Optimalisatie algenbioreactoren in Nederland
effluent polishing met behulp van algen
Abstract
In Nederland wordt het eindproduct (effluent) van rioolwaterzuiveringsinstallaties geloosd in oppervlaktewater. Dit effluent bevat echter nog vaak hoge concentraties fosfor en stikstof. Dit heeft een negatieve invloed op de ecosystemen. Om deze reden moet ‘Kaderrichtlijn Water’ van de EU medio 2015 zorgen voor een vermindering van bovengenoemde concentraties. Daarom wordt momenteel veel onderzoek gedaan naar deze zuiveringsstap met behulp van algenreactoren. Een bijkomd voordeel van deze technologie is dat de gewonnen algen tot biodiesel kunnen worden verwerkt. In dit onderzoek worden verschillende installaties met elkaar vergeleken. De nadruk ligt hierbij op het algenbad met een centrifuge en een filter. De filter blijkt de meest energiezuinige oogstmethode maar het algenbad is niet in te zetten doordat het veel ruimte in beslag neemt. De meest veelbelovende methode blijkt de biofilm te zijn.
Guus van Gemert (Natuurkunde) 5964881 Carsten Grupstra (Biologie) 5987423 Dorine Schenk (Natuurkunde) 6116760
Begeleider: Joris Buijs 10-02-2012 aantal woorden 6546
Inhoudsopgave
Inleiding en Methode van onderzoek
Hoofdstuk 1 Introductie van het onderwerp Algenreactor in het kort
Algen in algenreactoren Energie baten van biomassa
Hoofdstuk 2 Optimalisatie van de oogst en gezuiverd water Limiterende parameters van algengroei in algenreactors Model van de gewonnen biomassa en gezuiverd water
Hoofdstuk 3 Optimalisatie van de huidige oogstmethodes voor algenbaden Algenbad
Huidige oogstmethoden Energie huishouding filtratie
Hoofdstuk 4 Toekomstige mogelijkheden Evodos centrifuge
Energievergelijking Centrigufe Evodos met filtratie Biofilm
Algenballetjes
Expliciete oplossingen voor lichtlimitatie Buizensysteem
LED-licht
Hoofdstuk 5 Conclusie Appendix
Inleiding
In Nederland wordt er jaarlijks 1.818.441 miljoen liter afvalwater verwerkt door Rioolwaterzuiveringsinstallaties [RWZI’s] (Centraal Bureau voor de Statistiek [CBS], 2009). De functie van RWZI’s is het schoner maken van het afvalwater zodat het geloosd kan worden in het oppervlaktewater. Het eindproduct (effluent) van de RWZI’s is echter rijk aan bepaalde stoffen. Zo liggen de waardes van stikstof [N] en fosfor [P] concentraties in dit effluent rond respectievelijk 5 en 1 mg per liter effluent (STOWA, 2011). Dit komt dus neer op respectievelijk 9,1 miljoen en 1,8 miljoen kilogram stikstof en fosfor per jaar.
Dit vervuilde water wordt geloosd in natuurlijke waterbronnen en zorgt in deze omgeving voor eutroficatie. Dit is de benaming voor het toevoegen van een overmaat aan nutriënten aan een waterlichaam en zorgt voor verschillende negatieve effecten op het gehele ecosysteem (Sadava et al., 2008). Verder veroorzaakt de toevoer van stikstof een verhoogd ammoniagehalte (NH3) wat giftig is voor onder andere vissen (Xing et al, 2011).
Om de beschadiging van ecosystemen te voorkomen is door de EU ‘kaderrichtlijn water’ opgesteld. Alle EU lidstaten moeten medio 2015 aan deze richtlijnen met betrekking tot waterkwaliteit voldoen. De richtlijn met betrekking tot de kwaliteit van het effluent van RWZI’s behelst het doel de stikstof en fosfor concentraties te verminderen tot respectievelijk 2,2 mg per liter en 0,15 mg per liter (STOWA, 2011). Dit betekent dat er in Nederland per jaar respectievelijk 5,1 miljoen en 1,5 miljoen kilogram stikstof en fosfor verwijderd dient te worden uit het effluent van RWZI’s. Deze richtlijn heeft geleid tot veel onderzoek naar het verwijderen van deze stoffen uit het eindproduct van de RWZI’s (Verschoor, 2011).
Algenreactoren blijken een geschikte methode voor deze zuiveringsstap, welke effluent polishing wordt genoemd. Algenreactoren worden al op grote schaal gebruikt om algen te kweken voor verschillende commerciële doeleinden, zoals diervoeding. Dit gebeurt meestal in zogenoemde algenbaden. Effluent polishing met behulp van algenreactoren is dus een toepassing van de algenreactoren technologie (Verschoor, 2011).
De enige andere methode voor effluent polishing is zandfiltratie. Deze methode blijkt echter veel energie te kosten en minder goede resultaten te behalen dan algenreactoren. Om deze reden is dit onderzoek gericht op het toepassen van algenreactoren in Nederland en wordt zandfiltratie niet nader besproken. Momenteel worden in Nederland tests met algenreactoren voor effluent polishing op laboratoriumschaal gedaan (Verschoor, 2011).
Een groot voordeel van het gebruik van algenreactoren voor effluent polishing blijkt dat er geen giftige stoffen in het water komen en het weinig energie verbruikt. De algen gebruiken namelijk alleen de stikstof, fosfor, CO2, water en zonlicht om te groeien. De biomassa aan algen die hierbij ontstaat kan gebruikt worden voor de productie van methaangas, biodiesel, meststoffen en veevoer (STOWA, 2011).
Voordat de algenreactoren praktisch inzetbaar zijn dienen ze op een aantal punten geoptimaliseerd te worden. De punten waar op dit moment in Nederland veel onderzoek naar wordt gedaan zijn; de optimalisatie van de opstelling om het oppervlak van de reactor te verminderen, het optimaliseren van de algenproductie en de hoeveelheid gezuiverd water en ten derde een energiezuinige en effectieve manier om de algen te oogsten (Verschoor, 2011 & STOWA, 2011).
Deze drie zwaartepunten zijn belangrijk omdat, als algenreactoren in de huidige vorm ingezet zouden worden, er 32.383 km2 nodig zou zijn om al het afvalwater te zuiveren,
dit is ruim driekwart van het totale oppervlak van Nederland (wat in totaal 41.528 km2
is) (zie ‘Optimalisatie van de huidige oogstmethoden voor algenbaden’ voor de berekening) (CBS, 2009).
Aan de hand van de bovenstaande zwaartepunten is een vergelijkend onderzoek verricht om het toekomstperspectief te schetsen van effluent polishing met behulp van algen bioreactoren in Nederland. In navolging van het onderzoek is de volgende vraag beantwoord: Wat is het toekomstperspectief voor effluent polishing met behulp van algenreactoren in Nederland? Om deze vraag te beantwoorden zijn verschillende technologische ontwikkelingen vergeleken op de volgende vlakken; oppervlakte inname, hoeveelheid geproduceerde biomassa en energiezuinigheid.
