__MAIN_TEXT__

Page 1

Uitgave H2O Voorwoord 2 Duurzaame zoetwatervoorziening: ondergrondse opslag 4 Remineralisatie: marmerfiltratie beste techniek 8 NL-vispopulatiescan 12

WATER

MATTERS KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS Juni 2018

Natuurlijk mangroveherstel 16 Poederkooldosering in actiefslib 20 IJzerverwijdering bij grondwaterzuivering 24 Gebiedsgerichte aanpak nutriĂŤnten 28 Mekong Delta dreigt te verdrinken 32 Bodemdaling in veengebieden 36 Bayesian Belief Networks: veelbelovend gereedschap 40


2

VOORWOORD

Water Matters: onderzoek met zicht op praktische toepassing Voor u ligt de zevende editie van Water Matters, het kennismagazine van vakblad H2O. U treft tien artikelen over uiteenlopende onderwerpen, geschreven door Nederlandse waterprofessionals op basis van gedegen onderzoek. Herhaalde oproepen en persoonlijke benadering hebben voldoende voorstellen voor artikelen opgeleverd om de redactieraad in staat te stellen deze selectie te maken. Daarbij is met name gekeken naar een duidelijke relatie met de dagelijkse praktijk in de watersector. Onderzoek, resultaten en bevindingen moeten nieuw zijn en artikelen opleveren die nieuwe kennis, inzichten en technieken presenteren met uitzicht op praktische toepassing. Ook in deze editie komt een breed scala aan onderwerpen aan bod: van ondergrondse opslag om in verzilte gebieden zoetwater te kunnen terugwinnen tot kustbescherming door natuurlijk mangroveherstel. Verder onder meer: poederkooldosering in actiefslib om microverontreinigingen te verwijderen, detailmonitoring in ruimte en tijd voor effectieve gebiedsgerichte aanpak van nutriĂŤntenverliezen, een modelaanpak om het effect van grondwaterwinning op bodemdaling in de Mekong Delta te kwantificeren en marmerfiltratie als techniek voor het verwijderen van antropogene stoffen. Water Matters is, net als vakblad H2O, een initiatief van Koninklijke Nederlands Waternetwerk (KNW), het onafhankelijke kennisnetwerk voor en door Nederlandse waterprofessionals. Leden van KNW krijgen Water Matters twee keer per jaar als bijlage bij hun vakblad H2O. De uitgave van Water Matters wordt mogelijk gemaakt door vooraanstaande spelers in de Nederlandse watersector. Deze Founding Partners zijn ARCADIS, Deltares, KWR Watercycle Research Institute, Royal HaskoningDHV, Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA) en Wageningen Environmental Research (Alterra). Met de uitgave van Water Matters willen de participerende instellingen nieuwe, toepasbare waterkennis toegankelijk maken. U kunt Water Matters ook digitaal lezen op H2O-online (www.h2owaternetwerk.nl). Daarnaast is deze uitgave als digitaal magazine ook in het Engels beschikbaar via dezelfde website of via www.h2o-watermatters.com. De Engelstalige uitgave wordt mede mogelijk gemaakt door Netherlands Water Partnerschip (NWP), het netwerk van circa 200 samenwerkende (publieke en private) organisaties op het gebied van water. De Engelstalige artikelen kunnen vanuit het digitale magazine op H2O-online worden gedeeld. Voorts zijn artikelen uit eerdere edities terug te vinden op de site. Op Twitter zijn we ook te volgen: @WaterMatters1. Veel leesplezier met deze editie. Wilt u reageren? Laat het ons weten via redactie@h2owaternetwerk.nl Monique Bekkenutte Uitgever (Koninklijk Nederlands Netwerk) Huib de Vriend Voorzitter redactieraad Water Matters


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

INHOUD Wateropslag Duurzame zoetwater­voorziening 4

Combinatie ondergrondse opslag en ontzilting. COLOFON Water Matters is een uitgave van Koninklijk ­Nederlands Waternetwerk (KNW) en wordt mogelijk g ­ emaakt door ARCADIS, Deltares, KWR Watercycle Research Institute, Netherlands Water Partnership (NWP), Royal HaskoningDHV, de Stichting Toegepast Onderzoek Water­beheer (STOWA) en Wageningen Environmental Research (Alterra) UITGEVER Monique Bekkenutte (KNW) HOOFDREDACTEUR Bert Westenbrink Eindredactie Nico van der Wel REDACTIEADRES Koningskade 40 2596 AA Den Haag redactie@vakbladh2o REDACTIERAAD Huib de Vriend (voorzitter), Gertjan Medema, Paul Roeleveld, Arjan Borger, Jeroen Veraart, Joachim Rozemeijer, Michelle Talsma VORMGEVER Ronald Koopmans DRUK Senefelder Misset, Doetinchem

Drinkwater Produceren met RO 8

Marmerfiltratie best beschikbare techniek.

Gebiedsgerichte aanpak? 28

Inzicht nodig in ‘hotspots’ en ‘hot moments’.

Mekong Delta Gebied dreigt te verdrinken 32

Met simulatiemodel toekomstscenario’s ontwikkelen.

Visstand B ­ eperkte Veengebied Bodemdaling gaat inventarisatie­ hard 36 methoden 12 NL-vispopulatiescan is goed alternatief.

Kust­ bescherming Mangrovekust Java erodeert 16 Combinatie waterbouw en ecologie biedt kansen.

Microverontreiniging Poederkool in actiefslib rwzi 20

Werkt effectief en relatief eenvoudig en goedkoop.

Grondwaterzuivering Ontijzering met zandfiltratie 24

Calcium en bicarbonaat hebben grote invloed.

JUNI 2018

Nutriënten

Welke maatregelen zijn er mogelijk?

Oppervlakte­ water

Hoe kwantificeer je samenhang tussen ESF’s? 40

Bayesian Belief Networks lijkt veelbelovend instrument

3


4

WATER MATTERS

DUURZAME ZOETWATERVOORZIENING DOOR COMBINATIE VAN ONDERGRONDSE OPSLAG EN ONTZILTING AUTEURS

Beschikbaar houden van zoet water voor de glastuinbouw in verziltende kustgebieden is geen eenvoudige opgave. Er is een duurzame oplossing, waarbij neerslagoverschotten in de winterperiode zo optimaal mogelijk worden benut door deze in de ondergrond te bergen. Koen Zuurbier

Sija Stofberg

Marcel Paalman

Steven Ros

Gerard van den Berg (Alle auteurs: KWR Watercycle Research Institute)

In verzilte gebieden met een grote watervraag, zoals het Westland, maakt de glastuinbouw gebruik van regenwater als primaire waterbron. De bovengrondse opslagcapaciteit is doorgaans echter ontoereikend om al het regenwater van natte perioden effectief op te vangen. Daarom wordt gebruik gemaakt van brak grondwater, om vooral de glastuinbouw te voorzien van zoet water met een hoge kwaliteit (natriumconcentratie < 10 mg/l). Het brakke grondwater wordt opgepompt, waarna circa de helft hiervan via omgekeerde osmose (RO) wordt omgezet naar zoet water en de andere helft met de zouten (‘brijn’) weer dieper in de ondergrond wordt geretourneerd. Dit heeft als risico dat de verzilting van het grondwater wordt versterkt en staat dan ook beleidsmatig onder druk. In minder verzilte gebieden biedt ondergrondse opslag van (winterse) ­neerslagoverschotten een duurzaam alternatief. De overtollige neerslag vanaf kasdaken wordt via putten in de ondergrond geïnfiltreerd en opgeslagen. In perioden met tekorten wordt dit water weer teruggewonnen. Deze techniek staat bekend onder de naam aquifer storage and recovery (ASR). In sterker verzilte gebieden, zoals het Westland, is deze techniek matig toepasbaar, omdat door dichtheidsverschillen het relatief lichte zoete infiltratiewater omhoog drijft in het brakke grondwater. Het zoete water is daardoor moeilijk ongemengd terug te winnen. In dit artikel presenteren we een concept waarbij ASR en ontzilting van brak grondwater door ‘Reverse Osmosis (RO)’ zijn gecombineerd. Deze combinatie (‘ASRRO’) heeft als doel om een duurzaam en technisch-economisch haalbaar alternatief te bieden voor de huidige praktijk. De opzet is bij een tomatenteeltbedrijf in het Westland getest om de praktische toepasbaarheid te onderzoeken. Aanpak: veldlocatie ‘Prominent’ In 2012 zijn watersystemen van vier glastuinbouw­bedrijven van telersvereniging ‘Prominent’ gekoppeld (zie Figuur 1). Hierdoor kwam het overtollige hemelwater van in totaal 27 hectare kasdaken beschikbaar. Een ASR-systeem is aangelegd om het hemelwater te kunnen infiltreren in een zandlaag op 23 tot 37 m diepte, waar het grondwater van nature brak was (ca. 4300 mg/l chloride). Het ASR-systeem is gevoed met het water dat anders zou overstorten uit de regenwaterbassins van de tuinder. Gepoogd is om deze bassins op een vulgraad van ca. 70-90% te houden, zodat er een berging van minimaal ca. 20 mm overbleef voor opvang van neerslag. Voorafgaand aan infiltratie is het regenwater gezuiverd met een lang-


5

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Figuur 1: Overzicht van de ASRRO proef bij Prominent Groeneweg

Duurzame zoetwatervoorziening

4

zaam zandfilter. Het ASR-systeem was ontworpen om maximaal zoetwater te kunnen winnen, ondanks opdrijving en menging. Hiervoor zijn een aantal aanpassingen geïntroduceerd ten opzichte van een eenvoudig ASR-systeem (zie Figuur 2): 1. Er kon op drie verschillende dieptes water worden geïnfiltreerd en teruggewonnen; 2. De diepste putten konden functioneren als ­‘Freshkeeper’: een afvangput om naderend brak grondwater op diepte af te vangen en ondiepe winning van zoet water te beschermen. Het afgevangen brakwater is geretourneerd in een dieper watervoerend pakket (50 – 90 m diep); 3. Er was de optie om het teruggewonnen water weer te ontzilten, wanneer er sprake was van menging van het zoete water met brak grondwater (vanaf mei 2015). Dit water is gewonnen middels de ASR-putten (in het hart van de ingebrachte zoetwaterbel: ‘ASRRO’). Daarnaast is dit

JUNI 2018

v­ ermengde water ook gewonnen met de reeds aanwezige winput behorend bij het ontziltingssysteem van Prominent (aan de rand van de zoetwaterbel: ‘BWRO’: brakwater RO). Het resterende brijn na ontzilting werd geloosd in een dieper watervoerend pakket (50 – 90 m diep). De bedrijfsvoering en de waterkwaliteit (voor, tijdens, na verblijf in de ondergrond) werden continu ge­ monitord via een uitgebreid netwerk. Hierbij werden grondwateraanvulling en -onttrekking automatisch gemeten, alsmede de zoutconcentraties (op basis van elektrische geleidbaarheid) van het gewonnen water. Door middel van sensoren, boorgatmetingen en bemonstering en analyse (macrochemie, spoor­ elementen, modified fouling index (MFI)) van grondwater op verschillende dieptes op 5, 15, 30, 40 en 60 m afstand van de ASR-putten is de verspreiding en de waterkwaliteitsontwikkeling van opgeslagen water gemonitord. Daarnaast is een gedetailleerd 3-D,


6

WATER MATTERS

Figuur 2: Principe van ASRRO ter plaatse van Prominent. BWRO = winning via bestaande ontziltingssysteem van Prominent, aan de rand van de zoetwaterbel

dichtheidsafhankelijk grondwatermodel opgezet met de modelcode SEAWAT om de transportprocessen in de ondergrond te evalueren en de effecten op het grondwatersysteem te doorzien. Resultaten Uit de metingen bleek dat na infiltratie van 168 000 m3 kon in totaal 39 000 m3 (23%) praktisch ongemengd worden teruggewonnen voor direct gebruik. Deze terugwinning werd beperkt doordat dieper grond­water via het boorgat van een diepere bron voor warmte-koude opslag nabij de ASR-putten het watervoerende pakket kon binnendringen (Figuur 1), hetgeen door chemische analyses en modellering kon worden aangetoond. Deze kortsluitstroming, die ontstaan is door eerder menselijk ingrijpen in de ondergrond, bleek de mogelijke ongemengde terugwinning ongeveer te halveren en heeft dus grote impact op het succes van ASR in een verzilte ondergrond. De resterende watervraag werd ingevuld door het onttrokken gemengde brakwater/hemelwater via RO te ontzilten. Dit leidde tot een gemeten productie van nog eens 64 000 m3 zoetwater, waardoor in totaal 61% van het ingebrachte zoetwater werd herwonnen. In de ondergrond had ASRRO uiteraard effect op de verdeling van zoet en zout grondwater. De modellering bood hier meer inzicht in. Rond de twee putten voor infiltratie en terugwinning ontstond tijdelijk een zoetwaterbel met een waargenomen en door het model bevestigde diameter van maximaal 120 m. In droge perioden werd deze bel deels weer onttrokken voor de winning van ongemengd zoetwater (direct gebruik) en gemengd zoetwater/brakwater (voor behandeling met RO). Doordat gemiddeld meer zoetwater werd geïnfiltreerd dan werd onttrokken, werd berekend dat de zoutconcentraties van het grond­ water afnamen. Dit werd bevestigd door metingen aan het gewonnen water en de resultaten van het

SEAWAT-model. Het brijn dat als bijproduct van de ASRRO en de BWRO vrijkwam, bleef hierdoor ook relatief zoet. De zoutconcentraties van het ‘brijn’ dat in het tweede watervoerende pakket werd geloosd waren gelijk of lager dan het aanwezige grondwater in dit pakket (Figuur 3). Aandachtspunten en kostprijs De infiltratie van hemelwater had positieve effecten op de zoutconcentraties, maar bracht ook kleideeltjes uit het watervoerende pakket in suspensie tijdens het verdringen van brak grondwater. Dit verhoogde de troebelheid aan de rand van de zoetwaterbel en leidde tot verstopping van RO-membranen wanneer het water uit deze zone werd onttrokken en gevoed aan het BWRO-systeem (Figuur 2). Door alleen diep brakwater te onttrekken (via de diepe filters van de ASRRO) en de membranen regelmatig te spoelen met zoet permeaat (bij de BWRO) kon verstopping worden tegengegaan. Naast deze mobilisatie van kleideeltjes, is de kwaliteit van het hemelwater een aandachtspunt. Tijdens de veldproef zijn lage concentraties gewasbeschermingsmiddelen waargenomen (vrijwel altijd <0.1 µg/l per werkzame stof; somconcentratie <0.5 µg/l). Ook bleek zink (in opgeloste vorm, waarschijnlijk afkomstig van de dakconstructies) vrijwel continu in relatief hoge concentratie aanwezig in het infiltratiewater (gemiddeld >100 µg/l). De kostprijs van geproduceerd water via ASRRO bleek hoger dan die voor conventionele ontzilting van brakwater. Wel zijn er stimuleringsmaatregelen (MIA/ ­­­ Vamil) die ervoor zorgen dat bij toepassing bij tuinders de meerkosten worden gereduceerd. In het geval dat bij infiltratie van en productie van 30 000 m3/j er 1/3 deel ongemengd kan worden teruggewonnen en 2/3 deel via RO moet worden behandeld, zijn de kosten voor ASRRO en conventionele brakwaterontzilting


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Figuur 3: Gemodelleerde chlorideconcentraties na 3 jaar bedrijfsvoering ASRRO Westland. De horizontale stippellijnen geven de ligging aan van het eerste en tweede watervoerende pakket (eerste van 23 m tot 37 m-mv, tweede vanaf 46 m-mv)

respectievelijk 0.70 en 0.64 euro/m2. Dit is interessanter dan opslag van hetzelfde volume in een bassin (1.37 euro/m3). Wanneer geen zoetwater ongemengd teruggewonnen kan worden en de water­ vraag via RO moet worden geproduceerd, stijgt de kostprijs naar 0.80 euro/m3. Niet meegerekend zijn overige baten (ecosysteemdiensten), zoals vermeden kosten voor alternatieve berging voor ­neerslagpieken en het voorkomen van verdere verzilting van de ­ondergrond. Conclusies Het continu beschikbaar houden van voldoende zoet water is een grote opgave in kustgebieden wereldwijd. Onttrekking en ontzilting van brak grondwater maakt weliswaar zoet water beschikbaar, maar heeft het risico dat de ondergrond verzilt. Een alternatief is dat tijdelijke overschotten in natte perioden in de ondergrond worden gebracht via aquifer storage and recovery (ASR). Deze techniek is gecombineerd met ontzilting via omgekeerde osmose (RO) tot ASRRO om ook in zoutere condities zoetwater te kunnen terugwinnen uit de ondergrond, zonder dat dit leidt tot verzilting. De werking van ASRRO is aangetoond bij de glastuinders van Prominent in het Westland. Belangrijke randvoorwaarden voor ASRRO zijn de voorzuivering en de strategie van de terugwinning en ontzilting om verontreiniging van grondwater en membranen te voorkomen. Op bedrijfsschaal leidt ASRRO tot hogere, maar naar verwachting acceptabele kosten per m3 geproduceerd zoet water. Koen Zuurbier Sija Stofberg Marcel Paalman Steven Ros Gerard van den Berg (KWR Watercycle Research Institute)

JUNI 2018

Duurzame zoetwatervoorziening

Referenties Zuurbier, K.G., Stuyfzand, P.J., 2017. Consequences and mitigation of saltwater intrusion induced by short-circuiting during aquifer storage and recovery in a coastal subsurface. Hydrol. Earth Syst. Sci., 21(2): 1173-1188. Zuurbier, K.G., Ros, S., Paalman, M., 2017. Valorisation and demonstration of an ASRRO application in a field application. DESSIN, D33.1: 88 p. Stofberg, S. F., Paalman, M., Zuurbier, K.G. 2017. Evaluation of the improvement of Ecosystem Services as a result of ASR/RO application, DESSIN, D33.2: 56 p. Stuyfzand, P.J., Raat, K.J., 2010. Benefits and hurdles of using brackish groundwater as a drinking water source in the Netherlands. Hydrogeology Journal, 18(1): 117-130. DOI:10.1007/s10040-009-0527-y

SAMENVATTING Het beschikbaar houden van zoet water voor de glastuinbouw in verziltende kustgebieden is geen eenvoudige opgave. In droge perioden ontstaan tekorten en kiezen tuinders voor ontzilt ­grondwater ter aanvulling van hun gietwatervoorziening. Het risico is dat hierdoor de ondergrond verder verzilt. In dit artikel presenteren we een duurzame oplossing, waarbij neerslagoverschotten in de winterperiode zo optimaal mogelijk worden benut door deze in de ondergrond te bergen. Deze extra voorraad zoet water kan met één systeem deels direct worden gebruikt en deels na ontzilting geschikt worden gemaakt. Zo ontstaat zowel een betrouwbare zoetwatervoorziening als een balans tussen infiltratie en winning van zoet water. Zo wordt verdere verzilting van het grondwater worden tegengegaan.

