H2O Vakartikelen

Download hier een pdf van dit artikel.

Bij de behandeling van afvalwater is de verwijdering van stikstof een centraal thema. Niet alleen zijn er steeds strikter wordend, lozingsrichtlijnen, de verwijdering van stikstof is ook nog eens één van de meest kostenintensieve stappen van het zuiveringsprocedé. De klassieke methode voor stikstofverwijdering uit communaal afvalwater is biologische nitrificatie/denitrificatie. Hierbij wordt ammonium via nitriet in nitraat omgezet. Vervolgens zetten denitrificerende bacteriën het nitraat om in stikstofgas. Hierbij wordt veel energie verbruikt voor beluchting tijdens de nitrificatie. In de stap daarna is in veel gevallen onvoldoende biologisch beschikbaar koolstof in het water aanwezig om de denitrificerende bacteriën hun werk te laten doen en is een additionele koolstofbron, zoals methanol, nodig.
Om de energie-efficiëntie van afvalwaterzuiveringen te vergroten, wordt in toenemende mate zuiveringsslib vergist. Bij de vergisting wordt een groot deel van het organische materiaal in het slib omgezet in biogas. Momenteel wordt op circa 90 van de 375 rwzi’s in Nederland slib vergist, zowel slib van de eigen installatie als slib dat van elders wordt aangevoerd.1 Bij vergisting komt het organisch gebonden stikstof vrij in de vorm van ammonium dat in het rejectiewater van de vergister belandt. Terugvoeren van dit hooggeconcentreerde rejectiewater leidt tot een extra stikstofbelasting van het hoofdproces met  10-15%, of in het geval van vergisting van extern aangevoerd slib nog aanzienlijk meer. Op sommige rwzi’s heeft de hoofdzuivering voldoende capaciteit om deze extra belasting te verwerken. Echter, in sommige gevallen is het voordeliger, of door gelimiteerde capaciteit zelfs noodzakelijk, om het rejectiewater in deelstroom te behandelen.

Ammonium verwijdering in deelstroom
Voor verwijdering van de hoge concentraties ammonium uit het rejectiewater zijn verscheidene speciale procesvarianten gecommercialiseerd, waaronder DEMON,  SHARON, SHARON/Anammox en ANITATM. Bij SHARON en ANITA wordt het ammonium niet via nitraat in stikstofgas omgezet, maar via nitriet. Dit heeft als voordeel dat er minder zuurstof wordt verbruikt en dat de aanvullende dosering van koolstof verminderd kan worden. SHARON/Anammox en DEMON gaan nog een stap verder: slechts 55% van het ammonium wordt in nitriet omgezet. Vervolgens wordt met behulp van anaerobe ammonium oxiderende (Anammox)2 bacteriën het resterende ammonium samen met het gevormde nitriet direct omgezet in stikstofgas: de-ammonificatie (Afbeelding 1). Door slechts een deel van het ammonium te oxideren is 60% minder zuurstof nodig en omdat de Anammox bacteriën autotroof zijn, is de toevoeging van een additionele koolstofbron niet meer nodig.

Afbeelding 1: De verkorte stikstofcyclus met Anammox

Nitriet als procesparameter
Bij de-ammonificatie met behulp van Anammox-bacteriën is het beheersen van de nitrietconcentratie in de reactor van groot belang. In het DEMON-proces wordt dit bewerkstelligd door aerobe en anaerobe fasen na elkaar te schakelen. Tijdens de aerobe fase wordt een zuurstofniveau van 0,3 mg/l aangehouden, wat een te snelle nitrietaccumulatie voorkomt en de oxidatie van nitriet tot nitraat onderdrukt. In het SHARON/Anammox proces wordt eerst in het SHARON proces ammonium in nitriet omgezet, en vervolgens wordt dit door Anammox-bacteriën in een anaerob proces omgezet in stikstofgas. In beide gevallen is de beginverhouding tussen ammonium en nitriet van doorslaggevend belang voor het verwijderingsrendement in het Anammox- proces. Om de reactor goed te laten functioneren is daarnaast ook de concentratie van het nitriet van belang, waarbij waardes tussen onder de 40 mg/l worden nagestreefd.
De huidige processturing is voornamelijk gebaseerd op pH, opgelost zuurstof (DO) en elektrisch geleidingsvermogen (EGV).1,3 Hoewel nitriet een veel directere indicator voor de toestand van het proces zou zijn, en beter geschikt is om in een vroeg stadium verstoringen in het proces te onderkennen, wordt deze parameter nog nauwelijks online gemeten. Een reden hiervoor is de beschikbare apparatuur; online metingen van nitriet werden tot voor kort uitgevoerd met ionen-selectieve elektroden of met procesanalysatoren die een geautomatiseerde fotometrische analyse uitvoeren. Beide typen systemen zijn echter lastig in gebruik omdat ze regelmatige kalibratie en onderhoud behoeven.

Afbeelding 2: De DEMON-installatie op de rwzi Nieuwegein.

Spectrale meting van nitriet
Bij de implementatie van een nieuwe DEMON-installatie bij de rwzi Nieuwegein (Afbeelding 2), met  procesontwerp en realisatie door Logisticon en Grontmij, is er daarom gekeken naar de mogelijkheid een betrouwbaardere methode te ontwikkelen voor het meten van nitriet in de reactor. Hierbij werd gebruikt gemaakt van in-situ UV-spectroscopie, een bewezen methode om nitriet in afvalwater te meten4. Omdat het gebruik van deze technologie in hooggeconcentreerd rejectiewater uit slibvergisters echter nieuw is, was het noodzakelijk de meetmethode aan te passen en te optimaliseren om te komen tot betrouwbare resultaten in het de-ammonificatie proces.
Voor de ontwikkeling van de online nitrietmeting werd gebruik gemaakt van een s::can spectro::lyserTM spectrometer probe, die het absorptiespectrum van het reactiemedium meet van 200 – 400 nm met een oplossend vermogen van 1 nm. De spectrometer werd direct in de reactor geïnstalleerd en voerde iedere minuut een meting uit. Om voldoende signaal te verkrijgen in het rejectiewater werd een zeer korte meetcel van 0,5 mm gebruikt. Aanvullend werden tussen februari 2011 en januari 2012 steekmonsters genomen die ook op nitriet werden geanalyseerd. Uit een eerste analyse van de resultaten bleek dat de beschikbare algoritmen voor de berekening van nitriet inderdaad niet voldeden, en dat de ontwikkeling van een specifiek algoritme voor meting in rejectiewater noodzakelijk was (zie kader).

Afbeelding 3: Verandering in NO2 (zwart), DO (blauw) en pH (rood) over twee cycli in de DEMON-reactor. Iedere cyclus bestaat uit meerdere perioden van nitrificatie (beluchting) en de-ammonificatie (anaeroob).

Gebruik in de praktijk en vervolg
Na implementatie van het ontwikkelde algoritme kon de nitrietconcentratie online tot op een tiende milligram nauwkeurig gevolgd worden. Tijdens een eerste validatieperiode werden de online resultaten beoordeeld ten opzichte van de op basis van DO en pH te verwachten veranderingen (Afbeelding 3), alsmede met behulp van analyse van steekmonsters. Hieruit bleek dat de online nitrietmeting goed functioneert en de verandering van concentraties in het proces correct weergeeft. Bij beoordeling van de nauwkeurigheid, na een kalibratie in het proces, werd correlatiecoëfficiënt R2 = 0.96 gevonden (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Correlatiediagram met online resultaten uitgezet tegen nitrietconcentraties gemeten in het laboratorium

Voorlopig wordt de nieuwe nitrietmeting in Nieuwegein ingezet als bewakingsparameter. De resultaten met de spectrale metingen suggereren echter dat sturing op nitriet op termijn mogelijk moet zijn. Verdere validatie van de spectrale meting is echter nog nodig, en aanvullende tests in Anammox-toepassingen zullen in 2012-2013 plaats vinden. Daarnaast zal deze methode getest worden in industriële afvalstromen waar stikstof middels de-ammonificatie verwijderd wordt, en de spectrale online en in-situ nitrietanalyse van toegevoegde waarde is.

