Effluentpolishing met kroos. Deelrapport 7. Koepelrapport gebaseerd op informatie uit alle deelrapporten

Effluentpolishing met kroos

Deelrapport 7. Koepelrapport gebaseerd op informatie uit alle deelrapporten

Kenmerk R007-4716656BVX-afr-V03-NL

Verantwoording Titel


Auteur

Projectgroep Effluentpolishing met kroos. Samengesteld door B.A.J. de Vreede, Tauw bv

Aantal pagina's

4716656 44 (exclusief bijlagen)

Datum

1 juli 2012

Projectnummer

4\44



Inhoud Verantwoording ............................................................................................................................. 4 Samenvatting ................................................................................................................................. 7 1

Inleiding.......................................................................................................................... 9

2

Kroosgroei ................................................................................................................... 13

2.1 2.2

Groei en opbrengst........................................................................................................ 13 Dichtheid ....................................................................................................................... 16

2.3 2.4 2.5

Licht ............................................................................................................................... 16 Temperatuur .................................................................................................................. 17 Nutriëntlimitatie.............................................................................................................. 18

3 3.1 3.2 3.3 3.4

Krooszuivering ............................................................................................................ 21 Stikstof........................................................................................................................... 21 Fosfor ............................................................................................................................ 23 Verwijderingsmechanisme ............................................................................................ 24 Metalen.......................................................................................................................... 25

4

Kroos in praktijk .......................................................................................................... 27

5 5.1 5.2

Kroos als product........................................................................................................ 29 Toepassingsmogelijkheden ........................................................................................... 29 Marktpotentie................................................................................................................. 31

5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3

Veevoer ......................................................................................................................... 31 Biogasproductie............................................................................................................. 32 Inhoudstoffen................................................................................................................. 32 Regelgeving .................................................................................................................. 33

6

Kosten en baten krooszuivering ................................................................................ 35

7

Uitwerking van een voorbeeld.................................................................................... 37

8 8.1

Conclusies en aanbevelingen .................................................................................... 39 Conclusies ..................................................................................................................... 39


5\44


6\44

8.2

Aanbevelingen............................................................................................................... 40

9

Literatuur...................................................................................................................... 43



Samenvatting In het project effluentpolishing met kroos heeft een consortium van Waterschap Noorderzijlvest, advies- en ingenieursbureau Tauw, Bioniers, de Radboud Universiteit Nijmegen en Wageningen UR Livestock Research onderzoek gedaan naar de kosteneffectiviteit van het nazuiveren van effluent van een RWZI met kroos. Het onderzoek is onderdeel van het KRW-innovatieprogramma waarmee het ministerie van I&M onderzoek naar innovatieve en kosteneffectieve maatregelen stimuleert die bijdragen aan de KRW-opgave. Het project is opgebouwd uit:  Literatuurstudie  Laboratoriumexperimenten  Kroos als product  Pilotstudie  Modelberekening  Ontwerp demonstratiemodel Vanuit een theoretisch kader is verder gebouwd naar een praktische invulling van het kroosproject. Voorafgaand aan een serie laboratoriumexperimenten is een literatuurstudie uitgevoerd. Er is een analyse gemaakt van de kansen voor kroos als veevoer, met een eerste indicatie van de hoeveelheid zware metalen in het plantmateriaal. Het geanalyseerde kroos was afkomstig uit een opstelling die gebouwd is bij de RWZI van Eelde. Uiteindelijk is een groeimodel gemaakt dat geïntegreerd is in een ontwerpmodel dat de kosten en baten van een krooszuivering uitrekent. Uit het onderzoek blijkt dat het goed mogelijk is om kroos te kweken op RWZI-effluent onder Nederlandse omstandigheden. De groei (en zuivering) is echter gelimiteerd in de winter, vermoedelijk door een combinatie van temperatuur- en lichtremming. Azolla bleek toleranter voor lage temperaturen dan de Lemnaceae en de lichtintensiteit was voor de Lemnaceae eerder beperkend dan voor Azolla. Bijverlichten met rood LED licht lijkt het meest optimaal, waarbij de lichtintensiteiten nog wel onderwerp van discussie zijn. Bovendien zijn de kosten van bijbelichten relatief hoog volgens de berekeningen die gemaakt zijn met het ontwerpmodel. Kroos wordt ongeacht de soort gekenmerkt door een hoog vochtgehalte (90 % à 95 %). Conservering van kroos voor diverse toepassingen is daarom nodig. Daarom lijken de beste marktkansen te liggen bij de toepassing voor veevoer na inkuilen of drogen of bij de extractie van inhoudsstoffen.


7\44


Vergisten tot biogas heeft economisch gezien geen perspectief en toepassing van kroos als vers product geeft beperkingen op gebied van houdbaarheid en opname door vee als voer. Kroos is interessant als eiwitbron als het eiwitgehalte tenminste 30 % van de droge stof bedraagt. Vereisten om kroos af te kunnen zetten in de veevoerketen zijn het registreren van kroos als voercomponent, het registreren van de producent en het borgen van de productkwaliteit en het productieproces. In een eerste indicatief onderzoek naar de hoeveelheid zware metalen in het kroos dat gegroeid heeft op RWZI-effluent was de hoeveelheid kwik in het plantmateriaal te hoog voor toepassing als veevoer. Uit een kosteninventarisatie van nazuiveringstechnieken blijkt dat krooszuivering gemiddeld scoort per behandelde kuub effluent, maar een dure optie blijkt per verwijderde kilogram nutriënt (N en P). Dit komt voornamelijk door de hoge kosten van het drogen van kroos voor verdere verwerking. Zonder droogkosten halveert de prijs voor de krooszuivering. Een alternatief voor drogen is het inkuilen van kroos of een andere toepassing voor kroos.

8\44



1 Inleiding Ondanks dat de waterkwaliteit in Nederland de afgelopen decennia sterk is verbeterd, kent Nederland nog een forse opgave om aan de vereisten te voldoen die gesteld worden vanuit de Kader Richtlijn Water (KRW). Hiervoor zijn meerdere maatregelen mogelijk, variërend van natuurvriendelijke oevers, tot het verbeteren van het zuiveringsrendement van rioolwaterzuiveringsinstallaties. Om de zoektocht naar innovatieve en kostenefficiënte maatregelen te stimuleren, heeft het ministerie van I&M subsidie beschikbaar gesteld vanuit het KRW-Innovatieprogramma. Eén van de innovatiemaatregelen waar onderzoek naar wordt gedaan is het nazuiveren van effluent met kroos: Effluentpolishing met kroos. Het onderzoek is uitgevoerd door een consortium bestaande uit Waterschap Noorderzijlvest, advies- en ingenieursbureau Tauw, Bioniers, de Radboud Universiteit Nijmegen en Wageningen UR Livestock Research. Kroos kan zeer efficiënt nutriënten verwijderen en wordt onder andere in de Verenigde Staten en Australië ingezet als waterzuiveraar in professioneel opgezette kweekvijvers. Het gaat daarbij primair om het verkrijgen van een goede waterkwaliteit. Kroos produceert naast schoon water tevens biomassa en waardevolle eiwitten. Hierdoor heeft kroos potentie om te worden gebruikt als biobrandstof, groenbemester of component in veevoer.

Kroos Kroos kent twee families met de wetenschappelijke namen Lemnaceae en Azollaceae. Het zijn drijvende waterplanten die doorgaans indicatief zijn voor nutriëntenrijk water (de Lyon and Roelofs, 1986). Onder de juiste omstandigheden zijn ze in staat om hun biomassa in 3 tot 5 dagen te verdubbelen (STOWA, 1992) waarbij ze nutriënten zoals stikstof en fosfaat direct op nemen uit het water. In Nederland zijn binnen de familie van de Lemnaceae, Lemna gibba, Lemna minor en Spirodela polyrhiza het meest voorkomend. Binnen de familie van de Azollaceae is dit Azolla filiculoides (fig. 1) (STOWA, 1992).

Lemna gibba

Lemna minor

Spirodela polyrhiza

Azolla filiculoides

Bultkroos

Klein kroos

Veelwortelig kroos

Kroosvaren

Figuur 1: Lemna gibba (commons.wikimedia.org). Lemna minor (wisplants.uwsp.edu). Spirodela polyrhiza (plants.ifas.ufl.edu). Azolla filiculoides (alienplantsbelgium.be)


9\44


Het project Effluentpolishing met kroos richt zich op zowel het kweken van kroos, het zuiveren van effluent als op de toepassingsmogelijkheden van kroos. De algemene onderzoeksvraag luidt: “Hoe kan het kweken van kroos in de Nederlandse zuiveringssituatie, als energiezuinige en kostenefficiënte, nageschakelde maatregel voor N en P verwijdering worden ingezet om daarmee een bijdrage te leveren aan een goede ecologische en chemische toestand van het oppervlaktewater in het jaar 2015?” Bijkomende secundaire vraag is: “Hoe kan kroos als product worden afgezet en welke afzetmogelijkheid levert de meeste baten op?” De uitkomsten zijn gebundeld in een aantal rapporten. Voor u ligt het koepelrapport als onderdeel van de volgende serie.

Deelrapport

Onderdeel

1

Literatuurstudie

Doel

Uitvoerende partij

Een inventarisatie van reeds gedane

Tauw

onderzoeken naar kroosgroei en krooszuivering. 2

Laboratoriumexperimenten

Het vullen van leemten in kennis uit de

Radboud Universiteit

literatuurstudie. Eerste testen voor groei van

Nijmegen

kroos op effluent. Onderzoeken meest geschikte kroossoort. 3

Kroos als product

Het analyseren van de kroossamenstelling voor Wageningen UR Livestock het bepalen van de geschiktheid als veevoer of Research andere toepassingen. Het in kaart brengen van regelgeving omtrent veevoer.

4

Pilotstudie

Ontwikkelen van kennis over het kweken van

Waterschap Noorderzijlvest

kroos onder Nederlandse omstandigheden op RWZI-effluent. 5

Modelberekeningen

Opstellen mathematisch model voor het

Tauw

berekenen van het meest optimale kweeksysteem voor zuivering. 6

Ontwerp

Het ontwerpen van een haalbaar en betaalbaar Bioniers

demonstratiesysteem

krooskweeksysteem op basis van de opgedane kennis in de eerdere onderzoeksfasen.

