Inventarisatie van waterbehandelingstechnieken
Algemeen worden waterbehandelingstechnieken onderverdeeld in twee grote groepen: scheidings-/concentratietechnologieën en afbraak-/destructietechnologieën. Op het moment van schrijven worden scheidings-/concentratietechnologieën het meest toegepast voor het behandelen van met PFAS belast bedrijfsafvalwater/bemalingswater in Vlaanderen. In deze technieken kan verder een onderscheid gemaakt worden tussen adsorptietechnieken, coagulatie/flocculatietechnieken en vloeistof-vloeistof scheidingstechnologie. Enkele van deze technieken, waaronder granulaire actief kool, ionenuitwisseling en membraan gebaseerde technieken worden reeds tot op een bepaald niveau op commerciële schaal toegepast in Vlaanderen. Het nadeel van deze categorie van technieken is dat ze PFAS niet afbreken, maar het enkel overdragen naar een vaste fase of concentreren in een concentraatstroom (Meegoda et al., 2020). Dit PFAS-houdend residu dient steeds verder behandeld of verwerkt te worden, met mogelijke milieu-impact door materialen-, water, of energieverbruik, en mogelijke emissies naar lucht of water bij de verwerker. Het voordeel aan deze technieken is dat ze grote hoeveelheden stromen kunnen behandelen met lage PFAS concentraties, waarbij een significante volumereductie van de gevormde afvalstromen optreedt (Input leden BC, 2022; Meegoda et al., 2020).
Anderzijds zijn er de afbraak-/destructietechnologieën die PFAS kunnen afbreken. Deze technologieën kunnen mogelijk als één van de laatste stappen toegepast worden in een behandelingstrein om kleinere volumes met hoge concentratie PFAS te verwijderen. De focus ligt hier voornamelijk op de behandeling van kleinere volumes zijn doordat een grote hoeveelheid energie nodig is om PFAS efficiënt te kunnen afbreken (Riegel et al., 2020). Afhankelijk van de toegepaste techniek kan er mogelijk nog een polishingstap nodig zijn. Op het moment van schrijven zijn veel van deze afbraak-/destructietechnieken nog in onderzoeks- of pilootfase. Enkel de rechtstreekse verbranding van bedrijfsafvalwater wordt op het moment van schrijven op grote schaal toegepast in Vlaanderen.
Tabel 4 en Tabel 5 geven een overzicht van respectievelijk de scheidings-/concentratietechnieken en de afbraak-/destructietechnieken die behandeld zullen worden in deze BBT-studie. Hierbij wordt steeds een korte definitie gegeven van elk van de technieken alsook een inschatting van Schaal/Marktrijpheid/TRL voor de toepassing op PFAS-verwijdering, referenties en mogelijke technische fiches. De inschatting van schaal of marktrijpheid van een techniek wordt telkens uitgedrukt in “technology readiness levels, TRL’s. Tabel 3 geeft een kort overzicht van de betekenis van deze TRL’s, namelijk de verschillende fasen in de ontwikkeling van een technologie naar de markt (Europese Commissie, 2017). In deze BBT-studie wijzen de TRL’s op de stand van de techniek specifiek voor de verwijdering van PFAS.
