woensdag, maart 29, 2006
'Afval' is waardevolle grondstof
Gedurende tientallen miljoenen jaren is organisch materiaal in de aardkorst verworden tot aardolie en aardgas. Nu deze voorraden opraken moeten we op zoek naar alternatieven. Samen met Wageningen UR werk ik aan een project "Groene Raffinaderij" in het kader van Biobased-Brabant. Groene-grondstoffen zijn een deel van de oplossing maar er is meer mogelijk zoals je in het volgende artikel kunt lezen.
Elimineren virussen door afval als voedsel - De vijf rijken
De 'living machine' is vanzelfsprekend een bijzonder elegante manier om afvalwater te zuiveren en tot drinkwaterkwaliteit op te krikken. De milieuvriendelijke techniek krijgt echter veel meer reliëf wanneer ze met andere principes uit de industriële ecologie wordt gecombineerd. Volgens innovatieve denkers (als Wes Jackson, Janine Benyus, Gunther Pauli, John Todd) kunnen toepassingen tot schaalsprongen in duurzaamheid leiden. Een kans voor de provincie Brabant? Voor een goed besef van de huidige problemen - vooral het teveel aan mest en CO2 emissies - is een korte, historische vogelvlucht over natuur en landbouw noodzakelijk. Tot aan het eind van de jaren '50 van de vorige eeuw is de landbouw immers vrijwel volledig van rechtstreeks zonlicht afhankelijk geweest. Dat veranderde toen de olie in onder andere Texas bijna letterlijk de grond uit schoot. Met behulp van fossiele brandstoffen kon een gemiddelde boer binnen drie decennia ruim het zesvoudige aan landbouwopbrengsten binnenhalen. Een ongehoorde prestatie die waarschijnlijk alleen maar te vergelijken valt met de omslag van jacht naar landbouw, de eerste revolutie. Helaas komen de grenzen van die schijnbaar onbekommerde lineaire groei in zicht (of zijn zelfs overschreden). Enerzijds heeft het grootschalige gebruik van water en irrigatie, van herbiciden, kunstmest en fossiele brandstoffen geleid tot behoorlijk schadelijke effecten op grond, water en lucht. Aan de andere kant is het agro-industrieel complex niet langer in staat om de landbouwopbrengsten met de huidige wijze van productie te verdriedubbelen. Daardoor krijgt een steeds groter deel van de wereldbevolking steeds minder voldoende voedsel om in haar bestaan te voorzien. Volgens vooruitstrevende intellectuelen - die tegelijkertijd ook praktisch werk verrichten - is de tijd daarom rijp voor een nieuwe industriële revolutie die uitgaat van (imitatie van) natuurlijke materialen, processen en systemen. Opbrengsten worden daarmee ongelimiteerd. 'Niet door te verwachten dat de aarde meer oplevert maar door veel inventiever van de producten van de aarde gebruik te maken', meent Gunther Pauli, oprichter van ZERI (Zero Research Emissions Initiative). Dat uitgangspunt betekent een fundamentele wijziging van denken omdat managers van bedrijven maar ook de meeste wetenschappers vastzitten aan verhoging van een bepaalde factor (zoals omzet, winst, aandeel) zonder zich te beseffen dat problemen vaak de oplossingen in zich bergen. Basis van levende systemen Vraag een willekeurige manager uit het MKB, een politicus uit één van de grote partijen of een beleidsambtenaar op EZ wat de vijf rijken in de levende natuur zijn (dieren, planten, algen, schimmels en bacteriën), slechts weinigen weten het antwoord. Toch ligt in die kennis de sleutel tot veel van de tegenwoordige milieuproblemen. Kern daarvan is zelforganisatie, hét kenmerk van levende systemen. In diverse werken heeft Ilya Prigogine, Nobelprijswinnaar en één van de vaders van de moderne complexiteitstheorie, aangetoond dat levende systemen zich aan de rand van de chaos, dus vér uit hun evenwichtstoestand, ontwikkelen. Dat