Je leest:

Innoveren onder hoge druk

Innoveren onder hoge druk

Auteurs: en | 12 juni 2018
iStockphoto

Toen het Delftse biotech bedrijf Gist-brocades te horen kreeg dat de heffing voor het lozen van afvalwater onbetaalbaar werd, ontwikkelde het een nieuwe zuiveringstechnologie. Het basisidee was een hoge reactor met een klein grondoppervlak en biofilms op een zandkorrelbed voor een hoge concentratie actieve biomassa. Het bedrijf moest deze technologie binnen vijf jaar op grote schaal kunnen toepassen.

Het was omstreeks 1979 dat het biotech bedrijf Gist-brocades in Delft te horen kreeg dat de lozing van haar afvalwater op de Noordzee zou worden belast. Dit was een gevolg van de Wet Verontreiniging Oppervlaktewateren, waardoor jaarlijks een heffing van 30 gulden per inwonersequivalent betaald moest worden. Aangezien de lozing overeenkwam met 800.000 inwonersequivalenten, betekende dit een bedrag van 24 miljoen gulden per jaar.

Het bedrijf was al wel begonnen met onderzoek en investeringen om de afvalwaterproductie van de fabriek te verminderen, maar al snel werd duidelijk dat de jaarwinst zou verdampen vanwege de kosten van de geschatte restlozing. Hiermee stond het voortbestaan van de firma, en dus de werkgelegenheid, op het spel.

Netwerk met daadkracht

Voor het crisisoverleg op het hoofdkantoor in Delft op 12 maart 1980 riep voorzitter Eppie ter Horst van de Raad van Bestuur van Gist-brocades enkele cruciale personen voor het voortbestaan bijeen: de ministers Van Aardenne van Economische Zaken en Ginjaar van Volksgezondheid en Milieuhygiëne, Tweede Kamerlid Reinier Braams en Ronald Waterman lid Provinciale Staten Zuid-Holland en verantwoordelijk voor milieu, infrastructuur, economie, ruimtelijke ordening.

Naast de bestuurlijke functies werd dit vierkoppige gezelschap gekenmerkt door hun wetenschappelijk achtergrond in de scheikunde en fysica, iets wat mogelijk bijdroeg aan de daadkrachtige aanpak van het probleem. Tijdens dit voor Delft legendarisch overleg werd op voorstel van Waterman een plan geformuleerd om in vijf jaar niet alleen een nieuwe biologische zuiveringstechnologie te ontwikkelen, maar deze ook op grote schaal operationeel te hebben. De beide ministeries zorgden voor een substantiële financiële bijdrage voor de onderzoekskosten en een 5-jarige ontheffing van de lozingsheffing.

Omdat op de productielocatie in Delft geen ruimte was voor de bestaande open, beluchte actiefslibinstallaties ging Gist-brocades aan de slag om een innovatieve zuiveringstechnologie te ontwikkelen. Wetenschappelijk adviezen werden geleverd door de universiteiten Delft (hoogleraar microbiologie Gijs Kuenen en hoogleraar biotechnologie Nico Kossen) en Wageningen (hoogleraar milieutechnologie Gatze Lettinga).

Het basisidee was een hoge reactor met een klein grondoppervlak en biofilms op een zandkorrelbed voor een hoge concentratie actieve biomassa. Gist-brocades moest deze technologie binnen 5 jaar op grote schaal toepassen voor het afvalwater van haar fabrieken. De technologie zou daarna vercommercialiseerd kunnen worden, om (een deel van) de investering weer terug te verdienen.

3 06
Het gezichtsbepalende beeld van de afvalwaterzuiveringstorens van DSM (voorheen Gist-brocades) in Delft.
ANP Photo, Rijswijk

De gouden driehoek

Alhoewel vijf jaar om van idee naar industriële implementatie van twee nieuwe processen te komen extreem kort was, werd dit plan een groot succes. Daarvoor zijn drie redenen aan te wijzen. Ten eerste was mislukken, waardoor de productielocatie in Delft zou moeten sluiten, geen optie. Dit genereerde veel druk, maar ook draadkracht bij de onderzoekers en managers.

Ten tweede was de samenwerking tussen het bedrijf Gist-brocades, de universiteiten en de overheid – de gouden driehoek – voorbeeldig te noemen. Tot slot kreeg een zeer betrokken projectteam met besluitvaardige leiders en vele innovatieve onderzoekers de ruimte hun ideeën vorm te geven.

Door de productieprocessen efficiënter te maken kon Gist-brocades al een vermindering van 500.000 inwonersequivalenten realiseren. Het in bedrijf nemen van de nieuwe zuiveringsinstallatie leidde tot een verdere reductie tot 50.000 inwonersequivalenten. De resterende heffing van 1,5 miljoen gulden, was haalbaar voor het bedrijf.

