Lettinga Associates Foundation for environmental protection and resource conservation Lettinga Associates Foundation Postbus 500 6700 AM Wageningen Tel: 0317 482023 Fax: 0317 482108 http://www.leaf-water.org SOURCE Simultaneous removal of human and veterinary pharmaceuticals and nutrients Eindrapportage
ii
Verantwoording Voor u ligt de eindrapportage van het project SOURCE: Simultaneous removal of human and veterinary pharmaceuticals and nutrients. Dit onderzoek naar de mogelijkheden voor gecombineerde verwerking van humane urine en dierlijke meststromen is mogelijk gemaakt door financiering van: Innovatieprogramma KRW Provincie Noord-Brabantrabant Waterschap Aa en Maas ZLTO STOWA De (tussentijdse) resultaten en de eindrapportage age van het project zijn geëvalueerd door de Begeleidingsgroep (BG). De leden van de BG waren: Ton Vermeer r (Provincie Noord-Brabant) Jos van Gastel en Ton van Korven (ZLTO) Stefan Breukel (Ministerie van Economisch zaken, Landbouw en Innovatie) Bert Palsma (STOWA) Mirabella Mulder, Wim van der Hulst, Marlies Kampschreur, Ferdinand Kiestra (Waterschap Aa en Maas) Geert Notenboom (Grontmij Nederland BV) Het pilotonderzoek is uitgevoerd door Sjors Dilven van Logisticon Water Treatment BV in samenwerking met de projectgroep en: Rob Lodder, Daan Custers,Tom Weijtmans en Tim Wallis (stagiairs) Jos Damen, Dries Jacobs en Mark Elders (Waterschap Aa en Maas) Er zijn een aantal aanvullende experimenten uitgevoerd bij/door: Barry Pieters van Grontmij Nederland BV Jeroen Lijkendijk van Excellent Ozone Systems and Consultants BV De projectgroep is aan allen dank verschuldigd voor hun waardevolle bijdrage aan SOURCE. Leden van de projectgroep: : Sjors Dilven (Logisticon Water Treatment BV) Wim Moerman (NuReSys) Pieter van Staveren (Logisticon Water Treatment BV) Geert Notenboom (Grontmij Nederland BV) Henk-Wim de Mooij (Grontmij Nederland BV) Rob Lodder (Grontmij Nederland BV) Jan Weijma (LeAF) Miriam van Eekert (LeAF) Maurice Schellekens (Waterschap Aa en Maas) Marlies Kampschreur (Waterschap Aa en Maas) Mirabella Mulder (MMWWM/Waterschap Aa en Maas) iii
Auteurs van de rapportage: Mirabella Mulder (MMWWM/Waterschap Aa en Maas) Geert Notenboom (Grontmij Nederland BV) Rob Lodder (Grontmij Nederland BV) Jan Weijma (LeAF) Miriam van Eekert (LeAF) Wim Moerman (NuReSys) Wageningen, 26 oktober 2011 iv
Samenvatting Achtergrond en doelstelling van SOURCE SOURCE (Simultaneous removal of human and veterinairy pharmaceuticals and nutrients) is een project waarin waterschap Aa en Maas en ZLTO, samenwerken met de Provincie Noord-Brabant, STOWA en het ministerie van Economische zaken, Landbouw en Innovatie om de emissies van stikstof, fosfor en geneesmiddelen te beperken. Zowel de agrarische als de waterschapssector staan namelijk voor de uitdaging om uitspoeling van nutriënten en geneesmiddelen naar het oppervlaktewater te beteugelen. Beide partijen hebben ook in het verleden al maatregelen genomen en initiatieven ontplooid om de emissie van deze stoffen naar het oppervlakte pervlakte water te verminderen. SOURCE is het eerste project geweest waarin de water- en landbouwsector samenwerkten om de oppervlaktewaterkwaliteit te verbeteren en er daadwerkelijk een praktijkexperiment plaatsvond. Binnen het raamwerk van SOURCE is onderzocht of het mogelijk is om dunne mest samen met humane urine te verwerken op een RWZI. Dunne mest en humane urine zijn vergelijkbaar qua nutriëntengehalten en bevatten bovendien ook een aanzienlijk deel van uitgescheiden geneesmiddelen. De doelstellingen n van SOURCE waren: Het (bijdragen aan het) ontwikkelen van een duurzame keten voor herwinning van nutriënten uit de gecombineerde stroom van menselijke urine en dierlijke (mest)stromen. Emissiereductie naar het watersysteem van geneesmiddelen(resten) vanuit de humane en dierlijke keten. Daarbij speelde bovendien dat er diverse voordelen kunnen worden gehaald door: Het schaalvoordeel waardoor stikstof, fosfor en geneesmiddelen goedkoper verwijderd kunnen worden; Minder mesttransport (dus minder energieverbruik); De productie van kunstmestvervangers, waardoor er minder extra nutriënten in de keten worden gebracht; Synergie tussen de verschillende partijen: warmte, elektriciteit en nutriënten kunnen worden uitgewisseld tussen partijen. Opzet van de SOURCE procestrein Voor het SOURCE project is de dunne mestfractie (DMF) van varkensmest samen met humane urine behandeld. Voor het bepalen van de opzet van de SOURCE procestrein is voor de verschillende processtappen vooronderzoek verricht. Hierbij is gekeken of een voorbehandeling van de DMF noodzakelijk was en zo ja, welke voorbehandeling nodig was om de terugwinning van nutrienten optimaal te laten verlopen. Dit vooronderzoek heeft geleid tot de uiteindelijke inrichting van de proefinstallatie op de RWZI Land van Cuijk in Haps, waarin de DMF en de urine in een verhouding van 97:3 (v:v) behandeld werden in achtereenvolgens de volgende procesonderdelen: Aërobe reactor ten behoeve van organische stofverwijdering; Struviet korrelreactor ten behoeve van fosfaatverwijdering en terugwinning; De-ammonificatie reactor (DEMON) ten behoeve van stikstofverwijdering. Dit was het eerste project waarbij fosfaatterugwinning als struviet en de DEMON technologie werden ingezet op een DMF-urine matrix. In het DEMON proces wordt worden ammonium en nitriet worden omgezet naar stikstof via de Anammox reactie. Dit is een energiezuinig microbiologisch proces waarbij geen extra koolstofbron hoeft te worden gedoseerd. Naast terugwinning en verwijdering nutriënten was SOURCE vooral gericht op simultane verwijdering van medicijnen en geneesmiddelen. In het SOURCE project is daartoe een v