doen ze door constant energie en materie aan hun omgeving te onttrekken. De terugkoppelingsringen binnen het systeem kunnen wiskundig als niet-lineaire vergelijkingen beschreven worden (fractals zijn daarvan een schitterend voorbeeld). Boven een bepaald breekpunt, door evolutionair bioloog Stuart Kauffman 'suprakritisch' genoemd, ontstaan nieuwe moleculaire combinaties of zelfs organismen. Vandaar ook dat nauwe samenwerking tussen de vijf rijken voorwaarde tot het (voort)bestaan van levende systemen is. Volgens John Todd, uitvinder van één van de eerste 'living machines' en directeur van 'Ocean Arks', springt men in de aquacultuur, de meest delicate van alle teelten, echter nogal lichtzinnig met algen, schimmels en lagere plantensoorten om. Sterker nog, ze worden als 'afval' gezien en fysiek of chemisch uit het zuiveringsysteem verwijderd (waardoor men andere, soms nog schadelijker chemicaliën moet inzetten). In een sterk technisch stuk in 'Ecological Engineering' betogen Todd en Beth Josephson dat vooral 'lagere' soorten doorslaggevend zijn voor levende systemen. Dat begint al bij minerale diversiteit, sterk veronachtzaamd in reguliere waterzuivering. Zo gebruiken bacteriën koolstof-, fosfaat-, ijzer-, en zwavelmineralen voor hun metabolische processen. En colloïden, mineraal/biologische mengsels van klei en uiterst kleine humusdelen, zijn weer verantwoordelijk voor de ionen-uitwisseling tussen bodem, water, bacteriën en hogere planten. De effecten daarvan worden alleen maar overtroffen door fotosynthese en de ademhaling, zo halen de twee eerder onderzoek aan. Andere opvallende kenmerken van functionerende levende systemen zijn volgens hen een grote variëteit aan microbiële gemeenschappen. Naar de geschiedenis en het gedrag van de meeste bacteriën is echter weinig onderzoek gedaan terwijl we weten dat soms één bacterie al katalyserend kan werken op belangrijke reacties. Schimmels, effectiever op land dan in het water, breken organismen tot krachtige enzymen af. Maar ook insecten, slakken en schaaldieren, te vaak als last beschouwd, hebben zo hun functie. Zo zijn slakken prima klokkenluiders: bij een bepaalde hoeveelheid gif kruipen ze omhoog in de natte onderste delen van planten. En van schaaldieren is weer bekend dat ze water van colloïden en andere (an)organische afbraakproducten filteren. Ontwerp Om een natuurlijk systeem in stand te houden, zijn volgens Todd en Josephson tenminste drie rijken nodig. ZERI heeft voor dat verschijnsel een mogelijke verklaring gevonden. Wat in het ene rijk afval van - en dus vergif voor - een levenssoort is, blijkt in het andere rijk juist een nutriënt of voedsel te zijn. Virussen en andere ziekteverwekkers (die elk systeem minder weerbaar maken) worden geneutraliseerd of verdwijnen zelfs geheel wanneer ze twee of meer rijken hebben doorlopen. Voorbeelden zijn er te over: van appels, rijk aan cyanide, tot aan mosterdsoorten die zware metalen opslaan. Het mooie is nu dat in de meest complexe ecosystemen - een bos, een koraalrif - de dieren en planten, de schimmels en bacteriën op één plaats samenwerken, voedsel en informatie met elkaar uitwisselend, transport tot een minimum beperkend en op die manier een overvloedige rijkdom creërend. En alsof dat niet genoeg is, gebeurt dat bij alle volwassen ecosystemen - daar waar alle vijf rijken samenwerken - ook nog eens onder normale druk en temperatuur. De benodigde energie wordt via fotosynthese - dus uit direct zonlicht! - uit de grenzen van het systeem gehaald. Het contrast met de huidige industriële productiewijze kan niet scherper zijn. Daar heerst volgens Janine Benyus, een biologe die