Stikstoftekorten bij behandeling van huishoudelijk afvalwater in een
volledig gemengde aëratietank
Inleiding
In de literatuur (bijv. McKinney et al 1968) wordt de volledig gemengde aëratietank aangeprezen als een ideale reaktor voor het aktief-slibproces. De nivellering van fluk-tuaties in de koncentratie van organische en toxische stoffen én het gelijkmatig aan-bod van het organisch substraat zou deze uitvoeringsvorm idealer maken dan een langwerpige aëratietank met propstroming. In dit artikel maken we aannemelijk, dat deze nivellering in een volledig gemengde aëratietank door aanwezigheid van
onge-IR. A. KLAPWIJK Vakgroep Waterzuivering, Landbouwhogeschool IR. J. H. RENSINK Vakgroep Waterzuivering, Landbouwhogeschool
lijksoortige, heterotrofe en nitrificerende micro-organismen een stikstoftekort kan veroorzaken. Wij vermoeden dat de N-tekorten aanleiding geven tot het ontstaan van licht slib.
N-behoeften in aktief-slib
In een laagbelaste aktief-slibinrichting komen naast elkaar heterotrofe bakteriën en autotrofe, nitrificerende bakteriën voor. De eerste verkrijgen energie uit oxidatie van organische stoffen en zij hebben alleen voor celsynthese stikstof nodig. Bij afwezigheid van stikstof zijn de heterotrofe bakteriën niet in staat de energie, vrijgekomen uit de oxidatie, te gebruiken voor opbouw van celmateriaal. Het is bekend, dat verschil-lende heterotrofe bakteriën een voorkeur hebben voor organisch gebonden stikstof of ammonium stikstof maar ook nitraat kan in principe gebruikt worden. De nitri-ficerende bakteriën hebben eveneens stik-stof nodig voor celsynthese, maar bovendien verkrijgen zij energie uit oxidatie van ammonium en van nitriet.
Bij een nadere beschouwing van de N-behoefte van heterotrofe bakteriën en van nitrificerende bakteriën kunnen we konkluderen, dat deze behoefte verschil-lend geaard is. Bij de heterotrofe bakteriën is de N-behoefte een afgeleide van de hoeveelheid organisch substraat, die door de bakteriën gekonsumeerd wordt. In tegen-stelling hiermee is bij de nitrificerende
bakteriën de nitrifikatiekapaciteit bepalend voor de snelheid waarmee ammonium/ nitriet opgenomen kan worden. Aan de hand van een voorbeeld zullen we de N-behoefte en de N-aanvoer van een aktief-slibinrichting nader bezien. De slib-belasting van een aktiefslibinrichting is in dit voorbeeld 90 mg CZV/g.d.s.dag. In de literatuur wordt gesteld, dat de be-hoefte aan CZV en N zich verhouden als 1 8 0 : 5 . Dit betekent, dat de N-behoefte van de heterotrofe bakteriën in deze aktief-slibinrichting 2,5 mg N/g.d.s.dag bedraagt. Het maximale tempo van nitrifikatie be-draagt voor aktief-slib ca. 36 mg NH4-N/ g.d.s.dag. De totale N-behoefte van het aktief-slib is dus 38,5 mg N/g.d.s.dag. Uitgaande van een CZV/N-verhouding van het afvalwater van 10 bedraagt bij een slibbelasting van 90 mg CZV/g.d.s.dag de belasting met stikstof 9 mg N/g.d.s.dag. Het blijkt dat tegenover een N-behoefte van 38,5 mg N/g.d.s.dag slechts een aanbod van 9 mg N/g.d.s.dag bestaat. Slechts 23 % van de behoefte kan gedekt worden. Bij een homogene menging van het aange-voerde afvalwater in de aëratietank is het niet te verwachten dat de behoefte van de heterotrofe bakteriën bij voorrang gedekt zal worden. Het is eerder te verwachten dat zowel van de N-behoefte van de heterotrofe bakteriën als van de nitrificerende bakte-riën slechts 23 % gedekt wordt. Weliswaar zijn er ook heterotrofe bacteriën die nitraat als N-bron kunnen gebruiken. Daar er niet-temin een voorkeur voor organisch gebon-den of ammoniumstikstof bestaat, is een N-tekort bepaald niet uitgesloten.
