Search

Planet Earth already exists for over 5 billion years, while humans have been around for only a million years.The impact of human activity on the natural ecosystem has increased dramatically over the last few hundred years, mainly through agriculture, industry, and urbanisation, resulting in the consumption of natural resources at high rate. Modern agriculture, with the use of fertilizers and agrochemicals, has increased productivity drastically and has loosened the connection between location of food production and location of food consumption. As a result local/regional accumulation of nutrients occurs in terms of waste streams with negative impact on the environment, in combination with regional depletion elsewhere.The circular economy has been generally accepted now by most scientists, policy makers and entrepreneurs, as concept and new paradigm for organizing the food production –consumption cycle. As a consequence any stream of material within that cycle should be considered as an input elsewhere in the cycle. The main question addressed in this paper is ‘how to organize the recycling of food system nutrients effectively and efficiently’?As socio-economic, environmental and cultural conditions differ from one place to the other on the planet there is not one single solution that fits all food systems for organizing a circular economy. Therefore, a mix of several solutions may occur side by side. This diversity will contribute positively to the robustness of the system towards fluctuations due to impacts generated either by nature or by mankind. An important constraints to modifications to food systems is that the modifications and recycling are acceptable by the stakeholders involved. Therefore, initiatives have to be taken to bring together different stakeholders in order to exchange ideas and to explore common grounds for future cooperation. Position papers are written to stimulate partners to move away from their own comfort zone and think about new types of solutions. As the world changes, new techniques become available and new generations prefer to make different choices. What was good in the past might no longer be good enough for the future. Here the first results from this forward-looking and integrated approach are reported.

Biogas generated in waste (water) treatment facilities is increasingly regarded as an important source of renewable energy. However, generally, the CH4 content in biogas ranges between 55-70%, depending waste(water) composition, and cannot be applied directly for high grade applications such as gas grid injection or vehicle fuel. Conventional biogas upgrading technologies are only cost-efficient when treating biogas flows exceeding 100 Nm3/h. Therefore, cost-effective external biogas upgrading, to remove H2O, CO2, H2S and other trace impurities, was assumed to pose a major challenge for the further dissemination of small-scale decentralized anaerobic digestion technology. Consequently, an integrated CO2-scrubbing mechanism, denominated as Autogenerative High Pressure Digestion (AHPD) was introduced. Previous work already showed that working pressures up to 90 bar and >95% CH4-content of the biogas are feasible. This work explores the future potential of AHPD by discussing constraints on the requirement of Acid Neutralizing Capacity (ANC), and the role of mineral addition. Although not the main focus of this work, insights on kinetics and population dynamics are used to support the findings. The fact that a continuous AHPD 1.5 m3 reactor is currently in operation brings the technology very close to practice.

Als resultaat van de samenwerking met de Metropoolregio Amsterdam benoemt Wageningen UR in dit document voor vier kringlopen actuele mogelijkheden en bijbehorende maatregelen om de kringlopen zo goed mogelijk te sluiten. In de vorm van factsheets wordt voor elke maatregel uitgewerkt wat deze oplevert voor de dimensies people, planet, profit en proces en wat de kosten, de risico’s en de randvoorwaarden daarbij zijn. De vier kringlopen zijn fosfaat, water, afval en voedsel.

This report comprises the results of an explorative study on innovative nitrogen recovery from side streams of wastewater treatment plants (WWTPs) in the Netherlands. The main objective of the study was to identify promising new technologies for recovery of nitrogen which can be subsequently used as an artificial fertilizer. This shortcircuits the global nitrogen cycle and thereby reduces the environmental impact of the nitrogen cycle that has been distorted by human influence (eutrophication, greenhouse gases).

