struviet Archieven - Utilities

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.

Op zeven september jongstleden reed een tractor de meststof uit die het gras rond de landingsbanen van luchthaven Schiphol in conditie moet houden. Het bijzondere was dat deze meststof, struviet, uit het rioolwater van de luchthaven is gewonnen. Strategisch adviseur Utilities Leon Bakuwel van Schiphol Group: ‘Met de afronding van deze duurzame pilot die een mooi voorbeeld is van de cradle to cradle filosofie komt Schiphol een stapje dichter bij zijn ambitie om de duurzaamste luchthaven van de wereld te zijn.’

In 2012 committeerde de directie van Schiphol Group zich aan een aantal duurzaamheidsambities. Zo wil Schiphol toegroeien naar een zero waste airport in 2030 en men voor de eigen activiteiten – die van de Schiphol Group dus – naar klimaatneutrale-bedrijfsvoering. Bakuwel: ‘Naast dat we al het eigen energieverbruik vergroenen door middel van certificaten, zijn we ook gestart met een aanbestedingstraject om honderd procent van ons eigen elektriciteitsverbruik uit nieuw te bouwen duurzame Nederlandse bronnen te betrekken.’
In de duurzaamheidsambities van de luchthaven Schiphol zijn ook het water- en afvalmanagement verweven. Bakuwel: ‘In de cradle-to-cradle filosofie is de eerste stap het terugdringen van het gebruik aan de bron. Als het gaat om water betekent dat bijvoorbeeld het aanleggen van waterbesparende toiletten of het terugbrengen van het spoelvolume in bestaande toiletten. In het begin deden we dit heel pragmatisch door een baksteen in het waterreservoir te plaatsen. Door het monitoren van het waterverbruik is de effectiviteit van de waterbesparingsmaatregelen te volgen. Het waterverbruik van het terminalcomplex, per passagier omgerekend, is in de afgelopen tien jaar met 21  procent teruggebracht.’

De-icing afvalwater

In de voorgaande jaren zijn verschillende experimentele projecten uitgevoerd om op een duurzamere wijze om te gaan met afvalwater. In 2010 is een proefinstallatie gebouwd om te testen of het mogelijk was algen te kweken met het water dat wordt gebruikt voor het ijsvrij maken van vliegtuigen. In het de-icing afvalwater zit namelijk glycol en dit kan door algen worden afgebroken. ‘Wat we deden was eigenlijk heel simpel: Op specialere platforms wordt het water opgevangen, in opslagtanks verzameld en geleidelijk naar de zuiveringsinstallatie verpompt. Helaas bleek de combinatie van het zuiveren van het opgevangen de-icingwater en produceren van hoogwaardige algen in deze specifieke praktijksituatie niet haalbaar.
Het terugwinnen van het glycol, is ook beproefd, in de praktijk bleek het onmogelijk de-icingwater met voldoende hoge glycolconcentratie op te vangen, waardoor de glycolterugwinning zo energie-intensief was dat het duurzamer was om het op de natuurlijke manier te laten afbreken.’ Het de-icingafvalwater wordt nu met vrachtwagens afgevoerd naar een drietal afvalwaterzuiveringen die glycol gebruiken als voedingstof in hun biologische zuiveringsproces om stikstof te kunnen verwijderen.

AWZI-Schiphol

De AWZI (afvalwaterzuiveringsinstallatie) op Schiphol zuivert op biologische wijze zo’n vierduizend kuub sanitair afvalwater per etmaal, wat te vergelijken is met het afvalwater van een stad met 45 duizend inwoners. Het te zuiveren afvalwater komt behalve van de terminals en kantoren ook van de toiletten van de vliegtuigen en gaat naar de AWZI. Bakuwel: ‘In 2004 hebben we de AWZI overgedragen aan Evides Industriewater omdat afvalwaterverwerking voor hen een kernactiviteit is en voor ons een bijzaak. Bijkomend voordeel was dat ook Evides duurzaamheidsambities heeft en wil investeren in toekomstbestendige, circulaire oplossingen.’

