Fosfaat: essentieel voor leven En hoe kunnen we er beter mee omgaan
Wetsus & Leeuwarder Courant Winterlezing, 8 Januari, 2015 Leon Korving combining scientific excellence with commercial relevance 1
Inhoud
- Fosfaat - Wat is het - Hoe gaan we er mee om - Hergebruik van fosfaat uit rioolwater - Wat kan al - Onderzoek bij Wetsus
2
Fosfor (P) en fosfaat (PO4)
Hennig Brandt, 1669 3
Fosfaat: essentieel voor leven
Kunstmest Industrieel
4
based disposal system for human waste means we no longer recycle phosphorus to the same degree. Phosphate rock is mined in only a few locations (see Section 3) and then processed into fertilisers and transported around the world. Once the crops are harvested they are also transported worldwide, and the phosphorus they contain is no longer recycled locally via the decomposition of plant matter. When eaten by humans the phosphorus is excreted (in the EU approximately 0.5 to 1 kg per person per year, depending on country and sex, Flynn & Hirvonen, 2009). However, it is no longer returned to the soil
Since the soil is no longer locally replenished with phosphorus via these organic routes, mineral fertiliser needs to be applied to the soil. We have broken the cycle and phosphorus now moves linearly from mines to oceans at increasing rates. Due to globalisation, geographic inequalities in soil fertility and the restriction of phosphorus reserves to a few locations, we move phosphorus large distances around the world. It is estimated that human activities have amplified the rates of phosphorus movement around the world by about 400% relative to pre-industrial times (Falkowski et al., 2000).
Het fosfaat probleem…
Figure 3: Phosphorus flows in the environment. To enhance crop production, phosphorus is added to soil in the form of mineral fertiliser, manure or biodegradable organic material. Most of the phosphorus not taken up by plants remains in the soil and can be used in the future. Phosphorus can be transfer-
5
De wereldbevolking groeit
6
Dus ook behoefte aan N & P
7
Ook nieuwe behoeftes…
Biobased economy
Veranderende dieten 8
Hoe komen we aan fosfaat?
9
Productie van kunstmest
Sulfur
Sulfuric acid plants
Sulfuric acid
Phosphate rock
Phosphoric acid plants
Phosphoric acid
Triple super phosphate Single super phosphate 10
Doel: water oplosbaar fosfaat
50 40 35
total P2O5
Value (euro/ton P2O5)
P2O5 content (wt%)
45
900 water soluble P2O5
30 25 20 15 10
600
300
5 0 Phosphate rock
TSP-fertilizer
0 Phosphate rock TSP-fertilizer
11
Figure 10 Fosfaat reserves ;><JG:./B6ED;8DJCIG>:H7NE=DHE=6I:GD8@G:H:GK:H ))
1,400 1,500
1,500
1,300 1,958
1,800
Morocco and Western Sahara
2,200
Iraq China
3,700
Algeria Syria
5,800
Jordan
South Africa 50,000
United States Russia Others
;><JG:&%/G:H:GK:HD;E=DHE=6I:GD8@E:G8DJCIGN>CBBI )*
puter must be set to English to show the numbers as in the examples below: )( 9Vk^Y7aV^g!ÈJH;^cYhÈldgaY"XaVhhÉE]dhe]ViZ^c>gVf!ÉFinancial Times!HZeiZbWZg ,!'%&&!]iie/$$lll#[i#Xdb$^cia$Xbh$h$%$V,W-'%.+"Y.+."&&Z%"W*'["%%&))[ZVWYX%#
ousand)]ibaVmoo'8h6A?.oA# NOT 50.000 (fi y point zero) Figure: The Hague Centre for Strategic Studies, 2012
)) 7VhZYdcJH
12
accounts for some 35% of global phosphate rock exports.32 Although production figures put countries such as China and the US among the top producers of phosphate, their domestic consumption largely eclipses their exporting activities.
