Uitgebreide uitleg over de chemische reacties in een septische put
Microbiële omzettingen in septische
putten: aard, omvang en betekenis
E. Vincke & W. Verstraete
Laboratorium Microbiële Ecologie en
Technologie - Universiteit Gent
(synthese van het oorspronkelijke document)
Samenvatting
Het meest aangewende systeem voor individuele waterzuivering is de septische put.
De werking van deze tank bestaat hoofdzakelijk uit een fysisch-chemische afscheiding van bezinkbare en drijvende bestanddelen uit de waterige fase.
Lichte deeltjes, zoals vetten en detergenten, stijgen naar
boven en vormen de drijvende laag. De zwaardere deeltjes worden
verwijderd en vormen een sliblaag onderaan in de tank.
De gesedimenteerde deeltjes ondergaan achtereenvolgens een
aantal anaërobe processen.
Gedurende de eerste twee jaren van verblijf van de deeltjes
treedt hydrolyse van organische macromoleculen op, waarna verdere
afbraak gebeurt met vorming van C02, methaan, H2,
en H2S.
Het zuiveringsrendement van een septische put is evenwel matig
en wisselvallig. Een verwijdering van BZV (Biologisch Zuurstof
Verbruik) tussen 30 en 50% en van zwevende stoffen tussen 20 en
90% is gangbaar. Er is echter weinig of geen verwijdering van
pathogene kiemen of van stikstof. Het is dan ook noodzakelijk dat
het effluent van de septische put via de riolering naar de
eigenlijke zuivering gebracht wordt.
Op regelmatige tijdstippen dient ook het geaccumuleerde slib
verwijderd te worden en eveneens naar de RWZI's
(Rioolwaterzuiveringsinstallatie) gebracht te worden.
Het gebruik en het belang van de septische put wordt actueel
in vraag gesteld.
Het lijkt daarom zinvol te onderzoeken in welke mate de
septische put toch bepaalde dusver ongekende mogelijkheden biedt,
onder andere op het vlak van de stikstofverwijdering of het
voorkomen van (door bacteriën gevormd) zwavelzuur-aantasting van
rioleringen. Ook is aandacht vereist m.b.t. de bijdrage van de
septische tank aan het broeikaseffect.
1. Inleiding
Septische tanks behoren tot de kleinschalige alternatieve
waterzuiveringen en worden gebruikt bij de voorzuivering in de
individuele waterzuivering en in kleine
waterzuiveringsintallaties.
Deze tanks zijn opgebouwd uit een of meer tussenschotten en
hebben als doel een scheiding tussen vloeistof en vaste
componenten te bewerkstelligen.
Hierbij blijven de vaste componenten, het zogenaamde slib in
de tank achter en het effluent gaat naar de riool of kan verder
verwerkt worden via enerzijds een bodeminfiltratiesysteem of
anderzijds een biologische zuivering. De vaste gesedimenteerde
componenten ondergaan verschillende anaërobe microbiële
processen met reductie van het volume.
Boven op de vloeibare, 'heldere' laag bevindt zich een derde,
drijvende laag, deze bestaat vnl. uit vetten, zeep en
detergenten. Deze drijflaag wordt weinig of niet door microbiële
inwerking afgebroken.
Het gedeeltelijk afgebroken vaste bodemmateriaal en de
drijvende laag moet periodisch verwijderd worden.
In hetgeen volgt zullen vnl. de microbiële processen
besproken worden die optreden bij de anaërobe afbraak van het
slib in de septische tank.
2. Microbiële activiteit
2.1. Anaërobe vergisting algemeen
Bij anaërobe slibvergisting spelen achtereenvolgens vier
verschillende processen een rol om een omzetting te bekomen van
complexe macromoleculen, aanwezig in het afvalwater tot biogas.
De methaangisting is een complex proces dat enkel optreedt onder
strikt anaërobe omstandigheden. Hierbij kunnen de volgende
stappen onderscheiden worden.
-
Hydrolyse:
- start van de biodegradatie van organisch
materiaal - complexe macromoleculen worden omgezet in
oplosbare componenten met een lager moleculair
gewicht. - omzetting door enzymen, afgescheiden door de
bacteriën
- start van de biodegradatie van organisch
-
Acidogenese:
- opgeloste componenten worden vervolgens opgenomen
worden door anaërobe bacteriën. - vorming van eenvoudige organische componenten
zoals vluchtige vetzuren, alcoholen, melkzuur en
minerale componenten (C02, H2,
ammoniak en H2S)
- opgeloste componenten worden vervolgens opgenomen
-
Acetogenese
- omzetting tot acetaat, H2 en C02.