Ewout Riteco, Wilco Keijzer (Interline Systems), Joep van den Broeke (Benten Water Solutions)

Referenties
1)    STOWA, Sharon-Anammox-Systemen, rapport 2008-18.
2)    Kuenen, J.G. (2008). Anammox Bacteria: from discovery to application. Nature Reviews Microbiology, Vol. 6(4), pag. 320 - 326.
3)    O’Shaugnessy, M., Sizemore, J., Musabyiman,a M., Sanjines, P., Murthy, S., Wett, B., Takacs, I., Houweling, D., Love, N.G. & Pallansch, K. (2008). Operations and Process Control of the Deammonification (DEMON) process as a sidestream option for nutrient removal. Proceedings of the Water Environment Federation, WEFTEC 2008, pag. 6333 – 6348.
4)    Van den Broeke, J., Langergraber, G. & Weingartner, A. (2006). On-line and in-situ UV/vis spectroscopy for multi-parameter measurements – a brief review. Spectroscopy Europe, Vol. 18, pag. 15 – 18.
5)    Langergraber, G., Fleischmann, N. & Hofstädter F. (2003). A multivariate calibration procedure for UV/Vis spectrometric quantification of organic matter and nitrate in wastewater. Water Science and Technology, Vol. 47, pag. 63 - 71.

Download hier een pdf van dit artikel

Door het meanderen zijn meanderbochten afgesneden en het benedenstroomse deel van het kanaal heeft zich diep ingesneden. De meander- en insnijdingsprocessen zijn geanalyseerd op basis van historisch kaartmateriaal (1806-2006), LiDAR-data (1997) en veldobservaties. Het blijkt dat meandering op drie verschillende plekken langs het kanaal is begonnen. Juist op die plekken zijn ook aanwijzingen voor kwel gevonden, in de vorm van sterk roestige lagen in de bodem langs het kanaal. Hieruit valt op te maken dat lokale kwel de oevers heeft verzwakt en zo de eerste aanzet tot meanderen heeft gegeven.

Kanalisatie en beekherstel
Een groot deel van de Nederlandse rivieren en beken is in de periode van de ruilverkaveling gekanaliseerd. Deze gekanaliseerde waterlopen zijn vaak overgedimensioneerd om piekafvoeren zonder overlast te kunnen verwerken. Daarnaast zijn waterpeilen gereguleerd door middel van stuwen. Waterschappen zijn zo’n 20 tot 25 jaar geleden begonnen met het herstellen van de oorspronkelijke kronkelende loop van een groot deel van de laaglandbeken. Bij beekherstel wordt veel aandacht besteed aan de vorm (morfologie) en grootte van de bedding. Het ontwerp wordt doorgaans gemaakt met behulp van een 1D-stromingsmodel, zoals SOBEK, en historisch kaartmateriaal. De morfologie en grootte van de bedding worden bepaald door de ondergrond en de afvoer. Onder invloed van landbouw (drainage) zijn de afvoerkarakteristieken vaak veranderd. Daarom is beekmorfologie die op historische kaarten te zien is niet altijd passend bij de huidige afvoereisen.

Onderzoeksvraag
De hier beschreven studie is onderdeel van een promotieonderzoek met als doel kennis op te doen op het gebied van de morfologie van laaglandbeken, ter ondersteuning van het ontwerpproces in beekherstelprojecten. Eén van de vragen waar waterschappen graag antwoord op willen is, hoeveel ruimte een meanderende beek nodig heeft. De ruimte die een meanderende beek bestrijkt wordt ook wel meandergordel genoemd. Deze vraag is relevant voor de hoeveelheid grond die aangekocht moet worden, zodat er genoeg ruimte ontstaat voor een vrij meanderende beek. Er is daarom onderzoek gedaan naar een actief meanderende waterloop, met het formaat van een laaglandbeek. Het doel van dit onderzoek was het bepalen van de invloed van de samenstelling van de ondergrond op het ontstaan van meanders.

Onderzoeksgebied
Het Geldernsch-Nierskanaal is gegraven omstreeks 1770 en loopt van de Niers (bij Geldern, Duitsland) naar de Maas (ten noorden van Arcen), zie Figuur 1. Het kanaal moest het Nierswater bij piekafvoeren sneller afvoeren naar de Maas. Er zijn ook afspraken gemaakt tussen de Nederlandse en Duitse waterbeheerders om de afvoer te reguleren: de minimale afvoer is 0,5 m3 s-1, de maximale afvoer 7 m3 s-1. Uit een analyse blijkt dat de gemiddelde dagelijkse afvoer 0,71 m3 s-1 bedraagt. De gemiddelde jaarlijkse piekafvoer is 4,1 m3 s-1. De totale lengte van het kanaal is 13,3 km, waarvan 3,8 km in Nederland ligt. Het Duitse deel van het kanaal doorkruist een gebied dat voornamelijk uit Rijnterrassen bestaat. In Nederland stroomt het kanaal over een Maasterras. Vlak voor het uitstroompunt in de Maas doorkruist het kanaal het Nationaal Park De Maasduinen.

Figuur 1. Overzicht van het onderzoeksgebied, met (a) de locatie in Nederland, (b) een geomorfologische kaart van het onderzoeksgebied en (c) een schematische dwarsdoorsnede van de ondergrond langs het transect C-C’ in (b).

Het onderzoek is uitgevoerd in het Nederlandse deel van het kanaal, dat gemiddeld 8,8 meter breed is en 1,2 meter diep. Het onderzoeksgebied is op te delen in twee delen op basis van het verschil in verhang. Het bovenstroomse deel heeft een verhang van 0,48 m km-1. De bodem bestaat hier uit zand met een mediane korrelgrootte van 0,8 mm. Aan het begin van de 20ste eeuw is langs dit deel van het kanaal oeververdediging aangelegd, die tot op heden nog steeds zichtbaar is. Door de oeververdediging had dit deel van het kanaal minder vrijheid om te meanderen, hetgeen zich uit in een lagere sinuositeit (zie kader). Het benedenstroomse deel heeft een verhang van 3,8 m km-1. Hier bestaat de bodem uit grind, met een mediane korrelgrootte van 18,8 mm. In dit deel van de beek is geen oeververdediging aangebracht. Er is hier een actief meanderende beek ontstaan, inclusief bochtafsnijdingen (zie kader).

Materiaal en methoden
De vorm van het kanaal in bovenaanzicht is geanalyseerd op basis van historisch kaartmateriaal. Er is daarbij gebruik gemaakt van een Tranchot-kaart (1806), vier Topografische Militaire Kaarten (1840-1936) en zeven topografische kaarten (1941-2006). Voor elk van deze kaarten is bepaald wat de sinuositeit van het kanaal was. De algemene sinuositeit wordt bepaald door de lengte van de middenlijn van een waterloop te delen door de lengte van de middenlijn van de vallei waarin de waterloop is gelegen. Ook is de lokale sinuositeit bepaald. Hiermee wordt een beeld verkregen van het verloop van de sinuositeit langs het kanaal. De lokale sinuositeit is bepaald in segmenten met een valleilengte van 250 meter.

Een uitsnede van het Actueel Hoogtebestand Nederland (AHN, [1]) is gebruikt bij de analyse van het kanaal (Figuur 2). Hiermee is van de ingesneden vallei de hoogte van het maaiveld en van de valleibodem bepaald. Hieruit valt op te maken dat het kanaal in het benedenstroomse deel tot 9 meter is ingesneden. De insnijding is tot 170 meter breed.

Figuur 2. Hoogtemodel van het onderzoeksgebied, met daarin de rivierduinen (A) en een erosierest van een hooggelegen Rijnterras (B). Hoogte is in m+NAP.De ligging van het hier weergegeven gebied is aangegeven in Figuur 1b.

Een ruimtelijk beeld van de opbouw van de ondergrond is verkregen door 49 grondboringen te zetten langs het Nederlandse deel van het kanaal. Er is tot op een diepte van maximaal 2,2 meter onder het maaiveld bepaald of en hoe diep een roestige laag aanwezig is. Wanneer ijzerrijk grondwater uittreedt (kwel) en in aanraking komt met lucht oxideert het ijzer en krijgt het zand de karakteristieke roodbruine kleur. De roodbruine roestlagen zijn daarom een aanwijzing voor (voormalige) kwel, als gevolg van grondwaterstroming naar het kanaal vanaf hoger gelegen gronden, zoals rivierduinen en hogere delen van rivierterrassen. Ook is met grondboringen bepaald of grindlagen aanwezig zijn.

