H2O Vakartikelen

Download een pdf van dit artikel.

Waterschap Aa en Maas heeft in het Waterbeheerplan beschreven dat in de planperiode 2010-2015 circa 6.300 ha aan verdroogde natuurgebieden aangepakt wordt. Zoals afgesproken in de intentieverklaring ‘Aanpak en monitoring van verdroging in Noord-Brabant’ van provincie, terreinbeheerders, waterschappen en waterleidingmaatschappij Brabant Water is het waterschap verantwoordelijk voor de realisatie en monitoring van een aantal verdroogde natuurgebieden. Het waterschap dient ervoor te zorgen dat aan de waterhuishoudkundige randvoorwaarden (OGOR) wordt voldaan om de doelstellingen voor deze verdroogde natuurgebieden te kunnen behalen. Het bereiken van de waterhuishoudkundige randvoorwaarden alleen is echter niet altijd voldoende om de doelen te bereiken. Ook de grondwaterkwaliteit moet voldoen aan de standplaatseisen van de gewenste grondwaterafhankelijke vegetatie.

Download hier een pdf van dit artikel.

Het drinkwater van een drietal productiebedrijven van Vitens wordt ontkleurd met ionenwisselaars om de onaantrekkelijke gele kleur te verwijderen. Bij het ontkleuringproces komt een reststroom vrij van water met daarin opgelost keukenzout en humuszuur. Deze reststroom wordt met tanktransporten afgevoerd naar de AVR in Rijnmond. Kosten: een half miljoen per jaar. Afhankelijk van de samenstelling en de concentratie heeft humuszuur echter een enorme marktwaarde. Met een pilotonderzoek heeft Vitens aangetoond dat het mogelijk is om met diafiltratie de reststroom grotendeels te reduceren: 80% van het water en bijna al het zout wordt onttrokken, het zoute residu kan worden opgewerkt tot een concentratie die weer gebruikt kan worden als regeneratiemiddel voor de ontkleuringinstallatie, en de humuszuren worden opgewaardeerd tot een grondstof voor de agrarische sector. Deze pilot heeft ertoe geleid dat in 2013 op locatie Spannenburg een installatie operationeel zal zijn, die een Zero Liquid Discharge bedrijfsproces (ZLD) van deze reststroom realiseert. Vitens heeft hiermee een nieuw business model waarbij duurzaamheid, toegepaste innovatie en economische drive hand-in-hand gaan.

Ontkleuring

Het grondwater van de productielocaties Oldeholtpade, Spannenburg en Sint Jansklooster wordt gekenmerkt door relatief hoge kleur- en TOC-concentraties. Deze kleur wordt veroorzaakt door organische stof die ook wel humuszuur wordt genoemd. Op Oldeholtpade is in 2006 de eerste ontkleuringinstallatie op basis van ionenwisseling in bedrijf genomen [1], in 2010 en 2011 volgden de andere twee locaties. Belangrijke kenmerken van de installaties zijn de relatief zware belasting van de IEX-hars, het drievoudig hergebruik van het regeneratiemiddel en het beperken van de reststroom door toepassing van nanofiltratie.
Door de IEX-hars relatief hoog te belasten, tot 150 g KMnO₄/l hars, in combinatie met een hoge snelheid, tot 60 m/uur, is het mogelijk volledige ontkleuring in een naar verhouding kleine installatie te realiseren. Na verloop van 2 tot 3 weken zijn de harsbedden verzadigd en worden ze geregenereerd met een keukenzoutoplossing, waarbij de startconcentratie 10% bedraagt. Door de hoge startconcentratie en het drievoudig hergebruik blijft het benodigde volume aan regeneratiemiddel op de productielocaties beperkt. Toepassing van nanofiltratie zorgt voor een grote volumevermindering van de reststroom en hergebruik van keukenzout.
De reststroom heeft een totale omvang van 4100 m³/j (tabel 1). Dit is gezien de productiecapaciteit van de locaties een geringe reststroom. Echter door de hoge concentraties aan natriumchloride (3-4%) en organische stof (5-8%) mag het materiaal niet worden geloosd op de gemeentelijke riolering. Daardoor was het noodzakelijk een andere oplossing te zoeken. Toen alleen Oldeholtpade in bedrijf was, werd de reststroom per tanktransport afgevoerd naar de rwzi te Harlingen. Na de inbedrijfstelling van de installatie te Spannenburg werd de reststroom dusdanig hoog dat de kwaliteit van het rwzi-effluent negatief werd beïnvloed. Sinds begin 2011 is Vitens genoodzaakt de reststroom van alle drie de locaties per tanktransport af te voeren naar AVR Rozenburg. De kosten voor de afvoer van deze reststroom liggen rond de half miljoen euro per jaar.

Tabel 1. Jaarlijkse reststroom van de ontkleuringinstallaties

Onderzoek naar ZLD bedrijfsvoering

Al kort na de inbedrijfname van de eerste installatie in 2006 is gezocht naar een methode om de reststroom zoveel mogelijk te beperken en bij voorkeur te streven naar een Zero Liquid Discharge (ZLD) bedrijfsvoering. Hierbij is gefocust op de afbraak van humuszuren (het probleem) zodat het zout kan worden hergebruikt voor het regeneratieproces. Verschillende methoden zijn onderzocht, echter allen waren in de praktijk moeilijk realiseerbaar.

Afbeelding 1. Waardevolle eigenschappen van humuszuren

Humuszuren: de markt

De oplossing lag in het omdraaien van onze focus. Het probleem niet als probleem maar als kans te zien. Intern is een dedicated team opgericht met als doel  de markt te verkennen vanuit het ‘groene-weide-principe’. Niet te denken vanuit het product maar vanuit de markt. Door de afdeling Business Development van Vitens is een uitgebreide marktscan uitgevoerd. Daaruit kwam naar voren dat humuszuren juist waardevolle stoffen zijn, met uiteenlopende toepassingen in de land- en tuinbouw, zaadveredeling en zelfs als supplement in de diervoeding [2]. De meest voorkomende toepassing is als bodemverbeteraar. Humuszuren staan bekend om hun waardevolle eigenschappen (zie afbeelding 1) [3]. Ze verbeteren de bodemstructuur, waardoor water en nutriënten worden vastgehouden en deze beter worden opgenomen door gewassen. De humuszuren die in Nederland worden verkocht zijn met name afkomstig uit de VS. Deze humuszuren worden via een chemisch procedé uit bruinkool gewonnen. Humuszuren uit de reststroom van drinkwaterontkleuring zijn veel zuiverder en kunnen in de agrarische sector worden ingezet als 100% duurzame en hoogwaardige bodemverbeteraar. Dit betekent grote logistieke voordelen en lagere kosten. Bovengronds profiteert de boer direct van de toepassing van humuszuren door een hogere gewasopbrengst en reductie van gebruik van bestrijdingsmiddelen en meststoffen. Ondergronds verbetert de grondwaterkwaliteit door de verminderde uitspoeling van meststoffen en bestrijdingsmiddelen en door een bevordering van de lokale biodiversiteit. Bovendien wordt als belangrijk neveneffect de drinkwaterkwaliteit op lange termijn gewaarborgd.

Om deze kans te realiseren moest de reststroom op twee punten aangepast worden aan de vraag van de markt: 1) verlaging van het zoutgehalte en 2) verhoging van de humuszuurconcentratie. In het onderzoek naar een ZLD-bedrijfsvoering van drinkwaterontkleuring is daarom gericht gezocht naar een proces waarin het zout in de reststroom gescheiden wordt van de humuszuren. Hierdoor wordt niet alleen de mogelijkheid gerealiseerd van hergebruik van het zout als regeneratiemiddel, maar ook van de verrijking (valorisatie) van humuszuren als waardevolle grondstof.

Afbeelding 2. Diafiltratie is een uitwasproces gebaseerd op membraanfiltratie

Het membraan wordt zo geselecteerd dat de gewenste stof (in dit geval de organische stof) zo volledig mogelijk wordt tegengehouden. Het membraan dient de ongewenste stof (in dit geval natriumchloride) bij voorkeur volledig door te laten. Tijdens diafiltratie wordt de ongewenste component voortdurend uitgewassen door drinkwater aan de voedingstank toe te voegen. Hoe langer er wordt uitgewassen, des te zuiverder wordt de oplossing met de gewenste stof(fen).