Voor de hoofdrolspelers was het een groot avontuur. In de periode 1984-1985 zijn vier 21 meter hoge fluïde bedreactoren van 300 m3 met biofilms op drager geïnstalleerd die onder zuurstofloze condities methaangas produceerden. Twee jaar later kwamen daar twee aerobe airliftreactoren van eveneens 21 meter hoog (300 m3) voor verwijdering van de restvervuiling bij.

Sef Heijnen, een van de hoofdonderzoekers destijds, promoveerde in 1984 op de ontwikkeling en opschaling van deze nieuwe biologische zuiveringsprocessen. Rond diezelfde tijd werd bij Gist-brocades het Anammoxproces ontdekt door Arnold Mulder. Later zijn zowel door het bedrijf Biothane dat uit Gist-brocades ontstond, als het in Balk gelegen Paques, de biofilmreactoren succesvol vercommercialiseerd en wereldwijd geïnstalleerd.

Ook aan de TU Delft bracht dit veranderingen te weeg. Zo werd in 1988 bij de afdeling Biotechnologie, bij het aantreden van Sef Heijnen als hoogleraar, milieubiotechnologie als speerpunt gekozen, waar onder leiding van hem en Gijs Kuenen – gevolgd door Mark van Loosdrecht – verder is gewerkt aan mathematische modelvorming van biofilms. Andere vele nieuwe waterzuiveringssystemen zijn ontwikkeld, vaak met fraaie namen als Anammox, Sharon, Nereda, Canon en Babe.

Biofilms: biologische principes en opschaalstrategie

Biofilms worden gevormd door micro-organismen die als slijmlaagjes op een vaste ondergrond leven, vaak met een hoge biomassaconcentratie. In de natuur zijn biofilms overal aanwezig. Ten tijde van de crisis bij Gist-brocades, omstreeks 1980, waren biologische zuiveringsinstallaties op basis van biofilms al een eeuw in gebruik. Bekende technologieën daarbij waren de trickling filters met aerobe biofilms op gestapelde keien (diameter 2 centimeter) en de befaamde anaerobe slibkorrels in UASB-reactoren die methaan produceerden.

Helaas gingen deze slibkorrels in het afvalwater van Gist-brocades kapot. Waarom was onbekend. Kennis over de vorming van deze korrels had men nog niet. Het onderzoek bij Gist-Brocades richtte zich daarom op het vinden van een principe dat tot stabiele biofilms leidt en op een strategie om dit op grote industriële schaal toe te passen.

Biofilms
Anaerobe biofilms op een drager van zand.
Prof. dr. ir. Sef Heijnen, TU Delft

Een biofilmlaag voor waterzuivering moet niet te dik zijn omdat anders de onderste micro-organismen geen afvalstoffen meer krijgen en kunnen omzetten. Een laagdikte tussen de 0,1-0,2 millimeter is voor een biofilm optimaal. Om voldoende actieve biomassa te hebben voor de behandeling van afvalwater is 1.000-2.000 m2 oppervlak per kubieke meter (m3) reactor nodig. Dit is te vergelijken met vijf à tien tennisvelden opgerold in een kubus van een meter bij een meter bij een meter.

Door gebruik te maken van kleine deeltjes (0,3 – 0,5 millimeter) die rondzweven in de reactor, kon zo’n groot oppervlak worden bereikt. Een andere randvoorwaarde was dat de biokorrels niet mochten uitspoelen bij de snelheid waarmee het afvalwater doorstroomt, zo’n 10-20 meter per uur. De keuze viel op de zwaardere zanddeeltjes als drager.

Om er voor te zorgen dat bacteriën ook daadwerkelijk biofilms gingen vormen op die deeltjes is er een slim doch eenvoudig selectieprincipe ontwikkeld. Door de verblijftijd van de vloeistof in de reactor kort te houden, spoelen alle bacteriën die niet hechten eenvoudig weg uit. Dit principe bleek uitstekend te werken voor allerlei soorten van bacteriepopulaties, van aeroob tot anaeroob.

Technologisch was de uitdaging om een zodanig opwaartse stroom te creëren dat de zanddeeltjes niet op de reactorbodem bleven liggen. In een reactor van 300 m3 gaat ongeveer 30 ton zand. Aan de ander kant mochten de begroeide deeltjes met biomassa, die een stuk lichter zijn, niet uitspoelen, wat eisen stelde aan het reactorontwerp aan de bovenkant. Door direct vanaf het begin de procescondities op grote schaal mee te nemen via een scale-up/scale-downstrategie kon ook deze opgave binnen de gestelde vijf jaar gerealiseerd worden.

Sef Heijnen

Lees het volgende artikel van het thema ‘Afvalwater’

Dit artikel is een publicatie van Stichting Biowetenschappen en Maatschappij.
© Stichting Biowetenschappen en Maatschappij, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 12 juni 2018

Discussieer mee

0

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

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.