7


8

WATER MATTERS

Pilotkolommen voor marmerfiltratie, onderdeel van de volautomatische proefinstallatie

AUTEURS

Danny van der Veldt Marleen Heidekamp (Royal HaskoningDHV) (Evides Drinkwaterbedrijf)

Harmen van der Laan (drinkwaterbedrijf Oasen, H3O.nu)

REMINERALISATIE VAN REVERSE OSMOSIS-PERMEAAT BIJ DE PRODUCTIE VAN DRINKWATER Nederlandse drinkwaterproducenten stuiten steeds vaker op antropogene stoffen in het water dat ze winnen, zoals industriële stoffen, medicijnresten en bestrijdingsmiddelen. Hoewel aangetroffen concentraties nog laag zijn, bezinnen de bedrijven zich op nieuwe manieren van zuivering. Ook de verzilting van het (oever)grondwater vormt een flinke uitdaging. De vraag daarbij is: welke methode kies je om die stoffen optimaal te verwijderen en hoe zorg je vervolgens dat het geproduceerde water weer chemisch stabiel is en aan de wettelijke normen voldoet (remineralisatie)? Evides Waterbedrijf en Oasen Drinkwater deden een nagenoeg gelijksoortig onderzoek naar de toepassing van remineralisatie na zuivering van oppervlaktewater en (oever)­grondwater door reverse osmosis (RO). RO-permeaat is namelijk wel schoon, maar chemisch niet stabiel. Evides en Oasen deden hun onderzoek deels zelfstandig, deels gezamenlijk. De onderzoeksvragen richtten zich op het vaststellen van ontwerpparameters voor het ­remineralisatieproces (zoals contacttijd en efficiëntie van het gebruik van koolzuurgas), én op de relatie tussen filtratiesnelheid en de vereiste drinkwaterkwaliteit, zoals het gehalte aan waterstofcarbonaat en troebelheid. Ook is gekeken of de kalkafzettendheid van het geproduceerde water voldoet aan de gestelde eisen.


9

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Tabel 1. Samenvatting pilotonderzoek Oasen naar de best beschikbare remineralisatiemethode, afgewogen op water­ kwaliteit, operationele parameters, robuustheid (FMECA), duurzaamheid (LCA) en kosten

Bedrijfsbreed onderzoeksprogramma Ondanks de hoge kwaliteit van conventionele zuiveringen in de Nederlandse drinkwaterbereiding, is het niet altijd mogelijk om alle antropogene stoffen optimaal te verwijderen, en zout al helemaal niet. Hoewel de concentraties van deze stoffen in drinkwater nog zeer laag zijn en zij geen gevaar vormen voor de volksgezondheid, bereiden beide bedrijven zich voor op de toekomst. Bij Oasen startte men in 2012 met het onderzoeksprogramma Onberispelijk water met 100% RO en remineralisatie, om haar nieuwe zuiveringsconcept op basis van membraanfiltratie te onderzoeken en te ontwikkelen. Evides startte in 2014 een bedrijfsbreed onderzoeksprogramma naar oplossingen en toepassingen voor de toekomstige u ­ itdagingen bij de productie van drinkwater ­(onder andere door middel van membraanfiltratie en ­remineralisatie), industrie- en afvalwater, inclusief de vraagstukken rondom het leidingnet. Antropogene stoffen verwijderen uit water Omgekeerde osmose (RO) is één van de mogelijk­ heden om antropogene stoffen en zout verregaand te verwijderen. Dit zuiveringsproces wordt in Nederland op beperkte schaal en in deelstroom toegepast in de drinkwaterbereiding. De toepassing op zoet rivier- en (oever)grondwater, enkel en alleen om a ­ ntropogene stoffen uit het water te halen, is vernieuwend te ­noemen. Bij RO is een nabehandeling essentieel om het water chemisch stabiel te maken en aan de wettelijke normvoorschriften te laten voldoen. Dit nabehan-

JUNI 2018

Remineralisatie RO-permeaat

8

delingsproces heet remineralisatie en zorgt ervoor dat de buffercapaciteit en hardheid op het benodigde peil komen. Bij remineralisatie wordt in het permeaat waterstofcarbonaat in oplossing gebracht door het contact met calciumcarbonaat (marmer). Deze grondstof kan oplossen doordat de kalkagressiviteit van het permeaat hoog is, door het aanwezige koolzuurgas. Dit koolzuurgas kan van nature ­aanwezig zijn of worden toegevoegd. Na de oplossingsreactie wordt het resterende koolzuurgas weer verwijderd door een ontgassingsstap. Best beschikbare remineralisatiemethode Voor Oasen was de belangrijkste onderzoeksvraag: Wat is de best beschikbare remineralisatie-methode? Alle mogelijke technologieën zijn hiervoor in kaart gebracht, waarna er een voorselectie is gemaakt (zie tabel 1). De toepassing van calciumchloride viel af vanwege de hoge kosten en de hoge CO2-footprint op basis van Life-Cycle Analysis (LCA). Voor het praktijkonderzoek bleven er twee technieken over: (conventionele) marmerfiltratie en microcalcietdosering. Marmerfiltratie bestaat uit een oplossingsreactie door filtratie over marmerkorrels. Microcalciet­ dosering is de oplossingsreactie van marmerpoeder en scheiding door middel van membraanfiltratie. Bij de laatste is alleen de doseringsoptie op pilotschaal getest. De optie van een Membrane Calcite Reactor (MCR) was ten tijde van het onderzoekprogramma nog niet verder dan lab-schaal ontwikkeld. Daarmee verviel deze optie, aangezien Oasen op korte termijn


10

WATER MATTERS

Afbeelding 1. Efficiëntie van koolzuurgasgebruik tijdens remineralisatie met marmerfiltratie als functie van de contacttijd bij verschillende koolzuurgasdoseringen en een watertemperatuur van 2°C

de beste techniek wil kunnen implementeren. Pilotonderzoek remineralisatie bij lage water­ temperaturen Bij het pilotonderzoek van Evides was de hoofdvraag: Is het mogelijk RO-permeaat te remineraliseren bij een lage watertemperatuur? En is dat een duurzaam en werkbaar proces? Evides neemt vanuit de spaarbekkens in de Brabantse Biesbosch oppervlaktewater uit de Maas in, waarvan de temperatuur in de winter tot 2° C kan dalen. Er is weinig bekend over remineralisatie bij zeer lage temperaturen. De vraag was of dat limiterend zou gaan werken voor de reactiekinetiek en het oplossen van de benodigde mineralen. Daarbij is ook gekeken naar de optimale bedrijfsvoering en de kosten van deze processtap. Verschillende remineralisatietechnieken bekeken op operationele parameters In de pilotopstellingen van Evides en Oasen werden op een schaal van 1 tot 10 m3 per uur de verschillende remineralisatietechnieken op operationele parameters onderzocht: de efficiëntie van koolzuurgasgebruik, energiekosten, waterkwaliteit, faalkansen, duurzaamheid en natuurlijk kosten. De hypothese was dat marmerfiltratie niet als beste zou scoren, met name als het gaat om de troebelheid van het geproduceerde water als gevolg van het uitspoelen van zeer fijne marmerdeeltjes. Het onderzoek liet echter zien dat marmerfiltratie tóch het beste scoorde door een hoge waterkwaliteit, een grote CO2-efficiëntie

(85-90%) en lage kalkafzettendheid. Anders dan verwacht bleek juist in het geproduceerde water met marmerfiltratie de troebelheid minimaal. Een smaakpanel op de Wageningen Universiteit oordeelde positief over de smaak van het ‘nieuwe’ water van Oasen. Verschil in gebruikte watertemperatuur Het belangrijkste verschil tussen de onderzoeken van de beide waterbedrijven is de gebruikte watertemperatuur. Waar Oasen werkt met een relatief constante grondwatertemperatuur van 11° C, staat Evides voor de uitdaging om ook ’s winters gezuiverd oppervlaktewater te remineraliseren bij een temperatuur van 2° C. Het pilotonderzoek met marmerfiltratie bij lage watertemperaturen heeft laten zien dat - als gevolg van een tragere reactiekinetiek - er óf een langere contacttijd óf een hogere (en daarmee inefficiëntere) koolzuurdosering nodig is om dezelfde waterkwaliteitsdoelstellingen te halen als bij 11° C (zie afbeelding 1). Dit heeft direct gevolgen voor de dimensionering en het kostenplaatje van het remineralisatieproces. De onderzoeksresultaten laten echter zien dat dit niet leidt niet tot onrealistische praktijk­ situaties. Eindconclusie Als uitkomst van het vierjarige o ­ nderzoeks-­ programma bij Oasen kwam marmerfiltratie als best beschikbare techniek voor remineralisatie naar voren. De robuustheid, de hoge CO2-efficiëntie en de lage


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

troebelheid en kalkafzettendheid waren doorslag­ gevend. Evides en Oasen kwamen op hetzelfde kostenplaatje uit: ­ongeveer 6 tot 8 cent per kubieke meter geproduceerd water. Daarmee is marmerfiltratie ook nog eens het voordeligst. Marmerfiltratie heeft daarom de voorkeur en zal in de nabije toekomst ook daadwerkelijk op een van de zuiveringen van Oasen worden gerealiseerd. De onderzoekers van Evides hebben na uitgebreid onderzoek aangetoond dat het ook bij zeer lage ­watertemperaturen mogelijk is om permeaat te remineraliseren bij praktisch acceptabele contacttijden en koolzuurgasdoseringen. De efficiëntie daalt weliswaar ten opzichte van het proces bij hogere watertemperaturen, maar de waterkwaliteitsnormen kunnen gehaald worden zonder dat dit tot onacceptabel hoge kosten leidt. De ontwerpparameters voor marmerfiltratie vallen binnen de verwachte waarden, met realistische filtratiesnelheden en filterbedvolumes. Ook de kalkafzettendheid van het filtraat is uitgebreid onderzocht en voldoet aan de eisen.

Bronnen Coppens L. et al. (2014), Impact van RWZI’s op geneesmiddelconcentraties in kwetsbaar oppervlaktewater, H2O, 26 november 2014

Vervolgstappen Op basis van het proefonderzoek werkt Oasen momenteel het volledige ontwerp voor haar nieuwe zuiveringen uit. Oasen is in het TKI-project Remineralisatie van RO Permeaat in samenwerking met KWR Water Research en Royal HaskoningDHV doorgegaan met het onderzoek naar verdere optimalisatie en chemische modellering van marmerfiltratie. Evides gebruikt de uitkomsten van dit onderzoek binnen een breder onderzoek naar toekomstige zuiveringstechnieken. Op de Amsterdam International Water Week 2015 initieerde Oasen een internationale sessie rondom het thema remineralisatie. Evides en Oasen presenteerden daarnaast allebei hun resultaten op de European Desalination Society-conferentie in Rome in 2016.

Evides Waterbedrijf en Oasen Drinkwater willen toekomstige bedreigingen van de drinkwater­ kwaliteit vóór zijn. Daarom deden zij (deels gezamenlijk) onderzoek naar de toepassing van remineralisatie bij het produceren van drinkwater met reverse osmosis (RO). Hun onderzoeksvragen richtten zich op het vaststellen van ontwerppara­ meters, zoals contacttijd en efficiëntie van het gebruik van koolzuurgas, én op filtratiesnelheid in relatie tot de kwaliteitseisen, zoals waterstofcarbonaat en troebelheid. Ook is gekeken of de kalkafzettendheid van het geproduceerde water aan de eisen voldoet. Bij beide bedrijven bleek marmerfiltratie de best beschikbare techniek voor remineralisatie. Oasen zal die techniek in de nabije toekomst ook daadwerkelijk op een van haar zuiveringen realiseren. De onderzoekers van Evides toonden aan dat het ’s winters ook bij zeer lage watertemperaturen mogelijk is om permeaat te remineraliseren bij praktisch acceptabele contacttijden en koolzuurdoseringen. Evides gebruikt de uitkomsten van dit onderzoek binnen een breder onderzoek naar toekomstige zuiveringstechnieken.

Danny van der Veldt (Royal HaskoningDHV) Marleen Heidekamp (Evides Drinkwaterbedrijf) Harmen van der Laan (drinkwaterbedrijf Oasen, H3O.nu)

JUNI 2018

11

Houtman, C.J. et al. (2010) Emerging contaminants in surface waters and their relevance for the production of drinking water in Europe, Journal of Integrative Environmental Sciences, 7:4, 271-295, DOI: 10.1080/1943815X.2010.511648 Hamann, E et al. (2016) The fate of organic micropollutants during long-term/long-distance river bank filtration, Sci Total Environ. 2016 Mar 1;545-546:629-40. doi: 10.1016/j.scitotenv.2015.12.057. Epub 2016 Jan 5. Ter Maat J. et al. (2015) Cumulatieve effecten van externe ingrepen voor de zoetwatervoorziening in de 21e eeuw, Rapport Deltares, Deltaprogramma, Deelprogramma Zoetwater, juni 2015 (http://publications.deltares.nl/1220104_000.pdf)

SAMENVATTING

Remineralisatie RO-permeaat


12

WATER MATTERS

iStockphoto

AUTEURS

Marloes van der Kamp (Witteveen+Bos)

Marco Beers (Waterschap Brabantse Delta)

Michiel Hootsmans & Bart Wullings (KWR Watercycle Research Institute)

MONITORING VAN VISPOPULATIES MET EDNA: DE NL-VISPOPULATIESCAN ALS KANSRIJKE BENADERING Vanuit de Kaderrichtlijn Water (KRW) zijn waterbeheerders verplicht om periodieke monitoring van de visstand uit te voeren. De huidige monitoringspraktijk kent echter beperkingen. De NL-Vispopulatiescan, op basis van eDNA, vormt in potentie een goed alternatief voor het onderdeel soortensamenstelling in de huidige KRW-monitoring. Waterbeheerders zijn verplicht om de visstand te monitoren. Traditionele vis inventarisatiemethoden hebben beperkingen voor het opsporen van zeldzame en moeilijk vangbare ­soorten. Bovendien zijn deze technieken arbeidsintensief en daarmee kostbaar en verstoren ze de vissen en het leefgebied. Nieuwe methoden die zich richten op de aanwezigheid van eDNA (sporen) zijn een diervriendelijker, beter te standaardiseren, mogelijk ook betrouwbaarder en op termijn goedkoper alternatief voor de bepaling van de soortensamenstelling van een vispopulatie. In 2017 hebben KWR, Waterschap Limburg, Waterschap Aa en Maas, Waterschap B ­ rabantse Delta, ATKB, BaseClear en Witteveen+Bos een nieuwe eDNA metabarcoding methode ontwikkeld, de NL-Vispopulatiescan. In editie 2 van Water Matters 2017 zijn Wullings et al. (2017) ingegaan op de ontwikkelde methode en de laboratoriumvalidatie van de NL-­ Vispopulatiescan aan de hand van een mock community. In dit vervolgartikel worden de uitkomsten van de NL-Vispopulatiescan in de praktijk vergeleken met de resultaten van traditionele visstandbemonsteringen in de Roer, Dieze, Stadse Aa en Aa of Weerijs. Een belangrijke kanttekening bij deze vergelijking is dat beide methoden een mogelijke bias hebben, o.a. door de trefkans van de methode of door toevalsprocessen als gevolg van een beperkte steekproef.


