Akens netwerk voor hergebruik van afvalwater wil water een nieuw leven geven
AIX-Net-WWR, het “Aachen Network for Waste Water Reuse”, streeft naar een volledig kringloopproces voor afvalwater.
Na een selectieprocedure van meerdere jaren kon het Akense bedrijfs- en onderzoeksnetwerk AIX-Net-WWR naast talrijke andere aanvragen als winnaar uit de bus komen en ging het op 1 januari 2024 van start met de ontwikkeling van innovatieve oplossingen voor het hergebruik van afvalwater in de komende drie jaar. Het project van ongeveer 12 miljoen euro, dat zich richt op de stadsregio Aken, wordt gefinancierd door het RUBIN-programma ("Regional Entrepreneurial Alliances for Innovation") onder de rubriek "Innovatie & Structuurverandering" van het federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF).
De omgeving
Over de hele wereld leidt klimaatverandering met recordhittegolven en droogtes steeds vaker tot regionale watertekorten enerzijds en hevige regenval met bijbehorende overstromingen anderzijds. Na jarenlange intensieve onderhandelingen hebben alle lidstaten van de Verenigde Naties zich gecommitteerd aan het klimaatvriendelijk veranderen van de wereldeconomie. De Green Deal moet leiden tot investeringen van in totaal minstens 1 biljoen euro in de Europese Unie tegen 2050.
De doelen en aanbevelingen voor actie worden beschreven in de 17 Duurzame Ontwikkelingsdoelen (SDG's) van de Verenigde Naties. Alleen al negen van deze doelen hebben betrekking op het onderwerp "water". Duurzaam waterbeheer is daarom een belangrijke voorwaarde voor de implementatie en verwezenlijking van een groot deel van de Sustainable Development Goals. Tegelijkertijd hebben ESG (Environmental Social Governance) investeringscriteria erkenning gekregen op de financiële markt. Dit toont aan dat alleen duurzaam ondernemen in de toekomst economisch levensvatbaar kan zijn. De nieuwe alliantie AIX-Net-WWR onderneemt actie in de context van deze baanbrekende randvoorwaarden.
Huidige situatie en doelen
Met het oog op toenemende waterschaarste en stijgende energieprijzen is duurzaam waterbeheer essentieel. De meeste steden hebben tegenwoordig een gecentraliseerde watervoorziening en afvalwaterverwijdering. Dit heeft echter een aantal nadelen, zoals een afnemende watervoorraad bij een toenemende vraag naar water en het verlies van hulpbronnen en energie, vooral in de vorm van water en warmte (ca. 55 m³ water/persoon/jaar en ca. 550 kWh/persoon/jaar), voor directe recycling op het punt waar het afvalwater ontstaat. In veel centrale afvalwaterzuiveringsinstallaties wordt het afvalwater ook onvoldoende gezuiverd voor mogelijk hergebruik, afhankelijk van de grootte van de aansluiting, zodat de achterblijvende stoffen bijdragen aan toenemende watervervuiling. In de AIX-Net-WWR stad van de toekomst moeten er gestandaardiseerde, semi-decentrale systemen voor hergebruik van afvalwater op wijkniveau komen met innovatieve individuele technologieën die de genoemde problemen aanpakken. Semi-decentraal betekent dat verschillende gebouwen op één systeem zijn aangesloten. De voordelen van semi-centrale systemen liggen vooral in de nauwe ruimtelijke koppeling van afvalwaterproductie en -behandeling. Hierdoor kan het gezuiverde water en de energie in het afvalwater direct worden hergebruikt en benut op de plaats waar het afvalwater wordt geproduceerd, wat zowel ecologisch als economisch optimaal is.
Bij het ontwerp van de semi-centrale zuiveringsinstallaties heeft AIX-Net-WWR zich de volgende doelen gesteld:
- de mogelijkheid om afvalwater te behandelen om verschillende waterkwaliteiten te produceren, zoals zwemwater, irrigatiewater, proceswater, sanitair water en drinkwater
- het gebruik van de systemen bij de bouw van nieuwe woonwijken, maar ook voor de ombouw van bestaande structuren met de betrokkenheid van lokale aanvoer- en afvoerbedrijven
- een modulair en schaalbaar ontwerp
- de kosteneffectiviteit van de systemen binnen enkele jaren door besparing op de belangrijkste hulpbronnen water en energie en standaardisering van de systemen
De innovatieve individuele technologieën binnen de gestandaardiseerde systemen moeten ook in staat zijn om industrieel en commercieel afvalwater te behandelen, waardoor geïndividualiseerde oplossingsmodellen mogelijk worden.
Een bijzonder aandachtspunt is de vroegtijdige betrokkenheid van lokale nutsbedrijven en afvalverwerkingsbedrijven als toekomstige exploitanten van de systemen om de economische belangen van duurzame watervoorziening te vervullen.
