Case Study: Nieuwe perspectieven in de afvalwaterbehandeling van de suikerindustrie

Suikerverwerking is een cruciaal onderdeel van de voedselvoorzieningsketen en de milieu-impact van verwerking en raffinage is historisch gezien hoog in termen van waterintensiteit en afvalwatervervuiling. De industrie heeft het waterverbruik succesvol verminderd door middel van efficiëntie- en hergebruikstrategieën. Het resulterende afvalwater is echter sterk geconcentreerd in organische stoffen en wordt steeds duurder in beheer, omdat de stromen met een hoge dichtheid niet direct kunnen worden gezuiverd in bestaande faciliteiten ter plaatse of geloosd kunnen worden op het riool zonder aanzienlijke toeslagen of vergunningsbeperkingen. Gemeentelijke toeslagen en transportkosten voor afvalwaterbeheer hollen marges uit. Recente ontwikkelingen in microbiële brandstofceltechnologie kunnen de kosten voor afvalwaterbeheer aanzienlijk verlagen door te fungeren als een voorbehandelingsstap, waardoor alle verdere behandeling efficiënter wordt, onderhoud, energieverbruik en benodigde chemicaliën worden verminderd. Aan de hand van casestudies is aangetoond dat de gepatenteerde BioElectrochemical Treatment Technology (BETT®) van Aquacycl kosteneffectief is en de kosten voor afvalwaterbeheer met 20-60% verlaagt ten opzichte van de huidige praktijken.

Trefwoorden: afvalwaterzuivering, bio-elektrochemische zuiveringstechnologie, aquacyclische

De uitdaging van het afvalwater in de suikerverwerking

Suikerverwerking is een van de meest waterintensieve industrieën en het bijbehorende afvalwater kan een grote impact hebben op het milieu als het niet zorgvuldig wordt beheerd. Grote hoeveelheden afvalwater en hoge concentraties organische stoffen vormen een milieuprobleem, vervuilen water en land en veranderen de chemische en fysiochemische eigenschappen van rivieren en bodem. Geurhinder uit lagunes in de buurt van woonwijken is een groot probleem, wat vaak leidt tot boetes, rechtszaken en klachten van de lokale bevolking.

Het afvalwater van de suikerraffinage en -verwerking bevat een hoge Brix-waarde (wat zich vertaalt in een hoog chemisch zuurstofverbruik of CZV), een hoge concentratie zwevende en opgeloste vaste stoffen (TSS en TDS), een hoge kleur, een lage pH en een hoge geur. De samenstelling van het afvalwater maakt het moeilijk te behandelen of te lozen. Zonder de juiste behandeling en/of verdunning zal de hoge CZV leiden tot zuurstofgebrek in de ontvangende wateren, wat een negatieve invloed heeft op het waterleven. Het gebruik van het afvalwater op land kan leiden tot bodemverslechtering en de kieming van zaden ernstig belemmeren als het niet met andere bestanddelen wordt aangevuld.

Afvalwaterbehandeling in de suikerraffinage en -verwerking

Afvalwater van suikerraffinaderijen en -verwerkingen wordt meestal behandeld met een combinatie van fysisch-chemische en biologische methoden. De belangrijkste componenten van afvalwater uit de suikerindustrie zijn suikers en vluchtige vetzuren, die biologisch afbreekbaar zijn. Dit impliceert het gebruik van aerobe en anaerobe zuiveringsprocessen. Wanneer er geen zuiveringsoplossingen beschikbaar zijn, wordt het afvalwater ook per vrachtwagen naar een andere locatie vervoerd voor gebruik op land. Vervoer per vrachtwagen is vaak de enige optie en kan meer dan een miljoen dollar per jaar per installatie kosten. De keuze voor afvalwaterzuivering hangt af van de economische aspecten, de nabijheid van de lokale gemeenschap, wettelijke vergunningen en de beschikbaarheid van land. Hoge Brix-concentraties maken het onmogelijk om afvalwater rechtstreeks op het riool te lozen zonder voorbehandeling, omdat dit toxiciteitsschokken voor de lokale nutsvoorziening kan veroorzaken. De COD-concentratie kan 80.000 mg/l of hoger zijn, wat ruwweg overeenkomt met 8 Brix (wanneer sucrose als primaire suiker wordt beschouwd), wat verdunning en nutriëntenaanpassingen vereist voor zowel anaerobe als aerobe zuivering.