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

13

Figuur 1 Aantal gedetecteerde soorten per onderzocht waterlichaam

Onderzoeksopzet In de nazomer van 2017 hebben in de Roer, Stadse Aa, Dieze, en Aa of Weerijs op respectievelijk 7, 2, 2, en 5 locaties gelijktijdig eDNA monsternames voor metabarcoding analyse en traditionele visstands­ bemonsteringen plaatsgevonden. Op één locatie in de Dieze werd met de KRW bevissing geen vis gevangen. Op twee locaties in de Aa of Weerijs kon te weinig DNA worden geëxtraheerd voor de analyse. Deze locaties zijn daarom niet meegenomen in deze studie. De beschikbare resultaten zijn samengevoegd op waterlichaamniveau en met elkaar vergeleken. Zowel de visstand- als eDNA bemonstering heeft langs een traject van 250 m plaatsgevonden. Voor de eDNA analyse is op elk traject één monster genomen bestaande uit 10-20 mengmonsters. In de analyses is voor elk monster een blanco monster meegenomen. De KRW-visbemonsteringen zijn uitgevoerd conform de richtlijnen in het Handboek Hydrobiologie (Bijkerk, 2014). eDNA en metabarcoding methode De eDNA methodiek van de NL-Vispopulatiescan is gebaseerd op het identificeren van DNA-sporen die levende vissen achterlaten in het milieu. Het betreft sporen van uitwerpselen, slijm, huid of schubben. Met de metabarcoding analyse worden de aanwezige vissoorten geïdentificeerd op basis van hun unieke DNA-code. Hiervoor is een kort mitochondriaal DNA-fragment van ongeveer 110 bouwstenen geselecteerd. Dit DNA-­fragment wordt uit het bemonsterde eDNA selectief vermenigvuldigd (100.000 keer), waarna het met metabarcoding kan worden geanalyseerd. Door de uitkomsten van de vermenigvuldigde fragmenten te matchen met een database kunnen de aangetroffen vissoorten worden bepaald.

JUNI 2018

Resultaten De resultaten van de samenvoeging laten zien dat met de NL-Vispopulatiescan in de Roer, Stadse Aa en Dieze meer soorten werden gedetecteerd dan met traditionele vangstmethoden (figuur 1). In de Aa of Weerijs is tijdens de KRW-bemonstering in totaal één soort meer aangetroffen dan met de eDNA bemonstering. De beide methoden vertonen veel overeenkomsten in de aangetroffen soorten. Circa 60% procent van de soorten wordt in beide methoden aangetroffen. Er zijn echter ook verschillen. Zo zijn in de Aa of Weerijs alleen met eDNA de soorten Paling, Zwartbekgrondel en Beekdonderpad aangetroffen, en alleen in de KRW-bemonstering werden daar Snoekbaars, Roofblei, Blauwband en Winde gevangen. Het betreft soorten die in zeer lage dichtheden voorkomen, waardoor trefkans/toeval een rol speelt. De soorten die met de NL-Vispopulatiescan in de Roer, Stadse Aa, Dieze en Aa of Weerijs aanvullend zijn aangetroffen passen binnen de onderzochte systemen. De soorten Karper, Snoek, Giebel/Goudvis en Vetje zijn in drie van de vier waterlichamen gemist bij de bevissing (figuur 2). Zeelt werd tweemaal gemist. In al deze gevallen betrof het een laag aandeel (<10%) in het totaal aantal eDNA gemeten sequenties. In ­onderzoek van Herder & Kranenbarg (2016) met eDNA metabarcoding werden Karper, Giebel/Goudvis en Vetje eveneens vaker gemist in de KRW-visbemonstering ten opzichte van de eDNA inventarisatie. Een mogelijke verklaring voor het relatief vaak missen van Karper en Giebel/Goudvis ligt in het feit dat dit veelal grote volwassen vissen betreft die regelmatig voorkomen in lagere dichtheden en die goed kunnen vluchten. Vetje en Zeelt zijn plantminnende

NL-vispopulatiescan

12


14

WATER MATTERS

Figuur 2 Per soort het aantal waterlichamen (maximaal 4) waarin de soort wel met eDNA is aangetoond, maar niet bij de KRW visstandbemonstering is gevangen en vice versa. NB: de Zeeprik zat niet in de DNA database en kon dus ook niet met eDNA worden gedetecteerd

maar weinig eDNA aanwezig, en dan voornamelijk in de directe omgeving van de betreffende vissen. Net zoals bij iedere bemonsteringsmethode speelt daarmee ook de trefkans een belangrijke rol.

soorten die bij hoge vegetatiedichtheid moeilijk te vangen zijn als ze in lage dichtheden voorkomen. Voor de overige ‘gemiste’ soorten gaat het slechts om één waterlichaam en toeval kan daarbij ook een rol gespeeld hebben, zeker als soorten in lage dichtheden voorkomen. Met de eDNA bemonstering zijn ook één of soms enkele soorten gemist die wel met de KRW-bevissing zijn gevangen (Figuur 2). Meestal betrof het ­soorten die in relatief lage dichtheden zijn aangetroffen (<0.2 kg/ha). In de Aa of Weerijs betrof het ook een ­relatief grote populatie Winde (ca. 35 kg/ha) en Snoekbaars ca. 10 kg/ha). Winde en Snoekbaars maakten circa 20 en 12% van de biomassa van de aangetroffen populaties (op trajectniveau) uit. Vooral bij Snoekbaars ging het om grote exemplaren, waardoor de dichtheid in aantallen laag is. In het algemeen kan worden gesteld dat ondanks de hoge detectiegevoeligheid, soorten toch ook met een eDNA analyse kunnen worden gemist. Bij (zeer) lage visdichtheden is bijvoorbeeld naar verwachting ook

Conclusies De resultaten op waterlichaamniveau laten zien dat: • De NL-Vispopulatiescan een geavanceerde methodiek is waarmee relatief snel en effectief informatie over de soortensamenstelling van de visstand in zowel stilstaande als stromende wateren valt te bepalen. • De NL-Vispopulatiescan in de onderzochte systemen een belangrijk aanvullend beeld geeft van de aanwezige diversiteit aan soorten ten opzichte van de KRW visstandbemonstering. Er worden met deze aanpak in drie van de vier onderzochte systemen meer en aanvullende soorten gedetecteerd die ook verwacht mogen worden in de onderzochte systemen. De methode lijkt daarmee betrouwbaarder. Deze resultaten zijn in lijn met eerdere bevindingen (Herder & Kranenbarg, 2016). Deze toename in aantal gedetecteerde soorten is waarschijnlijk het gevolg van de gevoeligheid van de metabarcoding methode. Ook heel kleine hoeveelheden eDNA worden gedetecteerd. Door die hoge gevoeligheid bestaat er tevens een vergrote kans op vals positieve waarnemingen. In dit onderzoek is dit uitgesloten door gebruik van een blanco. • De gebruikte eDNA extractiemethode (­precipitatie in het veld met isopropanol) blijkt in sommige wateren gevoelig voor verstoringen. De oorzaak hiervan is nog niet achterhaald. Momenteel wordt gewerkt aan een tweede extractiemethode op basis van labfiltratie die bij nieuwe monsters wel leidde tot een succesvolle extractie. Deze methode verdient nog verdere optimalisatie. • Ook bij de NL-Vispopulatiescan kunnen soorten worden gemist. Bij (zeer) lage visdichtheden is


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

naar verwachting ook maar weinig eDNA aan­ wezig, en dan voornamelijk in de directe omgeving van de betreffende vissen. En net zoals bij iedere bemonsteringsmethode speelt daarmee de trefkans een belangrijke rol. Aanvullend onderzoek is nodig om te bepalen of bij een hogere bemonsteringsinspanning te betrouwbaarheid van de methode toeneemt. Toekomst De inzet van eDNA voor de monitoring van vispopulaties vormt in potentie een goed alternatief voor het bepalen van de soortensamenstelling. Om van eDNA echter een volwaardig alternatief voor de KRW-monitoring te maken zijn een aantal ontwikkelingsrichtingen denkbaar: 1. Vergelijking van meerdere in ontwikkeling zijnde eDNA metabarcoding methoden om te komen tot een landelijke of Europese standaard voor toepassing. Hieronder valt o.a. de standaardisatie en/of harmonisatie van monstername, extractie en bio-informatica. Landelijke/Europese afstemming en het doen van ringtesten en opname in Handboek Hydrobiologie lijken hierbij op zijn plaats. Mogelijk kan ook worden gedacht aan NEN -certificering. 2. Aanpassing van de KRW-maatlatten voor de beoordeling van de visstand op de mogelijkheden van eDNA. De huidige KRW-beoordeling vindt plaats op basis van de soortensamenstelling en verhoudingen tussen soorten in aantallen en biomassa’s. Een verkennende analyse laat zien dat de voor de huidige KRW-monitoring benodigde informatie over aantallen en/of biomassa’s (nog) niet voldoende betrouwbaar met eDNA kan worden bepaald. Vanwege de meerwaarde van de techniek en de kosteneffectiviteit wordt er toch al gesproken over een eventuele aanpassing voor de beoordeling. Afhankelijk van het doel kunnen de beide methoden parallel aan elkaar ingezet worden. Financiering voor dit onderzoek kwam mede uit de Toeslag voor Topconsortia voor Kennis en Innovatie (TKI's) van het ministerie van Economische Zaken (Topsector Water).

JUNI 2018

15

Marloes van der Kamp (Witteveen+Bos) Marco Beers (Waterschap Brabantse Delta) Michiel Hootsmans & Bart Wullings (KWR Watercycle Research Institute Literatuur J.E. Herder & J. Kranenbarg, 2016. eDNA metabarcoding vissen – Verkennend onderzoek naar de mogelijke toepassing van eDNA voor de KRW vismonitoring, RAVON/STOWA rapport 2016-19. B. Wullings, D. van der Pauw Kraan, E. Kardinaal, M. Hootsmans, 2017. Characterising fish populations quickly and ­efficiently using eDNA metabarcoding. Water Matters 2017-2. R. Bijkerk (red.), 2014. Handboek Hydrobiologie. Biologisch onderzoek voor de ecologische beoordeling van Nederlandse zoete en brakke oppervlaktewateren. Deels aangepaste versie. Stowa rapport 2014-02.

SAMENVATTING Waterbeheerders zijn verplicht om de visstand te monitoren. De huidige praktijk kent echter beperkingen. Nieuwe methoden op basis van eDNA lijken een goed alternatief voor de bepaling van de soortensamenstelling van een vispopulatie. In 2017 hebben KWR, Waterschap Limburg, Waterschap Aa en Maas, Waterschap Brabantse Delta, ATKB, BaseClear en Witteveen+Bos een nieuwe eDNA metabarcoding techniek ontwikkeld, de NL-Vispopulatiescan. De NL-Vispopulatiescan werd toegepast in de Roer, Stadse Aa, Dieze en Aa of Weerijs. De resultaten werden vergeleken met de resultaten van traditionele visstandbemonsteringen en lieten zien dat de NL-Vispopulatiescan in de onderzochte systemen een goed beeld geeft van de aanwezige diversiteit aan soorten. Met de NL-Vispopulatiescan worden in vrijwel alle gevallen meer soorten gedetecteerd dan met traditionele vangstmethodieken. De soorten die met de NL-Vispopulatiescan aanvullend zijn aangetroffen, kunnen in de onderzochte watersystemen verwacht worden. De NL-Vispopulatiescan vormt in potentie een goed alternatief voor het onderdeel soortensamenstelling in de huidige KRW-monitoring.

NL-vispopulatiescan


16

WATER MATTERS

Interieur van doseerunit

AUTEURS

Herman Evenblij en Paul Roeleveld (Royal HaskoningDHV)

Katarzyna Kujawa-Roeleveld en Els Schuman (LeAF)

Ad de Man (Waterschaps­bedrijf Limburg)

Mirabella Mulder (Mirabella Mulder Waste Water Management)

POEDERKOOLDOSERING IN ACTIEFSLIB VOOR DE VERWIJDERING VAN MICROVERONTREINIGINGEN Watervervuiling met stoffen als medicijnresten, industriële verontreinigingen en bestrijdingsmiddelen is een groeiend probleem. Rioolwaterzuiveringen dragen met hun effluent bij aan de emissie van deze microverontreinigingen. Eén van de opties om deze emissies te verlagen is de adsorptie aan actiefkool. Het project Schone Maaswaterketen onderzocht de toevoeging van poederkool aan het actiefslib van een rwzi, om te kijken of dit een effectieve en betaalbare manier is om het effluent schoner te krijgen. Dit artikel beschrijft het onderzoek naar de full scale toepassing van continue dosering van poederactiefkool (PAK) in het actiefslib van de rwzi Papendrecht. Dit onderzoek vond plaats in het project Schone Maaswaterketen (SMWK), een samenwerking van de vier drinkwater­ bedrijven en vijf waterschappen langs de Maas, het Hoogheemraadschap van Delfland, Waternet, STOWA, Rijkswaterstaat en het Ministerie van Infrastructuur en Waterstaat. Ook in de Maas neemt de vervuiling met microverontreinigingen toe. De Maas is een regen-


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

17

Bron GoogleMaps

Afbeelding 1. Layout van RWZI Papendrecht. RGV: roostergoedverwijdering; SEL: selector; ANT: anaerobe tank; AT: actiefslibtank; NBT: nabezinktank; SOI: slibontwateringsinstallatie; BDG: Bedrijfsgebouw

rivier en in tijden van droogte bestaat de afvoer voor een groot deel uit rwzi effluenten, terwijl de Maas ook een bron is voor drinkwaterbereiding. Daarom ­hebben de bij SMWK aangesloten partijen gezamenlijk onder­zoek gedaan naar toepassing van poederkool als relatief eenvoudige techniek om bestaande rwzi’s te verbeteren als het gaat om de verwijdering van micro­verontreinigingen. Dit onderzoek heet het ­PACAS p ­ roject (Powdered Activated Carbon in Activated Sludge). De centrale doelstelling was: het vaststellen van de effectiviteit en efficiëntie van het direct doseren van poederkool aan actiefslib, voor de vergaande verwijdering van microverontreinigingen uit afvalwater. Dit artikel is een uitgebreide samenvatting van het PACAS onderzoek, dat beschreven is in een onlangs verschenen STOWA rapport (STOWA 2018-02). Actiefkool in waterzuivering Bij de drinkwaterbereiding wordt actiefkool al geruime tijd toegepast voor de verwijdering van micro­ verontreinigingen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van actiefkool in korrelvorm en in poedervorm. De korrelkool (granulaire actiefkool, GAK) wordt ingezet als (biologische) filtratiestap, waarbij korrelgrootten tot enkele millimeters worden toegepast. De toepassing van poederkool vindt plaats in contacttanks met nageschakelde filtratie om de poederkool na gebruik weer af te vangen. Op rwzi’s kent de toepassing van poederkool inmiddels twee vormen: dosering aan rwzi effluent in een contacttank, met vervolgens een coagulatie- en filtratiestap, én dosering aan het actiefslib. In dit

JUNI 2018

­ nderzoek is de laatste variant gebruikt: dosering o van poederactiefkool (PAK) aan actiefslib, dus in het reguliere zuiveringsproces. De droge poederkool wordt eerst opgelost in water en vervolgens als slurry gedoseerd in het actiefslibsysteem. De actiefkool wordt ingevangen in de actiefslibvlokken. Er wordt in dit concept continu verse actiefkool in het systeem ingebracht. Als de adsorptie heeft plaatsgevonden, wordt het slib inclusief de beladen actiefkool afgevoerd en op de gebruikelijke manier verwerkt. Full scale onderzoek op de rwzi Papendrecht Gedurende een periode van twaalf maanden (juli 2016-juni 2017) is poederkool gedoseerd aan een voor Nederland representatieve rwzi met twee parallelle straten: de rwzi Papendrecht (zie afbeelding 1). Eén van beide straten werd uitgerust met poederkooldosering (de PAK-straat) en de andere diende als referentiestraat. Rwzi Papendrecht is als proeflocatie uitgekozen na een screening van rwzi’s in het beheersgebied van de partners van de Schone Maaswaterketen. De proef­ locatie moest aan (o.a.) de volgende criteria voldoen: • de rwzi heeft een voor Nederland representatief zuiveringssysteem met een actiefslibsysteem en nabezinking en gebruikelijke effluenteisen voor stikstof en fosfor; • de rwzi is uitgerust met (minimaal) twee identieke gescheiden zuiveringsstraten; • de rwzi wordt normaal belast, tussen 70 en 90% van de ontwerpcapaciteit; • de rwzi biedt voldoende nabezinkcapaciteit om een eventuele toename in het drogestofgehalte van

Poederkool in ­actiefslib rwzi

16


18

WATER MATTERS

Afbeelding 2. Rekenkundig gemiddelde (en spreiding) van alle gemeten verwijderingsrendementen van microverontreinigingen, per doseerperiode

het slib op te kunnen vangen; • er is interesse naar het onderzoek en er is ­commitment vanuit zowel de beheersorganisatie als het management. Uit een shortlist van vijf mogelijke locaties voldeed de rwzi Papendrecht van waterschap Rivierenland als beste aan de hierboven genoemde criteria. De omstandigheden op rwzi Papendrecht bleken een uitgelezen mogelijkheid te bieden om de effecten van PAK op het verwijderen van microverontreinigingen te onderzoeken en een vergelijking te maken tussen ­beide straten. De rwzi heeft een eigen slibontwatering, waar actiefslib uit de twee actiefslibtanks beurteling wordt ingedikt en ontwaterd. Zo kon het effect van poederkool op de ontwateringseigenschappen gemonitord worden. Met een slibbelasting van circa 0,040 kg BZV/kg DS. dag is rwzi Papendrecht een voor Nederlandse maatstaven gemiddelde rwzi. Ook het type zuivering met biologische fosfaatverwijdering en vergaande stikstofverwijdering is typerend voor een gemiddelde Neder­ landse afvalwaterzuivering. De rwzi Papendrecht heeft een ontwerpcapaciteit van 48.000 ie (à 150 g TZV/d). De belasting van de rwzi was in de afgelopen jaren tussen 70 en 80% van de ontwerpcapaciteit. Microverontreinigingen De term ‘microverontreinigingen’ is een verzamelnaam voor een groot aantal organische ­verbindingen die in zeer lage concentraties (ng/l tot µg/l) in (gezuiverd) afval- en oppervlaktewater wordt aangetroffen. Hieronder vallen humane en veterinaire medicijnresten, maar bijvoorbeeld ook persoonlijke ­verzorgingsproducten, brandvertragers, weekmakers en gewasbeschermingsmiddelen. In dit onderzoek zijn 51 stoffen geanalyseerd:

1. medicijnresten en röntgencontrastmiddelen (26 stoffen) 2. industriële verontreinigingen en consument­ producten (9 stoffen) 3. gewasbeschermingsmiddelen (16 stoffen). Voor de start van het onderzoek is een check gedaan of de te analyseren microverontreinigingen in meetbare concentraties aanwezig waren in het influent en effluent. Doseerinstallatie en selectie van poederkool De doseerinstallatie is ingebouwd in een 10-voets zeecontainer (zie afbeelding 2), met daarbovenop het PAK voorraadvat. In dit onderzoek is gebruik gemaakt van actiefkool van de firma Calgon Carbon, de Pulsorb WP 235 (na een zorgvuldige selectie, zie de STOWA rapportage). De actiefkool wordt uit het voorraadvat getransporteerd en in een tussenbuffer opgeslagen en gewogen, waarna met een transportschroef de actiefkool gedoseerd wordt in een vortexmixer, waar het gemengd wordt met schoon water, en verder getransporteerd naar de actiefslibtank. In de eerste doseerperiode van tien weken was het interval tussen het wisselen van de vaten circa 14 dagen, bij de hoogste doseerverhouding was het interval circa 6 dagen. Verwijderingsrendementen In vier periodes van elk ongeveer 10 weken is achter­ eenvolgens 10, 15, 20 en 25 mg poederkool per liter influent gedoseerd. Influent en beide effluenten werden continu debietsproportioneel bemonsterd, waarna meerdaagse mengmonsters van opeenvolgende dagen werden samengesteld. Hierbij werd een minimum bemonsteringsduur van 48 uur gehanteerd. De laagste dosering (10 mg PAK/l) geeft gemiddeld


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

al een substantiële verhoging van het verwijderingsrendement, zie afbeelding 3. Het verwijderingsrendement van microverontreinigingen verhoogt van 40% (in de referentiestraat) naar 80% bij een poederkooldosering van 25 mg/l, zie ook afbeelding 2. Ecotoxiciteit Om een indruk te krijgen van de ecotoxicologische effecten van het verwijderen van microverontreinigingen zijn ook hiervoor monsters verzameld in de doseerperiodes van 15, 20 en 25 mg PAK/l. De resultaten van effectmetingen met 14 bioassays werden beoordeeld volgens de Simoni-methodiek, zie STOWA 2016-15A. Hieruit bleek dat de dosering van poeder­ kool de toxiciteit, uitgedrukt in de Simoni-score, ­aanzienlijk verlaagde. Zie voor de details de genoemde STOWA rapportage van het PACAS project. Kosten en technische inpassing Qua kosten is de dosering van poederkool op dit moment de goedkoopste optie voor het verlagen van concentraties microverontreinigingen in rwzi effluent. Voor twee rwzi capaciteiten en vier PAK-doseringen zijn kostenberekeningen gemaakt. Bij een poederkooldosering van 15 mg/l bedragen de totale kosten 3,5 tot 6 eurocent per kubieke meter behandeld effluent. De technische inpassing van een poederkooldosering is eenvoudig en vergt weinig ruimte­ beslag. Voor de realisatie hoeven geen onomkeerbare aanpassingen te worden gepleegd aan de proces­ onderdelen op de rwzi. De dosering van poederkool kan hierdoor eenvoudig (tijdelijk) worden stopgezet of verplaatst naar een andere rwzi. Conclusie Met de resultaten van het PACAS onderzoek is een aantrekkelijk alternatief toegevoegd aan de beschikbare technologieën voor verwijdering van microverontreinigingen uit rioolwater. De dosering van poederkool is in principe toepasbaar op alle rwzi’s met actiefslib, in ieder geval voor zover deze niet volbelast zijn. De PACAS technologie is een interessante ‘no regret’ maatregel voor rwzi’s waar verwijdering van microverontreinigingen gewenst is. Toepassing van deze techniek geeft de mogelijkheid om relatief

JUNI 2018

19

goedkoop de gehalten microverontreinigingen in rwzi effluent te verlagen. Herman Evenblij, Paul Roeleveld (Royal HaskoningDHV) Katarzyna Kujawa-Roeleveld, Els Schuman (LeAF) Ad de Man (Waterschapsbedrijf Limburg) Mirabella Mulder (Mirabella Mulder Waste Water Management)

Referenties STOWA, 2016-15A Ecologische sleutelfactor toxiciteit, deel 1 Methode voor het in beeld brengen van de effecten van giftige stoffen in oppervlaktewater. STOWA, 2018-02 PACAS – Poederkooldosering in actiefslib voor de verwijdering van microverontreinigingen.

SAMENVATTING Vervuiling van oppervlaktewater met microverontreinigingen, bijvoorbeeld medicijnresten en bestrijdingsmiddelen, is een groeiend probleem. Ook het effluent van rioolwaterzuiveringen bevat microverontreinigingen. Eén van de opties om deze emissies te verlagen is de adsorptie aan actiefkool. Onderzoek op rwzi Papendrecht leerde dat toevoeging van poederkool (PAK) aan het actiefslib een effectieve, relatief eenvoudige en goedkope manier is om microverontreinigingen te verwijderen. De ecotoxiciteit van het effluent nam sterk af, en qua kosten bleek de dosering van poederkool de goedkoopste optie voor het verlagen van concentraties microverontreinigingen in rwzi effluent.

Poederkool in ­actiefslib rwzi


20

WATER MATTERS

Foto BOSKALIS

Kustwerken nabij Demak: de lokale bevolking werkt mee aan de aanleg van de permeabele dammen

AUTEURS

KUSTBESCHERMING DOOR NATUURLIJK MANGROVEHERSTEL: ERVARINGEN UIT DEMAK

Pieter van Eijk (Wetlands International)

Fokko van der Goot (Ecoshape)

Susanna Tol (Wetlands International)

Bregje van Wesenbeeck (Deltares)

Tom Wilms (Witteveen+Bos)

In Demak in Indonesië worden mangrovebossen in hoog tempo aangetast door aquacultuur, stedelijke ontwikkeling, vervuiling en infrastructuur. Met het verdwijnen van mangroven gaat biodiversiteit verloren, gaat de visserij achteruit en wordt de kust kwetsbaar voor verzilting, erosie en stormschade. Klimaatverandering doet daar nog een schepje bovenop. Is het mogelijk om een win-win situatie te creëren voor mens en natuur door natuurlijke processen te benutten om mangrovekusten te herstellen? Demak: van rijkdom naar rampspoed Het district Demak, vlakbij de miljoenenstad Semarang in Centraal Java, is meer dan 100 jaar een belangrijke rijstproducent geweest. Omdat het kustgebied ook uitermate geschikt bleek voor de teelt van garnalen en vis, stapten rijstboeren in de jaren 80 massaal over op aquacultuur. Sindsdien is de kust ernstig gedegradeerd: er zijn nauwelijks beschermende mangrovebossen over tussen de Javazee en de eindeloze rijen garnalenvijvers. De erosie neemt toe en de kustlijn heeft zich teruggetrokken. Lokale autoriteiten reageren op de erosieproblemen met maatregelen als gemetselde dijkjes, golfbrekers van steen of beton en het kanaliseren van rivieren. Helaas zakken de harde structuren weg in de zachte bodem, blokkeren ze de instroom van sedimenten in het getijdengebied en zorgen ze voor ontgronding door reflectie van de golven. Daardoor verergeren ze de erosie en beperken ze mogelijkheden voor h ­ erstel van de mangroven.


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

21

Afbeelding 1. Ontwikkeling van de kustlijn nabij Demak 2003-2013

Grootschalige waterwerken hebben nog grotere ecologische effecten en zijn duur in aanleg en onderhoud. Deze problematiek is pijnlijk zichtbaar in Demak, maar speelt ook langs andere tropische modderkusten, zoals in Vietnam, Suriname, Thailand en Guyana. Landschapsanalyse Voor adequate oplossingen is een systeembenadering cruciaal. Het Ecoshape innovatieplatform heeft, in een consortium met lokale overheden, bedrijven en NGO’s, een publiek-privaat initiatief opgezet om tot zo’n benadering te komen. In 2015 is een landschapsanalyse uitgevoerd om het ecologische en hydromorfologische systeem in Demak en de lokale socio-economische en institutionele context in kaart te brengen. De erosie blijkt verschillende oorzaken te hebben: • het verdwijnen van mangroves die sediment ­invangen en de golven dempen • bodemdaling door grondwateronttrekking • verstoring van de sedimentaanvoer en de dynamiek door kanalisatie van rivieren en aanleg van garnalenvijvers en andere infrastructuur in het getijdegebied. Onduidelijke en overlappende mandaten van overheidsinstellingen, niet naleven van regelgeving en beperkte betrokkenheid van de lokale gemeenschap in planvorming hinderen de ontwikkeling van een breed gedragen oplossing.

JUNI 2018

Oplossingen Samen met de Indonesische overheid hebben de consortiumpartners vervolgens een Building with Nature aanpak ontwikkeld om de kust te beschermen en de lokale economie duurzaam te ontwikkelen. Naast een technische oplossing wordt ook een proces van planvorming en kennisontwikkeling nagestreefd. Instandhouding en herstel van ecosysteemdiensten en natuurlijke processen als basis van een integraal ontwerp staan daarbij voorop. De aanpak heeft drie pijlers: 1. Kustbeschermingsmaatregelen: plaatsing van rasterwerken van bamboe en rijshout om sediment in te vangen (vergelijkbaar met Nederlandse ‘kwelderwerken’). Daarmee ontstaat een moddersubstraat waarop mangrovebomen zich spontaan kunnen vestigen. Op termijn moeten herstelde mangrovebossen de beschermende rol van de kwelderwerken overnemen en verdere kusterosie voorkomen. Ook wordt de natuurlijke dynamiek van gekanaliseerde rivieren hersteld, zodat ook daar ruimte voor mangroven ontstaat en de rivier de kustlijn met sediment blijft voeden. 2. Sociaaleconomische maatregelen: samen met lokale vis-en garnalenkwekers wordt gewerkt aan duurzame aquacultuur. Ze geven een deel van hun land in de kuststrook en langs rivieren op om ruimte te maken voor mangroveherstel. Hiervoor worden ze gecompenseerd. In hun nieuwe vijvers in het achterland werken ze met minder chemi­ caliën en met organische bemesting. De herstelde mangroves beschermen de vijvers tegen stormschade en maken vangst van vis en schelpdieren en op termijn houtproductie mogelijk. Microkredieten geven de bevolking toegang tot kennis en kapitaal om hun plannen te realiseren. Ze betalen hun lening in natura terug door hun bijdrage aan herstel en beheer van het mangrovebos.

Mangrovekust Java erodeert

20


22

WATER MATTERS

Afbeelding 2. Kustlijn nabij Demak, met in zee (gekleurd) de permeabele dammen. Te zien zijn de cumulatieve erosie (negatief) en sedimentatie (positief) gedurende het regenseizoen gemodelleerd met behulp van D-Flow Flexible Mesh (Smit, 2016)

3. Planning en bestuur: het succes van de maat­ regelen is afhankelijk van inbedding in planvorming, regelgeving en -handhaving en van (financiële) mogelijkheden om op te schalen. Op dorpsniveau worden met bewoners plannen gemaakt, die als basis voor ruimtelijke planning op districtsniveau worden ingebracht. De systeem­analyse brengt verschillende sectoren op provincieniveau samen en voedt daarmee de ontwikkeling van masterplannen langs de hele Noord-Javaanse kust. Vervolgens helpen projectpartners bij afstemming van provinciale masterplannen op nationaal beleid. Op die manier dient het project als casus die betere onderlinge afstemming en samenwerking door overheidspartners stimuleert. Eerste resultaten Na een veelbelovende kleinschalige pilot is een vijf­ jarig programma opgezet dat zich nu in zijn derde jaar bevindt, en dat als basis dient voor verdere opschaling in de toekomst. Gefaseerd is er ruim 5 kilometer aan permeabele bamboerasters aangelegd. De Indonesische overheid

heeft daarnaast nog 11 kilometer aan s­ tructuren ­geplaatst in 12 andere districten in Noord-Java. Ze werken naar behoren; na een invang van enkele decimeters in het eerste jaar blijven ze sediment invangen en ontstaat er langzaam weer een vooroever langs de kust. Wel hebben de dammen veel onderhoud nodig, onder andere door vraat van ­boormosselen. Op basis van ervaringen en monitoring wordt het ontwerp verder geoptimaliseerd. Helaas blijkt de bodemdaling in het gebied ernstiger dan gedacht. Grootschalige grondwateronttrekking in Demak en de nabijgelegen miljoenenstad S ­ emarang blijkt in de wijde omtrek te zorgen voor een bodemdaling die lokaal meer dan 10 centimeter per jaar bedraagt. Dat geeft twee problemen: hoewel de bodem zich achter de dammen snel opbouwt, zakt de ondergrond ook heel hard. Daardoor blijft toevoer van vers sediment nodig en is het lastig voor mangroves om zich te vestigen. De bodemdaling zorgt daarnaast voor grootschalige overstromingen en het ontstaan van bassins in het achterland die - zolang er geen g ­ esloten kust is - op den duur permanent onder ­water komen te staan. Om de toekomst van Demak en de omliggende steden en de industrie veilig te stellen moet de grondwaterwinning omlaag. Het project stimuleert daarom een regionale en nationale dialoog over integraal waterbeheer, grondwateronttrekking en bodemdaling. De duurzame aquacultuur is succesvol. Overschake­ ling op organische garnalenteelt laat een ­productie­toename van 300 procent zien. Helaas heeft de ­bodemdaling ook hier zijn weerslag: naarmate de vijvers lager komen te liggen brengen overstromingen meer schade toe aan de omringende dijkjes. Hierdoor daalt de waterkwaliteit en spoelen vis en garnalen weg. Daarom wordt gekeken naar alternatieven, zoals netted aquaculture: visvangst met netten in de tidal lakes die ontstaan door de grote inhammen in de kustlijn. De gezamenlijke planvorming werkt. De systeem­ analyse heeft verschillende partijen bij elkaar gebracht die nu samenwerken aan plannen voor de noordkust van Java. Het Building with Nature project dient daarbij als vlaggenschip dat mensen inspireert, informeert en tot actie aanzet. Op nationaal niveau


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

is een Indonesisch innovatieplatform opgestart dat ­kansen voor Building with Nature in kaart brengt, kennis opbouwt en publieke en private partijen in de watersector bij elkaar brengt. Zo worden interventies op elkaar afgestemd en ontstaan kansen voor opschaling van de benadering. Building with Nature: kansen voor tropische kusten Ondanks de uitdagingen geeft de tropische toepassing van kwelderwerken grote kansen voor kwetsbare modderkusten. Duurzaam landgebruik en het herstel van natuurlijk kapitaal verminderen armoede en ­kunnen de lokale economie doen herleven. Middels goede partnerconsultatie is het mogelijk om breed gedragen oplossingen te formuleren en deze in te brengen in planningstrajecten. Wel is het belangrijk om projectactiviteiten aan te passen als ­systeeminzichten veranderen. Dat vergt een c­ yclische, gefaseerde benadering en gedegen monitoring. Goede regelgeving en handhaving zijn cruciaal om te zorgen dat projectactiviteiten kunnen slagen. Bedrijven, kennisinstellingen, overheden en NGO’s moeten hun weg leren vinden in nieuwe samenwerkingsverbanden. Voor Building with Nature zijn een multidisciplinaire aanpak en maatwerk belangrijk. Naast een gedegen systeemanalyse en een goede inbedding in lokaal bestuur, zijn afweging van kosten en baten, meenemen van perspectieven van lokale actoren cruciale factoren voor succes. Meer weten? Voor meer informatie over het project en de samenwerking tussen de Consortium partners Ecoshape, Wetlands International, de Indonesische ministeries van Marine Affairs and Fisheries en Public Works, Deltares, Witteveen+Bos, Wageningen Universiteit, UNESCO-IHE, Blue Forests, Von Lieberman, the ­Diponegoro University, en de lokale bevolking, zie: www.indonesia.buildingwithnature.nl. Het programma wordt gefinancierd door het ­Nederlandse ministerie van Buitenlandse zaken vanuit het Fonds Duurzaam Water, en door BMUB ­(German Federal Ministry for the Environment, ­Nature Conservation, Building and Nuclear Safety) vanuit het International Climate Initiative.

