Water matters - maart 2015 by H2O magazine

Uitgave H2O De toekomst van ons afvalwater 4 Kansen voor CO2 uit rioolwater 8 Geneesmiddelen afbreken met minder energie 14

WATER

MATTERS KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS Maart 2015

De Zandmotor loopt lekker 18 Klant helpt het waterbedrijf 22 Blue Energy is veelbelovend 26 Slimmer ontharden met pure kalk 30 Hoe voorspelbaar is de orkaan? 34 Hoe gevoelig is de landbouw voor zout? 39 Zoethouder breed toepasbaar 43

VOORWOORD

Alstublieft: Water Matters!

Voor u ligt het eerste nummer van Water Matters, het kenniskatern van H2O. Nederland heeft veel te bieden als het gaat om kennisontwikkeling in de watersector. Dat blijkt uit de eerste editie van dit ‘kenniskatern’. Het is mogelijk gemaakt door vijf belangrijke spelers in de Nederlandse watersector: Alterra Wageningen UR, ARCADIS, KWR Watercycle Research Institute, Royal HaskoningDHV en de Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA), waarvoor hartelijk dank. Deze nieuwe uitgave zal tweemaal per jaar verschijnen, met de ambitie om de beste nieuwe kennis te presenteren die de Nederlandse watersector, in de meest brede zin, de afgelopen periode heeft voortgebracht. Daarbij gaat het om kennis met grote waarde voor de praktijk, op korte of langere termijn. Waarom Water Matters? Ten eerste voor de lezers van maandblad H2O, de leden van Koninklijk Nederlands Waternetwerk (KNW), van wie een groot deel heeft aangegeven een uitgave als deze te waarderen. Zij krijgen Water Matters tegelijk met hun maandblad. Bovendien vinden kennisproducenten en –leveranciers het belangrijk nieuwe, toepasbare kennis toegankelijk te maken voor een breed publiek van waterprofessionals. Want wat is kennis waard als de mensen in de praktijk er niet van op de hoogte zijn? U kunt Water Matters ook digitaal lezen op www.vakbladh2o.nl/watermatters. Het is onze ambitie om de volgende uitgave ook in de Engelse taal te kunnen presenteren. Nederland heeft immers genoeg om trots op te zijn. De vijf partijen die dit initiatief mogelijk maken, hebben besloten de lat hoog te leggen. Dat betekent een strenge selectie ‘aan de poort’ door een redactieraad met een onafhankelijke voorzitter en een pittige boordeling van de inhoud van artikelen, wie de auteurs ook zijn. En, het moet bij deze eerste aflevering maar duidelijk gezegd worden, Water Matters staat open voor iedereen in Nederland die denkt aan deze uitgave een bijdrage te kunnen leveren en die bereid is deze onafhankelijk te laten beoordelen. Laat dit een uitnodiging zijn. We wensen u veel leesplezier met deze eerste aflevering. Monique Bekkenutte Uitgever (Stichting H2O) Huib de Vriend Voorzitter redactieraad Water Matters

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

INHOUD De toekomst

van ons afvalwater 4 COLOFON Water Matters is een uitgave van de Stichting H2O (in opdracht van Koninklijk Nederlands Waternetwerk) en wordt mogelijk gemaakt door Alterra Wageningen UR, ARCADIS, KWR Watercycle Research Institute, Royal HaskoningDHV en de Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA) UITGEVER Monique Bekkenutte (Stichting H2O) HOOFDREDACTEUR Roel Smit REDACTIEADRES Binckhorstlaan 36, M420, 2516 BE Den Haag, e-mail: redactie@vakbladh2o.nl REDACTIERAAD Huib de Vriend (voorzitter), Gertjan Medema, Paul Roeleveld, Petra Ross, Caroline van der Salm, Michelle Talsma VORMGEVER Ronald Koopmans BLADMANAGEMENT Gerrit Holtman PRODUCTIE Hoeksjan Redactie en Communicatie DRUK Senefelder Misset, Doetinchem

Er is veel veranderd sinds het actiefslibsysteem in 1914 werd uitgevonden. En we staan nog maar aan het begin van een spannende route. Waar brengt die ons?

Kansen voor CO2 uit rioolwater 8

CO2 is een restproduct bij het maken van biogas op een rioolwaterzuivering. Er bestaat echter ook een markt voor. Is die kans te benutten?

veelbelovend26

Blue Energy is het opwekken van energie door de menging van zoet en zout water. Hoe werkt het en wat zijn mogelijke toepassingen?

Slimmer ontharden

met pure kalk 30

Drinkwater wordt onthard in reactoren met zand en chemicaliën. Wie zand vervangt door pure kalk als entmateriaal, houdt een waardevol restproduct over.

Geneesmiddelen Hoe voorspelbaar afbreken met minder is de orkaan? 34

energie14

Reactoren die microverontreinigingen in drinkwater afbreken, gebruiken UV-straling in combinatie met waterstofperoxide. Dat kan veel energiezuiniger.

De Zandmotor

loopt lekker18

Het is een experiment dat voorkomt dat aan de kust elke drie tot vijf jaar zand aangevuld moet worden. De Zandmotor: bouwen met hulp van de natuur. Maar werkt het?

Klant helpt

het waterbedrijf 22

Beter gebruik maken van beschikbare data, van het waterbedrijf én van de klant. Dat is de The Human Sensor. Beter organiseren, voordat we nog meer data verzamelen.

MAART 2015

Blue Energy is

Hoe gedraagt de waterstand zich tijdens orkanen in een baai? En wat kunnen we daarvan leren als we effectieve maatregelen willen nemen om schade te beperken?

Hoe gevoelig is de landbouw voor zout? 39

Landbouwgewassen lijken veel beter tegen zout water te kunnen dan de normen suggereren. Dus: grote kansen om het waterbeheer flexibeler en goedkoper te maken.

Zoethouder

breed toepasbaar 43 De Freshkeeper: een van de concepten om de zoetwatervoorziening in delta’s te verbeteren. Deze ‘zoethouder’ heeft veel potentie voor kustgebieden elders in de wereld.

WATER MATTERS

AUTEURS

Mark van Loosdrecht (TU Delft)

Paul Roeleveld (Royal HaskoningDHV)

WAT DOEN WE IN DE TOEKOMST NOG MEER MET ONS AFVALWATER? De rioolwaterzuivering is van oudsher bedoeld om de volksgezondheid te beschermen tegen ziekteverwekkers. In de loop der tijd is daar â&#x20AC;&#x201C; via weten regelgeving â&#x20AC;&#x201C; de bescherming van de kwaliteit van het oppervlaktewater bijgekomen. Dat zal zo blijven. Wat wel verandert is dat we steeds beter beseffen dat afvalwater een bron is van waardevolle grondstoffen. We staan aan het begin van een spannende route. Waar gaat het heen?

Foto: Delfluent Services BV/Evides Industriewater

Rwzi Harnaschpolder: nabezinktanks nemen veel ruimte in beslag

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

In 1914 werd het actiefslibsysteem uitgevonden (Ardern & Locket). Het principe hiervan is dat microorganismen meehelpen met het zuiveren van afvalwater. Het eeuwfeest is het afgelopen jaar op veel manieren gememoreerd. Terecht, want actiefslib kan gezien worden als keerpunt in de geschiedenis van het afvalwater. De huidige infrastructuur maakt nog dankbaar gebruik van het toen uitgevonden basisprincipe. Vooral in de periode van 1970 tot 2000 heeft zich een snelle ontwikkeling voorgedaan onder invloed van steeds strenger wordende effluenteisen. Talrijke ingenieuze systemen zijn gerealiseerd, waarmee we in staat waren de verschillende processen voor stikstof- en fosfaatverwijdering te integreren. Gedurende 30 jaar is fors geïnvesteerd om de rioolwaterzuiveringen (rwzi’s) te laten voldoen aan alle opgelegde effluenteisen, waardoor (in combinatie met uitstootvermindering door de landbouw) de waterkwaliteit van de grote rivieren sterk is verbeterd. Keerzijden actief slib Er zijn echter keerzijden aan actiefslib. Wie b ekend is met afvalwater, herkent vanuit de lucht een rioolwaterzuivering onmiddellijk: veel ronde zwarte nabezinktanks. Een groot ruimtebeslag, dat is een duidelijk nadeel. Grote bedreiging was lange tijd de ongewenste aanwezigheid van draadvormende bacteriën. Deze draadvormers hebben negatieve invloed op de bezinkbaarheid van het actief slib (ook wel ‘licht slib’ genoemd). We gingen de strijd aan en met succes hebben we de ongewenste indringers buiten de deur weten te houden en een crisis met het actiefslibsysteem was overwonnen. Niet wetende dat die draadvormers later ooit nog wel eens van pas zouden kunnen komen als schakel bij de productie van grondstoffen, namelijk voor de opslag van lipiden bij het maken van biodiesel. En dan was er het hoge energieverbruik dat nodig is voor het inbrengen van zuurstof in de beluchtingsruimte. Besparingen kunnen worden gerealiseerd door introductie van beluchtingssystemen met

MAART 2015

een hogere efficiency en via de ondersteuning met geavanceerde meet- en regelapparatuur. Om het energielabel van een actiefslibsysteem verder richting de A-score te duwen, hebben we de doorbraak nodig van nieuwe bioprocestechnologie. Het actiefslibsysteem produceert bovendien grote hoeveelheden zuiveringsslib. Dit op zich positief klinkende product zijn we in Nederland vooral als afval gaan behandelen. Tegenwoordig weten we hiervan wel steeds beter de energetische waarde te benutten. In heel korte tijd is een breed palet ontstaan aan mogelijkheden om de slibgisting te optimaliseren. Thermofiele gisting en allerlei varianten van thermische drukhydrolyse hebben hun weg richting de praktijk snel gevonden. Tijd om ervaring op te doen met de eerste praktijkvoorbeelden lijken we elkaar ineens niet meer te gunnen. Andere perspectieven De zuivering van afvalwater laat bij voortduring zien dat deze een rijke voedingsbodem is voor het ontwikkelen van steeds weer nieuwe innovaties. Meest opvallende innovaties van de laatste 50 jaar vinden hun oorsprong in het dresseren van (micro-)organismen, die samen verantwoordelijk zijn voor het zuiveren van ons afvalwater. De mogelijkheid om fosfaat via biologische defosfatering uit het afvalwater te halen blijft hiervan een goed voorbeeld. Door de afwisseling van a naerobe, anoxische en aerobe omstandigheden, kunnen alle biologische zuiveringsprocessen geïntegreerd samenwerken voor een goede effluentkwaliteit. Biologische defosfatering voorkomt niet alleen een groot chemicaliënverbruik, maar maakt het terugwinnen van fosfaat op de rwzi ook efficiënter. Daarom is het goed te zien dat veel waterschappen biologische defosfatering uit oogpunt van duurzaamheid als beleidsuitgangspunt hanteren. Op een rwzi kan op deze manier echter nog niet al het fosfaat in de kringloop teruggebracht worden. Als we willen gaan voor 100 procent, zal dit moeten lopen via de slibeindverwerking. Stappen hierin zijn gepland voor verbrandingsassen uit de monoverbranders. Maar zou het niet een uitdaging moeten zijn voor alle eindverwerkers?

De toekomst van ons afvalwater

WATER MATTERS

Beoordeling (5 klassen)

Spreiding (25 – 75 percentiel)

Slecht

Spreiding (10 – 90 percentiel)

Ontoereikend

Figuur 2.8 Nutriëntenconcentratie in grote rivieren Stikstof

Matig

Fosfor

Zomergemiddelde (mg N / l)

Goed

Zomerg

Zeer goed

1,5

Bron: Van Puijenbroek et al. (2010), gebaseerd op Limnodata, CIW

1,0

NB Er is getoetst aan de algemene KRW-normen en niet aan de eventuele per waterlichaam aangepaste normen. 4

Nutriëntenconcentraties in de grote rivieren 1970-2011

Figuur(Bron: 2.8 RWS Waterdienst) Nutriëntenconcentratie in grote rivieren

0,5 2

Zomergemiddelde (mg N / l)

Zomergemiddelde (mg P / l)

1,5

1970

0,0 1980

1990

2000

Maas bij Eijsden

2010

2020 Norm

Rijn bij Lobith

1,0

IJssel bij Kampen Nieuwe Waterweg bij Maassluis

4 0,5 2

1970

0,0 1980

Maas bij Eijsden

1990

2000

2010

2020

pbl.nl

Bron: RWS Waterdienst

1970

26 | Kwaliteit voor later 2. Evaluatie van het waterkwaliteitsbeleid 1980

1990

2000

2010

2020

Norm

Rijn bij Lobith Ook voor

het verwijderen van stikstof hebben we verschillende innovaties voorbij zien komen. Steeds Nieuwe Waterweg bij Maassluis weer vonden we een kortere route om ammonium als stikstofgas uit het afvalwater te verwijderen. Grootste stap daarin werd gezet na de vondst en kweek van Bron: RWS Waterdienst bacteriën die in staat zijn tot anaerobe ammoniumoxi26 | Kwaliteit later 2. Evaluatie van het dit waterkwaliteitsbeleid datievoor (Anammox®). Via proces is een besparing mogelijk op de beluchtingsenergie van 50 procent en het proces verloopt volledig zonder toevoeging van een koolstofbron. Wereldwijd zijn meerdere uitvoeringsvormen ontwikkeld, maar Nederland is in deze markt redelijk toonaangevend. Wel moet worden opgemerkt dat het in de eerste tien jaar vooral een nichetechnologie is geweest voor de behandeling van slibwater na vergisting en voor anaeroob behandelde industriële stromen. Momenteel wordt op de rwzi’s Dokhaven en Velsen hard gewerkt aan de introductie van het Anammox®-proces in de waterlijn van het actiefslibsysteem. Het al bijna vergeten AB-proces krijgt op deze locaties een fraaie facelift. IJssel bij Kampen

Volgend tijdperk Het zal niemand zijn ontgaan dat we in Nederland wederom in staat zijn geweest om een nieuwe zuiveringstechnologie te ontwikkelen. Na honderd jaar zuiveren op basis van vlokkig slib, is het tijdperk aangebroken waarin de toepassing van korrelslib internationaal gestaag terrein zal gaan winnen. In samenwerking tussen waterschappen, wetenschap en bedrijfsleven is succesvol Nereda® in de markt

gebracht. Een voorbeeld waarin bioprocestechnologie en reactorontwerp elkaar hebben ontmoet. Met korrelslib kan eindelijk korte metten gemaakt worden met de ruimtebepalende nabezinktanks. Recente ervaringen leren dat een besparing kan worden gerealiseerd van 75 procent op ruimte en tot 40 procent op energieverbruik, en dat zonder chemicaliën een mooie effluentkwaliteit kan worden verkregen. Laten we vooral niet vergeten te vermelden dat korrelslib voor 15 tot 20 procent bestaat uit alginaat, een polysaccharide. Momenteel wordt onderzocht of dit alginaat uit het korrelslib kan worden geëxtraheerd en als waardevolle grondstof kan worden afgezet in bijvoorbeeld de papierindustrie. Met Nereda® is een nieuwe generatie afvalwaterzuivering geboren. Waardevol zuiveren Voor lange tijd werden innovaties gedreven door strengere regelgeving en wensen om de bestaande processen te optimaliseren en/of te verduurzamen. Daar is nu een belangrijke drijfveer bijgekomen omdat afvalwater, na Liernur in de 19de eeuw, eindelijk is herontdekt als bron van vele grondstoffen. Energie, fosfaat en water staan al langer bekend als mogelijke grondstof. En wat te denken van het eerder genoemde zuiveringsslib, ooit een prima meststof en bodemverbeteraar. Een recente studie (STOWA, 2014) opent voorzichtig de mogelijkheid om bodemkundig gebruik van slib te heroverwegen. Europa is namelijk veel minder streng dan Nederland.

pbl.nl

Fosfor pbl.nl

Stikstof

pbl.nl

Mediaan meetwaarden

1970

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

Tegenwoordig hebben we het ook steeds vaker over cellulose, alginaat, polyhydroxyalkanoaat (PHA), lipiden, CO2 en humuszuren. Er is letterlijk een nieuw speelveld ontstaan, waarin wetenschap, waterschappen en bedrijfsleven elkaar hard nodig zullen hebben. Het organiseren van de gouden driehoek binnen de eigen sector is niet meer voldoende om de ambities in de toekomst te gaan verzilveren. Het model wordt complexer omdat we bij het samenwerken de grenzen van de sector moeten overschrijden. En we moeten verder in de productieketen kijken dan we tot dusver gewend waren. Binnen deze complexiteit zullen we elkaar voortdurend de juiste vragen moeten stellen om het allemaal te laten gebeuren. Gevoelige vraag die bijvoorbeeld altijd gesteld zal blijven worden is in hoeverre het bezwaarlijk is dat afvalwater de oorsprong kan zijn voor onze nieuwe grondstoffen. Neem nogmaals het voorbeeld van fosfaat. Dagelijks voeden we elkaar met het zorgwekkende vooruitzicht dat we onze wereldvoorraad in rap tempo aan het verbruiken zijn. We weten ook al sinds de jaren tachtig van de vorige eeuw dat het eenvoudig mogelijk is om fosfaat vanuit afvalwater terug te winnen in de vorm van calciumfosfaat of struviet. Ook is het bekend dat we op Europese schaal 15 procent van onze fosfaatimport kunnen vervangen door fosfaat uit ons rioolwater. Ondanks recente vorderingen in de realisatie van terugwininstallaties, blijft het tempo waarin dit gebeurt aan de trage kant. Oorzaak ligt onder andere in het nog steeds niet volledig doorgronden van de complexiteit tussen alle betrokken partijen. Struviet uit een rwzi is namelijk niet een product, maar vooral een ruwe grondstof met een lage waarde. Deze kwestie speelt in feite voor alle soorten grondstoffen uit afvalwater. Alleen verdere opwerking kan een product genereren met een stabiele kwaliteit die voldoet aan de eisen van de gebruiker. Die schakel tussen producent en gebruiker ontbreekt nog vrijwel geheel. Een belangrijk punt dat ook moet worden opgelost is waar het publieke domein eindigt en het private domein het overneemt in de keten van afval naar product. Het product zou ook economisch zo interessant moeten zijn dat private ondernemers bij

MAART 2015

wijze van spreken weer zelf langs de huizen gaan om het afval in te zamelen als hun grondstof; de ouderwetse schillenboer in een nieuw jasje. Eén ding is zeker. We gaan met elkaar een spannende tijd tegemoet. De route naar de rwzi van de toekomst is uitdagend maar zal ook regelmatig heel pittig van karakter zijn. Deze route moeten we echt met elkaar willen bewandelen. Een ieder zal vanuit zijn eigen specialisme en belang de groep versterken. Onderweg kunnen we samen bepalen of we de route gaan verleggen of dat we nog andere reisgenoten nodig hebben. Cruciaal is het om alle vergezichten met elkaar te delen en deze niet alleen vanuit het eigen perspectief te bewonderen. Samen op weg naar een innovatieve en waardevolle toekomst. Mark van Loosdrecht (TU Delft) Paul Roeleveld (Royal HaskoningDHV)

SAMENVATTING Ons afvalwatersysteem heeft het primaire doel de volksgezondheid te beschermen via veilige afvoer en verwerking van humane afvalstoffen. In de loop der tijd is daar de bescherming van de oppervlaktewaterkwaliteit via de verwijdering van zuurstofbindende stoffen en nutriënten bijgekomen. Dat zal in de toekomst zo blijven. Sinds 2010 is daar een ambitieuze doelstelling aan toegevoegd. Met de wens om de rioolwaterzuivering (rwzi) te verduurzamen, zijn we met de gehele sector opnieuw gaan beseffen dat ons afvalwater een waardevolle bron is van meerdere grondstoffen. Deze ambitie is momenteel de belangrijkste drijfveer in de ontwikkeling van de rwzi van de toekomst. De blik is daarmee volledig op vooruit gericht, maar vergeet vooral ook niet terug en heel goed om je heen te kijken. Als we elkaar hierin scherp blijven houden, heeft de toekomst nog veel moois voor ons in het verschiet.

