Advanox is een geavanceerd oxidatieproces dat microverontreinigingen kan oxideren. Ten opzichte van eerdere ontwerpen is de energie-efficiëntie sterk verbeterd. Bij een demonstratieproject op rwzi Utrecht is een energie-efficiëntie van 0,1 kWh/m3 aangetoond om >85% medicijnresten te verwijderen volgens de nieuwe EU-richtlijn.
Download hier de pdf van dit artikel.
Geschreven door Thomas van Remmen, Remon Dekker, Kaspar Groot Kormelinck (van Remmen UV Technologie), Erik Rekswinkel (Hoogheemraadschap De Stichtse Rijnlanden), Bas van Oudheusden (GMB)
De term microverontreinigingen wordt gebruikt voor een groep stoffen met verschillende toepassingen en chemische eigenschappen die, ook in lage concentraties, significante negatieve effecten kunnen hebben op het watermilieu. In deze groep vallen onder meer geneesmiddelen, hormonen, bestrijdingsmiddelen en weekmakers. Deze microverontreinigingen bereiken via het rioolstelsel de rwzi. Veel microverontreinigingen worden niet efficiënt verwijderd door een conventionele zuivering en komen dus in het milieu terecht.
In 2016 is het ministerie van Infrastructuur en Waterstaat in samenwerking met een groot aantal belanghebbenden begonnen met de Ketenaanpak ‘Medicijnresten uit Water’. Dit is de start geweest voor het innovatieprogramma microverontreinigingen uit rwzi-afvalwater (IPMV) van STOWA. Meerdere technieken voor de verwijdering van microverontreinigingen zijn hierin vergeleken op het gebied van verwijderingsrendement, kosten en CO2-voetafdruk. Daarnaast zijn de nieuwe technieken vergeleken met de referentietechnieken Powder Activated Carbon in Activated Sludge (PACAS), Granular Activated Carbon (GAC) en Ozon.
Waterschap Aa en Maas heeft op rwzi Aarle-Rixtel een pilotonderzoek naar geavanceerde oxidatie uitgevoerd, waarin de Advanox-technologie van Van Remmen UV Technologie is ingezet. De resultaten van dat pilotonderzoek waren negatief op het gebied van elektriciteitsverbruik, waardoor deze techniek – naar nu blijkt ten onrechte – als ‘laag’ is beoordeeld als een toepasbare medicijnverwijderingstechniek. In een full-scale demo-opstelling op rwzi Utrecht is het tegendeel aangetoond.
Achtergrond: AOP
De techniek UV + H2O2 is een veelbelovende techniek die nog niet wordt toegepast op Nederlandse rwzi’s, maar wel bij de verwijdering van gewasbeschermingsmiddelen uit afvalwater van de glastuinbouw, voor verwijdering van zeer zorgwekkende stoffen (zzs) uit industrieel afvalwater en bij drinkwaterproductie. De techniek werkt op basis van de productie van hydroxylradicalen uit waterstofperoxide onder invloed van UV-C-licht. Deze hydroxylradicalen kunnen verbindingen in organische microverontreinigingen oxideren. Daarnaast heeft het UV-C-licht zelf ook nog een direct fotolyse-effect waarmee het de microverontreinigingen af breekt. Door de combinatie van deze twee processen wordt een breed scala aan medicijnresten opgeknipt in stukjes die niet meer actief en schadelijk zijn en daarnaast beter biologisch afbreekbaar.
Voor geavanceerde oxidatie (AOP) met UV-C-licht kan er gekozen worden uit twee typen lampen: lage druk- en middendruk-UV-C-lampen. In deze demonstratie zijn lage druk-hoge output-lampen gebruikt, omdat deze een hoge energie-efficiëntie hebben en enkel een golflengte van 254 nm produceren. Hierdoor worden er geen schadelijke bijproducten, zoals bromaat gevormd.
Het rendement van de verwijdering is onder meer afhankelijk van twee factoren: UV-C-dosis (J/m2) en concentratie waterstofperoxide (ppm). De UV-C-dosis wordt berekend uit de verblijftijd, de UV-C-transmissie en de lichtintensiteit. In de wordt voor AOP een tienmaal zo hoge UV-C-dosis toegepast als die voor UV-desinfectie.