Het onderzoek is opgesplitst in vijf hoofdstukken. In het eerstvolgende hoofdstuk wordt een korte introductie gegeven van de begrippen rond effluent polishing met algenreactoren. In het hoofdstuk daarna wordt ingegaan op de optimalisatie van de hoeveelheid opgebrachte biomassa en het gezuiverde water. Hierin wordt een model besproken wat de basis vormt voor eventuele veranderingen die gemaakt zouden kunnen worden aan de opstelling en worden suggesties gegeven voor criteria waar naar gekeken kan worden bij selectie van algensoorten. In hoofdstuk drie wordt ingegaan op de huidige oogstmethodes voor algenreactoren en hoe deze verbeterd zouden kunnen worden.
Vervolgens worden in hoofdstuk vier een aantal technologieën behandeld die in de toekomst zouden kunnen bijdragen aan het realiseerbaar maken van de inzet van algenreactoren voor effluent polishing. Tot slot wordt in hoofdstuk vijf, de conclusie, een tabel gepresenteerd met alle informatie overzichtelijk geordend en een voorzichtig antwoord op de onderzoeksvraag gegeven.
Methode van onderzoek
Het onderzoek is verricht door literatuuronderzoek naar de stand van zaken op het gebied van effluent polishing door algenreactoren. Daarnaast is onderzoek gedaan naar technieken die niet in huidige literatuur voorkomen maar welke in de toekomst mogelijk toegepast kunnen worden als oplossing voor huidige problemen met effluent polishing met behulp van algenreactoren. Doordat literatuur vaak ontbreekt en onderzoek nog in de kinderschoenen staat, is veel informatie nog incompleet en kon er als gevolg niet altijd een volledige vergelijking of berekening worden gemaakt. Het onderzoek blijft dus deels speculatief en waarden voor bijvoorbeeld energiekosten zijn een schatting gebaseerd op de huidige informatie. Er is voor gekozen om de nieuwste onderzoeken te bespreken, ondanks de schaarse resultaten die ze opleveren, om een zo actueel mogelijk
beeld te geven van het onderzoek naar de toepassing van algenreactoren voor effluent polishing in Nederland.
Voor het literatuuronderzoek was het rapport ‘Effluentpolishing met algen deelstudierapporten’, van STOWA, Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer, de primaire bron van informatie. Daarnaast is meer actuele informatie ingewonnen bij drie bedrijven; Ingrepro, specialist in industriële algenproductie; Wetsus, het centrum voor onderzoek naar duurzame watertechnologie; en Evodos, een bedrijf wat toonaangevend is in de ontwikkeling van energiezuinige centrifuges. Daarnaast is gesproken met André de Roos, theoretisch ecoloog. Het is tijdens het onderzoek opgevallen dat veel waardes in het STOWA rapport in strijd zijn met elkaar. Dit is opgelost door de relevante waardes her te berekenen.
De informatie die langs deze weg is gevonden is toegepast en vergeleken om een zo goed mogelijk antwoord te kunnen vinden op de hoofdvraag van het onderzoek.
Introductie van het onderwerp
In dit hoofdstuk worden de begrippen en de huidige stand van zaken met betrekking tot effluent polishing met behulp van algenreactoren geïntroduceerd. Eerst wordt de typische algenreactor, het algenbad, besproken en daarna wordt ingegaan op de algen zelf. Afsluitend worden de baten van het gebruik van de biomassa aan algen als grondstof voor andere producten toegelicht.
Algenbad
Een algenreactor bestaat primair uit niets meer dan een bak met effluent (grof gezuiverd afvalwater) van een RWZI, een beginpopulatie algen en oogst- en pomp apparatuur. Dit wordt een algenbad genoemd (figuur 1).
De bak met water heeft een constante in- en uitstroom. Uit de uitstroom worden de algen gewonnen (STOWA, 2011). Het oogsten van de algen kan met behulp van centrifuges, filters en biochemische methodes. Hier wordt De waarde van de snelheid van in- en uitstroom van het hoofdbassin wordt zodanig gekozen dat de populatie algen hierin constant blijft. In het volgende hoofdstuk wordt teruggekomen op de rede hiervan (De Roos, 2011 & STOWA, 2011).
Om algenreactoren efficiënter te maken voor effluent polishing dienen ze op een aantal gebieden nog flink verbeterd worden; de oogstmethode, efficiëntie (hoeveelheid gezuiverd water en geproduceerde biomassa) en opstelling (STOWA, 2011 & Verschoor, 2011).
Algen in algenreactoren
Eén van de belangrijkste eigenschappen van een algenreactor is het feit dat er algen in gesuspendeerd zijn. De algen halen met behulp van biochemische reacties stikstof, fosfor, CO2 en een aantal andere spoorelementen uit het water. Hierbij verbruiken de algen fotonen, oftewel zonne-energie. Het gewicht van de, in bioreactoren gebruikte, algen bestaat voor ongeveer 50% uit koolstof , 8% uit stikstof en voor 1% uit fosfor. De in proeven gebruikte algen hebben een 4-5% efficiëntie voor licht (Verschoor, 2011). Dit houdt in dat ze 4-5% van de, voor hen beschikbare, zonne-energie omzetten in chemische energie (STOWA, 2011).
Uit een recent, algemeen, onderzoek naar algengroei is gebleken dat met behulp van LED licht, in plaats van zonlicht, algen een hogere efficiëntie voor omgezette energie kunnen bereiken. Een vervolg op dit onderzoek zal binnenkort plaatsvinden waar hopelijk precieze getallen in naar voren zullen komen (Matthijs, 2011). In de sectie ‘Expliciete oplossingen voor lichtlimitatie’ wordt op dit onderwerp verder ingegaan. In het volgende hoofdstuk worden optimalisatiemogelijkheden aangedragen met betrekking tot de eigenschappen van de algen aan de hand van een simpel model. Nu wordt eerst de toepassing van de biomassa besproken.
Energie baten van biomassa
Een aantal van de stoffen die te vinden zijn in de restproducten van de algen zijn monoalkyl esters. Doormiddel van transesterificicatie, een chemische reactie waarbij
een restgroep van de ester wordt verplaatst naar een alcohol, kan er biodiesel worden geproduceerd (campbell, 2008, P. 3). De reactie is de volgende:
Triglyceride + 3 Methanol ←katalysator → Glycerine + 3 Methyl Esters (Biodiesel)
De opgeslagen warmte-energie in biodiesel afkomstig uit algen is 41 MJ/kg (campbell, 2008). Er wordt 38,8 ton/Ha/jaar aan algen geproduceerd door het algen bad waar STOWA maar gewerkt heeft (STOWA,2011). Door de algen als biodiesel te behandelen kan bepaald worden wat de opgebrachte energie is. We hebben dan een waarde voor opgebrachte megajoule per hectare reactor per jaar:
Voor een bad van de grootte waar STOWA (2011) mee gewerkt heeft komt dit neer op 11,55 * 106 MJ/jaar.
Zoals hierboven is genoemd kan er van de stof triglyceride, een monoalkyl afkomstig uit de algen, via een katalysator biodiesel geproduceerd worden. Deze methode telde tot voor kort wel een aantal nadelen ten opzichte van diesel gewonnen uit fossiele brandstof. Deze biodiesel zou een tot hoog zuurstofgehalte hebben, een te lage doorstroom bij lage temperatuur en via een katalysator geproduceerd worden die een verontreinigende werking heeft (Lercher, 2011). Echter hebben Peng, Yao, Zhao,
en Lercher (2011) een nieuwe methode ontwikkeld waarbij een alternatieve katalysator gebruikt wordt; namelijk nikkel op een poreuze drager, gemaakt van zeoliet H-Beta. Met deze methode lijken de hierboven genoemde problemen opgelost. Uit verder onderzoek zal blijken of deze methode een goed alternatief is voor diesel afkomstig uit fossiele brandstof.
