Door hun negatieve lading en hydrofobe grensvlak binden nanobubbles gemakkelijk aan microverontreinigingen in het influent van een waterzuivering. Hierdoor vormen ze een goede mogelijke voorbehandeling. Praktijkonderzoek laat zien dat deze voorbehandeling kan leiden tot een efficiënter zuiveringsproces.
Download hier de pdf van dit artikel.
Geschreven door Nick Ivens-Igot (Hoogheemraadschap van Schieland en de Krimpenerwaard), Michiel de Jong (TECHRAS Nano)
Onder de Kaderrichtlijn Water (KRW) en de herziene Richtlijn Stedelijk Afvalwater, gecombineerd met de klimaat- en energiedoelen van de waterschappen, worden strengere lozingseisen gesteld. Deze vragen om betere prestaties van bestaande zuiveringen. Voorbehandeling van het afvalwater, wat vaak efficiënter is dan ‘eind van de pijp’-oplossingen of uitbreiding van infrastructuur, is een relatief jonge benadering. Bij voorbehandeling met zogeheten ‘nanobubbles’, worden vooral hydrofobe stoffen gebonden en deels verwijderd, waardoor de onderliggende fysische, chemische en biologische processen efficiënter verlopen. Dit artikel beschrijft het werkingsprincipe en de eerste resultaten van een full-scale pilot op AWZI Bergambacht.
Wat zijn nanobubbles?
Nanobubbles zijn gasbellen met een diameter kleiner dan 200 nanometer — ordes van grootte kleiner dan de fijne luchtbellen uit een conventioneel beluchtingssysteem. Door dit extreem kleine formaat gedragen ze zich fundamenteel anders dan gewone bellen. Ze stijgen niet op naar het oppervlak, waar ze barsten, maar blijven door hun verwaarloosbare opwaartse kracht vrijwel zwevend (neutrally buoyant) in de waterkolom en verspreiden zich via brownse beweging (continue, willekeurige beweging door botsing met andere deeltjes). Hierdoor blijven ze dagen tot weken stabiel in suspensie.
De eigenschappen die nanobubbles onderscheiden van conventionele beluchting laten zich samenvatten als:
• extreem klein formaat (< 200 nm) met een zeer hoge oppervlakte-volumeverhouding;
• negatieve oppervlaktelading (zeta-potentiaal), die de bellen onderling stabiliseert en de lange levensduur verklaart;
• hydrofoob grensvlak, waardoor apolaire en amfifiele moleculen (moleculen met zowel hydrofobe als hydrofiele eigenschappen) zich aan het bel-oppervlak hechten;
• hoge interne druk (Laplace-druk), die bij implosie lokaal thermische energie en reactieve zuurstofsoorten (ROS) kan vrijmaken;
De belangrijkste meerwaarde van nanobubbles voor de zuivering zit niet in de hoeveelheid ingebrachte zuurstof. De massadosering zuurstof via nanobubble-injectie is klein ten opzichte van de werkelijke zuurstofvraag van een actief-slibsysteem — in de orde van een fractie van een procent. De winst zit vooral in de interactie van de bellen met de stoffen in het influent, en in de verbeterde condities die daaruit volgen.
Interactie met microverontreinigingen
Het werkingsprincipe berust op de combinatie van de fysisch-chemische eigenschappen van nanobubbles en die van een specifieke groep verontreinigingen in afvalwater. Oppervlakte-actieve stoffen (zoals dodecylbenzeensulfonaat, C12-LAS), antimicrobiële stoffen (zoals triclosan), quaternaire ammoniumverbindingen (QAC's, zoals benzalkoniumchloride) en diverse industriële chemicaliën hebben gemeen dat ze amfifiel, dat wil zeggen een hydrofiele kop en een hydrofobe staart hebben, of kationisch zijn. Deze stoffen maken deel uit van de brede waaier aan microverontreinigingen. Vetten en oliën in het influent zijn ook hydrofoob. Precies die eigenschappen maken interactie met nanobubbles waarschijnlijk: het hydrofobe grensvlak van de bel trekt de apolaire staarten van oppervlakte-actieve stoffen en andere hydrofobe verontreinigingen aan. De negatief geladen bel trekt positief geladen verontreinigingen aan (elektrostatische interactie), zoals QAC's.