Het netwerk en zijn partners
AIX-Net-WWR bestaat uit 11 bedrijven, één start-up en vijf onderzoeksinstellingen uit de regio Aken (figuur 2). De partners combineren hun expertise op het gebied van waterbehandeling, milieutechnologie en digitale controlesystemen.
Het netwerk wordt ook ondersteund door talrijke industriële bedrijven en nutsbedrijven (figuur 3). Het netwerk is zeer geïnteresseerd in verdere geassocieerde partners en supporters. Als u geïnteresseerd bent, stuur dan een e-mail naar: aixnetwwr@intewa.de
Doelstellingen en tussentijdse resultaten van de 5 gezamenlijke projecten
Het netwerk bestaat in totaal uit vijf gezamenlijke projecten die verschillende individuele technologieën onderzoeken en ontwikkelen. De meeste van deze individuele technologieën worden gebruikt in het eerste gezamenlijke project, de AIX-WWR.
AIX-WWR
In het 1e gezamenlijke project AIX-WWR "(Semi-)gedecentraliseerd afvalwaterzuiveringssysteem" wordt een demonstrator in containervorm ontwikkeld voor de behandeling van huishoudelijk afvalwater met als doel een zo volledig mogelijke recycling. Een kernonderdeel van de demonstrator is een innovatieve, energie-efficiënte membraanbioreactor (MBR), waarin afvalwater eerst biologisch en vervolgens met een ultrafiltratiemembraan wordt behandeld. Daarnaast wordt actieve kool in poedervorm (PAC) gedoseerd om sporen zoals farmaceutische residuen en huishoudchemicaliën te verwijderen.
Naast afvalwaterzuivering maakt ook warmteterugwinning uit afvalwater deel uit van het project. Er vindt momenteel een uitwisseling plaats met een regionale waterleverancier om de praktische realisatie van het theoretische concept mogelijk te maken.
De demonstrator zal 20 m³ huishoudelijk afvalwater per dag behandelen, wat overeenkomt met ongeveer 135 PE. Daartoe zal het tijdens de projectperiode bij het Akense Testinstituut voor Afvalwatertechnologie ter plaatse worden geïnstalleerd, getest en verder ontwikkeld.
In het eerste jaar van het project werd het concept van de MBR uitgewerkt en werden processtroomdiagrammen en ontwerptekeningen gemaakt (Figuur 4). In de demonstratieopstelling zal één container de MBR bevatten, terwijl twee andere containers de meettechnologie en extra behandelingsstappen (zie AIX-SOLVED en AIX-OXI hieronder) zullen bevatten om drinkwaterkwaliteit te bereiken.
De containers werden in januari 2025 geleverd en worden momenteel gebruiksklaar gemaakt. De ingebruikname is gepland voor het tweede kwartaal van 2025.
AIX-OPGELOST
De verontreiniging van afvalwater van particuliere huishoudens en de industrie met zware metalen en opgeloste spoorstoffen, zoals additieven en geneesmiddelen, neemt gestaag toe in Europa. Omdat deze opgeloste stoffen moeilijk of niet biologisch afbreekbaar zijn en zich met onbekende effecten ophopen in het milieu, neemt de milieuregelgeving voor afvalwaterzuivering en waterhergebruik in de EU toe. Deze sporenstoffen bezinken echter niet en passeren conventionele filtersystemen niet vanwege hun grootte in het nanometer- en micrometerbereik. Bovendien betekent hun lage biologische beschikbaarheid dat ze nauwelijks biologisch afbreekbaar zijn in afvalwaterzuiveringsinstallaties, waardoor het steeds moeilijker wordt om aan de milieuregelgeving in de EU te voldoen.
In het 2e gezamenlijke project AIX-SOLVED "Advanced treatment stages for the removal of dissolved substances" wordt een zuiveringsproces ontwikkeld waarbij adsorberende granulaten op basis van ijzeroxide en ijzerhydroxide worden gebiofunctionaliseerd met enzymen, waardoor opgeloste stoffen worden geadsorbeerd en/of afgebroken. Voor de adsorberende granulaten worden bekende granulaten en een nieuw ontwikkeld adsorberend granulaat, dat bauxietresidu als grondstof gebruikt, gebruikt. Bauxietresidu is een afvalproduct van de aluminiumproductie en is daarom wereldwijd in grote hoeveelheden beschikbaar. Als onderdeel van het project wordt een prototype ontwikkeld en getest op laboratoriumschaal en in piloottesten op het demonstratiemodel met drie soorten stoffen die veel voorkomen in afvalwater:
- Zware metalen: zink, koper, chroom, cadmium en nikkel, die aanwezig zijn in afvalwater als gevolg van huishoudelijke installaties, verwijdering van metalen daken en dakgoten en het gebruik van detergenten en reinigingsmiddelen.
