Ivar Pel

Ivar Pel

Na haar studie had Kampschreur een paar jaar gewerkt bij een ingenieursbureau als afvalwatertechnoloog. Maar ze wilde toch weer het onderzoek in. “In de praktijk zag ik veel processen in de stikstofcyclus waar ook in de literatuur nog weinig over bekend was. Ik wilde die beter begrijpen en zo mogelijk verbeteren. Over de omzettingen van stikstofverbindingen en welke gassen daarbij gevormd worden, bestonden nog veel vraagtekens” zegt Kampschreur.

Afvalwaterzuiveringsinstallaties zijn ideale locaties om de omstandigheden waaronder NO- en N₂O-emissies (stikstofmonoxide en distikstofmonoxide of lachgas) optreden te onderzoeken, want je kunt de chemische omstandigheden in zo’n installatie vrij goed controleren en beïnvloeden. Omdat Kampschreur al veel werkervaring had opgedaan in deze installaties, was zij geknipt voor dit onderzoek. “Ik kon met de procesingenieurs bij zulke installaties op dezelfde golflengte praten. Omdat ze merkten dat ik veel kennis uit de praktijk meebracht, mocht ik ook dingen uitproberen die het functioneren van zo’n installatie in gevaar brengen als je niet heel goed weet wat je doet.”

Stikstof uit water

In een waterzuiveringsinstallatie wordt stikstof verwijderd uit afvalwater, om zo de eutrofiëring van het oppervlaktewater te voorkomen. Hoe meer stikstof in de vorm van N₂ uit het water wordt gehaald, hoe beter de waterkwaliteit. Maar tijdens deze biologische omzettingen kan naast N₂ ook het schadelijke NO en N₂O worden gevormd. Dat die waterkwaliteit dus ten koste kan gaan van de luchtkwaliteit, daar was weinig aandacht voor.

Literatuuronderzoek liet zien dat de uitstoot van N₂O flink kan oplopen, en dat ook de experts van het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) met meetwaarden werken die heel ver uiteen liggen. “Dat duidt erop dat er meer kennis nodig is”, stelt Kampschreur. Dus zette ze een eerste laboratoriumproef op met een proefreactor waarbij afvalwater, net als in de grote installaties, door bacteriën wordt gezuiverd. Een belangrijke stap is daarbij de stikstofverwijdering, dat is de omzetting van ammonium tot N₂ in twee stappen. Eerst de oxidatie waarbij ammonium in nitraat wordt omgezet (de ‘nitrificatie’), deze wordt gevolgd door de reductie waarbij nitraat overgaat in N₂ (de ‘denitrificatie’).

Uit de metingen van Kampschreur bleek dat er drie oorzaken zijn voor het ontstaan van hoge concentraties NO en N₂O:

• er wordt te weinig zuurstof in de nitrificatiezones toegevoerd;
• er zit te veel nitriet in de nitrificatie- en denitrificatiezones;
• of in de denitrificatiezone is de organische stofverhouding ten opzichte van het nitraat te laag.

Verrassend was de constatering dat met name de nitrificatie verantwoordelijk is voor lachgasproductie, iets dat in de literatuur en door het IPCC niet onderkend werd. “De metingen lieten zien dat NO- en N₂O-emissie erg afhankelijk zijn van operationele en procesvariabelen”, zegt Kampschreur. “Daardoor fluctueren de emissies sterk in de tijd. Wat is daarvan de oorzaak? Je moet dan op verschillende schaalniveaus gaan kijken. Ik ben zover gegaan, dat ik een model van een cel heb opgesteld, inclusief de enzymomzettingen en -expressies binnen een cel.”

Ivar Pel

Voor dat laatste werkte Kampschreur nauw samen met een onderzoeker uit New York (professor Kartik Chandran, Columbia University) die ze op een conferentie in Baltimore had ontmoet. “Eerst praat je gewoon eens met iemand, maar al snel bleek dat we beiden op een belangrijk spoor waren. En uiteindelijk is hij een half jaar hier in Nederland geweest, en hebben we samen onderzoek gedaan. Ik vond dat ontzettend leuk.”

Ivar Pel

Ivar Pel

Dynamische reacties

De resultaten van laboratoriummetingen werden daarna op grote schaal getest in Rotterdam waarbij op een echte waterzuiveringsinstallatie nauwkeurig werd gemeten. Vervolgens werden ook bij vier andere zuiveringsinstallaties metingen verricht. De resultaten bevestigden de meetwaarden uit het laboratorium, de reacties zijn heel dynamisch en hangen sterk van het proces af, en de nitrificatie is een belangrijke oorzaak voor de productie van N₂O. “Tot dan toe was dat nooit waargenomen. Men had zich vooral op de denitrificatie gericht.” Uiteindelijk rolde hier een wetenschappelijk artikel uit, dat tevens een praktische handleiding voor procesingenieurs van afvalwaterzuiveringsinstallaties is. Het beschrijft heel concreet wat je kunt doen om ervoor te zorgen dat de NO- en N₂O-emissies afnemen.

Daarna ontstond het idee om nog eens het laboratorium in te duiken, voor experimenten die een hoge laboratoriumvaardigheid en veel kennis van de chemie vereisen. Het ging erom te beschrijven hoe chemische nitrietreductie onder invloed van ijzeroxidatie kan leiden tot meer NO- en N₂O-emissies. Kampschreur zegt: “Het was nog nooit eerder iemand opgevallen dat ijzerchemie in de waterzuivering tot meer emissie van lachgas kan leiden. Maar om dat hard te maken, moet je heel nauwkeurig de pH-, nitriet- en ijzerconcentraties meten en beheersen. En dat is uitermate lastig, omdat de ijzerchemie heel snel verloopt en er veel stikstofintermediairen een rol spelen. Je moet je reactor heel goed opzetten om überhaupt iets te meten aan een reactie die je — als die eenmaal loopt — niet meer stil kunt leggen.”

Kampschreur werkt nu als innovatietechnoloog bij het Waterschap Aa en Maas. Ze is een brug tussen inventie en innovatie. “Ik kijk hoe we theoretische kennis kunnen toepassen in de praktijk. Ik onderhoud contacten met allerlei partijen, zoals landbouworganisaties en drinkwaterbedrijven, maar houd ook de wetenschappelijke literatuur bij. Die combinatie van theorie en praktijk, die vind ik spannend”.

Het promotieonderzoek van Marlies Kampschreur is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van Technologiestichting STW.

Meer over stikstof op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/stikstof.atom", “max”=>"6", “detail”=>"minder"}