Optimalisatie van de oogst en gezuiverd water
In dit hoofdstuk wordt besproken naar welke eigenschappen van algen en de reactor gekeken kan worden om de hoeveelheid gewonnen biomassa en gezuiverd water te optimaliseren. Eerst worden de algemene limiterende parameters besproken en daarna wordt een model gepresenteerd ter illustratie van de mogelijkheden om de algenreactor te verbeteren door middel van het selecteren van algen op bepaalde eigenschappen.
Limiterende parameters van algengroei in bioreactoren
De opgebrachte biomassa van algenreactoren wordt bepaald door een aantal parameters. Er zijn drie voorwaarden die primair de kweeksnelheid van algen bepalen. CO2 is het primaire voedsel en is daarom van belang. Daarnaast moet de temperatuur van het water hoog genoeg zijn, gemiddeld rond 20 graden Celsius wat in Nederland alleen in de zomer gehaald wordt. Bovendien moet er genoeg licht doordringen in het water waar de algen in gesuspendeerd zijn. Als één van deze drie parameters onder de drempelwaarde ligt wordt de snelheid van algengroei hierdoor gelimiteerd (STOWA, 2011).
Uit onderzoek blijkt dat de algengroei in de zomer in Nederland wordt gelimiteerd door de lichtintensiteit (STOWA, 2011). Bij de hoofdstukken ‘Toekomstige mogelijkheden’ en ‘extra optimalisatiemogelijkheden’ wordt hier nog op teruggekomen.
De parameters waar in Nederland veel onderzoek naar wordt gedaan zijn; de eigenschappen van de gebruikte algensoort, de opstelling van de reactor en de concentratie nutriënten in het influent. Bij effluent polishing met behulp van algenreactoren is de schommeling van de nutriëntenconcentratie de meest typerende limiterende parameter. Deze houdt in dat de concentraties nutriënten in het influent niet stabiel zijn maar continu fluctueren. Er wordt onderzoek gedaan naar wat het precieze gevolg hier van is. Eén van de mogelijke gevolgen is dat de algen minder snel groeien als gevolg van de instabiele situatie (Verschoor, 2011).
Daarnaast zorgt de eventuele aanwezigheid van bacteriën die concurreren met de algen ook voor mogelijke invloed op de algengroei. In dit geval is het onduidelijk wat het effect is omdat de bacteriën zelf ook bijdragen aan biomassa (Verschoor, 2011). Daarnaast kunnen sporen van metalen en andere chemicaliën in het water ook een remmende werking op de groei hebben (STOWA, 2011).
Model van de gewonnen biomassa en gezuiverd water
In deze paragraaf wordt een mogelijk populatiedynamisch model besproken wat gebruikt kan worden om de situatie in de algenreactor beter te begrijpen. Door het vaststellen van bepaalde parameters kan vervolgens geconcludeerd worden op welke vlakken het rendement verbeterd kan worden. Om het model te gebruiken moeten een paar aannames gedaan worden. Het model behandelt namelijk als nutriënt alleen stikstof en gaat uit van een algenbad in de zomer in Nederland. Verder wordt aangenomen dat de reactor zich gedraagt als een chemostaat. De redenen hiervoor zijn te vinden in appendix 1.
Van de gebeurtenissen in een algenvijver is een redelijk complex model te maken. Des te hoger de concentratie algen is, des te meer algen zich kunnen voortplanten. Hierdoor wordt de biomassa en daarmee de hoeveelheid gezuiverd water groter, maar dringt er minder zonlicht door. Er is dus sprake van sterkere lichtlimitatie bij hogere concentraties algen. Bij dit model is gekozen de invloed hiervan buiten beschouwing te laten omdat het anders te ingewikkeld wordt voor dit onderzoek. Er wordt in latere hoofdstukken wel nog teruggekomen op het verminderen van lichlimitatie.
Door de evenwichten te berekenen zijn de volgende conclusies getrokken (voor subconclusies en berekeningen zie appendix 2).
De concentratie van de nutriënten in het bassin en in de outflow is omgekeerd evenredig met de doorstroomsnelheid en is afhankelijk van de hoeveelheid stikstof die per alg is opgeslagen en de snelheid waarmee algen stikstof opnemen. In de differentiaal vergelijking voor het aantal algen staat de volgende term aangegeven voor het verlies aan algen door uitspoeling:
De per dag gewonnen hoeveelheid algen is dus gelijk aan de helft van de gemiddelde hoeveelheid algen in het vat op elke tijdseenheid.
Om de gewonnen biomassa te maximaliseren kunnen algen gekozen worden met andere waardes voor a en b, waarbij een lagere waarde voor b (de hoeveelheid stikstof die een alg bevat in milligram) en een hogere waarde voor a (evenredigheidsconstante voor de nutriënt opname van de alg in liter per dag) de oogst gunstig zullen beïnvloeden.
Wat hieruit volgt is dat, doordat de oogst aan algen per dag gelijk is aan de helft van de concentratie algen in het vat, men door de concentratie algen in het vat te verhogen de oogst kan verhogen. Echter doordat hogere dichtheden algen volgens STOWA (2011) de lichtdoorlatendheid verminderen moet daartoe de lichtinval gemaximaliseerd worden. Hier wordt in de hoofdstukken ‘toekomstige mogelijkheden’ en ‘extra optimalisatiemogelijkheden’ meer aandacht aan besteed.
De hoeveelheid gezuiverd water en geoogste biomassa van de algenreactor valt, op basis van het model, op twee gebieden te verbeteren; ten eerste de nutriënt (N& P) content en snelheid van nutriëntopname door algen. Hiervoor zou bijvoorbeeld overwogen kunnen worden om algen te selecteren die hierin excelleren. Ten tweede kan de concentratie algen in het bassin artificieel verhoogd worden, bijvoorbeeld door algen te kiezen met een snellere voortplantingssnelheid, of een tragere doorstromingssnelheid van het bassin. Dit laatste leidt echter ook tot een verminderde opbrengst aan gezuiverd water. Door STOWA (2011) wordt ook voorgesteld om de uitgespoelde algen terug te leiden naar het hoofdbassin. Bij deze opties moet er wel rekening mee gehouden worden dat de lichtinval verbeterd zal moeten worden.
Verder kunnen, los van de conclusies uit het model, andere soorten overwogen worden die van nature een hogere lichtefficiëntie hebben. Ook kan er nog onderzoek gedaan worden naar manieren om de lichtefficiëntie van de gebruikte algen te verbeteren door middel van selectie of genetische manipulatie (Verschoor, 2011).
