De Ultieme Waterfabriek: van rioolwater naar zuiver drinkwater

Voldoende zoetwater is zelfs in het waterrijke Nederland geen vanzelfsprekendheid meer. Bij de toenemende noodzaak om zuiniger en efficiënter om te gaan met de beschikbare bronnen, komen nu ook de rioolwaterzuiveringen in beeld. In een langjarig proefproject wordt de haalbaarheid onderzocht om het effluent als alternatieve, aanvullende bron voor drinkwater te benutten. De ultrapuurwaterfabriek in Emmen heeft alle benodigde zuiveringstechnologie al in huis.

De Ultieme Waterfabriek is een alliantie van veertien waterschappen, drinkwaterbedrijven en kennisinstituten die een onderzoeksproject zijn gestart naar de inzet van effluent van rioolwaterzuiveringsinstallaties (RWZI’s) als alternatieve, aanvullende bron voor drinkwaterproductie. Aan die onderzoeksvraag zitten meerdere kanten. Zo zal de wet- en regelgeving wellicht aangepast moeten worden, want het gebruik van gezuiverd rioolwater als bron van drinkwater is momenteel eenvoudigweg niet toegestaan. En er komt een stuk psychologie bij kijken, zegt strategisch adviseur Jelle Roorda. “Aan rioolwater als bron voor drinkwater was in Nederland nooit eerder gedacht. Dat kan toch niet, die vieze rotzooi! De klant zal het niet willen! Maar die gedachte is nooit onderbouwd. Om het denken te veranderen, moeten we alle partijen meekrijgen en alle vragen en bedenkingen feitelijk uitzoeken.” Roorda begon in 2020 met de conceptontwikkeling en voorbereiding. In december 2023 is het proefproject officieel van start gegaan en het zal vier jaar duren.

Opmerkelijk is wellicht dat de vraag of het technologisch mogelijk is van rioolwater honderd procent betrouwbaar drinkwater te maken eigenlijk al positief is beantwoord. De bestaande ultrapuurwaterfabriek van waterbedrijf Nieuwater in Nieuw-Amsterdam (Emmen) bewijst al vanaf 2010 dat het mogelijk is van rioolwater uiterst zuiver water te maken, al is dat nog geen drinkwater. De kleine demonstratie-installatie van De Ultieme Waterfabriek is dan ook gevestigd in deze hoogtechnologische waterfabriek, die voor het haalbaarheidsproject geldt als het ‘lokale lab’, naast een ‘nationaal lab’ en twee ‘regionale labs’.

Op de dag dat de onderzoeksgroep vergadert in het ‘nationaal lab’ mogen we mee op een rondleiding door de imposante ultrapuurwaterfabriek vol met installaties, vaten, cilinders, buizen, pompen en regelapparatuur. Vooraf geeft directeur Gerrit Veenendaal van Nieuwater een korte presentatie over zijn fabriek. De ultrapuurwaterfabriek is opgericht op een vraag van de NAM, die voor haar stoomketels en turbines behoefte had aan een substantiële, constante aanvoer van ultrapuur gedemineraliseerd water. Binnen het regionale waterstelsel lag het gebruik van grond- en oppervlaktewater als bron voor een dergelijke waterfabriek zowel ecologisch als uit oogpunt van schaarste heel lastig, vertelt Veenendaal. In de rioolwaterzuiveringsinstallatie (RWZI) van Emmen werd een geschikte alternatieve bron gevonden.

Ultra puur

Een RWZI zuivert rioolwater tot een niveau dat acceptabel is om het op het oppervlaktewater te lozen. De ultrapuurwaterfabriek gebruikt dit effluent als grondstof in een intensief zuiveringsproces met meerdere stappen, wat resulteert in zogenoemd ultrapuur water. De puurheid van water wordt uitgedrukt in µs/cm. Dat is een maat voor elektrische geleiding, die afneemt naarmate water minder opgeloste zouten (ionen) bevat. Ultrapuur water heeft een geleidingswaarde van minder dan 0,065 µs/cm. Voor Nederlands drinkwater geldt een gemiddelde waarde van 500 µs/cm – een enorm verschil. Zulk ultrapuur water als proceswater (waarvoor de norm <0,2 µs/cm is) voorkomt vervuiling en slijtage van industriële installaties. De fabriek van Nieuwater produceert per dag 8.200 kubieke meter ultrapuur water. In dit geval is de NAM de afnemer, maar als waterstofproductie een hoge vlucht gaat nemen zullen ook de grote elektrolyzers zich als klanten gaan melden en zijn er meer van deze fabrieken nodig.

Ultrapuur water heeft een geleidingswaarde van minder dan 0,065 µs/cm.”

