Met bacteriën verloren energie, voedingsstoffen en schoon water uit afvalwater terugwinnen

Afvalwater bevat waardevolle stoffen die nu vaak niet worden gebruikt. Als we die stoffen terugwinnen, kunnen we er de landbouw mee helpen, sanitaire voorzieningen wereldwijd verbeteren en zelfs energie opwekken voor de zuivering van het water zelf. Dat kan ons helpen om de duurzaamheidsdoelen van de Verenigde Naties te bereiken.

Afvalwater bevat organisch materiaal en voedingsstoffen afkomstig van dagelijks rioolwater uit oa toiletten, douches, en wasserijen, maar ook industrieel/commercieel water dat gebruikt is om te spoelen, te koelen of te reinigen. Een deel van het afvalwater komt uit voedselgerelateerde stromen zoals keukens, restaurants of voedselverwerking.

“Wereldwijd bevat ons afvalwater meer dan 800.000 GWh aan chemische energie, wat overeenkomt met de jaarlijkse productie van 100 kerncentrales”, zegt professor Uwe Schröder van de Universiteit van Greifswald in Duitsland. “Het is ook rijk aan voedingsstoffen die worden gebruikt in landbouwmeststoffen en die, als we ze zouden kunnen terugwinnen, 11 procent van de wereldwijde vraag naar ammoniak en ongeveer 7 procent van de vraag naar fosfaat zouden kunnen dekken."
 

Een circulaire economie van energie en voedingsstoffen

Volgens de onderzoekers zijn microbiële elektrochemische technologieën (MET's) een efficiëntere manier om afvalwater te behandelen. Daarbij wordt gebruik gemaakt van microben die bekend staan als elektrogene bacteriën.

Hoewel microben nu al worden gebruikt om afvalwater te behandelen door middel van anaërobe vergisting, zet deze aanpak slechts 28% van de chemische energie om in elektriciteit. MET's zouden in dergelijke systemen kunnen worden geïntegreerd en deze kunnen verbeteren. Deze bacteriën brengen elektronen over naar hun omgeving, waardoor een elektrische stroom ontstaat wanneer ze worden aangesloten op elektroden in een brandstofcel. In laboratoriumomstandigheden kunnen ze tot 35% van de chemische energie van afvalwater omzetten in elektriciteit. De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat de opgewekte energie in principe zelfs zou kunnen helpen om de watersector zelf te laten draaien. Deze is momenteel goed voor ongeveer 4 procent van het wereldwijde energieverbruik.

De microben kunnen ook helpen om voedingsstoffen uit afvalwater te halen, waardoor het wordt gereinigd voor verder gebruik. Nu nog worden deze belangrijke ingrediënten voor meststoffen meestal geproduceerd in energie-intensieve of niet-duurzame processen. Als we deze verbindingen uit afvalwater zouden kunnen verwijderen, dan krijgen we het dubbele voordeel dat waardevolle hulpbronnen worden teruggewonnen en de vervuiling vermindert. Het lozen van voedingsrijk afvalwater veroorzaakt immers algenbloei in waterwegen en is de oorzaak van sterfte bij vissen door zuursttoftekort.

“Dit zijn waardevolle chemicaliën die we niet zomaar kunnen weggooien. Het water dat overblijft, kunnen we bovendien op vele manieren hergebruiken. Denken we maar aan sproeiwater voor gewassen of koelwater in de industrie. We kunnen nog een stap verder gaan en het behandelen om drinkwater te produceren”, aldus dr. Elizabeth Heidrich van de Universiteit van Newcastle, Verenigd Koninkrijk.

Er zijn mogelijk nog vele andere nichetoepassingen, van het recyclen van voedingsstoffen in hydrocultuursystemen tot het aandrijven van zelfvoorzienende sensoren die vervuiling detecteren.
 

Sanitaire voorzieningen voor iedereen

De onderzoekers stellen dat MET’s een aantrekkelijke oplossing bieden voor de 6^de SDG van de VN: het waarborgen van de beschikbaarheid en het duurzame beheer van water en sanitaire voorzieningen voor iedereen.

