Veel afvalproblemen bieden op het eerste gezicht weinig vrolijkmakende perspectieven. Toch is lang niet iedere zak afval een even uitzichtloos probleem. Geochemical engineering laat de natuur onze rotzooi opruimen en maakt er vaak nog wat nuttigs van.
Milieuproblemen zijn de gewoonste zaak van de wereld, want het is echt niet alleen de mens die rotzooi maakt. In een wat simpele benadering is een milieuprobleem een teveel van een schadelijke stof in ons milieu. En dus is iedere actieve vulkaan door zijn uitstoot van zwaveldioxide en andere akelige stoffen een vervuiler die de meeste kolencentrales met gemak verslaat, en is ieder ertsvoorkomen een ontoelaatbare opeenhoping van vergif. Volgens de geldende regels zouden heel wat vulkanen hun activiteit moeten stilleggen, en sommige ertsen zouden onder politiebewaking moeten worden afgevoerd!
Vijf oplossingen
In een andere definitie hebben we het pas over een milieuprobleem als het de lévende natuur bedreigt, en dat is alleen het geval als de betreffende stof voor levende organismen opneembaar is. Daarvoor moet het in een mobiele vorm beschikbaar zijn in grond- of oppervlaktewater, of in de lucht. Een schadelijke stof die zit opgesloten in een vast materiaal zoals een gesteente, een bodem, een erts, of zelfs in vast afval, vormt op zich dus geen milieuprobleem; dat wordt het pas als die stof er (te snel) uit vrijkomt. De huidige milieunormen hebben dan ook veelal betrekking op de concentraties van stoffen in opneembare vorm. Als we begrijpen hoe schadelijke stoffen, in al dan niet opneembare vorm, van nature door de geochemische kringloop reizen, is het vaak nog maar een kleine stap om dergelijke geochemische processen aan te passen tot een nieuwe milieutechnologie. Deze benadering vormt de kern van een nieuwe discipline in de milieutechniek: geochemical engineering.
De geochemische kringloop
Schadelijke stoffen reizen ook van nature door de geochemische kringloop. Het begrijpen van die kringloop en het aanpassen van de processen tot een nieuwe milieutechnologie – dat is de kern van de discipline in de milieutechniek, de geochemical engineering. We kijken de kunst af van de natuur. In hun reis door de kringloop komen de schadelijke stoffen in gesteenten aan het oppervlak van de aarde. Daar beginnen ze te verweren. Een gedeelte van het gesteente lost op in water en wordt met rivierwater afgevoerd naar zee. De minder oplosbare delen vormen een bodem, die na verloop van tijd door erosie wordt afgebroken. Water, wind of ijs nemen de vaste bodemdeeltjes mee, die uiteindelijk ook in zee terechtkomen, waar ze sedimenteren. Ook de opgeloste stoffen blijven niet eeuwig in zee achter, maar worden in nieuwe combinaties opgenomen in sedimenten.
De afgezette stoffen op de bodem van de zee zijn onderhevig aan de plaattektoniek. De plaatbewegingen transporteren de sedimenten naar de continentranden. Daar verdwijnen ze onder de continenten, óf ze worden verplooid en tot gebergten opgeheven. Bij het transport warmen de materialen op, waarbij allerlei mineraalreacties optreden. We zeggen dat de gesteenten metamorf worden. Uiteindelijk zal een gedeelte opsmelten, en als magma (gesmolten gesteente) naar boven stromen. Die smelten kunnen ergens in de korst blijven steken (intrusies) of als vulkanisch gesteente naar boven komen. Zodra een gesteente weer aan het oppervlak komt, begint de cyclus opnieuw.
Voor elk element geldt dat het in verschillende stadia van een geochemische kringloop gemobiliseerd kan worden, en op een andere plaats in geconcentreerde vorm weer kan worden afgezet. Dat noemen we dan een ertsafzetting. Als het erts aan de oppervlakte komt, ruimen verwering en erosie op hun beurt het erts weer op, zodat het element weer wordt verspreid.
Kristallen
Op oudjaar 1979 brandde aan de Nieuwendijk in Amsterdam een bioscoop af. De Stadsarcheologische Dienst kreeg toestemming om op die plek opgravingen te verrichten, want men verwachtte resten van 13e-eeuws Amsterdam te vinden. Die verwachting kwam uit, maar naast aardewerk, gebruiksvoorwerpen, kleding en schoeisel kwamen bij de opgraving ook grote lichtbruine kristallen naar boven. Na enige omzwervingen belandden de kristallen bij de faculteit Aardwetenschappen in Utrecht. Daar onderzochten we ze en stelden vast dat het struvietkristallen waren. Het mineraal struviet bevat ammonia en fosfaat, en als je in het hartje van een oude stad kristallen met ammonia en fosfaat vindt, dan ligt de herkomst voor de hand: 13e-eeuws Amsterdam had geen riolering. Alle fecaliën, urine en afval verdwenen in het gat in de achtertuin, waar ze sindsdien eeuwenlang hebben liggen mineraliseren.
