ir.A.E. van GiffenHoogheemraadschap van Uitwaterende Slui-zen te Edam*1. InleidingMet een terugblik op het decembernummervan Cement uit 1970 [2], datgeheel gewijd wasaan de technische aspecten van de afvalwa-terzuivering, wordt in deze bijdrage nader openkele recente ontwikkelingen ingegaan. Ditzal worden beperkt tot een aantal nieuwe ont-wikkelingen en uitvoeringsvormen op het ter-rein van de biologische zuiveringsmethoden.De hoge verwachtingen uit de zestiger enzeventiger jaren van de ontwikkeling van (vol-ledig) fysisch-chemische zuiveringsmetho-den voor de behandeling van afvalwater lijkenvoor een groot deel niet te zijn uitgekomen.Biologische zuiveringsmethoden (b)lijkenzowel in procestechnisch als in (bedrijfs)eco-nomisch opzicht nog steeds superieur enlijken bovendien nog in belang toe te nemen(ana?robe biologische behandeling van af-valwater, bio-technologie enz.).In deze bijdrage wordt eerst kort ingegaan opde grondslagen van biologische zuive-ringsmethoden (paragraaf 2) om vervolgenseen aantal nieuw ontwikkelde en veelbelo-vende systemen en uitvoeringsvormen te be-spreken (paragraaf 3).2. Principes biologische zuiveringBij de biologische zuivering kunnen de ge-wenste afbraakprocessen in hoofdlijnenlangs twee wegen plaatsvinden:a. langs a?robe weg, de oxidatief-biolo-g ische zuivering;b. langs ana?robe weg, de ana?robe zuive-ring of (methaan-) gisting.Zowel bij de a?robe als de ana?robe biologi-sche zuivering zijn micro-organismen (voor-namelijk bacteri?n) verantwoordelijk voor deomzettings- en afbraakprocessen.In een a?roob milieu wordt organische stofdoor micro-organismen met behulp vanzuurstof afgebroken (geoxideerd) tot C02 enH20:Ir. Van Giffen is sinds mei 1980 werkzaam bijhet Hoogheemraadschap West-Brabant teBreda.Cement XXXII (1980) nr. 9Ontwikkelingen in debiologischeafvalwaterzuiveringmicro-orga-nismen(CH20)n + n 02 - - - - - 7 ) n C02 + n H20organische stof. (+ energie)Ook worden (schadelijke) anorganische ver-bindingen langs bio-chemische weg geoxi-deerd tot minder schadelijke of onschadelij-ke zouten, zoals bi jvoorbeeld bij het (biologi-sche) nitrificatie-proces:NH4++40ammonium-verbindingenmicro-orga-nismen-----'> N03- + H20 + 2 H+nitraat- (+ energie)zoutenIn een ana?roob milieu verloopt de omzettingvan organische stof, de ana?robe (ver-)-gisting, tot uiteindelijk C02 en CH4 (methaan)in een aantal trappen:1. hydrolyse, waarbij onoplosbare stoffen ofgrote complexe moleculen onder invloedvan (door micro-organismen afgescheiden)enzymen worden omgezet in minder com-plexe opgeloste bestanddelen;2. verzuring, waarbij de opgeloste organi-sche stoffen (door ana?robe bacteri?n) wor-den omgezet in vluchtige vetzuren, alcoho-len, aldehyden, kooldioxide (C02J. alsmedein nieuw celmateriaal (groei);3. methaangisting, waarbij de vluchtige vet-zuren e.d. worden omgezet in methaan(CH4), alsmede in nieuw celmateriaal.Reactiesnelheden bij a?robe processen lig-gen aanmerkelijk hoger dan bij ana?robeprocessen. Zoals verderop zal blijken kun-nen de lagere omzettingssnelheden bijana?robe processen worden gecompen-seerd door hogere temperatuur, hogerebacterie-concentraties (slib-concentratie)e.d.Zowel de a?robe als de ana?robe afbraak-processen gaan gepaard metde opbouw vannieuw celmateriaal (assimilatie, synthese).Bij het a?robe afbraakproces ontstaat per kgafgebroken organische stof ca. 0,5 kg nieuw512celmateriaal (surplusslib). Het ana?robe gis-tingsproces levert slechts 0,1-0,2 kg celma-teriaal per kg afgebroken organische stof.3. Ontwikkelingen in de biologischeafvalwaterzuivering3.1. AlgemeenBij de bouwen bedrijfsvoering van veelalregionale rioolwaterzuiveringsinrichtingengaan