Wageningen University & Research Archieven - Utilities

Wetsus promovendus Thomas Wagner onderzocht hoe DOW Terneuzen het spuiwater uit zijn koeltorens kan reinigen. Een combinatie van planten en sediment met aerobe en anaerobe bacteriën in een aangelegd moeras verwijdert corrosieremmers, biociden en fosfonaten.

Water Nexus is een NWO-TTW programma gericht op het vinden van oplossingen voor zoetwatertekorten. Promovendus Thomas Wagner onderzoekt voor dit programma het gebruik van aangelegde wetlands om chemicaliën uit industrieel afvalwater te verwijderen.

Wagner richt zich specifiek op het reinigen van water uit industriële koeltorens. Om corrosie, overmatige bacteriële groei en afzetting van calciumzouten in het koelsysteem te voorkomen, voegt DOW corrosieremmers toe. Maar ook biociden, zoals glutaraldehyde en fosfonaten als antikalkmiddel. Het ontzilten van dit koelwater voor hergebruik vereist daarom een voorbehandeling. Daarbij moeten deze chemicaliën eerst worden verwijderd. Geconstrueerde wetlands kunnen hierbij een belangrijke rol spelen.

Verschillende ontwerpen

Wagner richt zich op verschillende verwijderingsmechanismen van chemicaliën die aanwezig zijn in zijn industriële watermix, waarbij hij het echte industriële koelwater nabootst. Het bevat een mengsel van verschillende zouten, nitraat, fosfaat en de corrosie-inhibitor benzotriazool. De verwijdering van chemicaliën kan het gevolg zijn van adsorptie aan het sediment, microbiologische afbraak in het sediment, of opname en afbraak door de planten.

Daarnaast kijkt hij naar verschillende geconstrueerde wetlandontwerpen om het meest optimale systeem voor het reinigen van zijn watermix te achterhalen. ‘We bestuderen zowel horizontale als verticale waterstromen door de sedimenten’, legt hij uit. Bij het verticale stromingsontwerp beweegt het water van het oppervlak door het sediment en neemt het meer zuurstof op dan bij het horizontale stromingsontwerp.

Bacteriën

Dit verschil in zuurstofgehalte beïnvloedt ook de activiteit van verschillende bacteriën en daarmee de afbraak van verschillende chemicaliën. Zo is bijvoorbeeld adsorptie aan het sediment het belangrijkste verwijderingsmechanisme voor benzotriazool. Maar door de zuurstof die aanwezig is in een verticaal stromingssysteem, dragen aërobe bacteriën bij aan de verwijdering van deze verbinding, wat resulteert in een algemeen betere prestatie om benzotriazool te verwijderen.

Nitraat wordt daarentegen efficiënter verwijderd in het meer anaerobe horizontale systeem, waar anaerobe bacteriën actief zijn. Een andere belangrijke factor voor een efficiënte chemische verwijdering is de temperatuur.  Wagner: ‘Lagere temperaturen kunnen leiden tot lagere verwijderingssnelheden als gevolg van een lagere microbiële activiteit. Bovendien nemen planten die in de late herfst afsterven geen verontreinigingen meer op en leveren ze geen zuurstof meer aan het aangelegde moerasland.

Biociden

Naast de aanwezige zuurstof en de omgevingstemperatuur kunnen ook biociden in koelwater, zoals glutaraldehyde, een op formaldehyde lijkende verbinding, invloed hebben op de reinigende werking van het aangelegde moerasland. Een extra complicerende factor hierbij is de gedeeltelijke afbraak van dergelijke biociden, met als gevolg de vorming van volledig nieuwe verbindingen met andere toxische eigenschappen. Dit kan gevolgen hebben voor de goede reinigingsfunctie van het systeem. Daarom richt Wagner zich ook op de invloed van deze biociden op de chemische verwijderingsgraad.