Export van fosfaaterts
Morocco Jordan Syria Egypt
Peru Former USSR 0
2
4
6
8
10
;><JG:*/E=DHE=6I:GD8@:MEDGIH7N8DJCIGN>CBBI ((
Imports of phosphate rock Figure: The Hague Centre for Strategic Studies As data were not available for individual countries’ imports of phosphate rock,
13
Prijs fosfaaterts 350
Phosphate rock (euro/ton)
300 250 200 150 100 50 0 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 14
based disposal system for human waste means we no longer recycle phosphorus to the same degree. Phosphate rock is mined in only a few locations (see Section 3) and then processed into fertilisers and transported around the world. Once the crops are harvested they are also transported worldwide, and the phosphorus they contain is no longer recycled locally via the decomposition of plant matter. When eaten by humans the phosphorus is excreted (in the EU approximately 0.5 to 1 kg per person per year, depending on country and sex, Flynn & Hirvonen, 2009). However, it is no longer returned to the soil
Since the soil is no longer locally replenished with phosphorus via these organic routes, mineral fertiliser needs to be applied to the soil. We have broken the cycle and phosphorus now moves linearly from mines to oceans at increasing rates. Due to globalisation, geographic inequalities in soil fertility and the restriction of phosphorus reserves to a few locations, we move phosphorus large distances around the world. It is estimated that human activities have amplified the rates of phosphorus movement around the world by about 400% relative to pre-industrial times (Falkowski et al., 2000).
Lineair gebruik…
Figure 3: Phosphorus flows in the environment. To enhance crop production, phosphorus is added to soil in the form of mineral fertiliser, manure or biodegradable organic material. Most of the phosphorus not taken up by plants remains in the soil and can be used in the future. Phosphorus can be transfer-
15
Fosfaatgebruik: cijfers
Cordell et al., 2009 16
Onbalans in fosfaatgebruik
agronomic P imbalances for the year 2000 expressed per unit of cropland area in each 0.5° grid cell. The P surplu et al., 2011, www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1010808108 g to quartiles globally (0–25th, 25–50th, 50–75th, and 75–100thMacDonald percentiles). 17
Onbalans in de EU
Csatho, 2005 18
Gevolgen van onbalans
Qingdao, 2013 Ela Lake 227, Manitoba, 1973 19
Eutrofiering in de EU Figure 3.1 The temporal development since 1880 of the area at risk in Europe (in %, above) and magnitude (in eq ha–1a–1, below) of exceedance (AAE) of acidification (red) and eutrophication (green), using GP-CLE scenario depositions for 2010 onwards Ecosystem area in per cent (%)
% of EU ecosystems at Risk
100 90 80 70 60
Eutrophication Eutrophication
50 40
Acidification
30
Acidification
(a)
20
(d) (b)
10
(c)
(e)
0 1880 eq ha-1 a-1 400
1890
1900
1910
1920
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
2030
Effects of air pollution on European Ecosystems, EEA Technical report, 11/2014, figure 3.1 Acidification
20
Oplossingen
CBS, sep. 2014 21
Oplossingen N & P verwijdering in Nederlandse rwzi’s 100 Removal efficiency (100%)
90 80 70 60 50 40 30
nitrogen
20
phosphate
10 0 1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010 CBS 22
Terugwinning uit rioolwater Decentraal
Rioolwaterzuivering
Slibverwerking
23
Decentrale sanitatie Drijfveren • Waterbesparing • Hogere concentraties: – Betere zuivering – Energie efficienter – Compact
• Onafhankelijk van het riool
24
ningen warmtenetten aangelegd: één met hoge temperatuur, voor onder meer warm tap-
water, enen één met peratuursysteem. water, één metlage-temperatuur lage-temperatuurvoor voorruimteverwarming. ruimteverwarming.
aangesloten op het Noorderhoek Waterschoon-systeem 2.1. maalWoningbouwproject
In 2011 zijn 62 wooneenheden (met circa 79
In woningbouwproject Noorderhoek in Snee
Het biogas het hogehogemoment hun waterstromen engedurende GF-afval naar ningen weer teruggebouwd een Het biogaswordt wordtverstookt verstooktinineen eenCV-ketel CV-ketelwaarbij waarbij energie energie wordt wordt geleverd geleverd aan aan het allemaal aangesloten op het Waterschoon-s Door de stagnatie op woningmarkt is de nie temperatuursysteem. De warmte uit het grijswater wordt teruggewonnen met een warmtewisselaar die dient als temperatuursysteem.