In the bio-scorodite process, arsenic is precipitated as crystalline iron arsenate, i.e. scorodite (FeAsO4·2H2O). This is a more economic and more environmentally friendly method for arsenic immobilization than the chemical production of iron- or calcium arsenate, as fewer chemicals are needed. Moreover, scorodite is an attractive medium for arsenic control and immobilization because it is stable, compact and has a very low solubility. Therefore it is regarded as the most ideal form for long-term arsenic storage. We have demonstrated that bio-crystallization of arsenic into scorodite crystals is possible with the aid of microorganisms. The operational conditions of the bio-scorodite process allow for a fast growth of the microorganisms and facilitate the crystallization of scorodite, avoiding the precipitation of other iron oxides or amorphous iron arsenates. The bio-scorodite process brings several advantages compared to chemical crystallization such as the lower required temperature (70°C), the control of supersaturation by biological oxidation and no need for crystal parents or seeds to begin the crystallization. Arsenic concentrations are removed to ppm level with starting concentrations ranging from 1000 to 2000 mg L-1. The produced bioscorodite crystals are very similar to the scorodite mineral found in nature. By control of the iron feed and the pH, the production of other iron precipitates is avoided. The latter facilitates easy separation of the solid product. Based on their highly crystalline nature, the biogenic scorodite crystals seem very suitable for safe disposal. At present the research has started with the continuous production of scorodite in bioreactors. The follow-up challenges are focused on the selection of a suitable reactor configuration.

Acidophilic iron oxidizing Sulfolobales spp. can mediate the formation of jarosite nanoprecipitates and precursors of the arsenic biomineral scorodite [1]. In batch experiments, scorodite formation by Sulfolobales spp. was induced at a pH of 1 and 75°C [2]. At these conditions, we observed incomplete encrustation of Sulfolobales spp. cells with precursors (nuclei) of scorodite, formed on the cell surface. The low pH in these experiments is expected to prevent encrustation of the archaeal cells by ferric iron precipitates, which stays in solution below pH 2. Therefore, we suggest that the mechanism of scorodite formation begins with the sorption of ferric iron onto charged groups on the cell surface, followed by the formation of nuclei from the adsorbed ferric iron and dissolved arsenate. As the encrustation of cells was incomplete, the archaea continued oxidizing ferrous iron. Growth and ageing of the precipitates into crystals was favoured under the applied conditions. Our results show that incomplete encrustation only occurs when arsenate is added. Encrustation does not occur at all in absence of arsenic, i.e., jarosite precipitates induced by the Sulfolobales were not attached to the cell surface. Possibly, the formation of ferric arsenate precipitates is induced by the archaea as a strategy against arsenic inhibition.

Decentrale sanitatie als invulling van een duurzame waterketen is bedacht in Wageningen en tussen 2002 en 2005 door een aantal partijen in het noorden van Nederland ontwikkeld tot een bruikbaar concept. Het demonstratieproject DeSaH in Sneek heeft laten zien dat het toepassen van decentrale sanitatie en hergebruik veel mogelijkheden biedt en zeker ook een aantal aanknopingspunten voor verdere ontwikkelingen. De resultaten van het innovatieve concept kunnen echter nog aanzienlijk worden verbeterd. Ondergetekenden zijn na het ontwerp voor het project in Sneek het laboratorium ingedoken, om met nieuwe partijen te werken aan de verbetering van de efficiency, de energieprestatie en de marktpotentie van het concept. Het resultaat is een nieuwe zuiveringstechnologie: hogedrukgisting

Metals of particular interest in acid mine drainage and industrial wastewaters include copper, zinc, cadmium, arsenic, manganese, aluminum, lead, nickel, silver, mercury, chromium, uranium and iron, in a concentration that can range from 106 to 102 g/l. The composition of such wastewater reflects the particular combination of heavy metals and production process. Presently, removal by precipitation as metal hydroxide is the most widely used treatment method for water contaminated with heavy metals. This is because of the simplicity and the low costs of this method. For the same reasons, sulfate removal is mostly accomplished by precipitation with Ca2+, added as lime. However, more stringent legislation in future and an increasing scarcity of resources creates a need for heavy metal and sulfate removal technologies with a better performance. Thus, treatment processes should aim to recover valuable metals and other possible resources from waste streams such as sulfur compounds and process water. The biological reduction of sulfate to sulfide is catalysed by bacteria

