Innovatieraad Tokio Paul op den Brouw, 3 april 2014, meer informatie: www.ianetwerk.nl Japan: Waterbehandeling en hergebruik Samenvatting In Japan spelen membranen een belangrijke rol in de waterzuivering. Ongeveer dertig bedrijven ontwikkelen membranen en membraansystemen. Japanse bedrijven zijn niet alleen sterk in membranen. In de hele waardeketen van waterinstallaties, operationele en onderhoudsactiviteiten (O&M), EPC (Engineering/Procurement/Construction), producten en systemen zijn Japanse bedrijven actief. Het grootste deel van de activiteiten is gericht op de productie van drinkwater. Tot nu toe wordt afvalwater nog nauwelijks hergebruikt, maar nieuwe technieken, zoals het gebruik van microbelletjes, brengen de kosten voor zuivering omlaag, waardoor de belangstelling voor hergebruik toeneemt. Introductie In Japan is geavanceerde waterbehandeling noodzakelijk omdat de kwaliteit van water in de natuur door watervervuiling in rivieren achteruit gaat. Steeds meer mensen begint ook de smaak en geur van drinkwater tegen te staan. Honderden geavanceerde waterbehandelingssystemen hebben in de afgelopen jaren de slechte smaak en geur van water sterk kunnen verminderen. De waardering voor water uit de kraan is daardoor weer toegenomen. Figuur 1. In Japan gangbare geavanceerde waterbehandeling (bron: Japan Water Research Center (JWRC), zie ref. 1) De gangbare wijze van geavanceerde waterbehandeling voor de productie van drinkwater is afgebeeld in figuur 1. Veelgebruikte stappen in water behandeling zijn: biologische -----NOST Tokyo | Embassy of the Kingdom of the Netherlands 3-6-3 Shibakoen, Minato-ku, Tokyo 105-0011, Japan | T:+81-3-5776-5510 | F:+81-3-5776-5534 | [email protected] behandeling, sedimentatie, filtratie en behandeling met ozon plus actieve kool of andere varianten met verschillende vormen van actieve kool en/of met biologische voorbehandeling (zie figuur 2). Niet geavanceerde behandeling PAC ozon + GAC GAC Bio + Ozon + GAC Bio Bio + GAC Figuur 2: 47 procent van de waterbehandeling in Japan is geavanceerd (GAC = granular activated carbon en PAC = powdered activated carbon) (bron : JWRC). In Japan gebruiken ongeveer 800 waterzuiveringsinstallaties membraanfiltratie (1,6 miljoen m3/d). De afgelopen twintig jaar heeft het Japan Water Research Center (JWRC) grootschalige R&D projecten uitgevoerd samen met waterzuiveringsbedrijven, universiteiten en andere bedrijven om de toepassing van membranen te bevorderen. Enkele van de belangrijkste membraanwaterzuiveringsinstallaties zijn opgenomen in tabel 1. Waterbedrijf in stad Waterbron Type membraanfiltratie Yokohama oppervlakte anorg. MF Tottori rivier org. UF Matsuyama grond org. MF Tokyo (2) rivier bedding org. MF Fukui (pref) oppervlakte anorg. MF Matsuyama grond org. MF Oomuta-Arao oppervlakte anorg. MF Imabari rivier bedding anorg. MF Tabel 1. Belangrijkste waterzuiveringsinstallaties in Japan Capaciteit m3/d 171.000 80.000 40.300 40.000 + 40.000 38.900 32.700 26.100 23.600 Deze installaties gebruiken membranen van organische polymeren, zoals PS, PE, CA, PAN, PP, PVDF, PTFE* en anorganische materialen zoals keramische materialen. Membranen van PAN en CA worden gebruikt voor ultrafiltratie voor het verwijderen van grote moleculen rond de -----NOST Tokyo | Embassy of the Kingdom of the Netherlands 3-6-3 Shibakoen, Minato-ku, Tokyo 105-0011, Japan | T:+81-3-5776-5510 | F:+81-3-5776-5534 | [email protected] 100 nanometer, zoals bijvoorbeeld organische zuren en virussen. PVDF, PP en keramische membranen worden toegepast voor microfiltratie voor het verwijderen van grotere moleculen (0,1 – 1,0 micrometer), zoals polymeren en colloïden (zie figuur 3). Membranen met grotere poriën, zoals bij zandfiltratie, kunnen