JUNI 2018

23

Pieter van Eijk (Wetlands International) Fokko van der Goot (Ecoshape) Susanna Tol (Wetlands International) Bregje van Wesenbeeck (Deltares) Tom Wilms (Witteveen+Bos) Referenties Wesenbeeck, B.K. van, Balke T., Eijk P. van Tonneijck, F. Siry, H.Y., Rudianto, M.E. & Winterwerp J.C., 2015. Aquaculture ­induced erosion of tropical coastlines throws coastal communities back into poverty. Ocean & Coastal Management 116, pp. 466-469. Spalding, M., McIvor, A. Tonneijck, F. Tol, S. & van Eijk,. P., 2014. Mangroves for coastal defense. Guidelines for coastal managers and policy makers. Wetlands International and The Nature Conservancy. 42 p. Winterwerp, J. C., Erftemeijer, P.L.A. Suryadiputra, I.N.N. van Eijk, P. & Zhang, L., 2013. Defining Eco-morphodynamic Requirements for Rehabilitating Eroding Mangrove-Mud Coasts. Wetlands. Smits, B.P., 2016. Morphodynamic optimisation study of the design of semi-permeable dams for rehabilitation of a ­mangrove-mud coast. Delft University, Delft.

SAMENVATTING De eerste resultaten en ervaringen uit een Building with Nature programma langs de ernstig eroderende mangrovekust in Noord-Java laten zien dat het combineren van waterbouw en ecologie enorme kansen biedt voor kustbescherming, voor de lokale economie en voor de natuur. Deze werkwijze vereist een verandering in denken: een systeembenadering die middels technische en sociaaleconomische maatregelen functies van de natuur handhaaft en herstelt en perspectieven van de lokale bevolking meeneemt. Daarnaast vergt het goede partnerconsultatie om breed gedragen oplossingen te formuleren en deze in te brengen in plannings- en beleidstrajecten.

Mangrovekust Java erodeert


24

WATER MATTERS

WPB Eindhoven

AUTEURS

Arslan Ahmad (KWR Water Cycle Research Institute)

Stephan van de Wetering (Brabant Water)

EFFECT VAN CALCIUM EN BICARBONAAT OP IJZERVERWIJDERING BIJ GRONDWATERZUIVERING Onderzoek naar de grote invloed van calcium en bicarbonaat op filtreerbaarheid van ijzerdeeltjes bij zandfiltratie leverde een alternatief zuiverings­ concept op met daarin een belangrijke rol voor de natronloogdosering om het bicarbonaat van het ruwwater te verhogen. Grondwater is een belangrijke bron voor de productie van drinkwater in Nederland. Op de meeste waterproductiebedrijven (WPB’s) wordt grondwater behandeld met een beluchting gevolgd door één of twee zandfiltratiestappen. Via beluchting komt zuurstof in het anaerobe grondwater dat vervolgens Fe(II) omzet naar Fe(III). Het gevormde Fe(III) reageert met water en vormt daarbij rood/bruine Fe(III) hydroxidedeeltjes. De Fe(III)-deeltjes worden gescheiden van het water door zandfiltratie. Het filtraat wordt opgeslagen in een reinwaterkelder, waarna het als drinkwater via een distributienetwerk naar de klant wordt gepompt. Hoewel de Nederlandse wet een maximale ijzerconcentratie van 200 µg/L


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

25

Tabel 1: Waterkwaliteit ruwwater 1 en 2

(Drinkwater­besluit 2011) voorschrijft, hanteren de drinkwater­bedrijven lagere ijzergehalten in het drinkwater. Dit om onderhoud aan het distributienet te minimaliseren en om het klantcomfort te verhogen. Bij drinkwaterbedrijf Brabant Water bijvoorbeeld is de bedrijfsnorm voor ijzer in het drinkwater <20 µg/L. Nieuwe studies Zoals gezegd is beluchting – zandfiltratie een veelvuldig gebruikte zuiveringstechniek bij drinkwaterbedrijven voor het behandelen van grondwater, waarbij het ontwerp van de zandfilters vaak alleen gebaseerd is op kennis en ervaring [1]. Doorlopend worden er nieuwe studies verricht voor het verkrijgen van nieuwe specifieke inzichten in ijzerverwijdering met zandfiltratie. Zo is in het gezamenlijke onderzoeksprogramma van de drinkwaterbedrijven (BTO) een op kennis gebaseerd model in ontwikkeling om de bedrijfsvoering en procesoptimalisatie van zandfilters te ondersteunen [2]. De pH is bij de meeste grond­watertypen de belangrijkste parameter die de efficiency van ijzerverwijdering bepaalt [3, 4] omdat de mate van Fe(II)-oxidatie toeneemt bij een hogere pH [5]. Ook de ion-samenstelling van het water speelt een belangrijke rol bij de ijzerverwijdering, vooral in de vlokvormingsfase [6]. In de praktijk krijgt de ionen­samenstelling niet altijd voldoende aandacht bij het optimaliseren en modelleren van ijzerverwijdering via zandfiltratie. In dit artikel presenteren wij het proef­installatie onderzoek, uitgevoerd op WPB Eindhoven, waarin wij de belangrijke rol van calcium (Ca) en bicarbonaat (HCO3) op de ijzerverwijdering met beluchting – zandfiltratie hebben onderzocht. WPB Eindhoven is met een productie van 20 Mm3/ jaar veruit het grootste waterproductiebedrijf van Brabant Water. Het geproduceerde drinkwater is van uitstekende kwaliteit. De huidige zuivering bestaat uit een torenbeluchter, voorfilter, Ca(OH)2 en KMnO4 dosering aan het voorfiltraat gevolgd door een nafilter. V ­ anaf 2018 wordt WPB Eindhoven grootschalige

JUNI 2018

­ erenoveerd. Deze studie is onderdeel van het optig maliseren van het zuiveringsconcept. Opzet proefinstallatie en ruwwaterkwaliteit Een proefinstallatie bestaande uit een beluchting en ontgassingstoren gevolgd door een zandfilter is speciaal gebouwd voor onderzoek op WPB Eindhoven. Het zandfilter (oppervlak 0,8 m2) was ingericht als dubbellaagsfilter gevuld met 1,5 m zand (0,5-0,8 mm) en 0,5 m antraciet (1,0-1,6 mm). Het zandfilter is bedreven met een filtratiesnelheid van 5 m/uur. Twee ruwwatertypen van de bestaande zuivering zijn ingezet voor het onderzoek. Beide ruwwatertypen verschillen met name in pH en concentraties Ca en HCO3 (tabel 1). IJzerverwijdering in relatie tot de ruwwaterkwaliteit Afbeelding 1 geeft de troebelheid van het filtraat weer in relatie tot de ruwwaterkwaliteit. De deeltjes die de troebelheid veroorzaken zijn Fe(III)-deeltjes. Duidelijk is te zien dat de troebelheid van het filtraat drastisch daalt van een gemiddelde van 0,5 NTU naar 0,1 NTU bij de overgang van ruw 2 naar ruw 1. Daarnaast is te zien dat ruw 1 een significant hogere geleidbaarheid heeft dan ruw 2. Dit is toe te schrijven aan hogere Caen HCO3-concentraties in ruw 1 (tabel 1). Van HCO3 is

IJzerverwijdering bij grondwater­ zuivering

24


26

WATER MATTERS

Afbeelding 1: Troebelheid filtraat in relatie tot geleidbaarheid ruw 1 en 2. De pijl geeft het punt aan van overschakelen van ruw 2 naar ruw 1

Afbeelding 2: Troebelheid en geleidbaarheid filtraat in relatie tot gedoseerd HCO3 aan ruw 2

bekend dat het buffercapaciteit levert om een overmatige pH- daling te voorkomen tijdens Fe(II) oxidatie [7]. Dit is een mogelijke verklaring voor de betere ijzerverwijdering met ruw 1.

heid afneemt naarmate de HCO3-dosering toeneemt. Desondanks werden de troebelheid en de hoeveelheid ijzer in het filtraat niet verlaagd tot respectievelijk <0,15 NTU en 20 µg/L (Bedrijfsnorm Brabant Water) bij het doseren van 35 mg/L HCO3. Bij deze dosering is de HCO3-concentratie in ruw 2 namelijk vergelijkbaar met de HCO3 concentratie van ruw 1.

Een laag HCO3-gehalte in water kan tevens een nega­ tieve invloed hebben op de Fe(II) oxidatie als gevolg van een langzamere oxidatiekinetiek. Calcium daarentegen kan effect hebben op de oppervlaktelading (zeta-potentiaal) van Fe(III)-deeltjes en vlokvorming bevorderen [8-10], bijvoorbeeld door ladingneutralisatie. De betere ijzerverwijdering en daarmee een lagere troebelheid in het filtraat met ruw 1 zou toe te schrijven zijn aan een hoger bicarbonaat of calcium­ gehalte, of beide. Om dit verder te begrijpen zijn op de proefinstallatie enkele doseerexperimenten uitgevoerd met ruw 2. Aan ruw 2 (vóór de beluchting) zijn verschillende hoeveelheden HCO3 (gedoseerd als NaHCO3 voor minimaal effect op pH) en Ca (gedoseerd als CaCl2) gedoseerd, en is gekeken naar de prestatie van de zuivering. Effect van bicarbonaat In Afbeelding 2 staan de resultaten van de proefinstallatie na dosering van verschillende HCO3-concentraties. We observeerden dat de hoeveelheid opgelost ijzer in het bovenwater van het zandfilter afneemt en dat de totale ijzerverwijdering over de beluchting – zandfiltratie toeneemt bij oplopende HCO3-dosering. Dit impliceert dat doseren van HCO3 aan ruwwater de Fe(II) oxidatie en de filtreerbaarheid van de Fe(III)deeltjes in een zandfilter verbetert. Dit is ook zichtbaar in Afbeelding 2, waar te zien is dat de troebel-

Effect van calcium Afbeelding 3 geeft de troebelheid van het filtraat weer in relatie tot de geleidbaarheid en de hoeveelheid gedoseerd calcium aan ruw 2. De troebelheid van het filtraat neemt af naar mate meer Ca wordt ­gedoseerd. Dit bevestigt dat Ca een positieve invloed heeft op ijzerverwijdering met een zandfilter [8-10]. Het lijkt erop dat het hogere calciumgehalte van ruw 1 de lading van de Fe(III)-deeltjes geheel of gedeeltelijk heeft geneutraliseerd, wat tot een betere vlokvorming en ijzerverwijdering heeft geleid. We hebben eenzelfde experiment met het doseren van magne­ sium (Mg) uitgevoerd, wat resulteerde in vergelijkbare resultaten met verbeterde ijzerverwijdering. Met het doseren van 13 mg/L Ca aan ruw 2 is de concentratie Ca gelijk aan die van ruw 1 (tabel 1). Opvallend is dat de troebelheid van het filtraat in dat geval ook gelijk is aan het filtratie-experiment met ruw 1 (Afbeelding 1). Conclusie en vooruitzicht We hebben laten zien dat belangrijke grondwater­ ionen als HCO3 en Ca grote invloed hebben op de filtreerbaarheid van Fe(III)-deeltjes met zandfiltratie. Hogere concentraties van deze ionen in ruwwater ­leiden tot betere verwijdering van Fe(III)-deeltjes.


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Afbeelding 3: Troebelheid en geleidbaarheid filtraat in relatie tot gedoseerd Ca aan ruw 2

Deze nieuwe inzichten hebben al op verschillende WPB’s van Brabant Water geleid tot succesvolle optimalisatie van de ijzerverwijdering met zandfilters. Op basis van de bevindingen uit deze studie is een alternatief zuiveringsconcept voorgesteld voor water­ productiebedrijf Eindhoven. Dit zuiveringsconcept bestaat uit een NaOH dosering op het ruwwater waarmee het HCO3-gehalte wordt verhoogd, gevolgd door een beluchting en ontgassingstoren en zandfiltratie. De keuze voor dit alternatieve zuiveringsconcept is gemaakt omdat naast lager chemicaliënverbruik en minder onderhoud er ook een verbetering van de waterkwaliteit is vastgesteld. De specifieke rol van Ca- en HCO3-ionen in de ijzerverwijdering met beluchting - zandfiltratie zal verder moeten worden bestudeerd om het fysisch/chemisch mechanisme te doorgronden. Dankwoord Speciale dank aan Tim van Dijk (Brabant Water) en Jozef van den Eerenbeemt (Brabant Water) voor hun inzet en ondersteuning gedurende het onderzoek. Arslan Ahmad (KWR Water Cycle Research Institute) Stephan van de Wetering (Brabant Water)

JUNI 2018

Referenties [1] P. Mouchet, From conventional to biological removal of iron and manganese in France, AWWA, 84 (1992) 158-167. [2] D. Vries, C. Bertelkamp, F. Schoonenberg Kegel, B. Hofs, J. Dusseldorp, J.H. Bruins, W. de Vet, B. van den Akker, Iron and manganese removal: Recent advances in modelling treatment efficiency by rapid sand filtration, Water Research, 109 (2017) 35-45. [3] C.G.E.M. van Beek, J. Dusseldorp, K. Joris, K. Huysman, H. Leijssen, F. Schoonenberg Kegel, W.W.J.M. de Vet, S. van de Wetering, B. Hofs, Contributions of homogeneous, ­heterogeneous and biological iron(II) oxidation in aeration and rapid sand filtration (RSF) in field sites, Journal of Water Supply: Research and Technology—AQUA, 65 (2016) 195-207. [4] C.G.E.M. Van Beek, T. Hiemstra, B. Hofs, M.M. Bederlof, J.A.M. van Paassen, G.K. Reijnen, Homogeneous, h ­ eterogeneous and biological oxidation of iron(II) in rapid sand filtration, Journal of Water Supply: Research and Technology—AQUA, 61 (2012) 1-2012. [5] B. Morgan, O. Lahav, The effect of pH on the kinetics of spontaneous Fe(II) oxidation by O2 in aqueous solution – basic principles and a simple heuristic description, Chemosphere, 68 (2007) 2080-2084. [6] X. Guan, H. Dong, J. Ma, L. Jiang, Removal of arsenic from water: Effects of competing anions on As(III) removal in KMnO4– Fe(II) process, Water Research, 43 (2009) 3891-3899. [7] Stumm, J.J. Morgan, Aquatic Chemistry: Chemical Equilibria and Rates in Natural Waters, John Wiley & Sons, Incorporated, 2013. [8] X. Guan, J. Ma, H. Dong, L. Jiang, Removal of arsenic from water: Effect of calcium ions on As(III) removal in the KMnO4– Fe(II) process, Water Research, 43 (2009) 5119-5128. [9] R. Liu, X. Li, S. Xia, Y. Yang, R. Wu, G. Li, Calcium-Enhanced Ferric Hydroxide Co-Precipitation of Arsenic in the Presence of Silicate, Water Environment Research, 79 (2007) 2260-2264. [10] C.C. Davis, M. Edwards, Role of Calcium in the Coagulation of NOM with Ferric Chloride, Environ. Sci. Technol., 51 (2017) 11652-11659. [11] M.M. Benjamin, D.F. Lawler, Water Quality Engineering: Physical/Chemical Treatment Processes, John Wiley & Sons, New Jersey and Canada, 2013.

SAMENVATTING Dit onderzoek ging over de grote invloed van calcium en bicarbonaat op filtreerbaarheid van ijzerdeeltjes bij zandfiltratie. Pilottesten wezen uit dat het doseren van deze ionen leiden tot verbeterde ontijzering met zandfiltratie. Nieuwe studies moeten worden uitgevoerd om het fysisch/chemisch mechanisme te doorgronden. Met de resultaten van deze studie is een alternatief zuiveringsconcept voor WPB ­Eindhoven ontworpen met daarin een belangrijke rol voor de natronloogdosering om het bicarbonaat van het ruwwater te verhogen. Het toepassen van deze kennis op andere waterproductiebedrijven bij ­Brabant Water heeft al geleid tot succesvolle optimalisaties van ijzerverwijdering met zandfilters.

