H2O Vakartikelen

Download hier een pdf van dit artikel.

De naam van het project komt van het Griekse ‘kallistos’, ofwel ‘de mooiste, schoonste’. Het doel van het Kallisto-project is om de waterkwaliteit en ecologie van de rivier de Dommel doelmatig en duurzaam te verbeteren door grip te krijgen op de vuilwaterstromen in de afvalwaterketen van de regio Eindhoven. Kallisto verkent hiervoor mogelijke sturings-, bergings-, zuiverings- en inrichtingsmaatregelen vanaf de rioolaansluitingen bij de mensen thuis tot aan de lozing van het gezuiverde effluent op de rivier de Dommel. Dit moet uiteindelijk leiden tot een set maatregelen voor een kosteneffectieve aanpak om de waterkwaliteit in de Dommel te verbeteren.

De kern van het probleem is dat bij hevige regen, directe overstorten vanuit de riolering van de tien gemeenten in de regio Eindhoven en de lozing van effluent van de rwzi Eindhoven leiden tot waterkwaliteitsproblemen in de rivier de Dommel. De slechte waterkwaliteit heeft directe gevolgen voor de aquatische ecologie. De volgende problemen treden op:
•    Door uitspoeling van onopgeloste bestanddelen (OB) bij hevige regen treden zuurstofdips (tot bijna zuurstofloosheid) op.
•    Hoge ammoniumpieken veroorzaken acute zuurstofloosheid of toxiciteit, vissterfte en/of verdrijving van fauna.
•    KRW-doelstellingen voor achtergrondconcentraties stikstof (N) en fosfaat (P) worden niet gehaald vanwege een te hoge stikstof- en fosfaatbelasting vanuit de rwzi naar de Dommel.

Gezien de verhouding tussen de geloosde vuilvracht bij regensituaties en de capaciteit van het ontvangende oppervlaktewater is het waarschijnlijk nodig om gericht aanvullende (biologische, hydraulische of fysisch/chemische) zuiveringscapaciteit in te zetten. In het kader van het Kallisto-project is daarom pilotonderzoek naar voorbehandelingstechnieken op de rwzi Eindhoven uitgevoerd.

Doelstelling pilotonderzoek
De doelstelling van het pilotonderzoek is te bepalen welke zuiveringstechnieken onder praktijkcondities het meest effectief zijn om riooloverstortwater (ROS) bij een overstortlocatie vanuit de riolering en/of overstortwater vanuit de regenwaterbuffertank (RBT) op de rwzi Eindhoven vergaand te zuiveren. De resultaten worden gebruikt voor het ontwikkelen van zuiveringsscenario’s in het rioolstelsel zelf en/of op de rwzi Eindhoven, die leiden tot een algemene verbetering van de waterkwaliteit in de Dommel.

Onderzochte zuiveringstechnieken
Op basis van het verwachte verwijderingsrendement voor onopgeloste bestanddelen en van randvoorwaarden voor plaatsing op een riooloverstortlocatie of op de rwzi Eindhoven vier technieken geselecteerd voor het verwijderen van OB:
•    Dissolved air flotation (DAF) (leverancier: Nijhuis Water Technology bv). Door de aanwezigheid van een parallel platenpakket is de stroomsnelheid laag. Dit maakt dat er een goede aanhechting van micro-luchtbelletjes aan de vuildeeltjes plaatsvindt. De vuildeeltjes bewegen zich vervolgens omhoog langs de platen naar de oppervlakte en worden daar door middel van een automatisch werkend schrapersysteem verwijderd.
•    Lamellenbezinking (leverancier: Facet) is een horizontaal doorstroomde aaneenschakeling van lamellenpakketten die in een bergbezinkbassin wordt geplaatst. Het verwijderingsprincipe berust  op bezinking van OB. Voor optimale verwijdering dient er laminaire stroming in het platenpakket plaats te vinden.
•    Fijnzeef (158-350 µm) (leverancier: BWA/Salsnes) is ontwikkeld voor vergaande verwijdering van OB. Via een zeefband met een filterdoek worden deeltjes uit het afvalwater gefilterd. Er vormt zich een koeklaag van grovere deeltjes en vezels; daarin en op blijven deeltjes achter die zelfs kleiner zijn dan de maaswijdte van het filterdoek.
•    Microzeef (10-50 µm) (leverancier: Hubert) bestaat uit een ronddraaiende trommel met een filterdoek. Het water gaat tangentiaal door het doek naar de filtraatzijde en verlaat het filter via een overstort. Het doek wordt periodiek of continu gespoeld met het filtraat.

Opzet pilotonderzoek
Om permanent onderzoek te kunnen doen en daarmee voldoende onderzoeksdata te genereren is er tijdens het pilotonderzoek riooloverstortwater en overstortwater uit de RBT op de rwzi Eindhoven gesimuleerd, zie afbeelding 1.

Afbeelding 1. Schematisch overzicht van de rwzi Eindhoven, de gesimuleerde stromen en de technieken die op pilotschaal zijn onderzocht

Resultaten
In tabel 1 zijn de gemiddelde filtraatconcentraties en verwijderingsrendementen van OB, chemisch zuurstofverbruik (CZV) en totaal fosfaat weergegeven voor behandeling van riooloverstortwater.

Tabel 1. Gemiddelde filtraatconcentraties en verwijderingsrendementen bij behandeling van riooloverstortwater met verschillende  zuiveringstechnieken

Uit de resultaten van de verschillende technieken in tabel 1 blijkt dat:
•    vergaande verwijdering van OB, CZV en P-totaal enkel mogelijk is door het doseren van chemicaliën (coagulant en polymeer);
•    DAF en fijnzeef zonder dosering van chemicaliën nagenoeg dezelfde verwijderingsrendementen behalen;
•    naschakeling van een 20 µm microzeef extra rendement behaalt op OB, maar weinig toegevoegde waarde heeft voor verwijdering van CZV en P-totaal.

Tijdens het pilotonderzoek zijn er diverse fractioneringen uitgevoerd. Hierbij is een deeltjesgrootte-verdeling gemaakt voor OB en CZV. Op basis van de verwijderingsrendementen per deeltjesgroottefractie kan zo een voorspelling gedaan worden van het verwijderingsrendement op een gefractioneerd monster van een riooloverstort. Een voorbeeld voor de verwijdering van OB is weergegeven in afbeelding 2.

Afbeelding 2. Verwijderingsrendement voor verschillende fracties van onopgeloste bestanddelen riooloverstortwater met verschillende technieken

Randvoorwaarden voor toepassing van technieken op een riooloverstortlocatie of rwzi
Behalve dat OB en CZV vergaand verwijderd moeten worden, dienen de zuiveringstechnieken ook te voldoen aan een aantal andere voorwaarden voor toepassing op de rwzi of een riooloverstortlocatie:
•    goed omgaan met discontinuïteit van overstorten (10-15 keer per jaar, soms maanden niet);
•    goed omgaan met hoge concentraties OB ( > 1000 mg/l bij start overstort);
•    techniek is robuust en snel operationeel (< 5 minuten);
•    techniek is op afstand bestuurbaar/ controleerbaar, volautomatisch;
•    de reststroom is zo geconcentreerd mogelijk (klein volume);
•    geen of beheersbare geur- en geluidsbelasting;
•    laag energieverbruik.

Voor behandeling van riooloverstortwater bij een overstortlocatie zijn daarnaast nog enkele aanvullende voorwaarden gedefinieerd die op de rwzi Eindhoven van minder groot belang zijn:
•    kleine footprint en visueel inpasbaar (ondergronds);
•    veilig en bestand tegen vandalisme;
•    eenvoudig inpasbaar, aan te sluiten op bestaande riolering;
•    geen chemicaliënopslag, en geen afname van werking hulpstoffen bij langere standtijd.

Het gebruik van chemicaliën is op de rwzi Eindhoven goed te organiseren door de aanwezigheid van de benodigde infrastructuur en van geschoold personeel. Op een overstortlocatie geven het werken met chemicaliën, het opslaan van chemicaliën en de standtijd eerder praktische problemen.

De vier onderzochte zuiveringstechnieken zijn voor de verschillende toepassingen (op riooloverstort of op de rwzi) met elkaar vergeleken op prestaties (kwantitatief, tabel 2) en op de randvoorwaarden (kwalitatief, tabel 3).

Tabel 2. Vergelijking van verwijderingsrendement (gemiddeld, spreiding tussen haakjes) en chemicaliëngebruik van zuiveringstechnieken voor verschillende toepassingen

Toepasbaarheid van technieken op riooloverstortlocaties en/of de rwzi Eindhoven
Voor de behandeling van riooloverstortwater liggen, kijkend naar de uitgangspunten en de rendementen, twee technieken het meest voor de hand: een lamellenbezinker geïntegreerd in een bergbezinkbassin, of een fijnzeef zonder toevoeging van coagulant en flocculant . Een DAF-installatie geeft ongeveer dezelfde rendementen als een fijnzeef, maar is veel lastiger op een riooloverstortlocatie in te bouwen. Een tweetrapsfiltratie met een nageschakelde microzeef is praktisch niet haalbaar omdat de OB-belasting na een lamellenbezinker of fijnzeef te hoog is om een microzeef stabiel te laten functioneren.

Voor behandeling van influent tijdens buien op de rwzi Eindhoven is een fijnzeef met voorgeschakelde coagulatie met aluminiumsulfaat of flocculatie met een anionisch polymeer kansrijk. Echter, op basis van de onderzoeksresultaten scoort een DAF beter dan een fijnzeef op de punten maximaal verwijderingsrendement, dosering van polymeer, benodigde grootte full-scale installatie, processtabiliteit en robuustheid. Uit de verkenning van kansrijke scenario’s binnen het Kallisto-project komt vervanging van de bestaande voorbezinktanks op de rwzi Eindhoven door een DAF naar voren als interessante mogelijkheid. Hiermee is een hoger zuiveringsrendement op de rwzi Eindhoven mogelijk en de bestaande voorbezinktanks kunnen tijdens hevige regenbuien als buffer worden ingezet om riooloverstortingen te reduceren.

