Biologische afbreekbaarheid beschrijft het vermogen van organische verbindingen om afgebroken te worden door de metabolische processen van micro-organismen zoals bacteriën, schimmels of algen. Bij de behandeling van industrieel water en afvalwater is deze eigenschap van cruciaal belang voor het beoordelen van de milieuvriendelijkheid van stoffen en het ontwikkelen van geschikte behandelingsprocessen.
Inhoudsopgave
Technische basisbeginselen
Biologische afbreekbaarheid wordt onderverdeeld in aerobe en anaerobe processen.
- Aërobe afbreekbaarheid vindt plaats in aanwezigheid van zuurstof, waarbij de micro-organismen organische verbindingen omzetten in koolstofdioxide (CO₂), water (H₂O) en biomassa. Dit proces wordt veel gebruikt in biologische afvalwaterzuiveringsinstallaties, vooral in actief slib of biofilmprocessen.
- Anaërobe afbreekbaarheid vindt plaats in afwezigheid van zuurstof, waarbij methaan (CH₄), koolstofdioxide en waterstof (H₂) als eindproducten worden geproduceerd. Anaerobe processen worden vooral gebruikt in gistingstorens of biogasreactoren om organische stoffen af te breken en tegelijkertijd energie op te wekken in de vorm van biogas.
Waarderingsmethoden
Bij de behandeling van industrieel afvalwater wordt de biologische afbreekbaarheid van een stof vaak bepaald met behulp van tests zoals biochemisch zuurstofverbruik (BOD₅) of chemisch zuurstofverbruik (COD). De BOD₅ meet het zuurstofverbruik van micro-organismen over een periode van 5 dagen en geeft een indicatie van de hoeveelheid biologisch afbreekbare organische stoffen in het afvalwater. Een hoge BOD₅/CSB-verhouding duidt op een goede biologische afbreekbaarheid, terwijl een lage verhouding aangeeft dat een aanzienlijk deel van de organische verbindingen moeilijk of niet biologisch afbreekbaar is.
Afbeelding: Foto van onze biologisch geactiveerde filtratie, een combinatieproces van mechanische reiniging en biologische afbraak(ALMA BHU BAF)
Rol van macronutriënten
Om ervoor te zorgen dat micro-organismen organische stoffen efficiënt kunnen afbreken, hebben ze niet alleen de te behandelen organische verbindingen (koolstofbronnen) nodig, maar ook een evenwichtige toevoer van macronutriënten, met name stikstof (N) en fosfor (P), en zuurstof (O) in aerobe processen. Deze voedingsstoffen spelen een centrale rol in de celstructuur en energieproductie van micro-organismen:
Koolstof (C): De organische verbindingen in afvalwater zijn de belangrijkste bron van koolstof voor micro-organismen en dienen zowel als energiebron als voor de opbouw van biomassa.
Stikstof (N): is voornamelijk nodig in de vorm van ammonium (NH₄⁺) of nitraat (NO₃-). Stikstof is essentieel voor de vorming van eiwitten, nucleïnezuren en enzymen, die nodig zijn voor de groei en functie van micro-organismen.
Fosfor (P): Fosfor is voornamelijk beschikbaar in de vorm van fosfaten en is nodig voor de synthese van nucleïnezuren en adenosinetrifosfaat (ATP), een centrale molecule voor energieoverdracht in cellen.
Optimale verhoudingen van voedingsstoffen
In de praktijk heeft de C:N-verhouding (koolstof:stikstof) zich gevestigd als een beslissende parameter voor het beoordelen van de afbraakprocessen in biologische installaties. Een vaak aanbevolen verhouding voor efficiënte biologische afbraak in de behandeling van industrieel afvalwater is ongeveer 100:5:1, wat betekent dat er ongeveer 5 delen stikstof en 1 deel fosfor moeten zijn voor elke 100 delen organische koolstof. Afwijkingen van deze verhouding kunnen een negatieve invloed hebben op het afbraakproces:
- Een gebrek aan stikstof betekent dat micro-organismen niet voldoende biomassa kunnen opbouwen, waardoor de biologische activiteit afneemt.
- Een tekort aan fosfor beperkt de energieoverdracht en celdeling, wat ook leidt tot inefficiënte afbraak.
