ENERGIE UIT AFVALWATER: DE WEG IS LANG, MAAR LIJKT BEGAANBAAR

Prof. Siegfried Vlaeminck (Univ. Antwerpen) test het MAS-systeem op de RWZI te Breda

Energiefabrieken - al een jaar of wat schermen de waterschappen (STOWA) met die optimistische benaming voor de afvalwaterzuivering in Nederland. Het idee is dat het proces - dat nu nog veel energie opslorpt - niet alleen zelfvoorzienend wordt, maar in de toekomst energie gaat leveren. Aan de realisering wordt gewerkt, onder meer in Nieuwveer bij Breda.

 

 

KENGETALLEN VAN DE PROEFINSTALLATIE IN RWZI NIEUWVEER

• Totaal reactorvolume: 12-13 m³
• Verwerkingsdebiet: 1,8-3,6 m³/h
• N-belasting: 1,3-2,6 kg/dag
• Hydraulische verblijftijd: 3-7 h

RWZI'S ALS PILOTPROJECT

Theoretisch is energieproductie in een RWZI (rioolwaterzuivering) beslist een mogelijkheid, maar de praktijk is vaak weerbarstig. Processen gebaseerd op anammox, anoxische ammoniumoxidatie, ontwikkeld in onder meer Delft (Mark van Loosdrecht), Nijmegen (Mike Jetten) en Friesland (Paques), hebben inmiddels wereldwijd ingang gevonden. Het zorgt voor een forse reductie van de energiebehoefte en de CO₂ -footprint bij een aantal zuiveringsstappen. Maar anammoxbacteriën groeien en werken traag bij lage temperaturen en stikstofconcentraties, en bij grote hoeveelheden oxideerbaar organisch materiaal.

Om voor deze en dergelijke problemen een praktijkbestendige oplossing te vinden, zijn op een aantal RWZI's pilotprojecten opgezet. Zo wordt op de RWZI Nieuwveer bij Breda het MAS-systeem (Mainstream Anammox System) getest, waarbij aerobe ammoniumoxiderende en anammoxbacteriën dienen om bij lage temperaturen stikstof uit afvalwater te verwijderen. Door een selectie van specifieke slibkorrels, efficiënt beluchten en een intelligente, automatische procesbesturing moet de RWZI een energetisch zelfvoorzienende of energieproducerende waterzuivering worden.

 

 

WATER EN SLIB

Bij de pilot zijn naast het Waterschap Brabantse Delta ook ingenieursbureau Colsen (Hulst) en de Universiteit Antwerpen betrokken. Prof. Siegfried Vlaeminck legt uit: “Je kunt de afvalwaterverwerking verdelen in een waterlijn en een sliblijn. Globaal kun je zeggen dat de processen in de waterlijn energie verbruiken, en die in de sliblijn energie opleveren - via vergisting en biogasproductie. In het klassieke actiefslibproces wordt veel van de energie gebruikt voor de verwijdering van de stikstof - er is een flink deel van het COD (Chemisch Zuurstofverbruik, CZV), oftewel de energie-inhoud van het afvalwater, voor nodig. Bovendien komt er ook veel CO₂ bij vrij."

Verschuiving

“Anammox bracht daarin verandering, maar dat proces maakte tot op heden deel uit van de sliblijn. Door anammox in de hoofdlijn van de RWZI te integreren, kunnen we een groter deel van de stikstof verwijderen zonder daarvoor de energierijke bestanddelen van het afvalwater aan te spreken." Vlaeminck is enthousiast: “Dat lijkt maar een kleine verschuiving, maar als je je realiseert dat een burger in Nederland of België al snel tussen drie en tien euro per jaar kwijt is aan de energie die zuivering van zijn afvalwater kost, dan praat je toch over vele miljoenen."

 

 

COMPLEXE PROCESSEN MET BEPERKTE STURING

Tot op heden werd ca. 80% van de stikstofverwijdering gerealiseerd door koolzuurproducerende processen in de hoofdlijn, en ca. 20% na de anaerobe verwerking van het slib, bij geavanceerde zuivering is er reeds een anammoxproces in de zijstroom.