Struvietindustrie
Mest bevat grote hoeveelheden ammonium en fosfaat. Aangezien we tegenwoordig met een probleem van overbemesting zijn opgezadeld, lijkt mineralisatie tot struviet een goede methode om die stoffen uit de mest te halen. Het leuke is dat de kunstmestindustrie in Duitsland en de Verenigde Staten in de jaren zestig uitgebreid onderzoek heeft gedaan naar struvietproductie. Toen al bleek struviet een uitstekende kunstmest te zijn, maar door de hoge productiekosten kwam het niet in de handel. Men moest ammoniak kopen, fosforzuur en magnesiumzouten, en daaruit deze kristallen maken. Dat was te duur. Wie daarentegen struviet uit mest maakt, krijgt juist betaald voor de fosfaat en de ammoniak die hij uit de mest haalt. Dat maakt het product economisch veel aantrekkelijker. Een kleine struvietfabriek, die kalvergier als grondstof gebruikt, ging vorig jaar in Putten van start. Er zijn natuurlijk nog wat kinderziekten, maar als die overwonnen zijn zal Nederland uit overtollige mest kunstmest produceren. Omdat de gezamenlijke fosfaatindustrie in West-Europa heeft besloten om in 2015 minstens 25% van hun fosfaten te recyclen, heeft de struvietindustrie goede toekomstperspectieven.
Versnellen
De struvietfabriek is een aardig voorbeeld van een toepassing van geochemical engineering. Vaak lopen we echter tegen het probleem op dat geochemische processen erg langzaam verlopen. Als we een proces dat in de natuur een paar honderd jaar duurt, in een uurtje willen voltooien, dan moeten we het een miljoen maal versnellen. Dat kan door de temperatuur te verhogen. Veel processen lopen ongeveer twee keer zo snel als de temperatuur 10ºC omhoog gaat. Als we van een buitentemperatuur van 15ºC naar een procestemperatuur van 85ºC gaan, winnen we dus al een versnelling van 27 = 128 maal. Bovendien kunnen we het te behandelen materiaal verpoederen. Dat creëert een veel groter reactieoppervlak, wat de reactie in hoge mate versnelt. Daarnaast gebruiken we sterkere chemicaliën in hogere concentraties. De combinatie van al deze trucs levert de gewenste miljoenvoudige versnelling.
Verweren
Als we zo’n natuurlijke milieutechnologie op de plaats van de vervuiling zelf kunnen toepassen, dan hoeven we ons probleem natuurlijk niet in een uurtje op te lossen. Het mag dan best een paar maanden duren. In dat geval hoeven we de natuur niet een miljoen keer te versnellen, maar is duizend keer al genoeg. De meeste gesteenten liggen niet open en bloot aan het oppervlak, maar zijn bedekt door een bodem. Die bodem is het resultaat van de fysische en chemische verwering van het onderliggende gesteente. De fysische verwering verbreekt en vergruist het gesteente onder invloed van bijvoorbeeld dooi, vorst en afslijping door de wind. Met het uiteengevallen gesteente gaat de chemische verwering aan de slag. De in het grondwater opgeloste zuren lossen het gesteente op. Sommige mineralen verweren veel makkelijker dan andere: kalk lost snel op, kwarts daarentegen nauwelijks.
Afvalzuren
Als we industriële afvalzuren met behulp van mineralen willen neutraliseren, dan moeten we dus zeker geen kwarts gebruiken, maar een mineraal dat snel reageert en in grote hoeveelheden aanwezig is. Vaak neemt men daarvoor calciet (CaCO3), het hoofdbestanddeel van kalksteen. Het reageert snel maar is niet geschikt voor het neutraliseren van bijvoorbeeld zwavelzuur. Bij die reactie ontstaat namelijk gips, waarbij de verontreinigingen ook in het gips gaan zitten – en op bergen vervuild gips zit niemand te wachten. Om industrieel zwavelzuurafval kwijt te raken is dus een andere methode nodig. Een van de mogelijkheden, die we in Utrecht de laatste jaren uitgebreid hebben onderzocht, is het gebruik van het mineraal olivijn, (Mg,Fe)2SiO4, dat meestal ook enkele promillen nikkel bevat. Er zijn onuitputtelijke voorraden van bijna zuivere olivijngesteenten aanwezig in veel landen; het wordt bijvoorbeeld gemijnd in Noorwegen, Spanje en Italië. Het is dus een goedkope grondstof. Olivijn reageert minder heftig met zwavelzuur dan calciet, maar bij een iets verhoogde temperatuur zijn afvalzuren binnen enkele uren vrijwel geheel te neutraliseren. In dit proces ontstaan silica, nikkelhoudend magnetiet en een pure magnesiumsulfaatoplossing. Elk van deze producten heeft industriële toepassingen. Wat in feite dus niets anders is dan een versneld, natuurlijk verweringsproces van olivijn, lost hier een groot industrieel probleem op.
