VGS 2.0: vuil water naar de rwzi, schoon water naar het oppervlaktewater

De riolering van een bedrijventerrein in Beneden-Leeuwen is omgebouwd naar een Verbeterd Gescheiden Stelsel 2.0. Het is daardoor mogelijk geworden ‘vies’ water uit het HWA-stelsel naar de rwzi af te voeren, en ‘schoon’ (hemel)water lokaal te houden en af te voeren naar een naastgelegen watergang.

Download hier de pdf van dit artikel

Geschreven door Hilde Ketelaar, Abdul Farahi, Roy Vissers (Waterschap Rivierenland), Rémy Schilperoort, Jeroen Langeveld (Partners4UrbanWater)

Op bedrijventerrein Veesteeg in Beneden-Leeuwen lag een traditioneel verbeterd gescheiden rioolstelsel (VGS) met aparte stelsels voor droogweerafvoer (DWA) en hemelwaterafvoer (HWA), met elk een eigen gemaal aan de Expeditieweg (zie afbeelding 1, links). In de oorspronkelijke situatie voerden zowel de twee pompen van het DWA-gemaal als de pomp van het HWA-gemaal direct af op de persleiding naar rwzi Druten. De totale pompcapaciteit die op de persleiding was aangesloten bedroeg circa 110 m3/u. Een bekend probleem van een VGS is dat dit relatief veel (hemel)water vanuit het HWA-stelsel richting rwzi kan afvoeren: ongeveer 70% van de netto neerslag op jaarbasis [1]. Analyse van meetgegevens van het HWA-gemaal heeft bevestigd dat er inderdaad veel hemelwater vanuit gemaal Expeditieweg naar de rwzi Druten werd verpompt. 

Ombouw naar VGS 2.0
Waterschap Rivierenland heeft in 2021 besloten het gemaal Expeditieweg om te bouwen naar een VGS 2.0-systeem. Het doel van deze ombouw was tweeledig:

• schoon water schoon houden: minder hemelwater naar de rwzi door dit lokaal te houden;
• creëren van hydraulische ruimte in de overbelaste persleiding.

Het principe van VGS 2.0 is dat water in het HWA-stelsel niet alleen richting rwzi verpompt kan worden, maar ook naar het oppervlaktewater (zie afbeelding 1, rechts). Om dit voor gemaal Expeditieweg te bewerkstelligen zijn in de afgaande persleiding van de HWA-pomp twee schuiven geplaatst (zie afbeelding 2). De afvoer richting rwzi gaat nu via de naastgelegen kelder van het DWA-gemaal en niet meer direct op de persleiding naar rwzi Druten. Ook is een korte persleiding naar de naastgelegen watergang aangelegd.

Deze configuratie maakt het mogelijk om het water in het hemelwaterstelsel actief af te voeren naar óf de rwzi (als het vuil is) óf het oppervlaktewater (als het schoon genoeg is). Bij de renovatie zijn in het DWA-gemaal twee nieuwe pompen geïnstalleerd, elk met een capaciteit van 25 m3/u. De op de persleiding aangesloten pompcapaciteit is daarmee afgenomen van 110 m3/u tot 25 m3/u (bij uitzonderlijk hoge waterstand is samenloop van pompen toegestaan, dan bedraagt de capaciteit 40 m3/u).

Het HWA-stelsel is bij de ombouw verder niet aangepast. Dit betekent dat het functioneren van het HWA-stelsel bij veel neerslag onveranderd is: het hemelwater dat niet geborgen of verpompt kan worden stroomt via de HWA-overstort direct in het oppervlaktewater. De ombouw naar VGS 2.0 heeft alleen effect op de afvoerroute van het water in de onderdrempelberging: óf richting rwzi, óf naar het oppervlaktewater.

Afbeelding 1. Schematisch overzicht rioolstelsel: oorspronkelijke situatie (links) en na ombouw naar VGS 2.0 (rechts)

Afbeelding 2. Afgaande persleiding HWA-gemaal met twee schuiven die de afvoerrichting (naar DWA-gemaal óf naar watergang) bepalen

Dynamische waterkwaliteit als basis voor de gemaalsturing
De nieuwe regeling die de afvoerroute van water in het HWA-gemaal moet gaan bepalen, is gebaseerd op een aantal uitgangspunten:

• bij droog weer kent het hemelwaterstelsel weinig afvoer (mogelijk uit foutaansluitingen, waarbij een afvalwaterstroom ten onrechte is aangesloten op het HWA) en is de waterkwaliteit onvoldoende om op oppervlaktewater te lozen;
• bij kleine buien is de waterkwaliteit onvoldoende om op de watergang te mogen lozen. Dit komt door de aard van het afvoerend oppervlak (bedrijventerrein) en door opwoeling van (wellicht tijdens droog weer) bezonken materiaal in het stelsel;
• bij grotere buien is de waterkwaliteit na enige tijd door verdunning met schoon hemelwater voldoende om op het oppervlaktewater te mogen lozen.