7

Koepelrapport

10\44


Synthese

Tauw


Vanuit een theoretisch kader is verder gebouwd naar een praktische invulling van het kroosproject. Allereerst is een literatuurstudie gedaan om te verkennen wat er al onderzocht is op het gebied van o.a. kroossoorten, kroosgroei en krooszuivering. Vervolgens is een aantal hiaten in de kennis geformuleerd van waaruit experimenten op laboratoriumschaal zijn uitgevoerd. Het betreft een batchexperiment, waarbij het kroos heeft gegroeid op stilstaand effluent in bekerglazen. Daarna zijn achtereenvolgens een daglengte-experiment, een dichtheidsexperiment en een verlichtingsexperiment met LED´s gedaan. Deze testen zijn ook onder verschillende temperaturen uitgevoerd om het effect daarvan zichtbaar te maken. Om inzichtelijk te maken wat de opbrengsten van het kroos zouden zijn bij een verwerking tot veevoer is er ook onderzocht wat de kansen zijn voor het maken van veevoer uit kroos en welke regelgeving daarbij komt kijken. Tevens is er een analyse gedaan van de metaalgehaltes in het kroos om te bepalen of het voldoet aan de eisen voor veevoer. Het geanalyseerde kroos was afkomstig uit een opstelling die gebouwd is bij de RWZI van Eelde. Deze pilot moest de praktische knelpunten aan het licht brengen die op zouden treden bij het opschalen van de laboratoriumexperimenten. Met de input van de verschillende experimenten kon een groeimodel gebouwd worden dat de kroosgroei zou beschrijven. Dit model is uiteindelijke geïntegreerd in een ontwerpmodel dat de kosten en baten van een krooszuivering uitrekent. Op basis van dit model is in dit rapport een conclusie getrokken over de technische en financiële haalbaarheid van een krooszuivering in Nederland.


11\44


12\44



2 Kroosgroei Voor de groei van weefsel zijn planten afhankelijk van bouwstenen en energie. Die energie kunnen ze gebruiken om de bouwstenen om te zetten in weefsel. Kroosplantjes halen hun energie uit zonlicht. Daarnaast nemen ze als bouwstoffen koolstofdioxide op uit de lucht en voedingsstoffen uit het water. Om de groei van kroos te kunnen beschrijven wordt vaak uitgegaan van een maximale groeisnelheid. Die maximale groei is alleen mogelijk als alle omstandigheden optimaal zijn. Als dat niet zo is, dan is de groeisnelheid sub-optimaal. Dat kan gemodelleerd worden met behulp van limitatiefuncties. Die functies beschrijven het verloop van een limiterende factor die de groeisnelheid verlaagt. Bijvoorbeeld: de kroosgroei is maximaal bij 26 graden Celsius. Dan zou een limiterende factor 0,9 kunnen zijn bij een temperatuur van 23 graden Celsius. Dat betekent dat de kroosgroei 90 % van de maximale groei bedraagt.

2.1

Groei en opbrengst

In het licht van krooszuivering is de kroosgroei van belang omdat deze voor een groot deel de hoeveelheid opgenomen nutriënten dicteert. Daarnaast is het voor het genereren van neveninkomsten goed om zoveel mogelijk product te verkrijgen. Als de groei van kroos beschouwd wordt is echter niet alleen de massa van belang. Het kroos dat van het wateroppervlak gehaald wordt bestaat namelijk voor een groot deel uit water. Dit water levert geen voedingstoffen voor vee of energie bij vergisting. Bovendien is het duur om producten met relatief veel water te transporteren. Dit zijn goede redenen om ook aandacht te besteden aan de hoeveelheid droge stof die zich in de planten bevindt. De analyse van droge stof gehalten maakt het ook mogelijk om andere parameters gerichter te onderzoeken, onafhankelijk van de vochtgehalten. De vochtgehalten variëren niet alleen tussen soorten (op basis van genetische eigenschappen), ze zijn ook afhankelijk van milieuomstandigheden. Hierbij kan gedacht worden aan situaties waarbij er meer water verdampt wordt dan opgenomen, of waarbij er, bijvoorbeeld onder invloed van stress, stoffen worden opgeslagen in het plantenweefsel. Uit eerdere experimenten blijkt er een vochtgehalte van 86 tot 97 procent mogelijk te zijn in Lemnaceae (STOWA, 1992). Tijdens het batch-experiment hadden de onderzochte kroosplanten een vochtgehalte tussen 92 en 95 procent. In het daglengte experiment werd een grotere variatie in vochtgehalten gevonden: tussen 77 en 94 procent. Het droge stof gehalte van L. minor leek sneller op te lopen dan bij L. gibba bij minder gunstige omstandigheden. Gedurende het experiment was een stijgende trend zichtbaar; droge stof gehalten namen toe met een grotere daglengte.


13\44


Er zijn drie verklaringen voor deze toename in droge stofgehalten: 1. Stikstoflimitatie in de planten (toename celwandmateriaal in verhouding tot protoplasma) 2. Beperkte wateropname door beperkte kinetiek bij lage temperaturen 3. Opslag van suikers door een overmaat aan licht in relatie tot mogelijke groei Tijdens de proef waarin geëxperimenteerd is met verschillende dichtheden voor de kroosmat is een variatie in vochtgehalten waargenomen tussen 88 % en 94 %. In de regel nam het vochtgehalte af tijdens de proef. Een hogere dichtheid leverde echter een kleinere afname van het vochtgehalte op. Dit heeft mogelijk te maken met een verminderde groei. Een lagere groei betekent ook minder celdelingen en dus ook een lagere herverdeling van water tussen cellen. Afhankelijk van de dichtheid en temperatuur waren de groeisnelheden tussen 1,5 en 4,5 g ds m-2 d-1 (tussen 5,5 en 16,4 ton ds ha-1 jaar-1) in het dichtheidsexperiment. In de zomer was de productie van de pilot voor Lemna minor 29 ton ds ha-1 jaar-1 en voor Azolla filiculoides 40 ton ds ha-1 jaar-1. NB: In de praktijk is in Nederland een productie op basis van zomercondities jaarrond niet mogelijk. Bij 213 dagen per jaar (zie onderstaand overzicht) onder zomercondities is de productie met 17 en 22 ton ha-1 jaar-1 nog steeds hoog.

14\44



Lichtenergie per maand. (info KNMI uit Algen STOWA 2009 w08 grafiek blz 3) straling jun=100 max straling>> 150 ontwerp eff% mnd W/m2 index dgngn*index eff dgn groei eff dgn jan 25 11,9% 31 3,69 5,2 17% 0,0 0% feb 50 23,8% 28 6,67 9,3 33% 8,4 30% mrt 100 47,6% 31 14,76 20,7 67% 21,7 70% apr 150 71,4% 30 21,43 30,0 100% 30,0 100% mei 200 95,2% 31 29,52 31,0 100% 31,0 100% jun 210 100,0% 30 30,00 30,0 100% 30,0 100% jul 200 95,2% 31 29,52 31,0 100% 31,0 100% aug 180 85,7% 31 26,57 31,0 100% 31,0 100% sep 120 57,1% 30 17,14 24,0 80% 21,0 70% okt 70 33,3% 31 10,33 14,5 47% 9,3 30% nov 30 14,3% 30 4,29 6,0 20% 0,0 0% dec 20 9,5% 31 2,95 4,1 13% 0,0 0% tot/gem 113 53,9% 365 196,88 236,8 213,4 33,8 wk Toelichting: Groei = 100% >> geen limitatie door licht = voldoende licht = 150 W/m2 in tabel. In de wintermaanden kan de groei tevens door de temperatuur beperkt worden. Ontwerp eff dgn: rekening houdend met het temp. effect is voor de wintermaanden geen groei en voor de overgangsmaanden feb/okt 30% en & mrt/sep een 70% groei aangenomen. Feb/mrt: groeiende biomassa = toenemende actieviteit = beperkt oogsten; Sep/okt = afnemende activiteit/biomassa = extra oogsten . Dit is aanzienlijk hoger dan in het dichtheidsexperiment en is bovendien hoger dan die van reguliere landbouwgewassen. Zo is de potentiële opbrengst (goede vocht- en nutriëntenvoorziening) van snijmaïs (C4 gewas) onder Nederlandse omstandigheden ongeveer 22 à 24 ton droge stof per ha. Voor gras (C3 gewas) is dit 14 à 16 ton ds per ha (persoonlijke mededeling, Hoving 2012). De opbrengst van eendenkroos is dus, evenals in de literatuur naar voren komt, in potentie aanzienlijk hoger. De belangrijkste reden voor het verschil tussen het dichtheidsexperiment en de praktijk zit waarschijnlijk in de temperatuur en de hoeveelheid licht. Volgens Lasfar et al. (2007) is er al een groeiremming van 50 % voor Lemna minor bij 16°C. De hoogste temperatuur in het dichtheidsexperiment was 18°C. De groei in het LED-experiment was tussen de 3,6 en 14,4 ton ds ha-1 jaar-1. Dit is vergelijkbaar met het dichtheidsexperiment. De absolute groei was voor Azolla het hoogst, maar omdat die de hoogste startdichtheid had was dat uiteindelijk niet vreemd. De relatieve groei was voor alle drie de soorten ongeveer gelijk (gemiddeld 0,09 g g-1 d-1).


15\44


De groei kan dus ook uitgedrukt worden als de relatieve groei (g g-1 d-1 = d-1), welke in een exponentiële groeifunctie ook gezien kan worden als de groeicoëfficiënt. Voor Lemnaceae zijn de groeicoëfficiënten bij optimale temperatuur tussen 0,024 d-1 en 0,39 d-1 (STOWA, 1992). In het batchexperiment is de groei tussen 0,01 en 0,09 g g-1 d-1. Dit is ook het geval voor het daglengteexperiment.  

2.2

De droge stofgehalten in kroos zijn erg variabel en daarom is het rekenen met een standaard gehalte een punt van discussie, zeker in situaties waarbij er limitatie optreedt In veel experimenten uit het project is gekeken naar de groei bij suboptimale omstandigheden. Deze was veelal relatief laag. De opbrengsten in de praktijkproef waren daarentegen vrij hoog, ook in vergelijking met overige gewassen

Dichtheid

In de experimenten halen Azolla en L. gibba over het algemeen de hoogste absolute biomassatoename bij een dichtheid tussen de 750 en 1000 g m-2 en L. minor bij een dichtheid tussen de 500 en 750 g m-2. Dit geldt voor een groeiperiode van zeven dagen. In Monette et al. (2006) wordt een maximale dichtheid van 177 g ds m-2 berekend. Met een droge stof gehalte van 6 % komt dat op 2.950 g m-2. De optimale dichtheid voor de groei van Lemna minor is volgens de auteurs 45 g ds m-2 (750 g m-2) bij een verblijftijd van zeven dagen. Dit komt goed overeen met de resultaten van het dichtheidsexperiment. Ondanks de hoogste zuiveringscapaciteit per kg biomassa bij 250 g m-2 wordt een minimumdichtheid van 30 g ds m-2 (500 g m-2) zowel door Monette et al. (2006) als in het dichtheidsexperiment geadviseerd om de competitie met algen tegen te gaan. De oogstfrequentie is van belang bij het beschouwen van de biomassatoename. Onder constante externe omstandigheden kan bij een langere tijd tussen ent en oogst gekozen worden voor een lagere startdichtheid zodat er meer biomassatoename plaats vindt. Dit is voornamelijk van belang als de kosten van oogsten hoog zijn. Als dit niet meespeelt kan er een hogere totaalopbrengst verkregen worden door vaker te oogsten rond de optimumdichtheid. 