Achtergrond: UV-C-transmissie
Bij de toepassing van UV-C-licht in waterbehandeling moet rekening gehouden worden met de lichtdoorlatendheid van het water; de UV-C-transmissie. Deze wordt uitgedrukt in %T10 bij 254 nm golflengte. Deze waarde geeft aan welk percentage UV-C-licht overblijft nadat het zich door 10 mm water heeft verplaatst. De transmissie correleert vaak met de chemische waterkwaliteitsparameters, zoals biologisch en chemisch zuurstofverbruik en totaal koolstof.
Hoe lager de transmissiewaarde is, hoe moeilijker het licht door het water kan penetreren, waardoor de volumetrische efficiëntie van de lamp lager is. Dit wordt vaak gecompenseerd door lampen met een hogere UV-intensiteit te gebruiken of meer lampen in een reactor te plaatsen. Hierdoor kost waterbehandeling met UV-C-licht bij water met lage transmissie meer energie dan bij een hoge transmissie wanneer een zelfde dosis wordt afgeven. Voor nabehandeling van afvalwater is het energieverbruik een belangrijk aspect van de kosten. Dit was ook het belangrijkste aandachtspunt na het eerder uitgevoerde pilotonderzoek op rwzi Aarle-Rixtel [1]. Op deze locatie bleek sprake van een relatief lage %T10 van 35 tot 51%. Het effluent van de rwzi Utrecht bleek met transmissie van 58-65% juist geschikt voor de Advanox-technologie.
Optimaliseren reactorontwerp
Naar aanleiding van de tegenvallende resultaten van de pilot in Aarle-Rixtel is een nieuw type AOP-reactor ontwikkeld; de Advanox Flow. In deze reactor is de stroming door de reactor compleet anders dan bij conventioneel ontwerp voor UV-disinfectie. De reactor is getest op een rwzi in Växjö (Zweden). Daar was het energieverbruik lager dan in eerdere pilots, maar nog steeds tussen 0,29 en 0,58 kWh/m3 om 70 tot 90% verwijderingsrendement te behalen op medicijnresten [2].
Om het energieverbruik van de Advanox Flow-reactor te verminderen zijn er met behulp van modellering en stromingsleer verschillende aanpassingen gedaan aan de reactor. Tijdens dit verbetertraject zijn meer dan 30 verschillende varianten getest met Computational Fluid Dynamics (CFD). Dit gedetailleerde onderzoek heeft een ontwerp opgeleverd waarmee de UV-dosering optimaal wordt benut. Het oude en nieuwe ontwerp zijn weergegeven in afbeelding 1. Door de aanpassingen is de verblijftijdspreiding in de reactor verkleind, waardoor een hoger verwijderingsrendement kan worden behaald bij eenzelfde energieverbruik. Voor de Advanox Flow is een patent in aanvraag. Naast dit nieuwe ontwerp worden lage druk-UV-C lampen met een hoge energie-efficiëntie gebruikt.
Afbeelding 1. Eerste ontwerp van de Advanox flow (links) en het verbeterde ontwerp dat gebruikt is in het demonstratie-onderzoek (rechts)
Opzet demonstratie-installatie
Het demonstratieonderzoek met de Advanox Flow-reactor is uitgevoerd tussen juli en oktober 2024 op rwzi Utrecht. Voor het onderzoek is gebruik gemaakt van een Advanox Flow-reactor in een zeecontainer van 20 voet (zie afbeelding 2)
Afbeelding 2. Impressie van de demo-opstelling Advanox op rwzi Utrecht. Rechts het zandfilter, links de 20ft-container met Advanox-reactor, midden de afvoer richting het bedrijfsriool
De container is opgesteld achter het bestaande zandfilter, waardoor er met een pomp water uit de schoonspoelwaterbuffer door de reactor kon worden gepompt. Dit is weergegeven in het processchema in afbeelding 3. Het behandelde water van de Advanox Flow is vervolgens via het interne bedrijfsriool teruggevoerd naar de voorzuivering van de waterlijn.
