Fosfor en stikstof uit urine recupereren om zuivering te ontlasten

Een spin-off heeft een elektrochemisch systeem ontwikkeld waarmee fosfor en stikstof uit urine kan worden gerecupereerd en worden hergebruikt als bemesting. Door het afvalwater zoveel mogelijk upstream te behandelen worden de riolering en waterzuivering minder belast. We spraken hierover met Korneel Rabaey, hoogleraar aan de faculteit Bio-Ingenieurswetenschappen van de UGent en Chief Technical Officer (CTO) van Capture.

Hydrohm, een spin-off van de UGent, heeft een elektrochemisch systeem ontwikkeld waarmee stikstof en fosfor uit de urine kan worden gehaald. De stikstof en fosfor kunnen vervolgens worden hergebruikt als bemesting voor graslanden en parken. “Het systeem werkt puur op elektriciteit”, zegt Rabaey. “De fosfor is de meest kritische van de nutriënten. Als je die eenmaal hebt neergeslagen en uitgekristalliseerd, is het makkelijk te verwerken tot meststof. Stikstof is moeilijker, maar dat lukt daarmee uiteindelijk ook wel.” Het voordeel van het systeem is dat er geen chemicaliën hoeven worden toegevoegd, zoals natriumchloride of natriumsulfaat. “Aangezien we zonder chemicaliën werken, ontstaan er ook geen residu’s”, zegt Rabaey. “Door chemicaliën toe te voegen, ontstaan er immers zoutstromen. Als het zoutgehalte omhooggaat, is het water ook moeilijker te hergebruiken. Als je de pH omhoog wilt krijgen, dan zorgt dat voor problemen. Er zijn ook veel restricties om zoutstromen te lozen. Om die zoutstromen te verwijderen, heb je dan weer een omgekeerd osmoseproces nodig, wat veel energie kost.”

Grote woonblokken

De UGent wil zich vooral richten op grote appartements- en kantoorgebouwen. “Het project is niet interessant voor één individueel huis, maar wel voor woonblokken waar 100 of 200 mensen wonen”, zegt Rabaey. “Zo kunnen er voldoende nutriënten worden gerecupereerd. De stikstof en fosfor worden op vaste tijden opgehaald. Ze zijn nuttig te gebruiken, voor bijvoorbeeld groenbemesting in steden. De realiteit toont aan dan de waarde van deze nutriënten zeer beperkt is. Het is een illusie dat die nutriënten verkocht gaan worden. Ga er geen business voor ontwikkelen. Veel anaerobe vergisters moeten er nog voor betalen om er vanaf te raken.”

Bronscheidend urinoir

De gebouwen worden uitgerust met een “bron scheidend urinoir” met een lage flush. “Het is belangrijk dat er toch een beetje water is om alles schoon te spoelen”, zegt Rabaey. “Dat zorgt voor waterbesparing. We kiezen liever niet voor een vacuümtoilet vanwege het hoge energieverbruik. Dergelijke toiletten hebben ook veel bewegende onderdelen, zoals pompen. Ook waterloze urinoirs zijn niet goed omdat die dan weer veel chemicaliën verbruiken. Er steken cassettes in om geurhinder en aanslag te verminderen. Ik vind dat je toch altijd een beetje water nodig hebt om alles proper te spoelen.” Vervolgens wordt er aan bronscheiding gedaan. De vloeistofstroom wordt apart van het vaste materiaal gecollecteerd en via een aparte leiding afgevoerd.

Volgens de professor is het verwijderen van urine uit het afvalwater een grote stap in het sluiten van waterkringlopen. Vooral de waterzuivering vaart er wel bij. “Het feit dat de urine uit de afvalwaterstroom is verwijderd, heeft veel voordelen”, zegt Rabaey. “Er zitten geen zouten meer in. Maar het grootste voordeel is weggelegd voor de waterzuivering. Als het afvalwater weinig stikstof en fosfor bevat, dan kunnen we dat ongelooflijk snel en goed behandelen. Als tijdens de waterzuivering geen stikstof of fosfor meer hoeft te worden verwijderd, zal die makkelijker te opereren zijn en minder energie verbruiken. De bronscheiding van de nutriënten heeft veel voordelen.

Klassieke waterzuivering

Momenteel belandt 80 procent van de stikstof en meer dan 60 procent van de fosfor via het afvalwater in de riolering. Afvalwater heeft gemiddeld 50 gram stikstof per kubieke meter. “Dat is een zeer geconcentreerde stroom met een paar gram stikstof per liter”, zegt Rabaey. “Er wordt veel water gecollecteerd vanaf zeer veel plaatsen en naar een waterzuivering gebracht. Maar de stroom urine raakt verdund met de rest van het afvalwater. Daardoor krijg je verdund afvalwater dat bij de afvalwaterzuivering terechtkomt. De recuperatie van urine is heel moeilijk omdat de stromen te verdund zijn. Het is zoals een speld in een hooiberg. Dat zorgt voor complexiteit. De recuperatie wordt moeilijk. De verwijdering van stikstof en fosfor kost tijdens die waterzuivering dan ook veel energie.”

