Afvalwater zuiveren met bacteriën

Sommige afvalwaterstromen zijn lastig te zuiveren vanwege de combinatie van moeilijk afbreekbare stoffen, hoge zoutgehaltes in en de hoge temperatuur van het water. Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft ontwikkelden binnen het project BioXtreme een verbeterde biologische methode voor zuivering onder ‘extreme omstandigheden’.

De industrie gebruikt wereldwijd een enorme hoeveelheid water. Industrieel afvalwater bevat vaak een hoge concentratie zouten en moeilijk afbreekbare stoffen als fenol, een chemische stof die vaak gebruikt wordt in de industrie. Wordt dit water gezuiverd, dan kan het bijvoorbeeld hergebruikt of geloosd worden zonder dat dit milieuschade oplevert. Maar hiervoor is wel een duurzame en efficiënte zuiveringsmethode nodig.

Duurzaam en goedkoop

Het goede nieuws is dat die methode er is: zuivering door middel van anaerobe micro-organismen . Dit heeft als groot voordeel dat het goedkoop en duurzaam is. De moeilijk afbreekbare en vaak ook giftige stoffen worden door de micro-organismen afgebroken zonder dat daarbij zuurstof betrokken is. Er ontstaat bovendien biogas, wat weer in andere industriële processen gebruikt kan worden, bijvoorbeeld voor verwarming, de productie van elektriciteit, of de synthese van diverse organische producten.

Het slechte nieuws is dat het onder extreme omstandigheden niet altijd lukt om moeilijk afbreekbare stoffen via anaerobe waterzuivering af te breken, vertelt Henri Spanjers, universitair hoofddocent Industriewater aan de TU Delft en projectleider van het onderzoek BioXtreme – Anaerobic waste water treatment under extreme conditions. Bij extreme omstandigheden gaat het om water met een hoge temperatuur dat veel zouten en hoge concentraties giftige stoffen bevat. De gebruikte anaerobe biomassa bestaat normaal gesproken uit een soort korrels. Deze bezinken makkelijk en kunnen hierdoor eenvoudig in de reactor worden gehouden. Maar onder extreme omstandigheden vormen zich geen korrels met als gevolg dat de biomassa uit de reactor spoelt.

Functioneren onder extreme omstandigheden

In het door NWO-domein Toegepaste en Technische Wetenschappen gefinancierde onderzoek BioXtreme slaagde de onderzoeksgroep van Spanjers erin om een bioreactor op labschaal te bouwen die onder deze extreme omstandigheden wel functioneert. De reactor maakt gebruik van een membraan, waardoor de biomassa in de reactor blijft. ‘Bacteriën zijn traag groeiende specialisten. Het is dus van belang dat je die in het systeem houdt. Dan krijgen ze de kans om zich te ontwikkelen en te wennen aan de omstandigheden’, legt Spanjers uit.

Het duurde dan ook een jaar voordat de onderzoekers een goed functionerende bioreactor hadden. Bovendien heeft de toepassing van een membraan het voordeel dat het gezuiverde afvalwater vrij is van deeltjes, waardoor het eenvoudig is op te werken naar water dat binnen de industrie kan worden hergebruikt.

De membraanbioreactor

Anaerobe zuivering wordt binnen de industrie al wel gebruikt, maar dan bijvoorbeeld bij levensmiddelenfabrikanten. Hun afvalwater bevat veel organische stoffen. Bijzonder aan de bioreactor die in BioXtreme is ontwikkeld is dat die veel ‘lastiger’ omstandigheden aan kan. Hierdoor ontstaan dus ook andere mogelijkheden voor toepassing. Spanjers noemt zelf de petrochemische industrie en raffinaderijen als belangrijk toepassingsgebied, waar de moeilijk afbreekbare stoffen zich in water met een hoog zoutgehalte bevinden. ‘Dat zijn juist voor bacteriën ongunstige omstandigheden.’