internationaal doorbrak met 'biomimicry', het aloude matra van 'heat, beat & treat': verhitten, onder druk brengen en chemisch behandelen. Voor dat proces wordt het oude, zwaar geconcentreerde zonlicht - fossiele brandstoffen - van heinde en verre aangesleept. Is het een wonder dat onze CO2 emissies zienderogen toenemen en onze restproducten in steeds groter hoeveelheden op de vuilnisbelt belanden..? Over vissen en varkens Het kan echter anders. Op de Fiji eilanden en Hawaii, in China en Namibië zijn diverse levende systemen beproefd die veel of alle van bovenstaande eigenschappen in zich verenigen. Met soms verbluffende resultaten. Neem bierbrouwerijen waarmee Brabant eens zo rijk was toebedeeld. Minder dan 10% van de nutriënten in de gerst wordt echter voor brouwen gebruikt. De borstel (het vaste restproduct) gaat naar de varkens. Is dat nu een goede oplossing? Mwah, niet echt. Weliswaar eten varkens bijna alles maar omdat het restproduct uit 70% vezels bestaat, gaan de dieren er nogal van flatuleren. Veel beter is het om deze vezel eerst met zaagsel te mengen en, zoals professor Chan dat bij een jongensschool op Suva (Fiji eilanden) doet, daarop paddestoelen en wormen te telen. De paddestoelen en wormen zetten het ligno-cellulose uit de vezel in de bodem om in een makkelijk afbreekbaar eiwit waar kippen en varkens gek op zijn. De excrementen van de dieren verdwijnen drie tot zes dagen in een zuurstofloze vergister die niet alleen biogas (voor koken) opwekt maar ook zo'n 60% van de biochemische zuurstofvraag wegneemt. Het resterende deel van het digestaat komt vervolgens in een serie ondiepe vijvers terecht waar de groene alg alle resterende organische massa filtert en het water verder met zuurstof verrijkt. Maar dat is nog niet alles. Gedroogd is de alg een uitstekende aanvulling op het dieet van de kostschooljongens. Ook kunnen algen als voedsel voor vissen in dieper gelegen vijvers dienen. Waar het volgens Pauli op aankomt, is deze subsystemen goed op elkaar af te stemmen. "Op Fiji houden ze nu zeven tot acht soorten vis in drie meter diepe vijvers. Elke soort zwemt op z'n eigen diepte waar het zich voedt met het plankton dat op dat niveau voorkomt. Gaat er één soort ziek of dood, dan zorgen de andere soorten ervoor dat het systeem in stand bijft", zo vertelde hij enige jaren geleden een internationaal gezelschap studenten aan Wageningen Universiteit. Plaatselijke werkgelegenheid Welke voordelen zijn hieruit voor Brabant te halen, mocht de provincie een 'living machine' op dergelijk wijze uitbreiden? Allereerst dat de grondstofproductiviteit bij clustering van diverse economische activiteiten met 50 à 75% zal toenemen en schadelijke emissies (nitraten) navenant zullen afnemen. Vreemd? Helemaal niet want eerst werden die producten als afval beschouwd! Nu krijgen stofstromen tijdens verschillende fases van het proces meerwaarde. In de vorm van biogas dat als warmte en groene stroom verkocht kan worden. In de vorm van tilapia, de zoetwatervis waar steeds meer vraag naar is. Of in de vorm van een bepaald soort paddestoel, bijvoorbeeld een shii-take, die op de markt duur wordt betaald. Tegelijkertijd leveren die economische activiteiten ook weer nieuwe werkgelegenheid op die eerder zorg en aandacht dan grote inspanning vereisen. Er schuilt echter een addertje onder het gras. Wil elk van de activiteiten ecologisch levenskrachtig zijn, dan moet deze 'extended living machine' zich op een klein gebied afspelen, bij voorkeur in de nabijheid van een brouwerij en afgestemd op de lokale vraag naar tilapia en paddestoel, naar kip en naar ei. Met vanzelfsprekend als grote hamvraag: wie durft?
