Casestudie: Een duurzame aanpak van brouwerijafvalwater

Dit artikel komt uit nummer 4, 2020, van een tijdschrift gewijd aan de toegepaste en praktische wetenschap van de brouwerij-industrie gepubliceerd door de Master Brewers Association of the Americas, een non-profit professionele wetenschappelijke organisatie gewijd aan het bevorderen, ondersteunen en aanmoedigen van vooruitgang in het brouwen van moutdranken en aanverwante industrieën.

Dit bestand is gepubliceerd met toestemming van de Master Brewers Technical Quarterly Editorial Board.

Dankzij de inspanningen van de leden van Master Brewers en auteurs, zoals degenen die bij dit artikel betrokken zijn, maakt Master Brewers gebruik van de collectieve middelen van de hele brouwgemeenschap om de processen en producten van onze leden voortdurend te verbeteren.

Voor meer informatie over deze en andere onderwerpen met betrekking tot de brouwerijsector,
nodigen we je uit om Master Brewers te bezoeken op mbaa.com

LEVERANCIERSPERSPECTIEF

Een duurzame aanpak van afvalwater van brouwerijen

Orianna Bretschger
Aquacycl, Escondido, CA 92029, V.S.

Orianna Bretschger is de CEO en medeoprichter van Aquacycl, een bedrijf voor afvalwater
technologiebedrijf dat modulaire, plug-and-play systemen voor industrieel afvalwater commercialiseert op basis van microbiële brandstofceltechnologie. Als inwoner van het zuidwesten van de Verenigde Staten groeide ze op met waterproblemen. Ze behaalde een Ph.D. aan de University of Southern California, waar ze bestudeerde hoe microben vervuilende stoffen uit water verwijderen en tegelijkertijd elektriciteit produceren. In 2016 richtte ze Aquacycl op met haar partners na 8 jaar R&D naar gedistribueerde afvalwaterbehandeling. Haar onderzoek heeft geresulteerd in 32 publicaties in tijdschriften, drie boekhoofdstukken en acht octrooiaanvragen.
E-mail: obretschger@aquacycl.com
https://doi.org/10.1094/TQ-57-4-1207-01
© 2020 Master Brewers Association of the Americas

ABSTRACT

Afvalwaterbeheer is nooit een primaire overweging voor brouwerijen die net beginnen. Naarmate ze echter groeien, kan het een beperkende factor worden. Door de explosieve groei van de brouwerijsector in het afgelopen decennium staan nutsbedrijven voor de uitdaging om het afvalwater met hoge sterkte te behandelen en beperken ze de lozingsniveaus of verhogen ze de tarieven. Nieuwe microbiële brandstofceltechnologie (MFC) biedt een optie voor onsite behandeling van de ultrasterke (en duurste) stromen, waardoor brouwers aan hun toegestane niveaus kunnen voldoen, zelfs terwijl ze hun productie uitbreiden. Hoewel de technologie niet in alle gevallen toepasbaar is, moeten brouwers begrijpen hoe nieuwe MFC-systemen kunnen worden gebruikt om de kosten voor afvalwaterbeheer te verlagen.

Of je nu net begint of snel groeit, de eerste stap is inzicht krijgen in je afvalwater en de mogelijkheden om het te beheren. De behandeling van afvalwater op locatie is van oudsher onbetaalbaar voor brouwerijen, maar nieuwe microbiële brandstofceltechnologieën (MFC) beloven de kosten te verlagen en de duurzaamheid te vergroten.

De uitdaging van brouwerijafvalwater

De brouwerij-industrie is de afgelopen 5 jaar bijna verdubbeld, met meer dan 8.275 ambachtelijke brouwerijen in 2019, tegenover 4.600 in 2015 (1). Dit heeft de gemeentelijke infrastructuur van veel kleine steden overweldigd, wat heeft geleid tot beperkingen voor brouwers of toeslagen voor het lozen op het riool. Dit dwingt brouwers om na te denken over verwijdering of behandeling van de sterkste stromen. Andere factoren voor de aanpak van afvalwaterbeheer zijn duurzaamheid, kostenescalatie en vergunningsrisico’s. Niet aan het net gekoppelde brouwerijen worden met nog grotere uitdagingen geconfronteerd omdat ze geen nutsbedrijf hebben om op te lozen.

Inzicht in uw afvalwater

Voor elke liter bier die geproduceerd wordt, produceren brouwerijen tussen de 3 en 10 liter afvalwater. Dit afvalwater bevat hoge concentraties organisch materiaal, dat moeilijk te behandelen is.