MET's zijn in proefprojecten efficiënt gebleken en bieden de mogelijkheid om meer water onder een groter aantal omstandigheden te behandelen. Zo werd in 2015 een door urine aangedreven MET, Pee Power® genaamd, getest op het Glastonbury Festival, een van 's werelds grootste openluchtmuziekfestivals. Sindsdien is het systeem succesvol gebleken in langdurige veldproeven in Oeganda, Kenia en Zuid-Afrika. Het systeem zet afvalwater om in elektriciteit, waarmee de verlichting rond de toiletten wordt aangedreven om de veiligheidsrisico's in gebieden zonder elektriciteitsvoorziening te verminderen.
 

Impact op de wereld

“De ontwikkeling van MET's in de afgelopen twintig jaar heeft ons van het begrijpen van de ‘microbiële black box’ naar het bouwen van modulaire, schaalbare systemen gebracht die een impact kunnen hebben op de echte wereld. We bevinden ons nu in een fase waarin deze technologieën technisch haalbaar zijn. De volgende stap is ervoor te zorgen dat ze economisch concurrerend zijn met traditionele behandelingsmethoden. Door MET's strategisch te integreren in onze bestaande infrastructuur, kunnen we het wereldwijde afvalwaterbeheer omvormen tot een zelfvoorzienende motor voor het terugwinnen van hulpbronnen", aldus Dr. Deepak Pant van de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek (VITO) in België.

"Wereldwijd hebben ongeveer 3,5 miljard mensen geen toegang tot sanitaire voorzieningen. Uitbreiding van de afvalwaterzuivering zou de levensomstandigheden van veel van de armste mensen kunnen verbeteren en ecologische schade kunnen voorkomen. Microbiële elektrochemische technologieën zouden een lokale oplossing kunnen zijn om schadelijk rioolwater om te zetten in een waardevolle hulpbron", aldus prof. Ioannis Ieropoulos van de Universiteit van Southampton, die tevens directeur is van MET-C, dat de microbiële brandstofceltechnologie commercialiseert.
 

Obstakels overwinnen

Ondanks het potentieel is het de grote uitdaging om deze technologieën op grote schaal toe te passen. Strenge regelgevende kaders zijn vaak niet geschikt voor circulaire economieën die afval hergebruiken. In veel landen mag bijvoorbeeld meststof op basis van urine niet worden gebruikt voor het verbouwen van voedsel of veevoer.

Er zijn ook technische obstakels om ervoor te zorgen dat de MET-materialen continu hoge prestaties blijven leveren.

“Hoewel het vergezocht is om onze huizen van stroom te voorzien met afvalwater, kunnen microbiële elektrochemische technologieën bestaande waterzuiveringsprocessen verbeteren. Een brede invoering van MET's zou vooral gunstig zijn voor zwaar vervuild afvalwater of op plaatsen waar de bestaande zuivering te duur is of niet iedereen bereikt”, aldus prof. Falk Harnisch van het Helmholtz Centrum voor Milieuonderzoek in Duitsland.

Over Frontiers in Science  

Frontiers in Science is het multidisciplinaire, open access tijdschrift van Frontiers dat zich richt op transformationele wetenschap om oplossingen voor een gezond leven op een gezonde planeet te versnellen.  

Het tijdschrift publiceert een select aantal uitzonderlijke, peer-reviewed hoofdartikelen van internationaal gerenommeerde onderzoekers, wier werk zich richt op belangrijke mondiale uitdagingen op het gebied van de gezondheid van mens en planeet. Elk hoofdartikel wordt verrijkt met een diverse hub van inhoud die het bereik en de impact ervan in de hele samenleving vergroot – van onderzoekers en beleidsmakers tot leken en kinderen.  

Ga voor meer informatie naar www.frontiersin.org/science en volg @FrontScience op X, Frontiers in Science op LinkedIn, en @Frontiers op Bluesky.