De toekomst van ons afvalwater

WATER MATTERS

Beeld: iStockphoto

AUTEURS

Anthonie Hogendoorn en Jeroen Hulzebos (ARCADIS)

Wouter van Betuw (ARCADIS, thans Nijhuis Water Technology)

Cora Uijterlinde (STOWA)

WORDT DE RIOOLWATERZUIVERING PRODUCENT VAN CO2? Op diverse rioolwaterzuiveringen wordt biogas geproduceerd. Daarvan wordt soms weer groengas gemaakt, waarbij (biobased) CO2 vrijkomt, een restproduct dat bij uitstoot het klimaat belast en waarvoor wel degelijk een markt bestaat. Bijvoorbeeld de glastuinbouw. Wat zijn de mogelijkheden en wat is de ‘business case’? ARCADIS deed onderzoek in opdracht van de Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA) en twee waterschappen. De resultaten zijn veelbelovend.

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

Op rioolwaterzuiveringen wordt biogas geproduceerd door slib te vergisten. Dit wordt vooralsnog vaak via warmtekrachtkoppeling (wkk) omgezet in elektriciteit en warmte. Hiermee kan de energiebehoefte van het zuiveringsproces (deels) gedekt worden. Wat ook kan, is het opwaarderen van biogas tot groengas in vloeibare of vaste vorm. Dit groengas kan geleverd worden aan het aardgasnet of (in vloeibare vorm) aan tankstations. Door de ontwikkeling van energiefabrieken en het steeds kleiner worden van de vraag naar energie en warmte op de rioolwaterzuivering zelf, wordt het opwaarderen van biogas tot groengas steeds interessanter. Interessanter wordt dan ook een restproduct dat vrijkomt bij het proces van opwaarderen, namelijk biobased CO2. Bij het opwaardeerproces ontstaat een CH4-rijke stroom (groengas) en – afhankelijk van de gekozen technologie – een geconcentreerde stroom CO2. Dit restproduct werd tot dusver over het hoofd gezien. In plaats van dit in de atmosfeer te brengen, kan het verkocht worden. Dat is om verschillende redenen interessant. Ten eerste omdat het kan bijdragen aan klimaatdoelstellingen. Volgens afspraken tussen de waterschappen en het Rijk moeten de emissies van broeikassen in 2020 (in vergelijking met 1990) met 30 procent zijn afgenomen. Momenteel zijn er drie strategieën om dat te doen: • energiebesparingsmaatregelen; • eigen duurzame energieproductie; • reductie van mogelijke lachgasemissies van rioolwaterzuiveringen. De winning van CO2 uit biogas is een nieuwe strategie voor emissiereductie die waterschappen kunnen inzetten. Als alle rioolwaterzuiveringen met slibgisting het concept zouden toepassen, is omstreeks 25 procent van de klimaatdoelstelling van de waterschappen gerealiseerd. Meer voordelen Er zijn echter meer mogelijke voordelen. De energiebehoefte (GER-waarde) van CO2-productie uit biogas

MAART 2015

is circa 80 procent lager dan bij de conventionele productie van CO2; deze manier van produceren is (als ketenmaatregel) dus ook interessant in het kader van de meerjarenafspraak energie-efficiency, waaraan de waterschappen zich gecommitteerd hebben. Als de CO2 vervolgens wordt ingezet in de drinkwater industrie, kan de watercyclus verder gesloten worden. En tenslotte kan de productie van CO2 ervoor zorgen dat – mits het proces goed is ingericht – er extra geld wordt verdiend met het biogas. Het waterschap kan op de markt twee rollen vervullen: het kan zélf CO2 produceren en leveren, het kan dit ook uitbesteden aan een externe partij. Het potentiële marktaandeel van de waterschappen is in het kader van dit onderzoek vastgesteld door de marktomvang van CO2 in Nederland in kaart te brengen. In Nederland is een beperkt aantal producenten van CO2 actief. Vaak zijn die producenten ook de leveranciers en/of distributeurs. De totale industriële CO2-levering in 2012 was 1.239 kiloton. In 2012 bedroeg de totale CO2-emissie uit biogas van de rioolwaterzuiveringen 53 kiloton. Het potentiële marktaandeel van waterschappen bedraagt dus maximaal 4 procent. Toetreding van waterschappen tot deze markt zal zodoende waarschijnlijk een beperkt effect hebben op de CO2-prijs. De verschillende marktpartijen zijn inzichtelijk gemaakt via een marktanalyse. Afnemers van CO2 zijn de glastuinbouwsector, de levensmiddelenindustrie en de drinkwaterindustrie. De levensmiddelenindustrie gebruikt CO2 als conserveermiddel, de drinkwatersector gebruikt het om pH-waarden te corrigeren. Om de groei van gewassen te vergroten wordt in de glastuinbouw CO2 gedoseerd. Er zijn goede mogelijkheden voor de waterschappen om de glastuinbouw te voorzien. Enerzijds neemt de vraag naar CO2 toe als gevolg van schaalvergroting, anderzijds neemt bij bestaande bedrijven de eigen CO2-productie vanuit wkk-installaties af. Dit laatste komt voornamelijk vanwege de aantrekkelijkheid van alternatieve warmte bronnen, stijgende energiekosten en vanwege lage kwaliteit van de zelfgeproduceerde CO2.

Kansen voor CO2 uit rioolwater

WATER MATTERS

Marktkansen en -beperkingen Met behulp van het vijfkrachtenmodel van de Amerikaanse econoom Michael Porter is het marktpotentieel voor de waterschappen inzichtelijk gemaakt. Het blijkt dat op de CO2-markt een beperkt aantal leveranciers veel macht heeft. De afnemers hebben daarentegen weinig macht omdat zij stuk voor stuk relatief kleine spelers zijn. Verder vormen substituten een beperkte dreiging op de CO2-markt; het is eerder zo dat CO2 zélf een substituut kan zijn voor andere ‘schadelijke’ stoffen. Bekeken is ook of er naast waterschappen andere partijen zijn die de markt zouden kunnen betreden en wat dat voor de concurrentieverhoudingen zou kunnen betekenen. Daaruit blijkt dat potentiële toetreders slechts een beperkte bedreiging vormen voor de toetreding van waterschappen. Een waterschap zal met zijn beperkte volume hooguit een bescheiden positie op de markt kunnen verwerven. De concurrentieverhoudingen zijn star vanwege langlopende contracten en kostbare installaties. In de analyse is ook de prijs van CO2 meegenomen. Uit verschillende interviews met deskundigen komt naar voren dat het realistisch is uit te gaan van een stabiel, mogelijk stijgend prijsniveau. Deze prijs zal – afhankelijk van de kwaliteit – variëren van 65 tot 100 euro per ton. Technieken voor CO2-winning Dan de technologie. Het blijkt dat er voldoende technieken beschikbaar zijn om CO2 te produceren. Biogas kan worden opgewaardeerd met een breed scala aan concepten: membraanfiltratie, druk/temperatuur-wisseladsorptie, cryogene scheiding, chemische absorptie en fysische adsorptie. Afhankelijk van de toegepaste technologie en de eisen van de afnemer, is extra zuivering van de CO2 noodzakelijk. Dit kan door: • Cryogene scheiding: door koeling wordt de CO2 vloeibaar gemaakt, waarna deze gescheiden kan worden van het restgas. Deze methode levert een hoge kwaliteit CO2 op (voldoende voor de Kiwa-ATA norm). Als dit volstroom wordt toegepast, kan ook vloeibaar biogas (LBG) worden gewonnen.

• Chemische absorptie: deze methode levert, na cryogene scheiding, het beste scheidingsrende ment. Het product kan worden afgezet in de glastuinbouw. Voor de levensmiddelenindustrie is cryogene nazuivering vereist. • Wisseladsorptie en membraanfiltratie: deze technieken leveren een product dat, ongeacht afzetmarkt, nog cryogene nazuivering vereist. • Fysische adsorptie: hierbij worden grote hoeveelheden lucht gebruikt om CO2 te desorberen en af te voeren. Als gevolg resteert een sterk verdunde CO2-stroom, hetgeen winning van dit product economisch niet haalbaar maakt. Monstername Om de CO2-kwaliteit op reeds bestaande installaties op rioolwaterzuiveringen te bepalen zijn indicatieve CO2-monsters genomen van de installaties op de rioolwaterzuiveringen in Beverwijk en Haarlem- Waarderpolder. De bedrijfsvoering van de installaties is op dit moment overigens niet optimaal ingericht voor CO2-levering. Daarnaast bleek het ingewikkeld de monsters te nemen en te conserveren. De verkregen resultaten geven daarom op dit moment nog niet de juiste potentiële kwaliteit, die volgens de leveranciers gehaald kan worden in een situatie waarbij CO2-levering van toepassing is. Zowel op Beverwijk als Haarlem-Waarderpolder fluctueert de fractie methaan in het CO2-gas na cryogene scheiding, respectievelijk tussen de 0 en 1,2 procent en tussen 0,5 en 2,5 procent. De verwachting van de leveranciers is dat dit door eenvoudige verandering van instellingen voor de bedrijfsvoering gereduceerd kan worden tot de gewenste samenstelling. Het is de verwachting dat eenvoudige procestechnologische aanpassingen de mogelijke methaanuitstoot verder kunnen reduceren. Voor installaties voor warmtekrachtkoppeling worden methaanslipwaarden in dezelfde orde van grootte geregistreerd. Methaanslip en -reductie bij zowel warmtekrachtkoppeling als bij installaties voor opwaardering van biogas vragen nader onderzoek.

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

Financiële evaluatie Ook het financiële plaatje is bekeken. Financieel gezien doet CO2-winning niet onder voor andere strategieën om de CO2-uitstoot te beperken. Voor de financiële evaluatie zijn twee routes bekeken: een rioolwaterzuivering met een bestaande installatie voor de opwaardering van biogas en een zuivering waar nog een opwaardeerinstallatie moet worden gebouwd.

Het concept biedt dus kansen voor de waterschappen om doelmatig te voldoen aan afspraken die gemaakt zijn over klimaatdoelstellingen en doelen op het gebied van energie-efficiency. In de rapportage is een kansenkaart opgenomen waarin rioolwaterzuiveringen met grote gistingsinstallaties en glastuinbouw gebieden zijn weergegeven. Met deze kaart kan bepaald worden welke rioolwaterzuiveringen potentie hebben om CO2 te leveren aan de glastuinbouw.

Als al een installatie aanwezig is, is – afhankelijk van de toegepaste technologie – potentie voor toepassing van het concept. Met geschikte technologieën variëren de terugverdientijden van 1 tot 12 jaar, afhankelijk van de marktpartij waaraan geleverd wordt. Het plaatsen van een CO2-winningsinstallatie voor een bestaande warmtekrachtkoppeling lijkt financieel niet aantrekkelijk. De inkomsten van groengas en CO2 zijn vooralsnog niet voldoende om de gemiste elektriciteitsinkomsten en de afschrijving van de installatie te dekken.

Anthonie Hogendoorn Jeroen Hulzebos (ARCADIS) Wouter van Betuw (ARCADIS, thans Nijhuis Water Technology) Cora Uijterlinde (STOWA)

Doelstellingen Zoals gezegd hebben de waterschappen zich verbonden aan klimaatafspraken met onder andere een doelstelling voor reductie van de emissie van broeikasgassen. Het halen van deze doelstelling kost meestal geld. Dus zelfs als op een rioolwaterzuivering CO2-winning niet tot extra inkomsten leidt (de investering wordt niet terugverdiend), dan nog zou de technologie nog wel degelijk effectief kunnen worden ingezet als strategie om te voldoen aan de klimaat akkoorddoelstelling; andere strategieën kunnen immers meer geld kosten. De doelmatigheid van de CO2-winning is vastgesteld in kostprijs per vermeden ton CO2-emissie. Als de kosten voor de CO2-emissiereductie worden vergeleken met andere manieren om de uitstoot te beperken, vallen de kosten van CO2-winning echter in dezelfde range: 5 tot 14 euro per ton CO2 bij nieuwbouw van een installatie voor de opwaardering van biogas. Daarnaast is de GER-waarde van CO2 uit biogas circa 80 procent lager dan die van CO2 gewonnen op de conventionele manier.

MAART 2015

SAMENVATTING In opdracht van de Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA) en enkele waterschappen zijn de markt- en technische kansen van CO2-winning uit biogas verkend. Naast het leveren van een waardevolle grondstof (CO2), draagt het concept ook bij aan het realiseren van doelstellingen op het gebied van klimaat en energiebesparing. De potentiële CO2-productie vanuit biogas uit rioolwaterzuiveringen vormt slechts een paar procent van de Nederlandse CO2-markt; anderzijds kan door CO2-winning op alle rioolwaterzuiveringen met gisting wel 25 procent van de afgesproken klimaatdoelen gehaald worden. Cryogene scheiding levert de hoogste kwaliteit CO2 op. Afhankelijk van de afzetmarkt is bij andere technologieën nazuivering vereist. Financieel biedt het concept positieve business cases als reeds een installatie voor de opwaardering van biogas aanwezig is. Als nog geen biogas wordt opgewaardeerd, zijn de kosten per ton vermeden CO2-uitstoot vergelijkbaar met andere concepten.

Kansen voor CO2 uit rioolwater

MEER LEZEN VAN COLLEGAâ&#x20AC;&#x2122;S?

KIJK OOK OP DE KENNISBRON VOOR

H2O-ONLINE

WATERPROFESSIONALS

Ken je ze alle drie? Naast dit splinternieuwe kenniskatern Water Matters is er het maandblad H2O, bedoeld voor een brede groep van waterprofessionals in Nederland. Word lid van Koninklijk Nederlands Waternetwerk en ontvang maandblad H2O elke maand gratis. En dan is er nummer drie, voor wie de verdieping zoekt: H2O-Online. H2O-Online (www.vakbladh2o.nl) publiceert technische en toegepast-wetenschappelijke vakartikelen. Stuk voor stuk bijdragen afkomstig van vakmensen in de waterwereld: technologen, ict’ers, ecologen, beleids makers, kortom: iedereen die relevante kennis en/of onderzoeksresultaten te melden heeft.

H2O-ONLINE

• • • • • •

biedt artikelen prettig leesbaar aan (dus ook als pdf, voor wie dat op prijs stelt); is vrij toegankelijk, dus geen betaalmuur of registratieverplichting; heeft een overzichtelijke agenda voor de watersector; heeft een prima zoekfunctie (‘Artikelen zoeken’); biedt kritische lezers de mogelijkheid te reageren en updates te krijgen van lopende discussies; bevat het complete archief van het magazine H2O vanaf 1998;

HOE BLIJF JE OP DE HOOGTE?

• • • •

door een abonnement te nemen op onze attenderingsnieuwsbrief (e-mail); door je te abonneren op een RSS-feed per categorie artikelen (afvalwater, stedelijk waterbeheer etcetera); door ons te volgen via Twitter: @vakbladh2o; door maandblad H2O te lezen, dat aan alle nieuwe publicaties op H2O-Online aandacht besteedt.

MEEDOEN?

Zelf meeschrijven kan ook. Goed leesbare artikelen van maximaal 2.800 woorden zijn van harte welkom bij de redactie. Download de auteursinstructies. Vragen? Je kunt ons bereiken via redactie@vakbladh2o.nl.

WATER MATTERS

Beeld: iStockphoto

AUTEURS

Bas Wols en Roberta Hofman-Caris (KWR Watercycle Research Institute)

Erwin Beerendonk en Danny Harmsen (KWR Watercycle Research Institute)

Ton van Remmen (Van Remmen UV Techniek)

AFBREKEN VAN GENEESMIDDELEN KAN MET VEEL MINDER ENERGIE Microverontreinigingen, zoals geneesmiddelen en pesticiden, komen steeds meer voor in waterbronnen. Behandeling in een UV/H2O2-reactor is een manier om ze af te breken, maar dit vraagt veel energie. KWR Watercycle Research Institute heeft in samenwerking met Wetsus modellen ontwikkeld waarmee proces en reactor verbeterd kunnen worden. De verbeterde reactoren zijn gebouwd door Van Remmen UV Techniek; ze gebruiken 30 tot 40 procent minder energie voor hetzelfde resultaat.