Diafiltratie pilot

Diafiltratie is een scheidingstechniek die vaak wordt toegepast binnen de zuivelindustrie en de (bio)farmacie. Om te bepalen in hoeverre diafiltratie geschikt is als scheidingstechniek voor het ontzouten van de reststroom is een pilotonderzoek uitgevoerd. Hiervoor is een batch van 200 liter reststroom van productiebedrijf Spannenburg gebruikt. Bij diafiltratie is de keuze van het membraan cruciaal. In het verleden heeft onderzoek aangetoond dat het TrisepXN45-membraan een bijna volledige retentie heeft voor organische stof en tegelijkertijd volledig permeabel is voor natrium- en chloride-ionen. Deze nanofiltratiemembranen worden reeds toegepast in de DENF-installaties op Spannenburg en Sint Jansklooster en zijn voor het pilotonderzoek gebruikt.
Met een recirculatiepomp is een cross-flow over het membraan gecreëerd om te voorkomen dat het organisch materiaal in de oplossing fouling zou veroorzaken op het membraanoppervlak. De omvang van de cross-flow is gelijk gehouden aan die in de nanofiltratie-installaties op Spannenburg en Sint Jansklooster. Tijdens het onderzoek is de voedingsdruk lager gehouden dan 15 bar, ook dit is conform de maximale voedingsdruk van de bestaande praktijkinstallaties. Om de robuustheid van de techniek te kunnen vaststellen zijn er meerder batches behandeld met diafiltratie.

Tabel 2. Resultaten van de diafiltratie-pilot

Eerste ervaringen in de pilot

Uit de pilot bleek dat reststroom (40 g NaCl/l) met diafiltratie te ontzouten is tot een concentratie minder dan 1 g NaCl/l (zie tabel 2), vrijwel zonder verlies van humuszuren. Het volume waswater benodigd om deze zoutconcentratie te bereiken was 550 l, dus minder dan driemaal het uitgangsvolume. Het filtraat had een concentratie van 25 g NaCl/l (gemiddeld). Naarmate het diafiltratieproces langer doorliep, werd de concentratie NaCl in het filtraat steeds lager. Op een bepaald moment was het gehalte zo laag dat de opvang van het permeaat gestaakt is, in feite was het drinkwater.
De TOC-concentratie van het diafiltratieproduct bleef nagenoeg gelijk aan die van het uitgangsmateriaal. Het geringe verlies van TOC was grotendeels te wijten aan opwarming. Het membraan wordt daardoor meer permeabel voor de relatief grote humuszuur moleculen. Deze opwarming tot ca. 30 oC werd veroorzaakt door de pompenergie, deze werd met de toegepaste pilotinstallatie weg gesmoord.
Voor reiniging van de diafiltratiemembraan kon worden volstaan met enkel een waterreiniging. Dit komt overeen met de ervaring die is opgedaan met de bestaande installaties. Ook deze hebben sinds de in bedrijfstelling geen chemische reiniging ondergaan terwijl de membraanperformance na twee jaar (Spannenburg) niet is verslechterd.

Voortzetting pilot: concentratie na diafiltratie

Wanneer een dergelijk systeem in de praktijk zou worden toegepast zou weliswaar het product bestaan uit grotendeels ontzout organisch materiaal, maar het volume zou nog steeds gelijk zijn aan de startsituatie. Daarom is het pilotonderzoek voortgezet door het diafiltratieproduct, de humuszuuroplossing, verder te concentreren. Voor deze stap zijn dezelfde procesomstandigheden gebruikt, met uitzondering van de toegepaste voedingsdruk. Een steeds hogere druk is nodig om de flux te handhaven, omdat tijdens het concentratieproces de hoeveelheid droge stof in de te behandelen vloeistof toeneemt. Tijdens het onderzoek is de druk stapsgewijs opgevoerd tot de maximale toelaatbare druk van 45 bar.
Met deze procesomstandigheden is het oorspronkelijke volume van 200 l gereduceerd tot 55 l, een indikkingfactor van bijna 4 (Tabel 3). Net als tijdens de diafiltratie was de toename van de temperatuur van grote invloed. Tijdens het concentratieproces nam de druk toe tot 45 bar, waardoor de temperatuur van de vloeistof navenant steeg tot 40oC. Het gevolg hiervan was dat het gehalte organisch materiaal in het filtraat door de hogere permeabiliteit van het membraan toenam. Dit leverde een ongewenst verlies van 21% humusmateriaal en een sterk energieverlies op.

Tabel 3. Samenvatting van de pilot: diafiltratie en concentratie

Laatste stap in de pilot: hergebruik van zout en water door middel van reverse osmose

Voor verlaging van het zoutgehalte met een factor 40 was een waswatervolume nodig van ongeveer 3 maal het uitgangsvolume. Om zoveel mogelijk te voldoen aan een ZLD-bedrijfsvoering werden ook het zoute filtraat van het diafiltratieproces en het licht-zoute restwater van het concentratieproces behandeld, met omgekeerde osmose (RO). Hierbij werd het zoutgehalte zodanig verhoogd dat hergebruik in het regeneratieproces van de ontkleuringinstallatie mogelijk werd. Het niet-zoute waterige restant uit de RO-installatie bleek geschikt als waswater in het diafiltratieproces.

Opschaling: een nieuwe installatie op Spannenburg

Gebaseerd op het pilotonderzoek wordt op productiebedrijf Spannenburg een installatie gerealiseerd die de totale reststroom van de drie productielocaties Spannenburg, Oldeholtpade en Sint Jansklooster zal verwerken. Deze installatie is in juli 2013 operationeel en zal, inclusief opslagtanks voor de verschillende media, worden geplaatst in een apart gebouw (afbeelding 2). Ten opzichte van het pilotonderzoek zal de praktijksituatie uitgevoerd worden met een aantal aanpassingen teneinde de efficiency te vergroten.

1. Diafiltratie is een batchproces. De installatie die op Spannenburg zal worden gebouwd (zie afbeelding 3) zal gebaseerd zijn op de dagelijkse aanvoer van reststroom van de drie locaties. Omdat de totale reststroom van de drie locaties ongeveer 4100 m³/j bedraagt wordt er een installatie gerealiseerd die ruim 11 m³ per dag kan verwerken. Om de omvang van de nieuw te bouwen installatie zoveel mogelijk te beperken is het van groot belang dat de te verwerken vloeistofstromen zo gering mogelijk zijn. Daarom is gekozen om de concentratiestap als eerste uit te voeren. Hierdoor wordt de hoeveelheid uitgangsmateriaal voor diafiltratie gereduceerd met een (beoogde) factor 4. De benodigde hoeveelheid waswater voor de diafiltratie wordt dan eveneens een factor 4 lager. De verwerking van het permeaat van zowel de concentratiestap als de diafiltratiestap door de RO-installatie, levert waswater op voor het diafiltratieproces (hergebruik) en regeneratiezout voor de ionenwisselaar. Net zoals tijdens het pilotonderzoek worden concentratie en diafiltratie in één installatie uitgevoerd, wat inhoudt dat de diafiltratietank zal worden uitgevoerd als hogedruktank die bestand is tegen een druk tot 50 bar. Dit beperkt de footprint van het totaal.
2. Om een zo hoog mogelijke energie-efficiency te bereiken wordt de recirculatie binnen het hogedruksysteem gehouden. Aangezien de recirculatieflow (waswater) relatief hoog is t.o.v. het voedingsdebiet (het uitgangsmateriaal) is het dan enkel nodig de voedingsflow op de gewenste hogedruk te brengen. De recirculatiepomp zorgt voor een grote flow bij een relatief lage druk, de voedingspomp zorgt voor de hoge druk bij een laag debiet. Dit is analoog aan de bestaande DENF-installaties op de drie locaties. Dit zorgt ervoor dat het energieverbruik beperkt blijft en het ongewenste neveneffect van opwarming van de te behandelen vloeistof niet optreedt. Het verlies van organisch materiaal in het filtraat zal dan ook minder sterk optreden dan in de pilotsituatie
3. Tijdens het diafiltratieproces wordt door uitwassing het zoutgehalte in het filtraat lager naarmate het proces vordert. Op een bepaald moment is de concentratie dermate laag dat het niet rendabel is om dit met RO te concentreren. Dit moment wordt bepaald door het elektrisch geleidingvermogen te meten. Is de concentratie laag genoeg, dan wordt deze stroom weggemengd met drinkwater.

Afbeelding 3. De nieuwe installatie in Spannenburg Waswater wordt alleen toegevoegd aan Voedingstank I tijdens de diafiltratie-stap (dus niet tijdens de concentratie van het uitgangsmateriaal die daaraan voorafgaat).

Als we de resultaten van de pilot extrapoleren naar de nieuwe installatie op Spannenburg, dan zal deze de totale reststroom van 4.100 m³ omzetten in 810 m³ humuszuurproduct per jaar. Dit product bestaat uit minder dan 0,25% zout en 20% humuszuur. Met dit product is een eerste veldproef met witte kool gedaan om de effectiviteit als meststof te bepalen. Uit de resultaten is naar voren gekomen dat toepassing van deze humuszuren zeer effectief is en een meeropbrengst van 7% gaf ten opzichte van standaardbemesting. Het volume, de samenstelling en de effectiviteit voldoen hiermee ruim aan de producteisen voor de toepassing van humuszuren als bodemverbeteraar voor de gehele Nederlandse markt. Vitens wordt hierdoor naast grootproducent van de waardevolle grondstof water, nu ook producent van de waardevolle grondstof humuszuren.