Optimalisatie van de huidige oogstmethodes voor algenbaden
Om algenreactoren praktisch inzetbaar te maken voor effluent polising, dienen bepaalde aspecten geoptimaliseerd te worden zoals werd genoemd in de introductie van de methode. Daarom worden verschillende opstellingen met hun voor- en nadelen besproken. De eerste die aan bod komt, is het algenbad in combinatie met mechanische filters. Dit is de meest bekende techniek, aangezien het eenvoudig te verwezenlijken is en al gebruikt wordt voor het kweken van algen voor anderen doeleinden dan zuivering, zoals voor de verwerking van algen in diervoeding (STOWA, 2011).Algenbad
Zoals in de paragraaf over limiterende parameters aan bod kwam zijn er bepaalde voorwaarden voor het bereiken van voldoende algengroei, te weten een zomerse watertemperatuur en voldoende CO2 en licht. Bij de bouw van een algenbad moet aan deze voorwaarden worden voldaan. Er zijn verschillende mogelijkheden om kweeksystemen aan te leggen voor algen. De twee methoden die hierin te onderscheiden zijn, zijn open en gesloten systemen. Het voordeel van gesloten systemen is dat de omstandigheden beter te controleren zijn. Toch bespreken we deze methode verder niet, aangezien het hoge kosten met zich mee brengt (STOWA, 2011).
Het probleem wat optreedt bij open algenbaden is het grote oppervlak wat nodig is voor de waterzuivering. Het oppervlak is met name afhankelijk van de hoeveelheid stikstof en fosfor die verwijderd moet worden. Deze hoeveelheid is weer afhankelijk van de hoeveelheid effluent wat verwerkt moet worden. Naar het verband tussen oppervlak en hoeveelheid stikstof en fosfor is door STOWA (2011) onderzoek gedaan. De resultaten zijn te zien in tabel 1.
Hieruit blijkt dat een middelgrote RWZI met een doorstroom van 20.000 kubieke meter per dag en een effluentconcentratie van 1 gram fosfor per kubieke meter, 0,85*20.000 = 17 kg fosfor per dag kan verwijderen met effluent polishing, om de nieuwe richtlijnen te halen. Bovendien zou hij volgens deze schatting een vijveroppervlak van 13 ha nodig hebben voor optimale nutriëntgehalten. Wanneer het lukt de omstandigheden in de algenvijver zodanig in te stellen dat de algen hun maximale nutriëntgehalten bereiken, dan is het in dit voorbeeld vereiste vijveroppervlak te verkleinen tot ongeveer 5 ha.”
(STOWA, 2011) Dit betekent dat voor het zuiveren van de 1.818.441 mln. liter water die in Nederland jaarlijks gezuiverd moet worden, dit staat gelijk aan
en er is dus:
nodig voor optimale nutriëntgehalten van de algen en
voor maximale nutriëntgehalten.
Om de techniek met het algenbad ook met het biofilm model dat later besproken wordt te kunnen vergelijken, wordt hier ook berekend hoeveel hectare er nodig zou zijn voor een algenreactor waarmee de hoeveelheid afvalwater van 100.000 inwoners gezuiverd kan worden. Hiervoor nemen we dat er per persoon 120,1 liter afvalwater per dag geproduceerd wordt (VEWIN, 2010). In dat geval is de hoeveelheid oppervlak die nodig is:
Deze afmetingen zijn een beperkende factor voor het toepassen van deze zuiveringsmethoden in Nederland, omdat het totale oppervlak van Nederland slechts 41.528 km2 is. Om te zorgen dat deze mogelijkheid realistischer wordt, is het
noodzakelijk het oppervlak te minimaliseren. Mogelijke oplossingen voor dit probleem zijn in het hoofdstuk ‘Optimalisatie van de oogst en gezuiverd water’ en afzonderlijk in STOWA (2011) al aangedragen; namelijk het gebruik van andere algensoorten met groter N- of P-accumulerend vermogen en het verhogen van de concentratie algen om de verwijderingscapaciteit te verhogen. Dit laatste kan volgens STOWA (2011) het beste door het terugvoeren van geoogste algen. Deze oplossingen zijn echter lastig uitvoerbaar en zullen het oppervlak van de vijvers niet dusdanig veel kunnen verminderen dat het toepasbaar wordt in Nederland. (STOWA, 2011)
Huidige oogstmethoden
In Nederland is voor een algenbad, zoals besproken in ‘Introductie van de methode’, een opbrengst van 12 gram drooggewicht algen per m2 per dag realiseerbaar (STOWA,
2011). Deze hoeveelheid algen moet na het zuiveren weer uit het effluent gehaald worden. Dit kan doormiddel van centrifuges, filters en zelfs biochemische neerslagmethoden. Biochemische neerslagmethoden zijn niet erg secuur en de algen zijn tevens niet altijd als secundair product te verwerken (Christenson, 2011). Voor details over deze oogstmethode, zie appendix 3.
Bij een centrifuge (ongeacht de toepassing) wordt een systeem om een as gedraaid waardoor er centrifugaalkracht ofwel een middelpuntvliedende kracht op de deeltjes in het systeem gaat werken (zie figuur 2). Als een dergelijk systeem een ronde trommel is waarin zich een oplossing van algen in water bevindt, zal en op het water en de algen een kracht werken. Aangezien de massa van de algen groter is dan die van water, zullen zij naar de randen van de trommel bewegen waar ze vervolgens vast plakken. Deze methode is erg secuur en er de algen zijn na het oogsten bruikbaar voor verwerking in bijvoorbeeld diervoeding. Het blijkt echter dat centrifugeren niet rendabel is wegens de hoge energiekosten die het proces met zich mee brengt (STOWA, 2011).
Uit het STOWA rapport van 2011 kwam daarom naar voren dat het trommelfilter de meest efficiënte methode was, op het moment dat het rapport geschreven werd. Hieronder zal daarom eerst het model met het trommelfilter besproken worden, waarna deze vergeleken wordt met moderne technieken die in het rapport niet besproken werden.
Het trommelfilter kost minder energie dan de centrifuge en de algen zijn niet vervuild waardoor ze beter verwerkt kunnen worden, tot bijvoorbeeld biodiesel. Het is daarom een veelgebruikte manier op de algen uit het water te verwijderen. Hierbij spelen echter enkele problematische eigenschappen van de algen een belangrijke rol. Zo zijn de kosten voor een filter die de algen tegenhoudt tamelijk hoog, omdat het lastig is een dusdanig fijn filter te maken, dat zelfs de kleinste algen (ca. 3 µm) er niet doorheen kunnen (Boele, 2011). Een dusdanig fijn filter is een zeer secure methoden om ook kleine algen te kunnen verwerken. Het probleem blijft echter dat filters vaak verschoond en vervangen dienen te worden, omdat de algen ze verstoppen waardoor de permeabiliteit omlaag gaat. Om het probleem van permeabiliteit op te lossen zijn er verschillende andere innovatieve methoden om de algen te oogsten, zoals algenballetjes, biofilms of een energie-efficiënte centrifuge (Boele, 2011). Deze worden in de sectie ‘toekomstige mogelijkheden’ besproken.
Energie huishouding filtratie
Eén van de redenen waarom een systeem of methode het meest geschikt is, is omdat het ten opzichte van de andere systemen en methodes efficiënter is qua energiehuishouding.
We zullen ons daarom in deze paragraaf toespitsen op de energiehuishouding van de trommelfilter.
De volgende tabel bevat waardes afkomstig uit het STOWA rapport (2011):
Met de, in de tabel genoemde, afvoerpomp capaciteit wordt er dus 1,5 * 106 m3/jaar aan
effluent gezuiverd. Het zuiveren van deze hoeveelheid afvoerwater kost 402.978 kWh/jaar.