Om deze uitgangspunten te vertalen naar een regeling op waterstanden, is onderzoek gedaan naar de waterkwaliteit in het stelsel. Als eerste zijn gedurende een aantal maanden hoogfrequente metingen uitgevoerd van elektrisch geleidend vermogen (EGV, een maat voor de hoeveelheid ionen / opgeloste stoffen in het water) en troebelheid (een maat voor de hoeveelheid zwevende stoffen in het water). De hoge meetfrequentie van eenmaal per minuut is nodig om de soms snelle variaties in beeld te kunnen brengen.

Afbeelding 3 toont een voorbeeld van de meetresultaten. EGV-waarden (rood) liggen relatief hoog (>500 µS/cm) tijdens droog weer, en nemen bij nat weer snel af naar waarden van 200-300 µS/cm. Dergelijke waarden passen bij afstromend hemelwater. Na het leegpompen van het stelsel neemt het EGV weer langzaam toe tot > 500 µS/cm. De troebelheid in het water (blauw) vertoont ook een karakteristiek patroon. Hoge pieken (>200 nephelometric turbidity units, NTU) passen bij een (snelle) verandering van stroomsnelheid in het stelsel, zoals bij aanvang van een bui (first flush), als het stelsel bijna leeggepompt is na een bui (final flush) en af en toe bij het aanslaan van het gemaal tijdens droogweer.

Afbeelding 3. Metingen EGV en troebelheid in HWA-gemaal

Gemaalregeling VGS 2.0
Er is besloten om de gemaalregeling in eerste instantie zo vorm te geven dat het water met relatief hoge troebelheid (first flush en final flush) naar het DWA-gemaal wordt afgevoerd. Uit de datasets is gebleken dat deze ‘flushes’ veelal optreden bij een waterstand lager dan 3,55 m boven NAP. Dit niveau is daarom gekozen als schakelwaarde tussen de afvoerrichtingen naar watergang óf rwzi. De gemaalregeling van het HWA-gemaal is als volgt:

• bij een waterstand < 3,55 m NAP is de afvoer richting rwzi, met maximaal 20 m3/u om het DWA-gemaal (capaciteit: 25 m3/u) en DWA-stelsel niet te overbelasten;
• bij een waterstand > 3,55 m NAP worden de schuiven omgezet en de afvoer naar het oppervlaktewater geactiveerd. In deze modus draait het HWA-gemaal op volledige capaciteit (50-60 m3/u) om het stelsel na een grote bui weer zo snel mogelijk leeg te krijgen en terug te kunnen schakelen naar de modus voor droogweerafvoer richting rwzi;
• als de waterstand tijdens een grote bui het drempelniveau van de overstort bereikt (4,97 m NAP), stopt de pomp tijdelijk om onnodig pompen te voorkomen. Na elk uur schakelt de pomp gedurende 15 minuten weer aan. Als de waterstand na dat kwartier niet gezakt is, schakelt de pomp weer uit. Is de waterstand wél gezakt, dan blijft de pomp aan en naar het oppervlaktewater pompen, tot de waterstand van 3,55 m NAP weer bereikt is. Op dat moment worden de schuiven weer omgezet en de afvoer naar de rwzi geactiveerd.

Er is expliciet gekozen voor een gemaalsturing op waterstand en niet op EGV en/of troebelheid. Voor dit laatste zou het nodig zijn om de EGV- en troebelheidssensoren langdurig in het HWA-gemaal te laten, met bijbehorend (intensief) onderhoud en kosten. De waterkwaliteitsmetingen zijn in dit geval dus alleen gebruikt om inzicht te krijgen in de kenmerkende systeemdynamiek tijdens droogweerafvoer, bij kleine en grotere buien.