Na binding kan een spectrum aan vervolgmechanismen optreden. Een deel van de gebonden stoffen wordt via flotatie naar het oppervlak afgevoerd. Een ander deel blijft in suspensie, waarbij de lokale concentratieverhoging rond het bel-oppervlak ertoe leidt dat de stoffen beter beschikbaar komen voor de bacteriën met specifieke enzymen. Daarnaast wordt in de literatuur de vorming van reactieve zuurstofsoorten (ROS) bij implosie van bellen genoemd als mogelijke route naar directe oxidatieve afbraak, al is dit mechanisme wetenschappelijk omstreden.
Het werkelijke effect is vermoedelijk een combinatie, waarvan de samenstelling per stof en per situatie verschilt. Deze groep microverontreinigingen is niet alleen schadelijk voor het ontvangende oppervlaktewater; veel ervan remmen de zuivering zelf. Die remming verloopt langs verschillende, wetenschappelijk goed onderbouwde routes die op de RWZI niet direct zichtbaar zijn, maar wel doorwerken in energieverbruik en effluentkwaliteit. Eerst zullen we nu de mechanismen achter de remming verder uiteenzetten.
Remming van actief slib en zuurstofefficiëntie
De alfafactor en beluchtingsefficiëntie
Oppervlakte-actieve stoffen, vetten en andere hydrofobe componenten verkleinen de zuurstofoverdracht. Dit effect is zo bekend dat het al bij de dimensionering van een zuiveringsinstallatie wordt verdisconteerd in de alfafactor — de verhouding tussen de zuurstofoverdracht in afvalwater en in schoon water. Een lagere alfafactor betekent dat er meer beluchtingsvermogen (kW) nodig is om dezelfde hoeveelheid zuurstof in te brengen. Dat kost niet alleen energie, het vraagt ook meer nitrificatietijd en -ruimte, ten koste van de ruimte voor denitrificatie. Voor overbelaste zuiveringen is dit een capaciteitsprobleem; voor zuiveringen die nog niet overbelast zijn ligt hier juist een kans voor energiebesparing.
Slibactiviteit en -eigenschappen
Veel remmende stoffen adsorberen aan het actieve slib en sommige zijn toxisch: ze kunnen het celmembraan beschadigen, het metabolisme verstoren en de genetische samenstelling van micro-organismen in het slib beïnvloeden. Het gevolg is een lagere activiteit en conversiesnelheid van ammonium, waardoor een hoger slibgehalte en een langere slibleeftijd nodig zijn om dezelfde stikstof- en fosfaatverwijdering te halen. Daarnaast verandert de slibsamenstelling, wat doorwerkt in vlokvorming en bezinkbaarheid.
Emulsificatie en drijflagen
De eigenschap die oppervlakte-actieve stoffen nuttig maakt in hun toepassing — emulsificatie — wordt in de zuivering een probleem. Vetten en oliën laten zich moeilijk van het water scheiden, wat leidt tot operationele uitdagingen zoals drijflagen, aanslag en een verminderde slibbezinking. Via het slib komen deze stoffen ook in de vergister terecht, waar ze de microbiologie kunnen verstoren of schuimvorming veroorzaken.
Hoge concentraties
Tot nu toe is gesproken over de mechanismen waardoor deze stoffen remmend werken op de zuivering. Dat dit relevant is, blijkt wel uit chemische screening van influenten en effluenten van alle RWZI's in de provincie Utrecht door KWR in 2023 [1]. Uit alle analyses was dodecylbenzeensulfonaat de stof met de hoogste concentratie en stonden nog vijf andere oppervlakte-actieve stoffen in de top-20 van microverontreinigingen met de hoogste concentraties.