Afbeelding 3. Processchema van de tijdelijke opstelling bij rwzi Utrecht
Tijdens het demonstratieonderzoek zijn op drie dagen monsters genomen. Per dag zijn verschillende instellingen bemonsterd. De monsters zijn genomen bij droogweercondities. De belangrijkste instellingsvariabelen waren toevoerdebiet (m3/u), aantal ingeschakelde lampen en de concentratie waterstofperoxide (tabel 1). Om een indruk van de variatie over de testdagen te krijgen is tenminste één instellingscombinatie op alle dagen getest, namelijk 20 ppm en 5 kJ/m2 (instelling 1, 6 en 12).
Het doel van het variëren van deze instellingen was om een optimum te vinden waarbij het verwijderingsrendement hoger dan 80% is en het energieverbruik (kWh/m3) zo laag mogelijk. De inzichten van testdag 1 zijn gebruikt om de instellingen voor de tweede en derde testdag te optimaliseren. Op de laatste testdag is een volume-proportionele 24-uurs bemonstering ingezet. Het influent van de zuivering is ook bemonsterd om een verwijderingsrendement over de hele zuivering te kunnen berekenen. Dit is alleen bij de 24 uurs-bemonstering gedaan.
Tabel 1. Instellingen van de Advanox-installatie tijdens de verschillende runs. Instelling 1, 6 en 12 (dikgedrukt) hebben dezelfde UV-C-dosis en H2O2-concentratie. Instelling 9 (onderstreept) heeft het laagste energieverbruik
Verwijderingsrendement medicijnresten
Het verwijderingsrendement is berekend volgens de uitgangspunten van de nieuwe EU-richtlijn stedelijk afvalwater. Deze richtlijn gaat uit van twaalf gidsstoffen, verdeeld over twee categorieën. Voor de berekening moet op basis van de droogweerafvoer van tenminste zes stoffen het verwijderingspercentage worden berekend. Het aantal stoffen in categorie 1 moet twee keer zo hoog zijn als dat in categorie 2. Het gemiddelde van deze individuele verwijderingspercentages moet hoger zijn dan 80%. De gidsstoffenanalyses, waarbij 29 stoffen zijn geanalyseerd, zijn uitgevoerd door Aquon. Daarnaast zijn de parameters bromaat, bromide, N-Nitrosodimethylamine (NDMA en biologisch zuurstofverbruik (BZV) gemeten voor een aantal van de verschillende instellingen. Deze monsters zijn direct voor en direct na de Advanox genomen voor elke instelling, zodat een verwijderingsrendement voor de installatie kon worden bepaald.
Afbeelding 4. Monstername na de Advanox-reactor. Uit de leiding linksonder zijn gelijktijdig de ingaande monsters genomen
Het elektriciteitsverbruik per kubieke meter water is berekend door het vermogen van de UV-C-lamp te vermenigvuldigen met het aantal lampen en dit vervolgens te delen door het bijbehorende toevoerdebiet.
Resultaten
In afbeelding 5 zijn de verwijderingsrendementen van microverontreinigingen gepresenteerd ten opzichte van het elektriciteitsverbruik per m3. Naarmate het energieverbruik toeneemt, neemt ook het verwijderingsrendement toe. Dit komt doordat bij gelijkblijvende transmissie, bij een hoger energieverbruik, de UV-C-dosis toeneemt. Tijdens de metingen varieerde de UV-C-transmissie tussen 58 en 64%. Daarnaast neemt het verwijderingsrendement toe als er een hogere concentratie waterstofperoxide wordt gedoseerd. In afbeelding 6 zijn deze effecten ook te zien als er maar één variabele verandert.