Auteur: Tseard Zoethout
Elimineren virussen door afval als voedsel - De vijf rijken
De 'living machine' is vanzelfsprekend een bijzonder elegante manier om afvalwater te zuiveren en tot drinkwaterkwaliteit op te krikken. De milieuvriendelijke techniek krijgt echter veel meer reliëf wanneer ze met andere principes uit de industriële ecologie wordt gecombineerd. Volgens innovatieve denkers (als Wes Jackson, Janine Benyus, Gunther Pauli, John Todd) kunnen toepassingen tot schaalsprongen in duurzaamheid leiden. Een kans voor de provincie Brabant? Voor een goed besef van de huidige problemen - vooral het teveel aan mest en CO2 emissies - is een korte, historische vogelvlucht over natuur en landbouw noodzakelijk. Tot aan het eind van de jaren '50 van de vorige eeuw is de landbouw immers vrijwel volledig van rechtstreeks zonlicht afhankelijk geweest. Dat veranderde toen de olie in onder andere Texas bijna letterlijk de grond uit schoot. Met behulp van fossiele brandstoffen kon een gemiddelde boer binnen drie decennia ruim het zesvoudige aan landbouwopbrengsten binnenhalen. Een ongehoorde prestatie die waarschijnlijk alleen maar te vergelijken valt met de omslag van jacht naar landbouw, de eerste revolutie. Helaas komen de grenzen van die schijnbaar onbekommerde lineaire groei in zicht (of zijn zelfs overschreden). Enerzijds heeft het grootschalige gebruik van water en irrigatie, van herbiciden, kunstmest en fossiele brandstoffen geleid tot behoorlijk schadelijke effecten op grond, water en lucht. Aan de andere kant is het agro-industrieel complex niet langer in staat om de landbouwopbrengsten met de huidige wijze van productie te verdriedubbelen. Daardoor krijgt een steeds groter deel van de wereldbevolking steeds minder voldoende voedsel om in haar bestaan te voorzien. Volgens vooruitstrevende intellectuelen - die tegelijkertijd ook praktisch werk verrichten - is de tijd daarom rijp voor een nieuwe industriële revolutie die uitgaat van (imitatie van) natuurlijke materialen, processen en systemen. Opbrengsten worden daarmee ongelimiteerd. 'Niet door te verwachten dat de aarde meer oplevert maar door veel inventiever van de producten van de aarde gebruik te maken', meent Gunther Pauli, oprichter van ZERI (Zero Research Emissions Initiative). Dat uitgangspunt betekent een fundamentele wijziging van denken omdat managers van bedrijven maar ook de meeste wetenschappers vastzitten aan verhoging van een bepaalde factor (zoals omzet, winst, aandeel) zonder zich te beseffen dat problemen vaak de oplossingen in zich bergen. Basis van levende systemen Vraag een willekeurige manager uit het MKB, een politicus uit één van de grote partijen of een beleidsambtenaar op EZ wat de vijf rijken in de levende natuur zijn (dieren, planten, algen, schimmels en bacteriën), slechts weinigen weten het antwoord. Toch ligt in die kennis de sleutel tot veel van de tegenwoordige milieuproblemen. Kern daarvan is zelforganisatie, hét kenmerk van levende systemen. In diverse werken heeft Ilya Prigogine, Nobelprijswinnaar en één van de vaders van de moderne complexiteitstheorie, aangetoond dat levende systemen zich aan de rand van de chaos, dus vér uit hun evenwichtstoestand, ontwikkelen. Dat doen ze door constant energie en materie aan hun omgeving te onttrekken. De terugkoppelingsringen binnen het systeem kunnen wiskundig als niet-lineaire vergelijkingen beschreven worden (fractals zijn daarvan een schitterend voorbeeld). Boven een bepaald breekpunt, door evolutionair bioloog Stuart