Alginaat Archieven - Utilities

Water heeft op zichzelf wellicht een lage waarde, maar als drager van energie en grondstoffen is het onmisbaar voor de industrie. Tijd voor een herwaardering. Want een integrale blik op energie, water en grondstoffen biedt vaak onverwachte kansen en economische en ecologische winst. Tijdens Watervisie 2017 presenteert de waterketen zich als waterdrager: bescheiden als single utility, maar met een grote impact op de utilities-voorziening in zijn geheel.

Energie en water zijn altijd nauw met elkaar verweven. Water is essentieel voor alle fasen van de productie: van energie uit fossiele brandstoffen tot biobrandstoffen en energiecentrales. Energie is op zijn beurt van cruciaal belang voor de watervoorziening, afvalwaterzuivering en ontzilting. Deze kritische samenhang tussen water en energie is in de World Energy Outlook 2016 van het IEA onderzocht. De onderzoekers kijken daarbij naar hoe de complexe onderlinge afhankelijkheden tussen water en energie zich zal verdiepen in de komende decennia.

Een van de conclusies van het rapport is dat bijna alle zwakke punten in het wereldwijde energiesysteem, of ze gerelateerd zijn aan toegang tot energie, energiezekerheid of het antwoord op de klimaatverandering, kunnen worden verergerd door veranderingen in de beschikbaarheid van water. En bijna problemen op het gebied van de wereldwijde watervoorziening kan worden verergerd door verstoringen aan de energiekant.

De WEO-2016 analyse geeft de eerste globale schatting van de hoeveelheid energie die wordt gebruikt voor de levering van water. De onderzoekers schatten dat de hoeveelheid energie die wordt gebruikt in de watersector de komende 25 meer dan verdubbelt, vooral vanwege ontziltingsprojecten. In 2040 zullen deze ontziltingprojecten zijn goed voor twintig procent van de watergerelateerde vraag naar elektriciteit. Grootschalige industriewaterprojecten en de toenemende vraag naar de behandeling van afvalwater  dragen ook bij aan de stijgende energiebehoefte van de watersector.

Het aandeel in het wereldwijde elektriciteitsverbruik van de watersector blijft ongeveer vier procent in 2040. Er zijn echter grote regionale verschillen. In de Verenigde Staten en de Europese Unie is het aandeel van het totale elektriciteitsverbruik van de watersector ongeveer drie procent. In het Midden-Oosten stijgt het aandeel van negen procent in 2015 tot zestien procent in 2040, als gevolg van een toename van ontziltingcapaciteit.

Waterstress

De energiesector wordt ook dorstiger de komende decennia. Het energiegerelateerde waterverbruik stijgt met bijna zestig procent tussen 2014 en 2040. Sommige technologieën, zoals windenergie en zon-PV, vereisen zeer weinig water, maar andere duurzame bronnen, zoals de productie van biobrandstoffen, geconcentreerde zonne-energie,  CO2-afvang en -opslag en kernenergie vragen in de toekomst om meer water. De transitie naar een emissieloze energievoorziening kan waterstress dan ook verergeren. In sommige gevallen kan waterschaarste zelfs duurzame energieproductie in de weg staan.

De beschikbaarheid van water, in het bijzonder voor de opkomende economieën, kan een steeds belangrijker onderwerp geworden. Zo stijgt de vraag naar water in China en India, die beide afhankelijk zijn van kernenergie en kolengestookte centrales. Veel van deze installaties staan in gebieden met waterstress.

Inmiddels is al veel beleid gericht op het beperken van de water- en energievraag en ook technische innovatie draagt bij aan besparing op het gebied van beide utilities. Overheden en private partijen vormen steeds vaker een integrale visie op water en energie en benutten bijvoorbeeld de energie die in afvalwater zit ingebed. Tijdens Watervisie 2017 laten we zien dat een integrale visie op energie en water interessante businesscases kan opleveren.

Waterinnovator of the year

Ook volgend jaar zullen we weer de Waterinnovator of the year kiezen. Inmiddels is er al een aantal aanmeldingen en hebben we ons oog laten vallen op een aantal veelbelovende technologieën of innovatieve partijen. Niet iedereen die hierna wordt genoemd heeft daadwerkelijk toegezegd, maar we raden ze wel aan dit te doen.