in steeds toenemende mate 'omge-vings'-eisen een rol spelen (stank, geluid, ef-fluenteisen, planologische eisen enz.). Een enander heeft ingrijpende gevolgen voor sys-teem keuze en ontwerp (weglaten van stank-verwekkende onderdelen, afdekking, lagerebouwhoogtes, verdergaande zuivering c.q.nabehandeling enz.). Daarnaast is een duide-lijke tendens te bespeuren tot de bouw vanzuiveringsinrichtingen met een relatief laagenergieverbruik, wat tot uiting komt in de toe-passing van of het ombouwen tot zuive-ringssystemen met gehele of gedeeltelijke ei-gen energieopwekking onder gebruikmakingvan het (methaan-)gas dat vrijkomt bij de ver-gisting van het slib. Nauw hiermeesamenhan-gend is de keuze en de ontwikkeling vanzuiverings- en beluchtingssystemen met eenzo hoog mogelijk (energetisch) rendement(bellenbeluchting in diverse uitvoeringsvor-men en/of scheiding van de functies be-luchting en voortstuwing).Gestoeld op de, van oudsher bekende, ana?-robe behandeling (vergisting) van slib is eenzeer spectaculaire ontwikkeling gaande ophet terrein van de ana?robe (v??r)behan-deling van afvalwater, bij de ontwikkelingwaarvan Nederlandse hogescholen en uni-versiteiten en het bedrijfsleven baanbrekendwerk hebben verricht en verrichten.Dit proces lijkt bij uitstek geschikt voor dev??rzuivering van relatief hoog geconcen-treerd industrieel afvalwater van organischeherkomst, waarna een a?robe nabehandelingen/of rechtstreekse lozing op de riolering(met afvoer naar een centrale zuiveringsin-richting) kan plaatsvinden.3.2. Ana?robe zuiveringBij de tot op heden meest succesvolle vormvan ana?robe zu ivering wordt het te behande-len afvalwater in opwaartse richting door eenlaag ana?roob (bacterie-)slib('slibdeken')ge-voerd, waar adsorptie, absorptie en afbraakReactoren voor methaangisting met interneslibafscheiding2Schema ana?robe zuivering GSM Halfweg,ontleend aan [7]Afvoerplatenwarmtewisselaargashoudermeterplaatsvinden. Voor het principe van een der-gelijke 'up-flow-reactor' (of 'opstroomreac-tor') wordt verwezen naarfiguur 1. De optima-le procestemperatuur ligt op ca. 30-35 ?G.Behalve ??ntraps uitvoeringen waarbij hydro-lyse, verzuring en methaangisting naast enachter elkaarverlopen, zijn ook tweetraps uit-voeringen mogelijk waarbij de hydrolyse- enverzuringstrap en de eigenlijke methaangis-ting in twee verschillende, in serie geschakel-de reactoren plaatsvinden (functiesplitsing).Afhan kelijk van het type afvalwater en tempe-ratuur kunnen bij belastingen van 5 - 25 kgCZV/(m3 'd), ca. 40-200 i.e.l(m3?d) en hoger,en bij hydraulische verblijftijden van 8 - 12uur verwijderingspercentages (zuiverings-percentages) van zeker 80 - 90% wordenbereikt. (CZV = chemischzuurstofverbruik).De slibconcentratie in de reactor bedraagtdoorgaans 25 - 45 kg droge stof per m3 reac-torinhoud (een factor 10 hoger dan in hetconventionele a?robe actief-slibproces).Gerealiseerd of in uitvoering zijn toepas-singen bij de behandeling van afvalwatervansuikerfabrieken, van de aardappelverwer-kende industrie, de zetmeelindustrie en an-dere in capaciteiten van 20 000 -100000 i.e.en hoger. Meest bekende voorbeeld is de uit1977 daterende ana?robe reactor van deGSM te Halfweg met een inhoud van 200 m3en een (v??r-)zuiveringscapaciteit van ca.Cement XXXII (1980) nr. 9IEGp=influent B=effluent S=gasafvoer 0=gepakt bed Rpijpenwarmtewisselaaraardgas35?CE=bezinksektie=slibdeken=drijflaagbreker=roermotor15 000 - 20 000 i.e. (fig. 2 en 3). De reactorenkunnen worden uitgevoerd in staal, maar degrotere thans in aanbouw zijnde reactoren(1200 m3 inhoud of meer) worden in betonuitgevoerd, zowel cilindrisch als rechthoe-kig van vorm.Als voordelen