De rode draad: oppervlakte-actieve stoffen, vetten en andere hydrofobe stoffen zorgen ervoor dat het zuiveren van influent tot de vereiste effluentkwaliteit gepaard gaat met een hoger energieverbruik, een grotere CO2-voetafdruk en hogere kosten dan zonder hun aanwezigheid. Precies op deze remming beoogt nanobubble-voorbehandeling aan te grijpen, door de concentratie van deze stoffen vóór de biologie te verminderen.
Van hypothese naar full-scale resultaten
De achterliggende hypothese — dat het voorbehandelen van influent met nanobubbles, via verkleining van de impact van remmende stoffen, leidt tot een optimalisatie van de zuivering — is sinds 2020 in de praktijk getoetst. Omdat DNA-sequencing en kwantitatieve analyse van microverontreinigingen kostbaar en complex zijn en de meetmethoden nog in de kinderschoenen staan, is gekozen voor onderbouwing via meetbare effecten op effluentkwaliteit, energie-efficiëntie en hulpstoffenverbruik, met statistisch valide vergelijkperiodes. Inmiddels zijn in onder meer Denemarken consistente resultaten geboekt op full-scale RWZI’s, variërend in grootte van ongeveer 45.000 tot ruim 400.000 inwonersequivalent (i.e.). In tabel 1 zijn een paar voorbeelden opgenomen.
Tabel 1. Selectie van full-scale referenties met nanobubble-voorbehandeling
| Locatie | Omvang | Belangrijkste effecten |
| Stavnsholt (DK) | 45.000 i.e. | Tot-N van 11,25 mg/l naar 6,26 mg/l jaargemiddeld. 14% energiebesparing beluchting |
| Haraldskaer (DK) | 32.000 i.e. | Tot-N van 3,34 mg/l naar 2,04 mg/l jaargemiddeld. Nitrificatiesnelheid gestegen met 35%. Blowerinzet van 14,1 naar 10,1 u/dag |
| BIOFOS/Damhusaen (DK) | 400.000 i.e. | +25% biologische capaciteit |
De pilot op AWZI Bergambacht
Tegen deze achtergrond startte op 2 juli 2025 een full-scale pilot op AWZI Bergambacht van het Hoogheemraadschap van Schieland en de Krimpenerwaard (HHSK), uitgevoerd door TECHRAS Nano. De pilot volgt een ‘Lease to Demonstrate’-opzet: zes maanden mét nanobubble-behandeling, gevolgd door zes maanden zonder, zodat de zuivering met en zonder voorbehandeling — en jaar-op-jaar met dezelfde periodes — kan worden vergeleken. Dit artikel rapporteert over de eerste fase.
De zuivering en de aanleiding
Afvalwaterzuivering (awzi) Bergambacht, een relatief kleine zuivering in de Krimpenerwaard, is een ultra-laag belaste actief-slibinstallatie met een omloopsysteem, gebouwd in 1987. De installatie heeft een ontwerpcapaciteit van 8.800 inwonerequivalenten (op basis van 150 g totale zuurstofvraag per i.e.) en een hydraulische capaciteit van 90 m3/uur bij droogweeraanvoer en 300 m3/uur bij regenweeraanvoer. De werkelijke belasting is ongeveer 10.000 i.e. Anders dan veel grotere zuiveringen beschikt awzi Bergambacht niet over een voorbezinking, waardoor het influent — en de stoffen daarin — direct van invloed is op de biologie.
Juist die influentsamenstelling maakte awzi Bergambacht een logische locatie om de these over remmende stoffen te toetsen. Op het rioolstelsel dat op de zuivering uitkomt, lozen verschillende zuivelbedrijven hun afvalwater. Dat brengt een verhoogde vracht aan vetten en oppervlakte-actieve stoffen met zich mee — precies de stoffen waarvan op basis van het werkingsprincipe wordt verwacht dat nanobubbles ze binden en deels verwijderen. De hypothese was dan ook dat een installatie met deze influentkarakteristiek bij uitstek zou profiteren van voorbehandeling. Dat dit vermoeden hout snijdt, bleek al snel uit een direct waarneembaar verschijnsel: zodra het nanobubble-systeem in bedrijf was, vormde zich in de influentkelder een witte, schuimig-vettige laag — een zichtbare aanwijzing dat juist deze stoffen werden aangepakt.
