22/06/2020

Van riool- naar ultrapuur water

Steeds vaker zal de industrie gebruik moeten maken van alternatieve waterbronnen. Dat op dat vlak veel mogelijk is, blijkt in Emmen, waar van rioolwater ultrapuur water wordt gemaakt. Bovendien gebeurt dat, op vraag van de klant, met een minimum aan chemicaliën. Om dat mogelijk te maken, is een zuiveringstrein opgesteld met UF, BODAC, RO en EDI.

In het Nederlandse Emmen bevindt zich de Nederlandse Aardolie Maatschappij (NAM). Peter van der Maas, lector duurzame watersystemen aan Hogeschool Van Hall Larenstein en strategisch adviseur watertechnologie bij WLN: “Dat bedrijf heeft stoom nodig dat het injecteert in de grond om de olie op te warmen zodat die minder viskeus en zodoende beter verpompbaar wordt. Het maakt zijn stoom van ultrapuur water. Dat is water die bijna geen zouten bevatten: de geleidbaarheid is minder dan 0,2 microsiemens per centimeter. Maar van welk water moet dat ultrapure water worden gemaakt? In dat deel van Nederland is de hoeveelheid oppervlakte- en grondwater beperkt. Toen bleek het effluent van de rioolwaterzuiveringsinstallatie, rwzi Emmen, de meest voor de hand liggende bron om het te maken.”

Die rioolwaterzuivering, klinkt het, is eigendom van een waterschap, genaamd Vechtstromen. Die is in die regio verantwoordelijk voor het zuiveren van gemeentelijk afvalwater. Het waterschap heeft samen met WMD, van oorsprong een drinkwatermaatschappij, een joint venture opgericht: NieuWater. Haar waterfabriek is gelokaliseerd op de terreinen van rwzi Emmen en heeft een maximale capaciteit van 8 200 kuub ultrapuur water per dag.

RO en EDI

Toen begon de zoektocht naar technieken om dat voor mekaar te krijgen: ultrapuur water maken van rwzi-effluent. Peter van der Maas: “De ontzouting van het water is gebaseerd op omgekeerde osmose: twee keer naeen RO-membranen, dus in tweetraps. Het water dat daaruit komt, bevat nog een heel lage concentratie éénwaardige ionen, met name natrium en chloride. Die worden eruit gehaald met een laatste stap: EDI, elektrode-ionisatie. Dat is een combinatie van membranen en hars. Het hars wordt er geregenereerd met elektriciteit in plaats van chemicaliën. Toen de UPW-fabriek is opgestart, in 2010, was het de grootste EDI-installatie ter wereld.”

“Toen de ultrapuurwater-fabriek is opgestart, in 2010, was het de grootste EDI-installatie ter wereld.”

Peter van der Maas, lector aan Hogeschool Van Hall Larenstein en strategisch adviseur bij WLN

Nieuwe toepassing

Het rwzi-effluent is nog relatief voedingsrijk en heeft de neiging een biofilm te vormen op de RO-membranen. “Zo kan je te maken krijgen met een koek op de membranen waardoor je zelfs niet meer in staat bent te produceren. Nu is het mogelijk biofouling te onderdrukken met biociden. Maar die hebben we niet willen toepassen omdat je daarmee ook het oppervlaktewater belast. We zijn op zoek gegaan naar een milieuvriendelijkere variant. Die vonden we in biologische actieve koolfiltratie met zuurstofdosering. Dat wordt ook kortweg BODAC genoemd: Biological Oxygen Dosed Activated Carbon. Die BODAC passen we toe als voorzuivering voor de omgekeerde osmose.”

Biologische actieve koolfiltratie was niet nieuw, stelt Peter van der Maas. “Ik kende het al uit de drinkwaterproductie. Maar de speciale toepassing in de vorm met dosering van zuurstof, zoals hier in Emmen, als voorzuivering om biofouling op membranen van omgekeerde osmose te voorkomen, was wel nieuw. Ik vermoed dat dit, wereldwijd, nog steeds uniek is.”