heel efficiënt bacteriën, cryptosporidium, gesuspendeerde deeltjes (klei en zouten) en algen verwijderen. Voor het verwijderen van oppervlakte-actieve stoffen, pesticiden, desinfectiemiddelen, elementen van hard water, wasmiddelverzachters, zout uit zeewater, mineralen en stikstof uit nitraten zijn membranen met zeer kleine poriën nodig, zodat deeltjes van een nanometer of kleiner via nanofiltratie of omgekeerde osmose (RO) verwijderd kunnen worden. Al deze membranen worden verpakt in modules, waarvoor de normen door de JWRC zijn vastgelegd. Er zijn tien verschillende modules gecertificeerd. (1) Ook de Association of Membrane Separation Technology of Japan (AMST) speelt een belangrijke rol in de toepassing van nieuwe membraantechnologieën voor ontzouting, waterfiltratie en waterhergebruik. Behalve op het stimuleren van R&D richt de organisatie zich op het certificeren van de membraan die in modules worden gebruikt en de samenwerking met (lokale) overheden. Bijna dertig membraanproducenten, ingenieursbureaus en gebruikers van membranen zijn aangesloten bij AMST (zie tabel 2). (2,3) Asahi Kasei Chemicals Corporation Canpure Japan Daicen Membrane Systems Ltd. Dow Chemical Japan Ltd Hitachi Plant Technologies, Ltd. Japan Water Systems Corporation Kobelco Eco-Solutions Co., Ltd. Kuraray Co., Ltd. Kubota (MBR) Kurita Kyowakiden Industry Co., Ltd. Maezawa Industries, Inc. NGK FILTECH, Ltd. Organo Corporation Meidensha Corporation Metawater Co., Ltd. Mitsubishi Rayon Co., Ltd. Miura Co, Ltd. Nihon Pall Ltd. Nippon Rensui Co. Nitto Denko Corporation Norit Japan Co., Ltd. Nippon Polyurethane Industry Co., Ltd. Solvay Advanced Polymers K.K Sumitomo Electric Fine Polymer, Inc. Toray Industries, Inc Toyobo Co., Ltd. Veolia Water Solutions & Technologies Japan Well Thy Corporation Yuasa Membrane Systems Co., Ltd. Tabel 2. Japanse membraantechnologiebedrijven (bron: AMST, zie ref. 2) Reikwijdte R&D voor waterbehandelingssystemen Waterzuivering gaat niet alleen om membranen. Op basis van gegevens uit 2008 heeft de Japanse watermarkt een omvang van ongeveer 50 miljard dollar en omvat waterinstallaties, operationele en onderhoudsactiviteiten (O&M), EPC (Engineering/ Procurement/Construction), producten en systemen. (2) In de waardeketen heeft Japan op alle onderdelen belangrijke spelers. In het domein van producten en systemen: Toray, Nitto Denko, -----NOST Tokyo | Embassy of the Kingdom of the Netherlands 3-6-3 Shibakoen, Minato-ku, Tokyo 105-0011, Japan | T:+81-3-5776-5510 | F:+81-3-5776-5534 | [email protected] Kubota, Toshiba, Hitachi, Metawater, etc.; binnen EPC Kurita, Organo, IHI, MHI, Sasakura, Nikki, etc. en binnen O&M, Mitsubishi Corp, diverse handelshuizen en de eigenaren van waterbehandeling installaties en faciliteiten. (4) Hitachi is bijvoorbeeld een bedrijf dat geleidelijk aan op al deze terreinen actief is geworden. In de zeventiger jaren bouwde het bedrijf ontzoutingsinstallaties gebaseerd op omgekeerde osmose (RO), membraanbioreactoren en irrigatiepompen. Ook was het bedrijf actief binnen EPC met controlekamers, besturingssystemen voor waterdistributie, overstromingssimulaties. Tien jaar later werd het actief binnen O&M met complete waterzuiveringsinstallaties en afvalwaterbehandeling. En vanaf 2000 werd Hitachi ook eigenaar van faciliteiten, zoals op de Maladiven (MWSC) en in Verenigde Arabische Emiraten (HSWS). Hitachi heeft zijn business activiteiten de afgelopen jaren ondersteund met R&D voornamelijk gericht op monitoren van processen en meet- en regeltechniek. Het ophelderen van mechanismen en het modelleren van processen is onderzocht met behulp van beeldverwerking en met bio-assays voor het identificeren van giftige stoffen. Voor het management van