Elektrochemisch proces zet urine om in kunstmest

Duurzame hightech proefopstelling van newbies wordt getest in woongroep Arneco

Lang niet alle nieuwe ontwikkelingen in de (afval)watertechnologie komen recht uit glanzende laboratoria. Het testen aan de weerbarstige werkelijkheid vindt vaak plaats op onwaarschijnlijke locaties. Zo staat in de tuin van de ecologische woongemeenschap ‘Arneco’ bij Arnhem een container waarin de urine van de bewoners wordt omgezet in bruikbare kunstmest. Initiatiefnemer Sam Molenaar vertelt over de principes en de voorgeschiedenis, over de obstakels en de perspectieven van het project.

newbies installatie

Je zou Sam Molenaar misschien kunnen karakteriseren als een realistisch idealist. Hij is totaal doordrongen van de noodzaak dat de mens anders met natuur, energie en grondstoffen moet omgaan, maar ziet ook dat aantrekkelijke duurzame alternatieven deze transitie kunnen bespoedigen. “Als je je duurzame idealen niet efficiënt kunt vormgeven, krijgen mensen er geen zin in en komt er weinig van terecht. Als wetenschapper ligt dan cynisme op de loer. Tijdens mijn studie ecologie zag ik dat gebeuren – hoogleraren en docenten die een leven lang strijden voor behoud van natuur en biodiversiteit, terwijl het grote publiek meer belang lijkt te hechten aan automobiliteit en kiloknallers. De gepassioneerde ecoloog, de vindingrijke technoloog en de gedragswetenschapper zijn allen belangrijk. De één bewaakt de grenzen en formuleert de doelstellingen, de anderen zoeken uit hoe we daar zo snel en veilig mogelijk komen. En de rol van technoloog past mij beter.” Toen hij de kans kreeg om na zijn studie te promoveren op een concreet biotechnologisch onderwerp (biologische batterijen) greep hij de kans dan ook met beide handen aan.

Sam Molenaar: “Maar inmiddels waren we – mijn vrouw en ik – ook betrokken geraakt bij een woongemeenschap die om een oude boerderij bij Arnhem 15 nieuwe woningen heeft gebouwd. In augustus 2019 is de hele groep erin getrokken, met het doel om daar zo duurzaam mogelijk te gaan wonen. Dat begon er al mee dat we sloopafval als hout en dakpannen hebben hergebruikt in de bouw. GFT-afval wordt gecomposteerd, en we hebben nu al heel wat groenten uit eigen tuin gegeten. Voor het menselijk afval proberen we een aantal kleinschalige systemen uit, gescheiden in vloeibare en vaste stoffen. Regenwater vangen we natuurlijk op.”

stikstof in de kringloop

Dat de container van het Life-Newbies-project (Nitrogen Extraction from Water By an Innovative Electrochemical System) nu bij de Arneco-nederzetting staat, is eigenlijk toeval.

“Of liever, een gevolg van de Covid-19 pandemie. Aanvankelijk zou hij worden ingezet bij AFAS Live, de concert- en evenementenhal in de oude Amsterdamse Heinekenfabriek. Maar daar is nu al maanden een gebrek aan onze essentiële grondstof, urine – er waren immers geen concerten meer,” zegt Sam. Het doel van het project is om te laten zien dat het mogelijk is de stikstof (NH4, NH3) die urine in ruime mate bevat, met betrekkelijk weinig energie kan worden teruggewonnen en in de vorm van kunstmest kan worden hergebruikt.

“Dat is dus een essentieel verschil met conventionele vormen van afvalwaterverwerking, zoals Annamox. Daar wordt de ammoniak alleen ‘onschadelijk gemaakt’, omgezet in moleculaire stikstof. Terwijl in dit proces de stikstof weer terug kan keren in de kringloop. Dat scheelt weer een stukje van de enorme hoeveelheid energie die voor de productie van kunstmest wordt gebruikt. De energie die wij gebruiken kan natuurlijk groen worden opgewekt,” aldus Sam.

Wat is NEWBIES?

NEWBIES is een samenwerkingsverband van Wetsus, Evides, W&F Technologies en ICRA, gesubsidieerd door de Europese Unie. Namens W&F Technologies is Sam Molenaar verantwoordelijk voor de bouw en operatie van de testinstallatie.

www.life-newbies.eu / www.newbies.eu

newbies processchema

Het systeem

Het scheiden van de vloeibare en de vaste fractie vindt al bij de bron plaats: in ieder huis van Arneco wordt gebruikgemaakt van speciale toiletpotten met gescheiden opvang. De opgevangen urine wordt in vervolgens 8 à 9 dagen in een verblijftank opgeslagen, waar het ureum kan hydrolyseren, wat resulteert in vrij ammonium, koolzuurgas en wat vetzuren.

Molenaar: “En doordat de pH toeneemt, slaat er ook wat fosfaat neer in de vorm van struviet. Een slecht oplosbaar zout dat we niet in de installatie willen, vanwege het verstoppingsgevaar.”