Het voorkómen van een N-tekort We willen nu de vraag onder ogen zien hoe het N-tekort voorkómen kan worden. In principe valt dit al te bereiken door met twee volledig gemengde aëratietanks te werken. In plaats van één volledig gemengde aëratietank met een inhoud van V m3 nemen we twee tanks met een inhoud van resp. aV en (l-a)Vm3.
We gaan er verder van uit dat de overige omstandigheden hetzelfde zijn als in het voorbeeld hiervoor. De slibbelasting van het aktief-slib in de aëratietank met aV m3
90
zal nu — mg CZV/g.d.s.dag bedragen. a
De N-behoefte voor de heterotrofe bakte-2,5
riën wordt mg CZV/g.d.s.dag. Hierbij a
nemen we aan dat er vrijwel evenveel CZV geëlimineerd wordt in een tank met aV m:! als hiervoor in een tank met V m3.
De N-behoefte van de nitrificerende bakte-riën blijft 36 mg N/g.d.s.dag. De totale
2,5 N-behoefte wordt dus (36 + ) mg
a N/g.d.s.dag. De N-aanvoer in de tank van
9
a V m3 bedraagt — mg N/g.d.s.dag. a
Er is geen N-tekort wanneer geldt 2,5 9
(36 + ) ^ — of wanneer geldt a < 0,18. a a
Een praktijkvoorbeeld
De resultaten van een onderzoek van Remmelzwaal (1977) ondersteunen de ge-dachtengang dat er in een volledig
gemengde aëratietank een N-tekort optreedt. Huishoudelijk afvalwater van Bennekom is behandeld in een volledig gemengde tank op semi-technische schaal. De aëratie-tank heeft een volume van 1000 1 en het afvalwater wordt aangevoerd met een debiet van 17,3 l/uur.
Het debiet van de retourslibstroom bedraagt 33,51 /uur. Van het afvalwater zijn de volgende gemiddelde gegevens bekend: CZV = 542 mg/l
BZV5 = 380 mg/l Kjeldahl-N = 67,7 mg/l
Het droge stofgehalte bedraagt ca. 2 g d.s./l. De nitrificerende kapaciteit is 2,55 mg NH4+-N/g.d.s.uur. In de eerste fase van het onderzoek (duur 37 dagen) is het aktief-slib continu belucht, terwijl in de tweede fase (duur 34 dagen) het aktief-slib dis-continu belucht is. Een periode van 2,5 uur beluchten is opgevolgd door 3,5 uur niet beluchten. Het aktief-slib is dan 3 uur aëroob en 3 uur anaëroob. In de niet-beluchte periode wordt het aktiefslib met pompen in suspensie gehouden. In de eerste fase heeft het effluent de volgende gemiddelde samenstelling: CZV = 58 mg/l
N H4+ - N = 0,9 mg/l N 02- - N = 0,1 mg/l NO3-N = 64,5 mg/l 2 N = 65,5 mg/l
Het gehalte Kjeldahl stikstof in het influent bedraagt in deze fase 66,2 mg N / l . Er blijkt slechts 1 mg N / l geëlimineerd te zijn en dit is veel lager dan voor opname in celmate-riaal te verwachten is. Het aktief-slibgehalte neemt in de eerste 16 dagen af van 2 g d.s/1 tot 1,5 g d.s/1. Dit is toe te schrijven aan aanpassing van het aktief-slib, waarmee de proef gestart is, aan een lagere belasting. Daarna blijft in de eerste fase het slibgehalte konstant, zonder dat er slib gespuid wordt. De SVI schom-melt in de eerste fase rond 200 ml/g. Aan het einde van de eerste fase daalt de SVI tot ca. 100 ml/g.