2.3

Een minimumdichtheid van 30 g ds m-2 (500 g m-2) is aan te raden om competitie met algen tegen te gaan. Voor de geteste soorten ligt het optimum tussen 500 en 1000 g versgewicht m-2

Licht

De discussie over lichtintensiteit wordt bemoeilijkt door de vele verschillende vormen waarin dit is uit te drukken. Soms wordt in de literatuur de bron als uitgangspunt genomen en soms het ontvangende oppervlak. Uit de literatuurstudie komt een optimum naar voren voor Lemna minor van 40 W/m2 PAR.

16\44



De verzadigingsinstraling voor Lemnaceae zou liggen binnen 68 – 135 W/m2. In Lasfar et al. (2007) wordt 75 W/m2 aangehouden. In de ijking van het groeimodel is 150 W/m2 naar voren gekomen. Dit zou echter vertekend kunnen zijn door de lichtverstrooiing van de foliekas. In het LED-experiment wordt aangehaald dat bij een temperatuurrange van 15-35 °C de fotosynthese van Lemna minor verzadigd is bij een relatief lage lichtintensiteit van 300-600 µmol PAR m2 sec-1, terwijl die van Spirodela punctata bij een intensiteit van 600-1200 µmol PAR m2 sec-1 pas verzadigd is. Ook voor S. polyrhiza geldt dat deze relatief veel licht nodig heeft en daarmee snel een groeiachterstand oploopt ten opzichte van de andere Lemnaceae. Uit het daglengte-experiment kan geconcludeerd worden dat verlenging van de daglengte en verhoging van de temperatuur tot een hogere groei van de planten heeft geleid en daarmee tot een hogere verwijdering van nutriënten uit het influent. Hierbij geldt dat een verlenging van de daglengte en een verhoging van de lichtintensiteit alleen effect hebben als overige parameters niet limiterend zijn en maximumwaarden niet worden overschreden. In het ontwerpmodel (deelrapport 6) komt naar voren dat bijbelichten erg duur is en waarschijnlijk niet rendabel is. In het verlichtingsexperiment met de LED’s lijkt het erop dat de biomassaproductie niet wordt beïnvloed door de kleur LED-verlichting. Dan zou het gebruik van rode LED’s met een relatief lagere intensiteit het meest gunstig zijn, gezien het lagere energiegebruik. Voordeel van deze kleur licht is ook dat het helpt om de competitie met algen tegen te gaan omdat deze golflengte veel minder diep in het water doordringt. 

2.4

Een lange daglengte met rood LED licht is gunstig voor de verschillende kroossoorten, waarbij de intensiteiten nog onderwerp van discussie zijn

Temperatuur

De optimale temperatuur voor kroosgroei ligt bij alle soorten tussen 25 en 30°C (Wedge & Burris, 1982; STOWA, 1992). De groei wordt geremd door een suboptimale temperatuur. Dit wordt ondersteund door literatuur, de experimenten en de praktijk. Het dichtheidexperiment liet een grotere groei zien voor 18°C dan voor 12°C. Opvallend was dat Azolla ook bij 12°C nog goed groeide. In de literatuur komen minimumtemperaturen naar voren van 4°C waarbij nog groei plaatsvindt voor verschillende Lemnaceae, met uitzondering van Spirodela. Door alle experimenten heen zijn verschillende temperaturen getest. Het gaat om 8°C, 12°C, 13°C, 18°C en 20°C. Gesteld kan worden dat de groei hoger is bij een hogere temperatuur. De verwijdering van nutriënten is ook groter bij een hogere temperatuur. Dat blijkt ook uit de proefopstelling in Eelde, waar de zuivering aanzienlijk minder is in de winter dan in de zomer. 

Een hogere temperatuur (tot aan de optimale temperatuur) leidt tot een hogere groei en meer verwijdering van nutriënten. Azolla groeide nog goed bij 12°C


17\44


2.5

Nutriëntlimitatie

De literatuurstudie laat een halvering van de groeisnelheid zien bij fosforconcentraties tussen 0,005 en 0,087 mg P/L. Voor stikstof geldt een halvering bij 0,04 tot 1,2 mg N/L. In het groeimodel is uitgegaan van een halvering van de groei bij 0,07 mg P/L en 0,95 mg N/L. Daarbij moet echter de kanttekening geplaatst worden dat de groeilimitatie voornamelijk afhangt van de nutriëntenvoorraad in de plant (interne voorraad). Voor sommige kroossoorten is het mogelijk om nutriënten op te slaan voor moeilijke tijden, de zogenaamde ‘luxury uptake’ (Chaiprapat et al., 2005) Hoewel de meeste kroossoorten in staat zijn fosfaat te accumuleren (Cheng et al., 2002a; 2002b), is Azolla daarnaast in staat om het fosfaat dat gebonden zit in de celmembranen te vervangen door betaïne lipiden (Kunzler and Eichenberger, 1997). Dit betekent dat de drempelwaarde waarbij de plant een tekort heeft aan fosfaat voor Azolla waarschijnlijk lager ligt dan voor de andere soorten. Dit kwam ook naar voren uit de ijking van het groeimodel aan de praktijk, waarbij de groeihalvering op 0,007 mg P/L uitkwam. Over het algemeen geldt voor hogere planten een minimale stikstof concentratie van ~14 mg N per g droog gewicht (Marschner, 1995), maar het is niet ondenkbaar dat deze voor de normaliter eiwitrijke Lemnaceae hoger ligt. Over het algemeen geldt voor hogere planten een minimale fosfor concentratie van ~1.85 mg P per g droog gewicht (Marschner, 1995). Omdat de externe nutriëntenconcentratie uiteindelijk voor een groot deel de interne voorraad zal bepalen, kan gesteld worden dat er relatief zeven keer zoveel stikstof als fosfor (op gewichtsbasis) opneembaar moet zijn voor de kroosplanten. De vraag is echter of het wenselijk is om eventueel nutriënten bij te mengen om de verhouding te wijzigen. Een verrassend resultaat uit de laboratoriumexperimenten was dat, ondanks het aanzienlijke nutriënten aanbod in het influent en de kroosgroei die in veel gevallen niet optimaal was, in de meeste experimenten de nutriënten concentraties in de planten afnamen en in sommige gevallen zelfs beperkend werden voor de groei. Deze afname van N en/of P in de plantbiomassa had verschillende oorzaken. Ten eerste was de beschikbaarheid van nutriënten in het influent niet altijd voldoende hoog om de groei van het kroos te (blijven) ondersteunen. Hierbij speelde ook de competitie om nutriënten met algen en ander micro-organismen een rol. Vooral bij lage temperaturen leek het kroos de competitie met andere micro-organismen te verliezen. Waarschijnlijk omdat onder deze omstandigheden het kroos moeite had met de opname van nutriënten door een vertraagde enzymkinetiek. Wanneer de verwijdering van nutriënten uit het effluent en de totale opname van nutriënten in het kroos werden vergeleken, kwam dit ook niet altijd overeen. Wanneer de beschikbaarheid van nutriënten in het influent (te) laag was, maar het kroos over interne voorraden beschikte, bleef de groei van het kroos wel gehandhaafd totdat de interne nutriënten concentraties te laag werden.

18\44



Ten tweede was de beschikbaarheid van nutriënten in het influent niet altijd evenwichtig. Dit had meestal tot gevolg dat één van de nutriënten beperkend werd in de biomassa. Over het algemeen was de N:P verhouding in het influent aan de hoge kant, wat betekende dat in verhouding de beschikbaarheid van N groter was dan de beschikbaarheid van P. Hoewel de interne N concentraties in de planten onder dit soort omstandigheden beter gehandhaafd konden worden, namen de P concentraties in de plant biomassa meestal af en werd de groei van de planten geremd zodra de interne P concentraties minimale waarden bereikten. Tenslotte bleek de biomassadichtheid bepalend voor de opname van N en P in g kg-1 biomassa toename (droge stof) ha-1 dag-1 en dus voor de mate waarin de interne nutriënten concentraties al dan niet gehandhaafd konden blijven. De opname van N en P in g kg-1 biomassa toename (droge stof) ha1 dag-1 nam af met een toenemende biomassa dichtheid. Bij hogere dichtheden werd het risico op beperking in groei door te lage interne nutriënten concentraties hierdoor groter. Dit effect werd bij lagere temperaturen nog eens uitvergroot omdat de planten onder dit soort omstandigheden toch al moeite hadden met de opname van nutriënten en daardoor minder concurrentiekrachtig waren in de competitie met algen en andere micro-organismen. Ondanks dat blijkt dat de interne nutriëntvoorraad een belangrijke rol speelt bij het voorspellen van de kroosgroei, bestaat het idee dat gemiddelde concentraties voor interne en externe waarden bij modellering van de groei op lange termijn voldoen. De interne voorraden kunnen dienen als een buffer voor magere tijden (lage concentraties in het aangeleverde water). 

De nutrientlimitatie hangt niet alleen af van de externe hoeveelheid, maar ook van de interne voorraad. Het lijkt er op dat Azolla minder snel gelimiteerd wordt op basis van nutriënten dan de Lemnaceae. De verhouding van de aanwezige nutriënten is ook bepalend bij de kroosgroei


19\44


20\44



3 Krooszuivering Het primaire doel van effluent polishing met kroos is een laatste zuiveringsstap te realiseren, na het bestaande traject in de rioolwaterzuiveringsinstallatie. Om te bepalen of krooszuivering een geschikt middel is om de laatste hoeveelheden aan nutriënten te verwijderen is het nodig om naar de zuiveringscapaciteit te kwantificeren. Zoals al in paragraaf 2.5 is vermeld is de interne nutriëntconcentratie van groot belang bij de groei. De interne hoeveelheid zorgt er ook voor dat er niet altijd direct een relatie zichtbaar is tussen de groei en de nutriëntopname. Op lange termijn is er wel altijd een relatie tussen de kroosgroei en de nutriëntopname omdat de planten de nutriënten nodig hebben voor hun celopbouw. In de discussie rondom zuiveringsrendementen wordt vaak gesproken over een percentuele verwijdering. Met veel, zo niet alle, technieken is het echter zo dat die verwijdering ook afhangt van het totale aanbod van nutriënten. Ook bij krooszuivering is dit het geval, omdat het aanbod ook voor een groot deel de groei bepaalt en daarmee de verwijdering. Het meest eenduidig is een verwijdering van nutriënt te noemen die per oppervlak en tijdseenheid gespecificeerd is en waarbij de beginconcentratie bekend is.

