Research
23/06/2017

Belg zet grote stap richting energiepositieve waterzuivering

Eind 2016 rondde Francis Meerburg zijn doctoraat af, met als onderwerp: Hoogbelast actief slib voor het maximaliseren van energieherwinning uit afvalwater. De inzichten die hij zo verwierf, openen perspectieven op een energieneutraal of zelfs energiepositief waterzuiveringsproces.

Continu wordt spuislib geoogst uit actiefslibsystemen. Dat slib wordt vergist; zo wordt biogas geproduceerd, en daaruit is energie terug te winnen, bijvoorbeeld door er elektriciteit mee te maken. Francis Meerburg: “Vandaag gaat nog veel organisch materiaal verloren, onder vorm van CO2. Om de oxidatie naar CO2 te laten doorgaan, moet extra O2 worden toegevoegd: beluchten dus, wat veel energie vergt. De uitdaging waarmee ik mij geconfronteerd zag, was meer organisch materiaal -uitgedrukt als COD – af te vangen via het slib. Zo krijgen we meer spuislib, terwijl we minder O2 moeten inbrengen.”

Water vol energie

Volgens schattingen zit in het organische materiaal in afvalwater vijf tot negen keer méér energie dan wat nodig is om de waterzuivering energiepositief te maken. “Stel, we kunnen álle energie omzetten naar spuislib en biogas”, gaat Francis Meerburg verder. “Dan zouden we een groot overschot aan energie hebben. Maar dat lukt natuurlijk niet, want bij elke omzetting van energie gaat wat verloren: een deel gaat verloren bij de omzetting van organisch materiaal uit het afvalwater naar slib, nog een deel bij de omzetting van slib naar biogas, en bij de omzetting van biogas naar elektriciteit. We rekenden uit dat we ruwweg 60% van de energie in afvalwater kunnen omzetten in biogas. Zo komt een energiepositieve waterzuivering in beeld: die heeft voldoende energie uit biogas om de volledige waterzuivering te laten draaien, inclusief pompen, beluchtingssystemen, meettoestellen...”

Twee trappen

Typisch is een hoogbelast systeem gewoon een hoogbelaste versie van een normaal actiefslibsysteem. Francis Meerburg: “Alles – verwijdering van organisch materiaal, van stikstof, fosfor, toevoegen van zuurstof – gebeurt dan in één grote tank, weliswaar vaak verdeeld in tussenschotten. Er wordt O2 toegevoegd via beluchting. Bacteriën zuiveren de stikstof en het fosfor uit water. Maar als we de tank kleiner maken, komt meer afvalwater binnen in verhouding tot de hoeveelheid slib die daar al aanwezig is. Het water stroomt er sneller door. Zo krijgen we een hoogbelast systeem. We spreken van hoogbelaste systemen vanaf 2 kg COD per kilo slib, per dag. Zo’n systeem wordt al hier en daar gebruikt: het is interessant om energie uit afvalwater terug te winnen.”

Francis Meerburg onderzocht een variant van dit hoogbelaste proces, namelijk het hoogbelaste contactstabilisatiesysteem. Het verschil is het volgende. Bij een hoogbelaste versie van een actiefslibsysteem is er één tank. Maar bij hoogbelaste contactstabilisatie zijn er twee, die aan elkaar zijn gekoppeld.

Overigens gaat het daarin gezuiverde water nagenoeg altijd naar een tweede behandelingsstap om het water verder te zuiveren. Het is dan een tweetrapssysteem, ook bekend als AB-systeem. De eerste trap is hoogbelast, de tweede laagbelast. Dat is nodig, want een hoogbelast systeem alleen is niet in staat het water voldoende te zuiveren. De laagbelaste trap is nodig om de stikstof en het fosfor uit het water te halen om te voldoen aan de lozingsnormen.

