Microbiologische zuiveraars van rioolwater

Aan het eind van de jaren zestig zagen we ze voor het eerst: grote betonnen bakken in het landschap rond de steden. Niet al te fris ruikend rioolwater werd langzaam rondgedraaid in deze bassins, terwijl bacteriën hun zuiverende werk deden. Deze aerobe bacteriën ontdeden het stedelijke afvalwater – vooral menselijke ontlasting – van hun organische bestanddelen. In totaal staan er vandaag de dag in Nederland ruim driehonderd van deze installaties. Hoewel het er steeds minder worden, zijn ze wel steeds groter door allerlei nieuwe zuiveringsstappen. Daarnaast zijn er honderden industriële afvalwatersystemen met een scala aan bacteriën in dienst.

Onder meer vanwege de ruimte en de energiekosten werd in de jaren zeventig een totaal nieuw zuiveringsprocédé ontwikkeld. Onder leiding van de Wageningse hoogleraar Gatze Lettinga zetten onderzoekers bacteriën in die zonder zuurstof kunnen leven. Ze wisten deze bacteriën te bewegen tot afbraak van organische verontreiniging. Deze zogeheten anaerobe bacteriën vragen geen energie, maar leveren het juist, in de vorm van biogas. En ze verrichten hun afbraakwerkzaamheden ook nog eens in kleine, compacte reactoren. Zo vragen ze veel minder ruimte dan hun zuurstofminnende soortgenoten. Ook produceren ze substantieel minder afvalslib. Deze technologie bleek vooral geschikt voor geconcentreerd afvalwater van industriële bedrijven met een hogere temperatuur.

Maar ook waterschappen profiteerden van de nieuwe technologie. Overtollig slib wordt namelijk vergist, waardoor het volume afneemt én biogas wordt geproduceerd. Menig bedrijfswagen rijdt sindsdien gratis en voor niks op dit mengsel van methaan en koolzuurgas, al moet het biogas hiervoor wel worden ‘opgewerkt’ tot bijna puur methaan.

Mengvormen

Het intrigerende is dat er intussen – door voortschrijdend technisch inzicht en een beter begrip van de bacteriën – allerlei mengvormen zijn ontstaan tussen deze beide hoofdrichtingen. Daarbij wordt slim gebruikgemaakt van afwisseling tussen zuurstofvragende en zuurstofmijdende micro-organismen. Zo ontstaat een hele keten van elkaar opeenvolgende processen met een compleet ander principe. De mooiste daarvan is Nereda, genoemd naar de nimf Neraida, de ‘onberispelijke en pure’ dochter van de zeegod Nereus.

In dit proces slaan de samengeklonterde bacteriën eerst in een zuurstofloze fase afvalstoffen op als vet in hun celletjes. “Door deze vetgemeste bacteriën vervolgens enige tijd zuurstof toe te dienen, gaan ze dit vet gebruiken om lekker traag te groeien”, zegt Mark van Loosdrecht, hoogleraar milieubiotechnologie aan de TU Delft en grondlegger van het Nereda-proces. “Zo vormen ze korrels, halen ze stikstof en fosfaat uit het afvalwater en zinken ze ten slotte naar de bodem van de reactor.” Deze korrels kunnen op hun beurt gemakkelijk worden ontdaan van fosfaat. Dat fosfaat kan weer worden hergebruikt in de kunstmestindustrie.”

Waterschap Vallei en Veluwe nam in 2012 de eerste commerciële Nereda-installatie in gebruik in Epe. Vandaag de dag staan er 21 in Nederland. “Wereldwijd zo’n 140”, schat Van Loosdrecht. Hij vertelt dat de slibkorrels vijftig keer sneller bezinken dan de conventionele vlokken. “Hierdoor is er geen aparte bezinktank nodig. Dat scheelt veel ruimte en bouwkosten. Het slimme proces om de traag groeiende bacteriën in het keurslijf van de juiste processen te dwingen, scheelt ook enorm veel beluchtingsenergie en chemicaliën. Mijn credo is niet voor niets ‘goedkoper en beter’.”

Korrelslib

En er is meer mogelijk dan alleen de terugwinning van fosfaat. Uit het korrelslib is bijvoorbeeld een gel te maken die als coating kan dienen voor meststoffen en zaden. Dit laagje zorgt ervoor dat de meststoffen hun voedingsstoffen meer gedoseerd afgeven en zaden beter kiemen. Deze Kaumera-gel (kaumera betekent kameleon in Maori-taal) geldt als een circulair alternatief voor de nu gebruikte coatings op basis van olie. Daarnaast hoeven waterschappen minstens 20 procent minder slib af te voeren en te verbranden. Ook besparen ze meer dan 30 procent aan energie en stoten ze minder CO₂ uit. Allemaal goed nieuws voor de waterschappen.