Afbeelding 5. Verwijderingsrendement microverontreinigingen met bijbehorend energieverbruik en H2O2-concentratie. De UV-C-transmissie bij deze metingen varieerde tussen de 58 en 64%. Voor de berekening van dit verwijderingsrendement zijn zes gidsstoffen gebruikt
Afbeelding 6. Verwijderingsrendement microverontreinigingen met bijbehorend energieverbruik en H2O2-concentratie per instelling. De UV-C-transmissie bij deze metingen varieerde tussen 58 en 64%. Voor de berekening van dit verwijderingsrendement zijn zes gidsstoffen gebruikt. Instelling 24 is gebruikt tijdens de 24-uursbemonstering. Instelling 9 is met een energieverbruik van 0,1 kWh/m3 het optimum
Er is een zeer kleine variatie gevonden in het verwijderingsrendement bij gelijke instelling op verschillende testdagen. Het verschil tussen deze instellingen 1, 6 en 12 is maximaal 3,1 procentpunt en verklaarbaar door variatie in de gemeten concentratie van het influent. Hiermee wordt een stabiele prestatie over verschillende periodes aangetoond.
24-uursanalyse
Voor de 24-uursbemonstering is de instelling gekozen met een UV-C-dosis van 5000 J/m2 en 20 ppm waterstofperoxide omdat deze tijdens de twee voorgaande testdagen ook werd gebruikt. De verwijderingsrendementen voor de individuele EU-gidsstoffen zijn weergegeven in afbeelding 7. Het verwijderingsrendement voor de hele zuivering is 93,4%, dat voor Advanox is 90,4%.
De verblijftijd in de zuivering kan effect hebben op het berekenen van het verwijderingsrendement bij de 24-uursbemonstering, bij deze methode is het lastig om exact hetzelfde monster te vergelijken voor influent en effluent. Gemiddeld genomen zou dit desondanks een goed beeld moeten geven. Het verwijderingsrendement van de 24-uursbemonstering is vergelijkbaar met de steekmonsters die zijn genomen bij dezelfde instellingen op de verschillende testdagen.
Afbeelding 7. Verwijderingsrendement van individuele EU-gidsstoffen tijdens de 24-uursbemonstering
In afbeelding 7 is te zien dat sommige stoffen door de conventionele zuivering worden verwijderd, zoals 1,2,3-benzotriazool, claritromycine en metoprolol. Ook is te zien dat de verschillende stoffen een wisselend verwijderingsrendement hebben. Het minimale verwijderingsrendement van de Advanox was 50% voor claritromycine, maar doordat de conventionele zuivering hiervoor ook een verwijderingsrendement heeft van 52% wordt er toch een totale verwijdering van 72% gehaald voor deze stof. Het laagste verwijderingsrendement van de totale zuivering is 61%. Dit laat zien dat Advanox als nabehandeling over de breedte van stoffen een goed verwijderingsrendement kan halen.
Zoals verwacht is er op de drie testdagen geen bromaatvorming gemeten. Daarnaast is er ook geen vorming N-dimethylnitrosamine (NDMA) gemeten. Dit komt overeen met eerdere AOP-pilots, waarbij ook nooit vorming van bromaat is gemeten, zelfs niet bij hoge bromideconcentraties.
Bij de instelling met het laagste elektriciteitsverbruik (0,1 kWh/m3) is een verwijderingsrendement van 86% behaald. Hierbij was de gedoseerde waterstofperoxideconcentratie 20 ppm. Met een hogere waterstofperoxidedosering kan er een hogere verwijdering worden gehaald, maar dit is niet meer efficiënt en ook niet noodzakelijk om aan de regelgeving te voldoen. De bijbehorende totale kosten per m3 behandeld afvalwater liggen tussen de € 0,06 en € 0,08 per. Dit is berekend volgens een standaard kostencalculatie waarin kosten voor investering, onderhoud, vervangingsonderdelen en electriciteitsverbruik zijn meegenomen. Voor de kosten van elektriciteit is uitgegaan van een tarief van € 0,20 per kWh.
