Verbeteren van mestverwerking met omgekeerde osmose

In dit artikel worden de belangrijkste resultaten en adviezen gepresenteerd. Achtereenvolgens gaan we in op de membranen, de voorbehandelingen van de mestfracties en adviezen voor reiniging.

Aanleiding
De inventarisatie is uitgevoerd op verzoek van de bedrijven die partner zijn in NL Next Level Mestverwaarding. Door de technologische expertise van de vakgroep ‘Membrane materials & Processes’ van TU Eindhoven te koppelen aan het specifieke vak van mest verwerken, wordt beoogd het belangrijke proces van omgekeerde osmose te optimaliseren. Hiermee wordt een bijdrage geleverd aan een nog efficiëntere en duurzamere mestverwerking.

Zeven en later nog eens drie bestaande RO-installaties in de mestverwerking zijn bezocht. Hier is een quickscan uitgevoerd, en in het laboratorium van TUe zijn productstromen, membranen en andere filters onderzocht. Op basis hiervan hebben de onderzoekers aanbevelingen gedaan voor verbetering op de kortere termijn.

Omgekeerde osmose (RO)
Omgekeerde osmose (Reverse Osmosis = RO-filtratie) is de technologie waarbij tegen de osmotische druk in water uit een vloeistof door membranen wordt geperst. Op deze wijze ontstaan twee stromen: een concentraat (mineralenconcentraat) en een permeaat (schoon water).
Voor het goed functioneren van dit proces is het is cruciaal dat de voeding van de RO (de ingaande dunne fractie) zodanig schoon is dat de waterproductie gemaximaliseerd worden, en dat de kostprijs laag blijft. Op dit vlak zit bij mestverwerking de grote uitdaging.
RO wordt in verschillende stappen uitgevoerd waarbij het water steeds verder wordt geschoond.

Resultaten en adviezen
Membranen
Het RO-proces verloopt via membranen. De onderzoekers hebben de in de praktijk gebruikte membranen in kaart gebracht en gezocht naar beschikbare membranen die het beste tegemoetkomen aan de vereiste prestaties en de vervuilingsparameters. Om deze parameters in beeld te hebben is de membraanvervuiling onderzocht op het laboratorium van de TUe.

Twee van de onderzochte RO-membranen. Linksboven en -onder: van een installatie na twee maanden, rechtsboven en -onder: van een andere installatie na zes maanden.

Samenstelling van de vervuiling van de beide membranen

Een aantal bevindingen en aanbevelingen:

• De mate en type van vervuiling is sterk afhankelijk van de kwaliteit van de ingaande voeding (dunne mestfractie) en van het type installatie.
• Vervuiling van membranen geschiedt vooral door organisch materiaal (verstopping) en silica.
• Bij goede voorbehandelingen wordt vervuiling met silica (‘schuurpapier’) dominant.
• Na verloop van tijd (vervuiling) dalen zowel de capaciteit als het rendement sterk.
• Afgeraden wordt om ‘random’ membranen te wisselen, omdat de werking sterk in wisselwerking staat met de voorbehandelingen van de meststromen
• Focus op RO-stap 1: met name voor deze fase is goede kwaliteit membraan belangrijk, omdat hier de hoogste druk en vervuilingsgraad zal zijn.
• Te hoge druk op de membranen verlaagt de levensduur aanzienlijk en verhoogt het risico op doorbraak van ongewenste stoffen.

Voorbehandelingen
De prestatie van een RO-systeem hangt voor een groot deel af van de kwaliteit van de voeding: de ingaande dunne mestfractie. Membraanleveranciers geven daarom alleen garantie als het toegepaste voedingswater voldoet aan specifieke eisen.
Drijfmest of dunne fractie van drijfmest voldoet bij lange na niet aan deze eisen, en daarom is er een aantal voorbehandelingen van de dunne fractie nodig om de vloeistof geschikt te maken voor de RO. Ook wordt er vrijwel altijd een aantal toevoegmiddelen aan de mest toegevoegd om deze voorfiltratie te verbeteren.
De technieken en additieven die gebruikt worden variëren van bedrijf tot bedrijf, een aantal combinaties:

• Mechanisch scheiden met een zeefbandpers, DAF (verwijderen van zwevende en vetachtige stoffen) en een papierfilter.
• Zeefbandpers, opslag, ontkalken, schijvenfilter, kaarsenfilter (microfiltratie).
• Mechanisch scheiden met een schroefpers, drumfilter, keramisch microfilter

Al dan niet in combinatie met verschillende toevoegmiddelen als polymeren en ijzersulfaat.
Daarnaast zijn er nog diverse andere varianten van deze stappen, en wordt de mest soms wel en soms niet tussentijds opgeslagen of geroerd,  en uiteraard is er verschil in het soort mest of digestaat dat wordt verwerkt.

