Je leest:

Kringlopen in de natuur

Kringlopen in de natuur

Auteur: | 12 juni 2018
iStockphoto

In grachten, kanalen en rivieren leeft een grote verscheidenheid aan organismen, variërend van waterplanten en watervlooien tot micro-organismen als bacteriën. Zij geven het water het zelfreinigende vermogen. Ze breken de afvalstoffen die in het water terechtkomen af en houden zo het water schoon en helder. De natuur heeft daar wel tijd en ruimte voor nodig.

Lozingen
Klassieke weergave van de gevolgen van een lozing van organische stoffen op een stromend oppervlaktewater (Hynes, 1962). A: fysische en biochemische parameters, zoals het zuurstofverbruik (BZV) en -gehalte, zwevende stof; B: chemische parameters, als ammonium, nitraat en fosfaat; C: micro-organismen, zoals schimmels, bacteriën, algen en watervlooien en D: ‘grotere’ dieren, zoals wormpjes en muggenlarven. Het blauwe blok geeft de hoeveelheid van een stof of organisme aan in schoon stromend water. Dit is de natuurlijke, stabiele kwaliteit die we na een lozing benedenstrooms weer terug willen hebben. Het grijze blok geeft aan hoe in een rioolwaterzuivering de natuurlijke processen worden nagebootst en geoptimaliseerd door bijvoorbeeld slim te beluchten en actief slib te mengen die het afval omzetten. Het gezuiverde afvalwater voldoet ondanks alle inspanningen niet aan de kwaliteit van goed oppervlaktewaterwater, zoals in het blauwe vlak is weergegeven.
Sittrop Grafisch Realisatie Bureau, Nijmegen

De biologische processen die zich in de natuur afspelen, zijn onderdeel van de grote kringlopen der elementen, in wezen een continu spel van opbouwen en afbreken van verbindingen. Van deze kringlopen is al het leven op aarde afhankelijk. De belangrijkste elementen zijn koolstof ©, stikstof (N), fosfor (P) en zwavel (S).

Deze elementen staan ook centraal bij het zuiveren van afvalwater. De hoofdcomponenten van huishoudelijk afvalwater, namelijk organisch materiaal en nutriënten als stikstof, fosfor en zwavel, zijn meestal afkomstig van deels verteerd voedsel, toiletpapier, wasmiddelen, etcetera. In afvalwaterzuiveringsinstallaties worden deze organische verbindingen afgebroken en deels teruggewonnen. Hierbij spelen bacteriën en zuurstof een hoofdrol.

Koolstof

De afbraak van organische afvalstoffen kan met en zonder zuurstof. Bij afbraak met zuurstof, ofwel aerobe stofwisseling, worden organische verbindingen geheel omgezet naar CO2. Micro-organismen kunnen ook zonder zuurstof afvalstoffen afbreken. In plaats van zuurstof gebruiken ze dan stoffen die zuurstof bevatten zoals sulfaat of nitraat. Deze stoffen zitten ook in afvalwater. Bij de omzetting van sulfaat en nitraat ontstaan respectievelijk sulfide en ammonium of stikstofgas .

Afbraak van organische afvalstoffen zonder zuurstof, sulfaat of nitraat (ook wel fermentatie genoemd) leidt tot de vorming van biogas een mengsel van methaan (CH4) en kooldioxide. Deze vorm van afbraak is een microbiologisch proces waarbij anaerobe bacteriën samenwerken met methanogene archaea, ook wel methanogenen genoemd. Vroeger werden archaea als archaebacteriën geclassificeerd maar tegenwoordig worden ze onderscheiden van bacteriën. De anaerobe bacteriën breken organische verbindingen eerst af naar acetaat, CO2 en H2. Acetaat wordt vervolgens door methanogenen omgezet naar CH4 en CO2, en CO2 wordt met waterstof omgezet naar CH4.

Bacteriën en archaea zijn in een vroeg stadium van de evolutie van elkaar afgescheiden, maar fysiologisch zijn ze van elkaar afhankelijk. Dat archaea methaan kunnen vormen staat sterk in de belangstelling. In de eerste plaats doordat methaan een heel sterk broeikasgas is, twintig keer sterker dan COc2. Daarnaast is methaanvorming ook een manier om organisch materiaal om te zetten naar biogas, zoals bijvoorbeeld bij mestvergisting en de vergisting van zuiveringsslib van waterzuiveringsinstallaties gebeurt.

Stikstof en sulfaat

Plantaardig materiaal bevat niet enkel koolstofwaterstofverbindingen, maar ook eiwitten waar relatief veel stikstof en zwavel in voorkomt. Bij de afbraak van plantaardige biomassa komen deze elementen vrij als ammonium (NH4+) en sulfide (S2–). Om anorganische stikstofverbindingen uit water te verwijderen kan gebruik worden gemaakt van nitrificatie en denitrificatie. Bij nitrificatie oxideren aerobe bacteriën het opgeloste ammonium naar nitraat (NO3–) en nitriet (NO2–), en bij de denitrificatie zetten anaerobe bacteriën nitraat en nitriet om naar stikstofgas N2. Voor het eerste proces is dus zuurstof nodig, het tweede proces verloopt zonder zuurstof maar heeft wel een hulpstof nodig, bijvoorbeeld de organische stof methanol (elektronendonor).

1 05b
Onderzoeksopstelling van de Radboud Universiteit Nijmegen (groep Mike Jetten) voor het zuiveren van afvalwater. Het reactorvat in het midden bevat de rode anammoxbacterien die het (synthetische) afvalwater met ammonium zuiveren.
Hollandse Hoogte, Den Haag

In Delft is bij Gist-brocades in de jaren negentig van de vorige eeuw een heel bijzonder microbiologisch proces ontdekt: Anammox, waarbij ammonium geoxideerd wordt met nitriet en waarbij N2 wordt gevormd. Dit proces is verder onderzocht aan de TU Delft en de Radboud Universiteit Nijmegen. De ontdekking van Anammox was heel belangrijk voor de afvalwaterzuivering omdat hierdoor minder zuurstof en geen extra organische stof nodig zijn om stikstof uit water te verwijderen.

Om sulfaat (SO42–) uit water te verwijderen kan men eerst sulfaatreducerende bacteriën aan het werk zetten, waarbij sulfide gevormd wordt. Sulfide kan dan gedeeltelijk geoxideerd worden naar elementair zwavel (S). Dat gebeurt wanneer sulfide-oxiderende bacteriën onvoldoende zuurstof krijgen om sulfide helemaal naar sulfaat te oxideren.

Lees het volgende artikel van het thema ‘Afvalwater’

Dit artikel is een publicatie van Stichting Biowetenschappen en Maatschappij, en hoort bij het thema Duurzaamheid vergroten op Biotechnologie.nl
© 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.