27

IJzerverwijdering bij grondwater­ zuivering


28

WATER MATTERS

Continumeting boerensloot AUTEURS

Joachim Rozemeijer en Bas van der Grift (Deltares, afdeling bodem- en waterkwaliteit)

Joris de Nies (Coördinatiecentrum Voorlichting en Begeleiding Duurzame Bemesting, Vlaanderen)

MONITORING VOOR EEN GEBIEDSGERICHTE AANPAK VAN NUTRIËNTEN De Nederlandse overheid wil het nutriëntenprobleem oplossen met regionaal maatwerk. Zonder inzicht in de ‘hotspots’ en ‘hot moments’ van nutriëntenverliezen staat zo’n gebiedsgerichte aanpak echter op losse schroeven. Regionaal maatwerk vraagt ook om maatwerk in monitoring. Detailmetingen in ruimte en tijd hebben toegevoegde waarde. De waterkwaliteit in landbouwgebieden is gedurende de afgelopen dertig jaar verbeterd, maar nog niet genoeg om de doelen voor de Nitraatrichtlijn en de Kaderrichtlijn Water te halen. De overheid pleit voor regionaal maatwerk voor het oplossen van het nutriënten­ probleem. Zo’n gebiedsgerichte aanpak vraagt echter ook om gebiedsgerichte monitoring. In de reguliere meetnetten voor oppervlaktewaterkwaliteit wordt maandelijks gemeten op locaties waar nutriënten vanuit een groot achterland samenkomen. Het is op basis van die meetgegevens veelal niet mogelijk om de bronnen van de nutriënten eenduidig vast te ­stellen. Zonder een duidelijk beeld van de ‘hotspots’ en ‘hot moments’ van nutriëntenverliezen is het niet mogelijk gerichte en effectieve maatregelen te nemen. Het doel van dit onderzoek is de mogelijkheden te verkennen voor het ondersteunen van een gebiedsgerichte aanpak van nutriënten met nieuwe meetstrategieën. Vanuit verschillende meetcampagnes laten we de toegevoegde waarde zien van detailmetingen in ruimte en tijd voor bewustwording, handhaving en handelingsperspectief op stroomgebiedsniveau. Methoden We maken gebruik van meetcampagnes in de Hupselse beek (Gelderland), de Lage Vaart (Flevoland), de Elsener beek (Overijssel), de Groote Molenbeek (Limburg), de Salto A (Seel-


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

29

Figuur 1 Temporele variaties in nutriëntenconcentraties; A: Continu gemeten P-totaal concentraties in de Hupselse beek (de pijlen geven een maandelijks bemonsteringsschema weer); B: continu gemeten P-totaal concentraties en afvoeren bij gemaal De Blocq van Kuffeler; C: continu gemeten nitraatconcentraties bij gemaal De Blocq van Kuffeler (Flevoland), in rood is de tijdreeksmodel-voorspelling van de nitraatconcentratie weergegeven

and, Denemarken) en de Grote Heideloop ­(Antwerpen, België). Over de metingen in de Hupselse beek en in de Lage Vaart is eerder gepubliceerd in de proefschriften van Rozemeijer (2010) en Van der Grift (2017). Voor meer inzicht in bronnen, routes en processen van nutriënten is gemeten aan temporele variaties in concentraties (continu meten) en aan ruimtelijke ­variaties (routings). Bij continue waterkwaliteitsmetingen zijn sensoren nodig die onder alle veldomstandigheden stabiel blijven en niet te vaak onderhoud nodig hebben. De continue fosformetingen (P-tot en PO4) zijn gedaan met de Phospax Sigma auto-­ analyser van Hach. De continue nitraatmetingen zijn gedaan met de Nitratax UV sensor van Hach. Bij routings is het belangrijk snel en op veel plaatsen te kunnen meten. Voor de nitraatroutings in deze studie is gebruik gemaakt van de Nitraat-app van Deltares. In Vlaanderen worden nitraatconcentraties gemeten met een draagbare reflectometer RQ flex 10 en bijhorende teststrips (Reflectoquant ® van Merck). Aanvullend worden in het najaar ook nitraatresidu-metingen van landbouwbodems tot op een diepte van 90 cm uitgevoerd. Variaties in tijd Continue waterkwaliteitsmetingen ontsluiten een weelde aan informatie die bij reguliere maandelijkse metingen verborgen blijft. Hoogfrequente metingen van P-totaal in de Hupselse beek (Figuur 1a) laten bijvoorbeeld zien dat concentraties tijdens afvoerpieken met een factor 100 omhoog kunnen gaan. De pieken komen grotendeels door het wegspoelen van de voorraad fosfaatrijk sediment die zich in droge perioden opbouwt in het stroomgebied door de binding tussen fosfaat en ijzer(hydr)oxiden. Oppervlakkige afstroming speelt soms ook een rol; continue EC en Ca metingen op dezelfde locatie laten zien dat tijdens afvoerpieken tot 67% van de afvoer bestaat uit neerslagwater dat direct tot afvoer komt.

JUNI 2018

In de Lage Vaart zorgt vooral het verschil in hydrologie voor een geheel andere dynamiek in continu gemeten P-totaal concentraties. De metingen zijn gedaan bij het gemaal De Blocq van Kuffeler waar water vanuit een grotendeels agrarisch stroom­ gebied naar het Markermeer wordt gepompt. Bij het aanslaan van de pompen worden de P-totaalconcentraties ca. 2 keer hoger. De concentratiepieken zijn veel minder hoog dan in de Hupselse beek, maar de zomerconcentraties zijn in de Lage Vaart veel hoger (0.6 mg/l vs. 0.05 mg/l). In poldersystemen met lage stroomsnelheden bereikt het fosfaatrijke sediment voor een groot deel het gemaal niet. Het fosfaat blijft dan in de waterbodem en komt in de zomer pas vrij door nalevering. Ook de dynamiek in continu gemeten nitraatconcentraties geeft inzicht in de transportprocessen. Figuur 1c laat zien dat de nitraatconcentraties in de Lage Vaart in het najaar oplopen, op hetzelfde moment dat de drains in het gebied weer water beginnen af

Gebiedsgerichte aanpak nutriënten

28


30

WATER MATTERS Figuur 2 Voorbeelden van detailmetingen in stroomgebieden; a: routing in het Elsener beek stroomgebied; b: lokaliseren van onbekende lozingen bij Horst (Limburg); c: concentraties in drain effluent versus concentraties in de beek (Salto A) bij Slagelse, Denemarken

te voeren. Door scheuren in de kleigrond kan nitraat vrij direct (preferent) uitspoelen naar de drains. Dit snelle transport levert steeds 5 dagen na een bui een concentratiepiek bij het gemaal op. De variaties in nitraatconcentraties in de Lage Vaart zijn over het algemeen goed voorspelbaar op basis van neerslaggegevens (zie het tijdreeksmodel in Figuur 1c). In een vorstperiode in januari zijn de concentraties lager dan verwacht; de neerslag in de vorm van sneeuw komt dan niet tot afvoer. Eind februari zijn de nitraatconcentraties juist flink hoger dan verwacht. Deze hoge nitraatpieken zijn het gevolg van het vroegtijdig onder natte omstandigheden uitrijden van mest. Variaties in ruimte Het gedetailleerd meten van concentraties in de haarvaten van stroomgebieden kan een goed beeld opleveren van hotspots van nutriëntenuitspoeling. Figuur 2a geeft een voorbeeld van een nitraat-routing in de Elsenerbeek op 14 februari 2017. De sloot met hoge nitraatconcentraties (rood/oranje punten op de kaart) draineert twee bedrijven waar kennelijk ongewenst hoge nitraatuitspoeling plaatsvindt. Via routings kunnen ook onbekende puntlozingen in beeld komen. Figuur 2b laat bijvoorbeeld detailmetingen zien waarbij in de Groote Molenbeek een lozing vanuit een kas met concentraties boven de 200 mg/l NO3-N is gevonden. Een routing kan ook informatie opleveren over de route van nutriënten naar het oppervlaktewater. Figuur 2c geeft het resultaat van een meetcampagne van op 19 april 2017 in de Salto A in Denemarken. Binnen 3 uur is daar vastgesteld dat de drains de belangrijkste route voor nitraat waren. Soortgelijke voorbeelden zijn ook in Vlaanderen te vinden. Figuur 3 toont nitraatmetingen van 16 f­ ebruari 2017 in het akkerbouwgebied Grote Heideloop ­(Provincie Antwerpen). De concentraties variëren van 5 mg NO3/L tot 228 mg NO3/L. Op basis van concentratiemetingen in sloten is niet altijd te bepalen welke

landbouwpercelen het meest invloed hebben. Daarom werden in het najaar van 2016 in risicoteelten ook de nitraatresiduen gemeten en die varieerden van 26 tot 320 kg N/ha (zie Figuur 3). De resultaten zijn goed te relateren aan de niet altijd efficiënte bemestingspraktijken in combinatie met de verschillen in stikstof opname-efficiëntie tussen gewassen. Discussie Het doel van dit artikel was in te gaan op de ­mogelijkheden voor het ondersteunen van een gebieds­gerichte aanpak van nutriënten met n ­ ieuwe meetstrategieën. Continue metingen maken het mogelijk om incidentele piekvrachten (hot moments) te detecteren en de invloed van bronnen, routes en omzettingsprocessen te kwantificeren. Met routings kunnen hotspots van nutriëntenverliezen in kaart gebracht worden en zijn de bijdragen van verschillende uit- en afspoelingsroutes te kwantificeren. Met deze gebiedsgerichte meetstrategieën is invulling te geven aan het meten voor bewustwording, handhaving en handelingsperspectief. Meten voor bewustwording Het is voor boeren niet zichtbaar waar en wanneer nutriënten weglekken vanuit hun percelen. Door ­inzicht in de concentraties op hun eigen percelen neemt naar verwachting de bereidheid toe om samen met waterbeheerders na te denken over maatregelen. Met routings door de waterbeheerder, eventueel aangevuld door metingen door boeren of vrijwilligers, zijn concentraties tot in de haarvaten van stroomgebieden in beeld te brengen. Meten voor handhaving Het continu meten en het uitvoeren van routings geeft ondersteunende informatie voor handhavers. Met routings kunnen handhavers plaatsen opsporen worden waar veel nutriënten uitspoelen. Continue meet-


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

31

Figuur 3 Voorbeeld van de Vlaamse aanpak; detailmetingen in de Grote Heideloop van nitraatconcentraties in oppervlaktewater (getallen in de kaart) in combinatie met metingen van nitraatresiduen in landbouwbodems (kleurlegenda)

systemen kunnen waarschuwingssignalen geven bij onverwacht hoge concentraties die aanleiding vormen voor inspectie en nadere metingen in het gebied. Meten voor handelingsperspectief Om te weten welke waterkwaliteitsmaatregelen effectief zijn, is een goed beeld van bronnen, routes en processen nodig. Routings en continue metingen leveren op dit vlak veel informatie op. Als uit continue metingen blijkt dat de grootschalige eerste bemesting in februari voor de grote vrachten zorgt (Figuur 1c), dan is het investeren in opslagcapaciteit voor mest de beste optie. Als uit routings blijkt dat enkele ­gedraineerde percelen het meeste nitraat bijdragen (Figuur 2a), dan kan een natte bufferstrook en/of een denitrificatiereactor de meest kosteneffectieve maatregel zijn. Conclusie In verschillende projecten is onderzocht hoe inno­ vatieve meettechnologie en slimme meetstrategieën kunnen helpen bij het regionale maatwerk voor het realiseren van de doelen van de Nitraatrichtlijn en de Kaderrichtlijn water. Op basis van continue metingen is op verschillende locaties vastgesteld wanneer en via welke routes nutriënten in het oppervlaktewater terecht komen. Uit waterkwaliteitsmetingen tot in de haarvaten van Nederlandse en Belgische landbouwgebieden blijkt hoe groot de ruimtelijke verschillen in nitraatconcentraties kunnen zijn. In veel stroomgebieden blijken enkele hotspots de oorzaak van te hoge nutriëntenconcentraties en kunnen de waterkwaliteitsdoelstellingen met een zeer gerichte aanpak worden gehaald. De extra meetkosten worden naar verwachting ruimschoots terugverdiend, omdat bespaard wordt op uitgaven aan maatregelen op de verkeerde plaatsen. Joachim Rozemeijer, Bas van der Grift (Deltares, afdeling bodem- en waterkwaliteit) Joris de Nies (Coördinatiecentrum Voorlichting en Begeleiding Duurzame Bemesting, Vlaanderen)

JUNI 2018

Referenties Rozemeijer, J.C., 2010. Dynamics in groundwater and surface water quality. Proefschrift Universiteit Utrecht. Van der Grift, B., 2017. Geochemical and hydrodynamic ­phosphorus retention mechanisms in lowland catchments. Proefschrift Universiteit Utrecht. D’Haene, K., Salomez, J., Verhaeghe M. ,Van de Sande, T., De Nies, J. , De Neve, S., Hofman, G., 2018. Can optimum yield and quality of vegetables be reconciled with low residual soil mineral nitrogen at harvest? Scientia Horticulturae 233 (2018) 78–89

SAMENVATTING De overheid wil de problemen met te hoge concentraties nutriënten in landbouwgebieden oplossen met gebiedsgericht maatwerk. Zonder detailmonitoring in ruimte en tijd staat zo’n gebiedsgerichte aanpak op losse schroeven. Zonder een duidelijk beeld van de ‘hotspots’ en ‘hot moments’ van nutriëntenverliezen is het niet mogelijk gerichte en effectieve maatregelen te nemen. Dit artikel presenteert voorbeelden uit Nederland en Vlaanderen waarin is gemeten aan temporele variaties in nutriëntenconcentraties (continu meten) en aan ruimtelijke variaties (routings). Deze metingen geven veel directe informatie over bronnen, routes en processen en helpen bij het kiezen van de juiste maatregelen op de juiste plek.

Gebiedsgerichte aanpak nutriënten


32

WATER MATTERS

Foto ©Philip Minderhoud

In de Mekong delta vindt veel transport over water plaats

AUTEURS

Philip Minderhoud (Utrecht University / Deltares )

DE MEKONG DELTA DREIGT TE VERDRINKEN DOOR HET OPPOMPEN VAN GRONDWATER De Mekong delta in Vietnam is één van de grootste delta’s ter wereld. De bevolking is sterk gegroeid, evenals landbouw en industrie. Om in de waterbehoefte te voorzien, is de afgelopen 20 jaar de grondwaterwinning verviervoudigd. Dit geeft problemen: het grondwater is vele meters gedaald (tot wel 20 meter) en de bodem is gemiddeld ongeveer 18 centimeter gezakt. Als de ­bodemdaling doorzet, leidt dit onvermijdelijk tot overstromingen. Om dit proces beter te doorgronden en in de toekomst te kunnen bijsturen, is de aanwezige kennis over bodem en grondwater in de delta gebruikt om een simulatiemodel te ­ontwikkelen. De Mekong delta, grotendeels gelegen in Vietnam (afbeelding 1), is de op twee na ­grootste delta ter wereld en heeft meer dan 17 miljoen inwoners. Het gebied is zeer vruchtbaar en de totale voedselproductie voorziet bijna 200 miljoen mensen van voedsel. De delta heeft een hoogteligging van gemiddeld één meter boven de zeespiegel en is hierdoor zeer k ­ wetsbaar voor zowel zeespiegelstijging als bodemdaling. De sterke toename in agrarische


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

33

Afbeelding 1. De Mekong delta (MKD) in het zuiden van Vietnam (Minderhoud et al. 2017)

en ­industriële activiteiten, verstedelijking en een sterk groeiende bevolking, hebben er in de afgelopen 25 jaar toe geleid dat de (grond)watervraag flink is toegenomen. Werd er aan het begin van deze eeuw nog zo’n 600.000 m3 grondwater per dag onttrokken, is dat nu meer dan 2,5 miljoen m3 per dag. De ondergrond van de Mekong delta bestaat uit een opeenstapeling van zandige watervoerende pakketten, die van elkaar gescheiden worden door dikke, slecht doorlatende kleilagen. Op sommige plaatsen is de totale dikte van de sedimenten meer dan een halve kilometer. Omdat oppervlaktewater en water in de ondiepe ondergrond vaak van slechte kwaliteit zijn door vervuiling en, in toenemend mate, door verzilting, wordt er steeds meer grondwater onttrokken. Wanneer er meer water wordt opgepompt uit een watervoerend pakket dan dat er wordt aangevuld, neemt de waterdruk af. Daardoor neemt de effectieve druk op het korrelskelet van de sedimenten toe, wat ertoe kan leiden dat de sedimenten in de ondergrond in elkaar gedrukt worden (consolidatie). De waterwinning heeft voor een gestage afname van de grondwaterdruk gezorgd in bijna alle watervoerende pakketten, ook in de kleilagen. De zandige lagen zijn hier slechts in beperkte mate vatbaar voor. Fijnkorrelige afzettingen zoals klei (en ook veen) worden daarentegen gemakkelijk samengedrukt. Dit is één van de hoofdoorzaken van de bodemdaling in de Mekong delta. Nieuw hydrogeologisch model van de Mekong delta In het kader van het ‘Rise and Fall’ project, een Nederlands-Vietnamees onderzoeksproject van de Universiteit Utrecht, Deltares en TNO in samenwerking met Vietnamese universiteiten en overheidsinstanties, wordt onderzoek gedaan naar bodemdaling in de Mekong delta. Een van de onderzoeksdoelen is om te bepalen welke invloed de toename van ­grondwaterwinning in de afgelopen 25 jaar heeft gehad op bodemdaling.

JUNI 2018

Om deze vraag te beantwoorden is er een nieuw 3D hydrogeologisch computermodel ontwikkeld op basis van hydrologische, geologische en geotechnische ­datasets. Het merendeel van deze data is afkomstig van de ‘Division of Water Resources Planning and Investigation of the South of Vietnam’ (DWRPIS), een overheidsinstantie die onderdeel is van het ­Vietnamese ministerie van Natuurlijke grondstoffen en Milieu. Het model is gemaakt in iMOD, de opensource Deltares software gebaseerd op MODFLOW voor het simuleren van grondwaterstroming. Eerst is een 3D model van de ondergrond gemaakt op basis van boorkernen en geologische dwarsdoorsneden van de Mekong delta. Daarmee is vervolgens een hydrogeologisch model gebouwd op basis van metingen van neerslag en verdamping en hoeveel­heden oppervlaktewater, inclusief locaties van onttrekkingsputten met filterdieptes en opgepompte volumes grondwater. Met dit model is de o ­ ntwikkeling van de grondwaterstand in de Mekong delta g ­ esimuleerd voor de periode 1991-2015. Het model is gekalibreerd door de uitkomsten te vergelijken met 70 tijdseries van grondwaterstandmetingen verspreid over de delta. De gevolgen voor de bodemdaling zijn berekend door het model te koppelen aan een nieuwe, geotechnische iMOD module genaamd SUB-CREEP. Deze module berekent bodemdaling door zowel de elastische als de plastische vervorming van de ondergrond door verandering in waterdruk vast te stellen volgens de ‘isotache’-methode.

