Een nieuw type biofilmreactor aangepast aan de Braziliaanse omstandigheden en het gebruik van polyurethaanschuim om de kosten te verlagen, kan de hoeveelheid stikstofverbindingen in afvalwater met maar liefst 70% verminderen, volgens een recent rapport in het tijdschrift Omgevingstechnologie. De onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, ontwikkelden een wiskundig model om het stikstofverwijderingsmechanisme te analyseren en te voorspellen. De biofilm bestond uit bacteriën die stikstofverbindingen omzetten in stikstofgas, wat onschadelijk is voor het milieu.

Het onderzoek werd geleid door Bruno Garcia Silva tijdens zijn promotieonderzoek in waterbouwkunde en sanitatie aan de Universiteit São Paulo (USP) in Brazilië, met Eugenio Foresti als scriptieadviseur. Foresti is een professor aan de São Carlos School of Engineering (EESC-USP). Het onderzoek werd ondersteund door FAPESP.

Het artikel was een van de resultaten van het thematische project "Bioraffinageconcept toegepast op biologische afvalwaterzuiveringsinstallaties: beheersing van milieuverontreiniging gekoppeld aan materiaal- en energieterugwinning", waarvoor Marcelo Zaiat, tevens professor aan het EESC-USP, hoofdonderzoeker was. Onderzoekers van de Federale Universiteit van São Carlos (UFSCar) en het Mauá Institute of Technology (IMT) werkten samen.

"Stikstofverwijdering wordt nog steeds bereikt door slechts een paar afvalwaterzuiveringsinstallaties in Brazilië, terwijl het regelmatig wordt uitgevoerd in Europa en de Verenigde Staten", vertelde Garcia aan Agência FAPESP. “Het idee is om [de noodzakelijke infrastructuur] aan te passen aan onze realiteit. De gebruikelijke methode is hier gebaseerd op anaërobe reactoren, die effluent produceren met een laag gehalte aan organische stof, waardoor stikstofverwijdering moeilijk is.”

Verwijdering van stikstofverbindingen (o.a. nitriet, nitraat en ammoniak) uit zowel huishoudelijk als industrieel afvalwater is essentieel omdat ze het oppervlaktewater (meren, reservoirs en beken) vervuilen, evenals watervoerende lagen en ander grondwater, waardoor de groei van bacteriën, algen en planten lopen uit de hand in een proces dat bekend staat als eutrofiëring.

Bovendien kan consumptie van met nitraat verontreinigd water leiden tot ziekten zoals methemoglobinemie bij kinderen (blauwe babysyndroom), die hoofdpijn, duizeligheid, vermoeidheid, lethargie, kortademigheid en neurologische veranderingen zoals toevallen en coma in ernstige gevallen veroorzaakt.

“Wanneer algenbloei zich vermenigvuldigt, zoals te zien is in reservoirs zoals Billings [een van de belangrijkste waterbronnen voor São Paulo], leidt een gebrek aan zuurstof in het water tot de dood van vissen en verlies van watervoorziening en recreatiegebieden. Het is erg moeilijk om algen uit reservoirs te verwijderen”, zegt Foresti, die de groep leidt.

onderscheidende
Een van de belangrijkste onderscheidende factoren van dit nieuwe reactormodel is de biofilm die wordt gevormd door een biologisch proces waarbij bacteriën een film vormen op het polyurethaanschuim. Een andere is de configuratie van de apparatuur om wat de onderzoekers tegendiffusie noemen mogelijk te maken, waarbij zuurstof wordt geïntroduceerd aan de andere kant van de verontreinigingen.

"Zuurstof wordt in het schuim getransporteerd, omdat dit ervoor zorgt dat het alleen daar blijft waar het nodig is om de reactie te laten plaatsvinden", legt Garcia uit. “We willen niet dat zuurstof voortdurend in contact komt met organische stof. Als dat zo was, zouden de bacteriën alle zuurstof opgebruiken om het af te breken en zou er niets overblijven om het nitriet en nitraat te consumeren. Dus we brengen de zuurstof aan de andere kant van de biofilm in. Het doel is dat de organische stof die de biofilm aan de andere kant bereikt, niet alleen wordt geoxideerd door zuurstof, maar ook door nitriet en nitraat.”

