H2O Water Matters - juni 2020

Uitgave H2O Voorwoord 2 Effluent traceren in gronden oppervlaktewater 4 Remote sensing en lokale zee- en kustmodellen 8 Verwijdering microverontreiniging uit IBA-effluent 12

WATER

MATTERS KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS Juni 2020

Watson-database geüpdatet 16 Rioolwater als spiegel van de samenleving 20 Herkomst verontreinging Maasstroomgebied 24 Meetcampagne medicijnresten op 18 rwzi’s 28 Gedragsverandering waterbesparing 32 Integrale risicoanalyse wateroverlast 36 ‘Groene’ flocculanten uit afvalwater 40

2

VOORWOORD

Onderzoek met zicht op praktische toepassing Voor u ligt de tiende editie van Water Matters, het kennismagazine van vakblad H2O. U treft tien artikelen over uiteenlopende onderwerpen, geschreven door waterprofessionals op basis van gedegen onderzoek.

Bij de beoordeling heeft de redactieraad een selectie gemaakt waarbij is gekeken naar een duidelijke relatie met de dagelijkse praktijk in de watersector, de opzet van Water Matters. Onderzoek, resultaten en bevindingen moeten nieuw zijn en artikelen genereren die nieuwe kennis, inzichten en technieken opleveren met uitzicht op praktische toepassing.

In deze editie komt een breed scala aan onderwerpen aan bod met ook aandacht voor actuele thema’s, zoals analyses van rioolwater, besparing van water en omgaan met wateroverlast. Verder: gebruik van remote sensing bij zee- en kustmodellering, verwijdering van microverontreiniging uit effluent IBA-systemen, update van de Watson-database, herkomst van verontreinigingen uit regionale wateren, het vervolg op de verwijdering van medicijnresten op rwzi’s en ‘groene’ flocculanten uit afvalwater.

Water Matters is, net als het vakblad H2O, een initiatief van Koninklijk Nederlands Waternetwerk (KNW), het onafhankelijke kennisnetwerk voor en door Nederlandse waterprofessionals. Leden van KNW krijgen Water Matters twee keer per jaar als bijlage bij hun vakblad H2O. De uitgave van Water Matters wordt mogelijk gemaakt door vooraanstaande spelers in de Nederlandse watersector. Deze Founding Partners zijn ARCADIS, Deltares, KWR Watercycle Research Institute, Royal HaskoningDHV en Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA). Met de uitgave van Water Matters willen de participerende instellingen nieuwe, toepasbare waterkennis toegankelijk maken.

U kunt Water Matters ook digitaal lezen op H2O-online (www.h2owaternetwerk.nl). Daarnaast is deze uitgave als digitaal magazine ook in het Engels beschikbaar via dezelfde website of via www.h2o-watermatters.com.

De Engelstalige artikelen kunnen vanuit het digitale magazine op H2O-online worden gedeeld. Voorts zijn artikelen uit eerdere edities terug te vinden op de site.

Veel leesplezier met deze editie. Wilt u reageren? Laat het ons weten via redactie@h2o-media.nl Monique Bekkenutte Uitgever (Koninklijk Nederlands Netwerk) Huib de Vriend Voorzitter redactieraad Water Matters

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

INHOUD

COLOFON Water Matters is een ­uitgave van Koninklijk Nederlands ­Waternetwerk (KNW) en wordt mogelijk gemaakt door ­ARCADIS, Deltares, KWR Watercycle Research Institute, Royal HaskoningDHV en de Stichting Toegepast ­Onderzoek Waterbeheer ­(STOWA) en ­Wageningen ­Environmental Research (Alterra).

UITGEVER Monique Bekkenutte (KNW) HOOFDREDACTEUR Bert Westenbrink Eindredactie Nico van der Wel, Mirjam Jochemsen, ­ Bert ­Westenbrink REDACTIEADRES Koningskade 40 2596 AA Den Haag redactie@h2o-media.nl REDACTIERAAD Huib de Vriend (voorzitter), Gertjan Medema, Paul Roeleveld, Arjan ­Borger, Jeroen Veraart, Joachim ­Rozemeijer, Michelle Talsma VORMGEVER Ronald Koopmans DRUK Veldhuis Media, Raalte

OPPERVLAKTE­ WATERBEHEER Microbiële vinger­ afdrukken 4

MAASSTROOM­ GEBIED Herkomst veront­ reiniging 24

Effluent traceren in grond- en oppervlaktewater

Nieuwe identificatiemethode bronnen

LOKALE KUST­ MODELLEN Remote sensing 8

MEDICIJNRESTEN Meetcampagne 18 rwzi’s 28

Slimme aanvulling op lokale gegevens

Gemiddelde verwijdering van circa 30%

IBA-EFFLUENT Verontreiniging kleine water­ systemen12

WATERBESPARING Gedragsverandering

Minder emissie met nieuwe technieken

WATSON-DATABASE Instrument geüpdatet16 Nieuwe aansprekende toepassingen

RIOOLWATER spiegel van de samenleving 20 Inzicht in gezondheid en levensstijl

JUNI 2020

32

Subtiele tactieken zijn effectiever

WATEROVERLAST Integrale risico­ analyse 36 Beleid op basis acceptabele risico’s

AFVALWATER Groene flocculanten 40 Verontreiniging omgezet in waardevol product

3

4

WATER MATTERS

iStockphoto

AUTEURS

Peer Timmers (KWR)

Joost van den Bulk (Tauw)

Leo Heijnen (KWR)

Edwin Kardinaal (KWR; Bureau Waardenburg)

Susan Sollie (Tauw)

Gertjan Medema (KWR en TU Delft)

MICROBIËLE VINGERAFDRUK VOOR BRONOPSPORING IN OPPERVLAKTEWATERBEHEER De kwaliteit van het Nederlandse oppervlaktewater staat onder druk, mede door riooloverstorten en door effluentlozingen vanuit rioolwaterzuiveringsinstallaties. Die kunnen onder andere fecale of andere schadelijke micro-organismen bevatten. Is DNA-fingerprinting geschikt om microbiële verontreinigingen te identificeren en de lokatie van de bron te achterhalen?

