dr. ir. F. DijkstraCentraal Laboratorium DSM, Geleen Stikstof- en fosforverwijderingCement XXXII (1980) nr. 9ProblematiekStikstof- en fosforverbindingen (N- en P-verbindingen) zijn belangrijke bestanddelenvan huishoudelijk afvalwater en vele soortenafvalwater van industri?le herkomst bijv. zui-velfabrieken, vleesverwerkende industrie?n,bioindustrie?n of kunstmestfabrieken. Per in-wonerwordt ca. 10g/d stikstof geloosd en 3 4g/d fosfor. Huishoudelijk afvalwater bevat al-leen stikstof in gereduceerde vorm, zgn.Kjeldahl-stikstof, bijv. in verbindingen als am-moniumion, ureum en peptiden.Stikstof in geoxydeerde vorm, nitraat en nit-riet komt alleen voor in industrieel afvalwater.Fosfor wordt veelal geloosd als fosfaat. Onge-veer de helft van het fosfaat in huishoudelijkafvalwater is afkomstig van wasmiddelen. Delozing van stikstof- en fosforverbindingen opoppervlaktewater is ongewenst omdat ze be-mestende eigenschappen bezitten. Ze kun-nen aanleiding geven tot eutrofi?ring van hetoppervlaktewater, een situatie waarbij als ge-volg van een overmaat aan voedingsstoffende mogelijkheid bestaat van een explosievegroei van algen (zgn. algenbloei). Veel opper-vlaktewater in Nederland is eutroof, tochtreedt lang niet altijd algenbloei op. Stromendwater in rivieren en beken is te troebel. Hetzonlicht, een essenti?le voorwaarde voor al-genbloei dringt niet voldoende door. Opplaatsen waar het water echter vrijwel stilstaaten zwevende stof kan bezinken, treedt algen-bloei dikwijls op, bijv. in de Veluwerandme-ren.De problemen ontstaan als de algen afster-ven: rottend materiaal in het water, dode vis.Algenbloei kan worden voorkomen als ??nvan de vier noodzakelijke componenten na-melijk stikstofverbindingen, fosforverbindin-gen, koolzuur en zonlicht, niet of in beperktemate beschikbaar is.Over het algemeen is men van mening dateutrofi?ring van het oppervlaktewater in Ne-derland het beste kan worden bestreden doorreductie van de fosfaatlozingen, hoewel uitonderzoek van de laatste jaren is gebleken datop enkele plaatsen stikstof de component isdie algengroei beperkt.Een bezwaar van de lozing van verbindingenmet stikstof in gereduceerde vorm, is verdernog dat het door bacteri?n in oppervlaktewa-ter geoxydeerd wordt tot nitraat (nitrificatie,529zie hieronder) waarvoor veel zuurstof nodigis. Hierdoor wordt de zuurstofhuishoudingvan het oppervlaktewater nadelig be?nvloed.Afgezien van het feit dat nitraat eutrofi?rendwerkt, bestaan tegen de lozing van deze stoftot nu toe minder bezwaren. Alleen hoge con-centraties kunnen problemen geven als uithet oppervlaktewater drinkwater moet wor-den bereid.Uitvoeriger informatie over de fosfaatproble-matiek is te vinden in [1].OverheidsbeleidDe sanering van het oppervlaktewater in Ne-derland is goed op gang gekomen na het vankracht worden van de Wet VerontreinigingOppervlaktewaterenin 1970. De overheidheeft in eerste instantie de nadruk gelegd opde verwijdering van zuurstofbindende stof-fen: BZV en Kjeldahl-stikstof. De verwijderingvan fosforverbindingen staat de laatste jarenin de belangstelling. De overheid heeft haarvisie vastgelegd in de fosfatennota [2]. Hierinworden de fosfaatlozingen ingedeeld in driecategori?n:1. lozingen waarvan de aanpak voorlopig eenlage prioriteit heeft. Hiertoe behoren bijv. lo-zingen op de Noordzee, de Waddenzee en deestuaria:2. lozingen waarvan nog niet bekend is watde bijdrage is tot de eutrofi?ring van het op-pervlaktewater, zoals lozingen op de Maas,het Hollands Diep, de Deltarneren;3. lozingen die duidelijk eutro??rinqsver-schijnselen tot gevolg hebben en waarvan deaanpak de hoogste prioriteit krijgt, zoals lo-zingen op