Het riool als nieuwe fosformijn

Dat aardolie opraakt is vervelend. Maar het dreigende tekort aan fosfor – essentieel voor al het leven op aarde - is minstens zo zorgwekkend, zeker voor Europa dat geen eigen winplaatsen heeft, volgens sprekers op een recent NBV-seminar. ‘Bijna niemand erkent dat er voor biobrandstof ook fosfaat nodig is.’

door Martine Segers, gepubliceerd in C2W life sciences 2, januari 2011

‘Kolen kun je door kernenergie vervangen, hout door plastic, vlees door gist en isolement door gezelschap – maar voor fosfor is geen alternatief en ook geen vervanger.’ Zo schetst biochemicus en sciencefictionschrijver Isaac Asimov de kern van het probleem van de dreigende fosforschaarste. Fosfor is een onmisbaar onderdeel van onze botten, tanden, celmembranen, ons DNA en de energiedrager in onze cellen, ATP. Planten gebruiken het ook in hun fotosynthese. Grootschalige voedselproductie is zonder fosforhoudende kunstmest dan ook ondenkbaar. Elke dag opnieuw heeft een mens ongeveer 0,7 gram fosfor nodig.

Over hoe lang we nog fosfor uit fosfaatrijke ertsen kunnen halen, verschillen de meningen. Het meest pessimistische scenario geeft ons nog 75 jaar, het meest optimistische 400, vertelt de Leidse emeritus hoogleraar milieukunde Helias Udo de Haes tijdens het seminar Phosphorus: from excess to shortage van de Nederlandse Biotechnologische Vereniging (NBV). Sterke prijsstijgingen doen zich waarschijnlijk al eerder voor.

Bevolkingsgroei, toename van de vleesconsumptie en de opkomst van biobrandstoffen maken dat de wereldwijde fosforbehoefte groeit. “Bijna niemand erkent dat er ook fosfor nodig is voor de productie van biobrandstoffen”, stelt Bert Smit van het Wageningse onderzoeksinstituut Plant Research International.

“Ook het feit dat Europa bij lange na niet zelfvoorzienend is in haar voedselproductie, omdat hier slechts op zeer geringe schaal fosfor gewonnen kan worden, is een onderschat probleem”, vult Udo de Haes aan. Europa is voor haar fosfor afhankelijk van slechts enkele exporterende producenten zoals Marokko en van de import van veevoer.

Plaszuilen
De rijke fosfaatertsen mogen dan opraken, echt verliezen doe je het element fosfor niet. Wel slaat jaarlijks naar schatting 20 tot 30 miljoen ton fosfor neer op de bodems van rivieren, meren, kustzeeën en oceanen en dat is flink meer dan de 17,8 miljoen ton die boeren mondiaal op hun akkers strooien. “We gaan in Nederland ook niet zuinig om met onze fosfor door het te laten ophopen in de bodem en fosfaten uit afvalwater onder andere als vulmiddel in cement te stoppen”, stelt Smit.

Dagelijks plast een ieder 500 mg fosfor uit. Deze fosfor blijkt verrassend simpel terug te winnen uit zuivere urine. Je voegt een magnesiumzout toe en dan slaat het neer als struviet: MgNH4PO4·6H2O. Zo is in theorie meer dan 95 procent van de fosfor terug te winnen als een fosfaatrijk kristal, dat interessant is om te gebruiken als meststof.

Grootste struikelblok is echter dat pure urine niet via een lang buizenstelsel met bochten naar een centrale plek te vervoeren is, licht Mariska Ronteltap van het Delftse onderzoeksinstituut Unesco-IHE toe. Verstopping door de neerslag van zouten als struviet en calciumfosfaat ligt snel op de loer doordat hydrolyse van het aanwezige ureum de pH laat stijgen.

Dat maakt fosfaten uit pure urine terugwinnen een logistieke nachtmerrie. Toch opende oktober 2010 onder de naam SaniPhos de eerste grootschalige fabriek voor de winning van nuttige meststoffen uit humane urine haar deuren op het terrein van GMB Slibverwerking in Zutphen. GMB wint hier fosfor en stikstof terug uit urine van Moeders voor Moeders, dat eerst het hormoon HCG uit de urine van zwangere vrouwen haalt, en verwerkt nu 1500 m3 urine per jaar, goed voor 5 ton struviet. Verder heeft SaniPhos zijn oog laten vallen op plaszuilen bij evenementen. De installatie is toegerust om maximaal 5.000 m3 urine per jaar te verwerken, oftewel 13 miljoen ‘kleine boodschappen’.