‘In theorie kunnen deze giftige verbindingen de biologische afbraak vertragen, maar onze experimenten toonden aan dat de laagste concentraties die in koeltorens worden gebruikt, 5 microgram per liter, geen effecten aan het licht brachten’, aldus Wagner. Als we een effect vinden bij hogere concentraties, moeten we misschien een extra biocideverwijderingsstap opnemen of een biocide vinden met minder impact op onze geconstrueerde wetlands.

Natuurlijk uiterlijk

Ondanks enkele uitdagingen is Wagner ervan overtuigd dat aangelegde wetlands een belangrijke rol kunnen spelen bij de voorbehandeling van industrieel koelwater, vóór de laatste ontziltingsstap. Afhankelijk van de te verwijderen verbindingen is het mogelijk om een op maat gemaakt wetlandontwerp te maken, waarbij de voorkeur wordt gegeven aan de afbraak van specifieke verbindingen. Zo is bijvoorbeeld fosfaat efficiënter te verwijderen door het sediment te mengen met beter absorberende stoffen. Aluminiumslib, restmateriaal uit de drinkwaterindustrie, is een potentieel goede kandidaat. Maar ook de bacteriepopulaties, die verantwoordelijk zijn voor de afbraak van verschillende verbindingen, kunnen worden gemanipuleerd: aerobe bacteriën kunnen worden bevorderd door beluchting van het systeem met behulp van luchtpompen. Dit kan leiden tot een betere afbraak van bijvoorbeeld benzotriazool.

Wagner promoveerde 25 maart op het onderwerp: Removal and transformation of conditioning chemicals in constructed wetlands treating cooling tower water

 

Net als veel innovaties zit ook de ontwikkeling van duurzame membraantechnologie MemPower en Memstill gevangen in de vallei tussen laboratorium en commercieel product. De membraanzuivering die ook nog eens energie opwekt, is ook interessant voor industriële toepassingen. Opschaling is gewenst en ontwikkelaar Norbert Kuipers zoekt dan ook partners om de techniek naar de volwassenheidsfase te begeleiden.

Water is er genoeg op de wereld, maar goed drinkwater is schaars. MemPower maakt zeer zuiver water met membraandestillatie met gebruik van zonnewarmte of restwarmte. Met deze nieuwe technologie is geen elektriciteit nodig want het wordt juist geproduceerd. Zo kan bijvoorbeeld schoon drinkwater én elektriciteit gemaakt worden uit zout (zee)water. Wageningen University & Research zoekt partners om deze kansrijke technologie verder te ontwikkelen en naar de markt te brengen.

De wereldwijde vraag naar schoon water is groot en daarmee ook het potentieel voor deze nieuwe technologie. Naast drinkwater is ook een goede kwaliteit water nodig voor andere sectoren. Hierbij kan worden gedacht aan voedsel, de biobased industrie, de glastuinbouw, de chemie en de energiesector.

Indikken

MemPower is een uitbreiding van Memstill: een waterzuiveringstechnologie die met behulp van membraantechnologie en (duurzame) warmte selectief water uit zeewater haalt, maar geen elektriciteit produceert. Memstill is niet alleen geschikt voor het ontzilten van zeewater, maar kan ook waterige stromen zoals vruchtensappen of pekelstromen concentreren of afvalstromen reduceren. Dat is efficiënter bij het transport, omdat je minder water hoeft te vervoeren.

MemPower gaat een stap verder dan Memstill. Kuipers: ‘We zorgen dat de hoeveelheid waterdamp die uit het membraan komt, net iets groter is dan de hoeveelheid drinkwater die we aftappen. Het drinkwater komt dan onder druk te staan en het drukverschil gebruiken we om elektriciteit op te wekken, waarmee je bijvoorbeeld de pompen van de installatie kunt aandrijven.”

Duurzame elektriciteit

MemPower wekt op een duurzame manier elektriciteit op. Ontzilten van zeewater is en blijft een proces dat energie vergt. Bij MemPower is hiervoor (lage temperatuur) warmte nodig, bijvoorbeeld van zonnepanelen of van industriële restwarmte.