De vraag is nu of de algenproductie rendabel is ten opzichte van de elektrische energie die in het systeem geïnvesteerd wordt. Volgens het STOWA rapport (2011) is voor de bovengenoemde oogstmethode 402.978 kWh/jaar nodig als energetische kosten. Dit staat gelijk aan 1,5 * 106 MJ per jaar. Zie tabel 3.
In dit systeem, dus het bovengenoemde bad, afvoerpomp capaciteit en filtratiemethode is de energieopbrengst 10,05 * 106 MJ/jaar. Deze energie is afkomstig uit lichtenergie die
de algen opnemen bij de fotosynthese waarbij N en P uit het water worden opgenomen.
Toekomstige Mogelijkheden
Een probleem met de algenreactoren blijkt het oogsten van de algen, zoals hier voor te zien was. Filters kunnen immers verstoppen wat schoonmaak en vervangingskosten met zich meebrengt, de traditionele centrifuges kosten te veel energie om rendabel te zijn en biochemische neerslagmethoden kunnen de biomassa onbruikbaar maken (Christenson, 2011). Daarom zijn er zeer innovatieve methode in ontwikkeling om algen gemakkelijker te oogsten, en het ingenomen oppervlak van de reactor te verminderen. Al deze nieuwe methoden staan nog in de kinderschoenen en er is veelal nog geen onderzoek naar gedaan op grote schaal (enkel laboratorium schaal). In dit stuk worden verschillende methodes besproken.
Evodos centrifuge
Centrifugeren is erg efficiënt, maar de energiekosten zijn hoog. In bijna alle gevallen kost het centrifugeren meer energie dan de algen later als biomassa opleveren (STOWA, 2011). Nu blijkt de centrifugeermethode van Evodos energiezuiniger en daarom
rendabel, het zou dus een goede vervanging van het trommelfilter kunnen zijn (Boele, 2011).
Zoals te zien is op figuur 3 bestaat de centrifuge van Evodos uit een dubbelwandige buis, tussen de twee wanden in zitten kromme platen die met scharnieren aan de middelste buis bevestigd zijn. Doordat deze platen krom zijn, hoeft een deeltje (een algje in ons geval) niet de hele weg naar de buitenste buiswand af te leggen, zoals het geval was bij traditionele centrifuge methoden (zie figuur 2), maar plakt het al snel vast aan een tussenschot (zie figuur 4). De kromming is zo gekozen dat de weg wat een deeltje, wat zich tussen twee van zulke platen bevindt, af moet leggen minimaal is. Dit zorgt ervoor dat er minder energie nodig is. Bovendien kunnen de algen weer eenvoudig van de platen verwijderd worden, door de buitenste buis eraf te schuiven, de kromme platen kunnen vervolgens door de scharnieren gekanteld worden, waardoor de straal groter wordt (zie figuur 5). Door de centrifuge weer aan te zetten worden de algen dan van de platen af geslingerd en opgevangen.
Verder zijn er extra besparende technieken ingebouwd waardoor de draaiing van de onderkant van de centrifuge gebruikt kan worden om de centrifuge verder te laten draaien. Al met al bespaart het zoveel energie dat 8,2% van de energie die de algen opleveren nodig is om ze te oogsten met behulp van de centrifuge van Evodos. Dit is significant beter dan andere centrifuges die vaak meer energie nodig hebben dan dat er uit de algen gewonnen kan worden. (Boele, 2011) De precieze waarden zijn afhankelijk van de concentratie algen in het water. De energiebalans is echter altijd positief, ook voor zeer lage concentraties algen, zoals 0,25 gram per liter (zie tabel 2). Dit zorgt er voor dat de centrifuge een reële optie wordt voor het oogsten van algen.
Evodos wordt al op verschillende plekken over de wereld toegepast, zoals bij enkele PBR (PhotoBioReactor) vijvers en bij MBD Energy Limited. MBD is een bedrijf in Australië dat voorziet in koolstof opslag. Ze zorgen dat CO2 uitstoot van bedrijven niet in de lucht terecht komt, maar in de vorm van, bijvoorbeeld, algen wordt opgeslagen. Sinds begin 2010 maakt MBD gebruik van de Evodos centrifuge. De machines leveren de resultaten die in de brochures en op de site worden beloofd. Verder is MBD een samenwerking aangegaan met Evodos om ze de kans te bieden hun centrifuges verder te ontwikkelen. (Boele, 2011)
Tenslotte is het noodzakelijk te vermelden dat de centrifuge van Evodos het oppervlak van een algenreactor niet significant vermindert. Het algenbad neemt de meeste ruimte in, waardoor de vierkante meter die nodig is voor de centrifuge verwaarloost kan worden. De ruimte die een algenbad opstelling met Evodos centrifuge voor 100.000 inwoners inneemt, is dus gelijk aan de opstelling met het algenbad en trommelfilter, welke 3.238.300 ha is, zoals te vinden in “Optimalisatie van de huidige oogstmethodes voor algenbaden”.
Energievergelijking centrigufe Evodos met filtratie
Volgens Evodos (2011) kost het zuiveren van 1 kubieke meter water 0,95 kWh. Om te bepalen in hoeverre deze efficiëntie zich verhoudt tot die van filtratie, gaan we uit van dezelfde hoeveelheid gezuiverd water bij filtratie, oftewel een reactor volume van 30678 kubieke meter. STOWA heeft hierbij gewerkt met een zuiveringssysteem die waarbij 20000 m3/dag gezuiverd wordt (STOWA, 2011).
De elektrische energie die nodig is voor het draaiende houden van de installatie is gelijk, we moeten alleen kijken naar de energie die nodig is voor de filtratie. Die bedraagt volgens het STOWA rapport (2011):
Dus het kost 95000 kWh/jaar voor het zuiveren van 20000 m3 afvalwater per dag. Dat is
dus ± 260 kWh/dag, en komt naar op een energie kosten van ±0,013 kWh voor het zuiveren van 1 m3 afvalwater.
Dit komt overeen met de waarde die het bedrijf Van Remmen UV techniek (2012) aangeven. Van Remmen UV techniek levert de trommelfilter die gebruikt wordt bij algenreactoren. Volgens hun kost het inderdaad 0,011 kWh/m3.
Kortom bij een trommelfilter kost het 0,011 kWh om 1 m3 afvalwater te zuiveren en bij
de centrifuge van Evodos kost dat 0,95 kWh.
Biofilm
Om te zorgen dat de algenbaden minder ruimte in beslag nemen, is het praktisch als ze als verticale platen naast elkaar gezet zouden kunnen worden. Met behulp van de biofilm techniek is dit mogelijk. Hierbij worden de algen aan een oppervlak vastgekleefd (voor details zie appendix 3). Deze films van algen kunnen verticaal geplaatst worden, waarna het effluent er langs kan stromen (zie figuur 6).
Op deze manier kan het oppervlak dat anders horizontaal op de grond lag, verticaal geplaatst worden, waardoor het minder ruimte inneemt. Het nadeel is dat de platen niet te dicht bij elkaar geplaatst kunnen worden, aangezien alle algen op de biofilm voorzien moeten worden van licht. Uit onderzoek bleek dat het dichtst dat de platen op elkaar kunnen staan drie per meter is, hierbij wordt uit gegaan van biofilms van één meter hoog (Boelee, 2011).
Met behulp van deze techniek zal een systeem voor 100.000 inwoners een oppervlak van 10 ha innemen en hierbij 2 ton biomassa per dag kunnen produceren. (Boelee, 2011) Deze 2 ton biomassa staat gelijk aan 5,5 ton kWh (“Totally dewatering algea. Alive,” 2011).
