Mensen, dieren en planten hebben allemaal het element fosfor nodig om te kunnen leven. Zo bestaat het skelet van mens en dier uit calciumfosfaat, bevat ons DNA fosfor en speelt adenosinetrifosfaat (ATP) een centrale rol in de energievoorziening van ons lichaam. In de natuur komt fosfor vooral in de geoxideerde vorm voor, dus als fosfaat. Fosfaat is daarom een essentieel onderdeel van kunstmest.
Helaas gaat onze samenleving inefficiënt om met fosfaat waardoor wereldwijd slechts 20 procent van alle gewonnen fosfaat in ons voedsel terecht komt. Via onze ontlasting komt het fosfaat uit ons voedsel weer in het riool terecht. De verliezen van fosfaat in de landbouw en de emissies via het rioolwater eindigen in het oppervlaktewater waar het leidt tot eutrofiering en algenbloei.
Fosfaatverwijdering
De problemen met eutrofiering leidden in 1996 tot regelgeving die er voor zorgde dat de verwijdering van fosfaat en stikstof in rioolwaterzuiveringen toenam van 30-50 procent tot gemiddeld meer dan 80 procent in 2005. Om deze verbetering te bereiken investeerden de waterschappen in twee soorten maatregelen voor de verwijdering van fosfaat. Het meest eenvoudig is het toevoegen van ijzer- of aluminiumzouten die met het fosfaat reageren tot een onoplosbare neerslag. Fosfaat kan ook op een biologische manier worden verwijderd waarbij door afwisseling van anaerobe en aerobe omstandigheden de bacteriën worden gestimuleerd om fosfaat op te slaan. Veel zuiveringen combineren beide methoden.
In alle gevallen wordt het fosfaat met het zuiveringsslib afgevoerd. Omdat dit slib ook zware metalen bevat en er in de Nederland al een mestoverschot is, wordt dit slib niet meer gebruikt in de landbouw maar verbrand en komt het fosfaat in de as terecht. In Nederland verbranden twee slibverbranders samen iets meer dan de helft van alle zuiveringsslib. De as van deze verbranders wordt nu nog ingezet als vulstof voor de productie van asfalt of gebruikt voor het opvullen van oude zoutmijnen in Duitsland. Een ander deel van het slib wordt thermisch of biologisch gedroogd en dan meeverbrand in cementovens of kolencentrales. De slibas eindigt dan in cementproducten.
Kritische grondstof
De beschikbaarheid van fosfaaterts was nooit een punt van zorg en de prijs lag stabiel op 40 dollar per ton fosfaaterts. Eind 2007 veranderde dit plots en binnen enkele maanden vertienvoudigde de prijs van het erts. Door deze prijsexplosie ontstond het besef dat de ertsvoorraden niet oneindig zijn en onderzoekers suggereerden zelfs dat er al binnen 30 jaar onvoldoende voorraden zouden zijn.
Inmiddels is duidelijk dat er voor meer dan honderd jaar erts beschikbaar is, maar blijven er voldoende redenen over om fosfaat terug te winnen. De fosfaatreserves zijn namelijk in handen van een beperkt aantal landen, waarvan alleen al 77 procent in Marokko. Europa heeft zelf beperkte ertsvoorraden en is voor haar voedselproductie afhankelijk van de import van fosfaat. Daarom heeft de Europese Unie fosfaaterts op een lijst van kritische grondstoffen geplaatst.
Van verwijdering naar winning
De aandacht voor terugwinning van fosfaat uit rioolwater is hierdoor flink gegroeid. Er blijken dan ineens ook andere voordelen te zijn, zoals een lagere afvalproductie en minder onderhoud. Deze voordelen zijn een belangrijke drijfveer voor de winning van struviet uit rioolwaterzuiveringen waarop enkele waterschappen in Nederland zijn overgegaan.
