Door de met een internationale prijs bekroonde vinding van Wetsus en TU Delft c.s. is de grondstoffen- en energiefabriek voor RWZI’s een stapje naderbij gekomen. In pilots en demonstratieprojecten gaan ze vivianiet, een ijzerfosfaatmineraal, uit de slibstroom halen. ‘We slaan twee vliegen in één klap: minder onderhoud en terugwinning van een waardevolle grondstof’, zegt Saskia Hanneman, innovator bij WBL (Waterschapbedrijf Limburg).
Door Tseard Zoethout
Meer dan een decennium zijn waterschappen, de oudste democratische instituties in ons staatsbestel, bezig met ‘de energiefabriek’, opgeschaald tot ‘energie- en grondstoffenfabriek’ (EFGF). Door groei van de bevolking, en vervuiling is waterzuivering bij RWZI’s (rioolwaterzuiveringinstallaties) in ons land steeds belangrijker geworden. De meeste kosten komen voor rekening van slibbehandeling en beluchting van rioolwater.
Grondstof of energie?
‘Toen we in 2009 begonnen’, zegt Ferdinand Kiestra, innovatietechnoloog bij waterschap Aa en Maas, ‘waren we vooral bezig met labonderzoek en testen. Nu is ons netwerk uitgebreider geworden en zijn er meerdere full-scale installaties voor grondstofwinning, met name van struviet, een kristalvormige stof waarin magnesium, stikstof en fosfaat zit. Van recenter datum zijn biopolymeren Caleyda en Kaumera. Caleyda kunnen we vanuit het rioolwater produceren, dan zuiveren en als duurzaam alternatief voor plastics inzetten. Voordeel is dat deze biopolymeren, in tegenstelling tot reguliere plastics, wel in de natuur worden afgebroken.’
Kiestra licht daarna het andere polymeer toe. ‘Winning van Kaumera komt voort uit de Nereda technologie, een biologisch proces in het hart van de RWZI. Rond de korrelvormige bacteriemassa ontstaat een alginaatachtig polymeer dat we kunnen oogsten en opwerken. De RWZI in Zutphen, van waterschap Rijn en IJssel, had in 2019 de primeur. Eind 2020 volgde waterschap Vallei en Veluwe met een tweede installatie.’
Volgens de innovator spitst de huidige discussie zich toe op conversie van de organische fractie in het rioolwater. Kiestra: ‘gebruiken we dat voor de productie van energie of voor grondstoffen als biopolymeren? Steeds meer RWZI’s werken energieneutraal: waar we tien jaar geleden slechts tachtig miljoen kuub biogas wonnen, halen we nu ruim 140 miljoen kuub. Er ligt een potentieel tot wel 180 miljoen kuub biogas.’
Vivianiet: de duivelssteen
Behalve biopolymeren zetten de waterschappen al sinds jaar en dag in op winning van fosfaat uit struviet. Fosfaat is een eindige grondstof en in 2014 door de EU tot kritische grondstof uitgeroepen omdat het niet alleen van cruciaal economisch belang is maar ook moet worden geïmporteerd (slechts 15 procent komt in Finland voor. red.). Dankzij het innovatieve scheidingsproces van Wetsus c.s. kunnen waterschappen straks een veel groter percentage fosfaat dan struviet recupereren. Het halffabricaat? Vivianiet, een paramagnetisch mineraal dat ook in het slib voorkomt. Eind november 2022 wonnen ze er de Silver Award van de International Water Association (IWA) mee.
‘Op wereldschaal is dit een belangrijke uitvinding’, zegt ir. Leon Korving, wetenschappelijk manager bij Wetsus en coördinator fosfaatonderzoek. ‘Grof gezegd kunnen RWZI’s fosfaten op twee manieren verwijderen: via biologische behandeling – waarbij struviet vrijkomt – of door toevoeging van ijzerzouten waardoor fosfaat neerslaat als een ijzerfosfaatverbinding. Met struviet is al een aantal waterzuiveringen bezig maar dat blijkt slechts voldoende voor tien tot vijftig procent fosfaat. Vervolgens vroegen we ons af in hoe het fosfaat nu precies bindt met ijzer en kwamen uit op vivianiet, een mineraal dat 28 procent fosfaat bevat (in de vorm van P2O5). Onder oxidatie verandert vivianiet van diepblauw in zwart, reden waarom het als ‘de duivelssteen’ bekend staat: indertijd dacht men dat vivianiet negatieve energie uit de ruimte opnam. Rembrandt, Vermeer, Albert Cuyp en andere oude meesters gebruikten het als pigment voor hun schilderijen, indianen beschilderden er hun maskers mee.’