- ook vorming van C02 of H2
-
Methanogenese
- productie van methaan door strikt anaërobe
bacteriën - de bacteriën die gebruik maken van C02 en
H2 om methaan te produceren, groeien
sneller dan de bacteriën die acetaat gebruiken. - bijj de opeenvolgende anaerobe omzettingen wordt
hoofdzakelijk organische koolstof verwijderd
onder de vorm van C02 en methaan; de
andere elementen blijven evenwel behouden in de
waterige fase. - organische stikstofverbindingen worden
grotendeels omgezet in ammonium en amines - zwavelverbindingen worden hoofdzakelijk omgezet
in sulfide en sulfaat - fosfaat wordt gedeeltelijk geabsorbeerd op de
vaste deeltjes en ten dele in oplossing gebracht
- productie van methaan door strikt anaërobe
2.2. Anaerobe omzettingen in een septische tank
De septische tank wordt normaliter gevoed met het zogenaamde
'zwarte water' . Het zwarte water is het water afkomstig van de
toiletten en bevat hoofdzakelijk fecaliën, urine en spoelwater.
'Grijs water' van onder meer baden, wasmachines en
keukeneffluent gaat meestal rechtstreeks naar de riool. Er komen
evenwel heel wat variaties voor. Het volledige huishoudelijk
water kan o.a. via de septische put afgevoerd worden.
De septische tank kan eigenlijk beschouwd worden als een
bezinkingstank, waarbij de vaste deeltjes aanwezig in het
afvalwater opgeslagen worden en door anaërobe micro-organismen
afgebroken worden. Onderzoek heeft uitgewezen dat
afbraakprocessen optreden in de vaste laag die zich vormt
onderaan de septische tank. De start van de microbiologische
activiteit is evenwel zeer traag en slechts na 4 tot 5 jaar wordt
het biologisch evenwicht bereikt in een septische tank
In de anaërobe afbraak in het algemeen kan de hydrolyse stap
limiterend zijn voor de snelheid van het algemeen reactieproces.
Een voorbeeld vormt de hydrolyse van vetten, die sterk vertraagd
is bij temperaturen lager dan 20 °C . De
methanogenese is eveneens sterk afhankelijk van de temperatuur,
zowel de snelheid als de efficiëntie van de verwijdering van het
organisch materiaal verminderen beneden de 20 °C.
De hydrolyse van zeer grote moleculen b.v. cellulose blijkt
niet limiterend te zijn bij de slibvergisting in een septische
tank ondanks de overwegend lagere temperaturen.
De septische tank heeft meestal de temperatuur van de bodem
(14-15 °C).
Onderzoek wees uit dat het grootste deel enzymen,
verantwoordelijk voor de hydrolyse reactie, geassocieerd zijn met
de onoplosbare slibpartikels en dat de enzymen zich allen
bevinden in het vaste deel en weinig of geen enzymatische
activiteit te detecteren is in de bovenstaande vloeistof.
Het toevoegen van hydrolytische enzymen, gisten of bacteriën
blijkt niet noodzakelijk te zijn voor een goede septische tank
werking. Bovendien helpt toevoegen weinig omdat de toevoegingen,
bacteriën en enzymen niet actief zijn onder de specifieke
voorwaarden van de septische put. Immers ze zijn meestal
aangekweekt onder veel gunstiger levensvoorwaarden. Ze worden
ofwel door de bestaande microbiota geïnactiveerd of kunnen het
complexe organisch materiaal niet aan.
Aldus spelen de volgende factoren een rol in de goede werking
van een septische put.
- Een eerste factor van betekenis is de temperatuur.
Onderzoek heeft uitgewezen dat in koelere klimaten een
frequentere verwijdering van het slib dient te gebeuren.
Dit is te wijten aan de lagere temperaturen die
vertragend werken op de aanwezige bacteriën. Aldus
verloopt de afbraak van opgelost en particulair organisch
materiaal traag wat leidt tot een toename van de
sliblaag. Het zou in de toekomst nuttig zijn om te
onderzoeken in welke mate laagwaardige warmte
(bijvoorbeeld aanwezig in afgassen van de
verwarmingsinstallatie of in bad- en waswater) kan benut
worden voor het verhogen van de temperatuur van de
septische tank boven de bodemtemperatuur. - De afmetingen van de septische tank zijn belangrijk.