Vervolgonderzoek
Om de technische en economische haalbaarheid van DAF op de rwzi Eindhoven nader te bepalen is recentelijk uitgebreider onderzoek met een grotere DAF-installatie opgestart. Dit onderzoek is een samenwerking van Waterschap De Dommel, Waterschap Brabantse Delta, Witteveen+Bos en Nijhuis Water Technology en wordt mede gefinancierd door STOWA.

Verantwoording
Dit artikel is tot stand gekomen in opdracht van STOWA als onderdeel van de kennisdeling binnen het Kallisto-project. De in het Kallisto-project opgedane kennis wordt onder meer via een reeks artikelen in vakbladen gedeeld met de Nederlandstalige vakwereld.
Kallisto is mede mogelijk gemaakt door subsidie van het Ministerie van Infrastructuur en Milieu via het Innovatieprogramma KRW van Agentschap NL. Voor meer informatie: www.samenslimschoon.nl.

Literatuur
Waterschap de Dommel en gemeente Eindhoven (2013), Pilotonderzoek naar behandeling van riooloverstortwater. Het eindrapport is te downloaden via www.samenslimschoon.nl/projectinformatie/werkpakket_3/resultaten_onderzoek

Download hier een pdf van dit artikel.

De afgelopen decennia is de rol en opzet van (semi-)publieke organisaties in de waterketen - drinkwaterbedrijven, waterschappen, gemeenten en (in mindere mate) provincies (zie afbeelding 1) - sterk veranderd. Door fusies van waterschappen en drinkwaterbedrijven is het aantal ketenpartners sterk afgenomen en zijn grote organisaties ontstaan. Naast deze consolidatie is ook gewerkt aan integratie van taken. Organisaties in de waterketen hebben in 2011 het Bestuursakkoord Water ondertekend, onder andere om onderlinge samenwerking te stimuleren en schaalvoordelen te behalen. Met het regeerakkoord van het kabinet Rutte-II (oktober 2012) is bovendien afgesproken om de opschaling van waterschappen en gemeenten de komende jaren voort te zetten.

Afbeelding 1. De Waterketen anno 2013

Ook externe krachten creëren dynamiek in de waterketen. Burgers stellen nieuwe eisen, wettelijke normen veranderen, ambities van aanverwante sectoren en overheden creëren kansen, technologische ontwikkelingen komen vanuit andere sectoren overgewaaid en de economische situatie is onzeker. Het tempo van veranderingen is hoog, de uiteindelijke richting vaak nog onzeker. Management en bestuur van organisaties in de waterketen staan aan de vooravond van belangrijke keuzes, die bepalend zullen zijn voor het succes waarmee ze op deze dynamiek kunnen anticiperen.

Met de door Atos en Witteveen+Bos in eigen beheer en in eigen opdracht uitgevoerde Scenario Planning Waterketen 2023 wordt een brede en onafhankelijke blik van buitenaf gegeven. Deze Scenario Planning is bedoeld als een handvat waarmee de waterketen de toekomst beter kan inschatten, en er adequaat op in kan spelen.

Natuurlijk heeft niemand de waarheid in pacht. Dit artikel beschrijft dan ook niet hoe de waterketen er in 2023 precies uitziet. Wel schetst de scenarioplanning vier mogelijke ontwikkelscenario’s, met voor elk scenario de gevolgen voor de waterketen op diverse vlakken. Geen van deze vier scenario’s zal volledig werkelijkheid worden, maar alle verruimen de blik voor wat kan gebeuren. Elk beeld bevat indicatoren die kunnen worden gebruikt om de bedrijfsstrategie tijdig aan te passen als het betreffende scenario zich (deels) ontvouwt.

Waarom toekomstbeelden voor 2023? Deze tijdspanne is klein genoeg om realistische toekomstbeelden te schetsen en urgentie te creëren, maar biedt tegelijkertijd voldoende ruimte aan organisaties om in te spelen op substantiële veranderingen.

Als basis voor de scenarioplanning zijn de trends en toekomstverwachtingen van waterketenpartners uit Noord-Brabant en Zuid-Holland gekozen. Deze regio geeft een representatief beeld van de Nederlandse waterketen omdat de landelijk bekende variaties in drinkwaterbronnen, bodemgesteldheid, type riolering, watersysteem en alle typen rioolwaterzuivering hier aanwezig zijn. Wij veronderstellen daarom dat vergelijkbare trends en scenario’s geldig zijn voor de hele Nederlandse waterketen. Daarnaast is met landelijke brancheorganisaties en vertegenwoordigers uit andere regio’s en sectoren (kennisinstituten, energiebedrijven) gesproken.

Aanpak
De methodiek van scenarioplanning is in de jaren zestig van de vorige eeuw ontwikkeld om systematisch om te gaan met een onzekere toekomst. Sindsdien is het uitgegroeid van een theoretisch denkinstrument tot een praktische techniek om kennis binnen organisaties te vergroten, strategie en visie te ontwikkelen en risico’s te beheersen. De methodiek helpt om externe veranderingen beter te begrijpen en er adequaat op te anticiperen. Een belangrijk uitgangspunt bij scenarioplanning is dat de toekomst niet met extrapolaties of kwantitatieve analyses te voorspellen is. De kern van de methodiek is de ontwikkeling van vier scenario’s op basis van een kwalitatieve trendanalyse. De ontwikkelde scenario’s beschrijven mogelijke toekomstige werelden. Ze zijn realistisch, maar houden altijd enige onzekerheid. De zes stappen van de methode worden toegelicht in tabel 1.

Tabel 1. Stappenplan voor de scenarioplanning

Trends
Uit interviews met experts uit de waterwereld en scenarioplanning (zie lijst van betrokkenen in rapport Scenario Planning Waterketen 2023) en een literatuurstudie zijn ruim dertig trends en ontwikkelingen in de waterketen geïdentificeerd. De trends zijn geclusterd tot 17 hoofdtrends en ingedeeld in 5 groepen (zie tabel 2). De beschrijving van de trends is nader uitgewerkt in het rapport.

Tabel 2. 17 hoofdtrends ingedeeld in 5 groepen

De tabel is niet uitputtend, maar is een weergave van de issues en uitdagingen van waterketenorganisaties anno 2013 die stakeholders tijdens de interviews hebben benoemd. De trends zijn vervolgens in een ervariumsessie op onvoorspelbaarheid en impact beoordeeld. De uitkomsten hiervan zijn verwerkt in een matrix, zie Afbeelding 2.

Afbeelding 2. Trends in Impact - onvoorpelbaarheidsmatrix

Toekomstwerelden
Het scenarioraamwerk om tot de toekomstwerelden te komen is opgebouwd uit twee assen (zie afbeelding 3), die op hun beurt zijn afgeleid van de trends die volgens experts zowel zeer onvoorspelbaar zijn als een hoge impact hebben (kwadrant rechtsboven in afbeelding 2). De as ‘maatschappelijke situatie’ (X-as in Afbeelding 3) is gebaseerd op trend 5 (De crisis zet door). De as ‘positionering van de waterketen’ (Y-as in Afbeelding 3) is afgeleid uit trends 4, 6 en 9, die een sterke onderliggende samenhang vertonen en samen zwaarder wegen dan de gerelateerde, maar op zichzelf staande trends 7, 10 en 16. De extremen die ontstaan aan de uiteinden van deze assen illustreren de kaders van vier scenario’s in 2023. Op de twee assen van het scenarioraamwerk zijn de vier verschillende toekomstscenario’s voor 2023 geplot (zie Afbeelding 3), die in dezeparagraaf zijn toegelicht.

Afbeelding 3. Vier toekomstige werelden van de waterketen 2023

De X-as: Ontwikkeling van de sociaal-economische situatie in Nederland
De X-as beschrijft de sociaal-economische situatie in Nederland. Op het linkeruiteinde van deze as staat een maatschappij waarin de crisis spoedig voorbij is en weinig schade heeft veroorzaakt. Het economische systeem is stabiel en vergelijkbaar met eind jaren ’90. Er heerst sociale rust, doordat er structurele oplossingen zijn gevonden voor een aantal problemen die de maatschappij voorheen als een zwaard van Damocles boven het hoofd hingen, zoals de dreigende pensioencrisis, de onbetaalbaarheid van de gezondheidszorg en de eurocrisis. De geloofwaardigheid van de waterketen is hoog en de financiële druk klein.

Aan het rechteruiteinde van deze as staat een maatschappij die is uitgehold door de aanhoudende crisis. De kredietcrisis en daarna de eurocrisis hebben hun sporen nagelaten: er is een tekort aan geld in Nederland, er ontstaat sociale onrust en het vertrouwen in het Nederlandse systeem brokkelt af. Ook het vertrouwen in de waterketen is geschaad, doordat langverwachte efficiëntieslagen lange tijd uitgesteld zijn.

De Y-as: Positionering van de waterketen
De Y-as beschrijft de positionering en de rol van de waterketenorganisaties in de maatschappij. Op welke positie de waterketen zich in 2023 op deze as bevindt, hebben ze deels zelf in de hand, maar wordt ook bepaald door externe factoren. Partijen kunnen zelf de strategische keus maken om te focussen op kerntaken of juist te differentiëren. Ook de maatschappij en de overheid hebben hier echter invloed op, bijvoorbeeld via specifieke taakstellingen en regelgeving.

De bovenkant van de Y-as staat voor een waterketen waarbinnen organisaties zich focussen op het uitvoeren van de beherende basistaken. Waterschappen, gemeenten, provincies en drinkwaterbedrijven zullen er alles aan doen om zo goed mogelijk aan de standaarden en verwachtingen van hun stakeholders te voldoen, bijvoorbeeld door het behalen van uitstekende scores in een sectorbenchmark. Organisaties zullen zich inspannen om de status quo te handhaven en waar nodig incrementele verbeteringen door te voeren. Deze kant van de as staat voor een minimale impuls voor innovatie, duurzaamheid en imagoverbetering.

In de wereld aan de onderkant van de Y-as worden waterketenorganisaties gestimuleerd om zich maatschappelijk ondernemend op te stellen. Ze verkennen de mogelijkheden van innovatie, marketing en verduurzaming. Ze voeren hun kerntaken adequaat uit, maar hebben daarnaast een sterke drive om te differentiëren. De sector als geheel wil zich onderscheiden en vooroplopen in maatschappelijk ondernemerschap. Deze trend speelt zich af binnen organisaties zelf, maar leidt ook tot nieuwe vormen van samenwerking in de waterketen of met klanten. Binnen een gedefinieerde bandbreedte bepalen waterketenorganisaties zelf welke taken ze uitvoeren en hoe ze dit doen. De meeste organisaties hebben innovatie als een belangrijk speerpunt op de agenda staan.

