Water Matters - juni 2023

Uitgave

WATER MATTERS

KENNISMAGAZINE VOOR

WATERPROFESSIONALS

Juni 2023

Marker Wadden: lessen over bouwen met slib en ecologie

Microverontreinigingen verwijderen met poederkool en Nereda

Dna-metabarcoding geeft goed beeld van waterkwaliteit

Beoordeling chemische waterkwaliteit voor veilig hergebruik

Fosfaatverwijdering met ijzerzandfilters: wat werkt en wat niet?

Effecten en ecologische risico’s van psychofarmaca in oppervlaktewater

Nauwkeurige identificatie microplastics met machine learning

Onderzoek met zicht op praktische toepassing

Van bouwen met slib op de Marker Wadden tot identificatie van microplastics met machine learning

Voor u ligt de zestiende editie van Water Matters, het kennismagazine van vakblad H2O. U treft zeven artikelen aan over uiteenlopende onderwerpen, geschreven door waterprofessionals op basis van gedegen onderzoek.

Bij de beoordeling heeft de redactieraad, bestaande uit deskundigen uit de sector, een selectie gemaakt waarbij is gekeken naar een duidelijke relatie met de dagelijkse praktijk in de watersector, de opzet van Water Matters. Onderzoek, resultaten en bevindingen vormen de basis voor artikelen die nieuwe kennis, inzichten en technologieën beschrijven met zicht op praktische toepassing.

In deze editie geven Ruurd Noordhuis, Thijs van Kessel (beiden Deltares) en Joep de Leeuw (WUR) inzicht in de lessen die zijn geleerd uit vijf jaar toegepast onderzoek naar bouwen met slib en ecologie op de Marker Wadden. Verder vindt u artikelen over de nieuwe zuiveringsmethode met poederkooldosering (PAK) en granulair actiefslib (Nereda), fosfaatverwijdering met ijzerzandfilters, monitoren van de ecologische waterkwalteit met DNA-metabarcoding, de ecologische risico’s van psychofarmaca en illegale drugs in Europese oppervlaktewateren, veilig hergebruik van afvalwater en nauwkeurige identificatie van polymeren en microplastics met machine learning.

Water Matters is, net als het vakblad H2O, een initiatief van Koninklijk Nederlands Waternetwerk (KNW), het onafhankelijke kennisnetwerk voor en door Nederlandse waterprofessionals. Leden van KNW krijgen Water Matters twee keer per jaar gratis 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 Deltares, KWR Watercycle Research Institute, Royal HaskoningDHV en Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA). 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 artikelen kunnen vanuit het digitale magazine op H2O-online worden gedeeld. Voorts zijn artikelen uit eerdere edities terug te vinden op de site.

Veel leesplezier met deze editie. Wilt u reageren? Laat het ons weten via redactie@h2o-media.nl

Monique Bekkenutte

Uitgever (Koninklijk Nederlands Waternetwerk)

Huib de Vriend

Voorzitter redactieraad Water Matters

COLOFON

Water Matters is een uitgave van Koninklijk Nederlands

Waternetwerk (KNW) en wordt mogelijk gemaakt door Deltares, KWR Watercycle Research Institute, Royal HaskoningDHV en de Stichting

Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA).

UITGEVER

Monique Bekkenutte (KNW)

HOOFDREDACTEUR

Bert Westenbrink

Eindredactie Nico van der Wel, Mirjam Jochemsen, Bert Westenbrink

REDACTIEADRES

Koningskade 40

2596 AA Den Haag redactie@h2o-media.nl

REDACTIERAAD

Huib de Vriend (voorzitter), Thomas ter Laak, Joachim Rozemeijer, Sigrid Scherrenberg, Michelle Talsma, Jeroen Veraart

VORMGEVER

Ronald Koopmans

DRUK

Veldhuis Media, Raalte

INHOUD

Vijf jaar onderzoek Marker Wadden

De aanleg van de eilanden met slib uit het Markermeer verliep volgens plan, al was de inklinking van de sliblaag sterker dan verwacht

Microverontreinigingen verwijderen

Een nieuwe methode op demoschaal getest: een combinatie van poederkooldosering en granulair actiefslib

DNA-metabarcoding

Totaal-DNA van dieren uit macrofaunamonsters geeft een zeer compleet beeld van de levensgemeenschap; een uitstekende basis voor ecologische knelpuntenanalyses

Veilig hergebruik water

Gecombineerde analysetechnieken geven samen een breder en betrouwbaarder beeld van de risico’s

Fosfaatverwijdering met ijzerzandfilters

Vermindering van de belasting van oppervlaktewater met fosfaat: een van de methoden is gebruik van ijzerzandfilters rond drainagebuizen

Psychofarmaca en illegale drugs

Hoog tijd voor systematisch onderzoek naar aanwezigheid en risico’s van psychofarmaca en illegale drugs in Europese oppervlaktewateren

Polymeren

MARKER WADDEN: LESSEN

VAN VIJF JAAR TOEGEPAST

ONDERZOEK NAAR BOUWEN MET SLIB EN ECOLOGIE

Tussen 2016 en 2022 zijn de Marker Wadden aangelegd met zand, klei en slib uit het Markermeer, in de vorm van zeven kunstmatige eilanden. Doel is om vogelhabitat en gradiënten tussen diep en ondiep water en droge zones te creëren. Daarnaast moeten de Marker Wadden de troebelheid in het Markermeer verlagen door luwtewerking en het invangen van slib, en zo de ecologische ontwikkeling van het meer bevorderen. De ontwikkelingen in de eerste vijf jaar zijn intensief gevolgd, in dit artikel bespreken we het ‘bouwen met slib’ en ontwikkeling van de nieuwe natuur.

Ruurd Noordhuis en Thijs van Kessel (Deltares)

Afbeelding 1. Marker Wadden met slibcompartimenten, reguliere compartimenten A - E, slibvanggeul en zandwinputten (bron: KIMA syntheserapport). A en B vormen samen het vrij toegankelijke hoofdeiland. C, D1, D2 en D3/4 zijn vier niet-toegankelijke natuureilanden. De twee E-eilanden zijn hier nog niet voltooid.

De Marker Wadden hebben een omvang van 1300 hectare en de afstand van noord tot zuid is ongeveer 4 kilometer. Het is een combinatie van zeven eilanden met daartussen ondiep water, in een omgeving die 4 á 5 meter diep is.

De eilanden zijn gebouwd door compartimenten binnen opgeworpen zandige ringdijken te vullen met slib. Zand en klei zijn gewonnen uit de directe omgeving van de eilanden in daartoe gegraven zandwinputten en een slibvanggeul. De klei uit deze putten en geul is bij de winning en het transport vermengd met water, en als slib met een lage bulkdichtheid (ca. 1200 kg/m3) in de compartimenten gepompt.

Het in 2022 afgeronde programma KIMA (kennis- en innovatieprogramma Marker Wadden) volgde de ontwikkeling van het project. In KIMA werkten diverse partners samen, waaronder WUR, Deltares, NIOO, RWS, Arcadis, Witteveen+Bos en enkele zelfstandige onderzoekers. De resultaten zijn samengevat in een syntheserapport (De Rijk & Löffler 2022). In dit artikel presenteren we een selectie van deze resultaten voor de onderdelen bouwen met slib en ecologie.

Bouwen met slib

De kernvraag hierbij is hoe we betrouwbaar en betaalbaar een stabiel substraat voor een voedselrijke plas-dras situatie kunnen creëren met slib. Daartoe zijn, met name in de slibcompartimenten (zie afbeelding 1), de inklinking van de sliblaag (consolidatie) en van de ondergrond (zetting) gedurende twee jaar (2019-2021) gemonitord (afbeelding 2). Ook zijn de ontwikkeling van de sterkte van de sliblaag en de korstvorming in de toplaag na droogval gevolgd en ruimtelijke gradiënten in de consolidatie,

zetting en sedimenteigenschappen zijn in kaart gebracht. De consolidatie gaat in het eerste jaar snel, veel sneller dan de zetting van de ondergrond. De consolidatie in het tweede jaar gaat veel trager, niet veel sneller dan de zetting van de ondergrond. De dichtheid van het slibpakket neemt toe in de tijd, maar varieert ook ruimtelijk. Dicht bij het vulpunt zit er meer zand in en is de dichtheid hoger. De maximale bulkdichtheid van slibrijke afzettingen is na twee jaar ongeveer 1600 kg/m3 (975 kg droge stof/m3) en neemt dan niet meer verder toe. Ten opzichte van de bulkdichtheid bij vullen van ongeveer 1200 kg/m3 (325 kg droge stof/m3) betekent dit dat het slibvolume een factor drie is afgenomen, dus per 3 m3 ingepompt waterig slib blijft er 1 m3 ingedikt slib over. Dat is minder dan vooraf werd verwacht op basis van kleinschalige experimenten.

Peilbeheer heeft een belangrijke invloed op het verloop van de consolidatie en zetting, omdat hiermee de dikte en oppervlakte van de korst wordt gestuurd. Sterkte ontwikkelt zich snel in deze korst en deze biedt voldoende draagkracht voor vegetatie-ontwikkeling.

Een en ander heeft geleid tot de volgende conclusies met betrekking tot bouwen met slib:

• De ontmenging van sedimentfracties tijdens het vullen (door verschillende snelheden van bezinken) geeft een ruimtelijke variatie in bodemhoogte en -samenstelling die gunstig is voor de ecologische diversiteit.

• Na bezinking en aflaten van water vormt zich een snel sterker wordende korst. De consolidatie van de sliblaag daaronder vindt grotendeels in het eerste paar jaar plaats. De zetting van de ondergrond gaat langer door.

• Peilbeheer is een belangrijke sturende factor voor

korstvorming, consolidatie en zetting, dus ook voor vegetatieontwikkeling.

• Het verloop van consolidatie en zetting zijn goed voorspelbaar als de hoeveelheid slib en de sedimenteigenschappen precies bekend zijn. Omdat deze van plaats tot plaats nogal verschillen zijn modelvoorspellingen onzeker en kan de gewenste stabiele eindhoogte het betrouwbaarst worden gerealiseerd door pleksgewijs ‘bij te sturen’ met extra slib.

Invloed van de Marker Wadden op de slibfluxen in het Markermeer

De invang van slib dient een dubbel doel: 1) het slib is te gebruiken voor de Marker Wadden (door de mens of natuurlijk) en 2) verlaging van de troebelheid van het Markermeer.

De slibdynamiek in het Markermeer wordt sterk gestuurd door de wind en is erg variabel. Daarom is een combinatie van meten en modelleren gebruikt om het effect van de Marker Wadden te bepalen.

Afbeelding 3 toont de vastgestelde verandering van de slibconcentratie in de waterkolom (links) en de hoeveelheid slib op de bodem (rechts). In de luwte van de eilanden neemt de slibconcentratie af. Daar en in de putten worden respectievelijk enkele decimeters en enkele centimeters slib per jaar afgezet. Op de schaal van het hele Markermeer is dit een klein, maar blijvend effect (ca. 1-2 mg/l afname). Het in de slibgeul en de putten afgezette slib is bruikbaar voor onderhoud, bijvoorbeeld ter compensatie van restzetting.

Ecologie

De kernvraag wat betreft de ecologie was hoe een natuurlijk voedselrijk moeras met bijbehorende ondiepten en oeverzones zich kan ontwikkelen en duurzaam in stand kan blijven als functioneel onderdeel van het Markermeer-ecosysteem.

Het bouwen met het voedselrijke holocene slib heeft direct gezorgd voor hoge biologische productie en snelle kieming en groei van vegetatie. De afgelopen jaren was er sprake van een pioniersituatie, waarbij zich op de eilanden geleidelijk een voedselrijk rietmoeras ontwikkelde. Als eerste ontstond op grote schaal een pioniervegetatie van met name moerasandijvie en rode ganzenvoet op de ondiepe sliklagen en land-waterovergangen (afbeelding 4a). Ook begonnen lisdodde en riet zich in enige mate te vestigen, al dan niet met hulp van de inbreng van zaad of wortelstokken en het bieden van bescherming om vraat door ganzen te beperken. Zo hebben zich nieuwe habitats ontwikkeld met een mozaïek van ondieptes, geleidelijke land-waterovergangen, slikken en hogere zandige delen. In ondiep water ontwikkelden zich ondergedoken vegetaties van onder meer fonteinkruiden en kranswieren, met een ruimtelijke variatie in soortsamenstelling en structuur (Afbeelding 4b). In de waterbodems ontwikkelden zich gemeenschappen van bodemfauna. De ondiepe zones in de luwte van de eilanden met een rijke structuur en bodemfauna boden al snel een aantrekkelijke leefomgeving voor veel vissoorten waarvan zeker 14 soorten geschikte paai- en opgroeiplekken wisten te benutten (De Leeuw et al. 2021).

Afbeelding 2. Hoogteligging van de dunslibcompartimenten, elf maanden na de tweede vulslag (5 januari 2021). Hoogte in m NAP. Markermeer winterpeil tussen NAP -0.2 en -0.4 m; zomerpeil tussen NAP -0.3 en -0.1 m.

Afbeelding 3. De invloed van de Marker Wadden op de slibdynamiek in het Markermeer. Boven: vermindering slibconcentratie in waterkolom. Onder: verandering van de hoeveelheid slib op de bodem.

