ONDERZOEK  
Aquarama 91 – maart 2021

Zuiver meer decentraal

Bedrijven in de procesindustrie kunnen meer waarde halen uit decentraal zuiveren, in vergelijking met zuivering aan het einde van hun proces. Dat zegt Emile Cornelissen, Principle Scientist in het team Waterbehandeling en Resource Recovery van KWR en professor bij de PaInT (Particle and Interfacial Technology) onderzoeksgroep aan de Universiteit Gent. “Het voordeel is dat de te zuiveren afvalstroom dan minder complex wordt en daardoor gemakkelijker te zuiveren is.”

De meeste bedrijven zuiveren afvalwater aan het eind van alle processtappen in een fabriek, end-of-pipe dus. “Aan het einde van de fabriek ontstaat een afvalwater met allerlei componenten uit de verschillende processen”, zegt Emile Cornelissen. “Deze complexe brij met een mengsel van stoffen is doorgaans moeilijk te behandelen. Er zijn daardoor vaak ingewikkeldere en complexere waterbehandelingsinstallaties nodig. Dat leidt soms weer tot onder- of overbehandeling van afvalwater en de noodzaak om te conditioneren (het toevoegen van allerlei chemicaliën), wat weer kan leiden tot verspilling van energie.” Cornelissen roept bedrijven daarom op om hun waterstromen anders aan te pakken en na te denken hoe ze de afvalwaterstromen beter kunnen beheersen. “Probeer zo veel als mogelijk aan de bron van de vervuiling te zuiveren en voorkom dat verschillende stromen bij elkaar komen en voor een complexere afvalstroom zorgen.” Hierdoor is het nodig om dichter bij de verschillende processtappen te zuiveren in het industriële processchema. Idealiter wordt in de toekomst bij het ontwerp van nieuwe processen al integraal rekening gehouden met de waterzuivering en niet als een ´end-of-pipe´ oplossing. Procesintensificatie is hierbij een kernwoord.

Membranen geraken verstopt

Slimme decentrale zuiveringen kunnen best plaatsvinden met selectieve scheidingstechnieken, zoals membraanprocessen. “Membranen vormen het hart van de meeste scheidingsprocessen,” zegt Cornelissen. “Het is een voordeel dat ze zeer robuust en schaalbaar zijn. Ze kunnen veel waterkwaliteitsproblemen in één stap oplossen, iets wat de meeste andere processen niet kunnen. Je kan vlot bacteriën en virussen, zouten en opgeloste organische componenten verwijderen in één stap. Het nadeel is echter het optreden van membraanvervuiling. Sommige stoffen die door het membraan worden verwijderd hopen zich op voor het membraan en vormen dan een vervuilingslaag. Als je ´end-of-pipe´ zuivert met membranen, gaan die meestal sneller vervuilen en verstoppen. In complexe afvalwaterstromen bevinden zich vaak stoffen die een groot probleem vormen naar membraanvervuiling toe. Een membraan is een dun vlies dat door vervuiling en verstopping minder effectief kan worden bedreven. Een voorbeeld is de aanwezigheid van calcium in het afvalwater dat in combinatie met negatief geladen organische stoffen voor een dichte en dikke koek op je membraan kan zorgen. Dit resulteert in de noodzaak van het regelmatig chemische of hydraulisch reinigen van het membraan, dat weer voor een reststroom zorgt. Een doctoraatsstudent van de UGent onderzoekt of een membraancoating kan zorgen voor minder vervuiling en/of een makkelijkere reinigbaarheid van de membranen. Voorzuivering van membraaninstallaties proberen we zo veel mogelijk te beperken, om de energie en installatiekosten te minimaliseren. En tenslotte houd je na een membraanproces altijd een reststroom of concentraatstroom over. We proberen met tal van projecten die reststroom zo veel mogelijk te beperken en er zelfs nuttige stoffen uit te halen die we dan kunnen hergebruiken in het proces.”