Conclusie

Een vraag in de markt naar grondstoffen (i.c. humuszuren) leidde tot innovatieve oplossingen in een drinkwaterbedrijf: een reststroom wordt omgezet in waardevolle producten, water, zout en humuszuur. Met diafiltratie wordt de reststroom van de ontkleuringinstallatie grotendeels ontzout en het volume sterk gereduceerd. Het zoute residu kan vervolgens, na opwerking via RO, worden gebruikt als regeneratiemiddel. De geconcentreerde humuszuuroplossing zal worden gebruikt als grondstof: een bodemverbeteraar voor de Nederlandse land- en tuinbouw. Uiteindelijk worden zo alle grondstoffen in de reststroom volledig hergebruikt.

Literatuur

1. Schippers, D. en Sjoerdsma, P. (2007). Kwaliteitsverbetering op meerdere fronten door ontkleuring via ionenwisseling. H2O nr. 20, pag. 38-40.
2. New Ag International (2003). Humic and Fulvic acid: the black gold of agriculture? New Ag International, Product and Trends 22-34.
3. Trevisan, S. et al. (2010). Humic substances biological activity at the plant-soil interface. Plant Signalling & Behavior 5:6, 635-643.

Download hier een pdf van dit artikel.

Met deze methode kan een monster zeer snel in het veld worden uitgezocht en gedetermineerd. Een simpele beoordeling van de monsters geeft een resultaat dat vergelijkbaar is met de score op de KRW maatlat. Met de KRW Quick Scan macrofauna kan tot 85% op de kosten van deze monitoring worden bespaard. Wanneer in de toekomst tevens een KRW Quick Scan wordt ontwikkeld voor vissen is ecologische monitoring mogelijk tegen een fractie van de huidige kosten.

Momenteel vindt landelijk een discussie plaats over de invulling van de ecologische doelen van de ‘overige wateren’, oftewel de wateren die niet de status hebben van KRW-waterlichaam. Voorbeelden hiervan zijn de wateren die door waterschappen als ‘waterparels’ worden omschreven en sloten met hun (potentiële) hoge biodiversiteit. Vanuit ecologisch en maatschappelijk oogpunt is een goede waterkwaliteit van deze wateren van groot belang. De systematiek van de maatlatten en monitoring zoals die voor de KRW-waterlichamen geldt is op hoofdlijnen overgenomen in de handleiding overige wateren [1]. Dit betekent dat de inspanning en kosten voor de waterbeheerders sterk zullen oplopen als ook deze wateren met een vergelijkbare inspanning gemonitord en beoordeeld moeten worden.
Vanwege de hoge kosten van de KRW-monitoring lijkt dit echter geen haalbare kaart. Waterschap Rivierenland heeft een inschatting gemaakt van de totale kosten van de ecologische monitoring per waterlichaam, uitgaande van de huidige inspanning per ecologisch kwaliteitselement. Zij schatten dat de inspanning van de ecologische monitoring neerkomt op gemiddeld op ca. 23 dagen per waterlichaam. Omgerekend naar kosten is dat ca. €13.000,-. Een groot deel van deze 23 dagen wordt besteed aan het bemonsteren, uitzoeken en determineren van de macrofauna (8,25 dagen =36%, Figuur 1). De tijd die wordt besteed aan de kwaliteitselementen, fytoplankton en vegetatie staat hiermee in schril contrast (Figuur 1). Om de kosten van de monitoring van de ‘overige wateren’ te reduceren hebben Alterra en Waterschap Rivierenland een snelle en daarmee kosteneffectieve methode voor de monitoring van macrofauna ontwikkeld, die daarnaast ook aansluit bij de KRW-systematiek. De KRW-systematiek maakt gebruik van een soortensamenstellingsparameter (positieve taxa) en een abundantieparameter (negatief dominante indicatoren).

Figuur 1. Inschatting van de kosten voor ecologische monitoring per waterlichaam in drie verschillende situaties: (1) de huidige KRW monitoring (2) bij toepassing van de KRW Quick Scan macrofauna en (3) bij toepassing van een KRW Quick Scan voor macrofauna en vis Voor de inschatting is uitgegaan van vier bemonsteringslocaties per waterlichaam voor macrofauna, vis en vegetatie en één locatie voor fytoplankton.

Methode-ontwikkeling
Monitoring en beoordeling zijn feitelijk één geheel; immers de door monitoring verkregen gegevens zijn direct van invloed op de uitkomsten van de beoordeling. Vooral het determineren van macrofaunamonsters kost veel tijd. We hebben ons daarom in eerste instantie gericht op het terugbrengen van de tijd die nodig is voor het determineren. Deze tijd is terug te brengen door te determineren op een hoger taxonomisch niveau, bijvoorbeeld op familieniveau in plaats van soortsniveau. Het principe van determineren op een hoger taxonomisch niveau op zich is niet nieuw. Er bestaan wereldwijd vele beoordelingen die zich baseren op dergelijke hogere determinatieniveaus (bijvoorbeeld [2, 3]).
Wanneer wordt gedetermineerd op een hoger niveau, dan zijn de huidige KRW-maatlatten niet meer toepasbaar op de verkregen gegevens. Daarom was het noodzakelijk een volledig nieuw beoordelingssysteem te ontwikkelen. De grote uitdaging was dan ook dit zodanig te doen dat er op het hogere taxonomische niveau nog onderscheid kon worden gemaakt tussen de 4 KRW-kwaliteitsklassen.
Samen met Waterschap Rivierenland is een determinatieniveau vastgesteld dat in het veld hanteerbaar is voor een ervaren hydrobioloog (Appendix 1), zodat bij bemonstering in het veld geen materiaal meer meegenomen hoeft te worden naar het laboratorium. Op basis van de bij Waterschap Rivierenland beschikbare macrofaunagegevens, verzameld in de periode 2011, is besloten een maatlat te ontwikkelen voor het watertype M01a ‘gebufferde sloten’. Van dit watertype waren namelijk relatief veel monsters voorhanden (n = 56), met een grote spreiding in ecologische kwaliteit. Per bemonsterde locatie waren aparte monsters beschikbaar van de bodem en de oever. Het ecologisch potentieel van de betreffende locaties is beoordeeld door de EKR te berekenen met behulp van QBWAT (versie 5.00, maatlatversie 4, 2007) voor de volledige monsters (bodem + oever). De monsters zijn op basis van de met QBWAT berekende kwaliteitsklasse ingedeeld in vier groepen: slecht, matig, ontoereikend en goed. Vervolgens zijn de soortenlijsten van ieder oevermonster afgestemd op het ‘hoge’ taxonomische niveau. We hebben er voor gekozen om alleen oevermonsters te betrekken bij de ontwikkeling van de maatlat met het oog op tijdsbesparing bij bemonstering en uitzoeken van monsters. Een eerste analyse wees uit dat er slechts enkele typerende taxa konden worden onderscheiden. Typerende taxa zijn taxa waarvan het voorkomen min of meer is beperkt tot één groep. Dit betekende, dat een beoordelingssysteem moest worden ontwikkeld op basis van taxa die algemeen voorkwamen. Algemene taxa zijn in dit verband gedefinieerd als taxa, die in meer dan 75% van de monsters in een groep voorkwamen. Naast de algemene taxa is tevens gekeken naar taxa die dominant voorkwamen. Taxa zijn als dominant aangemerkt wanneer ze in de monsters van één groep gemiddeld 5% of meer van het totale aantal individuen in een monster vormden.
Tot slot is op basis van ‘trial en error’ gekeken welke combinatie van taxa de vier kwaliteitsklassen het beste van elkaar kon onderscheiden. Het resultaat is een simpele maatlat.