Mestoverschot
Mest is nodig om de voedingsstoffen aan te vullen die gewassen aan de bodem onttrekken. Er bestaat dan ook geen mestprobleem, maar in bepaalde streken slechts een mestoverschotprobleem. De intensieve veehouderij produceert te veel mest, terwijl er te weinig mestvragende landbouwgrond tegenover staat. Het kost de veehouders in deze gebieden veel geld om van hun mestoverschotten af te komen. De Nederlandse overheid probeert het probleem op te lossen door de veestapel in te krimpen. Kijken we daarentegen naar de oceanen, dan zien we enorme gebieden die vrijwel levenloos zijn, biologische woestijnen. De voedingsstoffen die vanaf land worden toegevoerd, zijn al elders door de oceanische biomassa verbruikt, en komen dus niet in de biologische woestijnen terecht. Rijke visgronden vinden we dan ook vooral langs de randen van continenten, waar diep, voedselrijk oceaanwater naar boven komt. Als wij onze mestoverschotten verzamelen en ze met grote tankers uitvaren naar die biologische woestijngebieden, creëren we er nieuwe biomassa. Natuurlijk moeten we zorgen dat we geen te hoge concentraties aan voedingsstoffen krijgen, omdat dat tot algenbloei leidt. Door bijvoorbeeld als bovengrens het gemiddelde fosfaatgehalte van de oceanen te hanteren, vermijden we dit probleem.
Broeikasgevaar
Biomassa heeft een verhouding van koolstof : stikstof : fosfor van ongeveer 116:16:1. Dat betekent dat iedere kilogram fosfor 116 kilogram koolstof vastlegt, of 390 kilogram CO2. Door CO2 in biomassa vast te leggen, kan Nederland een significante bijdrage leveren aan de bestrijding van het broeikasgevaar. De kosten liggen in de orde van enkele guldens per kubieke meter drijfmest, aanzienlijk lager dan die van oplossingen op land. Misschien zal men tegenwerpen dat er principieel geen afvalstoffen in zee mogen worden gedumpt, maar wat ik hier voorstel heeft niets te maken met het dumpen van afvalstoffen. Het enige verschil is dat we de mest niet uitrijden op plekken op land met een tekort aan voedingsstoffen, maar uitvaren op zee in gebieden met een tekort aan voedingsstoffen.
Weggestopt
Vaak vindt gevaarlijk afval stevig ingepakt zijn weg naar geïsoleerde opslagplaatsen. Dat is natuurlijk geen duurzame oplossing. Iedere stof keert op den duur terug in het milieu, want geen enkele isolatie heeft het eeuwige leven. Opbergen lijkt misschien goedkoop en veilig, maar op al dat weggestopte afval verliezen we al snel het zicht. Daarom is iedere opslag een tijdbom, die op een onbekend moment in de toekomst af kan gaan. Gevaarlijk afval moet worden verwerkt, of we moeten zodanige maatregelen nemen dat de terugkeer in het milieu langzaam en ordelijk verloopt. Een voorbeeld van natuurlijke isolatie, die inherent veiliger en goedkoper is dan onze kunstmatige en dure isolaties, zien we in de Krim, aan de noordkant van de Zwarte Zee. Daar loost een grote fabriek van titaanwit en kunstmest haar vloeibare afvalstromen in een afgedamde baai. Omdat de Krim een droog klimaat heeft, verdampt er ieder jaar meer dan er aan regen valt. Als het oppervlak van het afvalmeer maar groot genoeg is, houden lozing en verdamping elkaar in evenwicht. Voor een lozing van elf miljoen kubieke meter per jaar ligt dat evenwichtsoppervlak op de Krim op ruim veertig vierkante kilometer. Het probleem is natuurlijk wel dat er slechts water verdampt en geen zuiver water de baai in komt. De concentraties van allerlei stoffen nemen dus ieder jaar toe. Dat geldt ook voor de zuurgraad van de baai. De fabriek loost een verdund zuur in het meer, waardoor dat steeds zuurder wordt. Er ligt nu een meer van ruim 40 km2 met een pH van 0,8 – het grootste zuurmeer ter wereld. Een frisse duik loopt daar letterlijk met een sisser af. Gelukkig is er tot nu toe geen druppel zuur doorgedrongen tot de ondergrond. Het blijkt dat het zuur reageert met de kalkrijke klei onder het meer. Bij de reactie ontstaat een volstrekt ondoordringbaar laagje gips met ijzerhydroxide. Hoewel het laagje maar enkele centimeters dik is, vormt het een fantastische zuurscheiding. Het poriënwater boven het laagje heeft een pH van 0,9 (flink zuur), terwijl het water drie centimeter onder het laagje een pH van 6,3 heeft (en dus vrijwel neutraal is). Het mooie van zo’n scheidingslaagje is dat het zichzelf vormt, en bij beschadiging zichzelf automatisch herstelt. Zulke isolatiesystemen zouden we vaker moeten gebruiken. We moeten zorgen dat we ons afval op een zodanige ondergrond aanbrengen dat de twee stoffen met elkaar reageren en een ondoordringbare afsluitende laag vormen.
