Terugwinning van grondstoffen is een belangrijk streven in het Grondstoffenakkoord (2017). Hierin zijn, onder meer door de waterschappen, afspraken gemaakt om de transitie naar een circulaire economie te versnellen. Het rioolwater dat waterschappen zuiveren, is rijk aan fosfor, een waardevolle meststof. Op twaalf rwzi’s wordt dit teruggewonnen als struviet. Maar de terugwincapaciteit wordt matig benut en uitbreiding stokt. Ondertussen poppen nieuwe methodes op voor terugwinning van fosfor. Uit rwzi-slib bijvoorbeeld, in de vorm van vivianiet. Of uit slibas, in de vorm van fosforzuur en mogelijk witte fosfor.

Fosfor (P) is een belangrijke meststof; het element is een onmisbare bouwstof voor gewassen. Wereldwijd is fosfor vaak een beperkende factor in de groei van planten. Nederland is hierin overigens een uitzondering: onze bodem bevat door veelvuldig bemesten sinds de jaren zeventig bijna overal genoeg fosfor. Door de EU is fosfor bestempeld als een kritieke grondstof (een critical raw material), omdat fosfaaterts van buiten Europa moeten komen en omdat ‘schone erts’, fosfaaterts met weinig schadelijke metalen, inmiddels schaars is. Het is één van de grondstoffen waarvan de EU de productie meer in eigen hand wil nemen.

De waterschappen bezitten met het rioolwater een grote bron voor fosforterugwinning. Er stroomt namelijk zo’n slordige 20 miljoen kilo P per jaar de rwzi’s binnen, aldus Kimo van Dijk, Researcher Nutrient Management and Recycling (WUR), één van de sprekers tijdens het symposium ‘Fosfaat in perspectief’ (juni 2023) van STOWA en de Energie- en Grondstoffenfabiek (EFGF). “Fosfor komt vooral binnen via urine en ontlasting in toiletwater, maar ook via industrieel afvalwater.” “Veel technologieën voor fosforterugwinning zitten in de fase van pilot- en demonstratieprojecten”, weet Cora Uijterlinde, programmamanager Afvalwatersystemen bij STOWA. “Ze hebben elk hun voor- en nadelen wat betreft opbrengst, productkwaliteit, kosten en milieu-impact. Het is spannend welke uiteindelijk als beste uit de bus komen voor welke situaties. Want de beste oplossing is ook afhankelijk van factoren als het volume en aard van het influent, het type fosforproduct dat je maakt en de CO2 footprint.”

Rond 2010 startten waterschappen al de eerste installaties op bij rwzi’s waarmee fosfor wordt teruggewonnen uit afvalwater. Dan gaat het om fosfor in de vorm van het magnesiumfosfaatzout struviet. Het Amsterdamse Waternet startte daarmee in 2013. “In eerste instantie niet eens zozeer om het fosfor zelf”, vertelt senior researcher Alex Veltman. “Heb je een recht-toe-recht-aan rwzi met biologische fosfaatverwijdering, dan vormt zich na vergisting van de waterige biomassa spontaan struviet. Elk halfjaar moet je aangekoekte kristallen struviet uitbikken om geen verstoppingen in pompen en leidingen van je slib-ontwateringssysteem te krijgen.” Door toevoeging van magnesium en verhoging van de pH na de vergistingsstap, kristalliseert Waternet het struviet inmiddels gecontroleerd uit in een speciale reactor en dus niet in het leidingensysteem. Dat reduceert de onderhoudskosten aanzienlijk.

Volgens zelfstandig adviseur milieutechnologie Mirabella Mulder is struviet produceren voor een waterschap geen winstgevende business, maar ook geen grote kostenpost. “Je moet het doen vanuit de wens om fosfor terug te winnen, zoals uitgesproken in het in 2017 door de waterschappen ondertekende Grondstoffenakkoord. Daarnaast is het ook een CO2-reducerende maatregel en verbetert de kwaliteit van het oppervlaktewater.” De strikte doelstellingen voor nutriënten in de herziening van de concept EU-richtlijn Stedelijk Afvalwater voor 2035 lijken ook niet haalbaar zonder P-terugwinning.

Mulder bracht onlangs de struvietproductie in Nederland in kaart in opdracht van vier waterschappen en de EFGF. De waterschappen hebben inmiddels gezamenlijk een terugwincapaciteit gerealiseerd van 257 duizend kilo (P). Dat is iets meer dan één procent van wat er aan fosfor de Nederlandse rwzi’s binnenstroomt. Van deze terugwincapaciteit werd in 2020 overigens slechts dertig procent benut, in 2021 zelfs maar vijftien procent. En sinds 2019 zijn geen nieuwe struvietinstallaties geplaatst. De oorzaak achter de matige benutting is vooral een gebrek aan aandacht en tijd, concludeert Mulder in haar onderzoek. “Struviet produceren doe je er als waterschap niet zomaar even bij.” Tijd en aandacht is er wel bij Waterschap Vallei en Veluwe dat op twee locaties struviet produceert. In Amersfoort doet het waterschap dat voor het Canadese meststoffenbedrijf Ostara. Accountmanager Frank Peters: “Ostara’s aanpak is marktgericht. Ze willen een grote, witte korrel en ondersteunen en ontzorgen ons in de productie daarvan met technologie, in regelgeving en door een gegarandeerde afzet”.