het l.Jsselmeer, de randmeren, demerengebieden in de drie noordelijke provin-cies en de kop van Overijssel, alsmede depolder- en boezemwateren in Noord-Holland,Zuid-Holland en Utrecht.Elk van de drie categorie?n omvat de lozingvan ca. 5 miljoen inwonerequivalenten.Als streefdatum voor een detosfaterinq van delozingen van de derde categorie geldt 1985.lnhoeverre lozingen van de tweede categoriemoeten worden aangepakt zal nader wordenbezien. Met de wasmiddelenfabrikantenwordt overleg gevoerd om te komen tot eengefaseerde reductie van het fosfaatgehalte inwasmiddelen, met als doel totale fosfaatloos-heid in 1985.Ten aanzien van de stikstofverbinding nitraatbestaat er nog geen duidelijk overheldsbe-leid. De lozing van nitraat is niet aan eenheffing onderworpen. Over het algemeen be-staat er geen bezwaar tegen het lozen vandeze verbinding, die ontstaat uit de Kjeldahl-stikstof bij de wel door de overheid verlangdenitrificatie van stikstofhoudend afvalwater,Alleen in een enkel geval is een eis gesteldt.a.v. het nitraatgehalte, waardoor denitrifica-tie nodig was, zoals bij de lozing van DSM (ziehiervoor in deze uitgave het artikel Zuivering-inrichting DSM).Methoden voor de verwijdering van N- en p.verbindingenAlgemeenDe verwijdering van N- en P-verbindingenwordt dikwijls aangeduid mettertiaire behan-deling of derde-trap-zuivering. Deze bena-ming is ontleend aan een reeds oude indelingvan afvalwaterzuiveringsmethoden:- primaire behandeling, eerste trap: voorbe-zinking;-secundaire behandeling, tweede trap: biolo-gische verwijdering van organische stof;-tertiaire behandeling, derde trap: verwijde-ring van N- en lof P-verbindingen, en even-tueel van rest-CZV en zwevende stof.In werkelijkheid geschiedt de verwijderingvan N en Plang niet altijd in een echte 'derdetrap' na de biologische zuivering. Dikwijls ge-beurt dit gecombineerd met de biologischezuivering in de 'tweede trap', en veel onder-zoek is er juist op gericht dit zo goed mogelijkte realiseren. De benamingen derde trap entertiaire behandeling wekken daarom zekerbij niet ingewijden, misverstanden en kunnenbeter niet meer worden gebruikt.Bij de gebruikelijke biologische zuivering vanafvalwater wordt gewoonlijk een deel van destikstof- en de fosforverbindingen verwij-derd: bij huishoudelijk afvalwaterca. 30% vande stikstof en 20 tot 40% van de fosfor. Dit isonvoldoende om in veel gevallen de gewensteeffluentkwaliteit te bereiken. Voor de verwij-dering van N en P zijn daarom aangepasteprocessen nodig.Methoden voor de fosfaatverwijdering uit af-valwaterIn de loop van de jaren is een groot aantalCement XXXII (1980) nr. 9methoden onderzocht. Vele hiervan, zoals ad-sorptie aan allerlei materialen, toepassing vanionenwisselaars en elektrolytische precipita-tie zijn tot nu toe niet op praktijkschaal gerea-liseerd. Wel toegepast worden:- biologische fosfaatverwijdering,- precipitatie met behulp van chemicali?n.Biologische fosfaatverwijderingDeze methode kan ge?ncorporeerd worden inhet biologische zuiveringsproces en berustop de eigenschap van bepaalde micro-orga-nismen dat ze veel meer dan de voor hun le-vensfuncties noodzakelijke hoeveelhedenfosfaat kunnen opnemen tijdens de beluch-ting van de bacteri?nsuspensie (in het Engels'Iuxury uptake' genoemd) als ze daarv??r ge-durende korte tijd onder strikt ana?robe om-standigheden hebben verkeerd. Deze me-thode is ontwikkeld in Zuid-Afrika (zgn. Bar-denphoproces) en wordt daar in enkele in-richtingen toegepast. In de literatuur wordeneffluentconcentraties < 1mg/l P vermeld, Eenprobleem is dat het slib tijdens bezinken enindikken niet ana?roob mag worden omdatdan het opgeslagen fosfaat