van ana?robe zuivering kunnenworden genoemd:? laag energieverbruik;? (methaan-) gasproduktie;? lage surplusslibproduktie;? goede slibeigenschappen (stabiel, goedontwaterbaar);? hoge volume-belasting mogelijk (geringruimtebeslag);? zeer geschikt voor seizoensbedrijf aange-zien het ana?robe slib ongevoed kan wordenbewaard;? relatief lage (bedrijfs-)kosten, ziedeglobalekostenvergelijking in tabel 1.Als nadelen kunnen worden genoemd:? lange opstartperiode (eerste keer en naeventuele storingen);? langzame aanpassing bij verandering sa-menstelling afvalwater;? gevoeligheid voor milieufactoren: tempera-tuur (ca. 30?C) en pH (6 - 8), toxische stoffen(802, cyanide, sulfiden, halogenen enz.);? intensieve procesbewaking vereist.513Etgasslibbed3Everzamelgoot voor schuimen bedrijfslibSchema ana?robe reactor 200m3 Halfweg,ontleend aan [7]Resumerend mag toch wel gesteld wordendat de ana?robe zuivering, mede in het lichtgezien van de energie- en grondstoffenpro-blematiek, een veelbelovende en spectaculai-re ontwikkeli ng is waar het gaat om een (v??r-)behandeling van geconcentreerd industrieelafvalwater, maar ook voor de behandeling vanbijvoorbeeld percolatiewater van vuilstort-plaatsen, van filtraatwater afkomstig van dethermische slibconditionering e.d.In potentie schuilen echter nog grotere moge-lijkheden in het methaangistingsproces, alsgedacht wordt aan methaangaswinning uitorganische afvalstoffen in het algemeen:theoretisch kan vergisting van alle organischeafval in Nederland (agrarisch afval, huisvuil,slib en afvalwat?r) een methaangasproduktieleveren van ca. 18 miljard m3 (ca. 50% van deNederlandse aardgasbehoefte).3.3. Deep-shaftHet Deep-shaft zuiveringsproces is een afge-leide van de oorspronkelijk Nederlandse vin-ding uit de vijftiger jaren, de 'put-beluchting',bedoeld voor de beluchting van drinkwater.De beluchtingsruimte van het Deep-shaft sys-teem bestaat uit twee verticaal in de grond (ofbovengronds) geplaatste pijpen waarbinnenhet afvalwater circuleert (fig. 4). Door de bin-nenste buis wordt het te zuiveren afvalwaternaar beneden gevoerd, via de (buiten-)man-Tabel 1Kostenvergelijking tussen ana?robe ena?robe zuivering op basis van 10000 i.e.reductie(ontleend aan symposium ana?robezuivering, Amsterdam) [1)Tabel 2Ontwerpgegevens Deep-shaft zuiverings-systemen6.. 71 5:~C:~4t ... tTH!Ut ... t23 31. Afvalwatertoevoer 102. Valpijp3. Stijgpijp4. Afvoer t ... t5. Slibretour6. Lucht7. Kompressor8. Startlucht9. Proceslucht10. Schachtbekleding4Deep-shafttelbuis stijgt het water weer op. De circulatiewordt tot stand gebracht en in stand gehou-den door het perslucht-systeem ('air-lift') dattevens de zuurstofvoorziening verzorgt. Doorde toename van de hydrostatische druk in deverticale schacht neemt de oplosbaarheid vande (Iucht-) zuurstof toe (recht evenredig metde druk) en kunnen in principe grote hoeveel-heden (Iucht-)zuurstof worden ingebrachtmet een gunstig energetisch rendement. Deschachten kunnen lengten hebben van 100 -300 m (10 -30 atmosfeer onderin) terwijl man-telbuizen tot 2,50 m diameter (binnenbuis 1,50m) bekend zijn.De eerste Deep-shaft op het vasteland van Eu-ropa dateert uit 1974 en zuivert afvalwater vanCement XXXII (1980) nr. 91. A?robe zuivering (oxydatiebed of sloot):investeringenexploitatiekosten (inclusief rente en afschrijvingen)2. A?robe zuivering (deep-shaft):investeringenexploitatiekosten (inclusief rente en afschrijvingen)3. Ana?robe zuivering:investeringenexploitatiekosten (inclusief rente en afschrijvingen)N.B.1 130,- per Le.I 37,- perLe.I 76,- perLe.I 27,75 perLe.I 40,- perLe.I 13,75 per Le.Om een beeld te vormen: de ana?robe afvalwaterzuiveringsinrichting van de CSM te Halfweg(inhoud 200 m3 ) had de volgende kosten:totale investeringen CSMexploitatiekosten (inclusief renteen afschrijvingen + 4 manuren per dag)opbrengst gas (netto) (afhankelijk van de hoeveelheid gasbenodigd voor het opwarmen van het influent).Deep-shaft als 1e biologische zuiveringstrapzu iveringscapaciteitzuiveringscapaciteithydraulische capaciteitaantal schachteninhoud/schachtdieptediameter buitenringdiameter binnenringvolumebelastingvolumebelastingslibgehaltemin. hydraulische verblijftijdzuiveringsgraad (BZV)(Le.)