- Additieven: zoals het UV-B-filter octocrylene in zonnecrèmes, de corrosieremmer 1H-benzotriazool en de weekmaker bisfenol A.
- Geneesmiddelen: pijnstillers (zoals diclofenac), anti-epileptica (zoals carbamazepine, gabapentine en primidon), antibiotica (zoals claritromycine, sulfamethoxazol, metronidazol en trimethoprim).
Er wordt een nieuw type filtereenheid ontwikkeld op basis van een zeefbreker voor optimaal gebruik van het gecoate granulaat in decentrale waterzuivering. In het eerste jaar van het project werden de eerste granulaten geproduceerd en gekarakteriseerd. Daarna volgde de bepaling van de diameter van het te gebruiken granulaat en de selectie van de peptiden en enzymen. Daarnaast werd het concept van het filtersysteem met een zeef gedefinieerd.
AIX-OXI
Het 3e gezamenlijke project AIX-OXI "Oxidatieve behandeling met behulp van niet-thermische plasma's" ontwikkelt een innovatieve plasmatechnologie voor de energie-efficiënte verwijdering van organische spoorstoffen uit afvalwater. Het doel is de afbraak van slecht afbreekbare verbindingen door plasma-oxidatie. Het proces is gebaseerd op het genereren van reactieve zuurstof- en hydroxylradicalen, die de effectieve verwijdering van sporenstoffen mogelijk maken. Het doel van de ontwikkeling is om twee reactortypes te creëren: een continue flowreactor en een semi-continue reactor met een behandelingsvolume van 10m3/d. Een centraal onderdeel van het systeem is een nieuw type elektrode voor het genereren van het niet-thermische plasma, dat cruciaal is voor de efficiëntie van het zuiveringsproces.
In het eerste jaar van het project werden verschillende elektroden ontwikkeld om te testen, werd een plasmabron op proefschaal gebouwd (Afbeelding 6) en werden het concept en een 3D-tekening voor het opgeschaalde prototype gemaakt. Het huidige werk richt zich op het karakteriseren van het plasma en het testen van de mechanische stabiliteit van de elektroden.
AIX-WATCH
Het 4e gezamenlijke project AIX-WATCH "Monitoring- en regeltechnologie incl. ontwikkeling van een validatiemethodologie" richt zich op de ontwikkeling van innovatieve technologieën voor het bewaken en waarborgen van de chemische en hygiënische kwaliteit van behandeld afvalwater voor hergebruik. De nadruk ligt op de ontwikkeling van nieuwe meet-, controle- en validatiemethoden voor gedecentraliseerde systemen voor hergebruik van water.
Online monitoring vermindert de behoefte aan specialisten op locatie en vereenvoudigt de werking van gedecentraliseerde afvalwatersystemen. De nieuwe meettechnologie levert snelle resultaten over de waterkwaliteit zonder dat er langdurige laboratoriumanalyses nodig zijn.
Een belangrijke technische component is 2D-fluorescentiespectroscopie, die wordt gebruikt voor nauwkeurige inline analyse van waterkwaliteitsparameters zoals TOC, BOD, COD en spoorstoffen. Hiervoor wordt een robuuste 2D-fluorescentiesonde (Figuur 7) ontwikkeld die continue real-time monitoring mogelijk maakt. Dit wordt aangevuld met een cloud-gebaseerd, datagestuurd ondersteuningssysteem dat gebruik maakt van machine learning-methoden om afwijkingen te detecteren en voorspellende analyses mogelijk te maken.
Verder worden er innovatieve meet- en bemonsteringscontrolesystemen ontwikkeld om de afvalwaterstromen automatisch te controleren. Methoden voor het valideren van WWR-installaties met behulp van online metingen maken ook deel uit van het project. De combinatie van sensortechnologie, gegevensanalyse en automatisering is bedoeld om de kwaliteitsborging en procesoptimalisatie in installaties voor hergebruik van afvalwater te verbeteren. In het eerste jaar van het project werden de eerste meetapparaten aangeschaft en in gebruik genomen en werd een deel van de test- en analyseplanning uitgevoerd. De cloudarchitectuur en de software voor gegevensverwerving werden ook gemaakt.
AIX-DEZI
Het 5e gezamenlijke project AIX-DEZI "Decentrale industriële toepassing" richt zich op de ontwikkeling van nieuwe technologieën voor de behandeling van gemeentelijk en industrieel afvalwater. In het DWI - Leibniz Institute for Interactive Materials worden deze technologieën getest op kleine laboratoriumschaal en uitgebreid naar een grotere pilotschaal in samenwerking met het bedrijf SIMA-tec.