3.1

Stikstof

De opname van stikstof schommelt in het literatuuronderzoek tussen de 80 en 100 procent, afhankelijk van de vorm van de stikstof die gemeten is. In de batchopstelling in het laboratorium werden vergelijkbare verwijderingspercentages gehaald binnen 48 uur. Alleen Azolla filiculoides had meer tijd nodig, maar haalde na vijf dagen ook 90 procent verwijdering van nitraat en ammonium. Het DuPol model geeft zeer uiteenlopende percentages omdat de verwijdering afhankelijk is van de biomassa. Maar ook daarin is vergaande zuivering mogelijk. In de praktijkproef werd in de periode van 12 mei t/m 4 oktober voor stikstof 36 en 18 procent verwijdering waargenomen, voor Lemna en Azolla respectievelijk, waarbij de influentconcentratie voor stikstof gemiddeld 5,7 mg N/l was. Overall bestaat het idee dat de Lemnaceae meer stikstof verwijderen dan de Azolla. Dit komt hoogstwaarschijnlijk omdat Azolla filiculoides samenwerkt met stikstofbindende bacteriën. Dit beeld komt ook naar voren uit het daglengte-experiment, waar bleek dat er met L. gibba en L. minor, zowel bij 8°C als bij 13°C, sprake was van een hogere stikstofverwijdering dan met A. filiculoides en S. polyrhiza.


21\44


Volgens het metalenexperiment was er op het moment van meten in oktober in de pilot een vermindering zichtbaar in stikstof (ammonium-N en nitraat-N gecombineerd) van 77 procent voor Lemna en 59 procent voor de Azolla sloot respectievelijk, bij een influent concentratie van 4,73 mg N/l. Dit is het verschil tussen de influent- en effluentconcentratie, waarbij alle monsters op één moment genomen zijn. Hierbij is geen rekening gehouden met de verblijftijd van het water in de sloot. Hiermee is de zuivering op dat moment voldoende om de doelstelling van 4 mg N/L te halen. In het batchexperiment is een zuivering waargenomen tussen 0 en 700 mg NH4+-N m-2 d-1 en een additionele verwijdering variërend tussen 0 en 300 mg NO3--N m-2 d-1. Dit is aanzienlijk, gezien de resultaten van het daglengte-experiment. Hierin wordt een verwijdering van stikstof tussen 25 en 189 mg N m-2 d-1 waargenomen. Dit is ook laag in vergelijking met waarden uit de literatuur. Van belang is wel dat genoemd experiment werd uitgevoerd bij 8 en 13 graden, waardoor de groei niet optimaal was. Voor Azolla filiculoides wordt in de literatuur een opnamesnelheid genoemd van 194.1 mg N m-2 dag-1 (Costa et al. 2009), voor L. gibba van 45 tot 1670 mg N m-2 dag-1 (Körner et al, 2003 en referentie daarin), voor L. minor van 3360 mg N m-2 dag-1 (Cheng et al. 2002) en voor Spirodela punctata van 802 mg N m-2 dag-1 (Chaiprapat et al. 2005). Het dichtheidsexperiment meldt -30 tot 177 mg N m-2 d-1 verwijdering bij 12 graden en 72 tot 278 mg N m-2 d-1 verwijdering bij 18 graden. De hogere temperatuur levert hier dus een hogere zuivering op, waarbij de zuivering in dezelfde ordegrootte zit als in het daglengte-experiment. Wat opvalt is dat de zuivering in bijna alle gevallen groter is dan de opname door de planten. Dit kan komen door processen als bezinking, denitrificatie en vastlegging in biofilms. Tevens is te zien dat de Azolla planten minder N uit het water verwijderen dan ze voor de groei nodig hebben (en hier dus op hun symbionten vertrouwen). Het LED-experiment levert een zuivering op van ongeveer 65 tot 80 mg N m-2 d-1. Deze waarden zitten in het onderste segment van de verwijdering die bij 18°C in het dichtheidsexperiment is waargenomen. In de Lemnasloot van het pilotexperiment is 270 mg N m-2 d-1 verwijderd en in de Azollasloot 60 mg N m-2 d-1. Deze verwijderingen passen in de reeks van geobserveerde waarden, waarbij 270 mg N m-2 d-1 aan de hoge kant is. Dit komt waarschijnlijk omdat de periode van mei tot en met oktober een optimale groeitijd is voor kroos. In het dichtheidsexperiment is geobserveerd dat kroos prima in staat is NO3- op te nemen. Dit is gunstig omdat in het daglengte-experiment aan de hand van de resultaten uit de controle behandeling duidelijk werd dat de beschikbaarheid van NO3- in het influent/effluent positief werd beïnvloed ten koste van de beschikbaarheid van NH4+ door de aanwezigheid van nitrificerende bacteriën.

22\44



Hoewel kroos, en dan met name de Lemnaceae, in afwezigheid van NH4+ goed kan groeien op NO3-, kost het de planten wel energie om het NO3- om te zetten in NH4+ voordat het opgenomen kan worden in het N metabolisme. Het zou daarom kunnen dat kroos, wanneer het op NO3groeit, een lagere groeisnelheid heeft en daarmee een lagere zuiveringsefficiëntie dan wanneer het groeit op NH4+. Uit het zware metalen onderzoek in de proefsloten bleek daarnaast dat de beschikbaarheid van molybdeen belangrijker wordt naar mate de planten meer afhankelijk worden van NO3-. De opname van Molybdeen wordt met name gestuurd door de verhouding tussen nitraat en ammonium. 

3.2

In geen van de experimenten kwam de verwijdering in de buurt van de maximale waarden van de literatuur. Dit is niet vreemd aangezien de experimenten juist onder gelimiteerde omstandigheden zijn uitgevoerd. De verwijdering van stikstof was het hoogst voor de praktijkproef en dan met name voor de Lemnasloot

Fosfor

De fosforverwijdering in het pilotsysteem van Eelde was in de periode van 12 mei t/m 4 oktober wat groter dan de stikstofverwijdering, met 45 en 20 procent zuivering voor Lemna en Azolla respectievelijk. De cijfers uit de literatuur wijzen op grotere verwijderingspercentages, namelijk 44 % en 77 % voor Lemna gibba. De batchexperimenten uit Nijmegen laten ook een betere zuiveringscapaciteit zien, waarbij ruwweg 80 tot 90 % van het fosfaat (geen totaal-P zoals bij de voorgaande gegevens) verwijderd wordt in vier dagen tijd. Uit het daglengte experiment kwam naar voren dat bij 8°C en een korte daglengte A. filiculoides het beste presteerde op totaal-P-verwijdering, terwijl bij 13°C vooral L. minor het meest effectief leek. Volgens de metaalanalyse was er op het moment van meten in oktober in de pilot een zuivering gerealiseerd voor totaal fosfor van 78 procent voor Lemna en 74 procent voor de Azollasloot, bij een influentconcentratie van 3,04 mg P/l. Dit is het verschil tussen de influent- en effluentconcentratie, waarbij alle monsters op één moment genomen zijn. Hierbij is geen rekening gehouden met de verblijftijd van het water in de sloot. Hiermee is de zuivering op dat moment niet voldoende om de doelstelling van 0,2 mg P/L te halen, maar wel aanzienlijk hoger dan de zuivering die gemiddeld in mei tot en met oktober werd waargenomen.


23\44


In het daglengte-experiment is een verwijdering van fosfor gevonden tussen 1 en 13 mg P m-2 d-1. Dit is laag in vergelijking met waarden uit de literatuur. Van belang is wel dat voorgenoemd experiment werd uitgevoerd bij 8 en 13 graden, waardoor de groei niet optimaal was. Ook de hoeveelheid licht was niet optimaal. Voor Azolla filiculoides wordt in de literatuur een opnamesnelheid genoemd van 23.1 mg P m-2 dag-1 (Costa et al. 2009), voor L. gibba van 8 tot 220 mg P m-2 dag-1 (Körner et al, 2003 en referentie daarin), voor L. minor van 200 mg P m-2 dag-1 (Cheng et al. 2002) en voor Spirodela punctata van 240 mg P m-2 dag-1 (Chaiprapat et al. 2005). Het dichtheidsexperiment liet voor fosfor een verwijdering zien tussen 7 en 22 mg P m-2 d-1 bij 12 graden en 11 tot 22 mg P m-2 d-1 bij 18 graden. De hogere temperatuur levert hier dus nauwelijks een hogere zuivering op, waarbij de zuivering in dezelfde ordegrootte zit als in het daglengte-experiment. Opvallend is dat de fosforverwijdering grotendeels overeenkomt met de plantopname, dit in tegenstelling tot de stikstofverwijdering. Mogelijk wordt de microbiële denitrificatie meer gestimuleerd door de temperatuursverhoging dan de groei. In de Lemnasloot van het pilotexperiment is 70 mg P m-2 d-1 verwijderd en in de Azollasloot 30 mg P m-2 d-1. Deze verwijderingen zijn hoger dan de waarden uit de voorgaande experimenten. Dit komt waarschijnlijk omdat de periode van mei tot en met oktober een optimale groeitijd is voor kroos. Het LED experiment levert een zuivering op van ongeveer 27 tot 31 mg P m-2 d-1. Deze waarden zijn hoger dan de verwijdering die bij 18°C in het dichtheidsexperimenten is waargenomen. De verwijdering komt wel overeen met de zuivering van Azolla in de pilot. 

3.3

In geen van de experimenten kwam de verwijdering in de buurt van de maximale waarden van de literatuur. Dit is niet vreemd aangezien de experimenten juist onder gelimiteerde omstandigheden zijn uitgevoerd. De verwijdering van fosfor was het hoogst voor de praktijkproef en dan met name voor de Lemnasloot.