|
Ontdekkingsfase |
Omschrijving |
|---|---|
|
TRL 1 – basisprincipes waargenomen |
fundamenteel onderzoek: onderzoeken van het innovatieve idee en basisprincipes van de innovatie |
|
TRL 2 – technologisch concept geformuleerd |
toegepast onderzoek: formuleren van technologische concept en praktische toepassingen |
|
TRL 3 – experimenteel proof-of-concept |
Proof-of-concept: onderzoeken van toepasbaarheid van het concept op experimentele basis |
|
Ontwikkelingsfase |
|
|
TRL 4 – technologie gevalideerd in het labo |
implementatie en test prototype: op laboschaal testen van proof-of-concept van innovatie |
|
TRL 5 – technologie gevalideerd in een relevante omgeving |
validatie prototype: onderzoeken van werking van technologische concept in een relevante omgeving |
|
TRL 6 – technologie gedemonstreerd in een relevante omgeving |
demonstratie prototype in testomgeving: uitgebreid testen en valideren van concept in een relevante testomgeving |
|
Demonstratie fase |
|
|
TRL 7 – demonstratie prototype in operationele omgeving |
testen en demonstreren van concept in gebruikersomgeving om werking in een operationele omgeving te bewijzen |
|
TRL 8 – product/ dienst is compleet en operationeel |
innovatie krijgt definitieve vorm; technologische werking is getest en bewezen |
|
Marktintroductie |
|
|
TRL 9 – product/ dienst is bewezen in operationele omgeving |
innovatie technisch en commercieel gereed; productierijp en klaar voor lancering in gewenste marktomgeving |
Tijdens de inventarisatie werden nog enkele bijkomende technieken geïdentificeerd die potentieel PFAS kunnen verwijderen zoals elektrosorptie, Periodically Reversing ElectroCoagulation (PREC), elektrokatalyse, foto-elektrokatalyse, constructed wetlands, enzymen en proteïnen voor bioremediatie en hydrothermische processen. Op het moment van schrijven was er onvoldoende informatie beschikbaar over deze technieken, waardoor deze niet mee werden opgenomen in onderstaand overzicht. Ten slotte worden in deze inventarisatie enkel algemene technieken besproken en worden geen specifieke merknamen vermeld. De rest van dit hoofdstuk geeft een meer gedetailleerde beschrijving en evaluatie van de verschillende waterbehandelingstechnieken die op het moment van schrijven in een bepaalde vorm de demonstratiefase hebben bereikt tijdens hun ontwikkeling (TRL >= 7). Deze beschrijving is gebaseerd op informatie uit wetenschappelijke literatuur, publieke en interne rapporten, informatie aangeleverd door de leden van het begeleidingscomité en informatie uit 1-op-1 gesprekken met bedrijven, studiebureaus en technologieleveranciers. De beschrijving en evaluatie van deze technieken moet het mogelijk maken kandidaat BBT te formuleren die verder beschreven worden in Hoofdstuk 4. De overige technieken vermeld in Tabel 4 en Tabel 5 die op het moment van schrijven minder marktrijp zijn (TRL <7), komen verder aan bod in Hoofdstuk 7 Technieken in opkomst.
|
Techniek |
Definitie |
Schaal/ |
Referenties |
Technische fiches |
|---|---|---|---|---|
|
Adsorptie |
||||
|
Een niet-gevaarlijk, koolstof houdend materiaal met een poreuze structuur en hoog inwendig oppervlak geschikt voor de adsorptie van een breed gamma aan organische micropolluenten, CZV, en in mindere mate ook metalen in organische complexen door hydrofobe en elektrostatische interacties (WASS, 2010; Desotec, persoonlijke communicatie, 2022) |
TRL 9 |
Arcadis, 2021 |
||
|
Het uitwisselen van ionen met andere ionen (zoals bijvoorbeeld Cl- en Ca2+) doormiddel van polymeer kunstharsen. De kunstharsen kunnen verschillende functionele groepen bevatten, waardoor op selectieve wijze geladen ionen, d.i. kation, anion, of bepaalde complexen uitgewisseld kunnen worden. De aard van de functionele groep, de matrix en de porositeit bepalen de selectiviteit van het kunsthars. Naast de uitwisseling is er omwille van de porositeit en aard van polymeer ook directe adsorptie mogelijk. Afhankelijk van de selectiviteit / sterkte van de binding kan een ionenwisselaar al dan niet geregenereerd en hergebruikt worden (Leveranciersinformatie, 2023; Yadav et al., 2022). |
TRL 9 (zonder regeneratie) |
Arcadis, 2021 |
||
|
Silica, zeolieten, organische kleiverbindingen en hun oppervlaktegemodificeerde materialen zijn natuurlijke, minerale adsorbentia met een groot intern contactoppervlak die toegepast worden voor chemische zuivering, scheiding en sorptie van organische polluenten en zware metalen (Verma et al., 2021; Wanninayake, 2021). |
TRL 5 - 7 (kleimaterialen) |
Garg et al., 2021 Input leden BC, 2022 ITRC, 2020 Mukhopadhyay et al., 2021 Riegel et al., 2020 Van den Bergh et al., 2021 |
|
|
|
Een koolstofrijk adsorbens dat geproduceerd wordt door pyrolyse van natuurlijke materialen (zoals organisch afval, slib, mest, algen, …) in de afwezigheid van zuurstof. Het materiaal kan in vergelijkbare opstelling toegepast worden als actief kool voor de verwijdering van verontreinigende stoffen uit water door hydrofobe interacties (Militao et al., 2021; Yadav et al., 2022). |
TRL 4 - 6 |
Iery, 2019 |
|
|
|
Carbon nanotubes zijn nano-materialen waarbij het water doorheen nanobuizen wordt geperst doormiddel van geluid in plaats van druk. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen single-walled CNTs (SWCNTs) en multi-walled CNTs (MWCNTs). Deze techniek wordt toegepast voor de verwijdering van biologische contaminanten en moleculen groter dan water (Garg et al., 2021; Watercircle, 2021). |
TRL 3 - 4 |
Ateia et al., 2019 |
|
|
|
Een molecular imprinted polymer (MIP) is een polymeer dat gevormd wordt in aanwezigheid van een stof die er later uitgehaald wordt. Daardoor blijven in het polymeer complementaire ruimten achter met een affiniteit voor de betreffende stof. Deze gaten kunnen ook chemisch gelijkaardige moleculen binden (Kucharzyk et al., 2017).
