Modelgebaseerde studie van N2O- en NO-emissies bij autotrofe stikstofverwijdering in korrelslibreactoren

jos callens
Lachgas bij afvalwaterbehandeling: geen lachertje!InleidingHebt u er ooit al eens bij stilgestaan wat het afwerken van een verjaardagstaart met de slagroomspuit gemeen heeft met de zuivering van afvalwater? Waarschijnlijk niet. Bij beide processen komt nochtans lachgas vrij, een broeikasgas van de ergste soort. Broeikasgassen zijn gassen die ervoor zorgen dat de warmte die afkomstig is van zonlicht, dat invalt op de aarde, niet meer kan ontsnappen uit de atmosfeer. Op die manier wordt onze aardkluit warmer en warmer bij een stijgende concentratie broeikasgassen in de atmosfeer.

Modelgebaseerde studie van N2O- en NO-emissies bij autotrofe stikstofverwijdering in korrelslibreactoren

Lachgas bij afvalwaterbehandeling: geen lachertje!

Inleiding

Hebt u er ooit al eens bij stilgestaan wat het afwerken van een verjaardagstaart met de slagroomspuit gemeen heeft met de zuivering van afvalwater? Waarschijnlijk niet. Bij beide processen komt nochtans lachgas vrij, een broeikasgas van de ergste soort. Broeikasgassen zijn gassen die ervoor zorgen dat de warmte die afkomstig is van zonlicht, dat invalt op de aarde, niet meer kan ontsnappen uit de atmosfeer. Op die manier wordt onze aardkluit warmer en warmer bij een stijgende concentratie broeikasgassen in de atmosfeer. Het vrijkomen van lachgas moet dus zoveel mogelijk worden beperkt. Bij stikstofverwijdering uit afvalwater, een noodzakelijke stap bij de behandeling van afvalwater, was tot voor kort geen passend antwoord op de manier waarop optimale stikstofverwijdering kon gepaard gaan met een zo laag mogelijke lachgasemissie. Dit onderzoek leverde baanbrekend werk omtrent deze materie: de bekomen resultaten en conclusies zijn op minst veelbelovend en waardevol in de zoektocht naar mogelijkheden naar een duurzaam waterbeleid naar de toekomst toe.

Korrelslib als innovatieve techniek

Onbehandeld afvalwater bevat stikstof in de vorm van ammonium. Om stikstof te verwijderen wordt ammonium omgezet naar respectievelijk nitriet, nitraat en stikstofgas, een onschuldig gas dat ontsnapt naar de atmosfeer. Het is tijdens deze omzettingen dat er ongewenst lachgas als nevenproduct ontstaat. Nu is korrelslib een state-of-the-art-methode om stikstofverwijdering te realiseren. Korrelslib bestaat uit korrels, die onder meer verschillende soorten bacteriën huisvesten. Aan de buitenkant van de korrel, waar zuurstof kan komen, vindt omzetting plaats van ammonium naar nitriet, door de ammoniumoxiderende bacteriën. Binnenin de korrel, waar geen zuurstof kan komen, leven de Anammox-bacteriën die ammonium en nitriet omzetten naar stikstofgas.

Simuleren: Dé toekomst

Om de omstandigheden te achterhalen die nodig zijn voor een optimale stikstofverwijdering met een minimale lachgasemissie, werden de volledige biologische omzettingsprocessen wiskundig gemodelleerd en daarna geïmplementeerd in gespecialiseerde software. Het simuleren van dergelijke processen biedt voordelen op vlak van tijdswinst en economische haalbaarheid ten opzichte van experimenteel labowerk. In de toekomst wordt verwacht dat normen voor lachgasemissie zullen worden opgelegd aan waterzuiveringsinstallaties. Dit model kan dan ook haar toepassing vinden in de toekenning van die normen. Idealiter zou iedere afvalwaterzuiveringsinstallatie dan via dit model worden geëvalueerd op vlak van potentiële lachgasemissie en vervolgens een aantal lachgasemissiecredits worden toegekend. Dit zou in ieder geval al een meer waardevolle optie zijn dan de vooropgestelde factor van 0.5% van de inkomende stikstofbelading die wordt omgezet naar lachgas, vooropgesteld door het IPCC (2006).