Doelstellingen
De hoofddoelstelling was het structureel verbeteren van de nitrificatiecapaciteit en beluchtingsefficiëntie, meetbaar gemaakt als een reductie van minimaal 15% in het energieverbruik per kilogram verwijderde chemische zuurstofvraag + totaal-stikstof (kWh per kg CZV + TN). Aanvullende doelen waren het verbeteren van de slibindikking in de slibbuffertank en het verminderen van de drijflaag op de beluchtingstank.
Opzet en installatie
Het nanobubble-systeem is geïnstalleerd naast het influentgebouw en hydraulisch verbonden via een aanzuig- en retourleiding naar de influentkelder, ná het roostergoed. Een pomp zuigt influent aan, dat in de unit met nanobubbles wordt verrijkt door luchtinjectie. Hierna stroomt het terug de kelder in. Het is dus een deelstroombehandeling via circulatie. Monitoring vond plaats via continue data-analyse van influent- en effluentwaarden en online metingen (NH₄-N, O₂, NO₃), aangevuld met tweewekelijks projectoverleg en analyses door HHSK.
Aan de installatie van de nanobubbles gingen twee belangrijke wijzigingen ten opzichte van het originele ontwerp vooraf. Eind 2023 werd de bellenbeluchting vervangen door een puntbeluchter, wat de slibkwaliteit en effluentwaarden al aanzienlijk verbeterde. In april 2025 — drie maanden vóór de start van de proef — werd bovendien een nieuwe, continue zuurstofregeling ingevoerd, gestuurd op NH₄-N in de omlooptank. Dat hield in dat aan de hand van de ammonium- en nitraatconcentraties in de beluchtingstank, de gewenste zuurstofconcentratie wordt berekend waardoor de beluchting dynamisch stuurt op de condities in de tank op dat moment.
Om het effect van de nanobubbles te isoleren, zijn daarom telkens dezelfde periodes jaar op jaar vergeleken. Daarnaast is de periode met enkel de nieuwe regeling apart vergeleken met die mét regeling én nanobubbles.
Resultaten: energie-efficiëntie en stikstofverwijdering
De centrale key performance indicator (KPI) — kWh per kg verwijderde CZV + TN — laat zien hoe efficiënt de beluchtingsenergie wordt benut voor de gecombineerde verwijdering van organische stof en stikstof. Door dezelfde periodes jaar op jaar te vergelijken, kon onderscheid worden gemaakt tussen het effect van de nieuwe regeling en dat van de nanobubbles:
• april–juni 2025 (alleen de nieuwe regeling, nog géén nanobubbles): 6,7% efficiëntieverbetering t.o.v. 2024.
• augustus–oktober 2025 (nieuwe regeling én nanobubbles): 18,7% efficiëntieverbetering t.o.v. 2024.
Het verschil tussen beide — rond de 12 procentpunt — bovenop de winst van de nieuwe regeling, is daarmee vermoedelijk toe te schrijven aan de nanobubble-behandeling. Daarmee is de KPI van 15% efficiëntieverbetering ruimschoots gehaald. In alle kruisvergelijkingen was de periode 1 augustus – 30 oktober 2025, mét nanobubbles, de meest efficiënte, met in absolute zin de laagste effluentwaarden voor CZV, totaal-N en totaal-P die Bergambacht ooit heeft behaald.
