STUDIEDAG
Aquarama 85 – september 2019
Nieuwe stappen in fosfaatrecuperatie
Met dit project wilden de partners een calciumfosfaat creëren dat kwalitatief zo goed mogelijk fosfaaterts benadert.
De recuperatie en opconcentratie van fosfaat uit effluent zullen in de toekomst belangrijker dan ooit worden om het wereldwijd dreigend tekort aan meststoffen op te vangen. Met die wetenschap in het achterhoofd, namen verschillende onderzoekspartners deel aan het door Vlaio ondersteunde Tetraproject ‘Phosphate Recovery 2.0’. KU Leuven en Vlakwa (Vlaams Kenniscentrum Water) hielden onlangs een druk bijgewoonde studiedag over het thema. Daarin kwamen onder meer de fosfaatrecuperatie als calciumfosfaat bij afvalwater van de aardappel- en groenteverwerkende industrie aan bod.
Op 1 juli 2019 waren we op deze wereldbol met ruim 7,7 miljard mensen. Die bevolking groeit met de dag nog aan, terwijl er wereldwijd een fosfortekort dreigt en er lokaal vaak fosfaat moet worden verwijderd. “Op termijn kan dit voor belangrijke problemen zorgen”, weet professor Boudewijn Meesschaert, verbonden aan het laboratorium voor microbiële en biochemische technologie van KU Leuven Campus Brugge. “Hoe moeten we al die mensen gaan voeden als er essentiële meststoffen ontbreken? Bovendien is fosfaaterts maar in een beperkt aantal landen beschikbaar. Niemand kan voorspellen wat de gevolgen zouden zijn als er plots geen fosfaat meer zou zijn, maar we weten wél dat er een strikte relatie is tussen de beschikbaarheid van meststoffen en de bevolkingsgroei. Het is dus noodzakelijk op zoek te gaan naar manieren om fosfaat te recupereren.”
Daarom werd in 2017 het Tetraproject ‘Phosphate Recovery 2.0’ opgestart. “Onze afvalwaters bevatten te veel fosfaten”, vervolgt Boudewijn Meesschaert. “Dat geldt zeker voor de afvalwaters van onze voedingsindustrie. In volume zijn die beperkt in vergelijking met die van de waterzuiveringen, maar ze zijn rijker aan fosfor. Dat zorgt mede voor de eutrofiëring (overbemesting) van onze waterlopen. Nu slaat men het fosfaat neer met een overmaat aan FeCl3 (ijzertrichloride), maar dit leidt tot een verhoogd chloridegehalte in het effluent en extra slibproductie. Bovendien is het gevormde ijzerfosfaat in het slib nauwelijks biologisch beschikbaar. Daarom wordt er gezocht naar alternatieven. Tot de mogelijkheden behoort de recuperatie als calciumfosfaat na een bacteriële nitrificatie van het anaeroob effluent.”
“We wilden via dit project een calciumfosfaat creëren dat kwalitatief zo goed mogelijk fosfaaterts benadert, zodat de fosforindustrie ermee aan de slag kan”, vervolgt ing. Annick Monballiu, eveneens verbonden aan KU Leuven Campus Brugge. “De voordelen van een nitrificatie zijn velerlei: de verwijdering van zowel ammonium (zodat struviet niet mee kan precipiteren), als van carbonaat en bicarbonaat (TIC of totale anorganische koolstof zodat er tegelijk geen kalkneerslag is), en van een gedeelte van de TOC (totale organische koolstof). Dat alles leidt automatisch tot een redelijk zuiver eindproduct. Voorts willen we onderzoeken of een bijkomende denitrificatie voordelen biedt. Normaal moet dit leiden tot een hogere pH, wat de kristallisatie moet vergemakkelijken, maar ook de TIC stijgt.”
Methodologie
In de methodologie werden zes casestudy’s onderzocht, waarbij parameteronderzoek werd uitgevoerd tijdens batch en continue testen. Daarbij werden de invloeden van de pH, de Ca/P-verhouding en beluchting onderzocht. De testen werden telkens ook gesimuleerd, waarbij via berekeningen van de SI-waarden (saturatie-indexen) de verwachte eindconcentraties werden berekend.
