Stikstofverwijdering zonder lachgasemissies

In het TKI-project ‘Omzetting van ammonium naar elektriciteit’ werd gestreefd naar de afbraak van ammonium (NH₄⁺) in afvalwater tot stikstofgas, en hiermee ammonium tot zeer lage concentraties te kunnen verwijderen. Tegelijkertijd zouden lachgas (N₂O) emissies  geminimaliseerd worden. De technologie om hieraan te werken maakt gebruik van een combinatie van microorganismen en elektroden. Door de elektrodepotentiaal precies in te stellen, en de juiste hoeveelheid zuurstof toe te voegen, kan dit proces goed gestuurd worden naar de gewenste snelheid en selectiviteit. Dankzij het instellen van elektrodepotentialen en het precies doseren van zuurstof kan stikstof efficiënt worden afgebroken, met minimale milieubelasting. Zo levert dit project een belangrijke bijdrage aan zowel het oplossen van het stikstofprobleem als aan de doelstellingen van de Kaderrichtlijn Water en het verminderen van broeikasgassen.,specifiek N₂O.

Er bestaan verschillende technologieën om stikstof (total ammonia nitrogen, TAN) te verwijderen uit afvalwater. De huidige nitrificatie/denitrificatie processen hebben twee groten nadelen. Ten eerste is er energie nodig voor beluchting voor zuurstof-overdracht aan de nitrificerende bacteriën. Ten tweede is de vorming van het broeikasgas N2O (lachgas) onvermijdelijk. Het doel is dus om stikstofhoudende water stromen (bijv. uit de industrie of in de waterzuivering) op een duurzame manier te zuiveren.

Aanpak

Tijdens het project hebben we gewerkt aan een nieuwe technologie die zowel de uitstoot van lachgas als het elektriciteitsverbruik voor beluchting vermindert. Deze technologie is gebaseerd op een principe dat we recent ontdekt hebben: bepaalde micro-organismen kunnen elektronen opslaan. Met dit principe kunnen afzonderlijke reductie of oxidatie reacties worden uitgevoerd aangezien de bacterie dan als elektronen donor of elektronen acceptor optreedt. Hiermee kunnen we de omzetting van TAN sturen.

Resultaten

Aan het eind van dit project konden we aantonen dat de combinatie van micro-organismen en elektroden gebruikt kan worden om TAN tot lage concentraties te verwijderen. Door het toevoegen van een klein beetje zuurstof neemt de afbraaksnelheid aanzienlijk toe. Ook kan de uitstoot van N₂O volledig voorkomen worden.

Dit principe is nu op labschaal onderzocht en aangetoond. Er liggen nog wel vragen over hoe de reactor verder ontworpen en opgeschaald kan worden, en of de snelheid van het proces nog verder verhoogd kan worden. Ook de geschiktheid van waterstromen die in de praktijk stikstof bevatten moet verder getest worden. Als hier meer inzichten in zijn verkregen, kan de technologie verder ontwikkeld worden naar pilotschaal.

Samenwerkingspartners

Het onderzoek is uitgevoerd door een PhD student die met een persoonlijke beurs van CSC (China Scholarship Council) naar Nederland is gekomen. Het onderzoek is begeleid door medewerkers van Paqell en medewerkers van Milieutechnologie (WUR).