Wereld I: Effectieve waterketen
In dit scenario hebben de waterketenorganisaties voldoende financiële ruimte. Alle partijen concentreren zich op hun kerntaken en zetten zich in om de dienstverlening te optimaliseren. Dit doen ze vooral door bedrijfsprocessen effectiever te maken. Een mogelijke valkuil is dat waterketenorganisaties zich zo focussen op primaire processen dat ze de klant uit het oog verliezen. Bovendien is tijdens de crisisjaren tot 2023 weinig geïnvesteerd in infrastructuur en hebben organisaties zich vooral gericht op een goede exploitatie. De drinkwaterinfrastructuur, het rioleringsstelsel en de IT-architectuur zijn sterk verouderd en meer professionalisering is noodzakelijk. De samenwerking in de waterketen komt echter slecht op gang en organisaties zijn naar binnen gekeerd.

Wereld II: Open markt
In deze wereld heeft de overheid zich uit de waterketen teruggetrokken en staat de deur voor privatisering open. Grote marktpartijen nemen veel diensten over en buitenlandse spelers grijpen hun kans. Terwijl het drinkwaternet en het rioolstelsel nog in handen zijn van de overheid worden beheer en onderhoud uitgevoerd door marktpartijen. Burgers willen alleen voor noodzakelijke diensten betalen. De prijs is leidend en waterketenorganisaties focussen vooral op efficiency en winstmaximalisatie, waarbij net aan de basiseisen van een gezonde en veilige waterketen wordt voldaan en niet meer dan dat. De investeringen staan op een laag pitje, wat ten koste gaat van duurzaamheid, kwaliteit, veiligheid en milieu.

Wereld III: Nieuwe markt
In  dit scenario beperkt de rol van de overheid zich tot regie op afstand en raakt de waterketen sterk verweven met andere sectoren. Naast het beheer van de bestaande infrastructuur is er aandacht voor nieuwe oplossingen. Duurzaamheid, innovatie en vernieuwing zijn hierbij kernwoorden. Huishoudens krijgen een steeds belangrijkere rol in de waterketen. Burgers betalen uitsluitend voor afgenomen producten en er is ruimte voor decentrale en individuele oplossingen. De nieuwe waterketen staat dicht bij klanten. Dit resulteert in nieuwe verdienmodellen en de inzet van intelligente IT en diverse social media toepassingen. Nieuwe organisaties onderscheiden zich door gedifferentieerde dienstverlening en duurzame producten. Er is sprake van integratie in de waterketen met thermische energie, zonne-energie en windenergie. Uit de energiesector wordt smart metering overgenomen, ontwikkelingen in de agrofood-sector maken decentrale verwerking van afvalwater en slib mogelijk en vanuit de ict komen nieuwe mogelijkheden om waterstromen op afstand te monitoren.

Wereld IV: Innovatieve multi-utility bedrijven
In wereld IV leidt de economische voorspoed tot druk op het milieu, maar ook tot kansen voor duurzaamheid. Gedreven door maatschappelijke krachten richten steeds meer partijen zich op duurzaam ondernemen, en door de schaarste aan grondstoffen groeit het aandeel van duurzame energie en hergebruik van materialen. Veel organisaties volgen een ‘product leadership’-strategie waarbij innovatiekracht centraal staat. Zo is het concept van de ‘grondstoffenfabriek’ realiteit. Het afvalwaterbedrijf is zelfvoorzienend, het is rendabel om fosfaat en bioplastics uit rioolwater terug te winnen. Alle waterketenbedrijven halen hun energie uit eigen productieprocessen, aangevuld met zonne- en windenergie. Het resultaat is dat de waterketen steeds meer energie gaat produceren. Waterketenorganisaties transformeren zich tot multi utility-organisaties of gebundelde organisaties in de waterketen. Zij houden hun publieke vorm, maar hebben een veel grotere invloed in politiek en bestuur en profiteren van schaalvoordelen. Ze zijn ook betrokken bij pilots voor het opzetten van zelfvoorzienende regio’s met een sterke onderlinge interactie. Hierbij staat het hergebruik van water met decentrale behandelingsmethodes centraal.

Waarschuwingsindicatoren
De geschetste werelden zijn toekomstvisies die via een bepaalde route bereikt worden. Door de weg naar de werelden te beschrijven kunnen kenmerken of gebeurtenissen naar voren komen die als waarschuwingsindicatoren - de zogenaamde early warning-indicatoren - dienen om te bepalen op welke weg wij ons bevinden. Door in de toekomst op deze indicatoren te monitoren kan geanticipeerd worden op de meest waarschijnlijke toekomstwereld.

Per wereld zijn de volgende early warning-indicatoren bepaald.

Tabel 3. Early warning-indicatoren per toekomstwereld

Afsluiting
Uit de scenarioplanning blijkt dat de waterketen er bepaald niet op hoeft te rekenen dat ze een periode van relatieve rust tegemoet gaat. Deze analyse geeft 17 duidelijke trends weer die allemaal een impact zullen hebben. De variëteit in trends is groot, in onderliggende oorzaken ook.
In dit onderzoek zijn vier scenario’s geschetst die inzichten bieden in de mogelijke toekomstige ontwikkeling van de waterketen. In tabel 3 worden de belangrijkste elementen van elk scenario genoemd. Voor organisaties hebben de verschillende scenario’s diverse implicaties op het gebied van infrastructuur, samenwerking, ict en organisatievorm. Naar aanleiding van deze scenarioplanning kunnen we de volgende algemene conclusies trekken:

•    De sociaal-economische ontwikkelingen zullen in sterke mate de organisatie en de infrastructuur van de waterketen bepalen.
•    Het vertrouwen van de burger in overheden heeft een grote invloed op de waterketen.
•    Technische ontwikkelingen maken de waterketen steeds veelzijdiger, efficiënter en duurzamer.
•    De waterketen moet in sommige scenario’s rekening houden met privatisering en toetreding van marktpartijen.
•    De manier waarop waterketenorganisaties met hun medewerkers omgaan verschilt sterk per scenario.
•    In de toekomst zullen waterketenorganisaties samenwerken met steeds meer partijen uit andere sectoren. Dit om efficiency en duurzaamheid te realiseren en te financieren.

De scenario’s maken duidelijk dat de waterketen zich in een turbulente omgeving bevindt. Ze geven de waterketenpartijen handvatten om controle te krijgen over de belangrijkste ontwikkelingen. Het is aan de organisaties zelf om een gepaste strategie uit te zetten om zich maximaal voor te bereiden op de toekomst. Het is helder dat het monitoren van de betrokkenheid van de klant en de invloed van de overheid op de sector van groot belang is om grip op de toekomst te houden.

Sommige waterketenorganisaties hebben al duidelijk een pad gekozen omdat zij in een bepaald toekomstbeeld geloven, andere organisaties wachten het nog af. Het is duidelijk dat niets doen en lijdzaam afwachten voor de betrokkenen in de waterketen geen optie is.

Referenties
1.   Scenario Planning Waterketen 2023. Atos - Witteveen+Bos. Download www.nl.atosconsulting.com/nl-nl/business_insights/scenario_planning/default.htm (maart 2013).
2.    Doelmatig beheer waterketen - Eindrapport commissie feitenonderzoek. VEWIN, VNG, UvW, Rijksoverheid (2010).
3.    Productiviteitstrends in de drinkwatersector. Een empirisch onderzoek naar het effect van regulering op de productiviteitsontwikkeling tussen 1985 en 2010. Centrum voor  Innovaties en Publieke Sector Efficiëntie Studies, Technische Universiteit Delft (2012).
4.    Routekaart Afvalwaterketen tot 2030. AgentschapNL, UvW, VNG (2012).
5.    Verbindend Water in de veranderende praktijk. Aanjaagteam Waterketen (2012).
6.    Waterschapsspiegel 2012 - Waterschappen onderling vergeleken (2012).
7.    Waterkracht. UvW, VNG, VEWIN (2012).

Informatie
Voor meer informatie over het onderzoek en het rapport Scenario Planning Waterketen 2023 kunt u contact opnemen met:

Natasja ’t Hart-van As            Arjen van Nieuwenhuijzen
Atos                                     Witteveen+Bos
T: +31 6 30 43 30 85            T: +31 570 69 73 17 / +31 6 53 92 50 56
E: Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. JavaScript dient ingeschakeld te zijn om het te bekijken. E: Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. JavaScript dient ingeschakeld te zijn om het te bekijken.

Download hier een pdf van dit artikel.

Dit komt doordat ze enerzijds weerstand bieden tegen regelmatig terugkerende afvoeren en anderzijds de schade beperken bij extremere afvoeren. In dit artikel laten we zien hoe deltadijken de robuustheid van een fictief gebied voor hoge rivierafvoeren kunnen verhogen en hoe dat gekwantificeerd kan worden. U zult zien dat het effect van een maatregel sterk afhankelijk is van de grootte van de afvoergolf. Dit betekent dat zelfs met deltadijken een extreem hoge afvoer een probleem is. Daar staat tegenover dat de schade veel geleidelijker toeneemt dan met gewone dijken, waardoor het gebied kan blijven functioneren bij hogere afvoeren. Tot slot leest u in de discussie waarom deltadijken multifunctioneel zouden moeten worden en hoe ‘interactieve ruimtelijke instrumenten’ (zoals de TouchTable) het afwegen van adaptatiemaatregelen ondersteunen.

