Wanneer oppervlaktewater overbelast wordt met organische verbindingen ontstaat er door de bacteriële activiteit al snel een tekort aan zuurstof. Bij zuurstofloze afbraak van organische verbindingen ontstaan echter organische zuren en waterstofsulfide, die stank en overlast veroorzaken en tot vissterfte leiden. Het is daarom zaak om de condities voor de micro-organismen van de gewenste afbraakprocessen te verbeteren. Dat is waar de afvalwaterzuivering voor zorgt. De toepassing van technologie zorgt ervoor dat belemmeringen voor afbraak en microbiële groei worden opgeheven, zoals het toevoeren van zuurstof. Omdat de hoeveelheid bacteriën die het werk moeten doen sterk is verhoogd, gaat het ook nog een stuk sneller.
Natuur in versnelling
De basis van versnelde afbraak is gelegd door ingenieur Aale Pasveer die beluchtingsproeven deed om een goedkope en effectieve methode te ontwikkelen om afvalwater te zuiveren. Het eerste type oxidatiesloot is naar hem vernoemd: de Pasveersloot (zie ook paragraaf: De oxidatiesloot). Door toevoer van zuurstof kunnen bacteriën snel de organische verbindingen in afvalwater afbreken en ook goed groeien. Ongeveer 50 procent van de koolstof in verontreinigingen wordt omgezet in microbiële biomassa.
Veel bacteriën per volume-eenheid zorgen voor een hoge omzettingssnelheid. Dat is gunstig, maar ook een probleem. Na zuivering van het afvalwater moet de microbiële biomassa (het zuiveringsslib) weer verwijderd worden om helder water te lozen. Een mooie bijkomstigheid is dat de micro-organismen spontaan in vlokken groeien, die iets zwaarder zijn dan water en bezinken wanneer de beluchting gestopt wordt. Dit bezinkingsproces vindt plaats in een bezinkingsbekken. Een deel van dat slib wordt teruggevoerd naar de oxidatiesloot om de hoge omzettingssnelheid in stand te houden. Het teveel aan slib wordt ontwaterd en daarna vergist voor biogas of verbrand.
Groeifactoren
Voor de optimale groei van micro-organismen zijn veel factoren belangrijk, zoals zuurstof, zuurgraad, temperatuur en voedingstoffen: de koolstof-, stikstof-, zwavel- en fosforbronnen. Daarnaast zijn micronutriënten nodig zoals ijzer, zink, nikkel en seleen om specifieke enzymen te laten werken.
In huishoudelijk afvalwater zijn voldoende nutriënten aanwezig. Dit vormt geen beperking voor de activiteit en groei van micro-organismen. Zuurstof is vaak wel beperkend en een lage temperatuur is ook niet gunstig voor een hoge activiteit.
Bij specifieke industriële afvalwaterstromen kunnen sommige nutriënten wel een beperkende factor zijn. Nauwkeurige analyse van de samenstelling van het afvalwater is daarom nodig om eventueel beperkende nutriënten aan te vullen.
Anaeroob korrelslib
Bij aerobe zuivering wordt veel slib geproduceerd dat verwerkt moet worden. Anaerobe zuivering lijkt daarom een betere optie. Een groot deel van de organische afvalstoffen wordt omgezet in biogas, waardoor er minder energie over is voor biomassagroei. Toch is anaerobe zuivering lange tijd niet aantrekkelijk geweest. In afwezigheid van zuurstof verliepen de omzettingen traag en de afbraak was onvolledig. Voor huishoudelijk afvalwater dat te weinig organische stof bevat, is het winnen van biogas sowieso niet rendabel. Dat geldt niet voor afvalwaterstromen uit de agro-industrie, zoals aardappelzetmeelfabrieken, suikerfabrieken, bierbrouwerijen en slachthuizen.