Bovendien groeien de algen vastgekleefd aan een canvasdoek, hierdoor zijn ze gemakkelijk te oogsten. In de proefopstellingen die nu gebruikt worden, schrapen de onderzoekers de algen, als ze volgroeid zijn, met een ijzeren plaatje van het doek af. Als de biofilms op grotere schaal in gebruik genomen gaan worden, zal er een methode ontworpen moeten worden om dit grootschalig en mechanisch te doen. Het blijft echter waarschijnlijk een eenvoudigere en energiezuinigere methode van oogsten dan filtreren of centrifugeren, omdat de algen niet een suspensie vormen met het effluent. Dit zorgt ervoor dat er geen energiekosten van een pomp zijn om het water door een filter of centrifuge te pompen. Het is dus vrijwel zeker dat de oogstkosten lager zijn, al zijn er nog geen precieze getallen aan te koppelen, aangezien er alleen op laboratoriumschaal met handmatig oogsten onderzoek naar gedaan is (Boelee, 2011).
Algenballetjes
Een andere oplossing voor de probleem met het oogsten van de algen is mogelijk het gebruik van algenballetjes. Bij deze methode worden bolletjes van calciumalgonaat gebruikt waaraan algen gebonden zijn. De bolletjes worden gemaakt door een oplossing van calciumalgonaat te mengen met een algenpasta en uit te druppelen in bolletjes. Deze worden in doorzichtige buizen geplaatst waar continu water doorheen stroomt, zoals te zien is in figuur 7. De algen kunnen zich blijven reproduceren en de daarbij ontstane algen blijven kleven aan de bolletjes. Het grote voordeel op het gebied van de oogst is dat, doordat de balletjes veel groter zijn dan afzonderlijke algen, ze veel makkelijker te oogsten zijn (Verschoor, 2011).
Deze methode is moeilijk te vergelijken met methodes zoals het algenbad, omdat de algen niet uit het hoofdbassin kunnen stromen om gefilterd of gecentrifugeerd te worden. In plaats daarvan moet eens in de zoveel tijd het bad leeggehaald worden om de biomassa te oogsten. Dit oogsten gebeurt wanneer de nutriënten concentratie in de outflow hoger is dan wat binnen de Europese richtlijnen valt. Als deze kritieke concentratie bereikt is kan men concluderen dat de algen niet meer met maximale efficiëntie de nutriënten kunnen opnemen en er een nieuwe populatie moet worden geïntroduceerd (Verschoor, 2011).
Er is tot op heden door Ingrepro alleen op laboratoriumschaal getest met deze methode maar binnenkort begint in oost Nederland een grootschalige proef. De resultaten zullen waarschijnlijk in juni beschikbaar zijn. De resultaten van de laboratoriumtesten over energieverbruik en oppervlakinname van de reactor worden helaas niet vrijgegeven door Ingrepro, omdat het om een bedrijf gaat met economische belangen (Verschoor, 2011).
Verder zal het oppervlak dat de algenreactor in dit systeem inneemt te vergelijken zijn met een buizensysteem, zoals hieronder besproken zal worden. De algenballetjes worden immers in glazen buizen gebracht, welke naast elkaar geplaatst kunnen worden (Ingrepro, 2011). Het oppervlak wat het inneemt is dan vergelijkbaar met dat van biofilms, het zal dus ook ongeveer drie opstellingen van een meter hoog per meter zijn, waardoor het een ruimte van 10 ha beslaat voor het zuiveren van het afvalwater van 100.000 inwoners (Verschoor, 2011).
Tenslotte zijn er geen precieze gegevens bekend over de kosten van het oogsten van de algen uit een algenbolletjes installatie. De bolletjes drijven, net als de losse algen, in het effluent, om te oogsten zal het water dus door een filter of centrifuge gepompt moeten worden; er zijn dus sowieso energiekosten van een pomp. Wel zijn de bolletjes groter dan de losse algen, waardoor een filter minder fijn hoeft te zijn om te functioneren. Dit zal de kosten van de filter verlagen, maar met welke waarden is nog niet bekend (Verschoor, 2011).
Expliciete oplossingen voor lichtlimitatie
Naast de verschillende methodes die hierboven besproken zijn, zijn er nog een tweetal aanpassingen die een direct positief effect kunnen hebben op de hoeveelheid binnenkomend licht in het systeem. Het gaat hierbij om het buizensysteem en het toevoegen van LED-verlichting. Ze worden hieronder allebei kort besproken.
Buizensysteem
Bij het buizensysteem wordt het effluent met de algen door doorzichtige buizen geleid. Deze buizen zitten in een radiator-vormige opstelling (zie figuur 8). Het buizensysteem zorgt voor meer lichtpenetratie in de algensuspensie doordat het oppervlak waar licht door naar binnen kan komen veel groter is dan in een normaal algenbad. Behalve dat het buizensysteem zorgt voor meer lichtinval neemt het ook minder ruimte in beslag dan het geval is bij het algenbad. Het oppervlak dat eerst horizontaal was, is namelijk verticaal geplaatst. Ook hierbij geldt dat er maximaal 3 opstellingen met de hoogte van één meter per meter kunnen worden geplaatst, om te zorgen dat de algen voldoende licht krijgen om te kunnen groeien. Deze systemen worden al op grotere schaal gebruikt, met name voor de productie van algen voor o.a. biodiesel. Of deze methode eveneens geschikt is voor effluent polishing moet nog blijken. (Verschoor, 2011)
Aangezien voor de lichtinval op het buizensysteem hetzelfde geldt als voor de biofilm, zal het benodigde oppervlak gelijkend zijn. Er zullen dus eveneens drie rekken ter hoogte van één meter per meter kunnen staan. Dit zal daarom een even grote oppervlak innemen als de biofilm, namelijk ongeveer 10 ha voor een installatie voor het zuiveren van afvalwater voor 100.000 inwoners (Verschoor, 2011).
Doordat er bij het pompen van water door het buizensysteem sprake is van wrijving kan aangenomen worden dat het pompen van water door het systeem waarschijnlijk meer energie kost dan in het geval bij een simpel bad. Ook kost het vanzelfsprekend meer energie om water door een heel buizensysteem te pompen dan om het slechts een reservoir in- en uit te pompen.
Wel zal het oogsten van de algen uit de effluent net zulke hoge energiekosten met zich meebrengen als het oogsten uit de algenbaden. Dit omdat het hetzelfde systeem is, alleen bevindt de suspensie zich in buizen in plaats van een vijver. Er zal dus eveneens een pomp en een filter nodig zijn, welke energiekosten met zich mee brengen (Verschoor, 2011). Als dit buizensysteem echter gecombineerd wordt met algenballetjes is er eventueel minder energie nodig voor het oogsten van de algen. Wat de precieze waardes zijn die hieraan verbonden zijn valt nog te bezien.
LED-licht
De beperkende factor voor het dicht op elkaar plaatsen van biofilms of buizensystemen in de vorige twee paragrafen, was het licht. Als er niet genoeg zonlicht bij de algen kan komen, zullen zij niet in staat zijn de nutriënten te verwerken. Een oplossing hiervoor komt van het Institute for Biodiversity and Ecosystem Dynamics (IBED). Zij toonden aan dat LED verlichting misschien een betere bron van licht is voor algengroei dan zonlicht (Matthijs et al, 2011).