Tabel 2. Kengetallen en effluentwaarden
Achter dit cijfer gaan meerdere samenhangende effecten schuil. De zuurstofhuishouding veranderde zichtbaar. Een tweede O₂-sensor op tweederde van de omlooptank, die voorheen een vrijwel vlakke lijn op 0 mg/l registreerde, meet sinds de start van de pilot weer waarden tussen 0,1 en 0,2 mg/l. In de minuutdata is te zien dat pieken bij de eerste sensor nu gelijk opgaan met pieken bij de tweede — een aanwijzing voor efficiëntere zuurstofoverdracht en sneller transport van opgelost zuurstof door de tank. Opvallend is dat dit optrad in de zomer, terwijl de hogere watertemperatuur de zuurstofoplosbaarheid juist verlaagt; het sluit aan bij de bekende eigenschap dat nanobubbles gas langer in oplossing houden.
De zuivering bleek bovendien in staat tot simultane nitrificatie en denitrificatie in de omlooptank. NH₄-N-waarden in de beluchtingstank kwamen regelmatig in de buurt van nul, zo laag dat de puntbeluchter af en toe automatisch uitschakelt en de setpoints konden worden verlaagd. De NO₃-concentraties vertoonden een verder dalende trend, en de TN in het effluent lag lager dan in voorgaande jaren. De combinatie van optimale nitrificatie en denitrificatie vertaalt zich in een efficiëntere totale stikstofverwijdering.
Resultaten: drijflagen en slibhuishouding
Het meest direct zichtbare effect betrof de drijflagen, waarbij twee tegengestelde verschijnselen optraden die elkaar versterken. Op de beluchtingstank (carrousel) lag sinds september 2024 een bruinige drijflaag. Deze verdween binnen twee tot drie weken na de start van de dosering. In de influentkelder ontstond juist een laag — de eerder genoemde witte, schuimig-vettige drijflaag — die er vóór de toevoeging van de nanobubbles niet was.
Dat de remmende stoffen op de ene plek verdwijnen en op de andere zichtbaar worden afgevangen, sluit precies aan op het verwachte mechanisme: binding en flotatie van vetten en oppervlakte-actieve stoffen vroeg in het proces. Veelzeggend is bovendien dat de bruinige drijflaag op de beluchtingstank terugkeerde wanneer het systeem een week of langer uit stond, en opnieuw verdween na herstart van de dosering. Dit patroon vormt een sterke aanwijzing voor een oorzakelijk verband.
Afbeelding 7. Zichtbare drijflaag op de beluchtingstank (links); geen drijflaag meer tijdens de nanobubble-test (rechts)
Ook de slibhuishouding verbeterde. De decanteerfunctie van de slibbuffertank, die door slechte bezinkeigenschappen jarenlang vrijwel ongebruikt bleef, was kort na de start weer vrijwel dagelijks inzetbaar. In de zomer scheelde dat ongeveer één vrachtwagen per week op een gemiddelde van vijf — een directe besparing op transport- en verwerkingskosten, naast een hoger drogestofgehalte. De verklaring sluit aan op het mechanisme: doordat vetten en oppervlakte-actieve stoffen beter worden verwijderd, adsorberen ze minder aan de slibvlokken en verbetert de slib-waterscheiding.
Een onbedoelde stresstest
Op 21 augustus 2025 werd een buiten gebruik zijnde betonnen tank (13 m diameter) leeggezogen, waarbij in één keer een grote hoeveelheid oud slib en organisch materiaal — ter illustratie: bij 1 m sliblaag al ca. 133 m³ — in de ontvangstkelder belandde. Deze shockbelasting verstoorde de data gedurende twee tot drie weken. Toch werd er op geen enkel moment een effluentlimiet overschreden en herstelde het systeem zich binnen enkele weken. Hoewel het niet kwantitatief hard te maken is, wijst dit relatief snelle herstel op een verhoogde procesrobuustheid. Het incident werkte zo onbedoeld als stresstest.
Operationele leerpunten
Het roostergoed op awzi Bergambacht presteert niet altijd voldoende, met bypass bij regen en een lek waardoor ruw influent direct in de influentkelder stroomt. In combinatie met wegwerkzaamheden, waardoor stenen en gruis in de riolering belandden, leidde dit er in de laatste maanden toe dat te veel grove vuillast in de kelder terechtkwam en het nanobubblesysteem niet meer continu kon draaien. De resultaten van die laatste periode zijn daarom bewust buiten de analyse gehouden. De les: een goed werkend rooster is een belangrijk aandachtspunt, vooral bij zuiveringen zonder zandvanger of voorbezinking.