Onderzoek

In Singapore organiseert de professor ook testen om de vervuiling beter te begrijpen en deze zo alvast in een voorzuivering te kunnen verwijderen. “In Singapore hebben we gekeken naar hoe zeewater membranen vervuilen. We hebben het zeewater in stukken opgebroken, ook wel fractioneren genaamd. We hebben dan proberen te begrijpen welk stukje van het zeewater het meest vervuilend is. Als je dat weet kan je in je voorzuivering ingrijpen op deze specifieke componenten die een probleem vormt. We hebben zeer sterk op het probleem ingezoomd en het probleem proberen te voorkomen. Dat idee heb ik meegenomen naar Vlaanderen en Nederland en is nu onderdeel van respectievelijk het FWO SBO (1) project BioStable in Gent en het BTO (2) project “Organische- en deeltjesfracties gerelateerd aan biologische stabiliteit” bij KWR. Daar zijn we nu bezig om oppervlaktewater te fractioneren voor Vlaamse en Nederlandse drinkwaterbedrijven. We kijken naar welke fractie van het oppervlaktewater zorgt voor de groei van bacteriën. Als je geen chloor aanbiedt, kan je daar namelijk problemen mee krijgen. In Nederland chloreren we niet, dus passen we geavanceerde zuiveringsprocessen toe om ons water biologisch stabiel te krijgen en te houden. Als je wél chloreert, kan het chloor samen met organische componenten uit je voedingswater bijproducten gaan vormen. Welk component uit je voedingswater maakt nu het meeste bijproducten? Als je dat weet kan je dat voor die zuivering verwijderen. Daar zijn we mee bezig. Dat is echt een brug tussen onderzoek in Singapore, Nederland en Vlaanderen – en dit zowel voor drinkwater als voor toepassingen in de industrie.”

Reststromen

Zoals reeds gezegd is een membraan meer een “scheidings”proces dan een echt “zuiverings”proces. Je houdt immers altijd een reststroom over, namelijk de geconcentreerde versie van je voedingsstroom. “Eigenlijk wil men helemaal van die reststroom af. Idealiter gaan we die reststroom daarom hergebruiken, of er nuttige componenten uithalen. Daarom is het belangrijk om decentraal te zuiveren: als je bijvoorbeeld een proces hebt waar een katalysator vrijkomt, dan kan je met een scheidingsstap op dit proces, heel efficiënt deze katalysator specifiek gaan scheiden, en dan kan je die weer rechtstreeks in het proces hergebruiken. Dat is technisch en economischer aantrekkelijker dan end-of-pipe die katalysator te moeten verwijderen of terugwinnen uit de complexe afvalwaterstroom.” Cornelissen geeft ook leiding aan een onderdeel in een Europees project RUSTICA waarbij afval van de biobased industrie nuttig wordt gebruikt. Het fruit- en groenteafval wordt vergist waarbij een gebonden koolstof wordt omgezet in carboxylzuren met in de achtergrond nuttige nutriënten zoals stikstof, fosfaat en kalium. We willen de carboxylzuren scheiden van de nuttige nutriënten, zodat we die kunnen hergebruiken. We willen dat doen met een membraanproces, gedreven door een elektrisch potentiaalverschil. Dat is elektrodialyse.”

Condensaatstromen

Water speelt een belangrijke rol in de procesindustrie. Zeker bedrijven in de voeding- en chemiesector verbruiken veel water. “Alhoewel water een belangrijk item is, is het vaak geen kernactiviteit van de industrie”, zegt Cornelissen. “Deze discrepantie kan leiden tot incompatibiliteit. Als je een onvoldoende kwaliteit water aanbiedt, kan dat bijvoorbeeld tot corrosie leiden en kunnen procesinstallaties falen. Het is belangrijk om een goede waterhuishouding te hebben in de industrie. Wateronderzoek is daarin cruciaal.” Volgens Cornelissen kloppen vuistregels niet altijd met de realiteit. Dat blijkt het geval bij condensaatstromen, die zich in de stoomwatercyclus vormen. “In procescondensaatstromen zit vaak organisch materiaal. Dat wordt uitgedrukt in een TOC – Total organic carbon (TOC) – waarde. Om stoomwaterketels te voeden gebruikt men typisch zeer schoon water dat moet voldoen aan een bepaalde kwaliteitseis. Een typische norm voor TOC is 100 microgram per liter of 100 ppb, wat altijd een vuistregel is geweest voor ketelvoedingswater voor de stoomwatercyclus. Als je dan condensaat wil hergebruiken als ketelvoedingswater, moet je de TOC verwijderen, wat de zuivering duurder maakt. De TOC-vuistregel is echter niet sterk gestoeld op wetenschappelijke gronden. Een doctoraatsstudente van onze groep heeft gekeken naar de samenstelling van deze TOC. En wat bleek? Niet (alleen) de hoeveelheid van TOC is belangrijk, maar ook de samenstelling. Sommige waterbronnen hebben misschien minder TOC, maar hebben dan weer specifieke componenten die een verzuring kunnen gaan realiseren in de stoomwatercyclus, met corrosie tot gevolg. Het gaat dus niet om het totale TOC-gehalte, maar eerder om het verwijderen van specifieke TOC-componenten. Bij verschillende bedrijven in de procesindustrie hebben we de afgelopen jaren on-site verschillende testen gedaan met piloten, waar condensaatstromen aan werden gevoed. We deden testen met membranen (omgekeerde osmose, microfiltratie, elektrodialyse), oxidatieve processen en actief koolfiltratie. Achteraf hebben we een vergelijking gemaakt wat uiteindelijk heeft geleid tot nieuwe installaties bij deze klanten.”

