Samenvatting

In dit proefschrift zijn diverse eigenschappen van full-scale aeroob korrelslib (AGS) onderzocht. Hoofdstuk Effluent suspended solids gaat over de processen die leiden tot verhoogde zwevende concentraties in het effluent van het aeroob korrelslibproces. De hoofdoorzaken zijn (1) opdrijven van slib door stikstofgasproductie (door denitrificatie) en (2) uitspoeling van drijvende deeltjes, zoals schuim en bepaalde vetten. Ontgassing van stikstofgas tijdens de voedingsfase is beschreven met een wiskundig model. Opdrijven van slib door ontgassing kan worden beperkt door het stikstofgas voor de bezinkingsfase uit het water te strippen. Uitspoeling van drijvend materiaal kan worden verminderd door plaatsing van een verticaal duikschot voor de effluentgoot, vergelijkbaar met duikschotten in traditionele bezinktanks. Beide maatregelen zijn gedurende 9 maanden getest in het Prototype Nereda^® Utrecht, bij een gemiddelde biomassaconcentratie van 10 g L^-1 en een gemiddeld korrelgehalte van 84 %. In deze periode was de zwevende stof concentratie in het influent 230 ± 118 mg L^-1 en de zwevende stof concentratie in het effluent 7.8 ± 3.8 mg L^-1.

Hoofdstuk Settling behaviour gaat over bezinking van aeroob korrelslib. Het bezinkgedrag van aeroob korrelslib verschilt van normaal actief slib. De huidige actiefslib modellen kunnen de segregatie van korrels op basis van grootte tijdens het bezinkingsproces niet goed beschrijven. Deze segregatie speelt een belangrijke rol in het korrelvormingsproces en daarom is een beter begrip van de bezinking essentieel. Het doel van deze studie was het modelleren en evalueren van de bezinking van verschillende korrelgroottes tijdens bezinken en voeden in full-scale AGS-reactoren. Hiervoor werd het Patwardhan en Tien model gebruikt. Dit model is een aanpassing van het Richardson en Zaki-model, waardoor gebruik van meerdere deeltjesklassen mogelijk is. Voor de bouw van het model werden de meest relevante parameters geïdentificeerd met behulp van aeroob korrelslib van verschillende full-scale Nereda^®-reactoren. De bezinkingseigenschappen van afzonderlijke korrels werden gemeten, evenals het bezinkgedrag van een korrelbed met uniforme korrelslibdeeltjes. De verkregen parameters werden gecombineerd in een model met meerdere deeltjesklassen, dat vervolgens werd gevalideerd door een experiment in een full-scale Nereda^®-reactor. In de praktijk wordt een hydraulische selectiedruk gebruikt voor selectieve spui van korrelslib. Het model voorspelt dat verschillende stabiele korrelgrootteverdelingen kunnen optreden bij een gelijke selectiedruk. Hieruit blijkt dat voor de sturing van de korrelgrootteverdeling hydraulische selectiedruk alleen niet voldoende is. Het model kan gebruikt worden om operationele parameters van AGS-reactoren, die beïnvloed worden door de korrelgrootteverdeling, beter te begrijpen en te optimaliseren. Denk bijvoorbeeld aan biologische nutriëntenverwijdering. Verder kunnen inzichten uit dit model gebruikt worden bij de ontwikkeling van continu gevoede AGS-systemen.

Hoofdstuk Nitrous oxide emission draait om lachgasemissies vanuit het AGS-proces. Deze emissie is over een periode van 7 maanden gemeten in de Nereda^® installatie in Dinxperlo. Lachgas werd gemeten in de waterfase en in het afgas van de Nereda^®-reactor. Door de batchgewijze werking van de reactor werd veel informatie verkregen, alsook een beter inzicht in de lachgasemissie in het algemeen. De gemiddelde emissiefactor was 0.33 % (als fractie van de totale stikstofconcentratie in het influent). De jaargemiddelde emissiefactor ligt naar schatting tussen 0.25 % and 0.30 %. De gemiddelde emissiefactor was vergelijkbaar met conventionele actief-slibinstallaties, en is laag in vergelijking met andere SBR-systemen. Bij een reactortemperatuur lager dan 14 °C nam de variabiliteit van de emissiefactor toe, resulterend in hogere emissiefactoren tijdens de winterperiode. Een wijziging in de procesregeling tijdens de winterperiode verminderde de variabiliteit, waardoor de emissiefactoren werden teruggebracht tot een niveau vergelijkbaar met de zomerperiode. Mogelijk zijn verschillende procesregelingen nodig bij hoge en lage temperaturen voor een constant lage lachgasemissie. Regenweer verlaagde de emissiefactor, ook in batches die volgden op de regenweergebeurtenis. Dit wordt toegeschreven aan de first-flush uit het riool bij het begin van de neerslaggebeurtenis, wat leidt tot een tijdelijke verhoging van de slibbelasting.

In hoofdstuk On the mechanisms worden de mechanismen voor aerobe korrelvorming onderzocht. In dit hoofdstuk wordt een wiskundig raamwerk gepresenteerd om aerobe korrelvorming te beschrijven op basis van 6 hoofdmechanismen: microbiële selectie, selectieve spui, maximalisatie van transport van substraat de biofilm in, selectieve voeding, substraattype en opbreken van korrels. Het model bestaat uit vier hoofdcomponenten: een 1D convectie/dispersiemodel om de stroming in een reactor te beschrijven, een reactie/diffusiemodel dat de belangrijkste conversies voor korrelgroei beschrijft, een bezinkmodel om korrels te volgen tijdens bezinking en voeding, en een populatiemodel met tot wel 100.000 korrelclusters om het stochastische gedrag van het granulatieproces te modelleren. Met deze benadering kan het model de dynamiek van het granulatieproces, zoals we dit zien in de praktijk, verklaren. Selectieve voeding werd geïdentificeerd als een belangrijk mechanisme dat nog niet in de literatuur is beschreven. De groei van aerobe korrels uit actiefslibvlokken begint met een opstartfase, waarin schijnbaar weinig korrels worden gevormd. Deze fase wordt gevolgd door een granulatiefase waarin snel korrels verschijnen. De verhouding tussen korrelvormend en niet-korrelvormend substraat samen met de feast/famine ratio bepaalt of de overgang van de opstartfase naar de granulatiefase plaatsvindt. De spui-efficiëntie en selectieve voeding bepalen de snelheid van deze overgang. Het opbreken van grote korrels tot kleinere goed bezinkende deeltjes bleek een belangrijke bron voor nieuwe korrels. Het granulatieproces blijkt een gecombineerd resultaat van alle 6 mechanismen te zijn. Als de omstandigheden voor een van de mechanismen niet optimaal zijn, kunnen andere mechanismen hier tot op zekere hoogte voor compenseren. Het model biedt een theoretisch kader om de verschillende relevante mechanismen voor aerobe korrelvorming te analyseren en kan de basis vormen voor een meeromvattend model met meer gedetailleerde aspecten zoals van nutriëntverwijdering. Deze dissertatie wordt afgesloten in hoofdstuk Outlook met een blik op toekomstige ontwikkelingen in AGS-technologie.