Nieuwe initiatieven moeten uitstoot lachgas terugdringen

Door Matthias Vanheerentals

Als waterzuiveringsinstallaties niet optimaal werken, dreigen ze te veel broeikasgassen, zoals lachgas, uit te stoten. De UGent en de universiteit van Firenze hebben het probleem in kaart gebracht en er een oplossing voor ontwikkeld. Concreet werd de Lessdrone ontwikkeld waarmee broeikasgassen makkelijk gedetecteerd worden. Via een risicomodel op basis van artificiële intelligentie kunnen de oorzaken achterhaald worden en een digital twin laat toe om oplossingen te simuleren.

We zouden het niet meteen verwachten, maar toch is het zo: maar liefst 3 procent van de globale uitstoot van broeikasgassen is afkomstig van rioolwaterzuiveringsinstallaties (RWZI) of afvalwaterzuiveringsinstallaties. Door het zuiveringsproces in de grote bassins kan er te veel lachgas (distikstofoxide) vrijkomen, een broeikas dat tot 300 keer sterker is dan CO2. “Aandacht voor dit probleem is de laatste jaren sterk toegenomen”, zegt Elena Torfs, professor aan de vakgroep van de data-analyse en wiskundige modellering bij de vakgroep bio-ingenieurswetenschappen. Haar expertise zit vooral in modellen of digital twins en het gebruik van deze modellen voor optimalisatie en proces controle. Ze is sterk gefocust op waterbehandeling. “Er bestaan strenge normen van wat er geloosd wordt in de beken en rivieren. Maar over de gassen die ontsnappen uit de bassins, bestaan er tot op vandaag weinig normen. Door de complexiteit van de processen in afvalwaterzuivering, zijn de precieze omstandigheden waaronder deze gassen vrijkomen soms moeilijk te achterhalen. Modellen kunnen hierbij helpen. ”

Lachgasproductie

De UGent is de afgelopen jaren betrokken geweest bij een project om broeikasgassen in de waterzuivering te meten en terug te dringen, samen met de universiteit van Firenze. “We hebben vooral naar lachgas gekeken, omdat dat zo’n sterk broeikasgas is”, zegt Torfs. “Bovendien bevat afvalwater veel stikstof in de vorm van ammonium, afkomstig uit urine en kan er hierdoor ook veel lachgas (distikstofoxide) vrijkomen. Als de waterzuivering perfect werkt, zou het enkel minimaal mogen gebeuren. Maar in bepaalde omstandigheden kan er wel lachgas ontwikkeld worden als bijproduct. Dat is een complex gebeuren. Het is niet eenduidig. Het is vaak een combinatie van factoren die een slechte mix geven, waardoor lachgas ontstaat. In andere omstandigheden ontstaat het dan weer niet. Als er bijvoorbeeld te veel of te weinig zuurstof aanwezig is op bepaalde plaatsen, is er een risico dat om lachgas te krijgen maar ook andere factoren spelen een rol.”

Sensor

Belangrijk is om eerst alles goed te meten. De universiteit van Firenze ontwikkelde een innovatieve sensor, namelijk de lessdrone. Het is een drone die op het water vaart en voortdurend stalen neemt van de gassen die vrijkomen en de gegevens analyseert. Hij kan draadloos worden aangestuurd met GPS-coördinaten. “De drone meet allerlei gassen, zoals zuurstof, methaangas en lachgas.” Volgens Torfs is het een stap vooruit om op een geautomatiseerde manier kennis te verwerven. “De lessdrone is vooral ontwikkeld om meer inzicht te krijgen in de uitstoot van broeikasgassen in verschillende waterzuiveringsinstallaties. Bovendien kan hij ook gebruikt worden om modelstudies naar oorzaken en oplossingen van deze uitstoot te ondersteunen. De drone neemt de ontwikkelde modellen onder de loep: zijn die goed genoeg? Met de drone kunnen we de kennis valideren. Dan weten we dat de modellen een goede tool zijn om te gebruiken.”