Power to protein

Een van die kandidaten is Willy Verstraete, emeritus professor van de Ugent.  Verstraete concentreert zich momenteel met name op de productie van hoogwaardige eiwitten uit restwaterstromen. Het microbiële proces kan, door de voeding en procesparameters te veranderen, ook vetten of andere speciale stoffen maken. Verstraete: ‘Veel waterzuiveringen zijn ingericht op het verwijderen van stikstof door denitrificatie. Daarmee gooi je echter een waardevolle grondstof weg. Onze insteek bestaat erin de stikstof af te zonderen op een nette manier en dan deze op te werken tot microbieel proteïne (ProMic).’ De organismen die Verstraete ontwikkelde weten wel raad met ammoniak en maken onder aerobe omstandigheden celmateriaal dat rijk is aan aminozuren. ‘Die eiwitten kunnen als veevoer worden ingezet, als vervanger van viseiwitten of soja eiwitten’, zegt Verstraete. ‘De prijzen voor die hoogwaardige eiwitten zijn de afgelopen jaren verdubbeld en daarmee hoog genoeg om watervalorisatie aantrekkelijk te maken.’

Alginaat

De tweede mogelijke kandidaat is Royal HaskoningDHV met de productie van alginaat: een hydrofiel polymeer dat normaal gesproken wordt gewonnen uit zeewier. De papier- en kartonindustrie gebruikt alginaat als coating zodat inkt zich goed over het papier verspreidt. Nu wil het toeval dat Nereda slibkorrels, een uitvinding van TU Delft-onderzoekers, alginaat-achtig polysacharide (ALE) produceren, maar de onderzoekers noemen het ook wel Nereda Opgewekt (NEO) alginaat. Paul Roeleveld, directeur business development bij oyal HaskoningDHV, kan inmiddels melden dat de eerste twee test extractie-installaties worden gebouwd. Een installatie komt in Epe, waar het huishoudelijk Nereda slib verwerkt en één komt in Zutphen, waar NEO-alginaat uit industrieel Nereda slib wordt gewonnen.

Vortex

Een andere veelbelovende techniek komt van Pathema. Het bedrijf ontwikkelde het IVG-IL -Industrial Vortex Generator – In Line- systeem. Dit is een chemicaliën vrije oplossing voor het voorkomen van kalk en ijzeraanslag, scaling en biologie in reiniging- of productieprocessen. Het principe is gebaseerd op de verandering van het kalkkristal dat plaatsvindt op het moment dat het kalkhoudende water door een drie dimensionale draaikolk gaat. Deze draaikolk komt tot stand door het gebruik van de gepatenteerde Vortex generator. In combinatie met een UV-C straling-techniek ontstaat een poortwachtersysteem dat kalk- en ijzeraanslag, biologie en opvoerdruk controleert aan het begin van het proces.

 

Heeft u nog een aanmelding voor de Waterinnovator of the Year-verkiezing? Stuur dan een mail naar David@industrieperspectief.nl Of kijk op www.watervisie.com voor meer informatie.

De circulaire economie heeft zich ook in de waterwereld genesteld. Stapsgewijs dienen zich steeds meer projecten aan die waardevolle grondstoffen uit restwaterstromen terugwinnen. Hoewel veel projecten nog in de pilotfase zitten, bieden ze wel een kijk in de toekomst. Een overzicht van veelbelovende grondstoffen die helpen de kringloop te sluiten.

Met de introductie van de circulaire economie en de cradle-to-cradle filosofie van Michael Braungart is de term afval steeds meer naar de achtergrond gedrongen. Door een fors groeiende wereldbevolking neemt de druk op voedsel, energie en grondstoffen de komende jaren steeds meer toe. En dus zullen we anders met deze schaarste moeten omgaan.

De Nederlandse overheid zet vol in op deze trend en het kabinet heeft dan ook in het programma Circulaire Economie uitgesproken om Nederland in de toekomst helemaal te laten draaien op herbruikbare grondstoffen. Hoe we met ons afval omgaan wordt vastgelegd in het Landelijk Afvalbeheerplan (LAP). In december 2017 loopt LAP2 af. Vóór die tijd dient LAP3 in werking te treden.

