Gecombineerd gebruik van omgekeerde osmose en ionenwisseling

Door de industriële veeteelt moeten grote mestbedrijven enorme hoeveelheden drijfmest zien kwijt te raken. Die worden vaak gebruikt als bemesting in de landbouw. Gebieden met veel veeteelt beschikken over voldoende meststoffen, maar op andere plaatsen moet kunstmest worden bijgekocht. In Duitsland tracht men de balans weer in evenwicht te brengen door middel van zogenaamde nutriëntenbeurzen (“Nährstoffbörsen”) (zie kader): Gier, gistingsresten of vaste mest worden bij de overheid geregistreerd en via een proces met meldingsplicht verdeeld in landbouwregio’s zonder veeteelt. Daardoor worden de voedingsstoffen en de grondstoffen die zij bevatten, vooral fosfaten, regio-overschrijdend in de kringloop gehouden en wordt de balans weer in evenwicht gebracht. Voor het transport van stalmest gelden strenge milieubeperkingen en dit moet uitgebreid gedocumenteerd worden. Vanwege de kosten is het interessant om de gier vooraf te concentreren om het volume ervan te reduceren. Het water wordt aan de gier onttrokken en zo gezuiverd dat het zonder risico verder kan worden gebruikt of weer in het milieu kan worden vrijgegeven.

Voor deze toepassing maakt men bijvoorbeeld gebruikt van omgekeerde osmose (reverse osmosis of RO) en ionenwisselaars (ion exchangers of IX). Vooral voor het zuiveren van water dat veel zouten of organische stoffen bevat, biedt een combinatie van de beide technologieën voordelen omdat strenge grenswaarden worden gehanteerd. Zo worden met omgekeerde osmose, dat werkt als een filter met hoge dichtheid, meer dan 90% van de zouten en organische stoffen uit het water gehaald. Deze procedure kan verschillende malen achter elkaar plaatsvinden om het resultaat te optimaliseren. Door deze RO-stap wordt water geproduceerd met een zeer laag gehalte aan schadelijke stoffen, dat echter bij strenge grenswaarden nog te hoog kan zijn. Om het gehalte aan schadelijke stoffen nog verder te verlagen tot slechts enkele ppb, zijn ionenwisselaars een beproefde oplossing. Naargelang de te verwijderen stof, kunnen ionenwisselaars met de juiste functionele groepen worden gekozen die ongewenste ionen zo selectief mogelijk zich binden. Zo kan gier water van hoge kwaliteit opleveren.

Daarvoor wordt varkensdrijfmest gezamenlijk behandeld door lokale landbouwers, zodat die verder kan worden verwerkt voor commerciële doeleinden. Drijfmest is moeilijk te verwerken omdat die niet alleen een grote hoeveelheid droge stof (4-7%), maar ook een hoge concentratie aan zouten bevat, die hoofdzakelijk afkomstig zijn van stikstofverbindingen (vooral ammoniak), fosfaten en kaliumoxide.

Casestudy

Bijvoorbeeld het Nederlandse bedrijf KUMAC heeft een proces voor drijfmestverwerking ontwikkeld. In een eerste fase wordt een fysicochemische behandeling toegepast, waarin ijzersulfaat en een bindmiddel aan de drijfmest worden toegevoegd. De vaste stof wordt hier met een zeef uit verwijderd en als natuurlijke, biologische meststof in korrels verkocht.

De overblijvende vloeistof wordt verder geconcentreerd via omgekeerde osmose (RO). De toegevoerde vloeistof met een geleidbaarheid van circa 15 mS/cm en een daaruit voortvloeiend zoutgehalte van circa 9.000 mg/l heeft al een osmotische druk van meer dan 7 bar. Om een totaalrendement van 75% van het RO-proces te bereiken, is een druk van 40-50 bar vereist. Daarnaast wordt een overlooppercentage van circa 15 m³/u toegepast om de bezinksels op het membraanoppervlak zo gering mogelijk te houden. Desondanks moet de eerste fase dagelijks gereinigd worden.

Na de eerste RO-fase heeft het permeaat een zoutgehalte van 300 mg/l. Omdat verder te verminderen volgt nog een filtratiefase met omgekeerde osmose. Daarin wordt het permeaat van de eerste fase nog eens met omgekeerde osmose behandeld.