Hoge dichtheden van plankton, insecten, bodemfauna en jonge vis vormen voedsel voor grotere vissen en de lokale broedvogels. Vanaf het begin vestigden zich kolonies kokmeeuwen en visdieven op de zandige hoogtes en dijken van de compartimenten, en vonden tal van vogels – met name eenden en steltlopers – hun weg naar de slikkige compartimenten. In 2021 was het totale aantal broedvogelparen opgelopen tot ongeveer 10.000, verdeeld over bijna 50 soorten. Terwijl de eerste jaren de pioniersoorten van kale bodems zoals visdiefjes, plevieren en kluten dominant waren (zie tabel 1), beginnen de laatste jaren moerasvogels als baardmannetjes, rietzangers en waterrallen toe te nemen. Daarnaast maken tienduizenden vogels op doortrek of in de winter gebruik van de eilanden als foerageer- en slaapplaats. De vogels benutten de Marker Wadden op landschapsschaal, dat wil zeggen dat er veel uitwisseling is met omliggende gebieden als de Oostvaardersplassen en Trintelzand, zodat de gebieden elkaar wederzijds versterken.

De eilanden beïnvloeden ook de ecologie van het Markermeer als geheel. Het duidelijkste effect is de toevoeging van habitats en soorten die ondervertegenwoordigd waren door de onnatuurlijke diepteverdeling van het meer door de steile stenen oevers. Er zijn rijke habitats bijgekomen zoals moeras, slikken, ondiepten met waterplanten en geleidelijke land-water overgangen. In deze habitats komt de bodemfauna goed tot ontwikkeling, die op zijn beurt een belangrijke voedselbasis vormt voor vissen en vogels. Het beoogde positieve effect op het voedselweb en de productiviteit via verbetering van de waterkwaliteit rond de Marker Wadden is minder evident, maar de werkzaamheden zijn nog maar net afgerond. In de luwte van de eilanden zijn nieuwe gradiënten van helder naar troebel water ontstaan, in combinatie met ruimtelijk gevarieerde patronen van erosie en sedimentatie (afbeeldingen 3 en 5).

Dit is gunstig voor het functioneren van het hele ecosysteem van het Markermeer. In de slibvangputten kunnen zich grote aantallen vissen verzamelen.

Wat betekent dit voor de praktijk?

De eerste vijf jaren de Marker Wadden laten zien dat de hogere zandige randen zorgen voor stabiliteit van de archipel en broedgelegenheid bieden voor vogels. De

dynamische wetlands met plas- dras slikken op rijke bodem zorgen voor een hoge voedselproductie, en vormen zo een ideaal foerageergebied voor veel vogels en een kraamkamer voor vissen. Door verbindingen tussen de compartimenten en het omliggende water via geulen en wash-overs ontstaat een dynamiek van water- en sedimentstromen tussen de ondieptes tussen de eilanden en het Markermeer.

De resultaten tot nu toe laten ook zien dat de ecologische ontwikkeling in het met slib gebouwde moeras goed op gang komt. Met name qua vogels zijn hoge natuurwaarden bereikt, die van nationale of zelfs internationale betekenis zijn in het licht van Natura 2000. De ontwikkelingen betekenen tevens een belangrijke verrijking van het Markermeer ecosysteem.

Dat het gebied sterk in ontwikkeling is, betekent ook dat de huidige staat van de natuur tijdelijk is. De hoge natuur-

Afbeelding 4. Vegetatie en habitatontwikkeling op en tussen de eilanden. Links: vegetatiekartering van de droge delen van de Marker Wadden in 2021. Lichtbruin = kaal slik, lichtgroen = moerasandijvie, donkergroen = riet, oranje = lisdodde, paars = overig (Klein Schaarsberg en Ivushkin 2021).

Rechts: voorbeeld van de aanwezigheid van een waterplantensoort, het fonteinkruid Zannichellia in de geulen tussen de eilanden in 2021. Van wit naar rood in toenemende dichtheid (Kers & Zielman 2022).

spm chl

Afbeelding 5. Luwte ten zuiden van de Marker Wadden bij noordenwind op 13 mei 2019. Sentinel satellietbeeld, bewerkt voor zwevend stof (spm) en chlorofyl (chl). De beelden laten verlaagde concentraties zwevend stof (lichte kleur) en chlorofyl (donkere kleur) zien (De Rijk & Löffler 2022).

waarden hangen namelijk deels samen met de schaarse pioniersituaties waar zeldzame soorten slechts tijdelijk gebruik van kunnen maken. Bij verdere successie ontstaan weer nieuwe leefomgevingen die op hun beurt weer kansen bieden voor andere soorten. Hoe het verder gaat is onzeker. Wel is duidelijk dat voor duurzame aanwezigheid van rietmoeras en functionele land-water overgangen dynamiek nodig is, hetzij natuurlijk in de vorm van waterbeweging (peilfluctuaties), hetzij door middel van specifiek beheer. In het Markermeer is de natuurlijke dynamiek beperkt door het hanteren van een streefpeil. Dit beperkt ook de uitwisseling van voedingsstoffen tussen de Marker Wadden en het meer. Zolang de kades van de compartimenten nog niet zijn geopend, is in de compartimenten een eigen peilbeheer in principe mogelijk. Door compartimenten op zeker moment (permanent) te openen wordt de uitwisseling van water, slib, nutriënten, vissen, etc. tussen het Markermeer en de Marker Wadden mogelijk, waarbij de timing van opening van belang is met betrekking tot de balans tussen consolidatie, erosie en sedimentatie van slib en de invloed van de vegetatie daarop. Wash-overs in de randen (aangebrachte verlagingen) van de compartimenten vormen een tussenoplossing.

De aanleg van de eilanden heeft ook de fysieke omgeving beïnvloed, bijvoorbeeld doordat in de zandwinputten en in de luwtes van de eilanden (met gradiënten van troebel naar helder water) nieuwe leefomgevingen zijn ontstaan voor onder meer vissen, vogels en bodemfauna. Diepe putten in de omgeving van de eilanden lijken echter ook een deel van de voedingsstoffen uit het meer en uit het moeras te kunnen accumuleren, wat de uitwisseling tussen beide deelsystemen zou kunnen benadelen. Dit is een van de onderwerpen voor vervolgstudie in KIMA-2.

Ruurd Noordhuis en Thijs van Kessel (Deltares) en Joep de Leeuw (WUR)

BRONNEN

De Rijk S. & M. Löffler. 2022. Syntheserapport KIMA. De eerste vijf jaar onderzoek op Marker Wadden. Deltares, Utrecht.

De Leeuw, J.J., J. Volwater, O. van Keeken, J. Elings & C. van Leeuwen, 2021. Paai- en opgroeigebieden voor vis in en rond Marker Wadden. Wageningen Marine Research rapport C058/21

Dreef, C., J. van der Winden & Y.I. Verkuil. 2021. Broedvogels en pleisteraars op Marker Wadden 2020-2021. Rapport 2021-02, Camilla Dreef, Amsterdam.

Kers A.S. & J. Zielman 2022. Toelichting bij de Waterplantenkartering Marker Wadden 2021. Rijkswaterstaat, CIV, Delft.

Klein Schaarsberg F.L.H. , en K. Ivushkin, 2021. Monitoring vegetatie ontwikkeling op land. Rapportage t.b.v project WN08 2019 Marker Wadden - Remote Sensing. Witteveen + Bos, rapport 119777/21-017.059, Deventer.

SAMENVATTING

Na vijf jaar onderzoek aan de Marker Wadden is er nu een eerste overzicht van de resultaten. Dit artikel behandelt twee aspecten: bouwen met slib en de ecologie. De aanleg van de eilanden met slib uit het Markermeer verliep volgens plan, al was de inklinking van de sliblaag sterker dan verwacht. In de luwte van de eilanden en in zandwinputten neemt de slibconcentratie af. Voor het hele Markermeer betekent dit een kleine, maar blijvende vermindering van de troebelheid. De ecologische ontwikkeling in de aangelegde moerassen komt goed op gang, wat vooral blijkt uit de grote rijkdom aan vogels. In de zandwinputten en in de luwtes van de eilanden zijn nieuwe leefomgevingen ontstaan voor vissen, vogels en bodemfauna. Dit is een belangrijke verrijking van het Markermeer ecosysteem. De successie gaat verder, dus sommige natuurwaarden zullen tijdelijk blijken.

Tabel 1. Aantallen broedparen van meeuwen, sterns en kluten op de Marker Wadden en het gemiddeld aantal uitgevlogen jongen per paar (o.a. Dreef et al. 2021; voor overige bronnen zie De Rijk & Löffler 2022).

MICROVERONTREINIGINGEN VERWIJDEREN MET COMBINATIE VAN POEDERKOOL EN NEREDA

De Nederlandse oppervlaktewaterkwaliteit moet beter. Een van de noodzakelijke maatregelen is het verwijderen van microverontreinigingen (waaronder medicijnresten) uit het effluent van de rioolwaterzuiveringen. Hiervoor is een nieuwe methode op demoschaal getest: een combinatie van poederkooldosering en granulair actiefslib (Nereda zuiveringstechniek).

Microverontreinigingen vormen een bedreiging voor de waterkwaliteit. Effluent van rioolwaterzuiveringen is voor veel van deze stoffen, zoals medicijnresten, een belangrijke route naar oppervlaktewater. De waterschappen onderzoeken met STOWA en het Ministerie van Infrastructuur en Waterstaat (I&W) mogelijke maatregelen om de lozing van deze stoffen naar oppervlaktewater te verminderen in het Innovatieprogramma Microverontreinigingen uit rwzi-afvalwater (IPMV). In dit programma zijn elf gidsstoffen vastgesteld (tabel 1).

Door het monitoren van steeds dezelfde gidsstoffen in alle onderzoeken zijn de onderzoeksresultaten goed met elkaar te vergelijken. Het vereiste verwijderingsrendement is minimaal 70% voor zeven van de elf gidsstoffen.

Rwzi Simpelveld: Poederkooldoseerunit (rechts) en voorraad poederkool (links)

Sandra Malagón en Ad de Man (WBL)

Wout Pannekoek (WBL) Herman Evenblij (Royal HaskoningDHV)

Saskia Moll en Pascalle Deenekamp (Royal HaskoningDHV)

Eén van de mogelijkheden om microverontreinigingen te verwijderen is de dosering van poederkool op de rioolwaterzuivering (rwzi), zoals op de rwzi Papendrecht werd gedemonstreerd in het PACAS project [1]. Hier werd poederkool gedoseerd in een continu-actiefslibsysteem.

Er zijn ook rwzi’s die gebruik maken van de Nereda®zuiveringstechnologie. Dit is een opwaarts doorstroomd batchsysteem met korrelslib (granulair slib). Is poederkooldosering ook in combinatie met Nereda een effectieve verwijderingstechniek? En blijft daarmee de installatie ook voor het overige doen wat hij moet doen? Om deze vraag te beantwoorden is in 2021 een onderzoek gestart in de Nereda-installatie op de rwzi Simpelveld. De resultaten van deze proef worden uitgebreid beschreven in het STOWA rapport Pilot Poederkooldosering Nereda Simpelveld [2]. Dit artikel vat de proefopzet en de voornaamste conclusies samen.

Proefopzet

De rwzi Simpelveld van Waterschapsbedrijf Limburg (WBL) werkt met een Nereda-installatie, bestaande uit twee parallelle ‘straten’. De ene straat zuivert eenderde van het influent, de andere tweederde.

Bij deze proef wordt op de kleinste straat poederkool (PAK, dezelfde als in het PACAS-onderzoek) gedoseerd, de andere straat fungeert als referentie. De effluenten van de referentiestraat en van de PAK-straat worden in een egalisatiebuffer met elkaar gemengd en vervolgens naar de zandfilters geleid. Het doseerniveau van poederkool is gedurende 14 maanden stapsgewijs verhoogd van 5 naar 10, 15 en 20 mg PAK/l influent. Daarna is een kortdurende proef gedaan met een (duurzamere) poederkool uit dennenhout, in plaats van de eerder gebruikte PAK (steenkool). Gebruikte dosering: 15 mg PAK/l.

De dosering van poederkool vond plaats tegen het eind van de beluchtingsfase, minimaal 30 minuten voordat de volgende fase inging. De per batch toe te voegen hoeveelheid poederkool werd berekend op basis van de aanvoersituatie. Bij droog weer werd de vaste doseerverhouding van 5, 10, 15 of 20 mg/l influent gebruikt. Deze hoeveelheid werd bij regenweeraanvoer verlaagd, om te compenseren voor het regenwater (dat immers geen medicijnresten bevat).

Monitoringsprogramma

Tijdens elke doseerperiode werden dagelijks monsters genomen (en ingevroren) van de influenten en effluenten van de referentiestraat en de PAK-straat. Voor de analyse van de gidsstoffen zijn de verzamelde 24-uursmonsters, na controle van de werking van de rwzi en poederkooldosering, gecombineerd tot 48-uursmonsters. De effluentbemonstering is 24 uur later dan de influentbemonstering gestart. Dit om rekening te houden met de hydraulische verblijftijd in de reactor. De monsters zijn uitgebreid gemonitord op: microverontreinigingen (de gidsstoffen), nutriënten (P en N), overige macroparameters (CZV, BZV, zwevende stof), slibsamenstelling en aandachtsstoffen zoals PFAS. Op basis van deze data zijn het verwijderingsrendement en het effect van de dosering op de effluentkwaliteit, de slibkwaliteit en de (berekende) extra slibproductie bepaald.

