De Universiteit Twente gaat een grote rol spelen in het terugdringen van het zoute water in de deltagebieden. Wetenschapsfinancier NWO stelt voor het project SALTISolutions zo’n vier miljoen euro beschikbaar aan verschillende kennisinstellingen. Daarnaast dragen private partijen en de overheid ook 2,5 miljoen bij.

De inmenging van zout zeewater met de zoete wateren in onze deltagebieden zorgt voor problemen. De klimaatverandering en zeespiegelstijging versterken deze ook nog eens. Alleen al in de Nieuwe Waterweg, de verbinding met de zee bij Rotterdam, is zo’n achthonderd kubieke meter Rijnwater per seconde nodig om het zoute zeewater tegen te houden. Dat is bijna al het water dat nu via de Rijn ons land binnenkomt. Het tegenhouden van het zoute water met de tegendruk van het rivierwater is nodig omdat het zeewater anders de plaatsen bereikt waar zoet water wordt ingelaten naar de binnendijkse boezems.

Zoet water in onze rivieren is belangrijk voor de landbouw, natuur en onze drinkwatervoorziening. Bovendien zorgt zout water in de rivieren voor ongewenste erosie van materialen in bijvoorbeeld sluizen en havens.

De Universiteit Twente richt zich binnen SALTISolutions op drie projecten: Nature-based processen en oplossingen (coördinator: Suzanne Hulscher) Een serious game (coördinator: Mascha van der Voort) Een ‘digital twin model’ (coördinator: Jaap Kwadijk)

Natuurlijke processen

Suzanne Huslcher: ‘Hier onderzoeken we maatregelen die gebaseerd zijn op de natuurlijke processen. Het zware zoute water kruipt via de bodem de zoete wateren binnen. Er is daarom meer turbulentie nodig, een mechanisme dat het zoute en zoute water beter – in de waterkolom – met elkaar laat mengen. Hierdoor kan de zouttong niet verder kruipen. We kijken hier naar bodemvormen; golvende patronen op de bodem voorkomen de verzilting. Verder kijken we bij estuaria, de verbrede en vaak trechtervormige monding van de rivier in zee, of we met kwelders (begroeid stuk land dat aan de zee grenst) en andere oevermaatregelen via de oevers menging kunnen vergoten. In sluiscomplexen gaan we uitzoeken hoe de zoutindringing precies werkt en dit modelleren we vervolgens.’

Serious game

Bij besluitvorming over maatregelen om verzilting tegen te gaan zijn veel partijen betrokken. Daarom ontwikkelt prof. Mascha van der Voort een ‘Delta Management Game’. ‘Dit is een game die alle belanghebbenden betrekt en ondersteunt bij het nemen van beslissingen’, zegt Van der Voort. ‘De game geeft inzicht in elkaars perspectief. Ook bevordert de game de relatie en het vertrouwen in de uitkomst en in elkaar. We bouwen hiermee voort op de ‘Virtual River’ die eerder is ontwikkeld binnen het project RiverCare. Daarmee zijn we momenteel volop workshops aan het houden bij partners.”

Digital twin

Prof. Jaap Kwadijk, tevens wetenschappelijk directeur van waterinstituut Deltares, ontwikkelt een model dat het effect van alle Maatregelen binnen SALTISolutions inzichtelijk maakt.

STW, STOWA, KWR en het TKI Watertechnologie investeren de komende jaren gezamenlijk drie miljoen euro in universitair onderzoek dat moet leiden tot een grensverleggende aanpak van zogenoemde nieuwe stoffen. Zij hebben universiteiten gevraagd daarvoor te komen met onderzoeksvoorstellen. Onlangs gingen de eerste vijf onderzoeksprojecten van start.

Er komt steeds meer aandacht voor de grote en diverse groep organische microverontreinigingen (‘nieuwe stoffen’, ‘opkomende stoffen’, ‘Contaminants of Emerging Concern’ (CEC)) die in het milieu terechtkomen. De stoffen in kwestie zijn bijvoorbeeld resten geneesmiddelen, bestrijdingsmiddelen en microplastics, maar ook industriële (tussen)producten zoals pyrazool. Eenmaal in het milieu vormen deze stoffen een potentiële bedreiging voor ecosystemen en voor drinkwaterbronnen.

STW, STOWA, TKI Watertechnologie en KWR onderkennen het probleem en hebben gezamenlijk 3 miljoen euro vrijgemaakt voor een onderzoeksprogramma. Het programma richt zich op drie belangrijke thema’s: effectgerichte monitoring, duurzame en betaalbare zuiveringstechnieken en effectieve strategie van maatregelen. Effectgerichte monitoring richt zich op individuele, bekende stoffen en stofgroepen, maar ook op het monitoren op de effecten van opkomende stoffen. De duurzame en betaalbare zuiveringstechnieken waar onderzoek naar wordt gedaan moeten een laag energie- en chemicaliënverbruik combineren met acceptabele kosten. Tot slot levert een effectieve strategie van maatregelen bouwstenen voor een gedegen pakket van maatregelen om de risico’s van opkomende stoffen te beperken.

