NieuWater heeft inmiddels vijftien jaar ervaring met grootschalig hergebruik van het effluent van de rioolwaterzuivering in Emmen. Ter voorkoming van biofouling op de omgekeerde-osmosemembranen is de BODAC-techniek ontwikkeld.
Geschreven door Gerrit Veenendaal (NieuWater), Roy Rosink, Jaap Nonnekens (Waterschap Vechtstromen), Wilbert Menkveld (Nijhuis Saur Industries), Rob Borgerink (Jotem Water Solutions)
Download hier de pdf van dit artikel.
Klimaatverandering zorgt voor dalende grondwaterstanden door aanhoudende droogte. Deze waterschaarste dwingt Nederland tot een fundamentele omslag in hoe het naar water kijkt. In plaats van het lineaire model – gebruik en weggooi – is een overstap nodig naar circulair waterbeheer. Hierin speelt rioolwaterzuivering een cruciale rol. Het effluent van rioolwaterzuiveringsinstallaties (rwzi's) moet niet langer worden behandeld als afvalwater, maar als een waardevolle grondstof die opnieuw kan worden gebruikt voor drinkwaterproductie, industriële processen of irrigatie.
Circulair water betekent dat elke druppel meerdere keren wordt gebruikt, voordat deze terugkeert naar de natuurlijke watercyclus. Voor Nederland, met zijn hoge bevolkingsdichtheid en intensieve industrie, is dit geen luxe maar een noodzaak voor een duurzame watervoorziening. De overgang naar circulair waterbeheer is daarom niet alleen een technologische uitdaging, maar een economische en maatschappelijke prioriteit die bepaalt of Nederland ook in de toekomst zijn positie als welvarend waterland kan behouden.
NieuWater, een dochteronderneming van Waterschap Vechtstromen, produceert sinds 2010 ‘ultrapuur water’ uit het effluent van de rwzi in Emmen. Aan deze Ultra Puur Waterfabriek (UPW) is een uitgebreide studie voorafgegaan met pilottesten, om te komen tot een totaalontwerp met minimaal gebruik van chemicaliën en een beperkte reststroom, die direct terug kan naar de rwzi. Dit heeft geleid tot een ontwerp waar toenemende wereldwijde belangstelling voor bestaat. NieuWater krijgt regelmatig bezoekers uit de hele wereld, de laatste jaren onder andere uit Denemarken, Duitsland, Saoedi-Arabië, de Verenigde Staten, Vietnam, en Zuid-Korea.
In 2019 is deze fabriek, na bijna tien jaar ervaring, al eens beschreven [1]. Dit artikel gaat dieper in op de kwantitatieve aspecten van de UPW en de nieuwste ontwikkelingen.
Ontwerp
De UPW is ontworpen om continu 8200 m3 ultrapuur water per dag te produceren, met een maximum van 10.000 m3/dag. Hiervoor is 11.000 tot 13.500 m3 effluent per dag nodig.
De rwzi in Emmen verwerkt dagelijks tussen 15.000 en 125.000 m3 afvalwater – vergelijkbaar met het huishoudelijk afvalwater van 200.000 mensen. In de regio Emmen wordt relatief veel regenwater afgevoerd via het rioleringsstelsel. Dit verklaart de brede bandbreedte in de dagelijkse aanvoer van rioolwater. Als er na een periode van droogte een zware regenbui valt leidt dit tot een extreme belasting van de zuivering met slib uit de riolen en een korte periode van hoge ammoniumgehaltes en slib in het effluent. Aan deze omstandigheden kan de UPW zonder problemen het hoofd bieden.
De praktijkervaring van inmiddels vijftien jaar hergebruik bewijst dat rwzi-effluent uitstekend geschikt is als bron voor industrieel water, met name in regio’s waar waterschaarste een structureel probleem vormt.
Beperking reststromen
De hoofdzuivering van rwzi Emmen bestaat uit ultrafiltratie (UF) voor de verwijdering van niet-opgeloste stoffen en tweemaal omgekeerde osmose (RO) voor de verwijdering van zouten en organische stoffen. De laatste stap is een elektro-deïonisatie (EDI) waarmee de laatste restjes zout uit het water worden verwijderd.
Het rwzi-effluent bevat relatief veel voedingsstoffen, die kunnen leiden tot onbeheersbare groei van bacteriën op de RO-membranen (biofouling). Als alternatief voor het gebruik van biociden, de meest toegepaste methode om dit te voorkomen, is BODAC ontwikkeld. Bij deze techniek wordt een filter met actieve kool toegepast met een extra dosering van zuurstof en specifieke regeltechniek. Tijdens een promotieonderzoek [2] is aangetoond dat deze techniek niet alleen biofouling voorkomt, maar ook andere vormen van membraanvervuiling. De actieve kool wordt niet vervangen of geregenereerd en draait nu ook al vijftien jaar. Met toepassing van BODAC hoeven de RO-membranen nog maar twee keer per jaar (preventief) worden gereinigd met zoutzuur en natronloog. Normaliter gebeurt dit minstens twee keer zo vaak.