Oxideren

Als men stilstof en fosfor tijdens de waterzuivering wil verwijderen, dan moet dat eerst worden geoxideerd tot nitraat. “Daarvoor heb je veel zuurstof nodig”, zegt Rabaey. “Het proces van stikstofverwijdering via nitrificatie en denitrificatie vereist dat je een lange slibleeftijd hebt. Dat zet een limitatie op de werking van de waterzuivering. Nitraatrijk water moet dan in contact komen met organisch materiaal zodat de nitraat tot stikstofgas kan worden gereduceerd. Dat wordt in de atmosfeer omgezet. En stikstofverwijdering via de klassieke manier is ook duur. Het kost tussen de 1 en 2 euro per kilogram stikstof.” Er komt ook heel wat kijken bij de verwijdering van fosfor door een klassieke waterzuivering. “Om fosfor te verwijderen, moet je aan de uitgang van je waterzuivering ijzerchloride doseren”, zegt Rabaey. “Zo krijg je het fosfaatgehalte zo laag mogelijk. We kunnen alles verwijderen, maar het kost energie en chemicaliën. De klassieke waterzuivering is vooral gedimensioneerd om nutriënten te verwijderen. Dat is de limiterende factor. Op dit moment wordt hier eerder de klassieke nutriëntenverwijdering op toegepast. Dat heeft dus nadelen.”

Impact

Volgens professor Rabaey is het verwijderen van fosfor en stikstof ook belangrijk voor rioleringen. “Dankzij ons project wordt de stroom uitbehandeld, zodat die geen belasting meer voor de riolering is. Urine kan ook schadelijk zijn voor de riolering. Maar er is meer. De aanwezigheid van stikstof in het riool zorgt voor mogelijke emissies van broeikasgassen, terwijl dat het water wordt afgevoerd. In het riool gebeuren er een aantal conversies op die stikstof. Daardoor is er een kans dat er lachgas (N₂O) ontstaat. Dat is een zeer krachtig broeikasgas dat 240 keer zo krachtig is als CO₂. Als je kleine hoeveelheden lachgasemissies hebt, gaat dat snel CO₂-equivalente CO₂-emissies betekenen. We moeten van die rioleringen af, want ze veroorzaken ook emissies. Het is niet uitgeklaard wat de bijdrage van rioleringssystemen aan globale emissies is.”

Professor Rabaey pleit ervoor om zo min mogelijk te investeren in rioleringen of er bij te bouwen. “Ze zijn een zeer zware kost en zijn totaal niet nodig”, zegt Rabaey. “Jaarlijks gaat er tot 500 miljoen euro beton in de grond. De dag van vandaag zit er al 50 miljard euro aan rioleringssystemen in de grond. Het is een hoge investeringskost en hoge onderhoudskost. En dat is veel te veel. Ik pleit er dan ook voor om zoveel mogelijk on-site te behandelen, zodat het gezuiverde afvalwater lokaal in de omgeving kan worden gebracht. Ons project toont aan dat je zoveel mogelijk upstream moet aanpakken, tegen de bron van het afvalwater. Zo hoeven we minder water te verpompen en transporteren, wat de kosten drukt. Kunnen we upstream niet meer technologie inzetten zodat rioleringssystemen niet meer nodig zijn? Het klimaatpanel van de Verenigde Naties begint al rekening te houden met de impact van de watersector.”

Waterexpert

Korneel Rabaey is waterexpert aan de UGent. De belangrijkste onderzoeksinspanningen van professor Korneel Rabaey zijn gericht op het terugwinnen van hulpbronnen uit afvalwater, gedecentraliseerde behandelingen, industriële vloeibare zijstromen en CO₂-stromen uit de industrie. Meestal wordt een combinatie van elektrochemische en/of microbiële benaderingen gebruikt om de vorming van producten met toegevoegde waarde te bereiken. Hij leidt momenteel verschillende scale-up projecten met betrekking tot het terugwinnen van organische stoffen, fermentatie, omzetting van CO₂ naar organische stoffen en sanitaire voorzieningen in Indiase sloppenwijken.

CMET

Korneel Rabaey is binnen de UGent verbonden aan het Centrum voor Microbiële Ecologie en Technologie (CMET). Het CMET maakt deel uit van de Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen van de Universiteit Gent, Departement Biotechnologie, en bestaat uit ongeveer 90 academici, technisch en administratief personeel. Het centrum voor Microbiële Ecologie en Technologie (CMET) van de Universiteit Gent werd opgericht in 1978 en is gespecialiseerd in de studie en de toepassing van gemengde microbiële culturen of gemeenschappen vooral gericht op technologieontwikkeling. Het centrum werkt verder nauw samen met diverse buitenlandse instituten, zoals de University of California, Berkeley en The University of Queensland