Ook in de ontwikkeling van de uitgebreidere Nexus van Water-Food-Energy kan MemPower een belangrijke doorbraak rol spelen. Dit kan door water te produceren dat gebruikt wordt in de voedingssector of juist afvalwater uit deze sector verder op te werken.

Thermische zonnepanelen

Intussen werkt Kuipers verder aan de veelbelovende techniek: ‘Samen met TNO werken we aan een project waarin we MemPower koppelen aan thermische zonnepanelen en de installatie optimaliseren, om de opbrengst aan water en elektriciteit verder te verbeteren. Net als bij Memstill zoeken we daarvoor partners uit het bedrijfsleven.’

De productie van aquatische wormen op organische reststromen kan sterk bijdragen aan een duurzame bio-economie door eiwitten uit industriële reststromen terug te winnen en opnieuw toe te passen als eiwitrijk diervoeder. Dit zegt Wageningen Universiteit wetenschapper Bob Laarhoven in zijn promotieonderzoek.

De productie van aquatische wormen op organische veilige reststromen kan sterk bijdragen aan een duurzame bio-economie doordat eiwitten en vetten uit de reststromen (bijvoorbeeld uit voedingsindustrieën) kunnen worden teruggewonnen en opnieuw toegepast als eiwitrijk diervoeder.

Druk

Met ongeveer acht procent groei per jaar is de mondiale aquacultuurproductie (kweken van vis) een van de sterkst groeiende productiesectoren. De vraag naar grondstoffen is nog nooit zo hoog geweest, waardoor grondstofprijzen stijgen.  De winning van die grondstoffen oefent steeds meer druk uit op de resterende natuurlijke voedselbronnen. Het gebruik van vismeel en visolie in de aquacultuur is een groot probleem.

Alternatieve grondstoffen om de eiwitten en vetten uit vismeel en visolie te vervangen vindt men vooral in de vorm van planten en algenconcentraten maar dit leidt tot een sterke “food-feed competitie”. Voor carnivore (vleeseters) vis zoals de zalm, forel en tonijn is alleen een gedeeltelijke vervanging van vismeel mogelijk.

Hier kunnen aquatische wormen, in het bijzonder blackworms (Lumbriculus variegatus), een rol vertegenwoordigen als vervanging van deze eiwitten (en gedeeltelijk vetten) uit vismeel. Omdat aquatische wormen zich onderaan de voedselketen bevinden, voeden zij zich als opportunisten met mengsels van bacteriële, dierlijke en plantaardige aard en zijn ze mede daardoor ook goed te kweken met verschillende laagwaardige reststromen uit de (voedings)industrie.

Het terugwinnen van eiwitten met behulp van lagere diersoorten zoals aquatische wormen of meelwormen is een efficiënt proces. Wormen zijn net zoals insecten klein en koudbloedig waardoor hun respiratie en hun uitstoot van koolstofdioxide ook lager ligt dan voor de grotere warmbloedige productiedieren. Op basis van de voeder-efficiëntie en relatief lagere CO2-uitstoot is het gebruik van wormen om eiwitten terug te winnen uit afvalstromen een juiste keus met een milieubesparend karakter.

Wetsus heeft op dit moment met succes een wormen-reactorsysteem ontwikkeld waarmee de wormen op een unieke manier gecontroleerd kunnen worden gekweekt op verschillende reststromen uit de voedingsindustrie. Een opschalingsproef in samenwerking met het bedrijfsleven blijft nog even uit maar kan antwoord geven of het wormen-reactorsysteem en de afzetmark echt klaar zijn voor deze duurzame vismeelvervanger “the blackworm”.

Laarhoven promoveert 15 december.