Door riooloverstorten en lozingen van effluent van rioolwaterzuiveringsinstallaties (rwzi’s) hebben oppervlaktewaterbeheerders te maken met wisselingen in de kwaliteit van het oppervlaktewater. Uit beheertechnisch oogpunt is het belangrijk te weten waar de lozingen precies vandaan komen. Waterbeheerders (gemeenten en waterschappen) hebben hierover de volgende vragen: 1. Is de invloed van riooloverstorten op oppervlaktewater te herkennen en te herleiden tot een specifieke overstort?

2. Is effluentlozing van rwzi op oppervlaktewater traceerbaar, en zo ja, tot hoever van de bron?

3. Is lekkage naar het grondwater vanuit de beluchtingstank van een rwzi of vanuit het effluent traceerbaar, en tot op welke afstand?

4. Is de herkomst van oppervlaktewater dat uitkomt op ander oppervlaktewater (bijv. polderwater in boezemwater) traceerbaar?

5

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Figuur 1: De ‘microbiële vingerafdrukken’ van rwzi-effluent en -influent. Te zien zijn de 25 meest voorkomende microbiële genera in beide monstertypen. Het voorkomen (de abundantie) is uitgedrukt als gemiddelde relatieve abundantie (% read abundance) per monstertype (gemiddelde van de verschillende bemonsteringsmomenten) op de bemonsteringslocaties 1 t/m 7.

Effluent traceren in grond- en oppervlaktewater

4

Elk type water (oppervlaktewater, rwzieffluent, rioolwater, grondwater) heeft zijn eigen specifieke microbiële ­samenstelling, een unieke microbiële ‘vingerafdruk’.

De kwaliteit van het effluent van rwzi’s varieert echter in de tijd (Emissieregistratie; 2019), net als de frequentie en omvang van riooloverstorten. Dit onderzoek wil achterhalen of de microbiële vingerafdruk bruikbaar is voor het beantwoorden van bovenstaande vragen.

Onderzoeksopzet en methode Om een microbiële vingerafdruk te bepalen wordt een marker-gen in het DNA van alle micro-organismen in het water in kaart gebracht. Dit gebeurt met NGS (Next Generation Sequencing, NGS), een techniek die de code van zeer veel verschillende DNA-moleculen tegelijk kan ontcijferen.

Voor dit onderzoek zijn monsters genomen van het influent en effluent van 5 rwzi’s en van oppervlak­ tewater (32 locaties). Voor vraag 3 zijn ook de rwzi-beluchtingstank en 4 grondwaterpeilbuizen bemonsterd. De monsters zijn verspreid over de periodes juni-­november 2017 en maart-september 2018 genomen. Uit de monsters werd DNA geïsoleerd om de microbiële vingerafdruk te bepalen. Dit laatste gebeurde in twee stappen: specifieke DNA-sequenties bepalen met NGS, daarna met bioinformaticasoftware (Schloss et al., 2009 en Andersen et al., 2018) de bijbehorende microbiële vingerafdruk vaststellen.

Ten slotte werd met behulp van de tool Source Tracker (Knights et al., 2011) het type bron van de microbiële vingerafdrukken bepaald.

Vaststellen microbiële vingerafdrukken Per locatie (rwzi) zijn de analyseresultaten van de monsters gemiddeld. In figuur 1 zijn deze gemiddelden voor de meest voorkomende microben weerge-

JUNI 2020

geven voor respectievelijk het effluent en het influent (rioolwater) van de rwzi. Het effluent heeft een herkenbaar profiel met als karakteristieke microbiële groepen zoals Saccharimonadales, Neisseriaceae en Fodinicola. De vingerafdruk van effluent blijkt te verschillen per rwzi, meer dan het profiel van rioolwater.

Rwzi-influent (rioolwater) heeft een zeer typerende microbiële gemeenschap, die bestaat uit zowel fecale micro-organismen (afkomstig uit de darm van mens en dier) als bacteriën die vooral groeien in het riool.

Karakteristiek zijn onder andere Arcobacter, Acinetobacter, Aeromonas en Trichococcus.

Vragen beantwoord?

Vraag 1: Traceren riooloverstort Het zeer specifieke profiel maakte rioolwater uit overstorten traceerbaar in het ontvangende oppervlaktewater. Met de microbiële vingerafdruk kan dus worden vastgesteld in welke mate een oppervlaktewater onder invloed staat van overstorten. ­Hetzelfde specifieke en stabiele beeld van rioolwater zien we overigens niet alleen in Nederland maar ook in bijvoorbeeld de Verenigde Staten, Australië, Brazilië, China en Spanje (McLellan et al., 2019). Rioolwater is dus waarschijnlijk overal te traceren aan de hand van deze indicator-bacteriën.

6

WATER MATTERS

100%

41%

58%

70%

5

RWZI

2 Beek 1

1

2000m

55%

3 2000m

750m

100m

Candidatus Ovatusbacter

Saccharimonadales sp.2

Fodinicola

Burkholderiaceae

Zoogloea

Arcobacter

Saccharimonadales unclassified

Flavobacterium

Saccharimonadales sp.1

Acinetobacter

De keerzijde van de medaille is dat rioolwater van verschillende locaties en tijdstippen zoveel op elkaar lijkt, dat niet bepaald kon worden van welke overstort gevonden micro-organismen precies afkomstig zijn wanneer er in het gebied meerdere overstorten actief zijn. Wordt op een plek heel dicht bij een overstort bemonsterd dan zou dit mogelijk wel kunnen, en dan kan misschien ook de overstortfrequentie bepaald worden.

Vraag 2: Traceren rwzi-effluent Om de traceerbaarheid van effluent in oppervlaktewater te bepalen zijn op verschillende momenten in het jaar in totaal 32 monsters genomen op 5 locaties in het ontvangende oppervlaktewater (beek 1) en in het water waar beek 1 in uitmondt (beek 2). Figuur 2 laat de bemonsteringspunten zien.

