Met de huidige rwzi’s zijn de zuiveringsdoelen en -ambities voor 2050 niet haalbaar. Extra zuiveringsstappen voor of na het ‘biologische hart’ van de zuivering lijken tot nu toe de oplossing. Het STOWA-programma ‘Zuivering van de Toekomst’ gaat een radicaler alternatief onderzoeken. Een ‘trein’ van chemisch-fysische zuiveringstechnologieën als het nieuwe hart van een ambitieuze rwzi.

De rioolwaterzuivering van 2050 is energie- en klimaatneutraal en levert volop circulaire grondstoffen. Er stroomt bovendien gezuiverd water uit dat aan strenge kwaliteitseisen voldoet en geschikt is voor hergebruik. Dat is de heldere ambitie van de Nederlandse waterschappen. Maar net zo helder is de conclusie dat dat met de huidige rwzi’s niet haalbaar is. De rioolwaterzuivering moet energie-efficiënter. Het gezuiverde rioolwater, het effluent, moet minder stikstof en fosfor bevatten. En ook het verwijderen van lastige microverontreinigingen zoals geneesmiddelresten, pesticiden of microplastics moet beter. Het doel in 2050 is een honderd procent circulair, energie- en klimaatneutrale rwzi waar hoge kwaliteit gezuiverd water uitstroomt.

Daarvoor is een ander concept nodig, concludeerde projectinitiator energie- en klimaatneutraliteit Gijs van Pruissen van Waterschap Aa en Maas. Hij verzamelde een groep collega-experts binnen het waterschap om na te denken over de vraag hoe een rwzi eruit ziet die wel aan alle ambities kan voldoen wanneer je start met een ‘blanco papier’. De groep meedenkers dijde al snel uit met experts vanuit andere waterschappen en kreeg steun van STOWA. Van Pruissen: “Waterschappen worstelen allemaal met deze vraag. En er is ook al actief naar oplossingen gezocht, bijvoorbeeld in het project Waterfabriek2.0 in Wilp.”

De ‘denktank’ resulteert dit najaar in het STOWA-programma ‘Zuivering van de Toekomst’ waaraan in ieder geval zeven waterschappen meewerken, met Van Pruissen als programmaleider. Afvalwatertechnoloog Cora Uijterlinde, programmamanager Afvalwatersystemen bij STOWA: “We zitten nog in de opstartfase, eind oktober volgt de officiële start. Andere waterschappen zijn van harte uitgenodigd ook aan te haken. We hopen dat deze ontwikkeling wordt gedragen door een brede vertegenwoordiging van de Nederlandse waterschappen.”

Doel van het nieuwe programma is het ontwikkelen van de meest energie-efficiënte ‘trein’ van waterzuiverings­technologieën die aan alle 2050-vereisten kan voldoen. Daarbij ligt de nadruk op alternatieven voor de gebruikelijke biologische zuivering waarbij bacteriën verontreinigingen afbreken. Het gaat om chemische en fysische technieken als membraanfiltratie, coagulatie, flocculatie en elektrochemie.

“Ik zie het als een soort omkering”, zegt Coert Petri, senior beleidsmedewerker bij Vallei en Veluwe, één van de participerende waterschappen: “Nu is biologie het hart van de rioolwaterzuivering. We gebruiken fysisch-chemische technieken in voor- en nabewerking, om specifieke verontreinigingen af te breken of grondstoffen terug te winnen. In de zuivering van de toekomst vormen de fysisch-chemische technieken juist de basis.” Maar biologische onderdelen worden zeker niet uitgesloten, benadrukt Van Pruissen. “Ook anaerobe biologie kan heel interessant zijn. Het is geen exclusief fysisch-chemisch gebeuren.”

Een groot voordeel van fysisch-chemische technieken is dat het gros van de verontreiniging, de organische stof, niet wordt afgebroken tot CO₂, maar ‘heelhuids’ kan worden afgevangen. Idealiter kan deze organische stof als duurzame grondstof dienen voor de chemie. Maar in ieder geval kan ze energie leveren via vergisting of verbranding, wat de zuivering energie-efficiënter kan maken. De ‘omkering’ moet ook zorgen voor minder uitstoot van andere broeikasgassen als lachgas en methaan. Petri gelooft sterk in het concept: “De afgelopen decennia zijn we continu bezig het huidige concept te optimaliseren en uit te breiden. Maar je komt pas echt verder met een disruptief of radicaal ander concept.”