Verwijderingsmechanisme

Tijdens de uitvoering van de verschillende projectonderdelen komt naar voren dat de opname van nutriënten door kroosplanten niet het enige mechanisme is waarmee nutriënten verwijderd worden. Dit komt voornamelijk naar voren doordat de balans tussen inkomende en uitgaande vracht en opname door kroos niet sluitend is. Daarnaast zijn er processen zichtbaar waarmee de verhoudingen tussen verschillende vormen van mineralen veranderen. In het batchexperiment en daglengte-experiment valt op dat de hoeveelheid ammonium afneemt gedurende de proef, maar de hoeveelheid nitraat toeneemt. Dat dit het gevolg is van nitrificatie is aannemelijk, aangezien het proces ook zichtbaar is in de controle van het batchexperiment, waar geen biomassa aanwezig is.

24\44



Verwijdering van N en P gebeurt in een kweeksysteem niet alleen door opname door kroos. Ook opname door bacteriën in de biofilm op de fronds en de wortels van het kroos en de wanden en de bodem van het kweeksysteem speelt een rol, evenals sedimentatie van aan deeltjes gebonden N en P (Kitoh, S. et al., 1993; Vermaat & Hanif, 1998). In het geval van stikstof speelt nitrificatie gevolgd door denitrificatie een rol. De bijdrage van de biofilm en eventueel nitrificatiedenitrificatie is 35 – 50 % voor N en 18-71% voor P (ibid.) 

3.4

Naast de opname door kroosplantjes zijn er verschillende andere processen voor nutriëntverwijdering, welke in dit project niet afzonderlijk gekwantificeerd zijn

Metalen

Er is in oktober 2011 eenmalig een bemonstering van kroos en slootwater gedaan om een indicatie te krijgen van de metaalgehalten in het kroos en het water. Ten aanzien van de verwerking tot veevoer staan eigenlijk alleen arseen, lood, kwik en cadmium als ongewenste stoffen aangemerkt (Directive 2002/32/EC; http://eur-lex.europa.eu). Rekening gehouden met de foutmarge in de metingen gold voor arseen, lood en cadmium dat deze niet overschrijdend waren. Kwik was echter wel overschrijdend, waarbij in Lemna de norm meer werd overschreden dan in Azolla. Magnesium, natrium, koper, kobalt, seleen, mangaan, zink, ijzer en molybdeen worden beschouwd als essentiële mineralen die in veevoer aanwezig zouden moeten zijn. Gelet op de behoefte van verschillende groepen vee en naar wat er in verschillende soorten voer zit (tabel 6.6) dan waren de koperconcentraties in het kroos relatief laag. Natrium, kobalt, mangaan, zink en molybdeen kwamen daarentegen in relatief hoge concentraties voor. Hiervan zijn natrium en kobalt niet giftig, maar voor mangaan, zink en molybdeen geldt dat een gecontroleerde dosering gewenst is omdat overdosering tot stoornissen kan leiden in de stofwisseling. Hetzelfde geldt voor de essentiële mineralen zwavel, calcium en fosfor, terwijl voor kalium dan weer geen aanbeveling beschikbaar is. De calcium- en fosforconcentraties in de Lemna biomassa waren respectievelijk ongeveer 4 en 2 keer zo hoog zijn als in de Azolla biomassa. Ook de concentraties boor en strontium waren hoger in de Lemna biomassa, terwijl de concentraties ijzer en aluminium juist weer hoger waren in de Azolla biomassa. Wanneer het kroos langer op het water staat zullen de gehaltes in het plantmateriaal stijgen. Dit is iets om rekening mee te houden in eventuele vervolgprojecten. 

In een eerste indicatief onderzoek was de hoeveelheid kwik in het plantmateriaal van de pilot te hoog voor toepassing in veevoer


25\44


26\44



4 Kroos in praktijk De pilot opstelling bij de RWZI van Eelde had als doel de opschaling naar de praktijk te kunnen beoordelen. Niet alleen de schaalgrootte was belangrijk, maar ook de omstandigheden in het veld. Een vraag die vanaf het begin speelde was of de kroosplanten de winter zouden overleven. In de eerste winterperiode van 2010 verdween het kroos al vrij snel door de kou. Door de snelle inval van de winter was het ook niet meer mogelijk om de foliekas te bouwen, zoals aanvankelijk het plan was. Deze is vervolgens in de lente van 2011 gerealiseerd. Toen is vanuit de batchexperimenten gekozen om de pilot te enten met Lemna minor en Azolla filiculoides. Toch bleek het in de winter van 2011/2012 niet mogelijk om de kroosplanten met deze kas (zonder extra verwarming) de winter door te krijgen. In de loop van de winter werd de groei minimaal. Bovendien verschenen er meer en meer algen in het compartiment wat bijgelicht werd met LED-lampen. Het vermoeden bestaat dat de lichtkleur van de lampen (blauw tot paars) zorgde voor een goede doordringing in de waterlaag, wat gunstig was voor de algen. Rode LED-verlichting zou daarom beter zijn. Naast de algen kwam er nog een probleem opzetten: schimmelvorming zorgde er in de Azolla kweek voor dat de eens zo gezonde krooslaag verder uitdunde. Het vermoeden bestaat de schimmel tot wasdom kon komen door de lange verblijftijd van het kroos (er werd immers nauwelijks tot niet geoogst). Dit in combinatie met een ophoping van nutriënten in de planten. Er was namelijk nog steeds voldoende aanbod, alleen nauwelijks groei. Verder werd op praktijkschaal ook nog geëxperimenteerd met verblijftijden van het effluent van één en twee dagen in de proefsloten. Vooral de zuiveringsgetallen van de Kroosmix 2011 laten zien dat een langere verblijftijd ook leidt tot een betere zuivering. Dit is ook in overeenstemming met het batchexperiment, waarin de concentraties van nutriënten afnamen in de tijd. Voor Azolla was deze relatie vrijwel niet zichtbaar. Ook de kroosdichtheid was onderwerp van experiment in de pilot. De slechte zuivering onder winteromstandigheden lieten een verder analyse van de resultaten echter niet toe. In het batchexperiment is met verschillende soorten geëxperimenteerd. Er was slechts één soort die niet verder getest is omdat het niet praktisch was. Lemna minuta wordt namelijk makkelijk overgroeid door algen (niet alleen in het experiment, maar ook bij het kweken van de soort), hij is ook moeilijk te oogsten (alleen met een zeef) en moeilijk uit te zetten (ze blijven heel snel onder elkaar onder water hangen). Daarnaast werd in de pilot ondervonden dat terugoogsten van Azolla bewerkelijk is.


27\44


Na het verwijderen van planten moest het dek, vooral bij hogere dichtheden, opnieuw verdeeld worden over het wateroppervlak. Na het terugoogsten van Lemna minor vond herverdeling over het wateroppervlak vanzelf plaats. 

Het is erg moeilijk om de kroosplanten de winter door te krijgen en de zuivering is in die periode minimaal. De KRW-vereisten zijn echter gedefinieerd voor het zomer halfjaar en daaraan kan krooszuivering een goede bijdrage leveren

Figuur 4.1 Schema van de krooszuivering in Eelde

28\44



5 Kroos als product 5.1

Toepassingsmogelijkheden

Een belangrijk uitgangspunt in het project was het tot waarde brengen van kroos als product, om financieel gezien de mogelijkheden van kroosteelt voor effluentzuivering te vergroten. In dit kader zijn in deelproject 3 ‘Kroos als product’ de toepassingsmogelijkheden geschetst van het benutten van eendenkroos als veevoer, waarbij de wet- en regelgeving die hierop van toepassing is, nader is uitgewerkt. Verder is geïnventariseerd in hoeverre kroos interessant is voor energiewinning in de vorm van biogasproductie en voor het winnen van grondstoffen, zoals eiwit, zetmeel en cellulose. Vers benutten van eendenkroos voor veevoer heeft beperkingen op het gebied van houdbaarheid en opname door dieren (grondsmaak/-lucht). Fermenteren (inkuilen) van kroos komt aan deze beperkingen tegemoet (Hoving et al, 2011). Bovendien verruimt dit de toepassingsmogelijkheden. Ook het drogen van kroos en bioraffinage verruimen de verwerkingsmogelijkheden. In tabel 5.1 staat een overzicht van de toepassingsmogelijkheden van kroos bij verschillende verwerkingsvormen.


29\44


Tabel 5.1 Toepassingsmogelijkheden van kroos bij verschillende vormen van verwerking

Kroos

Vers

Geconserveerd Fermentatie

Drogen

Bioraffinage Ruwe celstof

Celinhoud

Feed x Bijproduct

Rundvee

x

x

x Varkens

x

x

x

Pluimvee Vissen Mengvoer

Non food

Rundvee

x

Varkens

x

Pluimvee

x

Vissen

x

Papierindustrie Energie

x

Farma Chemie Mest Food

Voedingsstoffen

x

x

x

x

x

x

x

x

x x

(eiwit, anti-oxidanten)

De kostprijs van het product wordt verhoogd door conservering of bioraffinage. Daarbij hangen de kosten van conservering bij fermentatie vooral af van het gebruik van energierijke producten en/of inoculant om de fermentatie te doen slagen en zijn bij drogen de extra kosten vooral afhankelijk van het energiegebruik. De kosten van bioraffinage hangen vooral af van de technieken die nodig zijn om de gewenste inhoud stoffen te isoleren. Niet alleen de kosten voor verwerking, maar ook de kosten voor oogst en transport zijn van belang. Kroos is een relatief nat product (5 % à 8 % droge stof) en wordt bij teelt in kleine batches geoogst, zodat de groei niet stagneert door een te hoge plantdichtheid. Dit betekent dat een bedrijf frequent relatief kleine hoeveelheden kroos voor verwerking aanbiedt. Voldoende schaalomvang zowel per bedrijf als van de gehele kroosteelt is van belang om de kosten voor transport en verwerking per eenheid product te kunnen minimaliseren. De vereiste omvang hangt sterk af van de toepassing en de marktwaarde van grondstoffen.

