Samenvatting Water Treatment Technology
Examen
• Het examen is open boek (i.e. gebruik van laptop op offline modus is toegelaten). Het examen staat op 2/3e van de
punten, de opdracht de andere 1/3e. Het is vereist voor beiden te slagen.
o Tips Converteer de pdf pagina’s in ppt slides zodat je notities kan toevoegen. Vergeet ook niet het
formularium te downloaden. Maak gebruik van de ‘text search’ functie (!!).
• De cursus is gelijkend met die van milieutechnologie – water, maar gaat meer in-depth.
• Examenstructuur: “One question on drinking water production; one on wastewater treatment (add symbols to
scheme with explanation); and one on processes and parameters (process, component, increase decrease constant)”.
1
,Opdracht
• Een audit is een gestructureerde en systematische analyse waarbij men zaken (typisch financiële rekeningen)
verifieert en inspecteert met het doel om naleving (compliance) te verzekeren. In het geval van de opdracht is het
meer een aanbevelingsdocument waar men de performantie (effectiviteit en efficiëntie; kosten1, tijd, etc.) van het
afvalwaterproces evalueert en -i.p.v. naleving handhaven- aanbevelingen geven (zaken die beter kunnen). Eigenlijk
een document waar de client mee kan werken. Men gaat dus data moeten analyseren en berekeningen uitvoeren.
o Het rapport liefst bondig maken zodat het bedrijf er mee kan werken. Tussen 6000-8000 woorden houden.
o Groepsbeoordeling, geen individuele beoordeling.
o Iets heel gelijkaardig kan terugkomen in je latere carrière als consultant of milieucoördinator.
• Elke groep krijgt een ander (fictief) bedrijf (data komt wel van een echte WWTP) waarmee de studenten overleggen
met de vertegenwoordiger (“supervisor”) van het bedrijf, dit zijn de prof en assistenten. Met moet doen alsof men
echt contact opneemt met het bedrijf.
• Puntenverdeling opdracht (audit zelf staat wel op slechts 1/3e punten, examen 2/3e. wel komt het meeste van het
examen terug uit zaken van de audit.):
o 33% presentatie (helderheid van communicatie en visuele aantrekking ppt) en enthousiasme interview.
o 66% rapport zelf. Wordt beoordeeld op accuraatheid (literatuur, berekeningen), discussie (literaire context,
identificatie van trade-offs), helderheid, gebruik van structuur (figuren, captions, citaten, referenties),
interpretatie van resultaten en aanbevelingen (innovatie & creativiteit).
Structuur:
• Introductie. Buiten in België waar Aquafin als enkel bedrijf het afvalwater behandelt is afvalwaterbehandeling in de
meeste gevallen niet de hoofdactiviteit van een WWTP exploitaint (operator).
• Resultaten. Indien men niet alle data heeft probeer dan beredeneerde assumpties te maken gebaseerd op literatuur
of referentieboek “Wastewater Engineering” van Metcalf & Eddy (de “bijbel”). Men kan wel een korte email naar de
supervisor sturen (zeg dan wat men al geprobeerd heeft en waar men vast zit. Ook bv de vraag of assumpties correct
zijn want berekeningen kloppen niet).
o Macro overview processen (treatment line).
o Karakteristieken van de influent en effluent onder welke assumpties.
o Benchmark van effluent t.o.v. wettelijke limieten (milieukwaliteitsnormen).
o Woordje over systemische WWT indicatoren.
o Unit processen.
▪ Uitleg over werking en doelen (gericht naar client).
▪ Indicatoren afwegen tegen optimale waarden in de literatuur.
o Operationele kostenanalyse (geen investeringskosten of CAPEX dit jaar).
• Echte discussie over de geschiktheid van de WWTP (is het een goed proces, waar kunnen verbeteringen en het geven
van aanbevelingen).
• Geven van referenties.
1
Groot onderdeel.
2
,• Tijdlijn:
o Interview 18-29 mrt. Lees de informatie (“data”) met de benaming “Operator sheet” en zoek informatie m.b.t.
WWTP om je voor te bereiden om relevante vragen2 te stellen op het interview (informatie vergaren van
client in professionele setting). Interview moet je ook zelf schedulen.
▪ Als men het niet goed weet mag men ook vragen aan de supervisor wat zij van ons willen en
berekenen. Welke processen die de client verbetert ziet worden.
▪ In het interview moet men oog hebben voor de noden en wensen (wants) van de client (!).
▪ Groep 5 supervisor (ingenieur).
o Na het interview wordt data gegeven. Wel nog steeds vragen (ook al krijgt men alles). Dan heeft men 6 weken
de tijd om de processen en removal efficiënties te berekenen (removal efficiencies, SRT, loading rate (kg/d
verwerkt), biogas production) te berekenen en het rapport te maken voor de presentatie.
o 17/4 elke groep doet presentatie over de gevonden resultaten en het begrijpen van de processen bv
belangrijkste parameters, deze assumpties hebben we gemaakt, deze zaken waren verassend, etc.
▪ Men kan inzichten van andere presentaties meenemen in het eigen rapport (!!) bv één bedrijf
gebruikt activated sludge en een ander bedrijf gebruikt anaerobische vergisting. Wellicht kan dit een
ander proces getransformeerd en gebruikt worden in het eigen bedrijf (!).
2
Vragen zoals:
-het verkrijgen van een process flowchart (stroomdiagram: schematische voorstelling van een proces in sequentiële stappen. “Flow”
of stromen van één punt naar een ander), bepaalde variabelen (bv SRT, reactor / chamber volume, sludge density in aerobic /
anaerobic reactor, amount of sludge wasted, density etc.) die niet vooraf werden meegedeeld.
-
3
, o 01/5. Eerste ontwerp van het rapport doormailen naar supervisor (iets mee waar gewerkt worden). Een week
nadien wordt er een meeting van een uur voorzien (scheduled) waar nog hulp geboden kan worden. Meer
meetings zijn mogelijk.
o 27/5 deadline finale versie (word + pdf). Zowel op BB uploaden als mailen naar supervisor. Excel sheets ook
doormailen.