Resultaten
Figuur 3 laat een lengtedoorsnede van het onderzoeksgebied langs het kanaal zien. De zwarte lijn geeft het maaiveldprofiel aan, de grijze lijn het bodemprofiel. Beide zijn bepaald met behulp van de AHN. Het maaiveldprofiel laat de scheiding zien tussen twee Maasterrassen (op 1,5 km) en de uitlopers van de Maasduinen (op 3 km). Het bodemprofiel heeft een bilineaire vorm, waarbij een duidelijk onderscheid is te maken tussen het lage bodemverhang in het bovenstroomse deel en hoge bodemverhang in het benedenstroomse deel. Door middel van vierkantjes is de diepte van de roestige lagen en de grindlagen aangeven. Er is te zien dat in het benedenstroomse deel veel roestige lagen zijn gevonden. Dit geeft aan dat dit gebied in het verleden kwelrijk is geweest. Ook nu nog is tijdens veldwerkzaamheden uittredend grondwater waargenomen. Oevers die verzadigd zijn met grondwater zijn vatbaarder voor erosie. Daarnaast kan uittredend grondwater zelf voor erosie zorgen. De kwel heeft daarom een versterkende invloed gehad op het insnijdings- en meanderproces.

De historische kaarten laten zien dat de insnijding omstreeks 1930 stagneerde. Hiervoor zijn verschillende oorzaken aan te wijzen. Ten eerste is het peil in de Maas vanaf die tijd verhoogd door de uitvoering van de Maaswerken. Het deel van de Maas waar het kanaal in uitstroomt, wordt ook wel getypeerd als de ‘gestuwde Maas’. Tussen 1918 en 1942 is dit deel gekanaliseerd. De bouw van zeven stuwen tussen Maasbracht en Lith heeft een grote invloed gehad op de waterstanden in de Maas. Analyse van historische waterstandsdata (1850-1995) laat zien dat sinds de bouw van de stuwen het Maaspeil ter hoogte van de monding van het kanaal met 2 meter is gestegen. Een verhoging van het basisniveau bij de monding van een rivier heeft doorgaans een remmende werking op verticale insnijding.

De grondboringen laten zien dat het kanaal twee uitgestrekte grindbanken heeft geërodeerd die in meerdere boringen zijn aangetroffen (zie Figuur 3). Deze grindbanken maken deel uit van het Maasterras waar het kanaal doorheen stroomt. Het is waarschijnlijk dat het fijne materiaal dat tussen het grind aanwezig was, uitgespoeld is en door het water is meegenomen richting de Maas. Uit berekeningen van het bodemtransport volgt dat de stroomsnelheden te laag zijn om grind in beweging te krijgen. Daarom is het grind achtergebleven op de bodem van het kanaal. Het grind werkt hier als een vaste laag, die een remmende werking heeft gehad op het insnijdingsproces. Het verhogen van het Maaspeil en de vaste lagen van grind hebben ervoor gezorgd dat de insnijding stopte. Zo heeft het bodemprofiel zijn huidige bilineaire vorm gekregen.

Figuur 3. Ruimtelijke variatie in opbouw van de ondergrond en lokale sinuositeit.

Het onderste deel van Figuur 3 laat het verloop van de lokale sinuositeit zien. Daarbij is de beek verdeeld in zeven secties, aangegeven met Romeinse cijfers. Uit de figuur blijkt dat de eerste meander is ontstaan in sectie VI. De donkerblauwe lijn (1806) heeft in deze sectie een waarde die wordt geassocieerd met een verhoogde meanderactiviteit, de rest van het kanaal was nog nagenoeg recht. In sectie VI is in de loop van de tijd de meeste meanderactiviteit is waargenomen, uitgedrukt in een grote variatie in lokale sinuositeit. Een tweede meander is ontstaan in sectie IV. Deze twee secties ontwikkelden zich afzonderlijk van elkaar tot omstreeks 1936, waarna de twee meandersecties bij elkaar aansloten. Veel later dan deze twee meanders ontstond een meander in het bovenstroomse deel van het kanaal, in sectie II. Tot op heden is dit een geïsoleerde meandersectie.

Uit Figuur 3 is op te maken dat in de secties waar de meanders zijn ontstaan (sectie II, IV en VI) voornamelijk zand is te vinden, maar vooral dat dicht bij het maaiveld (

Conclusies
De historische analyse van het Geldernsch-Nierskanaal geeft inzicht in de invloed van de samenstelling van de ondergrond op het ontstaan van meanders. Aan de hand van historisch kaartmateriaal, een hoogtemodel en een gedetailleerde opname van de ondergrond is een relatie gelegd tussen de geologie en hydrologie enerzijds en het ontstaan van meanders anderzijds. Meanders zijn ontstaan op drie plaatsen, waar lokale kwelverschijnselen zijn gevonden in een ondergrond die voornamelijk uit zand bestond. Oevererosie als gevolg van lokale kwel heeft gezorgd voor de aanzet tot meandering.

Deze studie heeft ook implicaties voor beekherstel. We laten hier zien dat lokale condities (zoals kwel en een harde ondergrond) invloed hebben op de morfologische ontwikkeling van een beek, zoals oevererosie en insnijding. In het geval van het Geldernsch-Nierskanaal waren die lokale condities kwel en een harde ondergrond, maar kunnen in andere gevallen ook ingevallen bomen en lokale verschillen in verhang zijn. Hiermee moet rekening worden gehouden in voorgenomen beekhersteltrajecten.

Qua dimensies (breedte en diepte) is het Geldernsch-Nierskanaal vergelijkbaar met veel Nederlandse laaglandbeken. Het verhang in het benedenstroomse deel is echter groter. Waar het benedenstroomse, steile deel veel morfologische activiteit laat zien, is het bovenstroomse, vrij vlakke deel minder dynamisch. De beperkte morfologische activiteit van het bovenstroomse deel is typisch voor laaglandbeken. De meandergordel heeft hier een maximale breedte van 72 meter. Ter vergelijking: de meandergordel in het benedenstroomse deel heeft een maximale breedte van 170 meter, ofwel 19,9 keer de breedte van de waterloop. Dit laat zien dat zelfs in een actief meanderende waterloop geen eenduidige breedte van de meandergordel is vast te stellen. Hier zou meer onderzoek naar gedaan moeten worden.

Voor meer details van dit onderzoek verwijzen wij naar ons artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Earth Surface Processes and Landforms [2].

Referenties
[1] Van Heerd, R., Kuijlaars, E., Teeuw, M., 't Zand, R., 2000, Productspecificatie AHN 2000, Rapport MDTGM 2000.13. Rijkswaterstaat, Adviesdienst Geo-informatie en ICT (Delft).
[2] Eekhout, J., Hoitink, T., Makaske, B., in druk, Historical analysis indicates seepage control on initiation of meandering, Earth Surface Processes and Landforms.

Download hier een pdf van dit artikel.

Nog geen honderd jaar geleden was er sprake van brakke veenweiden waarin werd geboerd en geleefd. Maar de omstandigheden zijn drastisch veranderd. Verzilting is nu een bedreiging voor het huidige landgebruik en de zoetwaternatuur. Anderzijds hebben deze veengebieden te kampen met veenafbraak en slechte waterkwaliteit. (Opnieuw) verbrakken kan in dat licht ook juist kansen creëren. Dit artikel presenteert de resultaten van meerjarig onderzoek naar verbrakking van voormalig brakke gebieden.

