Recent ontdekte bacterie kan afvalwater nog schoner maken

De anammox-bacterie die afvalwater zuivert van giftige stoffen was in de jaren 90 een grote ontdekking, maar kent ook nadelen. Een nieuw ontdekte bacterie brengt hier naar verwachting verandering in, blijkt uit recent onderzoek van de Radboud Universiteit. De comammox-bacterie helpt de anammox-bacterie in het nóg efficiënter omzetten van stikstofverbindingen.

Waterzuiveringsinstallaties halen onder andere stikstof uit afvalwater, voordat het water terug de natuur ingaat. Bacteriën zijn onmisbaar in het efficiënt reinigen van dit afvalwater en worden daarom al jarenlang ingezet in de afvalwaterzuiveringsinstallaties van waterschappen. Schadelijke stikstofverbindingen, zoals ammonium, nitraat en nitriet, kunnen deze micro-organismen omzetten in het onschadelijke stikstofgas. Sommige bacteriën doen dat in zuurstofloze condities en zijn daarom ideaal om in te zetten in de afvalwaterzuivering. Zoals de twintig jaar geleden ontdekte anammox-bacterie, een bacterie die zonder zuurstof stikstofverbindingen direct naar stikstofgas kan omzetten. Op papier ideaal, maar de bacterie is veeleisend. De werkingstemperatuur komt heel nauw en stikstofverbindingen moeten in de goede verhouding aanwezig zijn, voordat de anammox-bacterie optimaal functioneert.

Toch is het mogelijk om voor een deel tegemoet te komen aan de hoge eisen van de anammox-bacterie, ontdekte Pieter Blom, die op 4 april op dit onderwerp promoveerde bij het onderzoeksinstituut RIBES, het Radboud Institute for Biological and Environmental Sciences, van de Radboud Universiteit. “In combinatie met een andere bacterie kan het zuiveringsproces nog efficiënter verlopen. Het gaat om de in 2015 ontdekte comammox-bacterie, die ammonium omzet in nitriet en daarna naar nitraat. Deze bacterie voert dus een ´COMplete AMMonium OXidatie´ (vandaar comammox) uit. In ons onderzoek toonden we aan dat het zuiveringsproces nog efficiënter verloopt als je beide bacteriën combineert”.

Bacterie-competitie

Door het sorteren en opkweken kwamen Blom en collega-onderzoekers erachter hoe de comammox -bacteriën de competitie aangaan met de bacteriën die ammonium alleen maar deels opeten. Die zijn dus niet in staat om het ammonium volledig af te breken. Terwijl comammox ammonium compleet kan oxideren. Met de kennis verkregen uit deze studies zijn ze gaan kijken of de nieuwe bacteriën ook zijn in te zetten om ammonium nog efficiënter en zonder zuurstof uit rioolwater te kunnen halen. Dat bleek dus het geval. “Wat we in ieder geval zagen, is dat de comammox-bacteriën ook goed onder zuurstofarme omstandigheden groeien en hun werk kunnen doen. De combinatie met anammox-bacteriën zou dus in de praktijk kunnen lukken.”

Beide bacteriën gedijen goed onder zuurstofarme omstandigheden, dus de combinatie zou kunnen werken.”

Veeleisende anammox-bacteriën

Waterschappen maken waar mogelijk gebruik van de aan de TU-Delft ontwikkelde anammox-technologie, waarbij er minder zuurstof en geen koolstof nodig is voor het verwijderen van stikstof uit afvalwater (zie kader `wereldwijd toegepaste anammox-technologie´). Het is daarmee een duurzaam en goedkoop proces. Maar er zijn nog enkele uitdagingen waar de waterschappen voor staan, zoals de werkingstemperatuur (zie kader ´favoriete temperatuur´). Daarom is de huidige toepassing vooral beperkt tot slibverwerking. Verder is er nog een ander probleem bij de toepassing van het anammox proces. De anammox-bacteriën functioneren alleen goed bij bepaalde hoeveelheden ammonium en nitriet, ofwel de juiste ammonium-nitriet ratio. Het is vrij lastig om dat proces precies te sturen. “Anammox-bacteriën hebben geen zuurstof én geen koolstof nodig, maar dus wel de juiste ammonium-nitriet-ratio. En dat is waar de comammox-bacterie zou kunnen helpen”, aldus Blom.

Anammox is afhankelijk van de juiste verhouding ammonium en nitriet en dat proces is lastig te sturen.”