Not given: Removal efficiencies, SRT, loading rate, biogas production. Ask for other variables (All data will be given after
the interview regardless)
• De know how omtrent de berekeningen zal niet allemaal meteen beschikbaar zijn aangezien ze geleidelijk doorheen
de lessen gegeven worden. Formules zien er intimiderend uit maar zijn het eigenlijk niet. Om slibproductie te weten
te komen vragen we bv de actual yield (bv 66% (max) gaat naar CODcells, en 1/3e naar CODox waar CO2 vrijkomt) en
COD verwijdering.
o Max yield waarde kan je uit assumptie refereren naar literatuur (bv Henze et al.).
o Veel assumpties kan men halen uit Metcalf & Eddy.
o Veel formules kan men omvormen zoals men wil door variabelen om te zetten in hun eenheden (heffen soms
op).
o Gebruik mass (flow) balancing om waarden te weten te komen. Enkel voor mass en volume flows, niet
concentraties.
o Neem niet alle data “for granted”. Er kunnen fouten insteken (bv waarden die helemaal niet kloppen of zaken
die missen). Maak dan eerst assumpties wat het zou kunnen zijn voor contact op te nemen.
o OPEX kosten: energie (beluchtigingskost), chemicaliënnood (kan men op internet vinden), salaries,
maintenance en slibverwijdering zijn moeilijker te vinden, levies (afh van COD lozing) kan je wel vinden.
4
,H1: Environmental pollution management and water demand
• Definitie duurzaamheid (Brundtland commissie 1987): Duurzaamheid of duurzame ontwikkeling is ontwikkeling –
veranderingen met nadruk op verbeteringen in de samenleving (bv mensenrechten), op vlak van economie (bv BBP) en op vlak
van milieu (bv ecologische voetafdruk) – die tegemoetkomt aan de noden van het heden zonder af te doen aan de
capaciteit van toekomstige generaties om te voorzien in hun noden.
• Onderscheid cleantech en environmental technology:
o Cleantech of schone energie is de toepassing van kennis voor praktische milieupositieve doeleinden van
preventieve aard. Grondstofefficiëntie staat hier ook centraal.
o Environmental technologie (milieutechnologie) is de toepassing van kennis voor praktische doeleinden die
remediërend (‘end of pipe’) van aard zijn i.e. voor het reduceren van milieuschade van bestaande
technologieën.
• In cleantech en milieutechnologie staat de 3R strategie dus centraal:
o Reduce. Reduce kan men simpelweg interpreteren reduceren nefaste afvalstromen. Reduce neemt de
hoogste prioriteit.
o Recycle. Het terugwinnen van wat men kan reduceren is mooi maar geen prioriteit.
o Remove. Remove verwijst naar het verwijderen van afval voordat het in de natuur terechtkomt. Z
• Puur water.
o Hoge specifieke warmtecapaciteit van water. Specifiek refereert naar massa i.e. per gram. Water heeft een
hoge specifieke warmtecapaciteit d.w.z. om water met 1°C op te warmen heeft men veel meer energie nodig
dan andere substanties bv alcoholsolventen of metalen.
• De hydrologische cyclus of de watercyclus is een proces dat de beweging van water boven en onder het
aardoppervlak beschrijft ultiem door de energie van de zon. De watercyclus bestaat uit verschillende processen:
evaporatie, evapotranspiratie, condensatie (en precipitatie als men dit afzonderlijk van condensatie wil zien3),
smelten van ijs en sneeuw (waaronder sublimatie4), runoff (oppervlakkige afstromingen) en infiltratie in de
grondwaterstroom.
o Er valt ongeveer 0.85m water (=850mm) per jaar in België. Anders geschreven: 0.85m3 /m2/y.
o Een Belg gebruikt ongeveer 25 m3/y (25 ton water) dus heeft men .85 = 29.5 m2 dakoppervlak dat water
kan opvangen nodig pp (lol).
• Ongeveer 20% van het globale akkerland wordt geïrrigeerd. Wel produceert dit geïrrigeerd land 40% van de
wereldwijde voedselproductie.
o In Vlaanderen wordt er veel minder geïrrigeerd (veel natter land). De landbouw stelt slechts 2% van het
watergebruik voor (de industrie 90% waarvan energiesector 61%). Huishoudens 7%.
o Men maakt een onderscheid tussen “water for energy” (water gebruikt voor productie, processen en
transport van verschillende vormen van energie) en “energy for water” (energie nodig voor het extraheren,
behandelen en toeleveren van water. Bv ontzilting / desalineren) in het Nexus perspectief (gebruik van water
kent trade off tussen watertoeleveringszekerheid, voedselzekerheid5 en energiezekerheid.
3
Condensatie is de overgang van gas naar vloeibaar terwijl precipitatie het vallen is van het water.
4
Sublimatie is het proces waarbij water meteen overgaat van solide vorm (ijs of sneeuw) tot gas (waterdamp). Dit gebeurt in gevallen
wanneer de temperatuur laag is maar de lucht zeer droog is.
5
Voedselzekerheid: Zekerheid van toevoer van voedzaam voedsel.
5
,• De watervoetafdruk bestaat voor 2% uit direct watergebruik (25 ton/j) en 98% uit indirect of virtueel watergebruik.
o Virtueel water is het water dat gebruikt is voor het produceren van een goed of dienst maar onzichtbaar is
voor de eindgebruiker bv er is ongeveer 1300 ton water nodig voor het produceren van 1 ton graan.
o Gek genoeg zijn de Zuidelijke EU landen ondanks hun waterstress in het algemeen nog steeds net ‘virtuele
water importeurs’ (i.e. ze importeren meer waterintensieve producten dan dat ze exporteren). Dit komt
doordat Europeanen vooral rijst (meest waterintensieve graan) halen van China, soja halen van Brazilië, mais
halen van de VS en katoen halen van Indië, etc.
• Enkele maatschappelijke problemen die ons tegen 2050 wachten staan:
o 50% meer mensen zullen leiden onder watertoevoeronzekerheden. Dit komt vnl. door populatiegroei (10mld
of +25% tegen 2050), urbanisatie (mensen die in steden leven zal volgens schattingen toenemen met +90%
tegen 2050)6, hogere levensstandaard en dus meer consumptie (meer irrigatie nodig om extra voedsel te
produceren).
o Fosfor reserves zullen tegen 2050 bijna op zijn.
