Water

## Afvalwater

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]

Rioolwater bestaat uit grijs afvalwater en zwart afvalwater. Zwart afvalwater is toiletwater, dit is veruit het meest vervuild. Dit soort afvalwater bevat veel: bacteriën, organische stoffen, meststoffen als stikstof en fosfor en medicijnresten. Dit organisch materiaal wordt allemaal verspild terwijl er energie mee opgewekt kan worden. Met een PMFC kan dit omgezet worden in energie. Daarbij wordt het afvalwater gezuiverd, terwijl dat met de huidige waterzuiveringstechnieken juist energie kost.

Al het andere huishoudelijke afvalwater heet grijs water. Dat is bijvoorbeeld  het water van de douche en wasmachine. Rioolwater bevat soms ook dingen die er niet in thuis horen, zoals vochtige doekjes, tampons en frituurvet: alles wat in een afvoerput belandt, zit in onze afvalwaterstroom. De hoeveelheden organische stof, stikstof en fosfor in afvalwater zijn niet al te  hoog, maar omdat de mensheid zoveel afvalwater produceert, moet ook dit afvalwater gezuiverd worden.

Middelmatig vervuild afvalwater lijkt het meest op Nederlands afvalwater.

Tabel 1, Ingrediënten van typisch binnenlands afvalwater

TDS (Total Dissolved Solids) wordt over het algemeen niet als een primaire verontreinigende stof beschouwd (het wordt bijvoorbeeld niet als geassocieerd met gezondheidseffecten beschouwd). Het wordt gebruikt als een indicatie van de zuiverheid van drinkwater en als een verzamel indicator voor de aanwezigheid van een breed scala aan chemische verontreinigingen.

Momenteel wordt al deze concentraties verlaagt in waterzuiveringen, eerst worden de grove deeltjes verwijderd (zand en dergelijke), vervolgens wordt m.b.v. een onthardingsinstallatie de kalk verwijderd, actief kool om het water nog schoner te maken en vervolgens langs een UV lamp om aanwezige bacterie deeltjes te doden. Dit kost allemaal energie, maar met de PMFC wordt er juist energie opgewekt door de zuivering van deze stoffen uit het afvalwater.

De meeste waterzuiveringen gebruiken bacteriën wel in het zuiveren, maar de energie wordt niet opgevangen. Er zit wel een verschil tussen de bacteriën in de slib van een waterzuivering en de bacteriën die elektronen doorgeven in de Plant microbiële brandstofcel. Het belangrijkste verschil is dat de bacteriën in de Plant Microbiële brandstofcel, biofilms moeten kunnen vormen bij de anode om gemakkelijk de elektronen te kunnen doneren. Het is ook mogelijk dat de bacteriën de elektronen afgeven met de hulp van nanowires.

Wij als Nederlands verbruiken zo 46.000L water per jaar. Dit water moet worden gereinigd en ook hier kan de PMFC een rol spelen.

Nederlands drinkwater is van zeer hoge kwaliteit. Het kost, afhankelijk van woonplaats, € 0,8-1,5 per kubieke meter (inclusief belasting). Het drinkwater wordt gemaakt uit oppervlakte- of grondwater. Hiervoor gebruiken de drinkwaterbedrijven naast diverse chemicaliën behoorlijk wat primaire energie, wat overeenkomt met 2-3 procent van wat de gemiddelde Nederlander per jaar thuis aan elektriciteit verbruikt (circa 1.000 kWh). Dus door minder water te verbruiken, besparen we ook energie.

Er zijn momenteel al projecten die afvalwater van kleine gemeenschappen filteren met PMFC’s tot pathogeenvrij water wat gebruikt kan worden voor irrigatie. Een voorbeeld hiervan is iMETland die op 10 plekken afvalwater al filteren op deze manier. Het grootste voordeel hiervan is dat het filteren met PMFC’s van afvalwater energie neutraal gebeurd en mogelijk zelfs energie opbrengt.

## BOD

[4] [5] [8] [9] [10]

BOD/BZV = de biochemische zuurstofbehoefte bij 20 °C gedurende 5 dagen. Het  is een maat voor de biologisch afbreekbare organische stof in het afvalwater. Bij de afbraak van elke kilogram Biologische Zuurstof Verbruik (BZV/BOD) ontstaat ongeveer een halve kilogram biomassa.

De BZV wordt gebruikt om uit te drukken hoe zuiver of verontreinigd water is. Hoe vuiler het water is, hoe meer zuurstof micro-organismen nodig hebben om de vervuiling te verwerken.

Tabel 2, BZV concentratie afvalwater.

