Volgens de National Pork Producers Council (NPPC) zijn er in de Verenigde Staten meer dan 60.000 varkensvleesproducenten die jaarlijks meer dan 115 miljoen varkens op de markt brengen, wat leidt tot een gemiddeld totaal bruto-inkomen van meer dan 20 miljard dollar1 . Het ondersteunen van deze industrie vereist een geschatte waterbehoefte van 525.000.000.000 gallons/jr (1.990.000.000 m3 /jr) volgens een rapport uit 2011 van de Pork Checkoff organisatie2 . Het waterverbruik in de levenscyclus van de varkensvleesproductie is divers en wordt weergegeven in figuur 1.
Het grootste deel van het zoetwaterverbruik (67%) is bestemd voor het verbouwen van voedselgewassen voor de dieren, terwijl de resterende vraag wordt gebruikt voor bedrijfswater dat verband houdt met de boerderij/faciliteiten (24%), drinkwater voor dieren (8%) en water voor het mengen van voer (1%). Binnen de gehele productieketen van varkensvlees bestaan mogelijkheden om water op te vangen, te behandelen en te hergebruiken. Hier richten we ons op de mogelijkheid om de 24% van de watervraag die samenhangt met het wassen van faciliteiten, koelwater voor dieren en energiegerelateerde waterkoeling te hergebruiken.
Volgens het Pork Checkoff-rapport van 20112 gebruikt 32% van de varkenshouderijen anaerobe lagoonsystemen voor mestbeheer, waarbij mest en afvalwater worden opgevangen in een ondervloersysteem en naar een aangrenzende lagune worden geleid voor opvang. Anaerobe lagunes zijn diepe aarden bekkens met voldoende volume om vaste stoffen te laten bezinken zodat ze op natuurlijke wijze anaeroob kunnen worden verteerd3.
Afvalwater uit typische anaerobe lagunes kan echter niet rechtstreeks in ontvangende wateren worden geloosd en moet worden gevolgd door een aerobe of facultatieve lagune om nog een behandelingsniveau te bieden voordat het wordt geloosd. Het grootste nadeel van deze behandelingsmethode is de vereiste oppervlakte (0,5 tot 2 acres)3 en de verblijftijd. Een bepaalde hoeveelheid afvalwater moet tussen de 1 en 50 dagen in het anaerobe bekken verblijven, afhankelijk van de temperatuur van het afvalwater3.
De Aquacycl BETT™ productlijn kan helpen om de totale landvoetafdruk en behandelingstijd van afvalwater van varkensproductie te verminderen door tot 76 m3/dag (20,000 gallons per dag) behandeling te bieden in een 12m x 2.4m (40ft x 8ft) landvereiste (afhankelijk van de afvalstroom). Er zijn ook kleinere units beschikbaar (Figuur 2), afhankelijk van de eisen van de eindgebruiker en de afvalstroom. Voor grotere afvalwatervolumes kunnen meerdere units in een netwerk worden opgenomen. Elke BETT™ unit kan voorzien in:
- Terugwinning van energie als directe elektriciteit (geen methaan), in het bereik van 0,2 tot 0,8 kWh/kg behandelde COD
- Snelle behandelingstijden, tot 4 uur hydraulische verblijftijd
- Slibverwijdering, tot 80% totale verwijdering van zwevende deeltjes door snelle microbiële afbraak van vaste en oplosbare koolstof
- Hergebruik van water op locatie mogelijk gemaakt door optionele tertiaire behandelingstechnologieën
Casestudie – Kleinschalig landbouwcentrum
Het Aquacycl-team installeerde en gebruikte een kleinschalige demonstratie van de BETT™-systemen op een leerboerderij in de San Pasqual High School, in Escondido CA, VS (Afbeelding 3).
Het doel van deze installatie van het BETT™ systeem was om de technologie te demonstreren in een landbouwomgeving en om leerlingen van de middelbare school te betrekken bij praktische lessen over waterbeheer op boerderijen.
Het systeem werd gebouwd met geld van de Roddenberry Foundation en omvatte een betonnen platform met drainage, een ondergrondse opvangput van 5,7 m3 , een cavitatiepomp, een slangenpomp, een voedingskast en twaalf BETT™ reactoren die in hydraulische serie werkten met een totaal volume van 0,1 m3. Figuur 4 toont een schematische weergave van het systeem. De behandelde effluenten van het BETT™-systeem werden afgevoerd naar het riool.
Het systeem draait continu sinds maart 2016. Hier presenteren we een samenvatting van de eerste 200 operationele dagen.
Resultaten
Het systeem werd eerst gedurende 38 dagen in batchmodus gebruikt om de microbiële gemeenschappen en elektrochemische prestaties vast te stellen. Na dag 38 werd het systeem in continue modus gebruikt met een hydraulische retentietijd van 4 uur door het systeem en een stroomsnelheid van 0,1 gpm (0,38 lpm). In- en uitstroommonsters werden verzameld om het chemisch zuurstofverbruik (COD), nitraat, nitriet, ammonium, sulfaat, pH, opgeloste zuurstof (DO) en totaal zwevende deeltjes (TSS) van het systeem te analyseren. Daarnaast werd de energieterugwinning geëvalueerd door de stroom, spanning en het vermogen van elk van de twaalf reactoren te meten.