Groeiomstandigheden

Blom ontdekte dus dat de comammox-bacterie niet alleen ammonium kan omzetten in nitraat, maar bovendien nitraat kan omzetten in nitriet. Daarmee kan dit micro-organisme de juiste ratio van stikstofverbindingen leveren voor de anammox-bacterie, waardoor die goed zijn werk kan doen. “Daarmee lijken comammox en anammox-bacteriën ideale partners te zijn bij de zuivering van afvalwater”, legt de onderzoeker uit. Het is ook gunstig dat de omstandigheden waaronder beide bacteriën werken vergelijkbaar zijn. De vraag is nog wel hoe dit proces het meest optimaal verloopt. Blom: “Een uitdaging bij de opschaling ligt bijvoorbeeld nog in de kleine bandbreedte voor de zuurstofconcentratie. Mogelijk moet er meer met membranen en biofilm-achtige systemen worden gewerkt, voordat het kan worden toegepast in de afvalwaterzuiveringsinstallatie van het waterschap.” Kortom, vervolgonderzoek in de praktijk is dus hoognodig voor deze veelbelovende ontwikkeling.

Wereldwijd toegepaste anammox-technologie

Stikstofverbindingen als ammonium, nitraat en nitriet zorgen voor vervuiling van de bodem. Door onder andere mestgebruik in de landbouw komt er veel ammonium terecht in de bodem, dat vervolgens wordt omgezet naar nitraat. Nitraat is goed oplosbaar in water, waardoor het gemakkelijk wegspoelt en terechtkomt in het grond- en oppervlaktewater. Hoge concentraties van deze stikstofhoudende moleculen zorgen voor veel milieuproblemen. Om ze te verwijderen uit afvalwater werd de anammox-technologie ontwikkeld aan de TU Delft, nadat het proces in 1989 bij toeval was ontdekt bij het bedrijf Gist-Brocades. Tijdens het proces wordt ammonium door anaerobe ammonium oxdiderende (anammox) bacteriën, samen met nitriet, omgezet in stikstofgas. De universiteit kreeg het in 2008 voor elkaar om de trage verdubbelingstijd van de bacterie te versnellen van veertien naar acht dagen. Er staan verscheidene anammox-reactoren in Europa en Japan op basis van het Delftse principe. De eerste op industriële schaal kwam in Rotterdam en verwijdert een groot deel van het ammonium uit het afvalwater van de stad. De kosten en het energieverbruik zijn aanzienlijk lager dan van een conventionele reactor. Ook onttrekt de reactor CO₂ aan de atmosfeer, in plaats van het uit te stoten. Bovendien is minder zuurstof en geen koolstof nodig voor het verwijderen van stikstof uit afvalwater. Daarom is dit een goedkoper en duurzamer proces ten opzichte van de oorspronkelijke, klassieke afvalwaterzuivering waarin bacteriën veel energie, koolstof en zuurstof nodig hebben voor hun omzettingen.

Favoriete temperatuur van anammox

Een uitdaging waar de waterschappen voor staan is de werkingstemperatuur van de anammox-bacterie, omdat ze een relatief hoge temperatuur nodig hebben om optimaal te functioneren: tussen 30 en 40 °C. Op dit moment wordt de bacterie daarom met name toegepast bij deelstroombehandelingen, zoals bij warm rejectiewater na ontwatering van vergist slib. Waterschap Hollandse Delta gebruikt de warme anammox bij het slibverwerkingsbedrijf Sluisjesdijk, waar het werkt bij een temperatuur van 30 tot 35 °C. De omstandigheden in de hoofdstroom van een rwzi zijn voor de anammox-bacterie veel moeilijker, door de lagere temperaturen en stikstofconcentraties die hier van toepassing zijn (ca. 10 tot 25 graden Celsius, 15 tot 50 milligram per liter ammonium). In recente jaren is onderzocht of het mogelijk is de technologie ook toe te passen in de hoofdstroom van rioolwaterzuiveringsinstallaties. Zoals door waterschap Hollandse Delta, waterzuiveringsbedrijf Paques en kenniscentrum van regionale waterbeheerders STOWA met het project CENIRELTA (Cost-Effective NItrogen REmoval from waste water by Low-Temperature Anammox), met steun van een Europese Life+ subsidie. Daarvoor stond ruim drie jaar een demonstratie-installatie op de Dokhaven in Rotterdam-Zuid. Bij de geteste methode moest de bacterie zijn werk gaan doen bij een temperatuur van 10 tot 20 graden Celsius. Dat lukte tot een stikstofverwijdering van 10 mg per liter huishoudelijk afvalwater. Deze innovatieve methode is energiezuiniger, ruimtebesparend en gebruikt minder chemicaliën dan de huidige technieken. Het is in het project alleen nog niet gelukt om het proces voldoende robuust te krijgen.
Technologieontwikkelaar Paques gaat de komende jaren de technologie verder ontwikkelen in het buitenland. De verwachting is dat de robuustheid en efficiëntie van het anammox proces zodanig verbeterd kunnen worden dat het proces in de toekomst commercieel kan worden toegepast.