eerste referentiepunt vastgesteld; welke (groepen) medicijnen zijn aanwezig in de DMF- urine matrix en wat is de verwijdering in de SOURCE-procestrein. Daarnaast is met laboratoriumproeven onderzocht of ozonisatie kansrijk is om medicijnen uit het SOURCE effluent te verwijderen. Behaalde testresultaten De SOURCE proefinstallatie is operationeel geweest van 1 september 2010 tot 1 juli 2011. Deze hele proefperiode kan grofweg opgedeeld worden in twee fasen (aangeduid met perioden 1 tot en met 3 en periode 4 in de rapportage): Perioden 1 t/m 3: Het effluent van de aerobe reactor werd verdeeld over de struvietreactor en de DEMON. Het effluent van de struvietreactor reactor werd op het riool geloosd. Deze configuratie is gekozen om de processen in de struvietreactor en de DEMON niet afhankelijk van elkaar te laten zijn, zodat de afzonderlijke processen goed ingeregeld konden worden op DMF-urine matrix. Periode 4: Alle onderdelen van de SOURCE procestrein stonden in serie met elkaar (aerobe reactor, struvietreactor en DEMON). De DEMON werd gevoed met effluent van de struvietreactor verdund met RWZI-effluent. In periode 1 t/m 3 viel de activiteit van het DEMON proces regelmatig elmatig weg, vermoedelijk door storende componenten in de DMF-urine matrix. De verdunning met RWZI effluent bleek de oplossing om de biologische capaciteit gedurende langere tijd stabiel te houden. Aerobe tank Het doel van de aerobe tank was het verwijderen van organische stof (CZV en BZV) uit de matrix van DMF en humane urine. De verwijdering van CZV en BZV werd noodzakelijk geacht om de struvietreactor en de DEMON optimaal te laten functioneren. De CZV verwijdering lag gedurende de hele testperiode tussen 30 en 40%. Ongeveer 60 tot 70% BZV werd verwijderd bij een oxische hydraulische verblijftijd van 1,8 dag, een zuurstofspanning van 2 mg/l en een ph van 8,4 8,5. Gedurende de testperiode zijn verschillende procesomstandigheden, zoals ph, oxysche verblijftijd en temperatuur, gevarieerd om te onderzoeken of de verwijderingsrendementen opgevoerd konden worden. Het bedrijven van de aerobe tank bij een verlaagde ph was praktisch niet uitvoerbaar door de hoge zuurconsumptie en schuimvorming als gevolg van de hoge aanwezige buffercapaciteit. Uit economisch oogpunt maar ook uit milieu-oogpunt lijkt zuurdosering hierdoor niet haalbaar. Het effect van een verhoogde biologische activiteit bij een lagere ph in de reactor is daarmee niet aangetoond. De (oxische) verblijftijd in de reactor dient laag te vi
blijven om nitrificatie te voorkomen. Hierbij is wel een belangrijke relatie met de temperatuur gevonden. Struvietreactor Bij het bedrijven van de struviet reactor was het streven om het aanwezige opgeloste fosfaat maximaal terugwinnen. Dit was mogelijk door het vormen van struviet (MgNH 4 PO 4.6H 2 O) uit het opgeloste fosfaat (aanwezig als PO 3 4 P). De aard van de DMF-urine matrix (hoge ammoniumconcentraties en de hoge ph) maakte in eerste instantie dat struvietkristallisatie heel (en eigenlijk te) gemakkelijk en snel plaatsvond. Dit leidde, naast de vorming van korrels, ook tot de vorming van fijne deeltjes die wat moeilijker af te scheiden waren. Na enten van de reactor met struviet uit de agroindustrie bleek echter dat het ook mogelijk was om aangroei op dit struviet-entmateriaal entmateriaal te bewerkstelligen. Daarna kon ook de doorgroei van struviet dat in de reactor zelf ontstaan was, vastgesteld worden. Het was dus mogelijk om met de DMF-urine matrix een goed afscheidbaar korrelvormig rmig struviet te produceren. Het reactorontwerp en de toegepaste processturing (mengen) bleken van cruciaal belang te zijn bij het behandelen van een gecompliceerde matrix zoals de DMF-urine matrix, onder andere om de vorming van de fijne moeilijk afscheidbare deeltjes te voorkomen. Desondanks is er over de hele periode dat de proefinstallatie bedreven is een hoog verwijderingsrendement van het PO 3 4 P (meer dan 80%) geconstateerd. Bovendien lag de effluent PO 3-4 -P onafhankelijk van de influent waarde beneden de 15 mg PO 3-4 -P/l. Het daadwerkelijke rendement van de P-recovery als struviet lag in periode 4 tussen 40 en 60%. De verwachting is dat voor praktijkschaalreactoren een betere retentie (80-90%) van het gevormde struviet en vooral de fijne deeltjes (fines) mogelijk zal zijn, als er bij reactorontwerp en processturing rekening wordt gehouden met de vastgestelde specifieke randvoorwaarden van deze matrix (hoge ammonium en ph > 8). Het gehalte aan zware metalen en organische stof in de struviet was zo laag dat dit geen belemmering zou moeten vormen voor toelating als meststof. Ook het gehalte aan medicijn(resten), voorzover gemeten, is laag. Het gevormde struvietproduct is, zeker gezien de aard van de (DMF-urine)matrix, erg zuiver. Op basis van de gemeten parameters lijken er in technologische zin geen belemmeringen te zijn om SOURCE-struviet als bron van nutriënten voor de landbouw in te zetten. Wettelijk zijn er nog wel belemmeringen. Dat betekent dat struviet op dit moment in Nederland niet mag worden verhandeld als meststof. Wel wordt door Ministerie van EL&I bekeken of er een aparte categorie binnen de indeling meststoffenwet kan worden gemaakt voor struviet. Markttechnisch is het daarbij de vraag in hoeverre struviet op de Nederlandse markt een positie ie kan verkrijgen, als P-houdende kunstmest, aagezien er een overschot aan fosfaat bestaat als kunstmest. Indien de inzet van struvietkorrels gericht is op de toepassing in specifieke kunstmestmengsels lijkt export van dit struvietproduct het meest voor de hand liggend. DEMON Het doel van de DEMON was om de hoge stikstofvracht en dan voornamelijk ammoniumstikstof, uit de matrix te verwijderen. Voor zover bekend is de DEMON technologie nooit eerder toegepast op een matrix van DMF en urine. Tijdens het SOURCE project is de DEMON reactor verschillende keren opnieuw opgestart omdat de DEMON (en voornamelijk de de-ammonificatie capaciteit) wegviel. Er zijn toen waar mogelijk gedurende periode 2 en 3 aanpassingen gedaan in het SOURCE concept om eventuele remmende stoffen weg te nemen. Ook is de opstartstrategie van de DEMON aangepast. Toch is besloten om in periode 4 de matrix te verdunnen met effluent van de RWZI. Dit bleek een goede strategie om de biologische activiteit in de DEMON gedurende langere tijd te handhaven en het systeem stabiel te bedrijven. In periode 1, 2 en 3, waarbij de matrix niet werd verdund, liep de activiteit na maximaal 1,5 reactorvolumes telkens sterk terug. Over de gehele periode bedroeg het stikstofverwijderingsrendement van de DEMON 90 100%. Ondanks het hoge verwijderingsrendement was de totale capaciteit van de reactor vii
