Waterschappen streven naar verdere vermindering van het gebruik van fossiele brandstoffen in het zuiveringsproces en naar het terugwinnen van waardevolle grondstoffen uit de afvalwaterstromen. Daarnaast gaat veel aandacht uit naar het terugdringen van broeikasgasemissies uit rioolwaterzuiveringsinstallaties (rwzi’s). Desondanks kost het zuiveren van afvalwater nog steeds veel energie en leidt het tot ongewenste emissies.

Dit wordt deels veroorzaakt door verwijderen van ammonium uit afvalwater. Bij de behandeling van afvalwater wordt ammonium verwijderd via biologische processen. Deze vorm van ammoniumverwijdering heeft een aantal grote nadelen: er wordt hierbij lachgas geproduceerd, het energieverbruik is hoog, het vraagt veel ruimte en het proces is storingsgevoelig.

Uit recent onderzoek blijkt dat met nieuwe fysisch-chemische technieken ammonium in afvalwater efficiënt kan worden omgezet in geconcentreerd ammoniakwater, ammoniakgas of ammoniumsulfaat. Deze technieken lenen zich bij uitstek voor de behandeling van geconcentreerde ammonium stromen, zoals slib rejectiewater (dat vrijkomt bij slibontwatering na slibgisting) en de vloeistofstroom die vrijkomt na gisting van separaat ingezameld zwartwater. Met de technologie wordt:

• de CO2-uitstoot van een afvalwaterzuivering aanzienlijk verlaagd;
• de N2O emissie van een afvalwaterzuivering aanzienlijk verlaagd;
• het energieverbruik van de afvalwaterzuivering aanzienlijk verlaagd;
• ammonium in afvalwater teruggewonnen als ammoniakwater of als ammoniumsulfaat;
• het teruggewonnen ammoniakwater deels omgezet in elektrische energie.

Achtergronden

In plaats van vernietiging van NH4+ tijdens het zuiveringsproces, dat ten koste gaat van fossiele en biochemische energie, heeft dit project als doel het opgeloste NH4+ in rejectiewater te verwaarden tot product. Ten behoeve van productvorming wordt de NH4+-rijke stroom in eerste instantie ontdaan van zwevende stof waarna het wordt geconcentreerd via elektrodialyse (ED). In de nageschakelde bipolaire membraan (BPM)-ED wordt water gesplitst waarbij NH4+ zich ophoopt in de basische concentraatstroom. In de zure diluaatstroom hoopt HCO3- zich op dat ter plekke wordt omgezet in CO2, dat eventueel als product is op te vangen. Vanuit de BPM-ED kan het geproduceerde NH4+-water door een zwavelzuur membraanstripper worden geleid voor de productie van (NH4)2SO4. Als innovatie in dit project wordt de BPM-ED gekoppeld aan een vacuüm membraan stripper (VMS) voor de productie van een geconcentreerde basische ammoniakwater stroom dat als product kan worden vermarkt, of kan worden omgezet in elektrische en thermische energie in een solid oxide fuel cell (SOFC). De SOFC heeft een voorzien elektrisch rendement van 50-55% en een thermisch rendement (hoogwaardige warmte van 600-700oC) van zo’n 35-40%. Een totaal energie conversierendement van boven 90% wordt verwacht. Het totale ammonium verwijderings-/terugwinrendement wordt ingeschat op 90%. Naast NH3 kan ook het in de slibgisting geproduceerde CH4 worden gebruikt als brandstof in de SOFC, met een overeenkomstig energetisch rendement.

Naast verdere ontwikkeling van (BPM-)ED-technieken voor het op-concentreren en winnen van NH4+ uit afvalwaterstromen, zet het project dus in op 3 alternatieven voor hergebruik van NH3/NH4+. Voor alle drie geldt dat de ‘proof of principle’ in eerdere projecten is aangetoond, waarbij zwavelzuur membraanstripping (als benchmark technologie in dit project) het verst gevorderd is. De volgende logische stap is op pilotschaal de volgende alternatieven nader te onderzoeken:

1. Productie van ammoniumsulfaat middels zwavelzuur membraanstripping;
2. Productie van geconcentreerd ammoniakwater door middel van vacuümmembraanstripping;
3. Productie van elektrische en thermische energie door middel van een ‘solid oxide fuel cell’.