De watersector wil afvalwater steeds beter zuiveren, zonder dat de CO₂-voetafdruk groeit. Waterschap Limburg toont op RWZI Panheel aan dat deze doelen elkaar niet hoeven te bijten. Uit drie jaar intensief onderzoek blijkt dat gerichte processturing de uitstoot van lachgas (N2O) met 45% reduceert, met behoud van effluentkwaliteit.
Download hier de pdf van dit artikel.
Geschreven door Michel Mulders, Okker van Batenburg, Edward van Dijk (Haskoning), Saskia Hanneman (Waterschap Limburg), Mario Pronk (TU Delft)
Waterschap Limburg (WL) heeft de ambitie om volledig klimaatneutraal te opereren. Omdat lachgasemissies een substantieel deel vormen van de totale broeikasgasuitstoot van waterschappen, is het verlagen hiervan cruciaal. Om grip te krijgen op dit proces heeft het waterschap op RWZI Panheel een langjarig onderzoekstraject uitgevoerd. Het doel was tweeledig: inzicht krijgen in de emissies van de installatie en—nog belangrijker—ontdekken aan welke knoppen er gedraaid kan worden om deze emissies te minimaliseren.
De noodzaak voor langjarig inzicht
Er is wereldwijd al veel onderzoek gedaan naar lachgasemissies. Vaak richtten deze studies zich hoofdzakelijk op conventionele actiefslibsystemen. De kennis over emissies van systemen met full-scale korrelslibtechnologie was tot voor kort beperkt. Op RWZI Epe werd in een studie van twee weken een gemiddelde emissiefactor van 0,7% gemeten. Op RWZI Dinxperlo werd tussen augustus en maart een emissiefactor van 0,33% bepaald. Wat ontbrak was een dataset die meerdere jaren beslaat en inzicht geeft in de langetermijneffecten van bijvoorbeeld seizoensinvloeden op de emissie van lachgas. Met die inzichten kan vervolgens de stap naar reductie van lachgas worden gezet. WL vult dit gat met de eerste locatie waar meerjarig, full-scale onderzoek is verricht op een zuivering die gebruik maakt van korrelslibtechnologie, RWZI Panheel.
Unieke proeftuin
RWZI Panheel leende zich perfect voor dit onderzoek. De zuivering is een Nereda®-installatie, gebouwd volgens het modulaire Verdygo®-concept, met twee identieke reactoren. Dit maakte de installatie zeer geschikt voor vergelijkend praktijkonderzoek: één reactor draaide als referentie volgens de standaard instellingen, terwijl de tweede fungeerde als testomgeving voor diverse nieuwe sturingsstrategieën. Afbeelding 1 geeft een impressie van de meetopstelling om de lachgasuitstoot te kwantificeren.
Afbeelding 1. Meetopstelling voor lachgaskwantificatie: collectiehoed op de reactor (links) en de bijbehorende meetapparatuur (rechts)
Zomerpiek in plaats van lentepiek
Al snel leverde de monitoring een verrassend inzicht op. Waar conventionele actiefslibsystemen vaak een emissiepiek hebben in het voorjaar, toonde het korrelslibsysteem in Panheel juist hogere waarden in de zomer. Dit seizoenspatroon bevestigde dat deze RWZI om een eigen specifieke benadering vraagt. Het is echter op dit moment nog niet duidelijk of dit patroon specifiek is voor de korrelslibtechnologie of specifiek voor de locatie Panheel.
De sleutel: integrale processturing
In de testreactor werden zes verschillende strategieën beproefd. In tabel 1 is een overzicht van alle maatregelen en de impact op de effluentkwaliteit en de emissiefactor weergegeven.
Tabel 1. Maatregelen en impact
|
Strategie |
Impact op emissiefactor |
Impact op effluentkwaliteit |
|
Referentieperiode |
0 |
0 |
|
Striktere voor-denitrificatie |
+ |
+ |
|
Verhoogd O2-setpoint |
++ |
+ |
|
Extra menging tijdens post-denitrificatie |
-- |
-- |
|
Selectie na bezinken i.p.v. na voeden |
0 |
0 |
|
Nitraatsturing (besturing gericht op lage nitraat-concentraties) |
-- |
-- |
|
Intermitterend beluchten |
+++ |
+ |
De rode draad in het onderzoek was het zoeken naar een betere balans in de stikstofcyclus. De uiteindelijke reductie van ruim 45 procent werd bereikt door drie inzichten:
1. Focus op voor-denitrificatie
In een standaard Nereda-cyclus volgt na de voor-denitrificatie de nitrificatieperiode. Als er op dat moment nog nitraat aanwezig is, kan dit leiden tot onvolledige denitrificatie, een bekende trigger voor N2O-productie. De nieuwe strategie stuurt op een zo laag mogelijke concentratie nitraat tijdens de voor-denitrificatie. Hierdoor wordt deze emissiebron in de kiem gesmoord.
