bacteriële waterzuivering

[robin_CF]

Kan iemand mij helpen? Ik moet een GIP maken over bacteriële waterzuivering en ik zoek experimenten die ik kan gebruiken voor mijn GIP. Alvast bedankt!

[Jorim]

Welkom op Chemieforum.nl

GIP: Geïntegreerde proef toch ?? (chemlevel 5 is meer voor een HBO-chemie student en ik neem aan dat jij op het voortgezet onderwijs zit)

Voor veel informatie moet je eens kijken op de site van Lenntech en als je iets boeiends wil doen zou ik proberen hetzelfde als het PWN in Andijk te doen met waterstofperoxide en UV (Nieuwsartikel en forumartikel).

Succes!

[Gideon]

diwaterstofdioxide

das toch gewoon waterstofperoxide, klinkt zo raar Jorim!

[Jorim]

diwaterstofdioxide

das toch gewoon waterstofperoxide, klinkt zo raar Jorim!

was even de goede naam kwijt en H₂O₂ vond ik ook niet mooi staan (Je had het ook gewoon even kunnen veranderen / )

Gideon: Ik zou niet durven

[Doom_Knight]

Je kan altijd een BOD uitvoeren, dat is wel een eenvoudig proefje maar geeft toch snel weer wat de kwaliteit van water is nietwaar

Tenzij het natuurlijk een beetje moeilijker mag, dan kan ik je niet helpen

[Rubinhood]

Ik weet niet of je hier iets mee bent, warschijnlijk niet maar toch, je weet nooit

Actief slib in de waterzuivering

1 Van waar komt het afvalwater?

Water is kostbaar voor de natuur én voor de mens. Dagelijks verbruikt de Belg gemiddeld 115 liter water. Dit verbruik is verdeeld over verschillende categorieën. Tabel 1 geeft je een duidelijk overzicht van de voornaamste wateropslorpers.

Van het water dat we verbruiken verwachten we dat het weinig verontreinigd is. Dit is echter niet altijd evident. Waterzuiveringsmaatschappijen pompen water op uit de grond of uit oppervlaktewater (bv rivieren of kanalen) en gaan dit zuiveren.

Het grond- en oppervlaktewater is echter onderhevig aan vervuiling afkomstig van bv de industrie en de landbouw. Ook huisgezinnen produceren afvalwater (bv afwaswater, badwater, WC water, …). Industriële lozingen kunnen heel divers van aard zijn (bv spoelwater of blancheerwater van groenten). De samenstelling van het afvalwater is afhankelijk van het productieproces: afvalwater van een houtverwerkingsbedrijf is verschillend van afvalwater afkomstig uit bv de voedingssector. Ook de landbouw draagt met het gebruik van meststoffen (rijk aan organische en anorganische stoffen) en pesticiden (vooral organische moleculen) bij tot de waterverontreiniging.

Categorie Verbruik/dag/persoon (liter)

Drank en voedsel 5

Afwas 8

Lichaamshygiëne 37

WC 40

Was 15

Onderhoud 10

Totaal 115

2 Waaruit bestaat (huishoudelijk) afvalwater?

Afvalwater bevat diverse verontreinigende stoffen:

· Organisch materiaal: eiwitten, koolhydraten, vetten, maar ook allerlei organische verbindingen (bv aromatische moleculen: pesticiden, verf resten). Voorbeelden van huishoudelijk afval zijn oa urine en stoelgang, etensresten (bv wat zit er in het kookwater van aardappelen?), schoonmaakproducten.

· Nutriënten: stikstof, fosfor, … en dan vooral in de vorm van zouten. Stikstof is voornamelijk afkomstig uit het toilet, fosfor van wasproducten.

· Zware metalen: koper, lood, zink, … Normaal gezien komen zware metalen slechts in beperkte mate in het huishoudelijk afvalwater voor. Ze kunnen afkomstig zijn van corrosie van waterleidingen, dakbedekkingen en goten. Zware metalen zijn toxisch (giftig) en het lozen van metalen in water is verboden.

3 Hoe kunnen we afvalwater zuiveren?

Elke waterloop is in staat om - tot op zekere mate van verontreininging- zichzelf te reinigen. Bacteriën in het water consumeren de verontreinigende stoffen (organische stoffen, zouten,…) en hierbij wordt water (H2O) en koolstofdioxide (CO2) gevormd. Bij dit proces is zuurstof (O2) nodig. Er wordt gesproken van BZV (biologisch zuurstof verbruik of biological oxygen demand, BOD): in sterk vervuilde waters is vaak een hoge BZV waarde (bv 5000 mg/L) aanwezig. Bij zware vervuiling leidt dit uiteindelijk tot uitputting van de zuurstofvoorraad in de rivier. Vissen, slakken, kevers en andere organismen komen in ademnood en sterven.