De oppervlaktewatermonsters van direct voor en na het lozingspunt van de rwzi zijn vergeleken met het effluent met behulp van de Source Tracker-tool. Deze tool kan kwantificeren in welke mate de microbiële populatie van het ene watermonster onder invloed staat van dat van een ander. Ook dit is weergegeven in figuur 2.

Te zien is dat de microbiële populatie van monsterlocatie 1 voor 41% onder invloed staat van rwzi-­ effluent. Niet af te leiden is of het gaat om effluent uit de (stroomafwaarts) nabijgelegen rwzi, of om effluent van andere rwzi’s. Monsterlocatie 3 (vlak na de rwzi) bevat een hoger percentage rwzi-effluent (70%). Op andere monstermomenten stond monsterlocatie 1 overigens veel meer onder invloed van rwzieffluent. Ook de samenstelling van het effluent (monsterpunt 2) varieert in de tijd; het microbieel profiel

4 Beek 2

Figuur 2: Microbiële vingerafdruk van de meetlocaties 1 t/m 5.

Situatie: rwzi loost effluent op Beek 1, die uitkomt op Beek 2. De cirkeldiagrammen tonen het relatieve aandeel in de monsters (in %, berekend met Source Tracker) van enkele karakteristieke bacterie-genera die horen bij de vingerafdruk van rwzi-effluent.

van het effluent en het aandeel ervan in oppervlaktewater varieert dus over de seizoenen.

Monsterlocatie 4 bevindt zich in groter ontvangend oppervlaktewater (beek 2), bovenstrooms van het punt waar Beek 1 instroomt, en staat nauwelijks onder invloed van het rwzi-effluent. Benedenstrooms, bij monsterlocatie 5, is het effect duidelijker; veel beperkter dan bij monsterlocatie 3, maar nog zeker waarneembaar.

Geconcludeerd kan worden dat de microbiële vinger­ afdruk mogelijkheden biedt om de invloed van rwzi-effluent op de oppervlaktewaterkwaliteit te signaleren, maar herleiden tot een specifieke rwzi lijkt lastiger.

Vraag 3: Lekkage naar grondwater traceerbaar?

Een andere toepassing voor NGS betreft het vaststellen van eventuele lekkage vanuit een rwzi naar het grondwater. Hiervoor zijn gedurende het jaar monsters genomen van a) het grondwater rondom een rwzi, b) rwzi-influent, actief slib van de beluchtingstank en effluent en c) het ontvangende oppervlaktewater.

Het microbiële profiel van influent, effluent en beluchtingstank bleek traceerbaar tot in het grondwater (peilbuizen). Dit geeft lekkage aan. Opvallend was dat eerder uitgevoerde chemische analyses (NH4 en CZV) geen sporen van lekkage lieten zien. Onderzoek aan de hand van de microbiële vingerafdruk kan dus zinvol zijn voor het vaststellen van lekkages uit de rwzi.

Vraag 4: Mengen de oppervlaktewateren ­traceerbaar?

De metingen in de onderzochte oppervlaktewater-

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

systemen laten zien dat de vingerafdruk van een watersysteem specifieke karakteristieken heeft, die echter variëren in de tijd. Om een nauwkeurig beeld te krijgen van het effect van het uitstromen van een oppervlaktewaterstroom in een andere waterstroom is een nauwkeurige vingerafdruk nodig; daarvoor is het noodzakelijk om in beide stromen door de tijd (seizoenen) heen te meten.

Dankwoord Dit onderzoek is mede gefinancierd met PPS-financiering uit de Toeslag voor Topconsortia voor Kennis en Innovatie (TKI’s) van het ministerie van Economische Zaken en Klimaat. De resultaten zijn openbaar. Met dank aan alle partners: Wetter­ skip Fryslân, Waterschap Vallei & Veluwe, Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier, Hoogheemraadschap De Stichtse Rijnlanden, Waterschap Hunze en Aa’s, Waterschap Rivierenland, Hoogheemraadschap van Rijnland, Gemeente Utrecht en

Vervolgonderzoek en toepassingen Dit onderzoek maakt duidelijk dat de microbiële ­vingerafdruk samen met de Source Tracker, in principe ingezet kan worden om de herkomst en relatieve invloed van watertypen te traceren.

Het is nu zaak om de praktische toepasbaarheid van de methode in onderzoek en monitoring van (afval) waterbeheer te bepalen. Onder andere dienen onze resultaten gevalideerd te worden door ze te vergelijken met resultaten uit traditionele methoden om de waterkwaliteit te bepalen, zoals E. coli- en enterococcen-koloniegetallen.

Een ander interessant aspect voor vervolgonderzoek is te kijken in hoeverre uit kwalitatieve gegevens (de aard en relatieve hoeveelheid van een bepaalde microbiële populatie in een watertype) kwantitatieve gegevens (de hoeveelheid instromend ‘ander’ water) af te leiden zijn. In een vervolgfase kunnen dan de debietgegevens en nutriëntenvrachten uit watersysteemanalyses vergeleken worden met de resultaten van de microbiële vingerafdruk.

Een andere vraag is: hoe ontwikkelt een populatie micro-organismen uit rwzi-effluent zich in de tijd na lozing op oppervlaktewater?

Ook zou de microbiële vingerafdruk bij kunnen dragen aan de vraag welke microbiologische samenstelling ecologisch gezond water moet hebben en of het aan de Europese Kaderrichtlijn Water voldoet.

Peer Timmers (KWR), Joost van den Bulk (Tauw), Leo Heijnen (KWR), Edwin Kardinaal (KWR; Bureau Waardenburg), Susan Sollie (Tauw), Gertjan Medema (KWR en TU Delft)

JUNI 2020

BaseClear B.V. Referenties • Andersen K., Kirkegaard R.H., Karst S.M., Albertsen M. (2018). Ampvis2: an R package to analyse and visualise 16S rRNA amplicon data. bioRxiv.