Anaërobe lagunes zijn het meest kosteneffectief en kunnen worden gebruikt voor de productie van biogas om energiekosten te verlagen. Dit is de meest voorkomende behandeling ter plaatse bij de verwerking van bietsuiker, die vaak plaatsvindt in landelijke gebieden. Ze vereisen echter grote landoppervlakten en genereren waterstofsulfide, wat stankoverlast veroorzaakt die lokale gemeenschappen verstoort. Stedelijke suikerraffinaderijen hebben deze optie niet vanwege het beperkte landoppervlak en de nabijheid van lokale gemeenschappen, waardoor de enige optie is om het zeer geconcentreerde afvalwater per vrachtwagen te vervoeren.

Aerobe zuivering vereist een hoog energieverbruik en is meestal niet haalbaar, tenzij gecombineerd met anaerobe zuivering. Zo heeft een Noord-Amerikaans bedrijf meer dan 600 pk (447 kW) nodig om een ​​aerobe vijver van 20.000 gallon (91.000 liter) per dag te zuiveren en vereist het dagelijks slibbeheer.

Voorbehandeling om kosten te verlagen

Microbiële brandstofcellen worden al lang onderzocht als een manier om afval om te zetten in energie en zo energieneutrale of energiepositieve afvalwaterzuivering te realiseren. Pogingen om de technologie te commercialiseren zijn echter tot nu toe mislukt vanwege hoge materiaal- en productiekosten, schaalbaarheidsproblemen en efficiëntieverliezen die de energieterugwinning tijdens het zuiveringsproces minimaliseren. Aquacycl® is het eerste bedrijf dat de technische uitdagingen oplost die voorheen de commerciële toepassing van microbiële brandstofceltechnologie beperkten. Deze innovatieve zuiveringstechnologie is nu klaar voor implementatie en creëert direct waarde voor industriële klanten.

BioElectrochemical Treatment Technology (BETT®) is de enige kosteneffectieve oplossing met een kleine footprint voor de directe behandeling van organisch afvalwater met chemische zuurstofvraag (CZV) tot 300.000 mg CZV/l, een totale hoeveelheid zwevende deeltjes (TSS) tot 30.000 mg TSS/l en een breed scala aan temperatuurprofielen (10ºC – 50ºC). BETT-reactoren worden geplaatst in een reeks behandelingstreinen in zeecontainers, wat zorgt voor een modulaire en flexibele aanpak van afvalwaterbeheer (fig. 1).

In BETT-reactoren worden de in het afvalwater aanwezige organische verbindingen bio-elektrochemisch omgezet in opgelost koolstofdioxide (bicarbonaat), nieuw water en elektriciteit als gelijkstroom.

Deze bio-elektrochemische systemen zijn aanzienlijk energiezuiniger dan welke andere technologie op de markt dan ook, dankzij de lage druk en het lage debiet, waardoor er minder vermogen nodig is. BETT maakt waterhergebruik mogelijk in combinatie met aanvullende nabehandelingstechnologieën. BETT wordt bovendien op afstand bewaakt en aangestuurd, wat de tijd van de operator ter plaatse minimaliseert.

Aquacycl heeft samengewerkt met suikerraffinaderijen, zoetwaren- en drankenproducenten om mogelijkheden te identificeren om de kosten van afvalwaterbeheer met 20-60% te verlagen ten opzichte van de huidige praktijken. BETT kan worden toegepast als voorbehandeling voor:

Voorbehandeling voor directe afvoer, waardoor vrachtvervoer en toeslagen worden geëlimineerd

Anaërobe lagunes vereisen grote oppervlakten grond. Voor raffinaderijen in stedelijke gebieden waar het niet haalbaar of economisch rendabel is om waterzuivering ter plaatse te installeren, is de enige optie transport per vrachtwagen, omdat het afvalwater vaak te geconcentreerd is om te lozen op het nutsbedrijf. BETT-systemen kunnen worden gebruikt als voorzuivering met een kleine footprint om COD, TSS, kleur- en stikstofreductie te realiseren, waardoor directe lozing op het riool mogelijk is met minimale toeslagen en gegarandeerde naleving van vergunningen. In combinatie met complementaire technologieën kan BETT hergebruik van water ter plaatse mogelijk maken.