Bij RO worden over het algemeen antiscalants gedoseerd. Dit zijn stoffen die voorkomen dat bij de indikking van het water zouten neerslaan (scaling). Bij NieuWater zijn speciale in-line monitoren ingebouwd, die zowel biofouling als scaling direct detecteren. Hierdoor is NieuWater in staat om de hoeveelheid antiscalant in de RO’s te beperken tot een minimum (ca. 10 procent van de gebruikelijke hoeveelheid.
Door deze technieken is NieuWater in staat om haar afvalstromen zowel kwalitatief als kwantitatief te beperken. De volgende reststromen gaan terug naar de RWZI:
- concentraat van de UF, dat bestaat uit slib uit de rwzi. Door dit terug te sturen naar de inlaat van de rwzi wordt zelfs de belasting van het oppervlaktewater met slib door de rwzi-lozing beperkt;
- Spoelwater van filters: filters worden regelmatig teruggespoeld om de overmaat biologie (met name nitrificeerders) te verwijderen. Het spoelwater bevat veel nuttige bacteriën voor de rwzi;
- Concentraat van de RO’s. Dit bevat voornamelijk zout en organische verbindingen (bv. humuszuren). Het zout heeft weinig invloed op de kwaliteit van het rwzi-water, gezien de grote bijdrage van regenwater. In droge perioden (zomer) komt het oppervlaktewater uit het IJsselmeer en bevat het vrij veel zout ten opzichte van het rwzi-effluent. BODAC heeft al veel medicijnresten en andere verontreinigingen verwijderd uit het water, waardoor dit retourwater geen nadelige invloed heeft op het zuiveringsproces in de rwzi als gevolg van verdunning dan wel ophoping van componenten in de biologie.
Deze reststromen bevatten veel minder verontreinigingen dan het overige inkomende rioolwater.
Lange levensduur membranen
Zoals gezegd zijn de UF- en RO- membranen inmiddels vijftien jaar oud en nog niet vervangen. De UF-membranen worden relatief laag belast vergeleken met bijvoorbeeld een Membraanbioreactor (MBR) waarvoor ze zijn ontworpen.
De reden voor de lange levensduur van de RO-membranen is tweeledig: met BODAC treedt minder vervuiling op dan bij de reguliere technieken om biofouling te voorkomen. Zoals beschreven worden de membranen relatief weinig gereinigd met chemicaliën. Wel is hier van belang dat de productie van de UPW gemiddeld lager is dan de ontwerpcapaciteit. Bovendien is de capaciteit gebaseerd op het gebruik van vier van de vijf straten. Uit berekeningen blijkt dat de membranen gedurende deze vijftien jaar gemiddeld ongeveer de helft van de tijd in productie waren.
Afbeelding 1. MTC-waarden van de eerste RO-trap in 15 jaar bedrijf
Wel zien we een sterke afname in de beginperiode. De massatransportcoëfficiënt (MTC) daalt van 1,1.10-11meter per seconde-Pascal naar 0,5.10-11m/s.Pa in ruim een jaar tijd (zie afbeelding 1). Onderzoek heeft aangetoond dat dit mogelijk veroorzaakt wordt door polyelektrolyten die werden toegepast bij de indikking van slib op de rwzi. Momenteel vindt nog nader onderzoek plaats naar de oorzaak. Na de eerste sterke daling daalt de MTC zeer langzaam (ca 0,5. 10-11 m/s.Pa in tien jaar).
De Ultieme Waterfabriek
Drinkwaterbedrijven, waterschappen, STOWA en KWR, in totaal veertien partners, werken samen aan het project ‘De Ultieme Waterfabriek’ [3] om na te gaan of rwzi-effluent in de toekomst een bron voor drinkwater zou kunnen zijn. Een van de onderdelen van dit project is een demonstratie-installatie bij de UPW in Emmen. Hier wordt onderzocht welke zuiveringsstappen minimaal noodzakelijk zijn om gegarandeerd (chemisch en biologisch) betrouwbaar drinkwater te maken. NieuWater levert als projectpartner de demo-installatie om van het ultrapure water drinkwater te maken en faciliteert het onderzoek.
Doorontwikkeling BODAC
In 2018 bleek bij nader onderzoek naar de werking van BODAC dat deze filters uitstekend in staat zijn om medicijnresten en andere organische verbindingen te verwijderen (door afbraak) [4]. Na deze ontdekking heeft NieuWater onderzoek gedaan naar directe toepassing van BODAC als vierde zuiveringstrap ter verwijdering van medicijnresten. Dit blijkt zeer goed mogelijk [5].
