Organische verbindingen zijn een uitgebreide klasse van chemische stoffen die bestaan uit koolstof (C) en meestal waterstof (H), vaak gecombineerd met zuurstof (O), stikstof (N), zwavel (S), fosfor (P) of halogenen. Ze spelen een centrale rol in de behandeling van industrieel water en afvalwater, omdat ze voorkomen in de vorm van verontreinigende stoffen, voedingsstoffen, energiebronnen en zelfs bedrijfsstoffen. Inzicht in hun chemische eigenschappen, hun gedrag in water en hun interacties met zuiveringsprocessen is cruciaal om efficiënte water- en afvalwaterzuiveringssystemen te ontwikkelen.

Eigenschappen en classificatie van organische verbindingen

Organische verbindingen kunnen worden ingedeeld op basis van hun chemische structuur, oorsprong of functie:

1. koolwaterstoffen

• Bestaan uitsluitend uit koolstof- en waterstofatomen.
• Onderverdeling in:
  • Alifatische koolwaterstoffen (bijv. methaan, hexaan): Enkelvoudige ketens of vertakte ketens.
  • Aromatische koolwaterstoffen (bijv. benzeen, tolueen): Ringstructuren met gedelokaliseerde elektronen.
• Relevantie: Veel voorkomende componenten van industrieel afvalwater uit de petrochemische industrie.

2. gehalogeneerde organische verbindingen

• Koolwaterstoffen met halogenen (Cl, Br, F).
• Voorbeelden: Trichloorethyleen, dichloormethaan.
• Relevantie: Zeer persistent en toxisch, slecht biologisch afbreekbaar.

3. organische zuren

• Carboxylgroepen (-COOH) geven deze verbindingen zure eigenschappen.
• Voorbeelden: Azijnzuur, citroenzuur.
• Relevantie: Beïnvloeding van de pH-waarde en de neerslagprocessen in waterbehandelingssystemen.

4. organische stikstofverbindingen

• Aminogroepen (-NH₂) of andere stikstofverbindingen bevatten.
• Voorbeelden: Aminen, ureum.
• Relevantie: Kan de toevoer van stikstof naar waterlichamen verhogen en bijdragen aan eutrofiëring.

5. organische fosforverbindingen

• Bevatten fosfor in organische binding.
• Voorbeelden: Pesticiden, fosfolipiden.
• Relevantie: Bijdragen aan nutriëntenvervuiling.

6. biopolymeren en natuurlijke stoffen

• Koolhydraten, vetten, eiwitten, lignine en humusstoffen.
• Relevantie: Vaak aangetroffen in stedelijk en agrarisch afvalwater.

7. synthetische organische verbindingen

• Kunststoffen, oppervlakteactieve stoffen, farmaceutische residuen, weekmakers (bijv. BPA, PAK).
• Relevantie: Toenemend probleem bij waterbehandeling vanwege hun persistentie en toxische werking.

Bronnen van organische verbindingen in water en afvalwater

1. Industriële processen

   • Petrochemische industrie: koolwaterstoffen, aromaten, oplosmiddelen.
   • Chemische industrie: gehalogeneerde verbindingen, oppervlakteactieve stoffen, kunststoffen.
   • Voedingsindustrie: organische zuren, vetten, eiwitten.

2. Huishoudelijk afvalwater

   • Reinigingsmiddelen, persoonlijke verzorgingsproducten, farmaceutische residuen.
   • Organische verbindingen zoals oppervlakteactieve stoffen en geurstoffen komen via afvalwater in afvalwaterzuiveringsinstallaties terecht.

3. Landbouw

   • Input van pesticiden, herbiciden en dierlijke uitwerpselen.
   • Afbraakproducten van organische stoffen hopen zich op in oppervlakte- en grondwater.

4. Natuurlijke bronnen

   • Afbraak van organisch materiaal zoals plantenresten en humusstoffen.
   • Opgeloste organische koolstof (DOC) van natuurlijke afbraakprocessen.

Relevantie van organische verbindingen in water- en afvalwaterbehandeling

1. verontreinigende stoffen en milieuvervuiling

Veel organische verbindingen zijn giftig, kankerverwekkend of mutageen en moeilijk biologisch afbreekbaar. Deze omvatten

• Gehalogeneerde verbindingen zoals trichloorethyleen en PCB's, die persistent en bioaccumulerend zijn.

  • Gevaar: giftig voor in het water levende organismen, mogelijk kankerverwekkend.
  • Grenzwert: AOX im Trinkwasser < 0,1 mg/L (Deutschland).

• PAK's (polycyclische aromatische koolwaterstoffen), bijvoorbeeld benzo[a]pyreen, die afkomstig zijn van verbrandingsprocessen.

