies de reden dat in Nederland vrijwel al het geconcentreerde, biologisch afbreekbare afvalwater wordt gezuiverd met anaerobe reactoren. Een mooie Nederlandse vinding die momenteel in de hele wereld wordt toegepast om de vuillast naar oppervlaktewater te verminderen. Omdat tevens de chemisch gebonden energie als biogas wordt teruggewonnen die de fossiele brandstof in het productieproces deels kan vervangen is dit een typisch voorbeeld van een win-win-wintechnologie!

Lees het volgende artikel van het thema ‘Afvalwater’

Dit artikel is een publicatie van Stichting Biowetenschappen en Maatschappij.
© Stichting Biowetenschappen en Maatschappij, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 12 juni 2018

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.