30\44





5.2

Voor kroos zijn verschillende toepassingsmogelijkheden denkbaar. Om de problemen van het lage drogestof gehalte op te heffen is een conserveringsof raffinagestap aan te raden

Marktpotentie

5.2.1 Veevoer Kroos is relatief eiwitrijk en heeft een gunstige aminozuur- en vetzuursamenstelling. De vraag naar eiwitrijke grondstoffen neemt toe en betaalbare alternatieven zijn in dat opzicht gewenst. Internationaal zijn er vele studies bekend waaruit blijkt dat eendenkroos een goede nutritionele waarde heeft (Stam, 2009 en Holshof et al, 2009). De verteerbaarheid van de organische stof van het kroos was echter relatief laag, waardoor de energie- en eiwitwaarde gemakkelijk overschat wordt. Ook is nog niet bekend op welke wijze de teelt ingericht moet worden voor het behalen van een zo hoog mogelijke voederwaarde. Daarbij moet naast een voldoende nutriëntenvoorziening een compromis gevonden worden tussen het verkrijgen van voldoende productiviteit (niet te vroeg oogsten) en het voorkomen van veroudering (niet te laat te oogsten). Wellicht dat deze strategie overeenkomt met de optimale kroosdichtheid van 500 – 1.000 g vers gewicht per m2 die gevonden werd in het dichtheidsexperiment. Wil kroos als eiwitbron interessant zijn dan moet het ruwe eiwitgehalte in de buurt komen van 30 % in de droge stof. In eerdere pilots (Holshof et al, 2009 en Hoving et al, 2011) bleek het eiwitgehalte van het geoogste kroos lager te zijn en sterk te variëren. Echter, bij een voldoende nutriëntenvoorziening onder teeltcondities zou een ruw eiwitgehalte van 30 % in de droge stof haalbaar moeten zijn, voor zowel Lemna als Azolla. Op droge stofbasis kan kroos daarmee concurreren met eiwitrijke producten als raapzaad en bierbostel. Het hoge eiwitgehalte van soja (45 %) is onder Nederlandse groeiomstandigheden niet haalbaar. Daarbij zijn de matige verteerbaarheid en het hoge vochtgehalte van kroos beperkend voor een hoge waardering als veevoeder. De verteerbaarheid is mogelijk gunstiger bij een geoptimaliseerd oogstregime. Onderzoek naar de werkelijke (in vivo) verteerbaarheid is nodig om hier uitsluitsel over te geven. Vers verwerken van kroos als veevoer heeft als nadelen dat het kroosaanbod lastig op de voerbehoefte is af te stemmen, het relatief natte product de voeropname beperkt en door de grondsmaak/-lucht vers kroos niet door koeien wordt opgenomen. Eendenkroos wordt in de praktijk nog niet toegepast als veevoer, waardoor de marktprijs onbekend is. Op basis van eerdere voederwaardebepalingen (28 % ruw eiwit in de droge stof) en de voederwaardeprijzen op de middellange termijn (komende vijf jaar) zou kroos ongeveer een waarde hebben van EUR 11,00 per ton vers kroos.


31\44


Als alternatief voor verse verwerking kan kroos ook gedroogd of ingekuild worden om het product te kunnen conserveren en op te slaan. Bij bulkvorming worden de kosten voor transport verlaagd. Inkuilen van kroos slaagt, mits er energierijke producten als melasse, pulp of snijmaïs aan toe worden gevoegd. Door drogen wordt het bezwaar van het hoge vochtgehalte teniet gedaan en wordt een product verkregen dat prima als mengvoergrondstof is te benutten (Holshof et al., 2009). Gedroogd kroos was gemakkelijk tot een brok persen (zelfs bij 100 % kroos), het was goed uitwisselbaar met andere grondstoffen en had goede geureigenschappen. Kroos verwerkt tot brok kan in principe voor alle landbouwhuisdieren gebruikt worden. Ook als visvoer heeft gedroogd kroos veel perspectief. Op basis van eerdere voederwaardebepalingen (28 % ruw eiwit in de droge stof) en de voederwaardeprijzen op de middellange termijn (komende vijf jaar) zou gedroogd kroos (90 % droge stof) ongeveer een waarde hebben van EUR 129,00 per ton. 5.2.2 Biogasproductie Eendenkroos heeft een relatief laag droge stofgehalte, waardoor de biogasopbrengst per ton vers product erg laag is. Belangrijke criteria waarop de inzet van coproducten voor mestvergisting in de praktijk beoordeeld wordt zijn de biogasproductie per ton product en de kosten van een product. Het vergistingexperiment (Banning, 2011) had voor de behandelingen onbehandelde (vers) kroos, verkleind en gefermenteerd respectievelijk 17, 28 en 30 m3/ton vochtig gefermenteerd materiaal als resultaat. Op basis van de voederwaardegegevens van eendenkroos bij een geslaagde conservering met additieven (Hoving et al, 2011) werd berekend dat de verwachte biogasproductie tussen de 30 en 50 m3/ton ligt. De biogasproductie van eendenkroos ligt daarmee op een vergelijkbaar niveau als dat van drijfmest, waardoor eendenkroos als coproduct geen toegevoegde waarde heeft. Voor mestlevering aan vergistingbedrijven wordt bovendien geld toebetaald, waardoor op dit moment voor de afzet van kroos geen positieve opbrengstprijs te realiseren is. Verder geldt volgens de huidige Nederlandse wetgeving dat de input van een biogasinstallatie voor minimaal 50 % uit mest moet bestaan, om het digestaat als meststof in de Nederlandse landbouw te kunnen afzetten. Na vergisting vallen de mineralen afkomstig uit het eendenkroos onder de gebruiksnorm dierlijke mest. Ook vanuit dit perspectief is het aantrekkelijker om mest aan te voeren in plaats van natte coproducten met lage biogasopbrengsten. 5.2.3 Inhoudstoffen Uit onderzoek van (Willemsen et al, vermoedelijk 2002) bleek dat isolatie van eiwit uit kroos te realiseren is, echter de productiekosten waren relatief hoog, namelijk EUR 1,00 - 1,50 per kg. Daarbij werd de strenge wetgeving omtrent de introductie van nieuwe voedingsbronnen en ingrediënten als belangrijke beperking gezien.

32\44



Derksen en Zwart (2010) concludeerden echter dat de winning van eiwit uit geteelde Lemna minor en de opzuivering hiervan tot eiwitconcentraat en -isolaat zeer rendabel is bij een verwerkingsomvang van 10.000 ton droge stof per jaar. Grootschalige productie van zetmeel als fractie uit Lemna minor of door introductie van turions blijkt economisch niet haalbaar. Isolatie van antioxidatieve enzymen is te realiseren en opschaalbaar. Over economische perspectief werden geen uitspraken gedaan. Bij het winnen van eiwit uit kroos, op een manier waarbij de functionele eigenschappen van het eiwit behouden blijven (schuimvorming, waterbinding, et cetera), kunnen vergelijkbare producten worden verkregen als sojaeiwitconcentraat of -isolaat (persoonlijke mededeling Derksen, 2012). Zodoende zou (bij toelating van eendenkrooseiwit voor diervoeders of humane voeding) ook een dienovereenkomstige prijs voor het product kunnen worden verkregen. De opbrengstprijs ligt ongeveer tussen de 2,00 en 3,00 EUR/kg concentraat. Plantaardige eiwitten met een bijzondere functionaliteit hebben een hogere prijs. Zo wordt momenteel gekeken of het enzym rubisco uit eendenkroos gewonnen kan worden (persoonlijke mededeling Derksen, 2012). Voor kroos als ruwe grondstof voor eiwitproductie zijn nog geen marktprijzen bekend. Gezien de sterke koppeling van prijzen van plantaardig eiwit aan die van soja-eiwitpreparaten, geeft de berekende voederwaardeprijs wellicht de beste prijsindicatie (EUR 11,00 per ton vers kroos). 

5.3

Kroos is interessant als eiwitbron als het eiwitgehalte daarvan tenminste 30 % van de droge stof bedraagt. De beste marktkansen lijken te liggen bij de toepassing voor veevoer na inkuilen of drogen of bij de extractie van inhoudsstoffen. Vergisten tot biogas en toepassing van vers product zijn minder waarschijnlijk

Regelgeving

Om kroos te kunnen gebruiken als veevoer dient voldaan te worden aan verschillende regelingen. Allereerst moet het product geregistreerd worden als potentieel veevoer(component). Onderdeel hiervan is het maken van een risicoanalyse. Vervolgens dient de producent ook geregistreerd te worden. Daarbij is het principe van Hazard Analysis and Critical Control Points (HACCP) essentieel. Dit geldt ook voor het borgen van de kwaliteit van het productieproces, waar de Voedsel- en Warenautoriteit op toeziet. Dit orgaan ziet ook toe op de traceerbaarheid van het product in de keten.


33\44


Eendenkroos mag niet zondermeer aan dieren gevoerd worden. Hiertoe moeten Europese verordeningen voor het gebruik van (grond)stoffen als veevoer in acht genomen worden. De regelgeving dient voornamelijk het bewaken van de voedselveiligheid waar het gaat om humane consumptie. Veel van deze wet- en regelgeving beschrijft slechts in algemene zin de voorwaarden en laat veel verantwoordelijkheid bij de gebruiker of verwerker van middelen, enkelvoudige producten of samengesteld voer. In Nederland is de Voedsel en Warenautoriteit (VWA) belast met het toezicht op de handhaving en eventueel verdere concretisering van deze regels. Als het diervoeders betreft wordt het Productschap Diervoeder (PDV) hier ook bij betrokken. In grote lijn zijn de voorwaarden voor het voeren van kroos aan productiedieren als volgt: 1. Registreren van kroos als veevoer(component) 2. Erkenning of registratie als diervoederproducent 3. Borgen van de kwaliteit van het product in de gehele productieketen (productie, oogst, transport, bewaring en vervoedering) Deze stappen vragen om wettelijke goedkeuring wat een aantal verplichtingen met zich meebrengt. In onderstaand stappenplan (tabel 5.2) is de productdefinitie en erkenning verder uitgewerkt. 

