Verbeteren van het biologisch waterzuiveringsproces door het behandelen van actief slib Ultrasoon versus plasma behandelingen

Wereldwijd wordt steeds meer afvalwater geproduceerd, door een groeiende bevolking en een toenemende industrie. In de meeste gevallen wordt gebruik gemaakt van een biologische waterzuivering, met behulp van actief slib, om het geproduceerde afvalwater te zuiveren vooraleer dit geloosd kan worden. De microbiële diversiteit van actief slib vormt de grote sterkte van biologische afvalwaterzuivering, i.e., de grote verscheidenheid aan micro-organismen is in staat om diverse substraten af te breken. De toenemende hoeveelheid afvalwater en de steeds strenger wordende lozingsnormen benadrukken het belang om het biologische zuiveringsproces continu te verbeteren en de efficiëntie ervan te verhogen. Hierbij kan er gefocust worden op twee verschillende aanpakken. Enerzijds kunnen procesparameters, zoals pH en zuurstofniveau geoptimaliseerd worden. Anderzijds kan er gefocust worden op de microbiële activiteit van het actief slib. De hoofddoelstelling van dit onderzoek is gebaseerd op de tweede aanpak, waarbij er wordt getracht de activiteit van het actief slib te verhogen.

Onder aerobe omstandigheden zullen de heterotrofe bacteriën in het actief slib de koolstofhoudende verbindingen die aanwezig zijn in het afvalwater omzetten naar de stabiele eindproducten water (H2O) en koolstofdioxide (CO2). Tijdens deze omzetting wordt er door de micro-organismen zuurstof verbruikt. De snelheid waarmee de opgeloste hoeveelheid zuurstof in de vloeistof daalt kan dan beschouwd worden als een maat voor de snelheid waarmee de organische componenten worden afgebroken en is dus een maat voor de microbiële activiteit van het actief slib. Via respiratiemetingen kan het zuurstofverbruik, de zogenaamde ‘(specific) oxygen uptake rate’ bepaald worden.

Terwijl de focus wordt gelegd op het verbeteren van de microbiële activiteit van het actief slib, mag niet uit het oog worden verloren dat ook andere actief slib karakteristieken niet negatief worden beïnvloed: zij bepalen namelijk mee de algemene efficiëntie van de waterzuivering. Een slechte vlokvorming en bezinking van het slib zullen ervoor zorgen dat er geen goede scheiding meer kan plaatsvinden tussen het actief slib en het gezuiverde afvalwater, waardoor het geloosde effluent niet meer aan de vereisten zal voldoen.

In het voorliggende werk werd actief slib blootgesteld aan drie verschillende stress-inducerende behandelingen met als einddoelstelling de zuivering van het afvalwater sneller te laten verlopen, zonder hierbij andere slibkarakteristieken aan te tasten. Als eerst techniek werd het actief slib blootgesteld aan een ultrasoon behandeling. Deze techniek wordt in de literatuur reeds beschreven voor zijn positief effect op de actief slib activiteit indien de ultrasone golven worden toegediend in een bepaald gebied van lage energetische hoeveelheden. Daarom werd er ook gekozen om een ultrasone behandeling te gebruiken als referentietechniek om te vergelijken met andere technieken die volledig nieuw en innovatief zijn. Het grote nadeel van een ultrasoonbehandeling is echter het vaak geobserveerde negatieve effect op de bezinkbaarheid van actief slib vlokken. De innovatieve technieken die ten opzichte van ultrasoontechnologie gebenchmarkt worden zijn twee types plasmatechnieken, i.e., ‘Glow Discharge Plasma’ (GDP) en ‘Cold Atmospheric Plasma’ (CAP). Deze werden tevens onderzocht naar hun effect op het actief slib systeem.

Het onderzoek startte met het bestuderen van de plasmavorming in de aanwezigheid van actief slib. Hierbij werd gezien dat ten opzichte van plasmavorming in water de GDP ontwikkeling bij lagere energieën kon plaatsvinden. Als verklaring voor deze observatie wordt de hypothese geformuleerd dat de aanwezigheid van geladen groepen in het actief slib de geleiding van de stroom kan vereenvoudigen. De aanwezige deeltjes kunnen ook fungeren als plaats voor ladingsaccumulatie waardoor de stroom wordt beïnvloed. 

Uit onderzoek van de vrijzetting van intracellulair materiaal en de invloed op de karakteristieken van het actief slib, bleek dat voornamelijk de mechanische ultrasoon behandelingen een sterk negatief effect hebben op celsterfte, vlokvorming en actief slib bezinkbaarheid. In tegenstelling tot GDP dat een veel lagere vrijzetting van intracellulair materiaal veroorzaakte en waarbij een verbetering van de bezinkbaarheid kon worden vastgesteld.  Geen vrijzetting van intracellulair materiaal kon gemeten worden na de behandeling met CAP en er was slechts een licht negatief effect op de bezinkbaarheid. Wanneer naar de actief slib eigenschappen gekeken wordt, kan er dus worden vastgesteld dat beide plasmatechnieken een interessant alternatief vormen t.o.v. het gebruik van een ultrasoon behandeling.

Gebruikmakend van respiratiemetingen kon het effect van de drie technieken op de microbiële activiteit worden bepaald. Hierbij werd er enerzijds gekeken naar de afbraak van koolstofhoudende componenten en anderzijds werd ook de invloed van de behandelingen op de nitrificatiesnelheid onderzocht. Zoals uit de literatuur reeds was gebleken, kan de koolstofafbraak versneld worden door het actief slib eerst bloot te stellen aan een milde ultrasoonbehandeling. Ook GDP en CAP verhogen bij de juiste dosering het zuurstofverbruik. De efficiëntie van US blijkt echter veruit het hoogst. Op lange termijn is echter CAP de enige techniek die een blijvend effect kon genereren bij lage energiedoseringen. In tegenstelling tot de koolstofafbraak, kon de nitrificatiesnelheid nooit positief beïnvloed worden door gebruik te maken van een ultrasoon of GDP behandeling. Dit in tegenstelling tot CAP waarbij ook voor nitrificatie positieve resultaten bekomen worden bij milde behandeling.

Tot slot werd ook een energetische evaluatie gemaakt van de behandeling van actief slib met de drie voorgestelde technieken op full scale, waarbij een eerste indicatie gegeven werd over de economische haalbaarheid van de behandelingen.