De waterschappen in Nederland beschouwen afvalwater niet langer alleen als een afvalproduct dat gezuiverd moet worden, maar ook als een bron van duurzame energie, grondstoffen en (schoon) water. Dit past geheel bij de op handen zijnde transitie naar een circulaire economie. Alle Nederlandse waterschappen, in totaal eenentwintig, werken hieraan binnen de netwerkorganisatie ‘Energie- en Grondstoffenfabriek’. Voor de ontwikkeling van de benodigde technologieën werken de waterschappen samen met vele universiteiten en kennisinstellingen.

De energiefabriek van Waterschap De Dommel in Tilburg. Deze bevat een Cambi-installatie voor voorbehandeling (5-10 bar, 100-200°C) van zuiveringsslib zodat het beter vergist, een reactor voor ammoniumverwijdering (Anammox) en een reactor voor terugwinning van fosfaat (struviet).

Waterschap De Dommel, Boxtel

Hoe het begon

In 2008 daagde de overkoepelende Unie van Waterschappen de Nederlandse Waterschappen uit om ‘fris en wild’ mee te denken over vernieuwende initiatieven binnen het project WaterWegen. De Waterschappen hadden de ambitie om zich in tien jaar tijd te ontwikkelen tot een sterke netwerkorganisatie die in staat is om innovatief te anticiperen op de uitdagingen van morgen.

De grote vraag was hoe de sector dit moest doen. Als winnend idee kwam het concept ‘de Energiefabriek’ naar voren. Met de Energiefabriek zouden de waterschappen in hun eigen energiebehoefte kunnen voorzien en wellicht ook energie gaan leveren.

Met de Energiefabriek wordt een rioolwaterzuiveringsinstallatie (rwzi) bedoeld die op basis van het binnenkomend rioolwater en eigen slibproductie evenveel energie opwekt als dat het zelf verbruikt om de installatie te laten draaien. Doordat de slibverwerking inmiddels gecentraliseerd is, gaat deze definitie niet meer op en komen vaak ook slibstromen van andere rwzi’s uit het gebied naar een centrale rwzi. Deze produceert dan meer energie dan nodig is op de desbetreffende rwzi om energieneutraal te zijn.

Groene stroom

Rioolwaterzuiveringen ontvangen grote hoeveelheden energie in de vorm van organische stof in het afvalwater. Het grootste gedeelte van deze organische stof wordt afgebroken tot CO₂ door oxidatie met zuurstof. Het resterende deel gaat naar de aanwas van micro-organismen die het zuiveringsproces katalyseren.

Door deze organische stof nu meteen aan het begin van het zuiveringsproces af te scheiden, kunnen micro-organismen dit direct omzetten in biogas. Het biogas kan vervolgens gebruikt worden voor de eigen elektriciteit- en warmtebehoefte op de rwzi, of het kan aan het elektriciteitsnet worden geleverd om auto’s op te laden of huishoudens van stroom te voorzien: groene stroom van het eigen waterschap.

Technisch is een energieneutrale rwzi realiseerbaar. De grootste uitdaging was echter om de Energiefabriek ook financieel aantrekkelijk te maken. Hiervoor is samenwerking met andere partijen in de omgeving gezocht. Dit waren vaak andere overheden, maar ook GFT-verwerkers en stortplaatsen die biogas opwekten, om samen het biogas op te waarderen tot aardgaskwaliteit.

In de Energiefabriek zitten vele bestaande en ook innovatieve technieken verborgen. Zo wordt om het slib goed te ontsluiten, ofwel de bacteriecellen open te breken, thermische drukhydrolyse toegepast. Hierdoor is er meer biomassa beschikbaar voor de gisting. Andere inzetbare technieken zijn preprecipitatie, hoogrendements-gisting en -opwekking van biogas met bijvoorbeeld brandstofcellen, indampen van slibstromen met restwarmte en superkritische slibvergassing.

Afhankelijk van de gekozen aaneenschakeling van deze verwerkingsprocessen zijn verschillende uitvoeringen van de Energiefabriek mogelijk. De combinatie van de gekozen technische mogelijkheden en de lokale situatie en bepalen uiteindelijk of het financieel haalbaar is. De waterschappen hebben ieder binnen hun eigen beheersgebied een rwzi-variant geselecteerd en doorgerekend. Hieruit bleek dat zowel technisch als financieel energieneutrale en ook energieleverende rwzi’s haalbaar zijn.