• België staat onder hoge waterstress m.n. derde hoogte in de OECD met een waterstress waarde van 30-80% (hoogste
ratio vond plaats in 2018-19)7, ondanks lage niveaus van waterontrekkingen voor irrigatie in de landbouw8. Water
stress wordt gemeten als ratio van volume waterontrekkingen (abstractions) over het hernieuwbare beschikbare
aanbod (grond-)water in een regio of land.
o Men spreekt hier over herniewbaar aanbod want ook ecosystemen hebben water nodig. Het water moet daar
blijven.
o Men moet ook minimum debieten (volume water) naar het zeewater laten stromen, anders komt het
zeewater landinwaarts die de bodems zout maken.
o Er zijn echter landen met zeer hoge waterstress (België zat hier ook soms bij) m.n. boven de 80% (!).
6
Meer mensen die in steden leven, moeilijker voor de watertoevoer.
7
bij >25% (i.e. 25% van het hernieuwbare aanbod wordt dagelijks onttrokken) spreekt men van waterstress.
8
Als een bedrijf meer dan 20 ton water per dag wil gebruiken heeft ze een vergunning nodig. Een wateronttrekking of ‘water
abstraction’ wordt uitgedrukt in liters.
6
,• SDG6 is de waterdoelstelling van de duurzame ontwikkelingsdoelstellingen.
https://sdgs.un.org/goals/goal6#targets_and_indicators
• Onbehandeld afvalwater dat vrijkomt in de natuur ligt waarschijnlijk eerder op 48% dan 80% volgens een recente
studie. In Vlaanderen zit men op 86% behandeld afvalwater. Gebruikt men in 14% dan een beerput (niet aangesloten
aan riolering, moet men manueel leegpompen)?
7
,Chapter 3: Water parameters relevant for water treatment
• Een buffercapaciteit is het vermogen van een ‘oplossing’ om veranderingen in pH te kunnen weerstaan (wanneer
zuren of basen worden toegevoegd). Deze wordt gemeten door de hoeveelheid zuur of base dat toegevoegd kan
worden tot de pH sterk verandert (een inflectiepunt bereikt wordt, zie later).
o Alkaliniteit is het vermogen van een substantie om zuren te neutraliseren en een stabiel pH zone te
behouden. Alkaliniteit hangt af van de hoeveelheid of niveau van alkali substanties (OH- ionen, bicarbonaat en
carbonaat per liter) in de oplossing. Alkaliniteit kan uitgedrukt worden in 3 units; mg bicarbonaat, mg
calciumcarbonaat of milliequivalenten OH-/L. 1 meq OH-/L is de hoeveelheid om 1 meq H+ ionen/L of
1
1000
𝑚𝑜𝑙 H+ ionen te neutraliseren. Men gebruikt hiervoor een conversietabel. Bv een oplossing met 61mg
bicarbonaat en 50mg carbonaat kan 2 molen waterstof neutraliseren. 1 meq OH-/L betekent dat het 1 meq
H+/L ionen per liter kan neutraliseren.
o Op onderstaande grafiek kan men een titratiecurve zien. Een titratiecurve toont hoe de pH van een oplossing
verandert wanneer men een titrant (een base of zuur) toevoegt. Hier ziet men dat bicarbonaat een
bufferzone heeft en plots sterk daalt bij een pH van 5,5. Dit is een inflectiepunt en markeert het einde van de
buffer regio. De pH waarde zal plots met 2 grootheden dalen terwijl bv slechts enkele milliliters meer zuur
werd toegevoegd. Hydroxide-ionen bufferen de regio vóór pH van 10 terwijl bicarbonaat de regio buffert vóór
het inflectiepunt bij ∼5,5.
o Men kan ook kleurmarkers toevoegen om de pH en bufferzone te vinden. bv phenolphthalein gaat van roze
bij pH van 9 naar kleurloos bij pH van 8.3.
▪ De curve beneden krijgt men door automatische titreerders die geleidelijk een titrant toevoegen.
8
, o Men maakt een onderscheid tussen partiële alkaliniteit (PA), vermogen om zuren te neutraliseren door alkali
substanties OH-, bicarbonaat en carbonaat ionen, en intermediaire alkaliteit (IA), de alkaliniteit door de VFA’s
𝐼𝐴
in het systeem9. De Ripley index is de ratio van de twee; 𝑃𝐴 (gaat over hoeveelheid zuur dat ze kunnen
neutraliseren, niet louter concentraties, de ene is beter in neutraliseren met dezelfde hoeveelheid dan de
andere).
▪ Een Ripley Index van 0.3 geeft een goede balans in het anaerobisch vergistingsproces.
o Hoeveelheid alkaliniteit (mate dat substantie zuren kan neutraliseren) in mg bicarbonaat/L. Regenwater bezit
weinig alkali substanties, zeewater veel (pH is hoog; 8 i.p.v. ∼6,5 voor oppervlaktewater).
o Typisch zuren toegevoegd om pH te laten dalen (“hoe meer deze aanwezig zijn hoe beter de pH gebufferd is
tegen basenadditie”):
▪ Hydrochloric acid (zoutzuur): HCl
▪ Sulphuric acid (zwavelzuur): H2SO4
o Typische basen om pH te laten dalen (“hoe meer aanwezig hoe beter pH gebufferd is tegen zurentoevoeging,
betere alkaliniteit):
▪ Hydroxyl ions (OH-), carbonate (CO32-), bicarbonate (HCO3-), phosphate (PO43-), ammonia(NH3),…
• Oxidatie is een chemisch proces waarbij een beoogd element (onderdeel reactant) bij het maken van een nieuwe
verbinding elektronen verliest en daarmee diens ‘oxidatiestaat- of toestand (OS)’ verhoogt. Oxidatie gaat steeds
gepaard met reductie, of het proces waarbij een element elektronen opneemt (vaak zuurstof).
o De oxidatietoestand (OS) is dus de hoeveelheid elektronen dat een element in een verbinding verloren heeft.
▪ Bv. in de verbinding NaCl (tafelzout) is Natrium een positief geladen ion i.e. oxidatietoestand van +1.
Na+ als reactant is dus geoxideerd tot NaCl.
▪ Het chlooranion reduceert want het verliest een elektron bij het vormen van NaCl.
▪ Een goede manier om te onthouden wanneer iets oxideert is door de link met zuurstof te leggen.