Een groot deel van de West-Nederlandse veengebieden werd vroeger beïnvloed door zeewater. Zo was er sprake van regelmatige overstromingen door de Zuiderzee, en werd door boeren ook actief brak water ingelaten om de veenweiden te voorzien van voedselrijk slib. Na het gereedkomen van de Afsluitdijk in 1932 trad al snel verzoeting van de voormalige binnenzee en alle aangrenzende waterlichamen op. Sinds 1932 is de chlorideconcentratie in het oppervlaktewater van laag Nederland met ruim een factor 10 gedaald, van 5.000 tot 10.000 mg Cl/l op sommige locaties in 1930 naar (ver) onder de 1.000 mg Cl/l in nagenoeg alle wateren in laag Nederland1,2). Tegelijk met de daling van de zoutconcentratie zijn ook de bijzondere aan brak water gerelateerde natuurwaarden afgenomen. Het gaat hierbij om soorten zoals echt lepelblad (Cochlearia officinalis officinalis), groot nimfkruid (Najas marina), snavelruppia (Ruppia maritima) en zilte rus (Juncus gerardi).
Behalve dat kenmerkende brakwatersoorten verdwenen, doen zich in het Nederlandse laagveen- en zeekleilandschap tegenwoordig grote problemen voor op het gebied van veenafbraak, baggervorming, bodemdaling en eutrofiëring van oppervlaktewateren3).
De combinatie van een stijgende zeespiegel, toenemende brakke kwel en zoetwatertekorten in de zomer door toenemende droogteperiodes vergroot bovendien de kans op stijgende zoutconcentraties in het grondwater en oppervlaktewater4). In de afgelopen jaren moest al brak oppervlaktewater ingelaten worden tijdens droge zomers.

OBN-onderzoek
Verbrakking van het oppervlaktewater kan een bedreiging vormen voor de huidige zoetwaterafhankelijke natuurwaarden, maar kan ook juist kansen creëren voor vermindering van veenafbraak en herstel van brakwatergerelateerde natuur. De onzekerheid over de effecten van verbrakking maakt het moeilijk een onderbouwde keus te maken voor het verzoeten of juist verbrakken van voormalig brakke veengebieden. Het toenmalige ministerie van Economische Zaken, Landbouw & Innovatie heeft daarom in 2010 opdracht gegeven hier onderzoek naar te doen binnen de regeling Ontwikkeling en beheer natuurkwaliteit (OBN)5). Binnen dit onderzoek werd gekeken naar de potentiële effecten van verbrakking op nutriëntenbeschikbaarheid, veenafbraak, baggervorming en de oppervlaktewaterkwaliteit in voormalig brak laag Nederland. Er werden verschillende soorten experimenten uitgevoerd, waaronder een aquariumexperiment in het laboratorium en een veldexperiment met enclosures in het voormalige brakke veenweidegebied het Ilperveld in Noord-Holland (Figuur 1).

Figuur 1: Onderzoeksopstellingen
Links het aquariumexperiment in het laboratorium en rechts de enclosures in het Ilperveld. (Foto’s: G. van Dijk)

In het aquariumexperiment werd verbrakking van veen- en zeekleibodems gesimuleerd door de bodems bloot te stellen aan inlaatwater met verschillende stabiele en fluctuerende zoutconcentraties. Gedurende een half jaar is hierbij de verandering van de chemische samenstelling van het poriewater van de bodem, de bodemsamenstelling en de afbraaksnelheid van organisch materiaal gevolgd. In het veldexperiment werden in enclosures vier verschillende zoutconcentraties ingesteld: 600, 1.250, 2.500, 5.000 mg Cl/l). Maandelijks werd in het veldexperiment de chemische samenstelling van het oppervlaktewater en het poriewater in het slib en de daar onderliggende veenbodem geanalyseerd.

Effecten op nutriëntenbeschikbaarheid
Uit de experimenten blijkt dat verbrakking van het oppervlaktewater een snelle en grote invloed heeft op biogeochemische processen in de waterbodem. Zowel in het oppervlaktewater als in het poriewater in de waterbodem treedt een significante daling van de totaal-fosforconcentraties op (Figuur 2).

Figuur 2: Poriewater veldexperiment
Links: de chlorideconcentratie uitgezet tegen de totaal-fosforconcentratie. Midden: de chlorideconcentratie uitgezet tegen de ammoniumconcentratie. Rechts: de zwavelconcentratie uitgezet tegen de methaanconcentratie.

Dit kan vooral verklaard worden door precipitatie met calciumcarbonaat (kalkneerslag). Brak water is goed gebufferd en rijk aan calcium. De hoeveelheden calcium (Ca2+) bleken echter veel hoger te zijn dan de inlaatconcentraties. Dit komt door mobilisatie van calcium vanuit de bodem: natriumionen (Na+) verdringen calciumionen uit het kationadsorptiecomplex in de bodem. De afname van fosfor in het oppervlaktewater wordt daarnaast ook veroorzaakt door een lagere nalevering (Figuur 3).

Figuur 3: Overzicht van een aantal biogeochemische processen die beïnvloed worden door verbrakking, voor details zie 5).

Het effect van verbrakking op de stikstofconcentratie in het oppervlaktewater bleek afhankelijk van de hoeveelheid ammonium (NH4+) die gebonden is aan het kationadsorptiecomplex. Als deze hoog is, kan de grote aanvoer van kationen met het brakke water (hoofdzakelijk natrium) ammonium mobiliseren.
Ook de mogelijke remming van afbraak van organisch materiaal in de waterbodem door verbrakking kan de daling van nutriëntenconcentraties (zowel stikstof als fosfor) verklaren.

Interne eutrofiëring (eutrofiëring veroorzaakt door interne processen, zonder externe toevoer van nutriënten6,7)) speelt vaak een belangrijke rol in door sulfaat beïnvloede systemen3). Ondanks de door verbrakking fors hogere sulfaatconcentratie werd echter geen interne eutrofiëring waargenomen. Waarschijnlijk komt dit door de brakke historie van de waterbodems, die daardoor al relatief veel zwavel bevatten. Hierdoor is er relatief weinig fosfaat aan ijzer gebonden dat door sulfide (gereduceerd sulfaat) gemobiliseerd kan worden.

Veenafbraak en baggervorming
Er zijn aanwijzingen dat verbrakking de afbraak van organisch materiaal kan remmen. Voor aanvang van het onderzoek was dan ook de hypothese dat de verbrakking veenafbraak zou kunnen verminderen door de werking van een zogenoemde zoutrem. Hierbij remt het zout de microbiële afbraak, net als bij conservering van levensmiddelen. Onder brakkere omstandigheden bleek de koolstofdioxide-emissie snel te dalen. Ook de methaanconcentratie in het poriewater daalde sterk (Figuur 2). Het is verleidelijk om uit deze waarnemingen te concluderen dat de hypothese – afbraak van organisch materiaal wordt geremd door verbrakking – klopt. Hoewel dit mogelijk het geval is, zijn er ook andere factoren die de emissie van koolstofdioxide en methaan kunnen beïnvloeden. Omdat veenafbraak in Nederland, maar ook wereldwijd een groot probleem vormt, bestaat het voornemen dit nog nader te onderzoeken.

Effect op algen en doorzicht
Uit het veldexperiment blijkt dat bij sterke verbrakking (tot 5.000 mg Cl/l of meer) de algengroei sterk vermindert. Daarentegen werd bij een matige verbrakking (1.250 mg Cl/l) de algengroei juist versterkt. Mogelijk komt dit doordat algenetend zoöplankton bij lagere zoutconcentraties minder goed gedijt, waardoor de graasdruk wegvalt 8,9). Doordat het water als gevolg van verbrakking meer ionen bevat, neemt de sedimentatie toe van zwevende deeltjes, vooral van kleideeltjes. Dit verbetert het doorzicht. Ondergedoken waterplanten kunnen profiteren van de vermindering van algengroei en zwevende deeltjes.

Constant of fluctuerend brak?
Met de verzoeting van de Nederlandse oppervlaktewateren in de vorige eeuw zijn ook de fluctuaties van zowel het waterpeil als het zoutgehalte sterk afgenomen. Hoewel bij verschillende verbrakkingsprojecten een constant zoutgehalte wordt nagestreefd, is in een natuurlijke situatie vaker sprake van sterke fluctuaties. Uit het aquariumexperiment blijkt dat bij een frequent fluctuerend zoutgehalte (zoutschokken) de verbrakking van de bodem langzamer verloopt dan bij een constant zoutgehalte. Na een langere periode worden echter dezelfde concentraties in de bodem bereikt. Verder blijkt dat de bodem gedurende zoetwaterperioden maar langzaam zout afstaat. Dit kan belangrijke gevolgen hebben voor de beheerpraktijk. Ten eerste betekent dit dat er met een fluctuerend zoutgehalte op de langere termijn vergelijkbare effecten bereikt kunnen worden als met een constant hoog zoutgehalte. Het is dus niet nodig om permanent brak water in te laten. Anderzijds heeft tijdelijke inlaat van brak water - bijvoorbeeld in zeer droge zomers - langdurige gevolgen voor de chemie en ecologie van de waterbodem.