In Apeldoorn produceert en verkoopt Vallei en Veluwe zelf struviet. Afnemers worden er altijd gevonden, maar soms ligt het struviet langere tijd in opslag. “We hebben daarom geïnvesteerd in een opslaghal en ook in een automatische big bag-vuller voor in de weekenden.” Peters merkt dat de producentenrol natuurijker aansluit bij het waterschap dan de commerciële verkopersrol. “We hebben bijvoorbeeld nog geen kostenanalyse die uitwijst wat het ons exact oplevert of kost.”

De marktprijs van struviet ligt tussen de 50-130 euro per ton, weet Business Developer Jouke Boorsma van AquaMinerals dat waterschappen ondersteunt bij het vermarkten. “Struviet van de diverse rwzi’s is nogal variabel in vorm en kleur, van zanderig tot grote korrels, en van bruin tot helder wit.” De kwaliteitsverschillen, maar ook het variabele, bescheiden aanbod en de nog relatieve onbekendheid van struviet als meststof, maakt de verkoop nog wat grillig. De oplossing? Boorsma: “Een gestage groeiende stroom struviet van constante kwaliteit.”

Dat bereik je volgens Mirabella Mulder met aandacht en tijd voor het productieproces, liefst in de vorm van een speciale operator, ondersteund door een procestechnoloog. Zij kunnen de productie optimaliseren met de juiste dosering magnesium en pH-controle en eventuele aanpassingen aan de reactor daarvoor. Ook onderlinge uitwisseling van kennis en ervaring in struvietwinning kan waterschappen helpen. Mulder: “Het zijn echt no-regret maatregelen, zo’n operator verdient zichzelf terug. Het zou te gek voor woorden zijn als we de bestaande capaciteit niet beter benutten.”

In een rwzi met chemische in plaats van biologische fosfaatverwijdering (zie ook kader) belandt fosfor in het slib als ijzerfosfaat. Dat is vervolgens terug te winnen als vivianiet (Fe3(PO4)2·8(H2O)) met behulp van magneten. Dat bewees Waterschap Brabantse Delta in een pilotstudie. Trekker circulaire economie Leonie Hartog kondigde op het juni-symposium de bouw van een demo-installatie aan voor vivianiet. Het product kan gebruikt worden als meststof, maar ook in ijzerfosfaatbatterijen. “Bovendien verminder je de hoeveelheid droge slib met tien tot twintig procent”, aldus Hartog.

Het merendeel (circa zestig procent) van het fosfor in rioolwater zit na zuivering en vergisting echter in de micro-organismen in het slib. Fosfor is een bouwstof en wordt dus onderdeel van de biomassa. Bijna al het ontwaterde zuiveringsslib (>95%) wordt in Nederland verbrand waarbij het fosfor in de as belandt. Al eerder is in Nederland gepoogd deze fosfor terug te winnen door het bedrijf Thermphos, maar dat bedrijf ging in 2012 helaas failliet.

Duitsland heeft een verplichting aangekondigd voor fosforterugwinning uit zuiveringslibas voor 2029; dat lijkt een voorbode voor Europese wetgeving. De mogelijke verplichting heeft binnen Europa geleid tot veel nieuwe initiatieven voor fosfaatterugwinning. In Nederland is er bijvoorbeeld het onderzoeksproject RubiPhos (Recovery of Urban Biological Phosphate) waarbij STOWA betrokken is. En via slibverwerker SNB zijn de waterschappen ook betrokken bij de startup SusPhos die een eigen methode voor fosfaatterugwinning uit slibas ontwikkelt. De technologieën draaien in essentie om het ‘uitlogen’ van de slibas met een sterk zuur waarbij een fosfaatzout of fosforzuur wordt geproduceerd. Grote uitdaging is om bij de isolatie daarvan geen nieuwe grote of lastige afvalstromen te produceren. De diverse technologieën zullen zich de komende jaren in de praktijk moeten gaan bewijzen. Dat geldt ook voor het Spodofos-proces van startup ThermusP , dat eveneens wordt ondersteund door STOWA. Dit bedrijf koos voor een andere strategie: fosfor terugwinnen als witte fosfor (P4) door reductie met aluminium bij hoge temperaturen. “De laagste kwaliteit aluminiumschroot voldoet hiervoor”, aldus ontwikkelaar Frans Horstink die momenteel werkt aan de realisatie van een pilotproject.

Kunstmestfabrikant ICL onderzoekt ondertussen slibas als alternatieve bron voor fosfor. De as is hier een alternatief voor de reguliere grondstof: fosfaaterts. Dat werkt met slechts minimale veranderingen in het bestaande proces, aldus Lucas van der Saag, Process and R&D Engineer. Er ontstaat geen reststroom, omdat de as als geheel wordt verwerkt. De mestproducten bevatten daardoor naast P ook wenselijke micronutriënten zoals zink en koper. Het product voldoet aan alle EU-limieten voor (zware) metalen. De slibas van alle Nederlandse rwzi’s zou veertig procent van de door ICL gebruikte fosfaaterts kunnen vervangen. Van der Saag noemt wel een belangrijke maar. De doelgroep, de akkerbouwer, is nog niet bekend met dit nieuwe product. Het zal zich dus eerst moeten bewijzen in veldtests. Deze lopen op dit moment.

