FOSFAATVERWIJDERING 1. Vastlegging in riet

Bij de groei van riet wordt stikstof en fosfaat opgenomen. Vastlegging vindt plaats in de on-der- en bovengrondse biomassa van riet. Meer dan 50% wordt vastgelegd in de ondergrondse biomassa. De vastlegging in bovengrondse biomassa is seizoensgebonden. De opslag van nu-triënten in riet bereikt zijn maximum in augustus. Aan het eind van het groeiseizoen wordt een deel (15-50%) van de bovengronds opgeslagen nutriënten naar de wortels verplaatst. Door tijdig te maaien kunnen de bovengronds vastgelegde nutriënten worden verwijderd voordat ze naar de wortels kunnen worden overgebracht. Een deel van de nutriënten (maximaal 10%) wordt verwijderd door zaadval.

2. Vastlegging in organische biomassa

Bij de afbraak van organische stoffen neemt de biomassa in de bodem toe. Deze biomassa bevat stikstof en fosfaat.

3. Bacteriële omzettingen

Stikstof kan worden verwijderd door nitrificatie en denitrificatie. Fosfaat wordt niet door bacteriële omzettingen verwijderd.

4. Adsorptie

Fosfaat kan door chemische binding aan van nature aanwezige stoffen (ijzer, calcium) aan een adsorbens (ijzervijlsel, marmer) onoplosbaar worden gemaakt. Stikstofverwijdering door adsorptie is theoretisch mogelijk.

5. Filtratie

Zwevende stof kan substantiële concentraties fosfaat en stikstof bevatten. In een verticaal doorstroomd helofytenfilter wordt zwevende stof door filtratie verwijderd. Op dit verwijde-ringsmechanisme wordt in de literatuur over verticaal doorstroomde helofytenfilters niet nader ingegaan.

FOSFAATVERWIJDERING 1. Vastlegging in riet

In de literatuur wordt aangegeven dat de hoeveelheid fosfaat die verwijderd kan worden door opslag in het riet in verhouding relatief klein is. In de onderstaande tabel wordt een waarde gepresenteerd die een indruk geeft van de bindingscapaciteit van riet voor fosfaat.

TABEL 3: BINDINGSCAPACITEIT VAN RIET VOOR NUTRIËNTEN

Massa (kg/ha* jaar)

Bovengrondse biomassa 4.000-6.000

P-vastlegging 11-63

Bij een gemiddelde oppervlaktebelasting van 0,2 m3/m2.d komt deze vastlegging gemiddeld neer op een verwijderingscapaciteit van 0,015-0,09 mg P per aangevoerde liter water. Door in september te maaien wordt de verwijderingefficiëntie zo groot mogelijk gemaakt.

Direct na de aanleg van een helofytenfilter, als sprake is van een toename van de rietmassa, kan tijdelijk een hogere verwijdering van fosfaat door rietgroei worden bereikt.

125

STOWA 2007-20 ZUIVERENDE VOORZIENINGEN REGENWATER

2. Vastlegging in organische biomassa

Fosfaat kan in een filter worden opgeslagen als microbiële biomassa en in rottend materiaal. In literatuur wordt aangegeven dat dit slechts een tijdelijke vastlegging betreft.

3. Adsorptie en chemische binding

Om de (ortho-)fosfaatverwijdering van helofytenfilters te vergroten worden aluminium, ijzer en/of calcium aan het filterbed toegevoegd. Volgens literatuur heeft calcium de grootste in-vloed op de fosfaatadsorptiecapaciteit. Stoffen die volgens de literatuur een zeer hoge affini-teit voor fosfaat hebben zijn slakken uit de ijzeren staalproducerende industrie. De verkla-ring voor de hoge fosfaatverwijdeverkla-ring ligt waarschijnlijk in het hoge ijzer en calcium gehalte van de slakken. Bij een 4 jaar durend experiment is aangetoond dat een mengsel van zand, kalksteen en ijzeroxidehoudend slakmateriaal in staat is om gedurende langere tijd (4 jaar) fosfaten uit water te verwijderen. Het Lake Utterslev filter, een verticaal doorstroomd helofy-tenfilter bestaande uit een sandwichconstructie van een laag vermorzeld marmer ingebed in twee lagen ijzerhoudend zand, liet gedurende de eerste jaren van operatie een goede fosfaat-verwijdering uit oppervlaktewater en rioolwater zien. De gemiddelde effluent concentratie bevond zich onder de 0,05 mg P per liter. Volgens mondelinge mededelingen was de ver-wijdering in het daaropvolgende jaar slechter. Dit werd gemeten aan anaërobe condities in het filter. Uit literatuuronderzoek is gebleken dat het fosfaatfixerende karakter van verticaal doorstroomde helofytenfilters voornamelijk wordt bepaald door de aluminium-, ijzer-, en cal-ciumgehaltes van deze adsorbentia. Ook is bekend dat de oxides van aluminium en ijzer een rol spelen bij de adsorptie van fosfaten. Om te bepalen wat de stabiele vorm van deze metalen is als functie van de procescondities is een thermodynamische analyse uitgevoerd. Bij een pH hoger dan 6 is de precipitatie van ijzerfosfaat niet mogelijk. De werking van ijzerhoudende toevoegingen moet dus berusten op adsorptie.