Uit dit onderzoek en vergelijking met andere technieken komt BODAC naar voren als een relatief goedkope techniek met kleine CO2-voetafdruk, met name omdat de actieve kool niet vervangen of geregenereerd hoeft te worden. Het BODAC-concept is gepatenteerd, de naam en het beeldmerk zijn geregistreerd.
Alle testen met BODAC zijn in eerste instantie uitgevoerd op het effluent van de rwzi in Emmen. Naast medicijnresten en andere microverontreinigingen verwijdert BODAC ook ammonium (zie afbeelding 2) en mangaan.
Afbeelding 2. Verwijdering van ammonium door BODAC in de periode van testen met ijzerdosering en drukloos bedrijf
De vraag is daarbij of BODAC op andere effluenten vergelijkbare resultaten geeft. Dit is op twee locaties onderzocht:
• Horstermeer. Hier heeft Haskoning onderzoek gedaan naar het BO3-concept (later omgedoopt naar Aurea). Hiervoor is BODAC-kool gebruikt uit de installatie van NieuWater [6]. De resultaten bleken vergelijkbaar met de resultaten in Emmen.
• Garmerwolde. Op rwzi Garmerwolde is het project Regain uitgevoerd, waarbij meerdere technieken voor verwijdering van medicijnresten op pilotschaal worden vergeleken. Hier was ook de pilot van NieuWater gevuld met BODAC-kool onderdeel van het onderzoek. Ook hier bleken de verwijderingspercentages vergelijkbaar met de resultaten die we in Emmen behalen.
Gezien de belangstelling van waterschappen en bedrijven voor dit concept heeft NieuWater licenties voor deze techniek verleend aan Nijhuis Saur Industries en Jotem Waterbehandeling om deze techniek geschikt te maken voor de markt.
Tegelijkertijd wordt de techniek doorontwikkeld samen met de genoemde partijen, die uit de praktijk hun kennis inbrengen. Hierbij wordt vooral aandacht besteed aan het verder verlagen van het energieverbruik en het verbreden van de mogelijke ontwerpen.
Dit heeft geleid tot het volgende:
1. Optimaliseren van het zuurstof-inbrengsysteem (patent aangevraagd), waardoor het BODAC-filter zonder overdruk kan werken. Dit leidt tot een aanzienlijke energiebesparing. Bij de BODAC in de UPW worden gesloten filters toegepast, die werken met een overdruk van ca 1,5 Bar. In het pilotonderzoek heeft STOWA [5] in de berekeningen nog wel deze 1,5 Bar als overdruk gehanteerd, hoewel deze niet meer nodig is.
2. Combineren van BODAC met fosfaatverwijding door dosering van een vlokmiddel (ijzerchloride). De verwijdering van medicijnresten blijkt hier geen nadelige invloed van te ondervinden. In afbeelding 3 is de medicijnrestverwijdering weergegeven in de periode met fosfaatverwijdering en drukloos bedrijf. Deze rendementen zijn exclusief de verwijderingsrendementen van de rwzi. Als deze worden ingecalculeerd neemt het totale rendement met ongeveer 10-15 procent toe.
3. Introductie van BODAC BioActive Carbon. NieuWater heeft in 2025 een nieuwe actieve kool ontwikkeld. Dit is een geënte actieve kool, aangepast aan de organische microverontreinigingen, waardoor hij direct effectief is, en daarmee een belangrijke versnelling van het proces. De BioActive Carbon wordt toegepast in alle nieuwe BODAC-installaties.
4. Combineren met ozon. Nijhuis Saur Industries doet onderzoek naar de combinatie van BODAC met hun Ozone Strong Water (OSW)-concept, waarmee medicijnresten nog verdergaand worden verwijderd. Door deze toevoeging is BODAC OSW klaar om aan de strenge toekomstige eisen voor medicijnrestverwijdering uit rwzi-effluent te voldoen. Door de combinatie van ozon en BODAC kan ozondosering verlaagd worden om bromaatvorming tegen te gaan.
5. Verkenning van AOP-technologie (UV-Peroxide, Van Remmen UV Technology) met BODAC om naast extra medicijnresten ook antibioticaresistente bacteriën inactief te maken (desinfectiestap). Ook E.coli en aanverwante bacteriën worden inactief gemaakt. Door het combineren van deze twee technologieën kan de UV-dosis sterk verlaagd worden, waardoor ook bij lage transmissiewaarden (slechte doorlatendheid van het water voor UV-licht) een efficiënte behandeling ontstaat.