• Emissieregistratie (2019). www.Emissieregistratie.nl: jaarcijfers 2017. RIVM, PBL, CBS, RWS-WVL, Wageningen Environmental Research, Deltares, RVO, en TNO. • Knights, D., Kuczynski, J., Charlson, E. et al. Bayesian community-wide culture-independent microbial source tracking.

Nat Methods 8, 761–763 (2011). https://doi.org/10.1038/ nmeth.1650 • McLellan S. L., Roguet A. (2019). The unexpected habitat in sewer pipes for the propagation of microbial communities and their imprint on urban waters. Curr Opin Biotechnol, 57: 34-41.

• Schloss, P. D., Westcott, S. L., Ryabin, T., Hall, J. R., Hartmann, M., Hollister, E. B., ... & Sahl, J. W. (2009). Introducing mothur: open-source, platform-independent, community-supported software for describing and comparing microbial communities. Appl Environ Microbiol, 75(23): 7537-7541.

SAMENVATTING Riooloverstorten, lekkages van riolering en ­effluentlozingen van rwzi’s hebben grote invloed op de oppervlaktewaterkwaliteit. Het is daarom zaak om de invloed van rioolwater en rwzi-­ effluent op grond- en oppervlaktewater goed te kunnen monitoren. Rioolwater en rwzi-effluent hebben karakteristieke microbiële vingerafdrukken die, in vergelijking met oppervlakte- en grondwater, weinig fluctueren in de tijd. Dit onderzoek laat zien dat rioolwater en rwzi-­effluent met behulp van deze vingerafdruk goed te traceren in is grond- en oppervlaktewater.

Effluent traceren in grond- en oppervlaktewater

7

8

WATER MATTERS

iStockphoto

AUTEURS

Alexander Ziemba en Lorinc Meszaros (Deltares, Technische Universiteit Delft)

Ghada El Serafy (Deltares, Technische Universiteit Delft)

Joe El Rahi (Universiteit Gent)

VERWERKING VAN REMOTE SENSING DATA EN GEGEVENS VAN GROOTSCHALIGE MODEL­ LEN IN LOKAAL TOEPASBARE ZEE- EN KUSTMODELLEN Op allerlei plekken langs de kust doen zich lokaal soms problemen als schadelijke algenbloei of vervuiling voor. Ook de gevolgen van bijvoorbeeld industriÍle activiteiten kunnen lokaal sterk verschillen. Overheden en andere belanghebbenden kunnen bij het nemen van maatregelen baat hebben bij lokaal toepasbare zee- en kustmodellen. Het maken van zulke modellen wordt door gebruik van Remote Sensing en slimme modellering veel minder tijdrovend en kostbaar.

De ontwikkeling van modellen kan omslachtig en tijdrovend zijn, vooral de ontwikkeling van de aansturing en het verzamelen van gegevens voor kalibratie en validatie. Remote Sensing (RS) biedt een steeds grotere dekking en een steeds hogere resolutie van relevante data, zowel temporeel als ruimtelijk, en is daarmee een steeds aantrekkelijkere bron voor de kalibratie en validatie van lokale modellen, en het bijwerken ervan.

Het COPERNICUS-programma van het Europese Ruimteagentschap (ESA) biedt een breed

9

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Remote sensing en lokale zee- en kustmodellen Afbeelding 1: Conceptueel kader van de ontwikkeling van een lokaal model voor de casus Waddenzee (ECOPOTENTIALproject, hierbij is gebruik gemaakt van CMEMS en SENTINEL)

scala aan vrij beschikbare RS-data over het mariene milieu. Deze gegevensbronnen zijn geïntegreerd in de Copernicus Marine Environment Monitoring Service (CMEMS), en voorzien globale en regionale modellen van data voor het uitvoeren van ‘hindcasting’ (modellen als toets laten draaien op historische gegevens) en het doen van voorspellingen. Gecombineerd bieden deze twee bronnen het uitgangsmateriaal voor lokale en/of probleemspecifieke modellen. Hierbij worden globale en regionale resultaten afgeschaald om in een kort tijdsbestek lokaal toepasbare modellen te kunnen opzetten en kalibreren.

Dit is vooral gunstig als het gaat om regio's waarover weinig data beschikbaar zijn. De grote ­ruimtelijke en temporele dekking van de globale modellen en RS-producten is een zegen voor een vakgebied waarin van oudsher data dun gezaaid zijn door de afhan­kelijkheid van een beperkt aantal ver uit elkaar ­gelegen meetstations of dure meetcampagnes. De hier geschetste werkwijze voor het ontwikkelen van lokale modellen zou, indien geautomatiseerd, gemeenten en regionale overheden met een beperkt budget in staat stellen om zelf onderzoek in ‘hun’ kustgebied te laten doen, lokale observatoria op te zetten en/of ecologische ontwikkelingen te monitoren.

Werkwijze In dit onderzoek werden lokale modellen voor Europese wateren gegenereerd op basis van een combinatie van globale en regionale modellen en RS-data.

Hierbij werd ook gebruik gemaakt van de nieuwe SENTINEL satellietgegevenssets. De ontwikkeling van de modellen gebeurde in het kader van de projecten H2020 ECOPOTENIAL en H2020 ODYSSEA.

JUNI 2020

In alle gevallen betrof het ‘nested models’, dus ­modellen die werken met een subset van parameters van de meer grootschalige modellen op basis waarvan ze zijn ontwikkeld, maar die wel zelfstandig opereren. In alle cases is het kustmodelleringssysteem gebaseerd op het pakket Delft3D. De nauwkeurigheid van de remote sensing data is beperkt, maar door toepassing van foutenstatistiek en onzekerheidsanalyse kunnen deze toch bruikbaar zijn bij het kalibreren en valideren van lokale modellen, vooral hydrodynamische en biogeochemische modellen.