Wanneer een element (bv C) bindt met zuurstof bv CO2 wordt ze geoxideerd want zuurstof steelt
elektronen (wegens dat het zeer elektronegatief is i.e. wil elektronen stelen). De oxidatietoestand van
zuurstof is bijna altijd -2 in de meeste verbindingen, dat is iets dat men gewoon moet onthouden.
o Samen vormen ze redoxreacties. Het proces van roesten is bv ook een redoxreactie, want zuurstof wordt
gebonden aan ijzer. Ijzer oxideert, zuurstof reduceert10.
o Men spreekt ook over oxidant en reductant. Zuurstof is een oxidant of oxidatiemiddel omdat het een
substantie is die oxidatie veroorzaakt in een substantie. Het substantie van belang zal elektronen verliezen.
Aan de andere kant heeft men een reductant, een middel dat reductie in een substantie van belang
veroorzaakt.
▪ Een oxidant (zuurstof) wordt steeds gereduceerd, een reductant (bv koolstof in CO2) wordt steeds
geoxideerd.
▪ De netto reactie van een redoxreactie is dan als volgt: oxidant + reductant => gereduceerde oxidant +
geoxideerde reductant.
• Redoxreacties zijn belangrijk voor afvalwaterbehandeling omdat organische verbindingen (bv glucose 𝐶6 𝐻12 𝑂6) vaak
geoxideerd worden naar CO2 (typisch op biologische wijze door bacteriën).
9
Het zijn zwakke zuren. Wanneer de protonen afgegeven worden vormt de VFA een anion dat terug protonen kan opnemen. Daarom
zijn ze bufferend.
10
Chemische vergelijking van de vorming van roest: 2𝐹𝑒 + 3𝑂2 → 2𝐹𝑒2 𝑂3 . Ijzer oxideert want bindt zich met zuurstof. Elk ijzeratoom
verliest 3 elektronen (oxidatietoestand is +3) want zuurstof heeft oxidatiestaat van -6 (3x -2)
9
, • Opgeloste zuurstof (dissolved oxygen DO) is zuurstof (als losse O2 moleculen) opgelost in water. Dit komt ofwel van
zuurstof uit de atmosfeer (contact) of van waterplanten en fotosynthetiserende algen in het water. Opgelost zuurstof
is zeer belangrijk voor vissen die het zuurstof opnemen via hun kieuwen11. Ook voor waterzuivering is zuurstof nodig
aangezien er soms gebruik gemaakt wordt van aerobe bacteriën die moeten kunnen respireren om substanties af te
breken.
o Er zit slechts zeer weinig opgelost zuurstof in water, m.n. 10mg /L of 0.01g/1000g = 0.001%12. Op dit zeer lage
zuurstofniveau leven bijna alle aquatische organismen op (!). Vissen gedijen in water met tussen de 5-10ppm
zuurstof (=10mg), afhankelijk van de soort. Het vraagt ook veel energie om zuurstof in het afvalwater te
krijgen( bv fine bubble aeration door ‘diffusers’). Het gesatureerde /maximum niveau (=𝑪𝒔) van opgelost
zuurstof in water is dan ook 10mg/L, meer krijgt men er gewoon niet in. 𝐶𝑠 staat voor saturatie concentratie
van DO (opgelost zuurstof).
▪ Tenslotte is de saturatieconcentratie ook afhankelijk van temperatuur. Dit maximumniveau geldt bij
15°C (gemiddelde temperatuur afvalwater bij ons). In de winter kunnen rivieren dicht bij 0°C
aanleunen terwijl dit in de zomer tot 20°C kan gaan. Bij 30°C (bij perfecte ecologische status) zou de
zalm het al moeilijk hebben met te ademen (!). Een vaak vergeten factor van klimaatverandering.
• Het redox potentiaal (ORP13 of Eh14) is de mate van de neiging van een substantie om dan wel elektronen te verliezen
(oxidatie) of elektronen te winnen (reductie), uitgedrukt in een positieve dan wel negatieve waarde. Het redox
potentiaal wordt uitgedrukt in volt (V). Typisch heeft redox potentiaal betrekking op de omgeving (bv water; indien
veel zuurstof in het water heeft het water een hoge redox potentiaal, indien weinig of anaeroob een lage redox
potentiaal).
o Een oxidant (bv zuurstof) heeft altijd een positief redox potentiaal. Zo is het redox potentiaal voor fluor (zeer
elektronegatief) zeer positief (E^0 = +2.87 V), nog positiever dan zuurstof.
o De Nernst vergelijking kijkt of er meer oxiderende substanties dan reducerende substanties in de oplossing
𝐴𝑜𝑥
zijn en bepaalt de totale ORP. Een log (𝐴𝑟𝑒𝑑 ) > 1 is een hogere ORP. Kleiner dan 1 een negatieve ORP.
▪ De probes / elektrodes waarmee men de ORP meet hebben ook een ORP waarde, let op. Voor
onderstaande tabel werd een zilver/zilver chloride elektrode gebruikt. Zeer nuttige tabel onder.
11
Vissen zwemmen door het water met hun mond open zodat het water met opgelost zuurstof door de mond door de kieuwen of
‘filters’ bestaande uit bloedvaten vloeien. Vissen zijn dus niet in staat om zoals bacteriën het zuurstof uit de watermolecule te halen
en moeten dit dus halen van opgelost zuurstof. Doordat het zuurstofniveau in het bloed van vissen nog steeds lager is dan het zeer
kleine zuurstofgehalte in water kunnen ze toch zuurstof opnemen.
12
Een concentratie kan worden uitgedrukt op m/m-basis: het aantal gram opgeloste stof per gram oplossing, of op m/v-basis, gram
opgeloste stof per milliliter oplossing. m/v concentraties worden vaak gebruikt bij de oplossing van een solide in een vloeistof, omdat
dit makkelijker te berekenen is. m/m concentratie wordt vooral gebruikt bij de oplossing van twee vloeistoffen bv ethanol en water.
Dit omdat temperatuur en druk het volume van de vloeistoffen kan beïnvloeden en niet hun massa. Beiden zijn converteerbaar naar
elkaar. Parts per million (ppm) kan zowel gebaseerd zijn op m/m of m/v type. In dit geval is de 10ppm in mg/L.
13
ORP = oxidatie, reductie potentiaal.
14
P_e is gelijkaardig aan pH. pH staat voor “power of hydrogen”, p_e staat voor “power of electrons” en meet de neiging van een
substantie om elektronen te winnen of verliezen.
