Project

Verwijdering van toxisch selenium uit (afval) water op een milieuvriendelijke manier

Deze pagina is bijgewerkt op September 17, 2020
Verwijdering van toxisch selenium uit (afval) water op een milieuvriendelijke manier
Startdatum
01/01/2017
Einddatum
01/01/2021
Label
(Afval)waterhergebruik en resource recovery
Contact

WUR

Dr. J. Weijma
Dr. R. van der Weijden
Prof. C. Buisman

Selenaat is een verontreiniging die o.a. aanwezig is in waterige effluenten in de mijnbouw en metallurgische industrie. Er is geen effectieve chemische methode beschikbaar om de stof te verwijderen. Daarentegen kan selenaat door specifieke micro-organismen worden omgezet naar seleen: een vaste stof die kan worden gefiltreerd. De omzettingssnelheden in bioreactoren zijn echter laag. Daarnaast zijn de effluenteisen voor selenaat extreem laag; vaak <20 ppb of zelfs lager. Omdat selenium schaars is maar ook een belangrijk als nutrient en technologische toepassingen, is behalve het verwijderen ook het terugwinnen ervan belangrijk.

Met dit project wordt kennis verkregen over proces condities en reactorontwerp die optimaal zijn voor het verwijderen tot zeer lage selenaat-concentraties, zodat investeringskosten voor toepassing op grote schaal beperkt blijven. Daarna kan deze  kennis worden gebruikt om pilots te starten met industrieel afvalwater, voor het testen van het proces in de praktijk.

Technologie

Micro-organismen zijn in staat om bij een temperatuur van 30oC en een pH omtrent 7, selenaat naar selenium om te zetten door reductie met elektronen met een (bioafbreekbare) elektrondonor. Omdat vaak met slib wordt gewerkt, is de populatie van selenaat-reduceerders eerst niet dominant. Daarom worden de condities en compositie van de instroom over een bestek van maanden langzaam veranderd, zodat op selenaat-reduceerders wordt geselecteerd. Dit zorgt ervoor dat de omzetsnelheid, de mate van omzetting en het limiteren van verbruik van elektrondonoren worden geoptimaliseerd.

Om het gevormde selenium te kunnen afscheiden, is het wenselijk om grotere kristallijne deeltjes te produceren. De verblijftijd van vast selenium in de bioreactor is daarom van belang. Een goede balans tussen de snelheid van uitvoer van de reactor en het gewenst te behandelen volume in de tijd naar de reactor, zorgt ervoor dat gevormde kleine deeltjes voldoende tijd hebben om te kristalliseren en te sedimenteren en niet in suspensie de reactor te verlaten. Daarnaast kan ook het soort elektrondonor hierin een rol spelen, niet alleen vanwege de biologische omzetsnelheid maar ook vanwege de afbraakproducten die invloed op de kristallisatie kunnen hebben.

Uitdaging

Het selectief en maximaal omzetten van selenaat naar te recyclen selenium is de focus van het project. Omdat afvalstromen naast selenaat ook andere stoffen bevatten zoals nitraat en sulfaat kan de voor selenaat geoptimaliseerde reducerende biomassa minder effectief worden en na enige tijd ook qua populatiesamenstelling veranderen. Onderzocht wordt welke procescondities en reactorontwerp kunnen worden gekozen zodat reactoren op een duurzame manier selenaat tot zeer lage en voor de wet acceptabele concentraties kunnen verwijderen en dat seleniumkristallen kunnen worden afgescheiden voor recycling.

Een aantal mijnen in Canada is gesitueerd in gebieden met een kwetsbare ecologie. De Canadese overheid heeft aan de industrie strenge eisen opgelegd om vervuiling van rivieren met selenaat te vermijden. Door het kweken van een specifieke microbiële biomassa in continubioreactoren beoogt dit project zowel hoge conversiesnelheden als lage concentraties aan selenaat te bereiken.

Oplossing

In dit project worden diverse bioreactoren gevoed met selenaat en een substraat (ethanol) voor de micro-organismen. De bioreactoren hebben een volume van ca. 1 liter. Het kweken van de specifieke selenaat-reducerende microbiële biomassa neemt enige tijd in beslag, de reactoren zullen daarom lang (1-2 jaar) in bedrijf zijn.

De reactie die we beogen te bereiken in de reactoren is: 2 SeO42- + C2H5OH + 2 H+ → 2 Se0 + 2 HCO3- + 3 H2O

Het gevormde seleen is een vaste stof. Een probleem is dat vaak colloïdaal seleen wordt gevormd, wat moeilijk is af te scheiden met bijvoorbeeld een bezinker. In het project beogen we het seleen te laten groeien tot grotere, beter afscheidbare kristallen, door dit met de juiste condities te stimuleren.

Het bioreactor-proces van selenaatreductie is wel eerder onderzocht; de bereikte omzettingssnelheden zijn echter laag. Door gedurende lange tijd biofilm te kweken in de bioreactor, en dit hierin ook effectief op te hopen, beogen we de snelheid met een factor 5 te verhogen.

De bioreactor is van het type Sequenced Batch Reactor. Temperatuur en pH worden geregeld, en ethanol, selenaat en de benodigde voedingsstoffen worden met tussenpozen in de reactor gepompt. Redox en pH worden continu gemonitord. De selenaatconcentraties in het effluent worden gevolgd voor het bepalen van de efficiëntie van selenaatverwijdering. Met röntgendiffractie wordt vastgesteld welke seleenvorm wordt geproduceerd.

Het resultaat is dat in de energie, mijnbouw en metallurgie sectoren lozing van  milieuschadelijke afvalstromen wordt voorkomen en dat selenium terugkomt in de resource cycle voor gebruik.

Deel op