|
TRL 3 |
Gagliano et al., 2021 |
|
|
|
Coagulatie |
||||
|
De toepassing van coagulanten of flocculanten in een waterbehandelingstechniek voor de verwijdering van zwevende, colloïdale en sommige opgeloste stoffen. De chemische additieven worden toegevoegd aan het te behandelen water om de polluenten te verplaatsen naar een toestand waarbij ze eenvoudiger afgescheiden kunnen worden door bezinking, filtratie of flotatie (Riegel et al., 2020). |
TRL 6 - 8 |
Cornelsen et al., 2021 |
||
|
De adsorptie van polluenten aan neerslagen die gegenereerd worden door het aanleggen van een elektrische stroom door een oplossing aan de hand van een anode en kathode. Afhankelijk van het type anode worden verschillende metaalhydroxides gevormd. Door de vorming van H2 en O2 gas aan de elektrodes worden de neerslagen met geadsorbeerde polluenten naar de oppervlakte gedreven waarna deze afgescheiden kunnen worden (Pancras et al., 2018; Liu et al., 2022a).
|
TRL 5 |
Garg et al., 2021 Tow et al., 2021 Santiago et al., 2022 |
||
|
Membraan gebaseerde technieken |
||||
|
Een membraan-gebaseerd proces waarbij nagenoeg alle opgeloste componenten afgescheiden worden door de transfer van water doorheen een semi-permeabel membraan met poriegroottes van < 1nm door het aanleggen van een hoge druk boven de osmotische druk van de oplossing. Door de toepassing van RO membranen ontstaat een kleine fractie concentraatstroom en grotere fractie zuiver permeaat (Riegel et al., 2020; Yadav et al., 2022). |
TRL 9 |
Arcadis, 2021 Lee et al., 2022 Liu et al., 2022b Mastropietro et al., 2021 |
||
|
Een druk-gedreven membraan-gebaseerd proces met poriegroottes tussen 1 en 10 nm. Door de toepassing van NF membranen ontstaat een kleine fractie concentraatstroom en grotere fractie zuiver permeaat (Riegel et al., 2020; Yadav et al., 2022). |
TRL 9 |
Arcadis, 2021 Lee et al., 2022 Liu et al., 2022b Mastropietro et al., 2021 |
||
|
Diverse technieken |
||||
|
Het concentreren van opgeloste polluenten in een concentraatstroom of vast restproduct en het destilleren van gezuiverd water uit het afvalwater (WASS, 2010). |
TRL 7 - 9 |
Input leden BC, 2022 Tow et al., 2021 |
https://emis.vito.be/nl/bbt/bbt-tools/techniekfiches/indampen
|
|
|
Foam fractionation and ozofractionation |
Het opconcentreren en afscheiden van oppervlakte-actieve stoffen uit een oplossing in een schuimfase door het introduceren van gasbellen in de oplossing. De gasbellen worden gecreëerd door aanbrengen van een gas (meestal lucht of stikstofgas) aan de onderkant van de oplossing. De oppervlakte-actieve stoffen hechten zich aan het gas-water oppervlak van de gasbellen en worden zo meegenomen naar de schuimlaag aan het oppervlak (Yadav et al., 2022). |
TRL 7 - 8 |
Arcadis, 2021 Buckley et al., 2022 Vo et al., 2023 |
|
|
Techniek |
Definitie |
Schaal/ |
Referenties |
Technische fiches |
|---|---|---|---|---|
|
Geavanceerde oxidatietechnieken (AOP) |
||||
|
Chemical oxidation |
De partiële of volledige oxidatie van organische polluenten door toevoeging of productie van chemische oxidantia tijdens de waterbehandeling (WASS, 2010). |
TRL 6 |
Ahmed et al., 2020 Trang et al., 2022 |
https://emis.vito.be/nl/node/19231
|
|
Degradatie van organische polluenten door toepassing van fotokatalysatoren zoals titanium oxide of indium oxide nanopartikels en UV-straling. Tijdens de reactie van het UV-licht met de fotokatalysator worden hydroxide radicalen gevormd die zorgen voor de afbraak van de organische polluenten tijdens de waterbehandeling (Verma et al., 2021). |
TRL 5 - 6 |