Sulfur oxyanions (e.g. sulfate, sulfite) can be removed from aqueous waste- and process streams by biological reduction with a suitable electron donor to sulfide, followed by partial chemical or biological oxidation of sulfide to elemental sulfur. The aim of the research described in this thesis was to make this biological process more broadly applicable for desulfurization of flue-gases and ground- and wastewaters by using the cheap chemical methanol as electron donor for the reduction step. Besides determining the selectivity and rate of reduction of sulfur oxyanions with methanol in bioreactors, also insight was acquired into the microbiology of the process. At pH 7.5 and thermophilic (65 °C) conditions (applicable for flue-gas desulfurization), sulfate-reducing microorganisms ultimately outcompete methanogenic consortia for methanol in anaerobic high-rate bioreactors. Methane formation from methanol was quickly inhibited by imposing slightly acidic pH-values (6.7 instead of 7.5). Acetate represented a side-product from methanol at 65 °C, accounting for up to 13 % of the methanol degraded. The rate of acetate formation was linearly correlated to the rate of sulfate and sulfite reduction with methanol. At a hydraulic retention time (HRT) of 10 h, maximum reduction rates of 6 g SO 32- .L -1 .day -1 (100% elimination) and 4-7 g SO 42- .L -1 .day -1 (40-70% elimination) were attained simultaneously in the reactors, equivalent to a sulfidogenic methanol-conversion rate of 6-8 g COD.L -1 .day -1 (COD:Chemical Oxygen Demand). The resulting sulfide concentration of about 1800 mg S.L -1 (or the H 2 S concentration of 200 mg S.L -1 at pH 7.5) limited the rate of sulfate reduction at HRT=10 h.At a hydraulic retention time of 3-4 h, maximum reduction rates of 18 g SO 32- .L -1 .day -1 (100% elimination) and about 12 gS O 42- .L -1 .day -1 (50% elimination) were attained, equivalent to a sulfidogenic methanol-conversion rate of 19 g COD.L -1 .day -1 . At this HRT, the sulfate reduction rate was limited by the biomass concentration of 9 to 10 g VSS.L -1 that maximally was retained in the reactor. The time needed to reach maximum process performance amounted to 40-60 days. From one of the reactors a thermophilic sulfate reducing bacterium, Desulfotomaculum strain WW1 was isolated, that probably represented the most abundant sulfate reducer. In the reactor, strain WW1 is not confined to the use of methanol, as it also grows on methanol degradation products like acetate, formate and H 2 /CO 2 . The presence of high numbers of methanol-oxidizing, hydrogen-producing bacteria in the sludge indicated that hydrogen may represent an important electron donor for sulfate reduction in the sludge. In the cultures in which the presence of these species was demonstrated, the formation of acetate (about 15% of the methanol degraded) seemed to be strictly coupled to growth of the methanol-oxidizing species. This might explain the coupling of sulfide and acetate formation from methanol in the reactors. Methanol was not a suitable electron donor for mesophilic (30 °C) sulfate reduction, relevant for bio-desulfurization of cold or slightly heated ground- or wastewater. Under mesophilic conditions, methanol was primarily degraded to methane.