Er is voldoende reden om maatregelen te onderzoeken die het risico van overstromingen kunnen verlagen. De verwachting is dat er door klimaatverandering vaker extreme rivierafvoeren zullen voorkomen en dat maatgevende rivierafvoeren hoger zullen worden. Zonder maatregelen leidt dit tot een toename van het overstromingsrisico. De schade door overstromingen zal daarbij toenemen door de verwachte ontwikkeling van de economische waarde achter de dijken. Als het huidige beleid wordt voortgezet, wordt de risicotoename tegengegaan door dijken te verhogen en te versterken. Het is echter de vraag of dit beleid wenselijk is [1]. Ten eerste kunnen de investeringen die hiermee zijn gemoeid op de lange termijn groot zijn. Ten tweede is het soms maatschappelijk onwenselijk om de dijken steeds verder te verhogen of regelmatig in hetzelfde gebied de dijk op de schop te nemen. Dit is niet nieuw. Het project Ruimte voor de Rivier is ooit mede gestart omdat men bedenkingen kreeg tegen steeds hogere dijken en meer waarde ging hechten aan ruimtelijke kwaliteit.

Op basis van welke criteria moeten maatregelen beoordeeld worden? Behalve verlaging van het overstromingsrisico tegen maatschappelijk aanvaardbare kosten, willen beleidsmakers graag een robuuster systeem. Binnen KvK (Thema Climate-Proof Flood Risk Management) wordt een raamwerk voor robuustheidsanalyse ontwikkeld, om te kunnen evalueren hoe maatregelen bijdragen aan een robuust systeem. Als een systeem robuust is voor rivierafvoeren, dan ontstaat zelfs bij bovenmaatgevende omstandigheden geen onbeheersbare situatie of ramp [2]. Bij een robuustheidsanalyse staat daarom de analyse van de gevolgen van overstromingen voor verschillende afvoergolven centraal. De belangrijkste aspecten van systeemrobuustheid zijn [3]:
•    reactiedrempel of weerstand (het afvoerbereik waarbij geen schade optreedt);
•    beheersbaarheid van de gevolgen (wateroverlast, overstroming of ramp);
•    proportionaliteit van de gevolgen (mate van geleidelijkheid waarmee de schade toeneemt met een toename van de afvoer).

Mogelijke maatregelen
Voor dit artikel hebben we de volgende alternatieve maatregelen beoordeeld op hun robuustheid:
A0    reguliere dijkverhoging (nulalternatief)
A1    aanleg van een deltadijk over de hele lengte
A2    aanleg van een deltadijk met verschil in hoogte
A3    aanleg van een deltadijk met verschil in hoogte, en aanleg van een compartimenteringsdijk.

Een deltadijk is zo hoog, breed en sterk dat de kans op een plotselinge en oncontroleerbare overstroming vrijwel nihil is. Bij bovenmaatgevende waterstanden kan er water over de (aarden) dijk stromen zonder dat hij faalt door erosie. Omdat de dijk niet faalt, zal de overstroming minder ernstig zijn en zal er minder schade optreden. Dit effect kan nog vergroot worden als de dijken niet overal even hoog worden gemaakt. De deltadijken in alternatief 2 en 3 hebben dit verschil in hoogte, waardoor het landelijke gebied eerder overstroomt dan het stedelijke gebied en er in totaal minder schade zal optreden.

Voor deze verkenning gebruiken we een fictief studiegebied (figuur 1). Langs de rivier liggen over de hele lengte hoge dijken, die een extreme waterstand moeten kunnen keren die gemiddeld gezien eens per 1250 jaar voorkomt (maatgevende afvoer van ongeveer 2.600 m3/s). In het landelijke gebied heeft de dijk een traditioneel, aarden profiel (zie voorbeeld in figuur 2) en het stedelijke gebied wordt beschermd door kades (zie voorbeeld in figuur 3).

Figuur 1. Fictief studiegebied

Figuur 2. Brede dijk, profieltekening (a) en foto (b). [7] (foto: Marjolein Mens)

Figuur 3. Kistdam, profieltekening (a) en foto (b). [7] (foto: Marjolein Mens)

Nul-alternatief (A0) - Reguliere dijkverhoging
Voor het nulalternatief worden de dijken op traditionele wijze verhoogd en versterkt. In het stedelijk gebied worden de kademuren verhoogd. Er wordt daarbij geen rekening gehouden met ruimtelijke kwaliteit. In het overstromingsmodel bevindt de doorbraaklocatie zich buiten het stedelijk gebied.

Alternatief 1 (A1) - Deltadijk
In dit alternatief worden deltadijken aangelegd over de hele lengte van de rivier. De hoogte komt overeen met het huidige toetspeil, en ze zijn doorbraakvrij (bijvoorbeeld door een brede binnenberm en een asfaltbekleding). Doordat deze dijken bij overstromen niet breken, zal de schade minder groot zijn dan in het nulalternatief.

Alternatief 2 (A2) - Deltadijk met verschil in hoogte
Ook in dit alternatief wordt langs het hele traject een deltadijk aangelegd, maar in het landelijk gebied is die 10 cm lager dan in het stedelijk gebied. Het landelijke gebied zal dus eerder overstromen dan het stedelijke gebied, waardoor het stedelijke gebied wordt ontlast.

Alternatief 3 (A3) - Deltadijk met verschil in hoogte én compartimentering
Alternatief 2 wordt hier uitgebreid met gevolgenbeperking in de vorm van een compartimenteringsdijk ter hoogte van de snelweg. De stad wordt hiermee extra beschermd tegen een overstroming. Door de andere ruimtelijke verdeling van het water worden de gevolgen beperkt. De snelweg ligt al op een verhoging waardoor de maatregel landschappelijk niet ingrijpend is. Voor compartimentering zullen doorgangen (zoals viaducten) afsluitbaar gemaakt moeten worden.

Vergelijking van de alternatieven
We hebben gekeken naar de effecten van een dijkdoorbraak (A0) en dijkoverlopen (A1-A3) op de waterdiepte en de schade in het achterliggende gebied, bij verschillende afvoergolven: 2.600 m3/s (de huidige maatgevende afvoer), 2.800 m3/s en 3.100 m3/s.

Figuur 4 toont de waterdieptekaarten voor alle alternatieven en alle afvoergolven. Figuur 5 toont de bijbehorende schade in miljoen euro als functie van de afvoergolf. Hierbij is voor A0 aangenomen dat er ook bij Q=2.600 m3/s kans is op een dijkdoorbraak, hoewel de dijken berekend zijn op een hogere afvoer (ze zijn immers verhoogd en versterkt). Deze aanname is gebaseerd op het feit dat de reactiedrempel bij gewone dijken heel onzeker is. Bij deltadijken is deze drempel veel nauwkeuriger te bepalen.

Uit Figuur 5 blijkt dat bij een relatief kleine overschrijding van de maatgevende afvoer (dus bij 2.800 m3/s) in A1 en A2 (deltadijken) minder schade optreedt dan in A0. Voegen we daar een compartimenteringsdijk aan toe (A3), dan blijft de stad bij deze afvoer bijna helemaal droog. Bij grotere overschrijdingen van de maatgevende afvoer (dus bij 3.100 m3/s) overstroomt de stad ook, ondanks de compartimenteringsdijk. Met andere woorden: hoe hoger de afvoergolf, hoe kleiner het verschil in schade tussen de alternatieven en het nulalternatief.

In absolute zin is de schade in de alternatieven A1-A3 bij alle afvoeren lager dan in A0. Dit komt doordat deltadijken niet breken maar overlopen, waardoor er minder water het gebied instroomt. Wat verder opvalt, is dat de schade bij alle deltadijk-alternatieven bij toenemende afvoer veel geleidelijker oploopt dan bij de traditionele dijken van A0. Het verschil tussen A2 en A3 is minimaal. Het effect van de iets lagere deltadijken in het landelijke gebied is niet zichtbaar, omdat alleen naar de maximale waterdieptes gekeken wordt. Wel duurt het langer voordat het water de stad bereikt, waardoor er mogelijk minder slachtoffers zullen vallen. Het effect op slachtoffers is in dit artikel niet meegenomen.

Figuur 4: waterdieptekaarten per afvoergolf en alternatief

Figuur 5: overstromingsschade als functie van de rivierafvoer, per alternatief

Samenvattend constateren we het volgende over robuustheid:
•    de weerstand is in alle alternatieven gelijk, maar is in A0 het meest onzeker;
•    de beheersbaarheid is in alle deltadijk-alternatieven verbeterd, doordat de dijken niet meer breken. Het effect is het grootst in A3, omdat de compartimenteringsdijk voorkomt dat de stad overstroomt. Bij welke afvoer de compartimenteringsdijk daadwerkelijk zal ‘falen’ (overlopen) hangt af van zijn hoogte;
•    de proportionaliteit in A1, A2 en A3 is groter dan in A0, omdat er relatief weinig schade optreedt bij een kleine overschrijding van de maatgevende afvoer.

De meerwaarde van een robuustheidsbenadering
Deze verkenning illustreert een robuustheidsbenadering voor het vergelijken van maatregelen die overstromingsrisico reduceren. Het gaat hier even niet om de kosteneffectiviteit van de maatregelen, uitgedrukt in de ratio overstromingsrisicoreductie/investeringskosten, maar om de relatie tussen overstromingsgevolgen en afvoergolven (figuur 5). Hieruit blijkt dat het effect van een maatregel afhangt van de afvoergolf die optreedt. Met deltadijken neemt de overstromingsschade veel geleidelijker toe dan met traditionele dijken. Deze grotere proportionaliteit, samen met een lagere overstromingsschade bij alle afvoergolven, zorgt ervoor dat het gebied bij meer afvoergolven kan blijven functioneren. De beheersbaarheid van de overstroming neemt dus toe. Alternatief 3, deltadijken met verschil in hoogte en een compartimenteringsdijk, scoort het hoogst op robuustheid.

De robuustheidsbenadering is een aanvulling op de risicobenadering. Dat kansverdelingen een minder grote rol spelen is een meerwaarde, omdat de kans op een overstroming moeilijk met zekerheid te bepalen is en omdat (overstromings-)kansen lastig te communiceren zijn. In plaats daarvan stellen we nu de vraag op welke afvoeren we voorbereid willen zijn. Vervolgens is de vraag op welke manier we ons voor willen bereiden: door tot een bepaalde afvoer nul schade te ‘garanderen’ met de mogelijkheid van een grote ramp (A0), of door bij sommige afvoeren al iets van schade toe te staan, maar ook te zorgen dat de schade geleidelijk oploopt bij toenemende afvoeren én de overstroming beheersbaar blijft (A1 t/m A3). Anders gezegd, bij een robuustheidsbenadering gaat het niet om het falen van een kering, maar om het falen van het gehele systeem (inclusief de waarde achter de dijken). Zolang het systeem kan blijven functioneren, en dus niet faalt, zijn zo nu en dan overstromingen geen ramp.