Het verwijderingsrendement is berekend volgens de ‘Voorlopige werkinstructie bemonstering en chemische analyse medicijnresten in rwzi-afvalwater’ van het Ministerie van I&W en STOWA. Hierbij is het berekende rendement de gemiddelde waarde van de zuiveringsrendementen van de best verwijderde zeven gidsstoffen in elk genomen watermonster.

Tabel 1. De elf gidsstoffen uit het IPMV

Verwijderingsrendement en andere effecten

Het berekende verwijderingsrendement van de medicijnresten in de referentiestraat bedraagt gemiddeld 35%.

Bij dosering van PAK neemt het rendement toe tot 45% bij 5 mg PAK/l en tot 84% bij 20 mg PAK/l (afbeelding 1). Het verwijderingsrendement bij 10 mg/l PAK voldoet precies aan de minimumeis van het Ministerie van I&W van 70% verwijdering.

De zandfilters zorgen voor gemiddeld 8% extra verwijdering van medicijnresten. Nader onderzoek zal moeten uitwijzen of dit ook zo is als de gehele stroom (dus ook in de referentiestraat) is behandeld met poederkool.

De verwijdering van PFAS en van zware metalen neemt niet toe door de dosering van poederkool [2].

De dosering van poederkool heeft geen negatief effect op de (biologische) verwijdering van nutriënten: de slibbezinkingseigenschappen en de korrelvorming van het korrelslib worden bij de toepaste doseerhoeveelheden poederkool niet beïnvloed.

De gedoseerde poederkool wordt in de Nereda-slibkorrels ingevangen en via het spuislib afgevoerd. De extra slibhoeveelheid als gevolg hiervan is gering. Uitgaande van een dosering van 15 mg PAK/l zal de slibproductie op de schaalgrootte van rwzi Simpelveld toenemen met ongeveer 19 ton ds/j, dat is ongeveer 5%.

Mogelijke uitspoeling van poederkool naar het rwzieffluent is bekeken met de zogenaamde Schwarzgradbestimmung. Deze methode wordt in Duitsland en

Zwitserland toegepast [3, 4] en wordt sinds kort ook door STOWA als standaard voorgeschreven (publicatie is in voorbereiding). Met deze methode (detectiegrens 1 mg/l) werd geen uitspoeling van kool gedetecteerd. De hoeveelheid kool die niet in het slib wordt ingevangen wordt op de rwzi Simpelveld waarschijnlijk voor een groot deel in de zandfilters verwijderd.

Uit de Nereda-slibkorrels kan de grondstof Kaumera worden teruggewonnen. Daarom is indicatief nagegaan of poederkooldosering hierop effect heeft. Uit de testen met spuislib en reactorslib bleek dit niet het geval te zijn: in beide straten gaven beide slibsoorten vrijwel evenveel Kaumera (opbrengstcoëfficiënt PAK-straat 25,7% en referentiestraat 27,5%).

Poederkool uit dennenhout

Aan het eind van de proefperiode is er gedurende een maand getest met een duurzame kool, geproduceerd uit dennenhout (Acticarbone 2SW, Chemviron). Het verwijderingsrendement hiermee verschilt bij een dosering van 15 mg/l niet significant met de eerder geteste poederkool (Pulsorb WP 235): respectievelijk 74% en 76% op basis van de zeven beste van elf gidsstoffen (afbeelding 2). De lage dichtheid van de Acticarbone (180 kg/m3) maakte het wel minder gemakkelijk te doseren met de pilotopstelling.

Veelbelovende techniek

Dit onderzoek toont aan dat in een Nereda-installatie met poederkooldosering microverontreinigingen effectief verwijderd kunnen worden, zonder noemenswaardige negatieve bij-effecten. Met een dosering tussen 10 en

Afbeelding 1. Verwijderingsrendement van medicijnresten bij verschillende PAK-doseringen o.b.v. 7 beste van 11 gidsstoffen. Aantal waarnemingen: 5 mg PAK/l n = 3; 10 mg PAK/l n= 5; 15 mg PAK/l n = 6; 20 mg PAK/l n = 6.

15 mg PAK/l influent worden de vereiste verwijderingsrendementen uit het IPMV behaald. De gewenste poederkooldosering kan zeer nauwkeurig ingesteld worden. De duurzame kool had een lagere dichtheid dan de fossiele kool en was ook minder gemakkelijk te doseren. Bij een full-scale toepassing dient de silo-doseerinstallatie geschikt te zijn voor kolen met verschillende eigenschappen. Bijkomend voordeel: de installatie is, zoals in deze proef, als plug-and-play module in gebruik te nemen en past daarmee goed in een modulair bouwconcept. De techniek is daardoor ook geschikt voor andere Nereda-installaties waar specifiek medicijnrestenverwijdering noodzakelijk is, de zogenaamde hotspot rwzi’s [5].

Sandra Malagón, Ad de Man, Wout Pannekoek (WBL); Herman Evenblij, Saskia Moll, Pascalle Deenekamp (Royal HaskoningDHV)

BRONNEN

1. STOWA, 2018; PACAS poederkooldosering in actiefslib voor verwijdering van microverontreinigingen. Onderzoek naar effectiviteit en efficiëntie op rwzi Papendrecht (STOWA, 2018-02)

2. STOWA, 2023; Pilot Poederkooldosering Nereda Simpelveld (STOWA 2023-02) in voorbereiding

3. Platz, 2015; S. Platz; Charakterisierung, Abtrennung und Nachweis von Pulveraktivkohle in der Abwasserreinigung, PhD-thesis, Universität Stuttgart.

4. Metzger, 2011; S. Metzger, A. Rössler, H. Kapp; Optimierung der Pulveraktivkohleabtrennung durch Filtration als Grundlage zur Anlagendimensionierung; Abschlussbericht, Hochschule Biberach.

5. STOWA, 2017; Landelijke Hotspotanalyse Geneesmiddelen RWZI’s; STOWA 2017-42

Afbeelding 2. Verwijderingsrendementen o.b.v. de 7 beste uit 11 gidsstoffen bij gebruik van duurzame PAK vergeleken met fossiele PAK bij dosering van 15 mg/l. Aantal waarnemingen: bij fossiele kool n = 6; bij duurzame kool n = 4.

Dankwoord

WBL bedankt STOWA en het ministerie van Infractructuur en Waterstaat voor de financiële ondersteuning van de hier beschreven pilot.

SAMENVATTING

In het Innovatieprogramma Microverontreinigingen uit rwzi-afvalwater (IPMV) onderzoeken de waterschappen met STOWA en het ministerie van Infrastructuur en Waterstaat mogelijke maatregelen om de lozing van microverontreinigingen naar oppervlaktewater te verminderen. Volgens het hier beschreven onderzoek is de combinatie van poederkooldosering (PAK) en de Neredazuiveringstechniek veelbelovend. Het verwijderingsrendement is ruim hoger dan zonder de poederkool; bij 10 mg/l PAK voldoet het precies aan de eis van minimaal 70% verwijdering voor zeven van de elf gidsstoffen. De poederkooldosering heeft geen noemenswaardige negatieve bij-effecten op de (biologische) verwijdering van nutriënten, de hoeveelheid slib of de opbrengst ven Kaumera-terugwinning.

AUTEURS

DNA-METABARCODING GEEFT GOED BEELD VAN DE WATERKWALITEIT

Om de kwaliteit van het oppervlaktewater en de aquatische biodiversiteit te verbeteren, worden veel herstelmaatregelen uitgevoerd. Maar verbeteren die de ecologie voldoende? En zo niet, welke extra maatregelen zijn dan nodig? Deze vragen zijn lastig te beantwoorden omdat doelgerichte monitoring van de effecten vaak ontbreekt.

Wageningen Environmental Research onderzoekt welke nieuwe meettechnieken kunnen worden ingezet om meer inzicht in te krijgen in de effecten van herstelmaatregelen.

Vaak wordt geen specifiek monitoringsprogramma opgezet om de effectiviteit van herstelmaatregelen te meten. Bestaande meetnetten meten vaak niet op de juiste plekken en momenten. Opschalen van deze reguliere monitoring is met de huidige technieken echter een arbeidsintensieve en daarmee kostbare aangelegenheid. Om knelpunten in een (deel-) stroomgebied vast te stellen zijn daarom aangepaste of nieuwe meettechnieken nodig.

Ralf Verdonschot (Wageningen Environmental Research)

Iris van der Laan (Waterschap de Dommel)

Gea van der Lee, Marcel Polling (Wageningen Environmental Research)

Beekherstelproject de Run bij Grootgoor

Foto Matthijs de Vos

En daarmee zijn we er nog niet. De volgende stap is het vertalen van de gegevens in een zinvolle diagnose van eventuele knelpunten in het watersysteem. Deze vertaalslag is overigens ook bij reguliere monitoring hard nodig.

Doel van dit onderzoek was om vast te stellen of DNAmetabarcoding van macrofauna soortenlijsten kan generen die overeenkomen met de soorten die in het gebied zouden moeten voorkomen (regionale soortenpoule).

Daarmee zou de methode bruikbaar zijn voor een diagnose van ecologische knelpunten en een inschatting van de effectiviteit van de uitgevoerde herstelmaatregelen. Het onderzoek vond plaats in het Brabantse beekje de Run.

Waarom DNA-metabarcoding van macrofauna?

De in de beek aanwezige macrofauna, waaronder libellenlarven, waterkevers, bloedzuigers en watermijten, zegt iets over de toestand van het water. Iedere soort heeft immers een voorkeur voor een bepaald milieu, zoals een specifieke range in stroomsnelheid, voedselrijkdom en temperatuur. Dit worden milieu- en habitatpreferenties genoemd [1]. Als je weet welke soorten in een water voorkomen, is aan de hand van hun milieu- en habitatpreferenties het water te typeren en kunnen stress-scores en knelpunten worden berekend. Of de maatregelen tot een kwaliteitsverbetering hebben geleid, kan dus worden bepaald aan de hand van de aanwezige macrofauna.

Het is echter arbeidsintensief om alle soorten op de traditionele manier met determinatiesleutels op naam te brengen [2]. Bovendien vergt dat uitgebreide specialistische kennis van de uiterlijke soortkenmerken. Het is ook niet mogelijk alle verzamelde individuen sluitend tot op soort te determineren, omdat daarvoor bij jonge of niet geslachtsrijpe exemplaren de uiterlijke kenmerken vaak onvoldoende ontwikkeld zijn. Dat maakt het soms zelfs noodzakelijk een locatie tweemaal, in verschillende jaargetijden, te bezoeken.

Moleculaire technieken, met name DNA-metabarcoding, kunnen deze problemen mogelijk omzeilen. Van meer dan 90% van de macrofaunasoorten van de KRW-maatlatten is een barcode (een karakteristiek stukje DNA-profiel) beschikbaar [3]. In dit onderzoek zijn twee manieren om het DNA te verzamelen getest. De eerste is door het DNA rechtstreeks uit de verzamelde organismen te isoleren (totaal-DNA). De tweede is door uit het water het DNA te filteren dat organismen achterlaten via celresten, slijm en

uitscheiding. Dit DNA uit de leefomgeving heet ‘environmental DNA’ ofwel e-DNA. Deze technieken zijn op zich niet nieuw, maar worden nog steeds verder geoptimaliseerd.

De Run: degradatie en herstel

De onderzoekslocatie (het Brabantse beekje de Run) is in het verleden sterk veranderd: van de moerasbeek werd een overgedimensioneerde, rechtgetrokken landbouwwatergang gemaakt. Daarnaast leidde intensivering van de landbouw in de omliggende beekdalgronden tot een sterke toename van de belasting met meststoffen en bestrijdingsmiddelen. De veranderingen in en rond de beek hebben de kwaliteit van het water aanzienlijk verslechterd.

Om de ecologische waterkwaliteit weer te verbeteren en het beekdal ‘klimaatrobuust’ te maken, is waterschap De Dommel in 2021 gestart met het herstellen van ruim drie kilometer beek bij natuurgebied Grootgoor. De Run is hier smaller en ondieper gemaakt en kronkelt weer als vanouds door het landschap. Ook is er meer ruimte gemaakt om hevige regenval op te kunnen vangen en verdroging tegen te gaan.

Data verzamelen en analyseren

In mei 2022 zijn in het herstelde deel van de Run en boven- en benedenstrooms daarvan 28 meetpunten bemonsterd. Macrofauna is verzameld door van de dominant aanwezige habitattypen 1,5 meter te bemonsteren met een standaard-macrofaunanet. Voor e-DNA is op elk meetpunt een monster genomen door 0,5–0,75 liter water te filtreren (Sylphium e-DNA Dual Filter Capsule, poriegrootte 0,8 µm).