Maatlat KRW-Quick Scan
Om de maatlat te kunnen berekenen, hoeft alleen de aanwezigheid van de in tabel 1 (algemene taxa) en 3 (dominante taxa) genoemde taxa in de monsters te worden vastgesteld. Ieder taxon uit tabel 2 en 3 is gekoppeld aan een score. De scores van de in de monsters aanwezige taxa worden opgeteld tot een totaalscore. Deze totaalscore kan worden omgezet in een kwaliteitsklasse (Tabel 4). De score van ieder taxon uit tabel 2 is gerelateerd aan de groep(en) waarin het taxon voorkwam. Taxa die in alle groepen (zeer) algemeen voorkwamen scoren een 1, taxa die in de groepen ‘ontoereikend’, ‘matig’ en ‘goed’ voorkwamen scoren een 2, taxa die in de groepen ‘matig’ en ‘goed’ voorkwamen scoren een 3 en taxa die alleen in de groep ‘goed’ voorkwamen scoren een 4. Voor een aantal taxa is de score aangepast op basis van expert-kennis. Voor de in tabel 3 opgenomen dominante taxa geldt, dat moet worden voldaan aan het criterium voor het aantal individuen in een monster (kolom 2), anders wordt aan het betreffende taxon geen score toegekend. In een aantal gevallen hebben taxa die onder dezelfde hoofdgroep vallen dezelfde score, bijvoorbeeld Caenidae en overige Ephemeroptera, desondanks zijn dergelijke taxa niet samengevoegd. De achterliggende gedachte is dat twee verschillende taxa een groter ecologisch potentieel indiceren dan één taxon.

Tabel 1. Lijst met taxa en bijbehorende score opgenomen in de maatlat KRW Quick Scan macrofauna voor M01a De score is direct gerelateerd aan het voorkomen van een soort in monsters van een bepaalde ecologische kwaliteit (score 1 is slecht, score 4 is goed). De term ‘overige’ in de kolom taxon geeft aan dat er bij het determineren binnen de hoofdgroep nog andere taxa worden onderscheiden (zie Appendix 1).Relatie tussen KRW Quick Scan en KRW maatlat
Omdat voor watertype M01a een KRW maatlat beschikbaar was, konden de scores berekend op basis van de KRW Quick Scan maatlat worden uitgezet tegen de EKR’s berekend met de KRW maatlat (Figuur 2). Beide scores zijn sterk aan elkaar gecorreleerd (R=0.86 en R²=0.74). De klassengrenzen weergegeven in tabel 4 zijn afgeleid uit figuur 3.

Tabel 2. Lijst met dominante taxa en bijbehorende score opgenomen in de maatlat KRW Quick Scan macrofauna voor M01a

Tabel 3. Klassengrenzen voor de maatlat KRW Quick Scan macrofauna

Relatie tussen KRW Quick Scan en KRW maatlat
Omdat voor watertype M01a een KRW maatlat beschikbaar was, konden de scores berekend op basis van de KRW Quick Scan maatlat worden uitgezet tegen de EKR’s berekend met de KRW maatlat (Figuur 2). Beide scores zijn sterk aan elkaar gecorreleerd (R=0.86 en R²=0.74). De klassengrenzen weergegeven in tabel 3 zijn afgeleid uit figuur 3.

Figuur 2. Relatie tussen de KRW Quick Scan score voor macrofauna en de EKR

Figuur 3. Relatie tussen de KRW Quick Scan score voor macrofauna en de EKR Het ecologisch potentieel van de verschillende monsters, gebaseerd op de EKR score, is weergeven door middel van kleuren/symbolen.

Validatie KRW-Quick Scan
Voor validatie van de KRW Quick Scan maatlat is een selectie gemaakt van 121 monsters uit een dataset met 223 slootmonsters, met het zwaartepunt in de noordelijke en westelijke helft van Nederland [4]. De selectie van 121 monsters berust op praktische reden. Voor de overige 102 monsters waren de abundanties namelijk weergegeven in klassen, waardoor niet direct een EKR kon worden berekend voor deze monsters. Naast de dataset van Verdonschot & Verdonschot (2010) zijn tevens data van 10 ‘natuurlijke sloten’ bemonsterd door Alterra gebruikt voor validatie (Vlek & Verdonschot, 2008). De dataset omvat naast monsters van type M01a tevens monsters van M08 ‘gebufferde laagveensloten’.

Figuur 4. Relatie tussen de KRW Quick Scan score voor macrofauna en de EKR voor de validatie dataset

De determinatiecoëfficiënt (R²) voor de lineaire regressie tussen de score voor de KRW Quick Scan maatlat en de EKR ligt bij validatie met de externe dataset nauwelijks lager dan de determinatiecoëfficiënt bij ontwikkeling op basis van de dataset van het Waterschap Rivierenland (R²=0.735 vs. R²=0.741, Figuur 4). Hieruit kan worden geconcludeerd, dat de maatlat ontwikkeld op basis van oevermonsters van gebufferde sloten op minerale bodem in het beheersgebied van Waterschap Rivierenland tevens toepasbaar is op volledige monsters van sloten elders in Nederland en dat de maatlat ook kan worden toegepast op gebufferde laagveensloten.
Bij toepassing van de maatlat op in het verleden verzamelde monsters, moeten individuele soorten worden toegekend aan de taxa met bijbehorende scores uit tabel 1. In sommige gevallen zal dit leiden tot ogenschijnlijk foutieve scores (in tegenspraak met gangbare ecologische kennis) voor individuele soorten. We willen hier opmerken dat dit inherent is aan een maatlat die gebruik maakt van ‘hogere taxonomische niveaus’, immers de indicatieve waarde van soorten binnen een familie of groep kan van elkaar verschillen. Dit neemt niet echter niet weg dat de KRW Quick Scan maatlat doet wat hij zou moeten doen; het ecologisch potentieel beoordelen overeenkomstig de KRW maatlat.
De toepassing van de KRW Quick Scan macrofauna zorgt voor een enorme kostenbesparing op de ecologische monitoring. Uit een inschatting die het Waterschap Rivierenland heeft gemaakt, blijken de kosten voor monitoring van macrofauna met 85% te kunnen dalen, wanneer gebruik wordt gemaakt van de KRW Quick Scan macrofauna. Uitgaande van 31 waterlichamen bespaart het Waterschap Rivierenland bij toepassing van de KRW Quick Scan monitoring ca. €120.000,- per meetcyclus op de totale ecologische monitoring. Wat wel opvalt in figuur 1 is, dat behalve de monitoring van de macrofauna ook de monitoring van de vissen een belangrijk aandeel in de kosten vormt. Het valt daarom aan te bevelen om te onderzoeken of ook voor de vissen een efficiëntere methode kan worden ontwikkeld voor monitoring en beoordeling. Als het mogelijk blijkt om ook de kosten van de vismonitoring te reduceren, dan is monitoring van alle ecologische KRW-kwaliteitselementen mogelijk tegen slechts 35% van de huidige kosten (Figuur 1).
Wel moet worden opgemerkt dat bij de inschatting van de kostenbesparing ook rekening is gehouden met een besparing op de uitzoektijd door het verzamelen van kleinere monsters. Hierbij is ervan uitgegaan dat de monsters in de toekomst zullen worden verzameld met behulp van een appelmoeszeef. Dit zal leiden tot kleinere monsters die snel in het veld kunnen worden uitgezocht en gedetermineerd. In de praktijk zal echter nog moeten worden vastgesteld wat het effect van deze bemonsteringswijze op de maatlatscore zal zijn. Waarschijnlijk is een aanpassing van de grens voor het aantal individuen van dominante taxa (tabel 2) noodzakelijk. Wel is duidelijk gebleken dat beoordeling van de ecologische kwaliteit op basis van het ‘hoge’ taxonomische niveau mogelijk is. Het is een gegeven dat de toepassing van een dergelijk ‘hoger’ determinatieniveau op monsters verzameld volgens de richtlijnen KRW monitoring per definitie een enorme kostenbesparing zal opleveren.
Om de geschetste kostenbesparing in alle gevallen mogelijk te maken, is uitbreiding van de KRW Quick Scan-methode naar andere watertypen (dan M01a en M08) noodzakelijk. Uitbreiding naar andere watertypen biedt veel perspectief, gezien het feit dat sloten door de aanwezigheid van hoofdzakelijk (zeer) algemene soorten veel lastiger te beoordelen zijn dan bijvoorbeeld beken.
De KRW Quick Scan macrofauna maakt gebruik van een abundantieparameter (Tabel 2) en een soortensamenstellingsparameter (Tabel ) en sluit daarmee aan bij de KRW-systematiek. In de landelijke discussie rondom de doelen voor de ‘overige wateren’ staan - naast de KRW - de Habitatrichtlijn (Natura2000) en de Natuurdoeltypen-systematiek (EHS) centraal. De wijze waarop de doelen voor deze twee beleidssporen zijn ingevuld, maakt ze minder geschikt voor de ontwikkeling van een snelle, goedkope methode van monitoring, die tevens aansluit bij de KRW-systematiek (beoordeling op basis van de samenstelling en abundantie van de levensgemeenschap). Ten eerste draaien deze beleidssporen om doelsoorten en typische soorten, hetgeen betekent dat per definitie op soortsniveau moet worden gedetermineerd. Ten tweede betreft het vaak zeldzame tot zeer zeldzame soorten waarvan de trefkans minimaal is. Hierbij moet opgemerkt worden dat de gehanteerde bemonsteringsmethoden ook niet specifiek gericht zijn op het vinden van deze soorten. Ten derde is de wijze van beoordeling van wateren binnen deze beleidssporen nog onduidelijk. Tot slot is de Habitatrichtlijn niet (direct) van toepassing op de meeste watertypen. Kortom, het is de vraag of we één methode voor monitoring kunnen, moeten of willen ontwikkelen die van toepassing is op al deze beleidssporen. Wij zijn van mening dat wanneer de ecologische kwaliteit van een water als goed wordt beoordeeld volgens de KRW-systematiek, deze een ‘goede’ natuurkwaliteit niet in de weg zal staan. Een goede ecologische kwaliteit van een waterlichaam garandeert echter niet de aanwezigheid van de beschreven doelsoorten/typische soorten.
De KRW Quick Scan macrofauna moet vooral worden gezien als een mogelijkheid om op relatief goedkope wijze de ecologische kwaliteit van een water te beoordelen, met als resultaat een beoordeling die vergelijkbaar is met de KRW-beoordeling. Daarnaast is de verwachting dat de KRW Quick Scan door zijn eenvoud zal leiden tot een consequentere beoordeling van het ecologisch potentieel van locaties in vergelijking met de KRW-maatlat. Waterbeheerders worden momenteel vaak geconfronteerd met het feit dat de dekking van hun ecologische meetnet beperkt is, gezien de ruimtelijke verschillen in ecologische kwaliteit binnen hun beheersgebied. Doordat de KRW Quick Scan macrofauna zeer goedkoop is, wordt het voor waterbeheerders mogelijk om met een vergelijkbaar budget een veel beter ruimtelijk beeld van de ecologische kwaliteit in hun beheersgebied te krijgen. Geïnteresseerden kunnen bij de auteurs van dit artikel een eenvoudige Excel-tool aanvragen waarmee de score op de KRW Quick Scan maatlat voor macrofauna kan worden berekend.