In grote lijnen is bij de hiernavolgende drie cases de werkwijze gevolgd die werd gebruikt bij de opzet van een model voor de Waddenzee voor het ECOPOTENTIAL-project. In afbeelding 1 is te zien dat in die casus COPERNICUS-gegevens extra kalibratie- en validatiepunten boden, aanvullend op Nederlandse metingen van de meetcampagnes en -stations van Rijkswaterstaat (RWS). Data van optische satellieten betroffen biologische processen in de gehele regio en waren onmogelijk te verkrijgen via gangbare metingen. Met het nieuwe lokale model kan de primaire productie van algen in de Waddenzee beter worden gemodelleerd en kan schadelijke algengroei beter worden voorspeld.

Op een vergelijkbare manier kunnen optische satellietgegevens over sedimenten in de waterkolom een hulpmiddel zijn bij de kalibratie en validatie van lokaal toepasbare modellen voor sedimentverplaatsing.

Dit is essentieel voor het verkrijgen van inzicht in de lokale ecologische gevolgen van zandwinning- en baggerwerkzaamheden, en voor het bepalen van de impact van zulke werkzaamheden in het algemeen.

8

10

WATER MATTERS

Afbeelding 2: Bij het lokale model voor de Thracische Zee worden afgeschaalde en aangepaste CMEMSgegevens gebruikt om lokaal en met een hogere resolutie stromingspatronen te voorspellen. Deze informatie is relevant voor maritieme activiteiten in de regio

Valencia, Spanje Voor de kust nabij Valencia werd een lokaal hydrodynamisch model gegenereerd en gevalideerd op basis van CMEMS-modellen. Daarbij werden data uit het gebruikte grootschalige model en beelden van de SENTINEL-satelliet over het zee- oppervlak gebruikt voor validatie. In deze casus is de assimilatie van data nog niet geïntegreerd.

Het model kan datasets met een hoge resolutie produceren met relevante informatie voor scheepvaarten havenactiviteiten die afhankelijk zijn van specifieke zeeomstandigheden en -stromingen. Als ergens kwallenbloei is waargenomen, kan het model middels een ‘plug-in’ de verspreiding en de effectzones van de kwallenpopulatie voorspellen. Dit soort informatie is essentieel voor de recreatiesector, voor kustdorpen en -steden en voor de visserij en aquacultuur op zee, die allemaal risico’s lopen als gevolg van dergelijke kwallenpopulaties. De waarschuwingstijd die het model oplevert, maakt het mogelijk om maatregelen te nemen om de schade te beperken.

Egeïsche Zee Een ander voorbeeld is het Thracian Sea / North Aegean Observatory, dat zich in het meest noordelijke gedeelte van de Egeïsche Zee bevindt. Dit observatorium werkt met een lokaal model van zeestromingen en golven; aan integratie van waterkwaliteitparameters en biologische processen wordt momenteel gewerkt. Het systeem haalt dagelijks CMEMS-gegevens op van de afgelopen dag om voorspellingen te doen voor de 2 komende dagen. Het lokale model biedt een kortetermijnvoorspelling met een hoge resolutie van waterpeil, stromingen en golfhoogtes. Daarmee zijn

de dagelijkse voorspellingen tijdig beschikbaar voor de eindgebruikers.

Validatie geschiedt op basis van metingen met nieuwe meetinstrumenten, waaronder onbemande zweefvliegtuigen en met sensoren uitgeruste boeien op locatie. De validaties van het hydrodynamische model met deze instrumenten in 2019 en 2020 gaven een eerste en hoopgevende b ­ evestiging van de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de voorspellingen.

Met dit lokale model is een belangrijke informatiebron beschikbaar gekomen voor maritieme activiteiten in de regio, zoals scheepvaart, offshore energieplatforms en visserij. De validatie van de component voor waterkwaliteit zal midden 2020 plaatsvinden.

Een separate prognosekaart voor de waterkwaliteit, verspreid via sociale media, wordt al door lokale vissers gebruikt.

Golf van Gökova Het derde voorbeeld is de Golf van Gökova in T ­ urkije.

Het gaat hierbij om een 100 kilometer lange, s­ malle golf in de Egeïsche Zee die in 1988 als Special ­Environmental Protection Area (SEPA) is aangewezen.

Menselijke activiteiten in en rond de golf bestaan uit landbouw, toerisme, visserij en maritieme activiteiten.

De belangrijkste bedreigingen zijn illegale visserij, een overmaat aan toerisme, verontreiniging, kustontwikkeling c.q. vernietiging van habitats, ­orga­nisch en anorganisch afval. Een laatste opvallende bedreiging wordt gevormd door invasieve soorten, als gevolg van klimaatverandering én door het S ­ uez­kanaal, wat het voor uitheemse soorten uit de Rode Zee en de Indische Oceaan mogelijk heeft gemaakt om naar dit gebied te migreren.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

11

Afbeelding 3: Dieptepatroon voor de Golf van Gökova op basis van Remote Sensing data (in meters)

Remote sensing en lokale zee- en kustmodellen

Om de effecten van al deze bedreigingen op het ecosysteem te kunnen beoordelen en de bovengenoemde sectoren te ondersteunen, zijn voorspellingen nodig met een hogere resolutie dan die van de CMEMS-producten. Daarom werd een lokaal kustmodel met een hoge resolutie opgezet om operationele gegevens over stromingen, golven en biogeochemie te kunnen verstrekken aan de belangrijkste eindgebruikers: exploitanten van cruiseschepen, veerboten naar Griekenland, visserij, waaronder sponzenvisserij en sportvisserij, en toerisme (hotels, jachten). Het model wordt automatisch van CMEMS-data voorzien zodat de gebruikte gegevens over temperatuur, zoutgehalte, waterpeil en stromingen aan de grenzen van het model altijd actueel zijn. Deze data worden aangevuld met meteorologische gegevens van NOAA-GFS ­(wereldwijde weersvoorspellingen). Momenteel worden de prognoses dagelijks op sociale media gepubliceerd en gevolgd door meer dan 100 eind­gebruikers.