Resultaten van het onderzoek

Er werd nagegaan wat de invloed is van de zuurstofconcentratie, korrelgrootte, temperatuur en stikstofconcentratie van afvalwater op de lachgasemissie en stikstofverwijdering in een korrelslibreactor. Globaal gezien kan worden gesteld dat bij optimale stikstofverwijdering helaas ook maximale lachgasemissie plaatsvindt.

Het is wel zo dat de mate waarin lachgas wordt gevormd, kan worden beperkt door gebruik te maken van voldoende grote korrels. In de praktijk kan men de korrelgrootte eenvoudig beïnvloeden door het aanpassen van de bezinktijd van het slib. Wanneer korte bezinktijden worden gehanteerd, zullen enkel de grote, zware korrels bezinken en kleinere worden dan weggespoeld uit de reactor. Zuurstofconcentratie in de reactor bleek ook een zeer grote invloed te hebben op de biologische omzettingen. Een te hoge concentratie zorgt ervoor dat alle ammonium wordt omgezet naar nitraat, een bijproduct dat wordt gevormd door nitrietoxiderende bacteriën die enkel kunnen aanwezig zijn in de korrel bij verhoogde zuurstofconcentraties. Een te lage concentratie zorgt ervoor dat te weinig nitriet aanwezig is voor de Annamox-bacteriën binnenin de korrel zodat geen stikstofgas kan worden gevormd.

Temperatuur bleek ook een doorslaggevende factor te zijn, hoe hoger de temperatuur, hoe lager de lachgasproductie. Temperatuur is echter een factor die in de praktijk voornamelijk bepaald wordt door de temperatuur van het te behandelen afvalwater en dus niet te kiezen valt. Er kan wel worden geconstateerd dat deze techniek des te beter te gebruiken is voor de behandeling van slibretentiewater, dat door natuurlijke gistingsprocessen reeds een verhoogde temperatuur heeft. Wanneer gekeken wordt naar stikstofconcentratie, ziet men dat een hogere stikstofconcentratie een verhoogde lachgasproductie veroorzaakt. Ook dit is een factor die in de praktijk voornamelijk niet te kiezen valt.

Tot slot

Dit werk situeert zich in het onderzoek naar lachgasemissie bij stikstofverwijdering in een korrelslibreactor. Simuleren van dergelijke processen biedt voordelen op vlak van tijdswinst en economische haalbaarheid ten opzichte van experimenteel werk. Tot heden is geen weet van een soortgelijke simulatiestudie bij stikstofverwijdering in korrelslibreactoren. De invloed van zuurstofconcentratie, korrelgrootte, reactortemperatuur en ammoniumconcentratie werd nagegaan. Samenvattend kan worden gesteld dat de maximale emissie van lachgas grotendeels samenvalt met de regio waar alsook optimale anammoxconversie plaatsvindt. Minimale lachgasemissie kan worden behaald door te werken met grote korrels bij hoge temperatuur, een gepaste zuurstofconcentratie en een lage ammoniumconcentratie. Deze resultaten zijn zeer waardevol in het kader van een duurzaam waterbeleid in afvalwaterzuiveringsinstallaties waar gebruik gemaakt wordt van korrelslibtechnologie. In de toekomst wordt verwacht dat afvalwaterzuiveringsinstallaties zullen genormeerd worden inzake lachgasemissies. Het opgestelde wiskundige model kan dan ook dienen als leidraad om deze normen toe te kennen.

Bibliografie

Essential Environment. Pearson. San Francisco. pp 205-209.

Modelgebaseerde studie van NO- en N2O-emissies bij biologische stikstofverwijdering. Thesis. Faculteit Bio ingenieurswetenschappen. Ugent.

De Pauw D. & Vanrolleghem P. (2006).  Practical aspects of sensitivity function

approximation for dynamic models. Math. Comp. Modell. of Dyn. Sys. 12

Dochain D. & Vanrolleghem P. (2001).  