Literatuur
1. Evers, C.H.M., R. Buskens & J.M. Dolmans-Camu (concept). Handleiding doelafleiding overige wateren. Amersfoort, STOWA-rapport.
2. Armitage, P.D., D. Moss, J.F. Wright & M.T. Furse (1983). The performance of a new biological water quality score system based on macroinvertebrates over a wide range of unpolluted running-water sites. Water Research 17: 333-347.
3. Chessman, B.C. (1995). Rapid assessment of rivers using macroinvertebrates: A 2. procedure based on habitat-specific sampling, family level identification and a biotic index. Australian Journal of Ecology 20: 122-129.
4. Verdonschot, R.C.M. & P.F.M. Verdonschot (2010). Methodiek waardering aquatische natuurkwaliteit; ontwikkeling van graadmeters voor sloten en beken. Wageningen, Wettelijke Onderzoekstaken Natuur & Milieu, WOt-rapport 113.

Appendix 1

Download hier een pdf van dit artikel.

Vitens heeft op drinkwaterproductiebedrijf Kolff in Waardenburg een nieuwe grondwaterzuivering gebouwd. In deze zuivering zijn zes stalen voorfilters (diameter 5,5 m) opgenomen. Voor het inwerken van nieuwe snelfilters voor de verwijdering van mangaan en ammonium zijn verschillende recepten in omloop. Zo zou een toevoeging van ABIL en Aqua-mandix aan het filter de inwerkperiode aanzienlijk verkorten [2]. Ook recirculatie van (een deel van) het filtraat zou de inwerktijd verkorten. De situatie op Kolff vormde het ideale scenario om een aantal inwerkmethoden met elkaar te vergelijken.

Middelen
ABIL staat voor Ammonium Binding Inoculum Liquid. De fabrikant omschrijft het op de website als volgt: “ABIL is ontworpen om de waterkwaliteit in aquaria/vijvers te verbeteren. De levende bacterie die aanwezig is in het product zorgt voor het oxideren en verwijderen van dodelijke ammonium verbindingen en voor de verwijdering van nitriet uit het water. Alle stikstofcomponenten worden door de in ABIL aanwezige bacteriën biologisch omgezet in relatief onschadelijk nitraat.” [3].

Aqua-mandix is volgens de website van de fabrikant “een natuurlijk gebroken mangaandioxide zonder toevoegingen en vrij van besmettingen. Het wordt gebruikt als katalysator voor de verwijdering van ijzer en mangaan in één filtratiestap, zelfs als de omgevings-pH niet optimaal is.” [4].

Methode
Bij toepassing van ABIL is een hoeveelheid van 10 liter verdeeld over 3 voorfilters. Van Aqua-mandix is een hoeveelheid van 25 kg verdeeld over drie voorfilters. De materialen zijn door het mangat van de filters zo goed als mogelijk over het filteroppervlak verdeeld. Daarna zijn de materialen met behulp van een luchtspoeling verticaal door het filtermateriaal verspreid. Vervolgens zijn de filters gedurende 24 uur met rust gelaten waarin met name de ABIL de kans krijgt om zich aan het filtermateriaal te hechten.

Behalve met ABIL en Aqua-mandix als vrijheidsgraad zijn de filters ook met drie andere methoden gevoed:
1.    Ruw water in combinatie met recirculatie. De voeding van het filter bedraagt circa 60 m³/h ruwwater en 40 m3/h filtraat, dat met een recirculatiepomp opnieuw op het filter wordt gebracht. De totale belasting van het filter bedraagt zodoende 100 m^3/h.
2.    Alleen recirculatie. Elke 24 uur vindt een verversing van de inhoud van het filter plaats met ruwwater waarna de recirculatiepomp het filtraat met een debiet van circa 40 m³/h over het filter rondpompt.
3.    Ruwwater met een debiet van 60 m³/h.
In figuur 1 zijn de drie toegepaste methoden schematisch weergegeven.

Figuur 1. Schematisch voorstelling gebruikte inwerkmogelijkheden

Het enten van nieuwe filters met filtermateriaal afkomstig uit een ingewerkt filter of met spoelwater uit een ingewerkt filter wordt ook wel toegepast om het inwerken te versnellen. Deze methoden zijn in dit onderzoek niet als mogelijkheid meegenomen.

Tijdens het onderzoek zijn op de zes voorfilters van Kolff vijf recepten toegepast, te weten:
-    filter 1: ABIL, Aqua-mandix, ruw en recirculatie
-    filter 2: ABIL, Aqua-mandix, recirculatie
-    filter 3: recirculatie
-    filter 4: ABIL, Aqua-mandix, ruw
-    filter 5: ruw
-    filter 6: ruw

De voorfilters van Kolff zijn gevuld met circa 1,75 m filtergrind (0,8 – 1,25 mm)  en circa 0,75 m Hydro–Antraciet (1,4 – 2,5 mm). De gesloten filterketels zijn in de kop van de ketel voorzien van een dubbele cascade voor de inbreng van zuurstof in het water en verwijdering van enig methaan en kooldioxide. Een compressor perst circa 30-50 Nm³/h lucht in de kop van de ketel. Het systeem werkt met een kattenrug aan de filtraatkant en bovenwaterstandregeling door middel van geregelde luchtaflaat op de ketel.

Tabel 1. Gemiddelde ruwwaterkwaliteit Kolff tijdens de inwerkperiode

De filters zijn steeds ingewerkt totdat de verwijdering van mangaan, ammonium en nitriet volledig was. Daarna is overgestapt op alleen ruwwater; daarvan werd de hoeveelheid in kleine stappen verhoogd. Het uitgangspunt hierbij is geweest dat de debietbelasting van alle filters nagenoeg hetzelfde was. De gemiddelde kwaliteit van het onbeluchte ruwe water is weergegeven in tabel 1.

Monstername
Direct vanaf het begin van de inwerkperiode zijn het ruwwater en de filtraten van de voorfilters bijna dagelijks bemonsterd. De watermonsters zijn geanalyseerd op zuurstof, pH, ijzer, mangaan, ammonium en nitriet.

Resultaten
De gemeten mangaan-, ammonium- en nitrietgehalten zijn per filter uitgezet in figuur 2.

IJzerverwijdering
Het verloop van de ontijzering is niet in de figuren opgenomen omdat deze voor alle toegepaste recepten gelijk is. Direct na het opstarten van de filters  wordt namelijk alle ijzer verwijderd. Gezien de pH-waarde van het ruwwater zal de ontijzering naar verwachting hoofdzakelijk in de vorm van adsorptieve ontijzering plaatsvinden. Het oppervlak van het filtermateriaal is negatief geladen. Het positieve ijzer(II) in het water adsorbeert aan dit negatief geladen oppervlak. Na adsorptie oxideert het ijzer in aanwezigheid van de zuurstof die bij de beluchtingstap in de kop van de ketel in het water is ingebracht. Het gevormde ijzeroxide vormt daarna weer adsorptieplaatsen voor het ijzer(II), dat weer oxideert.

