Met slechts een kleine aanpassing kunnen bestaande waterzuiveringsinstallaties mogelijk tot circa 60 procent van alle PFAS uit afvalwater verwijderen. In het WaterLab van de TU Delft onderzoekt men de meest effectieve methode. 

PFAS is de verzamelnaam voor een grote groep synthetische fluor-koolwaterstofverbindingen. Hun water- en vetafstotende eigenschappen maken ze ideaal voor gebruik in alledaagse gebruiksvoorwerpen, maar doordat ze nauwelijks afbreken hopen ze zich op in de grond, in het water en in ons lichaam. In hoge concentraties kunnen ze daar bijvoorbeeld schildklierproblemen, leverproblemen en kanker veroorzaken.

‘Wij maken gebruik van een eigenschap van PFAS om het vrij eenvoudig uit afvalwater te kunnen verwijderen’, zegt Sanne Smith, universitair docent fysisch-chemische behandelingstechnologieën.

PFAS hecht zich aan het grensvlak tussen lucht en water en belandt zo in schuim. Door dat schuim gericht af te vangen, kan PFAS efficiënt uit water worden gehaald. PFOA bijvoorbeeld, een veelgebruikte PFAS-variant, is aan de ene kant hydrofoob (de staart) en aan de ander kant hydrofiel (de kop). Illustratie: TU Delft

Contact met luchtbellen

PFAS is een oppervlakte-actieve stof. Het ene deel van het molecuul is hydrofiel en wil graag in het water zitten, het andere deel is juist hydrofoob, ofwel watervrezend. 

Wanneer PFAS-deeltjes in contact komen met bijvoorbeeld luchtbellen die in het afvalwater borrelen, of een andere omgeving waar lucht en water elkaar raken, dan gaan ze zich op een bepaalde manier oriënteren. ‘De kop steekt in het water, de staart gaat de lucht in’, zegt Smith.

Schuimfractionering

Dit principe, conventionele schuimfractionering genaamd, wordt nu al gebruikt om PFAS uit water te zuiveren. Smith deed er voor haar promotie onderzoek naar en het werkt als volgt. Een met PFAS vervuilde waterstroom wordt een tank in geleid. Door die te beluchten, ontstaan er veel luchtbelletjes. PFAS bindt zich aan die luchtbellen en komt vervolgens terecht in het schuim dat zich bovenop het afvalwater verzamelt. 

Dit schuim stroomt naar een tweede vat waar het inzakt tot een vloeistof met een hoge PFAS-concentratie. ‘Dit wordt al op grote schaal toegepast voor de zuivering van onder andere grondwater’, zegt Smith. 

Maar de methode kent een groot nadeel. Het beluchten kost een hoop energie. Daarnaast zijn er grote reactoren voor nodig. ‘Ook die zijn kostbaar en de methode neemt daarmee veel ruimte in beslag.’

Antischuim

In bestaande biologische waterzuiveringen van riool of industrieel afvalwater is schuimvorming juist een ongewenst effect. Het schuim kan verwaaien naar de omgeving en stankoverlast veroorzaken. 

De microben zijn daar zelf de oorzaak van. Wanneer die in een grote beluchte tank aan het werk zijn om organische stof en stikstof uit het afvalwater te halen, produceren ze oppervlakte-actieve stoffen – extra cellular polymeric substances heten ze dan – die flink wat schuim opleveren. Waterzuiveraars voegen daarom antischuimmiddel toe. Smith. ‘Toen dachten we: kunnen we dat schuim niet gebruiken om gelijk PFAS te verwijderen?’

Dat heeft veel voordelen: er is geen nieuwe reactor nodig en geen beluchtingsinstallatie. Bovendien hebben biologische processen vaak een lange verblijftijd: het water zit lang in de reactor waardoor de PFAS voldoende tijd heeft om aan dat luchtwateroppervlak te hechten. Ook is dan geen of veel minder antischuimmiddel nodig.

Ophopen

Eerste experimenten met een biologische zuivering op labschaal lieten eerder al zien dat 60 procent van alle PFAS is te verwijderen via het schuim. ‘Dat ging om 32 soorten. Kijk je alleen naar de PFAS-soorten die echt schadelijk voor de mens, dan is de verwijdering zelfs 80 procent’, zegt Smith.

De Delftenaren willen nu eerst onderzoeken of het stoppen met antischuim geen invloed heeft op de biologische activiteit van de actiefslibinstallatie en wat de beste manier is om het schuim te verwijderen. Door geen antischuim te gebruiken, komt ook een deel van de microben zelf mee omhoog met het schuim.

De eerste experimenten worden nu herhaald door promovenda Joséphine van Ruiten en binnenkort vindt zelfs al een full scale-experiment bij de biologische zuivering van een afvalverwerker plaats. ‘Het eerste prototype is een soort overflow, waarin we het schuim dat overloopt opvangen. Maar we hebben nog veel ideeën die we willen uittesten. Daarna gaan we het ontwerp optimaliseren.’

Schuim vormt zich aan het oppervlak van de reactor. In deze fase wordt gekeken of de microbiologie stabiel blijft functioneren en stikstofverwijdering niet wordt verstoord. Foto: De Ingenieur

Afvangbuizen

Het schuim in het lab vangen de onderzoekers af met een soort buizensysteem waarin het schuim omhoog ‘kruipt’, ‘We testen buizen met verschillende diameters en hoogten en voor het opschalen kunnen we bijvoorbeeld meerdere buizen in een bundel bij elkaar zetten’, zegt Van Ruiten die dit onderzoekt. ‘We zien dat het schuim opstijgt, af en toe breekt en terugvloeit naar beneden. Althans het water, de PFAS blijft zich wel hechten aan de luchtbelletjes.’

Dat is interessant, want hoe ‘droger’ het schuim, hoe hoger de PFAS-concentratie. De onderzoekers willen het proces optimaliseren om zo droog mogelijk schuim op te vangen meteen zo hoog mogelijke concentratie PFAS. Dat is ook belangrijk voor de volgende stap, die nu nog veel energie en geld kost.

Promovendus Joséphine van Ruiten onderzoekt hoe PFAS-rijk schuim slim is af te vangen in een bestaande waterzuiveringsinstallatie voor stikstofverwijdering bestaande uit nitrificatie- en denitrificatiestappen. Foto: De Ingenieur

Leefomgeving

Op dit moment wordt PFAS-houdend afval verbrand. Dat kan ook met het schuim, maar dat kost veel meer energie, zegt Smith. ‘Om de PFAS-moleculen met een andere destructieve technologie af te breken, werken we samen met partners in Spanje en de Verenigde Staten.’

Het voordeel van zuiveren aan de ‘bron’, in dit geval afwater met PFAS of water van met PFAS vervuilde locaties, is dat de afvalstroom hogere PFAS-concentraties kent en het daarmee per kilogram PFAS minder energie kost om die te verwijderen. ‘En het heeft meer effect’, vind Smith, ‘want zo komt er minder PFAS in de leefomgeving. En dus in zoogdieren, vissen en gewassen. Zo beschermen we niet alleen de menselijke gezondheid, maar ook die van het milieu.’


Openingsfoto: Sanne Smith demonstreert de werking van schuim.
Foto: TU Delft