Kauffman 'suprakritisch' genoemd, ontstaan nieuwe moleculaire combinaties of zelfs organismen. Vandaar ook dat nauwe samenwerking tussen de vijf rijken voorwaarde tot het (voort)bestaan van levende systemen is. Volgens John Todd, uitvinder van één van de eerste 'living machines' en directeur van 'Ocean Arks', springt men in de aquacultuur, de meest delicate van alle teelten, echter nogal lichtzinnig met algen, schimmels en lagere plantensoorten om. Sterker nog, ze worden als 'afval' gezien en fysiek of chemisch uit het zuiveringsysteem verwijderd (waardoor men andere, soms nog schadelijker chemicaliën moet inzetten). In een sterk technisch stuk in 'Ecological Engineering' betogen Todd en Beth Josephson dat vooral 'lagere' soorten doorslaggevend zijn voor levende systemen. Dat begint al bij minerale diversiteit, sterk veronachtzaamd in reguliere waterzuivering. Zo gebruiken bacteriën koolstof-, fosfaat-, ijzer-, en zwavelmineralen voor hun metabolische processen. En colloïden, mineraal/biologische mengsels van klei en uiterst kleine humusdelen, zijn weer verantwoordelijk voor de ionen-uitwisseling tussen bodem, water, bacteriën en hogere planten. De effecten daarvan worden alleen maar overtroffen door fotosynthese en de ademhaling, zo halen de twee eerder onderzoek aan. Andere opvallende kenmerken van functionerende levende systemen zijn volgens hen een grote variëteit aan microbiële gemeenschappen. Naar de geschiedenis en het gedrag van de meeste bacteriën is echter weinig onderzoek gedaan terwijl we weten dat soms één bacterie al katalyserend kan werken op belangrijke reacties. Schimmels, effectiever op land dan in het water, breken organismen tot krachtige enzymen af. Maar ook insecten, slakken en schaaldieren, te vaak als last beschouwd, hebben zo hun functie. Zo zijn slakken prima klokkenluiders: bij een bepaalde hoeveelheid gif kruipen ze omhoog in de natte onderste delen van planten. En van schaaldieren is weer bekend dat ze water van colloïden en andere (an)organische afbraakproducten filteren. Ontwerp Om een natuurlijk systeem in stand te houden, zijn volgens Todd en Josephson tenminste drie rijken nodig. ZERI heeft voor dat verschijnsel een mogelijke verklaring gevonden. Wat in het ene rijk afval van - en dus vergif voor - een levenssoort is, blijkt in het andere rijk juist een nutriënt of voedsel te zijn. Virussen en andere ziekteverwekkers (die elk systeem minder weerbaar maken) worden geneutraliseerd of verdwijnen zelfs geheel wanneer ze twee of meer rijken hebben doorlopen. Voorbeelden zijn er te over: van appels, rijk aan cyanide, tot aan mosterdsoorten die zware metalen opslaan. Het mooie is nu dat in de meest complexe ecosystemen - een bos, een koraalrif - de dieren en planten, de schimmels en bacteriën op één plaats samenwerken, voedsel en informatie met elkaar uitwisselend, transport tot een minimum beperkend en op die manier een overvloedige rijkdom creërend. En alsof dat niet genoeg is, gebeurt dat bij alle volwassen ecosystemen - daar waar alle vijf rijken samenwerken - ook nog eens onder normale druk en temperatuur. De benodigde energie wordt via fotosynthese - dus uit direct zonlicht! - uit de grenzen van het systeem gehaald. Het contrast met de huidige industriële productiewijze kan niet scherper zijn. Daar heerst volgens Janine Benyus, een biologe die internationaal doorbrak met 'biomimicry', het aloude matra van 'heat, beat & treat': verhitten, onder druk brengen en chemisch behandelen. Voor dat proces wordt het