Als oplossing is in maart 2026 een Rotacut-versnijder (fabrikant Vogelsang) hydraulisch tussen pomp en nanobubble-systeem geplaatst, die vezels en doekjes versnijdt tot maximaal 2 cm lengte. De combinatie draaide vervolgens stabiel op ongeveer 90 m³/u, zonder onderbrekingen of handmatige interventie — ook bij regenwateraanvoer met bovengemiddelde vuillast. Een tweede leerpunt betreft de gekozen flexibele slangen, die slijten en kunnen scheuren. Voor vervolgprojecten verdient leidingwerk van HDPE (high density polytehyleen) of staal daarom de voorkeur.
Conclusies
De eerste fase van de pilot op awzi Bergambacht laat op alle vooraf gedefinieerde doelstellingen positieve resultaten zien. De energie-efficiëntie per kilogram verwijderde CZV + TN verbeterde op jaarbasis met 18,7%, waarvan ongeveer 12 procentpunt — na correctie voor de eerder ingevoerde regeling — aan de nanobubbles is toe te schrijven. Dit is te danken aan een zichtbaar verbeterde zuurstofoverdracht, simultane nitrificatie/denitrificatie met lagere effluentwaarden, het verdwijnen van langdurig aanwezige drijflagen en een herstelde decanteerfunctie met directe kostenbesparing.
Even belangrijk als de cijfers is de manier waarop ze tot stand kwamen. Door consequent jaar-op-jaar te vergelijken en de afzonderlijke bijdragen van de puntbeluchter, de nieuwe regeling en de nanobubbles te onderscheiden, en door een onbedoelde shockbelasting transparant mee te wegen, ontstaat een betrouwbaar beeld. Het terugkeren en opnieuw verdwijnen van de drijflagen bij respectievelijk uit- en inschakelen van het systeem versterkt dit causale verband nog eens.
De resultaten passen in het consistente beeld van de full-scale referenties in Scandinavië (zie tabel 1) en sluiten aan op het onderliggende mechanisme: remming en gedeeltelijke verwijdering van remmende, amfifiele en kationische stoffen vóór de biologie, verbetert de zuurstofoverdracht, de slibactiviteit en de slib-waterscheiding. Daarmee biedt nanobubble-voorbehandeling waterschappen een route om met bestaande infrastructuur te voldoen aan strengere effluenteisen, energie te besparen en de CO₂-voetafdruk te verkleinen — zonder grootschalige uitbreiding.
De pilot loopt nog tot en met de zomer van 2026. In de komende maanden wordt de zuivering zónder nanobubbles gevolgd. Dit moet het beeld verder aanscherpen en de waargenomen effecten bevestigen. De eerste fase rechtvaardigt in elk geval de conclusie dat het influent — en de stoffen die het meebrengt — een onderschatte hefboom vormt voor de prestaties van de biologische zuivering.
Samenvatting
Nanobubbles zijn ultrakleine gasbellen die langdurig in het water blijven zweven en een relatief groot reactief oppervlak hebben. Door hun negatieve lading en hydrofobe grensvlak binden ze gemakkelijk aan oppervlakte-actieve stoffen, vetten en andere microverontreinigingen in het influent van een waterzuivering. Hierdoor vormen ze een goede mogelijke voorbehandeling. Praktijkonderzoek op de afvalwaterzuivering in Bergambacht laat zien dat deze voorbehandeling kan leiden tot een efficiëntere zuurstofoverdracht, verbeterde stikstofverwijdering en een lager energieverbruik van het zuiveringsproces.
REFERENTIE
1. KWR Water Research Institute (2023). Influenten en effluenten in de Provincie Utrecht; Chemische screening van alle rioolwaterzuiveringen.