Vallei en Veluwe experimenteerde de afgelopen jaren in Wilp via de pilot Waterfabriek2.0 met een grotere inzet van chemisch-fysische technologie. Nog niet alle vragen werden daarin voldoende beantwoord om op demonstratieschaal te gaan bouwen, zegt Petri. Van Pruissen: “In Waterfabriek2.0 hebben we al veel geleerd, maar het idee moet nog verder worden doorontwikkeld.” Daartoe komt er centraal in Nederland een onderzoekslocatie waar voltijds een klein basisteam van waterschappers aan de slag zal zijn. Een team dat zo nodig wordt aangevuld met experts vanuit andere waterschappen, kennisinstituten, mbo en technologiebedrijven. Het programma start met het modelmatig doorrekenen van een tiental kansrijke ‘treintjes’.

De meest veelbelovende worden daarna op pilotschaal (tien kuub afvalwater per uur) daadwerkelijk gebouwd. Van Pruissen: “Zie de verschillende chemisch-fysische technologieën als een soort legoblokjes die in de juiste volgorde geschakeld de meest duurzame en circulaire zuivering leveren. De modellering is erg belangrijk. Die vertelt op welke facetten de technologieën beter scoren dan de huidige referentie-zuivering.” Bedrijven gaan een belangrijke rol spelen, ze worden uitgenodigd hun techniek in een ‘trein’ te testen.

Petri: “Waterfabriek2.0 leerde dat een trein zo sterk is als de zwakste wagon. Je moet niet blijven doorfröbelen, maar snel zo’n wagon vervangen of voor een ander spoor kiezen. Dat vereist snel schakelen en flexibiliteit.” Van Pruissen spreekt van een start-up vibe: snel falen, veel leren en doorpakken. In eerste instantie loopt het programma vijf jaar. Dat moet een efficiënte ‘trein’ opleveren die daarna op demonstratieschaal kan worden gerealiseerd. Vanuit UPPWATER (voorheen Groeiplan Watertechnologie) is daar ook budget voor, voegt Petri toe.

Petri verwacht vooral veel van coagulatie- en flocculatietechnieken voor de zuivering van de toekomst. Dat zijn methoden om vervuilingen samen te klonteren en af te vangen. Op deze manier wordt organische stof in het afvalwater niet afgebroken tot CO₂. “Zo kan het een bron zijn voor producten als vetzuren. Maar in eerste instantie zien we de organische fractie vooral als energiebron waar je warmte en stroom uit kunt winnen.”

Membraantechnologie kan een belangrijke methode zijn om een hoge kwaliteit effluent te bereiken. Biofouling – het verstoppen van een membraan door aangroei van bacteriën – is echter nog een belangrijk obstakel. Een ander ‘legoblokje’ is elektrochemie. Met stroom kunnen microverontreinigingen worden afgebroken, maar ook metalen worden teruggewonnen. Uijterlinde noemt ook adsorptie als belangrijk ‘blokje’. Bij elkaar al een indrukwekkende zuiveringstrein.

Internationaal zijn er nog geen voorbeelden van rwzi’s waar fysisch-chemische technologieën de hoofdrol spelen. Er is wel serieus onderzoek naar gedaan. Het Deense Aarhus Water organiseerde vijf jaar geleden een tender voor het ontwerp van een ambitieuze afvalwaterzuivering voor de stad. Ingenieursbureau Haskoning, kennisinstituut KWR en EnviDan, een Deens adviesbureau in water- en milieutechniek, wonnen samen de tender.