Waterschoon, Sneek
noses. De huidige bouwprognoses omvatten
2011 zijn 62 wooneenheden (met circa 7 warmtebron voor een elektrisch aangedreven warmtepomp. Deze pomp voorziet het Innet
56 en 35 woningen. Het spreekt zichnaar dat moment hun waterstromen en voor GF-afval DeDe warmte die dient dient als als warmteuituithet hetgrijswater grijswaterwordt wordtteruggewonnen teruggewonnen met met een een warmtewisselaar warmtewisselaar die
oC. Uit grijswater kan voldoende warmte worden gehaald voor de zomervan warmte van 45 de prognoses. In de periode tot eind 2016 zal warmtebron voor een het net net warmtebron voor eenelektrisch elektrischaangedreven aangedreven warmtepomp. warmtepomp. Deze Deze pomp pomp voorziet voorziet het
Door de stagnatie op woningmarkt is de nie
o o
79 tot circaDe noses. huidige bouwprognoses omvatten van warmte van 4545C.C.Uit voldoende warmte worden gehaald voor de zozovan warmte van Uitgrijswater grijswater kan voldoende warmte worden gebruikt periode. In de winterperiode wordtkan aanvullend een bodembron als de warmte leve - 400.
merperiode. InIndedewinterperiode warmtelevemerperiode. winterperiodewordt wordtaanvullend aanvullendeen eenbodembron bodembron gebruikt gebruikt als warmteleverancier.
rrancier. ancier.
56 en 35 woningen. Het spreekt voor zich d bij de prognoses. In de periode tot eind 201 men van 79 tot circa 400.
2.2 WATERSCHOON, OVERZICHT VAN HET CONCEPT
Omzetten Omzetten organische stof organische stof in in biogas biogas
2.2.
Biogas oor Biogas vvoor verwarming verwarming
Terugwinnen Terugwinnen fosfaat
Waterschoon, overzicht van het concept
Ieder huishouden produceert verschillende
water, toiletwater enproduceert groente- en fruitafval. s Ieder huishouden verschillende
ter, toiletwater en fruitafval. Ge en toiletwater via en hetgroenteriool naar een rioolwa
toiletwater via het riool naar een rioolwa
schoongemaakt. HetHet gezuiverde water komt schoongemaakt. gezuiverde water komtv
Zwart water
Energiearm Energiearm omzetten sstikstof tikstof omzetten
Grijs water
Organisch afval wordt normaliter in de gro
Organisch afval wordt in dewordt groen Waterschoon werkt normaliter dit anders; hier or
ter) werkt ingezameld via een vacuümsysteem. H schoon dit anders; hier wordt organisch
Zuiveren / Zuiveren / polishen grijs en polishen grijs en zwart water zwart water 2.5. 2.5.
gescheiden ingezameld. De zwartwater- en
zameld via een vacuümsysteem. huishou schoongemaakt in een lokale Het zuiveringsinst
Warmte-‐ Warmte-‐ onttrekking onttrekking
1 oppervlaktewater . ingezameld. De zwartwateren de grijswaters
in een lokale zuiveringsinstallatie en vervolg
Het hemelwater in Noorderhoek wordt onbeh
Naast waterzuivering is een belangrijke fun stromen in de vorm van biogas en warmte.