Vier zuiveringsstappen

De eerste stap in het zuiveringsproces van de ultrapuurwaterfabriek is ultrafiltratie (UF). Het effluent wordt langs meerdere dikke gordijnen van dunne geperforeerde ‘rietjes’ geleid die het water opzuigen. Deeltjes blijven achter omdat ze niet door de uiterst kleine gaatjes (minder dan een duizendste millimeter) passen. “Zelfs virussen worden tegengehouden”, zegt Peter Wessels die als technisch projectleider aan De Ultieme Waterfabriek is verbonden. Veenendaal legt plastisch uit: “Af en toe blazen we even terug wanneer de rietjes verstopt raken, net zoals je met een smoothie doet.”

In een tweede stap wordt het water door een grote en kleinere koolfilter in grote vaten geleid. De biologisch actieve kool (BODAC) zuivert allerhande deeltjes uit. Op de kool groeien bacteriën die als een biofilter schadelijke stoffen omzetten.

De derde stap bestaat uit twee behandelingen met omgekeerde osmose (RO). Het water wordt hierbij onder druk door buizen met een dikke laag van opgerold membraan gevoerd. Opgeloste stoffen, waaronder ook zouten, blijven achter en het gezuiverde permeaat vervolgt zijn weg in het proces. In de ultrapuurwaterfabriek wordt in de eerste RO-doorloop 98% van de opgeloste stoffen uitgezuiverd; bij de tweede doorloop nog eens 98% van de resterende 2%.

“In het verleden had omgekeerde osmose als nadeel dat de membranen gevoelig waren voor bacteriegroei, zogeheten biofouling, waardoor ze vaak gereinigd of vervangen moesten worden”, legt Veenendaal uit. “Met BODAC als voorafgaande stap blijven de membranen heel schoon.” De koolfilters van de ultrapuurwaterfabriek gaan al veertien jaar mee zonder externe schoonmaak: de bacteriefilm wordt gekoesterd.

De koolfilters van de ultrapuurwaterfabriek gaan al veertien jaar mee.”

De laatste, vierde stap is elektro-deïonisatie (EDI). In deze installatie worden de laatste zouten verwijderd door het water langs ionenwisselaars (speciale harsen) en negatief en positief geladen membranen te leiden. Zouten vallen uiteen doordat de positieve en negatieve ionen (bijvoorbeeld Na⁺ en Cl^–) uit elkaar worden getrokken en worden uitgewisseld tegen H⁺ en OH^– ionen. “Na deze laatste stap zit er in het water niets aantoonbaars meer”, zegt de fabrieksdirecteur.

Alle reststromen uit deze vier zuiveringsstappen worden in principe teruggevoerd naar de naastgelegen RWZI. Voor dit zuiveringsproces in vier stappen beschikt de fabriek van Nieuwater over vijf gelijkwaardige zuiveringsstraten. Aan RO-membranen heb je het dan in totaal over 40.000 vierkante meter.

Biologisch actieve kool

BODAC is een bijzonder belangrijke stap in het proces. In 2018 werd in de ultrapuurwaterfabriek min of meer toevallig ontdekt dat de biologisch actieve kool ook medicijnresten uit het water haalt. De bacteriën op de kool ‘eten’ de medicijnresten op. Proeven toonden aan dat 80% tot 91% van zeven ‘gidsstoffen’ (metoprolol, clarithromycin, diclofenac, hydrochlorothiazide, propanolol, sotalol en trimethprim) uit het water worden gezuiverd. BODAC is kortom een geweldige vondst met grote betekenis voor de rioolwaterzuivering. Rioolwater maar ook oppervlaktewater blijkt steeds sterker met medicijnresten vervuild. “RO zuivert ook medicijnen uit, maar onze biologisch actieve kool levert een extra bijdrage”, legt Veenendaal uit. “Daarnaast zorgt het ervoor dat de RO-membranen schoon blijven.”

Nieuwater is bezig BODAC in de markt te zetten en heeft inmiddels aan twee partijen ‘beladen’ kool geleverd voor een proefproject. “Beladen kool is kool die al jaren in onze fabriek in gebruik is en waarop dus veel bacteriën zitten die de ongewenste stoffen omzetten.”

Zuivering met actieve kool gebeurt ook al heel lang in de reguliere drinkwaterproductie met oppervlaktewater als bron, tekent Roorda aan. “Een belangrijk verschil is dat daar de kool na een jaar wordt geregenereerd. Het wordt bij hoge temperatuur gereinigd en komt dan schoon weer terug voor hergebruik. De kool in de ultrapuurwaterfabriek is in veertien jaar tijd nooit geregenereerd. Juist doordat de bacteriefilm niet wordt vernietigd, behoudt hij zijn reinigende werking. Rioolwater bevat natuurlijk veel meer voedingsstoffen dan oppervlaktewater. En op dat voedsel gedijen die nuttige bacteriën.”