In het laboratorium zijn eerst de dieren uit het met het macrofaunanet verzamelde materiaal gesorteerd en geteld volgens een macrofauna-quickscan methode. Daarbij werden de dieren tot op genus (haften, steenvliegen, kokerjuffers, waterkevers) of orde (watermijten, zoetwaterborstelwormen) gedetermineerd, en alle andere tot op familieniveau. Vervolgens is het totaal-DNA van de dieren geëxtraheerd (met de PowerMax Soil kit van Qiagen). Op zowel het e-DNA als het totaal-DNA monster is DNA-metabarcoding uitgevoerd met de zogenaamde Leray primerset [4]. Voor twee meetpunten lukte dit niet door grote hoeveelheden draadalg; deze punten zijn niet meegenomen in de vergelijking.

Knelpunten berekenen

De knelpunten ofwel stress-scores voor de macrofauna zijn berekend op basis van de milieupreferenties [5]. Voor de quickscan zijn de milieupreferenties van alle soorten die voorkomen binnen hetzelfde KRW-watertype samengenomen, en is gerekend met log10(x+1)-getransformeerde aantallen individuen. Het e-DNA en totaal-DNA is gescoord op aan-/afwezigheid op soortniveau.

Vergelijking methoden bij het identificeren van soorten Met e-DNA uit het water werd de aanwezigheid van 160 macrofaunasoorten vastgesteld (afbeelding 1). De resultaten geven een beperkt beeld van de aanwezige levensgemeenschap doordat het e-DNA met name afkomstig was van dansmuggen, vliegen en wormen. Veel soorten die stroming indiceren (libellen, waterwantsen, waterkevers en watermijten) werden gemist doordat deze soorten weinig DNA in het water achterlaten. Het totaal-DNA (DNA van de macrofaunamonsters) geeft, met 230 soorten, wel een gedetailleerd beeld van de soortenrijkdom in de Run. Het merendeel van de gevonden soorten werd met de quickscan ook op een hoger taxonomisch niveau (bijv. familie) vastgesteld. Bovendien is het resultaat met totaal-DNA zeer goed vergelijkbaar met de samenstelling van de regionale soortenpoule (270 soorten, gebaseerd op alle waterschapsdata beschikbaar van de Run). Een groot aantal lastig morfologisch te determineren taxa, waaronder zoetwaterborstelwormen en muggenlarven, kon met totaal-DNA wél tot op soort worden geïdentificeerd.

Bruikbaarheid voor knelpuntenanalyse

Vervolgens zijn op basis van de gevonden soorten per meetmethode de stress-scores berekend voor elk

meetpunt. In dit artikel concentreren we ons op de factor stroming. Veel stress betekent het (tijdelijk) wegvallen of ontbreken van stroming, wat ongewenst is in beken. In het herstelde deel van de Run waren maatregelen genomen om de stromingscondities te verbeteren. De verwachting was dus dat hier meer stromingsminnende soorten zouden zijn en de stress-score lager dan elders in de beek. Zowel de quickscan als de DNA-benadering bevestigen dit beeld, maar de DNA-benadering geeft een positievere waardering over een groter traject dan de quickscan (afbeelding 2). Dit was ook te verwachten: omdat de totaal-DNA methode op een lager taxonomisch niveau analyseert, wordt een groter aantal soorten vastgesteld. Gedetailleerde determinatie van de quickscanmonsters tot op soortniveau zou hoogstwaarschijnlijk hetzelfde beeld opleveren. Zo’n gedetailleerdere determinatie vraagt echter een vele malen grotere tijdsinvestering. De e-DNAdiagnose wijkt in negatieve zin af van de quickscandiagnose, doordat de e-DNA-methode veel soorten die stroming indiceren, niet oppikt. Dat vertekent het beeld.

Conclusies

Deze studie toont aan dat in de Run het e-DNA uit het water een beperkt beeld geeft van de macrofauna, terwijl het totaal-DNA uit macrofaunamonsters juist een zeer compleet beeld geeft van aan/-afwezigheid van soorten. De informatie uit totaal-DNA blijkt daarmee zeer bruikbaar om een diagnose van de ecologische knelpunten in de beek op te stellen. De grote hoeveelheid informatie op soortniveau die op deze manier eenvoudig en snel kan worden verkregen voor een groot aantal meetpunten is een belangrijk voordeel ten opzichte van traditionele determinatie op morfologische kenmerken door macrofaunaspecialisten. De totaal-DNA methode maakt het mogelijk de effectiviteit

Afbeelding 1. Aantal macrofaunasoorten per groep dat is vastgesteld in de Run met alleen e-DNA uit watermonsters (blauw), met alleen totaal-DNA van de dieren uit macrofaunamonsters (oranje), en met beide methoden (groen).

Afbeelding 2. Stress-scores voor stroming, berekend met data uit quickscan (links), totaal-DNA (midden) en e-DNA (rechts). Het hersteltraject waar de stromingscondities zijn verbeterd is gemarkeerd met een roze onderbroken lijn (ongeveer in het midden van elk plaatje).

van herstelmaatregelen (deel)stroomgebiedsdekkend te bepalen met een beperkte inzet van middelen. Gea van der Lee, Marcel Polling, Ralf Verdonschot (Wageningen Environmental Research), Iris van der Laan (Waterschap de Dommel)

Dank

Het onderzoek in de Run is tot stand gekomen in samenwerking met Aquon en MicroLAN, en ondersteund door het ministerie van Landbouw, Natuur en Voedselkwaliteit, in het kader van de Kennis en Innovatie Agenda (KIA); thema Landbouw, Water, Voedsel; missie C: Klimaatbestendig Landelijk en Stedelijk gebied).

BRONNEN

1. Verberk, W.C.E.P., Verdonschot, P.F.M., Van Haaren, T. & Van Maanen, B. (2012) Milieu-en habitatpreferenties van Nederlandse zoetwatermacrofauna. STOWA.

2. Bijkerk. R (red) (2014) Handboek Hydrobiologie. STOWA.

3. Van der Hoorn, B. & Beentjes, K. (2020). Genetische biomonitoring van macrofauna. H2O online.

4. Leray, M., Yang, J.Y., Meyer, C.P., Mills, S.C., Agudelo, … & Machida, R.J. (2013). A new versatile primer set targeting a short fragment of the mitochondrial COI region for metabarcoding metazoan diversity. Frontiers in zoology, 10(1), 1-14.

5. van der Lee G.H., Bakker, A.M., Verdonschot R.C.M., Verdonschot P.F.M. (2021). Doorwerking van lokaal beekherstel op de ecologische kwaliteit van het hele stroomgebied. Notitie KIWK.

SAMENVATTING

Om in toekomstige projecten meer te kunnen leren van uitgevoerde herstelmaatregelen kunnen nieuwe meettechnieken van grote waarde zijn. In deze studie is het gebruik van DNA-metabarcoding van macrofauna onderzocht in de Run, een beek waar recent een herstelproject is uitgevoerd. Met e-DNA uit het beekwater blijkt slechts een beperkt deel van de aanwezige macrofauna te worden gedetecteerd. Het totaal-DNA van dieren uit macrofaunamonsters geeft juist een zeer compleet beeld van de levensgemeenschap. Deze volledigheid is een uitstekende basis voor ecologische knelpuntenanalyses; voor de factor stroming geeft de totaal-DNA-methode een gedetailleerd beeld van de omstandigheden in de beek. De traditionele aanpak (determineren op morfologie) kan eenzelfde beeld geven, maar vraagt een grotere tijdsinvestering. DNA-technieken maken het daarmee mogelijk met slechts een beperkte inzet van middelen de effectiviteit van uitgevoerde herstelmaatregelen gebiedsdekkend in beeld te brengen.

AUTEURS

BEOORDELING CHEMISCHE WATERKWALITEIT VOOR VEILIG HERGEBRUIK

Klimaatverandering zorgt voor langere droge perioden en een groeiende vraag naar water. Dat maakt de toekomstige beschikbaarheid van voldoende zoetwater van voldoende kwaliteit tot een grote uitdaging. Een circulaire benadering kan een oplossing bieden: hergebruik van gezuiverd rioolwater of industrieel afvalwater kan (tijdelijke) tekorten van water opvangen. Hoe kunnen we beter garanderen dat water veilig is voor hergebruik?

Momenteel is de ‘waterbalans’ van Nederland uit evenwicht. Er wordt 977 Mm3/jaar meer grondwater onttrokken dan langs natuurlijke weg wordt aangevuld. Tegelijk lozen de rioolwaterzuiveringsinstallaties (rwzi’s) en industriële afvalwaterzuiveringsinstallaties in Nederland 2160 Mm3/jaar op het oppervlaktewater [1]. Hergebruik van dit effluent zou de verdroging kunnen beperken en helpen in het voldoen aan de watervraag. Water kan in principe worden hergebruikt voor heel veel toepassingen. Voorbeelden zijn drinkwater, irrigatie in de landbouw, koeling, (industrieel) proceswater, natuur, recreatie, en aanvulling van grondwater.

Thomas ter Laak (KWR)

Nienke Koeman en Stefan Kools (KWR)

Frederic Béen en Milou Dingemans (KWR)

Monstername bij subirrigatie Haaksbergen

Beleid voor waterhergebruik

Hergebruik van water brengt echter ook vragen met zich mee. Water kan immers door de vorige toepassing verontreinigd zijn met biologische en chemische componenten. Die kunnen het ongeschikt maken voor hergebruik. Het is echter verhelderend om je te realiseren dat we gezuiverd afvalwater standaard lozen op oppervlaktewater. Dit oppervlaktewater wordt stroomafwaarts weer voor van alles gebruikt, zoals voor irrigatie [2]. In feite is er dus al sprake van ‘hergebruik’ van gezuiverd afvalwater. Eventuele risico’s die gepaard gaan met dit hergebruik worden nu echter niet structureel in beeld gebracht of geminimaliseerd. Voor irrigatie met gezuiverd rwzi-effluent is er wel een Europese richtlijn [3]. Die voorziet in een vergunningplicht, waarbij risico’s in beeld gebracht en gemonitord moeten worden. Voor andere vormen van waterhergebruik ontbreekt het (inter)nationaal nog aan beleid of regelgeving. Denk hierbij bijvoorbeeld aan infiltratie in de bodem – ook hier zou monitoring van de waterkwaliteit belangrijk zijn, om negatieve effecten op het ecosysteem te voorkomen. Wel is eerder in het onderzoeksprogramma Water in de Circulaire Economie (WiCE) nagedacht over kwaliteitseisen en het benodigde juridisch kader voor waterhergebruik in de drinkwatersector [4].

Beoordeling waterkwaliteit voor verantwoord hergebruik

Bij het hergebruik van water uit alternatieve bronnen gaat de chemische veiligheid naast de microbiologische een steeds grotere rol spelen. Om te kunnen beoordelen welke zuiveringsinspanning geleverd moet worden om water geschikt te maken voor verantwoord hergebruik is een duidelijk beeld nodig van de waterkwaliteit. Het beoordelen van de chemische waterkwaliteit is echter een bijzondere uitdaging vanwege het extreem grote aantal (vaak onbekende) microverontreinigingen dat in gebruikt water aanwezig kan zijn. Vaak ontbreekt informatie over de herkomst, mogelijke (mengsel)toxiciteit en lot (‘waar blijven de stoffen in het milieu’). De gangbare me-

thode voor het beoordelen van chemische waterkwaliteit richt zich vaak op een beperkt aantal stoffen (doelstoffen), of het nu gaat om de monitoring van drinkwater, oppervlaktewater, gezuiverd rwzi-effluent of industrieel afvalwater. Gezien het grote aantal mogelijke microverontreinigingen maakt dat dit een onvolledig beeld kan geven. Te beperkt in elk geval voor een verantwoorde beoordeling van de veiligheid bij hergebruik. Maar er zijn meer analysemethoden beschikbaar. Grofweg kunnen de volgende analysemethoden onderscheiden: doelstofanalyse, non-target screening en bioassays. Een combinatie van methoden zou de zekerheid over de uitkomst van de waterkwaliteitsbeoordeling kunnen vergroten (afbeelding 1).

Met innovatieve tools om relaties tussen stoffen en trends in de tijd te ontdekken, en met nieuwe methoden voor toxicologische bepalingen (bijvoorbeeld QSARs en machine learning) kan men slim prioriteren en toch grip krijgen op welke microverontreinigingen het meest van belang zijn. Hoewel voor doelstofanalyses de specifieke parameters (stoffen) vaak zorgvuldig zijn gekozen, blijft de achilleshiel dat deze benadering niet alle aanwezige stoffen in beeld brengt. En mogelijk ook niet in alle gevallen de meest representatieve voor mogelijke risico’s voor mens of milieu.

