Grondwaterzuivering, biologische waterzuivering, principe van de techniek

Principe van de techniek

Onder biologisch reinigen van grondwater wordt de afbraak van milieuschadelijke stoffen door micro-organismen verstaan. In tegenstelling tot de meeste fysisch -chemische reinigingstechnieken vindt geen concentrering of verplaatsing van de verontreiniging naar een ander milieucompartiment plaats.

Voorbehandeling

De volgende voorbehandeling kan worden toegepast bij biologische waterzuivering:

• Door beluchten en vervolgens filtratie over zand kan ijzer uit het grondwater verwijderd worden.
• door egalisatie of buffering wordt een meer constante concentratie aan verontreiniging in het influent bewerkstelligd.
• een drijflaag kan worden verwijderd in een olie-waterafscheider
• Door toediening van loog of zuur kan de pH op de optimale waarde ingesteld worden.
• Wanneer tevens verwijdering van zware metalen plaatsvindt, kan deze het best voorafgaand aan de biologische zuivering plaatsvinden vanwege het vermijden van toxische effecten en vastleggen van zware metalen in het slib.

Onder biologische reiniging van grondwater wordt de afbraak van milieuschadelijke organische stoffen door micro-organismen verstaan. In tegenstelling tot de meeste fysisch-chemische reinigingstechnieken vindt geen concentrering of verplaatsing van de verontreiniging naar een ander milieucompartiment plaats, maar wordt de verontreiniging echt fysiek verwijderd, afgebroken.

Behandeling

Er is een grote verscheidenheid aan systemen beschikbaar voor biologische zuivering van grondwater. De karakteristieken van deze installaties zijn in beginsel echter gelijk. Deze gemeenschappelijke eigenschappen worden hieronder behandeld.

In het algemeen geldt dat biologische zuiveringstechnieken bij bodemsanering weinig gebruikt worden. Biologische zuivering is met name bruikbaar voor langlopende saneringen met goed afbreekbare verontreinigingen die met een constant debiet en met constante concentraties verlopen. Voor korterdurende saneringen zijn vaak de aanloopkosten relatief hoog en knelt het ook met benodigde adaptatietijd van micro-organismen om de afbraak in het 'dunne' grondwater op gang te brengen.

Biologische zuiveringsprocessen kunnen zowel onder zuurstofrijke (aërobe) als zuurstofloze (anaërobe) omstandigheden plaatsvinden. Bij grondwaterzuivering wordt veelal gebruik gemaakt van aërobe afbraak van verontreinigingen. Redenen hiervoor zijn:

• Voor de meeste verontreinigingen verloopt afbraak onder aërobe-condities sneller dan onder anaërobe-condities. Voor aërobe reiniging bedraagt de verblijftijd van het grondwater in de reactor meestal minder dan 1 uur. Bij anaërobe reiniging zijn verblijftijden van 6 uur niet ongebruikelijk.
• Micro-organismen die hun werk onder anaërobe omstandigheden verrichten zijn in het algemeen specifieker in de keuze van het substraat (in dit geval de verontreiniging) waarop ze groeien. Aangezien het grondwater vaak door meerdere organische stoffen verontreinigd is, zouden er verschillende cultures anaërobe micro-organismen ingezet moeten worden.
• Voor de meeste verontreinigingen is het zuiveringsrendement van een aëroob proces hoger dan van een anaëroob proces.
• Bij een anaëroob zuiveringsproces kunnen methaan en/of waterstofsulfide vrijkomen, die mogelijk toxisch kunnen zijn voor het systeem en waarbij met name waterstofsulfide stankoverlast kan veroorzaken.
• De opstarttijd van een aërobe zuiveringsinstallatie is korter dan van een vergelijkbare anaërobe installatie.

Door de lage substraatconcentratie in het grondwater zal zonder verdere voorzieningen de som van uitspoeling en afsterven van de micro- organismen groter zijn dan hun aanwas. In de grondwaterzuivering worden daarom voornamelijk technieken toegepast waarbij de biomassa zich in een biofilm op een drager bevindt. Door fixering van de micro-organismen in een biofilm zal de uitspoeling klein zijn, waardoor een hoge biomassaconcentratie kan worden bereikt die in staat is het water vergaand te reinigen.

Voor de verschillende biologische technieken geldt dat geen adsorptie van goed afbreekbare verontreinigingen aan het slib is geconstateerd. Bij afbraak van PAK en eventueel gechloreerde koolwaterstoffen kan adsorptie plaatsvinden.

Nabehandeling

Bij toepassing van biologische waterzuivering kan nabehandeling van het effluent benodigd zijn. Afhankelijk van de hoeveelheid uitgespoelde biomassa kan het nodig zijn om dit via bezinking uit het effluent te verwijderen.

Kritische punten

Kritische punten bij toepassing van biologische waterzuivering zijn:

• De biomassa die voor de zuivering van het grondwater moet zorgdragen blijkt een lange tijd nodig te hebben (enkele weken tot maanden) om zich aan de procescondities aan te passen (adaptatie). Het is dus niet zinvol biologische zuivering toe te passen bij saneringen die minder dan drie maanden duren.
• Te zuiveren grondwater wordt vaak 'dun' genoemd (voedselarm), hetgeen betekent dat voedingsstoffen dienen te worden toegevoegd om een goed milieu te creëren voor de werking van micro-organismen
• De verblijftijd die minimaal nodig is voor afbraak van alle verontreinigingen die in het te zuiveren grondwater voorkomen wordt bepaald door de slechtst afbreekbare verontreiniging. Vooral gehalogeneerde koolwaterstoffen en zware PAK’s zijn in dit verband lastig. Bovendien zijn niet alle gehalogeneerde koolwaterstoffen afbreekbaar onder aërobe condities.
• Ook de omzetting van goed afbreekbare componenten kan een probleem vormen. Versnelde afbraak kan leiden tot een gebrek aan nutriënten (bijvoorbeeld stikstof en fosfor) waardoor de groei van de biomassa niet optimaal verloopt. Het toevoegen van nutriënten biedt in dit geval een eenvoudige oplossing. Een vuistregel is dat de verhouding organisch koolstof : stikstof : fosfor van het te behandelen water minimaal 250:10:5 moet zijn. Bij een tekort aan stikstof of fosfaat is toevoeging van nutriënten noodzakelijk voor een optimale zuivering.
• Bij biofilmtechnieken vindt de zuurstof en substraat overdracht plaats door diffusie. De zuurstof is bij een diepte van 100 µm reeds door de bacteriën verbruikt. Hierdoor zal niet de gehele biomassa kunnen deelnemen aan de omzetting van verontreinigingen. Bij biofilmtechnieken is het beschikbare oppervlak daarom een belangrijke factor.
• Door plotselinge sterke toename van de verontreinigingen in het influent kan het zuiveringsrendement sterk teruglopen. Het duurt vaak tot enige weken voordat het rendement weer op het oude niveau terug is. Sterke verlaging van de concentratie van de verontreinigingen leidt slechts tot een kortstondige verlaging van het rendement.
• De vorm waarin de verontreiniging in het grondwater aanwezig is speelt een rol bij de afbraak door micro-organismen. De biobeschikbaarheid (mate waarin een stof door micro-organismen opgenomen kan worden) van verontreinigingen die geadsorbeerd zijn aan vaste stofdeeltjes is lager dan van opgeloste stoffen. Hierdoor kan het rendement afnemen.