10
Examen
• Het examen is open boek (i.e. gebruik van laptop op offline modus is toegelaten). Het examen staat op 2/3e van de
punten, de opdracht de andere 1/3e. Het is vereist voor beiden te slagen.
o Tips Converteer de pdf pagina’s in ppt slides zodat je notities kan toevoegen. Vergeet ook niet het
formularium te downloaden. Maak gebruik van de ‘text search’ functie (!!).
• De cursus is gelijkend met die van milieutechnologie – water, maar gaat meer in-depth.
• Examenstructuur: “One question on drinking water production; one on wastewater treatment (add symbols to
scheme with explanation); and one on processes and parameters (process, component, increase decrease constant)”.
1
,Opdracht
• Een audit is een gestructureerde en systematische analyse waarbij men zaken (typisch financiële rekeningen)
verifieert en inspecteert met het doel om naleving (compliance) te verzekeren. In het geval van de opdracht is het
meer een aanbevelingsdocument waar men de performantie (effectiviteit en efficiëntie; kosten1, tijd, etc.) van het
afvalwaterproces evalueert en -i.p.v. naleving handhaven- aanbevelingen geven (zaken die beter kunnen). Eigenlijk
een document waar de client mee kan werken. Men gaat dus data moeten analyseren en berekeningen uitvoeren.
o Het rapport liefst bondig maken zodat het bedrijf er mee kan werken. Tussen 6000-8000 woorden houden.
o Groepsbeoordeling, geen individuele beoordeling.
o Iets heel gelijkaardig kan terugkomen in je latere carrière als consultant of milieucoördinator.
• Elke groep krijgt een ander (fictief) bedrijf (data komt wel van een echte WWTP) waarmee de studenten overleggen
met de vertegenwoordiger (“supervisor”) van het bedrijf, dit zijn de prof en assistenten. Met moet doen alsof men
echt contact opneemt met het bedrijf.
• Puntenverdeling opdracht (audit zelf staat wel op slechts 1/3e punten, examen 2/3e. wel komt het meeste van het
examen terug uit zaken van de audit.):
o 33% presentatie (helderheid van communicatie en visuele aantrekking ppt) en enthousiasme interview.
o 66% rapport zelf. Wordt beoordeeld op accuraatheid (literatuur, berekeningen), discussie (literaire context,
identificatie van trade-offs), helderheid, gebruik van structuur (figuren, captions, citaten, referenties),
interpretatie van resultaten en aanbevelingen (innovatie & creativiteit).
Structuur:
• Introductie. Buiten in België waar Aquafin als enkel bedrijf het afvalwater behandelt is afvalwaterbehandeling in de
meeste gevallen niet de hoofdactiviteit van een WWTP exploitaint (operator).
• Resultaten. Indien men niet alle data heeft probeer dan beredeneerde assumpties te maken gebaseerd op literatuur
of referentieboek “Wastewater Engineering” van Metcalf & Eddy (de “bijbel”). Men kan wel een korte email naar de
supervisor sturen (zeg dan wat men al geprobeerd heeft en waar men vast zit. Ook bv de vraag of assumpties correct
zijn want berekeningen kloppen niet).
o Macro overview processen (treatment line).
o Karakteristieken van de influent en effluent onder welke assumpties.
o Benchmark van effluent t.o.v. wettelijke limieten (milieukwaliteitsnormen).
o Woordje over systemische WWT indicatoren.
o Unit processen.
▪ Uitleg over werking en doelen (gericht naar client).
▪ Indicatoren afwegen tegen optimale waarden in de literatuur.
o Operationele kostenanalyse (geen investeringskosten of CAPEX dit jaar).
• Echte discussie over de geschiktheid van de WWTP (is het een goed proces, waar kunnen verbeteringen en het geven
van aanbevelingen).
• Geven van referenties.
1
Groot onderdeel.
2
,• Tijdlijn:
o Interview 18-29 mrt. Lees de informatie (“data”) met de benaming “Operator sheet” en zoek informatie m.b.t.
WWTP om je voor te bereiden om relevante vragen2 te stellen op het interview (informatie vergaren van
client in professionele setting). Interview moet je ook zelf schedulen.
▪ Als men het niet goed weet mag men ook vragen aan de supervisor wat zij van ons willen en
berekenen. Welke processen die de client verbetert ziet worden.
▪ In het interview moet men oog hebben voor de noden en wensen (wants) van de client (!).
▪ Groep 5 supervisor (ingenieur).
o Na het interview wordt data gegeven. Wel nog steeds vragen (ook al krijgt men alles). Dan heeft men 6 weken
de tijd om de processen en removal efficiënties te berekenen (removal efficiencies, SRT, loading rate (kg/d
verwerkt), biogas production) te berekenen en het rapport te maken voor de presentatie.
o 17/4 elke groep doet presentatie over de gevonden resultaten en het begrijpen van de processen bv
belangrijkste parameters, deze assumpties hebben we gemaakt, deze zaken waren verassend, etc.
▪ Men kan inzichten van andere presentaties meenemen in het eigen rapport (!!) bv één bedrijf
gebruikt activated sludge en een ander bedrijf gebruikt anaerobische vergisting. Wellicht kan dit een
ander proces getransformeerd en gebruikt worden in het eigen bedrijf (!).
2
Vragen zoals:
-het verkrijgen van een process flowchart (stroomdiagram: schematische voorstelling van een proces in sequentiële stappen. “Flow”
of stromen van één punt naar een ander), bepaalde variabelen (bv SRT, reactor / chamber volume, sludge density in aerobic /
anaerobic reactor, amount of sludge wasted, density etc.) die niet vooraf werden meegedeeld.
-
3
, o 01/5. Eerste ontwerp van het rapport doormailen naar supervisor (iets mee waar gewerkt worden). Een week
nadien wordt er een meeting van een uur voorzien (scheduled) waar nog hulp geboden kan worden. Meer
meetings zijn mogelijk.
o 27/5 deadline finale versie (word + pdf). Zowel op BB uploaden als mailen naar supervisor. Excel sheets ook
doormailen.
