Vanuit de Europese richtlijn voor stedelijk afvalwater (RSA) en de Kaderrichtlijn Water (KRW) worden in de nabije toekomst strengere eisen gesteld aan de effluentkwaliteit van rioolwaterzuiveringen (rwzi’s). Naast een betere verwijdering van stikstof en fosfaat moeten ook de concentraties microverontreiniging in het effluent omlaag. Deze microverontreinigingen omvatten onder meer medicijnresten, hormonen en bestrijdingsmiddelen. Veel van deze stoffen worden op rwzi’s onvoldoende verwijderd. In het recent afgeronde Innovatieprogramma microverontreinigingen (IPMV) is gebleken dat er verschillende methoden zijn om microverontreinigingen effectief te verwijderen. Een van deze methoden is het doseren van poeder-actiefkool (PAK) in de waterzuivering, het zogeheten PACAS-concept. PACAS is ten opzichte van de andere methoden interessant omdat de techniek zich al bewezen heeft en weinig investeringen vraagt in reguliere rwzi’s. Om deze reden heeft STOWA TAUW verzocht om namens de waterschappen onderzoek te doen naar de ervaringen en inzichten met poederkooldosering op rwzi’s [1].
De geschatte PAK-inkoop van de waterschappen zal naar verwachting sterk toenemen, tot ca. 1.200 ton per jaar in 2028. De kern van dit onderzoek is inzicht krijgen in alles dat komt kijken bij een PAK-installatie; van de aanbesteding tot het beheer en onderhoud. In dit onderzoek is op basis van interviews met ervaringsdeskundigen verkend welke lessen er uit de praktijk getrokken kunnen worden.
Wat is PAK precies?
PAK is poedervorming actiefkool en wordt geproduceerd in vier stappen: carbonisatie, activatie, eventuele modificatie en nabehandeling (om de gewenste deeltjesgrootteverdeling te verkrijgen). De manier van productie en de gebruikte grondstoffen maken dat de verschillende PAK-soorten verschillende eigenschappen hebben, op het gebied van soortelijke massa, adsorptiecapaciteit en veiligheid/gevoeligheid voor broei/explosie. Zo zijn PAK op basis van steenkool of hout specifiek geschikt voor de verwijdering van microverontreinigingen uit rwzi-effluent.
Toepassing van PAK in een rwzi
Een PAK-installatie bestaat uit een ontvangstsilo, gevolgd door een doseerinstallatie van waaruit de PAK als slurry (mengsel PAK en water) naar de actiefslibtank gepompt wordt. In Nederland wordt PAK al toegepast op een aantal rwzi’s en ook voor drinkwaterproductie. In de hoofdafbeelding is de PACAS-installatie op de afvalwaterzuivering (rwzi) Leiden-Noord te zien. Hier is de PAK-silo bovenop het gebouw met de overige installaties geplaatst. Uit de praktijk is een aantal aanbevelingen naar voren gekomen, zoals dat het PAK-doseersysteem gevoelig is voor verstoppingen. Het is belangrijk om hiervoor drinkwater óf goed gefilterd bedrijfswater te gebruiken. Daarnaast is preventief onderhoud aan de doseerinstallatie van belang, specifiek aan de vortex, om verstoppingen te voorkomen. Verder moet bij het ontwerp van de PAK-silo rekening gehouden worden met het vereiste stortvolume van PAK en de gewenste restvoorraad.Explosion protection
Explosieveiligheid
Bij de opslag en dosering van PAK op een rwzi moet rekening worden gehouden met explosieveiligheid, omdat PAK een stofexplosie kan veroorzaken. Rondom de PAK-installatie gelden daarom zones waarin enkel explosieveilige apparatuur mag worden toegepast. Van belang is dat de PAK-installatie elektrisch geaard is. Bij het inblazen van PAK kan statische elektriciteit ontstaan. De vorming van een stoflaag van PAK in de bedrijfsruimtes waar de binnen opgestelde onderdelen van de PAK-installatie staan dient voorkomen te worden door de betreffende ruimtes periodiek te reinigen. Volgens de product-datasheets (MSDS) zijn er geen aanwijzingen dat het transport en/of de opslag van chemisch geactiveerd PAK meer risico’s opleveren dan stoom-geactiveerd PAK. In ons omringende landen wordt in veel gevallen chemisch geactiveerd PAK toegepast op rwzi’s, in Nederland tot nu toe veelal stoom-geactiveerd PAK.
