Op het Marineterrein in Amsterdam staat sinds kort een in een container ondergebracht laboratorium met twee toiletpotten, een bioreactor en een rotatieverdamper. Met deze opstelling wil Monica Conthe-Calvo, onderzoeker bij de TU Delft, in een onderzoeksproject bij het AMS Institute laten zien dat in een stedelijke omgeving uit urine waardevolle nutriënten zoals fosfor kunnen worden gewonnen. Vooralsnog op demoschaal, maar opschaling naar een bedrijfsgebouw of wooncomplex is binnen handbereik.
Voor wie er plannen heeft om eind juni het tiendaagse cultuurfestival ‘Lent’ in het Sloveense Maribor bij te wonen, kan LabVision alvast een nieuwe attractie melden. Bezoekers kunnen er namelijk hun steentje bijdragen aan het circulaire gebruik van grondstoffen door een plasje te plegen in één van de twee speciale urinescheidingstoiletten van het Zwitserse kwaliteitsmerk Laufen, die deel uitmaken van een containergroot laboratorium. In dat lab zijn naast een groot voorraadvat ook een bioreactor en een rotatieverdamper te zien, die worden gebruikt voor het winnen van waardevolle nutriënten uit de urine, met name fosfor in de vorm van fosfaat en stikstof in de vorm van nitraat, maar ook andere micro-nutriënten, zoals kalium en sporen van onder meer calcium, magnesium en zink.
Omdat het laboratorium voor een groot deel door glas is omgeven kunnen bezoekers goed zien wat er gebeurt. En dat is ook precies de bedoeling van dit onderdeel van het Cinderela demonstratieproject, dat valt onder het Horizon 2020 programma van de Europese Unie. Cinderela staat voor ‘New Circular Economy Business Model for More Sustainable Urban Construction’ en richt zich met name op de mineralen recovery voor de weg- en waterbouw. “Het deelproject voor de recovery van fosfor zou je wat dat betreft een beetje een vreemde eend in de bijt kunnen noemen, maar dat is zeker niet het geval. Het fosforproject is namelijk gekoppeld aan een project voor plastic recycling en het potentieel voor andere innovaties in (bouw)materialen, zoals een fosfor-nikkel legering in een nanopolymeerstructuur. De binnen de demo gerecyclede plastics worden gebruikt bij het 3D-printen van geluidsdempende panelen (volgens het principe van PDI; ‘passive destructive interference’) voor gebouwen. In deze customized panelen kunnen planten groeien die –zo is het plan– worden gevoed met een geïntegreerd watersysteem dat nutriënten bevat die zijn gewonnen uit menselijke urine”, zegt Arjan van Timmeren. Hij is naast hoogleraar ‘Milieutechniek en Ontwerp’ bij de faculteit Bouwkunde van de TU Delft ook wetenschappelijk directeur van het AMS Institute (zie de kadertekst onderaan deze pagina), waar het project voor de winning van nutriënten uit urine wordt uitgevoerd binnen het Living Lab Marineterrein gebied. Nitrificeren en destilleren Er zijn verschillende processen voor het winnen van nutriënten uit urine.
Het eenvoudigste proces is een neerslagreactie van ureum met magnesium, waarbij struviet (MgNH4PO4·6H2O) wordt gevormd. Hierbij wordt vooral fosfor gewonnen, terwijl andere nutriënten als stikstof en kalium grotendeels verloren gaan. Nadeel van dit proces is dat in de urine aanwezige resten van geneesmiddelen of hun metabolieten in het struviet achterblijven. Vanwege zijn vaste vorm is het struviet ook niet altijd even gemakkelijk verwerkbaar. Wat dat betreft scoort de combinatie van nitrificatie en destillatie een stuk beter. Er gaan geen nutriënten verloren, vanwege de nitrificatie wordt het gros van de geneesmiddelen afgebroken en de geconcentreerde oplossing is goed verwerkbaar.