Mekong Delta dreigt te verdrinken

32


34

WATER MATTERS

Afbeelding 2. a) Gemiddelde jaarlijkse bodemdaling als gevolg van grondwateronttrekking per vijfjarige periode. b-c) Gemodelleerde en gemeten grondwaterstanden en totale bodemdaling voor twee locaties in de delta, Can Tho city and Long An Province. De fluctuaties in de bodemdaling geven weer dat de ondergrond uitzet in het natte seizoen en zakt in het droge seizoen

Het effect van toenemende grondwater­ onttrekkingen Aan het begin van de jaren ’90 waren de grondwater­ standen in de ondergrond van de Mekong delta nagenoeg onverstoord, maar sindsdien is de hoeveelheid opgepompt water vele malen groter dan er van nature wordt aangevuld. Op een aantal locaties is het grondwater zelfs meer dan 20 meter gedaald, bijvoorbeeld rondom steden als Ho Chi Minh City en Ca Mau. Deze forse drukverlagingen hebben voor een toenemende bodemdaling in de Mekong delta gezorgd (afbeelding 2a). Was de gemiddelde bodemdaling in de delta begin jaren ’90 nog minder dan een halve centimeter per jaar, deze snelheid is inmiddels meer dan verdubbeld. Overigens duurt het enige tijd voordat de drukverlagingen doordringen in de slecht doorlatende, kleiige pakketten die het meest gevoelig zijn voor bodemdaling. Daardoor reageert de bodemdaling vertraagd op de afname van grondwaterdruk in een watervoerend pakket. Afbeelding 2b en 2c geven een gedetailleerd beeld van zowel de gemeten als de gemodelleerde grondwaterstand en bodemdaling voor twee locaties in de delta. Het model blijkt de gemeten grondwaterstanden en bodemdalingssnelheden behoorlijk goed te simuleren. Afbeelding 3 toont de gemodelleerde totale bodemdaling in de delta ten gevolge van 25 jaar grondwaterwinning en de dalingssnelheid in 2015. De Mekong delta is gemiddeld met ongeveer 18 cen-

timeter gezakt met lokaal dalingen richting een halve meter. Het model geeft aan dat de delta op dit moment met gemiddeld 1,1 centimeter per jaar daalt, met lokaal snelheden van meer dan 2,5 centimeter per jaar. In het gebied rond Ho Chi Minh stad gaat het om dalingen van meer dan 4 centimeter per jaar. De Mekong delta zakt sneller dan de zeespiegel stijgt Sommige delen van de delta zakken dus met meerdere centimeters per jaar en deze bodemdaling gaat steeds sneller. De snelheden liggen een stuk hoger dan de zeespiegelstijging door klimaatverandering (de absolute zeespiegelstijging lokaal bedraagt 3 millimeter per jaar). Dit zijn alarmerende resultaten, want door zijn lage ligging van gemiddeld 1 meter boven zeeniveau is de Mekong delta zeer kwetsbaar voor bodemdaling. In de afgelopen 25 jaar heeft de delta zo’n 20 procent van zijn totale hoogte boven de zeespiegel verloren. Dit probleem zal in de nabije toekomst alleen maar verder toenemen. De bodemdaling in de delta wordt bepaald door de optelsom van verschillende factoren: zeespiegel­stijging, bodemdaling door grondwaterwinning maar ook door andere processen, zoals natuurlijke s­ amendrukking (compactie) en de afzetting van nieuw sediment tijdens overstromingen. In een natuurlijke situatie zijn deze processen in een dynamisch ­evenwicht en compenseert sedimentatie voor de bodemdaling.


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

35

Afbeelding 3. Links: Totale bodem­daling in de Mekong delta sinds 1991. Rechts: g ­ emodelleerde snelheid van de ­bodemdaling voor 2015 (Minderhoud et al. 2017)

Echter de hoeveelheid sediment in de Mekong rivier neemt af door bovenstroomse dammen, en het steeds effectievere dijksysteem in de delta zorgt voor minder overstromingen. Bovendien zakt de delta nu vele malen sneller dan überhaupt door sedimentatie kan worden gecompenseerd. Om verdrinking van de Mekong delta binnen enkele decennia te voorkomen, moet het grondwatergebruik op korte termijn sterk worden verminderd. Dat vraagt om grootschalige veranderingen zoals het opzetten van alternatieve zoetwatervoorzieningen (bijvoorbeeld gefilterd oppervlaktewater). Daadkrachtige en resolute maatregelen zijn noodzakelijk om ervoor te zorgen dat de Mekong delta in de toekomst nog boven de zeespiegel ligt. Naar toekomstscenario’s voor mega-delta’s De gebruikte modelaanpak in combinatie met de nieuwe bodemdalingsmodule, stelt ons in staat om voor grote gebieden, in dit geval een mega-delta, het effect van grondwaterwinning op bodemdaling te kwantificeren. Deze aanpak is in principe toepasbaar in elk gebied waar grondwater wordt gewonnen, mits er genoeg data bekend zijn over de ondergrond en de hydrologie (grondwaterstanden en onttrekkingen). Daarnaast bieden dit soort modellen de mogelijkheid om toekomstscenario’s door te rekenen. Hiermee wordt het mogelijk om gedegen adviezen uit te brengen ter ondersteuning van bijvoorbeeld het ontwikkelen van delta management strategieën. Dit is dan ook de volgende stap in het bodemdalingsonderzoek van het Rise and Fall project, met als doel te kunnen bijdragen aan een duurzame toekomst van de Mekong delta.

JUNI 2018

Philip Minderhoud (Utrecht University / Deltares ) Bronnen Minderhoud, P.S.J., Erkens, G., Pham, V.H., Bui, V.T., Erban, L., Kooi, H., Stouthamer, E., 2017. Impacts of 25 years of groundwater extraction on subsidence in the Mekong delta, Vietnam. Environ. Res. Lett. 12. doi:10.1088/1748-9326/aa7146

Link naar het video-abstract van dit onderzoek: https://www.youtube.com/watch?v=cMr_BKzY4lU

SAMENVATTING De grondwaterwinning in de Vietnamese Mekong delta is in de afgelopen 25 jaar enorm toegenomen als gevolg van de sterk groeiende economie en het toenemende bevolkingsaantal. Doordat de grootschalige onttrekking de natuurlijke aanvulling van het grondwater verre overtreft, is overal in de delta de bodem gedaald. Vooral de kleilagen tussen de watervoerende zandpakketten klinken in. De huidige snelheden van bodemdaling liggen tot tien keer hoger dan de zeespiegelstijging door klimaatverandering. Met een nieuw 3D hydrogeologisch model van de Mekong Delta zijn de grondwaterstromingen en onttrekkingen van de afgelopen 25 jaar gesimuleerd. Het model is gekoppeld aan een module waarmee de bodemdaling is berekend. De volgende stap met deze modelaanpak is het genereren van toekomstscenario’s voor de delta.

Mekong Delta dreigt te verdrinken


36

WATER MATTERS

iStockphoto

AUTEURS

Gert Jan van den Born Michelle Talsma (Planbureau voor de (STOWA) Leefomgeving)

Jos Schouwenaars (Wetterskip Fryslân)

BODEMDALING IN DE NEDERLANDSE VEEN­ GEBIEDEN: OMVANG EN MAATSCHAPPELIJKE KOSTEN Bodemdaling en bodemzetting in veengebieden veroorzaken maatschappelijke kosten. In het landelijk gebied is de veenbodemdaling het gevolg van oxidatie en klink, die optreden als het grondwaterpeil wordt verlaagd. Hoe dieper de ontwatering, hoe sneller de daling. Moderne landbouw is alleen mogelijk op goed ontwaterde bodems, vanwege de benodigde draagkracht. In stedelijk gebied gaat het om bodemzetting ofwel samendrukking van de bodem. Vooral ongelijke zetting leidt tot schade aan gebouwen en infrastructuur. Om te laten zien wat de gevolgen zijn van bodemdaling en welke handelingsopties er zijn voor bestuurders in veengebieden, heeft het Planbureau voor de Leefomgeving, ondersteund door de STOWA, een beleidsstudie geschreven: ‘Dalende bodems, stijgende k ­ osten’ (van den Born et al. 2016). Deze studie geeft een overzicht van maatregelen om in het landelijke gebied bodemdaling af te remmen, en om in bebouwde gebieden slim om te gaan met bodemzetting. In dit artikel beperken we ons tot het landelijk gebied.


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

De studie Om inzicht te krijgen in gevolgen van bodemdaling is een vergelijking gemaakt tussen bodemdaling bij voortzetting van het huidige beleid en bij alternatief beleid. Het huidige beleid, peilindexatie, houdt in dat periodiek (bijvoorbeeld om de tien jaar) het grondwaterpeil wordt verlaagd zodat de grondwaterstand weer even diep onder het maaiveld staat als tien jaar geleden. Er waren twee onderzoeksvragen: • Kunnen we de toekomstige bodemdaling ­berekenen, bij voortzetting van het huidige beheer en bij afremmen van de bodemdaling? • Wat zijn kosten en baten van bodemdaling, en van maatregelen tegen bodemdaling? De bodemdaling is berekend met het op GIS gebaseerde bodemdalingsmodel Phoenix. Hiermee kon de grote variatie in bodemopbouw en ontwatering in de westelijke en noordelijke veengebieden worden meegenomen. Belangrijke inputs kwamen waren de geactualiseerde veenbodemkaart (2014), hydrologische gegevens van de waterschappen en landgebruiksgegevens. Phoenix rekent met de op empirie gebaseerde relatie tussen ontwatering en veenbodemdaling (van den Akker, 2008). Per gridcel is de bodemdaling bepaald voor bijna alle veengebieden in Nederland bij verschillende beheersvormen (met zichtjaar 2050). Voor het bepalen van kosten en baten is de leidraad voor maatschappelijke kosten-batenanalyse gebruikt (CPB & PBL 2013). Specifiek is gekeken naar extra kosten voor het waterbeheer, impact op gewasgroei en klimaatkosten. De extra kosten betreffen het verhogen van keringen, het bijplaatsen en aanpassen van stuwen en het over een grotere hoogte naar de boezem pompen van polderwater. De kosten hiervan zijn geschat op basis van expertkennis van waterschappen. De gewasderving is bepaald met een verbeterde set HELP-tabellen; daarin is de relatie tussen gewasgroei, bodemtype en grondwatertrap weergegeven (van Bakel 2016). De klimaatkosten zijn gedefinieerd als de kosten als gevolg van de emissie van broei­kasgassen door bodemdaling. Dit is sinds het

JUNI 2018

37

­ limaatakkoord van Parijs onderdeel van het klimaatk beleid voor na 2020. Maatregelen om de bodemdaling af te remmen Er zijn drie maatregelen doorgerekend die de bodemdaling afremmen: peilfixatie, onderwaterdrainage en ander landgebruik. Bij peilfixatie wordt het bestaande peil aangehouden en treedt vanwege de bodemdaling na verloop van tijd vernatting op. Onderwaterdrainage draagt bij aan een stabiel grondwaterpeil waardoor de veenbodemondergrond voldoende vernat blijft en oxidatie zoveel mogelijk wordt beperkt. Beide maatregelen helpen tegen de veenbodemdaling maar verschillen in hun (neven)effecten. Peilfixatie biedt kansen voor biodiversiteit maar leidt tot lagere gewasopbrengsten voor agrariërs. O ­ nderwaterdrainage past beter bij intensiever grondgebruik. De derde maatregel is ander landgebruik: functieverandering naar natuur of naar aangepaste landbouw met natte productieomstandigheden. Dit leidt uiteindelijk tot een volledige rem op de bodemdaling. Resultaten voor bodemdaling De berekeningen laten zien dat de gemiddelde ­bodemdaling in de onderzochte veengebieden 8 à 9 millimeter per jaar is. In veertig jaar is de daling gemiddeld 34 centimeter. In de noordelijke veengebieden is de ontwatering in grote delen meer dan 90 centimeter. De gemiddelde bodemdaling is daar hoger (11-12 mm per jaar) dan in de westelijke ­veenweidegebieden (7–10 mm per jaar), waar de ontwatering ligt tussen de 40 en 80 centimeter. Kosten en baten van bodemdaling Bij voortzetting van het huidige beleid zullen de lasten voor de waterschappen vanwege veenbodemdaling beperkt stijgen. De extra kosten zijn geschat op ­ € 200 miljoen over een periode van 40 jaar (cumu­ latief en bij het huidige prijspeil). Maatregelen die leiden tot m ­ inder bodemdaling (peilfixatie of onderwater­drainage) leiden tot minder extra ­kosten. De cumulatieve besparing kan oplopen tot € 50 miljoen. Een belangrijke kanttekening hierbij is dat bijvoorbeeld voor onderwaterdrainage aanpassingen in het watersysteem nodig zijn; de extra kosten daar-

Bodemdaling gaat hard

36


38

WATER MATTERS

Andere maatregelen zoals een aangepast peilbeheer, een flexibel of een vast peil leiden tot geleidelijke afname van de bodemdaling, maar daarbij is het risico dat de gewasgroei daalt. Op veel plaatsen kan de gewasderving oplopen tot vele honderden euro’s per hectare per jaar. Bodemdaling veroorzaakt ook schade aan bebouwing en infrastructuur. Naar schatting zijn de extra kosten voor infrastructuur in het landelijke gebied voor de periode 2010-2050 tussen de € 300 miljoen en € 1 miljard en zijn de eenmalige kosten voor herstel van funderingen € 0,5 tot € 1,0 miljard (prijspeil 2010). In dorpen in het buitengebied, die onder h ­ etzelfde peilbeheer vallen als de polder Bodemdaling tot 2050 bij ongewijzigd peilbeheer en bij peilfixatieloggers. waar zij deel van uitmaken, zijn hoogwatervoorzieningen een optie. Dit is kostbaar en vergt bovendien onderhoud van, o.a. voor waterberging en extra wateraanvoer, (Hartman, 2012). zijn niet meegerekend. Daarnaast zijn er lasten vanwege klimaatverandering. Beleidsalternatieven Gaan we uit van de in de Nationale Emissie Inventa­ De drie eerder genoemde maatregelen, peilfixatie, risatie gerapporteerde emissie van 4,2 miljoen ton onderwaterdrainage en verandering van landgebruik, CO2 (Coenen et al. 2017) dan is de jaarlijkse kostenzijn uitgewerkt in een aantal beleidsalternatieven. post circa € 120 miljoen (bij een CO2-prijs van € 30 Beleidsalternatief ‘mitigerende maatregelen’ gaat per ton). Per hectare gaat het dan om een gemiddelde uit van onderwaterdrainage en het beleidsalternatief jaarlijkse kostenpost van € 250 à € 300. De baat van ‘passieve vernatting’ gaat uit van de maximale toede ontwatering is vooral de waarde van de gewaspassing van peilfixatie. De beleidsalternatieven ‘funcproductie, in dit geval het geproduceerde gras als tieverweving’ en ‘functiescheiding’ representeren een veevoer. breder palet aan bestaande en nieuwe vormen van landgebruik. Welke aanpak het beste past, is lokaal Kosten en baten van maatregelen maatwerk en hangt ook af van de lokale situatie zoals Voor de landbouw lijkt onderwaterdrainage een goed veenpakketdikte, kwel en kans op verzilting. alternatief. De kosten daarvan (afschrijving en onderhoud) liggen jaarlijks tussen de € 200 en € 300 per Naast bodemdaling moeten ook de ontwikkeling hectare. Onderwaterdrainage heeft voordelen voor de van de waterhuishouding van een gebied en het bedrijfsvoering zoals betere en langere toegankelijktoekomstperspectief van de landbouw worden mee­ heid van percelen. Het lijkt erop dat deze investering gewogen. De stijgende zeespiegel zorgt voor een in minder bodemdaling zich redelijk kan meten met grotere kweldruk in de kustzone met grotere risico’s de klimaatlast.