 BOD / BZV

Deze BZV waarden geven een hoeveelheid biologisch materiaal aan in het waarden, als je glucose zou gebruiken in het afvalwater zou je de hoeveelheid glucose in het afvalwater zo kunnen berekenen:

C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O

Molaire massa Glucose = 180 g/mol

Molaire massa O2 = 32 g/mol

Hoeveelheid BZV Bekend = Bijv. 0,16 g/L

Er wordt berekent van de bekende hoeveelheid BOD op de plaats van de O2 naar de hoeveelheid corresponderende glucose.

voor 1L water met BZV van 0,16 g/L

0,16g / 32g = 0,005 mol O2

C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O

6 O2 staat tot 1 glucose.

0,005/6 = 0,00083 mol glucose

Doe de hoeveelheid mol glucose keer de molaire massa van glucose

0,00083\*180 = 0,15g glucose

0,15 gram glucose toevoegen aan 1 liter water voor de BZV van 0,16g/L.

Het BZV in afvalwater is vooral afkomstig van zwart afvalwater en grijs afvalwater.

Verdere natuurlijke bronnen van BZV omvatten: bladeren, houtachtig puin, dode planten, dode dieren, dierlijke mest, falende septische systemen, afvoer van stedelijk regenwater, enz.

Sterk vervuild water heeft vaak een hoge BZV-waarde (tot 5000 mg/l). Deze mate van vervuiling leidt uiteindelijk tot uitputting van de zuurstofvoorraad in het water ( een anoxische situatie) met als gevolg sterfte van waterorganismen. De BZV kan worden gebruikt in een Plant Biologische Brandstofcel om energie op te wekken. Het is ook mogelijk om biogas op te wekken met BZV. Momenteel wordt in de meeste waterzuiveringen alleen bacteriën gebruikt om de BZV te verlagen zonder energie productie.

## Fosfor

[5] [11] [12]

Fosfor is een bestandsdeel van menselijk afvalwater. Fosfor wordt samen met Stikstof beschouwd als een verontreinigende meststof die de overmatige groei van algen en cyanobacteriën kunnen veroorzaken. Dit wordt ook wel eutrofiëring genoemd. Meestal is de hoeveelheid fosfor in het afvalwater ongeveer 10mg/L.

Tabel 3, stikstof en fosfor concentratie in nederlands afvalwater.

 BZV
 Stikstof
 Fosfor

Fosfor is een essentieel element voor planten en dieren en daarmee de voedselproductie. Als nutriënt in kunstmest wordt het wereldwijd toegepast als voedingsstof voor gewassen. Door de groeiende wereldbevolking, de toenemende vleesconsumptie en het verbouwen van gewassen die worden verbouwd voor de winning van biobrandstoffen neemt de vraag naar fosfaat steeds toe.

Via de invoer van diervoeders voor de Nederlandse veehouderij komt veel fosfaat in het Nederlands milieu (bodem en oppervlaktewater) terecht.

De totale, water gerelateerde emissie, van fosfor in Nederland bedroeg 15,2 miljoen kg in 2012. 95% van deze fosfor werdt in het riool geloosd. Consumenten lozen de meeste fosfor door sanitatie en in mindere mate door gebruik van schoonmaak- en wasmiddelen. Na de consumenten komen de bedrijfstakken: voedings- en genotmiddelenindustrie, landbouw, afvalbehandeling en chemische industrie. De bedrijfstakken landbouw en chemische industrie lozen vooral fosfor op het oppervlaktewater.

De rioolwaterzuiveringsinstallaties (RWZI’s) zuiveren het afvalwater dat via het openbaar riool wordt aangevoerd. Het influent bevat gemiddeld 6,8 mg fosfor per liter in 2012. Na zuivering is het gehalte omlaag gebracht tot gemiddeld 1,1 mg per liter in het effluent. Het zuiveringsrendement bedraagt daarmee 85 procent en licht onder de grens van 2,0 mg/L.

## Zware metalen

[13] [14] [15] [18]

Afvalwater bevat naast een verscheidenheid aan stoffen uit huishoudens, ook stoffen uit  industriële bronnen. Hieronder vallen een aantal potentieel toxische elementen, zoals: arseen, cadmium, chroom, koper, lood, kwik, zink, enzovoorts. Zelfs als giftige materialen niet aanwezig zijn in concentraties om mensen te beïnvloeden, kunnen de potentieel schadelijke stoffen zich in het plantenweefsel ophopen tot een niveau dat de optimale groei en de ontwikkeling van planten beïnvloedt. Het is de vraag hoe groot dit effect zal zijn. Aan de hand van de resultaten aan de metingen in de PMFC kan er bepaald worden of het vooraf verwijderen van metalen effectiever is voor de plant en de energieopbrengst.