Not given: Removal efficiencies, SRT, loading rate, biogas production. Ask for other variables (All data will be given after
the interview regardless)
• De know how omtrent de berekeningen zal niet allemaal meteen beschikbaar zijn aangezien ze geleidelijk doorheen
de lessen gegeven worden. Formules zien er intimiderend uit maar zijn het eigenlijk niet. Om slibproductie te weten
te komen vragen we bv de actual yield (bv 66% (max) gaat naar CODcells, en 1/3e naar CODox waar CO2 vrijkomt) en
COD verwijdering.
o Max yield waarde kan je uit assumptie refereren naar literatuur (bv Henze et al.).
o Veel assumpties kan men halen uit Metcalf & Eddy.
o Veel formules kan men omvormen zoals men wil door variabelen om te zetten in hun eenheden (heffen soms
op).
o Gebruik mass (flow) balancing om waarden te weten te komen. Enkel voor mass en volume flows, niet
concentraties.
o Neem niet alle data “for granted”. Er kunnen fouten insteken (bv waarden die helemaal niet kloppen of zaken
die missen). Maak dan eerst assumpties wat het zou kunnen zijn voor contact op te nemen.
o OPEX kosten: energie (beluchtigingskost), chemicaliënnood (kan men op internet vinden), salaries,
maintenance en slibverwijdering zijn moeilijker te vinden, levies (afh van COD lozing) kan je wel vinden.
4
,H1: Environmental pollution management and water demand
• Definitie duurzaamheid (Brundtland commissie 1987): Duurzaamheid of duurzame ontwikkeling is ontwikkeling –
veranderingen met nadruk op verbeteringen in de samenleving (bv mensenrechten), op vlak van economie (bv BBP) en op vlak
van milieu (bv ecologische voetafdruk) – die tegemoetkomt aan de noden van het heden zonder af te doen aan de
capaciteit van toekomstige generaties om te voorzien in hun noden.
• Onderscheid cleantech en environmental technology:
o Cleantech of schone energie is de toepassing van kennis voor praktische milieupositieve doeleinden van
preventieve aard. Grondstofefficiëntie staat hier ook centraal.
o Environmental technologie (milieutechnologie) is de toepassing van kennis voor praktische doeleinden die
remediërend (‘end of pipe’) van aard zijn i.e. voor het reduceren van milieuschade van bestaande
technologieën.
• In cleantech en milieutechnologie staat de 3R strategie dus centraal:
o Reduce. Reduce kan men simpelweg interpreteren reduceren nefaste afvalstromen. Reduce neemt de
hoogste prioriteit.
o Recycle. Het terugwinnen van wat men kan reduceren is mooi maar geen prioriteit.
o Remove. Remove verwijst naar het verwijderen van afval voordat het in de natuur terechtkomt. Z
• Puur water.
o Hoge specifieke warmtecapaciteit van water. Specifiek refereert naar massa i.e. per gram. Water heeft een
hoge specifieke warmtecapaciteit d.w.z. om water met 1°C op te warmen heeft men veel meer energie nodig
dan andere substanties bv alcoholsolventen of metalen.
• De hydrologische cyclus of de watercyclus is een proces dat de beweging van water boven en onder het
aardoppervlak beschrijft ultiem door de energie van de zon. De watercyclus bestaat uit verschillende processen:
evaporatie, evapotranspiratie, condensatie (en precipitatie als men dit afzonderlijk van condensatie wil zien3),
smelten van ijs en sneeuw (waaronder sublimatie4), runoff (oppervlakkige afstromingen) en infiltratie in de
grondwaterstroom.
o Er valt ongeveer 0.85m water (=850mm) per jaar in België. Anders geschreven: 0.85m3 /m2/y.
o Een Belg gebruikt ongeveer 25 m3/y (25 ton water) dus heeft men .85 = 29.5 m2 dakoppervlak dat water
kan opvangen nodig pp (lol).
• Ongeveer 20% van het globale akkerland wordt geïrrigeerd. Wel produceert dit geïrrigeerd land 40% van de
wereldwijde voedselproductie.
o In Vlaanderen wordt er veel minder geïrrigeerd (veel natter land). De landbouw stelt slechts 2% van het
watergebruik voor (de industrie 90% waarvan energiesector 61%). Huishoudens 7%.
o Men maakt een onderscheid tussen “water for energy” (water gebruikt voor productie, processen en
transport van verschillende vormen van energie) en “energy for water” (energie nodig voor het extraheren,
behandelen en toeleveren van water. Bv ontzilting / desalineren) in het Nexus perspectief (gebruik van water
kent trade off tussen watertoeleveringszekerheid, voedselzekerheid5 en energiezekerheid.
3
Condensatie is de overgang van gas naar vloeibaar terwijl precipitatie het vallen is van het water.
4
Sublimatie is het proces waarbij water meteen overgaat van solide vorm (ijs of sneeuw) tot gas (waterdamp). Dit gebeurt in gevallen
wanneer de temperatuur laag is maar de lucht zeer droog is.
5
Voedselzekerheid: Zekerheid van toevoer van voedzaam voedsel.
5
,• De watervoetafdruk bestaat voor 2% uit direct watergebruik (25 ton/j) en 98% uit indirect of virtueel watergebruik.
o Virtueel water is het water dat gebruikt is voor het produceren van een goed of dienst maar onzichtbaar is
voor de eindgebruiker bv er is ongeveer 1300 ton water nodig voor het produceren van 1 ton graan.
o Gek genoeg zijn de Zuidelijke EU landen ondanks hun waterstress in het algemeen nog steeds net ‘virtuele
water importeurs’ (i.e. ze importeren meer waterintensieve producten dan dat ze exporteren). Dit komt
doordat Europeanen vooral rijst (meest waterintensieve graan) halen van China, soja halen van Brazilië, mais
halen van de VS en katoen halen van Indië, etc.
• Enkele maatschappelijke problemen die ons tegen 2050 wachten staan:
o 50% meer mensen zullen leiden onder watertoevoeronzekerheden. Dit komt vnl. door populatiegroei (10mld
of +25% tegen 2050), urbanisatie (mensen die in steden leven zal volgens schattingen toenemen met +90%
tegen 2050)6, hogere levensstandaard en dus meer consumptie (meer irrigatie nodig om extra voedsel te
produceren).
o Fosfor reserves zullen tegen 2050 bijna op zijn.
