Waardevolle stoffen uit afvalwater terugwinnen
Met dank aan bacteriën
in een waardevolle hulpbron
Elk jaar produceren we wereldwijd ongeveer 359 miljard kubieke meter afvalwater. De helft daarvan wordt weggegooid, terwijl de rest duur en inefficiënt wordt behandeld voor hergebruik. Met bacteriën zouden we deze hulpbronnen uit het riool kunnen terugwinnen, geld kunnen besparen en milieuschade kunnen verminderen. Dit blijkt uit een overzicht dat is gepubliceerd in Frontiers in Science. Het Vlaamse VITO werkt mee in het internationale onderzoeksteam dat bekijkt hoe bijzondere bacteriën die elektriciteit kunnen opwekken, kunnen helpen om waardevolle grondstoffen uit afvalwater te halen. Stoffen die nu gewoon met het water worden weggespoeld, zouden zo opnieuw gebruikt kunnen worden.
Duurzaamheidsdoelen
Afvalwater bevat waardevolle stoffen die nu vaak niet worden gebruikt. Als we die stoffen terugwinnen, kunnen we er de landbouw mee helpen, sanitaire voorzieningen wereldwijd verbeteren en zelfs energie opwekken voor de zuivering van het water zelf. Dat kan ons helpen om de duurzaamheidsdoelen van de Verenigde Naties te bereiken.
Afvalwater bevat organisch materiaal en voedingsstoffen afkomstig van dagelijks rioolwater uit o.a. toiletten, douches, en wasserijen, maar ook industrieel/commercieel water dat gebruikt is om te spoelen, te koelen of te reinigen. Een deel van het afvalwater komt uit voedingsgerelateerde stromen zoals keukens, restaurants of voedselverwerking.
"Wereldwijd bevat ons afvalwater meer dan 800.000 GWh aan chemische energie, wat overeenkomt met de jaarlijkse productie van 100 kerncentrales", zegt professor Uwe Schröder van de Universiteit van Greifswald in Duitsland. "Het is ook rijk aan voedingsstoffen die worden gebruikt in landbouwmeststoffen en die, als we ze zouden kunnen terugwinnen, 11% van de wereldwijde vraag naar ammoniak en ongeveer 7% van de vraag naar fosfaat zouden kunnen dekken."
Circulaire economie van energie en voedingsstoffen
Volgens de onderzoekers zijn microbiële elektrochemische technologieën (MET's) een efficiëntere manier om afvalwater te behandelen. Daarbij wordt gebruik gemaakt van microben die bekend staan als elektrogene bacteriën. Hoewel microben nu al worden gebruikt om afvalwater te behandelen door middel van anaërobe vergisting, zet deze aanpak slechts 28% van de chemische energie om in elektriciteit.
MET's zouden in dergelijke systemen kunnen worden geïntegreerd en deze kunnen verbeteren. Bacteriën brengen elektronen over naar hun omgeving, waardoor een elektrische stroom ontstaat wanneer ze worden aangesloten op elektroden in een brandstofcel. In laboratoriumomstandigheden kunnen ze tot 35% van de chemische energie van afvalwater omzetten in elektriciteit. De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat de opgewekte energie in principe zelfs zou kunnen helpen om de watersector zelf te laten draaien. Die is momenteel goed voor ongeveer 4% van het wereldwijde energieverbruik.
De microben kunnen ook helpen om voedingsstoffen uit afvalwater te halen, waardoor het wordt gereinigd voor verder gebruik. Nu nog worden deze belangrijke ingrediënten voor meststoffen meestal geproduceerd in energie-intensieve of niet-duurzame processen. Als we deze verbindingen uit afvalwater zouden kunnen verwijderen, dan krijgen we het dubbele voordeel dat waardevolle hulpbronnen worden teruggewonnen en de vervuiling vermindert. Het lozen van voedingsrijk afvalwater veroorzaakt immers algenbloei in waterwegen en is de oorzaak van sterfte bij vissen door zuursttoftekort.
"Dit zijn waardevolle chemicaliën die we niet zomaar kunnen weggooien. Het water dat overblijft, kunnen we bovendien op vele manieren hergebruiken. Denken we maar aan sproeiwater voor gewassen of koelwater in de industrie. We kunnen nog een stap verder gaan en het behandelen om drinkwater te produceren", aldus dr. Elizabeth Heidrich van de Universiteit van Newcastle.
Sanitaire voorzieningen
De onderzoekers stellen dat MET’s een aantrekkelijke oplossing bieden voor de 6de SDG van de VN: het waarborgen van de beschikbaarheid en het duurzame beheer van water en sanitaire voorzieningen voor iedereen. MET's zijn in proefprojecten efficiënt gebleken en bieden de mogelijkheid om meer water onder een groter aantal omstandigheden te behandelen.
Zo werd in 2015 een door urine aangedreven MET, Pee Power® genaamd, getest op het Glastonbury Festival, een van 's werelds grootste openluchtmuziekfestivals. Sindsdien is het systeem succesvol gebleken in langdurige veldproeven in Oeganda, Kenia en Zuid-Afrika. Het systeem zet afvalwater om in elektriciteit, waarmee de verlichting rond de toiletten wordt aangedreven om de veiligheidsrisico's in gebieden zonder elektriciteitsvoorziening te verminderen.
Impact
"De ontwikkeling van MET's in de afgelopen twintig jaar heeft ons van het begrijpen van de 'microbiële black box' naar het bouwen van modulaire, schaalbare systemen gebracht die een impact kunnen hebben op de echte wereld. We bevinden ons nu in een fase waarin deze technologieën technisch haalbaar zijn."
"De volgende stap is ervoor te zorgen dat ze economisch concurrerend zijn met traditionele behandelingsmethoden. Door MET's strategisch te integreren in onze bestaande infrastructuur, kunnen we het wereldwijde afvalwaterbeheer omvormen tot een zelfvoorzienende motor voor het terugwinnen van hulpbronnen", zegt dr. Deepak Pant van de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek (VITO) in België.
"Wereldwijd hebben ongeveer 3,5 miljard mensen geen toegang tot sanitaire voorzieningen. Uitbreiding van de afvalwaterzuivering zou de levensomstandigheden van veel van de armste mensen kunnen verbeteren en ecologische schade kunnen voorkomen. Microbiële elektrochemische technologieën zouden een lokale oplossing kunnen zijn om schadelijk rioolwater om te zetten in een waardevolle hulpbron", aldus prof. Ioannis Ieropoulos van de Universiteit van Southampton, die tevens directeur is van MET-C, dat de microbiële brandstofceltechnologie commercialiseert.
Obstakels overwinnen
Ondanks het potentieel is het de grote uitdaging om deze technologieën op grote schaal toe te passen. Strenge regelgevende kaders zijn vaak niet geschikt voor circulaire economieën die afval hergebruiken. In veel landen mag bijvoorbeeld meststof op basis van urine niet worden gebruikt voor het verbouwen van voedsel of veevoer. Er zijn ook technische obstakels om ervoor te zorgen dat de MET-materialen continu hoge prestaties blijven leveren.
"Hoewel het vergezocht is om onze huizen van stroom te voorzien met afvalwater, kunnen microbiële elektrochemische technologieën bestaande waterzuiveringsprocessen verbeteren. Een brede invoering van MET's zou vooral gunstig zijn voor zwaar vervuild afvalwater of op plaatsen waar de bestaande zuivering te duur is of niet iedereen bereikt", aldus prof. Falk Harnisch van het Helmholtz Centrum voor Milieuonderzoek in Duitsland.