Al deze stappen zijn erop gericht om de concentratie van opgeloste stoffen te verlagen. Een hoge concentratie heeft namelijk alleen maar nadelen: de totale en de relatieve waterproductie nemen af en ook is er risico op doorbraak van ongewenste opgeloste stoffen.
De temperatuur en de druk bevorderen de waterproductie, maar verlagen de kwaliteit van het water.
De meest efficiënte RO-filtratie is wanneer hoge doorstroomsnelheden gecombineerd worden met lage concentraties van opgeloste stoffen. Lage concentraties van opgeloste stoffen maken het mogelijk om bij lagere druk te werken, wat toch een goede wateropbrengst oplevert.
Een goede voorfiltratie is daarom cruciaal.

In het onderzoek werden hierbij grote verschillen gezien, waarbij de voorbehandelingen zeker niet altijd afdoende waren voor een goede en ongestoorde RO-werking.
Met name over de kwaliteit van papierfilters wordt getwijfeld. De gemeten poriegrootte in deze filters varieerde enorm en waren soms wel een factor 20 hoger dan de specificatie. Het moge duidelijk zijn dat deze filtratiestap dan minder effectief is dan de verwachting. En dat heeft dus gevolgen voor de RO-stap. De onderzoekers stelden: ‘goedkoop is vaak duurkoop’.
In het gebruik van toevoegmiddelen geldt een ander adagium: 'Less is more'; vaak bleek er te veel te worden gedoseerd en dat kan juist een averechts effect hebben, direct en ook omdat deze additieven verderop in het proces weer verwijderd moeten worden. 

Gevonden vaste deeltjes na papierfiltratie

Reiniging
Bij een goede voorfiltratie zal de vervuiling van membranen met organische bestanddelen minder zijn, en automatisch wordt die van andere stoffen dan na verloop van tijd relatief belangrijker. In de praktijk gaat het dan in eerste instantie om silica.

Een goed reinigingsprotocol van de RO-installatie is belangrijk om de werking en de levensduur te optimaliseren. Aangezien de siliciumaanslag sterk afhankelijk is van meerdere factoren zoals de pH, de temperatuur of het gehalte aan andere opgeloste stoffen (tweewaardige kationen (Ca₂⁺, Mg₂⁺, Fe₂⁺) en anionen (CO₃^2-, SO₄^2-), zijn er geen generieke reinigingsprotocollen beschikbaar, en zijn het gewenste type reinigingsmiddel en het reinigingsprotocol sterk afhankelijk van deze omstandigheden.

Het ontbreekt vooralsnog aan een goede aanpak waar de reiniging methodisch worden afgestemd op bijvoorbeeld de flux of de drukval in het proces.

Een aantal adviezen voor het reinigen van membranen:

• Meer frequente milde reiniging is beter dan minder frequente harde reiniging.
• Reiniging dient plaats te vinden op basis van gemeten en gecontroleerde veranderingen in vervuilingsparameters; ‘meten is weten’.
• Hogere kwaliteit van de voorbehandeling betekent aanzienlijke daling van de reinigingsfrequentie: ‘voorkomen is beter dan genezen’.
• Reinigingsvolgorde, frequentie en type reinigingsmiddel zijn van belang en moeten worden afgestemd op de meststromen.
• Specifiek over silica is nog maar weinig kennis beschikbaar.

Vervolg
De interessante bevindingen geven duidelijk aanleiding tot een vervolgonderzoek. Hierbij is er voor gekozen niet breed te inventariseren, maar één mestverwerkingsinstallatie (DLB in Heeswijk-Dinther) diepgaander door te lichten en te optimaliseren. Deze installatie is karakteristiek voor de sector en hier zijn veel mogelijkheden om in het proces te meten en bij te sturen. Bovendien is DLB bereid de informatie open te delen met collega-mestverwerkers.
De resultaten en adviezen zijn voor alle belanghebbenden bedoeld. Daarom zullen deze zo veel mogelijk worden gedeeld en bediscussieerd met mestverwerkers, adviseurs, leveranciers e.d. Deze communicatie zal in nauwe afstemming met NCM verlopen.

De inventarisatie is verricht door onderzoekers Kitty Nijmeijer en Zandrie Borneman 

Verder is bij TU Eindhoven onlangs onderzoeker Marrit van der Wal gestart met haar promotieonderzoek. In dit meerjarige traject zal ze de  nadruk leggen op het verbeteren van deze en andere scheidingsprocessen in de mestverwerking, bij voorkeur ook met specifieke nutriëntenterugwinning (kalium, stikstof e.d.). 

Op Manuresource zullen prof. dr. ir. Kitty Nijmeijer en dr. ing. Zandrie Borneman van de TUe-vakgroep Membrane Materials and Processes een parallelle sessie verzorgen over dit onderzoek.

Meer weten?
Als u meer informatie wilt over dit onderzoek, of betrokken wilt zijn bij het vervolgproject kunt u contact opnemen met NCM: info@mestverwaarding.nl

NL Next Level Mestverwaarding