waterbronnen en waterkwaliteit zijn CFD simulaties maar ook satellietobservaties gedaan. Daarmee kunnen processen worden gesimuleerd en gestuurd. Na 2000 werden ook zaken als recycling en energiebesparing relevant en werd begonnen met de behandeling van afvalwater en HACCP (Hazard Analysis & Critical Control Point). Met name ICT vormt nu basis voor de kerncompetenties van Hitachi’s Research Laboratorium. Simulatiemodellen voor de stroming van rivieren, de schatting van verontreinigingen, waterafvoergebieden, waterkwaliteit van meren en de ondersteuning van het waterbeheer. Met behulp van remote sensing worden observaties gedaan van waterbronnen en stroomgebieden. Reflectiegegevens van het grond/wateroppervlak binnen het golflengtebereik van zichtbaar tot en met infrarood licht leveren informatie over vegetatie, eutrofiëring, algenbloei en dergelijke. De observaties vinden met regelmaat plaats over grote gebieden met een hoge ruimtelijke (1-30 meter mesh) en spectrale (1-100nm bandbreedte) resolutie. Zo wordt met behulp van Landsat TM in zeven banden satellietbeelden gemaakt die gebruikt kunnen worden voor detectie van algenbloei, en metingen van de hoeveelheden fosfor en stikstof in het meer van Kasumigaura. De R&D-activiteiten voor afvalwaterbehandeling richten zich op computational fluid dynamics (CFD), besturing van afvalwaterstromen, energieverbruik en analyse van opslagtanks en dergelijke. Zo kan met behulp van een processimulator voor de activering van het slib via een besturingsmodule de gewenste zuiveringswaarden gekoppeld worden aan de gemeten waarden. Zodoende kunnen de mate van beluchting, de stroomsnelheid van de pompen, de hoeveelheid opgeloste zuurstof en de waterkwaliteit worden geregeld. Op deze wijze is energie te besparen en de hoeveelheid broeikasgasemissies van CO 2 en N2O te minimaliseren. Deze geavanceerde besturing van het afvalwaterbehandelingsproces wordt toegepast in de afvalwaterzuivering van Nakagawa en Nawate. -----NOST Tokyo | Embassy of the Kingdom of the Netherlands 3-6-3 Shibakoen, Minato-ku, Tokyo 105-0011, Japan | T:+81-3-5776-5510 | F:+81-3-5776-5534 | [email protected] Behalve de besturing van het waterbehandelingsproces richt het onderzoek zich ook op de ontwikkeling van compacte membraanbioreactoren met een sterk geconcentreerde geactiveerd slib behandeling voor een hoge biologische omzettingssnelheid en met membranen die kleine deeltjes verontreiniging en E-coli bacteriën verwijderen. Dergelijke MBR-installaties worden vervolgens gekoppeld met een RO- installatie tot een geïntegreerd membraansysteem dat afvalwater zo behandeld dat het geschikt is voor hergebruik in de landbouw, irrigatiesystemen en de industrie. De nieuwe technologieën zijn door Hitachi uitgetest in de Burj Khalifa Wastewater plant (UAE) met een 3000 m3/d MBR in Dubai en in de Al Quoz Sewage Plant (UAE) met een 1500 m3/d MBR in Dubai. Voor watergebruik zijn ook ICT applicaties voor de voorspelling van de waterkwaliteit, coagulatie, ozonbehandeling en membraanfiltering ontwikkeld. Overstromingen worden voorkomen door simulaties van schade, waterniveaus, watertoevoer via dammen of regen. (4) Figuur 3. Keramisch membraan element van Metawater (Bron: Metawater). Hergebruik van afvalwater In Japan wordt tot nu toe maar twee procent van het behandelde afvalwater hergebruikt. Redenen daarvoor zijn kwaliteit van het behandelde water en de matige kosten-baten verhouding. Vaak wordt water na het secundaire behandelingsproces geloosd op het oppervlaktewater zonder hergebruik. Een tertiair behandelingsproces bestaande uit disinfectie, de-odorisering, ontkleuring door behandeling met ozon, UV en dergelijke maakt het behandelde water geschikt voor gebruik in