Anders omgaan met stikstof

Soms doen we vreemde dingen. Zo halen we met z’n allen, om kunstmest te maken, stikstof uit de atmosfeer, wat gigantische hoeveelheden energie vergt. Die stikstof komt via via in water terecht. Vervolgens leveren we enorme inspanningen om die stikstof uit water te verwijderen waarbij we het terug de atmosfeer injagen. Een ambitieus project wil die kringloop sluiten met een combinatie van elektrodialyse en membraanstripping. Een testinstallatie reist nu door Europa.

We hebben een stikstofprobleem. Het zit zo. Vandaag worden stikstofhoudende kunstmeststoffen (en andere producten) gefabriceerd met ammoniak dat vooral wordt gemaakt via het Haber-Bosch-proces. Dat proces haalt stikstof (N₂) uit de atmosfeer en laat het reageren met waterstof (H₂) om ammoniak (NH₃) te maken. Dat vergt hallucinante hoeveelheden energie: circa 1 à 2 % van het wereldwijde energiegebruik gaat daarheen. Al dat energieverbruik, bijvoorbeeld door verbranding van aardgas, brengt ook een enorme uitstoot van broeikasgas met zich mee. Dr. Philipp Kuntke, projectmanager bij het Nederlandse onderzoeksinstituut Wetsus: “Als we de meststof met daarin die stikstof gebruiken voor voedingsgewassen, en we eten die, dan scheiden we de stikstof eruit opnieuw uit, en zo komt die terecht in afvalwater. Dat afvalwater wordt verwerkt in zuiveringsinstallaties. In principe bestaat de zuivering daar uit twee stappen, die het stikstof uit het water halen. De eerste stap zet ammoniumstikstof om naar nitraat en nitriet, die in een tweede stap omgezet worden naar stikstof, N₂ dus, dat in de atmosfeer terechtkomt. Ook komt veel van de stikstof terecht in het slib, in biomassa dus. Als die biomassa wordt afgebroken in een vergister, komt weer stikstof of ammoniak vrij. Maar meestal wordt dat ammoniak weer teruggebracht naar het begin van de zuiveringsinstallatie. Dat kan een gangbare installatie zijn, of bijvoorbeeld Anammox, een technologie voor stikstofverwijdering uit afvalwater. In beide gevallen zendt dat stikstof uiteindelijk de atmosfeer in.”

Er zijn twee problemen met die gang van zaken, stelt Philipp Kuntke: “Het Haber-Bosch-proces, dat stikstof uit de atmosfeer haalt om het om te zetten naar ammoniak, is heel energie-intensief. Er is ook veel energie nodig om de ammoniak in water weer naar stikstof om te zetten. Daarnaast komen bij de oxidatie nog stoffen vrij met schadelijke neveneffecten. Bijvoorbeeld N₂O: dat is een broeikasgas met een global warming potential dat nog 300 groter is dan dat van CO₂.”

“In een eerste stap gebruiken we elektrodialyse. In een tweede stap winnen we de stikstof terug in bijvoorbeeld ammoniumsulfaat of ammoniumnitraat.”

Membraanstripping

Wetsus wil iets aan doen aan die situatie. Het doet dat binnen het Europese kennisconsortium Newbies. Dat staat voor Nitrogen Extraction from Water By an Innovative Electrochemical System. Het project is in juli 2018 gestart en duurt tot 2021. Partners zijn niet alleen Wetsus, maar ook W&F Technologies, Evides Industriewater en Icra. Ze bouwden een mobiele demo-installatie in een zeecontainer. Die wint stikstof terug uit verschillende afvalstromen: rejectiewater uit een vergister, urine, en percolaatwater uit een stort. Hun streefdoel is dagelijks een kilo stikstof terug te winnen.

De Newbies-installatie maakt gebruik van een combinatie van EDBM (ElektroDialyse door Bipolaire Membranen) en strippen van gas. Om de ammoniakstikstof te binden moet er in het proces nu nog een extern zuur worden toegevoegd, maar de onderzoekers verwachten dat dat op termijn niet meer nodig zal zijn.

