De compacte oplossing: biofilms en biokorrels
Groepjes bacteriën (biofilms) zijn in staat om afvalwater schoon te maken. De vorm van zo’n biofilm, vlok of korrel, bepaalt hoe goed het zuiveringsproces verloopt.
Het zuiveren van het afvalwater begint eigenlijk al in de gootsteen. In het afvoerputje en pijp heeft zich in de loop der tijd een laagje slijm ontwikkeld. Dit is een biofilm die bacteriën maken om niet weg te spoelen met het langstromende water. De biofilm bestaat uit een gellaag die bacteriën van nature zelf produceren en waarin ze kunnen groeien. Op de meeste plaatsen in de natuur zouden bacteriën wegspoelen als ze zich niet vasthechten aan een oppervlak. Denk aan glibberige keien in beekjes en sloten of stromend grondwater, maar bijvoorbeeld ook aan tanden en kiezen in onze mond waar bacteriën zich graag aan vastzetten.
Van film naar vlok
De waarneming dat bacteriën in de slijmlaagjes op keien op de bodem van een beek of rivier het water schoonmaken heeft tot de eerste afvalwaterzuivering geleid. De keien van de bodem in een beek werden opgestapeld in een reactor en het afvalwater werd eroverheen gesproeid. Dit zogenaamde oxidatiebed heeft relatief veel ruimte nodig omdat voor de omzetting van de vervuiling zuurstof nodig is dat vanuit het water de biofilm moet binnenkomen via een (traag) diffusieproces. De omzettingssnelheid is dus direct gekoppeld aan het oppervlak van de biofilm en niet zozeer de dikte en de hoeveelheid bacteriën.
Met de uitvinding van de bezinktank werd het mogelijk om vlokvormige bacterieaggregaten in de waterzuivering vast te houden zonder dat biofilmvorming nodig is. In de relatief losse bacterievlok is er veel meer contactoppervlak tussen water en bacteriën en geen probleem meer met zuurstoftoevoer naar de bacteriën. De bacteriële slibvlokken bezinken echter langzaam, omdat ze maar net iets zwaarder zijn dan water. De afscheiding van vlokken vraagt daarom tijd en grote bezinkruimte als buffer.
In dit filmpje zie je hoe een bezinktank werkt.
Een scanningelektronenmicroscopie-opname van korrelslib: de bacteriën zitten ingebed in vezels van biopolymeren die de structuur van de korrel vormen.
Dr. Yuemei Lin, TU Delft
Dit alles maakt dat een afvalwaterzuivering een zeer grote installatie is. Bij de afvalwaterzuivering Garmerwolde in Groningen staan bijvoorbeeld negen grote bezinktanks. Er kan veel ruimte worden bespaard als het slib of beter bezinkt of beter kan worden afgescheiden. In bezinktanks doet de zwaartekracht het ‘werk’. Het kan met een centrifuge of een filter, maar dat kost ook meer energie en is daarom geen gewenste richting. Het is slimmer om de bezinking te verbeteren door bacteriën in plaats van vlokken korrels te laten vormen. Vergelijk het met neerdwarrelen van sneeuw en het vallen van hagel.
Van vlok naar korrel
De vraag is dus hoe krijg je bacteriën zover dat ze in een compacte laag in plaats van een rafelige vlok gaan groeien, ofwel hoe groeit een biofilm? Aangezien biofilms, vlokken en korrels door bacteriën worden gevormd, ligt het voor de hand daar een biologische verklaring voor te vinden.
Na de ontdekking van anaeroob korrelslib is er hard gezocht om ook bacteriën die aeroob groeien korrels te laten vormen. Dat bleek niet eenvoudig. De verklaring was dat onder anaerobe condities een aantal bacteriën nauw moeten samenwerken om een suikerverbinding om te zetten in methaan, terwijl aeroob een suikerverbinding door één organisme kan worden omgezet en eindigt als koolstofdioxide. De anaerobe bacteriën hebben als het ware ‘geleerd’ om dicht op elkaar te groeien zodat ze goed kunnen samenwerken , waardoor ze dus korrels maken en aerobe bacteriën niet.
Uit verder onderzoek kwam dat de structuur waarin bacteriën groeien, wordt bepaald door dezelfde processen die de groei van kristallen beïnvloeden. Dat is een balans tussen diffusie (de aanvoersnelheid van de kristalmoleculen) en aangroeisnelheid van het kristal. Langzame groei van een kristal leidt tot een compacte structuur (de hagel), snelle groei leidt tot een poreuze structuur (een sneeuwvlok). Sommige processen maken alleen langzame groei mogelijk, of omdat er weinig energie voor de bacteriën overblijft of omdat de bacteriën zelf relatief veel energie nodig hebben.
Bij anaerobe omzetting van suiker in methaangas gaat de meeste energie in het methaan zitten. Bacteriën die op koolstofdioxide (autotroof) groeien, hebben relatief veel energie nodig. Dit soort bacteriën groeit dus makkelijk in compacte biofilms of korrels. Voorbeelden zijn de methaanvormende archaea en ammonium-oxiderende bacteriën. Aerobe bacteriën halen veel energie uit suiker, hebben zelf weinig nodig en groeien daardoor snel en in open vlokachtige structuren.
De waterzuivering Garmerwolde in Groningen. Bovenin het traditionele vlokvormig slibproces (negen bezinkingstanks), onderin de twee tanks met het nieuwe korrelslibproces. Beide delen van de waterzuivering behandelen ieder ongeveer de helft van het afvalwater van Groningen.
Waterschap Noorderzijlvest, Groningen
Twee glazen met slib (linker glas) en Neredakorrels (rechter glas) laten het verschil in bezinkingssnelheid zien.
Royal HaskoningDHV
Vetreserves
Om aerobe bacteriën toch korrels te laten vormen, moeten op een of andere manier aerobe bacteriën geselecteerd worden die traag groeien. Sommige trage groeiers hebben ‘trucs’ ontwikkeld om de competitie om voedsel van snelle bacteriën te winnen. Een daarvan is slim gebruik maken van een dynamisch voedselaanbod. Snelgroeiende bacteriën zullen als er voedsel is zeer snel gaan groeien, maar als het voedsel op is, leiden ze honger.
De trage bacteriën nemen het voedsel als het beschikbaar is alleen op en leggen een soort vetvoorraad aan in de cel. Omdat ze niet groeien, kunnen ze het voedsel sneller opnemen. Het omzetten van voedsel in vet gaat namelijk sneller dan het maken van nieuw celmateriaal. Wanneer het voedsel buiten de cel op is, gaan ze vervolgens langzaam groeien op hun vetreserves.
Door een zuiveringsproces te ontwerpen waarin alleen traag groeiende bacteriën een voordeel hebben, ontstaan vanzelf goed bezinkbare korrels. Op basis van deze inzichten is het zogenaamde Nereda zuiveringsproces ontwikkeld door de TU Delft, RoyalHaskoningDHV en de Nederlandse waterschappen.
In dit filmpje zie je hoe waterzuivering met anaerobe korrelslib werkt.