Inmiddels zijn binnen het programma vijf onderzoeksprojecten gehonoreerd. Het betreft:

1. AdOx – a next generation adsorption-oxidation process for removal of CECs from municipal wastewater.
2. Cost-Efficient Removal of Contaminants of Emerging Concern in Urban Waste Water Treatment Plants CER-CEC.
3. Decision SUpport ToolS for Risk-based Prioritization and Control of Contaminants of Emerging Concern (SUSPECt).
4. EMERCHE: Effect-directed Monitoring tools to assess Ecological and human health Risks of CHemicals of Emerging concern in the water cycle.
5. RoutinEDA: expanding the scope and downscaling the format of high throughput Effect-Directed Analysis for routine water cycle monitoring and effective control .

In ons afvalwater zijn bacteriën te vinden die resistent zijn tegen antibiotica. Ook resten van antibiotica worden gevonden in het afvalwater. Door de huidige waterzuivering nemen de concentraties van antibioticaresistente bacteriën in het afvalwater sterk af. Innovatieve technieken kunnen in de toekomst tot een nog verdere afname leiden. Dat blijkt uit een onderzoek van het RIVM in samenwerking met andere instituten naar antibioticaresistentie in het milieu.

In Nederland wordt meer dan negentig procent van het afvalwater gezuiverd. In het onderzoek werd afvalwater onderzocht bij rioolwaterzuiveringsinstallaties vóór en na zuivering. Resistente bacteriën en antibioticaresten komen zowel vóór als na zuivering voor in het afvalwater, maar de concentraties na zuivering zijn ongeveer honderd maal zo laag als vóór zuivering. Het afvalwater is afkomstig van huishoudens, ziekenhuizen, verzorgingshuizen en bedrijven. Het wordt na zuivering geloosd op oppervlaktewater, zoals rivieren en meren.

Resistente bacteriën

In alle afvalwatermonsters werden ESBL-producerende E. coli gevonden. Bij negentig procent van de onderzochte zuiveringinstallaties werd CRE (carbapenem-resistente Enterobacteriaceae) aangetroffen, en de concentraties hiervan lagen ongeveer 250 keer lager dan de concentraties van ESBL-producerende E. coli.  In circa zestig procent van de zuiveringsinstallaties waren VRE (vancomcycine-resistente enterokokken) aanwezig. De gevonden bacteriën behoren tot de zogenoemde  bijzonder resistente micro-organismen (BRMO’s). Dit zijn micro-organismen die resistent zijn tegen de eerstekeuze-antibiotica of tegen meerdere groepen antibiotica. Ook werden resten van meerdere soorten antibiotica aangetoond in de afvalwatermonsters.

Via oppervlaktewater kunnen mensen in aanraking komen met resistente bacteriën. Dit betekent niet dat mensen direct gevaar lopen om een infectie te krijgen met resistente bacteriën. Deze bacteriën komen op meer plekken voor. Bijvoorbeeld ook in zorginstellingen, zoals verpleeghuizen en ziekenhuizen, en bij landbouwhuisdieren.

Mest

Behalve afvalwater werd ook mest onderzocht op resistente bacteriën. Bij een eerste proefonderzoek werden bij meer dan de helft van de mestmonsters van vleeskalveren en varkens ESBL-producerende E.coli aangetroffen. Een groter aantal mestmonsters zal worden onderzocht om hier uitspraken over te kunnen doen.

Maatregelen

Bij het onderzoek is daarnaast in kaart gebracht welke maatregelen de verspreiding van antibioticaresistentie kunnen tegengaan, zoals aanvullende zuiveringstechnieken. Door de huidige waterzuivering van het afvalwater nemen de concentraties van antibioticaresistente bacteriën af met ongeveer een factor honderd. Er bestaan innovatieve technieken voor de nazuivering van afvalwater en voor de behandeling van mest die tot een verdere vermindering van antibioticaresistentie kunnen leiden.

Als we de aarde gezond willen krijgen, ondanks een bevolking van meer dan 7 miljard, dan moeten we veel meer gaan hergebruiken. Membranen zijn daarbij onmisbaar, onder meer doordat ze gassen en vloeistoffen milieuvriendelijk kunnen scheiden en zuiveren – denk aan schoon drinkwater. Membraanhoogleraar Kitty Nijmeijer (1972) verhuisde naar de TU/e om met haar onderzoek bij te kunnen dragen aan de duurzaamheid van onze wereld.

