De kringloopeconomie

Er is een grote verandering gaande in het denken over afval- en afvalwaterstromen. In de transitie naar een circulaire economie, wordt afvalwater steeds meer als grondstof behandeld. Dat dit legio mogelijkheden biedt, laten de waterschappen en bedrijven, in samenwerking met milieutechnologen, zien.

12 juni 2018

Het natuurlijke systeem van onze planeet is gebaseerd op kringlopen van essentiële chemische elementen benodigd voor het leven, zoals koolstof, stikstof en fosfor, en van water. Planten en algen gebruiken de energie uit zonlicht om op te groeien. Daarbij gebruiken ze koolstofdioxide en stikstofgas uit de lucht en fosfaat en ammonium uit de bodem als bouwstenen.

De gevormde planten en algen worden gegeten door dieren. Die gebruiken het als energievoorziening en halen er bouwstenen uit om zelf te groeien. Nadat planten en dieren zijn gestorven, zorgen micro-organismen ervoor dat al dit biologisch materiaal weer wordt omgezet in de oorspronkelijke bouwstenen. Voor deze micro-organismen is het afval in feite voedsel. Dit is de voedselkringloop op aarde.

Waterkringloop

Water vormt op aarde ook een kringloop. In onze oceanen verdampt een heleboel water, dat zich ophoopt in wolken. Op deze manier wordt in feite met zonne-energie zeer schoon water geproduceerd en zouten blijven achter in de oceaan. Als regen komt het water op het land terecht waardoor planten kunnen groeien en als voedsel dienen voor de dieren. Zouten en andere componenten die langzaam in het water oplossen worden uiteindelijk via de rivieren weer naar de zee getransporteerd. Dit is de waterkringloop op aarde.

Mensen vormen een onderdeel van het natuurlijk ecosysteem op aarde, en maken daarmee onderdeel uit van bovenstaande kringlopen. Zolang mensen verspreid in kleine gemeenschappen leven is er geen probleem, maar wanneer grote groepen mensen samen gaan wonen, is het vermogen van het natuurlijke ecosysteem om de kringlopen op voldoende snelheid te laten draaien te beperkt. Dat is als eerste waar te nemen aan vervuild oppervlaktewater waar we onze afvalstoffen met (spoel)water lozen.

Groei wereldbevolking door de eeuwen heen.
Sittrop Grafisch Realisatie Bureau, Nijmegen

Drinkwater- en natuurbescherming

Afvalwaterzuivering is in feite niets anders dan het natuurlijke omzettingsproces van afvalstoffen, maar dan sterk versneld. In een zuiveringsreactor kan een hoog gehalte aan bacteriën worden bereikt en voldoende zuurstof worden toegevoerd. De bacteriën groeien op de afvalstoffen in het water en nadat de gevormde bacteriemassa (actief slib) van het gereinigde water is gescheiden, kan het schone water terug de natuur in. Hiermee is afvalwaterzuivering altijd al een technologie geweest die bijdraagt aan hergebruik en de kringloopeconomie.

Ooit begon men met afvalwaterzuivering om drinkwaterbronnen te beschermen. Een stad stroomafwaarts aan een rivier wil ook graag uit schoon water drinkwater maken. Sinds de jaren 70 van de vorige eeuw is daar de doelstelling van natuurbescherming bijgekomen. De zeer grote groei van de bevolking maakt het nodig om de kringloop van water en stoffen zoveel mogelijk binnen de menselijke samenleving plaats te laten vinden. Dat betekent dat water direct hergebruikt kan worden om drinkwater te produceren of landbouw te bedrijven. Maar ook dat alle stoffen in het water zoals stikstof en fosfaat, maar bijvoorbeeld ook het cellulose van toiletpapier, terug te winnen zijn.

Wat gebeurt er met wc-papier in het afvalwater?

Het recycling-symbool waarin de elementen lucht, water en land zijn verwerkt. — Met de specifieke enzymen van de CRISPR/Cas9-technologie kan tegenwordig zeer nauwkerig in genen worden geknipt en geplakt.
Dreamstime

Nieuw afval

Daarnaast wordt in de afvalwaterzuivering weer nieuw afval geproduceerd. De bacteriën die op het afval groeien blijven uiteindelijk over als slib. Dit zou goed bruikbaar zijn in de landbouw als bemesting of bodemverbeteraar maar vanwege mogelijk besmettingsgevaar (ziekten) en vervuiling met zware metalen gebeurt dat niet meer. Nu wordt het slib nog vaak verbrand, hoewel er componenten in zitten die we kunnen hergebruiken. Dit hergebruik is wat we circulaire economie noemen of de grondstoffencyclus.

De mogelijkheden voor hergebruik zijn momenteel onderwerp van onderzoek en ontwikkeling bij universiteiten, bedrijven en de waterschappen. De waterschappen hebben hun krachten gebundeld op dit vlak in de zogenaamde energie en grondstoffenfabriek.

Het organische materiaal in het afvalwater is op twee manieren te hergebruiken: als grondstof voor nieuwe producten of als energiebron. Momenteel wordt meestal energie geproduceerd. Dat gebeurt in de anaerobe afvalwaterzuivering waar het organische koolstof wordt omgezet in biogas (methaan). Op de lange duur is dit echter onwenselijk.

Productie van organisch materiaal (in feite de landbouw) kost veel energie en ook grondstoffen, en met de geproduceerde materialen moeten we zo lang mogelijk omgaan. Daarnaast zijn er vele duurzame energiebronnen, terwijl voor chemicaliën alleen olie als (ongewenst) alternatief voorhanden is. Probleem tot op heden is dat afvalwater honderden verschillende verbindingen bevat.

Bacteriën aan zet

Nieuwe inzichten in de microbiële ecologie maken duidelijk hoe bacteriën bepaalde verbindingen gebruiken om te overleven of de strijd om het voedsel van andere bacteriën te winnen. Zo maken bacteriën gebruik van een soort van vetopslag om periodes met weinig voedsel te overleven. Dit bacteriële vet is eigenlijk een soort plastic. Door een systeem te ontwikkelen waar regelmatig hongerperiodes voor de bacteriën voorkomen, kunnen we bacteriën veel van dit bioplastic laten maken.

Bacteriën moeten zich beschermen en maken daarvoor vaak een kapsel waarbinnen ze groeien. Dat kapsel is een biopolymeer met gelerende eigenschappen zoals gelatine. Ook deze verbindingen kunnen we produceren op basis van afvalwater. Bacteriën kunnen water ook eerst verzuren waardoor alle koolstofverbindingen worden omgezet in azijnzuur of melkzuur. Daarop kunnen weer andere bacteriën groeien en deze stoffen omzetten in vetzuren. Zo zijn er nog veel meer mogelijkheden die momenteel worden onderzocht.

Dit artikel is een publicatie van Stichting Biowetenschappen en Maatschappij