Veel drinkwaterbronnen bevatten resten van geneesmiddelen. In het oppervlaktewater zitten steeds meer medicijnen en de concentraties worden hoger, terwijl ook in grondwater al geneesmiddelen worden aangetroffen. Door de vergrijzing en door klimaatveranderingen zullen de concentraties naar verwachting verder toenemen. De zuiveringsprocessen zijn daarop niet goed voorbereid. Daarom breiden sommige drinkwaterbedrijven hun zuiveringen al uit, andere onderzoeken de mogelijkheden. Membraanprocessen en (geavanceerde) oxidatie (zoals UV/H2O2-processen) spelen hierbij een belangrijke rol. UV/H2O2-processen zijn gebaseerd op fotolyse. Dat is het optreden van een reactie van een molecuul op het moment dat het (UV-)straling absorbeert. Op deze manier zijn bepaalde organische microverontreinigingen in water af te breken. Niet alle moleculen zijn hiervoor echter gevoelig. Het toevoegen van waterstofperoxide (H2O2) is dan een oplossing.

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

Door het model voorspelde verbetering in omzetting van geneesmiddelen, ten opzichte van de standaard desinfectie reactor (D130). Deze presteert duidelijk minder dan een speciaal gemaakt ontwerp voor oxidatie (D200). Deze is vervolgens verder geoptimaliseerd voor de hogere UV transmissies, wat leidt tot een verdere verbetering (Nieuw). Aan de linkerkant staan van links naar rechts de drie reactoren: D130, D200 en Nieuw

Als waterstofperoxide wordt toegevoegd, valt dit door fotolyse uit elkaar in twee hydroxylradicalen, en die reageren erg goed met een breed scala aan stoffen. Processen die gebruik maken van dergelijke hydroxylradicalen worden ‘geavanceerde oxidatieprocessen’ genoemd. Zo kunnen microverontreinigingen als geneesmiddelen effectief worden afgebroken. De precieze samenstelling van het water, de zogeheten watermatrix, speelt hierin echter een belangrijke rol. Zo kan bijvoorbeeld de aanwezigheid van radicaalvangers, als nitraat en (bi)carbonaationen, de oxidatie door middel van hydroxylradicalen hinderen. Het verloop van de reacties hangt af van de UV-dosis die de moleculen krijgen, en die is weer afhankelijk van de stromingscondities in een reactor. Er is een model ontwikkeld dat de afbraak van organische microverontreinigingen door een UV/H2O2-reactor in allerlei watersamenstellingen kan berekenen. Dit model bestaat uit een kinetisch gedeelte, dat de (foto)chemische reacties als functie van de UV-dosis beschrijft, en een CFD-gedeelte (CFD = computational fluid dynamics), dat de hydrodynamica in een reactor berekent. Met behulp van CFD kan worden vastgesteld hoe de dosisverdeling in de reactor is. Door deze gegevens te combineren, kan worden voorspeld wat de omzetting van de stoffen in de reactor zal zijn. Met behulp van modellen is het ook mogelijk om uit te rekenen wat de gevolgen van een aanpassing van het reactorontwerp zullen zijn. Hiermee kan het reactorontwerp geoptimaliseerd worden.

MAART 2015

Nieuw

D200

UVT 80% UVT 85 % UVT 90 % UVT 95 % 0

40 60 80 Toename in energie−efficientie (%)

100

120

Modellen Hoe een molecuul wordt omgezet, hangt sterk af van de eigenschappen van dat molecuul, en van de omstandigheden (zoals de samenstelling van de watermatrix). Dit kan experimenteel worden vastgesteld, maar dat is erg kostbaar. Door gebruik te maken van modellen kan worden bepaald hoe de omzetting zal verlopen, zonder dat altijd dure analyses en experimenten nodig zijn. Bovendien kunnen veranderingen in de watermatrix of aanpassingen van een UV-reactor relatief eenvoudig aangebracht worden, zonder nieuwe meetcampagnes te doen. De afbraak van organische microverontreinigingen wordt beschreven door een complex reactiemechanisme met een groot aantal (foto)chemische reacties. Hierbij worden zeer reactieve radicalen (zoals het hydroxyl-radicaal) gevormd, die weer nieuwe reacties teweegbrengen. Daarnaast speelt de samenstelling van de watermatrix een belangrijke rol. In het kinetisch model zijn alle relevante (foto)chemische reacties opgenomen. Hieronder vallen ook de (onbe doelde) reacties van stoffen die in de watermatrix aanwezig zijn, zoals nitraat en waterstofcarbonaat. Op deze manier kan worden berekend wat de omzetting van de stofjes is als functie van de UV-dosis. In de praktijk worden zowel lagedruk (LP) als middendruk (MP) UV-lampen gebruikt, en het model kan voor beide systemen worden toegepast. Voor het model is een aantal eigenschappen van het stofje nodig, zoals reactieconstanten, en parameters die de fotolyse beschrijven. Er is een overzicht gemaakt van in de literatuur bekende gegevens, en dat is aangevuld met eigen experimenten.

Geneesmiddelen afbreken met minder energie

WATER MATTERS

100

D200, UVT=88% D200, UVT=78%

Afname in energieverbruik door het verbeterde reactorontwerp (D200) ten opzichte van een standaard desinfectiereactor (D130) bij 90 procent omzetting van de verschillende stoffen (de zogenoemde EEO: electric energy per order)

80 70 60 50 40 30 20

In een UV/H2O2-reactor speelt de stroming van het water (hydrodynamica) een belangrijke rol. Met behulp van computational fluid dynamics (CFD) kan die stroming in kaart gebracht worden. Hiervoor wordt het commerciële pakket COMSOL gebruikt (versie 4.4). Het simuleren van waterstroming is complex, zeker omdat de stroming in UV-reactoren turbulent is. Naast de stroming, moet ook de UV-intensiteit berekend worden in de reactor. Dit gebeurt in Matlab met een zelfgeschreven code op basis van modellen beschreven in de literatuur. Wij gebruiken het m ultiple segment source summation (MSSS) model. Met behulp van deze modellen wordt berekend hoeveel straling een ‘pakketje’ water ontvangt als het door de reactor stroomt. Door dit voor een groot aantal deeltjes uit te rekenen (bijvoorbeeld 5.000), wordt een weergave van de UV-dosisverdeling in de reactor verkregen. Door het kinetische model, dat de omzetting van stofjes als functie van de UV-dosis berekent, te combineren met het CFD-model, dat de UV-dosisverdeling door de reactor beschrijft, kun je de afbraak van stoffen in een UV-reactor te voorspellen. Experimenten Het onderzoek richtte zich specifiek op geneesmiddelen, en hiervoor werd een groep van 35-40 geneesmiddelen gebruikt. Deze set werd aangevuld met pCBA (omdat dit specifiek met radicalen reageert) en atrazine (een stof waarvan in de literatuur heel veel

tra

tri

in al

lfa

e in az

di lfa su

lfa

in az

rid

py ro lo su

lfa

ra op

ol ol

e llin

ify ox

tin pe

rm fo

lin

e id

zi ro

fib

ifo

e id m

se ro

in et

flu

en of

hr yt

c oi

riz at

ho op cy

rti

ric

ro te cl

za be

fib

Afname in energieverbruik (EEO) [%]

bekend is). De geneesmiddelen zijn geselecteerd op basis van criteria als vóórkomen en persistentie in het milieu, analyseerbaarheid, en verscheidenheid in chemische samenstelling. De doelstoffen werden geanalyseerd met reversed phase UHPLC (ultra high performance liquid chromatography) of normal phase (HILIC). In het laboratorium is het kinetische model gevalideerd in verschillende typen water. Vervolgens zijn experimenten uitgevoerd in een pilotreactor. Hiervoor werd een standaard desinfectie reactor (D130) van Van Remmen UV Techniek gebruikt, die op een tien keer zo laag debiet draaide om de vereiste oxidatie UV-dosis te halen. Dit is de normale gang van zaken bij UV/H2O2-processen, waarvoor tot nu toe geen aparte reactoren gebouwd werden. In het laboratorium bleek dat het belangrijk is ook de invloed van (bi)carbonaat op de reacties in het model te verwerken. Het model voorspelde de afbraak van geneesmiddelen goed, zowel voor lagedruk als middendruk lampen. De gemeten afbraak van geneesmiddelen in een UV/H2O2-pilotreactor is vergeleken met de b erekende afbraak. Hierbij bleek dat ook de invloed van de watertemperatuur in het model moest worden meegenomen. Uit de validatie blijkt dat de combinatie van het CFD-model met het kinetisch model de omzetting van de meeste geneesmiddelen in de UV/H2O2-pilotreactor binnen een marge van 5 procent goed voorspelt.

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

Reactorontwerp Het is ook mogelijk om met het model het effect van veranderingen in het reactorontwerp door te rekenen. Het gaat hierbij om bijvoorbeeld de plaatsing van de lampen, de afstand van de lamp tot de buitenwand, het optimale snelheidsprofiel en de verdeling van de peroxide. Op die manier kan een reactor worden ontworpen die speciaal is geoptimaliseerd voor UV/H2O2-processen. Dergelijke reactoren zijn gebouwd door Van Remmen UV Techniek. Eerst werd een verbeterde 1-lamps UV reactor, D200 (1 kubieke meter per uur) gebouwd, en vervolgens een verdere optimalisatie resulterend in een 4-lamps UV reactor, genaamd Nieuw (10 kubieke meter per uur). Vervolgens is gekeken welke omzetting hierin wordt behaald met dezelfde hoeveelheid energie. Voor de D200 reactor werd inderdaad zoals voorspeld een verbetering van 20-30 procent in de omzetting bereikt. Voor de tweede reactor bleek een voorspelde verdere verbetering van zo’n 10 tot 20 procent te kloppen. Dit betekent dat door gebruik te maken van geoptimaliseerde reactoren dezelfde omzetting kan worden bereikt bij een 30 tot 40 procent lager energieverbruik. Dit maakt de toepassing van UV/ H2O2-processen voor het verwijderen van organische microverontreinigingen in de praktijk een stuk interessanter. Het model kan worden uitgebreid, zodat het toepasbaar wordt voor andere (geavanceerde) oxidatieprocessen en/of watermatrices. Daarmee kan het ook worden ingezet bij de behandeling van andere typen water, zoals communaal of industrieel afvalwater. Door optimalisatie van de processen en/of reactoren kan ook hier een veel hogere efficiëntie bereikt worden. Bas Wols, Roberta Hofman-Caris, Erwin Beerendonk en Danny Harmsen (KWR Watercycle Research Institute) Ton van Remmen (Van Remmen UV Techniek)

MAART 2015

Literatuur Liu, D., J. J. Ducoste, S. Jin and K. Linden (2004). Evaluation of Alternative Fluence Rate Distribution Models. Aqua - Journal of Water Supply: Research and Technology 53(6): 391-408. Ter Laak, T., B. Hofs, C. de Jongh, B. A. Wols and C. H. M. Hofman-Caris (2011). Selecting relevant pharmaceuticals and metabolites for monitoring, risk assessment and removal efficiency studies, version 1. BTO 2011.100(s). Wols, B. A. and C. H. M. Hofman-Caris (2012). Review of photochemical reaction constants of organic micropollutants required for UV advanced oxidation processes in water. Water Research 46(9): 2815-2827. Wols, B. A., C. H. M. Hofman-Caris, D. J. H. Harmsen and E. F. Beerendonk (2013). Degradation of 40 selected pharmaceuticals by UV/H2O2. Water Research 47(15): 5876-5888. Wols, B. A., D. J. H. Harmsen, E. F. Beerendonk and C. H. M. Hofman-Caris (2014). Predicting pharmaceutical degradation by UV (LP)/ H2O2 processes: A kinetic model. Chemical Engineering Journal 255: 334-343.

SAMENVATTING In opdracht van de drinkwaterbedrijven heeft KWR Watercycle Research Institute in samenwerking met Wetsus een model ontwikkeld om de afbraak van organische microverontreinigingen in een UV/H2O2-reactor te voorspellen voor verschillende watersamenstellingen. Dit model bestaat uit twee delen: een kinetisch model dat de omzetting voorspelt als functie van de UVdosis, en een CFD-model, dat de dosisverdeling in de reactor berekent. Validatie van het totale model in een pilotreactor toont aan dat het model goede voorspellingen oplevert voor wat er met organische microverontreinigingen in de reactor gebeurt. Met behulp van het model kan worden voorspeld wat de invloed van bepaalde omstandigheden op de omzetting van de microverontreinigingen zal zijn. Hierdoor kunnen de condities worden geoptimaliseerd, wat leidt tot een minimaal energieverbruik bij een gegarandeerde omzettingsgraad. Het model is ook gebruikt om het ontwerp van UV/H2O2-reactoren te verbeteren. Experimenten in dergelijke reactoren laten zien eenzelfde omzetting gehaald kan worden met 30 tot 40 procent lager energieverbruik.

Geneesmiddelen afbreken met minder energie

WATER MATTERS

Foto: Royal Boskalis Westminster

Vooroeversuppletie

AUTEURS

Huib de Vriend en Jaap van Thiel de Vries (Stichting EcoShape, Building with Nature)

Carola van Gelder en Carrie de Wilde (Rijkswaterstaat)

DE ZANDMOTOR, DOET-IE HET OF DOET-IE HET NIET? Kustonderhoud: als we niets zouden doen, zou de Hollandse duinenkust voortdurend eroderen, onder meer als gevolg van de voortdurende zeespiegelstijging. Maar is het veelvuldig aanbrengen van zand wel efficiënt? En zijn er geen betere oplossingen vanuit het oogpunt van ecologie? Om dat uit te zoeken, startte voor de kust van Zuid-Holland een experiment met de ‘Zandmotor’. Hoe zijn de resultaten?

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

Om de kustlijn op haar plaats te houden, laat Rijkswaterstaat regelmatig zand van de diepe Noordzeebodem op het strand of de ondiepe onderwateroever deponeren: kustsuppleties. In de huidige praktijk betreft dit voor onze hele kust zo’n 12 miljoen kubieke meter jaar, meestal ongeveer 1 miljoen kubieke meter per keer, verdeeld over de smalle strook van een paar kilometer langs de kust. Het is een beproefde manier om onze kust op zijn plaats en in conditie te houden, maar toch heeft het nadelen. Zo wordt de diepere onderwateroever niet van zand voorzien, terwijl deze wel erodeert. De kust wordt daardoor steeds steiler en gevoeliger voor erosie. Ook moeten suppleties meestal elke drie tot vijf jaar worden herhaald. Hierbij wordt alle bodemleven onder het zand begraven. Tegen de tijd dat het ecosysteem zich heeft hersteld, komt vaak de volgende suppletie er alweer aan. En dan zijn er natuurlijk de kosten. Elke keer moet de aannemer weer zijn materieel aanvoeren. De vraag is of je door die suppleties anders in te richten niet alleen deze bezwaren kunt wegnemen, maar ook andere doelen (zoals natuur en recreatie) beter kunt dienen en wellicht de natuur daarbij een handje kunt laten helpen. Bouwen met de natuur, dus. De Zandmotor De Zandmotor is een grootschalig experiment in kustonderhoud, bedoeld om na te gaan of megasuppletie – dat is geconcentreerd in plaats en tijd een grote hoeveelheid zand (in dit geval zo’n 20 miljoen kubieke meter) aanbrengen – een manier is om dit te bereiken. In dit experiment ontstaan tijdelijk nieuw land, een duinmeer en een getijlagune, die extra ruimte bieden voor natuur en recreatie. Vanaf het begin verspreiden golven en getij het zand langs de kust. Sinds de aanleg in 2011 is de Zandmotor dan ook continu aan het veranderen en op de lange duur zal hij opgaan in de lijn van strand en duinen tussen Hoek van Holland en Scheveningen. Het is de bedoeling dat op dit traject de komende twintig jaar geen andere suppletie meer nodig is. Omdat de Zandmotor nog volop verandert, kunnen we

MAART 2015

nog niet definitief vaststellen of de gestelde doelen worden bereikt. De waarnemingen geven al wel aan of het de gewenste kant op gaat. Natuurlijke duinaangroei Om bestand te zijn tegen duinafslag moet er voldoende zand in de duinenrij zitten. Handhaving van deze veiligheidsbuffer is een belangrijk doel van kust onderhoud. Met de Zandmotor is 20 miljoen kubieke meter zand in het systeem gebracht. Samen met enkele gelijktijdig aangebrachte aanvullende suppleties (1,5 miljoen kubieke meter) en eerdere versterkingswerkzaam heden aan de Delflandse kust, zou dit een d uinvolume moeten opleveren dat voor 50 jaar voldoende bescherming biedt bij duinafslag. Momenteel vormt zich een nieuwe duinregel aan de zeezijde van de bestaande zeereep, maar de verstuiving van zand naar het achterliggende duingebied verloopt langzaam. Daarom is nu nog niet vast te stellen in hoeverre dit doel wordt bereikt. Volgens de geldende vuistregel voor kusterosie bij zeespiegelstijging zou bij een stijging van 30 centimeter per eeuw (dat is anderhalf keer zoveel als nu) uiteindelijk zo’n 15 tot 20 procent van het aangebrachte zand moeten bijdragen aan kustaangroei. Gezien de waarnemingen tot nu toe en ervaringen met eerdere suppleties, lijkt dit een haalbare doelstelling. Handhaving van de kustlijn Een ander belangrijk doel van het Nederlandse kustonderhoud is handhaving van de zogenoemde basiskustlijn (die is wettelijk vastgelegd). De aangebrachte hoeveelheid zand zou in de komende twintig jaar grotendeels moeten voorzien in de handhaving van deze basiskustlijn. Op grond van uitgebreide metingen van de bodemligging, onder andere v anaf jetski’s, kon worden vastgesteld dat twee jaar na aanleg ongeveer 10 procent van het aangebrachte zand verplaatst was, grotendeels naar elders op de Zandmotor. Dit is in lijn met de voorspelde ontwikkeling. Als je dat extrapoleert, zou de hele aangebrachte hoeveelheid zand in twintig jaar een keer in beweging komen. Het zal dus minimaal twintig jaar duren voor-

