De Basisprocessen van Rioolwaterzuivering
Water is een kostbaar goed. Om onze natuurlijke wateren te beschermen en drinkwaterproductie mogelijk te maken, wordt al het rioolwater daarom eerst gezuiverd van verontreinigende en schadelijke stoffen voordat het weer in de waterkringloop wordt teruggevoerd. Er worden verschillende processen gebruikt om het water te behandelen en de best mogelijke, natuurlijke waterkwaliteit te bereiken. Rioolwaterzuivering kan doorgaans in twee basistypes worden onderverdeeld: Bij de eerste worden problematische stoffen uit het water verwijderd. Dit gebeurt bijvoorbeeld door reiniging, ontijzering, mangaanverwijdering, sterilisatie, ontzouting of verzachting. Bij de tweede worden specifieke stoffen toegevoegd om de kwaliteit te verbeteren en parameters zoals de pH-waarde of het geleidingsvermogen te beïnvloeden.
De verschillende stadia van waterzuivering
Voor het uitvoeren van de verschillende voorbereidingsfasen van waterzuivering kunt u gebruikmaken van verschillende processen:
- Fysische processen voor mechanische voorbereiding zoals beluchting, bezinking of thermische invloed. Hieronder valt ook het gebruik van roosters, filters en zeven.
- Biologische processen, zoals anaërobe rioolwaterzuivering, biochemische oxidatie of slibafbraak
- Chemische processen, zoals neutralisatie, desinfectie, vlokvorming en neerslag
- Membraanprocessen zoals filtratie, osmose en nanofiltratie
De grootste hoeveelheid rioolwater die behandeld moet worden, bevindt zich in gemeentelijke rioolwaterzuiveringsinstallaties, waar dus een veelzijdigere combinatie en een effectievere procedure nodig is. De gebruikte procedures zijn afhankelijk van het soort rioolwaterzuiveringsinstallatie.
De behandelingsprocessen in rioolwaterzuiveringsinstallaties kunnen in verschillende fasen worden onderverdeeld.
Fase 1: mechanische waterzuivering
In de eerste fase wordt het nog volledig onbehandelde rioolwater mechanisch behandeld. Hierdoor wordt ongeveer 20-30% van de aanwezige vaste stoffen verwijderd. Om dit te bereiken wordt het rioolwater in een zeefinstallatie geleid, waar een rooster of zeeftrommel er grove verontreinigingen zoals bladeren, papier of textiel uit filtert. Diverse roosters, van grofroosters met spleetwijdtes van enkele centimeters tot fijnroosters met een spleetwijdte van enkele millimeters, waar het water met verschillende snelheden doorheen stroomt, filteren stap voor stap de grove materialen eruit. Het mechanisch opgevangen zeefafval wordt ontwaterd en afgevoerd naar een verbrandingsinstallatie.
Het voorgezuiverde water stroomt vervolgens in een zogenaamde zandvanger. In de rioolwaterzuiveringstechnologie wordt een sedimentatietank gebruikt voor het verwijderen van grove deeltjes, zoals stenen, glassplinters of zand, maar ook van grof organisch materiaal dat niet door de zeven is tegengehouden. Dit gebeurt bij een relatief hoge stroomsnelheid van ongeveer 0,3 m/s. Er wordt onderscheid gemaakt tussen de niet-beluchte zandvangers die in de lengte zijn opgesteld, de beluchte zandvangers die in de lengte zijn opgesteld, ook wel cilindrische zandvanger genoemd, en de ronde zandvangers.
De beluchte zandvanger verwijdert ook vetten en oliën uit het rioolwater, waarbij het volgende gebeurt: de ingevoerde proceslucht veroorzaakt een golfbeweging in het water, waardoor lichtere stoffen, zoals oliën en vetten, naar het oppervlak worden gevoerd. Vervolgens kunnen deze gemakkelijk uit het water worden gehaald.
Een ronde zandvanger verwijdert met centrifugale kracht stoffen uit het rioolwater en zuigt deze weg. Na het reinigen in de zandvanger wordt het zandvangerafval gewassen en gezuiverd van organische stoffen. Hierdoor wordt de ontwatering van het ingezamelde anorganische materiaal verbeterd, waardoor dit bijvoorbeeld hergebruikt kan worden in de wegenbouw. Als er geen verdere recycling mogelijk is, moet het zandvangerafval op de juiste manier worden afgevoerd, namelijk door het te storten of te vernietigen in afvalverbrandingsinstallaties.