 

ECN. (2008). http://www.ecn.nl/news/newsletter-nl/archief-2008/mei-2008/cri-shell/

STOWA. 2010. Emissies van broeikasgassen van RWZI's.

 

Gevantman L. (2002). Solubility of selected gases in water. In: D.R. Lie, Editor, CRC handbook of chemistry and physics, CRC Press, Boca Raton.

Gore, A. (2006). An inconvenient truth. New York: Rodale.

Ganigue R., Lopez H., Balaguer M. & Colprim J. (2007). Partial ammonium oxidation to nitrite of highammoniumcontent urban land fill leachates, Wat. Res., 41, 3317–3326.

Assessment of a two-step partial nitritation/Anammox system with implementation of multivariate data analysis. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 86:26-34.

Hao, X., Heijnen, J.J. & Van Loosdrecht, M.C.M. (2002), Modelbased evaluation of temperature and inflow variations on a partial nitrificationANAMMOX biofilm process. Wat. Res., 36, 4839‐4849.

Jiang T., Liu X., Kennedy M., Schippers J. & Vanrolleghem P. (2005). Calibrating a side-stream membrane bioreactor using Activated Sludge Model No. 1. Wat. Sci.

Tech. 52:359-367.

Jovancivecic P., Zelenay P. & Scharifker B. (1987). Electrochim. Acta 32, 1553.

Kaiser, H. F. (1960). The application of electronic computers to factor analysis. Educational and Psychological Measurement, 20, 141-151.

Unraveling the source of nitric oxide emission during nitrification. Wat Env Res, 79 (13), 2499‐2509.

Kampschreur M. (2010). Dynamics of nitric oxide and nitrous oxide emission during nitrogen conversion processes. PhD thesis.

Greenhouse gas production in wastewater treatment: process selection is the major factor. Wat Sc & Techn., 47, 43-48. Aerobic and anaerobic nitrification/denitrification processes. 2nd Australian Conference on biological nutrient removal from wastewater, BNR 2, Albury, Australia.

Mampaey K.E., Beuckels B., Kampschreur M.J., Kleerebezem R., van Loosdrecht M.C.M. & Volcke E.I.P. (submitted). Environmental Science. Prentice Hall: New Jersey.68-74, 508-512.

Nielsen M., Bollmann A., Sliekers O., Jetten M., Schmid M., Strous M., Schmidt I., Larsen L., Nielsen L. & Revsbech N. (2005). Kinetics, diffusional limitation and microscale distribution of chemistry and organisms in a CANONreactor. FEMS Microbiology Ecology 51 (2):247–256.

Petzold, L. (1983). A description of DASSL: A differential algebraic system solver. Scientific Computing, pp. 65-68. IMACS. North-Holland,Amsterdam.

Prins G. 2011.http://www.cdbeta.uu.nl/subw/modelleren/literatuur/ozonconsumenten.PDF

Rosenthal A., Ramalingam K.,Park H., Deur A., Beckmann K.,  Chandran K. & Fillos J. (2009). Anammox studies using New York city centrate to correlate performance, Sliekers O., Third K., Abma W., Kuenen J. & Jetten M. (2003). CANON and Anammox in a gas-lift reactor. FEMS Microbiology Letters, 218:339–344. Influence of temperature and pH on the kinetics of the Sharon nitritation process. Journal of Chemical Technol Biotechnol. 82:471-480.

Van Rensbergen, J. & Debruyn, W. (1992). De antropogene emissies van broeikasgassen in België. VITO. Mol.

U. Wiesmann. (1994). Biological nitrogen removal from wastewater. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology 51:113–154.

<i normal"="">Yu R., Kampschreur M.J., van Loosdrecht M.C.M. & Chandran K. (2010). Mechanisms and specific directionality of autotrophic nitrous oxide and nitric oxide generation during transient anoxia. Environ. Sci. Technol., 44, 1.

Universiteit of Hogeschool
industrieel ingenieur
Publicatiejaar
2011
Kernwoorden
Deel deze scriptie