• België staat onder hoge waterstress m.n. derde hoogte in de OECD met een waterstress waarde van 30-80% (hoogste
ratio vond plaats in 2018-19)7, ondanks lage niveaus van waterontrekkingen voor irrigatie in de landbouw8. Water
stress wordt gemeten als ratio van volume waterontrekkingen (abstractions) over het hernieuwbare beschikbare
aanbod (grond-)water in een regio of land.
o Men spreekt hier over herniewbaar aanbod want ook ecosystemen hebben water nodig. Het water moet daar
blijven.
o Men moet ook minimum debieten (volume water) naar het zeewater laten stromen, anders komt het
zeewater landinwaarts die de bodems zout maken.
o Er zijn echter landen met zeer hoge waterstress (België zat hier ook soms bij) m.n. boven de 80% (!).
6
Meer mensen die in steden leven, moeilijker voor de watertoevoer.
7
bij >25% (i.e. 25% van het hernieuwbare aanbod wordt dagelijks onttrokken) spreekt men van waterstress.
8
Als een bedrijf meer dan 20 ton water per dag wil gebruiken heeft ze een vergunning nodig. Een wateronttrekking of ‘water
abstraction’ wordt uitgedrukt in liters.
6
,• SDG6 is de waterdoelstelling van de duurzame ontwikkelingsdoelstellingen.
https://sdgs.un.org/goals/goal6#targets_and_indicators
• Onbehandeld afvalwater dat vrijkomt in de natuur ligt waarschijnlijk eerder op 48% dan 80% volgens een recente
studie. In Vlaanderen zit men op 86% behandeld afvalwater. Gebruikt men in 14% dan een beerput (niet aangesloten
aan riolering, moet men manueel leegpompen)?
7
,Chapter 3: Water parameters relevant for water treatment
• Een buffercapaciteit is het vermogen van een ‘oplossing’ om veranderingen in pH te kunnen weerstaan (wanneer
zuren of basen worden toegevoegd). Deze wordt gemeten door de hoeveelheid zuur of base dat toegevoegd kan
worden tot de pH sterk verandert (een inflectiepunt bereikt wordt, zie later).
o Alkaliniteit is het vermogen van een substantie om zuren te neutraliseren en een stabiel pH zone te
behouden. Alkaliniteit hangt af van de hoeveelheid of niveau van alkali substanties (OH- ionen, bicarbonaat en
carbonaat per liter) in de oplossing. Alkaliniteit kan uitgedrukt worden in 3 units; mg bicarbonaat, mg
calciumcarbonaat of milliequivalenten OH-/L. 1 meq OH-/L is de hoeveelheid om 1 meq H+ ionen/L of
1
1000
𝑚𝑜𝑙 H+ ionen te neutraliseren. Men gebruikt hiervoor een conversietabel. Bv een oplossing met 61mg
bicarbonaat en 50mg carbonaat kan 2 molen waterstof neutraliseren. 1 meq OH-/L betekent dat het 1 meq
H+/L ionen per liter kan neutraliseren.
o Op onderstaande grafiek kan men een titratiecurve zien. Een titratiecurve toont hoe de pH van een oplossing
verandert wanneer men een titrant (een base of zuur) toevoegt. Hier ziet men dat bicarbonaat een
bufferzone heeft en plots sterk daalt bij een pH van 5,5. Dit is een inflectiepunt en markeert het einde van de
buffer regio. De pH waarde zal plots met 2 grootheden dalen terwijl bv slechts enkele milliliters meer zuur
werd toegevoegd. Hydroxide-ionen bufferen de regio vóór pH van 10 terwijl bicarbonaat de regio buffert vóór
het inflectiepunt bij ∼5,5.
o Men kan ook kleurmarkers toevoegen om de pH en bufferzone te vinden. bv phenolphthalein gaat van roze
bij pH van 9 naar kleurloos bij pH van 8.3.
▪ De curve beneden krijgt men door automatische titreerders die geleidelijk een titrant toevoegen.
8
, o Men maakt een onderscheid tussen partiële alkaliniteit (PA), vermogen om zuren te neutraliseren door alkali
substanties OH-, bicarbonaat en carbonaat ionen, en intermediaire alkaliteit (IA), de alkaliniteit door de VFA’s
𝐼𝐴
in het systeem9. De Ripley index is de ratio van de twee; 𝑃𝐴 (gaat over hoeveelheid zuur dat ze kunnen
neutraliseren, niet louter concentraties, de ene is beter in neutraliseren met dezelfde hoeveelheid dan de
andere).
▪ Een Ripley Index van 0.3 geeft een goede balans in het anaerobisch vergistingsproces.
o Hoeveelheid alkaliniteit (mate dat substantie zuren kan neutraliseren) in mg bicarbonaat/L. Regenwater bezit
weinig alkali substanties, zeewater veel (pH is hoog; 8 i.p.v. ∼6,5 voor oppervlaktewater).
o Typisch zuren toegevoegd om pH te laten dalen (“hoe meer deze aanwezig zijn hoe beter de pH gebufferd is
tegen basenadditie”):
▪ Hydrochloric acid (zoutzuur): HCl
▪ Sulphuric acid (zwavelzuur): H2SO4
o Typische basen om pH te laten dalen (“hoe meer aanwezig hoe beter pH gebufferd is tegen zurentoevoeging,
betere alkaliniteit):
▪ Hydroxyl ions (OH-), carbonate (CO32-), bicarbonate (HCO3-), phosphate (PO43-), ammonia(NH3),…
• Oxidatie is een chemisch proces waarbij een beoogd element (onderdeel reactant) bij het maken van een nieuwe
verbinding elektronen verliest en daarmee diens ‘oxidatiestaat- of toestand (OS)’ verhoogt. Oxidatie gaat steeds
gepaard met reductie, of het proces waarbij een element elektronen opneemt (vaak zuurstof).
o De oxidatietoestand (OS) is dus de hoeveelheid elektronen dat een element in een verbinding verloren heeft.
▪ Bv. in de verbinding NaCl (tafelzout) is Natrium een positief geladen ion i.e. oxidatietoestand van +1.
Na+ als reactant is dus geoxideerd tot NaCl.
▪ Het chlooranion reduceert want het verliest een elektron bij het vormen van NaCl.
▪ Een goede manier om te onthouden wanneer iets oxideert is door de link met zuurstof te leggen.