Bovendien betekent dit dat verticale systemen dichter op elkaar geplaatst kunnen worden, aangezien de beperkende factor (licht) niet meer enkel van een vast punt (de zon) komt, maar ook van LED lampen kan komen. Het oppervlak die het systeem inneemt kan hiermee verder geminimaliseerd worden. (Matthijs et al, 2011). Het nadeel hiervan is echter wel dat het veel energie kost. Immers, de energie die de algen opnemen bij de fotosynthese is afkomstig van de LED-verlichting, en zal dus kosten met zich meebrengen.
In hoeverre deze techniek in de praktijk zal werken, moet nog worden onderzocht. Daarom wordt in dit onderzoek deze methode niet meegenomen in de vergelijking. Het enige onderzoek is namelijk gedaan met de laboratoriumopstelling die te zien is op figuur 9. De onderzoekers hebben inmiddels toestemming en mogelijkheid gekregen tot het opzetten van een pilot, waarbij met grotere hoeveelheden gewerkt kan worden, zodat er precieze waarden voor de efficiëntie gevonden kunnen worden (Matthijs et al., 2011).
Conclusie/Discussie
In dit onderzoek is gekeken naar de optimalisatie van de opstelling om het oppervlak van de reactor te verminderen, mogelijkheden tot het optimaliseren van de algenproductie en de hoeveelheid gezuiverd water en ten derde een energiezuinige en effectieve manier om de algen te oogsten. Veel onderzoek is nog lopende, soms wel al op grote schaal, en daardoor zijn al wel wat voorzichtige conclusies te trekken.
Om de opgebrachte biomassa en de hoeveelheid gezuiverd water te verhogen kunnen op een aantal aspecten worden verbeterd. Ten eerste de nutriënt (N & P) content en snelheid van nutriëntopname door algen. Hiervoor zou bijvoorbeeld overwogen kunnen worden om algen te selecteren die hierin excelleren. Ten tweede kan de concentratie algen in het bassin artificieel verhoogd worden, bijvoorbeeld door algen te kiezen met een snellere voortplantingssnelheid, of een tragere doorstromingssnelheid van het bassin. Dit laatste leidt echter ook tot een verminderde opbrengst aan gezuiverd water. Door STOWA (2011) wordt ook voorgesteld om de uitgespoelde algen terug te leiden
naar het hoofdbassin. Bij deze opties moet er wel rekening mee gehouden worden dat de lichtinval verbeterd zal moeten worden.
Verder kunnen, los van de conclusies uit het model, andere soorten algen overwogen worden die van nature een hogere lichtefficiëntie hebben. Ook kan er nog onderzoek gedaan worden naar manieren om de lichtefficiëntie van de gebruikte algen te verbeteren door middel van selectie of genetische manipulatie (Verschoor, 2011).
Bij de inzet van algenbaden lijkt, voor het oogsten van algen, filtreren de beste methode net zoals beweerd wordt door STOWA (2011). Een andere oogstmethode is het centrifugeren van de algen, mocht deze nog energiezuiniger gemaakt kunnen worden. Echter is er geconcludeerd dat het traditionele algenbad geen reële mogelijkheid voor effluent polishing in Nederland, aangezien dit een te groot oppervlak in beslag neemt. De enige manier waarop ze grootschalig ingezet zouden kunnen worden is door het ingenomen oppervlak drastisch te verminderen.
Reële mogelijkheden voor het verminderen van het oppervlak dat algenbaden innemen zijn: het buizensysteem, de biofilm en het toepassen van de algenballetjes methode (welke ook gebruikt maakt van een buizensysteem). Uit tabel 6 blijkt dat de biofilm methode het minste ruimte in beslag neemt en de minste energiekosten met zich meebrengt. Ook de algenballetjes kunnen lijken een goed alternatief voor het algenbad met trommelfilter, welke als beste uit het STOWA rapport (2011) kwam. Deze getallen zijn echter gebaseerd op een indicatie en zouden anders kunnen uitvallen in grootschalige pilots. Het was in dit onderzoek lastig om concrete waarden voor energieopbrenst, energiekosten en oppervlakte innamen te vinden. Dit komt doordat de nieuwe regelgeving in medio 2015 ingaat, het onderzoek naar algenreactoren voor deze toepassing nieuw is en de innovatieve experimenten enkel op laboratoriumschaal uit zijn gevoerd. Daarom is het noodzakelijk meer onderzoek te doen naar deze veelbelovende methodes. De onderzoekers van de biofilm en het algenbolletjessysteem hebben plannen voor grootschalige pilots die gedeeltelijk al zijn opgezet, om concrete conclusies te kunnen trekken zijn de resultaten van deze pilots nodig.
Literatuur
: :Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Walter, P., (2008), Molecular Biology
of the cell, 6 ed. Abingdon, UK: Garland Science.
Boele, H.A. (persoonlijke communicatie, 19 oktober 2011).
Boelee, N.C., Temmink, H., Janssen, M., Buisma, C.J.N., Wijffels, R.H., (2011), Nitrogen and phosphorus removal from municipal wastewater effluent using microalgal biofilms,
Water research, 45, 5925-5933.
Centraal Bureau voor de Statistiek [CBS](2011). Zuivering van stedelijk afvalwater;
procesgegevens afvalwaterbehandeling. Geraadpleegd op 20 januari 2011 via
http://statline.cbs.nl/StatWeb/publication/?DM=SLNL&PA=70152ned&D1=0-35&D2=0,3,6,12,17&D3=a&D4=l&VW=T
Christenson, L., Sims, R., (2011). Production and harvesting of microalgae for wastewater treatment, biofuels and bioproducts, Biotechnology Advances, 29, 686-702.
Effluentpolishing met algen, hoofdrapport. (2011). STOWA Amersfoort, 5.
Garden, D. (2005), Wastewater HRP algae production for biofuel, ENNR 425: Natural
resources engineering project, University of Canterbury.
Giancoli, D.C. (2009), Physics for scientists and engineers. Upper saddle river, NJ: Pearson International Edition.
Ingrepro. Schematische weergave van de AlgenBioReactor, geraadpleegd op 8 februari 2012 van http://ingrepro.nl/renewables_algenbioreactor/?lang=NL.
Janssen, A. & De Roos, A., (2011) Syllabus Populatie-Ecologie, Universiteit van Amsterdam.
Matthijs, (2011), Concerted Changes in Gene Expression and Cell Physiology of the Cyanobacterium Synechocystis sp. Strain PCC 6803 during Transitions between Nitrogen and Light-Limited Growth, Plant Physiology, 155, 1445-1457.
Reith, J. H., Wijffels, R.H., & Barten, H. (2003). Bio-methane &
Bio-hydrogen: Status and perspectives of biological methane and hydrogen production. The
Hague, NLD: Dutch Biological Hydrogen Foundation.
De Roos, A. (persoonlijke communicatie, 27 oktober 2011), van het IBED te Amsterdam. Sadava, D., Heller H. C., Orians, G. H., Purves, W. K., Hillis, D. M. (2008), LIFE the science of
biology 8 ed. Sunderland: Sinnauer Associates, Inc.
Steenbruggen, W.C. van (persoonlijke communicatie, 6 februari 2012) namens Van Remmen UV Techniek.
