Rioolwaterzuiveringen (rwzi’s) zijn nog steeds een significante bron van nutriënten in de oppervlaktewateren. Dit is ook aangetoond in onderzoek van de Radboud Universiteit, waarbij de broeikasgasuitstoot en nutriëntenconcentraties boven- en benedenstrooms van zes rwzi-lozingspunten zijn gemeten [1]. Hieruit bleek dat benedenstrooms van het lozingspunt de broeikasgasuitstoot (voornamelijk methaan), de concentraties ammonium, fosfaat en totaal onopgelost koolstof hoger waren dan bovenstrooms. Het aanpakken van nutriëntrijk effluent in het oppervlaktewater is daarom een van de cruciale oplossingen om broeikasgasuitstoot uit wateren en eutrofiëring te verminderen. De rwzi’s produceren daarnaast enorme hoeveelheden slib. Een deel wordt gebruikt voor slibvergisting, maar het meeste (97%) gaat naar de verbrandingsoven [2]. Het verwerken en afvoeren van het slib kan in sommige gevallen tot 60% van de operationele kosten van een rwzi bedragen [3]. Natuurlijke processen en interacties kunnen bijdragen aan de slibverwerking: het kweken van macrofauna en waterplanten op (gezuiverd) afvalwater kan slib-, nutriënten- en broeikasgasemissies verminderen, en produceert daarnaast biomassa die kan worden toegepast in de circulaire economie. Dit is Aquafarm [4], [5], [6].
Het Aquafarm-concept
Aquafarm is een concept waarbij afvalwater wordt gezuiverd, gebaseerd op processen die al in de natuur plaatsvinden. De natuurlijke processen die gebruikt worden in Aquafarm zijn o.a. de afbraak van organisch materiaal door macrofauna en de opname van nutriënten door waterplanten. De combinatie van macrofauna en waterplanten in één systeem versterkt de interacties tussen beide, wat de zuiveringsefficiëntie van nutriënten ten goede komt. Dit komt het best tot zijn recht in een cascadesysteem van slibreductie door macrofauna, gevolgd door nutriëntenverwijdering door waterplanten in met effluent gevoede bakken [3]. De macrofauna wordt gekweekt op slib uit de zuivering en de waterplanten worden gekweekt op effluent. Bij dit proces wordt het water gezuiverd en treedt er biomassaproductie op. Om de nutriëntenverwijdering te optimaliseren moet de biomassa worden geoogst. Hiermee worden herbruikbare grondstoffen, zoals fosfor, vastgelegd. Wageningen Environmental Research en de Radboud Universiteit hebben de werking van deze processen onderzocht en wat ze kunnen betekenen voor het zuiveren [5], [6]. Dit onderzoek vormt de wetenschappelijke basis van Aquafarm.The Aquafarm concept
Aquafarm is a wastewater treatment concept based on naturally occurring processes. The natural processes used in Aquafarm include decomposition of organic matter by macroinvertebrates and nutrient uptake by aquatic plants. The interactions between macroinvertebrates and aquatic plants in a single system can enhance the removal of nutrients. This works best in a cascaded system, with a compartment for sludge reduction using macroinvertebrates, followed by a compartment for nutrient removal using aquatic plants in effluent-fed tanks [3].
Slibreductie en nutriëntenverwijdering
Door de grote hoeveelheden slib die worden geproduceerd is slibreductie een welkome oplossing om kosten te besparen. Verschillende macrofaunasoorten zijn in staat om slib af te breken. Ze groeien namelijk door organisch materiaal op te eten, en door te graven zorgen ze voor bioturbatie (door elkaar werken en verplaatsen) van het slib. Hierdoor wordt het slib beter belucht en wordt het volume van het slib gereduceerd. Met onder andere (combinaties van) slingerwormen, blaashoornslakken en dansmuglarven is bekeken hoe sterk de slibafbraak versneld kan worden ten opzichte van de normale microbiële afbraak die ook plaatsvindt in een bezinktank. Uit dat onderzoek bleek dat deze macrofauna de slibafbraak tot een factor vijf kan versnellen (afbeelding 1). Ook bleek dat combinaties van verschillende soorten macrofauna zorgen voor een hogere afbraak dan wat wordt verwacht op basis van de afbraak van de individuele soorten [5], [7]. In onderzoek [3] bleek dat muggenlarven tot 44% van het slib reduceren, t.o.v. 25% in controle-experimenten (zonder macrofauna; microbiële processen breken dan het slib af). Bioturbatie door muggenlarven reduceert daarnaast ook de methaanuitstoot van het slib met 92%. De combinatie van muggenlarven en waterplanten zorgt uiteindelijk voor bijna tweemaal lagere fosforconcentraties in het effluent.