Minimaliseren van de grootte en geur van anaërobe lagunes

BETT-systemen zijn anaërobe technologieën die gebruikmaken van natuurlijk aanwezige elektrisch actieve bacteriën om de hydrolyse van complexe koolstofbronnen te versnellen en de fermentatiesnelheid te verhogen om de kleinere vluchtige vetzuren te genereren die methaanproductie verkiest. Als voorbehandelingsstap normaliseren de BETT-systemen de grondstof, waardoor de negatieve effecten van productievariabiliteit, pH en temperatuur worden verminderd. Door de complexiteit en variabiliteit van de koolstofketens en andere parameters te verminderen, werken afgesloten anaërobe lagunes en anaërobe vergisters met hoge snelheid consistenter, met minder operationele input, kortere behandelingstijden, minder toxiciteit en een hogere methaanproductie.

Voorbehandeling van aerobe afvalwaterzuiveringsinstallaties op locatie

Aquacyclische technologie is een ideale voorbehandelingsstap voor aerobe afvalwaterzuiveringsinstallaties op locatie of in eigen beheer van de suikerindustrie. BETT-systemen kunnen de organische belasting van de actiefslibzuiveringsinstallatie verminderen. De lagere organische concentraties zullen de installatiegrootte, energiekosten en biomassaproductie aanzienlijk verminderen en overbelasting van de zuiveringsinstallatie voorkomen.

De bio-elektrochemische aanpak biedt veel voordelen, waaronder lage bedrijfskosten vanwege de mogelijkheden voor bewaking en controle op afstand, elektriciteitscompensatie en energiezuinige werking, lage toevoeging van chemicaliën en/of geen dosering van voedingsstoffen, kleine voetafdruk, verwaarloosbare slibproductie, geen impact op het milieu en betrouwbaarheid vanwege vaste biofilms in het systeem.

Casestudies met behulp van bio-elektrochemische behandelingstechnologie

producent van zoetwaren

Een zoetwarenbedrijf ondervond problemen met een specifieke afvalstroom, afkomstig van procesafvalwater met een extreem hoog suikergehalte. Deze specifieke afvalstroom (“suikerwater”) vereist voorbehandeling of verdunning vóór gebruik op land en kan niet worden geloosd in de aerobe zuiveringsinstallatie op locatie vanwege de koolstoftoxiciteit die zou optreden.

Aquacycl installeerde een volledig geautomatiseerde en gecontaineriseerde demonstratie-unit met 12 reactoren (BETT Demo Unit) om continu 160 gpd (727 liter/dag) suikerwater te behandelen en een duidelijk inzicht en kostenmodel te bieden voor de toepassing van BETT-systemen op volledige schaal in de afvalwaterzuivering van de suikerindustrie. Tijdens de demonstratie werden de COD-verwijdering en energieproductie van het systeem gemonitord. De COD-waarde van het instromende suikerwater varieerde van 100.000 tot 300.000 mg/l onder continue stroomomstandigheden. Batchverwerking was ook vereist in verband met productiestops in verband met vakanties en andere faciliteitsactiviteiten.