Alle reden voor Monica Conthe-Calvo om, zeker ook in het licht van de toepassing als plantenbemesting, te kiezen voor het proces van nitrificatie en destillatie. Eerste stap in het proces is het opvangen van de urine. Hiervoor worden twee genderneutrale toiletten gebruikt die zodanig door Laufen zijn ontwikkeld dat de urine zo veel mogelijk gescheiden blijft van het spoelwater, zodat de urine zo min mogelijk wordt verdund.
De urine wordt opgevangen in een voorraadvat en wordt vervolgens over een bioreactor van 150 liter geleid. In deze nitrificatiekolom zorgen aërobe bacteriën ervoor dat de ammonia uit de urine wordt omgezet in nitraat. Met de stabilisering van deze stikstofcomponenten verdwijnt ook de onwelriekende geur. Bovendien kom je door degradatieprocessen van de meeste geneesmiddelen en hun metabolieten af. “We voeden de kolom met urine op basis van de pH. Bij nitrificatie daalt de pH. Als die onder een bepaalde drempelwaarde komt, wordt er automatisch urine (dat een hogere pH heeft) uit het voorraadvat toegevoerd. Op een zeker moment zit de reactor vol en stoppen we het proces, waarop de bacterievlokken naar de bodem zakken en we het supernatant verwijderen. In die zin is het een fed-batchproces: we voeden continu, maar dischargen batchgewijs. Omdat de biomassa moet groeien in vlokken is het ook best wel een tijdsintensief proces: de retentietijd is twee tot vier dagen”, licht Monica toe.
Monica Conthe-Calvo gebruikt deze Rotavapor R-220 Pro rotatieverdamper voor de laatste processtap voor het winnen van nutriënten uit urine: het concentreren van de oplossing met nutriënten en de winning van gedestilleerd water dat als drinkwater kan worden gebruikt.
Arjan van Timmeren, wetenschappelijk directeur van het AMS Institute: “We testen ons onderzoek in de praktijk, waarbij we de stad Amsterdam als een groot ‘living lab’ zien.”
Open en bloot
Nadat de geurloze vloeistof door een filter met geactiveerde koolstof is gepompt om de laatste verontreinigingen te verwijderen, wordt in de fi nale stap de vloeistof geconcentreerd in een rotatieverdamper. Monica heeft hierbij gekozen voor de grootste uitvoering van de Rotavapor rotatieverdamper, de R-220 Pro, van Büchi Labortechnik. “In meer grootschalige processen worden industriële verdampers gebruikt, die in een afgesloten behuizing zijn ondergebracht. Die zijn echter minder geschikt voor ons demonstratieproject, omdat je niet kan zien wat er gebeurt. De Büchi is wat dat betreft een echte publiekstrekker!” Naast gebruiksgemak (na concentreren kun je een kraantje openen en de kolf eenvoudig vullen zonder die van het systeem te hoeven halen) had ook uit het oogpunt van veiligheid de Rotavapor de voorkeur van Monica. Zo is de opvangkolf uitgerust met een niveausensor, waarmee je kunt vermijden dat door een te laag volume in de kolf de concentratie ammoniumnitraat te hoog wordt.
“Na nitrificatie zit er wat ammoniumnitraat in de urine. Dat is explosief bij relatief hoge concentraties en temperaturen. Omdat je onder vacuüm werkt is de temperatuur geen probleem. Maar bij een laag volume zou het kunnen voorkomen dat de concentratie van ammoniumnitraat gevaarlijke waardes bereikt. Vanuit de hoeveelheid urine waarmee je het proces bent gestart, kun je uitrekenen welke eindconcentratie je met een complete recovery in de opvangkolf kunt krijgen. Daarop stel je de niveausensor in, zodat de concentratie nooit te hoog kan worden”, legt Monica uit.