Terug naar de twee aan elkaar gekoppelde tanks. De eerste tank is de contacttank, ook contactor genoemd. Daar wordt afvalwater binnengepompt; het komt er in contact met slib dat daar al aanwezig is. In die tank is er geen beluchting, zodat bacterieën er geen zuurstof hebben. Vervolgens gaat inhoud van de contacttank naar een bezinkingsbekken, waar het slib bezinkt en het gezuiverde water wegstroomt. Het is dat water dat doorgaans naar de tweede behandelingsstap gaat, om het water verder te zuiveren. Het slib, echter, gaat naar de tweede tank, de stabilisatietank. Daar is er beluchting. De bacterieën uit het slib krijgen er een tijdlang gelegenheid om te ademen, maar kunnen zich niet voeden. Zodra het slib uit de stabilisatietank terug naar de contacttank wordt gepompt, vreten de uitgehongerde bacteriën in het slib uit de stabilisatietank al het organische materiaal op dat binnenkomt in de contacttank, waardoor ze verdikken en zich vermenigvuldigen. Contact met organisch materiaal uit het influent gebeurt dus enkel in de contactor.

Zo is de cyclus rond. Iedere keer wordt een deel van het bezonken slib uit de contactor opgepompt en in een vergister gestopt, om biogas te produceren.

“Een conventioneel (dus ééntraps en laagbelast) actiefslibsysteem wint 20 à 30% terug van de energie die als organisch materiaal in afvalwater zit vervat. En een hoogbelast actiefslibsysteem zet grofweg zo’n 50% van de COD om naar slib”, stelt Francis Meerburg. Bij zijn hoogbelaste contactstabilisatiesysteem, echter, ging dat cijfer naar gemiddeld 60%. Onder bepaalde omstandigheden is zelfs 70% mogelijk, bijvoorbeeld als er veel organisch materiaal in het afvalwater zit: hoe geconcentreerder, hoe efficiënter de processen verlopen.

Zo is met dat model een waterzuivering volledig energiepositief te maken, dus inclusief de tweede, laagbelaste stap die nodig is na het hoogbelaste systeem.

“Het systeem zal allicht vooral interessant voor overheidsgerelateerde bedrijven die afvalwater zuiveren. Dat neemt niet weg dat het ook bruikbaar is voor sommige industriële bedrijven.”

Fancis Meerburg

Economische haalbaarheid

Francis Meerburg heeft de economische haalbaarheid van het systeem onderzocht. Waterzuiveringsinstallaties die voorzien zijn van meer dan één bassin, kunnen met relatief kleine aanpassingen zijn methode toepassen. Maar hij onderzocht ook hoe het zit als de invoering een ombouw van bestaande systemen, met één tank, zou vergen. “Stel dat je die zou ombouwen naar een AB-systeem. Dan zou je de bestaande waterzuivering als B-trap kunnen gebruiken en er een A-trap bij bouwen. Dat vergt investeringskosten. Die moeten dan terugverdiend worden met de extra winst die is gemaakt door overgeschakeld te zijn op een AB-systeem. Of de investering daarin interessant is, is een kwestie van terugverdientijd, financiële planning en dergelijke. Als ons onderzoek verder positief blijkt, zal het systeem vooral interessant zijn voor overheidsgerelateerde bedrijven die afvalwater zuiveren, zoals Aquafin, of de waterschappen in Nederland. Dat neemt niet weg dat het ook bruikbaar is voor industriële bedrijven. Sommige industriële afvalwaters zijn namelijk zeer rijk aan COD en minder aan fosfor. Zo kunnen aardappelverwerkende bedrijven afvalwater hebben dat zeer rijk is aan COD”, legt Francis Meerburg uit.

Internationale interesse

In het kader van zijn onderzoek is de wetenschapper naar Washington gegaan. Gevolg: daar zijn ze intussen bezig met testen op volle schaal. Ook de waterzuiveringsinstantie in Virginia, en Aquafin, zijn er nu mee bezig, op pilootschaal. De Universiteit van Antwerpen bekijkt het op laboschaal. Intussen is de wetenschapper klaar met zijn doctoraat en is hij betrokken bij de experimenten bij Aquafin en in Washington. De resultaten zijn er waarschijnlijk vanaf dit voorjaar.