Senior onderzoeker Kees Roest (KWR): “We hebben destijds serieus gekeken naar een alternatieve opzet met fysisch-chemische componenten. Maar we kwamen tot de conclusie dat dat nu in de praktijk nog te lastig is.” Belangrijkste struikelblok was dat de technieken vaak nog niet op rwzi-schaal zijn bewezen (technology readiness level 8-9). De meeste opdrachtgevers, zo ook Aarhus Water, stellen dat wel als eis. Een gemeentelijke rioolwaterzuivering is immers cruciale infrastructuur.

De nieuwe zuivering in Aarhus is wel flexibel in opzet, vertelt Roest. Nieuwe chemisch-fysische technieken kunnen alsnog een plek krijgen wanneer ze bewezen robuust zijn. De bouw in Aarhus start naar verwachting over acht tot tien jaar. De rwzi komt op een nog aan te leggen eiland in de baai van de stad. Roest: “Het ontwerp is daarom ook nog niet in beton gegoten, maar het voorlopige ontwerp gaat wel uit van biologische zuivering.”

Bewijst ‘Aarhus’ dat het nog te vroeg is voor een chemisch-fysische rioolwaterzuivering? Van Pruissen: “Bestaat-nog-niet is voor mij geen argument om het niet te proberen. Het maakt dit programma juist interessanter. Maar het benadrukt ook het belang van de doorontwikkeling van het concept tot het punt waarop waterschappen daadwerkelijk durven te investeren.” “De technologieën die wij gaan gebruiken voor de zuivering van de toekomst, zijn wel volwassen”, benadrukt Uijterlinde. “Het zijn bewezen methoden, maar vaak zijn ze nog niet toegepast voor rioolwaterzuivering of op de juiste schaal. Ze zijn al in gebruik voor industriële afvalwaterreiniging, drinkwatertechnologie of waterzuivering in afgelegen gebieden. Het gaat echt om aanpassing voor ons rioolwater en om de juiste combinatie.”

Ten slotte: het succes van het programma zal – in ieder geval deels – afhangen van de vraag of het mogelijk is in een fysisch-chemisch aangedreven zuivering voldoende grondstoffen terug te winnen en die succesvol te vermarkten. Dan wordt het kostentechnisch ook een echt alternatief voor de huidige biologische actiefslibsystemen. Dit programma moet uitwijzen of er echt toekomst is voor ‘de zuivering van de toekomst’.

Een alternatief ontwikkelen voor de huidige rwzi op basis van chemisch-fysische technieken is een superleuke uitdaging, maar ook een heel nieuw concept. Biologische zuivering is in essentie simpel: je belucht en roert water in een grote bak en je laat de natuur het werk doen. Ik heb veel respect voor de mensen die rwzi’s runnen; ze kunnen ruiken en zien of het proces goed loopt en sturen zo nodig bij op fingerspitzengefühl. Ik zie echter ook de haken en ogen. Er komen broeikasgassen vrij als methaan en lachgas. Je produceert slib, dat een afvalstroom is. Er is energie nodig is voor beluchting. En de nabehandeling wordt steeds complexer, vooral om microverontreinigingen te verwijderen.

Vanuit alle nieuwe eisen rondom effluentkwaliteit, duurzaamheid en grondstofterugwinning is dit programma logisch. Het liefst wil je alle nuttige stoffen terugwinnen. Maar welke grondstoffen kun je er uiteindelijk in voldoende kwaliteit uithalen? En is daar markt voor? Dat zijn belangrijke vragen die je tegen zult komen. Het chemisch-fysische alternatief is een industriële fabriek waar andere kennis voor nodig is en die veel processkills vraagt. In een hoog industriële omgeving als Nederland zou dat kunnen passen.

Maar de hamvraag blijft: kom je uiteindelijk, als je alles doorrekent, onderaan de streep energie-efficiënter of klimaatneutraler uit? Dat is complexe, boeiende materie want de natuur versla je niet zomaar. Ik vind het dan ook verstandig dat er ruimte blijft voor biologische onderdelen. Wij haken als TU Delft overigens aan bij dit programma via een engineering docterate in het team. Deze EngD gaat verschillende mogelijke zuiveringsstappen evalueren en via modelering ontdekken wat de beste combinaties zijn met de kennis van nu. En ook waar er biologie nodig zal zijn.

AI impressie van de zuivering van de toekomst