De grootste vraag bij het ontwerp was: gaat dat wel lukken, met die BODAC als voorzuivering? “We hebben toen een jaar lang pilootonderzoek gedaan om er zeker van te zijn dat het zou werken. Op basis van dat onderzoek hebben we besloten het op grote schaal te gaan toepassen. Zo is het in de zuiveringstrein terechtgekomen, vlak voor de omgekeerde osmose. Vóór de BODAC plaatsten we nog een stap met ultrafiltratie. De BODAC zelf kreeg ook nog een zuurstofdosering, om het niet zuurstofloos – anaeroob dus – te laten worden. Het zit zo. Het principe van biologisch actieve koolfiltratie is dat zich een biofilm vormt omheen actieve kool-granules. Dan laat je de opname van nutriënten uit het inkomende water plaatsvinden door granules en biofilm. Als je daarbij geen zuurstof induceert kan het anaeroob worden, en dan laat de biofilm los van de granules van actief kool. Dan werkt het proces niet meer. Dat gevaar op anaerobie is in Emmen reëel. Want het water dat uit de rwzi komt, bevat af en toe verhoogde concentraties aan, vooral, ammonium. Omdat je ammonium biologisch omzet – oxideert in principe – naar nitraat, verdwijnt veel zuurstof uit het water.”

Meten is weten

Ook bijzonder zijn de speciale druksensoren op de RO-membraandrukbuizen. Ze meten continu de drukval over het eerste membraan van de eerste trap, en die over het laatste membraan van de tweede trap. Zo’n drukval is een aanwijzing voor scaling en biofouling. Door die te monitoren, kan die vroeg worden opgemerkt. Zo kan de fabriek het gebruik van antiscalant tot een minimum beperken. Op dit moment zijn overigens testen bezig om na te gaan of het mogelijk is de antiscalantdosering dynamisch te sturen op basis van de kwaliteit van het water dat de RO-membranen binnenkomt. Als dat lukt, zou de waterfabriek nog wat minder chemicaliën hoeven te gebruiken.

“We passen Biological Oxygen Dosed Activated Carbon toe als voorzuivering voor de omgekeerde osmose.”

Peter van der Maas, lector aan Hogeschool Van Hall Larenstein en strategisch adviseur bij WLN

Kosten

“Het is niet de meest goedkope manier van ultrapuur water maken”, geeft Peter van der Maas toe. “Met name de filtratie van biologische actief kool vereist een forse investering. Werken met een biocide kan met een veel lagere investering. Maar we hebben destijds samen met de klant hiervoor gekozen omdat we geen of nauwelijks chemicaliën wilden gebruiken om duurzaamheidsoverwegingen. De Nederlandse Aardolie Maatschappij was bereid iets meer te betalen voor het water om dat mogelijk te maken. En er is een contract afgesloten tussen de klant en Nieuwater over een periode van 25 jaar. Dat het contract een relatief lange looptijd heeft, draagt ertoe bij dat het op financieel vlak mogelijk is met deze innovatieve watertechnologie aan de slag te gaan.”

Bovendien zijn er enkele terugverdieneffecten. Zo is de actieve kool nog steeds die van toen. Ze is sindsdien niet geregenereerd. Ook draagt de voorzuivering met BODAC ertoe bij dat er nog geen aanleiding was om de membranen te vervangen: niet die van de ultrafiltratie, en niet die van de omgekeerde osmose. Er zijn eveneens relatief weinig kosten voor chemicaliën zoals flocculanten en reinigingsmiddelen, en geen voor biocides.

Geneesmiddelen

Intussen blijkt dat aan BODAC nog een interessante bijvangst kleeft. “Het blijkt heel goed geneesmiddelen te verwijderen. Dat hadden we niet verwacht.”

Op het eind van de BODAC-filtratie merkt Peter van der Maas een vergaande verwijdering op van ruim 90 % voor een ruim scala geneesmiddelen. Waar dat aan te danken is, is nog niet duidelijk. Biodegradatie en sorptie kunnen een rol spelen, maar zijn allicht niet de volledige verklaring. Voorlopig wordt vermoed dat de dosering van zuurstof om anaerobie in de BODAC-filters te voorkomen, een belangrijke rol speelt. Verder onderzoek moet uitwijzen wat de oorzaak is, en of dit betekent dat BODAC haalbaar is als middel om in andere zuiveringsinstallaties, zoals rwzi’s, geneesmiddelen uit het water te verwijderen.