Perspectieven voor verbrakking
De gebieden waar nu gestreden wordt tegen brak water zijn tevens de plaatsen waar zich kansen voordoen om brakwaternatuur te herstellen. Technisch is er wat dat betreft zeer veel mogelijk. De kwaliteit (zoutgehalte en nutriënten) van de brakwaterbron en de dynamiek mogen hierbij niet uit het oog worden verloren. Uit de experimenten komt naar voren dat bij een relatief laag zoutgehalte en veel nutriënten waterkwaliteitsproblemen kunnen ontstaan. Dit is ook de huidige situatie in bijvoorbeeld veel Noord-Hollandse wateren. Belangrijk is te verbrakken met voldoende zout en tevens nutriëntenarm water. Zeewater voldoet aan deze eis. Ook het diepe water uit het Noordzeekanaal is geschikt10). Wanneer gekozen wordt voor Noordzeekanaalwater lijkt het met het oog op het minimaliseren van de nutriëntenbelasting goed om in het voorjaar te verbrakken, omdat er dan per gram chloride minder ammonium en fosfaat wordt aangevoerd. Brak grondwater bevat vaak te veel fosfaat en ammonium en is daarom niet geschikt.
Veel West-Nederlandse waterbodems zijn als gevolg van het brakke verleden erg rijk aan zwavel. IJzer is hier grotendeels gebonden aan sulfide, waardoor de binding van fosfor in deze bodems relatief slecht is. Verzoeting en vermindering van de sulfaatbelasting leidt voor wateren met dit type bodems niet op korte termijn tot voldoende verbetering van de waterkwaliteit als niet ook extra ijzer wordt aangevoerd. Terug naar de brakwater-condities met de bijbehorende brakwaterchemie en bijzondere natuurwaarden is in een aantal situaties een goed alternatief. Deze ontwikkeling sluit aan bij de opgave en verantwoordelijkheid die Nederland heeft om de nog aanwezige brakwaternatuur te behouden en versterken.

Conclusies
Binnen een tijdsbestek van enkele weken tot maanden na inlaat van zout water treedt verbrakking van oppervlaktewater en waterbodem op. Het zoute water dringt makkelijk en snel zowel klei- als veenbodems in. Ook bij een frequent fluctuerende zoutconcentratie is er op langere termijn sprake van toenemende zoutconcentraties in de waterbodem. Dit betekent dat eventuele negatieve effecten op zoetwaternatuur na inlaat van brak water nog lang kunnen aanhouden. Ook betekent dit dat er al snel na inlaat van brak water sprake kan zijn van een (in abiotisch opzicht) brakwatersysteem. Verbrakking heeft in beide experimenten niet geleid tot een toename van fosfaat en stikstof in het oppervlaktewater. Sterker nog, door verbrakking van voormalig brakke veenbodems neemt de beschikbaarheid van fosfor af, en onder bepaalde omstandigheden ook van ammonium. Verbrakking remt op korte termijn mogelijk de anaerobe afbraak van organisch materiaal, waaronder veen. Hier moet nader onderzoek naar worden gedaan. Interne eutrofiëring door verhoogde sulfaataanvoer treedt niet op in voormalig brakke veengebieden, die al hoge zwavelgehalten en vaak lage ijzergehalten hebben. De invloed van verbrakking op de waterbodemchemie en de ecologie is sterk afhankelijk van de chemische samenstelling van de waterbodem. Er is vervolgonderzoek nodig naar de langetermijneffecten van verbrakking op ecosysteemniveau te bepalen.

Dankwoord
Dit onderzoek is gefinancierd door het Ministerie van Economische Zaken, Landbouw & Innovatie en gecoördineerd door het Bosschap in het kader van de regeling Ontwikkeling en beheer natuurkwaliteit (OBN). Het onderzoek was niet mogelijk geweest zonder de enthousiaste inzet en ondersteuning vanuit Landschap Noord-Holland, Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier en Stichting Bargerveen en de inzet van Rick Kuiperij en Astrid Bout.

Literatuur
1)    Reigersman, C.J.A., (1946). Ontzilting van Noord-Holland. Rapport van de Commissie inzake het zoutgehalte der boezem- en polderwateren van Noord-Holland, ingesteld bij Besluit van den Minister van Waterstaat van 24 april 1939. Rijksuitgeverij, 's-Gravenhage, 191 pp.
2)    Antheunisse, A.M, Verberk, W.C.E.P., Schouwenaars, J.M., Limpens, J. & Verhoeven, J.T.A., (2008). OBN onderzoek: Preadvies laagveen- en zeekleilandschap – een systeemanalyse op landschapsniveau. Directie Kennis, Ministerie van Landbouw, Natuur en Voedselkwaliteit, Ede.
3)    Lamers, L. (red.), (2010). Onderzoek ten behoeve van het herstel en beheer van Nederlandse laagveenwateren. OBN Eindrapportage 2006-2009 (Fase 2). Ministerie van Landbouw, Natuur en Voedselkwaliteit, Directie Kennis.
4)    Oude Essink, G.H.P., van Baaren, E.S., de Louw, P.G.B (2010). Effects of climate change on coastal groundwater systems: A modeling study in the Netherlands. Water Resources Research, vol. 46.
5)    Van Dijk, G., Westendorp, P.J., Loeb, R., Smolders, A., Lamers, L., Klinge, M., Kleef, H. van (2013) (in druk). Verbrakking van het laagveen- en zeekleilandschap, van bedreiging naar kans? OBN rapportage, Bosschap, Ministerie van Economische Zaken, Directie Agrokennis.
6)    Smolders, A.J.P., Lamers, L.P.M., Lucassen, E.C.H.E.T., Velde, G. van der & Roelofs, J.G.M. (2006). Internal eutrophication: How it works and what to do about it – a review. Chemistry and Ecology, 22, 93-111.
7)    Michielsen, B., Lamers, L., Smolders, F. (2007). Interne eutrofiëring van veenplassen belangrijker dan voorheen erkend? H2O, 8, 51-54.
8)    Barker, T., Hatton, K., O' Connor, M., Connor, L., Bagnell, L. & Moss, B. (2008). Control of ecosystem state in a shallow, brackish lake: implications for the conservation of stonewort communities. Aquatic Conservation-Marine and Freshwater Ecosystems, 18, 221-240.
9)    Jeppesen, E., Sondergaard, M., Kanstrup, E., Petersen, B., Eriksen, R.B., Hammershoj, M., Mortensen, E., Jensen, J.P. & Have, A. (1994). Does the Impact of Nutrients on the Biological Structure and Function of Brackish and Fresh-Water Lakes Differ. Hydrobiologia, 275, 15-30.
10)    Witteveen+Bos (2011). Risico-analyse Polder Westzaan. In samenwerking met Onderzoekscentrum B-WARE. Opdrachtgever DLG-west.

Download hier een pdf van dit artikel.

Flowverdeling
Met de flowverdeling van een put wordt de relatieve bijdrage van elk deel van het bronfilter in beeld gebracht. Als met een debiet van 40 m³ per uur grondwater wordt onttrokken uit een put met een filterlengte van 40 m, dan zou elke meter filter bij een evenredige flowverdeling een bijdrage leveren van 1 m³ per uur. Van beneden naar boven neemt het debiet in de filterbuis dan lineair toe van 0 m³ per uur aan de onderzijde tot 40 m³ per uur aan de bovenzijde. Met een flowmeting wordt de stroomsnelheid in de filterbuis (een maat voor het debiet) bepaald en kan de bijdrage van elk deel van het bronfilter worden bepaald. Uit onze analyse blijkt dat de bijdrage van het onderste deel van het bronfilter in de praktijk regelmatig achterblijft bij de verwachting, wat aangeeft dat verbeteringen mogelijk zijn.

