Forward osmosis leidt tot duurzamere behandeling afvalwater

De KWR-onderzoekers Emile Cornelissen en Kees Roest bedachten in 2009 het idee voor het duurzame Sewer Mining-project. Doel was om een technologische doorbraak te realiseren door decentraal hoogwaardig industriewater uit rioolwater of andere afvalwaterstromen te ‘oogsten’ (Sewer Mining). Daardoor kan zoet grondwater (van zeer goede kwaliteit) exclusief worden behouden voor de productie van drinkwater. Bovendien past het bij de ontwikkeling naar een circulaire economie en de wijze waarop afvalwater kan worden beschouwd; niet als afval, maar als een nuttige bron voor water, energie en allerlei componenten, zoals bijvoorbeeld nutriënten.

Kerusha Lutchmiah 
Forward osmose
Centraal in het idee staat het innovatieve membraanproces forward osmosis. Deze afvalwaterzuiveringstechniek is door de TU Delft, KWR, Waternet, Triqua en het Amerikaanse HTI in de afgelopen jaren verder ontwikkeld. Hierbij wordt afvalwater direct langs een membraan geleid, waarbij zich aan de andere kant een zoutrijke oplossing bevindt. Emile Cornelissen van KWR heeft het principe eerder in WaterForum uitgelegd: “De hoge zoutconcentratie zorgt ervoor dat water aan het afvalwater wordt onttrokken en door het osmotische membraan gaat. De techniek is gebaseerd op het verschil in osmotische druk; het membraan streeft naar een gelijke concentratie aan zouten aan beide kanten, waardoor schoon water naar de zoutoplossing verplaatst.” Hierdoor wordt het afvalwater geconcentreerder en de zoutoplossing verdund. “Doordat de drijvende kracht de osmotische druk is, is er geen energie nodig voor dit proces. Als je er maar voor zorgt dat de concentratie van de zoutoplossing hoger blijft dan het afvalwater, anders valt het proces stil.”
Verlaging energiegebruik 
Na de stap met forward osmosis blijft een geconcentreerde afvalwaterstroom over en een heldere zoutoplossing. Deze heldere zoutoplossing kan verder worden opgewerkt tot een hoge kwaliteit water, bijvoorbeeld met omgekeerde osmose, verdamping of membraandestillatie. “Deze tweede stap levert water van hoge kwaliteit”, aldus Cornelissen. “Er is echter heel wat energie voor nodig. Het streven is om via anaerobe vergisting van het geconcentreerde afvalwater biogas op te wekken, waarmee wordt voorzien in de benodigde energie. Het streven is om de toepassing energieneutraal te maken, wat volgens berekeningen kan, maar dit zal in de praktijk nog moeten blijken.”
Voortborduren
Na de toekenning van de waterinnovatieprijs van het Waterschap Amstel, Gooi en Vecht in 2010 voor het Sewer Mining-project kwam de promovenda volgens haar begeleider bij KWR “in een gespreid bedje terecht”. Cornelissen: “In haar promotie-onderzoek van de afgelopen vier jaar heeft zij zich vooral gericht op het onderdeel forward osmosis (FO) van het Sewer Mining-concept. Wetenschappelijk gezien een van de meest uitdagende projecten omdat het onderzoek  naar de mogelijkheden en verbeteringen van FO nog lang niet ten einde zijn.”
Zo heeft Lutchmiah onder meer de optimale werking van de osmotische stoffen onderzocht. “Neem bijvoorbeeld keukenzout dat het meest wordt toegepast. Een kleinwaardig molecuul met een hoge osmotische waarde. Maar het is moeilijk om het terug te concentreren en als een deel lekt naar het afvalwater, kan dat een probleem opleveren voor de digestie. Daarom hebben wij in dit project onder meer bedacht om gebruik te maken van natuurlijke osmolieten die heel krachtig zijn en als ze lekken de digestie juist stimuleren.”
Membranen
Daarnaast heeft de promovenda gekeken naar de vervuiling van de membranen als gevolg van de samenstelling van het afvalwater. Ook heeft zij het concept doorgerekend en samengevat in een model. “Lutchmiah heeft prachtige resultaten geboekt en inmiddels een paar aansprekende publicaties op haar naam staan”, aldus Cornelissen. “Helaas hebben wij geen gebruik kunnen maken van de proefinstallatie die wij hadden gebouwd om het concept in de praktijk bij een afvalwaterzuivering grootschalig te testen. Inmiddels zijn wij met verschillende partijen, waaronder waterschappen en industriële bedrijven, in gesprek om alsnog grootschalige testen uit te voeren. Er is immers een grote vraag naar innovatieve zuiveringstechnieken om energie te besparen en waardevolle grondstoffen terug te winnen.”
Toepassing
Cornelissen is enthousiast over de mogelijkheden van de ‘robuuste technologie’, maar stelt tegelijkertijd vast dat er meerdere wegen naar Rome leiden. “Het is belangrijk om de technologie af te zetten tegen conventionelere methodes. Daarom durf ik nu nog niet te zeggen dat wij het Ei van Colombus te pakken hebben. Daarvoor zijn grootschaliger testen nodig. Bovendien blijkt uit de berekeningen van Lutchmiah dat de huidige membranen eigenlijk nog te kostbaar zijn en te weinig opleveren voor sommige grootschalige toepassingen. Maar de technologische ontwikkelingen en het onderzoek aan universiteiten en onderzoeksinstituten, zoals Yale en MIT, op membraangebied gaan zo snel dat membranen snel goedkoper kunnen worden.”