NuReDrain baant nieuwe wegen voor fosfor en stikstof

In project NuReDrain werken onderzoekers aan een oplossing voor de te grote hoeveelheden stikstof en fosfor in drainagewater. Ze werken aan systemen om deze nutriënten af te vangen. Ze hopen die nadien te recupereren om ze opnieuw nuttig in te zetten, waarmee ze een steentje zouden bijdragen tot het creëren van een circulaire economie. Intussen is het stadium van de laboproeven grotendeels afgerond. Enkele nieuwe filtersystemen staan op stapel, en de projectpartners bereiden veldproeven voor.

In het Noordzeegebied vormen verliezen van nutriënten vanuit de landbouw, vooral stikstof en fosfor, een van de belangrijkste oorzaken van eutrofiëring van oppervlaktewater. De Vlaamse regelgeving rond bemesting is de afgelopen vijftien jaar systematisch verstrengd. Toch blijkt die nog steeds onvoldoende om Europese doelen, zoals beschreven in de Kaderrichtlijn Water, te bereiken. Het NuReDrainproject wil daar iets aan doen. De projectpartners hebben zich voorgenomen filtersystemen te ontwikkelen die stikstof en fosfor verwijderen uit drainagewater, uit spuiwater van serres en uit run-off (water dat over het aardoppervlak stroomt, bijvoorbeeld na een hevige regenbui). Ook proberen ze technologie te ontwikkelen om de opgevangen nutriënten opnieuw in te zetten waar die nuttig zijn, bijvoorbeeld in de landbouw. Tenslotte moeten de resultaten ertoe bijdragen dat beleidsmakers geschikte strategieën ontwikkelen om de kwestie aan te pakken.

Gegevensbank

Het project startte met de opmaak van een gegevensbank. Daarin lijstten de projectpartners de technische en economische gegevens op van materialen waaraan fosfor adsorbeert. Ook somden ze daarin enkele systemen voor denitrificatie van stikstof op. Dr. ing. Pieter Van Aken, Katholieke Universiteit Leuven: ”De meeste materialen die we selecteerden, zijn gebaseerd op ijzer. Dat houdt fosfor namelijk goed vast. Dat gebeurt via adsorptie: het fosfaat is gebonden aan ijzer, aluminium of calcium, afhankelijk van het metaal waaruit je filtermateriaal is opgebouwd. De technologieën die we voor stikstof selecteerden, hebben alle als basis biologische denitrificatie, dus de omzetting van nitraat naar stikstofgas.”

Stikstofverwijdering

Voor de verwijdering van stikstof komen drie concepten in aanmerking, stelt Pieter Van Aken: “Ten eerste de constructed wetlands, zoals bijvoorbeeld rietvelden. Het zijn grote bekkens waar water lange tijd wordt bewaard, dus de doorlooptijd is vrij lang, en het systeem neemt veel plaats in. We kunnen daarmee 25% stikstofverwijdering realiseren. Er is nog een tweede concept: bassins die we vol houtschilfers storten. Micro-organismen nemen de stikstof op en zetten nitraat om naar stikstofgas. Daarvoor hebben ze koolstof nodig, die we in dit systeem aanbieden door middel van de houtschilfers. De bekkens zijn niet zo groot als rietvelden, maar nemen toch ook relatief veel oppervlakte in. Daarmee kunnen we tot 50% van de stikstof verwijderen. Een derde concept is een nieuwe zuiveringstechniek. Het valt op doordat het zo weinig plaats inneemt, wat in het ruimte-arme Vlaanderen van bijzonder belang is. We werken daarvoor met een slib op vaste drager. De drager bestaat uit kunststofpolymeren. Daarop groeien micro-organismen; we voegen een vloeibare koolstofbron toe waardoor we de plaats die de installatie inneemt, beperken. Op laboschaal kunnen we met deze MBBR, de Moving Bed BioReactor, gaan tot 95% stikstofverwijdering.”

Die drie concepten zijn dus allemaal gebaseerd op biologische denitrificatie. Pieter Van Aken: “Een nadeel daaraan is dat recuperatie van stikstof niet mogelijk is. Het nitraat wordt namelijk omgezet naar stikstofgas, dat vervliegt in de atmosfeer en zijn we dus kwijt. Maar in NuReDrain trachten we een piste uit te werken die het ons mogelijk maakt de stikstof toch te recupereren, om die nadien, bijvoorbeeld in de landbouw, terug nuttig in te zetten. Meer bepaald onderzoekt de universiteit van Kopenhagen de omzetting van nitraat tot het herbruikbare ammonium.”

Sommige technieken zijn al marktrijp: “Voor de denitrificatie zijn er in Denemarken al voorbeelden van rietvelden en bassins met houtschilfers die ingezet worden voor fosforverwijdering en die goed werken. In Vlaanderen zijn die er nog niet of nauwelijks, door de oppervlakte die ze nodig hebben. Van de MBBR hebben we intussen twee installaties bij telers in opstart. We wachten het komende drainageseizoen af om te zien in hoeverre dat goed functioneert. De vorming van de biofilm vraagt even tijd.”

”De meeste materialen die we selecteerden zijn gebaseerd op ijzer. Dat houdt fosfor goed vast. De technologieën die we voor stikstof selecteerden hebben alle als basis biologische denitrificatie, dus de omzetting van nitraat naar stikstofgas.”