Functioneren in de praktijk
Afbeelding 4 toont een voorbeeld van het functioneren van het VGS 2.0-gemaal bij droog weer en tijdens een grote bui in mei 2024. De bovenste grafiek toont de waterstand in de HWA-kelder, de tweede grafiek de afvoer vanuit het HWA-gemaal naar het DWA-gemaal (rood) of naar het oppervlaktewater (blauw). De derde grafiek toont de waterstand in de DWA-kelder, de vierde grafiek het debiet vanuit het DWA-gemaal naar de persleiding naar rwzi Druten, en de onderste grafiek de neerslag.

Zonder neerslag blijft de waterstand in het HWA-gemaal onder het schakelniveau (3,55 m NAP) en voert het HWA-gemaal af naar het DWA-gemaal (rood in tweede grafiek). Als het gaat regenen (21 mei, rond 16:00) stijgt de waterstand in het HWA-gemaal tot boven het schakelniveau en verandert de afvoerrichting van het HWA-gemaal naar de watergang. Als het later die avond harder gaat regenen, stijgt de waterstand in het HWA-stelsel tot aan de overstortdrempel. Op dat moment stopt de HWA-pomp om onnodig pompen te voorkomen. Na een uur schakelt de pomp 15 minuten aan, maar de waterstand daalt niet. Pas na vier pogingen blijkt de aanvoer van hemelwater voldoende afgenomen, waarna het stelsel naar de watergang wordt leeggepompt. Bij het bereiken van het schakelpeil verandert de afvoerrichting weer naar het DWA-gemaal. Zo wordt verzekerd dat de final flush uit het stelsel (die relatief veel verontreinigingen kan meevoeren) richting rwzi wordt afgevoerd.

Overigens heeft de neerslag ook effect op het DWA-stelsel: de waterstand neemt toe en het DWA-gemaal voert gedurende de bui 25 m3/u af. In het gebied is bedoeld en mogelijk ook onbedoeld (foutaansluitingen) verhard oppervlak op het DWA-stelsel aangesloten.

Afbeelding 4. Functioneren VGS 2.0-gemaal Expeditieweg, 21-22 mei 2024

Controle gemaalregeling: waterkwaliteit van de afvoer naar oppervlaktewater
Een belangrijk uitgangspunt bij het ontwerp van de gemaalregeling was dat bij grotere buien de waterkwaliteit in het HWA-stelsel voldoende is om het hemelwater op het oppervlaktewater te mogen lozen. Om dit uitgangspunt te controleren is, na inwerkingtreding van de regeling, de kwaliteit van het water dat daadwerkelijk is afgevoerd naar de watergang een aantal maal gemeten.

Hiervoor is gebruik gemaakt van een monsternamekast. In de periode november 2023 - juni 2024 heeft deze kast gedurende vier buien het hemelwater in de HWA-kelder bemonsterd. Monstername was tijdproportioneel en vond alléén plaats als de waterstand hoger dan de schakelwaarde (3,55 m NAP) was. Het monster is dus representatief voor het afgevoerde water.

Tabel 1 toont de analyseresultaten van de vier verzamelmonsters. De gemeten concentraties zijn vergeleken met concentraties van afstromend hemelwater in woonwijken en bedrijventerreinen uit de STOWA-regenwaterdatabase [2]. Getoond zijn de 50% en 90% percentielwaarden uit die database. Voor bijna alle parameters liggen de gemeten concentraties in de buurt van de mediaanwaarden uit de database. Alleen voor minerale olie lijkt de concentratie iets hoger, maar nog ruim onder het 90%-percentiel.

Op basis van deze vier verzamelmonsters is geconcludeerd dat het afstromend hemelwater van bedrijventerrein Veesteeg dus goed lijkt op ‘standaard afstromend hemelwater’ voor Nederland. Gezien de aard van het bedrijventerrein was dit niet op voorhand verwacht.

Tabel 1. Analyseresultaten hemelwater uit HWA-stelsel bij vier buien, vergeleken met gemiddeld afstromend hemelwater [2]

Watersysteemanalyse ontvangend oppervlaktewater
De ombouw naar VGS 2.0 betekent een flinke toename van het volume water dat vanuit het HWA-stelsel op het oppervlaktewater wordt geloosd. Deze volumetoename betekent ook een toename van de in het oppervlaktewater geloosde vrachten en een afname van de hydraulische verblijftijd.

De vraag was of de draagkracht van het ontvangende watersysteem afdoende is om waterkwaliteitsproblemen te voorkomen. Om deze vraag te beantwoorden is een watersysteemanalyse uitgevoerd op basis van de in STOWA-rapport 2017-13 [3] beschreven systematiek. Hierbij is onderzocht in hoeverre de belasting met fosfor verandert en wat dit betekent voor het ecologisch functioneren.