Arseen, een voor de mens giftig element, is in de 20e eeuw op grote schaal gebruikt in elektronica, voor de verduurzaming van hout en voor agrarische toepassingen.Tegenwoordig is het gebruik van arseen voor de meeste toepassingen verboden. Dit leidt tot een toename van de hoeveelheid arseenhoudend afval, waarbij het arseen voomamelijk voorkomt in de vorm van arseentrioxide. Het meest stabiele eindproduct, geschikt voor deimmobilisatie van arseen, kan worden gevormd door precipitatie van dit element in de vorm van scorodiet kristallen (hoofdstuk 1).Het in dit proefschrift beschreven werk is gericht op de ontwikkeling van een nieuw proces voor de biologische kristallisatie van scorodiet uit waterstromen atkomstig van demetallurgische industrie. De basis van dit nieuwe proces bestaat uit het evenwichtig controleren van biologische oxidatie- en kristallisatie reacties in een enkele stap.Het bioscorodiet proces is gepatenteerd door Paques BV (Balk, Nederland) als hetARSENOTEQ™ proces. In dit proefschrift wordt het 'proof of principie' voorbioscorodiet kristallisatie geleverd. Daamaast zijn verschillende reactortypen en operationele condities voor toepassing van het proces onderzocht.Het 'proof ofprinciple' van bioscorodiet kristallisatie is geleverd door middel van batch experimenten met ijzer-oxiderende thermoacidofiele micro-organismen bij een pH van 0,8en een temperatuur van 80°C (hoofdstuk 3). Bij deze experimenten werd de mate van bioscorodiet verzadiging gestuurd door middel van biologische oxidatie. Als gevolg hiervan vond met name kristalgroei plaats, en geen of weinig primaire nucleatie. Dit resulteerde in de vorming van bioscorodiet kristallen bij een arsenaat (As5+) concentratievan 1 g L- 1. De nucleatie van het bioscorodiet vond plaats zonder de aanwezigheid van kiem materiaal. De ontwikkeling van een methode voor het meten van concentraties anorganisch arseen (As3+ en As5+) met HPLC en UV detectie is beschreven in hoofstuk 2.De kinetiek van ijzer oxidatie door thermoacidofiele micro-organismen is verder bestudeerd in zowel batch- als CSTR reactoren (hoofdstuk 4). De ijzer oxidatie capaciteit van thermoacidofiele micro-organismen werd geremd bij pH-waarden lager dan l. Bij pH waarden hoger dan 1 werd echter een hoge ijzer oxidatie snelheid gemeten. Deze snelheidwerd niet be"invloed door toevoeging van arsenaat (2,8 g L-1). Door toevoeging vanarseniet (As3+) verminderde de ijzer oxidatiecapaciteit (hoofdstuk 8). Ondanks deze remming werd toch oxidatie van arseniet aangetoond, zij het met een zeer lage snelheid.Deze arseniet oxidatie vond plaats bij pH 1,2 en 72°C in een CSTR reactor.IJzer oxidatie door thermoacidofiele micro-organismen werd ook bestudeerd in een airlift reactor, waarbij eveneens hoge ijzer omzettingssnelheden werden bereikt bij pH 1,2 en 72°C (hoofdstuk 9). Echter, wanneer de thermoacidofiele micro-organismen werden 193 toegepast in een airlift reactor, was extra substraat (ijzer(II)sulfaat) nodig om groei teondersteunen.Tijdens batch proeven zijn precursors van ijzerarsenaat precipitatie waargenomen op het celoppervlak van thennoacidofiele micro-organismen (hoofdstuk 5). Het is bekend dat onder neutrofiele condities een ijzeroxide neerslag kan worden gevormd op het celoppervlak. Dit kan leiden tot inkapseling van de cel. Onder zure condities werd dezeneerslag van ijzeroxiden echter niet vef'.vacht. De vorming van een neerslag op het celoppervlak wijst erop dat het celoppervlak een rol speelt bij de vorming van bioscorodiet. Toch lijkt de indirecte biomineralisatie van scorodiet te worden geregeld door verzadiging van de bulk en niet door kiemvorming op het celoppervlak. De belangrijkste rol van de micro-organismen in het proces is dan ook om ijzer te oxideren onder extreme pH-omstandigheden in aanwezigheid van hoge arsenaat 1 arseniet concentraties.In Hoofdstuk 6 wordt de uitloging van arseen uit bioscorodiet kristallen beschreven voor lange termijn opslaag onder TCLP test condities (Toxicity Characteristic Leaching Procedure, een methode voor het bepalen van de mobiliteit). Na een jaar werd eenminimale arseen concentraties gemeten van slechts 0,016 mg As L- 1. De belangrijkste parameters die de uitloging van arseen uit bioscorodiet kristallen bepalen zijn: verblijftijd in de reactor, precipitatiesnelheid en het structureel watergehalte. Na afloop van deuitloogproeven werd een stmcturele karakterisering van de bioscorodiet kristallen uitgevoerd (hoofdstuk 7). De resultaten