Door Koen Vandepopuliere

Van riool- naar ultrapuur water

Steeds vaker zal de industrie gebruik moeten maken van alternatieve waterbronnen. Dat op dat vlak veel mogelijk is, blijkt in Emmen, waar van rioolwater ultrapuur water wordt gemaakt. Bovendien gebeurt dat, op vraag van de klant, met een minimum aan chemicaliën. Om dat mogelijk te maken, is een zuiveringstrein opgesteld met UF, BODAC, RO en EDI.

In het Nederlandse Emmen bevindt zich de Nederlandse Aardolie Maatschappij (NAM). Peter van der Maas, lector duurzame watersystemen aan Hogeschool Van Hall Larenstein en strategisch adviseur watertechnologie bij WLN: “Dat bedrijf heeft stoom nodig dat het injecteert in de grond om de olie op te warmen zodat die minder viskeus en zodoende beter verpompbaar wordt. Het maakt zijn stoom van ultrapuur water. Dat is water die bijna geen zouten bevatten: de geleidbaarheid is minder dan 0,2 microsiemens per centimeter. Maar van welk water moet dat ultrapure water worden gemaakt? In dat deel van Nederland is de hoeveelheid oppervlakte- en grondwater beperkt. Toen bleek het effluent van de rioolwaterzuiveringsinstallatie, rwzi Emmen, de meest voor de hand liggende bron om het te maken.”

Die rioolwaterzuivering, klinkt het, is eigendom van een waterschap, genaamd Vechtstromen. Die is in die regio verantwoordelijk voor het zuiveren van gemeentelijk afvalwater. Het waterschap heeft samen met WMD, van oorsprong een drinkwatermaatschappij, een joint venture opgericht: NieuWater. Haar waterfabriek is gelokaliseerd op de terreinen van rwzi Emmen en heeft een maximale capaciteit van 8 200 kuub ultrapuur water per dag.

RO en EDI

Toen begon de zoektocht naar technieken om dat voor mekaar te krijgen: ultrapuur water maken van rwzi-effluent. Peter van der Maas: “De ontzouting van het water is gebaseerd op omgekeerde osmose: twee keer naeen RO-membranen, dus in tweetraps. Het water dat daaruit komt, bevat nog een heel lage concentratie éénwaardige ionen, met name natrium en chloride. Die worden eruit gehaald met een laatste stap: EDI, elektrode-ionisatie. Dat is een combinatie van membranen en hars. Het hars wordt er geregenereerd met elektriciteit in plaats van chemicaliën. Toen de UPW-fabriek is opgestart, in 2010, was het de grootste EDI-installatie ter wereld.”

“Toen de ultrapuurwater-fabriek is opgestart, in 2010, was het de grootste EDI-installatie ter wereld.”

Peter van der Maas, lector aan Hogeschool Van Hall Larenstein en strategisch adviseur bij WLN

Nieuwe toepassing

Het rwzi-effluent is nog relatief voedingsrijk en heeft de neiging een biofilm te vormen op de RO-membranen. “Zo kan je te maken krijgen met een koek op de membranen waardoor je zelfs niet meer in staat bent te produceren. Nu is het mogelijk biofouling te onderdrukken met biociden. Maar die hebben we niet willen toepassen omdat je daarmee ook het oppervlaktewater belast. We zijn op zoek gegaan naar een milieuvriendelijkere variant. Die vonden we in biologische actieve koolfiltratie met zuurstofdosering. Dat wordt ook kortweg BODAC genoemd: Biological Oxygen Dosed Activated Carbon. Die BODAC passen we toe als voorzuivering voor de omgekeerde osmose.”

Biologische actieve koolfiltratie was niet nieuw, stelt Peter van der Maas. “Ik kende het al uit de drinkwaterproductie. Maar de speciale toepassing in de vorm met dosering van zuurstof, zoals hier in Emmen, als voorzuivering om biofouling op membranen van omgekeerde osmose te voorkomen, was wel nieuw. Ik vermoed dat dit, wereldwijd, nog steeds uniek is.”