De Zandmotor loopt lekker

WATER MATTERS

Links: De Zandmotor in juli 2011, direct na aanleg Foto: Rijkswaterstaat/Joop van Houdt

Rechts: Situatie in september 2014 Foto: Rijkswaterstaat/Joop van Houdt

dat natuurlijke processen het zand verdeeld hebben langs de kust. Vooralsnog blijft echter de vraag of die verdeling zodanig verloopt, dat er in die twintig jaar tussen Hoek van Holland en Scheveningen nergens meer een suppletie nodig is. De zeewaartse begrenzing van de Zandmotor ontwikkelt zich volgens de voorspellingen: al snel ontstond een natuurlijke klokvorm, waarvan de top geleidelijk steeds minder ver de zee in steekt en de voet zich steeds verder uitbreidt langs de kust. In het eerste, stormachtige jaar leek dit proces wat sneller te gaan dan de toenmalige modellen – op basis van gemiddelde stormcondities – voorspelden, maar op iets langere termijn blijken de voorspellingen goed te kloppen met de werkelijkheid. Dat geeft vertrouwen in de mogelijkheid een eventuele behoefte aan aanvullende suppleties tijdig te voorzien. Kustfundament Het is de bedoeling dat zand van de Zandmotor ook op de diepere onderwateroever (het ‘kustfundament’) terechtkomt, zodanig dat die zich aanpast aan de stijgende zeespiegel. Als onderdeel van het monitoringprogramma worden vooral vanuit de wetenschappelijke kennisprogramma’s ook in dieper water rond de Zandmotor wateren zandbewegingen gemeten, om vast te stellen in hoeverre de beoogde voeding van de diepere onderwateroever plaatsvindt. Ook hier gaat het om relatief langzaam verlopende processen waarvan men op dit moment nog geen eenduidig beeld heeft. Een van de nevendoelen van de Zandmotor is ‘het ontwikkelen van natuurwaarden voor vooroever, inter-getijdegebied, strand en duinen’. Een v erstoring van het ecosysteem onder water die per saldo geringer is dan bij de gebruikelijke suppletiepraktijk zou een belangrijke natuurwinst van het project zijn. De eerste aanwijzingen zijn positief: de hoeveelheden

en de soortenrijkdom van bodemdieren en vis in het gebied zijn toegenomen. Een grondige analyse van de verkregen meetgegevens is echter zeer tijdrovend, zodat definitieve conclusies nog even op zich laten wachten. Tegen de bestaande duinenrij en op het hogere deel van de Zandmotor ontwikkelen zich jonge duinen met de bijbehorende pioniervegetatie, zoals zeeraket. De Zandmotor fungeert als rust- en foerageerplaats voor vogels en zeezoogdieren: er houden zich grote aantallen vogels op, zoals aalscholvers en diverse soorten meeuwen, en ook menige zeehond kiest de Zandmotor als rustplaats. De getijlagune fungeert als kraamkamer voor grote aantallen jonge vis en schaaldieren, maar als de lagune in de loop van de tijd kleiner wordt, zal ook deze functie naar verwachting minder worden. In het ingesloten meertje ontwikkelt zich volgens verwachting onder invloed van regenval, zoute spray en uitloging van zout uit het omringende zand een brakwatermilieu. Of er ‘bredere, robuustere duinen met meer ruimte voor dynamisch beheer ten behoeve van hogere natuurwaarden’ zullen ontstaan valt nu nog niet vast te stellen, omdat de verstuiving het duingebied in zo langzaam verloopt. Recreatie De Zandmotor is een trekpleister voor strandwandelaars: op hoogtijdagen ziet het zwart van de mensen. Ook fungeert de lagune als beschutte opstapplaats voor (wind)surfers en de Zandmotor geldt inmiddels ook als kitesurfer’s paradise. Of in het duingebied ook ‘meer ruimte voor extensieve recreatie’ ontstaat, zoals in de doelstellingen beschreven staat, kunnen we nog niet vaststellen, omdat de processen in het duingebied meer tijd nodig hebben. In dit dynamische gebied is beheersing van de risico’s voor recreanten uiteraard een punt van aandacht. De

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

Zandmotor verandert de stromingen bij de kust en leidt mogelijk tot voor zwemmers gevaarlijke muistromen. Een speciale app geeft de Reddingsbrigade toegang tot de resultaten van een operationeel modelsysteem, dat uitgaande van recente bodemmetingen en actuele golfcondities continu aangeeft waar gevaarlijke stromingen te verwachten zijn. Deze informatie wordt gebruikt om potentieel gevaarlijke situaties te detecteren en zwemmers te waarschuwen. Zoals verwacht vormde zich achter de buitenste rand van de Zandmotor een geul waardoor elk getij water van en naar de lagune stroomt. In het begin kon de stroomsnelheid in deze geul gevaarlijk groot worden, maar nu hij langer is geworden, is de stroomsnelheid afgenomen en wordt het water in de lagune veel meer ververst via het inter-getijdestrand. Conclusie Al is de Zandmotor een uniek experiment, toch heeft een min of meer vergelijkbare situatie als inspiratiebron gediend. In 1999 raakte een grote zandplaat, het Bornrif, verbonden met de westkust van Ameland. Daarbij ontstond een situatie die leek op die van de Zandmotor, met een getijlagune en een voortgaande verspreiding van het zand langs de kust. Ook daar ontstond een meanderende geul, die verzandde naarmate de plaat in de loop der jaren verder opging in de bestaande kust. De Zandmotor is waarschijnlijk hetzelfde lot beschoren, zodat er op lange termijn niet veel anders van overblijft dan een herinnering aan kitesurfer’s paradise, een heleboel nieuwe kennis én een aantal meters kustvooruitgang over het hele traject Hoek van Holland-Scheveningen. Voor zover (nu) is vast te stellen, voldoet de Zand motor aan het merendeel van de gestelde verwachtingen of is er reden om aan te nemen dat dit op termijn alsnog gebeurt. Hoe dan ook is de Zandmotor een uniek experiment in innovatief kustonderhoud. Het project mag zich dan ook verheugen in een brede internationale belangstelling, met bezoeken van vele buitenlandse delegaties in de afgelopen jaren. Op diverse plaatsen elders in de wereld wordt navolging overwogen.

MAART 2015

Huib de Vriend en Jaap van Thiel de Vries (Stichting EcoShape, Building with Nature) Carola van Gelder en Carrie de Wilde (Rijkswaterstaat) Literatuur DHV (2010a). MER Aanleg en zandwinning Zandmotor Delflandse kust. Opdrachtgever provincie Zuid-Holland. (www.dezandmotor.nl/uploads/2011/03/monitoring-en- evaluatie.pdf ) DHV (2010b). Monitoring- en evaluatieplan Zandmotor. Opdrachtgever Provincie Zuid-Holland. (www.dezandmotor.nl/uploads/2011/03/mer-hoofdrapportzandmotor-mer.pdf) Linnartz, L. (2013). Het tweede jaar Zandmotor: natuurontwikkelingen op een dynamisch stukje Nederland. Stichting Ark. (www.dezandmotor.nl/uploads/2013/10/het-tweede-jaar- zandmotor-een-verslag.pdf) EcoShape (2012). Building with Nature: thinking, acting and interacting differently. (www.ecoshape.nl/nl_NL)

SAMENVATTING Als in het oog lopend element aan de Zuid-Hollandse kust roept de Zandmotor allerlei vragen op, van ‘Waartoe dient dit?’ en ‘Wat heeft dit voor gevolgen?’ tot ‘Werkt dit eigenlijk wel?’. De momenteel beschikbare gegevens duiden erop dat de Zandmotor zich in grote lijnen volgens de verwachting ontwikkelt. Het zand verspreidt zich langs de kust en de aangroei van de duinenrij begint zich te manifesteren. De ontwikkeling van begroeiing en jonge duinen verloopt langzaam, maar er gebeurt op ecologisch gebied wel allerlei interessants. De aangroei van de duinenrij begint zich te manifesteren. De Zandmotor blijkt een trekpleister voor strandrecreanten en kitesurfers en een icoon-project voor vakmensen van over de hele wereld. In hoeverre tragere processen zoals de voeding van de diepere onderwateroever en het herstel van het ecosysteem onder water zich volgens verwachting voltrekken, moet later blijken.

De Zandmotor loopt lekker

WATER MATTERS

Beeld: iStockphoto

AUTEURS

Rob Schotsman (Royal HaskoningDHV)

Harry Buyten (PWN)

Ignaz Worm (Isle Utilities, voorheen PWN)

THE HUMAN SENSOR

HOE WE SLIM GEBRUIK MAKEN VAN DATA Steeds meer data worden verzameld om meer grip te krijgen op het maken en distribueren van drinkwater. Moeten we daarmee steeds verder gaan? Of kunnen we beschikbare data wellicht beter gebruiken? En wat kunnen we met de input van onze eigen klanten? De business software tool The Human Sensor maakt beter gebruik van bedrijfsdata en van data van de klant (human) om bedrijfsprocessen te optimaliseren en de communicatie met klanten te verbeteren.

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

Grafisch platform van de Human Sensor

Er is steeds meer behoefte aan een intelligente drinkwatervoorziening, die betrouwbare en actuele informatie genereert, op basis waarvan we veilig de juiste beslissingen kunnen nemen. Het gaat daarbij niet alleen om de beschikbaarheid van data en informatie, maar vooral ook om de wijze van presenteren, met andere woorden de toegankelijkheid. De technici, de medewerkers van het callcenter, maar ook de klanten moeten de beschikbare informatie kunnen begrijpen. Iedere gebruiker heeft echter een andere informatiebehoefte en een ander kennisniveau. Door de exploderende hoeveelheid data moet dit proces wel geautomatiseerd worden en moet de informatie via een eenvoudig toegankelijke (grafische) interface specifiek per gebruiker beschikbaar worden gesteld. Dit vergt een goed begrip van de informatiebehoefte en de onderliggende bedrijfsprocessen. De informatievoorziening kan verder verbeterd worden door naast eigen data, ook data van derden (zoals van klanten) te gebruiken. Een goede (geautomatiseerde) informatievoorziening is ook om een andere reden wenselijk. Het is tenslotte een reëel risico dat in de nabije toekomst onvoldoende gekwalificeerd personeel beschikbaar zal zijn om de toenemende stroom data te analyseren. Een andere (integrale) benadering is dus vereist om grip op deze stroom te krijgen en te houden.

MAART 2015

The Human Sensor Het concept van The Human Sensor is op basis van dit principe ontwikkeld met focus op onderhoud, storingen en calamiteiten in het distributienet enerzijds en communicatie met de klant anderzijds. Deze ontwikkeling is gestart door het Provinciaal Waterleiding bedrijf Noord-Holland PWN in samenwerking met vier andere drinkwaterleidingbedrijven (Oasen, Vitens, Brabant Water en Evides Waterbedrijf). Elke dag nemen klanten contact op met waterbedrijven om klachten over de kwaliteit of een storing in de levering van drinkwater te melden. Meestal is de klant de eerste die merkt dat er iets mis is, terwijl het drinkwaterbedrijf zich nog niet bewust is van enig probleem. Dit klantcontact is de eerste stap in een ingewikkeld bedrijfsproces om de oorzaak van de klacht te vinden en deze op te lossen, bijvoorbeeld via het repareren van een lek. Uitdaging daarbij is: waar zoeken we naar en wat zoeken we precies? Als een klant meldt dat hij een fontein van water in de straat ziet, is het probleem evident. Maar meestal is het niet zo eenvoudig, zoals in het geval van kwaliteitsproblemen. Het oplossen van zulke problemen vereist de inzet van veel mensen: de klant die een klacht meldt, het klantcontactcenter dat de klacht registreert (en vaak nog geen idee heeft wat het probleem is) en de onder-

Klant helpt het waterbedrijf

WATER MATTERS

houdsploeg die de zoektocht naar ‘iets’ ergens moet beginnen. Als het allemaal gelukt is, zal de onderhoudsploeg na het herstel van de storing feedback geven aan het klantcontactcenter, die op zijn beurt de klant weer zal informeren. Gegevens verzamelen The Human Sensor verzamelt reeds beschikbare gegevens over onregelmatigheden met betrekking tot de kwaliteit en de kwantiteit van water en waterdruk, zoals gepland en ongepland onderhoud en storingen in de productie. Deze data worden verrijkt met Twitter-berichten (gerelateerd aan de storing in de watervoorziening) en de informatie uit de het klantcontact (klachten via e-mails, telefoongesprekken en websitebezoek). Deze gegevens worden vervolgens door The Human Sensor geconverteerd in bruikbare informatie, die kan worden gebruikt als input voor geografische presentatie en hydraulische berekeningen, zoals backtrack algoritmen om de meest waarschijnlijke oorzaak en locatie van een verontreiniging of lekkage te bepalen. De informatie wordt direct – real time – grafisch gepresenteerd met de meest waarschijnlijke plaats en grootte van de impact van de drinkwaterstoring. In het schema is grafisch weergegeven hoe de beschikbare informatie wordt gecombineerd in The Human Sensor. Bij de (grafische) presentatie van de gegevens wordt rekening gehouden met de behoefte van de individuele gebruiker of gebruikersgroep. Hoewel de gebruikte data- en informatiebronnen gelijk zijn, worden in de presentatie alleen data en informatie getoond die relevant zijn voor de desbetreffende gebruiker. Voor de ontwikkeling van The Human Sensor is een analyse gemaakt van alle relevante datastromen en bedrijfsprocessen: welke data zijn beschikbaar, welke zijn bruikbaar, hoe kunnen deze data worden ontsloten? Elk bedrijfsproces (klachtenafhandeling, storingsmelding, onderhoudsopdracht) is van belang en de vraag is steeds: hoe kan The Human Sensor hierin een bijdrage leveren? Na de ontwikkeling van de grafische interface

The Human Sensor geeft relevante informatie aan vier verschillende gebruikersgroepen, (1) de klant, (2) het klantcontactcenter, (3) de onderhoudsteams en (4) de centrale waterverdelers

( ArcGIS) is per datastroom/bedrijfsproces een use case (een beschrijving van het gedrag van het systeem) opgesteld. Deze use cases zijn uitgebreid besproken met de eindgebruiker en de IT-architect. Veel aandacht is besteed aan de wijze van presenteren: vindt elke gebruiker de voor hem/haar relevante informatie op een toegankelijke manier? Elke use case vormde vervolgens de basis om in stappen de functionaliteit te ontwikkelen, te testen en te implementeren. Een bijzonder element vormde de datastroom die afkomstig is van de klanten. Door middel van e-mails, telefoontjes, websitebezoek en Twitter wordt een nieuwe datastroom ontsloten, die zeer belangrijk is het detecteren van de oorzaak van een storing. De klant is een soort extra (human) sensor die het bedrijfsproces van de afhandeling van de klacht aanzienlijk verbetert. Informatie van de klant wordt in The Human Sensor actief gebruikt in het achterhalen van de oorzaak. De klant wordt daarmee onderdeel van het bedrijfsproces, een zeer interessante ontwikkeling.

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

Tijdens het gebruik van The Human Sensor is verder gebleken dat de kwaliteit van de gedeelde data en informatie verbetert en dat hierdoor ook de onderlinge communicatie tussen de vele betrokken afdelingen beter wordt. Door gebruik te maken van hetzelfde grafische platform ontstond een ‘parallelle’ communicatielijn, waarbij afdelingen direct met elkaar communiceerden. Dit had als belangrijk neveneffect dat de onderling uitgewisselde data en informatie sterk verbeterden. Door een beter begrip van elkaars bedrijfsprocessen werd bovendien duidelijk hoe elkaars data en informatie over en weer worden gebruikt. Door (kleine) aanpassingen in de invoer van gegevens verbeterde de kwaliteit van de data en de onderlinge communicatie aanzienlijk. Bij de ontwikkeling van The Human Sensor is door het gebruik van één interface de communicatie tussen de verschillende afdelingen binnen het bedrijf verbeterd. Door een beter onderling begrip van elkaars werkwijze en data en informatiebehoefte zijn bedrijfsprocessen verbeterd. Het grafische platform is tevens een soort kweekvijver geworden van nieuwe ideeën, waarbij gebruikers zinsneden gebruiken als “maar als dit kan, dan kan dit ook en…”. Conclusies De ontwikkeling van The Human Sensor heeft aangetoond dat het gebruik van beschikbare data en vooral ook data van derden (klanten) de behoefte aan nog meer data of nog meer sensoren (voorlopig) terugdringt. Het investeren in het beter ontsluiten en benutten van reeds beschikbare data loont. Een extra dimensie is het gebruik van data van de klant, die daarmee als een extra ‘soft’ sensor voor een aanvullende datastroom zorgt, waarmee het analyseren van de oorzaak van een klacht wordt verbeterd, maar dat ook helpt om andere klanten beter te informeren. The Human Sensor draagt daarnaast bij aan het verbeteren van de klanttevredenheid. Door goed de data en informatiebehoefte per gebruiker in kaart te brengen, is beter inzicht verkregen in de (kwaliteit van) bedrijfsprocessen. Belangrijk in deze was het directe contact tussen eindgebruiker en IT-architect.