Hoe voorzie je op wereldschaal de voedsel- en energieproductie van voldoende water, zodat er genoeg overblijft voor de natuur, terwijl het klimaat steeds droger wordt? In zijn inaugurele rede aan Wageningen University & Research op 22 juni brengt prof. Fulco Ludwig de slinkende waterstromen in kaart en geeft perspectieven voor overheden en individuele boeren.

Landbouw is wereldwijd de grootste verbruiker van zoet water (ca 3200 km3/jaar), naast huishoudens (1000) en industriële activiteiten (500). Hoewel de immense hoeveelheid van in totaal bijna 5000 km3 drinkwater op jaarbasis slechts een fractie is van de totale massa (35 miljoen km3) aan zoet water op aarde, slinkt vooral in droge gebieden de waterbeschikbaarheid. Klimaatverandering is de drijvende kracht, waardoor daar minder regen valt. En de bevolking doet op dat beetje water een groter beroep, want terwijl haar omvang neemt toe en het inkomen stijgt. Beide ontwikkelingen vergen extra water.

‘Dat kan tot concurrentie om het beschikbare water leiden tussen de verschillende sectoren: de energiesector en de landbouwsector’, zegt prof. Ludwig. ‘Dan zou de beschikbaarheid van water voor natuur al snel in de knel kunnen komen.’

Waterbehoefte

Voor de productie van steeds meer voedsel voor de groeiende en welvarender wereldbevolking is meer water en energie nodig. De landbouw vergt ook meer irrigatie om de toenemende droogte te compenseren en het veranderende eetpatroon (meer vlees, groenten en fruit) van mensen per calorie vraagt meer water.

Tegen het einde van de eeuw zal bij sterke klimaatverandering meer dan 5000 kubieke kilometer aan water voor de landbouw nodig zijn, indien de klimaatverandering ‘meezit’ bedraagt dat volume zo’n 4200 kubieke kilometer, nog steeds veel meer dan de huidige 3200 kubieke kilometer.

Ook de energiesector vraagt meer water. ‘Kernenergie, biobrandstoffen, alternatieve fossiele brandstoffenwinningen, zoals olie uit teerzand, vereisen allemaal meer water dan traditionele fossiele brandstoffen, waardoor de competitie om water tussen de energie- en de food-sector zich verhevigt’, zegt prof. Ludwig in zijn inaugurele rede ‘Water systems in a changing world – Global change impacts on the water-food-energy nexus’.

Waterschaarste

Tegenover de verhoogde vraag naar water staat een veelal slinkende waterbeschikbaarheid. ‘Rivieren zullen minder water voeren, vooral in droge gebieden. Stel, dat de neerslaghoeveelheid met bijvoorbeeld 1/6 vermindert, dan kan het rivierpeil zakken met vijftig procent. Want wateroverschotten stromen veelal af naar rivieren. Wanneer er minder water valt, vervalt die toevoer’, legt prof. Ludwig uit.

Opvallend is dat dat de grootste verandering in waterstanden in rivieren zullen plaatsvinden op breedtegraden waar de bevolkingsdichtheid bijzonder hoog is, zo tussen de 15 en 45  graden Noorderbreedte. Daarbinnen vallen de dichtbevolkte delen van de VS, India en China. Dat betekent dat de vraag naar irrigatiewater juist daar zal toenemen, vaak met wel 60% en meer.

Water voor energie

Door klimaatverandering gaan rivieren zomers minder water afvoeren, 4-12 procent in de VS en 13-15 procent in Europa, en gaat de watertemperatuur van rivieren met ca 1 tot 2 graad stijgen. Dat zal vooral in Zuid-Europa problematisch kunnen worden. Dit leidt tot een capaciteitsvermindering van de elektriciteitsproductie tussen 6 en 19 procent in Europa. De veranderende neerslag leidt ook tot direct verminderde productie van elektriciteit in waterkrachtcentrales.

Informatieservice

‘Die ontwikkelingen leiden tot minder voedsel, water en energie, veranderend landgebruik en een aanslag op het milieu’, vat prof. Ludwig samen. Hij zoekt daarom oplossingsrichtingen in modellen die veranderingen in landgebruik en klimaatverandering integreren in de water-, energie- en voedingssector, het zogenaamde Wageningen Integrated Water Assessment Model.