oude, zwaar geconcentreerde zonlicht - fossiele brandstoffen - van heinde en verre aangesleept. Is het een wonder dat onze CO2 emissies zienderogen toenemen en onze restproducten in steeds groter hoeveelheden op de vuilnisbelt belanden..? Over vissen en varkens Het kan echter anders. Op de Fiji eilanden en Hawaii, in China en Namibië zijn diverse levende systemen beproefd die veel of alle van bovenstaande eigenschappen in zich verenigen. Met soms verbluffende resultaten. Neem bierbrouwerijen waarmee Brabant eens zo rijk was toebedeeld. Minder dan 10% van de nutriënten in de gerst wordt echter voor brouwen gebruikt. De borstel (het vaste restproduct) gaat naar de varkens. Is dat nu een goede oplossing? Mwah, niet echt. Weliswaar eten varkens bijna alles maar omdat het restproduct uit 70% vezels bestaat, gaan de dieren er nogal van flatuleren. Veel beter is het om deze vezel eerst met zaagsel te mengen en, zoals professor Chan dat bij een jongensschool op Suva (Fiji eilanden) doet, daarop paddestoelen en wormen te telen. De paddestoelen en wormen zetten het ligno-cellulose uit de vezel in de bodem om in een makkelijk afbreekbaar eiwit waar kippen en varkens gek op zijn. De excrementen van de dieren verdwijnen drie tot zes dagen in een zuurstofloze vergister die niet alleen biogas (voor koken) opwekt maar ook zo'n 60% van de biochemische zuurstofvraag wegneemt. Het resterende deel van het digestaat komt vervolgens in een serie ondiepe vijvers terecht waar de groene alg alle resterende organische massa filtert en het water verder met zuurstof verrijkt. Maar dat is nog niet alles. Gedroogd is de alg een uitstekende aanvulling op het dieet van de kostschooljongens. Ook kunnen algen als voedsel voor vissen in dieper gelegen vijvers dienen. Waar het volgens Pauli op aankomt, is deze subsystemen goed op elkaar af te stemmen. "Op Fiji houden ze nu zeven tot acht soorten vis in drie meter diepe vijvers. Elke soort zwemt op z'n eigen diepte waar het zich voedt met het plankton dat op dat niveau voorkomt. Gaat er één soort ziek of dood, dan zorgen de andere soorten ervoor dat het systeem in stand bijft", zo vertelde hij enige jaren geleden een internationaal gezelschap studenten aan Wageningen Universiteit. Plaatselijke werkgelegenheid Welke voordelen zijn hieruit voor Brabant te halen, mocht de provincie een 'living machine' op dergelijk wijze uitbreiden? Allereerst dat de grondstofproductiviteit bij clustering van diverse economische activiteiten met 50 à 75% zal toenemen en schadelijke emissies (nitraten) navenant zullen afnemen. Vreemd? Helemaal niet want eerst werden die producten als afval beschouwd! Nu krijgen stofstromen tijdens verschillende fases van het proces meerwaarde. In de vorm van biogas dat als warmte en groene stroom verkocht kan worden. In de vorm van tilapia, de zoetwatervis waar steeds meer vraag naar is. Of in de vorm van een bepaald soort paddestoel, bijvoorbeeld een shii-take, die op de markt duur wordt betaald. Tegelijkertijd leveren die economische activiteiten ook weer nieuwe werkgelegenheid op die eerder zorg en aandacht dan grote inspanning vereisen. Er schuilt echter een addertje onder het gras. Wil elk van de activiteiten ecologisch levenskrachtig zijn, dan moet deze 'extended living machine' zich op een klein gebied afspelen, bij voorkeur in de nabijheid van een brouwerij en afgestemd op de lokale vraag naar tilapia en paddestoel, naar kip en naar ei. Met vanzelfsprekend als grote hamvraag: wie durft?
Auteur: Tseard Zoethout