Nutriëntenverwijdering met drijvende waterplanten
De eerder benoemde reductie in fosfor komt voor rekening van opname door waterplanten; maar ook stikstof kan mede door de aanwezigheid van waterplanten effectief en op natuurlijke wijze uit effluent verwijderd worden. Aquafarm-onderzoek op labschaal toont aan dat drijvende waterplanten als eendenkroos (Lemna minor) en kroosvaren (Azolla filiculoides) nutriënten verwijderen. Ondergedoken planten namen relatief langzamer nutriënten op, waardoor ook algen de kans kregen om te groeien. Dat zorgde ervoor dat de ondergedoken waterplanten werden weggeconcurreerd [8]. Uit onderzoek op praktijkschaal blijkt dat het kweken van drijvende planten (kroosvaren, eendenkroos) nutriënten effectief verwijdert uit effluent. Een cascadeopstelling van eerst eendenkroos en daarna kroosvaren leidde tot de beste nutriëntenverwijdering. Bovendien legt de groei van de drijvende waterplanten CO2 vast en vormen waterplanten een zuurstofrijke habitat voor nitrificeerders. Dit leidt uiteindelijk tot lagere stikstofconcentraties in het effluent [6]. Uit dit onderzoek is ook gebleken dat een cascadeopstelling van drijvende waterplanten jaarrond nutriënten kan verwijderen uit het effluent, waarbij maximaal 43% van het fosfaat verwijderd kan worden en 44% van het ammonium. Deze verwijderingsrendementen zijn bepaald voor een oogstfrequentie van eens in de twee weken. Voor toekomstige toepassing van drijvende waterplanten om het effluent te zuiveren, dient de oogstfrequentie goed afgestemd te worden op de groei en dus de verwijdering van nutriënten.
Verschillende planten, verschillende eigenschappen
Gebleken is dat drijvende planten beter nutriënten uit het water verwijderen dan ondergedoken waterplanten [8]. Voor verschillende samenstellingen van effluent kunnen echter weer andere typen planten gebruikt worden, aangezien waterplanten verschillende eigenschappen hebben (afbeelding 2). Op deze manier is de zuivering van effluent verder te optimaliseren op basis van de opgave voor een zuivering [4].
Toepassing
Op labschaal en kleine praktijkschaal werken de hierboven beschreven processen. Dit biedt mogelijkheden om nutriënten te verwijderen uit effluent, slib te reduceren en broeikasgasemissies tegen te gaan. Daarnaast is aangetoond dat de interacties tussen macrofauna en waterplanten het zuiveringsrendement van nutriënten kan versterken. De doelen voor de KRW komen hierdoor beter in zicht. Aquafarm kan in potentie deze rol vervullen door energiearm nutriënten uit het effluent te verwijderen. Daarmee neemt de belasting op het oppervlaktewater af, wordt de vorming van broeikasgassen voorkomen en worden zelfs broeikasgassen opgeslagen in de vorm van waterplanten. Bovendien kan Aquafarm in potentie de eindige grondstof fosfor terugwinnen door het oogsten van het plantenmateriaal, wat dan weer toegepast kan worden in de circulaire economie. Daarnaast zijn er ook toepassingen te bedenken voor het geoogste materiaal in de non-foodsector. Denk hierbij aan potgrond, vezels voor isolatiemateriaal of enzymen voor bijvoorbeeld lijm als hoogwaardig product, of aan biogasproductie als laagwaardig product, maar ook aan dansmuglarven als siervisvoer.
Opschalen
Aquafarm Aquafarm staat op dit moment op Technology Readiness Level (TRL) 4; op labschaal en in een kleine praktijkopstelling is aangetoond dat het concept werkt. De volgende stap zou opschalen zijn, zodat bijkomende processen, zoals o.a. automatisering en oogsten, verder ontwikkeld kunnen worden. In de toekomst kan Aquafarm een waardevolle aanvulling zijn op het zuiveringsproces, wanneer de technische middelen ontoereikend blijken en we juist gebruik moeten maken van wat de natuur ons biedt.
Conclusie
Wetenschappelijk onderzoek heeft aangetoond dat de combinatie van macrofauna en waterplanten een grote rol kunnen spelen in het verminderen van organisch materiaal en nutriënten in de (na)zuivering van afvalwater. Hiermee zorgt Aquafarm dat deze vervuilingen niet in het milieu terechtkomen. Daarnaast biedt Aquafarm de mogelijkheid om grondstoffen terug te winnen uit afvalwater en zorgen de waterplanten en macrofauna voor een netto CO2-opname i.p.v. -uitstoot. Door natuurlijke processen te gebruiken, te optimaliseren én te combineren met technische behandelingen, kunnen we de waterkwaliteitsproblemen voortvarend aanpakken. Meer info: www.aquafarm.nl
Aquafarm biedt een natuurlijke en low-tech manier om slib te verwerken, effluent na te zuiveren en daarbij tegelijkertijd biomassa te produceren, door gebruik te maken van natuurlijke processen. Een gemeenschap van macrofauna breekt organisch materiaal af en waterplanten nemen nutriënten op. Wageningen ER en de Radboud Universiteit hebben onderzocht of en hoe deze natuurlijke processen kunnen bijdragen aan de zuivering van de toekomst. Zij onderzochten hoe macrofauna slib kunnen reduceren en hoe waterplanten het effluent kunnen zuiveren én of interacties tussen deze groepen deze processen beïnvloeden.