(kg BZV/etm)(m3/uur)(m3)(m)(m)(m)(kg BZV/m3 . etm)(Le./m3 )(kg/m3 )(uren)(%)Leer(gemeente)ca. 120000720010003400842,501,5061005-81,2901350000,-I 120000,-I 40000,-Emmlichheim(aardappel-zetmeelfabriek)3500021105011001001,100,70213506-72,5-360-90een aardappelzetmeelfabriek te Emmlich-heim (West-Duitsland). Globale ontwerpge-gevens zijn vermeld in tabel 2. De Deep-shaftte Emmlichheim is aanvankelijk opgezet als??n-traps biologische zuivering. Wegens hetniet kunnen voldoen aan de effluenteisen (20- 25 mg BZV/ f) is naderhand een tweede bio-logische zuiveringstrap (conventionele actief-slibinstallatie) bijgebouwd (BZV = biologischzuurstof verbruik).spoeling) en moest een nieuwe schacht wor-den geboord.Het aanbrengen van de (mantel)buis is des-tijds niet zonder problemen verlopen: tijdenshet boren stootte men op een oude rivierbed-ding waardoor het boorgat niet geheel lood-recht was. Bij het inbrengen van de mantel-buis (0 1,10 m) kwam deze muurvast te zittenen moest een nieuwe schacht worden ge-boord.Een grote Deep-shaft installatie staat in destad Leer (West-Duitsland) en bestaat uit 3schachten met elk een buitendiameter van2,50 m (binnenring = 1,50 m) en een dieptevan 84 m. De Deep-shaft installatie fung?ertals eerste zuiveringstrap en heeft een capaci-teit van 120 000 i.e. (huishoudelijk + zuivelaf-valwater); als tweede (na)zuiveringstrap fun-geert een actief-slibinstallatie. Voor verdereontwerpgegevens wordt verwezen naar tabel2. Ook hier werden problemen ondervondenbij het boren van de schachten; tijdens hetboren stortte een der schachten in (als gevolgvan zijdelingse erosie door een overmaat aan514Voor het principe van de boormethoae wordtverwezen naar figuur 5. De schachtpijpenwerden ter plaatse in eenheden van 25 mopgelast en in de geboorde schacht afgezon-5Boormethode (schematisch)11~r80m WI+--2,5 m -----+-grondbergingautomatische uitlaatgassenkl t bezinkingstankep drukbesturingtoegevoerde ~~: ! '.Jo: ~J M't~te~.,Iu.. j .zuurstof --~~ gezUiverd:~=~ ~~.)(JM lTllifflllft ) tIF'.~ ___ retour slib JFi'= 1-6Toepassing zuivere zuurstof(UNOX-systeem), ontleend aan [4 en 6]7Tegenstroombeluchting (systeem Schreiber)ken. De (buiten)schachten zijn ingegoten inbeton ten behoeve van gewicht en 'kleef' te-gen opdrijven. De binnenring hangt 'los' in demantelbuis en is alleen boven verankerd.Resumerend kan worden gesteld dat deDeep-shaft een aantal aantrekkelijke aspec-ten heeft (gering ruimtebeslag, hoog zuur-stofinbrengrendement, hoge volumebelas-tingen mogelijk) maar door de relatief kleineinhoud lijkt het systeem gevoelig voor stoot-beiastingen (doorslag) en het boren en aan-brengen van de schachten blijkt niet zonderproblemen en risico's.3.4. Zuivere zuurstofBij de toepassing van 'zuivere' zuurstof in hetactief-slibproces wordt een zuurstofrijk gas-mengsel (50 - 99% 02) onder geringe over-druk (ca. 5 cm waterkolom) in gasdicht afge-sloten beluchtingsruimten geleid. Met be-hulp van roerders of oppervlaktebeluchtersworden de zuurstof, het actief-slib en hetafvalwater gemengd en wordt de inhoud inbeweging gehouden (fig. 6).Doordat de beluchtingsruimten zijn afge-dekt, door