laag. Pas na 20 april 2011 (nadat de DMF urine matrix verdund werd met effluent van de RWZI en de capaciteit gedurende langere tijd gehandhaafd bleef) is een duidelijk trend naar boven geconstateerd. Dit komt ook overeen met de verhoogde activiteiten in de DEMON die worden gemeten in periode 4 (0,34 kg NH 4 -N/m 3,dag). Met de uiteindelijk positieve resultaten van de stikstofverwijdering is een stevige basis gelegd voor verdere opschaling van de DEMON technologie. Het is niet uit te sluiten dat een hogere omzetting en lagere verdunningsfactor haalbaar zijn bij adaptatietijden langer dan de 2 maanden die nog beschikbaar waren voor het pilotonderzoek met verdund influent. Aanvullend onderzoek biedt dus de kans om de DEMON processtap uiteindelijk compacter te kunnen ontwerpen. Dan zou ook de stabiliteit van het proces onder sterker wisselende condities in kaart kunnen worden gebracht waardoor ook de veiligheidsfactor in het ontwerp omlaag kan. Overall-rendementen rendementen pilotinstallatie Over de hele installatie genomen werd er ongeveer 50% van de totale CZV verwijderd. Deze verwijdering vond zowel in de aerobe tank (30-40%) als in de DEMON plaats (10-20%). BZV werd vergaand verwijderd (meer dan 95% in periode 1-3 en meer dan 80% in periode 4). De N-verwijdering in de DEMON bedroeg gedurende de hele periode meer dan 90%. De orthofosfaatverwijdering was nooit lager dan 80% gedurende de gehele proefperiode. Omdat de DEMON installatie gedurende de eerste 3 perioden niet na de struvietreactor was geschakeld is een overall rendement voor ortho-fosfaat niet te bepalen. Een indirect gevolg van het voeden van de DEMON met effluent van de struvietreactor was dat de chloride concentraties in het effluent van de DEMON opliepen (vanwege MgCl 2 dosering in de struvietreactor). De kaliumconcentraties van in- en effluent waren nagenoeg gelijk. Medicijnverwijdering uit de DMF-urine matrix Op twee tijdstippen gedurende het project is van monsters van in- en effluent van de verschillende processtappen en het gevormde struviet een antibioticaeffectmeting uitgevoerd. De gebruikte test was een kwalitatieve tot semi-kwantitatieve bepaling (RIKILT Water-Scan test). Verschillende veelgebruikte groepen antibiotica (tetracyclines, quinolonen, sulfonamiden, macroliden (β-lactam), en aminoglycosiden) zijn bij deze bepaling meegenomen in de evaluatie. Voor deze aanpak is gekozen omdat er ten tijde van het SOURCE project nog geen betrouwbare extractie- en analysemethode voorhanden was om concentraties van afzonderlijke componenten in de onbehandelde DMF-urine matrix te bepalen. Echter ook de hier gebruikte methode was nog niet eerder op een DMF-urine matrix toegepast. Uit de antibiotica-effectmetingen bleek dat het antibioticum-effect van afzonderlijke groepen antibiotica aan te tonen was in de DMF-urinematrix (en in DMF en humane urine afzonderlijk) zonder verdere voorbehandeling (zoals bijvoorbeeld extractie voor concentreren). De activiteit van de verschillende antibiotica(groepen), voor zover aanwezig, in de waterfase nam gedurende de behandeling van de DMF-urine matrix in de SOURCE procestrein aanzienlijk af (zelfs als verdunning met het schone RWZI effluent in aanmerking wordt genomen). Hieruit kan voorzichtig worden geconcludeerd dat de antibiotica zich hechten en aan de slibfractie (zowel in de aerobe tank als in de DEMON). Biologische afbraak van de antibiotica in de aerobe tank is echter niet gericht onderzocht. Het is echter mogelijk dat dit ook heeft bijgedragen aan de verwijdering. In het gevormde struviet is geen significante antibiotica activiteit aangetoond. In kleinschalige laboratoriumexperimenten is onderzocht of het mogelijk is medicijnen uit het DEMON effluent te verwijderen door middel van ozonisatie. Hiertoe zijn diclofenac en ibuprofen aan het DEMON effluent toegevoegd. Deze stoffen zijn biologisch moeilijk afbreekbaar maar kunnen door ozon wel worden afgebroken. In de testen bleek dat de vers toegevoegde medicijnen werden afgebroken terwijl de CZV concentratie nagenoeg niet daalde. De verwijdering van dit soort medicijnen uit de DMF-urine matrix lijkt in principe dus mogelijk. Er zijn geen analyses verricht om eventueel gevormde producten van afbraak te detecteren. Deze kunnen na ozonisatie dus nog aanwezig zijn geweest. viii
SOURCE en de RWZI In het originele SOURCE concept wordt het effluent van de SOURCE procestrein op de waterlijn van de RWZI verwerkt, en het slib bij voorkeur op de sliblijn. Voor CZV en stikstof wordt ervan uitgegaan dat de resterende verwerkingscapaciteit van een RWZI (ve) toereikend end is, waardoor RWZI effluentwaardes voor BZV en N niet zullen toenemen bij toepassing van het SOURCE concept. Wel moet worden bedacht dat een deel van de CZV uit opgeloste humus- en fulvinezuren bestaat, waarvan bekend is dat ze vrij inert zijn, dus waarschijnlijk beperkt verwijderd zullen worden. Voor goed oplosbare, en in een RWZI waterlijn inerte ionen zoals chloride, sulfaat, kalium en natrium, zal de toename van de vracht in het RWZI effluent ongeveer overeenkomen met de vracht vanuit SOURCE naar de waterlijn. Of dit in het kader van de KRW toelaatbaar is, zal van de specifieke situatie afhangen, en dan vooral van de kwaliteit, kwantiteit en ecologische kwetsbaarheid van het ontvangende water. Bij de afweging om SOURCE in de praktijk te brengen zal dit aspect geëvalueerd moeten worden. Hetzelfde geldt overigens voor andere concepten waarbij er een natte koppeling van riool-en mestverwerking plaatsvindt. Business Case Voor het verwerken van DMF/urinemengsel met het SOURCE systeem is een business case opgesteld. In de business case zijn verschillende SOURCE systemen vergeleken met verwerkingsroutes waarin door Reverse Osmosis mineralenconcentraten worden geproduceerd. Voor SOURCE is hier tevens bekeken wat de kosten zijn van het eventueel combineren van stikstofterugwinning in de vorm van luchtstrippen met een stikstofverwijderingstechniek zoals DEMON. Ook is berekend wat de invloed is van het toepassen van een vergistingstap voor de verschillende verwerkingsroutes. Op het gebied van milieu-effecten effecten kan het volgende geconcludeerd worden: Ten opzichte van de huidige situatie leveren alle mestverwerkingsroutesroutes milieuvoordeel op. Het standaard SOURCE systeem is vergelijkbaar met RO-systemen qua milieu-effecten. Voor SOURCE-systemen geldt dat strippen van stikstof in combinatie met deammonificatie een klein milieuvoordeel oplevert ten opzichte van alleen de-ammonificatie. Co-vergisting zorgt bij alle varianten voor een positief milieueffect Een SOURCE-systeem inclusief strippen en co-vergisten scoort milieutechnisch het best. Op basis van financiële argumenten heeft een lokale verwerkingsroute waarbij mineralenconcentraten worden geproduceerd door Reverse Osmosis à 16,- per m 3 ruwe mest de voorkeur. Vanuit milieuoverwegingen is deze optie gelijkwaardig g met de SOURCEruwe mest duurder zijn. Wel valt er bovenop deze verwerkingsroutes, milieuvoordeel te behalen door vergisting van ruwe mest. Vanuit kostenoogpunt kan dit het beste plaatsvinden met een SOURCE-systeem op de RWZI en niet lokaal met een Reverse Osmosis systeem, aangezien deze laatste optie dan 4,- per systemen welke 1,50 per m 3 m 3 ruwe mest duurder is. Beide systemen zijn rendabel indien uitgegaan wordt van een verwerkingsprijs van ruwe mest in de provincie Noord Brabant van maximaal 20,- per m 3 ruwe mest. Samengevat omvat het resultaat van de Business Case twee alternatieven: 1. Verwerking ruwe mest bij loonbedrijf via Reverse Osmosis c.a. tot mineralenconcentraten met een klein milieuvoordeel en een kostenpost van 16,- / m 3 ruwe mest 2. Verwerking ruwe mest op de RWZI met vergisting en SOURCE-systeem met een groot milieuvoordeel en een kostenpost van 17,50 / m 3 ruwe mest ix