In weinig vervuilde wateren is veel O2 aanwezig (ongeveer 10 mg/L) terwijl in sterk vervuilde wateren weinig O2 te vinden is (lager dan 3 mg/L): het wordt immers geconsumeerd door bacterien.

Stikstof (NH4+, NO3-) en fosfor (PO43-, HPO42-, H2PO4-) dienen als voedsel voor waterplanten. Bij een teveel aan deze nutriënten (eutrofiëring; zie verder voor een experiment om eutrofiering van algen aan te tonen) treedt explosieve algenbloei op. Algen produceren overdag zuurstof, maar "s nachts verbruiken ze alleen maar zuurstof: dit leidt tot sterke O2 schommelingen gedurende de dag waardoor het overige waterleven verstikt (zeker bij warme temperaturen omdat er dan -nog bijkomend- nog minder O2 gas in het water is opgelost in vergelijking met koude temperaturen).

In de volgende tabel (Vlarem II) zijn een aantal parameters weergegeven voor de basiskwaliteit van oppervlaktewater:

Parameter Minimale of maximale concentratie

Zuurtegraad (pH) 6,5-8,5

Zuurstofgas (O2) Minimaal 5 mg/L

Ammonium/NH4+ Maximaal 5 mg/L

Nitriet en nitraat (NO2- en NO3-) Maximaal 10 mg/L

Biologisch Zuurstof Verbruik Maximaal 6 mg/L

Fosfaten Maximaal 1 mg/L

De kwaliteit van water kan tevens worden gemeten aan de hand van de biotische index: hierbij gaat men -gebruik makend van stereomicroscoop- na hoeveel verschillende kleine diersoorten aanwezig zijn (bv eenoogkreeftjes, slakken, ééndagsvliegen, bloedzuigers, platwormen, enz…). Indien vele verschillende soorten aanwezig zijn dan besluit men dat de kwaliteit van het water in kwestie goed is. Zijn slechts een beperkt aantal diersoorten te vinden (bv larven van rode muggen, een diersoort waarvan men weet dat de larven goed kunnen overleven in sterk vervuild water) dan komt men tot de conclusie dat het water in kwestie sterk vervuild is.

Omdat de (industriele en huishoudelijke) vuilvracht de grenzen van het zelfreinigend vermogen van waterlopen vaak overschrijdt, is het noodzakelijk om de natuur een handje toe te steken en het afvalwater te zuiveren.

De behandeling van (huishoudelijk) afvalwater verloopt in drie stappen:

· de voorbehandeling,

· de biologische zuivering: de biologie

· de nabehandeling.

Voorbehandeling

Huishoudelijk afvalwater kan grote bestanddelen bevatten. Deze grote bestanddelen (bv hout) kunnen afgezeefd worden, men kan ze laten bezinken (bv zand, stenen) of men kan ze verkleinen.

Biologische zuivering

De biologische zuivering is in feite niets anders dan een nabootsing van het natuurlijke zelfreinigend vermogen van een waterloop. De toegepaste technieken laten deze processen in een versneld tempo verlopen. De bacteriën - actief slib of ook wel de biologie genoemd, breken onder optimale omstandigheden de vuilvracht af.

Bij de zuivering worden 4 fasen doorlopen :

Fase 1: voedingsfase

In de voedingsfase wordt afvalwater aan een tank, voorzien van actief slib, toegevoegd.

Fase 2: nitrificatiefase of beluchtingsfase

Nitrificerende bacteriën zorgen voor de omzetting van ammonium tot nitriet en nitraat. Nitrificatie treed op wanneer zuurstof (O2) aanwezig is, we spreken van aërobe omstandigheden.

Fase 3: denitrificatiefase

Denitrificerende bacteriën zorgen voor de omzetting van nitraten en nitrieten tot stikstofgas. Denitrificatie treedt op in afwezigheid van O2 .

Fase 4: bezinkingsfase

Het gezuiverde water wordt gescheiden van de aanwezige micro-örganismen, meer bepaald het slib.

Zuiveringssysteem actief-slib



Harkrooster:

Het rioolwater wordt via persleidingen en/of een rioolbuis op de rioolwaterzuiveringsinstallatie aangevoerd. Daar stroomt het water door het fijnrooster dat de grove delen in het water zoals papier en plastic tegen houdt. Wanneer het fijn rooster dreigt te verstoppen, wordt het vuil verwijderd door middel van een automatische hark. Het grofvuil wordt naar een hydraulische pers getransporteerd, waar het water eruit wordt gehaald. Het uitgeperste grofvuil wordt daarna in een container opgeslagen en van tijd tot tijd afgevoerd naar een vuilstort plaats. Het afvalwater stroomt dan naar de zandvanger.