Al Gore, met zijn boek An Inconvenient Truth, was een belangrijke inspirator voor de chemisch technoloog Nijmeijer, en Trump’s opvattingen over klimaatverandering vindt ze ‘schokkend’, net als het ondermijnen van klimaatwetenschap door bedrijven als Exxon Mobil. Het tekent de hoogleraar Membrane Materials and Processes Kitty Nijmeijer, bij wie het onderzoek in het teken staat van één ding: werken aan de duurzame toekomst van de aarde. Ze wil met haar werk een bijdrage leveren aan een circulaire economie waarbij ‘zoveel mogelijk kringlopen gesloten worden’. Door bijvoorbeeld van afval weer grondstof te maken, want ‘ik vind dat wij verantwoordelijk zijn voor een schone en duurzame wereld. We hebben maar 1 aarde tot onze beschikking, maar in de westerse wereld gebruiken we met onze huidige levensstijl drie tot vijf aardes. Hergebruik van materialen is dus pure noodzaak om uitputting van de aarde te voorkomen.’

Vrijwel alles

Dat ze werkt aan membraantechnologie voor de benodigde scheidingsprocessen, sluit daar naadloos bij aan. ‘Vrijwel alles wat wij eten en drinken, alle producten die wij gebruiken, hebben een of meerdere scheidingsstappen ondergaan’, legt Nijmeijer uit. ‘Scheidingen nemen het grootste deel van het energieverbruik van de chemische industrie voor hun rekening. Membraantechnologie is een milde scheidingstechnologie die weinig energie kost.’

Concentratie

Haar groep werkt aan de ontwikkeling van nieuwe membranen, het verbeteren van de scheidende eigenschappen, een langere levensduur, en aan hogere opbrengsten van die membranen voor duurzame toepassingen. Het doel is daarbij altijd ‘upcyclen’; van een reststroom een hoogwaardigere grondstof maken. Want ‘downcyclen’, een laagwaardiger product maken (zoals karton van oud papier), leidt uiteindelijk toch tot afval. Nijmeijer ziet bijvoorbeeld kansen in de voedingsmiddelenindustrie, waar veel verdunde reststromen voorkomen die door concentratie en het selectief terugwinnen van waardevolle componenten – via membranen – economisch weer interessant kunnen worden.

Een relatief nieuw en groeiend probleem waar Nijmeijer aan werkt, zijn de zogenaamde microverontreinigingen zoals medicijnen, hormonen, drugs en pesticiden, in drinkwater. Op dit moment zijn deze stoffen nog slechts in zeer lage concentraties aanwezig in ons water, maar als we niets doen zijn deze uiteindelijk wel bedreigend voor de gezondheid. Deze stoffen zijn er nu nog niet uit te krijgen, maar Nijmeijer hoopt dat dit met de nieuwe membranen die door haar groep ontwikkeld worden binnen vijf jaar wel lukt.

Blauwe energie

Ook op veel andere fronten van duurzaamheid kunnen membranen een sleutelrol spelen. Denk aan het afvangen van CO2 en het terugwinnen van waterdamp bij elektriciteitscentrales, het opwekken van elektriciteit uit het verschil in zoutconcentratie tussen zee- en rivierwater (‘blauwe energie’), het opwerken en zuiveren van biogas zodat het bruikbaar is in het gasnet, en het maken van basischemicaliën of brandstoffen uit CO2 met hulp van zonne-energie. Het zijn allemaal terreinen waar Nijmeijer met haar groep aan werkt

Poreuze rietjes

Nijmeijer stapte begin 2016 over van de Universiteit Twente naar de TU/e. ‘Omdat Eindhoven sterker is in zowel polymeren als procestechnologie, beide belangrijke pijlers om de membraantechnologie van de toekomst te ontwikkelen.’, licht ze toe. Samen met haar collega dr. Zandrie Borneman bouwde ze in Eindhoven een nieuwe onderzoeksgroep op, Membrane Materials and Processes (MM/P) – inmiddels 15 leden sterk – en richtte ze voor 1,7 miljoen euro een geheel nieuw laboratorium in, dat op 7 april wordt geopend. Daarin kunnen Nijmeijer en haar onderzoekers heel nauwkeurig de eigenschappen van polymeermembranen variëren en beïnvloeden, de membranen precies die eigenschappen geven die nodig zijn voor nieuwe, duurzame toepassingen en testen of de membranen inderdaad doen wat ze moeten doen. De gemaakte membranen hebben de vorm van lange, dunne rietjes, met microscopisch kleine gaatjes. Deze gaatjes laten alleen schoon water door, terwijl bacteriën en het vuil worden tegengehouden. Vuil water dat door zo’n rietje stroomt, komt er aan de buitenzijde gezuiverd uit. In het lab kunnen de onderzoekers op moleculair niveau sleutelen aan het membraanmateriaal en daarmee heel nauwkeurig de grootte van die gaatjes bepalen, wat bepaalt welke stoffen het membraan kunnen passeren. Nijmeijer: ‘Dat is een van de leuke dingen van mijn vakgebied; het ontwikkelen van membranen vraagt inzicht en begrip en tegelijkertijd maakt de toepassing het zeer concreet.’