Tien jaar Aquafarm: lessen over circulair en natuurlijk zuiveren van afvalwater

Aquafarm is een innovatief project dat natuurlijke processen inzet om afvalwater te zuiveren, broeikasgasuitstoot te beperken en biomassa te oogsten. Tot voortzetting van het initiatief kwam het niet, maar in 10 jaar experimenteren en onderzoeken heeft Aquafarm veel waardevolle inzichten opgeleverd, schrijven de onderzoekers. "De geleerde lessen bieden een stevige basis voor toekomstige innovaties in duurzaam waterbeheer."

door David Koenders, Hugo Beekelaar, Karlijn van Pels en Judith Claus

Afvalwater wordt vaak gezien als iets om zo snel mogelijk te lozen, maar wat als het juist een bron van waardevolle grondstoffen is? Aquafarm laat zien hoe natuur en technologie samenkomen om afvalwater te zuiveren op rioolwaterzuiveringen (rwzi's) én ook grondstoffen teruggewonnen kunnen worden. Dit concept is ontstaan vanuit het idee dat de watersector anders moet gaan nadenken over – en kijken naar – afvalwaterzuivering. Van zuiveren naar oogsten!

De huidige manier van afvalwaterzuivering loopt namelijk tegen de technische grenzen aan. Aquafarm maakt gebruik van flora en aquatische macrofauna (denk daarbij aan algen, kroosvaren en wormen) om water te zuiveren en tegelijkertijd biomassa te oogsten. Deze biomassa wordt vervolgens ingezet in circulaire ketens als meststoffen, visvoer of andere bio-based producten.

Het concept is opgeschaald tot technology readiness level (TRL) 4 en heeft een bewezen conceptfase bereikt. Aquafarm is zowel wetenschappelijk op labschaal getest, als op een rwzi in Rhenen. In die periode is veel geleerd over de technologische mogelijkheden van Aquafarm en processen rondom innovatie. Dit artikel blikt terug op 10 jaar Aquafarm en deelt de inzichten en waardevolle lessen die tijdens dit innovatieve project zijn geleerd.

Ontstaan van Aquafarm
Het concept Aquafarm kwam in 2014 als winnend idee uit de bus van een prijsvraag over baanbrekende ideeën van WaterWegen, een denktank voor de waterschappen. Met dit idee is een consortium bestaande uit waterschappen Hoogheemraadschap de Stichtse Rijnlanden, Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier en Waterschap Rivierenland, kennisinstellingen Wageningen Environmental Research en de Radboud Universiteit in 2015 en transitiepartij VanWaarde vervolgens op pad gegaan om deze innovatieve technologie verder te ontwikkelen.

Daarbij waren vier principes leidend in het ontwerpen van het Aquafarm systeem:

1. Het zelfopruimend vermogen van de natuur (slibreductie);
2. Het zelfreinigend vermogen van de natuur (nutriënten, broeikasgassen en microverontreinigingen);
3. Het vastleggen van bouwstenen (emissiearm zuiveren);
4. De natuur kent geen verspilling (circulariteit).

Deze principes sluiten naadloos aan bij de uitdagingen waar de waterschappen voor staan in relatie tot de Kaderrichtlijn Water (KRW), de herziene richtlijn stedelijk afvalwater (HRSA) en op het gebied van circulair en klimaatneutraal water zuiveren. Deze uitdagingen eisen nóg betere prestaties van de rwzi's. En vraagt om technieken die niet alleen effectiever zijn in het verwijderen van nutriënten en microverontreinigingen, maar ook minder energie verbruiken en zo min mogelijk broeikasgassen uitstoten.

Er wordt hiermee gewerkt aan een zuivering waarbij de uitstoot van broeikasgassen wordt teruggebracht naar nul of netto opname. De huidige manier van afvalwaterzuivering staat onder druk door strengere lozingseisen en vervuilendere stoffen in het riool. De toekomst van afvalwaterzuivering daarom om breed experimenteren met nieuwe technologieën en een radicaal andere manier van zuiveren — met oog voor vergaande nutriëntenverwijdering, circulariteit en klimaatneutraliteit.