Deze ontwikkeling biedt ook kansen voor watervalorisatie. De grondstoffen in industrieel restwater, worden tot nog toe als afval gezien, al is daar wel een kentering in gekomen. Zo heeft de Tweede Kamer begin maart een motie aangenomen, waarin onder meer wordt verzocht om fosfaat de afvalstatus te laten verliezen. Ook is er een motie aangenomen om de kwaliteit van grondstoffen leidend te laten zijn bij toelating op de markt, en niet de herkomst. Inmiddels hebben fosfaten, nutriënten, secundaire grondstoffen uit meststromen en afvalstromen geen afvalstatus meer, maar mogen ze worden verhandeld als grondstof. Hoewel de ontwikkelingen dus gunstig zijn, zien de partijen die bij deze vraagstukken betrokken zijn het liefste dat ook op Europees niveau de afvalstatus voor grondstoffen uit restwater vervalt. Op die manier ontstaat een echt volwassen markt.

Een groot aantal partijen is bezig met het verwaarden van industriële of communale reststromen. Zo bindt het Dutch Biorefinery Cluster (DBC) de circulaire ambities van de agro en food-, de papier- en zuivelindustrie om meer waarde te halen uit hun waterstromen. Hetzelfde geldt voor het Nutriënt Platform dat met name kijkt naar terugwinning van fosfaat uit afvalstromen.  De waterschappen kennen naast de Energiefabriek inmiddels ook de Grondstoffenfabriek en wisselen hier kennis uit over het vergisten van slib of het terugwinnen van grondstoffen in het communale rioolwater dat onder meer veel fosfaten bevat, maar ook cellulose en diverse vetzuren. Allemaal grondstoffen waar inmiddels een groot aantal toepassingen voor is gevonden.

Bioplastic

Inmiddels is er bijna geen waterschap of industriële zuivering meer dat het slib uit de waterzuivering niet vergist. Het biogas dat hieruit wordt gewonnen kan na verwerking worden gebruikt als brandstof voor een gasketel. Het verbranden van afvalstromen voor energiewinning staat echter laag in de ladder van Lansink, een maatstaf voor duurzaam afvalbeheer. Hergebruik staat veel hoger en dus zoeken steeds meer partijen naar waardevolle grondstoffen die uit de stromen kunnen worden gefilterd.

Een goed voorbeeld hiervan zijn vetzuren. Hoewel deze ook kunnen worden vergist, kunnen ze ook als grondstof dienen voor bio plastics. Vorig jaar toonden drie waterschappen de eerste kilo PolyHydroxyAlkanaat (PHA) die met bacteriën uit rioolwater is gemaakt. PHA is een volledig biologisch afbreekbaar plastic dat onder natuurlijke omstandigheden snel afbreekt. Op termijn kan PHA bijdragen aan een oplossing voor de plastic soep in de wereldzeeën. De markt voor PHA groeit stevig door, met name in de tuinbouw. Zo wordt PHA gebruikt voor verpakkingen van consumentenproducten en landbouwplastic. Wereldwijd wordt een toename van de vraag aan PHA’s verwacht.

Alginaat

Een ander veelbelovend product uit de afvalwaterzuivering is alginaat: een biopolymeer dat normaal gesproken wordt gewonnen uit zeewieren. Na vermenging met water vormt alginaat een rubberachtig materiaal dat momenteel veel gebruikt wordt door tandartsen om er afdrukken van het gebit mee te maken. Maar ook de textielindustrie gebruikt alginaat als verdikkingsmiddel in hoogwaardige textielinkt. Nu wil het toeval dat Nereda slibkorrels, een ontdekking van TU Delft-onderzoekers, alginaatachtige biopolymeren bevatten.  De wetenschappelijke naam is ‘alginate like exopolysacharide’(ALE),  maar de onderzoekers noemen het ook wel Nereda Opgewekt (NEO) alginaat. Paul Roeleveld, directeur business development bij RHDHV, kan inmiddels melden dat de eerste twee extractie-installaties voor realisatie in voorbereiding zijn. Een installatie komt in Epe, waar het huishoudelijk Nereda slib wordt verwerkt en één komt in Zutphen, waar NEO-alginaat uit industrieel Nereda slib wordt gewonnen. RHDHV heeft de Nereda-patenten van de TU Delft overgenomen en installeert inmiddels wereldwijd Nereda-installaties. ‘Het Nereda-onderzoek leverde diverse interessante spinoffs op’, zegt Roeleveld. Eén daarvan was de ontdekking dat het slib dat na het proces overblijft uit zo’n 25 procent NEO- alginaat bestaat. Dat alginaat kan je extraheren door het slib te verwarmen en dan nog een aantal chemische stappen te nemen.’