Ahmed et al., 2020 |
||
|
De volledige oxidatie van organische polluenten door de introductie van een zuurstofhoudend oxidans zoals lucht, O2 of waterstofperoxide onder superkritische omstandigheden van water waarbij hoge drukken (22,1 MPa) en temperaturen vereist (374°C) zijn. Het bereiken van de superkritische toestand van water zorgt voor het oplossen en een versnelde oxidatie van een grote verscheidenheid aan polluenten (Berg et al., 2021; Tow et al., 2021). |
TRL 4 - 6 |
Arcadis, 2021 Li et al., 2022 |
https://emis.vito.be/nl/node/19264
|
|
|
Een verwijderingstechniek voor organische polluenten via de productie van hydroxide radicalen door het splitsen van water door middel van anodes uit specifieke materialen zoals boor-gedoteerd diamant of metaaloxides, zonder de toevoeging van chemische additieven (Santiago et al., 2022; Yadav et al., 2022). |
TRL 3 - 5 |
Arcadis, 2021 |
|
|
|
Geavanceerde reductietechnieken (ARP) |
||||
|
Non-thermal pasma treatment technology |
De degradatie van polluenten door de productie van hoog-reactieve oxidatieve en reductieve substanties (zowel opgelost als vrije elektronen) door de inwerking van een niet-thermisch plasma van een inert gas (vb. argon). Een plasma is een hoog energetische toestand van een gas door de toevoeging van energie waarbij een mix ontstaat van ionen, hoog energetische elektronen, fotonen en radicalen (Yadav et al, 2022; Input leden BC, 2022). |
TRL 6 - 8 |
Ahmed et al., 2020 Khan et al., 2022 Leung et al., 2022 Nau-hix et al., 2021 Roest et al., 2021 Singh et al., 2019 Singh et al., 2021 |
|
|
Chemical reduction |
De partiële of volledige reductie van polluenten door toevoeging van reductantia eventueel in combinatie met specifieke activatiemethoden om hoog reactieve componenten te produceren die polluenten kunnen afbreken of mineraliseren tot minder toxische componenten (Yadav et al., 2022). |
TRL 5 |
Cui et al., 2020 ITRC, 2020 |
|
|
Biologische behandelingstechnieken |
||||
|
Microbe-based bioremediation |
Microbiologische afbraak of biotransformatie van organische polluenten door toepassing van specifieke micro-organismen zoals bacteriën en schimmels (Zhang et al., 2022). |
TRL 3 - 4 |
Ateia et al., 2019 |
|
|
Diverse technieken |
||||
|
Thermal degradation and incineration |
De afbraak van polluenten door verbranding in verbrandingsinstallaties en thermische naverbranders (Input leden, BC). |
TRL 8 - 9 |
Garg et al., 2021 Hofman & Berghmans, 2021 Longendyke et al., 2022 |
|
|
De toepassing van een lage of hoge frequentie (20 kHz tot 1 MHz) ultrasone golven waardoor cavitatie ontstaat in gevormde belletjes dat zorgt voor de afbraak van polluenten. De afbraak wordt gerealiseerd door hoge temperatuur aan het beloppervlak, hoge damp temperatuur en door reactie met vrije hydroxide radicalen die tijdens dit proces gevormd worden (Yadav et al., 2022). |
TRL 4 - 5 |
Arcadis, 2021 |
|
|
|
|
Het degraderen van polluenten door het produceren van ioniserende straling zonder het gebruik van radioactieve isotopen. Door middel van elektronversnellers worden grote hoeveelheden hoog-energetische elektronen gegenereerd van elektriciteit die op hun beurt verschillende hoog reactieve componenten vormen zoals waterstof radicalen, gesolvateerde elektronen en hydroxyl radicalen (ITRC, 2020).
|
TRL 4 |
ITRC, 2020 |
|
|
Het gebruik van licht (UV-straling) voor de directe afbraak van polluenten of indirecte afbraak door de bijkomende toevoeging van chemicaliën (ITRC, 2020; Yadav et al., 2022). |
TRL 3 - 4 |
Chen et al., 2022 ITRC, 2020 |
|
|