Deltadijken multifunctioneel?
We hebben laten zien dat deltadijken de systeemrobuustheid kunnen vergroten. Waar deltadijken het meest effectief zijn (stedelijk gebied) is er echter vaak geen ruimte om het dijktalud te verflauwen of een brede berm aan te leggen. De situatie vraagt dan om een duurdere constructieve oplossing, zoals met damwanden of kistdammen. Daarom is het interessant om te kijken naar de mogelijkheden voor medegebruik door andere functies, die de deltadijk mede kunnen bekostigen. Juist op een brede deltadijk is ruimte voor bebouwing, wegen of parken. Uit ontwerpsessies voor gebiedsontwikkeling is gebleken dat voor stedenbouwkundigen de waterkerende functie van een deltadijk slechts één van de vele eisen voor gebiedsontwikkeling is en dat de kosten hiervan nauwelijks een belemmering vormen [8]. Verschillende studies onderzoeken momenteel de kansen en beperkingen van multifunctionele deltadijken [1,4,5,6], onder andere in het STW-NWO onderzoeksprogramma naar multifunctionele waterkeringen.

Inzet van interactieve ruimtelijke instrumenten
Met een robuustheidcriterium komt er weer een besliscriterium bij, naast onder andere het economische risico, het slachtofferrisico, investeringskosten, neveneffecten en flexibiliteit. Bovendien gaat het bij multifunctionele dijken om gebiedsontwikkeling, waarbij ruimtelijke informatie essentieel is. Kennis voor Klimaat onderzoekt hoe ‘interactieve ruimtelijke instrumenten’ (zoals touchtables en maptables) ingezet kunnen worden voor het ontwerpen van regionale adaptatiestrategieën. We noemen een aantal eigenschappen. Ten eerste kunnen de gebruikers snel wisselen tussen grote hoeveelheden kaartlagen. Ten tweede kan men meerdere criteria combineren in één kaartbeeld. Ten derde kan men de transparantie van een kaartlaag aanpassen of twee kaartlagen over elkaar heen schuiven. Als laatste kan men kaarten direct aanpassen en de effecten hiervan doorrekenen. De nieuwe informatie wordt een nieuwe kaartlaag of een tabel of grafiek. De interactieve communicatie vergroot het vertrouwen in de ruimtelijke informatie en heeft daardoor een positieve invloed op het planningsproces [9].

Literatuur
1    Klijn, F., Kok, M. en De Moel, H. (Eds.) (2012). Towards climate-change proof flood risk management: Exploration of innovative measures for the Netherlands' adaptation policy inspired by experiences from abroad, Interim report, Knowledge for Climate Utrecht.
2    Mens, M.J.P. en Haasnoot, M. (2012). Deltafact Robuustheid. STOWA Deltaproof/KvK.
3    Mens, M.J.P., F. Klijn, K. M. de Bruijn, and E. van Beek (2011), The meaning of system robustness for flood risk management, Environmental Science & Policy, 14(8), 1121-1131.
4    Ellen, G. J., Boers, M., Knoeff, H., Schelfhout, H., Tromp, E., Van den Berg, F., Borgers, H., Rengers, J., De Wit, S. & Wessels, J. (2011). Multifunctioneel medegebruik van de waterkering. Delft: AT Osborne & Deltares.
5    Loon-Steensma, J.M. van (2011). Robuuste multifunctionele rivierdijken: welke kansen en knelpunten zien stakeholders voor robuuste multifunctionele dijken langs de rivieren in het landelijk gebied? Alterra, Wageningen (Alterra-rapport 2228).
6    Moel, H. de; Beijersbergen, J.; Berg, F. van den; Goei, J. de; Koch, R.C. de; Koelewijn, A.R.; Loon-Steensma, van J.M.; Molenaar, I.M.; Steenbergen-Kajabová, J.; Schelfhout, H.; Versluis, S.; Zantinge, A.M., (2010). Klimaatdijk in de praktijk: Gebiedsspecifiek onderzoek naar nieuwe klimaatbestendige dijkverbeteringsalternatieven langs de Nederrijn en Lek. Utrecht : Klimaat voor ruimte, (KvK rapport 019/2010).
7    Urbanisten, Gemeente Rotterdam, Arcadis, Royal Haskoning, Deltares, Hoogheemraadschap van Schieland en Krimpenerwaard, Gemeente Schiedam, Waterschap Hollandse Delta, Hoogheemraadschap Delfland (2010). Veilige en goed ingepaste waterkeringen in Rotterdam. Rotterdam: Knowledge for Climate Program.
8    Bos, M. en Klijn, F. (2010). Deltadijken: ruimtelijke implicaties: Effecten en kansen van het doorbraakvrij maken van primaire waterkeringen. Deltares rapport 1201353.
9    Eikelboom, T. en Janssen, R. (2012). Interactive spatial tools for the design of regional adaptation strategies, Journal of Environmental Management, in press

Download hier een pdf van dit artikel.

Zo kan het effect van (recreatieve) scheepvaart in kleine kanalen (watertype M3) tot aangepaste doelen leiden, vergelijkbaar met het effect van scheepvaart in de grote kanalen binnen de KRW-maatlatten (M6, M7). Mede op basis van de opgedane kennis onderzoekt Delfland momenteel of het mogelijk is om andere meetstrategieën te gaan hanteren.

Het onderhouden en uitvoeren van meetnetten is kostbaar. Daarom besteedt Delfland periodiek aandacht aan de vraag of een meetnet nog optimaal is ingericht. Bij zo’n optimalisatie kan men rekening houden met ruimtelijke veranderingen in een beheergebied, nieuwe inzichten etc. en er zo voor zorgen dat de monitoring aan blijft sluiten op vragen vanuit het beleid. Naast een analyse van deze vraagkant is ook een analyse van de antwoordkant nodig: levert de monitoring inzichten en antwoorden waarmee het beleid verder kan?
Als onderdeel van dit proces heeft Ecofide de monitoringsgegevens over de periode 1986-2010 geanalyseerd1. In totaal waren er 1160 macrofauna-analyses beschikbaar afkomstig van 325 verschillende locaties. Deze gegevens zijn gekoppeld aan waterplanteninventarisaties, waterkwaliteitsgegevens en locatiekenmerken (zoals scheepvaart, landgebruik en watertype). De locaties zijn over het gehele beheergebied van Delfland verspreid. Het merendeel (90%) is van het type sloot of kanaal. Daarnaast zijn er ook enkele plassen en grachten in het meetnet opgenomen.

Karakteriseren van stuurfactoren
De 22 mogelijke stuurfactoren verklaarden 21% van de aanwezige variatie in macrofaunagemeenschappen. Dit is een redelijk acceptabel percentage. Zeker gezien het feit dat er in de dataset weinig variatie zit binnen parameters met normaliter een groot effect op de aquatische ecologie zoals zoutgehalte en eutrofiëring. Verder toonde eerder onderzoek2 aan dat gewasbeschermingsmiddelen een belangrijk effect hebben op de macrofaunasamenstelling in het water van Delfland. Aangezien metingen van deze stoffen op veel locaties ontbraken, is deze stuurfactor verwerkt in het type landgebruik (glas/stad/gras/industrie). De belangrijkste stuurfactoren in het gebied van Delfland bleken acuut toxische NOx-concentraties, watertype (kanaal versus sloot), scheepvaartintensiteit en landgebruik te zijn.

Acuut toxische NOx concentraties
De eerste belangrijke stuurfactor met een significant effect op de macrofaunagemeenschap bleek de nitraat/nitriet concentratie (figuur 1). Gelukkig hebben inmiddels landelijke, regionale en lokale inspanningen geleid tot een duidelijke daling in de concentraties over de jaren en is het optreden van acuut toxische nitraat/nitriet concentraties tegenwoordig een incident. Ook de macrofauna lijkt ondertussen op deze verbetering te reageren, waarbij het aantal soorten toeneemt.

Figuur 1. Het verband tussen verhoogde nitraat/nitriet concentraties en de diversiteit van de macrofauna

Daarnaast zijn, zoals gezegd, watertype (kanaal versus sloot), scheepvaartintensiteit op de kanalen en landgebruik van de sloten belangrijke stuurfactoren voor de macrofaunagemeenschappen. Ook de bedekking met waterplanten reageert op deze factoren, waarbij met name de gesommeerde bedekking van drijvende en submerse vegetatie correleert met de macrofauna samenstelling.

Scheepvaart in kleine kanalen
Hoewel slechts een beperkt aantal formeel als waterlichaam is aangemerkt, zijn vanuit de Kaderrichtlijn Water (KRW) bekeken de meeste kanalen in het beheergebied van Delfland van het watertype M3 (gebufferde regionale kanalen). In de ecologische beoordeling van M3-water wordt vooralsnog geen onderscheid gemaakt op basis van de scheepvaartintensiteit, waar dat onderscheid voor grotere kanalen als M6 en M7 wel een onderdeel van de KRW-maatlat uitmaakt. Door nu ook voor kleine kanalen dit effect te kwantificeren ontstaat inzicht dat gebruikt kan worden bij het opstellen van regionale doelen.
Binnen het beheergebied van Delfland is voor dit onderzoek de scheepvaartintensiteit in vier categorieën ingedeeld; kanalen zonder scheepvaart, kanalen met alleen pleziervaart, kanalen met lichte beroepsvaart zoals tuindersvletten en kanalen met beroepsscheepvaart. In dit laatste geval is overigens ook de diepte van het kanaal duidelijk afwijkend en zullen beide factoren een gezamenlijk effect hebben.
De intensiteit van de scheepvaart bleek de belangrijkste stuurfactor voor de flora en fauna in ondiepe kanalen. Voor de waterplanten neemt het bedekkingspercentage van zowel de drijvende als de submerse waterplanten toe met een afnemende scheepvaartintensiteit. In de meeste locaties blijven deze percentages overigens vrij laag (<10%). Alleen in enkele kanalen zonder scheepvaart is de bedekking met drijvende waterplanten groter. Ook de macrofauna reageert op deze verschillen. Zo neemt het totaal aantal soorten toe van 24 bij kanalen met beroepsvaart naar 35 bij de aanwezigheid van lichte beroepsvaart, 45 bij de aanwezigheid van pleziervaart en 53 in afwezigheid van scheepvaart. Deze toename vindt plaats binnen meerdere groepen zoals libellen, kevers, wantsen, haften en watermijten.