Geschiedenis 
Fase 1 (2016-2018): Proof of principle
In de eerste fase lag de focus op het aantonen van het concept van Aquafarm in een laboratoriumomgeving. De experimenten vonden plaats in de kassen van de Radboud Universiteit en Wageningen University & Research, waar een labopstelling is gebouwd om de Aquafarmconcepten te testen. De experimenten lieten zien dat wormen slib afbreken (en daarmee reduceren) en dat kroosvaren (Azolla) nutriënten opneemt. Dit onderzoek bracht Aquafarm tot TRL 3.

Fase 2 (2018-2023): Vervolgonderzoek
Na fase 1 is het consortium verdergegaan met experimenteren op de rwzi’s . In 2019 werd een kasopstelling gebouwd op het rwzi-terrein in Rhenen. Deze pilotopstelling bood de mogelijkheid om laboratoriumresultaten op grotere schaal en onder realistischere omstandigheden te testen. Het meerjarig onderzoek focuste op het uitbreiden van het aantal soorten dieren en planten, en het bepalen van de (elkaar versterkende) interactie tussen deze twee groepen in de cascade-opstelling, voor slibafbraak en effluentzuivering onder realistische omstandigheden. Daarnaast werd, samen met andere geïnteresseerde partijen en waterschappen, onderzoek gedaan naar hoe effectief Aquafarm schadelijke stoffen, zoals metalen en PAK's, kon verwijderen.

Om de potentie van Aquafarm verder in beeld te brengen is er ook een value casestudie gedaan naar het totale concept. Hierin werd gekeken naar de klimaatvoetafdruk van de cascade en de mogelijk circulaire toepassingen van de grondstoffen die vanuit Aquafarm te oogsten zijn. Deze eerste analyse gaf een positief inzicht in het klimaatneutrale (of zelfs positieve) en circulaire karakter van het Aquafarm concept. De resultaten werden gepresenteerd tijdens een netwerkdag in oktober 2022 met een volle zaal geïnteresseerden. In een waterschapsrapportage (mei 2023) zijn de onderzoeksresultaten van deze fase gepubliceerd. Aquafarm bereikt TRL 4.

Fase 3 (2023-2025): Acquisitie, afronden en evalueren
Na het afronden van fase 2 en het bereiken van TRL 4 is nagedacht over de volgende stap: opschaling naar TRL 7. Er werd een plan opgesteld waarin meer onderzoek en opschaling van de pilotopstelling centraal stonden. En een acquisitieperiode moest het bouwen van een consortium voor deze nieuwe fase opleveren. Nieuwe partners waren nodig om het Aquafarm concept een goede stap verder te brengen, mede omdat Waterschap Rivierenland inmiddels had aangegeven niet langer mee te kunnen doen.

Tijdens de acquisitieperiode zijn vele gesprekken gevoerd met (markt)partijen om scherp te krijgen waar de grootste toegevoegde waarde van Aquafarm ligt. Daarin zijn drie sporen benoemd: 

1. Aquafarm als natuurlijke (na)zuiveringsstap voor huishoudelijk afvalwater;
2. Aquafarm als natuurlijke zuiveringsmethode voor nutriëntrijke, industriële afvalwaterstromen;
3. Aquafarm als methodiek om oppervlaktewater te zuiveren en bio-based, circulaire materialen te oogsten;

Na een stevige acquisitieronde is besloten verder te praten met partijen om een consortium voor fase 4 te vormen voor sporen 1 of 2. De oproep van de acquisitie was duidelijk: “word Aquafarmer en help mee dit circulaire zuiveringsconcept verder te brengen”. Na een jaar lang gesprekken voeren bleek het niet mogelijk een consortium bij elkaar te brengen om de vervolgstap invulling te geven. Ondanks de innovatieve benadering en veelbelovende resultaten, waren daar verschillende redenen voor, onder andere:

1. Complexiteit van opschaling: Hoewel het concept in laboratoria en pilots werkte, bleek grootschalige implementatie financieel, ruimtelijk en organisatorisch uitdagend;

2. Marktacceptatie: De geproduceerde biomassa had potentie als grondstof in bijvoorbeeld de vorm van meststof of visvoer. De afzetmarkten hiervoor bleken echter te klein of onvoldoende bereid om over te stappen op bio-based producten. Hierbij helpt het niet dat afvalwater de status van afval heeft, en grondstoffen die uit afvalwater geproduceerd worden, deze status ook hebben. Wat verwerking in bijvoorbeeld de voedselindustrie moeilijk maakt;

3. Biologische kwetsbaarheid: Het project is niet toegekomen aan het onderzoeken of een dergelijk systeem, dat sterk afhankelijk is van natuurlijke processen, op grote schaal en in wisselende omstandigheden voldoende robuust is om lozingsnormen te halen.

Als gevolg van bovenstaande redenen is het niet gelukt om voldoende draagvlak bij marktpartijen en/of waterschappen te vinden om het project financieel te ondersteunen. Onderzoek doen met beperkte middelen en tijd doet onvoldoende recht aan de potentie van Aquafarm. Daarom is besloten om Aquafarm voorlopig in de kast te zetten en een tijdcapsule te begraven. Er is aandacht besteed aan de evaluatie van tien jaar lang innoveren en het delen van de geleerde lessen.

GELEERDE LESSEN
10 jaar innoveren leidt tot veel geleerde lessen. De voornaamste: Het Aquafarmconcept werkt en heeft de potentie om op een circulaire manier invulling te geven aan het verwerken van nutriëntrijke, huishoudelijke- en industriële afvalwaterstromen, het zuiveren van oppervlaktewater en tegelijkertijd het oogsten van circulaire grondstoffen.

Ook zijn er lessen te trekken uit de tegenslagen die het project heeft meegemaakt op het gebied van transitiemanagement, de omslag naar circulair denken en de rol van waterschappen in dit type projecten.

Transitiemanagement
1. Eigenaarschap en urgentie moeten door iedereen gevoeld en uitgedragen worden: Een succesvol innovatieproces vraagt om duidelijk eigenaarschap en een gevoel van urgentie. Dit betekent dat er niet alleen vanuit een interdisciplinair kernteam — met expertise in ecologie, zuiveringstechnologie, innovatie en business development — continu wordt gewerkt aan de ontwikkeling, maar dat ook directie en bestuur betrokken blijven. Het kernteam moet ruimte krijgen naast andere werkzaamheden om samen met externe onderzoekers en marktpartijen door te ontwikkelen.

Tegelijkertijd vraagt het om regelmatige communicatie naar beslissers over voortgang, potentieel en benodigde middelen. Zonder dit gedeelde eigenaarschap stokt innovatie snel, zeker in een omgeving met beperkt budget waar meer innovaties naast elkaar plaatsvinden. Het is ook een terechte vraag of de waterschappen de middelen, vaardigheden en capaciteiten hebben om een technologie in lage TRL-fasen door de eerste fasen heen te krijgen. Dit vraagt een andere benadering dan het toepassen van technieken, ontwikkeld door derden, als alternatief voor onderdelen van het huidige zuiveringsproces.

2. Innoveren is meer dan een werkende pilot: Innovatie stopt niet bij een succesvolle pilot. De overgang van een laboratoriumopstelling naar grootschalige praktijktoepassing brengt technische en organisatorische uitdagingen met zich mee. Dit onderstreept het belang van parallelle ontwikkeling: niet alleen de techniek verfijnen, maar ook alvast werken aan de benodigde infrastructuur, veranderingen die nodig zijn in regelgeving en het stimuleren van de markt zodat producten afgezet kunnen worden.