Voor brouwers die beperkt zijn door vergunningsniveaus of geconfronteerd worden met hoge toeslagen, is de eerste stap om de impact te verminderen inzicht krijgen in de afvalwaterbalans en -bronnen. Dit omvat testen om te zien wat het huidige biologisch zuurstofverbruik (BZV), de totale hoeveelheid gesuspendeerde vaste stoffen (TSS) en andere voedingsstoffen zijn en waar de bronnen met de hoogste sterkte vandaan komen.

De belangrijkste concepten om te weten over brouwerijafvalwater zijn BZV en TSS. BZV is een maat voor de hoeveelheid biologisch afbreekbare organische inhoud (suikers, enz.) in een afvalwaterstroom. BZV-niveaus variëren afhankelijk van een aantal factoren, waaronder het biertype, de gebruikte ingrediënten en of de sterke stromen worden afgescheiden. In een typische brouwerij varieert het BZV van 3.000 tot 10.000 mg/L, wat tot 30 keer hoger is dan huishoudelijk afvalwater (2). TSS is een maat voor de concentratie vaste stoffen in het afvalwater en is meestal minder dan 3.000 mg/L. De meeste openbare zuiveringsinstallaties brengen extra kosten (toeslagen) in rekening voor BZV en TSS boven 300 mg/L.

Beide factoren kunnen een aanzienlijke impact hebben op de zuiveringsinstallatie stroomafwaarts, met lozing zonder vergunning tot gevolg. Hoge BZV, TSS en andere voedingsstoffen hebben niet alleen gevolgen voor de zuiveringsinstallatie, maar kunnen ook een probleem worden voor de waterwegen waar ze op lozen. Als een zuiveringsinstallatie het inkomende afvalwater met een hoge sterkte niet kan verwerken, zal het gedeeltelijk gezuiverd afvalwater in de waterweg lozen, waardoor zuurstofloze omstandigheden voor de vissen of algenbloei ontstaan. Brouwers zijn belangrijke leden van de gemeenschap en moeten erkennen dat duurzame water- en afvalwaterstrategieën cruciaal zijn voor het milieu en een duurzaam bedrijf.

Hoge sterkte gedefinieerd

Nutsbedrijven beschouwen een hoge concentratie als alles wat meer dan 300 mg/L BZV bevat, terwijl technologieleveranciers een hoge concentratie beschouwen als alles wat meer dan 1.000 mg/L bevat en een ultra- of superhoge concentratie als alles wat meer dan 10.000 mg/L BZV bevat. In een brouwerij is het afvalwater met de hoogste concentratie afkomstig van afgewerkte gist, de trub, afvalbier en de eerste spoeling van de clean-in-place wasbeurt van de apparatuur. Denk maar aan afwassen: de eerste spoeling is het vuilst en bevat het hoogste gehalte aan oplosbare organische stoffen, waardoor dit het duurste en moeilijkst te behandelen deel is. Dit volume bedraagt meestal slechts 20% van het totale afvalwater dat wordt gegenereerd in de brouwerij, maar het vormt nog steeds een uitdaging voor nutsbedrijven omdat ze mogelijk niet in staat zijn om sterk brouwerijafvalwater te accepteren en nog steeds huishoudelijke klanten te bedienen. Om het in de juiste context te plaatsen: een brouwerij die 5000 vaten per jaar produceert, loost dezelfde hoeveelheid BZV als ongeveer 500 huishoudens (2). Andere factoren om rekening mee te houden zijn pH, temperatuur, stikstof en fosfor, die allemaal limieten hebben die zijn ingesteld door het plaatselijke nutsbedrijf.

Een praktische aanpak voor het evalueren van afvalwateropties

De Wastewater Management Guidance Manual (2) van de Brewers Association is een uitstekende bron van informatie over het zijstromen van de sterkste stromen en het terugbrengen van de resterende BZV van het afvalwater naar niveaus die het nutsbedrijf kan behandelen. Bij zijstroom zijn de meest voorkomende activiteiten het scheiden van het procesafval van het afvalwater. Puree van gebruikte granen kan door boeren worden opgehaald voor diervoeder en kan een extra inkomstenstroom zijn. Andere resten gist en hop kunnen naar een composteerinstallatie worden gebracht. Bierafval moet worden opgevangen in een calamiteitentank.

Zodra brouwerijen sidestreaming hebben geïmplementeerd, is de meest kosteneffectieve optie in eerste instantie meestal om de stromen met hoge sterkte te scheiden en te transporteren, maar dit kan duur worden als ze te maken krijgen met een aanzienlijke groei. Er komt een moment dat de enige echte optie is om behandeling op locatie te overwegen.