Door Koen Vandepopuliere

www.aquafin.be

De hoogbelaste contactstabilisatie. (Afbeelding: F. Meerburg)

Belg zet grote stap richting energiepositieve waterzuivering

Eind 2016 rondde Francis Meerburg zijn doctoraat af, met als onderwerp: Hoogbelast actief slib voor het maximaliseren van energieherwinning uit afvalwater. De inzichten die hij zo verwierf, openen perspectieven op een energieneutraal of zelfs energiepositief waterzuiveringsproces.

Continu wordt spuislib geoogst uit actiefslibsystemen. Dat slib wordt vergist; zo wordt biogas geproduceerd, en daaruit is energie terug te winnen, bijvoorbeeld door er elektriciteit mee te maken. Francis Meerburg: “Vandaag gaat nog veel organisch materiaal verloren, onder vorm van CO2. Om de oxidatie naar CO2 te laten doorgaan, moet extra O2 worden toegevoegd: beluchten dus, wat veel energie vergt. De uitdaging waarmee ik mij geconfronteerd zag, was meer organisch materiaal -uitgedrukt als COD – af te vangen via het slib. Zo krijgen we meer spuislib, terwijl we minder O2 moeten inbrengen.”

Water vol energie

Volgens schattingen zit in het organische materiaal in afvalwater vijf tot negen keer méér energie dan wat nodig is om de waterzuivering energiepositief te maken. “Stel, we kunnen álle energie omzetten naar spuislib en biogas”, gaat Francis Meerburg verder. “Dan zouden we een groot overschot aan energie hebben. Maar dat lukt natuurlijk niet, want bij elke omzetting van energie gaat wat verloren: een deel gaat verloren bij de omzetting van organisch materiaal uit het afvalwater naar slib, nog een deel bij de omzetting van slib naar biogas, en bij de omzetting van biogas naar elektriciteit. We rekenden uit dat we ruwweg 60% van de energie in afvalwater kunnen omzetten in biogas. Zo komt een energiepositieve waterzuivering in beeld: die heeft voldoende energie uit biogas om de volledige waterzuivering te laten draaien, inclusief pompen, beluchtingssystemen, meettoestellen...”

Twee trappen

Typisch is een hoogbelast systeem gewoon een hoogbelaste versie van een normaal actiefslibsysteem. Francis Meerburg: “Alles – verwijdering van organisch materiaal, van stikstof, fosfor, toevoegen van zuurstof – gebeurt dan in één grote tank, weliswaar vaak verdeeld in tussenschotten. Er wordt O2 toegevoegd via beluchting. Bacteriën zuiveren de stikstof en het fosfor uit water. Maar als we de tank kleiner maken, komt meer afvalwater binnen in verhouding tot de hoeveelheid slib die daar al aanwezig is. Het water stroomt er sneller door. Zo krijgen we een hoogbelast systeem. We spreken van hoogbelaste systemen vanaf 2 kg COD per kilo slib, per dag. Zo’n systeem wordt al hier en daar gebruikt: het is interessant om energie uit afvalwater terug te winnen.”

Francis Meerburg onderzocht een variant van dit hoogbelaste proces, namelijk het hoogbelaste contactstabilisatiesysteem. Het verschil is het volgende. Bij een hoogbelaste versie van een actiefslibsysteem is er één tank. Maar bij hoogbelaste contactstabilisatie zijn er twee, die aan elkaar zijn gekoppeld.

Overigens gaat het daarin gezuiverde water nagenoeg altijd naar een tweede behandelingsstap om het water verder te zuiveren. Het is dan een tweetrapssysteem, ook bekend als AB-systeem. De eerste trap is hoogbelast, de tweede laagbelast. Dat is nodig, want een hoogbelast systeem alleen is niet in staat het water voldoende te zuiveren. De laagbelaste trap is nodig om de stikstof en het fosfor uit het water te halen om te voldoen aan de lozingsnormen.