Eind 2020 zal de verstrekking plaatsvinden via het ODYSSEA portal voor observatoria gelegen aan de Middellandse Zee. Naar betere en kostenefficiëntere lokale modellen Momenteel wordt verder gewerkt aan de automati­ sering van het kalibratieproces en van het updaten van modellen. Afbeelding 1 toont de verwachte eindverwerkingsketen. Tot nu toe is een succesvolle integratie van Remote Sensing data ten behoeve van kalibratie tot stand gebracht. Aan de automatisering van data-assimilatie wordt gewerkt, waarmee ook verdere verfijning van de modellen en daarmee betere voorspellingen mogelijk worden.

Wanneer de hele keten eenmaal is geautomatiseerd, zullen de kosten van de ontwikkeling van een lokaal model op basis van deze COPERNICUS-services aanzienlijk dalen. Daarmee worden de huidige barrières voor het gebruik van deze services weggenomen. De

JUNI 2020

prestaties van lokale modellen kunnen vervolgens verder worden verbeterd door gebruik van meerdere op COPERNICUS gebaseerde gegevenssets.

Alexander Ziemba, Lorinc Meszaros en Ghada El Serafy (Deltares, Technische Universiteit Delft), Joe El Rahi (Universiteit Gent) Referenties https://www.ecopotential-project.eu/ http://odysseaplatform.eu/ https://earth.esa.int/web/sentinel/missions/sentinel-1/news/-/ article/copernicus-sentinel-1-supports-detection-of-shorelinepositions https://sentinel.esa.int/web/sentinel/home/-/journal_ content/56/247904/3869448 https://www.copernicus.eu/sites/default/files/2018-10/ copernicus4regions.pdf

SAMENVATTING Overal langs de kust kan lokaal schadelijke algenbloei, kwallenbloei of vervuiling optreden. Lokaal toepasbare modellen met een hoge resolutie kunnen de verspreiding van dit soort fenomenen voorspellen, en overheden en andere belanghebbenden helpen bij het nemen van maatregelen.

Het ontwikkelen van lokale modellen, normaliter arbeidsintensief en kostbaar, is recent een stuk haalbaarder geworden. Binnen het COPERNICUSprogramma is een werkwijze ontwikkeld om ze op te zetten als ‘nested model’ binnen grootschaliger modellen. Belangrijk hierbij is het gebruik van Remote Sensing data bij validatie en kalibratie, als aanvulling op lokaal verkregen gegevens.

12

WATER MATTERS

Proefopstelling: het helofytenfilter, met daarnaast het tuinhuisje met de nageschakelde technieken

AUTEURS

PRAKTIJKPROEF VERWIJDERING MICROVERONTREINIGINGEN UIT IBA-EFFLUENT

Arnoud de Wilt Els Schuman (Royal HaskoningDHV) (LeAF)

Tiemen Nanninga (LeAF)

Rien de Ridder (Waterschap Zuiderzeeland)

Bernadette Lohmann (Waterschap Zuiderzeeland)

In het buitengebied worden systemen voor individuele behandeling van ­afvalwater (IBA-systemen) gebruikt voor de behandeling van huishoudelijk afvalwater. De effluenten worden veelal geloosd op kleine sloten en weteringen, de haarvaten van het watersysteem. IBA-systemen, waaronder helo­ fytenfilters, zijn niet ontworpen op de verwijdering van m ­ icroverontreinigingen zoals medicijnresten. De geloosde microverontreinigingen kunnen lokaal een negatieve impact hebben op de waterkwaliteit van deze kleine watersystemen.

Extra behandelingstechnieken kunnen emissies van microverontreinigingen verminderen.

Huidige lozingen In 2016 heeft waterschap Zuiderzeeland onderzoek gedaan naar de lozing van micro­ verontreinigingen vanuit IBA-systemen. Het merendeel van de onderzochte microveront­ reinigingen werd in het IBA-effluent aangetroffen, en in hogere concentraties dan in ­rwzi-effluenten. In het beheergebied van waterschap Zuiderzeeland lozen IBA-systemen op wateren gelegen in kwetsbare gebieden met bijzondere ecologische potenties. Voor enkele microverontreinigingen vallen ecotoxicologische effecten bij de gemeten concentraties in de IBA-effluenten niet uit te sluiten. Het daadwerkelijk optreden van effecten hangt sterk af van lokale omstandigheden en seizoensvariaties, zoals doorstroming en droogte. Verder weg van de lozingspunten nemen de potentiële risico’s sterk af door verdunning in het water­ systeem. Diffuus verspreide IBA-lozingen hebben nauwelijks effect op de waterkwaliteit van het totale watersysteem, maar lokaal kan dit dus anders zijn.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

13

Afbeelding 1: Concentraties van microverontreinigingen in het effluent van het helofytenfilter (n=11)

Verwijdering micro­ verontreiniging uit IBA-effluent

Selectie technologieën Er zijn nog geen commercieel verkrijgbare technologieën specifiek voor de verwijdering van microverontreinigingen in IBA-systemen. In andere branches zijn ze wel te vinden. Voor dit onderzoek hebben we er drie geselecteerd: actiefkoolfiltratie, ozonisatie en adsorptie met elektrochemische oxidatie.

De aquarium- en vijverbranche gebruikt verschillende technologieën voor het verwijderen van toxische stoffen uit water op met IBA’s vergelijkbare schaalgrootte.

Van deze kleinschalige systemen zijn actiefkoolfiltratie en ozonisatie (behandeling met ozon) geselecteerd omdat deze op rwzi’s reeds bewezen hebben effectief microverontreinigingen te verwijderen. De derde technologie, adsorptie met elektrochemische oxidatie (Ad-EChOx), wordt in de industriële afvalwaterzuivering ingezet voor verwijdering van rest-CZV (chemisch zuurstofverbruik, een gangbare maat voor de hoeveelheid organisch materiaal in het water) en kleur en kan ook microverontreinigingen verwijderen.

Alle drie de technologieën zijn als nageschakelde zuiveringstrap op IBA-effluent onderzocht.