Landgebruik binnen sloten
Delfland monitort enkele honderden sloten op hun flora en fauna. Deze sloten hebben een variërende breedte en lopen door steden, natuur-, landbouw-, industrie- en glastuinbouwgebieden. Statistische analyses maken een helder onderscheid op basis van de diversiteit van de macrofaunagemeenschap, die ook is te correleren aan verschillen in de bedekking door submerse en drijvende waterplanten. De invloed vanuit de verschillende typen landgebruik is moeilijk in één parameter te kwantificeren, maar laat zich wel in meerdere parameters herkennen. Zo is de fosfaatconcentratie in de natuurgebieden duidelijk lager (0,3 t.o.v. 1,1 mg/l), vertoont de oeverhoek een geleidelijk verschil met over het algemeen vrij steile oevers (72°) in stad, industrie en glastuinbouwgebieden en is de nitraat/nitriet concentratie in de glastuinbouwgebied het hoogst (8,2 mg/l versus 0,1 voor de natuurgebieden en 2,1 voor de overige gebieden). Deze relatie tussen oplopende drukfactoren en de macrofauna is in figuur 2 geïllustreerd aan de hand van enkele macrofaunagroepen.

Figuur 2. Het effect van het landgebruik op enkele macrofaunagroepen in sloten Weergegeven zijn de gemiddelden en de standaard fouten.

Door het grote aantal locaties kon de macrofauna ook binnen de verschillende typen landgebruik nader bestudeerd worden. Hieruit bleek dat in landbouwgebied vooral de breedte van de sloten en de aanwezigheid van gemalen van belang was; dat in industriegebied vooral het doorzicht relevant is en dat in het glastuinbouwgebied bestrijdingsmiddelen een rol spelen.

Macrofauna en waterplanten
De indeling van wateren in kanalen en sloten is een gradueel systeem, waarbij de verschillen tussen een grote sloot en een klein kanaal beperkt zijn. Omdat 90% van de monitoringsinspanning zich binnen Delfland richt op deze lijnvormige wateren zijn de verbanden nader bestudeerd door de bedekking met waterplanten en de soortenrijkdom van de macrofauna met elkaar in verband te brengen (figuur 3). Beide blijken een vrijwel lineaire relatie te vertonen met een toenemende diversiteit van de macrofauna bij een toenemende bedekking door waterplanten. De verschillende macrofaunagemeenschappen zijn hierbij te relateren aan de stuurfactoren scheepvaart en landgebruik. Alleen de sloten in natuurgebied kennen een opvallend soortenrijke macrofauna bij een lage bedekking met waterplanten.
In de figuur zijn bij de macrofauna overigens niet alle soorten gesommeerd. Met name het aantal soorten dansmuggen en oligochaeten vertoont meestal geen relatie met de waterplanten en is in deze optelling niet opgenomen.
Delfland wil in zijn monitoringprogramma meer gebruik gaan maken van deze bewezen correlatie tussen de macrofauna en macrofyten. Verder komt dit inzicht goed van pas bij het opstellen van doelen voor “overig water”.

Figuur 3. De relatie tussen de bedekking met waterplanten en de diversiteit van de macrofauna Weergegeven zijn de gemiddelden en de standaard fouten.

Regionale ecologische doelen
Om de toepasbaarheid van deze analyse bij het opstellen van doelen voor “overig water” te verbeteren zijn ten slotte Ecologische Kwaliteitsratio’s (volgens de KRW-maatlat) berekend voor alle individuele macrofaunamonsters (watertype M3 voor de ondiepe kanalen en M1a voor de sloten; Figuur 4).
Ondiepe kanalen met pleziervaart hebben gemiddeld een 12% lagere EKR-waarde dan kanalen zonder scheepvaart en bij kanalen met lichte beroepsvaart is de EKR-waarde 0,1 punt lager dan zonder scheepvaart. Voor sloten is een vergelijkbare afname te zien op basis van het landgebruik, met de hoogste EKR-waarden in sloten in een natuurgebied. Sloten in een industriegebied, de stad of het landbouwgebied ontlopen elkaar niet veel, maar in het glastuinbouwgebied zijn de EKR-waarden significant lager. Deze waarden zijn overigens gemiddelden uit de hele dataset van 25 jaar. De afnemende druk vanuit de gewasbeschermingsmiddelen2 zal op termijn tot stijgende EKR-waarden kunnen leiden.

Figuur 4. EKR-waarden voor de verschillende macrofaunagemeenschappen

Vinger aan de pols
De uitgevoerde analyse toont aan dat het belangrijk is om behalve voor beoordeling van de monitoring zelf, ook periodiek tijd te maken om de gegevens integraal te beoordelen. Het verkregen inzicht is nuttig bij het onderbouwen van beleidsrelevante thema’s (zoals regionale doelstellingen), kan leiden tot een meer kosteneffectieve monitoring en levert een vinger aan de pols voor lokale ontwikkelingen. Daarnaast zijn de positieve trends in de tijd een stimulans voor alle samenwerkende partijen om door te gaan met het verbeteren van de waterkwaliteit en zo de zich herstellende ecologie verder te helpen.

Literatuur
1) Ecofide (2011). Stuurfactoren en trends voor de macrofauna in Delfland. In opdracht van het Hoogheemraadschap van Delfland. Rapportnr. 34.
2) Ecofide (2008). Twee decennia monitoring van bestrijdingsmiddelen en Daphnia’s. Een data-analyse voor het beheersgebied van HH Delfland. In opdracht van de RWS-Waterdienst.

Download hier een pdf van dit artikel.

Waterretentie en verzadigde  en onverzadigde waterdoorlatendheid zijn de cruciale bodemfysische eigenschappen in modelstudies naar bijvoorbeeld verdroging, klimaatbestendigheid, uitspoeling van mest en nutriënten en gedrag van pesticiden in de bodem. Deze nieuwe schematisatie vervangt de veelvuldig gebruikte PAWN-schematisatie uit 1988. In een publiek-privaat samenwerkingsverband van waterschap Vallei & Eem (inmiddels Vallei en Veluwe), Hoogheemraadschap De Stichtse Rijnlanden en Alterra is een methodologie ontwikkeld om, uitgaande van de Bodemkaart van Nederland, bodemfysische eenheden te genereren die als invoer dienen in modelstudies. Doordat de invoer van deze bodemfysische eigenschappen nu is verbeterd, bestaat er een betere overeenstemming tussen modeluitkomsten en praktijkwaarnemingen. Dit draagt bij aan de acceptatie van modeluitkomsten door gebruikers en vergemakkelijkt daarmee de beleidsuitvoering.

Aanpak
Om te komen tot een adequate en functionele bodemfysische schematisatie zijn in dit project de complete profielen van de 315 bodemeenheden van de Bodemkaart van Nederland, schaal 1 : 50.000, gekarakteriseerd met bodemfysische bouwstenen van de Staringreeks. Vervolgens zijn voor alle eenheden met een relatief eenvoudig hydrologisch model belangrijke functionele kenmerken berekend zoals:
•    de laagste grondwaterstand waarbij een flux van 1 mm/d en een flux van 2 mm/d de onderkant van de wortelzone (bij pF 4.2) nog kan bereiken (kritieke z-afstand bij 1 mm/d en 2 mm/d);
•    het verzadigingstekort bij een flux van 1 en 2 mm/d over de bodemlagen tussen de berekende grondwaterstand en maaiveld;
•    de weerstand voor verticale stroming (C-waarde) van het profiel tussen maaiveld en 1,20 m beneden maaiveld;
•    de horizontale stroming van water (kD-waarde);
•    de hoeveelheid beschikbaar vocht in de wortelzone, onderverdeeld in gemakkelijk opneembaar en moeilijk opneembaar.

De uitkomsten van de berekeningen zijn met een multivariate clusteranalysetechniek geanalyseerd, waarbij de bodemeenheden vervolgens op basis van overeenkomstige kenmerken zijn gegroepeerd in een optimaal aantal clusters. Bij de daarna uitgevoerde nabewerking is erop gelet dat er binnen een cluster behalve overeenkomst in hydrologisch gedrag ook overeenkomst is in profielopbouw.

Conclusies
De clustering zorgde voor een reductie van de 315 bodemeenheden tot 72 bodemfysische eenheden. Deze 72 eenheden zijn afgebeeld op de Bodemfysische EenhedenKaart (BOFEK2012). Het voorkomen van de BOFEK-eenheden is vastgelegd in een landelijk GIS-bestand en per eenheid is een profielschets beschikbaar met een schematische beschrijving van de laagopbouw van het bodemprofiel tot 1.20 beneden maaiveld en de daaraan gerelateerde bodemfysische kenmerken. Deze nieuwe bodemfysische schematisatie vormt een belangrijke, betrouwbare pijler onder modelstudies naar bijvoorbeeld emissies van ammoniak en nutriënten en effecten van veranderingen in water- en bodembeheer. De nieuwe werkwijze resulteert in een gedetailleerde kaart met bodemfysische eenheden, waarbij de bodemkaart nog duidelijk herkenbaar is. Als gevolg van de overgang van de PAWN-schematisatie naar de BOFEK2012 schematisatie treden er verschillen op in grondwaterstanden en verdamping. Deze verschillen hangen samen met de bodemtypen en de onderliggende toekenning van de Staringreeksbouwstenen, maar zijn gemiddeld over een gebied gering.

Download het achtergrondrapport over dit onderwerp:
Alterra rapport 2387: http://edepot.wur.nl/247678

Literatuur
•    Wösten, J.H.M., de Vries, F., Denneboom, J.  & van Holst, A.F. (1988). Generalisatie en bodemfysische vertaling van de Bodemkaart van Nederland 1 : 250 000 ten behoeve van de PAWN-studie. Stiboka rapport 2055, 50 blz.
•    Wösten, Henk, Folkert de Vries, Tom Hoogland, Harry Massop, Ab Veldhuizen, Henk Vroon, Jan Wesseling, Joost Heijkers en Almer Bolman (2013). BOFEK2012, de nieuwe, bodemfysische schematisatie van Nederland. 88 pp. Alterra-rapport 2387

Download hier een pdf van dit artikel.

