Onderzoekers aan de Technische Universiteit Delft hebben een nieuwe fysisch-chemische methode ontwikkeld om ammoniak uit concentraatstromen om te zetten in elektrische stroom, hoogwaardige warmte, stikstofgas en water. Dit levert grote voordelen op voor toepassing binnen de rioolwaterzuivering: het energieverbruik om stikstof te verwijderen wordt drastisch verlaagd en het sterke broeikasgas distikstofoxide (N2O) komt niet vrij. Waterschappen en bedrijven tonen interesse om projecten uit te voeren.
Het hergebruiken en/of benutten van de energiewaarde van ammonium. Daar draait het bij het nieuwe systeem om, vertelt Jules van Lier, hoogleraar Wastewater Treatment / Environmental Engineering aan de TU Delft.
Jules van Lier
“Het ammonium in geconcentreerde afvalwaterstromen, zoals slib rejectiewater, wordt met behulp van een slim bedreven elektrodialyse (ED) en een na-geschakelde bipolaire membraan (BPM) ED opgewerkt naar een mooie ammoniakstroom. Deze stroom kan voor meerdere doelen worden gebruikt. Denk hierbij aan de productie van meststoffen of bulkchemicaliën of inderdaad als energiebron om er elektrische stroom uit te maken. De vinding is voor de waterschappen interessant voor toepassing in de grondstoffabriek en in nieuwe sanitatieconcepten.”
Ammonium als brandstof
Ammonium is het geconjugeerde zuur van ammoniak. Ammonium komt vrij bij de hydrolyse van ureum in urine van mensen en dieren en is reeds meer dan honderd jaar het belangrijkste bestanddeel van kunstmest. “Wij zien deze vorm van stikstof niet als een probleemstof maar als een brandstof”, zegt Henri Spanjers, projectleider van het N2kWh project dat vier jaar geleden samen met de KU Leuven is opgezet. “De energiewaarde van ammonium is 21 MJ per kilogram N. Om deze energiewaarde eruit te halen, hebben we een brandstofcel nodig van het type ‘solid oxide fuel cell’ (SOFC).”
Henri Spanjers
In feite bevat deze brandstofcel een ingebouwde reformer, die bij hoge temperatuur (650 tot 700 graden) ammoniak ontleedt in stikstofgas en waterstof en vervolgens de waterstof oxideert. “De reactie is exotherm dus die houdt zichzelf wel aan de praat”, aldus Spanjers. “Ongeveer 55 procent van de energie-inhoud wordt omgezet in elektriciteit en 40 procent in hoogwaardige warmte van 650 tot 700 graden Celsius. Om het opgeloste ammonium te kunnen gebruiken als brandstof, dient dit eerst te worden geconcentreerd en vervolgens te worden omgezet in ammoniakgas. Het opwerkingsprocedé om te komen tot zo’n schone brandstof hebben we inmiddels gepatenteerd. De elektrische conversiewaarden in een SOFC zijn hoog. Daarom kan het toepassen van biogas in een SOFC ook mogelijk interessant zijn.”
Terugwinnen van grondstoffen
De in de SOFC (terug)gewonnen energie wordt gebruikt om ammonium te concentreren en in de gasfase te brengen. Dat gebeurt met een combinatie van elektrodialyse en bipolaire membraanelektrodialyse, gevolgd door vacuümmembraanstripping. Spanjers: “Hiermee maak je ammoniakwater en carbonzuur of CO2. Deze producten kun je weer inzetten als grondstoffen. Indien de energieproductie niet van belang is, kun je ammoniakwater – een mengsel van NH3 en H2O – direct afzetten op de markt. Dit product heeft een grotere commerciële waarde dan ammoniumsulfaat.”
Een groot voordeel is volgens Van Lier dat er geen broeikasgassen vrijkomen. “Bij een biologische verwijderingsmethode zoals nitrificatie/denitrificatie of autotrofe denitrificatie (Anammox), of mengvormen van deze processen wordt N2O (distikstofoxide of in gewone taal lachgas, red.) uitgestoten. Dit broeikasgas is zo’n driehonderd keer sterker dan CO2. Bij verbranding in een brandstofcel gebeurt dat niet.” Een ander pluspunt is dat het om een aan-uitsysteem gaat. “Je bent niet afhankelijk van biologische processen, die soms een terugval kunnen hebben.”
Opschaling bij waterschappen
Niels van Linden heeft als promovendus aan de TU Delft de nieuwe methode in de afgelopen vier jaar uitvoerig onderzocht. De TU Delft is nu bezig met opschaling en zoekt de samenwerking met waterschappen. STOWA heeft al interesse getoond. Het kenniscentrum is bereid tot co-financiering, als het proces op pilotschaal wordt uitgetest.
“Waternet en Waterschapsbedrijf Limburg zien de potentiële voordelen van deze nieuwe methoden”, vertelt Van Lier. “Naast efficiënte behandeling van slibrejectiewater in conventionele zuiveringen kan dit wel eens een grote sprong voorwaarts betekenen voor decentrale sanitatieprojecten”. Van Lier licht toe: “In de nieuwe Amsterdamse stadswijk Strandeiland zal zwart water (toiletwater, red.) en grijs water (het overige water uit woningen en andere gebouwen, red.) gescheiden worden afgevoerd. Het zwarte water gaat naar een decentrale waterzuiveringsinstallatie. Met onze vinding kan nu veel efficiënter stikstof worden verwijderd en teruggewonnen als grond- of brandstof.”
Ook projecten in bedrijfsleven
De TU Delft is ook met een aantal bedrijven in gesprek over de toepassing van de nieuwe methode. Inmiddels is in samenwerking met Nijhuis Industries een nieuw project van start gegaan. Spanjers: “In dit project wordt met ons systeem aan de ene kant ammoniak en aan de andere kant zwavelzuur teruggewonnen. Het zwavelzuur kan Nijhuis weer gebruiken in de gaswasser.”
Verder is er veel aandacht voor het ammoniakoverschot in drijfmest, besluit Spanjers. “Testen uitgevoerd in samenwerking met Lenntech, de huidige werkgever van Niels van Linden, laten zien dat we 80 tot 85 procent van de ammoniak uit de mest kunnen verwijderen. Hoe vies het mestwater ook is, onze uitvinding trekt ammonium er gewoon uit.”
MEER INFORMATIE
Toelichting op gepatenteerde uitvinding
Interview met Niels van Linden