Meetcampagnes

Volgens Torfs is de Lessdrone essentieel om bepaalde inzichten te krijgen. “Er wordt in waterzuiveringen al veel gemeten en gemonitord”, zegt Torfs. “Maar vaak met sensoren die in het water zitten. Als je enkel onder het waterniveau meet heb je de informatie over de gassen niet. Je kan meten hoeveel ammonium in het water zit, maar dat zegt daarom niet hoeveel lachgas er kan ontsnappen.” Er is met de Lessdrone al op zes plaatsen gemeten in Tilburg en Eindhoven, onder meer bij waterschap De Dommel. Er zijn ook waterzuiveringen in Italië getest. “Elke waterzuivering is anders qua dimensie, bedrijfsvoering en hoe de zuurstof in het water wordt gebracht. Er zijn veel details waarop waterzuiveringsinstallaties verschillen en die het risico op lachgas vorming beïnvloeden. Bij elke waterzuivering is er lachgasemissie gemeten.”

Risicomodel

Na meten, omvat het project omvat ook een belangrijk en omvangrijk tweede deel: modellen opstellen om oorzaken en oplossingen te zoeken. In samenwerking met Cobalt Water Global werd een risicomodel gebouwd op basis van artificiële intelligentie. “Het is een op kennis gebaseerd risicomodel”, zegt Torfs. “We hebben een grote kennisdatabank aangelegd met informatie over de productie van lachgas. Deze kennis komt onder andere uit de literatuur maar ook van mensen die op een waterzuivering werken. Bovenop deze kennisdatabank leer je een algoritme redeneren. Je leert een computer dus met de kennis van een mens redeneren: human intelligence wordt omgezet in artificial intelligence.”

Rechtstreeks

Je kan het model voeden met rechtstreekse metingen van de sensoren van je waterzuivering maar je kan het ook voeden met data die uit zogenaamde mechanistische modellen of digital twins komt. “Van veel waterzuiveringen maken we ook mechanistische modellen die op basis van wiskundige vergelijkingen de biologische, chemische en fysische processen in waterzuiveringen beschrijven”, zegt Torfs. “Gesimuleerde data uit deze modellen kan je ook in die AI-risico tool gaan steken. Om risico’s onder heel veel verschillende omstandigheden in te schatten. Met die digital twin kan je veel operationele scenario’s gaan simuleren (bijvoorbeeld verschillende beluchtingsstrategieën). Voor elk van die scenario’s kan je opnieuw met de AI-tool gaan kijken of het risico nu is toegenomen of verminderd. Op die manier kan je virtueel gaan testen wat de beste manier is om het risico te gaan verminderen. Vooraleer je het in de praktijk gaat brengen. In een volledig operationele waterzuivering is het immers moeilijker om verschillende oplossingen te gaan testen zonder garantie dat dit een goed resultaat zal geven.”

Concrete testen

Het model van de UGent is al getest op vier van de zes cases. Er werd een test gedaan bij de waterzuivering van San Miniato, een gemeente in de Italiaanse provincie Pisa die 27.067 inwoners telt. “Daar zagen we dat er continu een groot risico was op lachgas”, zegt Torfs. “De Lessdrone metingen bevestigen dat, dat er ook veel lachgas vrijkwam. Dan zijn we gaan kijken met het risicomodel wat er vooral de reden was. Daar zagen we dat ze veel te veel zuurstof in het systeem brachten. Dat is jammer. Beluchten kost sowieso al veel energie. En dan hebben we de strategie voorgesteld om minder te gaan beluchten. Deze strategie hebben we eerst getest in een digital twin om zeker te zijn dat de afbraakprocessen in de waterzuivering bij een verlaagde beluchting nog steeds goed werken. Nadien is de voorgestelde strategie dan ook getest in de waterzuivering. We zijn dan teruggekeerd met de Lessdrone en zagen dat er dankzij de nieuwe beluchtingsstrategie veel minder lachgas geproduceerd werd.”