Doelstellingen van het onderzoek Sinds 2007van Doelstellingen het onderzoek Met Waterschoon is een uniek project op praktijkschaal gerealiseerd dat nog steeds in 62-232 huizen Met Waterschoon is eenhet uniek op praktijkschaal dat nog steeds inFiguren: STOWA 2014-38 ontwikkeling is. Omdat een project innovatieve inrichting van gerealiseerd de afvalwaterketen betreft, heb1
In verband met het experimentele karakter is het systeem
bruikt worden als niet aan de lozingseisen kan worden vo 1
In verband met het experimentele karakter is het sy
gebruikt worden als niet aan de lozingseisen kan wor
ontwikkeling is. Omdat het een gekozen innovatieve inrichting van de afvalwaterketen betreft, hebben de initiatiefnemers ervoor via grondig onderzoek en evaluatie de prestaties te ben de initiatiefnemers ervoor gekozen via grondig onderzoek en evaluatie de prestaties te
25
Struviet Magnesiumammoniumfosfaat Vanaf 15/12/14 toegestaan als meststof Fosfaat niet wateroplosbaar -> langzaam werkende kunstmest
26
Onderzoek: calciumfosfaat
Calcium phosphate precipitation in anaerobic treatment of wastewater
Ricardo Cunha
file 156
27
Saniphos Door GMB, Zutphen Central urine verwerking Sinds 2010 5000 m3 urine/jaar ~10.000 personen Terugwinning van: Struviet Ammoniumsulfaat
28
Kantoorgebouwen RIJNSTRAAT – Den Haag Ministerie van I&M Ministerie van Buitenlandse Zaken 2016 4000 mensen/dag Vacuum toiletten Waterloze urinoirs Zwart water
Urine
Vergister
Struviet
Oppervlakte water
Bio-elektrische cel 29
Urine brandstofcel
30
Terugwinning Decentraal
Rioolwaterzuivering
Slibverwerking
31
4
4
2
3.2.2 TERUGWINNEN OP DE RWZI
Terugwinning op de rwzi
In Figuur 3-1 staat schematisch weergegeven waar kansen voor fosfaatwinning op een rwzi
Kansen voor fosfaatterugwinning
bestaan. FIGUUR 3-1
influent influent
KANSEN VOOR FOSFAATTERUGWINNING OP EEN RWZI
voorbezinking voorbezinker
anaeroob anaeroob
Anoxisch/ anoxisch/ aeroob aeroob
bezinker nabezinker
effluent effluent
vergister Figuur 3-1: Kansenslibvergisting voor fosfaatterugwinning op een rwzi
3.2.2.1 WATERLIJN
Het totaal-P-gehalte in communaal afvalwa 3.2.2.1 Waterlijn slibontwatering delde rond de 8 mg/l. Fosfaatterugwinning Hetontwatering totaal-P-gehalte in communaal afvalwater bedraai rond de 8 mg/l.zinktank, Fosfaatterugwinning in deen waterlijn is het actief slibproces in de afloo het actief slibproces en in de afloop van deOntwaterd nabezinke het terugwinnen in de waterlijn is de lage c ontwaterd Slib winnen in de waterlijn is de lage concentratie fosforslibin chemicaliëngebruik hoog, zijn grote proce gebruik hoog, zijn grote procesvolumina nodig en is, v van terugwinning in de voorbezinktank en in de voorbezinktank en het actief slib proces, de bela Figuur 3-1: Kansen voor fosfaatterugwinning op een rwzi (colloidaleetc). BZV/CZV, sulfides dale BZV/CZV,nigingen sulfides,groot carbonaten, Dit resultee 3.2.2.1 WATERLIJN micaliëndosering en een slechte productkw een slechte productkwaliteit. Fosfaatterugwinning in d Het totaal-P-gehalte in communaal afvalwater bedraagt circa 5 tot 15 mg/l, met het gemid3.2.2.1 Waterlijn last van deze hindernissen en minder is in hetlast verleden nabezinker heeft van dezeook hindt delde rond de 8 mg/l. Fosfaatterugwinning in de waterlijn isininmg/l, theorie mogelijk in de Het totaal-P-gehalte in communaal afvalwater bedraagt circa 5 tot 15 met gemiddelde concentraties zijn de huidige situatie ergvoorbelaag (<2 32 Westerbork) maarhet fosfor concentraties zijnm
Struvietwinning op rwzi’s