waarin het verschil in kosten à 10% wegvalt indien rekening wordt gehouden met de onnauwkeurigheid in de kostenberekeningen van ± 30%. Beide systemen kunnen binnen dezelfde implementatietijd van circa 2 jaar worden gerealiseerd. Van beide systemen zijn de dimensioneringsgrondslagen vastgesteld en optimalisaties via pilot-onderzoek onderzoek december 2011 bekend. Technische en financiële risico s ten aanzien van opschaling zijn beheersbaar en gelijk voor beide systemen. Qua optimalisatie is in het SOURCE-systeem inclusief co-vergisting wellicht de voorbeluchtingsstap niet nodig. Dit scheelt 2,50 per m 3 ruwe mest waardoor beide alternatieven qua kostprijs zeer dicht bij elkaar komen. Het milieuvoordeel van het SOURCE systeem wordt hierdoor groter. Ook kan voor de R.O.-systemen de kostenpost voor dun/dik scheiding waarschijnlijk verlaagd worden door optimalisatie van deze techniek in combinatie met flotatie (circa 1,-- / m 3 ruwe mest). Verder kan om extra milieuvoordeel te behalen binnen het SOURCE systeem strippen geïntroduceerd worden (extra kostenpost van 1,50 / m 3 ruwe mest). Voorzichtigheid is bij dit soort veronderstellingen echter geboden, omdat deze combinatie van technieken nog niet bekend is. Vanuit de organisatie van mestverwerking vergt optie 2 een grotere mate van synergie in de samenwerking tussen Waterschappen en landbouw dan optie 1. In het kader van synergie kunnen de volgende opties nog verder onderzocht worden: Gecombineerde struvietwinning en stikstofverwijdering uit humane urine, dierlijke mest en rejectiewater van een RWZI. In het SOURCE project is onderzocht dat struvietwinning en stikstofverwijdering uit humane urine en de dunne fractie van dierlijke mest mogelijk is. Er kan ook een combinatie worden gezocht met rejectiewater (=water dat vrijkomt uit de slibverwerking). Ook uit deze stroom kan struviet worden hergewonnen. Lokaal maatwerk. Zo kan er ook voor gekozen worden om een SOURCE-systeem inclusief vergisting en gedeeltelijke terugwinning van stikstof door middel van luchtstrippen te realiseren bij een grote andere elektriciteitsverbruiker r dan een RWZI en het effluent van de installatie te transporteren naar een RWZI of lokaal te behandelen met een MembraanBioReactor. Ook kan een combinatie worden gezocht met het drogen van de dikke fractie door gebruik te maken van een locatie waar restwarmte beschikbaar is. De verwijdering en terugwinning van stikstof wordt hierdoor tevens kosteneffectiever en milieuvriendelijker. Bij bovenstaande e overwegingen dient bedacht te worden dat maximaal 19% van het mestoverschot van de Provincie Noord Brabant verwerkt kan worden door de inzet van SOURCE-systemen op RWZI s van Waterschap Aa en Maas. Voor het oplossen van de gehele mestproblematiek zal een combinatie moeten worden gezocht met lokale verwerking en/of verwerking op RWZI s van buurtwaterschappen. Maatschappelijke betekenis van SOURCE Het klassieke werkveld van de watersector en de agrarische sector (meer specifiek de varkenshouderijen) liggen wijd uit elkaar. Daarnaast zijn de gehanteerde organisatievormen verschillend, is de één publiek en de ander privaat, en zijn er flinke cultuurverschillen. Vanuit het maatschappelijke streven naar meer duurzaamheid, met behoud van de levensstandaard en tegen aanvaardbare kosten is herkend dat de twee sectoren voor deels vergelijkbare, gemeenschappelijke uitdagingen ingen staan en wellicht op een aantal vlakken zelfs niet zonder elkaar kunnen. x
Lijst van gebruikte afkortingen en begrippen AT Aeratietank Actiefslib Het slib, bestaande uit biomassa in vlokvorm, waarin bacteriën en andere organismen voorkomen die de verontreinigingen in het rioolwater als voedsel gebruiken waardoor het water gezuiverd wordt. AOB Ammonium oxiderende bacteriën Anammox ANaerobe AMMonium OXidatie Biogas Mengsel van gas dat ontstaat bij vergisting van biomassa. Samenstelling (v/v) is afhankelijk ankelijk van de samenstelling van de biomassa: CH 4 (50-75%), CO 2 (25-50%); H 2 S (0-5000 ppm); NH 3 (0-500 ppm); Siloxaan (0-50 mg/m 3 ); N 2 (0-5%); H 2 O (1-5%) BZV Biologisch zuurstofverbruik Co-vergisting De energieopbrengst van mestvergisting kan aanmerkelijk worden verhoogd door (toegelaten) energierijke organische stoffen (voer- en gewasresten of vetten) toe te voegen. CZV Chemisch zuurstofverbruik DEMON De-ammonificatiereactor Dikke fractie Stapelbare mest (circa 20-35% DS) afkomstig uit scheiding van drijfmest Dunne fractie DWA EC HRT HRT ox i.e. Indikking (van slib) Inwonerequivalent Membraan Membraanfiltratie Mestoverschot Verpompbare mest (< 7% DS) afkomstig uit scheiding van drijfmest Droogweer aanvoer Elektroconductiviteit (geleidbaarheid) Hydraulische verblijftijd Oxische hydraulische verblijftijd Afkorting van inwonerequivalent Afscheiding van een groot gedeelte van het zogenaamde vrije slibwater, dat geen bindingskrachten met het slib heeft. Hierbij stijgt het drogestofgehalte van het slib en wordt het volume van het slib gereduceerd. Maat voor de belasting van het afvalwater (verontreiniging) die een inwoner gemiddeld per dag produceert. Een selectieve wand die twee stromen van elkaar scheidt. Scheidingsproces waarbij een aanvoerstroom met behulp van een membraan gescheiden wordt in een retentaatstroom en een permeaatstroom. De eerste bevat stoffen die niet door het membraan zijn doorgelaten en de tweede de stoffen die wel door het membraan zijn doorgelaten. De mestproductie is hoger dan de hoeveelheid mest die op het eigen bedrijf kan worden afgezet. Indien het een mestoverschot betrekking heeft op een regio, dan is de gezamenlijke mestproductie van de bedrijven in die regio hoger xi
