Je leest:

Hoe vies water schone energie oplevert

Hoe vies water schone energie oplevert

Wetenschappers gebruiken bacteriën in afvalwater voor stroomproductie

Auteur: | 22 februari 2017

In Nederland werken zo’n 350 zuiveringsinstallaties de klok rond om ons rioolwater zo zuiver te krijgen dat het de rivieren en zee in mag. Aan de Universiteit Wageningen proberen wetenschappers de energie die daarvoor nodig is uit het afvalwater zelf te halen. Onze waterzuivering kan in theorie energieneutraal zijn.

Fris is het niet, maar alle rotzooi die we door de gootsteen spoelen, alles wat we door de wc trekken, maakt afvalwater een bijzonder rijk goedje. De aanwezige koolstofverbindingen, ammonia en fosfaat vormen een prima voedingsbodem voor bacteriën in het water. Laat die micro-organismen onder de juiste condities groeien en ze zuiveren het water vanzelf. Iets dat al ongeveer een halve eeuw de praktijk is in zuiveringsinstallaties.

Een belangrijk onderdeel van waterzuivering is het toevoegen van veel zuurstof. Dat bevordert de groei van bacteriën die afvalstoffen afbreken.

In principe jaagt een zuiveringsinstallatie een natuurlijk proces aan. Ook in de natuur groeien bacteriën op ‘afvalstoffen’. In de waterzuivering gaat het zuiveren veel sneller, en natuurlijk kost dit proces energie. Die komt nu gewoon uit het stroomnet.

Maar de bacteriën die we nu voor ons zuiveringskarretje spannen, kunnen op papier tegelijkertijd elektriciteit produceren. Aan de Universiteit Wageningen ontwikkelen wetenschappers een biobrandstofcel die water zuivert én stroom produceert. Voorlopig is het een klein model met een lage efficiëntie, met een grootschaligere aanpak kan theoretisch het hele waterzuiveringsproces op een dergelijk systeem draaien.

Bacteriën als werkpaard

We neme de zogenoemde Geobacter, een veelvoorkomende bacteriesoort in het oppervlakte- en afvalwater. Het produceren van stroom is iets wat dit micro-organisme onder normale omstandigheden in zekere zin ook doet. Althans, bij zijn stofwisseling komen geladen deeltjes vrij, zoals elektronen en protonen. Die spelen een belangrijke rol in de energieproductie voor de bacterie zelf.

De wetenschappers in Wageningen proberen deze geladen deeltjes voortijdig te ‘oogsten’ en ze te dirigeren tot een bruikbare stroom. “We maken een zogenoemde biobrandstofcel, waarin (afval)stoffen worden omgezet en we de ontstane elektronenstroom gebruiken”, zegt Annemiek ter Heijne, universitair docent milieutechnologie van de Universiteit Wageningen.

Zo’n brandstofcel is niet nieuw, er wordt al vijftien jaar mee geëxperimenteerd, maar het ontwerp dat Ter Heijne en collega’s gebruiken is wel radicaal anders. “Doorgaans bestaat een brandstofcel uit verschillende dicht op elkaar geplaatste platen waar de grondstoffen langslopen voor de chemische reacties”, zegt ze, maar ze wijst ook op de problemen die dat oplevert. Zoals grote hoeveelheden water die door smalle openingen gepompt worden en de slechte geleidbaarheid van afvalwater. Dat laatste staat een goede efficiëntie in de weg.

Zogenoemde actieve kool heeft ontelbare poriën aan het oppervlak. Door de geringe afmetingen, enkele tot enkele tientallen nanometer, kunnen de poriën kleine deeltjes ‘opslaan’.

Om die problemen te overkomen, werken Ter Heijne en collega’s nu aan een ander concept, waarbij de elektrodes – de plekken waar de chemische reacties plaatsvinden – geen met elkaar verbonden platen zijn, maar ‘draadloze’ korrels. Die zijn gemaakt van zogenoemde actieve kool en kunnen grote hoeveelheden geladen deeltjes opslaan die de bacteriën vrijmaken. Dat gebeurt in de ontelbare kleine poriën van de korrels. “Het idee is om het afvalwater eerst door een reservoir met korrels te laten stromen, die zoals het ware opladen. En ze vervolgens in een ander compartiment weer te ontladen, waarbij we de energie nuttig inzetten”, zegt Ter Heijne.