weer vrijkomt.Van deze eigenschap wordt juist gebruik ge-maakt in het zgn. Pho-strip-proces; door hetingedikte slib onder ana?robe condities tebrengen gaat het fosfaat weer in oplossing,echter in veel hogere concentraties dan in hetoorspronkelijke afvalwater. Het kan nu ge-makkelijk met chemicali?n worden neergesla-gen.In Nederland wordt onderzoek aan deze me-thode verricht bij TNO in Delft en aan deLandbouwhogeschool in Wageningen. Voorzover bekend wordt toepassi ng nog niet over-wogen.Precipitatie met chemicali?nDeze methode wordt thans het meest toege-past. Men onderscheidt hierbij drie uitvee-ringsvormen, namelijk:- de chemicali?n worden toegevoegd v??r dezandvanger, pre-precipitatie genoemd;- de chemicali?n worden toegevoegd in hetbeluchtingsbassin, aangeduid met simultaneprecipitatie;- de chemicali?n worden toegevoegd aan heteffluent na de biologische zuivering. Dit wordtde postprecipitatiemethode genoemd.Als precipitatiemiddelen worden gebruikt ij-zerzouten, aluminiumsulfaat of calciumhy-530droxyde. Ook worden wel produkten gebruiktdie meerdere van deze stoffen bevatten. Over-wegend worden ijzerzouten toegepast en/ofkalk.pre-precipitatieAan het afvalwater dat naar de zandvangerwordt gevoerd worden zoveel chemicali?ntoegevoegd dat P niet volledig neerslaat, maarnog zoveel in oplossing blijft als nodig is voorde biologische zuiveringsstap. Op deze ma-nier kunnen in het effluent P-concentratiesworden bereikt van 0,2-1,5 mg/l.Het geproduceerde extra slibvolume dat methet slib uit de voorbezinktanks wordt afqe-voerd bedraagt 5-20%.Simultane precipitatieDe chemicali?n worden toegevoerd in het be-luchtingsbassin. Het fosfaatneerslag wordt inhet biologisch slib opgenomen en wordt sa-men hiermee afgescheiden en verder ver-werkt. Het P-gehalte van het effluent ligt tus-sen 0,5 en 2 mg/l.Inrichtingen die volgens dit principe werkenkomen veel voor in Finland, in mindere matein Zwitserland.PostprecipitatieHet effluent van de biologische zuiveringwordt in een aparte installatie behandeld. Na-dat aan de vloeistof chemicali?n zijn toege-voegd wordt de stroom door de flocculatorgeleid waar goed bezinkbare vlokken wordengecre?erd die in een bezinktank worden afge-scheiden. Met deze methode kunnen zeer la-ge P-concentraties worden bereikt. Het extraslib dat wordt gevormd kan in volume 100 ?200% van het biologiSChe slib bedragen.Fosfaatverwijderingsmethode vereist in Ne-derlandDaar men in ons land rekening moet houdenmet een wettelijke eis van maximaal 0,1-0,3mg/l P in het effluent, zal op den duur voorfosfaatverwijdering alleen postprecipitatie inaanmerking komen. Deze methode wordtonder meer op grote schaal toegepast in Zwe-den.In Nederland wordt thans defosfatering toe-gepast in Elburg, Gieten, Leek, Raalte, Steen-wijk, Sloten, Lemmer, Harderwijk en Waal-wijk.Bij alle methoden is de verwerking van hetfosfaathoudende slib een probleem dat nog1Installatie voor defosfateren op dezuiveringsinrichting te Harderwijkniet bevredigend is opgelost. Het bevat grotehoeveelheden ijzer of aluminium en is somszeer volumineus. Op diverse plaatsen wordthieraan dan ook onderzoek verricht.Methoden voor de stikstofverwijdering uit af-valwaterVoor de verwijdering van stikstofverbindin-gen uit afvalwater zijn zeer uiteenlopendemethoden onderzocht: fysische, chemische,fysisch-chemische en biologische methoden.Fysische en chem ische methodenEen uitvoeriger overzicht is gegeven in [3].Vele zijn (nog) niet verder gekomen dan hetonderzoekstadium. Enkele zijn nog wel optechnische schaal toegepast vooral in de USAzoals:- strippen van biologisch gezuiverd effluentmet lucht na pH-verhoging;- breekpunt-chlorering (oxydatie vanmet chloor);- toepassing van ionenwisselaars die selec-tief adsorberen.Om allerlei redenen (technische problemen,toxische problemen, kosten) ziet het er voor-alsnog niet naar uit dat deze methoden opgrote schaal zullen worden toegepast.Biologische stikstofverwijderingTot nu toe vindt de biologische methode hetmeeste toepassing, ook in Nederland. Hierbijwordt gebruik gemaakt van twee microbiolo-gische processen: nitrificatie en denitrifica-tie.Bij nitrificatie wordt ammonium met zuurstofdoor bacteri?n geoxydeerd tot nitraat ondergelijktijdige daling van de pH:+ H20 + 2 H+Denitrificatie is het proces waarbij bacteri?norganische stof (hier aangeduid met BZV)oxyderen met behulp van nitraat, als er geenzuurstof uit de lucht aanwezig is. Hierbij ont-staat gasvormige stikstof en treedt een stij-ging van de pH op:BZV + 2 N2? + C02 + H20 + 2Daar voor het eerste proces zuurstof noodza-kelijk is en het tweede alleen verloopt alszuurstof afwezig is, kunnen beide processennooit tegelijkertijd op dezelfde plaats in eenzuiveringsinrichting optreden.Cement XXXII (1980) nr. 9Bij de behandeling van huishoudelijk afval-water kan de pH-daling ten gevolge van nitri-ficatie over het algemeen worden opgevan-gen door de bufferende eicenschappen vanhet afvalwater. Bij hoge -concentratiesin sommige industri?le afvalwaterstromenkan dit niet en moet loog worden toegevoegd(zie artikel 'Zuiveringsinrichting DSM').Bij lage pH, bijv. lager dan 7, loopt de nitrifi-catiesnelheid namelijk sterk terug.Een voordeel van het toepassen van nitrifica-tie en denitrificatie is dat het goed inpasbaaris in de gebruikelijke biologische zuive-ringsinrichtingen. Wanneer bij het ontwer-pen van de inrichting een voldoende lageslibbelasting wordt gekozen, is nitrificatieover het algemeen zonder meerte realiseren.De overheid verlangt daarom bij nieuwe in-richtingen een verregaande graad van nitrifi-catie.Denitrificatie wordt over het algemeen nogniet vereist, maar wordt toch al op een aantalplaatsen toegepast. In vele installaties, ook alzijn ze er niet op ontworpen, is een belangrij-ke mate van denitrificatie te realiseren dooreen verstandige regeling van de zuurstofin-slag, zodat a?robe en ana?robe zones in deinrichting voorkomen. Het belangrijkste ar-gument om te denitrificeren (als de overheidhet althans niet vereist) is het feit dat be-spaard wordt op beluchtingsenergie: voorBZV die geoxydeerd wordt met nitraat hoeftgeen zuurstof te worden ingebracht. Daar-531naast wordt natuurlijk een betere effluent-kwaliteit verkregen, wat voor sommige op-pervlaktewateren zeker niet onbelangrijk is.Bouwkundige voorzieningenZoals uit het bovenstaande wellicht duidelijkis, zijn de voorzieningen voor N- en P-verwijdering zeer verschillend.Bij de thans veel toegepaste simultane preci-pitatie van fosfaat dienen opslag- en doseer-mogelijkheden met toebehoren te wordenge?nstalleerd (foto 1).In veel installaties, met name als ze wat onder-belast zijn, is door een goede regeling van dezuurstofinslag al een belangrijke N-verwij-dering te realiseren. Wanneer in de toekomstde eisen strenger worden zal voor P-verwijdering een echte derde stap nodig zijn.Dit vraagt dan wel bouwkundige voorzienin-gen: reactieruimte en bezinkbassins.Bij wat Hoger belaste inrichtingen zal biologi-sche stikstofverwijdering ook alleen mogelijkzijn door uitbreiden van de installaties.Literatuur1. Waterschapbelangen, speciale editie, 13november 1978.2. Fosfatennota, maatregelen voor het terug-dringen van de fosfaatbelasting van het Ne-derlandse oppervlaktewater; Tweede kamer,zitting 1978-1979, 15640.3. F. Dijkstra, H20 7 (1974) nr. 22, p. 489.