Met het beoogde proces kan ammonium worden teruggewonnen uit geconcentreerde NH4-houdende afvalwaterstromen. De NH4 kan vervolgens worden gebruikt als brandstof voor een brandstofcel. Met de brandstofcel wordt elektriciteit en warmte gemaakt, waarmee naar verwachting een (bijna) energieneutrale NH4-terugwinning kan worden gerealiseerd.

Energiebesparing
De biologische verwijdering van ammonium (NH4) uit afvalwater kost veel energie en gaat gepaard met de vorming van het sterke broeikasgas lachgas (N2O). NH4 is een energiedrager met een energiewaarde van 21 MJ/Kg N, enigszins vergelijkbaar met methaan (CH4) dat een energiewaarde van 41.4 MJ/kg C heeft. Het project richt zich niet op de vernietiging van NH4 tijdens het zuiveringsproces, waarvoor veel energie nodig is, maar op de terugwinning ervan als energiebron (of ten behoeve van hergebruik). Behalve als directe energiebron is NH4 een geschikt opslagmedium voor energie, het is makkelijke te bewaren bij milde temperatuur en druk.

Combinatie ED-BPM-VMS
NH4 wordt teruggewonnen door het te concentreren in een elektrodialysecel (ED) en het vervolgens door middel van een bipolaire membranen (BPM) te splitsen in een basische NH4-concentraatstroom en een zure concentraatstroom. Door de hogere pH in deze basische stroom verschuift het evenwicht tussen NH4 en NH3 richting NH3. Het NH3 kan nu als gas worden verwijderd via vacuümmembraanstrippen (VMS). Dit NH3-gas kan als brandstof worden gebruikt voor een brandstofcel, waarmee elektriciteit wordt opgewekt die kan worden gebruikt om het proces mee te bedrijven. Een andere mogelijkheid is om van de NH4 de meststof ammoniumsulfaat of basisch ammoniakwater te maken. 

Terugwinning
De NH4-concentratie in rioolwater is voor dit proces te laag. Het tijdens dit project ontwikkelde NH4-terugwinningsproces richt zich daarom op geconcentreerde NH4-houdende stromen. Voorbeelden van dergelijke stromen zijn het centraat dat vrijkomt bij de ontwatering van uitgegist slib. Een ander voorbeeld is de zwartwaterbehandeling bij Nieuwe Sanitatie. Bij Nieuwe Sanitatie (NS) wordt voor de toiletspoeling veel minder water gebruikt dan bij een normaal toilet en het toiletwater (zwartwater) wordt apart ingezameld en behandeld. Deze stroom is extra interessant, omdat bijna al het in het afvalwater aanwezige stikstof/NH4 in geconcentreerde vorm in het zwartwater zit, waardoor het met deze techniek kan worden teruggewonnen. Bij de centraatbehandeling, een zogenaamde deelstroombehandeling, wordt een relatief klein deel van de op de zuivering aangevoerde stikstof teruggewonnen. Weliswaar is dit ook voor de deelstroombehandeling een interessante techniek, maar de energiebesparing en de milieuwinst zijn in de Nieuwe Sanitatie-variant relatief gezien over het gehele zuiveringsproces veel hoger.

Businesscase
Daarom heeft Waternet een businesscase opgesteld voor de Nieuwe Sanitatie-zuivering op Strandeiland. Daaruit blijkt dat het proces momenteel nog iets duurder is dan de conventionele stikstofverwijderingstechnieken. De onzekerste factor in de businesscase is de levensduur van de membranen. Verdere proces-, technologie- en prijsontwikkelingen leiden in de toekomst mogelijk tot kosten die wél vergelijkbaar zijn met die van de conventionele technieken.

Wat levert het op?
Het proces verbruikt veel minder energie dan alle andere beschikbare deelstroomstikstofverwijderingstechnieken en bovendien komt tijdens het proces geen lachgas vrij. Een ander voordeel is de relatief kleine footprint en goede schaalbaarheid van het proces. Het is een fysisch-chemisch proces. Door het bijplaatsen van membranen kan de capaciteit eenvoudig worden vergroot.

Met wie werken we samen?
Dit onderzoek is gefinancierd door NWO-TTW (Nederland) en VLAIO-IWT (België). Waternet is vooral betrokken bij het Nederlandse deel, dat wordt uitgevoerd door de TU Delft. Dit deelonderzoek richt zich op de combinatie ED-BPM-VMS (elektrodialysemembraan-bipolair membraan-vacuümmembraanstrip). Het Belgische deel van het onderzoek wordt uitgevoerd door de Katholieke Universiteit Leuven. Overige partners en bedrijven in de gebruikerscommissie zijn Royal Haskoning DHV, Bioelectric, InOpSys, Yara Sluiskil en Host.

Planning
Het Nederlandse deel wordt in 2020 afgerond. Waternet verkent met verschillende partners de mogelijkheden om op één van onze zuiveringen een pilot te bedrijven met dit proces.

Meer informatie
https://www.tudelft.nl/citg/over-faculteit/afdelingen/watermanagement/research/phd/phd-projects/n2kwh-from-pollutant-to-power/

https://www.h2owaternetwerk.nl/h2o-actueel/vinding-tu-delft-benut-energiewaarde-van-ammonium

https://www.nwo.nl/toegepaste-en-technische-wetenschappen-ttw