Registreren van kroos als voercomponent, registratie van de producent en het borgen van de kwaliteit zijn vereisten om kroos af te kunnen zetten in de veevoerketen

Tabel 5.2 Stappen productdefinitie en erkenning volgens Europese wet- en regelgeving

Stappen

1

Productdefinitie & erkenning Wie

Doel

Wettelijke actie

Plicht

Resultaat

Belanghebbende

Erkenning product

Registratie product

Risicoanalyse

Erkend voedermiddel

Registratie

Systeem

Erkende producent

producent

kwaliteitsborging en

algemeen 2

Producent /

als voedermiddel Produceren

rechtspersoon

tracering op basis HACCP 3

Producent / rechtspersoon

34\44


Product borgen

Toetsen

Traceringsplicht

productieproces

Registratieplicht

Veilig product


6 Kosten en baten krooszuivering Een belangrijk aspect bij het accepteren en implementeren van een nieuwe zuiveringstechniek zijn de kosten die gemoeid zijn met de realisatie en exploitatie van de techniek. Bij de zoektocht naar nieuwe zuiveringstechnieken voor het KRW Innovatieprogramma is dan ook geformuleerd dat de nieuwe technieken kostenefficiënt moeten zijn. Om dit voor krooszuivering te kunnen bepalen is in het ontwerpmodel een kostenberekening ingebouwd, die rekening houdt met de stichtingskosten, opbrengsten van de kroosproductie en exploitatiekosten. Om te bepalen of kroos een goede optie is voor effluent polishing moet niet alleen naar de individuele kosten- en batencomponenten gekeken worden. De totale kosten per behandeld volume of per gezuiverde hoeveelheid nutriënt zullen doorslaggevend zijn. In tabel 6.1 zijn daarom de totale kosten voor verschillende technieken vergeleken met de berekende kosten voor een mogelijke krooszuivering. Uit de geïnventariseerde nazuiveringstechnieken blijkt dat krooszuivering (zonder kas) een gemiddelde kostprijs heeft per behandelde kuub, maar een dure optie blijkt per verwijderde kilogram nutriënt. Voornamelijk de kosten die gemaakt worden bij het drogen zijn erg hoog. Niet zozeer de kosten voor aanleg van de drooginstallatie zijn hoog, als wel de energiekosten die gemaakt worden om het water te verdampen. Momenteel is dit een theoretische prijs op basis van de hoeveelheid water en de hoeveelheid energie die nodig is om dit water te verdampen. Het vermoeden bestaat dat dit niet is meegenomen bij de prijsanalyse van het zuiveringsmoeras. Indien de droogkosten niet worden meegerekend halveert de prijs voor de krooszuivering. Dit zou het geval kunnen zijn bij het inkuilen van kroos. Lastig bij het maken van een vergelijking is, dat de genoemde technieken niet allemaal dezelfde zuiveringsdoelen nastreven. Zo is tijdens een onderzoek van Tauw naar de mogelijke nazuiveringstechnieken voor de RWZI Burgum nazuivering met een 1-STEP filter als meest kansrijk betiteld. Dit komt voornamelijk door het feit dat de techniek op veel verschillende fronten een goede zuivering laat zien. Dit laatste is voor kroos in dit project nog niet onderzocht. 

Uit de geïnventariseerde nazuiveringstechnieken blijkt dat krooszuivering een gemiddelde kostprijs kent per behandelde kuub, maar een dure optie blijkt per verwijderde kilogram nutriënt. Dit komt voornamelijk door de hoge kosten voor het drogen van kroos. Indien de droogkosten niet worden meegerekend halveert de prijs voor de krooszuivering. Daarmee is kroos wel een relatief goedkope techniek.


35\44


3

Tabel 6.1 Zuiveringstechnieken gerangschikt op kosten per m (100.000 inwoners equivalent (i.e.))

Zuiveringstechniek Krooszuivering (opbrengst € 129,00 per ton ds) Krooszuivering (opbrengst € 400,00 per ton ds) Zuiveringsmoeras

3

3

Kosten per m

Kosten per m Kosten per kg

Kosten per kg

(20.000 i.e.)

(100.000 i.e.)

verwijderd P

€ 0,13 – € 0,40

€ 36,00 – € 108,00 € 117,00 – € 351,01 Ontwerpmodel

€ 0,10

€ 0,06

€ 0,18

€ 0,06

Vlokkingsfiltratie

€ 0,07 – € 0,21 € 0,06 – € 0,17 € 0,08

Denitrificatie & vlokkingsfiltratie (eentraps) Vlokkingsfiltratie & UV-desinfectie Biofiltratie & vlokkingsfiltratie (tweetraps) Vlokkingsfiltratie & poederkool

€ 0,20

€ 0,08

€ 0,21

€ 0,09

€ 0,27

€ 0,10

€ 0,25

€ 0,11

€ 0,17

€ 0,13

€ 0,36

€ 0,15

€ 0,34

€ 0,15

€ 0,35

€ 0,17

€ 0,35

€ 0,17

€ 0,43

€ 0,24

€ 0,46

€ 0,41

Actief-koolfiltratie In line coagulatie & micro/ultrafiltratie Biofiltratie & poederkool & vlokkingsfiltratie Vlokkingsfiltratie & actiefkool Vlokkingsfiltratie & ionenwisseling (voorbehoud voor brijnafzet) UV/H2O2 & vlokkingsfiltratie H2O2/UV

€ 30,81 – € 92,43 € 100,13 – € 300,39 Ontwerpmodel WUR PPO, nr 429, € 5,00 – € 40,00 € 115,00 2011 STOWA, rapport 33, 2009 STOWA, rapport 28, 2005 STOWA, rapport 04, 2011 STOWA, rapport 34, 2 2 € 17,20 € 98,20 2009 STOWA, rapport 28, 2005 STOWA, rapport 28, 2005 STOWA, rapport 28, 2005 STOWA, rapport 28, 2005 STOWA, rapport 33, 2009 STOWA, rapport 28, 2005 STOWA, rapport 28, 2005 STOWA, rapport 28, 2005 STOWA, rapport 28, 2005 STOWA, rapport 28, 2005 STOWA, rapport 33, 2009

1. Op basis van 20.000 inwoners equivalent, geen bijverlichting en ongelimiteerde ruimte. In het huidige model is geen mechanisme ingebouwd waarbij schaalvergroting leidt tot kostenbesparingen. Daarom is er geen prijs voor 100.000 inwoners equivalent gegeven 2. Op basis van 70.000 inwoners equivalent, interne communicatie Tauw 2010

36\44


1

1

€ 0,11 – € 0,34

Ozon

Algenzuivering 1-STEP filter

verwijderd N

Bron


7 Uitwerking van een voorbeeld RWZI Marum is een kleine RWZI van ongeveer 9.000 inwoners equivalent van het type oxidatiesloot. De RWZI is gebouwd in 1979. De hydraulische capaciteit bij droogweerafvoer is 75 m³/uur en bij regenwaterafvoer 300 m³/uur. De nitrificatie verloopt slecht in de RWZI. De meeste totaal-stikstof die wordt geloosd, is in de vorm van ammonium. De totaal-stikstofconcentratie ligt meestal tussen 5 en 10 mg N/l, maar pieken van boven 25 mg N/l komen voor. Er is gerekend met 10,3 mg N-totaal/l en 6,2 mg ammonium-N/l. Totaal-fosfor bestaat voor iets meer dan 60 % uit ortho-fosfaat. De totaal-fosforconcentratie ligt meestal lager dan 0,8 mg P/l. Pieken van 1,4 mg P/l komen voor. Er is gerekend met 0,56 mg P-totaal/l. Bij de gewenste waterkwaliteit is uitgegaan van KRW streefwaarden van 0,14 mg P/l en 4,0 mg N/l. Bij RWZI Marum is 0,2 ha direct beschikbaar. Dit is de bruto ruimte, dus de ruimte benodigd voor de kroossloten zelf en de ruimte nodig voor looppaden en dergelijke. Het na te zuiveren debiet is gedefinieerd op 85 % van het jaardebiet. Er wordt geen gebruik gemaakt van verwarming, extra verlichting of een vergistinginstallatie. Er is maar 0,16 ha vijveroppervlak beschikbaar, waardoor de hydraulische verblijftijd slechts 0,3 dagen is. Het zuiveringsrendement is dan ook laag. Het effluent van de kroossloten bevat in de zomer gemiddeld 10,1 mg N-totaal/l en 0,49 mg P-totaal/l. Hiermee worden de gewenste concentraties niet gehaald. Bij een gedeeltelijke zuivering van de effluentstroom is het wel mogelijk om het gewenste fosfor niveau te halen. De stikstoflimiet wordt niet gehaald omdat er relatief teveel stikstof aanwezig is en fosfor eerder de groei limiteert. Voor een goede zuivering is er een oppervlak nodig van enkele hectares. De relatieve overmaat van stikstof ten opzichte van fosfor is een probleem bij het halen van de KRW vereisten. Bij een oppervlak van bijvoorbeeld 4,2 ha aan kroossloten bevat het effluent van de kroossloten zomergemiddeld 8,7 mg totaal-N/l en 0,08 mg totaal-P/l. De prijs van de zuivering komt hiermee op 0,13 – 0,40 EUR m-3 of 36 – 108 EUR kg-1 en 117 – 351 EUR kg-1. Bijbelichten in de winter situatie levert weinig winst op en is erg duur. Waarschijnlijk wordt de groei alleen gestimuleerd als zowel temperatuur als licht worden bijgestuurd.


37\44


38\44



8 Conclusies en aanbevelingen 8.1

Conclusies

Het is goed mogelijk om kroos te kweken op RWZI-effluent onder Nederlandse omstandigheden. De groei is echter gelimiteerd in de winter, door een combinatie van temperatuur- en lichtremming. Daarmee is gedurende de winterperiode geen effluentpolishing mogelijk met kroos. Treffende maatregelen als temperatuursverhoging en/of bijlichten zouden de groei van het kroos in de winter wel kunnen verlengen en daarmee de opname en verwijdering van nutriënten uit het influent kunnen borgen. Hoe de maatregelen precies zouden moeten worden geïmplementeerd hangt in hoge mate af van de soort waarmee de krooszuivering wordt ingezet. Zo bleek Azolla toleranter voor lage temperaturen dan de Lemnaceae en was de lichtintensiteit voor de Lemnaceae eerder beperkend dan voor Azolla. Daglichtverlenging bleek voor beide kroosfamilies een positief effect te hebben op de groei, al was dit effect voor de Lemnaceae groter dan voor Azolla. Bijverlichten met rood LED licht lijkt het meest optimaal, waarbij de lichtintensiteiten nog wel onderwerp van discussie zijn. Een andere optie is om de krooszuivering alleen in te zetten voor het zomerhalfjaar. In de uitgevoerde experimenten is vooral gekeken naar de groei bij suboptimale omstandigheden, waardoor de groei relatief laag was. De opbrengsten in de praktijkproef waren daarentegen vrij hoog (29 – 40 ton ds ha-1 jaar-1) in vergelijking met landbouwgewassen. Deze opbrengst wordt gehaald of zelfs overschreden bij een optimumdichtheid voor de kroosmat die ligt tussen 500 en 1.000 g versgewicht m-2 en een oogstfrequentie van eenmaal per week. Een minimumdichtheid van 30 g ds m-2 (500 g m-2) wordt aangeraden om competitie met algen tegen te gaan. De nutriëntlimitatie hangt niet alleen af van de externe hoeveelheid, maar ook van de interne voorraad. Het lijkt er op dat Azolla minder snel nutriëntgelimiteerd wordt dan de Lemnaceae. De verhouding van de aanwezige nutriënten is ook bepalend bij de kroosgroei. De verwijdering van stikstof en fosfaat was het hoogst voor de praktijkproef en dan met name voor de Lemnasloot (270 mg N m-2 d-1 en 70 mg P m-2 d-1). Welke kroossoort het meest geschikt is hangt af van de omstandigheden, de toepassing en het zuiveringsdoel. Azolla is toleranter voor lage temperaturen en heeft een minder hoge lichtintensiteit nodig dan de Lemnaceae. De soort is door zijn andere groeivorm concurrentiekrachtiger in de competitie met algen en daarmee beter in staat de pH van het effluent laag te houden. Daarnaast zou met Azolla een veel verder gaande zuivering van P mogelijk zijn vanwege zijn symbiose met een N fixerende blauwalg. Echter de zuivering van N verloopt met deze soort moeizaam. Van de Lemnaceae is S. polyrhiza het minst tolerant voor lage temperaturen.