Mestafzet Mestbewerking Mestscheiding Mestverwerking Nitrificatie NOB Ontwatering (van slib) Opwerking Rejectiewater RO rwzi Sliblijn Struviet TSS TIC TZV Vaste mest Vergisten VVZ Waterlijn dan de hoeveelheid mest die afgezet kan worden in die regio. Afzetten van mest bij derden; veelal gebeurd dit via een tussenpersoon (intermediair) die ook tevens de transporteur van de mest is. Behandeling van dierlijke mest zonder noemenswaardige veranderingen aan het product teweeg te brengen. Bijvoorbeeld: mengen, roeren, homogeniseren en verwijderen van vreemde objecten zoals plastic folie. Het scheiden van drijfmest, resulterend in een dikke en dunne fractie, door gebruik te maken van een mechanische mestscheider, door or bezinking in de mestput, of door mest en urine gescheiden op te vangen. De toepassing van basistechnieken of combinaties daarvan met als doel de aard, samenstelling of hoedanigheid van dierlijke mest te wijzigen. Zoals: scheiding, bezinking, toevoeging van additieven, vergisting, beluchting, droging, compostering, indamping, vergassing en verbranding Oxidatie van ammonium naar nitriet en nitraat Nitriet oxiderende bacteriën De verdere scheiding van water van slib (na indikking), met als resultaat een steekvaste slibkoek. Proces of processen die als doel hebben de kwaliteit van een stroom te verbeteren Rejectiewater is het restwater dat bij ontwatering is afgescheiden van het slib. Reversed osmosis Rioolwaterzuiveringsinstallatie Het deel van de rwzi waar het zuiveringsslib wordt behandeld (bijv. indikking, vergisting, ontwatering) waarna het wordt afgevoerd. MAP magnesiumammoniumfosfaat MgNH 4 PO 4 Totaal gesuspendeerd materiaal Totaal anorganisch koolstof Totaal zuurstofverbruik Stapelbare mest (niet verpompbaar) Vergisting is een biologisch proces waarbij onder zuurstofloze omstandigheden organische stof wordt afgebroken tot biogas. Met het brandbare deel van het biogas (en met name methaan) kan energie worden opgewekt. Vluchtige vetzuren Het deel van de rwzi waar het afvalwater wordt behandeld, waarna het wordt gescheiden van het slib en als effluent afgevoerd. xii
Inhoudsopgave Verantwoording... iii Samenvatting... v Lijst van gebruikte afkortingen en begrippen... xi 1. Inleiding... 1 1.1 Aanleiding voor SOURCE... 1 1.2 Humane urine en dunne mest: waarom samen?... 2 1.3 Andere relevante projecten en de relatie tot SOURCE... 2 1.3.1 Urinescheidingsprojecteneidingsprojecten... 2 1.3.2 Mestverwerking...... 3 1.3.3 Struviet... 4 1.4 Doelstelling en beoogd resultaat... 4 1.5 Globale opzet van de SOURCE procestrein... 5 1.6 Leeswijzer... 6 2. Vooronderzoek... 9 2.1 Inleiding...... 9 2.2 Karakteristiek (deel)stromen... 9 2.2.1 Dunne mest fractie... 9 2.2.2 Humane Urine... 10 2.3 Anaerobe afbreekbaarheidstesten... 11 2.4 Aerobe afbreekbaarheid... 12 2.5 Struvietprecipitatie testen... 13 2.6 De-ammonificatietesten... 13 2.6.1 Nitrificatie testen... 13 2.6.2 De-ammonificatie testen... 14 2.6.3 Continue testen in de Baby DEMON... 15 2.7 Aannames voor het pilotontwerp.... 16 3. Procesbeschrijving van de SOURCE pilotinstallatie... 21 3.1 Locatie en proefopstelling... 21 3.2 Algemene Procesbeschrijving... 22 3.2.1 Opslag... 22 3.2.2 Aerobe tank, nageschakelde bezinker en buffertank... 22 3.2.3 Struvietreactor... 24 3.2.4 DEMON reactor... 26 3.3 Fasering van de bedrijfsvoering... 28 3.3.1 Inleiding... 28 3.3.2 Opstartfase... 28 3.3.3 Periode 1 van de testfase... 30 3.3.4 Periode 2 van de testfase... 30 3.3.5 Periode 3 van de testfase... 32 3.3.6 Periode 4 van de testfase... 33 3.4 Meetprogramma... 34 3.4.1 Analyses in eigen beheer... 34 3.4.2 GWL analyses... 34 4. Resultaten van de pilot... 35 4.1 Inleiding...... 35 4.2 Samenstelling DMF en urine... 35 4.2.1 DMF... 35 4.2.2 Urine... 37 4.3 Aerobe reactor... 37 xiii
4.3.1 Zoutzuur- en salpeterzuurdosering... 40 4.3.2 Verblijftijd... 42 4.3.3 Temperatuur.... 42 4.3.4 Conclusies aerobe tank... 42 4.4 Struviet reactor... 43 4.4.1 Resultaten in het algemeen... 43 4.4.2 Aangroei granulair struviet... 44 4.4.3 Verloop van de korrelvorming... 45 4.4.4 Korrel samenstelling... 46 4.4.5 Massabalans struviet... 47 4.4.6 Conclusies... 48 4.5 DEMON...... 49 4.5.1 Periode 1... 49 4.5.2 Periode 2... 52 4.5.3 Periode 3... 54 4.5.4 Periode 4... 56 4.5.5 Conclusie... 59 4.6 Effluent pilot installatie... 60 4.7 Medicijnverwijdering... 61 4.7.1 Inleiding... 62 4.7.2 Veterinaire en humane antibiotica... 62 4.7.3 Medicijnen in humane urine... 66 4.7.4 Ozonisatie van DEMON effluent gespiked met medicijnen... 69 4.7.5 Conclusies antibioticaeffectmetingen en ozonisatie... 72 4.8 Concluderende opmerkingen en discussie over behaalde testresultaten... 73 4.8.1 Influent... 73 4.8.2 Aerobe tank... 73 4.8.3 Struvietreactor... 74 4.8.4 DEMON... 75 4.8.5 Effluent... 79 5. Business case... 81 5.1 Inleiding...... 81 5.2 Schaalgrootte full-scale SOURCE concept... 82 5.2.1 Inpassing SOURCE op RWZI s... 82 5.2.2 Mestoverschot provincie Noord Brabant... 82 5.3 Kosten verwerking ruwe mest... 84 5.3.1 Kosten SOURCE systeem... 84 5.3.2 Het SOURCE systeem in een totaal mestverwerkingsconcept... 86 5.3.3 Verwerkingsroutes mineralenconcentraten... 88 5.4 Milieueffecten verwerking ruwe mest... 90 5.5 Discussie en conclusies... 93 6. Discussie... 95 6.1 Uitgangspunten SOURCE... 95 6.2 Vergelijking tussen verwachte en bevonden technologische prestaties van SOURCE 95 6.3 Struvietafzet... 97 6.4 Medicijnen en geneesmiddelen... 98 6.5 Alternatieven voor elke processtap... 99 6.6 Effect van toepassing SOURCE op RWZI effluentkwaliteit... 100 6.7 Kosten... 101 6.8 Maatschappelijke betekenis van SOURCE... 102 7. Referenties... 103 xiv
Bijlagen... 105 Bijlage 1 EPAS Rapportage 107 Bijlage 2 Demmonificatietesten uitgevoerd door Grontmij... 125 Bijlage 3 Opzet analysepakketten GWL... 131 Bijlage 4 Literatuuronderzoek en aanvullend labonderzoek; Effect van componenten uit de DMF-urine matrix op anammox in de DEMON... 135 Bijlage 5 Rapportages Grontmij antibioticaeffectmetingen... 143 Bijlage 6 Resultaten analyse medicijnen en antibiotica in SOURCE urine... 177 Bijlage 7 Kengetallen kostenberekeningen SOURCE... 183 xv
xvi