De BETT Demo Unit heeft zijn toepasbaarheid en efficiëntie aangetoond bij de behandeling van afvalwater met een hoog gehalte aan suiker. De BETT Demo Unit behaalde een gemiddelde COD-verwijdering van 10% (18.377 mg/l) in een hydraulische verblijftijd van 4 uur met slechts 12 BETT-reactoren in hydraulische serie (fig. 2). De COD-verwijderingscapaciteit van het systeem varieerde van 2.200 mg/l tot 50.000 mg/l. Lagere verwijderingssnelheden werden waargenomen bij het hervatten van de continue modus na geplande stilstand van de installatie. Het systeem heeft slechts 24-48 uur nodig om de normale prestatiewaarden te bereiken na een systeemstop of batchverwerking. Deze resultaten laten zien hoe microbiële brandstofcellen kunnen worden gebruikt voor de behandeling van afvalwater met een hoog gehalte aan organische stoffen. Bovendien is het systeem modulair schaalbaar. Door meer reactoren aan een behandelingstrein toe te voegen en meerdere behandelingstreinen te laten werken, kunnen de BETT-reactoren worden gebruikt om tot 95% van de organische stoffen te verwijderen met stromen tussen 2500 en 10.000 gallons per dag.

Een voordeel van het Aquacycl BETT-systeem is de beperkte biomassaproductie. Tijdens de suikerwaterbehandeling genereerde de BETT Demo Unit slechts 0,03 tot 2,5% biomassa uit de verwijderde COD (tabel 1). In vergelijking met andere conventionele technologieën betekent dit een verwaarloosbare biomassaproductie (fig. 3). De biomassa die met BETT werd gegenereerd, varieerde van 4 tot 112 mg/l VSS, vergeleken met 381 tot 4615 mg/l VSS bij anaërobe behandeling van het afvalwater; en 1522 tot 18462 mg/l VSS bij aerobe processen (uitgaande van een identieke COD-belasting in alle gevallen).

De netto-energieterugwinning (NER) van BETT bedroeg tot 1,6 kWh/kg COD, vergelijkbaar met de verwijdering van anaerobe vergisters gecombineerd met methaanomzetting in elektriciteit. De elektriciteit werd opgewekt als directe gelijkstroom, zonder tussenliggende methaanproductie.

Frisdrankproducent

Het productieproces van frisdranken genereert ook afvalwater met een zeer hoog suikergehalte. Aquacycl evalueerde de behandelingssnelheden van BETT-reactoren voor afvalwater van frisdranken met een CZV-concentratie tussen 65.000 en 150.000 mg/l. De gemiddelde verwijderingssnelheid van de BETT-reactor was 2.900 mg/l per reactor per dag, wat het dubbele is van de verwijderingssnelheid die met suikerwater werd aangetoond. De implementatie van het BETT-systeem bij frisdrankproducenten kan leiden tot een kostenbesparing van 10% tot 30% per faciliteit voor afvalwaterbeheer.

Suikerraffinaderij

Een suikerraffinaderij kreeg te maken met een uitdaging met hun afvalwater toen de verhoogde productie leidde tot een toename van 100-150% in het effluentvolume, waardoor de naleving van de afvalwatervergunning ver werd overschreden. Dit laatste leidde tot productiebeperkingen en het transport van 50% van het afvalwater. Om te voldoen aan de eisen van de afvalwatervergunning en het transport te elimineren, moest de hoeveelheid organische koolstof met 87,5% worden verminderd om al het afvalwater naar de gemeentelijke zuivering te kunnen sturen. Na een voorlopige laboratorium- en kostenanalyse werd vastgesteld dat de raffinaderij 50% kon besparen ten opzichte van de huidige praktijk door BETT toe te passen voor de reductie van koolstof, stikstof, kleurstoffen en TSS.

Conclusie

Omdat water- en afvalwaterbeheer steeds belangrijker wordt voor de suikerindustrie, kunnen bedrijven nieuwe technologieën gebruiken om de kosten voor afvalwaterbeheer te verlagen en hun impact op het milieu te verkleinen.

Recente ontwikkelingen in microbiële brandstofceltechnologie maken de behandeling van afvalwater met een hoog brixgehalte (CZV) mogelijk, waarvoor voorheen verdunning en/of afvoer nodig was. Door CZV, TSS, stikstof en kleur te verminderen, maakt bio-elektrochemische behandeling directe lozing, naleving van vergunningen en efficiëntere nabehandeling van afvalwater uit de suikerindustrie mogelijk.

Sofia Babanova

Aquacycl, 6342 Ferris Square, San Diego CA 92121, USA Tel: +1.505.358.8044 sbabanova@aquacycl.com