Download het artikel in 
De winnaar was Dennis Cardoen. In zijn eindwerk levert hij een bijdrage tot de verwezenlijking van een grondig getransformeerd zuiveringsproces dat meer energie moet gaan leveren dan het verbruikt.
In het Vlaamse onderzoeksproject ‘Sewage+’ zochten Vlaamse kennisinstellingen en waterbedrijven naar manieren om de energie-efficiëntie van waterzuiveringsprocessen te verbeteren. Eén van de projectpartners was de onderzoeksgroep LabMET, onderdeel van de faculteit bio-ingenieurswetenschappen van Universiteit Gent. Dennis Cardoen verrichtte er zijn thesisonderzoek. Hij bouwde voort op de ideeën van zijn promotor, dr. ir. Willy Verstraete (1946). Eén van diens geesteskinderen is het ‘Zero Waste Water’-concept, een aaneenschakeling van technologieën die moeten toelaten schoon water, energie en meststoffen uit rioolwater te recupereren (zie figuur 1).
Dubbel winst
De meeste Noordwest-Europese rioolwaterzuiveringstations (RWZIs) zijn van het zogenaamde ‘Actief Slib’-type. Deze methode steunt op beluchting van het afvalwater en verbruikt dan ook heel wat energie. Er wordt evenwel steeds meer onderzoek verricht naar fundamenteel andere systemen, zoals het Zero Waste Water concept, waarin een anaerobe behandeling (dus in afwezigheid van zuurstof) centraal staat. Met name vergisting laat beluchting achterwege, en levert tevens biogas op. Dubbele energetische winst, dus. Echter, voor een efficiënte anaerobe behandeling en dito terugwinning van nutriënten, moet afvalwater voldoende geconcentreerd zijn. Helaas is dat bij rioolwater doorgaans niet het geval, omwille van de relatief grote hoeveelheid schoon water die wordt gebruikt tijdens bijvoorbeeld het doorspoelen van toiletten. En regenwater dat samen met rioolwater wordt afgevoerd, zorgt voor nóg meer verdunning. Daarom zocht Cardoen in zijn thesiswerk naar methodes om rioolwater te scheiden in enerzijds een voldoende geconcentreerde fractie (waaruit energie en nutriënten worden gewonnen), en anderzijds een geklaarde fractie die na verdere behandeling als gerecycleerd water kan worden gebruikt (in figuur 1: ‘up-concentration’).
Centrifugatie en ultrafiltratie
Cardoen testte bij LabMET, samen met ir. Bundervoet, vier technieken uit. De eerste was centrifugatie. Dit leverde niet de gewenste resultaten op omdat vervuiling daarmee enkel goed uit afvalwater kan worden gescheiden indien het ónopgeloste vuildeeltjes betreft; de vervuiling in het water in Vlaamse rioolwaterzuiveringsinstallaties, echter, bleek in te belangrijke mate in ópgeloste vorm aanwezig te zijn. Vervolgens testten ze ultrafiltratie uit, met behulp van een innovatief membraan van elektro-gesponnen nanovezels. Daarbij maakten ze gebruik van een zogenaamde FMX-module die door het creëren van turbulentie voorkomt dat het membraan dichtslibt. Dennis Cardoen: “Vanuit technisch oogpunt bleek dit naar wens te functioneren. Probleem was het te hoge energieverbruik: het kan niet de bedoeling zijn dat het systeem meer energie nodig heeft om water te scheiden dan je nadien uit de geconcentreerde fractie kan terugwinnen via anaerobe vergisting…”
CEPT
In een derde test werd CEPT (Chemically Enhanced Primary Sedimentation) onderzocht. Daarbij gebruikt men, reeds aan het begin van het zuiveringstraject, coagulanten zoals FeCl3 en Al2(SO4)3, en flocculanten (polymeren die grotere, beter bezinkbare vuilvlokken doen ontstaan). Vervolgens vindt bezinking van de vervuiling plaats. Dennis Cardoen: “We wilden onder meer zien of de coagulantia een effect hadden op de vergistbaarheid van geconcentreerde fractie die we zo hadden bekomen. Dat bleek het geval: de aanwezigheid van een hoge dosis ijzer bleek er toe te leiden dat tot driemaal meer tijd nodig was om uit dit slib eenzelfde hoeveelheid biogas te produceren. Voordeel is dan weer dat het een goedkope werkwijze is. Ook bleek de geklaarde waterfractie zo helder dat ze geschikt was om ultrafiltratie op uit te voeren.”
Innovatieve MBR
In het meest innovatieve onderzoeksgedeelte werd een membraanbioreactor (MBR) als scheidingstechniek gebruikt. In dergelijke reactor bevinden zich zowel aerobe micro-organismen als een filtrerend membraan. Bijzonder was dat Cardoen in de reactor bio-adsorptie toepaste. Het komt erop neer dat hij aan een kant de belasting met vuil zeer hoog liet worden, zodat de bacteriën meer organisch materiaal te verwerken kregen dan ze aankonden. Dit leidde ertoe dat vuil adsorbeerde aan de bacterievlokken, zonder door de bacteriën te worden omgezet tot (nutteloos) CO2. Ook werden de bacteriën reeds na erg korte verblijftijd (1,2 en 2,8 dagen) uit de reactor verwijderd. Cardoen: “Zo creëerden we een geconcentreerde fractie met slib dat bestond uit enerzijds jonge bacteriën, en anderzijds organisch materiaal dat aan die bacteriën was geadsobeerd. Eerstgenoemde zijn makkelijker te vergisten dan de ondervoede, oudere bacteriën die typisch voorkomen in actief slib-systemen en conventionele MBRs; laatstgenoemde is ruw organisch materiaal, wat heel energierijk is. Beiden laten dus meer energieterugwinning toe.”