1. Inleiding 1.1 Aanleiding voor SOURCE SOURCE (Simultaneous removal of human and veterinairy pharmaceuticals and nutrients) is een project waarin waterschap Aa en Maas en ZLTO, samenwerken met de Provincie Noord-Brabant, STOWA en het ministerie van Economische zaken, Landbouw en Innovatie om de emissies van stikstof, fosfor en geneesmiddelen te beperken (Notenboom et al, 2008). De uitspoeling van nutriënten en geneesmiddelen naar het oppervlaktewater vormt in toenemende mate een probleem voor zowel de agrarische als de waterschapssector en er zijn door beide partijen in het verleden ook al maatregelen genomen en initiatieven ontplooid om de emissie van deze stoffen naar het oppervlakte water te verminderen. Waterschap Aa en Maas werkt aan manieren om de (afval)waterketen effectiever te laten functioneren. Daartoe behoort onder andere het initiatief voor de RWZI als Energiefabriek maar ook maatregelen om aanpak van probleemstoffen fen aan de bron te stimuleren aangezien dat in veel gevallen zou kunnen leiden tot een meer kosteneffectieve en bedrijfszekere verwijdering van stikstof, fosfor en geneesmiddelen. Een van de initiatieven in die richting is het aanbrengen van urinescheidingstoiletten stoiletten in een deel van het Maasziekenhuis in Boxmeer om zo te voorkomen dat stikstof, fosfor en geneesmiddelen verdund worden in het riool. De ingezamelde urine kan apart worden behandeld in een daarvoor geschikte installatie. De Kaderrichtlijn Water noopt de waterschappen bovendien om de ecologische kwaliteit van het oppervlakte water te verbeteren. In het beheersgebied van waterschap Aa en Maas vindt relatief veel veehouderij plaats en daardoor wordt meer stikstof en fosfaat geproduceerd dan op de landbouwgronden kan worden aangewend. Een gedeelte van de geproduceerde mest wordt derhalve uit het beheersgebied van Aa en Maas getransporteerd naar gebieden waar geen (met name fosfaat)overschot bestaat. De gebruiksnormen voor stikstof en fosfaat voor toepassing van meststoffen in de landbouw worden bovendien krapper. De veehouderij streeft er mede daardoor naar om mest te ontmengen in een dikke (fosfaat, en koolstofrijke) stroom en een waterige stroom die relatief veel stikstof bevat (dunne mest fractie, DMF). Deze twee stromen kunnen dan apart worden verwerkt met geschikte methoden. Bovendien maakt zogenaamde dun-dikscheiding dikscheiding van mest bemesting op maat gemakkelijker. Ook zal er dan minder mest(fractie) vervoerd hoeven worden. Aangezien het waterschap een rol speelt in de beoordeling van de aanvaardbaarheid van de lozing van een (be- of verwerkte) mestfractie hebben beide partijen, waterschap en landbouwsector, een belang bij een adequate behandeling van het mestoverschot. De waterwereld heeft kennis van verwijdering en terugwinning van nutriënten terwijl de landbouwsector vanzelfsprekend meer weet van nutriënten en meststoffen(her)gebruik. Met SOURCE beogen beide sectoren een begin te maken met de aanpak van deze problematiek. In het project SOURCE wordt de gecombineerde verwerking van humane urine en DMF onderzocht. Dit verwerkingsconcept moet leiden tot een aanzienlijke vermindering van de emissies (Figuur 1-1). De kennis van waterschap en landbouworganisatie zijn bovendien complementair. 1
Figuur 1-1 Nutriëntenbalansen voor beheersgebied Aa en Maas in huidige situatie en na introductie van SOURCE 1.2 Humane urine en dunne mest: waarom samen? De samenstelling van dunne mest fractie en urine vertonen overeenkomsten die het mogelijk maken om deze stromen samen te behandelen. Urine als afvalwaterstroom beslaat slechts 1-2% van de totale volume stroom richting RWZI maar levert ongeveer 85% van de totaal aan de RWZI geleverde stikstoftoevoer en 50% van de fosfor (Swart, 2006). De stikstofconcentratie ligt afhankelijk van de wijze van inzamelen (verse urine, urinescheiding, eventueel met opslag) tussen de 1500 en meer dan 8000 mg/l. Voor fosfor liggen de gehaltes afhankelijk van de inzameling ing tussen minder dan 100 tot 2000 mg P/l (Bisschops et al., 2010). Verder komt het overgrote deel van hormonen en medicijnen in de urine terecht in plaats van de faeces. In conventionele zuiveringen worden stikstof en fosfor voor 75-80% verwijderd. Medicijnen en hormonen worden afhankelijk van de aard van de verbinding geheel, gedeeltelijk of niet verwijderd en het restant en/of afbraakproducten worden via het effluent afgevoerd richting oppervlaktewater (Swart, 2006). Het stikstof- en fosforgehalte van de Dunne Mest Fractie (DMF) zijn vergelijkbaar met urine. Evenals voor urine zijn de gemeten concentraties waarschijnlijk afhankelijk van de voorgeschiedenis cq. voorbehandeling van de mest. De stikstofconcentratie ligt rond de 4000 mg/l. De fosforconcentratie van DMF varieert tussen 80 en 100 mg/l (Velthof, 2011).Ook in het geval van DMF zullen de resten van (veterinaire) hormonen en medicijnen waarschijnlijk voor een gedeelte in de waterige DMF terechtkomen. Naast vergelijkbare N en P gehaltes zijn ook bijvoorbeeld de CZV van urine en DMF vergelijkbaar in concentratie. 1.3 Andere relevante projecten en de relatie tot SOURCE 1.3.1 Urinescheidingsprojecten Urine beslaat slechts een klein volumedeel van de totale hoeveelheid huishoudelijk afvalwater maar de aandelen n stikstof en fosfor zijn groot. Dit betekent dat een aanzienlijk deel van de kosten die gemaakt worden in een conventionele zuivering gerelateerd zijn aan de behandeling van een kleine volumestroom. Daarom zijn in de afgelopen decade verscheidene initiatieven opgestart om deze afvalwaterstroom apart te behandelen. De achterliggende gedachte is dat behandeling van een geconcentreerde urinestroom efficiënter is qua energiegebruik en dat het ook op technologisch gebied nieuwe aanknopingspunten biedt om de nutriënten terug te winnen, hetgeen hergebruik als meststof of grondstof mogelijk zou maken. Hierbij speelt onder andere een rol dat de wereldvoorraad fosfor langzaam uitgeput raakt en binnen afzienbare tijd zal zijn uitgeput. Daarnaast wordt onderkend dat de productie van kunstmest en vooral het stikstofaandeel hierin (met andere woorden het recyclen van stikstof via de atmosfeer en Haber Bosch) een enorme impact 2