Wanneer een element (bv C) bindt met zuurstof bv CO2 wordt ze geoxideerd want zuurstof steelt
elektronen (wegens dat het zeer elektronegatief is i.e. wil elektronen stelen). De oxidatietoestand van
zuurstof is bijna altijd -2 in de meeste verbindingen, dat is iets dat men gewoon moet onthouden.
o Samen vormen ze redoxreacties. Het proces van roesten is bv ook een redoxreactie, want zuurstof wordt
gebonden aan ijzer. Ijzer oxideert, zuurstof reduceert10.
o Men spreekt ook over oxidant en reductant. Zuurstof is een oxidant of oxidatiemiddel omdat het een
substantie is die oxidatie veroorzaakt in een substantie. Het substantie van belang zal elektronen verliezen.
Aan de andere kant heeft men een reductant, een middel dat reductie in een substantie van belang
veroorzaakt.
▪ Een oxidant (zuurstof) wordt steeds gereduceerd, een reductant (bv koolstof in CO2) wordt steeds
geoxideerd.
▪ De netto reactie van een redoxreactie is dan als volgt: oxidant + reductant => gereduceerde oxidant +
geoxideerde reductant.
• Redoxreacties zijn belangrijk voor afvalwaterbehandeling omdat organische verbindingen (bv glucose 𝐶6 𝐻12 𝑂6) vaak
geoxideerd worden naar CO2 (typisch op biologische wijze door bacteriën).
9
Het zijn zwakke zuren. Wanneer de protonen afgegeven worden vormt de VFA een anion dat terug protonen kan opnemen. Daarom
zijn ze bufferend.
10
Chemische vergelijking van de vorming van roest: 2𝐹𝑒 + 3𝑂2 → 2𝐹𝑒2 𝑂3 . Ijzer oxideert want bindt zich met zuurstof. Elk ijzeratoom
verliest 3 elektronen (oxidatietoestand is +3) want zuurstof heeft oxidatiestaat van -6 (3x -2)
9
, • Opgeloste zuurstof (dissolved oxygen DO) is zuurstof (als losse O2 moleculen) opgelost in water. Dit komt ofwel van
zuurstof uit de atmosfeer (contact) of van waterplanten en fotosynthetiserende algen in het water. Opgelost zuurstof
is zeer belangrijk voor vissen die het zuurstof opnemen via hun kieuwen11. Ook voor waterzuivering is zuurstof nodig
aangezien er soms gebruik gemaakt wordt van aerobe bacteriën die moeten kunnen respireren om substanties af te
breken.
o Er zit slechts zeer weinig opgelost zuurstof in water, m.n. 10mg /L of 0.01g/1000g = 0.001%12. Op dit zeer lage
zuurstofniveau leven bijna alle aquatische organismen op (!). Vissen gedijen in water met tussen de 5-10ppm
zuurstof (=10mg), afhankelijk van de soort. Het vraagt ook veel energie om zuurstof in het afvalwater te
krijgen( bv fine bubble aeration door ‘diffusers’). Het gesatureerde /maximum niveau (=𝑪𝒔) van opgelost
zuurstof in water is dan ook 10mg/L, meer krijgt men er gewoon niet in. 𝐶𝑠 staat voor saturatie concentratie
van DO (opgelost zuurstof).
▪ Tenslotte is de saturatieconcentratie ook afhankelijk van temperatuur. Dit maximumniveau geldt bij
15°C (gemiddelde temperatuur afvalwater bij ons). In de winter kunnen rivieren dicht bij 0°C
aanleunen terwijl dit in de zomer tot 20°C kan gaan. Bij 30°C (bij perfecte ecologische status) zou de
zalm het al moeilijk hebben met te ademen (!). Een vaak vergeten factor van klimaatverandering.
• Het redox potentiaal (ORP13 of Eh14) is de mate van de neiging van een substantie om dan wel elektronen te verliezen
(oxidatie) of elektronen te winnen (reductie), uitgedrukt in een positieve dan wel negatieve waarde. Het redox
potentiaal wordt uitgedrukt in volt (V). Typisch heeft redox potentiaal betrekking op de omgeving (bv water; indien
veel zuurstof in het water heeft het water een hoge redox potentiaal, indien weinig of anaeroob een lage redox
potentiaal).
o Een oxidant (bv zuurstof) heeft altijd een positief redox potentiaal. Zo is het redox potentiaal voor fluor (zeer
elektronegatief) zeer positief (E^0 = +2.87 V), nog positiever dan zuurstof.
o De Nernst vergelijking kijkt of er meer oxiderende substanties dan reducerende substanties in de oplossing
𝐴𝑜𝑥
zijn en bepaalt de totale ORP. Een log (𝐴𝑟𝑒𝑑 ) > 1 is een hogere ORP. Kleiner dan 1 een negatieve ORP.
▪ De probes / elektrodes waarmee men de ORP meet hebben ook een ORP waarde, let op. Voor
onderstaande tabel werd een zilver/zilver chloride elektrode gebruikt. Zeer nuttige tabel onder.
11
Vissen zwemmen door het water met hun mond open zodat het water met opgelost zuurstof door de mond door de kieuwen of
‘filters’ bestaande uit bloedvaten vloeien. Vissen zijn dus niet in staat om zoals bacteriën het zuurstof uit de watermolecule te halen
en moeten dit dus halen van opgelost zuurstof. Doordat het zuurstofniveau in het bloed van vissen nog steeds lager is dan het zeer
kleine zuurstofgehalte in water kunnen ze toch zuurstof opnemen.
12
Een concentratie kan worden uitgedrukt op m/m-basis: het aantal gram opgeloste stof per gram oplossing, of op m/v-basis, gram
opgeloste stof per milliliter oplossing. m/v concentraties worden vaak gebruikt bij de oplossing van een solide in een vloeistof, omdat
dit makkelijker te berekenen is. m/m concentratie wordt vooral gebruikt bij de oplossing van twee vloeistoffen bv ethanol en water.
Dit omdat temperatuur en druk het volume van de vloeistoffen kan beïnvloeden en niet hun massa. Beiden zijn converteerbaar naar
elkaar. Parts per million (ppm) kan zowel gebaseerd zijn op m/m of m/v type. In dit geval is de 10ppm in mg/L.
13
ORP = oxidatie, reductie potentiaal.
14
P_e is gelijkaardig aan pH. pH staat voor “power of hydrogen”, p_e staat voor “power of electrons” en meet de neiging van een
substantie om elektronen te winnen of verliezen.
10
