Fosfor uit afvalwater

Fosfor is door de EU aangemerkt als een kritieke grondstof. Recycling biedt dan de oplossing. Kemira en Royal HaskoningDHV werken nu samen om de stof terug te winnen uit rioolslib. Limburg en Brabant krijgen de Nederlandse primeur.

Tekst: Igor Znidarsic
Beeld: Shutterstock
Gepubliceerd: 19.03.2024

Omdat fosfor gemakkelijk reageert met andere materialen, is de stof in de natuur niet in zuivere, ongebonden toestand te vinden maar enkel in een verscheidenheid aan fosformineralen. Deze mineralen worden gewonnen in mijnen in voornamelijk Marokko, China en de Verenigde Staten en vervolgens verder verwerkt. Fosfor is onmisbaar voor de voedselproductie en wordt in de landbouw toegepast als nutriënt in kunstmest. Mensen en dieren krijgen de stof, die essentieel is voor het leven (zie kader Toepassingen), binnen via voedsel en scheiden deze weer uit via ontlasting en urine, waarna de stof in het rioolwater terechtkomt.

Fosfor is een van de 34 door de Europese Commissie aangemerkte kritieke grondstoffen. Dat zijn natuurlijke metalen en mineralen die belangrijk zijn voor onze economie en maatschappij, maar waarvan we niet zeker weten of ze ook in de toekomst voldoende beschikbaar zullen zijn. Het winnen en verwerken van deze grondstoffen heeft bovendien vaak negatieve effecten op het milieu. Het wordt steeds moeilijker om fosfor van goede kwaliteit te winnen uit mijnen. Daarom zijn er inmiddels diverse initiatieven ontstaan om fosfor te recyclen uit afvalwater. Lokale terugwinning van fosfor ondersteunt ook de Europese ambitie om voor grondstoffen minder afhankelijk te zijn van andere landen, een les die geleerd is tijdens de coronapandemie. Daarnaast veroorzaakt fosfor bij te grote hoeveelheden in het oppervlaktewater overmatige algenbloei waardoor een gebrek aan zuurstof in het water ontstaat, met alle gevolgen van dien.

Paul Roeleveld: “Het is dus een fysiek proces, maar door de toevoeging van een bepaalde hoeveelheid ijzer zit er ook een chemisch component aan”

Magneten

Een van de initiatieven om fosfor te recyclen komt van Kemira en Royal HaskoningDHV. Kemira is eigenaar van het gepatenteerde ViviMag, een technologie om fosfor terug te winnen uit rioolslib, dat het bedrijf samen met academische en industriële partners heeft ontwikkeld. Dat de techniek werkt – proof of principle – is vijf jaar geleden al aangetoond. In pilotprojecten in onder meer Duitsland, Denemarken en Nederland wordt de techniek nu in samenwerking met Royal HaskoningDHV verder geoptimaliseerd. De Nederlandse pilot vindt plaats bij de afvalwaterzuiveringsinstallatie van het Waterschapsbedrijf Limburg in Hoensbroek.

Na reiniging van afvalwater blijft er in de zuiveringsinstallatie een slib over met daarin een hoeveelheid fosfor. Door toevoeging van ijzer ontstaat er vivianiet, een gehydrateerd ijzerfosfaatmineraal [Fe3(PO4)2·8(H2O)]. Deze kristallen hebben een zogeheten paramagnetische eigenschap en kun je met behulp van magneten uit het slib extraheren. Het is dus een fysiek proces, maar door de toevoeging van een bepaalde hoeveelheid ijzer zit er ook een chemisch component aan”, vertelt Paul Roeleveld. Hij is directeur Business Development & Innovations bij Royal HaskoningDHV en houdt zich al meer dan dertig jaar bezig met gemeentelijke afvalwaterzuivering.

De genoemde pilots kijken vooral naar de business case. “We finetunen en optimaliseren de technologie om het rendement van de terugwinning te verhogen en de kwaliteit van het vivianiet te verbeteren”, vertelt Jean-Christophe Ades, senior marketing manager Municipal Water Treatment bij Kemira.


Vroeger, toen schilders nog zelf hun verf mengden, gebruikten schilders het mineraal vivianiet om blauwe verf te maken. Vivianiet is van oorsprong kleurloos, maar wordt na oxidatie blauw. Onder andere Rembrandt en Vermeer gebruikten de heldere blauwe kleurstof op hun doeken.
Het melkmeisje, Johannes Vermeer (circa 1660)

Olijfbomen

Een andere manier om fosfor uit afvalwater te halen is struviet: door toevoeging van een magnesiumzout aan het afvalwater slaat er struviet neer, oftewel kristallen magnesiumammoniumfosfaat. “Maar het nadeel van struviet is dat je niet meer dan twintig tot dertig procent terugwinning hebt, terwijl je met ViviMag tot zestig procent bereikt.”