heeft op het globale milieu en energievraag. Hergebruik van uit afvalwater teruggewonnen stikstof doorbreekt deze kringloop wat een positief effect zou kunnen hebben (Rockström et al, 2009). Apart inzamelen van urine heeft ook tot gevolg dat medicijnresten niet onnodig verdund raken. Hierdoor is het gemakkelijker om ze uit de urine te verwijderen met fysischchemische methoden. Daarom is een begin gemaakt met het plaatsen van urinescheidingstoiletten op verschillende locaties (vaak scholen, ziekenhuizen en kantoorgebouwen). Voorbeelden hiervan zijn het Maasziekenhuis in Boxmeer en de hogeschool Windesheim eim in Zwolle 1, waarvan de urine in het SOURCE project werd gebruikt. De terugwinning van nutriënten uit humane urine wordt momenteel al op grotere schaal toegepast door Saniphos in Zutphen. Daar wordt uit op onder andere bij (pop)festivals apart ingezamelde urine struviet en ammoniumsulfaat gewonnen 2. Deze en andere initiatieven (zoals SOURCE) kunnen er voor zorgen dat er in de loop van de tijd steeds meer urine apart ingezameld gaat worden. Immers, apart inzamelen heeft alleen zin als de urine ook verwerkt kan worden. 1.3.2 Mestverwerking Ook in de landbouwsector is men doende strategieën te formuleren op het gebied van terugwinning en management van nutriënten uit mest(fracties) omdat dit (ook in de landbouwsector) wordt gezien als mogelijkheid om de kringlopen te sluiten (Velthof, 2011). Daarbij lijkt vooral te worden ingezet op de dun-dik dik scheiding van mest met behandeling van de gevormde dikke en dunne-mest fracties. In de Pilot Mineralenconcentraten is en wordt nog onderzocht wat de landbouw- en milieukundige ige en economische aspecten zijn aan de productie en het gebruik van mineralenconcentraten uit dierlijke mest. Hierbij wordt de DMF via omgekeerde osmose opgewerkt tot een als kunstmest toe te passen concentraat. De Pilot Mineraalconcentraten is nog niet afgerond. In 2009 zijn de toepassingsmogelijkheden onderzocht en de economische aspecten gerelateerd aan de productie van mineralenconcentraten. Deze bleken gemiddeld 1,25 (2009) en 1,19 (2010) per ton, maar er was zowel in 2009 als in 2010 een grote variatie in de door afnemers opgegeven prijs ( 6 verschil tussen laagste en hoogste prijs in 2009 en 16,50 in 2010). In 2011 wordt nog onderzoek uitgevoerd naar de stikstofwerking van de concentraten en de milieukundige effecten van grootschalige toepassing. Meer voorbeelden van initiatieven op het gebied van mestverwerking zijn elders 3 te vinden. Voor SOURCE zijn er ook andere samenwerkingsprojecten geweest tussen de water- en landbouwsector. Voorbeeld is bijvoorbeeld het door STOWA en PVV (Productschap Vee en Vlees) gefinancierde project Synergie RWZI en Mestverwerking waarin middels een deskstudie en interviews met betrokkenen uit de water- en landbouwsector werd onderzocht waar bij mestverwerking mogelijkheden lagen voor samenwerking tussen water- en landbouwsector (afgerond in 2011) (Bisschops et al, 2011). Binnen die studie is een aantal scenario s doorgerekend waarbij mestfracties op een RWZI werden behandeld. Daarbij werd rekening gehouden met effecten op energieverbruik/productie, terugwinning van nutriënten en financiële randvoorwaarden. Voor het beheersgebied van Waterschappen Aa en Maas en De Dommel heeft ZLTO samen met de waterschappen en de provincie Noord-Brabant een gebiedsstudie uit laten voeren waarin de milieukundige effecten van mestverwerking erking op de kwaliteit van grond- en oppervlaktewater werden onderzocht aan de hand van drie scenario s (Schomaker et al., 2009): A. Huidige wijze van bemesting met onbewerkte dierlijke mest B. Dik-dun scheiding van alle in de beheersgebieden geproduceerde mest met opwerking van DMF tot mineraalconcentraat en een direct of indirect op RWZI loosbaar effluent 1 Voor een overzicht van projecten en wordt verwezen naar de themasite Decentrale Sanitatie van STOWA http://themas.stowa.nl/themas/nieuwe_sanitatie.aspx?mid=7213&rid=846 2 http://www.saniphos.eu/ 3 http://www.mestverwerken.wur.nl/ 3
C. Als B. maar dan alleen met mestoverschot. Voor scenario s B. en C. werden ook nog 3 subscenario's doorgerekend die betrekking hadden op lozingen van effluent. Uit deze gebiedsstudie bleek dat de verwerking volgens scenario B een aanzienlijke positieve invloed had op de stikstofbelasting van grond- en oppervlaktewater. Voor de P-concentratie in grond- en oppervlaktewater in het bestuurde gebied had mestverwerking geen effect. De hoeveelheid geproduceerd mineraalconcentraat is zowel onder volledige mestverwerking als bij verwerking van het mestoverschot meer dan benut kan worden in het beheersgebieden van Aa en Maas en De Dommel. Toepassing in andere landbouwgebieden den zal naar verwachting ook daar een positief effect hebben op de toestand van het grond- en oppervlaktewater aldaar. Al met al is de verwachting dat de verwerking van de effluenten van de mestverwerking wel nadelige effecten zullen hebben in het bijzonder op de kleinere RWZIs. De effluentkwaliteit zal minder worden. 1.3.3 Struviet Er is een verkennende studie uitgevoerd naar de mogelijkheden voor afzet van de struviet die in een SOURCE mestverwerking zou worden geproduceerd. Afzet naar grotere bedrijven uit de fosfaatindustrie is geen waarschijnlijke afzetmogelijkheid vooral omdat deze industrie om praktische redenen vraagt om een gelijkmatig over het jaar geleverde aanzienlijke stroom van min of meer constante homogene samenstelling. Daarom is geconcludeerd dat voor directe afzet van de struviet als meststof export naar het nabije buitenland (bijvoorbeeld Duitsland) de eerst aangewezen mogelijkheid zou zijn. Daarnaast is verkoop aan kleinere meststofproducten kansrijk (Postma et al. 2011). 1.4 Doelstelling en beoogd ogd resultaat De ambities van waterschap Aa en Maas om tot een betere oppervlaktewaterkwaliteit door een brongerichte aanpak te komen en van (Z)LTO om een oplossing te vinden voor het mestoverschot, samen met de complementaire kennis op het gebied van nutriënten (verwijdering/terugwinning ten opzichte van gebruik/management) hebben geleid tot de samenwerking binnen SOURCE. Resultaten uit eerder al dan niet door anderen uitgevoerde projecten (bijvoorbeeld de terugwinning van nutriënten uit urine) en de wetenschap dat verwerking van een groot gedeelte van de mest binnen het beheersgebied kan leiden tot een verlaging van de stikstofbelasting van grond- en oppervlaktewater heeft geleid tot een concept waarbij nutriëntrijke stromen samen worden behandeld op één locatie. SOURCE is het eerste project geweest waarin de water- en landbouwsector samenwerkten en daadwerkelijk een praktijk experiment plaatsvond om het voorgestelde scenario van mestverwerking op een RWZI te toetsen. De beoogde doelstelling van SOURCE is grafisch weergegeven in het logo (Figuur 1-2) en komt op het volgende neer: Het ontwikkelen van een duurzame keten voor herwinning van nutriënten uit de gecombineerde stroom van menselijke urine en dierlijke (mest)stromen; Emissiereductie naar het watersysteem van geneesmiddelen(resten) vanuit de humane en dierlijke keten. Daarbij speelt bovendien dat er diverse voordelen kunnen worden gehaald door: het schaalvoordeel waardoor stikstof, tof, fosfor en geneesmiddelen goedkoper verwijderd kunnen worden; minder mesttransport (dus minder energieverbruik); de productie van kunstmestvervangers, waardoor er minder extra nutriënten in de keten worden gebracht; synergie tussen de verschillende partijen: warmte, elektriciteit en nutriënten kunnen worden uitgewisseld tussen partijen). Deze factoren tezamen nemend zou SOURCE bij succes kunnen leiden tot een schoner oppervlaktewater vanwege lagere emissies, herwinning van fosfaat, verminderd energieverbruik door kortere ketens (verminderde erde logistiek, verbeterde efficiëntie door 4