Uit de analyse is gebleken dat het oppervlaktewater potentie heeft voor een hoge ecologische waarde, aangezien het laag belast is met nutriënten. De belasting met fosfor in de oorspronkelijke situatie ligt ruim onder de kritische belasting. In de situatie VGS 2.0 met de beschreven sturingsregels neemt de belasting met fosfor toe. De belasting blijft echter onder de kritische waarde en zal niet leiden tot een door algen en kroos gedomineerd systeem.

Op basis van de resultaten is besloten om de sturingsregels te handhaven. De waterkwaliteit in het HWA-stelsel is voldoende voor lozing op het oppervlaktewater.

Waterbalans: winst ombouw naar VGS 2.0
De gerealiseerde ‘winst’ van ombouw van gemaal Expeditieweg naar een VGS 2.0 bestaat uit:

• reductie van de hydraulische belasting op de persleiding naar rwzi Druten. Vóór ombouw bedroeg deze 110 m3/u, ná ombouw nog maximaal 25 m3/u (incidenteel 40 m3/u);
• reductie van het volume schoon hemelwater naar de rwzi. In het eerste half jaar (maart-september 2024) is ruim 10.000 m3 hemelwater minder naar de rwzi verpompt.

Afbeelding 5 toont de dagafvoeren van het HWA- en DWA-gemaal in de periode 20 maart - 1 september 2024 in vergelijking met de neerslag. De figuur laat zien dat op natte dagen een groot deel van het afstromende hemelwater door het HWA-gemaal naar de watergang verpompt wordt (blauwe balkjes in bovenste grafiek). Daarnaast is (in de middelste grafiek) de herkomst van het water dat afgevoerd wordt door het DWA-gemaal richting rwzi te zien: op droge dagen bijna volledig uit het DWA-stelsel (zwarte balkjes) en op natte dagen ook uit het HWA-stelsel (rode balkjes).

Afbeelding 5. Dagafvoer van HWA- en DWA-gemaal Expeditieweg

Tabel 2 geeft een schatting van de waterbalans over het HWA-stelsel in dezelfde periode. Inloop- en infiltratieverliezen zijn aangenomen op 30%. Met deze benadering blijkt het HWA-stelsel in de studieperiode circa 18.000 m3 afstromend hemelwater te hebben verwerkt. Hiervan is 10.500 m3 (oftewel bijna 60%) naar de watergang verpompt en 3.750 m3 (ruim 20%) naar het DWA-gemaal. De resterende 20% is via de overstort ook op het oppervlaktewater geloosd.

Tabel 2. Waterbalans HWA-stelsel en -gemaal in de periode 20 maart - 1 september 2024 (165 dagen)

Conclusie
Met de ombouw van gemaal Expeditieweg naar een VGS 2.0 heeft Waterschap Rivierenland haar twee doelen bereikt:

• minder afvoer van hemelwater naar de rwzi: in het eerste half jaar heeft het gemaal ruim 10.000 m3 hemelwater naar de watergang verpompt, en dus niet naar de rwzi. De waterkwaliteitsmetingen hebben aangetoond dat dit inderdaad relatief schoon hemelwater betreft dat op de watergang geloosd mag worden;
• creëren van hydraulische ruimte in de overbelaste persleiding: de aangesloten capaciteit is verminderd van 110 m3/u naar 25 m3/u (incidenteel 40 m3/u).

Voor dit project hebben de afdelingen Waterketen en Watersysteem van het waterschap intensief samengewerkt en over de grenzen van het eigen vakgebied gekeken. Dit heeft geleid tot verbreding van kennis en daarmee bewustwording van de opgaves waar de collega’s mee te maken hebben. Door het gezamenlijk zoeken is een adequate oplossing gevonden voor een probleem (namelijk: overbelasting van de persleiding) die de problematiek niet ‘afwentelt’ op een ander domein (oppervlaktewaterkwaliteit).

REFERENTIES
1. Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (2017). Anders omgaan met VGS: beter voor rwzi, oppervlaktewater en portemonnee. Rapport STOWA/Stichting RIONED 2017-12.
2. STOWA (2020). Kwaliteit afstromend hemelwater in Nederland. Database kwaliteit afstromend hemelwater. Rapport STOWA/Stichting Rioned 2020-05.
3. STOWA (2017). Anders omgaan met VGS: beoordeling vanuit kwaliteit ontvangend oppervlaktewater. Rapport STOWA/Stichting Rioned 2017-13.