Bij een flowmeting wordt de (verticale) stroomsnelheid in de buis over de gehele lengte van het bronfilter gemeten, terwijl met een constant debiet grondwater wordt onttrokken uit de betreffende put. Uit deze metingen kan worden afgeleid hoeveel water in elk stukje van het bronfilter instroomt. De ervaring van partijen die flowmetingen uitvoeren is dat het regelmatig voorkomt dat het onderste deel van het bronfilter maar weinig water levert (vooral bij lange bronfilters). Dit betekent dat via het bovenste deel van het filter meer water wordt onttrokken dan voorzien. Dit kan relevant zijn voor het functioneren van de betreffende put op lange termijn, omdat de verhoogde stroomsnelheid voor versnelde putverstopping kan zorgen. Verder zouden warme en koude bellen bij warmte-/koude-opslagsystemen zich in dat geval verder uitstrekken ter hoogte van het bovenste deel van het filter, waardoor thermische verliezen door interactie tussen warme en koude bellen toenemen. Om meer inzicht te krijgen in de flowverdeling over de lengte van een bronfilter, zijn flowmetingen verzameld en geanalyseerd.

Figuur 1. Voorbeeld van een ‘propeller’-flowmeter

Welke factoren beïnvloeden de verdeling van instroming?

1. Doorlatendheid van de bodemlagen
Allereerst is de doorlatendheid van de bodemlagen op de betreffende diepte van belang. Lagen met een hoge doorlatendheid, zoals  grindlagen, leveren meer water dan lagen met een lage doorlatendheid zoals fijn zand. De bijdrage van de verschillende lagen kan worden ingeschat door de informatie over de korrelgrootte te vertalen naar (relatieve) doorlatendheden.

2. Positie van het bronfilter
Minder voor de hand liggend – maar wel relevant – is dat ook de lengte en de positie van het bronfilter ten opzichte van de dikte van het watervoerende pakket van belang is. Als het bronfilter de hele dikte van een watervoerend pakket beslaat (volledig bronfilter) dan is bij een constante doorlatendheid sprake van een (vrijwel) homogene instroming. Als het bronfilter slechts in een deel van het watervoerende pakket staat (partieel bronfilter), dan is de instroming niet meer homogeen. De uiteinden van het bronfilter leveren in die situatie relatief veel water, omdat het water daar zowel horizontaal als verticaal kan toestromen terwijl in het midden van het bronfilter alleen horizontale toestroming plaatsvindt (Hemker, 1999; Houben, 2006). De invloed hiervan kan worden vastgesteld met behulp van een grondwatermodel.

3. Stroming in en om de put
Ook de stroming in en om de put kan van invloed zijn op de flowverdeling. Het grondwater stroomt horizontaal toe, stroomt door het filter, wordt vervolgens afgebogen naar een verticale stromingsrichting en ondergaat tijdens het transport naar boven een versnelling – het debiet dat door de filterbuis stroomt, loopt naar boven toe immers op. Tijdens deze processen gaat energie verloren, wat zich vertaalt in stijghoogteverliezen (drukverliezen). Gevolg is dat boven in het bronfilter een wat grotere verlaging optreedt dan onderin met als resultaat een wat grotere bijdrage van het bovenste deel van het bronfilter aan het totale debiet. In de praktijk is de invloed van deze drukverliezen op de flowverdeling meestal te verwaarlozen, omdat hiermee rekening wordt gehouden bij het ontwerp van de put.

4. Putverstopping
Tenslotte kunnen ook verschillen in de mate van putverstopping over de lengte van het filter een rol spelen. De invloed hiervan is niet op voorhand in te schatten. Om een idee te krijgen van de invloed van de verschillende factoren is een aantal putten waarvan flowmetingen beschikbaar waren nader geanalyseerd met behulp van grondwatermodellen.

Modellering flowverdeling
In totaal zijn tien putten, waarvan zowel een flowmeting als alle andere benodigde informatie beschikbaar was, geselecteerd voor analyse. Op basis van de boorbeschrijvingen van de betreffende bronnen en de gegevens over de putconstructie hebben we grondwatermodellen gemaakt, waarmee een theoretische flowverdeling is berekend. De berekende flowverdeling en de gemeten flowverdeling komen bij een aantal putten redelijk tot goed overeen. Blijkbaar is het model in deze gevallen goed in staat om de flowverdeling te voorspellen. Bij andere putten blijkt dat bepaalde delen van het filter, vaak onder in de put, duidelijk minder water leveren dan op basis van de modelberekeningen mag worden verwacht. Deze afwijkingen zijn te verklaren door verschillen in de mate van verstopping van de put. Het feit dat deze afwijkingen ook bij nieuwe putten te zien zijn, geeft aan dat de oorzaken moeten worden gezocht in het proces van aanleg en ontwikkeling van de put.

Figuur 2. Analyse van de flowmetingen van twee putten. De kruisjes zijn de gemeten waarden en de lijn toont de flowverdeling volgens het model.

In Figuur 2 zijn de resultaten van twee geanalyseerde putten afgebeeld. Aan de linkerzijde van de put is het resultaat van de flowmeting weergegeven (kruisjes). Ook is er een flowverdeling te zien die is afgeleid uit berekeningen met het grondwatermodel van de put (lijn). De rechterzijde toont de stroomsnelheden op de boorgatwand ten opzichte van de toegestane snelheden op basis van de ontwerpnorm voor onttrekkingsputten van BodemenergieNL (voorheen NVOE). De stippellijn geeft de norm aan. De rode lijn is afgeleid uit de modelberekeningen en de zwarte lijn is gebaseerd op de metingen. Onregelmatigheden in de flowmetingen, zoals in het linker plaatje, resulteren in sterke fluctuaties in de zwarte lijn, waardoor de resultaten op detailniveau niet betrouwbaar zijn. De globale trend is echter wel betrouwbaar.

In Figuur 2a komt de flowmeting goed overeen met de verwachting op basis van het model. Wat opvalt is dat enkele filtersecties geen bijdrage leveren aan het totale debiet, terwijl dat op basis van het model wel werd verwacht. Bij nadere beschouwing blijkt dat volgens de boorbeschrijving vlak daarboven kleibrokjes zijn gevonden, wat duidt op de aanwezigheid van kleilenzen of dunne kleilaagjes in het pakket. Mogelijk zorgt de tijdelijke toename van het kleigehalte in de boorvloeistof door het doorboren van de kleihoudende lagen voor extra afpleistering van de boorgatwand in het traject vlak daaronder. Dit is vervolgens niet volledig verwijderd gedurende het ontwikkelproces. Verder valt op dat de bovenste meters van beide filterstukken onevenredig veel water lijken te leveren in vergelijking met de rest van het filter.

Figuur 2b is een duidelijk voorbeeld van een onevenredige verdeling van het debiet. Het onderste deel levert veel minder water dan mag worden verwacht en in het bovenste deel wordt dat gecompenseerd. Dit fenomeen is bij de helft van de onderzochte putten teruggevonden. Hoewel de stroomsnelheden ten opzichte van de norm bovenin veel hoger liggen dan onderin, wordt in dit geval de berekende stroomsnelheidnorm niet overschreden.