De enigszins gezuiverde en ‘gedecanteerde’ urine wordt vervolgens in de container behandeld. Daar worden de geleidbaarheid en de pH gemeten, zodat bekend is wat er in het systeem wordt gepompt – dat kan iets variëren, afhankelijk van bijvoorbeeld het seizoen. Ook de flow en de druk(val) in het systeem wordt bijgehouden, om eventuele verstoppingen te signaleren. In een electrodialysereactor vinden dan de cruciale reacties plaats.

newbies processen elektrodialysereactor — Schematische voorstelling van de processen die zich in de elektrodialysereactor afspelen

De reactor

Die electrodialysereactor bestaat uit een stack van om en om twee verschillende semipermeabele membranen, waarover met twee electroden een spanningsveld wordt gecreëerd. Sam Molenaar legt het uit: “De kationmembranen laten alleen positieve deeltjes door. Maar de bipolaire membranen bestaan eigenlijk uit een kation- en een anionmembraan die tegen elkaar gelijmd zijn. Water kan wel zo’n membraan passeren, en tussen de twee in zal het dissociëren in protonen en hydroxylgroepen die in twee verschillende richtingen worden doorgelaten. Zo kun je water splitsen in een zuur en een base zonder dat je een complete hydrolyse uitvoert – dat laatste kost veel meer energie.”

“De truc is nu dat we het ammonium (NH4+) in de urine hier invoeren, en – aangetrokken door de negatieve elektrode – passeert het een kationmembraan. De anionen in de vloeistof (bicarbonaten) willen naar de andere kant, de positieve elektrode, maar worden tegengehouden door het bipolaire membraan. Daar wordt weer wel een proton afgegeven. Door deze en een aantal volgende reacties ontstaat een kruiselings transport van vloeistoffen en uiteindelijk transporteer je het ammonium naar een andere vloeistof waar een NH3-concentraat wordt gevormd.”

Complicaties

newbies gasdiffusiemodules — In de tweede stap van het proces worden gasdiffusiemodules gebruikt voor het verwijderen van NaCl

Hoe complex de interacties zijn, blijkt wel uit het schema dat hier wordt gegeven. “Maar,“ zegt Molenaar, “dan ben je er nog niet. Er zit ook flink veel zout in urine. En dat levert ook Na+-kationen die we juist niet kunnen gebruiken. In de land- en tuinbouw is verzilting een risico. Daarom is er nog een tweede stap in het proces, waarbij gasdiffusiemodules worden gebruikt. Op het moment is ons eindproduct ammoniumsulfaat – ook niet ideaal als kunstmest, maar het wordt nog wijd en zijd gebruikt.”

Uiteindelijk wil Molenaar ook af van het zwavelzuur, als het minst duurzame ingrediënt in het proces. “Daar zijn een aantal mogelijkheden voor. Een van de meest aantrekkelijke is een deel van het ammonium vooraf om te zetten in nitraat, daar salpeterzuur van te maken en dat te gebruiken ter vervanging van het zwavelzuur. Je krijgt dan ammoniumnitraat – na de explosie in Beiroet geen populaire stof, maar in water opgelost is het betere kunstmest en in principe ongevaarlijk.”

Ontwikkelingen

Het uiteindelijke doel van de pilot is om de hoeveelheid energie die het proces vraagt te optimaliseren, terwijl de concentratie van het product hoog wordt gehouden en zoveel mogelijk ammoniak uit de afvalstroom wordt geëlimineerd.

“Dit is niet de enige testlocatie waar we het procedé uitproberen, en elk soort afvalwater heeft zijn eigen uitdagingen. Zo hebben we het met perswater van vergist afvalslib geprobeerd: in Nederland is dat heel rijk aan ammonium, maar in Girona bleek het gehalte veel lager. Bovendien zit daar verhoudingsgewijs veel calcium in het water, wat bij een hoge pH neerslaat en waardoor je een extra schoonmaakcyclus moet gaan inbouwen. En in Nieuwdorp gaan we het met het percolaat van de afvalstort gebruiken.”

Op de vraag of er nog andere duurzame projecten op stapel staan in Arneco zelf, antwoordt Sam: “Allerlei, maar ikzelf zou de verwerking van ons vaste toiletafval, de fecaliën, wel willen aanpakken. Die zou idealiter moeten worden geïntegreerd met de compostverwerking. Vanwege de veiligheid moet er dan op een hoge temperatuur worden gecomposteerd, maar de bestaande apparatuur voor toepassingen op onze kleine schaal gebruikt veel energie – dergelijke systemen zijn gewoon nog niet netjes geoptimaliseerd. Werk aan de winkel, dus.”

newbies Sam Molenaar bij de elektrodialysereactor, — Initiatiefnemer Sam Molenaar bij de elektrodialysereactor, het hart van de pilot: “Het uiteindelijke doel van de pilot is om de hoeveelheid energie die het proces vraagt te optimaliseren, terwijl de concentratie van het product hoog wordt gehouden en zoveel mogelijk ammoniak uit de afvalstroom wordt geëlimineerd”