CoRe Water: van evolutie naar een revolutie in de communale waterzuivering

Het ontwikkelen van een nieuw modulair en adaptief fysisch-chemisch concept voor de behandeling van rioolwater is nog een grote uitdaging, zo blijkt uit het onlangs afgeronde CoRe Water-project binnen TKI Watertechnologie. De toegepaste technologie met spiraalgewonden Forward Osmosis (FO)-membranen is gevoelig voor vervuiling en verstopping en vraagt veel energie. Deze voortschrijdende inzichten helpen om te komen tot de juiste FO-uitvoeringsvorm die het zuiveren van ons afvalwater toekomstbestendig maakt.

Een breed pakket aan maatschappelijke ontwikkelingen maakt dat waterschappen worden geconfronteerd met verschillende uitdagingen rond afvalwater. Klimaatverandering, de energietransitie, de circulaire economie, toenemende verstedelijking en striktere eisen aan de kwaliteit van het oppervlaktewater vragen om een reeks aan slimme oplossingen. Deze transitie naar hoe we in de toekomst omgaan met ons afvalwater wordt onder andere vormgegeven door verbetering van effluentkwaliteit, het terugdringen van de uitstoot van broeikasgassen en het terugwinnen van waardevolle grondstoffen, water en energie uit afvalwater. De ontwikkeling van het CoRe Water-concept  als een vernieuwend, adaptief en modulair fysisch-chemisch zuiveringsconcept sluit hierop aan. Het concept heeft als doel nog onbehandeld rioolwater te scheiden in een schoonwaterfractie en een sterk geconcentreerde afvalwaterstroom.

Forward Osmosis-technologie

Kern van het CoRe Water-concept is de Forward Osmosis (FO)-technologie, die het zuiveringsproces in feite omdraait. In de eerste stap wordt met een sterke zoutoplossing (draw solution) water onttrokken aan het afvalwater. Het schone water wordt vanuit de draw solution geproduceerd met behulp van Reverse Osmosis (RO)-technologie. Er ontstaat een sterk geconcentreerde reststroom met een 20 keer kleiner volume dan normaal. Het concentraat kan vervolgens anaeroob worden behandeld, wat resulteert in het efficiënt terugwinnen van nutriënten en de productie van energie (biogas).

Pilot met uitdagingen

Het onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met drie waterschappen die elk met een eigen ambitie deelnamen aan het project. Voor Waterschap Rijn en IJssel lag de focus op de verwaarding van componenten uit de concentraatstroom. Waterschap Vallei & Veluwe was geïnteresseerd in de inzet van het productwater binnen het stedelijk waterbeheer. En Waterschapsbedrijf Limburg (WBL) had interesse in opschaling van de technologie en zag mogelijkheden voor de inzet van productwater als zoetwaterbron voor de industrie en landbouw. Bij alle deelnemende waterschappen zijn pilots uitgevoerd met verschillende doelstellingen, gekoppeld aan deze ambities. Hierbij is gebruik gemaakt van een bestaande pilot (0,2 m3/uur) en een nieuwe pilot die binnen het project is ontworpen en gebouwd (2 m3/uur).

In het onderzoek is gekozen voor spiraalgewonden FO-modules (SWFO-RO), de enige beschikbare uitvoeringsvorm op dat moment.Onder de heersende omstandigheden bleken deze modules voor de nodige uitdagingen te zorgen. Praktijktesten met de nieuwgebouwde CoRe-pilot op RWZI Roermond  lieten zien dat de FO niet stabiel kon worden bedreven. Daarnaast werd bij een relevante concentratiefactor (≥20) de beoogde flux van 5 liter per m2 per uur niet gehaald. De voornaamste oorzaak hiervoor was een complexe combinatie van deeltjesverstopping, organische vervuiling en biofouling als gevolg van onvoldoende voorbehandeling van het rioolwater. De CoRe-pilot liet zien dat het concept wel een robuuste barrière vormt voor nutriënten (CZV, tot-N, tot-P en zouten) en een breed scala aan organische microverontreinigingen. De kwaliteit van het geproduceerde water (RO-permeaat) was zeer goed. Wel is vastgesteld dat ammonium accumuleert in de draw solution.  Daardoor komt het ook in het geproduceerde water terecht. Afhankelijk van de toepassing van het water zou dit een aanvullende behandeling noodzakelijk maken.

Nieuwe perspectieven

Met deze resultaten heeft het CoRe Water-concept zeker niet afgedaan. Voortbouwend op wat is geleerd zijn er kansen voor nieuwere typen moduleconcepten. Interessant in dit verband zijn capillaire/tubulaire FO-membraanmodules of ondergedompelde FO-plaatmodules. In deze modulesystemen ontbreekt de smalle spacer (tussenlaag) die zo typerend is voor spiraalgewonden membranen en die door deeltjesverstopping zo problematisch bleek tijdens de pilottesten. De systemen hebben daardoor vele voordelen: ze zijn minder vervuilingsgevoelig, beter te reinigen en verbruiken waarschijnlijk minder energie. Daarnaast zijn ze eenvoudiger qua ontwerp en de membranen zijn naar verwachting goedkoper dan de spiraalgewonden FO-membranen. Volgens de onderzoekers bieden deze modulesystemen voldoende perspectief om met het CoRe-concept vervolgonderzoek uit te voeren.