Bij rioolwaterzuivering staat tegenwoordig de circulaire gedachte centraal, ofwel ketens sluiten en eruit halen wat erin zit. En er zit letterlijk en figuurlijk goud in ons rioolwater.

‘De onderzoekswereld is al lang bezig met water, energie en componenten terugwinnen uit afvalwater’, zegt Kees Roest, de senior onderzoeker die in 2008 aan de wieg stond van het afvalwateronderzoek bij KWR in Nieuwe­gein. ‘Al in 1995 richtten drinkwaterbedrijven een organisatie op om reststoffen
te beheren, Aqua Minerals. De terugwinning van reststoffen komt nu in een stroomversnelling.’ Dat komt door groeiende nadruk op de circulaire economie én doordat terugwinning inmiddels rendabel kan zijn.

Roest noemt een aantal voorbeelden. ‘Struviet, ofwel urinesteen, gericht laten vormen, scheelt zo veel onderhoudskosten aan de installatie dat het proces rendabel is. In Zwolle is een rioolwaterzuiveringsinstallatie die biogas voor de eigen installatie maakt en daarmee ook stroom voor vierhonderd huishoudens produceert.’ Dan is er nog de weg in het Amsterdamse IJburg die geasfalteerd is met cellulose uit gerecycled toiletpapier als geluidsreducerende laag. En in Ede hergebruikt een pilotinstallatie cellulose uit het eigen proces door er actieve kool van te maken die medicijnresten uit het afvalwater afvangt.

Nereus

Eind juni kwam daar in Rotterdam de Nereus-pilotinstallatie bij, die onderdeel is van het Europese Nereus-project. Die installatie haalt met filtering, elektrocoagulatie, twee-stappen membraanfiltratie, vergisting, pyrolyse en omgekeerde osmose alles uit de kast om onder meer actieve kool, energie en water te winnen. ‘We combineren verschillende technologieën die elders nog niet operationeel zijn’, zegt Sigrid Scherrenberg, teammanager process & technology R&D bij Evides Industrie­water. Dat bedrijf leidt het project, dat in 2017 startte en doorloopt tot eind 2020. Het werkt hierin actief samen met diverse organisaties, waaronder de Vlaamse onderzoeksinstelling VITO.

Elektrocoagulatie, waarbij opgeloste ijzer- en aluminiumdeeltjes zich aan organische deeltjes binden, is bekend uit de industriële afvalwaterzuivering, maar vindt nog niet plaats bij huishoudelijk afvalwater. Via vlokvorming haalt de installatie organische stof uit het proces. Scherrenberg: ‘De membraanfiltratie is bijvoorbeeld niet nieuw, maar de nanolaag-voor-nanolaag geproduceerde polymere membranen die wij toepassen zijn dat wel.’ De laagjes stoten de ene stof af, terwijl ze de andere selectief doorlaten. Nereus scheidt er in twee stromen stikstof en fosfaat mee. ‘Daardoor ontstaat een stroom met een hogere concentratie die terugwinning van fosfaat en ammonium vergemakkelijkt.’
Net als in Ede past ook Nereus pyrolyse toe om uit cellulose actieve kool voor het eigen proces te maken. ‘Toepassing in het eigen proces is een eerste, logische stap, voordat zeer zuivere productie voor markttoepassingen eventueel aan de orde komt. Omzetting van cellulose naar suikers als voeding voor bacteriën in ons proces ook mogelijk’, vertelt Scherrenberg.

‘Er zijn geen grote nabezinktanks meer nodig’

Dankzij omgekeerde osmose levert de Nereus-installatie schoon water op. ‘Dat dient als irrigatiewater voor een urban farm vlak bij de installatie’, meldt Scherrenberg. Helemaal klaar is Nereus nog niet, geeft ze aan. ‘We willen de installatie nog uitbreiden met algen die ammonium opnemen. Die biomassa kunnen we mogelijk nuttig gebruiken. Daarvoor hebben we een brakwateralg op het oog. We hopen daarmee de groei van andere, ongewenste micro-organismes te minimaliseren.’