Wanneer er geen zuurstof in de reactor komt, blijft de ammoniak onveranderd. Wanneer ammoniak de plaats van de reactor binnenkomt met zuurstoftoevoer, wordt het echter omgezet in nitriet en nitraat. "De enige uitweg is via de biofilm, en de verbindingen passeren deze barrière door diffusie in de tegenovergestelde richting van de organische stof. Hun botsing met organisch materiaal in tegenstroom creëert optimale omstandigheden voor nitriet- en nitraatverwijdering omdat er geen zuurstof meer is en er genoeg organisch materiaal is voor denitrificatie,” zei Garcia.

Foresti legde uit dat in Brazilië anaërobe reactoren (die organisch materiaal afbreken met bacteriën die geen zuurstof nodig hebben om te overleven) in toenemende mate worden gebruikt door gemeentelijke afvalwaterzuiveringsbedrijven vanwege het overheersende klimaat, dat warmer is dan dat van het noordelijk halfrond. Bacteriën breken organisch materiaal sneller af bij warm weer. In Europa en de VS, waar de gemiddelde temperaturen lager zijn, is het proces anders. De na slibverwijdering in de vloeibare fase aanwezige organische stof wordt aëroob (door zuurstof) geoxideerd.

In Brazilië worden stikstofverbindingen echter om kostenredenen niet volledig verwijderd en komen direct in de natuur terecht. Het nieuwe type reactor dat door de onderzoekers is ontwikkeld, is ontworpen om een ​​tweede, gemakkelijkere en goedkopere fase toe te voegen aan de afvalwaterzuivering, voor ontwikkeling met toekomstige technologieën en partnerschappen.

Onderzoekers die werken in het laboratorium van Robert Nerenberg, een professor aan de Universiteit van Notre Dame in de VS, werkten samen met Garcia, die daar in 2019-20 als gastonderzoeker was met de steun van FAPESP.

“Het verschil tussen mijn project en dat van hen is dat ze in plaats van polyurethaanschuim een ​​semipermeabel membraan gebruiken, dat lijkt op een rietje vol lucht. Wanneer dit capillair in contact komt met water, laat het wel zuurstof maar geen water door, zodat de biofilm aan het oppervlak blijft kleven en erop groeit. Met andere woorden, door de wanden van dit dunne buisje wordt zuurstof aan de bacteriën toegevoerd. De zuurstof komt naar buiten en het water zorgt voor ammoniak en organische stof. Het is hetzelfde systeem als tegendiffusie, behalve dat het materiaal dat we gebruiken eenvoudiger en goedkoper is,” zei Garcia.

“De bacteriën groeien aan het oppervlak en vormen een biofilm, maar eigenlijk is het geen filter omdat het geen mechanische weerstand biedt tegen de doorgang van deeltjes. Wat de reactor in feite doet, is een ondersteuning voor de bacteriën om te groeien en oplosbare organische stof en stikstofverbindingen te consumeren.”

Volgende stappen
Volgens Foresti inspireert de nieuwe configuratie van de reactor tot verder onderzoek door de groep. In een samenwerkingsprogramma tussen de São Paulo State Basic Sanitation Corporation (SABESP) en FAPESP, zijn de onderzoekers van plan om het nieuwe model te testen met echt afvalwater dat door een aerobe reactor is gegaan in de zuiveringsinstallatie van SAAE, de gemeentelijke sanitaire dienst in Sao Carlos. Onderzoekers van UFSCar en IMT maken ook deel uit van het programma en zullen andere te testen systemen ontwikkelen.

"Bruno's onderzoek is het eerste dat op deze manier contradiffusie gebruikt hier in Brazilië," zei Foresti. “Het is een proof of concept voor synthetisch afvalwater. De efficiëntie die in deze reactorconfiguratie werd gevonden, was veel beter dan die in eerder onderzoek, maar we moeten nog verschillende factoren evalueren."

De nieuwe configuratie is getest in het laboratorium. De efficiëntie zal in andere projecten worden gemeten, aangezien het niet mogelijk is om te voorspellen hoe de apparatuur zich zal gedragen bij het verwerken van grote hoeveelheden afvalwater, en het systeem moet worden getest met echt huishoudelijk afvalwater en industrieel afvalwater. Tot nu toe is het alleen getest op monsters van synthetisch afval die door de onderzoekers zelf zijn gemaakt.

"Misschien moeten we het ontwerp en de geometrie verbeteren", zei Garcia. “Hoe kan het ontwerp worden geoptimaliseerd om het grootste optimale oppervlak per reactorvolume te verkrijgen en zo de kosten te verlagen? Het onderzoek geeft een basis, een fundament waarop we kunnen blijven nadenken over het proces en de wiskundige tool.”