De vorming van struviet beperkte zich niet alleen tot de De vorming van struviet beperkte zich tot nietd De vorming vanvanuit struviet alleen liep de aanvoer debeperkte uitgegistzich slib niet buffer (USB) na
aanvoer vanuit de uitgegist slib buffer (USB) liepde deschoonmaak aanvoer vanuit slib buffer nan Bij vande deuitgegist USB bleek zich 150(USB) ton struv van de van USB de bleek zich 150 ton gevorm Bij de schoonmaak USB bleek zichstruviet 150lag ton struf dat in bergen op de bodem van de buffertank (zie
lag (zie 2). dat in bergen buffertank op de bodem vanfiguur de buffertank lag (zie f
Figuur 2: Struviet in de buffertank RWZI Amsterdam West FIGUUR 2 2: Struviet STRUVIET IN DE BUFFERTANK RWZI AMSTERDAM WEST Figuur in de buffertank RWZI Amsterdam West
Op het eerste gezicht lijkt het struviet erg vervuild te z Op hetblijven eersteer gezicht lijkt het struviet erg vervuild tever z water mooie heldere kristallen over (zieerg figuu Op het eerste gezicht lijkt het struviet
water blijven er er mooie mooieheldere helderekristallen kristallen over figuu over (zie(zie figuur 3)
5 juni 2012 - Struviet productie door middel van het Airprex proces - 1 5 juni 2012 - Struviet productie door middel van het Airprex proces - 1
van probleem naar product 33
Resultaat scenarioberekeningen
Beneden deze range is de potentiaal voor struvietvorming erg laag, en daarboven slaat fosfaat ook neer alsopgenomen calciumapatiet de Airprex wordt een respectievelijk in figuur(calciumfosfaat). 7.1 en 7.2. Bij zowelIn Airprex als Pearlreactor dient magnesium ge-pH van rond de doseerd te worden. respectievelijk opgenomen in figuur 7.1 en 7.2. Bij zowel Airprex als Pearl dient magnesium ge8 bereikt door het strippen van CO2 door middel van beluchten. Bij deze pH kan een erg lage doseerd te worden. fosfaat worden behaald Bijtussen het Pearl De pH is effluentconcentratie een belangrijke factor bij struvietprecipitatie en (<10mg/L). dient te liggen 7,0 en proces 8,0. Be- ligt de pH lager, neden deze range is de voor struvietvorming erg laag, en daarboven De pH is een belangrijke factor bijpotentiaal struvietprecipitatie en dient te liggen tussen 7,0 en 8,0.slaat Be- fosfaat ook doorgaans tussen de 7,0 en 7,5 enInzijn de fosfaatconcentraties in het de effluent ook iets hoger neer als calciumapatiet de erg Airprex wordt een pH fosfaat van rond neden deze range is de potentiaal(calciumfosfaat). voor struvietvorming laag,reactor en daarboven slaat ook 8 bedoor middel van beluchten. Bij deze pH kan een erg lage fosfaat reikt door het strippen van CO neer als calciumapatiet (calciumfosfaat). In de Airprex reactor wordt een pH van rond de 8 be(10-25 mg/L). Soms wordt2 loog gedoseerd om lagere effluentwaarden te bereiken, maar dit is behaald (<10mg/L). Pearl ligterg delage pH lager, van beluchten.BijBijhet deze pHproces kan een fosfaatdoorgaans reikt dooreffluentconcentratie het strippen van COworden 2 door middel ook afhankelijk van de eigenschappen van het rejectiewater en de gewenste rendementen. tussen de 7,0 en 7,5 en zijn (<10mg/L). de fosfaatconcentraties in het effluent ooklager, iets hoger (10-25 mg/L). effluentconcentratie worden behaald Bij het Pearl proces ligt de pH doorgaans loog om lagere effluentwaarden bereiken, maar dit is mg/L). ook afhankelijk tussen deSoms 7,0 enwordt 7,5 en zijngedoseerd de fosfaatconcentraties in het effluentteook iets hoger (10-25 vanloog de eigenschappen van heteffluentwaarden rejectiewater entede gewenste rendementen. Soms wordt gedoseerd om lagere bereiken, maar dit is ook afhankelijk FIGUUR 7-1 PROCESSCHEMA AIRPREX van de eigenschappen van het rejectiewater en de gewenste rendementen.