39\44


Ook heeft deze soort een hoge lichtintensiteit nodig voor een optimale groei en derhalve al snel een lagere groeisnelheid dan de andere twee Lemna soorten. L. gibba en L. minor gaan qua groei en zuiveringsefficiëntie redelijk gelijk op al lijkt het droge stof gehalte van L. minor sneller op te lopen bij minder gunstige omstandigheden. Met betrekking tot het afzetten van kroos als veevoer product zal de kwaliteit van L. minor waarschijnlijk variabeler zijn. Mede door de stress die kan ontstaan onder invloed van groeilimitaties kan het droge stofgehalte van kroos erg variëren (tussen 3 en 23 procent). Het is daarom ter discussie of met een standaard vochtpercentage rekening gehouden kan worden, zeker in situaties waarbij er groeilimitatie optreedt. Bij een hoog vochtgehalte zijn er meer kosten verbonden aan verwerking en transport. Om de problemen van het lage drogestof gehalte op te heffen is een conserveringsof raffinagestap aan te raden. Daarom lijken de beste marktkansen te liggen bij de toepassing voor veevoer na inkuilen of drogen of bij de extractie van inhoudsstoffen. Vergisten tot biogas en toepassing van vers product zijn minder waarschijnlijk. Kroos is interessant als eiwitbron als het eiwitgehalte tenminste 30 % van de droge stof bedraagt. Vereisten om kroos af te kunnen zetten in de veevoerketen zijn het registreren van kroos als voercomponent, registratie van de kroosproducent en het borgen van de kwaliteit van het kroos en het productieproces. In een eerste indicatief onderzoek naar de hoeveelheid zware metalen in het kroos dat gegroeid heeft op RWZI-effluent was de hoeveelheid kwik in het plantmateriaal te hoog voor toepassing in veevoer. Uit een inventarisatie van de kostprijs van nazuiveringstechnieken blijkt dat krooszuivering een gemiddelde kostprijs heeft per behandelde kuub effluent, maar een dure optie blijkt per verwijderde kilogram nutriënt. Dit komt voornamelijk door de hoge kosten van het drogen van kroos. Indien de droogkosten niet worden meegerekend halveert de prijs voor de krooszuivering. Dit zou het geval kunnen zijn bij het inkuilen van kroos. Daarmee komt krooszuivering wel bij de goedkoopste technieken. Met het plaatsen van een kas over de kroossloot kan de groeien daarmee zuiveringsperiode van het kroos worden verlengd (tot later in het najaar, eerder in het voorjaar en afhankelijk van de omstandigheden in de winter). De kosten voor een kas en complicaties zoals de lichtintensiteit wegen niet op tegen het behaalde resultaat (groei en zuivering).

8.2

Aanbevelingen

Anno juni 2012, na het uitvoeren van het kroosproject blijven er enkele zaken onbeantwoord. Zo is daar de afweging of kroos als zuiveringstechniek enkel geschikt is voor metaal- en nutriëntverwijdering of dat er eventueel ook een opname van risicostoffen, zoals hormonen en pathogenen plaatsvindt. Dit zou in een volgend pilot-onderzoek naar voren kunnen komen.

40\44



Bij voortzetting van het initiatief om kroos in te zetten voor effluentpolishing wordt aanbevolen om te starten met een risicoanalyse die vereist is voor de registratie van het product als veevoer (en andere toepassingen) en het borgen van het productieproces. Hiermee kan gerichter worden beoordeeld welke toepassingsmogelijkheden kroos daadwerkelijk biedt en welke kosten hiermee gepaard gaan. Per rwzi kunnen de resultaten verschillende uitpakken. In een volgend onderzoek is het wellicht ook interessant om de rol van sedimentatie in de kroosvijvers te onderzoeken. Om die manier wordt het beter inzichtelijk hoe de stofstromen lopen en of een groot deel van de metaalverwijdering aan de sedimentatie te danken is. Aangaande de verwerking tot veevoer is het belangrijk om inzichtelijk te krijgen hoe de in vivo vertering is van het kroos, zodat de werkelijke voederwaarde duidelijk wordt. Daarnaast is een verdere precisering van de kosten van het droogproces gewenst om te zien of dit werkelijk zo’n forse kostenpost is in het totaalplaatje van krooszuivering. Ook het verduidelijken van de opbrengsten van nieuwe kroostoepassingen zullen bijdragen aan het bepalen van de haalbaarheid van krooszuivering als geheel. Daarnaast bestaat het idee om het kroos mee te laten stromen met het water. Op deze manier kunnen de kroosplanten in het begin goede interne nutriëntvoorraden aanleggen, waardoor er in de laatste fase van de zuivering nog groei kan plaats vinden. Afgezien van de optimale nutriëntenverwijdering dient het ontwerp van kroosvijvers op praktijkschaal verder uitgewerkt te worden voor openlucht omstandigheden, aangezien rekening gehouden moet worden met windinvloed, lichtinval, neerslag en het oogsten van kroos. Om uiteindelijk te komen tot effectieve, efficiënte en economisch aantrekkelijke krooszuiveringen, is het aan te bevelen om een of meerdere businesscases op te stellen. Deze businesscases bepalen mede de richting van het vervolgonderzoek.


41\44


42\44



9 Literatuur Chaiprapat, S., J.J. Cheng, J.J. Classen & S.K. Liehr (2005). Role of internal nutrient storage in duckweed growth for swine wastewater treatment. Transactions of the ASAE vol. 48(6): 22472258. Cheng, J, BA Bergmann, JJ Classen, AM Stomp, and JW Howard. 2002a. Nutrient recovery from swine lagoon water by Spirodela punctata. Bioresource Technology 81(1): 81-85. Cheng, J, L Landesman, BA Bergmann, JJ Classen, JW Howard, and YT Yamamoto. 2002b. Nutrient removal from swine lagoon liquid by Lemna minor 8627. Transactions of the American society of Agricultural Engineers 45(4): 1003-1010. Costa ML, MCR Santos, F Carrapico, AL Pereira. 2009. Azolla–Anabaena’s behavior in urban wastewater and artificial media – Influence of combined nitrogen. Water research 42: 3743-3750. Derksen H., 2012. Persoonlijke mededeling Hans Derksen, verbonden aan Van Hall Larenstein. Derksen H., L. Zwart, 2010. Eendenkroos als nieuw eiwit- en zetmeelgewas. Haalbaarheidsstudie. Innostart B.V. en Innodia B.V. Fedler, C.B., R.D Hammond, P. Chennupati & R. Ranjan (2007). Biomass energy potential from recycled wastewater. Texas Tech University. Holshof, G., I.E. Hoving, E.T.H.M. Peeters, 2009. Eendenkroos: van afval tot veevoer. Wageningen UR Livestock Research, Lelystad. Rapport 306. Holshof, G., I.E. Hoving, E.T.H.M. Peeters, 2009. Eendenkroos: van afval tot veevoer. Wageningen UR Livestock Research, Lelystad. Rapport 306. Hoving. I.E., H.A. van Schooten, G. Holshof, K.M. van Houwelingen, W. van de Geest, 2011. Inkuilen van eendenkroos als veevoer met verschillende additieven. Wageningen UR Livestock Research, Lelystad. Rapport 528 Kitoh, S., N. Shiomi & E. Uheda (1993). The growth and nitrogen fixation of Azolla filiculoides Lam. In polluted water. Aquatic botany 46(1993): 129-139.


43\44


Körner, S, JE Vermaat, S Veenstra. 2003. The capacity of duckweed to treat wastewater: Ecological considerations for a sound design. Journal of Environmental Quality 32:1583-1590. Kunzler K, Eichenberger W. 1997. Betaine lipids and zwitterionic phospholipids in plants and fungi. Phytochemistry, 46: 883-892. Lasfar, S., Monette, F., Millette, L. and Azzouz, A. (2007). "Intrinsic growth rate: A new approach to evaluate the effects of temperature, photoperiod and phosphorus-nitrogen concentrations on duckweed growth under controlled eutrophication." Water Research 41(11): 2333-2340. Lyon MJH de, Roelofs JGM. 1986. Waterplanten in relatie tot waterkwaliteit en bodemgesteldheid, Deel 1 en 2, Technisch Rapport, Katholieke Universiteit Nijmegen, Nijmegen. Marschner P. 1995. Mineral nutrition of higher plants, Elsevier Academic Press. Mbagwu, I.G. & M.A. Adeniji, 1988. The nutritional content of duckweed (Lemna paucicostana hegelm) in the Kainji lake area, Nigeria. Aquatic Botany 27: 357-366. Monette, F., Lasfar, S., Millette, L. and Azzouz, A. (2006). "Comprehensive modeling of mat density effect on duckweed (Lemna minor) growth under controlled eutrophication." Water Research 40(15): 2901-2910. Stam, L., 2009. Duckweed as Diet Ingredient for Cattle. Wageningen, Wageningen University. Minor thesis report. STOWA (1992). Ontstaan en bestrijden van deklagen van kroos. 1. Literatuur. STOWA rapport 92-09. Vermaat, J.E. & M. Khalid Hanif (1998). Performance of common duckweed species (Lemnaceae) and waterfern Azolla filiculoides on different types of waste water. Wat. Res. 32(9): 2569-2576. Wedge R, Burris JE. 1979. Effects of temperature and light intensity on photosynthesis in L. minor and S. Oligorhiza. Plant Physiology, 63: 64-64. Wedge, R.M. & J.E. Burris (1982). Effects of light and temperature on duckweed photosynthesis. Aquatic Botany 12(1985): 133-140. Willemsen, J.H.A., S. Heida, Y.A.M. Gerritsen, K.B. Merck, B.H. Dijkink, vermoedelijk 2002. Inzetten van Lemna voor de accumulatie van stikstof en fosfor uit water en als hernieuwbare grondstof. ATO BV, Wageningen UR. Wageningen. Referentie rapport: OPD OO/243/301100/A

44\44


Effluentpolishing met kroos. Deelrapport 7. Koepelrapport gebaseerd op informatie uit alle deelrapporten

Recommend Documents