2. Intensievere hoofdbeluchting
Een tweede focuspunt was de zuurstofinbreng. Door een hoger opgelost zuurstofgehalte (DO) draaiden de blowers langer op een hoger vermogen. Hierdoor werd de totale beluchtingsfase korter doordat ammonium sneller geconsumeerd werd. Dit had direct een beperkend effect op de emissiefactoren. Een bijkomend voordeel: naast een lagere N2O-uitstoot, verbeterde ook de effluentkwaliteit door deze robuustere procesvoering.
3. Slimme intermtterende beluchting
De grootste winst werd geboekt met de introductie van een slimme, intermitterende beluchtingsstrategie (niet continu, met tussenpozen). Tijdens deze testperiode werd de beluchting afgewisseld met korte anoxische blokken.
Het idee hierachter is slim gebruik van de biochemie van de stikstofcyclus. Door anoxische pauzes in te passen, worden tussenproducten van de nitrificatie, zoals lachgas of nitriet, direct gebruikt als substraat voor denitrificatie. Dit voorkomt ophoping van stoffen die anders als lachgas zouden vrijkomen. Dankzij de combinatie van alle inzichten kon de zomerpiek met 45 procent worden afgevlakt.
Ter onderbouwing van de effectiviteit van de maatregelen, werden de verbeterde instellingen ook op de referentie-reactor toegepast. In deze reactor daalde de uitstoot onmiddellijk naar hetzelfde lage niveau, wat aantoont dat de verlaging van de emissie een direct gevolg is van de verbeterde procesregeling. Een overzicht van de emissie factoren over de afgelopen jaren is weergegeven in afbeelding 2.
Afbeelding 2. De zevendaags-gemiddelde emissiefactor van rwzi Panheel. In de geel gearceerde perioden had de nieuwe testregeling een groot mitigerend effect op de emissiefactor
Kwaliteit blijft gewaarborgd
Een harde randvoorwaarde voor het waterschap was de effluentkwaliteit; klimaatwinst mag niet ten koste gaan van schoon water. De resultaten in Panheel laten zien dat beide doelen zijn gehaald. Gedurende het hele onderzoek bleven de concentraties ruim binnen de normen, met gemiddelden van 6,7 mg/l totaal-stikstof en 0,5 mg/l totaal-fosfor. Emissiereductie van N2O en een hoog zuiveringsrendement, lage TN- en TP-effluentconcentraties gaan in de praktijk dus hand in hand.
Van pilot naar standaard
Voor WL zijn de resultaten reden om door te pakken. De opgedane kennis wordt direct omgezet in operationele winst, met de ambitie om de sturingsstrategie uit te rollen naar alle Nereda-installaties in het beheergebied.
Maar het leren stopt niet. Om de fundamentele mechanismen achter de lachgasvorming in korrelslib nog beter te begrijpen, is een breed vervolgtraject gestart. Dit project is een samenwerking tussen de waterschappen, STOWA, TU Delft en Haskoning. In dit traject, waar RWZI Panheel ook onderdeel van blijft, zullen twee promovendi de relatie tussen procescondities en emissies verder ontrafelen. Zo werkt Waterschap Limburg samen met de sector, wetenschappelijk onderbouwd, stap voor stap toe naar een klimaatneutrale waterketen.
Samenvatting
De watersector wil afvalwater steeds beter zuiveren, zonder dat de CO₂-voetafdruk groeit. Waterschap Limburg toont op rwzi Panheel aan dat deze doelen elkaar niet hoeven te bijten. Uit drie jaar intensief onderzoek blijkt dat gerichte processturing de uitstoot van lachgas (N2O) met 45 procent vermindert, met behoud van effluentkwaliteit.
De resultaten van dit onderzoek zijn op 21 mei gepresenteerd op het congres NRR in Delft.