MAART 2015

Het platform heeft de potentie om nog meer data en informatie met elkaar te delen, waarbij het algehele bedrijfsproces nog verder kan worden verbeterd. Een kritische succesfactor was het samenbrengen van domeinkennis (drinkwater in dit geval), inzicht in bedrijfsprocessen, aandacht voor klant perceptie (client intimacy) en IT kennis dat The Human Sensor tot een succes heeft gemaakt. Rob Schotsman (Royal HaskoningDHV) Harry Buyten (PWN) Ignaz Worm (Isle Utilities, voorheen PWN)

SAMENVATTING Voor een beter begrip van de performance van de drinkwatervoorziening worden meer en meer data verzameld, vaak door het plaatsen van nieuwe, vaak kostbare, sensoren. De vraag rijst of met bestaande data meer informatie beschikbaar is dan op het eerste oog lijkt. Verbetert een grafische interface de toegankelijkheid van deze informatie? Genereert slimmer gebruik van beschikbare data al niet veel meer informatie? Vooral als ook gebruik wordt gemaakt van klantdata, zoals telefoontjes, Twitterberichten, e-mails etcetera. De klant wordt daarmee een extra (human) sensor die storingen, calamiteiten en dergelijke rapporteert. De business software tool The Human Sensor heeft dit principe als uitgangspunt. Door optimaal gebruik te maken van beschik bare data en data van klanten, gecombineerd met een grafisch platform, wordt de toegankelijkheid sterk verbeterd. The Human Sensor heeft b ewezen dat het verzamelen van nog meer data en het plaatsen van nog meer sensoren niet altijd noodzakelijk is. Door een beter begrip en verbetering van de werkprocessen werd de samenwerking tussen afdelingen door het gebruik van The Human Sensor gestimuleerd. Een mooie extra opbrengst.

Klant helpt het waterbedrijf

WATER MATTERS

AUTEURS

BLUE ENERGY IS VOOR DE WATERKETEN VEELBELOVEND Blue Energy, het opwekken van energie door de menging van zoet en zout water, is veel in het nieuws. Eind vorig jaar opende koning Willem-Alexander een proefinstallatie op de Afsluitdijk, maar ook het buitenland heeft volop belangstelling. Blue Energy: hoe werkt het precies, wat zijn de mogelijke toepassingen en wat is interessant voor de watersector?

Jan Post Wetsus/AquaBattery

Joost Veerman REDstack

Wanneer zoet water uitstroomt in de zee, vindt er binnen enige tijd spontane vermenging plaats van zoet en zout. Zout water bevat relatief veel geladen deeltjes (voornamelijk Naen Cl-ionen). Als het zoete water en het zoute water met elkaar in contact worden gebracht, zullen de ionen uit het zoute water naar het zoete water bewegen. De drijvende kracht voor dit mengproces is de toename van de entropie, populair gezegd de wanorde, van het systeem. Het zoute water wordt dus langzaam zoeter en het zoete water zouter. Als dit mengproces ongecontroleerd plaatsvindt â&#x20AC;&#x201C; zoals in de natuur of bij een lozing â&#x20AC;&#x201C; dan is het onomkeerbaar. Door het mengproces gecontroleerd (omkeerbaar) te laten verlopen, kan een deel van de energie die anders wordt verspild, omgezet worden in elektriciteit. In Nederland is dit bekend geworden als Blue Energy. Uit het per seconde mengen van 1 kubieke meter zoet water met een gelijke hoeveelheid zeewater is theoretisch een elektrisch vermogen van 1,5 MegaWatt te produceren. Een energiedichtheid vergelijkbaar met een 150 meter hoog stuwmeer.

Rik Siebers REDstack

Onderzoeksinstituut Wetsus heeft vanaf 2005 een consortium van universiteiten, technolo-

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

giebedrijven en eindgebruikers bij elkaar gebracht voor onderzoek en ontwikkeling van technologie voor Blue Energy. De gekozen technologie staat bekend als RED, voluit Reverse Electro Dialysis. Dit proces maakt gebruik van ion-selectieve membranen waartussen het zoute en het zoete water stroomt. Deze afwisselend geplaatste membranen laten selectief positieve dan wel negatieve ionen uit het zoute water door naar het zoete water, waardoor een scheiding van lading gecreëerd wordt en dus een spanningsverschil. Per membraan is dit spanningsverschil circa 80 milliVolt, zodat met een stapel van zo’n 1.200 membranen een spanning wordt opgewekt van 100 Volt. De membraanstapel (stack) is geplaatst tussen een anode en een kathode, waardoor de ionenstroom omgezet kan worden in een elektrische stroom. Op deze wijze wordt de mengenergie omgezet in elektrische energie. Zowel de membranen als de elektroden zijn sleutel componenten, waaraan de afgelopen jaren veel ontwikkeld is. Onderzoek De eerste zorg van de onderzoekers was om de vermogensdichtheid – het opgewekte vermogen per membraanoppervlak – te verhogen. Uit eerdere literatuur bleek dat er vooral veel gemodelleerd was met veelbelovende getallen, maar dat de hoogst gemeten vermogensdichtheid slechts 0,41 Watt per vierkante meter bedroeg. In de afgelopen jaren is de vermogensdichtheid met een factor vijf toegenomen als er gewerkt werd met zuivere NaCl-oplossingen. Volgende stap was het testen met kunstmatig rivieren zeewater: zoutoplossingen in zuiver water met dezelfde ion-samenstellingen als het natuurlijke water. Hier bleek dat het vermogen hierdoor aanzienlijk gereduceerd werd, wat aanvankelijk toegeschreven werd aan de andere ionen in het zeewater (voornamelijk de Mg-, Ca- en SO₄-ionen). Het was dan ook een grote verrassing dat de samenstelling van het zoete water een behoorlijke impact bleek te hebben op de vermogensdichtheid. Terwijl de Na-en Cl-ionen worden getransporteerd van het zoute water naar zoete water, worden de andere aanwezige ionen

MAART 2015

in het zoete water juist in tegenovergestelde richting getransporteerd. Nadat dit probleem was onderkend, zijn membranen ontwikkeld die selectief zijn voor enkelwaardig geladen ionen, waardoor het contraproductieve proces van ionenwisseling aanzienlijk werd gereduceerd. Membraanontwikkeling is hoe dan ook een belangrijk aspect geweest van het onderzoek door Universiteit Twente, nodig voor verlaging van de interne elektrische weerstand van het systeem, maar ook van de hydraulische weerstand en de vervuilingsgevoeligheid. Zo zijn er membranen ontwikkeld met gemodificeerde oppervlakten waarop biofilms zich minder snel hechten. Ook zijn membranen ontwikkeld met een geprofileerd oppervlak, waarmee een optimale verdeling, doorstroming en menging van het zoete en het zoute water worden bereikt. Daarnaast is ingezet op het verminderen van biofouling door variaties in de bedrijfsvoering. Zo is tijdens de onderzoeksfase aandacht besteed aan de werking van de RED-technologie, zowel in het laboratorium als bij de haven en in de zoutfabriek van Esco te Harlingen. Op basis van de resultaten is het procesontwerp regelmatig aangepast. Nu is de tijd gekomen om de ontwikkelde technologie op grote schaal en over langere tijd te beproeven in de praktijk. Het bedrijf REDstack heeft samen met Fujifilm, Magneto en met andere bij Wetsus aangesloten bedrijven – gesteund door de provincie Friesland en in nauwe samenwerking met Rijkswaterstaat – een proefinstallatie gerealiseerd op de Afsluitdijk. Het gaat hierbij om een installatie die per uur 200 kubieke meter IJsselmeerwater kan mengen met 200 kubieke meter Waddenzeewater. De proefinstallatie zal tenminste operationeel zijn tot en met eind 2015. Bij grootschalige toepassing in de toekomst wordt de ecologische impact van de zoetwaterspui ten opzichte van de huidige situatie verlaagd doordat het zoete water wordt voorgemengd met zeewater en door een betere spreiding in de tijd. Anderzijds worden het z oete water en het zeewater wel eerst gezeefd

Blue Energy is veelbelovend

WATER MATTERS

Schematische weergave van een Reverse Electro Dialysis (RED) stack voor de omzetting van mengenergie in elektrische energie (Blue Energy); C is een negatief geladen kationwisselend membraan, A is een positief geladen anionwisselend membraan

Schematische weergave van Reverse Electro Dialysis (RED) toegepast als zoutwisselaar waarbij zouten uit relatief schoon zeewater worden overgebracht op effluent als voorbehandeling van een ontzoutingsinstallatie. De getallen geven indicatief het zoutgehalte in ppm, RO voor Reverse Osmosis en HD voor hogedrukpomp

en door een installatie gepompt. Dit alles gebeurt met geringe doorstroomsnelheid. Hierbij kan het invangen van grotere organismen eenvoudig worden voorkomen. Micro-organismen en kleine deeltjes zullen e chter wel de zeven passeren en langs de membranen worden meegevoerd. Niet alleen de effecten hiervan op de prestatie van de installatie (vervuiling van en aangroei op de membranen), maar ook de effecten van de installatie op deze micro-organismen vormen onderdeel van de proef op de Afsluitdijk. In een monitoringsprogramma wordt gemeten wat de gevolgen van de installatie zijn op de natuurwaarden.

vergelijkbare omvang. Naast deze toepassingen zijn er ook minder voor de hand liggende mogelijkheden in de waterketen, bijvoorbeeld in droge gebieden elders in de wereld en bijvoorbeeld ook op de Waddeneilanden, maar dan als ontzoutingstechnologie. Zeewaterontzouting heeft weliswaar een hogere maatschappelijke acceptatie dan hoogwaardig waterhergebruik, maar het is vanwege het hoge energieverbruik veel minder duurzaam. Toch is het mogelijk om het beste van beide opties te combineren door toepassing van RED: een laag energieverbruik én de acceptatie van zeewater als bron voor drinkwater.

Toepassingen Het eerste waaraan gedacht wordt bij Blue Energy is toepassing als onderdeel van de natuurlijke waterkringloop. Dat kan bijvoorbeeld op plaatsen waar zoet water wordt gespuid of uitgeslagen op zee, dus bij zeesluizen of zeegemalen. In de kringloop van huishoudelijk en industrieel watergebruik, kan de RED-technologie op deze manier ook worden toegepast bij effluentlozingen op zout oppervlakte water. Waterschappen aan zee kunnen zodoende niet alleen energie winnen uit de organische fractie in het afvalwater, wat ze al doen, maar ook nog een keer end-of-pipe een hoeveelheid elektrische energie van

De eenvoudigste manier om het energieverbruik van zeewaterontzouting te verlagen is het verlagen van de zoutconcentratie. Dit gebeurt nu soms door verdund zeewater in te nemen bij een effluentlozing. Energetisch (en qua acceptatie) is het echter veel beter om deze voorverdunning te laten plaatsvinden door gecontroleerde migratie van zouten van zee water naar zoet water, zoals ook gebeurt in RED. Met RED-technologie als ‘zoutwisselaar’ worden zouten overgebracht van zeewater naar effluent. Het zeewater komt niet in direct contact met het effluent, waardoor geen contaminatie plaatsvindt met ziekteverwekkers (pathogenen) vanuit het effluent

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

naar het zeewater dat als bron dient voor de drinkwaterproductie. Voor de watervoorziening van eilanden kan ontzouting zo een duurzame optie worden met een hogere maatschappelijke acceptatie dan direct hergebruik van effluent of andere vervuilde afvalwaterstromen. De lagere zoutconcentratie zorgt hierbij enerzijds voor energiebesparing voor de navolgende ontzoutingsstap met reverse osmosis (RO), anderzijds kan de opgewekte energie direct ingezet worden voor de pomp van de RO. Zo is het in principe mogelijk een energetisch zelfvoorzienend ontzoutingssysteem te maken. Bovendien leidt de verlaging van de zoutconcentraties aan het eind tot minder problemen met de concentraatlozing. Uiteraard moet dit alles nog onderzocht worden. Dat geldt ook voor de vraag of en hoe zware metalen en organische microverontreinigingen in dit systeem vanuit het effluent getransporteerd zullen worden naar het zeewater en of deze na de RO nog terug zijn te vinden in het uiteindelijk bereide drinkwater. In wetenschappelijke artikelen worden nog veel andere toepassingen van RED – of aanverwante CapMix-technologie die ook bij Wetsus ontwikkeld is op basis van capacitieve elektroden – genoemd met mogelijke toepassingen in de waterketen. Zo worden combinaties beschreven met microbiële brandstofcellen, waarbij afvalwaterzuivering en elektriciteitsopwekking in één stap zouden kunnen plaatsvinden. Ook zijn er concepten beschreven waarin RED wordt toegepast voor omzetting van warmte in elektriciteit via een kunstmatig verkregen zoutgradiënt, of waarin gasemissies worden omgezet naar elektriciteit via een zoutgradiënt. Daarnaast wordt gewerkt aan de ontwikkeling van een energieopslagsysteem op basis van zoutgradiënten, waarin RED of CapMix een centrale rol vervult. Jan Post Wetsus/AquaBattery Joost Veerman REDstack Rik Siebers REDstack

MAART 2015

Literatuur J.W. Post (Wageningen Universiteit, 2009) (http://edepot.wur.nl/12605) P. Długołęcki (Universiteit Twente, 2009) (http://doc.utwente.nl/69120/1/thesis_p_dlugolecki.pdf) J. Veerman (Rijksuniversiteit Groningen, 2010) – (http://dissertations.ub.rug.nl/faculties/science/2010/ j.veerman) B.B. Sales (Wageningen Universiteit, 2013) (http://edepot.wur.nl/278246) D.A. Vermaas (Universiteit Twente, 2014) (http://doc.utwente.nl/88706/) E. Güler (Universiteit Twente, 2014) (http://doc.utwente.nl/88706) Li, W., W.B. Krantz, E.R. Cornelissen, J.W. Post, A.R.D. Verliefde, C.Y. Tang (2013), Applied Energy, 104, 592-602.

SAMENVATTING Blue Energy is een grote belofte voor waterschappen aan zee. Zij kunnen met deze techniek van het gecontroleerd mengen van zoet en zout water energie gaan opwekken in hoeveelheden die vergelijkbaar zijn met wat ze nu uit de organische fractie in het afvalwater halen. Tijdens een uitgebreide onderzoeksfase is aandacht besteed aan de werking van de RED-technologie, zowel in het laboratorium als bij de haven en in de zoutfabriek van Esco te Harlingen. Op de Afsluitdijk is nu tot eind 2015 een proefinstallatie operationeel die per uur 200 kubieke meter IJsselmeerwater kan mengen met 200 kubieke meter Waddenzeewater. Naast energieopwekking zijn er ook minder voor de hand liggende mogelijkheden van Blue Energy in de waterketen, bijvoorbeeld als ontzoutingstechnologie.

Blue Energy is veelbelovend

WATER MATTERS

Rechtsboven granaatzand (van 0,25 millimeter doorsnede), veel gebruikt als entmateriaal, linksboven zuivere kalkkorrels (van 0,5 millimeter doorsnede), gebruikt in dit onderzoek, en onder het ‘restmateriaal’: pure kalkkorrels (calciet pellets) van 1 millimeter doorsnede

AUTEURS

Marc Schetters (ARCADIS, Waternet, TU Delft)

Eric Baars (Waternet)

Hay Koppers (Reststoffenunie)

Jan Peter van der Hoek (Waternet, TU Delft)

Bas Hofs (KWR)

ONTHARDING DUURZAMER EN GOEDKOPER MET PURE KALKKORRELS Drinkwater wordt onthard in reactoren met zand en chemicaliën. Daarbij ontstaan kalkkorrels (of eigenlijk korrels van zand met een laagje kalk). Dit restmateriaal wordt gebruikt in de bouw of de landbouw. Zou het niet slim zijn om in plaats van zand zuivere kalkkorrels te gebruiken als entmateriaal? Dan ontstaat een meer hoogwaardige reststof van pure kalkkorrels (calcietpellets) met meer mogelijkheden. Het verslag van een onderzoek en de eerste positieve praktijkresultaten.