industrie, gebouwen, waterparken en landschapsparken. -----NOST Tokyo | Embassy of the Kingdom of the Netherlands 3-6-3 Shibakoen, Minato-ku, Tokyo 105-0011, Japan | T:+81-3-5776-5510 | F:+81-3-5776-5534 | [email protected] Ozonbehandeling is ook het gebruikelijke behandelingsproces voor afvalwater. Het effect van de ozonbehandeling kan opgevoerd worden, terwijl de kosten verlaagd kunnen worden door microbelletjes te gebruiken van 50 micrometer of kleiner (4,5,6). Wanneer deze ozonbelletjes imploderen ontstaan er schokgolven die radicalen produceren die organische en andere verontreinigingen oxideren. De grote voordelen van deze microbelletjes zijn hun geringe drijfvermogen. Zij zijn dus langere tijd aanwezig in het water omdat zij minder snel opstijgen. Zij hebben bovendien een groot specifiek oppervlak wat de oplosbaarheid verhoogt. Samen zorgen deze factoren voor een hoger rendement van het ozongebruik en daarmee voor minder ozon die ongebruikt verdwijnt. Ook zorgen de belletjes voor een gemakkelijke aanhechting, waardoor gesuspendeerde vaste deeltjes gaan drijven. De hoeveelheid vaste deeltjes en de troebelheid van het water nemen daardoor af. Het gevolg is dat er minder ozon nodig is en dat de tank waarin dit proces plaatsvindt minder hoog hoeft te zijn. Het hele ozonbehandelingsproces wordt eenvoudiger zonder voorbehandeling. Wanneer tevens een nieuwe mechanische kringloop voor het ozongas wordt gebruikt, waarin het ongebruikte, niet opgeloste ozon wordt teruggevoerd naar het water, gaat het rendement verder omhoog. Hitachi heeft een demonstratiefaciliteit gebouwd in Hitachi-city in Ibaraki. De resultaten van deze demo zijn veel belovend. De waarden voor kleur, troebelheid en coliform liggen na deze microbelletjes behandeling ver onder de Japanse normen en de kosten van de behandeling gaan met 20 procent omlaag. In de full-scale faciliteit voor commerciële toepassing wordt gebruik gemaakt van microbelletjes voor de zuivering van 600 m 3/d aan water. Voorgeschakeld zijn een zandfiltratiesysteem van tweemaal 1000 m 3/d met daarin een conventioneel millibelletjes systeem. Het aantal producenten van MBG’s (micro bubble generators) neemt de laatste tijd dan ook toe. (7) Onlangs demonstreerde het agentschap NEDO recente vernieuwingen in waterbehandeling door Japanse bedrijven. (8) *CA = celluloseacetaat, PA = polyamide, PAN = polyacrylnitril, PS polysulfon, PVDF = polyvinilydeenfluoride, PE = polyethylene, PP= polypropyleen, PTFE = polytetrafluorethyleen. [streamer] In Japan wordt tot nu toe maar twee procent van het behandelde afvalwater hergebruikt Bronnen 1. Masahiro Fujiwara, President Japan Water Research Center (JWRC), Advanced Water Treatment and membrane Technology in Japan, 2012.7.5. 2. Association of Membrane Separation Technology, Japan. 3. Membranen, modules en systemen voor membraanfiltratie in Japan. 4. Ichiro Embutsu, Water Treatment Systems for Safe and Secure Water Use, Hitachi Research Lab 2013/10/21. 5. Dr.Masayoshi Takahashi, Fantastic properties of of Microbubbles (AIST). -----NOST Tokyo | Embassy of the Kingdom of the Netherlands 3-6-3 Shibakoen, Minato-ku, Tokyo 105-0011, Japan | T:+81-3-5776-5510 | F:+81-3-5776-5534 | [email protected] 6. Harumichi Kyotoh, Applications of Swirling-type Micro-bubble Generator to Engineering Problems, 2012/12/12 (University of Tsukuba). 7. Zie bijvoorbeeld: Mitsubishi Electric, Environment – Microbubbles Revolutionize Industrial Processes. 8. NEDO Water Solution Symposium 2014 (NEDO/New Energy and Industrial Technology Development Organization). -0- -----NOST Tokyo | Embassy of the Kingdom of the Netherlands 3-6-3 Shibakoen, Minato-ku, Tokyo 105-0011, Japan | T:+81-3-5776-5510 | F:+81-3-5776-5534 | [email protected]