Compact proces

In de Griekse mythologie is Nereus de vader van de waternimf Nereda. Maar in de Nederlandse waterbehandeling was Nereda er vóór de watergod Nereus. Nereda staat voor de waterzuiveringstechnologie die Mark van Loosdrecht en Merle de Kreuk in samenwerking met Haskoning DHV aan de Technische Universiteit Delft ontwikkelden en die een revolutie in afvalwaterzuivering ontketende.

In 2012 werd de eerste Nereda-installatie in Epe in gebruik genomen. Inmiddels zijn er in Nederland zeven installaties operationeel en vindt de technologie ook wereldwijd steeds vaker toepassing. Zo bouwt Nereda momenteel in Dublin een grote installatie. De Kreuk hield op 23 mei haar inaugurele rede als hoogleraar milieutechnologie in Delft. Volgens haar is het succes te danken aan de compactheid van het proces. Er is minder investering, minder grondgebruik en minder energie nodig voor hetzelfde zuiveringsresultaat. ‘Conventionele afvalwaterzuiveringsinstallaties gebruiken vlokken met bacteriën die met behulp van zuurstof afvalstoffen afbreken. Wij laten de bacteriën korrels vormen, waarin een efficiëntere omzetting plaatsvindt. De korrels bezinken ook makkelijker en sneller. Daardoor zijn geen grote nabezinktanks meer nodig; alles gebeurt in één reactor.’

‘De terugwinning komt in een stroom­versnelling’

Wat is nu de link van dit proces met winnen uit water? De Kreuk: ‘De korrels bestaan uit polymeren, alginate like exopolymers, die de bacteriën als hun huisje bouwen. Die polymeren kun je oogsten. Ze hebben talloze mooie toepassingen: in waterafstotende of brandvertragende coatings, om beton langzaam uit te harden of als verdikkingsmiddel in verf.’ (Zie ook het artikel over de Delftse spin-off Slimy Green Stuff.)

Dat Nereda goed werkt, maakt het wereldwijde succes duidelijk. Maar hoe het precies werkt, weten ook de geestelijke ouders in Delft nog niet. De Kreuk: ‘Welke micro-organismes allemaal een rol spelen in de afbraak van de zwevende deeltjes en wat de rol hiervan is op de nutriëntenverwijdering in de korrels, is nog onbekend. Op dit moment onderzoeken we die vragen, bijvoorbeeld met MRI om niet-destructief en realtime te kunnen bepalen wat er gebeurt.’
Uiteindelijk blijft er na de afvalwaterzuivering een slibfractie over die je kunt vergisten. Daarbij zet je de organische stof uit dat slib om in methaan. Wat dan nog over is, verbrand je in de regel. Een beter begrip van de vergistingsprocessen kan een verhoogde afbraak van biomassa, een hogere opbrengst aan biogas of winning van andere organische verbindingen opleveren. ‘Er is nog veel winst te behalen’, concludeert De Kreuk. ‘We zouden bacteriën in het proces willen stimuleren die de juiste enzymen aanmaken voor verhoogde omzetting van het slib. Je zou in eerdere stappen vetzuren kunnen winnen om bioplastics te produceren. De mogelijkheden zijn enorm.’

Regelgeving

Waar de waterwereld al onderweg is, moet de wetgever de stap van een lineaire naar een circulaire economie nog maken. Hergebruik uit afvalstromen is in veel gevallen niet zomaar toegestaan. Wetgevers staan open voor aanpassing, maar dat kost tijd. Roest: ‘Een van de veelbelovende processen waarbij nog vragen zijn rondom de regelgeving en de publieke perceptie is power-to-protein. Hierbij sluit je de stikstofketen door stikstof uit afvalwater direct op te werken tot microbieel eiwit, dat als veevoer zou kunnen dienen.’

Het streven is een zo profijtelijk en hoogwaardig mogelijke inzet van teruggewonnen stoffen. Vaak zal dat uitkomen op een uitgekiende combinatie van energie en componenten, geeft Roest aan. ‘Het helpt dat de prijs van fosfaat en andere grondstoffen stijgt. In theorie zijn er veel positieve businesscases mogelijk. Onlangs analyseerde KWR de concentraties van 66 elementen in de waterketen. Momenteel onderzoeken we de terugwinning van verschillende metalen, zoals koper, zink, goud en palladium. Zo is er voor tonnen euro’s aan goud uit afvalwater te winnen.’