Fosfaat terugwinnen uit slib met behulp van magneten

Fosfaat is een schaarse grondstof die we hard nodig hebben voor onze voedselvoorziening. Tegelijkertijd is fosfaat zeer schadelijk wanneer het in grote hoeveelheden in het milieu terechtkomt omdat het dan zorgt voor eutrofiëring en algenbloei. Daarom wordt fosfaat in rioolwaterzuiveringen zo goed mogelijk verwijderd. Het terugwinnen van het fosfaat blijkt echter nog niet zo makkelijk. De bestaande technieken hebben beperkingen in rendement en toepassingsgebied. Maar er zijn positieve ontwikkelingen richting een meer circulaire economie. Het mineraal vivianiet speelt daarbij een centrale rol.

Samen met hun industriële partners ontdekten de onderzoekers van Wetsus en de TU Delft dat het fosfaatrijke vivianiet ontstaat wanneer ijzerzouten worden gebruikt voor de binding van fosfaat in rioolwaterzuiveringen. Dit is een veel gebruikte techniek voor het verwijderen van het fosfaat. Met de bestaande technieken was het tot nu toe echter moeilijk om het fosfaat hieruit terug te winnen. Onderzoek van Wetsus liet zien dat vivianiet betrekkelijk eenvoudig te winnen is uit het zuiveringsslib van deze rioolwaterzuiveringen met behulp van een magnetische scheidingstechniek uit de mijnbouw. Op deze manier is het mogelijk om tot wel 80% van het fosfaat uit het slib terug te winnen.

Circulaire fosfaatwinning

Het vivianiet kan rechtstreeks in de landbouw worden gebruikt als ijzerkunstmest. Het is met name geschikt voor olijfbomen, wijnranken en citrusbomen, soorten die kampen met ijzertekorten. Inmiddels wordt ook gezocht naar een manier om ijzer en fosfaat op een zo’n efficiënt mogelijke manier te scheiden. Wetsus-wetenschapper Leon Korving: “Dan kan de landbouw het fosfaat inzetten als meststof terwijl de afvalwaterzuivering het ijzerzout opnieuw kan gebruiken voor de zuivering. Zo wordt fosfaatverwijdering circulair.” De gepatenteerde technologie wint niet alleen fosfaat terug, maar verlaagt ook de kosten voor slibverwijdering met tien tot twintig procent. In de toekomst willen de wetenschappers onderzoeken of de mijnbouwtechniek ook toepasbaar is bij dierlijke mest.

Fosfaat als kritieke grondstof

Fosfaat is een waardevolle en schaarse grondstof. Jaarlijks winnen we wereldwijd ongeveer 40 miljoen ton fosfaat uit fosfaatmijnen. Tachtig procent hiervan wordt verwerkt in kunstmest. De grootste vindplaatsen bevinden zich in Marokko, China en de Verenigde Staten. De Europese Unie heeft zelf geen eigen voorraden en nam fosfaat vanwege het strategische belang voor de voedselproductie in 2014 op in haar lijst van twintig kritieke grondstoffen. Tegelijkertijd vormt de meststof een probleem als het in grote hoeveelheden in het oppervlaktewater terechtkomt. Hierdoor ontstaat overmatige algenbloei met als gevolg een gebrek aan zuurstof in ons oppervlaktewater, met alle gevolgen vandien. Afvalwaterzuiveringen zijn dan ook verplicht om fosfaat te verwijderen.

Manieren om fosfaat terug te winnen

Tot nu toe gebruiken rioolwaterzuiveringen grofweg twee manieren om het fosfaat te verwijderen. Korving: “Je kunt kiezen voor een biologische verwijdering van fosfaten. Voordeel is dat je dan geen chemicaliën nodig hebt.” De zuivering is echter complexer en kan een hoger energieverbruik hebben. Een andere veelgebruikte techniek is het doseren van ijzerzouten om het fosfaat tijdens de zuivering te binden. Deze twee technieken bieden verschillende uitgangspunten voor de terugwinning. Korving: “Bij de biologische manier van verwijdering is het mogelijk om het fosfaat neer te slaan als struviet door het toevoegen van magnesiumzouten. Deze techniek wordt al gebruikt op een aantal zuiveringen. Een nadeel is echter dat het terugwinrendement beperkt is tot 10-50% van het fosfaat in het slib.”

Voor de zuiveringen die ijzerzouten gebruiken bestond echter nog geen terugwintechniek. Korving: “Daarom besloten wij samen met de groep van prof. Mark van Loosdrecht van de TU Delft op zoek te gaan naar een methode om ook fosfaat in deze zuiveringen terug te winnen.”

Vivianiet als drager van fosfaat

Samen met zijn collega’s ontdekte Korving dat de combinatie van ijzer en fosfaat reageert tot het mineraal vivianiet. Dit mineraal bindt fosfaten en valt op door zijn kleur. Leon Korving: “Vivianiet is van oorsprong kleurloos, maar wordt na oxidatie blauw en uiteindelijk zwart. Rembrandt en Vermeer gebruikten de heldere blauwe kleurstof op hun doeken.” In vergelijking met struviet maakt vivianiet kleinere kristallen waardoor de winning moeilijk is. Leon Korving: “Gelukkig realiseerden we ons dat vivianiet paramagnetisch is: het wordt magnetisch zodra er een magneet in de buurt is. Onze industriële samenwerkingspartners wezen erop dat in de mijnbouw magnetische technieken al veel gebruikt worden. Gelukkig bleek professor Rem van de TU Delft ervaring te hebben met deze technieken en daardoor konden we snel op labschaal aantonen dat dit principe inderdaad ook voor zuiveringsslib werkt.”

Inmiddels is de werking van de magnetische fosfaatverwijdering ook in de praktijk getest met Europese financiering van EIT Raw Materials. Een proefopstelling bij rioolwaterzuivering Nieuwveer van waterschap Brabantse Delta bewees dat de methode uiterst effectief is. Leon Korving: “De magneet verwijderde maar liefst tachtig procent van het vivianiet in het slibresidu dat uit de vergistingstank kwam. De volgende stap is om de vertaalslag te maken naar een pilot-installatie in commerciële vorm.”

Circulaire fosfaatwinning

Het vivianiet kan rechtstreeks in de landbouw worden gebruikt als ijzerkunstmest. Het is met name geschikt voor olijfbomen, wijnranken en citrusbomen, soorten die kampen met ijzertekorten. Inmiddels wordt ook gezocht naar een manier om ijzer en fosfaat op een zo’n efficiënt mogelijke manier te scheiden. Leon Korving: “Dan kan de landbouw het fosfaat inzetten als meststof terwijl de afvalwaterzuivering het ijzerzout opnieuw kan gebruiken voor de zuivering. Zo wordt fosfaatverwijdering circulair.” De gepatenteerde technologie wint niet alleen fosfaat terug, maar verlaagt ook de kosten voor slibverwijdering met tien tot twintig procent. In de toekomst willen de wetenschappers onderzoeken of de mijnbouwtechniek ook toepasbaar is bij dierlijke mest.