De grootste vraag bij het ontwerp was: gaat dat wel lukken, met die BODAC als voorzuivering? “We hebben toen een jaar lang pilootonderzoek gedaan om er zeker van te zijn dat het zou werken. Op basis van dat onderzoek hebben we besloten het op grote schaal te gaan toepassen. Zo is het in de zuiveringstrein terechtgekomen, vlak voor de omgekeerde osmose. Vóór de BODAC plaatsten we nog een stap met ultrafiltratie. De BODAC zelf kreeg ook nog een zuurstofdosering, om het niet zuurstofloos – anaeroob dus – te laten worden. Het zit zo. Het principe van biologisch actieve koolfiltratie is dat zich een biofilm vormt omheen actieve kool-granules. Dan laat je de opname van nutriënten uit het inkomende water plaatsvinden door granules en biofilm. Als je daarbij geen zuurstof induceert kan het anaeroob worden, en dan laat de biofilm los van de granules van actief kool. Dan werkt het proces niet meer. Dat gevaar op anaerobie is in Emmen reëel. Want het water dat uit de rwzi komt, bevat af en toe verhoogde concentraties aan, vooral, ammonium. Omdat je ammonium biologisch omzet – oxideert in principe – naar nitraat, verdwijnt veel zuurstof uit het water.”

Meten is weten

Ook bijzonder zijn de speciale druksensoren op de RO-membraandrukbuizen. Ze meten continu de drukval over het eerste membraan van de eerste trap, en die over het laatste membraan van de tweede trap. Zo’n drukval is een aanwijzing voor scaling en biofouling. Door die te monitoren, kan die vroeg worden opgemerkt. Zo kan de fabriek het gebruik van antiscalant tot een minimum beperken. Op dit moment zijn overigens testen bezig om na te gaan of het mogelijk is de antiscalantdosering dynamisch te sturen op basis van de kwaliteit van het water dat de RO-membranen binnenkomt. Als dat lukt, zou de waterfabriek nog wat minder chemicaliën hoeven te gebruiken.

“We passen Biological Oxygen Dosed Activated Carbon toe als voorzuivering voor de omgekeerde osmose.”

Peter van der Maas, lector aan Hogeschool Van Hall Larenstein en strategisch adviseur bij WLN

Kosten

“Het is niet de meest goedkope manier van ultrapuur water maken”, geeft Peter van der Maas toe. “Met name de filtratie van biologische actief kool vereist een forse investering. Werken met een biocide kan met een veel lagere investering. Maar we hebben destijds samen met de klant hiervoor gekozen omdat we geen of nauwelijks chemicaliën wilden gebruiken om duurzaamheidsoverwegingen. De Nederlandse Aardolie Maatschappij was bereid iets meer te betalen voor het water om dat mogelijk te maken. En er is een contract afgesloten tussen de klant en Nieuwater over een periode van 25 jaar. Dat het contract een relatief lange looptijd heeft, draagt ertoe bij dat het op financieel vlak mogelijk is met deze innovatieve watertechnologie aan de slag te gaan.”

Bovendien zijn er enkele terugverdieneffecten. Zo is de actieve kool nog steeds die van toen. Ze is sindsdien niet geregenereerd. Ook draagt de voorzuivering met BODAC ertoe bij dat er nog geen aanleiding was om de membranen te vervangen: niet die van de ultrafiltratie, en niet die van de omgekeerde osmose. Er zijn eveneens relatief weinig kosten voor chemicaliën zoals flocculanten en reinigingsmiddelen, en geen voor biocides.

Geneesmiddelen

Intussen blijkt dat aan BODAC nog een interessante bijvangst kleeft. “Het blijkt heel goed geneesmiddelen te verwijderen. Dat hadden we niet verwacht.”

Op het eind van de BODAC-filtratie merkt Peter van der Maas een vergaande verwijdering op van ruim 90 % voor een ruim scala geneesmiddelen. Waar dat aan te danken is, is nog niet duidelijk. Biodegradatie en sorptie kunnen een rol spelen, maar zijn allicht niet de volledige verklaring. Voorlopig wordt vermoed dat de dosering van zuurstof om anaerobie in de BODAC-filters te voorkomen, een belangrijke rol speelt. Verder onderzoek moet uitwijzen wat de oorzaak is, en of dit betekent dat BODAC haalbaar is als middel om in andere zuiveringsinstallaties, zoals rwzi’s, geneesmiddelen uit het water te verwijderen.

Door Koen Vandepopuliere

Laatste nieuws

Alle nieuwsberichten