de hoge zuurstofconcentraties inhet systeem en de relatief geringe hoeveel-heid afgas is dit systeem onder meer ges-chikt voor:? behandeling van stankverwekkend (indu-strieel) afvalwater (v??rzuivering annex 'ont-stinken');? rioolwaterzuiveringsinrichtingen met ruim-tegebrek en/of gesitueerd in een bebouwing.In voorbereiding is een grote actief-slibin-stallatie met zuivere zuurstof voor Den Haagen omstreken; gerealiseerd is onder meer eeninstallatie in Antwerpen [6]. De hoge zuur-stofgehaltes (4 - 8 mg/f) en de relatief hogeslibconcentraties (6 - 8 kg/m3) in het systeemzouden tot de volgende voordelen leiden:? kleiner bouwvolume beluchtingsruimte;? kleiner bouwvolume nabezinktanks (doorbetere bezinkeigenschappen van het slib):? minder en goed ontwaterbaar surplusslib;? geen stank;? goed bestand tegen organische stootbelas-tingen.Daar staat tegenover:? noodzaak tot eigen zuurstoffabricage;? veelal is een nazuiveringstrap (nitrificatie)vereist;? intensieve procesbewaking vereistCement XXXII (1980) nr. 9spuislibEen interessante mogelijkheid om (tijdelijke)over- of piekbelastingen van bestaandeactief-slibinstallaties te verhelpen, is te vin-den in de toepassing van een zuurstofinjectie-systeem waarbij zuiverezuurstof in een ventu-rie wordt opgelost in een deelstroom afvalwa-ter of slibwatermengsel.3.5. BellenbeluchtingOp het terrein van de beluchting is een weder-geboorte van de drukluchtbeluchting ('beI-lenbeluchting') te bespeuren, die toe te schrij-ven is aan zaken als:? relatief gunstig zuurstofinbrengrendement(energetisch);? mogelijkheid van toepassing van gasmoto-ren die rechtstreeks gekoppeld zijn aan deluchtcompressoren (in het kader van het ge-bruik van gistingsgas);? mogelijkheid om de functies beluchting,menging en voortstuwing te scheiden.Als uitvoeringsvorm ziet men vooral de be-luchting met fijne bellen door middel van bo-dembeluchting waarbij de diffusoren (poreu-ze keramische of kunstof elementen) veelalgelijkmatig over de bodem van diepe (>4 m)kanaalvormige beluchtingstanks zijn aange-bracht.Een voorbeeld van een systeem waarbij defuncties beluchting en voortstuwing wordengescheiden isdetegenstroombeluchting(fig. 7)waarbij de beluchting plaatsvindt in een ron-de of ringvormige tank. Deze bouwwijzebiedt overigens, zoals bekend, een aantalbouwkundige (c.q. economische) voorde-len. De diffusoren bevinden zich vast op debodem en/of aan de ronddraaiende brug diezorg draagt voor de vereiste horizontalestroomsnelheid.Daarnaast is nog te vermelden de diagonaal-beluchting waarbij grote propellerszorgdra-gen voor de voortstuwing en waarbij de be-luchtingselementen vastop de bodem van debeluchtingsruimte zijn geplaatst (OMS). Ro-toflow en andere; zie ook figuur 8.Literatuur1. Ana?robe afvalwaterzuivering (thema-nummer), De Ingenieur 90 (1978) nr. 40, 753-769515rond draaiendebeluchting2. Themanummer afvalwaterzuivering Ce-ment22 (1970) nr. 12,479-5823. Fohr, P. G., Ana?robe behandeling van af-valwater, H20 7 (1974) nr. 22,484-4884. Koot, A.J.C., A?robe zuivering van afval-water en haar beperkingen, H20 7 (1974) nr.16,325-3325. Speece, R.E., Supplemental reaerat on ofurban canals, Paper 20, IAWPR-congresover beluchting, Amsterdam 19786. Vissers, W., Actief-slibinstallatie met zui-vere zuurstof in werking in Antwerpen, H2010 (1977) nr. 25,572-5757. Vletter, R. de, De ontwikkeling van hetana?robe zuiveringsproces bij de CentraleSuiker Maatschappij. H20 10 (1977) nr. 23,531-5338. Wheatland, A. B. en A. G. Boon, Aerationand oxygenation in sewage treatment - somerecent developments, Paper 16, IAWPR-congres over beluchting, Amsterdam 19788Diagonaalbeluchting (systeem OMS)lucht