Om het concept in de praktijk te testen wordt op rwzi Bath (Waterschap Brabantse Delta) één van de twee identieke slibgistingstanks omgebouwd voor een thermofiel proces. Voorafgaand aan dit full-scale onderzoek is een pilotonderzoek gedaan, dat in dit artikel wordt beschreven. In de pilot werd gefocust op de adaptatie van mesofiele bacteriën aan de thermofiele omstandigheden bij het omschakelen van het gistingsproces. Bij het verhogen van de temperatuur van 35°C naar 52°C werd het gistingsproces binnen 30 dagen opnieuw stabiel. Vanaf dit punt vertoonde de thermofiele pilotinstallatie een hogere biogasproductie, meer slibafbraak en een grotere vrijstelling van nutriënten. De extra vrijstelling van stikstof en fosfaat biedt goede kansen voor een andere ambitie: nutriënten herwinning.

Duurzaamheidsambities

Hoewel het belangrijkste doel van een rioolwaterzuiveringsinstallatie (rwzi) het verminderen van schadelijke emissies naar waterlichamen is, wordt sinds kort meer aandacht besteed aan energie-efficiëntie, duurzaamheid en kostenbesparing. In dit kader hebben waterschappen zich gecommitteerd aan Meerjarenafspraak 3 (MJA 3) en het klimaatakkoord en zijn veel waterschappen betrokken bij initiatieven als de energiefabriek, RWZI 2030 en NEWater. Doelstellingen hierbij zijn energiebesparing, vermindering van de CO2-uitstoot en nutriënten-terugwinning. Slibgisting is het cruciale procesonderdeel als het gaat om energie-efficiëntie verbeteringen op zuiveringsinstallaties.

Thermofiele vergisting

Bij het anaeroob vergisten van communaal zuiveringsslib wordt organische stof omgezet in biogas. Dit biogas, dat grotendeels bestaat uit methaan, kan door verbranding in biogasmotoren met warmte-kracht-koppeling worden omgezet in elektrische energie en warmte. De opgewekte elektrische en thermische energie kan opnieuw worden ingezet op de rwzi’s. Het is daarom niet verwonderlijk dat waterschappen interesse hebben in het optimaliseren van het slibgistingsproces. Een interessante techniek in dit kader is thermofiele slibgisting.
Bij thermofiele slibgisting vinden de omzettingen plaats bij hogere temperaturen (52-55°C) dan bij mesofiele gisting (30-35°C) (figuur 1). Door de hogere temperaturen worden hogere omzettingssnelheden behaald, waardoor bij gelijke verblijftijden meer biogas wordt geproduceerd. Door de hogere organische- stof-omzetting blijft er minder slib over om verder te verwerken, waardoor ook bespaard wordt op de slibverwerkingskosten.

Eind jaren ’80 waren de verwachtingen van thermofiele vergisting hooggespanen.  De STOWA deed er in 1987-1989 onderzoek naar (project RWZI 2000). In dit onderzoek lag de focus op het vergisten van slib bij een hydraulische retentie van vijf dagen of minder. De resultaten hiervan waren negatief, waarna de aandacht voor (thermofiele) slibgisting op de achtergrond raakte.
Colsen bv werkt sinds 2005 met thermofiele vergisting met een verblijftijd van circa 20 dagen en behaalt bij vergisting van industriële reststromen een organische droge-stof-omzetting van 92–95%.
In de periode 2009-2010 volgde een jaar lang onderzoek naar de thermofiele slibgisting van uitsluitend secundair slib1). Uit dit onderzoek is vast komen te staan dat de organische stof in het secundaire slib van een zeer laag belast actiefslib systeem bij vergisting bij 52°C en 20 dagen verblijftijd voor 50% werd omgezet in biogas. Dit komt overeen met resultaten van thermische drukhydrolyse gevolgd door mesofiele vergisting. Door het lagere energieverbruik, de lagere investeringskosten en de eenvoudige bedrijfsvoering zijn zowel de operationele kosten als de kapitaalslasten van thermofiele slibgisting aanzienlijk beter. De technische, technologische en financiële haalbaarheid van thermofiele slibgisting in Nederland wordt ook door een deskstudie van STOWA onderbouwd2).

Bij de waterschappen is er momenteel behoefte aan een vergelijkend full-scale praktijkonderzoek. Waterschap Brabantse Delta (WBD) wil de slibgisting optimaliseren en extra energie produceren. De installatie van rwzi Bath leent zich uitstekend voor het uitvoeren van vergelijkend full-scale onderzoek naar thermofiele slibgisting vanwege de twee identieke slibgistingstanks3). Om thermofiele slibgisting in de praktijk op rwzi Bath te testen, wordt één van de twee bestaande slibgistingstanks, waarin momenteel mesofiel wordt vergist, omgebouwd voor een thermofiel proces. Eén van de aandachtspunten bij het wijzigen van het slibgistingsproces is de adaptatie van de biomassa.
Voorafgaand aan het full-scale praktijkonderzoek op rwzi Bath is daarom een pilotonderzoek op kleine schaal uitgevoerd door Colsen bv, in samenwerking met WBD. Deze pilot onderzocht onder andere de problematiek rondom het adapteren van het mesofiele slib aan thermofiele omstandigheden.

Overgang van mesofiele naar thermofiele condities

Tijdens het slibgistingsproces wordt zuiveringsslib in een zuurstofloze omgeving door een groot aantal soorten micro-organismen afgebroken en omgezet in biogas. Bij de slibgisting worden voornamelijk twee temperatuurgebieden onderscheiden: mesofiel en thermofiel. De temperatuurgebieden zijn optimaal voor mesofiele of thermofiele bacteriën, maar in het mesofiele slib bevinden zich ook enkele (obligaat) thermofiele bacteriën. 

Wanneer de temperatuur van mesofiel gistingsslib wordt verhoogd naar thermofiele temperatuur, worden de condities gunstiger voor de (obligaat) thermofiele bacteriën. Deze bacteriën gaan meer activiteit vertonen en gaan zich reproduceren, waardoor de samenstelling van het slib wijzigt. De overgang van mesofiele naar thermofiele temperaturen kan door de lage groeisnelheden een lange acclimatiseringsperiode vereisen.

Figuur 1: Thermofiele en mesofiele temperatuurrange versus verblijftijd

In de literatuur worden twee strategieën beschreven voor het adapteren van mesofiel slib aan thermofiele temperaturen: verhoging van de temperatuur in één stap, of stapsgewijsze temperatuursverhoging. Aan de Technische Universiteit Denemarken (DTU) is onderzocht welke strategie de beste is. Uit het Deense onderzoek wordt duidelijk, dat bij de één-stap-strategie sneller een steady-state wordt bereikt dan bij de stapsgewijze temperatuursverhoging (steady-state na resp. 30 en 70 dagen)4). De één-stap-strategie veroorzaakt wel grotere verstoringen in het proces dan de stapsgewijze temperatuursverhoging, zoals sterker stijgende concentratie vetzuren en een sterker dalende pH  Dat maakt een nauwkeurige monitoring noodzakelijk. Toch lijkt voor het ombouwen van een mesofiele in een thermofiele vergister de één-stap-strategie de interessantste.

Pilotonderzoek rwzi Bath

Voor het pilotonderzoek op rwzi Bath werd een 60 liter vergister gebruikt (figuur 2). Deze bestaat uit een geïsoleerde, roestvrijstalen tank voorzien van een top-entry menger. Het digestaat in de vergister wordt continue gemengd en de temperatuur wordt op peil gehouden met behulp van een elektrisch tracingsysteem rond de tank. Het geproduceerde biogas wordt opgevangen in een biogaskolom. In de kolom heerst een onderdruk doordat de kolom elke dag volledig wordt gevuld met aangezuurd water (pH 2), om te voorkomen dat het CO2 uit het geproduceerde biogas in oplossing gaat. Aan de hand van de verplaatsing van het water in de biogaskolommen werd het geproduceerde biogasvolume afgelezen.

Figuur 2: Opstelling pilotinstallatie op rwzi Bath

Voor het onderzoek werd de pilotvergister geïnoculeerd met slib uit de full-scale mesofiele vergister. Na een week bedrijfsvoering onder mesofiele condities, bij een temperatuur van 34,7 ± 1,7°C, werd de temperatuur van de vergister in één stap verhoogd tot thermofiele condities. Daarbij is rekening gehouden met het opwarmen van de full-scale slibgistingstanks. Op rwzi Bath staan twee slibgistingstanks van 5.430 m³. Het is in de praktijk niet haalbaar om deze tanks binnen een dag van 35°C tot 52°C op te warmen. Voor het opwarmen van de pilotvergister is daarom een periode van zeven dagen genomen, waarbij de temperatuur van de reactor elke dag evenredig werd verhoogd (figuur 3).

Figuur 3: temperatuursverhoging pilotinstallatie rwzi Bath

Na het bereiken van thermofiele condities werd de temperatuur constant op 52°C gehouden (51,9 ± 1,6°C). Twee maal trad een temperatuurdaling op door een stroomstoring op de rwzi (figuur 3). De temperatuur in de mesofiele installatie wordt gestuurd op 35°C.

De pilotvergister werd twee maal daags gevoed met een mengsel van ingedikt primair en ingedikt secundair slib (50 : 50 volume%). Dagelijks werden de pH, temperatuur, droge stof (DS), en chemisch zuurstofverbruik (CZV) bepaald van de beide slibstromen in de voeding en in het uitgegiste slib. Wekelijks werd van een verzamelmonster de organische droge stof (ODS) bepaald. De gemiddelde samenstelling van het primaire en secundaire slib is weergegeven in tabel 1.

Gedurende het hele onderzoek werd de hydraulische verblijftijd in de pilotvergister op 20 dagen gehouden.. De gemiddelde organische stofbelasting in de pilotinstallatie bedroeg 2,0 ± 0,4 kg ODS/m³ reactor.dag-1. De wisselende belasting van de pilotinstallatie wordt veroorzaakt door een variërend droge stof gehalte van het ingebrachte primaire en secundaire slib. 