3. Verschillende stakeholders voor verschillende fases: Tijdens het innovatieproces is het van belang om de juiste partijen op het juiste moment in te zetten, terwijl eigenaarschap door alle partijen gevoeld blijft worden. In de beginfase, die gekenmerkt werd door experimenteel onderzoek en de praktische werking van theorieën bewijzen, zijn onderzoeksinstellingen gericht op fundamenteel onderzoek van belang. Wanneer het concept doorontwikkeld is tot een hogere TRL, moet opschaling onderzocht worden. Dat vraagt om andere expertises, en mogelijk dus ook om andere partners. De juiste partijen in elke fase van het project aan tafel krijgen en houden zodat alle benodigde vaardigheden aanwezig zijn is een belangrijk onderdeel waarbij in iedere nieuwe fase van het project opnieuw stil moet worden gestaan.

Omslag naar circulair denken
4. Een heldere businesscase is cruciaal: Een werkend concept is niet voldoende voor financiering. Aquafarm leerde dat een sluitende businesscase noodzakelijk is om investeerders en stakeholders te overtuigen. Dit vereist een gedetailleerd plan voor kosten, opbrengsten en risico’s, inclusief duidelijke waardeproposities voor alle betrokken partijen. Het beter ramen en uitdragen van de zuiveringsrendementen die behaald werden en het potentieel op de lange termijn, met Aquafarm had geholpen bij de acquisitiefase. Extra complex was het laten landen van de valuecase van Aquafarm, waar meer waarden dan financiën belicht worden in een lineaire, op financiën gerichte businesscase.

5. Meervoudige waardecreatie is zowel een kracht als zwakte. Aquafarm creëert waarde op verschillende fronten die het concept interessant maken; o.a. besparing op slibafvoer, zuivering tot KRW-kwaliteit, oogst van biomassa voor verschillende doeleinden. De kracht zit daarbij in de opbrengst van de verschillende waarden bij elkaar opgeteld. Echter is daar niet één begunstigde voor, maar een mix van begunstigden. Vanuit een traditionele benadering van de business case en organisatiestructuur is het moeilijk concurreren met technieken die specifiek op één onderdeel gericht zijn.

6. Biologische technieken vereisen systeemflexibiliteit: Het gebruik van natuurlijke ecosystemen brengt onvoorspelbare factoren met zich mee, zoals algenplagen of variërende waterkwaliteit. Een robuust ontwerp dat veerkrachtig is tegen biologische schommelingen is cruciaal. Innovatie in bio-gebaseerde technologie vraagt om extra aandacht voor systeemflexibiliteit en/of beoordelingssystemen die ruimte bieden aan fluctuaties (zonder dat het ernstige risico’s met zich meebrengt).

De rol van het waterschap in innovatie
7. Business & technology development is (nog) geen natuurlijke taak voor waterschappen. Eenzelfde vergelijking kan voor de afzetmarktkant worden gemaakt. Waterschappen zijn vanuit historie geen grondstoffenproducent. Het consistent oogsten van grondstoffen vraagt om fundamenteel andere vaardigheden dan gevraagd worden van waterschappen. In het begin van het proces gericht op de mogelijkheden van deze nieuwe grondstof, later in het proces weer gericht op opschaling. De waterschappen zijn maar beperkt ervaren in het ontwikkelen en op de markt brengen van technologie en grondstoffen. 

Tegelijkertijd verkeren ze in de positie een groot deel van de (afval)waterketen in beheer te hebben waardoor er wel potentiële slagkracht/mandaat is. Met daarbij zelfs de vraag of waterschappen hier een rol in hebben? Hiervoor zou de samenwerking opgezet kunnen worden met passende marktpartijen die dit verder zouden kunnen ontwikkelen met een passende business case.

Technische resultaten
Ook op technisch vlak heeft Aquafarm belangrijke resultaten opgeleverd. In deze paragraaf staan een aantal kort genoemd.