De primaire rioolwaterzuiveringstank is de volgende stap in de rioolwaterzuivering. De snelheid van het rioolwater is ongeveer 1,5 cm/s, dus beduidend langzamer dan in de zandvanger. Een lagere stroomsnelheid kan worden bereikt door het bassin te verbreden. Een lage stroomsnelheid is nodig om de fijnere vuildeeltjes, afhankelijk van hun samenstelling, op de bodem of op het wateroppervlak te laten bezinken. Het slib dat door de bezinking (afzetting op de bodem) ontstaat, wordt primair slib genoemd. Doorgaans bestaat dit uit organisch materiaal. Het primaire slib wordt met een schraper vanaf de bodem naar een trechter voor vers slib geschoven. De drijvende stoffen worden afgevoerd naar een kanaal voor drijvend slib. Een pomp transporteert het verse slib naar een zogenaamde slibgistingstoren.
In de slibgistingstoren wordt in vier fasen (hydrolyse, verzuring, acetogene en methanogene fase) methaangas geproduceerd. Dit wordt in een blokverwarmingsinstallatie omgezet in elektriciteit en kan worden gebruikt om de installatie van energie te voorzien. Het vergistingsproces in de slibgistingstoren duurt ongeveer vier weken. Er blijft een reukloos slib over, dat na ontwatering door middel van een centrifuge of filter vaak in de landbouw wordt gebruikt.
Hier eindigt de mechanische reinigingsfase. In deze fase wordt gemiddeld 30 tot 40% van de vervuiling uit het rioolwater verwijderd. Het rioolwater gaat nu via de waterzuiveringsinstallatie naar de volgende fase van de rioolwaterzuivering.
Fase 2: biologische reiniging
In de meeste rioolwaterzuiveringsinstallaties bereikt het water dat in de mechanische zuiveringsfase is voorgezuiverd nu de zogenaamde beluchtingstanks, die vaak zijn ontworpen als circulatietanks. Hier wordt de biologische reiniging uitgevoerd.
Het water wordt met behulp van propellers en de toevoer van zuurstof in circulatie gebracht. Er worden min of meer geventileerde ruimtes gecreëerd waarin verschillende omgevingscondities voor bacteriën en micro-organismen ontstaan. Deze micro-organismen voeden zich met de organische onzuiverheden die nog in het water aanwezig zijn en zetten deze om in anorganische stoffen. De bacteriën vormen actiefslibvlokken die vrij in het water drijven. De toevoer van zuurstof stimuleert de vermenigvuldiging van bacteriën en bevordert zo de vorming van actiefslib. Dit proces van biologische rioolwaterzuivering noemt men daarom ook wel het actiefslibproces.
Het rioolwater met het actieve slib wordt afgevoerd naar de secundaire rioolwaterzuiveringstank. Hier wordt de stroomsnelheid van de rioolwaterstroom weer verlaagd. Er vindt bezinking plaats: Het actieve slib zet zich af op de bodem van het gezuiverde water, waar het met mechanische reinigingsapparatuur op de bodem kan worden gescheiden van het heldere water. Een deel ervan wordt als extra biomassa naar de slibgistingstoren overgebracht. De rest van het slib, ook wel "retourslib" genoemd, wordt teruggevoerd naar de beluchtingstank om ervoor te zorgen dat er daar voldoende micro-organismen aanwezig zijn om het vuil af te breken. Na biologische zuivering is ongeveer 90% van de biologisch afbreekbare stoffen uit het rioolwater verwijderd. Aangezien zuurstof wordt toegevoerd door compressoren, is voor deze fase de meeste energie vereist in het hele reinigingsproces. Zodra het water de wettelijk voorgeschreven kwaliteit heeft bereikt, kan het worden teruggevoerd naar de watercyclus, bijvoorbeeld naar een rivier.
In veel andere gevallen is biologische reiniging niet genoeg. Dan zijn er meer rioolwaterzuiveringsprocessen nodig, bijvoorbeeld voorbereiding in de vorm van een chemische behandeling. Hiervoor worden ook chemische additieven gebruikt.
Fase 3: chemische rioolwaterzuivering
In deze fase van de rioolwaterzuivering worden chemische processen gebruikt. Voor dit doel worden chemische verbindingen gebruikt, zodat de wettelijk voorgeschreven standaardwaarden voor water worden bereikt. Tot de chemische behandeling in rioolwaterzuiveringsinstallaties behoren neutralisatie, desinfectie, fosfaatneerslag, stikstofverwijdering, ontijzering en mangaanverwijdering.