“Er zijn twee stappen”, gaat Philipp Kuntke verder. “In een eerste stap gebruiken we een elektrodialysesysteem. Daarvoor gebruik je stroom en speciale ionenuitwisselingsmembranen om stikstof uit het afvalwater op te concentreren. In een tweede stap win je de stikstof die je hebt verwijderd, terug in een bruikbare vorm, namelijk als een oplossing van ammoniumzouten. Voor die tweede stap gebruiken we een gasdoorlatend membraan met aan één kant veel ammoniak. Door het concentratieverschil over dat membraan wordt die ammoniak getrokken naar de zure kant en daar opgeslagen als een meststof, bijvoorbeeld ammoniumsulfaat of ammoniumnitraat, afhankelijk van welk zuur je daar gebruikt.”

Drie reizen

De mobiele demo-installatie reist in een container naar drie locaties. Philipp Kuntke: “Tot voor kort bevond die zich in Spanje, in Girona. Daar pasten we het toe op een rejectiewater van een vergister. In april vertrok ze naar Leeuwarden, in het noorden van Nederland. Daar behandelt men die urine. Tenslotte, eind 2020, trekt hij naar Middelburg, in zuidelijk Nederland. Daar zal het percolaatwater uit stortplaatsen behandelen. Voor elk van de drie stromen is het systeem grotendeels hetzelfde. Misschien zitten er wat verschillen in de voorbehandeling die we moeten doen.”

Alles samen genomen, is het grootste risico bij de drie stromen vervuiling van membranen door vaste deeltjes en koolwaterstoffen.

De onderzoekers willen met de installatie tot één kilogram stikstof per dag terugwinnen. “In Girona bevat het afvalwater lage concentraties ammoniak, zodat we daarvoor twee of drie kuub afvalwater per dag moeten verwerken. Als je kijkt naar het daaropvolgende afvalwater, urine, zullen we maar heel weinig urine nodig hebben om een kilo per dag stikstof terug te winnen: ongeveer 250 liter. Dat is de uitscheiding van 250 personen per dag.”

“In situaties waar weinig plaats is om uit te breiden, zal men in de toekomst aan ons systeem denken.”

Vragen en antwoorden

“We moeten nog de laatste puntjes op de i zetten voor het systeem. Wat zijn de juiste instellingen om grote hoeveelheden water te verwerken? Wat is nodig voor de voorbehandeling van die waterstroom? Moeten op die plek nog andere stromen aankomen, om te komen tot een eindproduct waar een markt voor is? We gaan na: is het technisch mogelijk? En ook op economisch vlak? Hoeveel energie kost het eigenlijk? En hoeveel minder energieverbruik brengt dat met zich mee dan de huidige route?”

Een belangrijke vraag is: kan je het eindproduct, ammoniumsulfaat of ammoniumnitraat, überhaupt gebruiken als meststof? Philipp Kuntke: “Misschien zal ammoniumsulfaat niet het meest interessante product zijn als het je doel is het te vermarkten als stikstofhoudend product. Dan denk je eerder aan ammoniumnitraat, dat voor een groter deel uit stikstof bestaat. In de tweede helft van het project zullen we kijken naar de beste eindtoepassing van het eindproduct: wat vraagt de eindgebruiker? Wat zou die leuk vinden?”

Gesloten kringloop

In principe, stelt Philipp Kuntke, kan het systeem per volume veel stikstof verwijderen in vergelijking met gewone stikstofverwijdering. “We schatten ook dat we twee tot drie keer zoveel stikstof per volume kunnen verwijderen dan Anammox. In situaties waar weinig plaats is om uit te breiden, zal men in de toekomst aan ons systeem denken. Uiteindelijk denk ik dat ons systeem op het vlak van terugwinnen van nutriënten in de toekomst een mooie rol zal kunnen spelen. Het is een heel flexibel systeem: we kunnen het heel groot maken, of heel klein. Zo gaan we stapje per stapje dichter bij het doel: het sluiten van kringlopen. Dat ligt me na aan het hart.”

Door Koen Vandepopuliere

www.wetsus.nl