NEO-alginaat heeft een aantal unieke eigenschappen, waaronder de amfifiele eigenschappen (het kan zowel water opnemen als afstoten) en het pseudo plastisch gedrag, die met name tot hun recht komen in omgevingen waar vloeistof moet worden versproeid. Men ziet dan ook mogelijkheden voor NEO-alginaat om de uitharding van beton te verbeteren of als lijmingsmiddel in de papier- en kartonindustrie.

Roeleveld: ‘Eerste stap is om te bewijzen dat we alginaat op een verantwoorde en economisch aantrekkelijke manier kunnen produceren. STOWA heeft in een levenscyclusanalyse de productie van alginaat uit Nereda vergeleken met die uit algen en daar komt NEO-alginaat goed uit de bus. Niet alleen omdat je daarmee voorkomt dat alginaat moet worden geïmporteerd, maar ook omdat je minder slib hoeft af te voeren, 25 procent is namelijk een significante verlaging.

Het succes is mede afhankelijk van de schaalgrootte die we kunnen realiseren. We hebben al klanten gevonden die geinteresseerd zijn in het product en we willen hen dan ook een stabiele stroom leveren. We hopen in gepland pilotonderzoek voor de komende maanden inzicht te krijgen in de kwaliteit en volumes die mogelijk zijn op praktijkschaal. Tegelijkertijd werken we met partners aan onderzoek naar de toepassing van NEO-Alginaat. Dit inclusief de juridische zaken die we moeten organiseren om de applicaties mogelijk te maken. Hoewel de verhittingsstap in het extractieproces ervoor zorgt dat de grondstof wordt gepasteuriseerd, speelt de perceptie ook een rol. Je gebruikt immers afvalwater als bron. Om deze reden zijn we nu eerst op zoek naar afzetroutes waar deze perceptie een minder grote rol speelt, zoals de al eerder genoemde betonindustrie. Wij zijn in ieder geval enthousiast over de mogelijkheden omdat alginaat nu eens een product is waar de industrie wel op zit te wachten.’

Cellulose

Dankzij het veelvuldig gebruik van toiletpapier bevat rioolwater veel cellulose. Ook de papierindustrie produceert reststromen die veel cellulose bevatten. Inmiddels zijn er meerdere technieken voorhanden om die cellulose uit het water te filteren en ook de toepassingen zijn inmiddels zeer divers: van fietspad tot slibontwatering.

Onlangs werd nog het eerste fietspad ter wereld geopend waarin cellulose uit afvalwater is toegepast als ‘afdruipremmer’. De cellulose is gewonnen uit het toiletpapier in afvalwater op de demosite van rwzi Leeuwarden. De vezels binden het hete en nog vloeibare bitumen tijdens het leggen van asfalt en zorgen voor een verhoging van de viscositeit, waardoor het vloeibare bitumen minder snel uitzakt en beter verdeeld blijft over het asfalt. Na afkoelen is het bitumen gestold en de vezel functieloos ingekapseld in het asfalt.

De huidige afdruipremmers komen vooral uit Duitsland en worden gemaakt van vezels uit bomen, kranten of andere delfstoffen. De afdruipremmer uit afvalwater werkt beter dan de reguliere afdruipremmers die nu op de markt zijn, vertelt Yede van der Kooij, projectmanager innovatieve projecten bij Wetterskip Fryslân en projectleider van de werkgroep Cellulose van de Energie & Grondstoffenfabriek. ‘Uit onderzoek van het Asfalt Kennis Centrum blijkt dat je voor hetzelfde effect net iets minder nodig hebt ten opzichte van bestaande producten.’ Wetterskip Fryslan gaat niet zelf de boer op met de cellulose, de fijnzeef is inmiddels weer verwijderd van de demosite.

Met cellulose kan ook slib worden ingedikt. De vezels slurpen het water op en kunnen daarna worden verwijderd. Afvalverwerker Attero voert met BWA en enkele andere partijen een pilotproject uit op de rwzi van Waterschap Noorderzijlvest in het Groningse Ulrum. Het onderzoeksproject heet CADoS: Cellulose Assisted Dewatering of Sludge. Het project is erop gericht de in het rioolwater aanwezige cellulose-houdende vaste stof af te scheiden en vervolgens te benutten voor de ontwatering van zuiveringsslib. Zo wordt geprobeerd het gebruik van chemicaliën op de zuivering aanzienlijk te reduceren, minder energie te verbruiken en te komen tot lagere slibverwerkingskosten. Verder leidt CADoS tot een hogere energieopbrengst uit biogas in de slibgisting.