Business case Amsterdam
Kosten
Figuur 7-1: Processchema Airprex PROCESSCHEMA PEARL Figuur 7-1: Processchema Airprex
FIGUUR 7-2
(kEuro/year)
Kapitaal
307
MgCl2
182
Energie, opera7e, onderhoud
178
Slibverwerking
-‐681
Flocculant
-‐131
Besparing op ijzerzouten
-‐307
Totaal
-‐452 Figuur 7-2: Processchema PEARL Figuur 7-2: Processchema PEARL
Source: STOWA report 2012-27 34
Struviet projecten RWZI
Sinds
Capaciteit Opmerking (ton P/a)
Amersfoort
2015
260 Ostara
Amsterdam
2014
140 Airprex
Echten
2013
29 Airprex
Land van Cuijk
2011
15 Anphos, with dairy industry
Olburgen
2009
60 Phospaq, 15% municipal origin
Total teruggewonnen
504
Gepland
363
Totaal P in rioolslib
13 900
35
Soorten P-verwijdering Netherlands (CBS, 2010)
Enhanced biological P-removal Combined chemical & biological Chemical precipitation
Germany (DWA, 2003)
United Kingdom (UKWIR, 2010)
Chemische P-verwijdering bepalend 36
Onderzoek: vrijmaken van ijzer
Philipp Wilfert 37
Onderzoek: adsorptie Fe Primary settler
Secondary settler Adsorption
Aeration
Effluent Influent P-Recovery Dewatering
Sludge
Ca, OH
Digester
Calcium phosphate
Prashanth Kumar 38
Terugwinning uit rioolwater Decentraal
Rioolwaterzuivering
Slibverwerking
39
Verwerking Rioolslib Slibverwerking (EU 27, 2005) Agricultural application Incineration Composting Landfill Others
Trend naar verbranding & toepassing in de landbouw NL: 100% verbranding A. Kelessidis, A.S. Stasinakis , Waste Management 32 (2012) 1186–1195 40
Rwzi-slib in de landbouw De makkelijke manier voor hergebruik? Maar: • Slib bevat verontreinigingen • De biobeschikbaarheid van het fosfaat wisselt • Competitie met mest • Transport
41
As na slibverbranding
Alle P concentreert in de as • 80% van alle P in rioolwater in slib • 100% van de P in slib komt in de as • Concentratie in as: 20% P2O5 As moet behandeld worden: • Verwijdering zware metalen • Verhogen biobeschikbaarheid
42
Terugwinning uit as
Thermphos: Productie van zuivere P4 Uit ijzerarme as Gestopt 2012 Ecophos: Natchemische ontsluiting met HCl Gepland 2017 50% alle P in slib: 5000-6000 ton P/jaar 43
Afsluiting Decentraal
Rioolwaterzuivering
Slibverwerking
44
Tenslotte
45
Meer informatie
IOS-app: “The Phosphorus Challenge” Documentaire Arte: Die Phosphor Krise http://www.arte.tv/guide/de/046557-000/die-phosphor-krise
Nutrienten Platform www.nutrientplatform.org
European Sustainable Phosphorus Platform: www.phosphorusplatform.eu
46
www.wetsus.nl
47