Zandvanger:

In de zandvanger worden zand en andere zware deeltjes uit het water gehaald, waardoor de installatie minder snel verstopt raakt en slijtage van de pompen wordt voorkomen. Vervolgens wordt het zand met een ruimer uit de tank verwijderd. Een zandhark zorgt ervoor dat het zand in een container terecht komt. Het zand wordt regelmatig afgevoerd naar een vuil stortplaats. Het afvalwater stroomt vervolgens naar de selector.



Selector:

In de selector wordt het afvalwater in een bepaalde verhouding gemengd met bacterierijk slib. Door de juiste verhouding van afvalwater en slib te kiezen, groeien er alleen bacteriën die goed willen bezinken. De selector zorgt dus voor goede bezinkeigenschappen van het slib. Het mengsel van afvalwater en slib stroomt vervolgens naar de beluchtingsruimte.



Beluchtingsruimte:

De eigenlijke zuivering van het afvalwater vindt plaats in de beluchtingsruimte. Door de beluchters wordt zuurstof in het water gebracht. De zuurstof wordt door de bacteriën in het slib gebruikt bij het zuiveren van het afvalwater. De beluchters zorgen er ook voor dat het slib in de beluchtingsbakken niet bezinkt. De beluchtingsbakken hebben een inhoud van enkele duizenden kubieke meters. Wanneer het niet regent, blijft het rioolwater ongeveer drie dagen in deze bakken. In een gedeelte van de beluchtingsbakken wordt zuurstof ingebracht waardoor de organische stikstofverbindingen worden omgezet in nitraat (nitrificatie). In een ander deel van de bakken wordt juist niet belucht, waardoor deze nitraten worden afgebroken tot stikstofgas (denitrificatie). Op deze manier wordt ook het stikstof uit het afvalwater verwijderd. Het mengsel van biologisch gezuiverd water en slibvlokken wordt daarna in een nabezinktank gebracht.



Defosfateringsstation:

Het defosfateringsstation bestaat uit een kelder waarin ijzersulfaat wordt gestort. Dit ijzersulfaat lost op in het gezuiverde water, waarna het geheel in het beluchtingsruimte wordt gepompt. Het ijzer reageert daar met fosfaat, waardoor het onoplosbare ijzerfosfaat wordt gevormd. Dit wordt met het slib afgevoerd naar de nabezinktank. Zo wordt afvalwater van fosfaat ontdaan.



Nabezinktank:

De nabezinktank heeft de vorm van een trechter. Het slib bezinkt daarin, terwijl het gezuiverde water via een overstortrand naar het oppervlaktewater stroomt. Het bezonken slib wordt met een zogenaamde ruimer naar het midden van de tank geschoven. Daarna wordt een groot deel van het slib met het slibretourgemaal teruggevoerd naar het beluchtingscircuit. Daar reinigt het opnieuw het binnenkomende rioolwater. De rest van het slib, dat overtollig is, wordt naar de indiktank gepompt.



Indikker:

Het overtollige slib wordt in de indikker zoveel mogelijk van water en gasbelletjes ontdaan. Dit gebeurt door roerstaven. Het gas en water stijgen, terwijl het slib naar de bodem zakt. Het slib wordt door een ruimer naar het midden van de tank geschoven en van daaruit naar de slibbufferbakken gepompt.



Slibbufferbakken:

Het overtollige slib, uit de indikker, wordt tijdelijk opgeslagen in slibbufferbakken. In deze bakken dikt het slib nog verder in. Om het afgescheiden water af te tappen, zijn in de bufferbakken schuivensystemen aangebracht. Als de bufferbakken vol zijn, wordt het slib afgevoerd naar de filterpersinstallatie in Heerenveen. Uiteindelijk komt het dan op de vuilstortplaats terecht.

Welke micro-organismen werken mee aan de waterzuivering?

Het belangrijkste kenmerk van actief slib is de aanwezigheid van micro-organismen, die opgelost voedsel over hun lichaamsoppervlak of celmond opnemen en daardoor bijdragend aan het schoonmaken van het afvalwater. Actief slib bevat zowel bacteriën als protozoën en raderdiertjes. We bekijken in deze module de bacteriën van naderbij.

Bacteriën zijn eenvoudige, kleurloze, eencellige organismen. In een slibvlok kan een grote verscheidenheid van bacteriën worden gevonden. Sommige bacteriën kunnen zich voortbewegen door middel van een flagel, andere zijn bewegingloos. Voorbeelden van bacterien die aanwezig zijn in actief slib: Nitrosomonas, Nitrobacter, Pseudomonas.