Na deze fase in het proces is de drijfmest viermaal sterker geconcentreerd, wat het transport vergemakkelijkt. Het volume is immers ook viermaal gekrompen. Het permeaat van het RO-proces bevat echter nog 40-70 ppm ammoniak, want de RO kan die bij een hoge pH-waarde moeilijk tegenhouden. Daarom wordt het permeaat nog nabehandeld met ionenwisselaars (IX). De sterk zure ionenwisselaar Lewatit K 2629 verwijdert hierbij in een eerste fase de ammoniak. Daardoor wordt de pH-waarde zuurder. Die wordt daarna opnieuw geneutraliseerd met de licht basische ionenwisselaar Lewatit MonoPlus MP 68 of de sterk basische ionenwisselaar Lewatit MonoPlus MP 800, zodat het water volgens de voorschriften in het milieu kan worden afgevoerd. De ionenwisselaars hoeven maar om de twee tot drie maanden geregenereerd te worden. De regeneratie-oplossingen van de verschillende ionenwisselaars worden tenslotte gemengd om de pH-waarde van de oplossing die zo ontstaat zo neutraal mogelijk te maken. Nu kan zij aan de toegevoerde oplossing worden toegevoegd. Zo ontstaan geen vloeistoffen met een zorgwekkende samenstelling.

Figuur 1 (boven bericht): Proces van KUMAC voor de verwerking van drijfmest met ionenwisselaars en omgekeerde osmose.

De drijfmestbehandeling leidt tot zowel een granulaat als een geconcentreerd vloeibaar product. Beide hebben een commerciële waarde als meststoffen in verschillende agrarische toepassingen, hetzij voor privégebruik als mestkorrels, hetzij als vloeibare meststof in landbouwbedrijven. Naast meststoffen wordt bovendien zuiver water geproduceerd, dat zonder problemen kan worden afgevoerd of opnieuw gebruikt.

Dit proces of een vergelijkbaar proces wordt al in zowat 20 vestigingen toegepast, hoofdzakelijk in Nederland en Duitsland. Een voordeel is de eenvoudige toepassing. De voorbehandeling voorafgaand aan de omgekeerde osmose is echter niet optimaal. Daarom moet het omgekeerde-osmosesysteem dikwijls worden gereinigd. Dat verkort de levensduur van de RO-elementen.

Die levensduur kan aanzienlijk worden verlengd door de drijfmest voor te behandelen met micro- of ultrafiltratie. Het Nederlandse bedrijf Strocon B.V. in Aalten behandelt de drijfmest bijvoorbeeld eerst met een trommelfilter. Daarna wordt hij door keramische microfiltratiemembranen verder gezuiverd. Pas daarna gaat deze drijfmest, die dan bijna geen grote stukken meer bevat, naar het omgekeerde-osmosesysteem. Om meer ammoniak te kunnen tegenhouden wordt de pH bovendien zuurder gemaakt en wordt het proces in twee, of soms zelfs drie permeatiefases uitgevoerd. Daarbij wordt het water grotendeels ontzilt. Daarvoor wordt het concentraat teruggeleid naar de toevoer tot het gewenste resultaat is bereikt. Ook hierna kan het concentraat als meststof worden gebruikt. Indien nodig wordt het gezuiverde water nog behandeld met ionenwisselaars om de gewenste waterkwaliteit te bereiken.

Aangezien de mestbedrijven als gevolg van de strengere afvalwaterrichtlijnen nog meer problemen zullen krijgen om hun drijfmest te verdelen, kunnen we een groeiende markt voor zuiveringstechnieken verwachten. De aangehaalde voorbeelden zijn twee van de vele processen die werden ontwikkeld voor de verwerking van drijfmest. Deze processen moeten worden aangepast aan de samenstelling van de drijfmest.

De voorbeelden tonen aan dat er doeltreffende technische oplossingen bestaan om de drijfmest van mestbedrijven te concentreren en zorgwekkende stoffen te binden of helemaal te verwijderen. Bovendien wordt niet alleen het afvalwater gereinigd, maar uit de drijfmest worden nog meststoffen gehaald, wat nog een verkoopbaar product oplevert. Daardoor worden deze processen rendabeler en ontstaat ook een stimulans om ze een vaste plaats te geven.

Voor meer informatie zie hier de website van LANXESS.