Uitdagingen procesregeling
“We merkten dat de bacteriën na 2,8 dagen reeds 45 % van de vuilvracht hadden omgezet naar CO2,” meldt Dennis Cardoen. “Dat wilden we net vermijden; des te meer vuilvracht omgezet in CO2, des te minder valt nadien nog om te zetten in biogas. Een verblijftijd van 1,2 dagen bleek beter: dan was slechts 15% omgezet naar CO2.” Hij onderzocht ook in hoeverre stikstof werd omgezet van organische stikstof en ammonium tot nitriet en nitraat. Daaruit bleek de mogelijkheid van een allicht gunstige combinatie van de bio-adsorptie MBR met de zogenaamde OLAND-methode: deze innovatieve methode is veel energie-efficiënter dan de conventionele verwijdering van stikstof. Het belangrijkste nadeel, vervolgens, van de bio-adsorptie werkwijze in een MBR is dat “omwille van dichtslibben van het membraan de flux te klein wordt, waardoor dagelijks reinigen van het membraan nodig blijkt. Het afvalwater blijft door die lage flux ook nog te lang in de reactor, terwijl in principe 30 minuten voldoende is om adsorptie te verwezenlijken.” Omwille van de korte verblijftijd, gaat Cardoen verder, is het geen zo’n stabiel proces: het is meer onderhevig aan schommelingen dan systemen die, dankzij langere verblijftijden, gebufferd zijn. Gevolg is dat de procesregeling ervan moeilijker zal zijn dan bij een conventioneel systeem.
Anaerobe vergisting
In een volgende fase onderzocht Dennis Cardoen hoeveel biogas hij kon produceren uit de geconcentreerde fractie die de bio-adsorptie methode oplevert. Hij testte daarbij twee reactortypes. Ten eerste, een zogenaamde sequentiële batch-reactor waarin menging wordt afgewisseld met bezinking; ten tweede, een dubbele reactor met, voorafgaand aan de hoofd-, een kleine reactor op hoge temperatuur. Uiteindelijk bleek de sequentiële batch-reactor het meest geschikt. Daarmee kon uit het bio-adsorptie slib evenveel biogas worden geproduceerd als met een conventionele, continu gemengde vergistingreactor die dubbel zo groot was.
Energetische rendementen
Cardoen zette de biomethaan-opbrengst uit ten opzichte van de energie die wordt verbruikt om de scheidingstechniek en de anaerobe vergisting draaiende te houden (zie figuur 2). Hij wijst erop dat bijlange nog niet alle energie-inhoud in het afvalwater (influent) kon worden teruggewonnen, en dus de kans reëel is dat nog veel meer winst te boeken valt.
Hoge energie-recuperatie
Van alle onderzochte methodes, concludeerde Cardoen, bleken de CEPT behandeling en de bioadsorptie-MBR de meest energie-efficiënte. Gecombineerd met anaerobe vergisting lieten ze toe 70 à 85% te recupereren van de energie die nodig was om het systeem te doen draaien. Veel beter dus dan de 20 % voor de Conventionele Actief Slib systemen (CAS), klinkt het. CEPT heeft als bijkomend voordeel dat veel fosfor kan worden gerecupereerd (60 à 70%). Nadeel is het verbruik aan grondstoffen bij de productie van FeCl3 of Al2(SO4)3. De bio-adsorptie MBR heeft als voordeel dat het effluent zo zuiver is dat er meteen omgekeerde osmose op kan worden toegepast, zodat uiteindelijk erg zuiver water kan worden bekomen. Nadelen zijn in dat geval de beperkte fosforrecuperatie en de onderhoudsvereisten van het membraan.
Stap voor stap
Dennis Cardoen meldt dat “er nog veel werk is te doen om het volledige Zero Waste-concept op punt te zetten; toch zal de filosofie van energie- en grondstofterugwinning uit rioolwater stapje voor stapje haar ingang vinden. In het buitenland zijn er trouwens al verschillende projecten die sterk in die richting zijn gegaan. In Oostenrijk, bijvoorbeeld, is er intussen een rioolwaterzuiveringsinstallatie die energiepositief is. Overigens wordt daar gebruik gemaakt van bioadsorptie. En in Nederland is er opvallend veel interesse om ervoor te zorgen dat waterzuiveringsinstallaties in de toekomst ‘energiefabrieken’ worden. Ook voor ontwikkelingslanden is het concept beloftevol. In tegenstelling tot Vlaanderen, waar de nodige waterzuiveringcapaciteit al grotendeels is verwezenlijkt, moet daar namelijk nog vaak worden begonnen met het bouwen van het leeuwendeel van de waterzuiveringinfrastructuur.”
Dennis Cardoen werd op 20 december 2011 beloond voor zijn inspanningen. Van het TNAV (‘Vlaams Netwerk Watertechnologie’) ontving hij de ‘Watertechnologieprijs’ voor het beste eindwerk van 2011. <<
Door Koen Vandepopuliere, Pumps & Process Magazine