Door aanpak bronnen lagere aanvoer via influent

Ofschoon de aanvoer van afvalwater bij rioolwaterzuiveringsinstallaties (RWZI's) sinds 1985 is toegenomen, is voor de meeste metalen de aanvoer via het influent sterk gedaald. Voor cadmium, kwik, chroom en nikkel is de sanering van industriële bronnen de belangrijkste reden voor deze daling. Door de invoering van loodvrije benzine is de afspoeling van lood vanaf wegen naar de riolering aanzienlijk verminderd. Voor wat betreft koper en zink is de aanvoer ook iets verminderd. Via een gerichte bronaanpak van deze metalen wordt getracht de aanvoer verder te verminderen.

Hogere zuiveringsrendementen

Voor een aantal metalen is het zuiveringsrendement de laatste twintig jaar verbeterd. De hogere rendementen zijn vermoedelijk een gevolg van het feit dat het afvalwater in de huidige generatie rioolwaterzuiveringsinstallaties een langere verblijftijd heeft. Hierdoor kunnen de metalen beter aan het zuiveringsslib adsorberen.

### **Toxiciteitsproblemen**

Verontreiniging van landbouwgrond door zware metalen is een kritiek milieuaspect geworden vanwege de potentiële negatieve ecologische effecten van deze stoffen. Dergelijke giftige elementen worden beschouwd als bodem verontreinigende stoffen vanwege hun wijdverbreide voorkomen en hun acute en chronische toxische effecten op planten die uit dergelijke bodems zijn gekweekt.

Planten die worden blootgesteld aan hoge Cd-niveaus, verminderen de fotosynthese, de opname van water en de opname van voedingsstoffen. Planten die worden gekweekt in grond met een hoog Cd-gehalte vertonen zichtbare symptomen van verwonding die worden weerspiegeld in termen van chlorose, groeiremming, bruin worden van worteluiteinden en uiteindelijk de dood. Cd is niet essentieel.

Zn-concentraties in verontreinigde bodems overschrijden vaak de concentraties die nodig zijn als voedingsstoffen en kunnen fytotoxiciteit veroorzaken (schadelijk effect op plantengroei). Hoge niveaus van Zn in de bodem remmen veel metabole functies van planten; leiden tot vertraagde groei en veroorzaken veroudering.

Koper (Cu) wordt beschouwd als een micronutriënt voor planten en speelt een belangrijke rol bij CO2-assimilatie en ATP-synthese. Cu is ook een essentieel onderdeel van verschillende eiwitten. Overtollig Cu in de bodem speelt een cytotoxische rol, veroorzaakt stress en veroorzaakt schade aan planten. Dit leidt tot groeiachterstand van planten en bladchlorose.

Een hoog niveau van Hg2 + is sterk fytotoxisch voor plantencellen. Het toxische niveau van Hg2 + kan zichtbare verwondingen en fysiologische stoornissen bij planten veroorzaken. Hg2 + kan bijvoorbeeld binden aan waterkanaaleiwitten, waardoor bladmondjes worden gestimuleerd om de waterstroom te blokkeren.  Een hoog niveau van Hg2 + verstoort ook de mitochondriale activiteit.

Chroom (Cr) is een zwaar metaal dat ernstige milieuverontreiniging veroorzaakt in bodem, sedimenten en grondwater. Cr is een zeer giftig, krachtig epitheel irriterend middel en een bewezen carcinogeen voor de mens. De toxiciteit van Cr is bij veel planten onderzocht. Overtollige Cr veroorzaakt remming van plantengroei van wel 40%, verwelking van toppen en wortelbeschadiging.

Lood (Pb) is een van de meest verspreide giftige elementen in de bodem. Een hoog niveau van Pb veroorzaakt ook remming van enzymactiviteiten, wateronbalans, veranderingen in membraanpermeabiliteit en verstoort minerale voeding.

Kobalt (Co) komt van nature voor in de aardkorst. Planten kunnen een kleine hoeveelheid Co uit de grond verzamelen. De opname en distributie van Co in planten verschilt per plant. Co heeft nadelige effect op scheutgroei en biomassa.

Hoge Ni2 +-bevattende grond resulteerd in een verstoring van de celmembraanfuncties van de plant.

De gevolgen van zware metalen bij bacteriën verschillen per bacterie, maar het is wel een bekent fenomeen dat zware metalen voor microben vaak toxisch zijn.

SMFC's (Sediment Microbial Fuelcel) zijn een nieuwe technologie voor de gelijktijdige productie van hernieuwbare energie en bioremediatie van zware metalen. SMFC hebben ook het voordeel dat ze tijdens het filteren energie kunnen genereren. Dit komt omdat de SMFC de mogelijkheid hebben om elektronen van elektroden over te dragen met behulp van natuurlijke elektronshuttles.