In de industriële praktijk wordt de nutriëntendosering daarom vaak uitgevoerd om de optimale nutriëntenverhouding in afvalwaterzuiveringsinstallaties te garanderen. Dit is vooral relevant in het geval van sterk organisch verontreinigd afvalwater uit de voedingsindustrie of afvalwater dat slechts kleine hoeveelheden stikstof en fosfor bevat als gevolg van productieprocessen.
Sporenelementen in biologische afbreekbaarheid
Naast macronutriënten zijn sporenelementen in lage concentraties nodig om de enzymatische processen van de micro-organismen te ondersteunen. Deze elementen spelen vaak een katalytische rol in verschillende biochemische reacties. De belangrijkste sporenelementen zijn
IJzer (Fe): Is nodig als bestanddeel van veel enzymen, vooral in de elektronentransportketen en bij zuurstofoverdracht.
Zink (Zn): Zit in veel enzymen die betrokken zijn bij de synthese van eiwitten en DNA. Zink speelt ook een rol bij de regulering van de pH-waarde in de cellen.
Koper (Cu): Heeft ook een katalytische functie en is betrokken bij redoxreacties die belangrijk zijn voor de energieproductie van micro-organismen.
Mangaan (Mn): Werkt als een cofactor voor enzymen die betrokken zijn bij de afbraak van organische stoffen.
Kobalt (Co): Is een bestanddeel van vitamine B12, dat een sleutelrol speelt in de metabolische routes van bacteriën, vooral in de synthese van aminozuren.
In veel industriële toepassingen is de concentratie van deze sporenelementen voldoende. In gevallen waar deze elementen ontbreken of sterk gereduceerd zijn, kan dit leiden tot een remming van de biologische afbraakprocessen. In dergelijke gevallen is het vaak nodig om deze sporenelementen aan het afvalwater toe te voegen om de afbraak te optimaliseren.
Afbeelding: Beluchtingstank voor de biologische afbraak van ons ALMA BHU BIO proces
Waarderingsmethoden
Bij de behandeling van industrieel afvalwater wordt de biologische afbreekbaarheid van een stof vaak bepaald met behulp van tests zoals biochemisch zuurstofverbruik (BOD₅) of chemisch zuurstofverbruik (COD). De BOD₅ meet het zuurstofverbruik van micro-organismen over een periode van 5 dagen en geeft een indicatie van de hoeveelheid biologisch afbreekbare organische stoffen in het afvalwater. Een hoge BOD₅/CSB-verhouding duidt op een goede biologische afbreekbaarheid, terwijl een lage verhouding aangeeft dat een aanzienlijk deel van de organische verbindingen moeilijk of niet biologisch afbreekbaar is.
Relevantie in de praktijk
Bij de behandeling van industrieel afvalwater is kennis over de biologische afbreekbaarheid van stoffen cruciaal voor de keuze van het behandelingsproces. Stoffen die gemakkelijk biologisch afbreekbaar zijn, kunnen efficiënt worden behandeld in conventionele biologische installaties, zoals actiefslibprocessen of reactoren met een vast bed. Aan de andere kant vereisen moeilijk biologisch afbreekbare of toxische stoffen, zoals bepaalde zware metaalcomplexen of gechloreerde koolwaterstoffen, vaak aanvullende processen zoals adsorptie, chemische oxidatie (bijv. Fentonproces) of membraanfiltratie om een voldoende reductie van verontreinigende stoffen te bereiken.
De biologische afbreekbaarheid van chemicaliën die gebruikt worden bij koelwaterbehandeling of bij het reinigen van membranen in omgekeerde osmose systemen is ook belangrijk. Producten zoals biociden of antiscalantia moeten zo worden geselecteerd dat ze niet alleen effectief zijn tijdens het gebruik, maar ook kunnen worden afgebroken of veilig verwijderd na gebruik om de impact op het milieu te minimaliseren.
Conclusie
Biologische afbreekbaarheid hangt niet alleen af van het type organische verbindingen, maar ook van een evenwichtige verdeling van voedingsstoffen. Een voldoende toevoer van macronutriënten zoals stikstof en fosfor en de beschikbaarheid van essentiële sporenelementen is cruciaal voor de efficiënte afbraak van organische verbindingen in industriële afvalwaterzuiveringsinstallaties. Optimale verhoudingen tussen nutriënten en de juiste toevoeging van nutriënten zijn daarom belangrijke factoren om de efficiëntie van biologische zuiveringsprocessen te garanderen en milieuvervuiling te minimaliseren.
