Afvalwaterinrichtingen gebruiken biogas voor hernieuwbare energie

Stel je een afvalwaterzuiveringsinstallatie voor die niet alleen afvalwater zuivert, maar ook zijn eigen energie opwekt - en zelfs een lokale energieleverancier wordt. Het klinkt misschien als sciencefiction, maar deze visie wordt snel werkelijkheid.

Wereldwijd domineren mechanische en biologische processen de stedelijke afvalwaterzuivering. Hoewel moderne installaties efficiënt verontreinigingen verwijderen, produceren ze een vaak over het hoofd gezien bijproduct: slib. Dit bescheiden residu bevat echter een enorme energie- en biomassa-potentie. Om de waarde ervan te ontsluiten, moet slib eerst worden behandeld om meer dan 95% van het watergehalte, de verontreinigingen, pathogenen en geuren te verwijderen.

Effectieve slibverwerking moet voldoen aan verschillende kritische milieu- en operationele normen:

• Kostenefficiëntie: Het in evenwicht brengen van investeringen en operationele kosten.
• Energie-optimalisatie: Het minimaliseren van het verbruik en tegelijkertijd het maximaliseren van zelf opgewekte energie.
• Volume reductie: Het verminderen van de hoeveelheid slib.
• Kwaliteitsverbetering: Het verbeteren van slib voor hergebruik.
• Milieuveiligheid: Ervoor zorgen dat het behandelde effluent voldoet aan strenge lozingsnormen.

Twee primaire benaderingen domineren de slibverwerking:

• Aerobe stabilisatie: Gebruikt zuurstof in open slibtanks, maar vereist aanzienlijke ruimte en energie voor beluchting.
• Anaerobe stabilisatie: De voorkeur voor middelgrote tot grote installaties vanwege lagere kosten, hogere energie-efficiëntie en milieuvoordelen. Het biogas-bijproduct kan zelfs elektriciteit opwekken. Sommige installaties combineren beide methoden voor optimale resultaten.

Naarmate de energievraag toeneemt en de koolstofregels worden aangescherpt, biedt anaerobe vergisting overtuigende voordelen:

• Reduceert organisch materiaal met ~50%, waardoor het wordt omgezet in brandbaar biogas.
• Produceert hernieuwbare energie en vermindert tegelijkertijd de externe energieafhankelijkheid.
• Verlaagt de operationele kosten en de landvereisten.
• Verbetert de geurbeheersing, hygiëne en de impact op het klimaat door een betere CO ₂ balans.

Voorstabilisatie slibverdikking vermindert het volume, verbetert de reactorefficiëntie en stimuleert de biogasproductie. Moderne bioreactoren - de kern van biogas-systemen - moeten luchtdicht, geïsoleerd en corrosiebestendig zijn en tegelijkertijd het laden en onderhoud vergemakkelijken.

Temperatuurregeling en retentietijd zijn cruciaal. Traditionele systemen gebruiken septische tanks voor ~20 dagen fermentatie, waarbij biogas (50-70% methaan) wordt geproduceerd voor elektriciteit. Opkomende hogetemperatuursystemen (>53°C) verkorten de verwerkingstijd tot 15 dagen of minder. Belangrijke operationele factoren zijn:

• Slibmenging via roerwerken, pompen of gasinjectie.
• Het voorkomen van slibstratificatie.
• Reactorverwarming, idealiter met behulp van restwarmte.

Na stabilisatie kan slib worden ontwaterd tot 20-35% vastestofgehalte (of 95% met drogen) voor gebruik als landbouwkunstmest of brandstof. Extra behandelingen zoals thermisch drogen (>80°C) of kalkaanpassing (pH ≥12) zorgen voor eliminatie van pathogenen.

Met ~6,5 kWh/m ³ thermische efficiëntie (meer dan de helft van de energiewaarde van aardgas), kan biogas installaties van stroom voorzien of netten voeden via:

• Warmtekrachtkoppeling (35-40% elektriciteit, 60% warmteterugwinning).
• Direct gebruik in gasmotoren.
• Stoom- of warmwateropwekking.

Grote installaties kunnen 100% energie-zelfvoorzienend worden. Biogasproductie is afhankelijk van microbiële afbraak: zuurvormende bacteriën ontbinden organische stoffen in eenvoudigere verbindingen, die methanogenen vervolgens omzetten in methaan en CO ₂ .

Hoewel sommige installaties biogas onderbenutten, tonen geoptimaliseerde systemen - zoals de stoomverwarmde vergisters van Moskou of de thermische hydrolysetechnologie van Noorwegen - het potentieel ervan aan. Innovaties omvatten:

• Verbeterde vergisting: Verdubbeling van de biogasopbrengst door hydrolyse- en methaanfasen te scheiden.
• Thermische hydrolyse: Gebruik van hogedrukstoom om slib af te breken, waardoor het volume met 50% wordt verminderd en de methaanopbrengst wordt verdrievoudigd.

Biogasproductie levert meetbare voordelen op:

• Vermindert methaanemissies van open afvalopslag.
• Vermindert CO ₂ en stikstofvervuiling.
• Beschermt waterbronnen en bossen.
• Vermindert het gebruik van synthetische meststoffen.

Ondanks de belofte ervan, staat biogas voor obstakels:

• Verbranding elimineert de uitstoot van broeikasgassen niet volledig.
• De beschikbaarheid van grondstoffen die op het platteland zijn gericht, beperkt de schaalbaarheid in de stad.
• Hoge initiële kosten voor kleinschalige systemen kunnen ecologisch riskante energiegewassen stimuleren.
• Biogasverontreinigingen (bijv. kwik, loodverbindingen) vereisen strengere filtratie om te voldoen aan de luchtkwaliteitsnormen.

Naarmate de technologie vordert, zijn biogas-systemen echter klaar om een steeds grotere rol te spelen in duurzaam afvalbeheer en de productie van hernieuwbare energie wereldwijd.