De anaerobe zuivering van afvalwater heeft in de jaren zeventig een grote doorbraak gekend door het onderzoek van de Wageningse hoogleraar milieutechnologie Gatze Lettinga. Hij en zijn medewerkers ontdekten dat bij anaerobe zuivering van afvalwater de micro-organismen in compacte korrels gingen groeien. De activiteit van dit zogenaamde korrelslib is hoog omdat het compacte microbiële aggregaten zijn van bacteriën en methanogenen die gezamenlijk organische verbindingen efficiënt afbreken. De methanogenen zetten de afbraakproducten – acetaat, waterstof, formiaat – geproduceerd door de andere bacteriën in de korrel snel om tot methaan (biogas). Een bijkomend voordeel van korrelslib is de goede bezinkbaarheid, waardoor scheiding van water en slib makkelijker en sneller mogelijk is en de actieve methanogene biomassa in de reactor kon blijven. Het korrelslib van een goedwerkende anaerobe reactor kan dienst doen als entmateriaal van andere reactoren.
Anaerobe zuivering is een voorzuivering. Ammonium en sulfide komen bij de anaerobe afbraak van organische materiaal vrij en deze moeten daarna nog verwijderd worden. Dat kan in een combinatie van aerobe of anaerobe processen.
Natuur in vertraging
Behalve een versnelling van natuurlijke processen is het soms ook wenselijk om microbiële processen te vertragen door groeistimulerende verbindingen te verminderen. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van fosfaten als waterontharder in wasmiddelen. In het verleden heeft gebruik van deze wasmiddelen geleid tot een toename van het fosfaat in het afval- en oppervlaktewater, een stof die voorheen beperkend was voor de groei van algen. De toename van fosfaat veroorzaakte een enorme algenbloei, waardoor grachten en sloten groen kleurden. De problemen kwamen doordat de algen massaal weer afstierven en de afbraak al het zuurstof uit het water onttrok. Dit probleem van eutrofiëring leidde tot onderzoek naar innovatieve methoden om fosfaat met micro-organismen te verwijderen, eerst in Wageningen en daarna in Delft. Door fosfaat in wasmiddelen te vervangen door andere verbindingen is het probleem van eutrofiëring door fosfaat inmiddels sterk verminderd.
Basis rioolwaterzuivering
Een rioolwaterzuiveringsinstallatie (rwzi) zuivert al het afvalwater dat via het riool wordt aangevoerd. Dat kan afkomstig zijn van huishoudens, bedrijven en vaak ook van wegen. Het zuiveringsproces wordt opgedeeld in enkele processtappen:
Voorzuivering (primair)
De eerste zuivering verwijdert het grove vuil, de bezinkbare delen en de zwevende delen uit het afvalwater, zoals blikjes, plastic, tampons, maandverband, vet en zand. Grove delen worden met een roosters er uitgefilterd en bezinkbare fijnere delen en vet worden met een flotatiebak uit het water verwijderd. De opgeloste stoffen gaan naar de volgende stap.
Biologische zuivering (secundair)
In deze zuiveringsstap wordt het zelfreinigend vermogen van de natuur nagebootst. Door een hoge concentratie aan bacteriën in het water (actief slib) en aanvoer van voldoende zuurstof (aerobe zuivering) wordt dit natuurlijke proces versneld en opgeloste organische verbindingen, stikstof en fosforverbindingen verwijderd. Hierbij komt slib vrij. Het actiefslibproces is de meest toegepaste methode voor biologische waterzuivering. Het actief slib bestaat uit verschillende organismen, van eencellige tot meercellige organismen. Deze organismen leven van de afvalstoffen in het afvalwater of van de organismen in het slib.
Nazuivering (tertiair)
Deze stap verwijdert de zwevende en colloïdale stoffen die zijn achtergebleven na de primaire of secundaire zuivering door deze neer te slaan, te oxideren, of te adsorberen aan actief kool.
In dit filmpje van PodiumUtrecht zie je hoe rioolwaterzuivering in zijn werk gaat.