UvA. (2011). ‘Slimme’ leds voorzien algen efficiënter van energie dan zonlicht. Geraadpleegd op 22 november 2011 via
http://www.uva.nl/actueel/nieuws/nieuws.cfm/A0D3306E-446B-406C-8A13267C51625F0B
Verschoor, A. (persoonlijke communicatie, 6 oktober 2011) namens Wetsus en Ingrepro. Wetsus te Leeuwarden.
Appendix
Appendix 1: Aanname voorwaarden model
Het blijkt dat als de verhouding van stikstof staat tot fosfor in het water onder de 7 ligt, algen gelimiteerd worden door stikstof. Dit is experimenteel aangetoond en wordt de Redfield ratio genoemd (Verschoor, 2011). Omdat in het effluent van RWZI’s de ratio onder 7 ligt wordt in dit model alleen stikstof behandeld.
Daarnaast werd in de paragraaf over limiterende parameters besproken dat de concentratie CO2, watertemperatuur en lichtintensiteit de belangrijkste voorwaarden zijn voor het functioneren van een algenreactor. Omdat de beperkende factor van CO2 volgens STOWA (2011) kan worden weggevangen door geconcentreerde CO2 aan het water toe te voegen kan deze factor ook achterwegen worden gelaten.
Verder wordt aangenomen dat het gaat om een situatie van een algenreactor in de zomer. Daardoor zijn de watertemperatuur en lichtintensiteit in ieder geval voldoende. Een algenbioreactor is volgens De Roos (2011) in opzet hetzelfde als een chemostaat.
Appendix 2: Berekeningen model
De twee differentiaalvergelijkingen kunnen gebruikt worden om te berekenen waar de evenwichten van de nutriëntenconcentratie en de hoeveelheid algen liggen zonder dat er veel informatie nodig is. Hiervoor moeten beiden gelijk aan nul gesteld worden. De gevonden waarden worden isoclines genoemd (De Roos & Janssen, 2011).
Bij waardes van 5 mg stikstof per liter en 1 mg fosfor per liter kan worden aangenomen dat de algen gelimiteerd worden door stikstof (Verschoor, 2011 & STOWA, 2011). Hieruit volgend hoeft bij het model alleen rekening gehouden worden met de hoeveelheid stikstof in het water. Uit het rapport van STOWA blijkt dat deze gemiddeld 5 milligram per liter is. Voor reactors van 30 cm diep bestaat een vierkante meter reactor uit 300 liter water en is de doorstroomsnelheid 150 liter per dag.
Hieruit volgen de volgende isoclines (De Roos & Janssen, 2011) Isoclines voor dA/dT => A=0 of S=b/2a
Isocline voor dS/dT => A=(5-S)/(2aS)
Om de waarde te vinden van de gemiddelde nutriënten concentratie en de gemiddelde hoeveelheid algen waarvoor een evenwicht bestaat in het vat moeten de isoclines bij elkaar worden ingevuld (De Roos & Janssen, 2011). Hieruit volgt S=b/2a en A=(5/b) – 2a De parameters a en b stellen respectievelijk de evenredigheidsconstante voor de snelheid van stikstofopname door een enkele alg in liter per dag en het aantal mg stikstof per alg voor.
In de differentiaal vergelijking voor het aantal algen staat de volgende term aangegeven voor het verlies aan algen door uitspoeling: - F/V A = 1/2A. De per dag gewonnen hoeveelheid algen is dus gelijk aan de helft van de gemiddelde hoeveelheid algen in het vat op elke tijdseenheid. Dit is ook op te schrijven als U=5/(2b) – a.
Algen zijn negatief geladen. Dat komt door de elektronen aan de buitenkant. Als je positief geladen kationen toevoegt kunnen de algen dichter bij elkaar komen zonder dat ze elkaar afstoten. Vervolgens kunnen met behulp van synthetische polymeren de algen aan elkaar gaan vastkleven (Verschoor, 2011).
Het is niet helemaal bekend waarom de algen aan een oppervlak blijven plakken. Algen photosynthetiseren continu, maar als de fosfor en stikstof concentraties laag zijn kan het zijn dat ze de energie niet meer in hun cel kunnen opslaan en de ontstane lange suikers uitscheiden. Deze uitgescheiden stoffen worden EPS, extracellulaire polymerische substantie, genoemd. Bij het onderzoek naar de biofilm methode voor effluent polishing wordt er een canvas gebruikt waar water overheen stroomt. Eerst worden op dit canvas bacteriën aangebracht die veel EPS aanbrengen op het canvas. Daarna worden deze verwijderd en de algen er op gelegd. Ze blijven dan vast zitten (Verschoor, 2011).
Appendix 3: Biochemische neerslagmethoden
Wetenschappers die onderzoek doen naar biochemische neerslagmethoden proberen algen te laten samenklonteren om daarna te bezinken of te laten bovendrijven (Christenson, 2011). Hieronder wordt de manier beschreven waarop dat in zijn werk gaat.
Algen zijn negatief geladen. Dat komt door de elektronen aan de buitenkant. Als je positief geladen kationen toevoegt kunnen de algen dichter bij elkaar komen zonder dat ze elkaar afstoten. Vervolgens kun je met behulp van synthetische polymeren de algen aan elkaar laten vastkleven(Verschoor, 2011).
Het is niet helemaal bekend waarom de algen aan een oppervlak blijven plakken. Algen photosynthetiseren continu, maar als de fosfor en stikstof concentraties laag zijn kan het zijn dat ze de energie niet meer in hun cel kunnen opslaan en de ontstane lange suikers uitscheiden. Deze uitgescheiden stoffen worden EPS, extracellulaire polymerische substantie, genoemd. Bij het onderzoek naar de biofilm methode voor effluent polishing wordt er een canvas gebruikt waar water overheen stroomt. Eerst worden op dit canvas bacteriën aangebracht die veel EPS aanbrengen op het canvas. Daarna worden deze verwijderd en de algen er op gelegd. Ze blijven dan vast zitten (Verschoor, 2011).
Om de algen te laten samenklonteren worden twee soorten vlokvorming onderscheden; bioflocculatie en chemische flocculatie. Bij chemische flocculatie worden elektrolyten en synthetische polymeren toegevoegd aan het water. De elektrolyten zorgen ervoor dat de lading van het water wordt geneutraliseerd waardoor deeltjes elkaar niet meer afstoten. Vervolgens worden synthetische polymeren toegevoegd die ervoor zorgen dat de deeltjes aan elkaar vast gaan zitten (Christenson, 2011). Sommige onderzoekers voegen andere algensoorten toe want dat kan ook voor vlokvorming zorgen (Verschoor, 2011). Op dit moment worden vaak ijzerchloride en aluminiumsulfaat toegevoegd als elektrolyt. De metalen in deze verbindingen kunnen downstream echter een negatief effect op ecosystemen hebben (Christenson, 2011).
Bioflocculatie maakt gebruik van natuurlijk processen om het klonteren van algen te veroorzaken. Een van de toepassingen is klontering door de door algen zelf
uitgescheiden polymeren. Een ander voorbeeld is het aan het water toevoegen van microben die een sterk vlokvormend effect hebben. De minst bewerkelijke manier om biomassa te verkrijgen is misschien nog wel het gebruiken van algenetende vissen en het verzamelen van hun excrement (Christenson, 2011).
