Micro-organismen in “engineered” ecosystemen

De Universiteit Gent heeft tal van projecten rond waterzuivering op stapel staan. Zo is er een opvallend project om traag groeiende micro-organismen, voornamelijk bacteriën, in de waterzuivering te houden. We spraken met Jo De Vrieze, hoofddocent binnen de faculteit bio-ingenieurswetenschappen. Hij pleit voor een energie-neutrale waterzuivering.

Jo De Vrieze werkt als hoofddocent binnen de faculteit Bio-ingenieurswetenschappen, in het Departement Biotechnologie. Hij is in dit departement verbonden aan het Centrum voor Microbiële Ecologie en Technologie (CMET). Hij focust op microbiële ecologie, de studie van gemengde microbiële gemeenschappen en hun interacties met elkaar en de omgeving, onder andere in waterzuivering. “Waterzuivering is geen natuurlijk ecosysteem, maar het berust wel op natuurlijke micro-organismen. Je kan waterzuivering, en ook andere processen waarin we gebruik maken van microbiële processen, beschouwen als “engineered ecosystemen”, zegt De Vrieze. Hij doet bovendien ook onderzoek naar anaerobe vergisting en sulfaatreductie en de productie van microbieel eiwit. Hij focust zich op moleculaire technieken om te kijken hoe die micro-organismen zich onderling gaan gedragen en hoe we dat kunnen linken aan procesparameters.

Rijke omgeving

De Vrieze gelooft sterk in de biologische zuivering van water, waarin micro-organismen hun werk doen. Een waterzuivering is een rijke omgeving met veel organisch materiaal en veel nutriënten. “Een microbieel ecosysteem is heel structureel opgebouwd”, zegt De Vrieze. “In een aerobe of anaerobe waterzuiveringssysteem is er steeds competitie tussen de micro-organismen die essentieel zijn voor het zuiveringsproces. Deze microbiële gemeenschap in interactie met de omgeving noemen we een “microbioom”. Wanneer in dit microbioom een indringer probeert zich te manifesteren, wordt die meteen aangevallen. Er zal altijd iemand winnen en de mogelijkheid om snel te groeien is hierbij van cruciaal belang. De micro-organismen die snel groeien, gaan de trage groeiers eruit gooien. Dat kan ertoe leiden dat bepaalde micro-organismen niet kunnen blijven bestaan in het specifieke microbioom.” De universiteiten UGent en de KU Leuven ontwikkelen een nieuwe technologie om traag groeiende micro-organismen in de waterzuivering te houden en zelfs nieuwe bacteriën op een gecontroleerde manier toe te voegen. Er wordt concreet een techniek ontwikkeld om micro-organismen vast te houden via een zogenaamde artificiële inkapseling. “We gaan ze in een beschermende cocon brengen zodat ze niet overgroeid worden”, zegt De Vrieze. “Zo kunnen ze zich toch manifesteren. We zijn dit aeroob aan het testen met nitrificatie. De inkapseling is tijdelijk, want deze berust op biodegradeerbare componenten, zodat we geen toxische of persistente chemicaliën in de omgeving brengen.”

Algenproduct

Hiervoor wordt onder andere gewerkt met alginaat, een soort algenproduct. “Dat wordt geleidelijk aan afgebroken maar geeft de organismen de kans om de rol te vervullen en zich te manifesteren”, zegt De Vrieze. “Het is een nieuwe manier om micro-organismen tegen de geldende regels in de waterzuivering in te houden. We voorkomen dat cellen gaan afgebroken worden. Met dit systeem omzeilen we dat. Het grote voordeel is dat we zo in de waterzuivering bepaalde processen kunnen laten doorgaan.” Recent is de professor gestart met onderzoek naar 3D-organisatie. “Er wordt in dit kader ook onderzoek gedaan naar 3D microbiële structuren”, zegt De Vrieze. “We onderzoeken hierbij de samenwerking tussen micro-organismen. Dat kan belangrijk zijn om processen te sturen. Hier wordt gekeken hoe micro-organismen zich onderling gaan verhouden. Dan denk ik vooral aan de productie van biogas uit organisch afvalwater. Het is mijn visie dat een bredere kennis van de 3D organisatie van microbiële gemeenschappen zal leiden tot nieuwe processen en mogelijkheden in het kader van de bio-gebaseerde circulaire economie.” Jo De Vrieze stelt de vraag aan de watersector of er concrete problemen zijn die hij hiermee kan oplossen.