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

In Nederland wordt ongeveer 50 procent van het drinkwater onthard in pelletreactoren. Bij dit proces ontstaat een reststof in de vorm van kalkkorrels. Deze korrels bestaan uit een kern van zand, het entmateriaal, en een schil van calciumcarbonaat afkomstig uit het ruwe drinkwater (en mogelijk deels uit kalkmelk). Dit restproduct wordt als grondstof in verschillende sectoren hergebruikt zoals de bouw-, agrarische- en minerale grondstoffensector. Vervanging van de zandkern door een kern van calciet (calciumcarbonaat) leidt tot een zuivere kalkkorrel (we noemen deze hier calcietpellets), die uit één component bestaat. Daarmee ontstaan mogelijkheden voor hoogwaardige afzet in industrieën als glas en papier, en stijgt de opbrengst van de reststof. Door de calcietpellets te malen en te zeven zouden ze ook als entmateriaal in het onthardingsproces hergebruikt kunnen worden. Dit is te prefereren boven winning en levering vanuit buitenlandse marmergroeves. Het hergebruiken en afzetten van gemalen calcietpellets kan namelijk leiden tot een kostenbesparing bij de drinkwaterbedrijven, een toename van de duurzaamheid bij zowel de drinkwaterbedrijven als de industrie en levert een bijdrage aan de circulaire economie. Bij Waternet, het watercyclus bedrijf van de gemeente Amsterdam en het waterschap Amstel, Gooi en Vecht, is in samenwerking met de TU Delft, de Reststoffen unie, KWR Watercycle Research Institute en de drinkwaterbedrijven Dunea en PWN onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van het hergebruiken van calcietpellets als entmateriaal. Proefinstallatie In januari 2013 is het onderzoek van start gegaan in de proefinstallatie van de drinkwaterzuivering Weesperkarspel (Waternet). Hier zijn twee identieke pellet-reactoren met een diameter van 30 centimeter en een hoogte van 6 meter getest. De eerste reactor was gevuld met granaatzand (met een dichtheid van 4.113 kilogram per kubieke meter en een doorsnede van 0,25 millimeter), de tweede met calciet (met een dichtheid van 2.670 kilogram per vierkante meter en een doorsnede van 0,5 millimeter)

MAART 2015

als entmateriaal. In beide reactoren werd natronloog gedoseerd als onthardingschemicalie. Na een opstartperiode van een maand waren er voldoende calcietpellets geproduceerd, zodat de pellets tot entmateriaal gemalen konden worden. Het malen van de vochtige pellets bleek niet mogelijk omdat de korrels in de maalmachine aan elkaar kleefden. De pellets konden wel gemalen worden door de pellets tenminste 24 uur in een oven op 100 graden Celsius te drogen of door de pellets met een overmaat aan water de maalmachine in te brengen. In beide gevallen bleek het mogelijk de pellets met een doorsnede van 1 millimeter te malen tot entmateriaal van 0,4 tot 0,6 millimeter met een maalrendement van 40 procent. De microbiologische analyses gaven een eerste indicatie dat droog en nat malen mogelijk is zonder besmetting. Vanaf het moment dat de reactor met calciet aangevuld werd met gemalen calcietpellets als entmateriaal zijn de prestaties van de twee reactoren met elkaar vergeleken. De operationele parameters (bedhoogte, debiet, loogdosering, pellet aftap diameter) van de beide reactoren waren identiek gedurende de meetperiode van half februari tot begin april. In deze periode was de watertemperatuur tussen de 1 en 4 graden Celsius en de hardheid van het water 2,3 mmol/l. In deze periode zijn de natronloogdosering, de aftap korreldiameter en het reactordebiet gevarieerd om te verifiëren of de onthardingsreactoren onder verschillende omstandigheden vergelijkbaar presteren voor granaatzand en calciet (zowel commercieel beschikbare calciet als gemalen en gezeefd calcietpellets) als entmateriaal. Dit resulteerde in een variatie van de totale hardheid in het effluent van beide reactoren tussen de 0,5 en 1,6 mmol/l. Op basis van de totale hardheid, pH, SI, theoretisch afzetbaar calciumcarbonaat (TACC) en troebelheid viel geen onderscheid te maken in de prestaties van de reactor met granaatzand en gemalen calciet. Duurzaamheid en kosten Wat betekent het inzetten van zuivere calcietpallets

Slimmer ontharden met pure kalk

WATER MATTERS

Overzicht van kosten en baten voor verschillende entmaterialen Granaatzand

Calciet

Gemalen calciet

Dichtheid (kg/l)

4,1

2,7

Korrelgrootte (mm)

0,25

0,5

Verbruik (ton/jaar)

150

750

Kosten (€/jaar)

55.000

113.000

38.000

Pellets voor industrie (ton/jaar)

1.900

2.200

1.400

Opbrengst pellets (€/jaar)

33.000

21.000

Netto (€/jaar)

-55.000

-25.000

+38.000

Totaal verschil (€/jaar)

Referentie

- 25.000

+ 38.000

qua duurzaamheid en kosten? Om het eerste te kunnen beoordelen is naast het proefinstallatie onderzoek het gebruik van granaatzand, commercieel verkrijgbaar calciet en gemalen calcietpellets op bedrijfsschaal (Weesperkarspel) met elkaar vergeleken op basis van een levenscyclusanalyse. Hiervoor is het softwarepakket Simapro gebruikt en is de score uitgedrukt in EcoPunten, waarbij 1 EcoPunt gelijk is aan 1/1000ste van de totale impact op het milieu van een gemiddelde Europeaan. Granaatzand wordt uit Australië aangevoerd, per schip. Commercieel verkrijgbaar calciet per vrachtwagen uit Italië. Door de gemalen calcietpellets lokaal te produceren wordt het transport geminimaliseerd. De impact van het hergebruik van de pellets in andere industrieën wordt bepaald door de vervanging van de grondstof die in deze industrieën gebruikt w orden. Pellets met een granaatzandkern vervangen de grondstof zand. Pellets met een calcietkern vervangen de hoogwaardigere grondstof calciet. Daarnaast is de transportafstand van de grondstof calciet groter dan voor zand. Door het hergebruik van calciet pellets kan de industrie gebruik maken van lokaal calciet en is het niet noodzakelijk calciet uit andere landen te importeren. Hierdoor neemt de impact op het milieu van zowel Waternet als de hele keten af. De totale winst die te behalen is door over te schakelen op gemalen calcietpellets ten opzichte van granaatzand als entmateriaal, is ongeveer 10.600 EcoPunten. Dit betekent een milieuwinst van 5 procent voor de hele zuivering van Weesperkarspel. Naast deze levenscyclusanalyse is ook voor de kosten-batenanalyse een vergelijking gemaakt tussen granaatzand, commercieel calciet en gemalen calciet.

Voor de kosten is uitgegaan van 365 euro per ton voor granaatzand, 150 euro per ton voor I taliaanse calciet en 50 euro per ton voor Hollands calciet (voor malen en zeven, inclusief arbeid). De pellets met granaatzandkern leveren geen opbrengst (netto kosten van 0), en voor de opbrengst van pellets met calcietkern is uitgegaan van een netto-opbrengst van 15 euro per ton. De kosten-batenanalyse laat zien dat voor de zuivering van Weesperkarspel de overstap naar gemalen calciet de hoogste opbrengst oplevert, ongeveer 38.000 euro per jaar. Dit staat gelijk aan een vermindering van de jaarlijkse operationele kosten met 0,5 procent. Risicoanalyse Een Failure Mode, Effects and Critically Analysis (FMECA) is uitgevoerd naar de implementatie van het gebruik van gemalen calciet als entmateriaal op de gehele zuivering Weesperkarspel. Bij zo’n analyse worden alle mogelijke faalmechanismen van alle processtappen geïdentificeerd en geëvalueerd. Uit de FMECA kwam naar voren dat met name het hygiënische aspect van het opslaan, verwerken en transporteren van de pellets en het entmateriaal een belangrijk aandachtspunt vormt. Het grootste deel van de risico’s kon worden ondervangen door een goede monitoring tijdens de opstartfase en het achter de hand hebben van back-up plannen. Conclusies Uit het uitgevoerde vergelijkende onderzoek op pilotschaal blijkt dat zowel commercieel verkrijgbaar calciet als gemalen calcietpellets vergelijkbaar presenteren als het huidige granaatzand dat wordt ingezet bij drinkwaterzuivering. Het deel van de calcietpellets dat niet tot entmateriaal wordt verwerkt

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

Het malen van calciet pellets

Dit artikel is mede gebaseerd op de scriptie waarmee Marc Schetters zijn masterstudie voltooide aan de TU Delft. De scriptie was een van de genomineerden voor de Waternetwerk Scriptieprijs 2014. Koninklijk Nederlands Waternetwerk (KNW) reikt elk jaar twee prijzen uit de beste bachelor- en masterscriptie over een watergerelateerd thema aan een Nederlandse of Vlaamse onderwijsinstelling. Scripties moeten door begeleidende docenten worden ingezonden. www.waternetwerk.nl Literatuur

(ongeveer 90 procent), kan afgezet worden in Nederlandse industrieën. Voor de zuivering Weesperkarspel (Waternet) bleek uit een kosten-baten analyse dat hierdoor operationele kosten verlaagd kunnen worden met 38.000 euro (0,5 procent), en uit een levenscyclusanalyse dat de milieu-impact met 5 procent verkleind kan worden. Het hergebruiken en afzetten van gemalen calcietpellets kan leiden tot een kostenbesparing bij de drinkwaterbedrijven, een toename van de duurzaamheid bij zowel de drinkwaterbedrijven als de industrie en levert een bijdrage aan de circulaire economie. Sinds januari 2014 is de zuivering Weesperkarspel overgegaan op commercieel calciet als entmateriaal. Medio 2014 heeft er een succesvolle proef op bedrijfsschaal plaatsgevonden met het malen en zeven van de calcietpellets en heeft de zuivering enkele weken gedraaid met gemalen calcietpellets als entmateriaal. Begin 2015 zal er een proef met gemalen calcietpellets als entmateriaal plaatsvinden met de kritische lage temperaturen van het water in de winter. Daarnaast lopen er verschillende initiatieven voor het realiseren van een hoogwaardige afzet van de calcietpellets. Marc Schetters (ARCADIS, Waternet, TU Delft) Jan Peter van der Hoek (Waternet, TU Delft) Eric Baars (Waternet) Bas Hofs (KWR) Hay Koppers (Reststoffenunie)

MAART 2015

L. Palmen, W. Oorthuizen, H. Koppers, B. Hofs, Calciet als alternatief entmateriaal bij ontharding produceert hoogwaardige kalkkorrel, H2O 2012, 45, 10, 35-37 M. J. A. Schetters, J. P. van der Hoek, O. J. I. Kramer, L. J. Kors, L. J. Palmen, B. Hofs and H. Koppers, Water Science & Technology, Circular economy in drinking water treatment: reuse of grinded pellets as seeding material in the pellet softening process, In Press, doi:10.2166/wst.2014.494

SAMENVATTING Circa 50 procent van het Nederlandse drinkwater wordt onthard in pelletreactoren door daarin een onthardingschemicalie en zand als entmateriaal te doseren. Daarbij ontstaat een reststof in de vorm van calciumcarbonaat pellets met een kern van zand (kalkkorrels). Dit restproduct wordt als grondstof in verschillende sectoren hergebruikt. Vervanging van de zandkern door een kern van calciet (calciumcarbonaat) leidt tot een zuivere kalkkorrel of calcietpellet. Daarmee ontstaan mogelijkheden voor hoogwaardige afzet in industrieën. Door de kalkkorrels te malen en te zeven kunnen de kalkkorrels ook als entmateriaal hergebruikt worden. Onderzoek op de drinkwaterzuivering Weesperkarspel heeft aangetoond dat met de vervanging van granaatzand als entmateriaal door vermalen calcietpellets een milieuvoordeel van 5 procent en een kostenvoordeel van 0,5 procent kan worden bereikt, zonder dat de waterkwaliteit negatief wordt beïnvloed , zelfs bij voor het onthardingsproces kritische lage temperaturen (1 tot 4 graden Celsius).

Slimmer ontharden met pure kalk

WATER MATTERS

Beeld: iStockphoto

Orkaan Ike veroorzaakte in 2008 maar liefst 39 dodelijke slachtoffers en 30 miljard dollar aan materiële schade

AUTEURS

Kasper Stoeten (ARCADIS

Bas Jonkman (TU Delft)

Matthijs van Ledden (TU Delft, Royal HaskoningDHV)

Arno Willems (Iv-Infra)

HOE VOORSPELBAAR IS HET EFFECT VAN EEN ORKAAN IN EEN BAAI? De Amerikaanse kustplaats Galveston, niet ver van Houston gelegen aan een baai, is kwetsbaar voor orkanen. Hoe gedraagt de waterstand tijdens orkanen zich in zo’n baai? En wat kunnen we daarvan leren als we effectieve maatregelen willen nemen om schade te beperken?

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

De invloed van het pad van een orkaan ten opzichte van de baai op stormvloed in een baai

In september 2008 kwam orkaan Ike aan land bij Galveston, een klein eilandstadje op circa 30 kilometer ten zuiden van Houston, in de Amerikaanse staat Texas. Ike was een orkaan met windsnelheden tot 160 kilometer per uur. Ondanks de verplichte evacuatie besloot circa één op de drie inwoners van Galveston de storm uit te zitten. Voor 39 personen pakte deze beslissing fataal uit. Daarnaast richtte de orkaan in de tien getroffen staten voor circa 30 miljard dollar schade aan. Maar het had veel erger kunnen zijn, of zoals professor Bill Merrell van de Texas A&M Universiteit uit Galveston het verwoordde: “As bad as it was, we dodged a bullet”. Galveston is niet uniek. De bekendste steden in de VS, waaronder New York, New Orleans en Houston, zijn ontstaan uit handelsnederzettingen aan relatief kalme wateren van een baai of riviermonding. Afgelopen decennium hebben de orkanen Sandy (New York, 2012), Ike (Houston, 2008) en Katrina (New Orleans, 2005) benadrukt dat deze steden zeer kwetsbaar zijn voor overstromingen. Mede ingegeven door deze rampen vindt in de Verenigde Staten een verschuiving plaats van reactieve naar preventieve maatregelen; meer aandacht voor het voorkomen van schade. Dit artikel beschrijft de resultaten van een onderzoek naar de kans van het optreden van stormvloeden in het gebied nabij Houston en Galveston. Daarbij is rekening gehouden met de locatie waar een orkaan aan land komt en andere kenmerken. Tevens is het effect van verschillende beschermingsstrategieën verkend. Galveston Bay Galveston Bay is een semi-gesloten estuariumsysteem ter grootte van het IJsselmeer, gelegen aan de Golf van Mexico. Galveston Bay wordt gescheiden van de Golf door twee lage, langwerpige eilanden, Galveston Island en Bolivar Peninsula. De baai is relatief ondiep, heeft een zeer grote biodiversiteit en is een belangrijke economische motor voor de regio. De regio is voor Amerikaanse begrippen dichtbevolkt (circa 1,5 miljoen mensen) en de bevolking groeit snel. In het noorden van de baai bevindt zich de haven van Houston, de op één na de grootste haven van de VS en een knooppunt voor olie- en gasindustrie.

MAART 2015

De combinatie van belangrijke industriële activiteiten, een hoge bevolkingsdichtheid en het relatief vlakke landschap maakt het gebied rondom Galveston Bay uiterst kwetsbaar voor overstromingen. Als reactie op de verwoesting veroorzaakt door orkaan Ike zijn door verschillende partijen voorstellen gedaan om het gebied beter beschermen tegen stormvloed. Dit zijn zowel ideeën naar voorbeeld van de Nederlandse Deltawerken, die uitgaan van kustlijnverkorting alsmede voorstellen om k wetsbare gebieden binnen de baai lokaal te beschermen. Een voorbeeld van de eerste strategie is de Ike Dike, een ‘coastal spine’ langs de kust, bestaande uit een beweegbare stormvloedkering met een breedte van circa drie kilometer en 80 kilometer dijken op de eilanden voor de kust. Een voorbeeld van meer lokale bescherming is het voorstel voor de Centennial Gate, een enkele stormvloedkering in het Houston Ship Channel, naar het model van de Maeslantkering bij Hoek van Holland. Orkanen en stormvloeden De regio Houston/Galveston is één van de meest getroffen regio’s in de Verenigde Staten. Gemiddeld treft eens per acht jaar een orkaan het gebied. Een orkaan is een tropische storm met een windsnelheid hoger dan windkracht 12. Rondom het oog van de orkaan treden de hoogste windsnelheden op,

Hoe voorspelbaar is de orkaan?

WATER MATTERS

Stormopzet in een baai is een combinatie van instroming en windopzet binnen de baai

waarbij het gebied met windsnelheden van orkaankracht ongeveer 150 kilometer breed is. Op het noordelijk halfrond draaien orkanen tegen de wijzers van de klok in. Deze draairichting zorgt ervoor dat het sterkste windveld zich aan de rechterzijde van de orkaan bevindt (gezien in de trekrichting). Dit komt doordat aan de rechterkant van de orkaan de voorwaartse beweging van de orkaan het windveld versterkt. Aan de linkerzijde van de orkaan waait het juist minder hard, daar zijn de trekrichting en windrichting tegengesteld. Waterstandsverhogingen tijdens orkanen (ook wel stormopzet genoemd) in een estuarium of baai worden veroorzaakt door instroming vanaf de oceaan en windopzet in de baai. De lokale windopzet in de baai is afhankelijk van windrichting en windsnelheid gedurende de storm. Instroming vanaf de oceaan wordt veroorzaakt door stroming door de stroomgeul bij zeer zware stormen ook stroming over de eilanden. De mate van instroming wordt bepaald door het waterstandsverschil tussen de baai en de zee en daarmee ook door lokale windopzet in de baai. De figuur bovenaan deze pagina is een schematische weergave van Galveston Bay met een orkaan die stapsgewijs aan land komt. Een orkaan die ten westen van de baai aan land komt stuwt extra water de baai in. In dit geval wordt de baai blootgesteld aan het sterke aanlandige windveld dat zich aan de rechterkant van de orkaan bevindt. Vlak voor de orkaan aan land komt, wordt het water in de baai naar het westen gestuwd, tijdens het aan land komen van de storm naar het noorden en na de storm naar het oosten van de baai. Orkanen die ten oosten van de baai aan land komen, stuwen juist het water de baai uit (zie de figuur op pagina 34). De stormopzet in de baai blijft in dit geval relatief beperkt. Vlak voor de orkaan aan land komt, wordt het water in de baai westen gestuwd, tijdens het aan land komen van de storm naar het zuiden en

na de storm naar het oosten van de baai. Hieruit blijkt dat de locatie waar de orkaan aan land komt zeer belangrijk is voor stormopzet in estuaria. Zo ook bij Ike. Deze orkaan trok recht over Galveston Bay, waardoor de baai nooit heeft blootgestaan aan het sterkste windveld in het rechterdeel van de orkaan. Was Ike 30 kilometer westelijker aan land gekomen, dan was het water in de baai wel met enorme kracht opgestuwd richting het noorden van de baai. Dit zou zo goed als zeker tot overstromingen hebben geleid in Houston. Hydrodynamische studie Om inzicht te krijgen in waterstanden in een baai bij verschillende orkanen en de bijbehorende herhalingstijden is een elementair hydrodynamisch model ontwikkeld (Stoeten, 2013). Dit bestaat uit drie gekoppelde componenten: een meteorologisch orkaanmodel voor de windvelden, een kombergingsmodel voor de waterstanden in de baai en een 1D numeriek model voor de stormopzet aan de kust. Het model is op probabilistische wijze toegepast (door veel cases te laten doorrekenen) voor een groot aantal orkanen die op verschillende locaties aan land komen. Op deze manier is voor vier plekken in de baai en een locatie aan de kust de kans van het voorkomen van hoge waterstanden afgeleid. Om inzicht te krijgen in de effectiviteit van diverse strategieën is ook een zeer indicatieve kosten-baten analyse uitgevoerd. Met behulp van GIS zijn de resultaten van het hydrodynamische model gekoppeld aan de economische waarden in het gebied. Op basis van schadecurven is voor het hele gebied een inschatting gemaakt van de schade als functie van de kans van optreden. Eenzelfde analyse is uitgevoerd voor een baai met maatregelen zoals bijvoorbeeld de Ike Dike of de Centennial Gate. Hiermee is voor diverse maatregelen een indicatie verkregen van de effectiviteit bij gebeurtenissen met een bepaalde kans van voor komen. Resultaat en discussie De resultaten van het hydrodynamische model laten zien dat voor Galveston Bay de waterstanden in de baai gemiddeld eens per honderd jaar hoger zijn dan