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

39

Extra kosten waterbeheer voor maatregelen tegen bodemdaling 20102050 (cumulatief, in miljoenen euro’s). Onderwaterdrainage toegepast op 82.000 hectare (lagere kosten per hectare), de rest is peilindexatie (hoge kosten per hectare). De kosten bij onderwaterdrainage geven daarmee een vertekend beeld

van verzilting. Ook kan door verdergaande bodemdaling in veengebieden die grenzen aan beekdalen, verdroging optreden in de flanken van de beekdalen (dit treedt o.a. op in het lage midden van Fryslân). Implementatie van maatregelen tegen bodemdaling vraagt om een integrale ruimtelijke afweging, mede gebaseerd op een duidelijke visie op de toekomst van het gebied. Discussie Het gebruik van het bodemdalingsmodel Phoenix biedt de mogelijkheid om voor de verschillende veengebieden de bodemdaling te berekenen. Een zwak punt is dat de gebruikte empirische relatie tussen ontwatering en bodemdaling is toegepast op alle veengronden. Daarmee komt onvoldoende het verschil naar voren tussen de verschillende typen veen (veenmosveen, rietveen, zeggeveen en bosveen). Ook de perceelgrootte speelt geen rol (relevant bij onderwaterdrainage). Ook bij de kostenbepaling is meer maatwerk wenselijk. Daarnaast ontbreekt het aan voldoende veldexperimenten om de effecten van onderwaterdrainage of peilfixatie goed te kunnen onderbouwen. Er komt steeds meer aandacht voor de gevolgen van bodemdaling op de lange termijn en voor klimaatmitigatie en klimaatadaptatie. Het is belangrijk om de onderzoeksagenda op dit punt aan te passen. Bij veldexperimenten is het belangrijk om integraal te gaan kijken naar de gevolgen van bodemdaling voor de gewasgroei en de biodiversiteit. Ook regiospecifieke kennis kan een belangrijke rol spelen bij het bewuster omgaan met bodemdaling in het landelijk gebied. Gert Jan van den Born (Planbureau voor de Leefomgeving) Michelle Talsma (STOWA) Jos Schouwenaars (Wetterskip Fryslân)

JUNI 2018

Referenties Akker, J.J.H. van den et al. (2008). Emission of CO2 from agri­ cultural peat soils in the Netherlands and ways to limit this emission, pp. 645-648 in: Proceedings of the 13th International Peat Congress After Wise Use – The Future of Peatlands, Vol. 1 Oral Presentations, Tullamore, Ireland, 8 – 13 june 2008. Jyväskylä, Finland: International Peat Society. Bakel, J. van (2016). Waterbeheer in de veenweidegebieden in Nederland en de gevolgen voor de agrohydrologische situatie en de bedrijfsvoering van melkveebedrijven. Notitie t.b.v. PBLproject ‘bodemdaling laagveengebieden’. Den Haag: Planbureau voor de Leefomgeving. Coenen P.W.H.G., et al. (2017). Greenhouse gas emissions in the Netherlands 1990-2015: National Inventory Report 2017. RIVM Report 2017-0033 CPB & PBL (2013). Algemene leidraad voor maatschappelijke kosten–batenanalyse. Den Haag: CPB/PBL. Hartman, A., J.M. Schouwenaars en A, Moustafa (2012) De kosten voor het waterbeheer in het veenweidegebied in Fryslân. H2O 12 Van den Born, G.J., F. Kragt, D. Henkens (PBL-STOWA), B. Rijken, B. van Bemmel en S. van der Sluis (2016). Dalende bodems, stijgende kosten, mogelijke maatregelen tegen veenbodem­daling in het landelijk en stedelijk gebied. PBL-publicatienummer 1064. Den Haag: Planbureau voor de Leefomgeving

SAMENVATTING Het Planbureau voor de Leefomgeving en STOWA deden een studie naar de maatschappelijke kosten van bodemdaling in de veenweidegebieden, en naar mogelijke maatregelen tegen bodemdaling. Toepassing van onderwaterdrainage lijkt het gunstigst voor de landbouw zoals die nu bedreven wordt. Peilfixatie biedt kansen voor aangepaste agrarische functies, met aandacht voor natuurdoelen. Ander landgebruik kan inspelen op de maatschappelijk behoefte aan recreatie maar ook ruimte bieden aan nieuwe agrarische verdienmodellen. Remmen van bodemdaling leidt tot lagere emissies van CO2. Investering in minder bodemdaling lijkt een tamelijk gunstige maatregel om de emissie van broeikasgassen te verlagen.

Bodemdaling gaat hard


40

WATER MATTERS

BAYESIAN BELIEF NETWORKS: NIEUW VEELBELOVEND GEREEDSCHAP VOOR WATERSYSTEEMANALYSES

AUTEURS

Lisette N. de Senerpont Domis (NIOO-KNAW)

Bob Brederveld (Witteveen+Bos)

Lilith Kramer (Deltares)

STOWA heeft een diagnostisch instrumentarium ontwikkeld dat inzicht geeft in de relaties tussen systeemkenmerken en de ecologische toestand van ­wateren: de Ecologische Sleutelfactoren (ESFs). Kenmerk is dat iedere ESF een deel van het systeemfunctioneren van oppervlaktewater blootlegt. Een ­instrumentarium waarmee de samenhang tussen verschillende ESFs kan worden gekwantificeerd, ontbreekt. Kunnen Bayesian Belief Netwerk­ modellen hierin voorzien? Veel wateren in Nederland voldoen niet aan de doelstellingen van de Kaderrichtlijn Water (KRW). Voor het verbeteren van de ecologische kwaliteit van deze wateren is het belangrijk om via een watersysteemanalyse inzicht te krijgen in de oorzaken van de ontoereikende kwaliteit. In de ESF-methodiek van de STOWA wordt gebruik gemaakt van negen sleutelfactoren die zo onafhankelijk mogelijk van elkaar elk een deel van het ecologisch functioneren van een watersysteem belichten. In de praktijk zijn er echter interacties tussen deze sleutelfactoren, die we ook graag inzichtelijk willen maken voor een vollediger systeembegrip. Een instrumentarium waarmee naast de relatie tussen de ESFs en de ecologische toestand van wateren ook de samenhang tussen verschillende ESFs kan worden gekwantificeerd, ontbrak tot op heden. In opdracht van het STOWA wordt in het project “Linking ESFs” door een consortium van Deltares, NIOO en Witteveen+Bos een dergelijk diagnostisch instrumentarium ontwikkeld. Er wordt gebruik gemaakt van een specifieke statistische techniek, namelijk Bayesian Belief Networks (BBNs), die de laatste jaren steeds meer wordt toegepast voor natuurbescherming en waterbeheer. Een BBN kenmerkt zich door een causaal netwerk, waarin alle relaties tussen verschillende factoren worden vastgelegd op grond van expertkennis, modellen en/of metingen. Op basis van een vastgesteld netwerk rekent het instrumenta­rium door wat de kans op een bepaalde uitkomst is bij specifieke gebiedscondities (zowel van de uiteindelijke ecologische toestand als van alle tussenliggende factoren). Voor het vaststellen en kwantificeren van de causale relaties in de BBNs is gebruik gemaakt van veel toegepaste kennisregels die verankerd zijn in bestaande modellen zoals Uitzicht, Baggernut, PCDitch, PCLake en het Nürnberg P-model voor diepe meren. Aangezien het huidige instrumentarium niet toereikend bleek voor het completeren van de BBNs, is in het project ook onontsloten gepubliceerde internationale kennis toegankelijk gemaakt. In dit artikel beschrijven we kort wat een BBN is, hoe het toegepast kan w ­ orden - geïllustreerd door een diepe plassen casus - en wat de toekomstige ontwikkelingen zullen zijn. Wat is een BBN? Een BBN bestaat uit een schema van causale relaties tussen systeemkenmerken en ecosysteemtoestand (knopen), die door middel van pijlen (processen) met elkaar zijn verbonden. De causale relatie tussen een ouderknoop (oorzaak) en een kindknoop (gevolg) wordt


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

41

Figuur 1. Voorbeeld van een diepe meerzone BNN

gekwantificeerd aan de hand van een gediscretiseerde kansverdeling, waarbij de kans op een bepaalde uitkomst bij de kindknoop wordt bepaald door de kansverdeling bij de ouderknoop en het type relatie dat ertussen beide is. De BBNs zijn als het ware een doorgeefluik van kansverdelingen, waardoor niet alleen de links tussen ESFs expliciet worden meegenomen, maar ook (a) de (on)zekerheden rondom de (tussen)uitkomsten expliciet inzichtelijk worden gemaakt en (b) het belang van bepaalde causale ­paden gekwantificeerd. In onze BBNs wordt aan de hand van een set van systeemkenmerken, zoals diepte, debiet en nutriëntenbelasting, bepaald welk belang alle processen spelen in het tot stand komen van de ecologische toestand in een stilstaand water, waarbij onderscheid gemaakt is tussen de ondiepe meerzone, de diepe meerzone en de slootzone. In ­bovenstaande figuur staat een vereenvoudigd voorbeeld van de ­diepe meerzone BBN. Voor- en nadelen van BBNs Eén van de grote voordelen van een BBN is de eendui-

JUNI 2018

dige en transparante manier waarop niet alleen het eindresultaat, maar ook alle tussenliggende stappen inzichtelijk worden gemaakt. Hiernaast brengt een BBN de effecten van onzekerheden in beeld. Al deze eigenschappen tezamen leveren een beter begrip van het ecologisch functioneren van het watersysteem. Een mogelijk nadeel is dat feedbackloops niet gemodelleerd kunnen worden in een BBN. Een voorbeeld van een dergelijke feedback is het effect van de ­helderheid van het water op waterplanten en vice versa. Enerzijds stuurt de helderheid de waterplantengroei, anderzijds kunnen waterplanten zelf ook de helderheid vergroten. In onze aanpak van de BBNs hebben we dit nadeel ondervangen door gebruik te maken van metamodellen. Een metamodel is niets anders dan een grote tabel met invoerwaarden en overeenkomstige uitvoerwaarden voor een gegeven mechanistisch model. Doordat we metamodellen hebben gemaakt van mechanistische modellen (waarin dergelijke feedbackloops zijn verankerd) hebben we dit nadeel zoveel mogelijk ondervangen. Deze werkwijze is toegepast door andere gebruik te maken

Bayesian Belief Networks

40


42

WATER MATTERS

van de ecosysteemmodellen PCLake en PCDitch. Voorts kunnen met BBNs alleen evenwichtssituaties worden berekend. Voor processen die sterk variëren in de tijd of ruimte moet worden teruggegrepen op andere modellen, of moet een BBN doorgerekend worden voor verschillende scenario’s, bijvoorbeeld winter- versus zomerscenario’s. Toepassing in het waterbeheer Een goed diagnostisch instrument dat de waterschappers ondersteunt bij hun watersysteemanalyses moet aan een aantal criteria voldoen. In de eerste plaats dient het instrument extra inzicht te leveren in het functioneren van het ecosysteem. Hiervoor moeten de relaties tussen verschillende processen die de ecologische toestand bepalen, inzichtelijk zijn. Voorts moet het instrument betrouwbare uitkomsten leveren, en inzicht geven in de effecten van (on)zekerheden in kwaliteit van invoergegevens en betrouwbaarheid van de kennisregels. Voor de gebruikersvriendelijkheid is het van belang dat de tussenstappen en het eind­ resultaat op een intuïtieve manier worden gepresenteerd. Betrouwbaarheid van de BBN is getoetst aan de hand van getrapte validatie procedure, die wij hier beschrijven aan de hand van de BBN voor diepe meerzones. Om de causale relaties te toetsen aan de verwachtingen zijn extreme invoerwaardes verkend; deze resultaten waren goed. Ter illustratie: wanneer we een situatie doorrekenden met een lage e ­ xterne P-belasting (<0.001 mg P/m2/dag) en een hoge visbiomassa (>381<488 kg/ha) gaf de BBN een relatief grote kans op zowel de troebele toestand met weinig algen (42%) als een heldere, oxische toestand (29%). Dit is wat je zou verwachten op grond van de rol die bodemwoelende vis kan hebben van opwerveling van sedimentmateriaal en de daarmee gepaard gaande verhoging van troebelheid. Tevens is het ook logisch dat de kans op een heldere, oxische toestand relatief groot is, gegeven de extreem lage externe belasting. Voor het verkennen van de diepe meerzone BBN aan de hand van realistische waardes stelde Waternet gegevens beschikbaar over de Spiegelplas. De ­Spiegelplas is een diepe zandwinplas (gemiddelde

diepte = 16.9 meter), die zich kenmerkt door de grote aanwezigheid van Quagga mosselen. De invoerwaardes van de Spiegelplas (Figuur 2, bovenste panel) geven volgens de tool een relatief grote kans op een biotisch troebele plas, waarbij de bovenste laag van de waterkolom gedomineerd wordt door de aanwezigheid van groenalgen. Door de aanwezigheid van de met een grote filtercapaciteit behepte Quagga mossel, is de huidige toestand echter in realiteit veel helderder. Conform verwachting geeft het drastisch reduceren van de externe P-belasting een grote kans op een helder plas met een oxische onderste waterlaag (70%, Figuur 2, middelste panel). Wanneer we een scenario testen waarbij de nalevering toeneemt ten o ­ pzichte van de huidige situaties, neemt de kans op een biotisch troebele plas, gedomineerd door blauwalgen toe (55%, Figuur 2, onderste panel). Door de verkenning van de BBN aan de hand van de realistische waardes van de Spiegelplas casestudy komen ook wat meer subtiele resultaten naar voren. Deze hebben te ­maken met de klasses van de kansverdelingstabellen, de minimum en maximumwaardes zijn soms extreem, en de breedte van de klasses zijn soms onlogisch. De klassegrenzen zijn in eerste instantie via een c­ omputeralgoritme gemaakt, in een eventueel vervolgtraject moeten de klassegrenzen met een uitgebreidere studie vastgesteld worden. Ontwikkelingen voor de toekomst Het instrument in zijn huidige vorm levert extra ­inzicht in functioneren van het systeem, laat de interacties tussen zowel systeemkenmerken als ecosysteemtoestanden inzichtelijk en transparant zien, en brengt (on)zekerheden in kennis en uitkomsten duidelijk in beeld. In een aanvullend traject zullen extra validatiestappen in casestudies de betrouwbaarheid van de (tussen)resultaten verhogen en wordt de gebruikersvriendelijke interface uitgebouwd. De uitwerking van de tool in zijn huidige vorm was gericht op de implementatie van kennisregels van processen die ten grondslag liggen aan ESF1-4. Aanbevolen wordt om eveneens kennisregels van de andere ecologische sleutelfactoren in de BBNs op te nemen.


KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

43

Figuur 2. Invloed op ecosysteem van de Spiegelplas

SAMENVATTING Conclusie Deltares, NIOO en Witteveen+ Bos hebben laten zien dat de toepassing van dit type BBNs voor het waterbeheer veelbelovend is. Het belang van verschillende processen bij het tot stand komen van ecologische toestanden wordt in het instrument expliciet gemaakt. Tegelijkertijd zijn alle tussenresultaten compleet inzichtelijk voor de waterbeheerder, waardoor er geen sprake is van een black-box model. Deze tussenresultaten sluiten goed aan op de praktische informatie die waterbeheerders in het veld verzamelen, zoals verwachte chlorofyl-A-concentraties, plantbedekkingen etc. Daarnaast wordt ook duidelijk met welke onzekerheden dergelijke diagnoses gepaard gaan. Dit instrument zal waterbeheerders ondersteunen bij het creëren van systeembegrip, en daarmee bij het vaststellen van realistische doelen en efficiënte maatregelpakketten. Lisette N. de Senerpont Domis (NIOO-KNAW) Lilith Kramer (Deltares) Bob Brederveld (Witteveen+Bos)

JUNI 2018

Voor verbetering van ecologische waterkwaliteit is het belangrijk om via een watersysteem­ analyse inzicht te krijgen in de oorzaken van de ontoereikende kwaliteit. Ter ondersteuning van systeemanalyses heeft STOWA de ecologische sleutelfactoren systematiek ontwikkeld (ESFs) die inzicht geeft in de relaties tussen systeemkenmerken en de ecologische toestand van wateren. Een instrumentarium waarmee naast de relatie tussen de ESFs en de ecologische toestand van wateren ook de samenhang tussen verschillende ESFs kan worden gekwantificeerd, ontbrak tot op heden. Deltares, NIOO en Witteveen+Bos hebben een op Bayesian Belief Netwerken gestoeld instrumen­ tarium ontwikkeld, waarin het belang van verschillende systeemkenmerken en processen bij het tot stand komen van ecologische toestanden expliciet gemaakt. Tussenresultaten zijn inzichtelijk voor de waterbeheerder en sluiten goed aan op de praktische informatie die waterbeheerders in het veld verzamelen. Ook wordt duidelijk met welke on­zekerheden dergelijke diagnoses gepaard gaan. Dit instrument zal waterbeheerders ondersteunen bij het creëren van systeembegrip, en daarmee bij het vaststellen van realistische doelen en ­efficiënte maatregelpakketten.

Bayesian Belief Networks


Het kennismagazine Water Matters van H2O is een initiatief van Koninklijk Nederlands Waternetwerk Onafhankelijk kennis(sen)netwerk voor en door Nederlandse water­ professionals.

Water Matters wordt mogelijk gemaakt door ARCADIS Wereldwijd opererende ontwerp- en adviesorganisatie op het gebied van de natuurlijke en gebouwde omgeving die duurzame resultaten levert door de toepassing van ontwerp, advisering, engineering, project- en managementdiensten. Deltares Onafhankelijk kennisinstituut op het gebied van water, ondergrond en infrastructuur. Wereldwijd wordt gewerkt aan slimme innovaties, oplossingen en toepassingen voor mens, milieu en maatschappij. KWR Watercycle Research Institute Instituut voor toegepast wetenschappelijk wateronderzoek dat kennis genereert en samenbrengt voor innovaties in en optimaal beheer van de waterketen. Royal HaskoningDHV Onafhankelijk internationaal advies-, ingenieurs- en projectmanagementbureau, dat samen met klanten en partners een bijdrage levert aan een duurzame samenleving. Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA) Kenniscentrum van regionale waterbeheerders in N ­ ederland, dat zorgt voor het ontwikkelen, bijeenbrengen, delen en implementeren van kennis die nodig is om de opgaven waar waterbeheerders voor staan, goed uit te voeren. Netherlands Water Partnership (NWP) Netwerk ter ondersteuning van de watersector bij export en internationale samenwerking. 200 organisaties (profit en non-profit) hebben zich erbij aangesloten. Wageningen Environmental Research (Alterra) Onderzoeksinstituut dat door onafhankelijk onderzoek bijdraagt aan het realiseren van een kwalitatief hoogwaardige en duurzame groene leefomgeving.

Profile for H2O magazine

Water Matters juni 2018  

Water Matters juni 2018