Mangaanverwijdering
Het blijkt dat door de toepassing van recirculatie de benodigde inwerktijd voor mangaan (ongeveer 14 dagen) net iets korter is dan zonder recirculatie (18 dagen). Uit de resultaten blijkt ook dat de toevoeging van Aqua-mandix, in de gebruikte dosering, de inwerktijd niet verkort.

Figuur 2. Mangaan-, ammonium- en nitrietgehalte in het filtraat van de filters 1 t/m 6

Dat bij de toepassing van recirculatie de inwerktijd korter is, komt waarschijnlijk door de pH van het water. Door recirculatie passeert het water meerdere keren de beluchtingscascade en zal steeds kooldioxide worden uitgeblazen. Uit de theorie van Graveland [1] blijkt dat de ontmanganing verbetert bij hogere pH:

In figuur 3 is voor de zes voorfilters de pH van de influenten uitgezet tegen de inwerktijd. De figuur laat bij recirculatietoepassing in het begin van de inwerkperiode een beduidend hogere pH zien.

Figuur 3. De benodigde inwerktijd bij verschillende pH van het influent voor de zes filters

Ammoniumverwijdering
De omzetting van ammonium gaat hoofdzakelijk in twee stappen met verschillende bacteriesoorten. De afname van het ammoniumgehalte zegt iets over de omzetting van ammonium in nitriet. Uit de figuren blijkt dat de verschillen tussen de inwerktijden (17-20 dagen bij voorfilter 1-3 en 18-22 dagen bij voorfilter 4-6) gering zijn. De toepassing van recirculatie laat hierbij geen significant kortere inwerktijd zien, zoals wel het geval was bij de ontmanganing. De toepassing van ABIL levert, bij de gebruikte doseringen, geen significante verkorting van de inwerkperiode voor de omzetting van ammonium in nitriet.

Nitrietverwijdering
Uit de resultaten blijkt dat de toepassing van recirculatie wel een beduidend kortere inwerkperiode tot gevolg heeft voor de nitrietomzetting. De inwerktijd voor voorfilter 1-3 met recirculatie bedraagt 17-20 dagen, de inwerktijd voor voorfilter 4-6 zonder recirculatie bedraagt 28-29 dagen. Daarnaast blijft het maximum nitrietgehalte in het filtraat bij recirculatie beduidend lager. De toepassing van ABIL levert, bij de gebruikte doseringen, geen significante verkorting van de inwerkperiode voor de omzetting van nitriet in nitraat. De versnelde inwerktijd voor nitriet bij de toepassing van recirculatie is naar verwachting te danken aan het feit dat bij de opstart van de ammoniumverwijdering het gevormde nitriet terug gevoerd wordt en daardoor over de gehele filterbedhoogte wordt aangeboden. Hierdoor kunnen de bacteriekolonies die het nitriet omzetten zich over de gehele hoogte van het filter ontwikkelen. Bij een inwerkmethode zonder recirculatie zal al het gevormde nitriet uitspoelen en zullen bacteriekolonies die nitriet omzetten zich moeizaam van de effluent-zijde van het filter af het filterbed in ontwikkelen.

Conclusies
Door de toepassing van recirculatie wordt de inwerktijd van een voorfilter voor de verwijdering van mangaan en nitriet significant korter. Voor mangaan is dit toe te schrijven aan de hogere pH waarde van het voedingswater van het filter. Voor nitriet komt dit doordat het nitriet na opstarten van de ammoniumomzetting over de gehele filterbedhoogte aanwezig is. Het vestigingsgebied voor de bacteriekolonies die het nitriet omzetten is zodoende vele malen groter dan in de situatie zonder recirculatie. De verschillende inwerkrecepten blijken niet onderscheidend voor de verwijdering van ijzer en de omzetting van ammonium in nitriet. De toegepaste dosering van de middelen ABIL en Aqua-mandix blijkt op Kolff niet onderscheidend voor de verwijdering van mangaan, ammonium en nitriet.

Literatuur
1. Graveland, A, Heertjes, P.M. (1975) Removal of manganese from groundwater by heterogene autocatalytic oxidation. Trans. Inst. Chem. Eng. 53 154-164

2. Huysman, K, y176rris, K, Bruins, J, 2011. Verkorting opstartperiode van nieuwe snelfilters door versnelde nitrificatie. H2O 2011 nummer 5 p. 55-57

3. Grommen, R., Van Hauteghem, I., Van Wambeke, M. and Verstraete, W., 2002, An improved nitrifying enrichment to remove ammonium and nitrite from freshwater aquaria systems. Aquaculture Volume 211, Pages 115-124

4. Aqua-Techniek bv http://www.aqua-techniek.com/html/filtermedia.htm

Download hier een pdf van dit artikel.

Voor ontharding of ontkleuring van (drink)water kan onder andere ionenwisseling (IEX) worden toegepast. De ionenwisselaar is een macroporeuze chemisch geproduceerde kunststof korrel (hars) die de eigenschap bezit positieve of negatieve ionen uit te wisselen, afhankelijk van het type. Vooral in de industrie wordt voor ontharding een kationwisselaar (cation exchanger – CIEX) gebruikt. Drinkwaterbedrijven gebruiken geen ionenwisseling maar eerder centrale ontharding met korrelreactoren. Voor ontkleuring worden anionwisselaars (anion exchanger – AIEX) ingezet, zowel in de industrie als bij drinkwaterbedrijven. IEX-harsen worden geregenereerd door middel van een regelmatig terugkerende spoeling en regeneratie met een zout, zuur of base, waarna het zuiveringsproces opnieuw van start gaat.

De levensduur van IEX-harsen wordt nu vooral op basis van ervaring ingeschat, meestal wordt een vervangingstermijn van 5 tot 10 jaar gehanteerd, afhankelijk van het type. De levensduur wordt onder andere beïnvloed door de terugspoelingen voor de regeneratie (slijtage door fysieke belasting), en door zwelling en krimp van de hars door adsorptie en desorptie van chemicaliën (tijdens regeneratie en tijdens bedrijfsvoering). De chemicaliën voor het regenereren en schoonmaken en de zuurstof in het te behandelen water veroorzaken mogelijk chemische veranderingen van de IEX-hars die effect kunnen hebben op de efficiëntie van het uitwisselingsproces. Tevens kan de aanwezigheid van desinfectiemiddelen in water de IEX-hars aantasten. Chloor wordt in het buitenland bijvoorbeeld vaak voor desinfectie toegevoegd. De werkelijke effecten van deze processen op de levensduur zijn echter niet bekend.

Levensduur voorspellen?
Omdat waterbedrijven steeds vaker ionenwisselaars gebruiken bij waterbehandeling is meer kennis nodig over de processen die de levensduur beïnvloeden. Daarom is binnen het Bedrijfstakonderzoek voor de waterbedrijven BTO een onderzoek gestart naar methoden om IEX-harsen te onderzoeken en een manier om hun levensduur te voorspellen. Dit kan de waterbedrijven helpen kosten te besparen (bijvoorbeeld als de IEX-hars langer meegaat dan vooraf gedacht) en processen te optimaliseren, zodat minder schade ontstaat aan de hars en minder chemicaliën nodig zijn .

Meetmethoden
Er zijn in de literatuur [1,2,3] verschillende meetmethoden gevonden waarmee de conditie van IEX-harsen kan worden onderzocht. De belangrijkste methoden zijn microscopisch onderzoek en het meten van totale uitwisselingscapaciteit en mechanische stabiliteit. Het microscopisch onderzoek levert onder andere informatie over visuele beschadigingen die tijdens het gebruik kunnen ontstaan. Met de totale-uitwisselingscapaciteit-methode wordt bepaald hoeveel ionen het IEX-hars kan uitwisselen na een bepaalde gebruiksperiode. Met de mechanische stabiliteit methode (zie figuur 1 en 2) wordt de kracht gemeten die nodig is om een IEX-korrel samen te persen en te breken; deze kracht verandert als gevolg van mechanische stress, regeneratie en het gebruik van chemicaliën.