Struviet

Een van de eerste grondstoffen die de aandacht kreeg van de waterzuiveringswereld was struviet. Deze natuurlijke meststof leverde in veel rioolwaterzuiveringsinstallaties problemen op doordat spontane struvietvorming de procesinstallaties verstopten. Door struviet gecontroleerd te laten ontstaan voorkwam men niet alleen aankoeken van kristallen in leidingen, maar had men tevens een verhandelbaar product.

Aardappelproducent Lamb Weston / Meijer wint al sinds 2007 75 procent van het fosfaat terug uit haar procesafvalwater, door het met magnesium en ammonium te binden tot struviet. Inmiddels is er een keur aan waterschappen dat ook struviet produceert en Schiphol reed onlangs zijn eerste zelf geproduceerde struviet uit op de velden rondom de landingsbanen. De afvalstoffen wet is sinds kort aangepast zodat struviet uit de rwzi’s gelijk wordt gesteld aan fosfaat uit fosfaatmijnen. Desondanks levert de meststof nog weinig geld op.’

Eiwitten

Een relatief nieuwe route naar duurzame grondstoffen is het Power-to-Protein-concept. Uit ammonium, koolzuurgas en waterstof als krachtbron kunnen via dit concept heel efficiënt eiwitten worden geproduceerd. Een speciale groep bacteriën maken zogeheten single cell protein (SCP), zeg maar bacterieceleiwit.

Het concept is bedacht door emeritus professor Willy Verstraete. Er draait al geruime tijd een kleine reactor op laboratoriumschaal.  KWR en Avecom zijn onlangs samen met Waternet, AEB Amsterdam, Waterkracht  en Barentz Foods gestart met ontwerp en bouw van een pilotinstallatie die één kilogram eiwit per dag moet gaan produceren. Daarmee zal het Power-to-Protein-concept dit jaar nog op locatie worden getest.

Petrochemie

De meeste watervalorisatieprojecten beperkten zich tot de voedingsmiddelenindustrie, communale rwzi’s en de papierindustrie. De petrochemische industrie heeft redelijk uitdagende reststromen waar tot nog toe weinig meer mee werd gedaan dan zuiveren en afvoeren. Daar komt wellicht verandering in door het EuRyDice-project, ofwel energie-efficiënte valorisatie van componenten uit processtromen. Een samenwerkingsverband van ISPT met AkzoNobel, Corbion, DOW, Momentive, ECN, KWR en VITO wil technisch haalbare oplossingen ontwikkelen voor het terugwinnen van zout en organische verbindingen uit processtromen. Men verwacht daarmee de energie-efficiëntie van deze stromen in Nederland met minimaal 25 procent te verbeteren, waardoor het energieverbruik met minimaal tien Peta joule per jaar af zou moeten nemen.

Talloze proceswaterstromen in de procesindustrie bevatten een breed scala aan waardevolle bestanddelen die nu nog tijdens de afvalwaterbehandeling worden afgevoerd. Veel bedrijven zouden graag geleidelijk willen overstappen op een gesloten keten met zoveel mogelijk ‘nul-afvalprocessen’. AkzoNobel, Corbion, DOW en Hexion hebben alle te kampen met een probleem ten aanzien van twee generieke situaties: zoutrecycling en het terugwinnen van waardevolle organische bestanddelen.

Recente ontwikkelingen in de procestechnologie maken het mogelijk om waardevolle bestanddelen selectief en met minder energie uit proceswaterstromen te scheiden. De bedrijven hopen solide businesscases te ontwikkelen voor een technologie die niet alleen resulteert in efficiënte selectieve scheiding maar ook in een energiebesparing van 25 procent binnen zes jaar.

Het project omvat vier technische werkpakketten. Eerst worden de proceswaterstromen nader geïdentificeerd. Dit moet resulteren in een reeks voorwaarden en stromen waarvoor voldoende aantrekkelijke businesscases kunnen worden gedefinieerd. Als volgende stap wordt de technologie breed geïnventariseerd, met als leidraad de noodzaak om fasetransitie (verdamping) te voorkomen en de geschiktheid voor zeer complexe mengsels te waarborgen. Voorbeelden van technologieën die in de evaluatiefase worden meegenomen zijn nanofiltratie, elektrodialyse, capacitieve deionisatie, pervaporatie, osmose en omgekeerde osmose, adsorptie, ionenuitwisseling en elektroprecipitatie. Nieuwe combinaties van deze technologieën worden eveneens onderzocht.