De gemiddelde hydraulische verblijftijd in de full-scale installatie bedroeg 22,4 ± 10,5 dag, met een gemiddelde organische stofbelasting van 2,19 ± 0,7 kg ODS/m³ reactor.dag-1. De wisselende belasting van de full-scale installatie wordt veroorzaakt door zowel een wisselende hoeveelheid voeding als door een variërend organischestofgehalte van het aangevoerde primaire en secundaire slib.

Opmerkelijk is dat de CZV/ODS verhouding in het primaire slib (1,45 ± 0,25) lager was dan in het secundaire slib (1,50 ± 0,20). Over het algemeen heeft primair slib juist een hogere CZV/ODS verhouding dan secundair slib. Waarschijnlijk heeft de lage verhouding CZV/ODS van het primaire slib te maken met de relatief lange verblijftijd in de afvalwaterpersleiding (AWP) die het primaire slib aanvoert naar rwzi Bath. Door deze lange verblijftijd kan een deel van de gemakkelijk afbreekbare CZV al worden omgezet voordat het slib de rwzi bereikt.

De dagelijkse metingen

Vetzuren en alkaliniteit
Na het verhogen van de temperatuur steeg de concentratie vluchtige vetzuren in de pilotinstallatie van gemiddeld 8,2 ± 0,98 meq/l tot maximaal 64 meq/l, waarbij de verhouding vetzuren/alkaliniteit steeg van 0,08 ± 0,01 tot maximaal 0,46.
27 dagen na het bereiken van de thermofiele temperatuur was de concentratie vetzuren weer gedaald tot een stabiele waarde van 30,3 ± 5,2 meq/l, waarbij de verhouding vetzuren/alkaliniteit was gedaald tot 0,2 ± 0,03. De concentratie vetzuren en de verhouding vetzuren/alkaliniteit in de pilotinstallatie is vanaf het bereiken van de thermofiele condities beduidend hoger dan in de full-scale mesofiele slibgisting (4,4 ± 1,3 meq/l vetzuren, bij een verhouding van 0,06 ± 0,02). Ondanks de hogere concentraties vetzuren en hogere verhouding vetzuren/alkaliniteit, is er geen verzuring opgetreden in de thermofiele vergister.

pH
De pH komt in de thermofiele pilotvergister iets hoger uit dan in de full-scale mesofiele slibgisting (respectievelijk 7,46 ± 0,19 en 7,33 ± 0,1). De hogere ammoniumgehaltes in de thermofiele vergister zijn mede bepalend voor de hogere pH.
Tijdens het onderzoek trad er geen schuimvorming op in de thermofiele vergister.

Droge- en organische stofafbraak
De (organische) drogestofafbraak is berekend aan de hand van de verschillende drogestof- en asrest-bepalingen op de voeding en op het uitgegiste slib.
In tabel 2 worden de gemiddelde drogestof-omzetting, organische drogestof-omzetting, specifieke biogasproducties en methaangehalte van het geproduceerde biogas weergegeven van de full-scale mesofiele vergister en van de thermofiele pilotvergister. Voor de thermofiele pilotinstallatie zijn alleen de resultaten uit de steady-state meegenomen en zijn de resultaten tijdens het adapteren na de temperatuursverhoging buiten beschouwing gelaten. Doordat de pilotinstallatie functioneerde met een gemiddeld kortere hydraulische verblijftijd en lagere ODS-belasting dan de full-scale installatie, zijn de gevonden verschillen (zoals weergegeven in tabel 2) mogelijk een onderschatting.

Deze waarden laten zien dat de afbraak van droge stof van de voeding (primair slib en secundair slib) in de thermofiele pilotvergister (40,8%) hoger is dan in de mesofiele full-scale slibgisting (32,2%). Dit is een toename met een factor 1,27.
De afbraak van organische droge stof van de voeding neemt in de thermofiele vergister toe tot 51,5%, ten opzichte van 41,6% in de full-scale vergister. Dit is een toename met een factor 1,24.
Daarnaast is de biogasproductie in de thermofiele vergister met een factor 1,18 toegenomen ten opzichte van de full-scale vergister, tot 812 l/kg ΔODS. Ook het methaangehalte in het geproduceerde biogas in de thermofiele pilot is een factor 1,08 hoger dan in de full-scale installatie. De gevonden biogasproductie (812 liter per kg verwijderde ODS) is conform de theorie: bij een gemiddelde CZV/ODS verhouding van 1,5 in de voeding, wordt per kg ΔODS 525 liter methaan gevormd. Bij een methaangehalte van 65% komt dit overeen met 807 liter biogas. De specifieke biogasproductie in de mesofiele vergister stemt niet overeen met de berekening. Mogelijk kan dit worden verklaard door de onnauwkeurigheid in de biogasflowmeting.

Nutriëntenvrijstelling
Tijdens het afbreken van organische stof in de slibgisting worden stikstof en fosfaat gemineraliseerd of vrijgesteld als NH4+ en PO43-. De concentratie NH4+ en PO43- in het slibwater is dus ook een maat voor (O)DS-afbraak. In de figuren 4 en 5 worden de concentraties NH4-N en PO4-P na de thermofiele pilotinstallatie vergeleken met de concentraties na de full-scale mesofiele vergister.

Figuur 4: Verloop NH4-N concentratie pilot- (blauw) en full-scale vergister (rood)

Figuur 5: Verloop PO4-P concentratie pilot- (blauw) en full-scale vergister (rood)

Na het verhogen van de temperatuur in de pilot vergistingsinstallatie wordt er gemiddeld 1.494 ± 256 mg/l NH4-N vrijgesteld. In de full scale installatie is dit gemiddeld 813 ± 136 mg/l. Ook wordt gemiddeld 529 ± 138 mg/l PO4-P vrijgesteld in de thermofiele pilot, in de full-scale installatie is de gemiddelde vrijstelling 76 ± 33 mg/l. De extra vrijstelling van NH4-N en PO4-P in de pilot komt overeen met een factor van respectievelijk 1,84 en 7,0.
De extra vrijstelling van NH4-N onder thermofiele condities komt qua ordegrootte overeen met de additionele ODS-afbraak en biogasproductie in de thermofiele vergister. De extra PO4-P vrijstelling in de thermofiele pilot is buitenproportioneel en valt deels te verklaren door het feit dat er in de full-scale installatie ijzerzouten worden gedoseerd in verband met H2S in het biogas. Een deel van het gedoseerde ijzer bindt met fosfaat, wat daardoor niet wordt vrijgesteld.

Conclusies en aanbevelingen

Op basis van het pilotonderzoek worden de volgende conclusies getrokken:
•    Het hanteren van de één-stap-strategie bij het verhogen van de temperatuur van 35°C tot 52°C heeft niet tot problemen geleid in de vergister (verzuring, schuimvorming). Het mesofiele slib lijkt zich 30 dagen na het verhogen van de temperatuur geadapteerd te hebben aan de hogere temperatuur, zodat weer een evenwicht ontstaat tussen de zuurvormende bacteriën en de methaanvormende bacteriën.
•    Thermofiele slibgisting leidt tot een betere afbraak van (organische) droge stof dan mesofiele slibgisting. De gevonden ODS-gehaltes en de hoeveelheid geproduceerd biogas komen overeen met de theoretische berekening. De berekening voorspelt dat bij een hogere CZV/ODS verhouding (zoals gebruikelijk bij primair slib) de energieproductie nog verder zal toenemen.
•    NH4-N vrijstelling komt overeen met de verhoogde ODS-afbraak. De PO4-P vrijstelling viel erg hoog uit en is slechts ten dele te verklaren door dosering van ijzer in verband met H2S verwijdering in het biogas. De vrijstelling van P moet worden geverifieerd.
•    De pH in de thermofiele vergister is hoger dan die in de mesofiele vergister. Hierdoor is de kans op scaling in het slib en in de leidingen groter.
•    De toename van de ammoniumconcentratie heeft niet geleidt tot toxische effecten in de thermofiele slibgisting. In industriële thermofiele vergisters leveren NH4-N concentraties van 3.000 mg/l N geen problemen op. 
Vanwege de hoge concentraties NH4-N wordt het terugwinnen van nutriënten via een deelstroombehandeling aantrekkelijk.
•    De hoge concentraties PO4-P in de thermofiele slibgisting maakt het terugwinnen van P via een deelstroombehandeling aantrekkelijk. In hoeverre scaling optreedt als gevolg van de hogere fosfaatgehaltes is niet onderzocht.

De resultaten van het pilotonderzoek lijken perfect te passen binnen de ambities van Waterschap Brabantse Delta. Door de extra organischestofafbraak kan meer energie (elektriciteit en warmte) worden opgewekt. Op rwzi Bath staan momenteel twee WKK’s opgesteld die voldoende capaciteit hebben voor het verwerken van het extra geproduceerde biogas, waardoor investeren in een nieuwe WKK-installatie niet noodzakelijk is. Dit maakt de business case een stuk aantrekkelijker. Ook zullen de slibverwerkingskosten aanzienlijk dalen doordat minder uitgegist slib overblijft.
De extra vrijstelling van nutriënten biedt kansen voor nutriëntenherwinning op de rwzi door deelstroombehandeling van het rejectiewater..
In het full-scale onderzoek, waarbij één van de twee bestaande slibgistingstanks zal worden omgebouwd voor een thermofiel proces, zullen de gevonden cijfers worden geverifieerd. Ook de ontwaterbaarheid van het thermofiel uitgegiste slib zal hierbij onderzocht worden. Begin 2013 gaat het full-scale onderzoek van start. Het project wordt in samenwerking met STOWA uitgevoerd.

Literatuur

1. Smet, D. (2010). Thermofiele slibgisting past perfect in duurzame slibverwerking. Neerslag 45 nr. 6, 13 – 17.
2. STOWA 2011-16 Handboek slibgisting.
3. Waterschap Brabantse Delta, 18 oktober 2011. Innovatieagenda zuiveringsbeheer. Evaluatie 2010, plan 2011-2012.
4. Bouskova, A., Dohanyosb, M., Schmidta, J. E., & Angelidaki, I. (2005). Strategies for changing temperature from mesophilic to thermophilic conditions in anaerobic CSTR reactors treating sewage sludge. Water Research 39, 1481–1488.