Tilburg

In Tilburg was er een verhoogde kans op lachgas als er een verhoogde concentratie van ammonium binnen kwam. “De afbraak van ammonium verbruikt veel zuurstof”, zegt Torfs. “Daardoor krijg je een dipje in de zuurstofconcentratie van je reactor. Normaal wordt dat bijgestuurd. Een sensor meet dat er te weinig zuurstof in het water was en stuurt dat bij. Maar we zagen dat die automatisering eigenlijk te traag gebeurde. Waardoor er toch omstandigheden gecreëerd werden waarbij lachgas vrijkwam. Een voorstel naar de waterzuivering was dan ook om de automatisatie aan te passen zodat die sneller reageert van zodra er ammonium binnenkomt. Op die manier worden de specifieke omstandigheden die een risico op lachgas geven niet meer gecreëerd.”

3D risico inschatting

Tot slot zijn de onderzoekers van UGent in samenwerking met het bedrijf AM-team en Cobalt Water Global ook gaan kijken naar lokale risico’s in waterzuiveringen. “Nu gaan we ervan uit dat die perfect gemengd zijn”, zegt Torfs. “En overal dezelfde concentratie hebben. In de praktijk is dat vaak niet het geval.” CFD-modellen, de afkorting van Computational Fluid Dynamics of numerieke stromingsleer, laten toe om het gedrag van je waterzuiveringsreactor in 3D te voorspellen. Via zulke modellen kan er dus gekeken worden naar het menggedrag en naar de concentraties die op elk punt in je reactor voorkomen. In samenwerking met AM-team werden voor verschillende case studies 3D CFD modellen ontwikkeld. Simulatieresultaten van deze 3D modellen kunnen dan gevoed worden aan het risicomodel om lokale risico’s te bestuderen. “Door een combinatie van CFD en het risicomodel kan dus het risico op elke plaats in de reactor ingeschat worden”, zegt Torfs. “Voor sommige reactoren, zoals de case in Eindhoven, merkte Torfs op dat er heel veel lokale verschillen waren in de reactor. Op sommige plaatsen was er geen risico op lachgasvorming, op andere plaatsen ga je dan weer lachgas uitstoten doordat er te weinig zuurstof inzit. Op een andere plaats krijg je dan weer lachgas door andere omstandigheden. Dankzij de inzichten van het CFD model en de AI risico tool, konden we de juiste raad geven aan de zuivering om elk van deze lokale omstandigheden die lachgasemissie veroorzaakten te verbeteren.”

Sensors

Met behulp van de CFD modellen kunnen ook de metingen van sensoren die in het water zitten kritisch bekeken worden. “In dat gigantische bekken zit er vaak maar één sensor die zuurstof meet”, zegt Torfs. “Het risicomodel kan toegepast worden op data van deze sensoren. Maar de vraag is natuurlijk hoe representatief die sensor is? Zijn we zeker dat we een goede inschatting hebben? Met behulp van het 3D CFD model kunnen we beslissen waar we de sensor het best plaatsen. Waar gaat dit ons de beste informatie geven om het risico best te kunnen inschatten.

Protocol

De inzichten van de geavanceerde Lessdrone metingen en de verschillende modellen hebben geleid tot een eenvoudig protocol dat samenvat hoe een waterzuivering te werk kan gaan om zijn broeikasuitstoot te verminderen. Het is immers niet steeds mogelijk om voor elke waterzuivering met de Lessdrone te gaan meten of een gedetailleerde digital twin of een nog meer gedetailleerd 3D CFD model te ontwikkelen. Het AI risicomodel kan eenvoudig worden toegepast op historisch beschikbare data en geeft snel een eerste inschatting van de emissie risico’s. Op basis van deze resultaten kan dan worden ingeschat of meer geavanceerde metingen met de Lessdrone of meer geavanceerde modellen nodig zijn om de specifieke situatie in meer detail te onderzoeken.

Elena Torfs:

“Er bestaan strenge normen van wat er geloosd wordt in de beken en rivieren. Maar over de gassen die ontsnappen uit de bassins, bestaan er tot op vandaag weinig normen.”

Elena Torfs:

“Elke waterzuivering is anders qua dimensie, bedrijfsvoering en hoe de zuurstof in het water wordt gebracht.

Elena Torfs:

“Door een combinatie van CFD en het risicomodel kan dus het risico op elke plaats in de reactor ingeschat worden”

www.lesswattproject.eu