Analysemethodes combineren

Op chemisch-analytisch vlak hebben suspect screening en non-target screening (NTS) een grote vlucht genomen. Deze technieken, waaronder massaspectrometrie (afbeelding 2), stellen ons in staat een zeer breed spectrum aan stoffen te detecteren. Suspectscreening kan in een enkele analyse een groot aantal verwachte verontreinigingen in het (te hergebruiken) water ontdekken. Met non-target screening is het zelfs mogelijk om nog onbekende chemische stoffen te detecteren in te hergebruiken water, en deze soms zelfs voorlopig te identificeren zonder referentiemateriaal. Uit de resultaten kan met data-analyse aanvullende informatie worden gehaald, bijvoorbeeld over deelstructuren, geschatte concentraties of de vorming van

Afbeelding 1. Methoden voor waterkwalteitsanalyses kunnen meer opleveren als ze gecombineerd worden toegepast

transformatieproducten. Voor nieuwe onbekende stoffen kan kennis over (deel)structuren gebruikt worden om de mogelijke toxiciteit in te schatten met kwantitatieve structuur-activiteit-relaties (QSARs) of recent ontwikkelde machine-learning modellen. Geschatte concentraties kunnen worden getoetst aan stof-specifieke veilige concentraties of aan generieke risicogrenzen (threshold of toxicological concern; TTC). Voor een meer betrouwbare toetsing aan grenswaarden moet de concentratie echter nauwkeuriger bekend zijn. Die kan niet altijd goed gegeven worden door de suspect en NTS-technieken. Een vervolgstap kan dan ook zijn om met doelstofanalyses te bevestigen om welke stof het gaat, en de exacte concentraties te bepalen.

Biologische testsystemen (bioassays, afbeelding 3) van van alle aanwezige stoffen – al dan niet gedetecteerd – een gecombineerd effect op biologische systemen inzichtelijk te maken. Hierbij moet een keuze worden gemaakt welke mogelijke effecten worden onderzocht, omdat actieve stoffen verschillende effecten kunnen hebben. Vaak worden de bioassays gekozen die het meest relevant zijn voor de menselijke gezondheid. Er zijn ook bioassays die juist gericht zijn op ecotoxicologische parameters; die brengen risico’s voor het milieu in beeld. Voor steeds meer bioassays bestaan zogenaamde trigger values of signaalwaarden, die aangeven wanneer een respons zo hoog is dat mogelijk sprake is van toxiciteit. Omdat bij een afwezige bioassayresponse toch schadelijke stoffen in het water aanwezig kunnen zijn, is een combinatie met chemische analyses belangrijk.

Als chemische analyses of bioassays laten zien dat sprake is van niet-acceptabele blootstellingen of risico’s voor mens en milieu, zijn maatregelen nodig. Voor sommige vormen van waterhergebruik is het inschatten van risico’s voor mens en milieu niet eenvoudig. Dat is vooral zo als gedrag van stoffen erop duidt dat deze ook in bijvoorbeeld voeding als dieren (vee, wild, vissen) of gewassen terecht

kunnen komen. Dan wordt het vraagstuk verbreed van waterkwaliteit naar voedselveiligheid. Voor effectieve maatregelen en het inrichten van routinematige monitoring is het daarom nodig om de herkomst en het lot van de gedetecteerde stoffen te begrijpen, waaronder trends en omzettingen in het milieu. Hiervoor zijn forensische methoden beschikbaar.

Waterhergebruik: pilots en full scale toepassingen

In de afgelopen jaren zijn verschillende pilots met waterhergebruik uitgevoerd. We beschrijven er hier drie, waar rwzi-effluent en regenwater worden hergebruikt als industriewater en voor irrigatie. Bij deze pilots zijn diverse analysemethoden gebruikt om inzicht te krijgen in de waterkwaliteit, en beschrijven wij kansen om een nog completer beeld te krijgen.

1. Subirrigatie met rwzi-effluent

In Haaksbergen is onderzoek gedaan naar subirrigatie met gezuiverd rwzi-effluent: via drains is continue gedurende meerdere jaren gezuiverd rwzi-effluent geinfiltreerd, waarmee het grondwaterpeil en de bodemvochtigheid actief werden beïnvloed. In deze pilotstudie werd onderzocht in hoeverre microverontreinigingen in de bodem worden verwijderd en naar het grondwater kunnen uitspoelen. Op verschillende dieptes en op verschillende punten in het veld werden monsters van het grondwater geanalyseerd op organische microverontreinigingen, zie afbeelding 4 [5]. Met vloeistofchromatografie (afbeelding 2) werd gemeten op meer dan 100 stoffen, waaronder ook transformatieproducten. Ook werd hun gecombineerde (mengsel)ecotoxiciteit berekend. Zo ontstond een vollediger beeld van de verspreiding van de stoffen bij toepassing van gezuiverd effluent voor irrigatie. De resultaten laten zien dat de irrigatie via de bodem niet alleen de waterbeschikbaarheid tijdens droogte verhoogt, maar ook dat een aanzienlijk deel van de organische verontreinigingen in de bodem achterblijven. Van de 133 stoffen werden er 89 in het veld teruggevonden. Bioassays zouden meer infor-

Afbeelding 2. Monsters gaan de vloeistofchromatograaf met hoge resolutie massaspectrometer in voor chemische analyse van een zo breed mogelijk spectrum van bekende én onbekende organische stoffen

Afbeelding 3. Bioassay in uitvoering

Foto’s KWR Water Research Institute

matie kunnen geven over de mogelijke effecten van deze achterbljvende stoffen.

2. Rwzi-effluent en regenwater als proceswater Dow (voorheen: Dow Chemicals) in Terneuzen gebruikt veel proceswater. Hiervoor wordt onder andere verder opgezuiverd effluent van rwzi Terneuzen ingezet. Van 2019 tot 2021 is een pilot gedaan om te onderzoeken of dit kan worden aangevuld met regenwater [6]. Belangrijke vraag was welke stoffen in de verschillende bronnen voorkomen, hoe deze stoffen zich in de processtappen gedragen en of ze een belemmering kunnen vormen voor hergebruik als proceswater. Onderdeel van het onderzoek was ook wat de bruikbaarheid is van zogenaamde ‘constructed wetlands’ voor de zuivering voorafgaand aan het hergebruik. In het bijzonder werden suspect- en NTS-analyses gebruikt om te screenen op meer dan 2.000 relevante verbindingen (waaronder farmaceutische producten en pesticiden). Sommige hiervan konden niet met de allerhoogste zekerheid worden geïdentificeerd in de gemeten monsters, maar voldoende voor een beeld van de totale belasting met stoffen. Zo kon met de suspect screening het geneesmiddel metformine aangetoond worden, evenals stoffen die normaliter aangetroffen worden in het effluent van rwzi’s en niet in het effluent van industriële waterzuiveringsinstallaties. Met NTS-analyses kwam ook de verschillen in beeld tussen influent- en effluentmonsters. Daarmee was te zien waar specifieke stoffen uit het Dow-proces zitten en waar nog onbekende stoffen zitten. Het inzicht in de geschiktheid van het influentwater als proceswater is hiermee verbeterd. Daarnaast kan het ook van belang zijn om de impact op het milieu (in de ‘constructed wetlands’) te onderzoeken. Bioassays zouden

hier nog aanvullende informatie kunnen geven over de potentiële (eco)toxiciteit van deze verbindingen. Dat zou een nog uitgebreidere beoordeling van de waterkwaliteit mogelijk maken.

3. Rwzi-effluent of voorgezuiverd oppervlaktewater voor hoogwaardig hergebruik

Een voorbeeld waarbij naast metingen aan stoffen ook bioassays zijn ingezet is de pilotstudie ‘Sluiten van de Watercyclus Noord-Holland’. Deze pilot wilde onderzoeken of rwzi-effluent of voorgezuiverd oppervlaktewater geschikt zijn voor hoogwaardig hergebruik, bijvoorbeeld als irrigatiewater of zelfs drinkwater. Hier is de effectiviteit van diverse aanvullende zuiveringstechnieken voor effluent van een rwzi bestudeerd [7] door twee technieken te combineren. De verwijdering van elf geselecteerde geneesmiddelen (ook wel gidsstoffen genoemd) werd gemonitord met doelstofanalyses. De resultaten hiervan werden vergeleken met uitkomsten van bioassays. De bioassays lieten zien dat met geavanceerde zuiveringstechnieken in de meeste gevallen de gidsstoffen inderdaad afnamen. Echter, in sommige gevallen nam de hormoonverstorende activiteit, genotoxiciteit en oxidatieve stress juist toe. Daarom zijn hier aanvullende maatregelen nodig voor hoogwaardig hergebruik. Met deze combinatie van technieken (doelstofanalyse en bioassay) kan dus worden bepaald in hoeverre de gidsstoffen representatief zijn voor de verwijdering van een relevant toxicologisch effect. Op deze manier is in de pilot de kwaliteit van gezuiverd effluent vergeleken met die van voorgezuiverd oppervlaktewater. De uitkomsten van de combinatie van technieken suggereren dat de ozonbehandeling aangepast moet worden, in combinatie met andere zuiveringstechnieken,

Afbeelding 4. Bemonstering van grondwater op verschillende dieptes (vanaf de grondwaterspiegel tot 12 meter diepte) op een perceel in Haaksbergen. Hier werd gedurende meerdere jaren rwzi-effluent geïnfiltreerd. Microfilters zijn in peilbuis geplaatst.

Foto Ruud Bartholomeus

om hoogwaardig hergebruik mogelijk te maken. De pilot geeft dus een duidelijk meer omvattend beeld van de verbetering van de waterkwaliteit na zuivering dan alleen doelstoffenanalyses kunnen geven.

Conclusie

De beschreven onderzoeken naar hergebruik van water vragen om een combinatie van technieken om zo een breder beeld te krijgen van het aantal en de identiteit van (schadelijke) stoffen in te hergebruiken water. De pilot in Noord-Holland laat zien dat met aanvullend onderzoek (bioassays) ook de toxiciteit van deze stoffen worden bepaald, maar deze aanpak wordt nog niet vaak ingezet. We pleiten dan ook voor een nieuw kader voor de beoordeling van de (chemische) waterkwaliteit in de context van waterhergebruik. We hebben laten zien dat chemische en biologische technieken goed toepasbaar zijn. De hier beschreven technieken zijn bestaande technologieën, die beschikbaar zijn in verschillende laboratoria in Nederland

BRONNEN

1. Pronk, G.J. Dooren, T.C.G.W. van Stofberg, S.F. Bartholomeus, R.P. 2020. Waterhergebruik en de Zoetwatervoorziening. https://library.kwrwater.nl/publication/60884959/.

2. Jack E. Beard, Marc F.P. Bierkens, Ruud P. Bartholomeus. 2019 Following the Water: Characterising de facto Wastewater Reuse in Agriculture in the Netherlands. Sustainability | Free Full-Text | Following the Water: Characterising de facto Wastewater Reuse in Agriculture in the Netherlands (mdpi.com).

3. Europese Commissie 2020. Minimumeisen voor hergebruik van water. https://eur-lex.europa.eu/legal-content/NL/TXT/PDF/?uri=CELEX: 32020R0741&from=NL.

4. Krajenbrink, H.J.Handgraaf, S.Koeman-Stein, N.E.Cirkel, D.G.Stofberg, S.F. 2022. Juridisch kader aanvulling watersysteem met industrieel restwater. https://library.kwrwater.nl/publication/69265309/.

5. Narain-Ford, D. M., A. P. van Wezel, R. Helmus, S. C. Dekker and R. P. Bartholomeus (2022). “Soil self-cleaning capacity: Removal of organic compounds during sub-surface irrigation with sewage effluent.” Water Research 226: 119303.

6. Ioanna Gkoutzamani, L. Wyseure, T Steenbakker, N. van Belzen, A. de las Heras Garcia, O. Schepers; Wetlands & hybrid desalination at Dow Terneuzen Technical report of pilot study April ’19 – August ’21, 2021-10, 2021.

7. Bertelkamp, C., Dingemans, M.M.L. Roest, K. Hornstra, L.M. HofmanCaris, C.H.M. Reus, A.A. (202) TKI Sluiten watercyclus Noord-Holland https://library.kwrwater.nl/publication/61261355/

en daarbuiten. Voor het uitvoeren van de analyses, de interpretatie van de resultaten en de toetsing aan waterkwaliteitseisen zijn echter wel specifieke expertises nodig. Het is dus zaak om verschillende experts te betrekken bij de waterkwaliteitsbeoordeling voor waterhergebruik. Voor een compleet kader, waarin ook microbiologische waterkwaliteit wordt beoordeeld, moeten ook experts op dat gebied worden betrokken.

Samenvattend bieden geavanceerde chemisch-analytische, biologische en data-analyse-technieken, in combinatie met kennis van herkomst en eigenschappen van de verontreinigingen, de mogelijkheid om de waterkwaliteit degelijk te beoordelen. Dat is nodig om mogelijkheden voor hergebruik af te wegen en om zo nodig risicobeperkende maatregelen te selecteren.

Daarbij is ook begrip nodig van de herkomst en het lot van de gedetecteerde stoffen, waaronder trends en omzettingen in het milieu. Ook hierbij vullen verschillende technieken elkaar aan. Samen geven ze een completer beeld van de chemische waterkwaliteit. Dit vergroot de betrouwbaarheid van de beoordeling van de waterkwaliteit en verkleint daarmee de kans op onaangename verassingen.

Frederic Béen, Milou Dingemans, Nienke Koeman, Stefan Kools, Thomas ter Laak (KWR)

SAMENVATTING

Klimaatverandering zorgt voor langere droge perioden en een groeiende vraag naar water. Hergebruik van water, bijvoorbeeld voor irrigatie in de landbouw, koeling, (industrieel) proceswater of natuur (grondwateraanvulling), kan helpen om aan die groeiende vraag te voldoen. Het water voor hergebruik kan opgevangen regenwater zijn, maar kan ook afkomstig zijn van bronnen als rwzi-effluent of industrieel afvalwater.