  • Gevaar: kankerverwekkendheid en schade aan ecosystemen.
  • Grenzwert: PAK (Benzo[a]pyren) im Trinkwasser < 0,01 µg/L (EU).

• Medicijnresten, bijv. diclofenac en antibiotica, die biologisch actief en moeilijk afbreekbaar zijn.

  • Gevaar: ontwikkeling van resistentie bij micro-organismen, verstoring van hormoonsystemen.
  • Richtwert: Empfohlen < 100 ng/L (keine gesetzlichen Grenzwerte).

Invloeden op ecosystemen:

• Zelfs lage concentraties kunnen een toxisch effect hebben op vissen en amfibieën, waardoor de voortplanting en groei wordt belemmerd.
• Persistente stoffen hopen zich op in sedimenten en blijven tientallen jaren actief.

Uitdagingen en vereisten:

• Conventionele afvalwaterzuiveringsinstallaties kunnen veel van deze stoffen niet volledig verwijderen. Persistente stoffen vereisen gespecialiseerde processen zoals adsorptie of oxidatie.
• Grenzwertbeispiele: EU-Wasserrahmenrichtlinie: Benzo[a]pyren in Oberflächengewässern < 0,03 µg/L.

2. voedingsstoffen en eutrofiëring

Organische verbindingen die stikstof en fosfor bevatten zijn belangrijke voedingsstoffen. In hoge concentraties bevorderen ze echter eutrofiëring, wat het evenwicht van waterlichamen aanzienlijk verstoort.

• Stikstofverbindingen (bijv. ammonium, ureum):

  • Eigenschappen: Snel biologisch beschikbaar, bevordert de groei van algen.
  • Gevolgen: Algenbloei (fytoplankton) leidt tot zuurstoftekort (hypoxie) en veroorzaakt schade aan waterorganismen.
  • Grenzwert: Ammonium im Trinkwasser < 0,5 mg/L (Deutschland).

• Fosforverbindingen (bijv. orthofosfaten, fosfolipiden):

  • Eigenschappen: Zelfs kleine hoeveelheden kunnen een eutrofiërende werking hebben.
  • Gevolgen: Vorming van giftige blauwalgen en verslechtering van de waterkwaliteit.
  • Grenzwerte: Gesamtphosphor in Kläranlagen < 1 mg/L (EU), Phosphat im Trinkwasser < 6,7 mg/L (Deutschland).

Invloeden op de behandeling van afvalwater:

• Hoge concentraties organische voedingsstoffen, bijvoorbeeld uit de landbouw of industrie, overweldigen biologische zuiveringsprocessen.
• Overtollige voedingsstoffen worden verwijderd door nitrificatie/denitrificatie (stikstof) of chemische neerslag (fosfor).

Proces voor het verwijderen van organische verbindingen 

Het verwijderen van organische verbindingen uit water en afvalwater is een belangrijk aspect van industriële waterzuivering. Vanwege de verschillende eigenschappen van organische verbindingen - van gemakkelijk afbreekbaar tot zeer persistent - worden er verschillende fysische, chemische en biologische processen gebruikt. Deze worden vaak gecombineerd om een maximale efficiëntie te garanderen.

1. biologische processen

Principe: Biologische processen maken gebruik van micro-organismen om organische verbindingen af te breken of om te zetten. De micro-organismen oxideren organische stoffen tot CO₂ en water of reduceren ze tot methaan en andere tussenproducten.

Voorbeelden van biologische processen:

• Aërobe behandeling van afvalwater:

  • Micro-organismen oxideren organische stoffen onder aerobe omstandigheden.
  • Toepassing: afvalwaterzuiveringsinstallaties voor stedelijk en industrieel afvalwater.
  • Proces: Zuurstof wordt door beluchters in de beluchtingstank gebracht om de activiteit van de bacteriën te bevorderen.
  • Typische afbraakproducten: CO₂ en biomassa (zuiveringsslib).

• Anaërobe behandeling van afvalwater:

  • In zuurstofvrije reactoren zetten micro-organismen organische verbindingen om in biogas (methaan en CO₂).
  • Toepassing: Geschikt voor sterk vervuild afvalwater (bijv. uit de voedingsindustrie).
  • Proces: Organische substraten worden in stappen afgebroken door hydrolytische, acidogene, acetogene en methanogene micro-organismen.

Voordelen van biologische processen:

• Kosteneffectief, omdat er geen dure chemicaliën nodig zijn.
• Duurzaam, vooral door biogasproductie.

Nadelen van biologische processen:

• Niet geschikt voor slecht afbreekbare (vuurvaste) organische verbindingen zoals PAK's of gehalogeneerde koolwaterstoffen.
• Gevoelig voor temperatuurschommelingen en giftige stoffen.