Terug naar de twee aan elkaar gekoppelde tanks. De eerste tank is de contacttank, ook contactor genoemd. Daar wordt afvalwater binnengepompt; het komt er in contact met slib dat daar al aanwezig is. In die tank is er geen beluchting, zodat bacterieën er geen zuurstof hebben. Vervolgens gaat inhoud van de contacttank naar een bezinkingsbekken, waar het slib bezinkt en het gezuiverde water wegstroomt. Het is dat water dat doorgaans naar de tweede behandelingsstap gaat, om het water verder te zuiveren. Het slib, echter, gaat naar de tweede tank, de stabilisatietank. Daar is er beluchting. De bacterieën uit het slib krijgen er een tijdlang gelegenheid om te ademen, maar kunnen zich niet voeden. Zodra het slib uit de stabilisatietank terug naar de contacttank wordt gepompt, vreten de uitgehongerde bacteriën in het slib uit de stabilisatietank al het organische materiaal op dat binnenkomt in de contacttank, waardoor ze verdikken en zich vermenigvuldigen. Contact met organisch materiaal uit het influent gebeurt dus enkel in de contactor.

Zo is de cyclus rond. Iedere keer wordt een deel van het bezonken slib uit de contactor opgepompt en in een vergister gestopt, om biogas te produceren.

“Een conventioneel (dus ééntraps en laagbelast) actiefslibsysteem wint 20 à 30% terug van de energie die als organisch materiaal in afvalwater zit vervat. En een hoogbelast actiefslibsysteem zet grofweg zo’n 50% van de COD om naar slib”, stelt Francis Meerburg. Bij zijn hoogbelaste contactstabilisatiesysteem, echter, ging dat cijfer naar gemiddeld 60%. Onder bepaalde omstandigheden is zelfs 70% mogelijk, bijvoorbeeld als er veel organisch materiaal in het afvalwater zit: hoe geconcentreerder, hoe efficiënter de processen verlopen.

Zo is met dat model een waterzuivering volledig energiepositief te maken, dus inclusief de tweede, laagbelaste stap die nodig is na het hoogbelaste systeem.

“Het systeem zal allicht vooral interessant voor overheidsgerelateerde bedrijven die afvalwater zuiveren. Dat neemt niet weg dat het ook bruikbaar is voor sommige industriële bedrijven.”

Fancis Meerburg

Economische haalbaarheid

Francis Meerburg heeft de economische haalbaarheid van het systeem onderzocht. Waterzuiveringsinstallaties die voorzien zijn van meer dan één bassin, kunnen met relatief kleine aanpassingen zijn methode toepassen. Maar hij onderzocht ook hoe het zit als de invoering een ombouw van bestaande systemen, met één tank, zou vergen. “Stel dat je die zou ombouwen naar een AB-systeem. Dan zou je de bestaande waterzuivering als B-trap kunnen gebruiken en er een A-trap bij bouwen. Dat vergt investeringskosten. Die moeten dan terugverdiend worden met de extra winst die is gemaakt door overgeschakeld te zijn op een AB-systeem. Of de investering daarin interessant is, is een kwestie van terugverdientijd, financiële planning en dergelijke. Als ons onderzoek verder positief blijkt, zal het systeem vooral interessant zijn voor overheidsgerelateerde bedrijven die afvalwater zuiveren, zoals Aquafin, of de waterschappen in Nederland. Dat neemt niet weg dat het ook bruikbaar is voor industriële bedrijven. Sommige industriële afvalwaters zijn namelijk zeer rijk aan COD en minder aan fosfor. Zo kunnen aardappelverwerkende bedrijven afvalwater hebben dat zeer rijk is aan COD”, legt Francis Meerburg uit.

Internationale interesse

In het kader van zijn onderzoek is de wetenschapper naar Washington gegaan. Gevolg: daar zijn ze intussen bezig met testen op volle schaal. Ook de waterzuiveringsinstantie in Virginia, en Aquafin, zijn er nu mee bezig, op pilootschaal. De Universiteit van Antwerpen bekijkt het op laboschaal. Intussen is de wetenschapper klaar met zijn doctoraat en is hij betrokken bij de experimenten bij Aquafin en in Washington. De resultaten zijn er waarschijnlijk vanaf dit voorjaar.

Door Koen Vandepopuliere

www.aquafin.be

De hoogbelaste contactstabilisatie. (Afbeelding: F. Meerburg)

Laatste nieuws

Alle nieuwsberichten