Verontreinigingen in het te hergebruiken water kunnen risico’s opleveren, afhankelijk van het voorgenomen gebruik. Er is een degelijke inschatting nodig van die risico’s, en onderbouwing voor de selectie van eventuele risicobeperkende maatregelen. Gangbare analysetechnieken om de waterkwaliteit te bepalen, leveren daarvoor te beperkte informatie. Dit artikel pleit voor de inzet van een combinatie van analysetechnieken, die samen een breder en betrouwbaarder beeld geven.

AL HET ACTUELE WATERNIEUWS BINNEN HANDBEREIK MET DE H2O APP!

Naast het actuele waternieuws vind je in de app ook alle H2O vakartikelen overzichtelijk gerangschikt, het KNW nieuws, H2O Watervacatures en nog veel meer!

Het actuele nieuws scannen in een oogopslag. Overzichtelijke structuur!

Scan de QR-code of download de app gratis in de app store

AUTEURS

FOSFAATVERWIJDERING MET IJZERZANDFILTERS:

WAT WERKT EN WAT NIET?

Een van de oorzaken van de slechte waterkwaliteit in Nederland is de overbelasting met fosfaat en stikstof. Een belangrijk deel van de fosfor is afkomsting van bemesting van gewassen in de landbouw. IJzerzand (ICS) kan fosfaat binden en zo voorkomen dat het fosfaat afstroomt naar rivieren en meren. Waaraan moet een goed ijzerzandfilter voldoen?

Een deel van het fosfaat uit fosforbemesting verdwijnt vanuit de bodem naar rivieren en meren, waar hoge fosfaatconcentraties tot eutrofiëring leiden. Dat is vervolgens de oorzaak van onder andere algenbloei. Om de ecologische kwaliteit van het oppervlaktewater te verbeteren is het daarom belangrijk om de diffuse verspreiding van fosfor vanuit de landbouw te verminderen. Eén van de methoden daarvoor is het te laten binden aan ijzerzand (iron coated sand, ofwel ICS). IJzerzandfilters rond drainagebuizen kunnen op die manier fosfaat buiten het drainagewater houden [1, 2]. Het vermogen van ijzerzandfilters om fosfaat te binden wordt beïnvloed door adsorptiekinetiek en redox-omstandigheden. Hoe ziet een optimaal filterontwerp eruit, rekening

Victoria Barcala (TAUW) Arjon Buijert (Arcadis)

Thijs Lieverse (Arcadis) Leonard Osté (Deltares)

Joachim Rozemeijer en Stefan Jansen (Deltares)

Een van de testlocaties: drainage met ijzerzandfilter in de ondergrond, sloot met gezond water

(Foto Victoria Balaca)

houdend met de adsorptiekinetiek en de (mogelijk verminderde) stabiliteit onder gereduceerde omstandigheden?

En meer specifiek: wat is het effect op de adsorptiecapaciteit van het ICS van de verblijftijd en de stroomsnelheid in het filter? En wat gebeurt er als het filter permanent onder water staat en de omstandigheden reducerend zijn (het ijzer gaat dan roesten en vormt onder andere ijzer(hydr)oxides)?

Het experiment

Het veldwerk voor dit onderzoek werd gedaan in twee velden in de Bollenstreek, een gebied met intensieve landbouw (bollenteelt) op zandgronden. In 2018 werd hier als experiment ijzerhoudend zand rond de drains aangebracht (afbeelding 2). Het filtermateriaal lag sindsdien gedurende lange perioden onder de grondwaterstand. Het effect van ijzerreductie op het vasthouden van fosfaat werd onderzocht in de twee proefvelden en met microkosmosexperimenten in het laboratorium. Daarnaast werden in het laboratorium kolomstudies gedaan om de adsorptiekinetiek te bepalen. [3, 4]

Doordat de drainagebuizen een groot deel van de tijd onder de grondwaterstand liggen, is de zuurstoftoevoer beperkt. In combinatie met de aanwezigheid van snel afbreekbaar organisch materiaal kan een gereduceerd milieu ontstaan doordat micro-organismen nitraat, mangaan, ijzer(hydr)oxiden, sulfaat en/of CO2 gebruiken als terminale elektronenacceptoren (anaerobe respiratie) (afbeelding 1a).

Resultaten

We zagen dat de drie jaar oude ijzerzandfilters nog steeds efficiënt fosfaat verwijderden, ondanks de ijzer- en

mangaangereduceerde omstandigheden. Dat wil zeggen: ondanks dat het ijzer ging roesten. Ook in het laboratorium testten we het effect van het verslechteren van de omstandigheden op de stabiliteit van het ijzerzand en de adsorptie van fosfaat. De laboratoriumomstandigheden waren vergelijkbaar met die in het veld. Voor ijzerzand met een molaire P/Fe-verhouding van 0,013 en blootstellingstijden van 45 dagen bleef het fosfaat gebonden aan het ijzerzand, zelfs na het gedeeltelijk oplossen van ijzer en mangaan onder zwakke, matige en sterk gereduceerde omstandigheden. Er werden bijna geen veranderingen waargenomen in de fosfaatsorptiecapaciteit of in de minerale structuur van het ijzerzand. Onder sterk gereduceerde omstandigheden kwamen ijzer en mangaan vrij en werden lage percentages ijzersulfiden gevormd in de buitenste laag van het ijzerzand, maar zonder dat er fosfaat vrijkwam.

De stroomsnelheid in het filter beïnvloedt de retentietijd en de kinetiek van fosfaatadsorptie in de ijzerzandfilters (afbeelding 1b). Adsorptie van fosfaat aan ijzerzand vindt plaats in twee fasen: snelle adsorptie op het oppervlak van de korrels, gevolgd door langzame kinetische adsorptie in de microporiën in de ijzercoating.

Een rekenmodelmodel voor de relatie tussen transport door stroming (advectie) en adsorptie werd door ons gekalibreerd en gevalideerd om de kinetiek van fosfaatadsorptie in ijzerzand te beschrijven. De parameters zijn gebaseerd op langdurige kolomexperimenten met twee stroomsnelheden, en beschrijven met succes adsorptieen desorptieprocessen, zelfs in stop-flow omstandigheden. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om de effluentfosfaatconcentraties te modelleren met verschillende

Afbeelding 1. Schema van ijzerzandfilters rond drainagebuizen om fosfaat te verwijderen. De belangrijkste problemen waarvan wordt verwacht dat ze de efficiëntie van fosfaatadsorptie beïnvloeden, zijn weergegeven in a) een redoxgradiënt en in b) korte retentietijden (kinetisch effect) veroorzaakt door zware regen of pompen.

stroomsnelheden en stop-flow. Ook eventuele desorptie wordt dus berekend. [4]. (Onze modelcode is vrij beschikbaar in GitHub en kan in coderingsprogramma R worden uitgevoerd voor het ontwerp van nieuwe filters of de verificatie van bestaande.) De levensduur van het filter wordt bepaald door de benodigde tijd voor diffusie van fosfaat in de binnenste lagen van de ijzercoating. Slechts ongeveer 5% van de (snelle) adsorptiecapaciteit bevindt zich op de buitenkant van de ijzerzandkorrels. De overige 95% van de retentiecapaciteit bevindt zich dieper in de ijzercoating. Het bereiken van evenwicht in de ijzercoating door diffusie is een langzaam proces dat ongeveer 300 dagen duurt.

Implicaties voor filterontwerp

Wij raden aan om ijzerzandfilters die onder de grondwaterstand worden geplaatst te ontwerpen met een lage molaire P/Fe-verhouding [3]. Onder de bestudeerde omstandigheden is de fosfaatafgifte niet relevant binnen de levensduur van de drainagebuizen, ongeveer 20 jaar. De vorming van ijzersulfiden is omkeerbaar: als het materiaal wordt blootgesteld aan (water met opgeloste) zuurstof, wordt het gereduceerde ijzer weer geoxideerd tot ijzeroxiden. De gevoeligheid van ijzer voor redoxcondities kan beperkingen opleveren bij het gebruik van ijzerzand of ijzerslib onder sterk gereduceerde omstandigheden.

Als de sulfideconcentratie in het drainagewater hoog is of als er tekenen zijn van sulfaatreductie, is het gebruik van ijzerzand mogelijk niet de beste oplossing.

Onder sterk gereduceerde omstandigheden lossen mangaan- en ijzeroxide in ijzerzand gedeeltelijk op. Mangaan lost meestal eerder op dan ijzer, dus mangaanconcentraties kunnen worden gemeten als een vroege waarschuwing voor gereduceerde omstandigheden [4].

Om de totale fosfaatretentiecapaciteit te benutten, is het belangrijk om het fosfaat de tijd te geven om zich in de ijzerzandkorrels te verspreiden. Wij adviseren het gebruik van ijzerzandfilters in slow-flow-systemen met een stroming onder de 10 cm/uur. Het aanbrengen van de ijzerzandfilters rond de drains in plaats van in units aan het eind van een of meerdere drains [6, 7] heeft het voordeel dat lagere snelheden en een lagere P/Fe-verhouding mogelijk zijn. Er is dan meer materiaal nodig, maar ijzerzand, een restproduct van de drinkwaterbereiding, is gemakkelijk in grote hoeveelheden verkrijgbaar. Het grootste nadeel is de lastige toegankelijkheid voor verwijdering of onderhoud.

Tijdens de verblijftijd (rustperiode) in zo’n slow-flow-filter diffundeert het fosfaat van de buitenste naar de binnenste lagen van de coating naar de binnenste. Praktisch kan dit worden bereikt door twee parallelle filters te hebben en die afwisselend te gebruiken. Dit is goed te realiseren in gedecentraliseerde systemen, zoals voor kasafvalwater. Ook is langzame adsorptie een goede fosfaatverwijderingsmethode in natuurlijke systemen. Die hebben immers tussen regenperioden van nature rustperioden waarin het fosfaat in de coating kan diffunderen.

Een andere aantrekkelijke toepassing van ijzerzandfilters is in de uitstroom van waterretentiebekkens, of in combinatie met helofytenfilters. IJzerzandfilters functioneren door adsorptie en niet door biologische processen. Daarom werken ze ook in de winter, wanneer de verwijderingsefficiëntie door helofytenfilters mogelijk minder is.

Victoria Barcala (TAUW), Arjon Buijert, Thijs Lieverse (Arcadis), Leonard Osté, Joachim Rozemeijer, Stefan Jansen (Deltares)

Tabel 1. Eigenschappen van ijzerzandfilters

BRONNEN

1. Chardon, W.J., Groenenberg, J. E., Temminghoff, E. J. M., & Koopmans, G. F. (2012). Use of Reactive Materials to Bind Phosphorus. Journal of Environmental Quality, 41(3), 636–646. https://doi.org/10.2134/jeq2011.0055

2. Groenenberg, J. E., Chardon, W. J., & Koopmans, G. F. (2013). Reducing Phosphorus Loading of Surface Water Using Iron-Coated Sand. Journal of Environmental Quality, 42(1), 250–259. https://doi.org/10.2134/jeq2012.0344

3. Barcala, V., Jansen, S., Gerritse, J., Mangold, S., Voegelin, A., & Behrends, T. (2022). Phosphorus adsorption on iron-coated sand under reducing conditions. Journal of Environmental Quality, 52(1), 74–87. https://doi.org/10.1002/jeq2.20432

4. Barcala, V., Zech, A., Osté, L., & Behrends, T. (2023). Transport-limited kinetics of phosphate retention on iron-coated sand and practical implications. In Journal of Contaminant Hydrology (Vol. 255). https://doi.org/10.1016/j.jconhyd.2023.104160

5. Chardon, Wim J., Groenenberg, J. E., Vink, J. P. M., Voegelin, A., & Koopmans, G. F. (2021). Use of iron-coated sand for removing soluble phosphorus from drainage water. In Science of The Total Environment Science of the Total Environment. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.152738Lambert, N., Van Aken, P., Van den Broeck, R., & Dewil, R. (2020). Adsorption of phosphate on iron-coated sand granules as a robust end-of-pipe purification strategy in the horticulture sector. Chemosphere, 267, 129276. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.129276

6. Vandermoere, S., Ralaizafisoloarivony, N. A., Van Ranst, E., & De Neve, S. (2018). Reducing phosphorus (P) losses from drained agricultural fields with iron coated sand (- glauconite) filters. Water Research, 141, 329–339. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.05.022

SAMENVATTING

Nederland heeft dringend behoefte aan vermindering van de belasting van oppervlaktewater met fosfaat. Een van de methoden is het gebruik van ijzerzandfilters rond drainagebuizen. Het ijzerzand adsorbeert het fosfaat. De hoofdvraag van het hier beschreven veld- en laboratoriumonderzoek was hoe ijzerzandfilters kunnen worden ontworpen en geoptimaliseerd, rekening houdend met adsorptiekinetiek en gereduceerde omstandigheden. De ijzerzandfilters geven geen fosfor af onder zwak en matig gereduceerde omstandigheden, zelfs niet na het gedeeltelijk oplossen van ijzer en mangaan. Sterk gereduceerde omstandigheden kunnen de effectiviteit van de fosfaatbinding verminderen, met name door de vorming van (ijzer)sulfiden. De pompsnelheid en de doorloopsnelheid zijn van invloed op de fosfaatretentie in de ijzerzandfilters. De optimale werking van een ijzerzandfilter vraagt om rustperioden die de diffusietijd van fosfaat in de korrelcoating verlengen.