Aangezien het evenwicht binnen de microbiële gemeenschap
slechts bereikt wordt na een aantal jaren, is het
noodzakelijk een voldoende capaciteit te hebben om een te
snelle slibverwijdering te vermijden. Anderzijds zijn de
afmetingen eveneens van belang voor het optreden van
verstopping van toevoer en afvoer en voor het vermijden
dat delen van het slib mee in het effluent komen.
Onderzoek naar materialen die een voldoende
slibverblijftijd teweegbrengen zonder evenwel te
verstoppen is ten zeerste aan de orde. - Normaal is het zwarte water ruim voorzien van alle nodige
voedingsstoffen voor de bacteriën. Het water is ook
voldoende gebufferd opdat er geen verzuring zou optreden
en de methaanvorming zou remmen. De micro-organismen
nodig om de complexe afbraakprocessen te bewerkstelligen
zijn aanwezig in fecaliën, doch ze moeten zich
'organiseren' in associaties die de processen doorvoeren
onder de specifieke omstandigheden in de septische tank,
d.w.z. lage temperatuur, relatief lage concentraties aan
nutriënten.
Bij het ruimen van het slib wordt ook steeds een beperkte
hoeveelheid slib in de tank achtergelaten om de
heropstart te bevorderen.
Over de slibruimtijden bestaat enige discussie. De
septische put moet jaarlijks geruimd met verplichte
afvoer van het septisch materiaal naar een RWZI
(overeenkomstig Vlarem II). Het echter niet nodig
jaarlijks een septische put te ledigen, de
slibaccumulatiesnelheid stabiliseert zich na het eerste
jaar en na een lichte stijging tussen het einde van het
eerste en het derde jaar, neemt deze snelheid terug af.
Deze vermindering van de accumulatiesnelheid is een
normaal gegeven voor de anaërobe digestie. - Het is duidelijk dat allerhande detergenten,
desinfectantia, antibiotica en diverse andere toxische
stoffen het best niet worden ingebracht in een septische
tank. De bestaande microbiële associaties zijn optimaal
gericht op normaal 'natuurlijk' organisch materiaal. In
geval van accidentiële vergiftiging van de septische
tank door inbreng van dergelijk stoffen kan beënten
nuttig zijn.
3. Het mogelijk belang van de
septische put
Het concept van de septische put werd ontwikkeld door de
Fransman Jean-Louis Mourras in 1871 en rond de eeuwwisseling
(1895) werd in Engeland door Donald Cameron voor het eerst de
naam septische tank gebruikt. Dit systeem vormde een primair
behandelingssysteem van afvalwater, waarbij vaste componenten
sedimenteerden en een biologische afbraak optrad. Het biogas dat
hierbij gevormd werd, werd in beperkte mate gebruikt voor
verwarming en verlichting.
Het aansluitend gebruik van een bodeminfiltratiesysteem vormt
heden nog een nuttige toepassing in voornamelijk landelijk
gelegen gebieden. Voordelen hierbij zijn de lage investerings- en
exploitatiekosten.
Septische putten worden uitgevoerd zowel in beton als in
kunststof. De kosten voor de aankoop van een dergelijke put
schommelen tussen 10.000 en 20.000 BEF voor een gemiddeld gezin.
Aangezien er geen bewegende onderdelen zijn en de slibproductie
laag is, zijn zowel de investerings- als de exploitatiekosten
laag. Op regelmatige tijdstippen dient evenwel nog het
geproduceerde slib verwijderd te worden.
Het gebruik van een septische put, aansluitend op de meeste
huishoudens, is evenwel met heel wat nadelen verbonden:
- De combinatie septische put-percolatieveld wordt zelden
toegepast en de doorgedreven zuivering treedt aldus niet
op. Het effluent van de septische put gaat meestal via de
riolering naar de eigenlijke waterzuivering. - De voorzuivering, het zuiveringsrendement aan de hand van
een septische put is slechts matig en zeer wisselvallig.
Er treedt ook weinig of geen verwijdering op van
pathogene kiemen. - Op regelmatige tijdstippen dient eveneens het slib en de
drijflaag verwijderd te worden, hetgeen gepaard gaat met
geurhinder.
De verwijdering van het slib gebeurt in de praktijk om de
3-4 jaar en de kostprijs van een ruiming beloopt ca 3000
BEF. Dit slib dient vervolgens behandeld te worden,
aangezien de mogelijke aanwezigheid van pathogenen, door
verbranding, compostering of verdere aërobe of anaërobe
vergisting van het slib.
Al bij al stelt zich de vraag of voor situaties zoals in
Vlaanderen gebruikelijk zijn nI. septische put aangesloten op
riool, die beperkte afbraak van organisch materiaal opweegt tegen
a. de investeringen en b. de kosten verbonden aan het ruimen.
