Zuivering van communaal afvalwater met anammox-technologie bij lage temperatuur stuit op uitdagingen

Met een pilotinstallatie is een nieuw anammox-concept getest om bij lage temperatuur stikstof te verwijderen uit de hoofdstroom van een communale afvalwaterbehandeling. Hieruit blijkt dat een gewenste omzetting van ammonium in nitriet niet is geslaagd. Uit het project volgen aanbevelingen die moeten leiden tot een stabielere, beter controleerbare bedrijfsvoering en voor een eventuele voorbehandeling van het influent om het concept toch succesvol te maken.

Innovatief anammox-concept

In het TKI-project ‘Main-stream Partial Nitritation/Anammox process coupled to a MBR-reactor’ is gebruik gemaakt van het anammox-principe. Anammox (ANaerobe AMMonium Oxidatie) is een microbieel proces in de stikstofkringloop. Het zorgt op biologische wijze voor de verwijdering van ammonium uit afvalwater, waarbij ammonium met nitriet wordt omgezet tot stikstofgas.

In de afvalwaterzuivering bestaat veel belangstelling voor het anammox-proces omdat het een sleuteltechnologie zou kunnen zijn in het verduurzamen van de waterketen. Vergeleken met conventionele nitrificatie/denitrificatie is het namelijk een kosteneffectieve en duurzamere manier om ammonium uit afvalwater te verwijderen. Maar er zijn nog uitdagingen die het gebruik van anammox in de weg staan. Zo is de toepassing ervan in de praktijk veelal beperkt tot deelstroombehandeling, zoals dat van warm rejectiewater na ontwatering van vergist slib. Dat komt omdat anammox-bacteriën een relatief hoge temperatuur nodig hebben om optimaal te functioneren: tussen 30 en 40 °C. Om deze belemmering uit de weg te ruimen was het doel van dit project om met een pilotinstallatie een nieuw anammox-concept te testen waarmee bij relatief lage afvalwatertemperaturen de stikstof uit de hoofdstroom van een communale afvalwaterbehandeling kan worden verwijderd. Mocht de test slagen, dan biedt dit een opening voor toepassing van anammox in de hoofdstroom van rioolwaterzuiveringen. Dit zou potentieel het energieverbruik van de zuivering aanzienlijk kunnen verlagen.

Concept in een notendop

Kort gezegd komt het innovatieve concept op het volgende neer. Er is een tweetrapspilotinstallatie, bestaande uit een reactor waarin een deel van het ammonium wordt omgezet in nitriet (partiële nitrificatie) en een reactor voor de omzetting van nitriet en ammonium in stikstofgas (anammox-reactor). Vervolgens is de installatie gekoppeld aan een membraanbioreactor (MBR). Door het gebruik van een fijnzeef worden de anammox-bacteriën, die groeien in korrels, afgescheiden van andere minder gewenste micro-organismen uit het surplusslib. Vervolgens worden de anammox-korrels teruggevoerd in de anammox-reactor.

Toepassing van dit concept voor de zuivering van regulier communaal afvalwater bij lagere temperaturen (10-20 °C) is een grote uitdaging. De gewenste biologische respons is dat in de eerste trap ammonium oxiderende bacteriën (AOB) meer dan de helft van het ammonium in nitriet omzetten. Vervolgens worden in de tweede trap door anammox-bacteriën het gevormde nitriet en de rest van het ammonium omgezet. Hierbij ondervinden de bacteriën concurrentie van nitriet oxiderende bacteriën (NOB). Daarnaast groeien de anammox-bacteriën bij lage temperatuur erg traag, wat het lastig maakt om ze in de reactor in voldoende hoeveelheden te behouden.

Geen “koude” anammox aangetoond

Met de tweetraps pilotinstallatie zijn gedurende een periode van bijna 300 dagen testen uitgevoerd op de RWZI Simmern in Duitsland. Gedurende deze periode ondervond de proefinstallatie operationele problemen, waardoor stabiele bedrijfsvoering niet mogelijk was. Wel hebben de testen aangetoond dat controle van de beluchting alleen niet volstaat om de gewenste omzetting van ammonium tot stand te brengen. Bij lage zuurstofconcentraties wordt het grootste deel van het ammonium uit het influentwater al in de eerste reactor verbruikt. Het ammonium wordt voornamelijk omgezet in nitraat, in plaats van het gewenste nitriet. Toepassing van intermitterend beluchten en het verlagen van de slibleeftijd bleken ook niet succesvol voor het stimuleren van nitrietvorming. Dit betekent dat geen “koude” anammox omzetting kon worden aangetoond. Wel is succesvol vastgesteld dat anammox-bacteriën uit het surplusslib kunnen worden teruggewonnen door het gebruik van een fijne zeef.

Aanbevelingen

Hoewel de pilot niet tot de gewenste resultaten heeft geleid, zijn de opgedane ervaringen gebruikt om aanbevelingen te kunnen doen voor aanpassingen die zouden moeten leiden tot een stabielere, beter controleerbare bedrijfsvoering. Verder kan een voorbehandeling van influent nodig zijn om de organische belasting en daarmee de CZV:stikstofverhouding te verlagen. De belangrijkste uitdaging blijft nitrietvorming tot stand te brengen in de eerste stap onder de condities die heersen in de hoofdstroom.

Samenwerking

Dit project kwam tot stand binnen TKI Watertechnologie met de volgende samenwerkingspartners: KWR, HydroBusiness, Sweco MicroLAN, Supratec GMBH en Suptratec Shanghai.