Het eindproduct van de ViviMag-technologie is overigens geen zuivere fosfor maar het mineraal vivianiet. “Zover zijn we nog niet”, aldus Ades. “Dat wordt misschien ooit ViviMag 2.0.” Vooralsnog is het aan de gebruikers downstream om de fosfor en ijzer te scheiden en verder te verwerken. De hoeveelheid verontreinigingen is in ieder geval laag. “We hebben in vele analyses gekeken naar zware metalen, naar ziekteverwekkers, naar organische verontreinigingen, en het niveau is heel erg laag, zeker voor een product afkomstig uit rioolslib.”

Vivianiet kan wel direct, zonder het eerst te scheiden in fosfor en ijzer, toegepast worden als ijzerkunstmest. Op ijzerarme grond kunnen planten niet goed gedijen en kan er de plantenziekte chlorose ontstaan, waarbij bladeren onvoldoende chlorofyl aanmaken. “Het ijzerrijke vivianiet kan hier uitkomst bieden.” Het is met name geschikt voor olijfbomen, wijnranken en citrusbomen, soorten die vaak kampen met ijzertekort.

Jean-Christophe Ades: "Mede als gevolg van de oorlog in Oekraïne zijn de kunstmestprijzen de pan uit gerezen, en dat maakt de drijfveer om materialen te recyclen alleen maar groter"

Verplicht

Een gerecycled product moet in de vrije markt altijd de concurrentie aangaan met een virgin, al of niet fossiel product. Hoe verhoudt de prijs van gerecycled fosfaat zich tot ‘fossiele’ (uit mijnen afkomstige) fosfaat? “Dat is een kwestie van hoe de markt erop reageert”, zegt Ades. “Mede als gevolg van de oorlog in Oekraïne zijn de kunstmestprijzen de pan uit gerezen, en dat maakt de drijfveer om materialen te recyclen alleen maar groter. Daar komt bij dat terugwinning van fosfor in steeds meer landen verplicht wordt. In Nederland nog niet, maar in bijvoorbeeld Duitsland en Zwitserland is al bij wet geregeld dat de gemeentelijke afvalwatersector de fosfor uit het afvalwater terugwint.” Voor de waterschappen zelf is er ook een voordeel, voegt Roeleveld toe: “Bij het maken van vivianiet blijft er minder slib over, en minder slib moeten verwerken levert een directe besparing op.”

Commerciële uitrol

Om de kennis over terugwinning van vivianiet te verhogen en de implementatie van ViviMag op (inter)nationle schaal mogelijk te maken, is Waterschap Brabantse Delta bij rioolwaterzuivering Nieuwveer bij Breda nu grootschalige toepassing van de techniek in de praktijk aan het opzetten. Het project heeft een subsidie gekregen in het kader van het Europese LIFE-programma en moet vanaf 2025 minimaal zestig procent van het fosfaat uit het afvalwaterslib terughalen. “Als uiteindelijk alle resultaten van dit project verzameld zijn kan de verdere commerciële uitrol beginnen”, aldus Roeleveld. “Ook Waterschapsbedrijf Limburg en een aantal anderen hebben interesse getoond om ViviMag in een full scale installatie toe te passen. En dan heb ik het alleen nog over Nederland.”


Toepassingen fosfor

Zonder fosfor geen leven. Fosfor speelt een belangrijke rol in onder andere DNA, bij stofwisselingsreacties en de vorming van botten. In planten is fosfor van belang voor de ontwikkeling van wortels, voor de bloei en voor het rijpen van vruchten en zaden. Mensen en dieren krijgen de stof binnen via voedsel. Fosfor is dan ook van groot belang in de landbouw voor de productie van kunstmest.

Daarnaast kent fosfor een aantal industriële toepassingen, onder andere voor batterijen, voor natriumlampen en voor het chemisch tussenproduct fosforpentasulfide dat je kunt gebruiken bij de synthese van organische fosfor- en zwavelhoudende verbindingen voor bestrijdingsmiddelen en additieven voor smeeroliën. Daarnaast zit er fosfor in lucifers, vuurwerk, rookbommen en brandvertragers.


Kemira en Royal HaskoningDHV

Kemira is een wereldleider in duurzame chemische oplossingen voor waterintensieve industrieën en biedt producten en diensten om de productkwaliteit en de proces- en hulpbronnenefficiëntie van de klanten te verbeteren. Tot de klanten behoren onder meer industriële en gemeentelijke waterzuiveringsbedrijven en de pulp- en papierindustrie. De focus ligt op waterzuivering, hernieuwbare oplossingen en digitale diensten.

Royal HaskoningDHV is een internationaal opererend advies- en ingenieursbureau dat met klanten en partners samenwerkt aan innovaties en slimme oplossingen voor een duurzamere toekomst. Het levert diensten aan de sectoren bouw, industrie, mobiliteit, luchthavens, ruimtelijke inrichting en milieu, en water. Ook in de sector waterbehandeling is Royal HaskoningDHV actief als leverancier van innovatieve watertechnologieën.