Japan ontwikkelt integrale aanpak duurzaam watergebruik

Paul op den Brouw, NOST Tokyo (Innovatie Attaché Netwerk Tokio)

Origineel gepubliceerd op de site van Rijksdienst voor Ondernemend Nederland

Samenvatting

Het langjarig CREST programma: Innovative Technology and System for Sustainable Water Use van de Japanse overheid moet een duurzame watervoorziening en hergebruik van water dat afkomstig is van landbouw en industrie stimuleren.

Inleiding
De tijd is voorbij dat water uit rivieren betrokken kan worden en direct via buizen naar de kraan kan worden gebracht om te drinken. De kwaliteit van water krijgt daarom steeds meer aandacht en blijkt in nauwe relatie te staan met de watercyclus in de natuur. Klimaatverandering, bodemdaling en andere gevolgen van het overmatig oppompen van water uit reservoirs zijn beperkende factoren in ongebreideld watergebruik, terwijl het hergebruik van industrieel afvalwater en energie in afvalslib nieuwe mogelijkheden bieden.

Onderzoeksprogramma
Doorgaans loopt de watersector in Japan niet voorop met nieuwe technologieën. In Japan heeft de overheid daarin verandering gebracht met de start van het langjarig R&D programma: Innovative Technology and System for Sustainable Water Use. Door innovatieve technologieën in te zetten en technieken voor integraal management van waterbronnen te ontwikkelen heeft de Japanse overheid forse investeringen in de watersector gedaan. In 2009 werd via het Japan Science and Technology Agency (JST) 35 miljoen dollar uitgetrokken voor het eerste jaar van dit programma. Voor de twee daaropvolgende jaren werd nog eens 40 miljoen dollar gereserveerd. Met dit bedrag wordt een aantal waterproblemen en de betrouwbaarheid van watermanagementsystemen in grote steden aangepakt.

Dit programma maakt deel uit van CREST (Core Research for Evolutionary Science and Technology), een groot onderzoekprogramma van het Ministry of Education, Culture, Sports, Science & Technology (MEXT). Trekkers van dit waterprogramma zijn dr. Shinichiro Ohgaki, president van het National Institute for Environmental Studies, en senior chief engineer Mikio Yoda van Hitachi. Het programma richt zich op de ontwikkeling van innovatieve systemen voor watergebruik door mensen. Ecologie en natuur zijn dan ook niet de hoofdpunten van dit programma. De grootste uitdaging is voldoende schoon water en een betrouwbare watervoorziening in grote steden. Behalve om onderzoek naar nieuwe behandelingstechnieken gaat het om geïntegreerde systemen die met waterproblemen kunnen omgaan.

Projecten
In 2009 werd een begin gemaakt met zeven projecten voor een periode van vijf jaar. Eind dit jaar worden ze afgerond. In deze projecten staan membraantechnologie, klimaatverandering, grote steden en landbouw centraal. Zij bestrijken nieuwe waterbehandelingssystemen voor een duurzaam stedelijk watermetabolisme, technologieën voor waterhergebruik, watergebruikssystemen aangepast aan het klimaat, een lange termijn visie voor gebruik van zoetwatervoorraden in de wereld, verbetering van de afwatering van stroomgebieden en beplanting van de oevers en omgeving van rivieren, de toepassing van intelligente satellietsystemen voor de monitoring van watersystemen en het herwinnen van water dat gebruikt is in de landbouw.

Figuur 1. Development of Innovative Water and Wastewater Treatment Systems for Sustainable Urban Water Metabolism (Prof. Satoshi Okabe/Hokkaido University) (bron: zie ref. 1).

Steden moeten leren omgaan met de beperkingen die de natuur oplegt aan watergebruik. Het managen van het watergebruik moet plaatsvinden vanuit een geïntegreerde visie, waarin watervoorziening en afvalwaterbehandeling slechts twee van de componenten zijn. Drie grootschalige onderzoeksprojecten die zijn toegekend aan University of Tokyo, Kyoto University en Hokkaido University houden zich bezig met antwoorden op vragen zoals: hoeveel water en van welke kwaliteit is er precies beschikbaar? Wat is de herkomst van dat water; oppervlaktewater, grondwater, regenwater of gezuiverd water? Hoe kan in dichtbevolkte steden zoals Tokio zoiets bereikt worden als ‘ubiquitous water resources’; . Hoe kan een stad van één bepaalde kwaliteit water overstappen naar een cascadesysteem met verschillende niveaus van waterkwaliteit voor verschillend (her)gebruik, waardoor de druk op de wateromgeving afneemt? Hoe kunnen nieuwe technologieën zoals membraanfiltratie, ozonisering, geavanceerde oxidatieprocessen een serieuze bijdrage leveren aan watersystemen bezien van uit eisen aan de waterkwaliteit, energiekosten, operationele complexiteit en bijdrage aan gezondheid. En tot slot: Kan de hoeveelheid organisch materiaal (NOM) als maat genomen worden voor de prestaties van een waterbehandelingssysteem en hoe kunnen de gezondheidsrisico’s van pathogenen en giftige chemicaliën in lage concentraties bepaald worden?

De relatie tussen klimaat en watersystemen wordt onderzocht door onderzoekers van Tokyo Institute of Technology, waar onder andere simulaties ontwikkeld worden om de invloed van weersomstandigheden, regen en droogte op waterbronnen in te schatten. Hier ligt een belangrijk verband met de voedselproductie en de beschikbaarheid van drinkwater tijdens droogte.