Pilot fosfaatterugwinning

In 2013 startte het TKI-project ‘Sustainable airport cities’, Amsterdam Airport Schiphol, Vewin, Evides Industriewater en KWR Watercycle Research Institute werken samen om fosfaat te winnen uit afvalwater. Het project is mede gefinancierd uit de Toeslag voor Topconsortia voor Kennis en Innovatie (TKI’s) van het ministerie van Economische Zaken. Bakuwel: ‘Het project omvat twee onderwerpen: (1) het terugwinnen van fosfaat uit afvalwater van Schiphol via pilot onderzoek en (2) het selecteren van een zodanige kwaliteit product dat het zonder nabewerking als meststof kan worden ingezet, liefst in de omgeving van de luchthaven.’
Technologiekeuze en de kwaliteit van het struviet om direct toe te kunnen passen zijn belangrijke aspecten geweest in de bepaling met welke afvalwaterstroom de fosfaatterugwinning het beste tot zijn recht zou komen. Bakuwel: ‘Verschillende deelstromen zijn door de struvietreactor op de AWZI Schiphol van Evides gevoerd. Het sanitair water afkomstig van de vliegtuigen alsook het centraat uit de centrifuge voor het uitgegiste zuiveringsslib is getest. Op de AWZI wordt namelijk het zuiveringsslib vergist, het vrijkomende groene gas wordt weer ingezet voor de verwarming van gebouwen op de AWZI.
De meest fosfaatrijke deelstroom was het centraat waarbij het fosfaat ook nog eens zeer geconcentreerd was. Dat is van belang voor de waarde van het struviet in de keten en voor de businesscase. ‘De opbrengsten zijn niet zozeer het uitgangspunt geweest’, voegt Bakuwel daaraan toe. ‘Van struviet zal je voorlopig niet rijk worden. Fosfaat is belangrijk voor de voedselvoorziening en de wereldvoorraad van deze grondstof is eindig. Fosfaat wordt in de toekomst schaarser omdat fosfaatmijnen in bijvoorbeeld Marokko en China uitgeput raken. Tot die tijd is het fosfaat dat daar vandaan komt echter nog wel vele malen goedkoper dan het fosfaat dat wij op Schiphol op beperkte schaal terugwinnen’.

Een procestechnische randvoorwaarde voor de haalbaarheid van struvietproductie op de AWZI Schiphol is implementatie van volledige biologische fosfaatverwijdering. Op dit moment wordt het fosfaat nog voornamelijk chemisch verwijderd. Indien biologische fosfaatverwijdering wordt doorgevoerd in combinatie met fosfaatterugwinning, dan heeft dit als belangrijkste voordeel dat er minder chemisch slib hoeft te worden afgevoerd.’

Wetswijziging

De gehele pilotinstallatie bestaat in de basis uit een stripper, een reactietank en bezinker en heeft weinig ruimtebeslag nodig. Dankzij deze eenvoudige configuratie kan de reactor nagenoeg autonoom werken en vraagt dus weinig aandacht. Enig minpunt was dat de korrelgrootte in de test nog wat tegenviel.
In 2015 is de pilot afgerond en is er struviet geproduceerd met een goede kwaliteit, ook wat betreft hygiëne en microverontreinigingen.
Bakuwel: ‘Het uitrijden kon pas in 2016 plaatsvinden nadat de afvalstoffenwet was aangepast waardoor stuviet wettelijk gezien geen afvalstof meer is maar als grondstof wordt gezien. Schiphol heeft op het landingsterrein grote stukken grasland en na werkzaamheden wordt er normaal gesproken weer gras gezaaid en kunstmest gebruikt om het gras in goede conditie te brengen. Onlangs is hiervoor als proef gebruik gemaakt van zevenhonderd kilo zelfgeproduceerde struviet in plaats van de traditionele kunstmest.

Met het uitrijden van het struviet afgelopen september hebben we de proef met fosfaatterugwinning succesvol afgerond. De vraag is uiteraard wat onze volgende stap wordt. Evides gaat de AWZI  verbouwen om aan strengere lozingseisen te voldoen, dat is natuurlijk een mooie gelegenheid om te kijken of we daar niet tegelijkertijd een extra stap aan kunnen toevoegen om struviet te produceren.’