Door het nieuwe systeem van zuurstofinbreng en een drukloos filter zijn de mogelijkheden voor materiaalkeuze uitgebreid. Vooral grotere installaties kunnen ook in beton worden gebouwd. Dit leidt tot zowel lagere investerings- (capex) als onderhoudskosten (opex). Hierdoor is ook de CO2-voetafdruk kleiner dan in het oorspronkelijke ontwerp. De energieconsumptie is verlaagd van ongeveer 0,13 naar 0,05 tot 0,07 kWh/m3. Uit een eerste calculatie blijkt dat de kosten per m3 lager liggen dan in het STOWA-rapport [5] genoemd, ondanks de inmiddels sterk gestegen kosten voor materiaal en arbeid.
Afbeelding 3. Rendementen medicijnverwijdering door BODAC met ijzerdosering voor verwijdering fosfaat en drukloos bedrijf
Omgaan met onderste analysegrenzen
Het verwijderingsrendement wordt bepaald door de concentratie in de in- en uitgaande stroom te vergelijken. Wanneer de concentratie van een bepaalde stof relatief laag is en dicht bij de onderste analysegrens ligt, zal de concentratie in de uitgaande stroom al snel lager zijn dan deze grens. Hiervoor dient dan de waarde van de onderste analysegrens te worden gebruikt. Hierdoor kan een stof volgens deze methode nooit voor 100 procent verwijderd worden. Dit kan bij lage concentraties een grote invloed hebben op de gemeten verwijderingsrendementen.
Conclusie
Met zelf ontwikkelde technieken, in combinatie met commercieel verkrijgbare membraantechnieken, heeft NieuWater gedurende vijftien jaar een hoogwaardige waterkwaliteit geleverd. Membranen zijn nog nooit vervangen, het chemicaliëngebruik is minimaal en alle afvalstromen gaan terug naar de rwzi. Dit leidt tot een lichte belasting van de rwzi met het zout uit het RO-concentraat. Alle andere retourstromen zijn gunstig voor de rwzi.
De spin-off van deze fabriek is groot: de BODAC-techniek kan breed worden ingezet als vierde zuiveringstrap voor een rwzi die medicijnresten en andere verontreinigingen verwijdert. Daarnaast is deze techniek uitermate geschikt voor het doel waarvoor het ontwikkeld is: het voorkomen van zowel biologische als chemische membraanvervuiling.
Samenvatting
NieuWater heeft inmiddels vijftien jaar ervaring met grootschalig hergebruik van het effluent van de rioolwaterzuivering in Emmen. Ter voorkoming van biofouling op de omgekeerde-osmosemembranen is de BODAC-techniek ontwikkeld. Die blijkt uitstekend in staat om medicijnresten en andere microverontreinigingen uit effluent te verwijderen. Dankzij verder onderzoek en ontwikkeling levert deze techniek goede prestaties tegen relatief laag energieverbruik, eventueel in combinatie met andere technieken.
REFERENTIES
1. Veenendaal, G., Kuiper, D., Dost, S., Van der Maas, P. (2019). ‘Ultrapuur water uit RWZI-effluent; bijna 10 jaar ervaring in Emmen’, H2O-Online, 24 december 2019. https://www.h2owaternetwerk.nl/vakartikelen/ultrapuur-water-uit-rwzi-effluent-bijna-10-jaar-ervaring-in-emmen
2. Ribeiro Pinela, S. (2024). Biological Oxygen Dosed Activated Carbon (BODAC): an innovative technique for effective fouling prevention. Thesis, Wageningen University. https://library.wur.nl/WebQuery/wda/directlink/2343110
3. Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (2023). De Ultieme Waterfabriek: méér doen met gezuiverd rioolwater. https://www.stowa.nl/nieuws/de-ultieme-waterfabriek-meer-doen-met-gezuiverd-rioolwater.
4. Van der Maas, P., Veenendaal, G., Nonnekens, J. Brink , H., De Vogel, D. (2020). ‘Biologische actiefkoolfiltratie met zuurstofdosering: veelbelovende techniek voor verwijdering geneesmiddelen?’, H2O-Online, 12 februari 2020. https://www.h2owaternetwerk.nl/vakartikelen/biologische-actiefkoolfiltratie-met-zuurstofdosering-veelbelovende-techniek-voor-verwijdering-geneesmiddelen
5. Dost, S., Kloosterman-Greftenhuis, J., Verburg, I., Mous, A. (2023). Pilotonderzoek BODAC, Biologisch actief koolfiltratie met zuurstofdosering voor verwijdering microverontreinigingen uit RWZI-afvalwater. STOWA rapport 2023-50 https://www.stowa.nl/publicaties/biologische-actiefkoolfiltratie-met-zuurstofdosering-voor-verwijdering-microverontreinigingen-uit
6. Piai, L., De Wit, A. (2023). Pilotonderzoek BO3-Technologie. STOWA rapport 2023-48 https://www.stowa.nl/onderwerpen/waterkwaliteit/nieuwe-stoffen/pilotonderzoek-bo3-technologie-ipmv