Conclusie
Bij een UV-C-transmissie van ongeveer 60% kan de nieuwe Advanox Flow-reactor tussen de 79 en 97 procent van de medicijnresten verwijderen volgens berekening van de EU-richtlijn stedelijk afvalwater. Vergeleken met eerdere ontwerpen van Advanox Flow-reactoren is het energieverbruik meer dan gehalveerd: van 0,29-0,58 naar 0,10-0,15 kWh/m3. Daarnaast is dit reactorontwerp veel efficiënter dan het gebruikte reactorontwerp bij de pilot in Aarle-Rixtel, waarbij het elektriciteitsverbruik 0,95 kWh/m3 was. Bij de optimale instelling voor de situatie op rwzi Utrecht verwijdert de reactor tot 86% van de medicijnresten. Dit verwijderingsrendement is vergelijkbaar of beter dan huidige technologieën, zoals ozon [3].
Door groene elektriciteit toe te passen is de CO2-voetafdruk van deze technologie goed te compenseren, in tegenstelling tot GAC- of PACAS-technieken. Door de sterkte reductie in het energieverbruik in combinatie met een ruim voldoende verwijderingsrendement, kan deze AOP-techniek de concurrentie aan met (combinaties van) actieve kool en ozon voor de verwijdering van microverontreinigingen uit stedelijk afvalwater. De kosten per m3 gezuiverd effluent van € 0,06-0,08/m3 zijn in vergelijking met referentie-PACAS (€0,08-0,12/m3) en referentie-ozon (€ 0,08-0,12/m3) lager. Bij een hogere UV-C-transmissie zal het concurrentievoordeel van de techniek nog groter worden, bijvoorbeeld in combinatie met een BAKF- of zandfilter. Daarnaast is het effluent door de desinfectie geschikt voor lozing op zwemwater of voor hergebruik als irrigatiewater in de landbouw.
Doorkijk verdere ontwikkeling
Momenteel wordt Advanox toegepast als nageschakelde technologie in de decentrale afvalwaterzuivering Oosterwold. Daar bewijst de technologie ook effectief te zijn op de langere termijn onder verschillende omstandigheden. Voor verdere ontwikkeling is het noodzakelijk een dergelijke duurtest ook uit te voeren met de Advanox Flow-reactor. Van Remmen UV Technologie is dan ook op zoek naar een geschikte locatie om dit in samenwerking met een waterschap te doen.
Het demo-onderzoek is uitgevoerd in nauwe samenwerking tussen Hoogheemraadschap De Stichtse Rijnlanden, GMB en Van Remmen UV Technologie.
Samenvatting
Advanox is een geavanceerd oxidatieproces dat microverontreinigingen kan oxideren met behulp van waterstofperoxide en UV-C-licht. Ten opzichte van eerdere ontwerpen is de energie-efficiëntie sterk verbeterd. Hierdoor is deze technologie toepasbaar voor waterschappen om aan toekomstige EU-richtlijnen voor stedelijk afvalwater te voldoen op het gebied van medicijnresten. Bij een demonstratieproject op rwzi Utrecht is een energie-efficiëntie van 0,1 kWh/m3 aangetoond om >85% medicijnresten te verwijderen volgens de nieuwe EU-richtlijn. De kosten per kubieke meter gezuiverd effluent zijn gedaald naar 0,06-0,08 €/m3 en daardoor concurrerend met technieken die nu worden toegepast.
REFERENTIES
1. Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (2021). Pilotonderzoek vergelijking oxidatieve technieken effluent RWZI Aarle-Rixtel (IPMV). STOWA-rapport 2020-41. https://www.stowa.nl/publicaties/pilotonderzoek-vergelijking-oxidatieve-technieken-effluent-rwzi-aarle-rixtel-ipmv, geraadpleegd op 1 juni 2025
2. Baresel, C., Harding, M., & Junestedt, C. (2019). Removal of pharmaceutical residues from municipal wastewater using UV/H₂O₂. IVL Swedish Environmental Research Institute. In cooperation with Nouryon and Van Remmen UV Technology.
3. Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (2024). Evaluatie Innovatieprogramma microverontreinigingen uit rwzi-afvalwater (IPMV). (Publicatienummer 2024-28). https://www.stowa.nl/publicaties/evaluatie-innovatieprogramma-microverontreinigingen-uit-rwzi-afvalwater-ipmv, geraadpleegd op 1 juni 2025