Figuur 1 (links). Principe van het testen van de mechanische stabiliteit met een druktest Bij welke druk breekt de harskorrel? [www.chatillion.com]

Figuur 2 (rechts). Apparaat dat de druktest doet

Testprotocol
Normaal gebruik van IEX-hars is te simuleren door de hars gedurende langere tijd aan chemicaliën en oxidatie bloot te stellen. Met verse en voorbeladen IEX-hars voor kleurverwijdering (uitwisseling van anionen) is hiervoor een protocol ontwikkeld. De voorbeladen IEX-hars is afkomstig uit de installatie van Oldeholtpade van Vitens. Het ontwikkelde protocol is echter geschikt voor alle typen IEX-hars. Bij de simulatie van het gedurende een aantal jaren blootstellen aan de chemicaliën is uitgegaan van eens in de twee weken regeneratie van de IEX, gedurende een half uur, volgens het protocol van de leveranciers. Bij de simulatie van 10 jaar gebruik is de IEX gedurende 130 uur (10 jaar * 26 weken * 0,5 uur) aan de chemicaliën blootgesteld, onder voortdurend roeren (fysieke belasting). Ter vergelijking, de AIEX hars die toegepast wordt in de ontkleuringinstallaties van de Vitens-locaties (Oldeholtpade, Spannenburg en Sint Jansklooster) wordt ongeveer iedere 14 dagen geregenereerd. De hars wordt dan 4-5 uur blootgesteld aan het regeneratiemiddel (zout, 10% NaCl). In totaal wordt de hars per jaar ongeveer 130 uur gespoeld met het regeneratiemiddel.
Voor de oxidatie-experimenten is zuurstof gebruikt (gedurende 2 weken continu inblazen van lucht) en waterstofperoxide (20 mg/l) om een sterker oxidatiemiddel te testen. De meeste experimenten zijn onder geconditioneerde omstandigheden uitgevoerd bij 20 ˚C, enkele bij 50 ˚C om de processen te versnellen. In tabel 1 zijn de testomstandigheden vermeld.

Tabel 1. Omstandigheden van de simulatieexperimenten

Effecten van oxidatie
In figuur 3 is het effect van circa 14 dagen continue oxidatie met lucht en waterstofperoxide op de mechanische stabiliteit en de totale capaciteit weergegeven ten opzichte van onbehandelde verse IEX. Oxidatie blijkt een licht negatief effect te hebben op de totale uitwisselingscapaciteit. Die neemt in beperkte mate af door aantasting van functionele groepen. Het effect van waterstofperoxide is hier vergelijkbaar met dat van zuurstof. Zuurstof blijkt echter wel meer effect te hebben op de mechanische stabiliteit dan waterstofperoxide, mogelijk vanwege een ander oxidatiemechanisme. De temperatuur heeft nauwelijks effect op het oxidatieproces, onder de proefomstandigheden.

Figuur 3. Effect van circa 14 dagen oxidatie met lucht en met waterstofperoxide op totale capaciteit en mechanische stabiliteit van verse IEX ten opzichte van niet behandelde verse IEX

Effecten van chemicaliën en bedrijfsvoering
In figuur 4 is het effect weergegeven van normale en intensieve regeneratie van voorbeladen en verse IEX-hars, ten opzichte van niet-behandelde IEX-hars. Opvallend is dat de mechanische stabiliteit van de gebruikte IEX uit de installatie van Oldeholtpade toeneemt met het gebruik van chemicaliën en het verloop van tijd. De mechanische stabiliteit bij deze gebruikte IEX is hoger geworden (het materiaal is elastischer) terwijl de totale capaciteit is afgenomen. Dit kan mogelijk worden verklaard doordat bij langdurig gebruik het IEX materiaal wordt aangetast door veelvuldige adsorptie en desorptie. Dat maakt het interne oppervlak van de IEX beter bereikbaar voor adsorptie. Door het gebruik neemt tevens het aantal functionele groepen af en daarmee de ionenwisselende capaciteit.

Figuur 4. Effecten van normale en intensieve regeneratie en bedrijfsvoering op de totale capaciteit en de mechanische stabiliteit Gebruikte en verse IEX vergeleken met verse, niet behandelde IEX

Kennis uit de literatuur
Uit literatuur blijkt dat kation-IEX (CIEX) minder last heeft van ‘ouderdomsverschijnselen’ dan anion-IEX (AIEX) [1,2,3], waarbij verondersteld wordt dat dit wordt veroorzaakt door oxidatie en gebruik van chemicaliën. Terwijl bij AIEX de totale uitwisselingscapaciteit duidelijk afneemt in de tijd, blijft deze voor CIEX relatief constant. Op basis van de literatuurgegevens kan worden gesteld dat AIEX een kortere levensduur heeft (4 tot 10 jaren) dan CIEX (10 tot zelfs 50 jaren). Mogelijk heeft oxidatie een sterker effect op de functionele groepen van de AIEX.

Conclusies
CIEX-harsen gaan langer mee dan AIEX-harsen, zo blijkt uit de literatuur. De standtijden voor AIEX variëren van 4 tot 10 jaren, afhankelijk van de watersamenstelling. Voor CIEX is bedraagt de standtijd meer dan 10 tot zelfs 50 jaren.
Met een nieuw ontwikkeld protocol zijn IEX-harsen blootgesteld aan chemicaliën, temperatuur en oxidatiemiddelen om het effect te kunnen meten op de levensduur. Uit de resultaten volgt dat afname van het aantal functionele groepen vanwege oxidatie door zuurstof of desinfectiemiddel de meest waarschijnlijke oorzaak is voor het verminderen van de totale capaciteit van anion-IEX harsen gedurende de standtijd. Met specifiek op IEX-hars gerichte metingen kan een ruwe voorspelling worden gedaan over de status van de IEX-hars en daarmee over de verwachte vervangingstermijn. Hierbij kan, afhankelijk van de bedrijfsvoeringskosten, een maximum worden gesteld aan verlies van de totale capaciteit of verandering van de mechanische stabiliteit. Wanneer deze kennis wordt verzameld in een database met meetgegevens, wordt het mogelijk de leeftijd van IEX-harsen beter te voorspellen. De levensduur zal echter, afhankelijk van het gebruikte type en toepassing, in jaren kunnen variëren.

Referenties
[1] Frisch N.W. en Kunin R. (1957). Long term Operating Characteristics of Anion Exchange Resins; Industrial and Engineering Chemistry, Vol 49, No 9 pg 1365-1372.
[2] Michaud C.F. (2000), Oxidation: Oxidisers, Age and Softening Resins; Water Conditioning and Purification, Augustus.  
[3] Mauer, D. (2011). A new device for the assessment of the mechanical stability of IEX resins VGB Powertech.

Download hier een pdf van dit artikel.

Met de toenemende belangstelling voor droogte en laagwatersituaties, bijvoorbeeld in het Deltaprogramma Zoetwater, neemt ook de behoefte toe aan (detail-)kennis over de waterverdeling over de Rijkswateren en de uitwisseling met de regionale wateren. In opdracht van Rijkswaterstaat heeft HydroLogic onderzoek gedaan naar de waterverdeling en de optimalisatiemogelijkheden van het hoofdwatersysteem en de regionale wateren in Midden- en West-Nederland. De focus lag hierbij op de Nederrijn en Lek, op het Amsterdam-Rijnkanaal en de Hollandse IJssel. Belangrijke onderwerpen in dit gebied zijn de verziltingbestrijding en de daarvoor benodigde hoeveelheid zoet water, en de mogelijkheden tot onttrekking van water uit het hoofdwatersysteem. De studie richt zich op de huidige mogelijkheden van het hoofd - en regionaal watersysteem in Midden-Nederland. De uitvoering van maatregelen is altijd afhankelijk van de landelijke afweging van alle (zoet)watervragen, ook buiten het beschouwde gebied.

Onderzoeksgebied
Het water dat via de Rijn en de Maas ons land binnenkomt wordt langs verschillende waterwegen naar zee gevoerd. Voor een deel ligt de waterverdeling over de riviertakken vast in de breedte en diepte van de rivierbedding, voor een deel kan dit water gestuurd worden. Deze sturingsmogelijkheden worden ‘kranen’ genoemd. De belangrijkste hoofdkranen voor Midden- en West-Nederland zijn weergegeven in afbeelding 1.

In dit onderzoek is de waterverdeling op het hoofdwatersysteem van Midden Nederland geanalyseerd inclusief de kranen in dit gebied: Driel, Amerongen, Prinses Irenesluizen, stuw Hagestein, Prins Bernardsluizen, Oranjesluizen (zie afbeelding). Daarnaast is de verzilting in West-Nederland in beeld gebracht en de effecten daarop van het waterbeheer in Midden-Nederland.

In Midden-Nederland moet ‘s zomers zoetwater worden aangevoerd voor peilbeheer, beregening en doorspoeling. De belangrijkste knelpunten die in droge situaties kunnen optreden zijn: verzilting van inlaatpunten (waaronder Gouda), te lage waterstanden om water uit het hoofdwatersysteem in het regionale watersysteem onder vrij verval in te laten (Inlaat Kromme Rijn) en beperkte innamecapaciteit van het regionale systeem (KWA).