Zware metalen
Lastig punt is, benadrukken meerdere sprekers, dat de overheid de verkoop van deze en veel andere struviet nog niet als minerale meststof heeft goedgekeurd. Het heeft nu nog het stempel van voor de landbouw onbruikbaar afvalproduct.

Struvietkorrels uit rioolwater gemaakt met de Pearl-methode uit Canada - met een zuiverheid van meer dan 99,9 procent - hebben wel al een Europese goedkeuring op zak. Via een goed gecontroleerd kristallisatieproces worden zware metalen, organische verbindingen als medicijnresten en pathogenen buiten de struvietkorrels gehouden. “Als je korrels langzaam laagje voor laagje laat groeien, dan sluiten ze aantoonbaar veel minder vervuiling in”, vertelt Pieter-Jan van Helvoort, die bij Grontmij de technologie in Nederland vermarkt.

De ‘Pearl-reactor’ heeft de vorm van een paddenstoel en gebruikt fosfaatrijk rejectiewater, geconcentreerd afvalwater dat ontstaat bij het ontwateren van uitgegist zuiveringsslib. Door verschil in vloeistofstroomsnelheid blijven de kleine korrels bovenin de reactor als groeikiem en zakken ze als ze groter worden steeds verder naar beneden. “Zo kunnen we de grootte van de korrels controleren en precies aan de eisen van de kunstmestindustrie voldoen, ook qua hardheid en oplosbaarheid.”

Een andere recycleoptie is om het rioolslib zelf, dat voornamelijk bestaat uit bacteriën die afvalwater gereinigd hebben en dat nu als afval wordt verbrand, als nieuwe fosfaatmijn te gebruiken. Het Oostenrijkse bedrijf ASH DEC bouwde hiervoor een fabriek, waarin het de verontreiniging met zware metalen te lijf te gaat én het fosfaat in slibas beter opneembaar maakt voor planten. Bij 900 °C vernietigt de fabriek de aanwezige slecht opneembare calcium- en aluminiumfosfaten en vangt het in de gasfase zware metalen als chloridezouten weg na toevoeging van MgCl2 en CaCl2.

Spelbreker
Dichter bij huis experimenteert de Zeeuwse fosforproducent ThermPhos met het maken van zuivere fosfor uit rioolslibas. “Fosfaathoudende as is in ons proces als grondstof te gebruiken, maar het lastige is dat daar allerlei verontreinigingen in zitten, net als in laagwaardige ertsen”, vertelt Willem Schipper. “Het is een technische uitdaging van formaat om op termijn onze fosfaatbehoefte helemaal te dekken met zulke gerecyclede materialen. Toch is dat onze ambitie.”

De vaak bij waterzuivering gebruikte, overigens niet per se benodigde, ijzerzouten zijn wat Schipper betreft ook een spelbreker. “Hierdoor krijg je extreem veel bijproducten in het reductieproces dat nodig is om fosfor te maken.” Verder experimenteert ThermPhos met vleesbeendermeelas uit slachtafval als bron van fosfaat.

Maar het blijft toch vaak bij onderzoek en kleinschalige initiatieven, stelt Schipper. “Voorlopig is fosfaaterts nog te goedkoop om echt grootschalige technologieën, die altijd een flinke investering vergen, een grote vlucht te laten nemen.” En in zijn ogen loop je bij de wel al grootschalige struvietinstallaties snel tegen een beperkt fosfaat-terugwinrendement en kleine afzetmarkt aan.

Van Helvoort is veel positiever over struviet. Bij minstens 50 rioolafvalwaterzuiveringsinstallaties in Nederland zit voldoende fosfor in het rejectiewater om struvietproductie nu al winstgevend te maken, berekende de adviseur van Grontmij. “Die kunnen hun investeringen binnen 3 tot 6 jaar terugverdienen door flink te besparen op de verwerkingskosten van chemisch slib en op chemicaliën als ijzerchloride en aluminiumchloride. Daar vangen ze nu een deel van het fosfaat mee weg. Na die tijd kun je deze besparingen als winst inboeken, omdat de verkoop van hoogwaardig struviet – in Canada en de VS waar al vier full scale installaties draaien is het een gewild product – de operationele kosten dekt.”

Daar is absoluut interesse in, verzekert Van Helvoort. “Het gaat om een bewezen technologie, waarmee in Nederland jaarlijks zeker 3.000 ton fosfor kostendekkend is terug te winnen uit rioolwater.”