PAK-leveranciers en toepassing op rwzi’s
PAK wordt voornamelijk geproduceerd in Azië en de Verenigde Staten, maar ook in Europa vindt productie van, zowel stoom- als chemisch geactiveerd, PAK plaats. Omdat PAK wereldwijd wordt verhandeld, is er voldoende (niet fossiel) PAK om aan de vraag te voldoen als alle Nederlandse rwzi’s met PACAS-installaties worden uitgerust. In andere Europese landen, voornamelijk Duitsland en Zwitserland, wordt al op tientallen rwzi’s PAK toegepast voor de verwijdering van microverontreinigingen. Er wordt zowel stoom- als chemisch geactiveerd PAK toegepast. Tabel 1 bevat informatie uit interviews met vijf PAK-leveranciers. De prijzen die PAK-leveranciers hebben opgegeven voor fossiel en niet-fossiel PAK bedragen ten tijde van schrijven 2 tot 2,5 euro/kg voor fossiel PAK en 3,0 tot 3,5 euro/kg voor niet-fossiel PAK. Afhankelijk van de energieprijs kan de PAK-prijs schommelen. Met de hoge gasprijs in 2022/2023 steeg de prijs voor fossiel PAK bijvoorbeeld tot circa 4 euro/kg.
Uitloging en uitspoeling van zouten uit PAK
Uit eerder STOWA-onderzoek komt naar voren dat het toepassen van PAK uit steenkool leidt tot een toename van zwavel, kalium en natrium in het slib [2]. De kaliumen zwavelconcentraties lagen respectievelijk 22% en 19% hoger dan bij de referentie-rwzi zonder PAK-dosering. Een belangrijke vraag was of de verhoogde kalium- en natriumconcentraties enkel waargenomen werden in het slib of dat er ook uitloging optreedt naar het water. In dat geval zou het effluent van de rwzi verhoogde concentraties kalium en natrium bevatten, wat zeer ongewenst zou zijn. Daarom zijn metingen uitgevoerd om de eventuele uitloging van metalen vanuit het slib naar de waterfase vast te stellen. In de waterfase zijn geen verhoogde concentraties metalen gemeten, waardoor aangenomen mag worden dat de metalen vastgelegd zijn in het zuiveringsslib. Dit slib wordt separaat afgevoerd en verwerkt. De aanwezigheid van metalen in PAK is echter wel een punt van aandacht, aangezien verhoogde concentraties metalen in het slib gevolgen kunnen hebben voor het eindverwerkingsproces en de herbruikbaarheid van de as die overblijft na verbranding. De uitspoeling van kleine deeltjes poederkool via het effluent naar het oppervlaktewater is op verschillende rwzi’s onderzocht, maar kan niet eenvoudig worden gekwantificeerd. Op basis van onderzoek op rwzi Simpelveld wordt geconcludeerd dat de PAK-concentratie in het effluent <1 mg/l (detectiegrens) bedraagt [1].
Beheer en onderhoud
Het beheer en onderhoud van een PACAS-installatie kost gemiddeld een uur per dag. De schaalgrootte van de installatie maakt daarbij weinig uit, omdat het aantal onderdelen in de installatie maar zeer beperkt afhankelijk is van de schaalgrootte. Om verstopping van de sproei-installatie te voorkomen is het van belang dat het gebruikte water vrij is van deeltjes. Verder blijft het belangrijk om de installatie goed te onderhouden en beheren.