Bedrijfsleven betrokken

Welke mogelijkheden biedt dit voor afvalwaterzuiveringsbedrijven? Bij het onderzoek waren verschillende partners uit het bedrijfsleven betrokken. Zij tonen zich enthousiast over de resultaten. ‘Ik ben onder de indruk van de vooruitgang’, zegt Paula van den Brink, process engineer bij Evides Industriewater. ‘Bij anaerobe zuivering kun je energie terugwinnen en besparen op beluchting. Als de anaerobe methode mogelijk is, heeft die onze voorkeur.’
Collega Jan Willem Mulder, Manager Proces & Technologie bij Evides Industriewater: ‘Anaerobe waterzuivering had zich al op verschillende gebieden bewezen. Nu is dit uitgebreid voor toxisch afvalwater.’ Die moeilijk afbreekbare stoffen zijn ook interessant voor Paques, een bedrijf dat anaerobe afvalwaterzuiveringsinstallaties bouwt, vertelt Carla Frijters, Development manager bij het bedrijf. ‘Hier is aangetoond wat membranen bijdragen aan de zuivering van afvalwater. We hebben ook ontdekt hoe hoog de tolerantie van de bacteriën tegen zouten kan zijn.’

Stap naar toepassing

Binnen het onderzoek zijn inmiddels twee initiatieven genomen richting toepassing van deontwikkelde technologie. Zo wordt de technologie door BAM Infra getest met condensaat dat vrijkomt bij de productie van asfalt. Daarnaast financiert Evides Industriewater een tweejarig PDEng-project aan de TU Delft, dat gericht is op opschaling van de technologie. Dit moet leiden tot een ontwerp van de membraanbioreactor voor gebruik in een pilotproject.

Het bedrijf heeft behoefte aan die vertaling van de laboratoriumresultaten naar de praktijk. ‘Het is een tussenstap die we nu willen gaan maken. Op labschaal werk je vanuit een gecontroleerde situatie. Bij het opschalen kom je nieuwe dingen tegen’, zegt Van den Brink. Mulder wijst erop dat vooral de biologie bestudeerd is. Die inzichten zijn er nu. ‘Maar uiteindelijk is er ook een behoorlijk stuk techniek bij betrokken. Bij opschaling wordt die technologie heel bepalend voor de kosten.’

Ook Frijters is benieuwd naar wat een pilotstudie op zou kunnen brengen. Ze wijst erop dat succesvolle toepassing afhankelijk is van wat voor water gezuiverd moet worden en welke kwaliteit daarbij verwacht wordt. ‘Kan dit ook bij een grote stroom afvalwater? Wat als het niet geconcentreerd is? Dat is een kostenplaatje dat nog gemaakt moet worden. En mocht het proces te veel energie kosten, is het uiteindelijk ook niet duurzaam.’

Modelafvalwater

Om wat voor afvalwater het gaat is sowieso een belangrijke vraag voor vervolgonderzoek. In de laboratoriumsetting werken de onderzoekers met modelafvalwater, dat zoveel mogelijk is samengesteld op basis van componenten die vaak voorkomen in de industrie. Dit wordt gedaan om een goede analyse van de resultaten mogelijk te maken. In de praktijk krijgen afvalwaterzuiveringsbedrijven van iedere klant afvalwater met een andere samenstelling, dat andere eisen stelt aan de manier van zuivering. Van den Brink: ‘Dit betekent dat we altijd aanvullende testen moeten doen.’

Ondanks dat de samenstelling van afvalwater kan verschillen, geven de resultaten uit het onderzoek wel houvast. Er is nu meer kennis over dit soort processen. ‘Er kan sprake zijn van chemische verwante componenten in verschillende soorten afvalwater. Nu we houvast hebben, weten we waar we moeten beginnen’.

In het PDEng-project wordt in eerste instantie ingezet op één soort afvalwater. Het uiteindelijke doel is volgens Van den Brink om te werken aan een technologie die voor verschillende soorten afvalwater gebruikt kan worden. ‘De reikwijdte van zoutgehalte en afbreekbaarheid van de betreffende stoffen zullen hierbij belangrijke ontwerpparameters worden.’ Al weet de organisatie nooit met wat voor type afvalwater de klant gaat komen.

Eerste stap

Het duurt nog wel even voordat het zover is. Na de twee jaar van het PDEng-traject is er volgens haar zeker twee jaar nodig voor het testen van de pilot. Vervolgens is het wachten tot er een klant komt met afvalwater dat geschikt is voor deze behandeling, wat niet voor elk type het geval is. Hierna kan de anaerobe membraanbioreactor gebouwd worden. ‘Dus dan ben je zeker zes jaar verder.’ Het is tijd die nodig is, omdat het om een nieuwe technologie gaat, zegt Van den Brink. ‘Normaal gesproken werken we met technieken waar meer over bekend is qua ontwerpstandaarden. Dat is hier nog niet het geval. De laboratoriumtesten waarin is aangetoond dat slib kan wennen aan de extreme omstandigheden zijn een eerste stap.’

Evides Industriewater, vindingrijk.