“Omdat het in de praktijk niet mogelijk bleek om genitrificeerd/gedenitrificeerd afvalwater met fosfaat af te nemen bij een aardappel- (cases 1 ,2 en 5) of groenteverwerker (cases 3 , 4 en 6) zorgden we zelf voor de nitrificatie (cases 1 en 3) en de denitrificatie (cases 2 en 4). Bij cases 5 en 6 (calciumfosfaat na gecombineerde nitrificatie en denitrificatie) kozen we voor een ‘end of pipe’-benadering door in het labo aan het effluent van de waterzuivering fosfaat toe te voegen (50 ppm fosfaat-P bij het afvalwater van het aardappelverwerkend bedrijf, 15 ppm bij dat van het groenteverwerkende bedrijf).”
Om het fosfaat te precipiteren in genitrificeerd afvalwater is een toegevoegde Ca/P-verhouding van minstens vier nodig. “Voorts kunnen we ook concluderen dat de al aanwezige Ca2+-ionen in het afvalwater nauwelijks bijdragen tot de precipitatie van het fosfaat. Wat er na nitrificatie en precipitatie aan fosfaat overblijft, kan verwijderd worden tijdens de nakomende denitrificatie. Na een nitrificatie en een bijkomende denitrificatie was de pH inderdaad verhoogd, maar dat leidde in de continue laboreactoren tot een verhoogde contaminatie van het neerslag met magnesiumfosfaat en calciumcarbonaat. Voorts werd al een deel van het fosfaat verwijderd in de denitrificatie zelf. Denitrificatie zorgt wel voor een verdere polishing en het verkregen neerslag is duidelijk minder gecontamineerd met organisch materiaal, maar bevat dus meer magnesium, een contaminatie die niet gewenst is door de fosforindustrie.”
“Gedurende meer dan een jaar voerden we een pilootschaalstudie uit op genitrificeerd afvalwater van een aardappelverwerker. De verkregen neerslag voldeed aan alle chemische normen, maar bevatte nog te veel organisch materiaal, een op termijn oplosbaar probleem. In de pilootschaaltest voor fosforzuurproductie leidde dit tot een verkleuring van het fosforzuur en het calciumsulfaat, het basisproduct voor de gyproc-platen van Knauf.”
Uit de resultaten van de cases 5 en 6 werd bleek dat een ‘end of pipe’-benadering een reële optie is. “Onder de optimale omstandigheden, belucht en in aanwezigheid van entmateriaal, volgt de precipitatie de simulaties. Voor deze cases konden we besluiten dat de lozingsnorm voor fosfaat wordt gehaald bij een toegevoegde Ca/P-verhouding van 4 à 5. Na centrifugeren, wassen en drogen op 70 °C kregen we uit het gedopeerde lozingseffluent van het aardappelverwerkend bedrijf een goed bezinkbaar, poedervormig en wit-beige calciumfosfaat-houdend neerslag; wel was er wat contaminatie met magnesium en carbonaat. Uit het gedopeerde effluent van het groenteverwerkende bedrijf werd een kleinere hoeveelheid precipitaat verkregen.”
Conclusie
“We kunnen besluiten dat de nitrificatie van anaeroob behandeld afvalwater zal resulteren in neerslag van calciumfosfaat, met geen of minder storingen door struviet en carbonaat. In vergelijking met het huidig toegepaste struvietproces is geen alkali nodig; na nitrificatie hebben we de ideale pH”, aldus Annick Monballiu.
Door Bart Vancauwenberghe
Illustraties Vlakwa
Struviet
NuReSys concentreert zich al een aantal jaren op het herwinnen van fosfaat uit industriële afvalwaters, vooral in de voedingsindustrie. “De basis is het uitkristalliseren van het fosfaat, samen met stikstof en magnesium tot struviet (Biostru). Dit product is onmiddellijk inzetbaar als meststof, zonder bijkomende verwerking. De beperkte wateroplosbaarheid zorgt voor een trage werking. Omdat plantenwortels met hun zure secreties zelf voor de vrijstelling van de nutriënten uit de meststof zorgen, is er een hoog opnamerendement”, aldus Wim Moerman, zaakvoerder van NuReSys. Struviet is opgenomen in de herziene lijst van meststoffen en zowel door het FAVV als door OVAM erkend als grondstof. Het product kan ook gebruikt worden als brandvertrager en heeft in zijn geheel een positief effect op de CO2-balans.