Vliegas
Vliegas ontstaat bij de verbranding van steenkool. De stof is milieubelastend omdat hij veel metalen bevat. Na een behandeling met warme alkalische oplossingen ontstaan zeolieten.
Omdat permanente isolatie van afvalstoffen toch een illusie is, moeten we ons milieudoel anders formuleren. Milieuschade aan levende organismen ontstaat alleen maar als deze organismen de afvalstof daadwerkelijk in hun lichaam opnemen, wat vrijwel uitsluitend via waterige oplossingen kan gebeuren. Ons milieudoel moet dus zijn: zorg dat de gehalten aan schadelijke stoffen in de mobiele fase altijd onder gestelde grenswaarden blijven. Vaak kunnen we dat bereiken door de stoffen te immobiliseren, ze zo te bewerken dat hun verspreiding wordt vertraagd. Een voorbeeld is de immobilisatie van kolenvliegas. Steenkool bevat een aandeel aan silicaten (kwarts en klei) die ingespoeld zijn tijdens de afzetting, en metaalsulfiden, ontstaan in het reducerende afzettingsmilieu. Bij de verbranding van steenkool smelten de silicaten tot kleine glasbolletjes en de sulfiden oxideren, waarbij sommige metalen verdampen. Als de rookgassen afkoelen, condenseren de metalen op de kleine glasbolletjes. Deze zogenaamde kolenvliegas wordt afgevangen in filters. Door het vrij hoge metaalgehalte is kolenvliegas een milieuhygiënisch problematische stof, vooral omdat er wereldwijd grote volumes worden geproduceerd.
Zeoliet
Zeolieten hebben een veel groter oppervlak dan vlieggas en verkrijgen daardoor een reinigende werking. Van vlieggas zeolieten maken, dat is letterlijk van de nood een deugd maken.
De samenstelling van de glasbolletjes lijkt op die van vulkanische assen. In de natuur zetten warme, alkalische oplossingen de aslagen van vulkanen vaak om tot zogenaamde zeolieten. Zeolieten zijn gehydrateerde aluminiumsilicaten met een heel ‘luchtige’ kristalstructuur met grote kanalen. Het zijn daardoor stoffen met een zeer groot specifiek oppervlak (het oppervlak per kilogram stof). We hebben naar analogie met de natuur kolenvliegas behandeld met warme alkalische oplossingen, en het blijkt dat de vliegas in korte tijd grotendeels valt om te zetten tot zeolieten. Het specifieke oppervlak van de vliegas neemt spectaculair toe, met een factor 150 tot 200. Interessanter is nog dat ook het absorptievermogen voor kationen met eenzelfde factor toeneemt. Vóór de omzetting was vliegas een probleemstof, na omzetting heeft het genoeg absorptiecapaciteit over om niet alleen zijn eigen metalen te binden, maar ook andere afvalstromen te kunnen reinigen. Proeven hebben uitgewezen dat gezeolitiseerd vliegas heel goed als liner in afvaldepots dienst kan doen. Een liner is een afsluitende laag die onder een afvalstort wordt aangebracht. De gezeolitiseerde vliegas reinigt zo het doorsijpelende vocht. Bij oplossingen van milieuproblemen volgens de concepten van geochemical engineering proberen we dus zo veel mogelijk natuurlijke processen te volgen. De meeste tot nu toe gebruikte milieutechnologieën sluiten de natuurlijke ontwikkeling zoveel mogelijk uit. Vaak blijkt de uitkomst dan ook tot onaangename verrassingen te leiden. Wie zich aansluit bij de natuurlijke ontwikkeling van een systeem, laat de natuur het grootste deel van het vuile werk opknappen, en het uiteindelijke product past in de natuurlijke context. Dit soort oplossingen is vaak goedkoper dan veel andere technieken, en als het resultaat beter is nemen we het nadeel dat het meestal langzamer gaat, graag voor lief.