Zware metalen kunnen gefilterd worden uit afvalwater door met behulp van slib een onstabiele colloidale suspensie te vormen met de zware metalen. Deze suspensie kan gemakkelijk gefilterd worden door bezinking, coagulatie en snelfiltratie.

## Regenwater (blauw water)

[5] [4]

Blauw water, aka hemelwater,  is afvalwater wat bestaat uit regenwater. Blauw water hoeft niet gezuiverd te worden tenzij het gemengd is geweest met andere soorten water. Regenwater kan het afvalwater in de PMFC verdunnen waardoor het BZV verlaagt wordt.

## Stikstof

[5] [11]

Stikstof is een bestandsdeel van menselijk afvalwater De meeste door mensen uitgescheiden stikstof is in de vorm van organische stikstof (dood celmateriaal, eiwitten, aminozuren) en ureum.

Stikstof wordt samen met Fosfor beschouwd als een verontreinigende meststof die de overmatige groei van algen en cyanobacteriën kunnen veroorzaken. Dit wordt ook wel eutrofiëring genoemd. Voor stikstof is dit het meest schadelijk in de kustgebieden.

Het gemiddelde afvalwater bevat 50 mg/L stikstof.

 BZV
 Stikstof
 Fosfor

Ammoniak is de belangrijkste vorm van stikstof die de septic tank verlaat. In aanwezigheid van zuurstof breken bacteriën ammoniak af tot nitraat.

Nitraat kan ernstige gezondheidseffecten hebben wanneer het in drinkwaterbronnen terechtkomt en wordt geconsumeerd. Nitraat en andere vormen van stikstof kunnen ook schadelijke gevolgen hebben voor het milieu, vooral het eerder genoemde eutrofiëring.

## Zacht en hard water

[16] [17]

Calciumcarbonaat is een alledaagse stof dat veelal in water teruggevonden kan worden, de stof Calcium bepaald onder andere of het water “hard” of “zacht” genoemd kan worden, bij veel calcium wordt er gesproken over “hard” water. Een plant heeft calcium nodig om te overleven, aangezien anders de zuurgraad zodanig kan veranderen dat de plant dood kan gaan.

In Nederland wordt verreweg het meeste drinkwater uit de bodem gewonnen. In de Nederlandse bodem zitten diverse kalklagen, in het verleden lag Nederland in de zee en vooral de afzetting van schaaldieren heeft ervoor gezorgd dat de bodem ook nu nog rijk is aan kalk.

De waterhardheid drukken we in Nederland over het algemeen uit in het aantal Duitse graden (dH, deutsche Härte), waarbij 1 dH gelijk staat aan 17,8 milligram CaCO3 (calciumcarbonaat=) kalk per liter leidingwater.

De waterbedrijven gebruiken zogenaamde pellet reactoren om de waterhardheid terug te brengen. Deze techniek maakt gebruik van een soort pingpong balletjes waar de kalk op neerslaat nadat er een reactie op gang wordt gebracht door het toevoegen van een katalysator. Het nadeel van deze methode is dat je de waterhardheid met maximaal 50% kunt reduceren waardoor je niet in de buurt komt van de kalkaanslag-vormende grens van 2,7 dH. Daarbij zijn de waterleidingbedrijven gehouden aan een minimale waterhardheid van 5,6 dH.

Hard water vormt geen gevaar voor de volksgezondheid.

### **De functies van calcium**

• Elke plant heeft calcium nodig om te groeien.

• Eenmaal gefixeerd is calcium niet mobiel in de plant. Het is een belangrijk bestanddeel van celwanden en kan alleen worden geleverd in het xyleemsap. Dus als de plant geen calcium meer heeft, kan hij calcium uit oudere weefsels niet opnieuw mobiliseren.

• Als de transpiratie om welke reden dan ook wordt verminderd, zal de calciumtoevoer naar groeiende weefsels snel ontoereikend worden.

Zonder voldoende hoeveelheden calcium ervaren planten verschillende problemen.

#### **De voordelen van calcium**

Calcium speelt een zeer belangrijke rol bij de groei en voeding van planten en bij de afzetting van celwanden.

De belangrijkste rollen van calcium:

• Als bodemaanpassing helpt calcium om de chemische balans in de bodem te behouden, het zoutgehalte van de bodem te verminderen en de waterpenetratie te verbeteren.

• Calcium speelt een cruciale metabole rol bij het verwijderen van koolhydraten.

• Calcium neutraliseert celzuren.

#### **Toxiciteitsproblemen**

Voor alle praktische doeleinden wordt calcium niet als giftig voor planten beschouwd. Hoewel zeldzaam, kan een teveel aan calcium in de grond de opname van andere voedingsstoffen door een plant, zoals fosfor, kalium, magnesium, boor, koper, ijzer of zink, verminderen, wat resulteert in tekorten aan deze voedingsstoffen.