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

Galveston Bay: een semi-gesloten estuariumsysteem ter grootte van het IJsselmeer

voor een strategie gebaseerd op deltawerken en kunstlijnverkorting. Of men in Galveston daadwerkelijk een stormvloedkering gaat realiseren is nog niet duidelijk. Op dit moment wordt door diverse Texaanse partijen in samenwerking met de Technische Universiteit Delft, een uitgebreide studie uitgevoerd naar de mogelijkheden.

die aan de kust. Bij een relatief ondiep estuarium zoals de Galveston Bay spelen zowel windopzet in de baai als instroming vanaf buitenaf een grote rol. Uit het onderzoek blijkt dat kustlijnverkorting hier een goede oplossing is. Met een kering langs de kust, aan de buitenzijde van de baai, kan de instroming significant worden beperkt. Toch blijft lokale windopzet in de baai van significant belang, wat lokaal alsnog tot overstromingen kan leiden. Het wordt derhalve aanbevolen om een combinatie van kustlijnverkorting en maatregelen binnen de baai te overwegen. Vanwege de relatief hoge investeringskosten is kustlijnverkorting, zoals bij de Nederlandse Deltawerken, in het geval van Galveston Bay waarschijnlijk pas aantrekkelijk als men bereid is te investeren in een beschermingsniveau naar Nederlandse maatstaven. Het lokaal beschermen van kwetsbare gebieden in de baai is bij een lager beschermingsniveau zeker het overwegen waard. In de risicoanalyse is alleen de directe economische impact van een overstroming bekeken. Het verdient aanbeveling om ook slachtoffers en de indirecte schade aan de chemische industrie in beschouwing te nemen. Ook de effecten van ingrepen, zoals bijvoorbeeld schade aan het ecosysteem door de bouw van een stormvloedkering, zijn van belang om mee te nemen in de analyse. De Nederlandse Deltawerken hebben laten zien dat het (deels) afsluiten van zeearmen grote gevolgen kan hebben voor het e cosysteem van de achterliggende baai. Met dit gegeven in het achterhoofd is het maar de vraag of een kosten-baten analyse met indirecte aspecten ook gunstig uitpakt

MAART 2015

Kasper Stoeten (ARCADIS) Bas Jonkman (TU Delft) Matthijs van Ledden (TU Delft, Royal HaskoningDHV) Arno Willems (Iv-Infra) Dit artikel is mede gebaseerd op de scriptie waarmee Kasper Stoeten zijn masterstudie voltooide aan de TU Delft. Deze werd bekroond met Waternetwerk Scriptieprijs 2014. Koninklijk Nederlands Waternetwerk (KNW) reikt elk jaar twee prijzen uit de beste bachelor- en masterscriptie over een watergerelateerd thema aan een Nederlandse of Vlaamse onderwijsinstelling. Scripties moeten door begeleidende docenten worden ingezonden. www.waternetwerk.nl

SAMENVATTING Ruim zes jaar geleden verwoestte de stormvloed van orkaan Ike de stad Galveston, gelegen aan de Galveston Bay in de VS. Inmiddels is de meeste schade gerepareerd, maar blijft de grootste uitdaging over: het beschermen van het gebied tegen stormvloed. De afgelopen jaren zijn diverse beschermingsmaatregelen voorgesteld variërend van deltawerken (ofwel kustlijnverkorting) tot het lokaal beschermen van kwetsbare gebieden binnen de baai. Uit het onderzoek blijkt dat de locatie waar een orkaan aan land komt grote invloed heeft op stormopzet in estuaria. Kustlijnverkorting blijkt voor Galveston Bay een e ffectieve oplossing te zijn. Toch blijft lokale windopzet binnen de baai ook met deltawerken van belang. Daarom wordt aanbevolen een combinatie van kustlijnverkorting en maatregelen binnen de baai te overwegen.

Hoe voorspelbaar is de orkaan?

KENNIS OPDOEN, KENNIS DELEN Word ook lid van Koninklijk Nederlands Waternetwerk!

KNW maakt jou sterker in de watersector!

Wil jij weten wat er speelt op het gebied van water? Wil jij weten wie je moet kennen? Wil jij weten wat er toe doet? Dan kan het Koninklijk Nederlands Waternetwerk (KNW) jou helpen.

KNW is hét onafhankelijke kennis(sen)netwerk voor en door professionals. KNW deelt kennis en verbindt professionals in de watersector. Bij ons kun je terecht voor actualiteiten, boeiende congressen met inspirerende sprekers, workshops en trainingen, verbinding tussen generaties en specialisaties, theorie én praktijk, de juiste contacten, een uitgebreid professioneel netwerk, het maandblad H2O en nog veel meer. Help mee een brug te slaan tussen diverse disciplines in het werkveld van de watersector. Word nu lid van KNW Ben je al lid? Draag een kennis uit de watersector aan om ook van alle voordelen van ons netwerk te profiteren! Lid worden kan via www.waternetwerk.nl

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

Beeld: iStockphoto

AUTEURS

Lodewijk Stuyt (Alterra Wageningen UR)

Neeltje Kielen (Rijkswaterstaat â&#x20AC;&#x201C; Water, Verkeer en Leefomgeving)

Rob Ruijtenberg (STOWA)

MAART 2015

IS DE LANDBOUW ECHT ZO GEVOELIG VOOR ZOUT WATER? Hoe goed kunnen landbouwgewassen tegen brak water? Waterbeheerders hanteren in overleg met de landbouw al decennialang conservatieve normen voor zouttolerantie. Er zijn echter steeds meer aanwijzingen dat met name vollegrondsteelten (veel) beter tegen zout kunnen dan de normen suggereren. Er liggen grote kansen om het waterbeheer flexibeler en goedkoper te maken.

Hoe gevoelig is de landbouw voor zout?

WATER MATTERS

Het klimaat verandert en het watersysteem staat onder druk van conflicterende belangen. Een belangrijke kwestie is de beschikbaarheid van voldoende zoet water en de toenemende verzilting in laag Nederland. In het regionale waterbeheer wordt de vraag naar water met een zo laag mogelijk zoutgehalte ingegeven door de vrees dat brak beregeningswater onder andere schade veroorzaakt in de landbouw. Er zijn echter al jaren steeds meer aanwijzingen dat diverse beregende vollegrondsteelten beter tegen hogere zoutgehalten bestand zijn, in ieder geval in bepaalde perioden, dan de aangenomen zouttoleranties suggereren. Ook zijn er veel aanwijzingen dat het beter is zoutschade te accepteren en zo droogteschade te voorkomen. Dat zou goed nieuws zijn voor Rijkswaterstaat, voor de regionale waterbeheerders maar ook voor de agrariërs zelf. Het levert, vooral in droge perioden, meer flexibiliteit op en er hoeft mogelijk minder geïnvesteerd te worden in maatregelen tegen veronderstelde zoutschade. In (en buiten) Nederland is veel kennis ontwikkeld over zoutschadefuncties in de landbouw, op grond van praktijkervaringen en wetenschappelijk onderzoek. Deze kennis wordt selectief toegepast: de bestaande zoetwatervoorziening van Nederlandse verziltingsgevoelige gebieden is structureel aan de veilige kant, regiogebonden en qua ‘normstelling’ niet eenduidig. Dat is verklaarbaar. Waterbeheerders proberen onder alle omstandigheden onder de ‘afgesproken’ zoutdrempels te blijven en de gebruikers zijn tevreden met de geboden voorziening. Incidentele overschrijdingen van het zoutgehalte worden geaccepteerd. De vraag is echter: is dit beleid bij toekomstige, toenemende zoetwaterschaarste vol te houden? En is het wel nodig? Want: in hoeverre is verzilting van beregeningswater voor teelten in de vollegrond een probleem? Verrast Er lijkt bij deze teelten ook nu geen sprake van zoutschade. Meldingen blijven uit, en recente signalen van het Zilt Proefbedrijf (Texel) wijzen in dezelfde richting. Onderzoeker De Vos: “We worden hier nog

regelmatig verrast door de gevonden zouttoleranties. Het verschilt per gewas, maar veel van de door ons geteste aardappelrassen zijn bijvoorbeeld een factor 2 tot 3 zouttoleranter dan de norm waarmee we in Nederland op dit moment rekenen.” Het Zilt Proefbedrijf ondersteunt dit statement echter (nog) niet met openbare cijfers. De laatste tijd komen vaker berichten van agrariërs die geen gewasschade konden vaststellen na water te hebben toegediend dat aanzienlijk zouter was dan de huidige ‘normen‘ voorschrijven. Zij hebben met succes droogteschade weten te voorkomen. Al in 1987 stelde de toenmalige landbouwconsulent Huinink: “De hamvraag is: wat is groter, de huidige droogteschade of de door beregening veroorzaakte zoutschade? Dat droogteschade een factor groter is dan zoutschade, is bekend. Agrariërs die onder droge omstandigheden snel stoppen met beregenen omdat ze bang zijn voor gewasschade wegens verzilting, doen zichzelf tekort.” Agrariër Werner Louwerse (Walcheren) weet inmiddels om te gaan met zoetwaterschaarste. In droge perioden beregent hij, zonder merkbare schade, soms noodgedwongen met brak water (meer dan 2.000 milligram chloride per liter). Ook in Flevoland worden vollegrondsteelten beregend met water met 1.500 milligram per liter; dit is kennelijk geen probleem. Inventarisatie We hebben een inventarisatie gemaakt van op de Nederlandse situatie geënte rapporten en literatuur naar gerapporteerde zoutschadedrempels in beregeningswater. Volgens de auteurs die deze drempels vanaf de jaren veertig van de vorige eeuw publiceerden, leiden hogere zoutgehaltes tot gewasschades. Uit deze inventarisatie komen grote verschillen naar voren. Bij zouttolerante vollegrondsteelten zijn de verschillen het grootst: bij suikerbieten tussen 600 tot 7.800 milligram chloride per liter, bij tarwe en gerst tussen 600 en 6.300 milligram en bij aardappelen tussen ruim 200 en 5.000 milligram. Bij matig tolerante vollegrondsteelten zijn de ver-

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

schillen eveneens aanzienlijk: bij snijmaïs tussen ruim 200 en 1.200 milligram en bij ui, andijvie, knolselderij, prei, wortelen en witlof tussen 300 en 5.000 milligram. De tolerantiedrempels voor ‘zout gevoelige teelten’ (fruitbomen, sierteelten, radijs, erwten, bonen, paprika, tomaat, komkommer, sla etcetera) zijn vrij consistent en staan niet ter discussie. De drempelwaarden in de eerste twee groepen (zouttolerant en matig zouttolerant) blijken ook minder relevant dan die in de ‘zoutgevoelige’ groep. In de eerste plaats omdat in de dagelijkse praktijk altijd wordt gestreefd naar een minimaal zoutgehalte van beregeningswater. Maar – niet minder belangrijk – omdat het nog maar de vraag is in hoeverre de gewassen in deze groepen in de praktijk aan gevaarlijk hoge zoutgehalten worden blootgesteld. Daar werden 50 jaar geleden al vraagtekens bij gezet.

vollegrondsteelten twee keer zo groot zouden zijn als nu wordt aangenomen. Wat zou dat bedrijfseconomisch betekenen? Om hiervan een indruk te krijgen, is een verkennende modelstudie uitgevoerd. Per waterschap/regio in laag Nederland zijn gewasopbrengsten berekend met de anno 2013 gehanteerde en met verhoogde toleranties. De uitkomst was dat een aangenomen v erdubbeling van zouttoleranties leidt tot een afname van de zoutschade met 59 miljoen euro per jaar. Dat lijkt veel geld, maar is niet significant, want het is slechts 3 procent van de totale gewasopbrengst in laag Nederland (1,7 miljard euro). Omgekeerd betekent dit resultaat dat het zoutgehalte van beregeningswater in veel gevallen mag worden verdubbeld om de 59 miljoen zoutschadereductie weer teniet te doen. Een opmerkelijk resultaat dat de vraag oproept waarom onze rigide ‘tolerantieteugels’ eigenlijk niet gevierd zouden kunnen worden.

Het Wageningse Instituut voor Cultuurtechniek en Waterhuishouding (ICW) deed vanaf de oprichting in 1956 jarenlang onderzoek naar de zouttolerantie van tuinbouwgewassen. Aandacht voor de zouttolerantie van gewassen in open vollegrondsteelten werd niet nodig geacht, want er waren geen problemen. In een rapportage ter gelegenheid van het tienjarig bestaan verklaart het ICW (1967) waarom: “Het neerslagoverschot tijdens de winterperiode (200 millimeter) is voldoende om de zouten die tijdens het voorbije groeiseizoen zijn opeengehoopt, uit te spoelen. De meeste landbouwgewassen en sommige tuinbouwgewassen die in de vollegrond worden geteeld zullen niet te maken krijgen met gevaarlijke verziltingsproblemen omdat de zouttolerantie hoog is en de toename van het zoutgehalte van het bodemvocht bij veldcapaciteit laag.” Met andere woorden: het wordt in de wortelzone zelden ‘te zout’, en áls het gebeurt is het doorgaans van korte duur, omdat er wel weer een bui overheen komt. Dit argument heeft aan kracht gewonnen omdat de hoeveelheid neerslag sindsdien trendmatig en significant is gestegen.

Via een groot aantal waterakkoorden zijn in de loop der jaren afspraken gemaakt over de inspanningen die waterbeheerders moeten leveren om water zo min mogelijk zout te laten bevatten. Het accepteren van h ogere chloridegehalten in beregeningswater biedt echter kansen voor een efficiënter en flexibeler waterbeheer, terwijl het voor agrarische ondernemers niet of nauwelijks negatieve gevolgen heeft en in tijden van watertekort zelf droogteschade kan voorkomen. Als zij de risico’s van zouter beregeningswater voor hun bedrijfsvoering te groot vinden, hebben agrariërs allang zelf maatregelen genomen, zoals in de (glas) tuinbouw. Zonder precedent en opzienbarend is de ontwikkeling rond de zoetwatervoorziening van Tholen en Sint-Philipsland. Hier hebben agrariërs en waterschap Scheldestromen in 2013 concrete afspraken gemaakt over zoetwateraanvoer tegen betaling. 80 procent van de agrariërs betaalt voor oppervlaktewater met een maximum c hloridegehalte van 750 milligram per liter maximaal 32 euro per hectare per jaar.

Modelstudie Stel nu eens dat de zouttoleranties van beregende

De zouttolerantie van beregende vollegrondsteelten en de effecten worden structureel te pessimistisch

MAART 2015

Hoe gevoelig is de landbouw voor zout?

WATER MATTERS

ingeschat. Het ligt niet voor de hand dit nog langer te negeren. Er is in dit domein sprake van een kennisparadox: er is veel kennis ontwikkeld die (te) weinig wordt toegepast en niet doorstroomt naar beleid, weten regelgeving. Wicked problem Afgezien van de ontwikkelingen rond de zoetwatervoorziening van Tholen en Sint-Philipsland lijkt het een illusie dat de zouttolerantie van gewassen door de sector en de waterbeheerders zelf ter d iscussie wordt gesteld. De zoetwatervoorziening van grondgebonden landbouwgewassen vertoont de kenmerken van een wicked problem: een probleem met grote impact en onzekerheden. Definitie en afbakening van het probleem zijn complex en deel van het probleem zelf. Voor het vinden van oplossingen zijn instrumenten en methoden nodig die leiden tot gedeeld begrip en commitment; en alle betrokkenen zullen concessies moeten doen aan hun belangen en/of waarden. Een conclusie van de zoet-zout tweedaagse in Burg Haamstede, medio 2014, was dat de bestaande kloof tussen praktijk, kennis, beleid en operationeel beheer moet worden verkleind. Agrariërs en waterbeheerders kunnen dan gemakkelijker hun standpunt over verzilting herzien. Anno 2015 is er rond de zoetwatervoorziening van de landbouw grote behoefte aan een kenniscoproductietraject . Dit zou een proces moeten faciliteren waarin Rijkswaterstaat, regionale waterbeheerders, de sectoren en kennisinstellingen samen optrekken, op weg naar een afwegingskader. Voor een goede koppeling tussen wetenschap en praktijk zijn Communities of Practice belangrijke instrumenten. Alle kennis en inzichten rond het hier besproken dossier moeten daarom bij voorkeur worden samengebracht in een gezamenlijke kennisinfrastructuur, oftewel ‘Kennistafel Zoet-Zout’. In het najaar van 2014 hebben Alterra Wageningen UR, de Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA) en Rijkswaterstaat hiertoe de eerste stappen gezet. Essentie van zo’n Kennistafel is: samen optrekken, elkaars werkelijkheden verbinden en het samen eens

worden. Praktijkkennis en wetenschappelijke kennis vormen het gezamenlijk vertrekpunt: wetenschappers en praktijkmensen moeten het eens zijn over de uitgangspunten. Elke deelnemer schuift vanuit zijn of haar eigen werkelijkheid aan om vervolgens met de andere deelnemers verbonden te worden. Het is van belang om eerst (nieuwe) kennis en inzichten te verankeren in een gemeenschappelijke basis, om van daaruit samen op te trekken. Lodewijk Stuyt (Alterra Wageningen UR) Neeltje Kielen (Rijkswaterstaat – Water, Verkeer en Leefomgeving) Rob Ruijtenberg (STOWA)

SAMENVATTING Er komen al decennia steeds meer aanwijzingen dat een aantal vollegrondsteelten als aardappelen, gerst, tarwe en suikerbieten (veel) beter tegen zilt water kunnen dan waterbeheerders aannemen. De effecten van zout worden structureel te pessimistisch ingeschat. Een grotere zouttolerantie kan waterbeheerders flexibiliteit bieden en kosten besparen. Dat kan goed uitkomen in een veranderend klimaat, veranderende economische belangen en gezien de toenemende verzilting van laag Nederland. De bestaande zoetwatervoorziening van Nederlandse verziltingsgevoelige gebieden is echter aan de veilige kant, regiogebonden en qua ‘normstelling’ niet eenduidig. Voor het vinden van oplossingen zijn instrumenten en methoden nodig die leiden tot gedeeld begrip en commitment; en alle betrokkenen zullen concessies moeten doen aan hun belangen en/of waarden. Een ‘Kennistafel Zoet-Zout’ kan hieraan een bijdrage leveren.