Tijdens de werking van het systeem werden enkele operationele wijzigingen doorgevoerd om tegemoet te komen aan analyses en/of bedrijfsbeperkingen (bijv. geen varkens op het bedrijf). Het schema in Figuur 5 geeft een overzicht van alle operationele wijzigingen die plaatsvonden tijdens de eerste 250 dagen dat het systeem in bedrijf was.
Na 200 dagen in bedrijf te zijn geweest, werd het systeem teruggezet naar de batchmodus met een verblijftijd van 7 dagen. De totale COD in het afvalwater werd ook verlaagd tot ongeveer 500 mg/L gedurende deze periode, omdat er minder varkens op de boerderij waren. Figuur 6 toont foto’s van voor en na de behandeling van de 4-uurs verblijftijd (continue modus, begin CZV van 1000 mg/L) en de 7-daagse verblijftijd (batchmodus, begin CZV van 500 mg/L).
pH en opgeloste zuurstof
De gemeten pH en DO van het systeem worden getoond in Figuur 7. De pH van het BETT™-systeem werd aanvankelijk gebufferd met 33 mM carbonaat. Na dag 150 werden echter geen buffermiddelen meer toegevoegd. De pH daalde van 7,8 naar 7,6 toen de toevoeging van buffer stopte; de pH keerde echter binnen 20 dagen terug naar een relatief stabiele waarde van 8,0. De DO van het systeem bleef dichtbij nul, wat consistent is met anoxische werking en anaëroob metabolisme.
Chemisch zuurstofverbruik
Figuur 7 toont de datasets voor de instroom, uitstroom en verwijdering van CZV in de loop van de tijd; en Figuur 8 toont de verwijderingssnelheid van CZV in de loop van de tijd. Het is duidelijk dat de verwijdering van CZV afhankelijk is van de instroom. Opgemerkt dient te worden dat op dag 102 de instroom-CZV daalde tot tussen de 500 mg CZV/l en 600 mg CZV/l, omdat er minder varkens op het bedrijf aanwezig waren.
De gemiddelde COD-verwijderingssnelheid over de operationele periode van 200 dagen bedroeg 1,6 kg COD.m-3.dag (1,6 g COD.l-1.d). De beste effluentkwaliteit na een behandelingstijd van 4 uur was 0,12 g COD.l-1. De gemiddelde effluentkwaliteit na een behandelingstijd van 4 uur was 0,47 g COD.l-1, wat nog steeds binnen de acceptabele WHO-normen voor hergebruik van water voor akkerbouwgewassen, industriële gewassen en bosbouw valt (tabel 1).
Tabel 1: BETT™-effluentkwaliteit vergeleken met de WHO-normen voor hergebruik van water voor akkerbouwgewassen, industriële gewassen en bosbouw.
| BZV5 (mg/L) | COD (mg/L) | TSS (mg/L) | pH | Nitraat (mg-N/L) | Totaal N (mg-N/L) | E. coli | Intestinale helminth-eieren | ||
| WHO-norm | Veldgewassen, industriële gewassen en bosbouw | 300 | 500 | 150 | 6.0- 9.0 | 45 | 70 | NA | ≤1.0 |
| BETT™ afvalwaters | Gezuiverd varkensafvalwater (4 uur HRT)† | NA | ≤ 500* | 280‡ | 7.2- 8.1 | < 5⁺ | < 25⁺ | NA | NA |
† Gemiddelde resultaten van continue doorstroming gedurende 100 dagen, geen nabehandeling of desinfectie toegepast.
* De instroom-CZV was ~1.000 mg/l (2x hoger dan bij een typisch gemeentelijk riool)
‡ De instroom-TSS was 1.400 mg/l (5x hoger dan bij een typisch gemeentelijk riool)
* De instroom-nitraat was 10-29 mg/l en de ammoniumconcentratie steeg tot een maximum van 25 mg/l
Figuur 9 toont de verwijderingsefficiëntie van COD in de loop van de tijd. De beste verwijderingsefficiëntie voor de behandelingstijd van 4 uur was 65%; de gemiddelde verwijderingsefficiëntie over de periode van 200 dagen, inclusief fluctuaties in de COD-instroom, was 36%.