Welke invloed heeft de aanleg van een put op de flowverdeling?
Tijdens de aanleg van een put kunnen verschillende processen invloed hebben op de uiteindelijke flowverdeling:

1. In het boorgat circuleert de boorvloeistof. Bij de boorkop neemt de boorvloeistof het opgeboorde sediment op en voert het af naar de oppervlakte. Aan de oppervlakte wordt het door bakken geleid, waar het sediment kan bezinken. Vervolgens wordt de boorvloeistof weer teruggevoerd in het boorgat. Doordat bij het bezinken niet alle sediment uit het boorwater wordt verwijderd – klei en fijn zand bezinken niet of veel minder goed dan grof zand en grind – bestaat de boorvloeistof uit een mengsel van water en sediment. Daardoor is de dichtheid van de boorvloeistof hoger dan de dichtheid van het grondwater. De druk in het boorgat neemt daardoor sneller toe met de diepte dan de druk in de doorboorde bodemlagen, met als gevolg dat de overdruk in het boorgat steeds verder toeneemt met de diepte. Een belangrijke consequentie hiervan is dat de filterkoek, die tijdens de aanleg van de put wordt afgezet op de boorgatwand, onder in de put sterker wordt aangedrukt dan elders, waardoor hij moeilijker te verwijderen is. Omdat fijn zand moeilijker bezinkt dan grof zand, is dit effect waarschijnlijk sterker in fijn-zandige watervoerende pakketten dan in grof-zandige pakketten. Verder loopt de overdruk in diepe boringen verder op dan in ondiepe boringen.
2. Een ander proces dat mogelijk een rol speelt, is het bezinken van het sediment uit de boorvloeistof als de circulatie van de boorvloeistof wordt stopgezet. Dit gebeurt bijvoorbeeld als de boorstangen uit het boorgat worden verwijderd of als de circulatie ’s nachts of in het weekend niet op gang wordt gehouden. Het bezonken sediment kan onder in het boorgat voor extra verstopping zorgen.
3. Na het inbouwen en aanvullen van het boorgat wordt de put ‘ontwikkeld’. Dat wil zeggen dat de filterkoek, die is achtergebleven op de boorgatwand, weer zo goed mogelijk wordt verwijderd. Daarvoor zijn verschillende methodes. Ontwikkeltechnieken die op de hele put worden toegepast hebben de meeste kans van slagen op de plaatsen waar de filterkoek het zwakst is en/of de stroming het makkelijkst verloopt. Daardoor mag worden verwacht dat boven in de put en/of in de relatief grove delen van het watervoerende pakket het snelst resultaat wordt geboekt. Wanneer bij het ontwikkelingsproces de eerste ‘gaten’ in de filterkoek zijn gevormd, gaan deze functioneren als zogenaamde preferente stroombanen. Doordat het water de neiging heeft om vooral door de gaten te stromen, neemt de effectiviteit van dezelfde ontwikkeltechnieken ter hoogte van andere delen van de boorgatwand sterk af (Breedveld et al., 2007).
4. Jutteren is één van de meest effectieve ontwikkelmethoden. Hierbij wordt het waterniveau in de put door middel van perslucht geleidelijk verlaagd en enige tijd vastgehouden. Vervolgens wordt de druk weer ontlast, waardoor het waterniveau in de put weer omhoog schiet. Een belangrijk voordeel van jutteren ten opzichte van andere ontwikkeltechnieken is dat de stromingsrichting tijdelijk wordt omgekeerd. Bovendien is bij jutteren korte tijd sprake van zeer hoge stroomsnelheden waardoor materiaal effectief wordt verwijderd. Door de kortstondig zeer grote debieten die bereikt worden bij het loslaten van de druk treden echter ook grote drukverliezen op in de put. Dit initieert een sterke ongelijkheid in de krachtverdeling op de boorgatwand. Om een idee te krijgen van de debieten net na het loslaten van de druk zijn voor een project metingen gedaan en berekeningen uitgevoerd. Het geschatte maximale debiet gedurende het jutterproces lag tussen de 2.000 en 4.000 m3/uur direct na het loslaten van de druk.
5. Hoewel vrijwel altijd sectiegewijze ontwikkelmethoden worden toegepast (sectiegewijs afpompen en/of sectiegewijs rondpompen) kan uit de resultaten worden afgeleid dat deze methoden blijkbaar niet altijd de filterkoek effectief aanpakken om te zorgen voor een goede flowverdeling.

Mogelijke oplossingen
Uit de analyse volgt dat tijdens het boorproces een filterkoek ontstaat die onderin sterker is dan bovenin. Na het ontwikkelen blijkt in veel gevallen nog een relatief grote verstopping achter te blijven in het onderste deel van het filter, vooral in fijnzandige pakketten.

Om een slechte flowverdeling in de put te voorkomen kun je zowel de oorzaak van de hardnekkige filterkoek als de ontwikkelwijze van de put aanpakken.

Aanpakken oorzaak
De belangrijkste oorzaak van de verschillen in de sterkte van de filterkoek lijkt de toename van de overdruk in het boorgat met de diepte. Deze toename van de overdruk is het gevolg van de hogere dichtheid van de boorvloeistof, doordat sprake is van een mengsel van water en sediment. Beperken van het gehalte aan sediment kan helpen om de overdruk te beperken en daarmee ook de kans op ongewenste invloeden op de flowverdeling. Om dit te bereiken zou de sedimentverwijdering bovengronds moeten worden verbeterd, bijvoorbeeld door gebruik te maken van filtertechnieken, zoals zeven en cyclonen. In Nederland worden dergelijke technieken momenteel niet toegepast, maar in het buitenland komt dat wel voor.

Aanpakken ontwikkelproces
In het onderzoek is gebleken dat de conventionele ontwikkeltechnieken niet altijd afdoende zijn voor de ontwikkeling van (met name het onderste deel van) putten in fijnzandige aquifers (doorlatende lagen die grondwater bevatten). Het verbeteren van het ontwikkelproces kan van grote waarde zijn. Bij één onderzocht project zijn flowmetingen uitgevoerd na het normale ontwikkelproces. Toen bleek dat het onderste deel van de put nog verstopt zat, is aanvullend sectiegewijs gejutterd en vervolgens opnieuw een flowmeting uitgevoerd. De flowverdeling bleek na het sectiegewijs jutteren (driehoekjes) sterk verbeterd te zijn (Figuur 3). Sectiegewijs jutteren wordt dan ook gezien als een veelbelovende techniek om de flowverdeling in putten te verbeteren.

Figuur 3. Flowverdeling in een put voor (kruisjes) en na (driehoekjes) het toepassen van sectiegewijs jutteren

Conclusie
Flowmetingen kunnen van belangrijke toegevoegde waarde zijn bij het in kaart brengen van de eigenschappen van zowel onttrekkings- als infiltratieputten. In het kader van het onderzoek is een model ontwikkeld waarmee de theoretische flowverdeling over de lengte van het bronfilter kan worden berekend. De vergelijking van deze theoretische flowverdeling met de gemeten flowverdeling kan aanwijzingen geven voor eventuele verstopte zones in de betreffende put. Onze analyse bevestigt de signalen uit de praktijk dat het regelmatig voorkomt dat het onderste deel van het bronfilter maar weinig water levert. Blijkbaar is in het onderste deel van het filtertraject sprake van verstopping. In de betreffende gevallen moet het bovenste deel van het bronfilter de beperkte bijdrage van het onderste deel compenseren. De verhoogde stroomsnelheden in het bovenste deel van de put kunnen leiden tot versnelde verstopping en zodoende nadelig zijn voor de levensduur van de put.

Het feit dat deze verstoppingen ook bij nieuwe putten zijn gevonden, geeft aan dat de oorzaak moet worden gezocht in het proces van aanleg en ontwikkeling van de put. De volgende aspecten zijn hierbij van belang:
Gerelateerd aan het boorproces:
-    De relatief hoge dichtheid van de boorvloeistof leidt tot een niet-homogene filterkoek, die onder in het boorgat lastiger te verwijderen is dan bovenin. Dit effect is sterker in fijnzandige pakketten, omdat fijn zand minder goed bezinkt dan grover zand.
-    Als de circulatie van de boorvloeistof wordt stopgezet, zorgt bezinkend sediment voor extra verstopping in het onderste deel van het boorgat.

Gerelateerd aan het ontwikkelproces:
-    Zodra de verstopping in bepaalde delen van de bron is verwijderd (of verminderd), concentreert de stroming zich in deze delen en wordt het moeilijker om andere delen van het bronfilter te bereiken. Een sectiegewijze aanpak kan dit gedeeltelijk oplossen, maar sectiegewijs afpompen en sectiegewijs rondpompen hebben (blijkbaar) onvoldoende effect in het onderste deel van het filtertraject.
-    Jutteren is één van de meest effectieve ontwikkeltechnieken. Door de extreem hoge stroomsnelheden is sprake van grote drukverliezen en zijn de instroomsnelheden in het bovenste deel van het bronfilter veel hoger dan onderin. Jutteren heeft hierdoor in het bovenste deel van het bronfilter meer effect dan onderin.