De focus ligt hier op twee aspecten van gemeentelijke waterzuivering: de ontzilting van brak en zeewater en de verwijdering van PFAS uit afvalwater. PFAS zijn persistente koolstofverbindingen die in veel alledaagse producten voorkomen en moeilijk af te breken zijn. Hun detectie in afvalwater is vaak moeilijk omdat ze slechts in zeer kleine concentraties aanwezig zijn. Het RWTH-instituut voor stedelijk waterbeheer is verantwoordelijk voor het analyseren van PFAS en zouten als onderdeel van dit project.
Voor de zuivering worden twee technologieën gebruikt: Nanofiltratie (NF) membraantechnologie en capacitieve flowdeïonisatie (FCDI). NF-membraantechnologie gebruikt membranen met een poriegrootte van 1-10 nanometer om onzuiverheden uit te filteren. Als onderdeel van het project worden de membranen gecoat om de poriën te verkleinen, zodat bijvoorbeeld PFAS kunnen worden verwijderd. Figuur 8 toont a) hollevezelmembranen, b) de coating en c) een membraanmodule. De eerste succesvolle coatings en de beoogde dichtheid voor PFAS-retentie zijn bereikt. Momenteel vinden proeven met echt water plaats en worden de eerste modellen voor opschaling gemaakt. FCDI gebruikt een elektrisch veld om water te ontzilten door geladen stoffen zoals zouten te adsorberen aan koolstofdeeltjes. De eerste successen bij de ontzilting van brak water zijn behaald en er is een proefmodel gemaakt met SIMA-tec. De experimentele resultaten zijn verwerkt in een simulatiemodel waarmee voorspellingen kunnen worden gedaan over de zuiveringsprestaties onder verschillende bedrijfsparameters.
De eerste alliantiebijeenkomst van AIX-Net-WWR vond plaats op 6 november 2024 in de digitalHUB in Aken. Tijdens het evenement bespraken de partners marktomstandigheden, technologietrajecten en exploitatiemodellen om de marketing van de ontwikkelde oplossingen te optimaliseren. Andere belangrijke onderwerpen waren implementatie en succesplanning, evenals het overwinnen van het tekort aan geschoolde arbeidskrachten.
In interactieve wereldcafés presenteerden de partners hun technologieën, bespraken uitdagingen zoals kosteneffectiviteit, duurzaamheid en levensduur van de systemen en bevorderden de dialoog met geassocieerde partners.
De alliantie staat open voor andere geassocieerde partners die het project actief willen ondersteunen met het gemeenschappelijke doel om van AIX-Net-WWR wereldwijd een toonaangevend netwerk voor waterhergebruik te maken en afvalwater een nieuw leven te geven. We kijken uit naar uw deelname! Onze volgende alliantiebijeenkomst vindt plaats op 6 november 2025 in Aken en we verwelkomen u dan graag. Als u geïnteresseerd bent, kunt u zich hier registreren: aixnetwwr@intewa.de.
Samenvatting en vooruitzichten
In dit technische artikel wordt het in Aken gevestigde netwerk AIX-Net-WWR gepresenteerd, dat gericht is op duurzame recycling van afvalwater. De alliantie wordt gefinancierd door de BMBF en ontwikkelt semi-centrale afvalwaterzuiveringssystemen die water en energie direct ter plaatse hergebruiken.
De vijf gezamenlijke projecten van het netwerk richten zich op verschillende technologieën: AIX-WWR ontwikkelt een demonstrator met een membraanbioreactor voor biologische zuivering en warmteterugwinning, terwijl AIX-SOLVED onderzoek doet naar met enzymen omhulde adsorberende korrels voor de verwijdering van zware metalen en sporenstoffen. AIX-OXI richt zich op plasmatechnologie voor oxidatieve behandeling, AIX-WATCH op digitale monitoringmethoden en AIX-DEZI op innovatieve processen voor de behandeling van industrieel afvalwater.
In de toekomst zullen de ontwikkelde technologieën verder worden geoptimaliseerd, getest in proeffabrieken en economisch geëvalueerd. De alliantie wil zich profileren als een toonaangevend competentiecentrum voor waterhergebruik en nodigt andere geassocieerde partners uit om zich bij het initiatief aan te sluiten. De volgende bijeenkomst van de alliantie op 6 november 2025 zal de gelegenheid bieden voor professionele uitwisseling en netwerken.
Auteurs
Dr. Olga Murujew, Projectmanager AIX-Net-WWR
Oliver Ringelstein, Alliantiecoördinator AIX-Net-WWR
Tekens: 17.744 incl. spaties
Status: 27.2.25
Meer informatie:
Basiskennis waterzuivering: wiki.intewa.net/index.php/Hauptseite
Website met informatie over het project: www.aix-net-wwr.com/de/home
Opmerking: Wijzigingen in het technische artikel zijn alleen toegestaan met uitdrukkelijke toestemming van de auteur!