Stikstof
Stikstof is een belangrijke verontreinigende stof in agrarisch afvalwater en de verwijdering van nitraat/nitriet is een doel voor duurzame afvalwaterzuiveringstechnologie. Stikstof wordt meestal uit afvalwater verwijderd door middel van biologische nitrificatie- en denitrificatiestappen. Nitrificatie omvat de oxidatie van ammonium tot nitraat met medewerking van zuurstof en nitrificerende bacteriën. Nitraat wordt verder gereduceerd tot nitriet en uiteindelijk tot stikstofgas. Een concurrerende reactie op denitrificatie is de dissimilerende nitraatreductie tot ammonium, zoals weergegeven in het volgende schema:
Omdat de BETT™-systemen anaëroob werken, vindt de dissimilerende nitraatreductiereactie in het systeem plaats om nitraat (NO3-) en nitriet (NO2-) om te zetten in ammonium (NH4+). De stikstof blijft als opgelost ammonium achter, aangezien de pH van het effluent van het systeem neutraal is. Figuur 11 toont de verwijdering van nitraat (figuur 11a) en nitriet (figuur 11b) en de ammoniumproductie (figuur 11c) gedurende de werking voor een subset van bemonsteringstijdpunten tijdens continu bedrijf, met een hydraulische retentietijd van 4 uur.
Nitraat werd consistent verwijderd tot onder de 10 mg/l (als N), de maximale verontreinigingsdrempel voor nitraat in drinkwater volgens de WHO en de EPA. Volgens tabel 1 produceren de BETT™-systemen afvalwater dat ruim onder de WHO-norm voor nitraat en nitriet voor hergebruik van water voor akkerbouw en industriële gewassen ligt.
De gemeten ammoniumstijgingen bereikten in het ergste geval de smaakdetectielimiet van ~30 mg/l (als stikstof). Ammonium opgelost in water kan echter wel op landbouwgrond worden toegepast en als aanvullende stikstofbron bij standaardmeststoffen worden gebruikt.
zwavel
Sulfaat wordt gemeten als secundaire verontreiniging in watersystemen en mag volgens de regelgeving van de Amerikaanse EPA niet meer dan 250 mg/l in drinkwater bedragen. Het BETT™-systeem verlaagt de sulfaatconcentraties omdat het een anaëroob systeem is. Figuur 12 toont de sulfaatreductiegegevens. Er werd geen sulfide gedetecteerd.
Energieterugwinning
De energieproductie van het BETT™-systeem werd gedurende de gehele werking gemonitord. Hieronder vindt u een overzicht van de energieproductie en de totale interne weerstand van één van de twaalf BETT™-reactoren (Reactor 5, Figuur 13). Elke reactor in de behandelingstrein produceerde een equivalente energiedichtheid.
De maximale vermogensdichtheden werden berekend uit celpolarisatiegegevens die werden genormaliseerd op basis van het schijnbare oppervlak van de kathode (0,1 m2), de beperkende elektrode in het systeem.
Opgemerkt dient te worden dat de buffering van het systeem op dag 150 stopte, wat de geleidbaarheid van de reactoroplossing verminderde en resulteerde in een afname van de totale vermogensdichtheid. Deze verandering leidde echter niet tot een significante toename van de totale interne weerstand van het systeem.
Er werd geen methaan gedetecteerd in de uitstroomoplossingen of als gasophoping in de reactoren. De gemeten energieterugwinning als directe elektriciteit lag binnen een bereik van 0,2 – 0,8 kWh/kg COD gedurende de bedrijfsperiode en varieerde afhankelijk van de COD-belasting en de operationele omstandigheden. De energieterugwinning werd uitsluitend gemeten als directe elektriciteitsproductie.
Het systeem werd aangestuurd door twee pompen (totaal 0,3 pk, 5,3 kWh/d) en een dataregistratiesysteem (0,02 kWh). Aangezien het systeem gemiddeld 2,6 kg COD per dag verwijderde, lag de energieterugwinning binnen een bereik van 0,5 kWh tot 2,1 kWh per dag. Wanneer het systeem op zijn hoogste energie-efficiëntie draaide, voorzag de stroomopwekking in de helft van de totale operationele energievraag. Opgemerkt dient te worden dat de stroomproductie en -opwekking niet geoptimaliseerd waren voor de toepassing en dat kleine verbeteringen kunnen leiden tot aanzienlijk hogere vermogensopbrengsten met behulp van bestaande methoden.
Bovendien bleek de cavitatiepomp die aanvankelijk was geselecteerd om het systeem te voeden, te groot te zijn voor de toepassing en bleek het werkelijke pompvermogen van beide pompen minder dan 0,2 pk (3,6 kWh/d) te bedragen. Bij een daadwerkelijk pompvermogen kan de elektriciteit die wordt opgewekt met BETT™ ten minste 58% van het totale vermogen leveren bij maximale energieomzettingsefficiëntie.
Laboratoriumresultaten van BETT™ met andere afvalstromen laten hogere energieterugwinningsrendementen en COD-verwijderingspercentages zien voor minder complexe afvalwaterstromen (bijv. afvalwater uit de voedsel- en drankenindustrie). Deze gegevens suggereren dat BETT™-systemen energieneutrale of energiepositieve processen kunnen ondersteunen in het geval van afvalwater met een hoge concentratie (> 30.000 mg COD/l).