‘Er was echter één probleem’, vervolgt hij, ‘vivianiet heeft een twee tot drie keer kleinere diameter dan struviet. Hoe haal je dat na vergisting als één ijzerfosfaatverbinding uit het slib? Omdat we wisten dat het mineraal paramagnetisch is, kwamen we in 2018 in contact met professor Peter Rem, hoogleraar Resources & Recycling aan de TU Delft. Die had al enige ervaring opgedaan met de inzet van magneten voor scheiding van ertsen in de mijnbouw. Op labschaal konden we inderdaad een ‘proof of principle’ voor zuiveringsslib aantonen.’
Daarna ging het snel. Waterschap Brabantse Delta startte een eerste pilot met de kleinst beschikbare industriële magneetinstallatie op één kuub per uur slibstroom. Tachtig procent van het vivianiet viel terug te winnen. Nu worden door het Finse Kemira – dat als partner van Wetsus het patent heeft overgenomen – proefinstallaties in Duitsland en Denemarken getest. Deze zomer zal Waterbedrijf Limburg dat ook doen.
‘De volgende stap’, licht Korving toe, ‘is om te bewijzen dat we vivianiet uit andere slibstromen kunnen terugwinnen. Op de korte termijn liggen er kansen als ijzerkunstmest voor planten die last hebben van ijzertekort als aardbeien, olijven, wijnranken en citrus. Voor de langere termijn zien we mogelijkheden als toepassing in ijzerfosfaatbatterijen. Dat laatste traject zit echter nog in een vroeg stadium’, aldus Korving.
Naar een business case
Waterschappen als Brabantse Delta en WBL hadden al snel de voordelen van het scheidingsproces in de gaten. ‘Eind 2019 waren er problemen met ijzerchloride voor de fosfaatverwijdering op onze RWZI’s’, zegt Saskia Hanneman, innovatietechnoloog bij WBL (Waterschapsbedrijf Limburg). ‘Tegelijkertijd liep het onderzoek bij Wetsus. Wij hebben toen contact met Leon’s team opgenomen hoe we aanslag op onze leidingen en installaties konden verminderen of voorkomen. Bij een onderzoek aan het slib van de RWZI in Hoensbroek zagen we al snel resultaten. Met dit scheidingsproces slaan we twee vliegen in één klap: minder onderhoud en terugwinning van een waardevolle grondstof, belangrijk voor circulariteit.’
Volgens haar betekent dat echter niet dat winning een gelopen race is. ‘De vorming van vivianiet heeft WBL met chemicaliën in het lab nagebootst,’ zegt Saskia. ‘Waarschijnlijk moeten we de verblijftijd in een extra tank met vier tot vijf dagen verlengen. Dat is geen probleem en betrekkelijk simpel te realiseren: we krijgen een beter product, minder slibstroom en hoeven minder leidingen en installaties voortijdig te vervangen. Alleen al minder onderhoud zou het een positieve business case kunnen opleveren. Verder is het de vraag in hoeverre vergisting de winning kan versterken. Dat gaan we aan het eind van het jaar testen in een pilot, bijvoorbeeld op de RWZI te Hoensbroek of Limmel.’
Vermarketing
Aantonen dat de technologie werkt is één ding, vermarkting is een andere zaak. Nieuwe producten als vivianiet moeten zich immers ook en vooral in de markt bewijzen. Daar houdt ir. Jouke Boorsma van Aquaminerals zich mee bezig. In 1995 werd Aquaminerals opgericht als de reststoffenunie voor de drinkwaterbedrijven, sinds 2018 hebben zich ook steeds meer zijn waterschappen aangesloten.
‘We willen reststromen op een hoogwaardige manier gebruiken’, zegt hij, ‘bij voorkeur in de waterketen. Je kan denken aan CO2 terugwinning en dat gebruiken voor pH correctie bij drinkwaterbedrijven of aan toevoeging van waterijzer in de gisting ter bestrijding van zwavel. Voor een goede verwaarding van reststromen moet er wel een tandje bij: voor struviet duurde het ruim zes jaar voordat die stof niet als afval maar als grondstof werd aangemerkt. Met het huidige tempo en case-by-case beoordelingen gaan we ‘Nederland circulair in 2050’ echt niet halen. En vivianiet is pas vrijgekomen in diverse pilots.’
Boorsma schetst een aantal opties voor het mineraal (met als chemische formule Fe3(PO4)2.8(H2O). ‘Je kan vivianiet rechtstreeks toepassen in de landbouw, het splitsen om er fosfaat uit te halen of vivianiet als vervanger van kobalt in pigmenten gebruiken. Waterschap Brabantse Delta heeft net een aanvraag voor een demonstratieproject ingediend. Hoensbroek is daar een pilot van. Zonder subsidie wordt het moeilijk. Dat is mede afhankelijk van de waterschapverkiezingen. De uitslag horen we volgende maand, in ieder geval voor het eind van de lente.’