Voordat je een onsite behandelingssysteem installeert, moet je praten met andere brouwers die systemen hebben geïnstalleerd of met experts op dit gebied. Begrijp wat je vereisten zijn en begrijp de verschillen, uitdagingen en voordelen tussen de verschillende systemen. Deze gesprekken zullen je helpen om te bepalen wat het beste systeem is voor jouw activiteiten en financiële situatie. Er is echter een nieuwe behandelingsoptie die het overwegen waard kan zijn, die hieronder wordt beschreven.

MFC-technologieën voor de behandeling van afvalwater met hoge sterkte

MFC-technologie is gebaseerd op meer dan 20 jaar onderzoek en ontwikkeling om elektriciteit te produceren uit afvalwater. MFC maakt gebruik van natuurlijk bestaande elektrogene bacteriën die directe elektriciteit produceren terwijl ze de koolstofbron “opeten”. Afvalwater van de voedsel- en drankenindustrie is een vroege toepassing voor MFC’s, omdat het rijk is aan koolstof, wat goed voedsel is voor de bacteriën.

Hoe het werkt

Tot voor kort waren de meeste MFC-technologieën niet commercieel schaalbaar en richtten ze zich slechts op een klein deel van de afvalwaterzuivering. De eerste commerciële pogingen waren ontworpen om energieterugwinning te maximaliseren in plaats van afvalwaterzuivering en bevatten dure componenten die de toepassing beperkten. Aquacycl, een startup op het gebied van watertechnologie, heeft de eerste commercieel levensvatbare MFC ontwikkeld voor de behandeling van ultrasterk afvalwater.

De BioElectrochemical Treatment Technology (BETT®) is een anaeroob afbraakproces, wat betekent dat er geen zuurstof wordt toegevoegd, wat resulteert in lagere energiekosten in vergelijking met aerobe behandeling. Het systeem bevat een anode en een kathode in één kamer. Lokale bacteriën worden geselecteerd en verrijkt om biofilms te vormen op de anode en ze beginnen het slib en oplosbaar organisch materiaal in het afvalwater af te breken. Terwijl de bacteriën het koolstofhoudend organisch materiaal in het afvalwater afbreken, geven ze elektronen af tijdens het ademhalingsproces. De bacteriën gebruiken het geleidende oppervlak om te ademen en het systeem vangt de elektronen op wanneer ze worden afgevoerd. De anode en kathode zijn elektrisch met elkaar verbonden om de elektronen met een vaste snelheid door het circuit te laten stromen en gelijkstroom (DC) te produceren.

Afhankelijk van de hoeveelheid energie die wordt opgewekt, kan deze worden opgevangen voor nuttig gebruik (een vorkheftruck opladen) of veilig worden afgevoerd. Aangezien de meeste afvalwaterzuiveringen veel energie verbruiken, maakt dit systeem het energieneutraal of wekt het gelijkstroom op. Door de snelheid waarmee elektronen worden weggenomen te verhogen, wordt de behandelingssnelheid aanzienlijk verhoogd en duurt het uren in plaats van dagen of weken. Het sneller verwijderen van elektronen heeft als bijkomend voordeel dat de microben effectief “uitgehongerd” worden zodat ze niet overgroeien, wat betekent dat ze een minimale slibproductie hebben. Slibverwijdering is slechts een of twee keer per jaar nodig en is inbegrepen in de servicekosten. Het lage slibbeheer is cruciaal voor het succes van het MFC-systeem.
De bioreactoren hebben de grootte van een standaard autobatterij en worden als LEGO® op elkaar gestapeld om de behandelingskwaliteit of -capaciteit te verhogen. Dit betekent dat als de productie toeneemt, de behandeling kan groeien. Elke reactor in de container wordt op afstand bewaakt en in realtime bestuurd door Aquacycl, waardoor eventuele problemen zo snel mogelijk worden gesignaleerd en de noodzaak voor een fulltime operator op locatie tot een minimum wordt beperkt.

MFC’s in actie

Een voorbeeld van een brouwerij die de MFC-technologie heeft gevalideerd is een van de grootste bierbedrijven ter wereld. Ze hadden een microbrouwerij overgenomen en ondervonden een toenemende vraag naar het nieuwe merk. Dit leidde tot de beslissing om productiemogelijkheden toe te voegen aan hun megabrouwerij die het recept van de overname produceerde. Omdat het nieuwe bier fruitsmaken bevatte, verstoorden de stromen met hoge concentraties hun eigen zuiveringsinstallatie. Ze vervoerden het afvalwater met hoge concentratie voor afvoer en dat kostte tienduizenden dollars per maand. Ze werkten samen met Aquacycl om de behandeling van het afvalwater met hoge concentraties van het fruitbier te valideren, waarbij de BZV en TSS gereduceerd werden tot niveaus die vervolgens in hun bestaande anaerobe vergistingsinstallatie ingevoerd konden worden. Dit zorgde voor meer flexibiliteit in termen van productievariatie, waardoor ze hun productie konden wijzigen zonder de behandeling stroomafwaarts te beïnvloeden.