4. Punten van onderzoek
Biogene zwavelzuuraantasting
In anaërobe omstandigheden kan naast de afbraak van organisch
materiaal en vorming van C02 en methaan eveneens H2S
gevormd worden. H2S wordt gevormd door sulfaat.
Reducerende bacteriën en kan aanleiding geven tot geurhinder
en corrosie.
Onder anaërobe omstandigheden en in aanwezigheid van
zwavelcomponenten, kan er competitie optreden tussen de
methaaanvormende en de sulfaat reducerende bacteriën
Door specifiek op bepaalde voorwaarden die een invloed hebben
op de competitie in te spelen, kan de sulfaat reductie, resp. de
methaanvorming gestimuleerd worden.
Door bacteriën veroorzaakte zwavelzuuraantasting van
rioleringen vormt een groot probleem, die met belangrijke
risico's, o.a. wegverzakkingen, en hoge kosten gepaard gaat.
Specifieke gevallen van renovatie van enkele kilometer
rioleringsbuizen waarbij de totaal prijs van het project oploopt
tot tientallen miljoenen zijn gekend.
Wanneer afvalwater traag stroomt of wanneer het gedurende een
voldoende lange periode stationair blijft, kan er een anaëroob
milieu ontstaan. In de sliblaag van leidingen kan ook een
anaëroob milieu gecreëerd worden. In deze anaërobe omgeving
zullen sulfaat reducerende bacteriën zwavelverbindingen omzetten
tot H2S.
Door verzuring en turbulentie komt het H2S vrij in
de rioolatmosfeer.
Het gas kan dan in deze zuurstofrijkere omgeving omgezet
worden tot elementaire zwavel en neerslaan in de condenslaag op
de wanden en de bovenzijde van de rioolbuis.
Daar wordt de elementaire zwavel omgezet tot zwavelzuur door
aërobe zwavel-oxiderende bacteriën. Afhankelijk van de
aanwezige nutriënten en de pH van de omgeving zullen de
verschillende bacteriën zich op het betonoppervlak ontwikkelen.
De bacteriën produceren zwavelzuur waardoor plaatselijk zeer
lage pH-waarden kunnen optreden. De inwerking van het zwavelzuur
leidt tot degradatie van het beton oppervlak.
Steunend op de inzichten ten aanzien van het feit dat methaan
bacteriën en sulfaat reducerende bacteriën elkaar ten dele
beconcurreren, lijkt het mogelijk om beton tegen biogene
zwavelzuur aantasting te beschermen, op basis van het specifiek
gebruik van septische tanks:
- Beperking van H2S -vorming:
Door de bouw van septische putten op kritische plaatsen,
kan getracht worden om de methaanvorming te stimuleren,
in die mate dat ze weinig kans laten voor de sulfaat
reduceerders. Hierbij zouden de gemakkelijk degradeerbare
substraten afgebroken worden en aldus bij verdere
stroming van het effluent doorheen de rioleringsbuizen
niet meer aanwezig zijn voor de sulfaat reducerende
bacteriën. - Locale beheersing van H2S-vorming:
Aan de hand van de bouw van septische putten op kritische
plaatsen voor H2S vorming, kan getracht worden
om de sulfaat reducerende bacteriën te stimuleren. Op
deze plaatsen zou een maximale vorming van H2S
optreden, die vervolgens door een hierop aangesloten
filtersysteem opgevangen zou kunnen worden. Hierdoor zou
tijdens het transport van het afvalwater doorheen de
rioleringsbuizen geen H2S meer vrijkomen en de
daarop volgende omzetting in het corrosieve zwavelzuur
niet meer optreden.
Broeikaseffect
De in septische tanks gevormde methaan komt nu in de atmosfeer
terecht . methaan draagt ca. 20 maal meer bij tot het
broeikaseffect dan C02 (Global warming potential :
21).
Berekeningen leren dat per inwoner op die wijze tussen 2 en 5
liter methaangas per dag wordt geproduceerd. Dit lijkt weinig,
maar gezien de grote impact van methaan, is dit toch niet te
verwaarlozen in het geheel van het streven naar de akkoorden van
Rio.
Het lijkt in die zin belangrijk dat wordt onderzocht in welke
mate de emissie van methaan door septische tanks kan
worden beperkt via aansluitende thermische of biologische
eliminatieprocessen. Door een dergelijke maatregel kan tot 10%
van de opgelegde besparing aan C02-equivalent emissies
kan gerealiseerd worden. Dit is verrassend veel en verdient
nadere evaluatie.