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

NEDERLANDSE ‘ZOETHOUDER’ WERELDWIJD TOEPASBAAR De afgelopen tien jaar zijn verschillende concepten ontwikkeld om zoet en zout (brak) grondwater beter te beheren en zo de zoetwatervoorziening in delta’s te verbeteren. Een van die concepten, de Freshkeeper, staat ook internationaal in de belangstelling. Via publiek-private samenwerking van KWR, Vitens, BAM en ARCADIS wordt dit concept straks ook in kustgebieden elders in de wereld toegepast. AUTEURS

Klaasjan Raat (KWR Watercycle Research Institute)

Ate Oosterhof (Vitens)

Frans Heinis (BAM Nelis de Ruiter)

Petra Ross (ARCADIS)

MAART 2015

Water, voor drinkwater en landbouw, is schaars in laag Nederland. Dat komt door de geringe hoeveelheid zoet grondwater in de overwegend brakke ondergrond. Dat merken we bijvoorbeeld in de duinen, waar een groot deel van het drinkwater van West-Nederland wordt gewonnen. Al sinds de jaren vijftig van de vorige eeuw wordt oppervlaktewater in de duinen geïnfiltreerd om de zoetwaterbel aan te vullen en verzilting vanuit de ondergrond tegen te gaan. Ook grondwaterwinningen in het noorden, midden en oosten van het land zijn kwetsbaar. Dat komt door fossiel brak water in de diepere ondergrond. In 1993 moest (de voorloper van) drinkwaterbedrijf Vitens het noordelijk puttenveld van grondwaterwinning Noardburgum (Friesland) sluiten vanwege het toestromen van brak grondwater naar de zoete winputten. Een oplossing hiervoor was er destijds niet. Als remedie tegen verzilting van grondwaterwinningen is begin 2000 het idee van de Freshkeeper (zoethouder) ontwikkeld. Het principe daarvan is dat niet alleen zoet grondwater wordt gewonnen, maar met een apart putfilter ook het toestromende brakke water. Op die manier wordt het zoet-brak-grensvlak gestabiliseerd. Dit voorkomt verzilting van het ‘zoete’ filter. Het brakke grondwater kan worden afgevoerd, bijvoorbeeld door injectie in diepere watervoerende pakketten, maar kan ook dienen als additionele bron voor drinkwater na ontzilting met omgekeerde osmose

Zoethouder breed toepasbaar

WATER MATTERS

centraties neerslagvorming van kalk verhinderden. Kalkneerslag veroorzaakte wel putverstopping in de praktijkproef bij Brabant Water, maar dit kon in een latere fase van de proef eenvoudig worden verholpen door toevoeging van het zwakke zuur CO2 aan het concentraat.

De slimme Freshkeeper put van Noardburgum

(RO). Zo is het in theorie mogelijk de totale productie van een verziltende put zelfs te vergroten, door het zoete én het brakke water te gebruiken. Praktijkproef Deze Freshkeeper gecombineerd met brak water RO is in 2009 en 2010 toegepast bij een praktijkproef op het noordelijk puttenveld van Noardburgum. Via zowel het zoete als het brakke filter werd met een vast debiet van 50 kubieke meter per uur water gewonnen. De Freshkeeper werd geplaatst om het zoet-brak-grensvlak te stabiliseren, maar met de gekozen configuratie werd dit grensvlak lokaal zelfs omlaag getrokken. Dat bleek uit de dalende chloride concentraties in de diverse waarnemingsfilters. Deze downconing is bevestigd door berekeningen met Seawat, een dichtheidsafhankelijk grondwatermodel. Scenarioberekeningen lieten zien dat onttrekking van 16 kubieke meter per uur uit het brakke filter voldoende moet zijn wanneer uit het zoete filter 50 kubieke meter per uur wordt gewonnen. Gelijktijdig experimenteerde ook Brabant Water met brak grondwater als bron voor drinkwater. Beide praktijkproeven leverden veel kennis over de afvoer van membraanconcentraat middels injectie in onderliggende brakke watervoerende pakketten. Concentraat is een restproduct van ontzilting en de afvoer ervan vormt een belemmering voor de doorbraak van brak grondwater als bron voor zoetwater. In Noardburgum bleek concentraatinjectie technisch goed uitvoerbaar, met name doordat hoge ijzercon-

Conclusie van de praktijkproef in 2009 en 2010 was dat door een relatief grote onttrekking van brakwater ten opzichte van de onttrekking van zoetwater, zelfs een verzoeting van het grondwatersysteem werd gerealiseerd. Daarmee werd duidelijk dat een verdere optimalisering van de Freshkeeper mogelijk was. Optimalisatie Deze optimalisatie vindt inmiddels plaats binnen het TKI Watertechnologie-project Keep It Fresh!. Vitens, BAM Nelis de Ruiter en KWR werken samen aan de ontwikkeling van een ‘slimme put’. In deze Freshkeeper-put bevinden zich twee onttrekkingsfilters op een diepte van 60 meter (zoet grondwater) en 140 meter (brak grondwater). Het brakke water wordt gelijktijdig met het zoete water opgepompt, maar

Schema van mogelijke toepassing van Freshkeeper in Florida. De zoetwaterputten landinwaarts worden beschermd door interceptie van het binnendringende zeewater (1). Het onderschepte water wordt ontzilt met omgekeerde osmose (RO) (2), waarna het membraanconcentraat wordt afgevoerd naar een onderliggend watervoerend pakket

KENNISKATERN VOOR WATERPROFESSIONALS

ASR-Coastal maakt het mogelijk zoet regenwater te bergen in een brakke ondergrond en later terug te winnen voor gebruik als gietwater

MEER NIEUWE CONCEPTEN VOOR ZOETWATERBEHEER De Freshkeeper was het eerste in een reeks van nieuwe concepten voor verbeterd zoetwaterbeheer in kustgebieden. Twee andere voorbeelden zijn ASR-Coastal en de Freshmaker. ASR-Coastal maakt het mogelijk zoetwater op te slaan in brak grondwater en na verloop van tijd weer ongemengd terug te winnen. Het concept is samen met Nederlandse tuinders en installateurs door KWR ontwikkeld en in de praktijk getest op verschillende locaties in Nederland. Cruciaal is de wijze van terugwinning van het zoete water uit een brakke ondergrond: alleen met meerdere, individueel aanstuurbare putfilters is het mogelijk een groot deel van het geïnfiltreerde water ongemengd op te

vervolgens op een diepte van 170 meter geïnjecteerd, onder een afsluitende kleilaag. De slimmigheid zit in de meet- en regeltechniek. De put bepaalt uiteindelijk zelf, op basis van online metingen van het zoutgehalte van het grondwater, hoeveel brak grondwater verpompt wordt. De energiekosten voor het afvoeren van brak grondwater kunnen zo worden geminimaliseerd, terwijl de zoetwaterwinning toch zoet blijft. De slimme put is sinds kort operationeel en wordt gedurende 2015 uitgebreid getest. Daarbij gaat het niet alleen om het technisch functioneren van de put zelf, maar ook om de reactie van het grondwatersysteem op verschillende onttrekkingsregimes van zoet en brak grondwater. De informatie die dit oplevert, wordt gebruikt om een goed dichtheidsafhankelijk

MAART 2015

pompen voor direct gebruik bij vraag. Maar de toepassing reikt verder. Momenteel wordt bekeken of ook andere zoetwaterbronnen, zoals gezuiverd effluent vanuit de voedselindustrie of zelfs van rioolwaterzuiveringen, kunnen worden ingezet. De Freshmaker combineert de ideeën van de Freshkeeper en ASR-Coastal. Met de Freshmaker kan de (dunne) zoetwaterlens onder landbouwpercelen in Zeeland in de winterperiode worden vergroot om daarmee de zoet waterbehoefte in de zomer beter te dekken. Op een diepte van circa 10 tot 20 meter wordt met een horizontale put brak of zout grondwater onttrokken, waardoor ruimte ontstaat voor de (kunstmatige) infiltratie van het zoete (neerslag)overschot. ’s Zomers wordt uit deze zoete lens onttrokken voor beregening van de gewassen. De Freshmaker wordt sinds de zomer van 2013 succesvol toegepast bij fruitteler Rijk-Boonman in Zeeland.

grondwatermodel te ontwikkelen en voor het afleiden van beslisregels waarmee de put volautomatisch kan worden aangestuurd. Deze kennis moet de opmaat zijn naar full scale toepassing van het Freshkeeper concept en heropening van het in 1993 gesloten noordelijke puttenveld van Noardburgum. Export De slimme put is een idee van Vitens en verder uitgedacht met beide projectpartners. De meet- en regeltechniek van de put is grotendeels ontwikkeld door BAM Nelis de Ruiter, KWR brengt kennis in van dichtheidsafhankelijke grondwaterstroming. BAM ziet veel kansen voor toepassing van het concept b uiten Nederland. Verzilting is immers een wereldwijd

Zoethouder breed toepasbaar

WATER MATTERS

robleem en de Freshkeeper is een, in essentie eenp voudige, oplossing die ook goed toepasbaar is elders in Europa of in de Verenigde Staten. Een uitdaging is de innovatie ook toe te passen in landen die minder ver zijn op het gebied van beheer en onderhoud, zoals Indonesië en Suriname. Exportkansen dienen zich mogelijk al op korte termijn aan. Afgelopen jaar hebben ARCADIS, KWR en Vitens haalbaarheidsstudies uitgevoerd in de VS, die aanvullend werden ondersteund door het Nederlandse onderzoeksprogramma Klimaat voor Ruimte. De studies werden gedaan in opdracht van twee waterbedrijven in Florida, die ook kampen met verzilting van hun drinkwaterwinningen, zowel door het toestromen van onderliggend (fossiel) brak grondwater als door intrusie van zeewater. Een belangrijk verschil met de Nederlandse situatie is de lokale geologie. Nederland is een jonge delta, opgebouwd uit afwisselend zand en klei. De ondergrond van Florida bestaat grotendeels uit kalksteen, met een vaak complexe grondwaterstroming. De haalbaarheidsstudies toonden de economische voordelen van Freshkeeper ten opzichte van andere opties, zoals de in Florida steeds populairder wordende (volledige) omschakeling naar brakwater RO. De volgende stap is daadwerkelijke toepassing van de Freshkeeper in een praktijkproef. Samen met een waterbedrijf aan de westkust hebben ARCADIS en KWR hiervoor recent een projectplan opgesteld. In 2015 starten haalbaarheidsstudies naar toepassing van Freshkeeper en andere innovatieve concepten voor zoetwaterbeheer in Mexico en Chili, als onderdeel van het Securing Water for Food programma van het US Agency for International Development (USAID), het Zweedse SIDA en het Nederlandse ministerie van Buitenlandse Zaken. Deze partijen onderkennen de noodzaak om duurzame oplossingen te vinden voor de zoetwatervoorziening in kustgebieden, als tegenreactie op de wereldwijd toenemende verzilting. Zij zien Freshkeeper en andere Subsurface Water Technologies (SWT) als effectieve, kostenefficiënte en robuuste zoetwateroplossingen.

Klaasjan Raat (KWR Watercycle Research Institute) Ate Oosterhof (Vitens) Frans Heinis (BAM Nelis de Ruiter) Petra Ross (ARCADIS) Literatuur Grakist, G., C. Maas, W. Rosbergen en J. Kappelhof, 2002. Keeping our wells fresh. In: Proceedings of SWIM-17, TU Delft. R. Boekleman (ed.), p.337-340. Oosterhof, A.T., M. van der Valk, J.A. de Ruijter en K.J. Raat, 2012. ‘Zoethouder’ levert gescheiden brak en zoet grondwater uit één put. H2O 2012(12): 14-15. Ross, P.S., K.J. Raat, D.K. Smith, en W.J. Zaadnoordijk, 2014. Integrated Freshkeeper concept for sustainable water supply. Results Valorius programme, The Collaboration Climate and Weather. ARCADIS / KWR, report 077716526:A. Rotterdam / Nieuwegein, 229pp. Van der Valk, M., 2011. A fresh-keeper for Noardburgum. The future for a salinated well field? Afstudeerscriptie opleiding Water Management, Technische Universiteit Delft. Zuurbier, K.G., K.J. Raat, M. Paalman, A.T. Oosterhof, J.W. Kooiman, P.J. Stuyfzand, 2014. How subsurface water technologies provide robust, effective and cost-efficient freshwater solutions. Proceedings of IWA World Water Congress & Exhibition, Lisbon, September 21-26, 2014.

SAMENVATTING Het principe van de Freshkeeper is dat niet alleen zoet grondwater wordt gewonnen, maar met een apart putfilter ook het toestromende brakke w ater. Op die manier wordt het zoetbrak-grensvlak gestabiliseerd. In het kader van het TKI-project Keep It Fresh! wordt een proef genomen met een ‘slimme put’. De slimmigheid zit in de meet- en regeltechniek. De put bepaalt uiteindelijk zelf, op basis van online metingen van het zoutgehalte van het grondwater, hoeveel brak grondwater verpompt wordt. In tien jaar heeft Freshkeeper zich ontwikkeld van de tekentafel tot een in de praktijk beproefd concept dat wereldwijd in de belangstelling staat.

Trots op onze innovaties Royal HaskoningDHV werkt samen met haar partners aan een vijftigtal innovatieve trajecten op het gebied van afvalwater, industriële waterbehandeling, drinkwater, waterbeheer en water in de stad. Stuk voor stuk innovaties waar we trots op zijn. Rode draad in veel van onze producten en diensten is het leveren van een bijdrage aan de circulaire economie.

Themista® en Ephyra®

Crystalactor®

CODE™

Human Sensor™

Onze innovatieve vergistingstechnieken Themista en Ephyra brengen uw slibgisting letterlijk in een hogere versnelling. Ze onderscheiden zich in al hun eenvoud via een combinatie van hoge efficiency, robuustheid en lage exploitatiekosten. Uitgevoerde lab- en pilottesten op slib van communale zuiveringen maken de verwachtingen hoog gespannen.

Het is bekend dat de Crystalactor kan worden gebruikt voor het verwijderen van hardheid, fosfaat en zware metalen uit afvalwater. Omdat verschillende industrieën aan steeds strengere effluenteisen moeten voldoen, hebben we een geoptimaliseerde kristallisatie van fosfaat ontwikkeld. Op deze manier kan fosfaat weer opnieuw in kringloop worden gebracht.

Met het CODE-concept werken we aan het optimaal omzetten van reststromen, als dunne fracties van mest en digestaat, in waardevolle eindproducten. Naast biogas en gezuiverd water komen verschillende meststoffen afzonderlijk en in hoge concentraties beschikbaar. We kijken met CODE naar de hele keten en combineren op een slimme manier moderne technologieën.

Human Sensor is een software-tool waarmee waterbedrijven direct inzicht krijgen in relaties tussen storingen, brand, festivals, etc. Via een softwareplatform met grafische interface wordt beschikbare data gebruikt voor het bepalen van de locatie van een lek of besmetting in het waterdistributienet. Dit creëert een besparing van tijd en geld, minder ongemak voor de klant en minder vervolgschades.

Alginaat

Aquasuite®

Duurzaam afvalwater zuiveren met Nereda® en daarbij alginaat produceren is een combinatie waar veel muziek in zit. Alginaat is een waardevolle grondstof die via de groei van korrelslib uit afvalwater kan worden geproduceerd. Dit brengt het ideaal van een afvalwaterzuivering als grondstoffenfabriek weer een stuk dichterbij. Tevens kan een groot kostenvoordeel worden bereikt via de slibverwerking.

Onder de noemer Aquasuite werken we al lang aan intelligente oplossingen voor het monitoren, controleren en optimaliseren van watersystemen. Met producten als OPIR™, CarCON™, Dashboard™, iWATT™ en de Nereda Controller, realiseren we economisch aantrekkelijke besparingen op zowel energie- en chemicaliënverbruik als het verbeteren van de prestaties op effluentkwaliteit.

royalhaskoningdhv.com/innovation

Het kenniskatern 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 Alterra Wageningen UR Onderzoeksinstituut dat door onafhankelijk onderzoek bijdraagt aan het realiseren van een kwalitatief hoogwaardige en duurzame groene leefomgeving. ARCADIS Wereldwijd opererende ontwerp- en adviesorganisatie op het gebied van de natuurlijke en gebouwde omgeving die duurzame resultaten levert door de toepassing van ontwerp, advisering, engineering, project- en managementdiensten. KWR Watercycle Research Institute Instituut voor toegepast wetenschappelijk wateronderzoek dat kennis genereert en samenbrengt voor innovaties in en optimaal beheer van de waterketen. Royal HaskoningDHV Onafhankelijk internationaal advies-, ingenieurs- en projectmanagementbureau, dat samen met klanten en partners een bijdrage levert aan een duurzame samenleving. Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA) Kenniscentrum van regionale waterbeheerders in ÂNederland, 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.