Zwart water verwijst naar een categorie afvalwater die voornamelijk bestaat uit toiletafvalwater. Naast feces en urine bevat het ook spoelwater en andere opgeloste en onopgeloste stoffen uit sanitaire voorzieningen. Vergeleken met grijs water (afvalwater van douches, gootstenen en keukens) heeft zwart water een hogere concentratie organische stoffen, ziekteverwekkende micro-organismen en voedingsstoffen.

Bij de behandeling van industrieel en gemeentelijk afvalwater speelt de gerichte behandeling van zwart water een centrale rol bij het garanderen van hygiënische veiligheid en het terugwinnen van waardevolle hulpbronnen zoals water, energie en voedingsstoffen.

Samenstelling van zwart water

De samenstelling van zwart water varieert sterk, afhankelijk van de bron (bijv. huishoudens, industrie, openbare voorzieningen) en de gebruikte spoelsystemen.

Belangrijkste onderdelen

• Organische stoffen:
  • Biologisch afbreekbare stoffen zoals vetten, eiwitten en koolhydraten.
  • Hoog aandeel biochemisch zuurstofverbruik (BZV) en chemisch zuurstofverbruik (CZV).
• Ziekteverwekkende micro-organismen:
  • Bacteriën (bijv. Escherichia coli), virussen en parasieten uit uitwerpselen.
• Voedingsstoffen:
  • Stikstofverbindingen (bijv. ammonium, ureum).
  • Fosfaten van schoonmaakmiddelen of menselijke uitwerpselen.
• Vaste stoffen:
  • Zwevende en bezinkbare stoffen, waaronder fecale resten en papiervezels.

Typische concentratiebereiken

• BOD5: 300-600 mg/L.
• COD: 600-1200 mg/L.
• Stikstof totaal: 40-80 mg/L.
• Totaal fosfor: 10-20 mg/L.
• Vaste stoffen (TSS): 150-400 mg/L.

Uitdagingen bij de behandeling van zwart water

De behandeling van zwart water stelt speciale eisen aan technologie en management:

1. Hygiënische veiligheid:

   • Ziekteverwekkende micro-organismen moeten worden gedesinfecteerd om de volksgezondheid te beschermen.

2. Hoge organische belasting:

   • De hoge concentratie organische stoffen leidt tot een verhoogde zuurstofbehoefte in biologische reactoren.

3. Verwijdering van voedingsstoffen:

   • Stikstof en fosfor moeten worden verwijderd of teruggewonnen om milieuvervuiling (bijv. eutrofiëring) te voorkomen.

4. Verwijdering van vaste stoffen:

   • Bezinkbare en gesuspendeerde vaste stoffen moeten effectief worden gescheiden om verstoppingen en storingen te voorkomen.

5. Efficiënt gebruik van hulpbronnen:

   • Het terugwinnen van energie (bijv. biogas) en voedingsstoffen (bijv. fosfor) wordt steeds belangrijker.

Proces voor de behandeling van zwart water

1. mechanische voorbehandeling

Mechanische voorbehandeling is de eerste stap in de zuivering van zwart water. Het doel is om grove vaste stoffen en bezinkbare stoffen te verwijderen om de hydraulische en organische belasting van de volgende behandelingsfasen te verminderen.

Technologieën:

• Harken en zeven:
  • Verwijdering van grof materiaal zoals papier, hygiënische artikelen en vaste deeltjes.
  • Gebruik van fijne zeven (maaswijdte 1-5 mm) om vaste deeltjes te verminderen.
• Zandvanger:
  • Scheiding van bezinkbare materialen zoals zand, slib en kleine steendeeltjes.
  • Voorkomt afzettingen en slijtage in nageschakelde pompen en leidingen.

2. biologische behandeling

Biologische behandeling is de centrale stap in de verwijdering van organische verbindingen en voedingsstoffen uit zwart water. Er wordt onderscheid gemaakt tussen aerobe en anaerobe processen, die vaak in combinatie worden gebruikt.

Anaerobe behandeling van zwart water is een sleuteltechnologie voor duurzame energieopwekking en afvalwaterzuivering. In afwezigheid van zuurstof breken micro-organismen organische stoffen af en produceren biogas, dat wordt omgezet van methaan (CH4) en koolstofdioxide (CO2).

a) Anaerobe vergisting

• Functionaliteit:

  • Organische verbindingen worden in verschillende stappen afgebroken door verschillende micro-organismen:
    1. Hydrolyse:
       • Polymeren (bijv. eiwitten, vetten, koolhydraten) worden afgebroken in kleinere moleculen zoals aminozuren, vetzuren en suikers.
    2. Acidogenese:
       • Omzetting van de producten van hydrolyse in organische zuren, alcohol, waterstof en koolstofdioxide.
    3. Acetogenese:
       • Vorming van azijnzuur (CH3COOH) als voorloper van methaanvorming.
    4. Methanogenese:
       • Methanogene micro-organismen produceren methaan (CH4) en kooldioxide uit azijnzuur of waterstof.
  • Typisch methaangehalte in biogas: 50-70 %.

b) UASB-reactoren (Upflow Anaerobic Sludge Blanket):

• Functionaliteit:
  • Zwart water wordt van onderaf in de reactor gepompt en door een korrelslibdeken geleid.
  • De micro-organismen in het slibdeksel breken organische stoffen af en produceren biogas.
• Voordelen:
  • Efficiënte behandeling van zwart water met een hoge organische belasting.
  • Hoge biogasproductie en weinig ruimte nodig.

Energie opwekken

• Het geproduceerde biogas kan direct worden verbrand in een warmtekrachtkoppelingcentrale (WKK) om elektriciteit en warmte op te wekken.
• Gedecentraliseerd gebruik:
• Zwart water uit stadswijken of woonwijken kan worden gezuiverd in kleine anaerobe vergistingsinstallaties.
• Het geproduceerde biogas wordt gebruikt om te voorzien in de lokale elektriciteits- en verwarmingsbehoeften, waardoor een zelfvoorzienende energievoorziening mogelijk wordt.

Efficiënt gebruik van hulpbronnen:

• Energiepositieve werking: De energie die wordt gewonnen uit het biogas overtreft vaak de energiebehoefte van de installatie.
• Klimaatbescherming: methaan dat direct uit uitwerpselen zou vrijkomen, wordt op een gecontroleerde manier gebruikt, wat de uitstoot van broeikasgassen vermindert.