Achtergrond

Emile Cornelissen is sinds 2003 Principle Scientist in het team Waterbehandeling en Resource Recovery bij KWR water research institute. Hij is verantwoordelijk voor onderzoek naar membraanvervuiling en -reiniging, verwijdering van opkomende stoffen met membranen en het ontwikkelen van innovatieve processen. KWR is een instituut dat breed onderzoek uitvoert naar waterkwaliteitsaspecten, waterbehandeling, en distributie naar de klanten toe. Andere afdelingen van KWR richten zich op drinkwaterkwaliteit, opkomende stoffen (pesticides, farmaceutische componenten) en de microbiologische stabiliteit van het water. Het instituut focust zich op praktijkvragen van eindgebruikers, zoals drinkwaterbedrijven, industriële bedrijven en waterschappen. In 2017 werd Cornelissen gastprofessor aan de Universiteit Gent (België) om de Vlaams-Nederlandse samenwerking rond drinkwateronderzoek te versterken. Zijn werk is gericht op innovatieve inzichten, verbetering van scheidingsprocessen, besparing op energie en chemicaliën, en het terugwinnen van grondstoffen. Professor Cornelissen voert wetenschappelijk onderzoek uit naar fysische scheidingsprocessen voor drink- en afvalwaterbehandeling met een focus op membraanprocessen. Zijn aanstelling verstevigt de samenwerking tussen KWR en de UGent, en in een breder kader de Vlaams-Nederlandse samenwerking op het gebied van drinkwateronderzoek die eerder dit jaar werd beklonken tussen De Watergroep, de UGent en KWR. “Vanuit de universiteit kunnen we dieper op de materie ingaan. We hebben wat meer tijd om fundamentele vragen op te lossen, maar met nog steeds brugvorming naar de eindgebruikers toe. Ik probeer de Gentse studenten naar KWR te leiden en mijn Nederlandse collega’s naar Gent te laten komen. Een gemeenschappelijke eindgebruiker is de Watergroep. Ik houd ervan om voor praktische problemen oplossingen te vinden. En dat liefst op een wat langere termijn en daarbij diepgravende oplossingen te bieden.”

Singapore

Sinds eind 2017 vertoeft Cornelissen enkele dagen per week in de onderzoeksgroep Particle and Interfacial Technology (PaInt), van professor Arne Verliefde aan de faculteit Bio-Ingenieurswetenschappen. Deze groep richt op fysicochemische waterzuivering, dus alles wat niet biologisch is. Er wordt vooral onderzoek gedaan naar membraantechnologie. “Dat doen we samen met Vlaamse waterbedrijven, maar ook samen met industriële eindgebruikers. We doen het soms rechtstreeks voor eindgebruikers, één op één. We werken ook met Nationale en Europese subsidieprojecten. Zo willen we meer inzicht creëren in de fysicochemische waterbehandeling met als doel om de waterkwaliteit te verbeteren in de watercyclus, zoals drinkwater, afvalwater en proceswater. We proberen zowel de bedrijfs- als milieukost te verlagen. De onderzoeksgroep aan de Universiteit Gent maakt deel uit van het CAPTURE platform, een Vlaanderen breed platform (UGent, VITO, UAntwerpen en VUB zijn partners) dat zich richt op basisonderzoek en verdere valorisatie rond de thema´s water, CO₂ en plastics. We richten één pijler op de visie voor het industriewater voor 2050. Een andere pijler wordt gericht op de membraanprocessen. We maken zelf geen membranen, in tegenstelling tot bijvoorbeeld de Universiteit van Twente, waar ik nog studeerde. Onze ambitie is de bestaande en nieuwe membranen op een kostefficiënte en thermodynamische efficiënte manier toe te passen voor de eindgebruikers. We willen de producten die er bestaan toepassen en goed integreren in de bestaande infrastructuur.” Sinds 2014 is Cornelissen ook gastwetenschapper aan het Singapore Membrane Technology Centre (SMTC) aan de NTU in Singapore, en meer bepaald het centrum voor membraanonderzoek, namelijk het Singapore Membrane Technology Centre (SMTC), een vooraanstaand instituut voor membranen en water. De professor gaat er twee keer per jaar heen en begeleidt er studenten. Cornelissen ontving al verscheidene innovatieprijzen op het gebied van waterzuivering en membraanfiltratie en wordt regelmatig als plenaire spreker uitgenodigd op internationale congressen.

1 strategisch basis onderzoeksprogramma (SBO) van Fonds Wetenschappelijk Onderzoek – Vlaanderen (FWO)

2 bedrijfstak onderzoeksprogramma (BTO) van KWR voor en door de Nederlandse waterbedrijven