Afbeelding 2. Het leggen van drainagebuizen en ijzerzand

(Foto Victoria Balaca)

AANWEZIGHEID, EFFECTEN EN ECOLOGISCHE RISICO’S VAN PSYCHOFARMACA EN ILLEGALE DRUGS IN EUROPESE OPPERVLAKTEWATEREN

Wereldwijd is het gebruik van psychofarmaca sterk toegenomen. Deze geneesmiddelen worden gebruikt voor de behandeling van psychische stoornissen en ziekten en andere aandoeningen die verband houden met het zenuwstelsel; ook pijnstillers en verdovingsmiddelen vallen hieronder. Psychoactieve stoffen zonder medische toepassing, zoals illegale drugs, vallen vanuit milieuoogpunt ook in deze categorie. Over het voorkomen in het oppervlaktewater, de effecten en de ecologische risico’s van deze stoffen is weinig bekend.

Antonia Praetorius en Annemarie P. van Wezel (Universiteit van Amsterdam)

Charlie J. E. Davey en Michiel H. S. Kraak (Universiteit van Amsterdam)

Thomas L. ter Laak (Universiteit van Amsterdam/KWR)

Afbeelding 1. Taartdiagrammen met het percentage van de 702 verbindingen die gegevens opleverden. Links meetgegevens, rechts gegevens over de ecotoxiciteit.

Psychofarmaca veranderen de neurochemie van de menselijke hersenen. Door de overeenkomsten tussen het zenuwstelsel van de mens en andere dieren kunnen deze middelen ook inwerken op het zenuwstelsel van dieren. Zo kunnen antidepressiva bijvoorbeeld het roofgedrag van vissen beïnvloeden, waardoor zij minder effectief kunnen jagen. Dergelijke effecten kunnen de relaties tussen soorten in een ecosysteem verstoren. Rioolwaterzuiveringsinstallaties zijn belangrijke emissiepunten van al deze middelen naar het milieu. Momenteel wordt tot 60-70 procent van de geconsumeerde geneesmiddelen, illegale drugs en hun omzettingsproducten niet verwijderd door afvalwaterzuiveringsinstallaties. Dientengevolge komen deze middelen in toenemende mate in het oppervlaktewater terecht.

Psychofarmaca: onbekende milieuverontreinigende stoffen

Het aantal studies naar het voorkomen, de effecten en de risico’s van deze stoffen is relatief beperkt vergeleken met andere oorzaken van ecologische achteruitgang, zoals habitatverlies en klimaatverandering. Bovendien ligt de nadruk vaak op enkele middelen zoals carbamazepine, paracetamol, fluoxetine en niet op de nieuwere of meer gebruikte middelen zoals escitalopram. Het is daarom belangrijk om meer onderzoek te doen om de bijdrage van deze middelen aan de huidige verslechtering van het aquatisch milieu vast te stellen. Daarom was het doel van deze studie om de gegevens over het voorkomen en het (ecologische) effect van psychofarmaca en illegale drugs in Europese oppervlaktewateren te inventariseren en evalueren. Dit is gedaan met inachtneming van onzekerheden en kennisleemten. De risico’s zijn ingeschat door concentraties in het watermilieu en concentraties waarbij effecten optreden te vergelijken. Vervolgens zijn deze risico’s voor elke stof in verband gebracht met het geregistreerde gebruik.

Methoden

Op basis van farmacologische classificatie en de Nederlandse opiumwet werden voor deze studie 702 psychofarmaca geïdentificeerd. Vervolgens hebben we gegevens over de ecotoxiciteit (zogenoemde chronische ‘no observed effect’ ofwel NOEC-concentraties) en over de aanwezigheid van deze stoffen in acht databanken opgezocht (UBA Pharmaceuticals in the Environment, NORMAN Network, Naiades, EU WATERBASE, Waterkwaliteitsportaal, RIWA-database, EPA ECOTOX Knowledgebase en UBA ETOX database). Ten slotte hebben we aanvullende gegevens verzameld van de top 50 meest voorgeschreven geneesmiddelen in Nederland (20152020), als deze in de genoemde databanken ontbraken. De effectconcentraties en de concentraties in het water werden gebruikt om zogenoemde risicoquotiënten (RQ) te berekenen.

Voor elk middel werd een betrouwbaarheidstest uitgevoerd, waarbij de frequentie van aantreffen en het aantal landen waarin een verbinding in het water werd aangetoond leidend waren. De ‘Technical guidance 27’ (TG 27) van de Europese Commissie werd gebruikt om de ecotoxiciteitsgegevens te beoordelen, waarbij rekening werd gehouden met de diversiteit van de testorganismen. De scores werden gecombineerd en liepen sterk uiteen.

Weinig betrouwbare gegevens

Van meer dan de helft van de middelen waren geen meetgegevens beschikbaar (359 op 702) en van de overgrote meerderheid van de middelen ontbraken gegevens over de ecotoxiciteit (597 op 702, zie afbeelding 1). Als er wel data beschikbaar waren, dan was de betrouwbaarheid vaak

Afbeelding 2. Risicoquotiënten van tien geselecteerde psychofarmaca op basis van concentraties in het oppervlaktewater en de chronische NOEC (ecotoxiciteit). De foutbalken stellen de bovenste en onderste kwartielen voor, terwijl de box het middelste bovenste en het middelste onderste kwartiel weergeeft. De centrale lijn geeft de mediaan aan (LV = zeer lage betrouwbaarheid, L = laag, M = middelmatig, H = hoog, VH = zeer hoog).

laag doordat het leeuwendeel van de effectstudies slechts met enkele soorten waren uitgevoerd. De gemiddelde aangetroffen concentraties vertoonden een positieve correlatie met hoeveel deze middelen werden voorgeschreven. Er werd echter geen significant verband gevonden tussen hoe vaak de stof werd gemeten en hoeveel deze werd voorgeschreven. Dat wil zeggen, hoe meer een stof wordt voorgeschreven, hoe hoger de concentratie in het milieu en hoe betrouwbaarder de meetgegevens, maar niet hoe meer meetgegevens er waren. Daarnaast bleek er ook geen relatie te zijn tussen hoe vaak een middel werd voorgeschreven en hoeveel toxiciteitsdata er beschikbaar waren. Dus ook van vaak voorgeschreven middelen bleek regelmatig weinig bekend over hun milieueffecten.

Milieurisico’s van psychofarmaca en illegale drugs

Slechts voor 87 van de 702 (12%) middelen waren voldoende gegevens over de aanwezigheid en effectconcentraties beschikbaar om de milieurisico’s op basis van chronische NOEC-waarden te berekenen (zie afbeelding 2 voor een selectie). Gegevens boven een RQ van 1 (rode lijn) wijzen op een risico. De grafiek laat zien dat een aanzienlijk deel van de psychofarmaca waarover veel bekend is, een ecologisch risico vormen in het oppervlaktewater. De vijf

meest risicovolle middelen waren risperidon, carbamazepine, paracetamol, cocaïne en ibuprofen. Voor deze middelen lag ten minste 10 procent van de risicoquotiënten boven de 1. De betrouwbaarheid van de gegevens is echter vaak laag. Alleen voor carbamazepine, paracetamol, fluoxetine en ibuprofen was de betrouwbaarheid hoog of zeer hoog. Alleen van carbamazepine kan met enige zekerheid worden gezegd dat het milieurisico hoog is. Meer gegevens zijn nodig om het (hoge) risico van andere geneesmiddelen betrouwbaar vast te kunnen stellen.

De evaluatie van de betrouwbaarheid van de exotoxiciteitsgegevens liet zien dat geen enkel middel voldeed aan alle criteria, en slechts elf middelen voldeden aan ongeveer de helft van de criteria. Dit betekent dat de beoordeling van de risico’s van psychofarmaca voor oppervlaktewateren niet goed mogelijk is en dat dit voornamelijk komt door een gebrek aan gegevens over de ecotoxiciteit. De meest voorgeschreven middelen blijken vaak ook het best bestudeerd. Zo waren de vier middelen carbamazepine, paracetamol, ibuprofen en fluoxetine samen goed voor 23 procent van de ecotoxiciteitsgegevens en 28 procent van de meetgegevens. Uit een vergelijking met Nederlandse receptgegevens blijken de verbindingen met de hoogste risico’s vaak ook het meest gebruikt en

voorgeschreven te worden. Toch gaven Pearson-correlaties niet aan dat voorgeschreven doses correleerden met risico’s.

Hoe vaak een stof in het water werd gemeten, correleerde positief met een hoger waargenomen risico, evenals met de hoeveelheid chronische NOEC-gegevens. De betrouwbaarheid van de ecotoxiciteit-dataset correleerde ook met het risico. Dit leidde tot de conclusie dat hoe beter een stof is onderzocht, hoe hoger het risico ervan wordt ingeschat. Dit is zorgwekkend, omdat dit suggereert dat risico’s van veel slecht bestudeerde stoffen mogelijk verborgen blijven. Om op te helderen of deze verborgen risico’s inderdaad bestaan is meer onderzoek nodig naar de aanwezigheid en gevaren van psychofarmaca in oppervlaktewateren.

Van een aantal vaak voorgeschreven middelen ontbraken gegevens. Risperidon (nummer 37 in de top 50 in NL) vertoonde bijvoorbeeld het hoogste mediane risico van alle verbindingen, maar de schatting van dit risico was onbetrouwbaar. Voor betahistine (nummer 7 in de top 50) kon het risico niet worden berekend wegens een gebrek aan zowel meetgegevens als gegevens over de ecotoxiciteit. Van Tramadol bestonden veel meetgegevens, maar er werd slechts één studie over de ecotoxiciteit gevonden. Zelfs voor het meest voorgeschreven psychofarmaceuticum, paroxetine, kon het risico slechts met een gemiddelde betrouwbaarheid worden geschat, ook weer door te weinig ecotoxiciteitsgegevens.

Om het ecologisch risico van psychofarmaca beter te kunnen beoordelen, zijn dus meer gegevens nodig, vooral over de ecotoxiciteit. Er is dus meer onderzoek nodig naar het vóórkomen van zeer toxische en veel voorgeschreven middelen in het oppervlaktewater, maar vooral ook naar de ecotoxiciteit van veel voorgeschreven en veel aangetroffen verbindingen. Dit vergt een betere samenwerking tussen milieuchemici, ecotoxicologen en plaatselijke waterautoriteiten.

Conclusies

Onze analyse leverde twee belangrijke conclusies op:

• Risico’s van veel psychofarmaca blijven onbekend door een groot gebrek aan meetgegevens in het oppervlaktewater en een nog groter gebrek aan ecotoxiciteitsgegevens.

• De meest voorgeschreven verbindingen in Nederland werden het meest bestudeerd en kwamen het vaakst voor. Echter, niet van alle veel voorgeschreven psychofarmaca waren voldoende gegevens beschikbaar. Omdat veel psychofarmaca waarover veel bekend is ecologische risico’s voor aquatische organismen met zich mee bleken te brengen, is het risico van onderschatting van de milieurisico’s van psychofarmaca reëel.

Charlie J. E. Davey, Michiel H. S. Kraak, Antonia Praetorius en Annemarie P. van Wezel (Universiteit van Amsterdam), Thomas L. ter Laak (Universiteit van Amsterdam/KWR)

BRONNEN

Bisesi, J.H. et al., 2014. Effects of the antidepressant venlafaxine on fish brain serotonin and predation behavior. Aquat. Toxicol. https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2013.12.033

aus der Beek, T. et al., 2016. Pharmaceuticals in the environment-Global occurrences and perspectives. Environ. Toxicol. Chem. https://doi.org/10.1002/etc.3339

European Commission, 2018. Technical Guidance For Deriving Environmental Quality Standards (Guidance Document No. 27). Eur. Community Rep. 11-12 June, 210p.

Huizer, M. et al., 2021. Wastewater-based epidemiology for illicit drugs: A critical review on global data. Water Res. 207, 117789. https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117789

Davey, C.J.E. et al., 2022. Occurrence , hazard , and risk of psychopharmaceuticals and illicit drugs in European surface waters. Water Res. 222, 118878. https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118878

SAMENVATTING

Over psychofarmaca en illegale drugs in het oppervlaktewater is weinig bekend, vooral data over ecotoxicologische effecten ontbreken. Van ruim de helft van de 702 onderzochte middelen ontbraken meetgegevens en van 85 procent ontbraken gegevens over de ecotoxiciteit. Over enkele veel voorgeschreven middelen is wel veel bekend. De vier middelen carbamazepine, paracetamol, ibuprofen en fluoxetine bleken samen goed 28 procent van de meetgegevens in het oppervlaktewater en voor 23 procent van de ecotoxiciteitsgegevens, waarbij de ecologische risico’s voor (water)organismen hoog bleken. Dit stemt niet optimistisch over de risico’s van de vele honderden stoffen waarover weinig of niets bekend is. Het is hoog tijd voor systematisch onderzoek naar aanwezigheid en risico’s van psychofarmaca in Europese oppervlaktewateren.