Praktijkproef De praktijkproeven vonden plaats tussen november 2018 en februari 2019, bij een helofytenfilter (een rietveld met lagen zand en grint waarin via biologi­sche en fysische processen het water gezuiverd wordt) op de onderzoeksfaciliteit van de vakgroep Milieutechnologie van Wageningen Universiteit. Dit helofytenfilter (12 m2) is al meerdere jaren in g ­ ebruik en wordt ge-

JUNI 2020

voed met ruw influent van rwzi Bennekom, voornamelijk van huishoudelijke origine. Dagelijks pompten we 360 liter influent, verdeeld over 4 charges, naar het helofytenfilter. Hierdoor zijn de CZV (chemisch zuurstofverbruik, een gangbare maat voor de hoeveelheid organisch materiaal in het water)- en de hydraulische belastingen vergelijkbaar met de IBA-systemen in de praktijk (circa 20 mg CZV/m2/d en circa 30 l/m2/d). Het influent en effluent van het helofytenfilter zijn bemonsterd voor analyse van microverontreinigingen. Het effluent is opgevangen in een buffertank van waaruit de naast elkaar opgestelde nageschakelde technologieën (in het tuinhuisje, zie foto) gevoed zijn.

Voor de actiefkoolfiltratie is een 7 liter Aquaforest AF150 filtratiereactor gebruikt, gevuld met Norit ROW 0.8 SUPRA actiefkool (Cabot Norit Activated Carbon) en bedreven bij een hydraulische contacttijd van 70 minuten. Het actiefkoolfilter is gedurende 48 da­ gen (1.000 bed­volumes) bedreven in continu-modus zonder terug­spoeling.

Ozonisatie is uitgevoerd met een UV-ozon-reactor (type Redox UVC low-pressure, AquaForte). Deze reactor produceert ozon middels UV-straling; er vindt dus gelijktijdige ozonisatie en UV-behandeling plaats.

De ozonisatietesten zijn in batch-modus uitgevoerd.

Per batch is 500 liter IBA-effluent gerecirculeerd over de UV-ozon-reactor voor een periode van 5 6 uur. De reactor produceert volgens de specificaties 0,6 g O3/ uur, dit is niet gecontroleerd. De concentratie opgelost organische koolstof (dissolved organic carbon,

12

14

WATER MATTERS

Afbeelding 2: Gemiddelde verwijdering van 21 gemeten microverontreinigingen over actiefkoolfiltratie, foutbalken geven de spreiding aan

DOC) in het IBA-effluent lag tussen de 9 en 13 mg/L. De berekende ozondosering is daarmee 0,45-0,75 mg O3/mg DOC. Voor de Ad-EchOx testen is een Nyex™ demo-unit (Arvia) gebruikt, gevuld met een granulair adsorbens waar een elektrische spanning op gezet wordt. Met deze unit zijn korte Ad-EChOx continuproeven van 3-4 uur in het lab gedaan vanuit een buffervat met IBA-­effluent, met stroomsterktes van 1,5 tot 2,5 mA/ cm2 en debieten van 8 en 12 L/uur.

Monsters van voor en na behandeling met de drie technologieën zijn geanalyseerd op 37 microverontreinigingen (geneesmiddelen). Van deze 37 stoffen zijn er 18-21 in de verschillende monsters aangetroffen; voor de aangetroffen stoffen zijn de verwijderingsrendementen van de technieken berekend.

Resultaten - Helofytenfilter Het influent van het helofytenfilter is tweemaal bemonsterd voor de analyse van microverontreinigingen. Het effluent is in de proefperiode 11 maal bemonsterd, waarbij 25 van de 37 geanalyseerde microverontreinigingen zijn aangetroffen (afbeelding 1). Voor 20 microverontreinigingen kon een verwijde­ ringsrendement van het helofytenfilter worden berekend. Het gemiddelde verwijderingsrendement was 47%. Dit komt overeen met verwijderingsrendementen in een rwzi.

Resultaten - Actiefkoolfiltratie De beste verwijdering van microverontreinigingen is in het actiefkoolfilter waargenomen. Op meetdagen 21, 33 en 42 is het gemiddelde verwijderingsrende­ ment meer dan 90% (zie afbeelding 2). Op deze meetdagen zijn alle individuele microverontreinigingen goed verwijderd, zelfs voor de slechtst verwij-

derde microverontreinigingen lag het rendement boven de 80%. Tussen meetdagen 42 en 48 nam het verwijderingsrendement af. Ditzelfde is ook waargenomen voor de DOC-verwijdering. Mogelijk is verzadiging van het filterbed hier de oorzaak van, al is dit sneller (al na na 1.000 bedvolumes) dan theoretisch te verwachten is. Mogelijk waren er voorkeursstromen waardoor niet het volledige filterbed optimaal gebruikt werd. Gedurende de testperiode is het filter niet verstopt geraakt. Wel is een bruine afzetting aan de onderkant van het filter waargenomen. Eenzelfde bruine afzetting is ook waargenomen in het buffervat waarin het helofytenfiltereffluent werd opgevangen.

Vermoedelijk zijn dit uitgespoelde onopgeloste bestanddelen vanuit het helofytenfilter. In tegenstelling tot actiefkoolfilters die op grotere schaal toegepast worden, heeft het geteste actiefkoolfilter geen terugspoelfunctie. De hypothese is dat de standtijd van het actiefkoolfilter aanzienlijk toeneemt met een terug­ spoelfunctie.

Resultaten - UV-Ozon Met de UV-ozon-technologie is van de microveront­ reinigingen gemiddeld 33-44% verwijderd. Zoals verwacht nam de gemiddelde verwijdering toe bij een hogere UV-ozon-dosering. Verwijderingsrendementen verschilden sterk voor de individuele microverontreinigingen. Diclofenac werd voor meer dan 95% verwijderd, metformine tot maximaal 14%. Deze verschillen zijn direct te koppelen aan de ozon-reactiesnelheidsconstante, die hoog is voor diclofenac (106 M-1 s-1) en laag voor metformine (10 M-1 s-1). Een beter verwijderingsrendement is mogelijk door de reactietijd te verlengen naar meer dan 6 uur, waardoor de ozon­dosering toeneemt. De ervaring met ozontechnologie op rwzi’s leert dat het verwijderingsrendement aanzienlijk toeneemt bij een hogere ozondosering

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

(STOWA 2018-46). Een hogere ozondosering vraagt echter een nagenoeg evenredig hoger energieverbruik. Het totale energieverbruik voor de 6-uurs UV-ozontesten was 1,3 kWh/m3. In de luchtafvoer van de UV-ozon-installatie zijn tijdens de testen ozonconcentraties boven de maximaal aanvaarde concentratie (MAC-waarde) voor 8 uurs-blootstelling gemeten.