Energieneutraal

Waterzuiveringen zijn initieel gebouwd vanuit het principe dat alles moet verwijderd worden. Nu wordt er meer gefocust op het herwinnen van alles wat in het water zit. “In afvalwater zit organisch materiaal dat een zekere energetische waarde heeft”, zegt De Vrieze. “Een waterzuiveringsinstallatie is eigenlijk een soort van bio-raffinaderij. We hebben hierbij de mogelijkheid om de tijdens de waterzuivering gevormde biomassa hoogwaardig te gaan valoriseren. Met het herwinnen van organisch materiaal kunnen we energie opwekken. Zo kunnen we zelfs naar een energiepositieve waterzuivering streven. We moeten inzetten op de energieneutraliteit en hierbij zijn al verschillende stappen ondernomen. Dankzij dergelijke projecten worden we minder afhankelijk van primaire grondstoffen. We zien nog altijd afvalwater als iets waar we van af moeten, terwijl dit eigenlijk een secundaire grondstof is. Als al het afvalwater over de gehele wereld zou gezuiverd worden zoals we dat tot op heden doen in België en alles verwijderen, dan zou de energie geproduceerd door alle kerncentrales in de wereld niet volstaan.” Biogas kan hierin een cruciale rol spelen. De productie van biogas uit organische afvalstromen, zoals biomassa gevormd in de waterzuivering of agrarische afvalstromen, betreft een ander proces waar De Vrieze reeds meer dan 10 jaar aan werkt. “Dit biogas kan een cruciale rol spelen in de energieneutraliteit van de waterzuivering, aangezien het ofwel kan gebruikt worden voor de productie van elektriciteit, ofwel kan opgezuiverd worden tot biomethaan, het zogenaamde groene gas, met een samenstelling gelijkaardig aan aardgas en zo op het net kan gezet worden”, zegt De Vrieze. “De huidige productie van biomethaan in België bedraagt echter slechts 0.006% van onze aardgasvereisten, er is dus nog veel werk aan de winkel.”

Agrarische reststromen

Jo De Vrieze ziet ook veel potentieel in decentrale projecten. Hij ziet veel mogelijkheden in de decentrale energy supply. Samen met de KU Leuven, Vrije Universiteit Brussel (VUB) en Universiteit Gent, gaat Inagro binnen het FWO-SBO project Biogas-MAMBO biogas opzuiveren tot een voldoende kwaliteit om vervolgens microbieel eiwit te gaan maken dat we aan vissen kunnen gaan voederen. “We kijken waar we biogas kunnen omzetten naar biomethaan”, zegt De Vrieze. “Dat kunnen we dan gebruiken voor de productie van microbieel eiwit, als alternatief voor melk, vlees en soja.” De Vrieze ziet veel potentieel in biogas. “In Zweden slagen ze erin om biomethaan om te zetten naar brandstof voor voertuigen. Daar rijdt een biogasbus rond. Het toont aan dat de mogelijkheden er zijn. Zo worden we minder afhankelijk van fossiele brandstoffen. De marktwaarde van aardgas als dusdanig is echter vrij laag, maar stijgt wel, relatief ten opzichte van de productie van biomethaan.” Opwaarderen van biogas of biomethaan reflecteert aldus een economisch rendabele nieuwe route voor de indirecte valorisatie van organische afvalstromen tot microbieel eiwit.

Rietvelden of alternatieven

Ook in andere decentrale zuiveringssystemen, zoals rietvelden, ziet de professor veel mogelijkheden. “Het zuiveren van zwart water (voornamelijk menselijke uitwerpselen) door middel van rietvelden wordt in Indië massaal toegepast”, zegt De Vrieze. “Zo wordt bespaard op infrastructuur en wordt toch de behandeling van dit zwart water voorzien. Alternatief kan dit zwart water omgezet worden tot biogas en zo proberen we de mensen op decentraal niveau een duurzame brandstof te geven afkomstig uit hun eigen afvalstromen. De fecaliën (uitwerpselen) kunnen ook gepelletiseerd en verbrand worden. De Vrieze is ook onder de indruk van de Belgische projecten die er al zijn rond herwaardering. In het Gentse project Nieuwe Dokken wordt het huishoudelijk afvalwater gescheiden. “Met de hulp van een vacuümtoilet kan een geconcentreerde stroom gemaakt worden met het weinige water. Vervolgens kan alles vergist worden. De meeste huizen zijn aangesloten op het rioleringsnet. Ik zie veel opportuniteiten om fecaliën (uitwerpselen) te scheiden en er eventueel biogas van te maken.”

Granulen

De Vrieze gelooft sterk in de upflow anaerobic sludge blanket-technologie (UASB-reactor). “Dat is een techniek die gebruikt maakt van biomassa, namelijk micro-organismen die in een granule groeien”, zegt De Vrieze “Omdat die erg geconcentreerd is, kunnen we heel makkelijk vloeistof van het gezuiverde afvalwater scheiden van de biomassa, wat uiteraard heel krachtig is. Ik ga in de komende jaren vooral onderzoeken hoe de granulen georganiseerd zijn. De methaanproducerende micro-organismen (methanogene archaea) zitten in de kern. En de andere micro-organismen zitten meer aan de buitenkant. Dit proces boeit me al 10 jaar en hiervoor werken we ook samen met industriële partners.”

Zwavel

Volgens De Vrieze kan er ook zwavel uit afvalwater gehaald worden. “Zwavel is een stof die we hard nodig hebben. Het is één van de belangrijkste bouwstenen van ons lichaam. Maar ook fosfor kunnen we er uit halen. Fosfor wordt vaak neergeslagen met ijzerchloride, maar helaas wordt het vervolgens met het slib afgevoerd en ben je het kwijt. Als we veel grondstoffen uit het afvalwater kunnen halen, worden we er minder afhankelijk van. Sulfaat reducerende micro-organismen kunnen hierbij veel nuttige zaken doen. Als bedrijven hier vragen over hebben, met een bepaald type afvalwater en er geen weg mee weten, kunnen ze hier zeker een bepaalde samenwerking rond opzetten.”

Jo De Vrieze:

“Als we veel grondstoffen uit het afvalwater kunnen halen, worden we er minder afhankelijk van.”

“Waterzuivering is geen natuurlijk ecosysteem, maar het berust wel op natuurlijke micro-organismen”

“In afvalwater zit organisch materiaal dat een zekere energetische waarde heeft”,