NAUWKEURIGE IDENTIFICATIE POLYMEREN EN MICROPLASTICS MET MACHINE LEARNING

Microplastics vormen een groeiend probleem voor het milieu. Er zijn verschillende soorten, waardoor identificatie een uitdaging kan zijn. Infraroodspectroscopie in combinatie met machine learning kan nauwkeurige identificatie mogelijk maken.

Microplastics inclusief rubberdeeltjes vormen een groeiend probleem voor het milieu omdat ze zich overal verspreiden en langzaam afbreken. Het is daarom belangrijk deze kleine plastic deeltjes te identificeren om de omvang van het probleem vast te stellen en effectieve oplossingen te vinden. Dit wordt ook door de Europese Unie onderschreven en is vastgelegd in de drinkwaterrichtlijn (EU) 2020/2184).

Er zijn veel verschillende soorten microplastics, variërend in grootte, vorm, staat en materiaal, waardoor identificatie een uitdaging kan zijn. Infraroodspectroscopie in combinatie met machine learning kan hier helpen door patronen in de spectra te ontdekken en nauwkeurige identificatie mogelijk te maken, ook als de deeltjes al door het milieu zijn aangetast en hierdoor met andere methoden moeilijk te identificeren zijn.

Frederic Béen (KWR) Yiqun Sun (School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University)

Patrick S. Bäuerlein en Xin Tian (KWR)

Peter van Thienen (KWR)

Inleiding

Onderzoek naar microplastics is al jaren in ontwikkeling, maar de data en inzichten zijn nog niet op het niveau van die van opgeloste stoffen. De oorzaak ligt in de aard van deeltjes, die in tegenstelling tot moleculen, als uniek kunnen worden beschouwd. Net als bij sneeuwvlokken is het ene deeltje het andere niet. Chemisch identieke deeltjes kunnen verschillen qua grootte en vorm. Ook kunnen ze deels zijn aangetast (bijvoorbeeld geoxideerd aan het oppervlak). Hierdoor ontstaat feitelijk een mengsel van het originele materiaal en het aangetaste materiaal, in verschillende verhoudingen, met als gevolg dat identificatie aanzienlijk wordt bemoeilijkt.

Bij een opgeloste stof zijn we gewend om deze stof te kunnen vergelijken met dezelfde stof in een database/ bibliotheek. Komen de data overeen, dan kunnen we zeker zijn dat we de stof hebben geïdentificeerd. Bij deeltjes is dit niet zo eenvoudig, ook al is het mogelijk deze te vergelijken met data in de database. Zodra een deeltje te veel afwijkt van de data in de bibliotheek, kan het soms niet of verkeerd worden geclassificeerd. Een database vullen met alle mogelijke staten van een deeltje is niet mogelijk omdat dat aantal oneindig is. Toch zijn deze data nodig voor een goede identificatie. Er moeten dus manieren worden bedacht om dit probleem op te lossen.

Voor de analyse van microplastics wordt vaak gebruikgemaakt van infraroodspectroscopie. Elk deeltje wordt bijvoorbeeld bestraald met een infraroodlaser. Dit levert een infraroodspectrum dat karakteristiek is voor dit deeltje. Vervolgens wordt dit spectrum met spectra in een database vergeleken. Als de afwijkingen van de spectra te groot zijn, is identificatie niet meer mogelijk. Om dit probleem aan te pakken, is een tweestappenaanpak gekozen. In eerste instantie zijn nieuw gegenereerde spectra aan een database toegevoegd. Vervolgens werden de spectra van echte deeltjes met de spectra in de nieuwe database met behulp van machine learning vergeleken.

Nieuwe spectra

Het creëren van nieuwe spectra vond op de volgende wijze plaats. Uit de bestaande database, in dit geval 210 spectra van verschillende deeltjes werden twee willekeurige spectra gekozen afkomstig van deeltjes met uiteenlopende karakteristieken maar wel van hetzelfde type polymeer (bijvoorbeeld polyethyleen). Hiervan werd door een lineaire combinatie een nieuw spectrum gemaakt. De individuele

spectra krijgen hierbij een willekeurige weegfactor tussen 0,1 en 0,9. De som van beide weegfactoren mag echter niet meer dan 1 zijn. Op deze manier zijn de twee oorspronkelijke spectra altijd de uitersten. Deze stap kan met andere spectra worden herhaald tot men voldoende spectra heeft gecreëerd.

Een toevalsgenerator bepaalt welke spectra en welke wegfactoren er worden gebruikt. Bij het kiezen van het aantal spectra wordt rekening gehouden met de ‘Pareto optimale waarde’. Dit wil zeggen dat de rekentijd, die nodig is voor het creëren van de spectra, redelijk moet zijn. Deze nieuwe spectra werden in een nieuwe database gekopieerd en vervolgens werd deze database gebruikt om de 210 originele spectra van echte deeltjes te classificeren. Hiervoor zijn twee verschillende machine learning modellen getest. Het eerste model is een ensamble sub-knn (subspace k-nearest neighbours) en het tweede CNN (convolutional neural network). Het sub knn model gebruikt de getallen zoals ze in de data staan. In dit model worden de getallen uit de spectra gebruikt om een punt in een multidimensionale coördinatensysteem te projecteren. Vervolgens wordt gekeken of de data van andere deeltjes hierbij in de buurt komen. Als dit zo is, dan zijn de deeltjes vergelijkbaar. Komt dus een onbekend deeltje in de buurt van bekende deeltjes, dan kan het worden geïdentificeerd.

Bij het tweede model worden de numerieke data van het spectrum omgezet in visuele data. De getallen worden in dit geval op een polair (circulair) coördinatensysteem weergegeven en als figuur opgeslagen. De figuren die ontstaan worden met elkaar vergeleken. CNN’s zijn goed in het herkennen van patronen in een afbeelding, zoals lijnen, gradiënten, cirkels of kleuren. Wanneer er grote overeenkomsten zijn tussen twee afbeeldingen, dan zijn de bijbehorende deeltjes ook vergelijkbaar.

Complexiteit

Naast de twee verschillende manier van werken, onderscheiden CNN en sub-knn zich ook qua complexiteit. CNN, bekend van beeldherkenning, is een zogeheten deep learning algoritme, dat veel rekenkracht vraagt en een aanzienlijke hoeveelheid data nodig heeft om goed te kunnen werken. Sub-knn daarentegen heeft veel minder rekenkracht nodig en kan ook met kleine datasets al goede resultaten leveren.

Voor het beoordelen van de methoden zijn nauwkeurig-

Afbeelding 1. Prestaties van de twee modellen. Alle modellen werden getraind op N gegenereerde spectra per klasse (N = 10, 20, 30, 40, 50, 75 of 100) en getest op 210 originele spectra. Een referentiewaarde werd berekend op basis van het SubKNN-model dat werd getraind en getest op de originele spectra. De prestaties van het model worden weergegeven als (a) nauwkeurigheid, (b) precisie en (c) recall.

heid, precisie en ‘recall’ van belang, evenals de hoeveelheid inspanning die vereist is, zoals de grootte van de dataset en de benodigde rekentijd en -kracht. De verhouding van correct geïdentificeerde polymeren ten opzichte van het totale aantal pogingen tot identificatie is de nauwkeurigheid. Precisie is de verhouding tussen het aantal keren dat het model een polymeer correct heeft geïdentificeerd en het totale aantal keren dat het model een poging tot voorspelling heeft gedaan voor een bepaalde uitkomst. Dus, als het model bijvoorbeeld 100 keer b.v. polyethylene heeft geïdentificeerd en daarvan zijn er 80 correct, dan is de precisie 80%. Recall is het aantal keren dat het model een polymeer daadwerkelijk correct identificeert, gedeeld door het totale aantal van dit polymeer. Dit geeft een idee van hoe goed het model presteert bij het correct identificeren van de polymeren. Het vinden van een goede balans tussen nauwkeurigheid, precisie en recall is essentieel.

Resultaten

Uit afbeelding 1 blijken de maximale waarden voor nauwkeurigheid, precisie en recall voor de twee modellen allemaal >0,94, wanneer de modellen 100 gegeneerde spectra per type polymeer als referentiespectra worden aangeboden. Dit betekent dat elk van deze modellen nauwkeurig polymeren kan identificeren met ten hoogste 6% foute voorspellingen. Het beste model met een nauwkeurigheidsscore van 0,995 (d.w.z. sub-knn, getraind

op 40 gegenereerde spectra) heeft slechts één verkeerd geclassificeerd spectrum; dit model is het meest geschikt om polymeren te classificeren op basis van de infraroodspectra. Hoewel de modelarchitectuur van sub-knn eenvoudiger is dan die van de cnn, presteert de eerste beter dan de laatste, in termen van alle prestatie-indicatoren. Bovendien blijkt uit afbeelding 1 dat het aantal trainingsspectra (de x-as) een aanzienlijke invloed heeft op de modelprestaties. De prestaties van alle modellen nemen toe naarmate het aantal spectra in de bibliotheek toeneemt. Alleen een lichte afname van precisie bij sub knn kan worden gezien. Ofwel optimale modelprestaties kunnen in gevaar komen als modellen worden getraind met weinig spectra. Sub-knn bereikt de beste prestaties al bij 40 spectra, terwijl cnn zelfs bij 100 spectra nog aanzienlijk slechter presteert.

Er is ook een benchmarksimulatie (prestatietest) uitgevoerd met sub-knn, getraind en kruisgevalideerd (steekproefvalidatie) op basis van de oorspronkelijke dataset met alleen 210 spectra in totaal. Om het anders te zeggen: onderzocht wordt vanaf welk punt het gebruik van kunstmatig gegenereerde spectra tot betere resultaten leidt dan wanneer alleen de oorspronkelijke dataset wordt gebruikt. Afbeelding 1 toont de benchmark als referentielijn. In het algemeen kan het gebruik van 50 gegenereerde spectra of meer per polymeerklasse al leiden tot een prestatie

die voor alle modellen beter is dan de benchmark. Met name sub-knn (het meest geschikte model) heeft slechts 20 spectra of meer nodig om beter te presteren dan de benchmark. Dit laat zien dat het genereren van spectra een oplossing biedt voor het geval er te weinig echte spectra beschikbaar zijn.

Afbeelding 2 toont de trainingstijd als functie van de grootte van de dataset. Sub-knn heeft 9,5 s nodig om modellen te trainen, terwijl het tweede cnn 5 min nodig heeft. Hoewel de langste periode (25 min) nog relatief kort is, is het belangrijk rekening te houden met toekomstige toepassingen waarbij het model wordt gebruikt om duizenden polymeren te classificeren in een online leermodus, waarbij het model herhaaldelijk moet worden getraind met toegevoegde spectra van nieuwe polymeertypes. Wat de trainingstijd betreft, is sub-knn ook de meest geschikte aanpak.

De hier voorgestelde methodes om deeltjes met machine learning te identificeren worden op dit moment in een programma geïntegreerd dat door iedereen zonder grote voorkennis van machine learning kan worden gebruikt. Hiervoor wordt een user interface gemaakt.

Conclusies

Het identificeren van microplastics in milieumonsters is een uitdaging vanwege de verschillen die optreden na afbraak in het milieu. Hierdoor vertonen microplastics sterk afwijkende eigenschappen ten opzichte van nieuwe plastics. Machine learning modellen kunnen helpen bij het nauwkeurig identificeren en tellen van microplastics in monsters. Het onderzoek toont aan dat het niet per se nodig is om de meest geavanceerde machine learning modellen te gebruiken. Uit de resultaten blijkt dat het eenvoudigere model zowel qua prestatie als rekentijd beter presteren. Dit benadrukt het belang van het testen

van meerdere modellen voordat een definitieve keuze wordt gemaakt voor een bepaalde toepassing.

Patrick S. Bäuerlein, Xin Tian en Frederic Beén (KWR), Yiqun Sun (School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University), Peter van Thienen (KWR)

SAMENVATTING

Gegevens en inzichten die voortkomen uit onderzoek naar microplastics zijn nog niet zo nauwkeurig als die van opgeloste stoffen. Dit komt door de aard van de deeltjes, die, in tegenstelling tot moleculen, als uniek kunnen worden beschouwd. Deeltjes kunnen verschillen in grootte, vorm en kunnen gedeeltelijk zijn aangetast. Dit maakt een juiste identificatie met bijvoorbeeld infraroodspectroscopie moeilijk.

Om dit probleem aan te pakken zijn machine learning modellen getest en gebruikt om de microplastics te identificeren. Het werd duidelijk dat al een relatief simpel model in staat is om microplastics nauwkeurig te identificeren. Dit maakt het gebruik van deze techniek geschikt voor een breder publiek en niet alleen maar voor specialisten. Er is wel kennis nodig voor het maken van een model en het trainen ervan, maar zodra dit is gebeurd, kunnen de modellen door iedereen met computerkennis worden gebruikt. De hier gepresenteerde aanpak kan ook worden toegepast op andere soorten spectrale gegevens, bijvoorbeeld ultraviolet-, Raman-, FTIR- en massaspectra.

Afbeelding 2: Trainingstijden van twee gebruikte modellen

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

Water Matters wordt mogelijk gemaakt door 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 Water 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 Nederland, 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.