Er zijn verschillende voordelen ten opzichte van het ‘ouderwetse’ platenontwerp. Ten eerste hebben de korrels een groot oppervlak, dat betekent dat er meer ruimte is voor de bacteriën om op te groeien. De negatief geladen elektronen van de bacteriën vormen samen met positieve deeltjes (zoals kalium- of ammonia-ionen en protonen) uit het afvalwater een soort laag over het oppervlak van de korrel. Ander voordeel is dat het vrij makkelijk is om grote hoeveelheden water door een reservoir met korrels te pompen.

Als de korrels hun poriën vol hebben met elektronen, gaan ze naar een tweede ruimte voor ontlading. Dit gebeurt in een cel met twee compartimenten met ieder een elektrode. Eentje krijgt de korrels. De actieve kool kan daar de elektronen en positieve deeltjes loslaten. Terwijl de elektronen door een draad naar de andere elektrode (kathode, zie afbeelding) lopen, gaan de positieve deeltjes door een membraan: een barrière die alleen positieve deeltjes doorlaat. Aan de andere kant van de barrière, bij de andere elektrode, combineren de deeltjes samen met zuurstof tot water.

Schematische weergave biobrandstofcel die met behulp van bacteriën energie uit afvalwater onttrekt. De brandstofcel heeft twee delen. In het linker deel zetten bacteriën afvalstoffen uit het water (in dit geval acetaat) om in koolstofdioxide. Daarbij ontstaan positieve waterstofatomen en negatieve elektronen, die respectievelijk door een membraan en een draad naar een tweede compartiment stromen. Daar worden ze gebruikt om van zuurstof water te maken.
Annemiek ter Heijne/Wageningen University met toestemming

“Eigenlijk is deze reactie precies dezelfde als die in een waterzuiveringsinstallatie met bacteriën en zuurstof plaatsvindt”, zegt Ter Heijne. “Wat wij doen is het aftappen van energie uit de elektronenstroom. Die energie gaat normaal gesproken naar bacteriën voor de productie van ATP, de moleculen waar ze energie in opslaan. In ons systeem geven we de bacteriën net genoeg energie om te kunnen overleven, de rest gebruiken wij.”

Biogas uit afvalwater

Het besef dat er energie in afval en afvalwater zit, is zeker niet nieuw. Zo wordt er met het verbranden van afval stroom gegenereerd. Verder is het mogelijk om het overblijfsel van het zuiveringsproces te vergisten. Ook dat gebeurt al lang. Het zogenoemde slib, een mengsel van niet verteerde stoffen in het water én de dode bacteriën die het water hebben gezuiverd, kan door andere bacteriën worden afgebroken. Door dat onder zuurstofloze omstandigheden te doen, wordt er onder andere methaan geproduceerd, in feite aardgas.

Van vies water naar schone energie

De afgelopen jaren hebben Ter Heijne en collega’s een proefopstelling gebouwd en getest. Met die relatief kleine modelreactor – een à twee liter – is in ieder geval het principe gedemonstreerd. “Het op- en ontladen van de korrels actieve kool werkt op deze manier”, zegt ze. “Maar de efficiëntie is niet fantastisch. Niet meer dan je met bestaande biobrandstofcellen met platen haalt. Op papier kun je met onze opstelling echter een veel hogere efficiëntie halen.”

Een nieuwe opstelling die de wetenschappers nu bouwen moet beter presteren, doordat het groter is en er meer korrels rond kunnen gaan zonder dat het systeem verstopt raakt. Ook moet er uiteindelijk écht afvalwater door de opstelling stromen, in plaats van het surrogaat vieze water dat Ter Heijne en collega’s speciaal maken. Op basis van metingen aan enkele korrels rekent ze voor dat je uit een reactor van een liter theoretisch 30 watt aan stroom moet kunnen halen. “In de praktijk zal dat door verliezen een stuk lager liggen”, zegt ze.

Ter Heijne is enthousiast, maar wil de verwachtingen temperen. “We gaan hier het energieprobleem niet mee oplossen hoor”, zegt ze. “Daarvoor is het simpelweg te weinig energie. Maar het zou toch ontzettend mooi zijn als je hiermee het zuiveren van afvalwater energieneutraal kan maken.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 22 februari 2017

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink Agenda

NEMO Kennislink vertoont op deze plaats normaal gesproken wetenschappelijke activiteiten uit heel Nederland. Door de maatregelen tegen het nieuwe coronavirus zal daarvan een groot gedeelte worden afgelast. Omdat we geen achterhaalde informatie willen verspreiden, laten we voorlopig geen activiteiten zien.
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.