Om de verdeling van het debiet in lange bronfilters te verbeteren zijn er twee mogelijke oplossingen. De eerste is een betere sedimentverwijdering, bijvoorbeeld door de boorvloeistof bovengronds te filteren. De tweede oplossing is het verbeteren van de effectiviteit van het ontwikkelen in het onderste deel van het filtertraject. Sectiegewijs jutteren lijkt effectief te zijn, hoewel dat pas bij één project is aangetoond. Verder onderzoek is essentieel om de problematiek stelselmatig aan te kunnen pakken. Daarmee wordt het gebruik van fijnzandige pakketten aantrekkelijker.

Referenties
Breedveld, R., K. van Beek & Doedens, G. (2007). Naar een verstoppingsvrij puttenveld Tull en ’t Waal. H2O 2 & 3.

Hemker, C.J. (1999). Transient well flow in layered aquifer systems: the uniform well-face drawdown solution. Journal of Hydrology 225 (1999) p. 19-44.

Houben, G.J. (2006). The influence of well hydraulics on the spatial distribution of well incrustations. Ground Water 44, no. 5: 668-675.

Download hier een pdf van dit artikel.

Via LinkedIn (een uitwisselingssite voor professionals) zijn we in contact gekomen met Amcon.
Dit is een Japans bedrijf met een vestiging in Tsjechië, dat volgens een nieuw concept een schroefpers heeft ontwikkeld, de Volute.
In plaats van de verstoppingsgevoelige zeefkorf gebruikt de Volute een constructie met ringen die langzaam langs elkaar op en neer bewegen. Het water wordt tussen de ringen geperst. Als vervuiling tussen de ringen komt wordt deze door de beweging van de ringen langzaam naar buiten getransporteerd en met het filtraat afgevoerd. Dit voorkomt verstoppingen.

Test
Om ervaring op te doen met deze nieuwe ontwateringstechniek is een testinstallatie gehuurd van Amcon en geplaatst op de rwzi Wervershoof, naast de twee bestaande zeefbandpersen.
In Wervershoof wordt actief slib direct uit de beluchtingstank door de zeefbanden ontwaterd. Om de resultaten van de Volute pers en de zeefbanden goed te kunnen vergelijken, heeft de Volute pers ook slib direct uit de beluchtingstank ontwaterd.
Er zijn twee types polymeer getest: het polymeer dat standaard wordt gebruikt in Wervershoof voor de zeefbandpers, en een polymeer dat door watertechnologiebedrijf Kemira geselecteerd was voor de Volute pers.
Op advies van Amcon is daarnaast een combinatie getest van ijzer(III)chloride (FeCl3) en polymeer.

Resultaat
De eerste resultaten met de Volute-pers zijn zeer hoopgevend.
Na wat variëren met instellingen en polymeer-doseringen werden drogestofgehaltes gehaald van meer dan 20 procent – een ontwateringsresultaat dat we met moeite met onze zeefbandpers kunnen halen. Opvallend is het lage polymeerverbruik van circa 6 gram per kilo slib. Het gebruik van FeCl3 geeft ook goede resultaten (Tabel 1).

Tabel 1 Ontwateringsresultaat met de Volute-pers onder verschillende omstandigheden

Conclusie en vooruitblik
De Volute-ontwateringspers, ook verkrijgbaar als indikker, lijkt een goede concurrent voor zeefbandpersen en centrifuges. De installatie is eenvoudig in bediening, heeft zeker in vergelijking met een zeefbandpers weinig spoelwater nodig, maakt weinig lawaai (alleen een elektrische aandrijving van de schroef) en is heel compact.
In Wervershoof zouden de twee zeefbandpersen met ieder een capaciteit van 1.900 ton slib per jaar, vervangen kunnen worden door twee Volute-persen met een capaciteit van 1.749 ton per jaar  elk. Samen hebben die een vergelijkbare oppervlakte nodig als de zeefbandpersen, maar ze verbruiken minder energie, polymeer en water en maken minder lawaai en aerosolen.

Met het doseren van ijzer stijgt het drogestofgehalte van het ontwaterde slib tot 24 procent. De kosten voor deze ijzerdosering vallen mee. Driewaardig ijzer (Fe3+) is veel goedkoper dan polymeer (99 cent per kilo ijzer, tegen 3,60 euro per kilo actief polymeer). De gedoseerde 17 gram ijzer per kilo slib kost evenveel als 4,7 gram polymeer per kilo slib. Dit zou dan betekenen, omgerekend naar polymeer, dat qua prijs voor het bereiken van 24,3 procent droge stof (6 + 4,7=) 10,7 gram polymeer per kilo slib zou kunnen worden gedoseerd.
Dat is voor HHNK een lage dosering. Gemiddeld gebruikt HHNK 13 gram polymeer per kilo slib voor de eindontwatering tot ‘slechts’ gemiddeld 21% droge stof. Dus een aanzienlijke besparing in kosten met een beter eindresultaat.

HHNK wil nu twee vervolgstappen zetten: het bezoeken van referentie-installaties en het doen van een full scale duurtest.
De verwachting is dat de Volute-pers een goede vervanger is voor de huidige ontwateringstechnieken. En misschien wel een betere.

De zuiveringsinstallatie
In 1971 bouwde Rixona Venray zijn eerste waterzuiveringsinstallatie. Uitbreiding volgde in 1975 en in 1995. De huidige zuivering bestaat uit een carroussel van 5.400 m³ met een aerobe selector en drie nabezinktanks. Na het trommelzeven (grove deeltjes) en voorbezinking (zetmeel), wordt het water aeroob gezuiverd.
De vuillast na voorbezinking bedraagt ruwweg 6.000 kg CZV (Chemisch Zuurstof Verbruik) per dag. Het water wordt gezuiverd van ongeveer 1.500 mg/l CZV naar effluentwaarden van gemiddeld 25 mg/l CZV en 2,0 mg/l Kj-N. Daarmee is het gemiddeld schoner dan het effluent van de rwzi waar Rixona tot voor kort op loosde. Hoewel de angel natuurlijk zit in het woord ‘gemiddeld’, was er alle aanleiding om te denken aan directe lozing op het oppervlaktewater.
Daar komt bij dat er in de omgeving van Venray ’s zomers een groot neerslagtekort is. De Oostrumsche beek heeft in de zomer behoefte aan meer (schoon) water. Dat water kan via het slotenstelsel aangevoerd worden uit de Maas of eventueel van een rwzi. Ook de lozing door een lokaal aardappelbedrijf is dan een optie.
Al met al lijkt directe lozing op het oppervlaktewater duurzamer dan lozen via het rioleringsstelsel en de rwzi.

Lozing op oppervlaktewater met natuurfunctie
Rixona onttrekt jaarlijks ongeveer 800.000 m³ grondwater. Sinds oktober 2012 loost het bedrijf het gebruikte water na zuivering op het oppervlaktewater in de omgeving, en wel – via een gemeentelijke watergang - op de Oostrumsche beek. Voor deze beek gelden bijzondere kwaliteitseisen vanwege de natuurfunctie. Met het Waterschap Peel en Maasvallei is daarom intenief overlegd over de aan de lozing te stellen eisen en de technologische zuiveringsmogelijkheden. De overeengekomen normen voor de zomerperiode zijn: totaal-N = 4,0 mg/l en totaal-P = 0,4 mg/l.
Verdere zuivering van het effluent was wenselijk. De zuiveringsinstallatie heeft daarom twee extra zandfilters gekregen (met FeClSO4 en azijnzuurdosering) om rest-zwevende-stof, rest-PO4-P en rest NO3-N te verwijderen. De dosering van hulpstoffen wordt ingesteld op de behoefte. De installatie wordt zodanig ingericht dat zowel direct vanuit de nabezinktanks als via de zandfilters op het oppervlaktewater geloosd kan worden.
Bijzonder is dat ook lozing op de riolering – indirecte lozing – mogelijk blijft. Dit wordt gestuurd via het zwevende-stof-gehalte van het effluent. Lozing op het riool wordt gemeld aan de bevoegde gezagen (waterschap en gemeente).