Ammonificatie is een biologisch proces waarbij organisch gebonden stikstof in de vorm van eiwitten, aminozuren of nucleïnezuren wordt omgezet in ammoniak (NH₃) of ammonium (NH₄⁺) door de afbraak van organisch materiaal. Dit proces is een centraal onderdeel van de stikstofcyclus in de natuur en speelt een belangrijke rol bij de behandeling van industrieel afvalwater, vooral bij de biologische zuivering van afvalwater met een hoog gehalte aan organische stikstof, zoals vaak het geval is in de voedingsmiddelenindustrie, de chemische industrie en de landbouw.

Technische achtergrond

Ammonificatie wordt uitgevoerd door een verscheidenheid aan micro-organismen zoals bacteriën en schimmels die voorkomen in aerobe en anaerobe omstandigheden. Het proces begint wanneer deze micro-organismen organische stikstofverbindingen zoals eiwitten en ureum afbreken. Tijdens de afbraak wordt de organisch gebonden stikstof door enzymen omgezet in ammoniak of ammonium, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden, met name pH en temperatuur.

Ammoniak (NH₃) en ammonium (NH₄⁺) bevinden zich in een evenwicht dat sterk afhankelijk is van de pH-waarde:

  • Bei neutralen oder sauren Bedingungen (pH < 7) liegt Stickstoff hauptsächlich als Ammonium (NH₄⁺) vor.
  • Onder alkalische omstandigheden (pH > 7) wordt ammonium omgezet in gasvormige ammoniak (NH₃).

Toepassing in de praktijk

Ammonificatie is een essentiële stap in de biologische afvalwaterzuivering, omdat het het eerste deel van de stikstofafbraak is. De ammoniak of het ammonium dat wordt gevormd door de ammonificatie wordt verder omgezet in volgende biologische zuiveringsprocessen zoals nitrificatie en denitrificatie om stikstofverbindingen uit het afvalwater te verwijderen en ervoor te zorgen dat de stikstofemissiegrenswaarden worden nageleefd.

Typische toepassingsgebieden voor de behandeling van industrieel afvalwater zijn onder andere

1. gemeentelijke en industriële afvalwaterzuiveringsinstallaties

Ammonificatie is de eerste stap in de stikstofafbraak, waarbij organische stikstofverbindingen uit het afvalwater biologisch worden afgebroken. Het vindt plaats in de actief-slibtanks of in speciale anaerobe of aerobe reactoren.

Beluchtingstank voor industrieel afvalwater uit de suikerindustrie

Foto: Denitrificatie- en nitrificatietank voor industrieel afvalwater van de voedselindustrie in Chili, ALMA BHU BIO plant

2. aerobe reactoren

In aërobe biologische afvalwaterzuiveringsinstallaties, zoals het actiefslibproces of de Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), vindt ammonificatie plaats parallel met de afbraak van organische stoffen. Micro-organismen zetten de organische stikstof om in ammonium, dat vervolgens beschikbaar komt voor nitrificatie.

Biologisch actieve filtratie voor de behandeling van afvalwater

Afbeelding: Foto van onze biologisch geactiveerde filtratie, een combinatieproces van mechanische reiniging en biologische afbraak(ALMA BHU BAF)

3. anaerobe zuiveringsinstallaties

In anaerobe biogasinstallaties, die vaak worden gebruikt om zeer organisch afvalwater of slib uit de voedingsindustrie en landbouw te behandelen, is ammonificatie een belangrijk proces om organische stikstof om te zetten in ammoniak, dat vervolgens wordt behandeld in het verdere verloop van de stikstofcyclus.

Biogasproductie bij groenteverwerking met de ALMA BHU GMR

Foto: Voorbeeld van een anaerobe reactor voor de productie van biogas uit afvalwater(ALMA BHU GMR)

Relevantie voor afvalwaterbehandeling

Bij de behandeling van industrieel afvalwater is ammonificatie cruciaal om stikstofverbindingen te leveren in een vorm die verder kan worden afgebroken in daaropvolgende biologische processen. De ammoniumstikstof die vrijkomt bij ammonificatie wordt geoxideerd tot nitriet (NO₂-) en uiteindelijk tot nitraat (NO₃-) in de volgende nitrificatiestap. In het daaropvolgende denitrificatieproces wordt nitraat onder anaerobe omstandigheden verder gereduceerd tot stikstofgas (N₂), dat ontsnapt in de atmosfeer.

Beïnvloedende factoren

Het ammonificatieproces wordt beïnvloed door verschillende bedrijfsomstandigheden:

  • Temperatuur: Ammonificatie is een temperatuurafhankelijke reactie. Hogere temperaturen (tussen 20-35°C) bevorderen de activiteit van de micro-organismen, terwijl lagere temperaturen het afbraakproces vertragen.
  • pH-waarde: Een licht alkalische pH-waarde ondersteunt de omzetting van ammonium in ammoniak, wat cruciaal kan zijn bij de behandeling van afvalwater, vooral bij processen zoals ammoniakstrippen.
  • Beschikbaarheid van zuurstof: Hoewel ammonificatie zowel onder aerobe als anaerobe omstandigheden kan plaatsvinden, is het vaak efficiënter in anaerobe processen zoals biogasinstallaties, omdat de micro-organismen beter zijn aangepast aan de afbraak van organisch materiaal in een zuurstofarme omgeving.
  • C/N-verhouding: De verhouding tussen koolstof en stikstof (C/N-verhouding) in afvalwater heeft een belangrijke invloed op de ammonificatie. Een evenwichtige C/N-verhouding bevordert microbiële afbraak en dus de omzetting van organische stikstof in ammonium.

Voor- en nadelen van ammonificatie bij de behandeling van afvalwater

Voordelen:

  • Essentieel proces in stikstofafbraak: Ammonificatie is de basis voor daaropvolgende nitrificatie en denitrificatie, wat cruciaal is voor de verwijdering van stikstof uit afvalwater.
  • Efficiënte afbraak van organische stoffen: De omzetting van organische stikstof in ammoniak/ammonium door middel van ammonificatie maakt de biologische afbraak van stikstofverbindingen in gemeentelijke en industriële afvalwaterzuiveringsinstallaties mogelijk.

Nadelen:

  • Vorming van ammoniak: Onder bepaalde omstandigheden kan ammoniakvorming leiden tot de vorming van ammoniak, dat in hogere concentraties giftig is voor waterorganismen en in sommige gevallen extra gasbehandelingsprocessen vereist, zoals ammoniakstrippen.
  • Geurhinder: Het vrijkomen van ammoniakgas kan leiden tot geurhinder, vooral in open zuiveringstanks of in slecht geventileerde systemen.

Conclusie

Ammonificatie is een belangrijk biologisch proces in de behandeling van industrieel afvalwater dat de afbraak van organische stikstof tot ammonium mogelijk maakt. Het vormt de basis voor volgende processen zoals nitrificatie en denitrificatie, die leiden tot de volledige verwijdering van stikstof uit het afvalwater. Door de temperatuur, pH-waarde en zuurstofbeschikbaarheid te regelen, kan de ammonificatie worden geoptimaliseerd voor een effectieve verwijdering van stikstof en om te voldoen aan de lozingseisen voor afvalwater.