Welke milieuvoordelen levert fosforterugwinning uit rioolwater op? Milieuadviesbureau CE Delft stelde in opdracht van STOWA een levenscyclusanalyse (LCA) op voor de drie verschillende producten: struviet en vivianiet uit slib en fosforzuur uit slibas. Voor alle drie producten geldt dat ze milieuwinst kunnen opleveren wanneer ze bestaande mestproducten vervangen. In welke mate ze dat doen, hangt wel af van de praktische uitvoering van het terugwinningsproces en van de gebruikte hulpstoffen.

Het overtuigende milieuvoordeel van struvietgebruik in plaats van kunstmest kan bijvoorbeeld verdwijnen wanneer het productieproces slecht is geoptimaliseerd. De opbrengst aan struviet is dan laag, terwijl er veel magnesium en elektriciteit wordt verbruikt. Maar op efficiënte wijze geproduceerd is struviet duidelijk een milieuvriendelijk alternatief, blijkt uit de LCA.

Voor vivianiet geldt dat het gebruikte ijzer voor precipitatie (neerslaan) grote invloed heeft op de milieu-impact. Wordt er ‘ijzerwater’ uit de drinkwaterproductie gebruikt, dan levert vervanging van de meststof ‘superfosfaat’ (P2O5) door vivianiet aanzienlijk meer milieuwinst op dan bij gebruik van ijzerchloride.

Bij fosforzuurwinning uit slibas (TetraPhos-proces) zijn de benodigde warmte en sterke zuren belangrijke factoren in milieu-impact. Gebruik je aardgas of restwarmte? Meis Uijttewaal van CE Delft: “In de LCA voor fosforzuur zitten nog veel onzekerheden, zoals vaker bij relatief nieuwe technologie.” Of fosforzuur gewonnen uit slibas een milieuvriendelijker alternatief is voor fosforzuur gewonnen uit fosforerts is nu nog lastig te overzien.”

Het LCA-onderzoek is niet bedoeld als leidraad voor waterschappen in een eventuele keuze voor een bepaalde methodiek in fosforterugwinning, benadrukt Uijttewaal. De studie houdt bijvoorbeeld geen rekening met de kosten van een proces, het percentage fosfor dat teruggewonnen wordt of welk type rwzi’s een waterschap bezit. Uijttewaal: “De resultaten van de LCA’s zijn bedoeld om aan afnemers te kunnen laten zien of het teruggewonnen product een milieuvriendelijker alternatief is. Daarnaast kunnen de resultaten worden gebruikt om de technologieën verder te optimaliseren.”

Er zijn twee manieren waarop fosfaat op rwzi’s uit het rioolwater wordt verwijderd: chemisch of biologisch. In een biologische waterzuivering vermindert de hoeveelheid fosfaat omdat micro-organismen groeien: fosfaat wordt ingebouwd in de biomassa (het slib). Door procesparameters te optimaliseren en gebruik te maken van bacteriesoorten die fosfaat opslaan in polyfosfaatkorreltjes kan extra fosfaatopname plaatsvinden.

Het alternatief is chemische fosfaatverwijdering. Aan het rioolwater worden dan ijzer- en/of aluminiumzouten toegevoegd. Bij de juiste pH precipiteren fosfaten en belanden zo in het slib. Bij precipitatie wordt een vaste, bezinkbare stof gevormd door een chemische reactie in een oplossing. De twee technieken worden overigens ook vaak gecombineerd om optimale P-verwijdering te krijgen.

Deze zomer werd bekend dat een al ontdekte fosfaatrijke aardlaag in Noorwegen veel groter is dan gedacht. De wereldwijde reserves lijken daarmee verdubbeld en die van Europa verveelvoudigd. Kimo van Dijk, Researcher Nutrient Management and Recycling (WUR): “Wanneer het hier net als bij bronnen in Finland gaat om fosfaaterts van vulkanische oorsprong – en dat verwacht ik wel – dan zijn het ertsen die weinig cadmium bevatten. En dat betekent dat de tijdschaal waarop we over voldoende fosfor beschikken verschuift van 100-300 jaar naar 500-1000 jaar.” Dat is een belangrijk verschil, aldus Van Dijk die ook coördinator is van het onderzoeksproject Kringloopsluiting van Nutriënten uit Afvalwater en Proceswater (KNAP). “Het betekent dat de focus in terugwinning van grondstoffen zal verschuiven naar andere belangrijke en schaarsere bodemnutriënten zoals koper, zink en mangaan. Tegelijkertijd blijft fosforrecycling belangrijk vanwege de milieuvoordelen.”

Struvietopslag bij waterzuivering Amsterdam-Westpoort

Installatie en medewerkers van startup SusPhos

De Tapira CMT fosfaatmijn in Marokko