Een andere toepassing van MFC-technologie was een brouwer die al voor de opening rekening moest houden met afvalwater. Joshua Tree Brewery wilde hun populaire bieren uitbreiden van de garage naar een fysieke tapruimte. Het stadje met 10.000 inwoners is een ambachtelijke bierwoestijn en de dichtstbijzijnde brouwerij ligt meer dan 50 mijl verderop. Ze kregen te horen dat ze een eigen zuiveringssysteem nodig hadden om te voldoen aan de eisen van de staat, de provincie en de plaatselijke lozing, omdat ze geen lozingspunt hadden.

Toen ze opties gingen bekijken om hun afvalwater te behandelen, bleken standaardbehandelingssystemen onbetaalbaar voor een klein bedrijf met kleine volumes. De behandelingsvereisten zouden het hele bedrijf bijna stilleggen. Door met Aquacycl te werken, konden ze betaalbaar voldoen aan de lozingseisen van de provincie en verwijderden ze 99% van de BZV, 85% van de TSS, alle zwavel en ongeveer een derde van de stikstof. Zwavelverwijdering maakt gebruik van een biologisch proces om alle sulfaten en sulfieten om te zetten in elementaire zwavel. Er wordt geen waterstofsulfide gegenereerd, wat betekent dat het systeem geen geur produceert. Op dezelfde manier verwijderen de microben direct de stikstof door deze om te zetten in ammonium. De Aquacycl-technologie wordt meestal toegepast als voorbehandeling voor het verwijderen van BZV in bulk en, afhankelijk van de lozingseisen van de klant, in combinatie met partnertechnologieën als polijststap.

Voordelen en uitdagingen van MFC’s

MFC’s zijn veelbelovend voor gedistribueerde afvalwaterzuivering, maar ze zijn niet geschikt voor alle brouwers. De beste toepassing is kleine volumes van ultrasterke stromen die niet geloosd kunnen worden op de riolering of behandeld kunnen worden door conventionele systemen, of die anders van de site afgevoerd worden. Door het moeilijkste deel van het afvalwater rechtstreeks te behandelen, zullen brouwers de kosten voor het vervoer per vrachtwagen, de toeslagen en het risico op lozingen zonder vergunning aanzienlijk verminderen.

Hier zijn enkele andere voordelen:

De grootste uitdaging van MFC-systemen is het vinden van de juiste toepassing waar ze kosteneffectief kunnen worden geïmplementeerd. Ze zullen niet competitief zijn om volledig brouwerijafvalwater of grote volumes afvalwater met lage sterkte te behandelen. De beste toepassing is waar brouwerijen de stromen met hoge sterkte al zijwaarts stromen en transport naar elders willen elimineren. De andere belangrijke overweging zijn de kosten om te lozen of te behandelen. MFC-technologieën zullen niet kostencompetitief zijn in gebieden met lage toeslagen.

Conclusion

Hoewel de meeste brouwers niet nadenken over afvalwater tenzij ze ertoe gedwongen worden, kan een goed begrip van je opties en nieuwe technologieën nuttig zijn voor zowel groeiende als nieuwe brouwers. Wanneer je brouwerij op het punt komt dat je de manier waarop je afvalwater beheert moet veranderen, begin dan met het stromen van de stromen met de hoogste sterkte. Deze kunnen ter plekke behandeld worden met MFC-systemen of afgevoerd worden. Hoewel MFC-systemen waarschijnlijk niet geschikt zijn voor alle brouwerijen, hebben ze aangetoond aanzienlijke kostenbesparingen, een kleinere voetafdruk, een hands-off afvalwaterbehandeling en directe energieterugwinning te bieden, waardoor brouwers zich kunnen concentreren op het maken van bier in plaats van zich zorgen te maken over afvalwaterbehandeling.

REFERENTIES

1. Vereniging van Brouwers. 2020. Brewers Association publiceert jaarlijks groei-rapport voor 2019. https://www.brewersassociation.org/press-releases/brewers- association-releases-annual-growth-report-for-2019/.
2. Vereniging van Brouwers. 2017. Leidraad voor afvalwaterbeheer. Brewers Association, Boulder, CO. https://s3-us-west-2.amazonaws. com/brewersassoc/wp-content/uploads/2017/05/Wastewater_Management_ Guidance_Manual.pdf.