Vlaeminck: “Wij proberen dat met een beperkte investering te veranderen - dus grotendeels binnen de bestaande installatie. Dat betekent dat we na het hoogbelast actief slib in de eerste fase, een proces met andere anammoxbacteriën opzetten. De eerste stap gaat goed, maar die bacteriën bezinken slecht. Daarvoor zouden ze beter moeten flocculeren - anders worden ze immers uitgespoeld en raak je ze kwijt. We zijn erachter gekomen dat de stromingen - de schuifkrachten in het water - daar een belangrijke rol bij spelen. Anders gezegd: niet alleen de stroomsnelheid, maar ook de vorm van de reactietanks is belangrijk. Daarbij zijn nog allerlei andere subtiele factoren van invloed, zoals de locatie van een menger en de plaats waar je ijzer toevoegt (dat wordt in deze installatie gebruikt om fosfor af te vangen).

De tweede stap is weliswaar nog iets uitdagender. Niet zo vreemd, want de organismes die in deze fase functioneren, wijken sterk af van de bacteriën eerder in het proces. Er zijn heel veel organismen die met elkaar concurreren om een klein aantal voedingsstoffen, zoals zuurstof, CZV, ammonium en nitriet. Er zijn aerobe ammoniumoxideerders, anammoxbacteriën, denitrificeerders die op nitraat teren - allemaal beestjes die we graag hebben. Anderzijds willen we bijvoorbeeld de groei remmen van nitrietoxideerders (die dus nitraat produceren) en aerobe heterotrofe organismen die onze kostbare koolstof met verbruik van zuurstof oxideren."

Samen vormen de organismen een complex netwerk met allerlei precaire evenwichtsvoorwaarden. Toch is er een interessante set parameters waarmee die complexe processen in de tank kunnen worden gestuurd. “De temperatuur kunnen we niet beïnvloeden, dat is te duur", zegt Siegfried Vlaeminck. “Verblijftijd, slibleeftijd, de substraatniveaus en precies waar en hoeveel zuurstof we toevoegen, dat is het wel zo'n beetje. Daarmee proberen we de gewenste organismen een competitief voordeel te geven en de andere af te straffen, door ze al dan niet voldoende voeding te geven (on/off), of door ze fysiek uit het proces te verwijderen (in/out), door middel van zeven."

 

ROBUUSTHEID NOG TE BEWIJZEN

“Uiteindelijk is dit nog maar een pilot, eigenlijk de tweede proefinstallatie die we hier uitproberen. We maken daarom gebruik van een volumetrisch keurig afgepast deel van de afvalwaterstroom van Nieuwveer dat de veranderende samenstelling meeneemt, en de installatie wordt - ook al om het proces goed te kunnen onderzoeken - pas in een vervolgfase blootgesteld aan de wisselende instroomvolumes. We zijn er dus nog niet. De robuustheid van het systeem moet nog grotendeels bewezen worden. En in de praktijk van alledag zal de besturing ook geautomatiseerd moeten worden." Maar, zegt Vlaeminck, “je hebt wel met kwetsbare levende materie te maken. Zelfs het relatief simpele en bijzonder uitvoerig bestudeerde proces van een actief-slibinstallatie is bepaald niet altijd robuust en kan instorten."

 

GROOT POTENTIEEL

Maar Siegfried Vlaeminck is positief over de potentie van de afvalstroom. “Hoogwaardig slib biedt tal van mogelijkheden: het kan naar bioplastics gaan, het kan direct worden omgezet in biomethaan, misschien in een reactor onder hoge druk en temperatuur - thermale drukhydrolyse - zodat nog extra methaan wordt vrijgemaakt, er kunnen esters of eiwitten mee worden gemaakt, voor bijvoorbeeld diervoeder, en wie weet wat er nog meer mogelijk is. "

Tot slot wil de bevlogen hoogleraar nog zijn bewondering kwijt voor het “onbevangen onderzoeksklimaat" bij de Nederlandse waterinstituties. “Natuurlijk is het een conservatieve sector, maar er heerst een geloof in de vooruitgang, dat waarschijnlijk te maken heeft met dat unieke instituut van de waterschappen dat jullie hebben. Jongeren, zoals onze doctoraalstudent Michiel van Tendeloo, krijgen alle kansen. Maar ook bij bedrijven als Colsen tref je een openheid die voor ons als wetenschappers bijzondere mogelijkheden biedt. En de resultaten zijn ernaar.