De berekeningen van prof. Ludwig monden zowel uit in grote wereldomvattende modellen, als in kleine, voor smartphone bedoelde apps. De app helpt de lokale, kleine boer op basis van eigen kennis van het weer en zijn akkers bij het nemen van een besluit tot irrigatie van zijn land.

Bio-based plastics zijn net zo goed mechanisch te recyclen als conventionele plastics. En biologisch afbreekbare plastics zijn geen oplossing voor de plasticsoep in de oceanen. Dat blijkt uit het rapport ‘Bio-based and biodegradable plastics – Facts and Figures’, dat deze week werd uitgebracht door Wageningen Food & Biobased Research. Het rapport inventariseert wetenschappelijke kennis over biobased en biologisch afbreekbare plastics, en focust daarbij op plastics die gebruikt worden in de verpakkingsindustrie.

Over biologisch afbreekbare en bio-based plastics bestaan tal van soms hardnekkige misverstanden. Dat maakt een keuze om over te stappen naar het gebruik van deze materialen lastig voor bedrijven. Wageningen Food & Biobased Research inventariseerde daarom in opdracht van de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO) wat er op basis van wetenschappelijk onderzoek wel of niet kan worden beweerd over deze plastics. Christiaan Bolck, programma manager materials bij Wageningen Food & Biobased Research: “Bedrijven en belangengroeperingen beweren van alles. Dit rapport is bedoeld voor wie echt wil weten hoe het zit. Dat is vaak wel een genuanceerd verhaal.”

Bioplastic als term

Deels komt de onduidelijkheid door terminologie. Alleen de term “bioplastic” al. Deze wordt gebruikt voor plastics die gemaakt zijn uit veelal plantaardige biomassa, maar wordt ook gebruikt voor plastics die biologisch afbreekbaar zijn. Het gaat hier echter om twee totaal verschillende kenmerken. In het rapport wordt daarom een duidelijk onderscheid gemaakt tussen deze kenmerken.

Onduidelijkheid rond bio-based en biologisch afbreekbare plastics komt deels ook door kort door de bocht uitspraken waarbij de nuance ontbreekt. Zo klopt de uitspraak “alle plastics zijn slecht voor het milieu” niet maar is het ook niet waar dat “alle bioplastics groen en goed voor het milieu” zijn. Dit zijn echter wel beweringen van zowel bedrijven als milieu-actiegroepen die we terug horen uit de markt en deze beweringen gaan hun eigen leven leiden. Zo wordt van bio-based plastics nog weleens beweerd dat het netto CO2-gebruik nauwelijks verschilt van fossiele plastics omdat wat ze besparen aan aardolie tijdens het productieproces extra aan energie gebruiken. Bolck: “In dit rapport laten we zien dat voor de productie van veel bio-based plastics daadwerkelijk netto minder broeikasgassen vrijkomen dan reguliere plastics.”

Plastic afval

Het rapport draagt bovendien feiten aan die relevant zijn voor actuele discussies over plastic verpakkingsafval. Zo is aangetoond dat de meeste bio-based en biologisch afbreekbare plastics die nu in de handel zijn net zo goed mechanisch te recyclen zijn als gewone plastics, maar ook dat biologisch afbreekbare plastics geen alles omvattende oplossing zijn voor de milieuproblemen van zwerfafval.  Of en met name hoe snel een biologisch afbreekbaar plastic door micro-organismen afgebroken wordt, hangt namelijk in hoge mate af van het milieu waarin ze terecht komen. Bolck: “Zo bestaan er biologisch afbreekbare plastics die binnen enkele maanden volledig afbreken in zee, maar zeevogels kunnen nog steeds stikken in een biologisch afbreekbare plastic zak.”

Download hier het rapport.