Struviet (magnesiumammoniumfosfaat, MgNH4PO4·6H2O) is een verbinding die vaak leidde tot verstoppingen van pijpen en pompen in een rioolwaterzuivering. Dit is te voorkomen door het struviet op een gecontroleerde manier te laten ontstaan, en de kristallen af te scheiden door bezinking. Bovendien bleek dit de ontwaterbaarheid van het slib te verbeteren waardoor minder slib hoeft te worden afgevoerd. Struvietwinning is echter alleen geschikt voor zuiveringen die het fosfaat biologisch verwijderen en het terugwinrendement is beperkt tot 10-40 procent.
Fosfaat uit slibas
Een andere manier om fosfaat terug te winnen is via de as van de verbranding van het slib. Het fosfaatgehalte in deze as is met 8-10 procent vrij hoog, maar nog wel lager dan in fosfaaterts (13 procent). Bovendien bevat het ijzer- en aluminiumverbindingen die normaal niet in fosfaaterts zitten.
Toch is het mogelijk om het fosfaat via een zuurbehandeling te winnen op een manier die lijkt op de winning uit fosfaaterts. In 2019 start het bedrijf Ecophos in Duinkerken met de winning van fosfaat uit de as van de twee Nederlandse slibverwerkers en dan wordt bijna de helft van alle fosfaat uit het Nederlandse zuiveringsslib teruggewonnen.
Er is dus al veel mogelijk, maar nieuwe innovaties blijven gewenst. Onderzoek van Wetsus en TU Delft laat bijvoorbeeld zien dat als het slib genoeg ijzer bevat wel 80-90 procent van het fosfaat gebonden is in het mineraal vivianiet (ijzer(II)fosfaat, Fe3(PO4)2·8(H2O)). In vergelijking met struviet zijn dan hogere terugwinrendementen mogelijk.
Hoewel vivianietdeeltjes veel kleiner zijn dan struviet, laat laboratorium onderzoek zien dat het vivianiet met magneten is af te scheiden. Vivianiet werd vroeger door schilders als Rembrandt, Vermeer en Hals gebruikt voor de productie van blauwe verf en dit biedt nieuwe inspiratie voor het benutten van fosfaat uit rioolwaterzuiveringen.
Biologische fosfaatopslag
Voor biologische fosfaatverwijdering uit afvalwater is een bacterie nodig die fosfaat kan opslaan als het polymeer polyfosfaat. Dit is een unieke eigenschap. Deze bacterie heeft net als vele andere organismen voedsel en zuurstof nodig om te groeien en zich te vermeerderen. De zuurstof is nodig voor de energievoorziening, net zoals de mens zuurstof nodig heeft voor omzetting van voedingsstoffen in energie.
Wanneer er echter geen zuurstof is, kan deze bacterie Accumulibacter phosphatis nog steeds voedingsstoffen uit het afvalwater opnemen en opslaan. Hiervoor heeft hij een andere, zelfaangelegde energiebron in de vorm van het polymeer polyfosfaat tot zijn beschikking, een soort accu in de cel. Door dit polymeer af te breken in fosfaatmoleculen, kan de bacterie energie genereren om voedingsstoffen in de cel op te slaan als vetbolletjes bestaande uit polyhydroxyalkanoaat (PHA).
Wanneer het organisme een tijd later weer zuurstof krijgt, gebruikt het de opgeslagen vetten om te groeien. Tijdens die groei rijgt hij fosfaatmoleculen weer aan een tot polyfosfaat voor zuurstofloze tijden. Doordat de bacterien ook groeien, wordt er meer fosfaat vastgelegd in de cellen dan in eerste instantie was verbruikt. Er vindt dus een netto fosfaatverwijdering plaats.
Deze bacteriën kunnen we selectief in de afvalwaterzuivering ophopen door ze eerst zonder zuurstof met het afvalwater te mengen en daarna pas te beluchten. Wanneer het zuiveringsslib met daarin de fosfaatbacteriën uit de zuivering wordt gehaald, is daarmee gelijk het fosfaat verwijderd. In een aparte bak kunnen de bacteriën het fosfaat afgeven en is het fosfaat teruggewonnen voor hergebruik.
Mark van Loosdrecht