De kameleon blijkt echter nog meer in huis te hebben. “Je moet de gel zien als tientallen verschillende bouwsteentjes die als kralen aan een lange ketting hangen”, zegt Van Loosdrecht. “Als we de gel mengen met klei en over een vers gestorte betonvloer sproeien, ontstaat er een plastic laagje. Hierdoor hardt het beton beter uit en vermindert de corrosie van de wapening.” Als het spul als coating wordt aangebracht op papier of karton wordt het waterafstotend. Gemengd met houtvezels of klei ontstaan er plasticachtige mengsels, waarmee onderzoekers garens trekken of vormen maken. “Het vat geen vlam en behoudt tot 180 graden Celsius zijn eigenschappen. Dit is uniek voor een plastic.”

Innovaties in de pijplijn

Aan de nieuwe ontwikkelingen komt nog lang geen einde, zegt Cora Uijterlinde, programmamanager afvalwatersystemen bij STOWA, het kennisinstituut van de waterschappen. “Er zitten nog veel meer combinatietechnieken in de pijplijn. Fysische technieken, zoals toepassing van slimme filters en bezinking. Maar ook chemische technieken met bijvoorbeeld ozon of uv-licht gaan steeds meer samen met biologische processen. Dat is nodig ook, want in het afvalwater zitten organische microverontreinigingen. Dit zijn slecht afbreekbare stoffen die niet meer worden geaccepteerd en die het waterleven schade berokkenen. Denk aan resten van medicijnen en stoffen als PFAS.”

Veel onderzoek valt onder het Innovatieprogramma Microverontreinigingen (IPMV) van het ministerie van Infrastructuur en Waterstaat. Kansrijk zijn bijvoorbeeld de proeven op een rioolwaterzuiveringsinstallatie in Emmen. Daar is met succes een filter in bedrijf met bacteriën, in combinatie met actief kool (denk aan Norit). “Actief kool, overigens vooralsnog van fossiele herkomst, gebruiken we al langer om verontreinigende deeltjes uit het water te halen”, legt Uijterlinde uit. Net als een koffiefilter raakt het kool echter op een gegeven moment vol en slaat het door. Het filtermateriaal wordt met veel energiegebruik geregenereerd. “Door de combinatie met bacteriën blijkt dit zuiveringsproces beter te verlopen en behoeft het filtermateriaal nauwelijks regeneratie.”

Een ander voorlopig veelbelovend proces is Caleyda, verwijzend naar ‘caleidoscoop’. Uit het bezonken slib van gewone, ouderwetse rioolwaterzuiveringsinstallaties weten bacteriën toch nog vetzuren te halen. “Ze zetten ze om in polyhydroxyalkanoaat (PHA), een stof die als bioplastic zijn nut bewijst en na gebruik volledig afbreekbaar is”, zegt Uijterlinde. Het afvalslib hoeft niet verbrand te worden, maar vindt zijn weg naar een nieuwe circulaire toepassing. Vijf waterschappen, STOWA en Paques Biomaterials werken samen aan dit concept. In 2027 hopen de partijen in Emmen een commerciële fabriek te openen.

Waterfabriek

Vijftien jaar geleden startten de waterschappen samen de ‘energiefabriek’. Het doel was meer energie uit afvalwater te halen (biogas). Later kwam daar de ‘grondstoffenfabriek’ bij. Doel van deze ‘fabriek’ is om bijvoorbeeld fosfaat terug te winnen en potentieel als vervanger van kunstmest in te zetten. Een voor de hand liggende circulaire stap was om ook toiletpapier uit afvalwater te zeven. De cellulosevezels worden hergebruikt in bijvoorbeeld de asfaltindustrie.

Vandaag de dag werken de waterschappen volop aan de ‘waterfabriek’. Het onderzoek borduurt voort op de ‘puur waterfabriek’ in Emmen. “Daar was van oudsher al zeer puur water nodig als proceswater voor de NAM in Schoonebeek”, aldus Uijterlinde. “Vooruitblikkend verwachten we dat het rioolwater extreem schoon kan worden. Als we nieuwe processen inzetten, de bacteriën nog meer naar onze hand weten te zetten en nog betere membranen als zeef ontwikkelen, kan het rioolwater zo schoon worden dat we het zelfs zouden kunnen drinken. Als dit meer wordt geaccepteerd en we het allemaal juridisch goed weten te verankeren in wet- en regelgeving, kan dit een enorme opsteker zijn voor onze watervoorziening en het dreigend tekort aan voldoende drinkwater.”

Door René Didde