H2O(10) 1977, nr. 13
315
alternerend belucht. Hierdoor kan in de anaërobe periode het nitraat door denitri-ficerende bakteriën in stikstofgas omgezet worden. In de anaërobe periode wordt geen nitraat gevormd, zodat ammoniumstikstof zich ophoopt. De denitrificerende bakte-riën zullen dus geen N-tekort hebben. In deze fase heeft het effluent de volgende kwaliteit: CZV = 54 N H4+ - N = 1,6 N 02- - N = 0,5 NO3-N = 3 1 , 3 2 N = 33,4 mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l
Door het optreden van denitrifikatie is het niet te berekenen hoeveel N er voor inbouw in celmateriaal gebruikt wordt. Het blijkt echter, dat het aktief-slibgehalte in deze fase van 34 dagen oploopt van ca. 1,5 g d.s/1 tot 2,2 g d.s/1. De SVI blijft konstant op 100 ml/g.
Deze resultaten ondersteunen de gedachten-gang dat er door het samengaan van nitri-f ikatie en opname van organische stonitri-f in een volledige gemengde aëratietank N-tekorten ontstaan. Onder omstandigheden dat deze N-tekorten zich in mindere mate voordoen, i.e. tijdens het alternerend be-luchten, is SVI veel beter en wordt er een grotere slibproduktie gekonstateerd.
Diskussie en konklusie
Het is aannemelijk dat er in een volledig gemengde aëratietank voor de heterotrofe bakteriën minder stikstof beschikbaar is dan zij nodig hebben. In een aëratietank met propstroming zal dit veel minder het geval zijn.
In het onderzoek van Rensink (1974) is naar voren gekomen dat er in volledig ge-mengde aëratietanks licht slib ontstaat en in tanks met propstroming in veel mindere mate. Eén en ander leidt tot de hypothese dat de N-tekorten in een volledig gemengde aëratietank aanleiding geven tot groei van draadvormige organismen. De hierbeschre-ven resultaten ondersteunen deze hypothese. Het is echter in elk geval duidelijk dat er in een volledig gemengde aëratietank
voorzienin-gen getroffen moeten worden ter voor-koming van N-tekorten en van licht slib.
Literatuur
1. McKinney, R. E. and O'Brien, W. J. (1968), Activated sludge basic design concepts; Journ. Wat. Poll. Contr. Fed., 40, 1831.
2. Remmelzwaal, E. J. (1977), Het opstarten van een aktief-slibinstallatie ter verwijdering van stikstof uit huishoudelijk afvalwater; Doktoraal verslag 77-5, Vakgroep Waterzuivering LH. 3. Rensink, J. H., De invloed van het voedings-patroon op het ontstaan van licht slib bij ver-schillende slibbelastingen; H20 7 (1974), 480.
• • •
Agenda
20 - 25 juni 1977, Bilbao: int. milieuexpositie
'Proma 77'. Inl.: Feria International de Bilbao, Plaza Pedro Maria de Basterrecha 2, Bilbao 13, Spanje.
30 juni - 2 juli 1977, Fort Collins, tweede
internationale congres watertechniek. Inl.: dr. Neil S. Grieg, Colorado State University, Engin. Research Center, Fort Collins, Colorado 80 523, USA.
5 - 6 juli 1977, Oxford. Seminar 'The economics of charging structures for the water services'. Inl.: WRC, Medmenham Laboratory, Henley Road, Medmenham, P.O.Box 16, Marlow, Bucks, SL7 2HD, England.
17 11m 21 juli 1977, San Diego, Californie.
Vijfde congres van de National Water Supply Improvement Ass. en First Inter-national Desalting Trade Fair. Inl.: Ameri-kaanse Ambassade, tel. (070) 624911, tst. 330.
27 - 29 juli 1977, Fort Collins, USA: derde
internationale symposium wetenschappelijke hydrologie. Inl.: dr. H. Morel-Seytox, Colorado State University, Engin. Research Center, Fort Collins, Co. 80 523, USA.
24 - 30 juli 1977, Birmingham:
IAH-sym-posium 'Optimal development and manage-ment of groundwater'. Inl.: dr. J. W. Lloyd, Dept. of Geological Sciences, University of Birmingham, P.O. Box 363, Birmingham B15 2TT, England.