Slibreductie
Het is mogelijk om slib om te zetten in waardevolle biomassa door gebruik van verschillende typen flora en fauna. Verschillende soorten macrofauna zoals bijvoorbeeld muggenlarven groeien door organisch materiaal, zoals slib, op te eten. Ook zorgen ze voor beweging in de sliblaag, waardoor het slib beter belucht wordt. Het combineren van flora en fauna in een cascadeopstelling levert een efficiënter systeem op, waarmee tot 44 procent van het slib gereduceerd kan worden;

Schoon water
Effluent kon tot onder de KRW-normen voor stikstof en fosfor worden nagezuiverd in de pilotopstelling. Binnen Aquafarm is op labschaal onderzoek gedaan naar drijvende en ondergedoken waterplanten en hun efficiëntie om nutriënten te verwijderen uit effluent. Hieruit bleek dat drijvende waterplanten zoals eendenkroos en kroosvaren het meest effectief waren in het verwijderen van nutriënten. De ondergedoken waterplanten namen nutriënten onvoldoende snel op en werden daardoor weggeconcurreerd door algen. Later is op praktijkschaal onderzoek gedaan naar het nazuiveren van effluent door verschillende opstellingen van kroosvaren en/of eendenkroos. Uit dit onderzoek bleek dat een cascadeopstelling van eendenkroos gevolgd door kroosvaren de meeste nutriënten uit het water verwijdert.

Naast het verwijderen van nutriënten draagt de groei van de drijvende waterplanten bij aan de CO₂-vastlegging en vormen de waterplanten een zuurstofrijk habitat voor nitrificeerders, wat leidt tot lagere stikstofconcentraties in het effluent. Door onderzoek binnen Aquafarm is gebleken dat drijvende waterplanten jaarrond nutriënten uit het effluent kunnen verwijderen.

Kleinere CO₂-footprint
Zuiveringstechnieken binnen Aquafarm hebben minimaal energieverbruik in vergelijking met conventionele zuiveringstechnieken. Ook houden de planten CO₂ vast, waardoor de CO₂ afdruk van Aquafarm minimaal is en in sommige opstellingen zelfs negatief. Dit helpt bij de circulaire en klimaatdoelstellingen van waterschappen. Bovendien worden binnen Aquafarm geen chemische hulpstoffen gebruikt, waardoor ook de ecologische voetafdruk verkleind wordt.

Bron van waardevolle stoffen
Door het groeien van flora en fauna worden nutriënten en slib omgezet tot waardevolle grondstoffen voor andere sectoren. Deze benadering van afvalwater draagt bij aan circulariteitsdoelstellingen. Het terugwinnen van stikstof en met name fosfor uit afvalwater is essentieel in de nabije toekomst, en onderzoek naar deze technieken is nodig. Circulaire waterbeheerprojecten als Aquafarm dragen bij aan afvalwater als bron te beschouwen.

CONCLUSIE
Aquafarm laat zien dat afvalwater niet per definitie een milieuprobleem is, maar een bron van waardevolle grondstoffen kan zijn waarbij de inzet van natuurlijke principes zowel tot zuivering als oogst leidt. Hoewel opschaling en financiering obstakels tot –voor nu- opschorting leidde, biedt het project waardevolle inzichten in ecologische waterzuivering en circulaire economie. De geleerde lessen zijn essentieel voor toekomstige innovaties in duurzaam waterbeheer. Aquafarm als concept spreekt tot de verbeelding en wordt vaak als inspirerend voorbeeld genoemd in hoe een natuurlijke benadering (nature based solution) kan bijdragen. Onbedoelde, maar zeer positieve bijeffecten zijn: 

• Ecologie wordt binnen het waterschap serieuzer genomen;
• Waterketen en watersysteem weten elkaar beter te vinden;
• Meer aandacht voor ‘nature based solutions’;
• Grote termen zoals circulair waterbeheer zijn tastbaarder gemaakt. Aquafarm helpt in verbeelding: het geeft taal en beeld voor een andere manier van kijken.

De reis van Aquafarm mag dan voorlopig tot een einde zijn gekomen, de opgedane kennis en geleerde lessen dragen ongetwijfeld bij aan nieuwe, duurzame oplossingen binnen en buiten de watersector.  

Dit artikel is oorspronkelijk geplaatst op H20 Waternetwerk