Duurzame methode voor verwijdering van medicijnresten en PFAS
Cyclodextrinepolymeren en kogelmolen vernietigen vervuiling in afvalwater
Medicijnresten en PFAS kunnen worden gefilterd met een filter dat cyclodextrine polymeren bevat. Wanneer dit filter verzadigd is, kan het worden geregenereerd met ethanol. Het daaruit verkregen regeneraat is een mengsel van ethanol, medicijnresten en PFAS. De kogelmolen, ook wel 'ball mill' genoemd, is een methode om deze medicijnresten en PFAS te vernietigen uit deze regeneraatoplossingen. Dit vereist echter wel een uitgebreide voorbehandeling met membraanindikking en verdamping. De eerste pilot in Lelystad is succesvol afgerond en nu volgt een tweede pilot in Dordrecht.
Via ons afvalwater komen veel medicijnresten en PFAS in het milieu terecht. Het is zeer moeilijk om deze uit ons afvalwater te halen op een groene manier. Waterschap Zuiderzeeland en ingenieursbureau Witteveen+Bos hebben met succes een pilot uitgevoerd waarbij cyclodextrines als absorberende stof werden gebruikt.
De onafbreekbare PFAS-stoffen, die door PFAS producerende bedrijven in het afvalwater belanden, kunnen in rivieren terecht komen en zo overal veel verontreiniging veroorzaken. Waterschappen hebben grote moeite PFAS en andere verontreinigingen uit het afvalwater te verwijderen en doen dat momenteel via adsorptie aan actief kool, waarna deze bij meer dan 1200 °C wordt verbrand. Dit is een inefficiënte techniek die ook niet erg milieuvriendelijk is. Hierdoor zijn er andere methodes in ontwikkeling.
De Europese richtlijn stelt dat vanaf 2045 minimaal 80% van alle microverontreinigingen uit het afvalwater moeten worden gezuiverd
In 2023 was er een eerste pilot hiervoor bij waterschap Zuiderzeeland in Lelystad. Hierbij bleek dat cyclodextrinepolymeren (CDP's) (zie figuur 1) kunnen dienen als adsorbens van PFAS en ook medicijnresten. De afgevangen PFAS en medicijnresten kunnen hierna vernietigd worden met een kogelmolen. Deze pilot werd begeleid door het ingenieursbureau Witteveen+Bos.
Cyclodextrine
Cyclodextrine is een cyclische polysaccharide die gemakkelijk uit maïszetmeel kan worden geïsoleerd. Dit polymeer kan gecombineerd worden met een specifieke crosslink-agent. Hierdoor kan een stofspecifieke adsorptie worden verkregen.
Het Amerikaanse bedrijf Cyclopure heeft cyclodextrine gebruikt om herbruikbaar filtermateriaal te maken onder de naam DEXSORB. De cyclodextrines hierin hebben de vorm van selectieve cupjes, waarin precies een medicijnrest of een PFAS-molecuul past (zie figuur 1).
Regeneratie
Met methanol of ethanol kun je het verzadigde filterbed reinigen met meerdere regeneratierondes. Als de regeneratie voltooid is, heb je een mengsel van afgevangen PFAS en medicijnresten opgelost in ethanol. Dit wordt vervolgens ingedikt met membraanfiltratie en indamping. Hierna gaat het naar een kogelmolen (zie figuren 2 en 3) voor destructie.
Kogelmolen
De kogelmolen is een cilindervormig apparaat dat roteert (zie figuur 4). Het bevat metalen ballen van verschillende formaten die door harde botsingen met hoge energie en veel frictie, een hoge temperatuur bereiken.
Dit proces vernietigt PFAS en medicijnresten. Hierbij wordt een hoog rendement gehaald voor PFAS met een lage CO2-voetafdruk. In vergelijking met verbranding, heeft deze techniek weinig energie nodig om PFAS te vernietigen, wat het duurzaam maakt.
Pilotonderzoek Lelystad
In Lelystad is een pilotonderzoek gedaan, waarbij bleek dat ten minste 70 % van de verontreinigingen en 80 % van de PFAS op bovenstaande wijze verwijderd konden worden. Volgens Cyclopure moet echter een rendement van 95 % PFAS-afbraak mogelijk zijn.
Er waren twee uitdagingen bij het onderzoek voor het gezuiverde afvalwater. De eerste uitdaging was dat er te weinig PFAS in het afvalwater zat om de mate van verwijdering goed te kunnen meten. Voor de andere microverontreinigingen was dit wel mogelijk.
De tweede uitdaging is dat de contacttijd tussen het filter in de filterkolom en het water bij de eerste pilot niet optimaal was. Om de microverontreinigingen goed te verwijderen op een grotere schaal is een langere contacttijd in de filterkolom nodig.
Verder is ook nog onbekend wanneer het desorptie-evenwicht wordt bereikt tussen de regeneratie-oplossing (ethanol) en de filterkolom (DEXSORB). Het bepalen van de benodigde contacttijd in de filterkolom om de maximaal haalbare desorptie tijdens de regeneratie te halen, kan de efficiëntie van de regeneratie verbeteren en het proces optimaliseren.
Tweede pilot
De waterschappen en Witteveen+Bos hebben een tweede pilot gestart bij een andere rioolwaterzuivering (rwzi Dordrecht van waterschap Hollandse Delta) om het bovenstaande te onderzoeken. In november 2024 arriveerde de proefinstallatie op de Dordtse rioolwaterzuivering (zie foto bovenaan dit artikel). Er zijn hier optimalisaties uitgevoerd in het ontwerp van het filter en het terugspoelregime om betere adsorptiecondities te krijgen. Het doel is uiteindelijk om een full-scale toepassing van de techniek te realiseren en PFAS en medicijnresten met een kogelmolen te vernietigen.
De voordelen
De hier beschreven methode heeft vele voordelen zoals: de selectiviteit voor microverontreinigingen, de hernieuwbaarheid en duurzaamheid ten opzichte van conventionele adsorptietechnieken zoals actief kool. Het beladen adsorbens kan geregenereerd worden met ethanol in plaats van de energie-intensieve verbranding bij actief kool. Hierdoor is de CO2-voetafdruk veel lager en wordt er nauwelijks afval geproduceerd. Verder is er een hoog destructierendement mogelijk en kan het adsorbens duurzaam hergebruikt worden, omdat het chemisch regeneratief is.
Toekomstverwachtingen
Witteveen+Bos verwacht dat na een succesvolle tweede pilot in Dordrecht het valideren van de destructieroute met de kogelmolen op pilotschaal de volgende stap zal zijn. Met de toepassing van deze techniek kun je in de toekomst PFAS niet alleen uit het afvalwater halen, maar wordt ook de PFAS-circulatie en verdere opeenhoging in het milieu doorbroken.
Deze techniek is ook belangrijk om in de toekomst de nieuwe Europese richtlijn Stedelijk Afvalwater te halen met betrekking tot het verwijderen van medicijnresten. Deze richtlijn stelt dat zowel grote als kleine rioolzuiveringen die lozen op kwetsbaar water vanaf 2045 minimaal 80 % van alle microverontreinigingen uit het afvalwater moeten halen. Dit lukt de waterschappen met de huidige technieken nog onvoldoende.
