Fosforprobleem groter dan energieprobleem?

U weet het misschien nog niet, maar de uitputting van fosfor kan een grote invloed hebben op uw leven. Fosfor (P) en fosfaat (een vorm van fosfor) zijn namelijk essentieel voor planten, dieren, mensen en voor de landbouw. Wereldwijd wordt er jaarlijks ongeveer 17,8 miljoen ton fosfor gebruikt in kunstmest voor de productie van voedsel voor mensen en dieren. Het grote probleem is dat deze fosfor voornamelijk afkomstig is van fosfaatrots. Fosfaatrots is geen hernieuwbare grondstof en er dreigt hiervan een nakende uitputting. Uitputting van fosfaatrots betekent dat er niet meer voldoende fosfor is om onze voedselproductie te waarborgen, wat dus een grote invloed kan hebben op uw leven.

Probleemstelling

Het probleem kan heel eenvoudig geschetst worden aan de hand van de fosforpiek (zie figuur), die vergeleken kan worden met de alom bekende oliepiek (peak oil). Iedereen heeft wel al eens gehoord van het energieprobleem met de bijhorende oliepiek. De oliepiek stelt het moment voor waarop de wereldwijde oliewinning haar maximale productie bereikt heeft en waarna de wereldolieproductie gaat dalen. De rode curve in de figuur stelt de gemodelleerde fosforproductie voor en toont aan dat de fosforpiek gaat optreden binnen 20 tot 30 jaar waarna de fosforproductie vertrekkende van fosfaatrots noodgedwongen zal dalen. Het verschil tussen de fosforpiek en de oliepiek is dat er voor aardolie wel alternatieven zijn zoals bijvoorbeeld biomassa, windenergie, zonne-energie, waterkracht, etc., maar voor fosfor zijn er (nog) geen alternatieven en enkel hergebruik is een optie. Dit geeft een duidelijk antwoord op de titel van dit artikel: het fosforprobleem is groter dan het energieprobleem.

De witte puntjes in de figuur geven de actuele fosforproductie weer en tonen aan dat de vraag naar fosfor de laatste jaren in een stijgende lijn zit. Dit is voornamelijk te verklaren door de groeiende wereldbevolking en de verbeterde levenskwaliteit in ontwikkelingslanden. Er wordt geschat dat er nog maar fosfaatrots beschikbaar is voor 50 tot 100 jaar en dat binnen 25 tot 30 jaar de vraag naar fosfaatrots het aanbod zal overstijgen.

Om een fosfortekort te voorkomen is het daarom van groot belang dat deze fosfaatrotsen gespaard worden. Dit kan door te zoeken naar alternatieven voor het herwinnen van fosfor, zoals bijvoorbeeld slib van een waterzuiveringsinstallatie, mest van dieren zoals kippen, varkens en koeien, urine, huishoudelijk afvalwater, dierlijke bijproducten zoals beendermeel, etc. Hergebruik van fosfor zal na verloop van tijd de enige mogelijkheid zijn om onze voedselproductie, waarvoor meststoffen noodzakelijk zijn, te waarborgen.

Uitgevoerd onderzoek

Het doel van deze studie was het optimaliseren van de extractie en herwinning van fosfor uit pluimveemestverbrandingsassen en uit beendermeel. De herwonnen fosfor moest optimaal zijn voor gebruik als meststof in de landbouw. Chemische analyse toonde aan dat gezeefde pluimveemestverbrandingsassen (7,7 gew% P) en beendermeelverbrandingsassen (11,6 gew% P) twee potentieel zeer interessante fosforrijke afvalstromen zijn als alternatief ter vervanging van fosfaatrots (13 - 17,5 gew% P).

Een eerste stap in het proces was de extractie van de fosfor uit de verbrandingsassen. Extractie is een soort van scheidingstechniek waarbij de fosfor wordt onttrokken uit de assen en terecht komt in het oplosmiddel of met andere woorden in de extractievloeistof. Een alledaags voorbeeld van extractie is koffiezetten, waarbij de geur- en smaakstoffen uit de koffiebonen worden geëxtraheerd in warm water. In deze eerste stap werden verschillende extractievloeistoffen getest en werden ook verschillende andere parameters gevarieerd voor het behalen van een optimaal extractierendement.

Een volgende stap in het proces was het verwijderen van de fosfor uit de extractievloeistof door het vormen van een fosforverbinding die gebruikt kan worden als meststof. Het onderzoek behandelt de omzetting van fosfor naar struviet. Struviet is een fosforverbinding die gemakkelijk kan worden neergeslagen vertrekkende van de fosfor in de extractievloeistof. Door het toevoegen van magnesium en ammonium aan de extractievloeistof wordt er een vaste stof gevormd, namelijk struviet, dat naar de bodem zinkt waardoor het gemakkelijk van de oplossing kan worden gescheiden.

Uit de uitgevoerde experimenten en enkele chemische simulaties bleek dat met een innovatieve combinatie van een organisch en anorganisch zuur als extractievloeistof, een optimale extractie en herwinning van fosfor als struviet kon bekomen worden.

Een studie over de beschikbaarheid van de onderzochte afvalstromen toonde aan dat enkel fosforherwinning uit pluimveemestverbrandingsassen en uit beendermeel niet genoeg fosfor oplevert om aan de jaarlijkse wereldwijde vraag van 17,8 miljoen ton te kunnen voldoen. Daarom is het interessant om in verder onderzoek de ontwikkelde methode ook te testen op andere afvalstromen zoals bijvoorbeeld verbrandingsassen van slib van een waterzuiveringsinstallatie of mest van andere dieren zoals varkens en koeien.

De ontwikkelde methode vereist echter nog enkele optimalisatiestappen voor dat dit op grote schaal kan toegepast worden. Hiertoe behoort het limiteren van de co-extractie van zware metalen aanwezig in de afvalstromen, een aspect dat nog problematisch is in de bestaande patenten over fosforherwinning uit afvalstromen. Daarnaast is struviet, in vergelijking met de bestaande meststoffen, niet zo ideaal om te gebruiken in de landbouw en dit vanwege de trage vrijstelling van fosfor. Tenslotte zullen milieu- en economische aspecten een belangrijke rol spelen bij het opschalen naar een industrieel proces.

Voor een meer gedetailleerde uitleg over de verschillende stappen van de ontwikkelde methode verwijs ik u graag door naar de paper van mijn master thesis: “Fosforherwinning uit pluimveemestverbrandingsassen en uit beendermeel”.

Besluit

De bovenstaande conclusies zijn op basis van labotesten en vereisen nog zeer veel optimalisatie alvorens deze methode onze voedselproductie effectief zou kunnen waarborgen. Er kan wel al geconcludeerd worden dat de fosforextractie met een innovatieve combinatie van een organisch en anorganisch zuur een veelbelovende methode is voor verder onderzoek.

Vanwege de noodzakelijke technologische innovaties om fosfor uit afvalstromen terug in de materialencirkel te brengen, is het voor mij als industrieel ingenieur dan ook een uitstekende gelegenheid om mij tijdens mijn geplande doctoraat verder te verdiepen in dit onderzoek.