Neutralisatie wordt gebruikt om de voorgeschreven pH-waarde te bereiken, die wordt verkregen door toevoeging van een zuur, bijvoorbeeld HCL, of een base, bijvoorbeeld kalkmelk.
Tijdens de desinfectie worden ziektekiemen gedood door het toevoegen van chloor of chloordioxide. Een goed alternatief voor het toevoegen van chemicaliën is het bestralen van het rioolwater met UV-licht, maar dit wordt minder vaak toegepast. Fosfaatverwijdering: Ons rioolwater is vaak vervuild met fosfaten uit wasmiddelen, meststoffen, voedseladditieven en uitwerpselen. Als dit in het rioolwater achterblijft, leidt dit tot overbemesting van waterlichamen en verrijking met voedingsstoffen, wat kan leiden tot nutteloze plantengroei (eutrofiëring) die schadelijk is voor het ecosysteem.
Phosphates are removed with a chemical precipitation or flocculation process. The phosphate precipitation is partly triggered by the addition of aluminium or iron salts in the sand collector or in the secondary wastewater treatment tank. The metal-phosphate flocks that are formed during this secondary clarification are then taken out of the wastewater together with the activated sludge. Depending on the mode of operation, the phosphate can also be "fished" with the help of microorganisms from the wastewater. In this case we speak of a biological phosphorus elimination, which is, however, still rarely used.
Tot chemische waterzuivering behoort ook stikstofverwijdering: het wordt gebruikt om stikstofverbindingen die schadelijk zijn voor water, zoals ammoniak en ammonium, uit rioolwater te verwijderen. Stikstofverbindingen onttrekken de vitale zuurstof aan het water en als ze in de wateren terechtkomen, kunnen ze zelfs leiden tot vissterfte.
Stikstof wordt verwijderd door nitrificatie en denitrificatie: Tijdens de nitrificatie wordt ammonium door het toevoegen van anaërobe bacteriën en zuurstof omgezet in nitriet, en vervolgens in een tweede fase in nitraat. Ook de daaropvolgende denitrificatie wordt in gang gezet door het toevoegen van anaerobe micro-organismen. Deze ontbinden het nitraat door middel van enzymatische activiteiten tot stikstofgas, dat daarna weer in de atmosfeer terechtkomt.
Ontijzering: Om het ijzergehalte van het rioolwater terug te brengen tot de voorgeschreven waarde, worden ijzer(II)-kationen geoxideerd door de toevoeging van zuurstof. Om het oxidatieproces op gang te brengen, moet er ook natriumhydroxide aan het rioolwater worden toegevoegd.
Verwijderen van mangaan: Mangaan is meestal aanwezig in rioolwater als mangaanwaterstofcarbonaat. Door het toevoegen van zuurstof worden slecht oplosbare mangaan IV-verbindingen gevormd, die gemakkelijk uit het water kunnen worden verwijderd.
Fase 4: Membraanprocessen/Nanofiltratie
In de vierde en laatste reinigingsfase worden membraan- en filterprocessen toegepast. Deze zuiveringsfase wordt gedeeltelijk gecombineerd met de chemische processen van neerslag en vlokvorming. Zo ontstaat bijvoorbeeld de methode van vlokfiltratie. Aan het rioolwater worden neerslag- en vlokmiddelen toegevoegd, waardoor de stoffen die gescheiden worden, vlokken gaan vormen. Het rioolwater met het vlokmateriaal stroomt vervolgens door een doek of zandfilter.
Het sijpelt langzaam door de filterlaag. Zelfs de kleinste biologische vluchtige stoffen worden verwijderd.
Nanofiltratie werkt op een vergelijkbare manier. In tegenstelling tot normale filtratie wordt het water onder druk door een membraan geleid dat zelfs de kleinste opgeloste deeltjes, zoals moleculen of zware metaalionen, tegenhoudt. Hetzelfde gebeurt met omgekeerde osmose, waarbij nog hogere werkdrukken en fijnere membranen worden gebruikt.
De vervuilende stoffen die tijdens de filtratie, de nanofiltratie en de omgekeerde osmose worden tegengehouden, worden via de primaire rioolwaterzuiveringstank in de vorm van filterslib in de slibbehandeling gefilterd.
Het water bereikt hierna de opslagtank voor behandeld water, de laatste zone van de rioolwaterzuiveringsinstallatie. Hier worden opnieuw watermonsters genomen en wordt de waterkwaliteit gecontroleerd. Het gezuiverde water wordt pas weer in de waterkringloop gebracht als aan de wettelijk voorgeschreven parameters is voldaan.