Fosforverwijdering

Dan is er nog de verwijdering van fosfor. “Een eerste filtersysteem daar zijn de meer traditionele adsorptiekolommen. Die staan bij florist Meuninck”, gaat Pieter Van Aken verder. “Het spuiwater van de serres wordt in een bassin verzameld en gepompt over de filter die ongeveer twee kubieke meter plaats inneemt. Een ander systeem vinden we nog niet in Vlaanderen, maar eerder bij onze collega’s in Denemarken: zij proberen de adsorptiekolommen ondergronds te plaatsen waarbij het drainagewater gravitair over de filtersystemen stroomt. Een uitdaging die ze nog moeten oplossen, is dat die soms dichtslibben door grondresten die meekomen met het drainagewater.”

En Universiteit Gent, luidt het, “werkt voor de fosfor aan een bucket-, dus emmersysteem waarin we het adsorptiemateriaal aanbrengen. Die emmers kunnen we daar plaatsen waar de drainagepijp de gracht binnenkomt. Daar kunnen we ze dan op aansluiten; het is een goedkoop systeem dat weinig ruimte inneemt en compact blijft.”

Materialen

Het systeem bij florist Meuninck bevat ongeveer twee kuub materiaal. Pieter Van Aken: “Daarin zit ICS: iron coated sand, dus ijzergecoat zand. Dat is een nevenproduct van drinkwatermaatschappij Pidpa. Het filtersysteem met die korrels leverde bij de florist goede resultaten op tot 1,5 jaar. Toen trad doorbraak op en was dus vernieuwing van het materiaal nodig. Daarna werkte het systeem opnieuw perfect.”

Er zijn nog andere materialen dan ICS waarmee afvangen van fosfor in de praktijk eveneens vlot zou verlopen, legt Pieter Van Aken uit: “Zo zijn er korrels, ontwikkeld door Vito. Ze zijn gemaakt van ijzerhoudend slib, een nevenproduct van drinkwatermaatschappij De Watergroep. Vito ontwikkelde een proces om van dat slib korrels te maken met vergelijkbare of zelfs betere resultaten dan die van ICS. Een ander materiaal waarmee het zou kunnen, is een materiaal ontwikkeld door een Zweedse firma, gebaseerd op diatomeeënaarde. Het is een poreus materiaal, gecoat met ijzeroxide zodat de adsorptie-eigenschappen ervan verbeteren. Dat materiaal staat nog niet volledig op punt, maar we zien dat het veelbelovende resultaten oplevert. Er is nog één materiaal waarvan we overtuigd zijn dat het goed is, Ferrosorb, maar dat is geen materiaal dat hergebruikt wordt of een nevenstroom. Het is een commercieel materiaal met hogere kostprijs, zodat het iets minder interessant is om te gebruiken in de veldproeven. Al de andere, door ons onderzochte filtermaterialen voldeden niet.”

Hoe dan ook “zijn we nog maar pas in de opstartfase met de fosforfilters”, verduidelijkt Pieter Van Aken. “Ze doen hun werk, maar er zijn nog enkele technische problemen die we moeten oplossen, vooral dan clogging, dus verstopping.”

Fosforhergebruik

Eens de filtermaterialen verzadigd zijn met fosfor, moeten ze vervangen worden. Voor dat kan gebeuren, worden de verzadigde materialen uit het filtersysteem verwijderd. De projectpartners willen ze niet zomaar weggooien. Ze hopen op 20% terugwinning van P uit het filtermateriaal om het als meststof te kunnen hergebruiken. De onderzoekers denken daarbij aan twee pistes: ofwel de verzadigde materialen als dusdanig inzetten, ofwel ze behandelen zodat de fosfor vrijkomt, die dan voeding voor planten kan worden.

Pieter Van Aken: “Het onderzoek naar het recupereren van fosfor is volop bezig. We kunnen intussen wel aantonen dat we met alkalische wassing verzadigde fosfor weer in oplossing kunnen krijgen, zonder dat het adsorptiemateriaal al te veel gedegradeerd raakt. Uitdaging is dat dit gepaard gaat met een kleine uitspoeling van ijzer, maar die zullen we vermoedelijk kunnen beperken. In de komende periode gaan we dat verder optimaliseren en nagaan hoe we fosfor kunnen precipiteren als bijvoorbeeld calciumfosfaat. Intussen leggen we contacten met mogelijke eindgebruikers van het fosfor, bijvoorbeeld kunstmestproducenten.”

Hoe dan ook is het hergebruik van fosfor en filtermaterialen iets wat de projectpartners vooral later in het project nog zullen onderzoeken, “en daarna kunnen we nagaan in hoeverre we het op grote schaal kunnen toepassen.”

Toekomst

De projectpartners zullen de meest veelbelovende materialen in verschillende veldproeven valideren. Daarna zullen ze via pot- en veldproeven onderzoeken in hoeverre het aan de filtermaterialen vastgehechte fosfor opnieuw inzetbaar is als meststof op het veld. Tot slot zullen ze bekijken hoe landbouwstromen best behandeld worden om te komen tot betere waterkwaliteit.

De projectpartners willen nog eventuele geïnteresseerden bij het verdere verloop van het project betrekken. Onder meer willen ze de projectresultaten aan een zo breed mogelijk publiek communiceren. Als doelgroep denken ze daarbij aan telers in land- en tuinbouw maar ook aan lokale, regionale en nationale beleidsinstanties. Ook staan ze ervoor open innovaties op het vlak van technologie of filtermateriaal in het project te integreren. Meer info omtrent dit alles is te verkrijgen bij Charlotte Boeckaert (cb@vlakwa.be).

Door Koen Vandepopuliere

http://northsearegion.eu/nuredrain/