Duurzaamheid
De duurzaamheid van PAK kan worden beoordeeld aan de hand van de grondstof. We onderscheiden fossiel PAK op basis van steenkool en niet-fossiel PAK. Dit is bijvoorbeeld PAK geproduceerd uit hout, PAK dat vrijkomt bij het reactiveren van granulair kool, mengsels en hergebruikt PAK uit drinkwaterproductie en industriële processen. Ook worden er PAK geproduceerd uit een combinatie van grondstoffen, bijvoorbeeld een mengsel van grondstoffen uit fossiele en niet-fossiele bronnen. De duurzaamheid kan beoordeeld worden aan de hand van de herkomst van de grondstof, de CO2-voetafdruk van de grondstof en de productie van de PAK. In tabel 2 is de CO2-emissie van verschillende types PAK uitgewerkt. Hieruit blijkt dat de niet-hernieuwbare CO2-voetafdruk van fossiel PAK aanzienlijk hoger uitvalt dan PAK van de overige bronnen. Dit kan worden verklaard doordat deze grondstof zelf geen CO2-emissie vertegenwoordigt.
Aanbesteding PAK
In een aanbesteding kan PAK worden beoordeeld op basis van het verwijderingsrendement op microverontreinigingen. Verder kan PAK beoordeeld worden op de oorsprong van de PAK-grondstof (bijvoorbeeld binnen of buiten EU) en allerlei fysisch-chemische kenmerken, zoals deeltjesgrootte, vochtgehalte, explosiegerelateerde parameters, leveringszekerheid en referenties. Al deze eigenschappen van PAK kunnen worden afgewogen in de aanbesteding. Dit kan met diverse aanbestedingsvormen zoals ‘economisch meest voordelige inschrijving’ (EMVI) of ‘beste prijs-kwaliteitverhouding’ (BPKV).
Productontwikkelingen
Een interessante ontwikkeling is het hergebruik van PAK uit de drinkwaterproductie. Op dit moment onderzoekt AquaMinerals samen met Hoogheemraadschap Rijnland, Waterschap Aa en Maas en Dunea de mogelijkheden om verzadigd PAK uit de drinkwaterproductie in te zetten op AWZI Gouda [4]. Een potentieel voordeel hiervan is dat het product reeds als slurry wordt aangeleverd en er dus geen silo en complexe doseerinstallatie nodig zijn. Een eenvoudige container met menger en doseerpomp volstaan. Verder zijn er geen explosie-risico’s en zijn de kosten mogelijk lager.
Aanbevelingen
Aanbevolen wordt om bij een aanbesteding niet bij voorbaat chemisch geactiveerd PAK uit te sluiten, maar een doelstelling op te nemen voor het verwijderingsrendement en producteisen voor onder meer explosieveiligheid. Er is beperkt informatie over de eventuele uitloging van stoffen van PAK naar de waterfase. Aanbevolen wordt om uitlogingstesten uit te voeren op verschillende types PAK. Verder wordt aanbevolen om in een vervolgonderzoek voor verschillende types PAK de samenstelling vast te stellen. Er is momenteel nog geen bruikbare methode om de uitspoeling van PAK te kwantificeren, maar wellicht bieden ontwikkelingen als thermogravimetrische analyse uitkomst [2]. Aanbevolen wordt om hier nader onderzoek naar uit te voeren.
In de nabije toekomst worden strengere eisen gesteld aan de effluentkwaliteit van rwzi’s. Zo moeten microverontreinigingen, waaronder medicijnresten, op veel rwzi’s voor 80% verwijderd gaan worden. Een methode om microverontreinigingen te verwijderen is het doseren van poeder-actiefkool (PAK). In dit onderzoek is op basis van interviews met ervaringsdeskundigen verkend welke lessen er uit de praktijk getrokken kunnen worden op het gebied van werking, duurzaamheid, beheer en onderhoud en aanbesteding van PAK-installaties.