Simpele ingrepen in de reactorcondities kunnen op biologische afvalwaterzuiveringen helpen om de uitstoot van lachgas te verminderen, zo blijkt uit onderzoek van de TU Delft dat vandaag in Nature Water is gepubliceerd. Zuurstofconcentratie zou weleens één van de sleutels kunnen zijn voor het verminderen van seizoensgebonden lachgasemissies.
Lachgas (N₂O) is één van de broeikasgassen die vrijkomen op biologische afvalwaterzuiveringen. Zorgelijk, want het heeft een 273 keer sterker opwarmingsvermogen dan CO2 en levert een belangrijke bijdrage aan de aantasting van de ozonlaag. Onder andere de waterschappen hebben daarom de ambitie de lachgasemissies van hun zuiveringen te reduceren – de vraag is alleen veelal: hoe?
De lachgasuitstoot van biologische zuiveringen fluctueert gedurende de dag, en met de seizoenen. Hoewel goed bekend is wannéér de emissies optreden, waren de precieze microbiële mechanismen die lachgasvorming veroorzaken tot vandaag in nevelen gehuld. Dit maakt het lastig om maatregelen te ontwikkelen die de uitstoot beperken.
Om dit hardnekkige vraagstuk op te lossen, bundelden Michele Laureni, universitair docent Bioprocess Engineering, en Mark van Loosdrecht, hoogleraar Milieubiotechnologie (beiden TU Delft) de krachten met de waterschappen en kenniscentrum STOWA. Onder hun supervisie analyseerde de inmiddels gepromoveerde Nina Roothans 2 jaar lang de microbiële mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de seizoensgebonden lachgasemissies van een communale afvalwaterzuivering. Rioolwaterzuivering Amsterdam-West, van Waterschap Amstel, Gooi en Vecht, werd hierbij als representatief modelsysteem gehanteerd.
Microbiële disbalans voorkomen
Roothans ontdekte dat de voornaamste oorzaak voor de vorming van lachgas de accumulatie is van nitriet (NO2−), een voorloper van lachgas. Een ophoping van nitriet ontstaat wanneer er in de zuivering een disbalans is tussen ammonium-oxiderende (nitriet-producerende) en nitriet-oxiderende (nitriet-consumerende) bacteriën. Vraag en aanbod kunnen elkaar dan niet bijbenen, en in de tussentijd wordt het overschot aan nitriet tot lachgas gereduceerd.
Het ontstaan van zo’n microbiële disbalans bleek op zijn beurt sterk afhankelijk van de concentratie opgeloste zuurstof in de zuivering – een parameter waar de operators directe controle over hebben. Een belangrijke vinding, want dit betekent dat de zuurstofconcentratie weleens één van de sleutels voor het verminderen van seizoensgebonden lachgasemissies kan zijn.
Eén van de mogelijke oplossingen die de onderzoekers daarom kansrijk achten is het geleidelijk optimaliseren (verhogen) van de zuurstofconcentratie, in de aanloop naar een periode wanneer de lachgasproductie normaliter piekt. Die gelijkmatige aanloop is van belang, omdat de ‘microbiële gemeenschap’ tijd nodig heeft om zich op veranderende omstandigheden aan te passen. Een andere potentiële oplossing ziet het team in het maximaliseren van de denitrificatiecapaciteit van een zuivering, om de ophoping van nitriet te beperken.
Omdat meerdere parallelle processen aan lachgasproductie kunnen bijdragen, verwachten de onderzoekers dat een combinatie van oplossingen uiteindelijk het meest effectief zal zijn.
Vervolg
Het onderzoek zet de deur naar laagdrempelige oplossingen op een flinke kier, maar voor slingers vinden de onderzoekers het nog te vroeg. Zo laat de studie weliswaar zien wat op rwzi Amsterdam-West de voornaamste lachgasproducerende mechanismen zijn, maar vinden diezelfde mechanismen ook plaats in andere zuiveringen, en bij zowel actiefslib- als korrelslibsystemen? Om die vragen te kunnen beantwoorden zullen de operationele data en microbiële dynamieken van verschillende afvalwaterzuiveringen moeten worden vergeleken.
Intussen werken twee nieuwe promovendi alweer aan de verdere validatie en ontwikkeling, in samenwerking met de waterschappen en advies- en ingenieursbureau Royal HaskoningDHV. Voor het in de praktijk testen van de beoogde mitigatiestrategieën willen de onderzoekers blijven prioriteren op het reduceren van seizoensmatige pieken in lachgasuitstoot, omdat deze verantwoordelijk zijn voor het merendeel van de uitstoot op jaarbasis (65 procent in het geval van rwzi Amsterdam-West). Het team wil echter ook graag zuiveringen gaan onderzoeken waar lachgasemissies geen seizoensmatig maar een constant probleem vormen.
Nog grotere uitdaging
De uitkomsten van dit onderzoek kunnen van belang zijn voor de biologische zuiveringen van alle waterschappen en de industrie, maar ook voor bijvoorbeeld de landbouwsector, waar microbiële lachgasemissies een nog grotere uitdaging vormen.
Tot dusver lijkt het er sterk op dat de lachgasuitstoot op biologische zuiveringen al flink omlaag kan met simpele en kosteneffectieve ingrepen in de reactorcondities. Volgens onderzoeker Laureni ligt daar ook de charme: “Het mooie is dat de oplossing in principe geen grote infrastructurele aanpassingen vereist. Bovendien is dit een prachtig voorbeeld van hoe fundamenteel onderzoek direct kan leiden tot toepasbare technische inzichten.”