Drie wortels uit één plas
In de pilot wordt gemikt op de verwerking van 30 liter urine per dag. Met een geschatte opbrengst van 200 tot 300 mg fosfor per liter urine kom je dan uit op bijna 10 gram fosfor per dag. Met dergelijke hoeveelheden kan je prima op kleine schaal bemesten, zeker omdat de verhouding tussen de verschillende mineralen redelijk goed overeenkomt met wat er in kunstmestproducten zit. “We hebben wel eens berekend dat we uit één plasje grofweg voldoende nutriënten kunnen halen voor het bemesten van drie wortels. Dat kunnen we in de naast het laboratorium geplaatste kas verifiëren, waarbij we uiteraard niet alleen voor de wortels gaan: we kijken welke mineralenverhoudingen bij welke gewassen het beste passen.” De hoeveelheden zijn in dit demonstratieproject overigens niet zo relevant. “Belangrijk is dat we kunnen aantonen dat het proces werkt en dat we met een bevredigend rendement de fosfor en andere micro-nutriënten en mineralen uit de urine kunnen halen. Wat betreft fosfor zitten we qua LCA al snel aan de goede kant: fosfor is eindig, wordt nu vooral gewonnen in mijnen, en is als zodanig niet hernieuwbaar. Bovendien kost het extractieproces veel energie en is er veel contaminatie met zware metalen. Maar ook voor andere mineralen, zoals stikstof, kunnen we de concurrentie aan. Met ons proces winnen we dergelijke stoffen namelijk in het begin van de levenscyclus en vermijden zo dat ze pas een eind verderop in afvalwaterzuiveringsinstallaties uit de afvalstromen moeten worden gehaald en deels in het milieu verdwijnen. Ook de vorming van N2O bij dergelijke zuiveringsprocessen is in het kader van de broeikgasemissies ongewenst.”
Sociale acceptatie Bij de opbouw van de proefopstelling ging de aandacht vooral uit naar praktische aspecten als het goed inregelen van de bioreactor met de juiste condities voor de bacteriën, zodat er zo weinig mogelijk ongewenst toxisch nitriet ten koste van het nitraat wordt gevormd, en automatisering van het proces. Nu dat loopt is Monica vooral benieuwd hoe bezoekers zullen reageren.
“Binnen Horizon-projecten wordt steeds meer waarde gehecht aan de maatschappelijke implementatie. Oplossingen, hoe slim uitgedacht en praktisch opgezet ook, moeten vooral werken in de maatschappij met allerlei gebruik(er)scomplexiteit. Hiervoor moeten ze worden getest. In ons geval betekent dit dat we in eerste instantie de gebruikers van het AMS Institute en Marineterrein gaan uitnodigen om in het laboratorium naar het toilet te gaan om nutriënten te ‘doneren’. Daaruit kunnen we een eerste beeld destilleren: is er voldoende animo, houdt de gebruiker zich aan de voorschriften, is het systeem robuust genoeg tegen al dan niet bewust verkeerd gebruik? Een test, die we in juni op het festival in Slovenië kunnen uitbreiden qua schaal en met een heel andere populatie gebruikers. Over de resultaten hiervan is het alleen maar gissen: de grootste complexiteit van dit project zit hem in de gebruiker.”
Na Maribor komt het mobiele lab terug naar Nederland, in eerste instantie weer bij het AMS Institute, waarna het nog in andere settings ingezet zal kunnen worden.
Schema van het proces voor het winnen van nutriënten uit urine, met achtereenvolgens de urinescheidingstoiletten (1), urine-opslag (2), bioreactor voor nitrificatie (3), actieve-koolfilter (4), destillatie met vacuümverdamper (5) en gebruik als meststof (6).