Taxonomie van aanwezige bacteriën

Pseudomonas

- aeroob

- gramnegatief

- staafvormig

- zeer beweeglijk door polaire flagellen en filamentheuse pili

- universeel voorkomend, stapelen PHB op

- meestal saprofiet (afbraak), soms pathogeen, ook veel nuttige soorten

- bijna alle chemo-organotroof, groeien op eenvoudige voedingsmedia, sommige kunnen ongeveer 100 verschillende C-bronnen gebruiken, sommige breken agar af, nog andere groeien op methann als koolstofbron

- productie van PHB-depolymerase ( als exo-enzym)

- geen S-layer

- sommige zijn psychrofiel

- natuurlijke transformatie en conjugatie komt voor

- R-body: refractile ribbon; dit is een toxisch eiwit voor andere micro-organismen

- gebruiken vaak Entner Doudoroff-pathway

Nitrosomonas/Nitrobacter

- zorgen voor de nitrificatie in de natuur, ze spelen een essentiële rol in

de stikstofcyclus <-> denitrificerend(facultatief anaëroob)

- gramnegatief

- alle vormen mogelijk (coccen, staaf, spirillum)

- gebruiken N-verbinding als energiebron, hebben complexe intrusies van hun CM( laat speciale reacties toe zoals omgekeerd elektronentransport)

Nabehandeling

Het biologische gezuiverde water (= effluent) wordt naar een volgende tank gepompt waar het over een zandfilter stroomt. Door de zandfilter worden resterende zwevende deeltjes tegengehouden. Vervolgens kan het water geloosd worden. Soms is het water nog niet zuiver genoeg om geloosd te worden en dient het nog over een actief koolfilter te stromen.

4. Hoe kunnen we de concentratie aan nutrienten bepalen in het afvalwater?

De concentratie van nutrienten in afvalwater is niet "direct"te meten. Nitraten of ammonium ionen moeten eerst worden omgezet in een andere stof die wél te meten is. Men spreekt van een colorometrische test (meten van kleur). Maw het gaat hier om scheikundige reacties waarbij bv ammonium reageert met een stof (bv stof A) met vorming van een gekleurd product (zie verder). Vervolgens kan men de intensiteit van de kleur (bv blauw) meten door te vergelijken met de kleurintensiteit van ijkoplossingen. Ijkoplossingen zijn oplossingen met een gekende concentratie nitraat of ammonium die men ook heeft laten reageren met stof A. Door de vergelijking wordt de concentratie van nitraat of ammonium in het afvalwater afgeleid.

Kleurloos product + reagens ® gekleurd product

De vergelijking van de intensiteit van de kleur wordt uitgevoerd met behulp van een spectrofotometer of colorimeter .

Een spectrofotometer bestaat uit een lichtbron. Deze lichtbron stuurt wit licht door een prisma. Het prisma breekt het wit licht in alle kleuren van de regenboog. Elke kleur heeft zijn eigen golflengte. Zo heeft bijvoorbeeld blauw licht een golflengte van ongeveer 430-480 nm en rood licht een golflengte van 650-780 nm.

Moleculen/stoffen in onze omgeving zijn in staat om bepaalde golflengtes te absorberen. Zo zal het ammonium-stof A complex licht met een golflengte van 712 nm absorberen. Hoe meer er van het complex aanwezig is, hoe meer licht geabsorbeerd wordt. Hieruit wordt duidelijk dat we absorptie van het licht kunnen zien als een maat voor de concentratie van het ammonium-stof A complex in het afvalwater.

De spectrofotometer laat toe uit het volledige kleurenspectrum van licht, licht met een bepaalde golflengte te selecteren. De spectrofotometer wordt zo ingesteld dat enkel licht met een golflengte van 712 nm doorgelaten wordt. In een cuvetje (een transparant buisje) bevindt zich een staal van het afvalwater waar we stof A hebben aan toegevoegd. De lichtbundel met een golflengte van 720 nm wordt door het cuvetje gestuurd. Het ammonium-stofA complex absorbeert een deel van het licht. Vervolgens kan op het toestel worden afgelezen hoeveel licht wordt doorgelaten maar ook hoeveel licht wordt geabsorbeerd.

Om nu de concentratie van het complex in de oplossing te kennen wordt zoals eerder vermeld een ijklijn uitgezet. We maken een reeks van stalen met daarin telkens een bepaalde hoeveelheid ammonium ionen. Vervolgens voegt men aan de verschillende stalen de stof A toe: dit leidt voor elk staal tot een blauwe kleur (licht blauw tot donker blauw) en tot absorbantiewaarden. De absorbantiewaarden zet men uit in een grafiek met in de Y-as de absorbantie en in de X-as it verband zet je uit op ruitjespapier en je bekomt een ijklijn.

Hoe kennen we nu de concentratie van ammonium bepalen in het afvalwater? Om de concentratie van nutrienten in het afvalwater te kennen meten we met de spectrofotometer de absorbantie. Gebruik makend van de grafiek (zie figuur) kan de concentratie worden afgeleid.

Bronnen

www.friesewaterschappen.nl

www.emis.vito.be

www.katho.be