bevestigden de relatie tussen het structureel watergehalte en de uitloging van arseen uit bioscorodiet kristallen, zoals eerder beschrevenin hoofdstuk 6.De extreme operationele omstandigheden voor bioscorodiet productie werden watafgezwakt naar pH 1,2 en 72°C voor verdere studie in CSTR reactoren. Hierbij werd 99% efficientie voor arseenverwijdering bereikt (hoofdstuk 8). Scaling van bioscorodiet op deglazen reactorwand belemmerde echter de afvoer van vaste stof uit de reactoren. Het bioscorodiet slib bleek desondanks zeer geschikt voor de opslag van arseen. Na 100 dagen uitloging onder TCLP test condities werd een concentratie van slechts 0,4 mg L-1 As gemeten.Om scaling te voorkomen werd bij verdere experimenten gebmik gemaakt van een airlift reactor bij pH 1,2 en een temperatuur van 72°C (hoofdstuk 9). De gevormde bioscorodiet kristallen kwamen zeer sterk overeen met mineraal scorodiet wat betreft het arseen gehalteen het gehalte aan structureel water. De meest stabiele kristallen konden gemakkelijk worden geoogst door middel van sedimentatie vanwege de grotere afmeting van deze kristallen tot ca. 160 1-lm. Op basis van de resultaten van uitloogproeven met bioscorodietkristallen kan het materiaal worden geclassificeerd als ongevaarlijk. Het materiaal heeft een zeer lage arseen mobiliteit met concentraties tussen 0,016 en 0,5 mg L-1 , gemeten na194 ten minste 50 dagen uitloging onder TCLP test condities. Dit maakt het bioscorodiet slib zeer geschikt voor de lange termijn opslag van arseen. Bij lange termijn uitlogingstestenbleek dat de stabiliteit van bioscorodiet kan worden geoptimaliseerd door het kiezen van de juiste operationele variabelen, zoals de verblijftijd in de bioreactor.Bioscorodiet kristallen werden verder op verschillende wijzen vergeleken met specimen van mineraal scorodiet (hoofdstuk 10). De morfologie en structurele samenstelling vanbioscorodiet kristallen lijkt sterk op dat van mineraal scorodiet. Destabiliteitseigenschappen van het bioscorodiet beschreven in dit proefschrift tonen het potentieel van het materiaal om arseen te immobiliseren. De beoordeling van de stabiliteitseigenschappen suggereren dat bioscorodiet kristallen het best kunnen worden opgeslagen bij pH van ongeveer 4, bij voorkeur onder aerobe omstandigheden en in de afwezigheid van organische stof.Het ARSENOTEQ™ proces is een compact proces bestaande uit slechts één reactorwaarin de biologische oxidatie en kristallisatie reacties gelijktijdig plaatsvinden. Door de goede stabiliteitseigenschappen kan bioscorodiet slib worden opgeslagen direct na verwijdering van het materiaal uit de airlift reactor. De operationele kosten van het proces zijn ca. 90% lager dan het conventionele arseen ferrihydriet proces (wat plaatsvindt bij30°C), ondanks de hogere energiebehoefte voor verwarming tot 70°C (hoofdstuk 11). De operationele kosten zijn tevens lager dan die van het chemische proces voor scorodiet vorming bij 85°C. Dit komt voomamelijk omdat neutralisatie stappen, toevoeging van kiemmateriaal, chemische oxidatie, nabehandeling van het slib en slibontwatering bij het bioscorodiet proces niet benodigd zijn.De potentiele toepassing van het bioscorodiet proces voor de verwijdering en immobilisatie van arseen wordt bevorderd door (1) een laag ijzer verbruik, (2) lage slibproductie, (3) geen vereiste voor neutralisatie stappen en ( 4) de productie van stabielbioscorodiet, geschikt voor directe opslag zonder de noodzaak van een nabehandeling van het materiaal.De toepasbaarheid van het bioscorodiet proces werd in dit proefschrift aangetoond voor metallurgische stromen met een arseengehalte van 1 tot 3 gAs L-1. Op basis van gemeten biologische ijzer oxidatie snelheden, wordt geschat dat het proces toepasbaar is voor debehandeling van waterstromen met arseen concentraties tot 20 gAs L-1.Naast de behandeling van metallurgische stromen, biedt dit biologische proces ookmogelijkheden voor de stabilisatie van arseentrioxide door de omzetting hiervan naar scorodiet. Andere toepassingen kunnen worden gevonden in de stabilisatie van ijzer arsenaat houdend slib, afkomstig van de chemische processen die worden gebruikt voor de verwijdering van arseen uit grondwater. De behandeling van dit slib met het bioscorodietproces zou kunnen leiden tot de vorming van arseen kristallen, geschikt voor veilige 195 opslag. Het biedt bovendien potentieel voor ijzer recycling. Een overzicht van de inhoud. Doctor TERMINADA PFCHA-Becas 206p. PFCHA-Becas