Opschalen
Als uit de praktijktesten met het prototype blijkt dat het concept werkt, is een volgende stap de opschaling van het proces. “Een grotere schaal is alleen al uit het oogpunt van management en onderhoud een stuk rendabeler. Bovendien ben je dan beter in staat om het verkeerd handelen van individuele mensen uit te levelen: als één iemand rotzooi in de afvoer gooit heeft dat op een schaal van honderd gebruikers minder impact dan bij het systeem waar we nu mee werken. Uitgaande van de bioreactor kunnen we overigens al wel een grotere urinestroom aan, bijvoorbeeld vanuit het gebouw van het AMS Institute, waar op een gemiddelde dag tot gemiddeld honderd mensen werken. Jammer genoeg moeten we vanwege de benodigde continue capaciteit en automatisering van de processen dan wel de Rotavapor vervangen door een industriële verdamper…”
Meer informatie:
Urban Living Lab AMS Institute
Het ‘Amsterdam Institute for Advanced Metropolitan Solutions’, kortweg het AMS Institute, is in 2014 opgericht. Net als andere grote steden worstelt Amsterdam met het handen en voeten geven aan de grote maatschappelijke uitdagingen rond de energietransitie, elektrificatie, eiwittransitie, de IT- en datatransitie en de urgentie die er door de klimaatveranderingen wordt opgelegd. Naar voorbeeld van New York stak de stad zijn nek uit door in dit geval 50 miljoen euro te investeren in een instituut, dat door publiek-private partijen moest worden gematched met een budget van 200 miljoen euro. Bij de tender die hiervoor werd uitgeschreven kwam een consortium van TU Delft, Wageningen Universiteit en MIT uit Boston als beste van zestien uit de bus. Waar vijf jaar geleden werd gestart met vijf mensen, zijn er bij het AMS inmiddels ruim 40 fte’s in dienst.
Samen met inmiddels 80 studenten in een nieuwe Master genaamd MADE (Metropolitan Analysis and Design Engineering) en een veelvoud aan onderzoekers vanuit met name Wageningen en Delft werken ze aan ruim 120 multidisciplinaire onderzoeksprojecten. Die zijn verdeeld over zes ‘urban challenges’: Smart urban mobility Urban energy Climate resilient cities Metropolitan food systems Responsible urban digitization Circularity in urban regions Wetenschappelijk directeur Arjan van Timmeren, die zich vanuit zijn hoogleraarschap ‘Milieutechniek en Ontwerp’ bij de faculteit Bouwkunde van de TU Delft richt op milieutechniek ten bate van stedelijke uitdagingen, legt de filosofie achter het AMS Institute uit.
“Wij werken vanuit het quadruple helixmodel, waarbij academici, publieke & private partijen en gebruikers (bewoners) in projecten participeren. We testen ons onderzoek in de praktijk, waarbij we de stad Amsterdam als een groot ‘living lab’ zien. Waar er aan de universiteiten vooral fundamenteel onderzoek plaatsvindt, bouwen we hier ‘applied labs’ met een extra dimensie: de mens in al zijn complexe processen en belangen; real life!” Door de burger bij de projecten te betrekken kan je volgens hem kwalitatieve feedback en tijdwinst behalen, die hard nodig is.
“Steden hebben maar weinig tijd om de transities te maken; ze moeten snel antwoorden hebben. Normaal duurt ‘science to society implementation’ minimaal 7 tot wel 15 jaar. Daar komt nog bij dat veel van die maatschappelijke uitdagingen systeemveranderingen zijn, die per definitie meer dan 15 jaar duren. Zoveel tijd is er eenvoudigweg niet om de veranderingen door te voeren, niet in de laatste plaats omdat het in de praktijk heel lastig is om een innovatief en/of kleinschalig proefproject op te schalen naar een grotere omvang, en verder. Bij veel van onze oplossingen gaan we derhalve uit van ‘gedistribueerde systemen’: kleinere systemen die eerst hybride met bestaande systemen als backup functioneren. Ga je die opschalen, dan heb je geen geforceerd (en risicovol) schakelmoment, maar ga je veel geleidelijker naar een volgende fase.
Dat geldt ook voor het Cinderela-project. De container bevat twee toiletten, maar het proces is al geschikt voor een gebouw zo groot als het AMS Institute en kan daarmee worden verbonden. Je kunt dus veel sneller opschalen!”