Aluminium

Om uitspoeling van aluminium uit aluminiumhoudende adsorbentia te voorkomen moet de pH tussen bepaalde waarden liggen (3,9 < pH < 8,4). Onder normale bedrijfscondities zal het aluminium voorkomen als gehydrateerd aluminiumoxide. Net als voor ijzerfosfaat is preci-pitatie van aluminiumfosfaat geen verwijderingsmechanisme van betekenis. Geconcludeerd wordt dat de werking van aluminiumhoudende adsorbentia moet berusten op adsorptie (monolaagadsorptie) of chemosorptie.

IJzer

Om een geschikt substraat voor fosfaatadsorptie (Fe(OH)3) te vormen moeten de condities in een verticaal doorstroomd helofytenfilter voldoen aan zekere voorwarden. De combinatie van redoxpotentiaal en zuurgraad moet ijzeroxiderende condities toelaten. Als het milieu te zuur (pH<6) en/of sprake is van zuurstofrijke condities, kan de uitspoeling van ijzer als Fe2+ ionen uit het filter mogelijk. Geconcludeerd wordt dat de werking van ijzerhoudende adsorbentia moet berusten op adsorptie (monolaagadsorptie) of chemosorptie.

Calcium

Het metaal calcium is dermate onedel, en de gevormde oxides en hydroxides zijn dermate oplosbaar, dat onder normale bedrijfscondities geen vast calciumoxide en hydroxide aanwe-zig zullen zijn. Dit betekent dat alle calciumoxide en hydroxide uiteindelijk in oplossing zal gaan en zal neerslaan (als calciumcarbonaat bijvoorbeeld) of uitspoelen. Het verlagen van het fosfaatgehalte tot de gewenste waarde door middel van de precipitatie van calciumfosfaat is vrijwel altijd mogelijk, pas bij zeer hoge (en voor oppervlaktewater ongewenste) pH- waarden

STOWA 2007-20 ZUIVERENDE VOORZIENINGEN REGENWATER

verloopt deze reactie niet meer. De precipitatie van calciumfosfaat is een relatief langzaam proces. De verwijdering van fosfaat door middel van calciumhoudende substraten kan dus zowel plaatsvinden via adsorptie van fosfaat, als via de precipitatie van calciumfosfaat. Echter calciumcarbonaat, de meest voorkomende vorm van calcium, is slechts licht basisch. De hy-droxylgroepen, die aanwezig zijn op het adsorbent zijn dus niet erg actief. Bij de adsorptie van fosfaat wordt een hydroxylgroep uitgewisseld voor een H2PO4-groep. De binding tussen fosfaat en het calciumcarbonaathoudend adsorbent zal dus minder sterk zijn, dan bijvoor-beeld de binding tussen fosfaat en een ijzerhydroxidehoudend adsorbent.

4. Filtratie

Zwevende stof bevat zekere concentraties nutriënten. Het helofytenfilter is een effectieve bar-rière voor zwevende stof. Het is niet duidelijk in hoeverre de nutriënten die op deze manier worden gebonden permanent uit het watersysteem worden verwijderd.

STIKSTOFVERWIJDERING

1. Vastlegging in riet

De vastlegging van stikstof in riet is ongeveer een factor 10 groter dan de vastlegging van fosfaat. In de onderstaande tabel wordt een waarde gepresenteerd die een indruk geeft van de bindingscapaciteit van riet voor fosfaat.

TABEL 4: BINDINGSCAPACITEIT VAN RIET VOOR NUTRIËNTEN

Massa (kg/ha*jaar

Bovengrondse biomassa 4.000-6.000

N-vastlegging 127-460

Bij een gemiddelde oppervlaktebelasting van 0,2 m3/m2.d komt dit neer op een verwijdering-capaciteit van 0,2-0,6 mg N per aangevoerde liter water.

2. Verwijdering van zwevende stof en vastlegging in organische biomassa

Net als fosfaat kan ook stikstof in een filter worden verwijderd met zwevende stof en opgesla-gen als microbiële biomassa en in rottend materiaal. In de literatuur wordt aangegeven dat dit slechts een tijdelijke vastlegging betreft.

3. Bacteriële omzetting

Bacteriële omzetting (nitrificatie en denitrificatie) is een belangrijk verwijderingsme-chanisme voor stikstof. Het rendement hangt sterk samen met de condities in het filter. Voor een optimale stikstofverwijdering zijn aërobe (zuurstofrijke) condities en anoxische (wel nitraat, geen zuurstof) condities naast elkaar noodzakelijk. Verder moet sprake zijn van een neutrale pH en moet voldoende afbreekbaar organisch materiaal aanwezig zijn. Volgens literatuur wordt ongeveer 60% van de totale hoeveelheid verwijderde stikstof in een verticaal doorstroomd helofytenfilter verwijderd door nitrificatie en denitrificatie. Dit getal is echter specifiek voor een installatie. Verschillende installaties laten een brede range van verwijde-ringsrendementen voor stikstof zien (25-94%).

4. Filtratie

Zwevende stof bevat zekere concentraties nutriënten. Het verticaal doorstroomde helofy-tenfilter is een effectieve barrière voor zwevende stof. Het is niet duidelijk in hoeverre de nutriënten die op deze manier worden gebonden permanent uit het watersysteem worden

127

STOWA 2007-20 ZUIVERENDE VOORZIENINGEN REGENWATER