schaalvoordeel en een efficiëntere zuivering, als ook een kleiner mestoverschot en vermindering van broeikasgasemissies. Figuur 1-2 De doelstellingen van SOURCE samengevat in het logo 1.5 Globale opzet van de SOURCE procestrein Voor het SOURCE project is de dunne mestfractie van varkensmest samen met humane urine behandeld. Ten tijde van de eerste ontwikkeling van het SOURCE concept in 2008 ging bij mestverwerking de trend al richting dik-dun dun scheiding van de (varkens)mest. De dikke fractie wordt verder verwerkt (vergisting etc.). De dunne fractie die relatief veel opgelost stikstof en in mindere mate fosfaat bevat moet verder behandeld worden omdat de fractie als zodanig niet bruikbaar is als bemester. Dat en de tendens om meer urine gescheiden af te vangen en het feit dat de samenstelling van DMF en urine vergelijkbaar zijn leidde tot de gecombineerde behandeling van de DMF en humane urine binnen SOURCE. De doelstelling elling om bij de behandeling nutriënten te verwijderen/ terug te winnen voor hergebruik èn om veterinaire en humane farmaceutische middelen (antibiotica, hormonen en andere geneesmiddelen) zo veel mogelijk te verwijderen moest uiteindelijk bij lozen van het effluent van de SOURCE procestrein niet leiden tot een zo laag mogelijke belasting van een RWZI. Voor het bepalen van de opzet van de SOURCE procestrein is voor de verschillende processtappen vooronderzoek verricht. Dit vooronderzoek heeft geleid (zie ook Hoofdstuk 2) tot de uiteindelijke inrichting van de proefinstallatie die hieronder kort (maar in Hoofdstuk 0 veel uitgebreider) beschreven is (Figuur 1-3). Voor SOURCE werden de DMF en de humane urine apart ingezameld. Deze werden op de locatie gemengd. Aangezien het beschikbare volume humane urine niet heel hoog was, de urine later in het project beschikbaar kwam toen de installatie al op de DMF draaide, en de samenstellingen van DMF en urine vergelijkbaar zijn (zie ook sectie 4.2) is besloten om 3% urine bij te mengen (op volume basis) bij de DMF. De terugwinning van fosfaat uit de DMF-urine matrix vond plaats middels struvietvorming. Dit proces wordt in meer detail besproken in sectie 3.2.3.. De gebruikte technologie was bewezen technologie op rejectiewater en water uit de agro-industrie maar nog nooit toegepast op mestfracties. Van terugwinning van de stikstof (bijvoorbeeld als ammoniumsulfaat) is afgezien omdat er te veel onzekerheden waren met betrekking tot de rentabiliteit van terugwinning van stikstof zowel qua energie-input input als afzet van de gevormde meststof. Daarom is een DEMON reactor in het SOURCE concept ingepast om de stikstof uit de matrix te verwijderen. In het DEMON proces wordt stikstof met een de-ammonificatie reactie, waarbij ammonium en nitriet onder zuurstofloze condities worden omgezet naar 5
stikstof (Anammox reactie), verwijderd uit de matrix. Dit is een microbiologisch proces waarbij geen extra koolstofbron hoeft te worden gedoseerd. Ammonium is aanwezig in de DMF-urine matrix. Het nitriet wordt door nitrificerende bacteriën onder aerobe condities in een aparte stap gevormd via gedeeltelijke nitrificatie (zogenaamde nitritatie) van ammonium naar nitriet. Deze stap behoeft ook geen dosering van een externe koolstofbron. De DEMON is een bewezen technologie op rejectiewater maar was tot het SOURCE project nooit op mestfracties ingezet. Bij de dun-dik dik scheiding van de mest komt de meeste organische stof in de dikke fractie terecht. Toch heeft de DMF een aanzienlijke CZV (evenals urine overigens). De eerste gedachte was om die CZV om te zetten en naar bruikbaar methaan door anaerobe vergisting van de DMF. Echter bij aanvang van het SOURCE project bleek de vergisting van deze stroom niet een-twee-drie tot een acceptabele hoeveelheid biogas te leiden. Men was van mening dat de CZV in de DMF-urine matrix wel verwijderd moest worden om de vorming en de kwaliteit van het struviet en de N-verwijdering in de DEMON niet onnodig te verstoren. Om de CZV toch te verwijderen is voor de struvietreactor een beluchtingsreactor ingepland. In die reactor werd een gedeelte van de CZV en BZV verwijderd. De uiteindelijke proefinstallatie (Figuur 1-4) had geen na (de DEMON) geschakelde verwijdering van medicijnen omdat direct na opstart van de SOURCE installatie al bleek dat het effluent van de pilot te veel humuszuren en andere organische verbindingen bevatte om ozon en actieve kool als zodanig toe te kunnen passen. In eerste instantie heeft men zich binnen het SOURCE project dus gericht op optimalisatie van de afzonderlijke processtappen. Er zijn met het effluent van de DEMON wel ozonisatie-experimenten uitgevoerd om een eerste indruk te krijgen van de behandelbaarheid van het SOURCE effluent. Ook is er op twee tijdstippen in het project een analyse gedaan aan de antibiotica activiteit van de DMF-urine matrix en de effluenten van verschillende processtappen en het gevormde struviet om een indruk te krijgen het effect dat de SOURCE procestrein had op de antibioticumactiviteit. Figuur 1-3 Opzet van de SOURCE procestrein 1.6 Leeswijzer In de rapportage zal allereerst worden toegelicht hoe men tot de opzet van de SOURCE procestrein is gekomen. Dit gebeurt aan de hand van het vooronderzoek dat eerst is uitgevoerd (Hoofdstuk 2). Hoofdstuk 0 beschrijft de opzet van de SOURCE proefinstallatie op de RWZI Land van Cuijck in Haps. De resultaten die zijn verkregen tijdens de gehele proefperiode zijn beschreven in Hoofdstuk 4. Met deze resultaten is een studie gemaakt van 6