Afbeelding 1. De belangrijkste kranen van de zoetwaterverdeling voor Midden- en West-Nederland

Methode
In het onderzoek zijn voor dit gebied waterbalansen opgesteld voor karakteristieke laagwater- en droogtesituaties, vergelijkbaar met de situaties waar het Deltaprogramma mee rekent. Een laagwatersituatie wil zeggen een afvoer van minder dan 1400 m³/s op de Bovenrijn bij Lobith. Dergelijke lage afvoeren hebben vooral gevolgen voor het hoofdwatersysteem en de (toenemende) indringing van zeewater in de Rijn-Maasmonding. Daarnaast zorgt droogte voor een toename van de vraag naar zoetwater voor de verschillende gebruiksfuncties in de regionale watersystemen.

De balansen zijn zoveel mogelijk gebaseerd op metingen van debieten door Rijkswaterstaat en de regionale waterbeheerders. Omdat in het drukbevaren benedenrivierengebied geen debietmetingen aanwezig zijn, is hier gebruik gemaakt van modeluitkomsten.

De invloed van de laagwatersituaties op de zoutindringing in de Rijn-Maasmonding is bepaald met een onderdeel van het Deltamodel (het Noordelijke Deltabekkenmodel). Voor verschillende combinaties van natuurlijke omstandigheden – rivierafvoer, getijde, windopzet – is het verloop van de chlorideconcentraties bepaald op zeven belangrijke onttrekkinglocaties in de Rijn-Maasmonding. Door deze wijze van analyseren is inzicht verkregen in de bijdrage van elk van de natuurlijke omstandigheden aan de verzilting. Vervolgens is geanalyseerd wat het effect is van verschillende beheersvarianten van het hoofdwatersysteem op de mate van verzilting van deze zeven innamepunten.
De waterschappen zijn als waterbeheerders van de regionale watersystemen nauw betrokken geweest bij het onderzoek. Zij hebben de kennis van hun gebied ingebracht en daarmee deels de eindresultaten gevalideerd.

Afbeelding 2. Het hoofdwatersysteem in Midden-Nederland

Gezamenlijke inzichten
De combinatie van kennis van de verschillende waterbeheerders – waterschappen en Rijkswaterstaat – heeft geleid tot gezamenlijke en deels nieuwe inzichten in hoe het watersysteem onder droge tot zeer droge omstandigheden functioneert en hoe de waterverdeling kan worden geoptimaliseerd. De belangrijkste bevindingen:
•    het beheer van het hoofdwatersysteem bij laagwater gebeurt op hoofdlijnen adequaat.
•    Essentieel voor de zoetwatervoorziening van Midden- en West-Nederland is de onttrekking van water uit de Waal via het Betuwepand (zie afbeelding 2). Het openstellen van de Prins Bernardsluizen in laagwaterperiodes is dan ook cruciaal.
•    Optimalisatie is in beperkte mate mogelijk door in een aantal situaties maatwerk te leveren op basis van inzicht in de actuele en verwachte (zoet)watervraag, afgezet tegen de verwachte aanvoer van zoetwater door de rivieren. Een voorbeeld van dergelijk maatwerk is het doorlaten van extra water bij stuw Hagestein als de Lek verzilt is geraakt door opwaaiing.
•    De onttrekking van water uit het hoofdwatersysteem in Midden-West-Nederland, nu maximaal 23 m³/s, lijkt omhoog te kunnen met nog eens ca. 23 m³/s, zonder dat de verziltingsituatie van kritische inlaatlocaties aanzienlijk verslechtert. Een aandachtspunt daarbij is de mogelijke verergering van de verzilting op locaties in het benedenrivierengebied waar oeverinfiltratie plaatsvindt (een vorm van drinkwaterwinning). De ordegrootte van de extra onttrekking is gebaseerd op de mogelijke grotere toekomstige watervraag en is berekend door de waterschappen. Waterbesparing kan deze extra waterbehoefte nog behoorlijk omlaag brengen.
•    Het al dan niet verzilten van een innamepunt wordt voornamelijk bepaald door de natuurlijke omstandigheden. Deze zijn veel bepalender dan de hoeveelheid water die uit het hoofdwatersysteem wordt onttrokken, of aanpassingen in het waterbeheer van het huidige systeem.
•    De inlaatpunten langs de Lek (Krimpenerwaard en De Koekoek) verzilten pas bij zeer extreme scenario's. De Hollandse IJssel is wel gevoelig voor verzilting. In deze studie zijn beheersmogelijkheden voor het belangrijkste inlaatpunt bij Gouda globaal onderzocht, zie kader.
•    Volgens het stuwprogramma wordt er onder laagwateromstandigheden 25 m³/s over Stuw Driel doorgelaten naar de Nederrijn. Het overige water op dit splitsingspunt stroomt naar de IJssel. In deze studie is aangetoond dat bij lage waterstanden bovenstrooms Stuw Driel de maximale doorlaatcapaciteit van het stuwcomplex daalt tot onder 25 m³/s. De gewenste doorlaathoeveelheid kan dus niet (altijd) gerealiseerd worden. Dit gebeurt wanneer de afvoer bij Lobith daalt tot onder de 800 à 900 m³/s.
•    In het stuwpand Driel-Amerongen in de Nederrijn zijn de huidige onttrekkingen ongeveer in evenwicht met de aanvoer. Een grote toename van de hoeveelheid te ontrekken water is, vanwege de beperkte doorlaatcapaciteit van Stuw Driel, niet mogelijk.
•    Het via het Betuwepand aangevoerde water wordt verdeeld over de Lek en het zogenaamde noordpand van het Amsterdam-Rijnkanaal, van waaruit de functies in het gebied van water kunnen worden voorzien. Ook een grotere onttrekking van water uit het hoofdwatersysteem, bijvoorbeeld om een duurzame oplossing voor het verziltingprobleem bij Gouda mogelijk te maken, is mogelijk, zij het dat de Irenesluizen – die de verbinding vormen tussen de Lek en het noordpand – daar nu niet optimaal geschikt voor zijn. Bij een significant grotere onttrekking via de Prinses Irenesluizen is de aanleg van een bypass voor inlaat gewenst, om meer water te kunnen doorlaten richting Amsterdam zonder extra hinder voor de scheepvaart.

Conclusies

•    Door gezamenlijk optrekken van alle betrokken waterbeheerders is het gezamenlijke beeld van de werking van het hoofdwatersysteem onder laagwateromstandigheden en de uitwisseling met de regionale systemen verbeterd.
•    Door de samenwerking is er kennis bij elkaar gebracht die heeft geleid tot de nieuwe inzichten. De resultaten zijn bruikbaar voor Rijkswaterstaat, de waterschappen en het Deltaprogramma, zowel voor de lange als de korte termijn.
•    Essentieel voor een robuuste zoetwatervoorziening van Midden- en West-Nederland is de mogelijkheid water te onttrekken uit de Waal via het Betuwepand en een goede doorvoer naar het noordpand van het Amsterdam-Rijnkanaal.
•    Het onderzochte deel van het hoofdwatersysteem functioneert naar behoren onder droge tot extreem droge situaties. De meeste watervragen worden adequaat bediend. Zelfs in extreem droge situaties kan waarschijnlijk wel aan de watervraag worden voldaan, zeker bij een zuinig gebruik van water.
•    Het hoofdwatersysteem kan waarschijnlijk wel voorzien in een toenemende watervraag uit Midden-Nederland zonder significante effecten op de verzilting van benedenstroomse inlaatpunten. Daarbij is nog geen rekening gehouden met een tempering van de watervraag door waterbesparing.
•    Samen flexibel omgaan met droogtesituaties en omstandigheden is gewenst, gebaseerd op actuele metingen in het systeem. Om ons goed voor te bereiden op huidige en toekomstige droge omstandigheden, moeten waterschappen en Rijkswaterstaat samen het waterbeheer blijven optimaliseren.

Samenvatting
Op initiatief van Rijkswaterstaat heeft HydroLogic een analyse uitgevoerd naar het functioneren van het hoofdwatersysteem in Midden-West-Nederland onder droge omstandigheden en de interactie van het hoofdwatersysteem met de regionale watersystemen. Door samen met de betrokken waterschappen deze analyse uit te voeren is niet alleen een gedragen beeld ontstaan van de werking van het watersysteem, maar zijn ook nieuwe inzichten over toekomstige mogelijkheden van waterbeheer opgedaan. Deze nieuwe inzichten zijn waardevolle input voor het Deltaprogramma Zoetwater en het beoordelen van de strategieën die daarin ontwikkeld worden. Daarnaast zijn enkele optimalisatiemogelijkheden voor het huidige beheer van het hoofdwatersysteem ontdekt.