Naar energie- en grondstoffenfabriek

De tijd dat waterschappen alleen afvalwater zuiverden met oog op volksgezondheid is definitief voorbij. De focus ligt nu ook op het beschermen van het milieu, terugwinnen van energie en inmiddels het terugwinnen van grondstoffen. Hiermee zijn de waterschappen een belangrijke speler geworden in de transitie binnen de afvalwaterwereld. Zij kunnen een spil en aanjager zijn om veranderingen in gang te zetten.

De Nederlandse waterschappen hebben met het Energie- en grondstoffenconcept een koploperspositie, en dragen deze oplossing en technologieën internationaal uit. Het is niet de vraag of we circulair moeten gaan denken. Maar hoe we volledig circulair kunnen worden.

Hoe werkt de energiefabriek Tilburg? Dat zie je in dit filmpje.

Stroom uit afvalwater

Bij de vergisting van organische stof en verontreinigingen in afvalwater wordt methaangas (biogas) geproduceerd. Dit methaangas kan gebruikt worden voor verschillende energie-toepassingen, zoals verwarming of transport. Meestal wordt biogas net als aardgas gewoon in een energiecentrale verbrand om elektriciteit op te wekken. Hierbij gaat veel energie verloren in de vorm van warmte.

Dit kan een stuk efficiënter, dachten Wageningse milieuonderzoekers, door direct elektriciteit uit afvalwater te winnen met een microbiële brandstofcel. Een traditionele brandstofcel zet chemische energie direct om in elektrische energie, net zoals in een batterij gebeurt. Bij een microbiële brandstofcel hebben micro-organismen een cruciale rol en dienen als een soort katalysator voor het proces dat zich aan een van de elektroden afspeelt.

Schema van een microbiële brandstofcel. In de linkerhelft zetten bacteriën op de anode afvalstoffen uit het water, bijvoorbeeld acetaat, om in koolstofdioxide. Daarbij ontstaan elektronen die via een draad naar het andere compartiment stromen. Aan de kathode worden elektronen gebruikt om van zuurstof en de positieve waterstofatomen water te maken. De positieve waterstofatomen bewegen naar de rechterhelft om de negatieve lading van de elektronen te compenseren (ladingsneutraliteit).

Dr. ir. Annemiek ter Heijne, WUR

De bacteriën gebruiken het organisch materiaal in afvalwater als energiebron. Terwijl ze dit materiaal afbreken, komen er elektronen (e) en protonen (H⁺) vrij. Normaal zou de bacterie de elektronen aan zuurstof afgeven (aerobe ademhaling) om zo energie te produceren voor groei. Nu worden de elektronen voortijdig afgetapt door de elektrode waar de bacteriën tegen aan kleven.

Om de elektronen af te geven aan de elektrode moeten de micro-organisme in direct contact staan met het oppervlak. Zij vormen een biofilm op het elektrode-oppervlak. Als deze elektronen via een draad van de ene elektrode (anode) naar de andere elektrode (kathode) bewegen, ontstaat een elektrische stroom. Zo kun je dus direct een lamp laten branden op afvalwater zonder dat hiervoor chemicaliën en dure elektrodematerialen nodig zijn.

Foto van de proefopsteliing in het lab.

Sam Molenaar

Dit principe is een jaar of 15 geleden herontdekt, de eerste publicatie hierover is al meer dan 100 jaar oud, en het proces is nog volop in ontwikkeling. Onderzoekers van onder andere de Wageningen Universiteit en onderzoekinstituut Wetsus zijn bezig het ontwerp van de microbiële brandstofcel te verbeteren om zoveel mogelijk elektriciteit uit afvalwater te winnen.

Vooral de stap van kleine schaal (100 milliliter) naar grotere schaal zonder al te grote verliezen in efficiëntie, is een behoorlijke uitdaging. Het zal nog wel even duren voor we deze microbiële brandstofcellen in de praktijk zullen aantreffen. Het zal nooit een grootschalige energiefabriek worden, maar dit systeem zou wel een waterzuivering energieneutraal kunnen maken. Op dit moment is voor het zuiveren van afvalwater veel elektriciteit nodig voor de beluchting.

Annemiek ter Heijne

Lees het volgende artikel van het thema ‘Afvalwater’