Tot slot ontvingen onderzoekers van Kochi University, Kogakuin University en University of Tsukuba financiële ondersteuning voor projecten betreffende

1) het hergebruik van afvalwater uit de landbouw, waaronder ook het hergebruik van daarin aanwezige voedingsstoffen,

2) nieuwe waterbehandelingssystemen met low-fouling membranen, die in staat zijn bepaalde moleculaire structuren te filteren en geïntegreerde membraantechnologieën door gebruik te maken van chemische informatiesystemen en

3) rehabilitatie van de opslag van grondwater in door houtkap of een teveel aan bomen verstoorde stroomgebieden door betere waterinfiltratie en vermindering van waterafvoer via het oppervlak en erosie.

Het doen van onderzoek in teamverband staat centraal in de aanpak van dit programma. De taak van Yoda is om praktische toepassingen te ontwikkelen die het bedrijfsleven kan oppakken en tot nieuwe business leiden. Japanse bedrijven kunnen zich dan ook beter positioneren voor een wereldwijde watermarkt die ondertussen 400 à 500 miljard dollar groot is.

In 2010 heeft het CREST-programma in een tweede financieringsronde het aantal onderwerpen uitgebreid met onderwerpen, zoals:

watermanagement in grote steden en dichtbevolkte gebieden;
nieuwe methoden voor grondwaterbeheer en nieuwe toepassingen voor gebruik;
natuurlijke bronnen en energiebesparing door integratie van systemen;
efficiënte benutting van organisch en anorganisch slib;
evaluatie van de waterkwaliteit vanuit publieke gezondheid en veiligheid;
efficiënt gebruik van water in de landbouw;
conflictbeheersing en harmonisatie van watergebruik op de wereld;
efficiënt watergebruik in de industrie en waterrecycling zonder lozing op oppervlakte water.

In 2011 zijn daar tot slot vier projecten aan toegevoegd, die tot 2016 zullen lopen, met als onderwerpen:

De innovatieve monitoring van water met snelle, nauwkeurige en complete detectietechnologieën voor pathogenen (Prof. Tatsu Omura/Tohoku University).

De huidige maatregelen tegen de verspreiding van ziekten via watercirculatiesystemen zijn kwetsbaar en veroorzaken veel onrust onder de bevolking. Het doel van dit project is om het aantal patiënten dat jaarlijks (5,6 miljoen mensen) door buikgriep geïnfecteerd wordt drastisch terug te brengen door een nieuw watermonitoringsysteem, dat een snellere respons op detectie mogelijk moet maken (zie figuur 2).

Figuur 2. De innovatieve monitoring van water met snelle, nauwkeurige en complete detectietechnologieën voor pathogenen (Prof. Tatsu Omura/Tohoku University) ) (bron: zie ref 2).

Een simulator die de fall-out van radioactieve deeltjes traceert voor veilig en duurzaam watergebruik (Prof. Taikan Oki/University of Tokyo).

Tijdens de nucleaire ramp in Fukushima na de grote aardbeving van 11 maart 2011 kwamen allerlei radioactieve deeltjes vrij in de atmosfeer, die vervolgens via neerslag weer op land, oppervlakte water en landbouwgewassen is terecht gekomen. Deze radionucliden werden vervolgens in verschillende gebieden in Japan ontdekt in drinkwater en voedsel. Deze studie brengt in kaart welke hoeveelheden jodium-131 en cesium-137 in de atmosfeer, op land en in het water terecht zijn gekomen.

De ontwikkeling van innovatieve technologieën voor de exploitatie van grondwaterbronnen in bergachtige gebieden voor het verkrijgen van een duurzame, niet verontreinigde toevoer van schoon water van hoge kwaliteit (Prof. Ken’ichirou Kosugi/Kyoto University).

Door hydrologische methoden te combineren met remote sensing en geofysische verkenningen moet dit project leiden tot nieuwe technologieën voor de ontdekking en benutting van grondwater in stroomgebieden in de bergen. Het doel is een duurzame en meer diverse schoon watervoorziening te realiseren in tijden van klimaatverandering.

De ontwikkeling van ROBUST omgekeerde osmose (RO)/nanofiltratie (NF) membranen voor verschillende typen waterbronnen (Prof. Toshinori Tsuru/Hiroshima University).

Dit type membranen moet bruikbaar zijn voor water dat chloride bevat en die in een groot pH-bereik en bij hoge temperaturen kunnen werken. Door verschillende waterbronnen te gebruiken, hopen de onderzoekers de toepasbaarheid van deze membranen te kunnen demonstreren, zodat Japan een leidende positie blijft houden op het terrein van membraan waterbehandeling (zie figuur 3).

Figuur 3. De ontwikkeling van ROBUST omgekeerde osmose (RO)/nanofiltratie (NF) membranen voor verschillende typen waterbronnen (Prof. Toshinori Tsuru/Hiroshima University) (bron: zie ref 2).

Onlangs heeft JST de onderzoekers van dit en andere CREST programma’s naar voren geschoven als kandidaten voor samenwerking in het kader van komende tenders van Horizon2020. Belangstelling voor onderzoeksamenwerking uit Nederland is dan ook welkom.

Bronnen