Bijna zonder chemicaliën

Opmerkelijk aspect is ten slotte dat de productie van ultrapuur water bij Nieuwater vrijwel zonder chemicaliën gebeurt. “Alleen om neerslagen te voorkomen voegen we soms een klein beetje anti-scaling middel toe”, zegt Veenendaal. Elders op de wereld, met name in enkele tropische landen, wordt rioolwatereffluent al benut voor drinkwaterproductie. “Maar daarbij wordt altijd chloor gebruikt”, zegt Wessels. Roorda weet dat in België ook zo’n fabriek staat. “Ook daar is chloor een onderdeel in de zuivering.”

Enkele verschillen

Technologisch levert de ultrapuurwaterfabriek het bijna kant-en-klare model voor De Ultieme Waterfabriek. Er zijn enkele verschillen. De EDI-stap is niet nodig, zegt Veenendaal, want voor drinkwater is zo’n ultra-intensieve ontzouting overbodig. Twee processen moeten worden toegevoegd. In de eerste plaats remineralisatie: het toevoegen van calcium. Dit gebeurt door het water door een vat met marmerkorrels te voeren. “Maar dat doen we bij de gewone drinkwaterproductie soms ook”, aldus Wessels. “Verder belucht je voor een goede pH, dat is allemaal standaard. En aan het eind vindt hier, voor alle zekerheid, nog desinfectie plaats met UV-bestraling.”

Je kunt theoretisch best de vraag opwerpen of het proces van ultrapuur water uit RWZI-effluent niet schoner drinkwater oplevert dan noodzakelijk is, zegt Wessels. “Misschien is een tweede RO-ronde niet nodig. Maar voorlopig gaan wij met De Ultieme Waterfabriek helemaal niet tornen aan de technologische opzet. Dit is bewezen technologie en daar willen met dit demonstratieproject geen discussie over voeren. In de drinkwaterwereld geldt: hoe zorgen we voor absolute betrouwbaarheid van ons product. Je kunt je geen enkel risico veroorloven. Dan kies je graag in eerste instantie voor wat robuuster dan misschien nodig is.” Optimaliseren uit kostenoverwegingen is al evenmin aan de orde. “Laten we wel wezen, drinkwater is in Nederland al goedkoop. Voor duizend liter betaal je twee euro en daarvoor wordt het netjes thuis afgeleverd. Optimalisatie is iets voor later.”

Optimalisatie is iets voor later”.

Wel is het zo dat je met bestaande techniek ook nog keuzes kunt maken, nuanceert Wessels. “Met omgekeerde osmose bijvoorbeeld kun je tot het uiterste gaan en met maximale druk werken. Op 100 liter water win je dan 80 liter permeaat en hou je 20 liter reststroom over. Maar dan moet je scaling, kristalvorming, wel tegengaan met een chemisch middel. Je kunt ook kiezen voor een lagere opbrengst met 60 liter permeaat en zonder veel anti-scaling middelen.”

Brandschoon

Proefproject De Ultieme Waterfabriek duurt vier jaar. Dat lijkt lang, in aanmerking nemend dat de technologie er al is. Roorda: “Maar we hebben al een vol jaar nodig aan intensieve monitoring en we moeten eerst nog bepalen hoe die monitoring er precies uit moet zien. Verder nemen we ruim de tijd voor de regionale labs die de inpassing in de regionale situatie gaan bekijken. Er zijn grote verschillen in bodemgesteldheid en waterstelsels. Als je rioolwaterzuiveringseffluent niet meer loost op het oppervlaktewater, wat voor invloed heeft dat op het plaatselijke waterstelsel? Verder moeten we in ons zogenoemde nationale lab nadenken en met verantwoordelijke overheden praten over de wijziging van de wet- en regelgeving, dat traject kan ook wel een paar jaar duren. Het Ministerie van Infrastructuur en Milieu, het RIVM en de Inspectie Leefomgeving en Transport kijken daarin met ons mee.”

Bij de rondleiding door de ultrapuurwaterfabriek valt op hoe ordelijk en brandschoon het er allemaal uitziet. Vaten, buizen en installaties blinken, nergens een roestplek, olievlek of vuiltje te bekennen. Waterproductie zit duidelijk onder een streng regime van hygiëne. De relatief kleine demonstratie-installatie van De Ultieme Waterfabriek (die toch nog 5.000 liter per uur produceert) bevindt zich in de fabriek achter een groot billboard waarop het productieproces en de inrichting van het proefproject schematisch worden weergegeven. Rechtsonder loopt een straaltje kraakhelder water uit een kraantje. Je zou niet zeggen dat dit sprankelende straaltje ooit is begonnen als een troebel en onwelriekend effluent. Maar al ziet het er nog zo betrouwbaar uit, even proeven is helaas nog niet toegestaan. Wessels: “We moeten dit toch echt eerst heel intensief gaan monitoren en evalueren om aan het bevoegd gezag aan te tonen dat effluent ook echt een bron voor drinkwaterproductie kan zijn.”