75 - 19 augustus 1977, Baden-Baden: IAHR Congres. Inl.: Institut Wasserbau III, Uni-versität Karlsruhe, z.Hd. Prof. Dr..-Ing. Plate, Kaiserstr. 12, 7500 Karlsruhe.
4 t/m 18 september 1977, Verenigde Staten;
studiereis Stichting Postakademiale Vorming Gezondheidstechniek. Inl.: Stevinweg 1, Delft. Tel. (015) 13 32 22 tst. 5468.
12 -16 sept. 1977, Essen: IAWPR-congres
'River Basin Management'. Inl.: K. R. Imhof f, Kronprinzenstr. 37, D-4300 Essen 1.
18 - 23 september 1977, Londen: Eurocor
'77. Inl.: Eurocor '77, Society of Chemical Industry, 14 Belgrave Square, London SW1X 8PS, Engeland.
21 september 1977, Oosterbeek:
Problema-tiek van de slibverwerking. Inl.: Zuive-ringsschap Veluwe, Pr. Willem Alexander-laan 1425, Apeldoorn.
21 - 29 september 1977, RAI-gebouw, Amsterdam: 'Het Instrument'. Inl.:
Birk-straat 108, Soest.
25 - 29 september 1978, Jönköping: 4th Int.
trade fair for water conservancy, air pollu-tion and noise abatement. Inl.: Elmia AB, Box 6066, S-550 06 Jönköping, Zweden.
• • •
Kosten voor terugbrengen S0
2-uitworp en verbeteren
afvalwater-kwaliteit raffinaderijen
Een ad hoc groep van CONCAWE heeft een studie voltooid over de extra investe-ringen, operationele kosten en energie die nodig zijn voor het terugbrengen van de SOa-emissies en het verbeteren van de kwaliteit van het afvalwater tot boven de gemiddelde niveaus die in nieuw gebouwde raffinaderijen haalbaar zijn. Een rapport dat tot titel draagt 'Costs of reducing SO2 emissions and improving effluent water quality from refineries', toont aan dat de laatste zuiveringsstappen zeer kostbaar zijn. Het rapport stelt vast dat deze kosten onevenredig hoog zijn met de beoogde ver-betering en het beveelt aan dat men zich moet afvragen of zulke uitgaven beter zouden kunnen worden besteed in andere sectoren van het milieubeheer, waar meer opmerkelijke verbeteringen vallen te bereiken.
De basisniveaus waarvan de studie uitgaat, zijn die welke worden bereikt bij een ge-integreerde raffinaderij die werkt met een zwavelterugwinningsfabriek die 95 procent van de zwavel uit de voeding verwijdert, voorts met minimum hoeveelheden afval-water, en met een afvalwaterzuivering met inbegrip van olie-afscheiders.
Het rapport volgt op twee studies die al eerder door CONCAWE werden gepubli-ceerd met betrekking tot de kosten van het terugbrengen van lood in benzine en van zwavel in stookolie. Het rapport is gratis verkrijgbaar bij CONCAWE, Van Hogen-houcklaan 60, Den Haag 2018.
Tijdschriften verkrijgbaar bij
KIWA/VEWIN
De KIWA/VEWIN bibliotheek stelt de volgende tijdschriften gratis ter beschikking. Aanvragen hiervoor kunnen alleen schrifte-lijk worden ingediend. Waterleidingbedrij-ven hebben voorrang, mits hun aanvragen binnen 14 dagen zijn gedaan. Toezending van de tijdschriften geschiedt ongefran-keerd.
Aqua, 1975, 1976. Ariadne, 1975.
Bouw, 1975 (le half jaar).
Bulletin Europese Gemeenschappen, 1974. Chemical engineering news, 1975 (le half-jaar).
Elektronik, 1973, 1974.
HoO (gebonden), 1968 t / m 1971. De Ingenieur, 1975 (Ie half jaar). Materials performance, 1975. Ned. chemische industrie, 1974, 1975.