Vanuit veiligheidsoverwegingen is het de vraag of dit wenselijk is. Technisch kan restozon afgevangen worden en/of een robuustere installatie neergezet worden. Dit brengt echter meerkosten met zich mee en vraagt extra ruimte, en neemt risico’s door foutieve aansluitingen of slecht onderhoud niet weg.

Resultaten - Ad-EChOx Het gemiddelde verwijderingsrendement voor microverontreinigingen met de Ad-EChOx was het laagst (7%) bij de kortste verblijftijd en laagste stroomsterkte. Bij verlenging van de verblijftijd en verhoging van de stroomsterkte nam het toe tot 43%.

Verwijderingsrendementen verschilden sterk voor de individuele microverontreinigingen; furosemide werd voor meer dan 95% verwijderd, jopromide helemaal niet. Het energieverbruik van de Nyex™ demo-unit lag (oplopend bij hogere stroomsterkte en langere verblijftijd) tussen de 0,2 en 0,8 kWh/m3. Doordat de proef bestond uit kortdurende batchtesten kunnen geen conclusies over robuustheid getrokken worden.

Net als bij actiefkoolfiltratie kan ook hier het filterbed verstopt raken en is mogelijk periodieke terugspoeling nodig voor langdurig gebruik. Er lijkt veel ruimte voor optimalisatie (verblijftijd en stroomsterkte) van de Ad-EChOx techniek. Op basis van resultaten uit ­pilottesten met rwzi-effluent is bij een energieverbruik van 1,3 kWh/m3 een hoger verwijderingsrendement voor microverontreinigingen te verwachten.

Synthese De resultaten van de praktijkproeven laten zien dat met alle drie de geteste technieken microverontreinigingen uit het effluent van het helofytenfilter kunnen worden verwijderd. De mate van verwijdering per techniek is afhankelijk van de ingestelde procesomstandigheden. Met actiefkoolfiltratie is het gemiddelde verwijderingsrendement het hoogst. Daarbij

JUNI 2020

15

een eerste globale kostenanalyse meenemend, is dit de meest kosteneffectieve en robuuste techniek.

Verder is de CO2-voetafdruk van actiefkoolfiltratie met 0,26 kg CO2/m3 het laagst, die van UV-ozon en Ad-EChOx zijn met respectievelijk 0,69 en 0,70 kg CO2/ m3 nagenoeg gelijk. Door de relatieve eenvoud van de techniek kan actiefkoolfiltratie op korte termijn geïmplementeerd worden. Voor het exact bepalen van de kosteneffectiviteit en robuustheid dient de standtijd van het actiefkoolfilter in de praktijk bepaald te worden. Mogelijk kan deze verlengd worden door Verwijdering micro­ verontreiniging uit toepassing van een terugspoelfunctie.

IBA-effluent Voor alle drie de technieken geldt dat de kosteneffec­ tiviteit wordt beïnvloed door de concentratie DOC en onopgeloste bestanddelen in het helofytenfilter­ effluent, en de debietfluctuatie van het effluent.

Verdere ontwikkeling van IBA-systemen voor hogere verwijdering van DOC en onopgeloste stoffen helpt bij een effectievere verwijdering van microverontreiniging. Er kan nagedacht worden over een nieuwe IBA-klasse 4 met gedefinieerde prestatie-eisen voor de verwijdering van microverontreinigingen.

Arnoud de Wilt (Royal HaskoningDHV), Els Schuman en Tiemen Nanninga (LeAF), Bernadette Lohmann en Rien de Ridder (Waterschap Zuiderzeeland)

SAMENVATTING Op het totaal aan emissies van microverontreinigingen naar het aquatisch milieu dragen lozingen vanuit IBA-systemen slechts gering bij. Lokaal kunnen deze emissies echter een grote impact hebben op het watersysteem. De beschreven praktijkproeven tonen aan dat er technieken voorhanden en bijna marktrijp zijn (actiefkoolfiltratie, ozonisatie en adsorptie met elektrochemi­ sche oxidatie) die deze emissies sterk kunnen verminderen en zo de kwaliteit van het lokale watersysteem verbeteren. Dit sluit aan bij het doel van de landelijke ‘Ketenaanpak Medicijnresten uit Water’ om de hoeveelheid medicijnresten in het water te verminderen.

16

WATER MATTERS

AUTEURS

Erwin Roex en Nanette van Duijnhoven (Deltares)

Rianne van der Meiracker en Jos van Gils (Deltares)

Anja Derksen (AD eco advies)

DE WATSON-DATABASE BRENGT EMISSIEROUTES VAN MICROVERONTREINIGINGEN IN WATER BETER IN BEELD Waterbeheerders hebben de taak te zorgen voor een goede waterkwaliteit in hun beheergebied. Inzicht in de herkomst van verontreinigende stoffen – en daarmee in de mogelijkheden om emissies te beperken – is daarbij essentieel.

De Nederlandse EmissieRegistratie EmissieRegistratie en de Watsondatabase zijn hiervoor belangrijke instrumenten. Deltares en AD eco advies hebben de Watson-database geüpdatet. Dit artikel belicht de belangrijkste resultaten van de analyse van de nieuwe data, en enkele aansprekende toepassingen ervan.

Voor het inschatten van emissies vanuit de afvalwaterketen naar het oppervlaktewater wordt vaak de Watson-database gebruikt. Deze database bevat monitoringsdata van micoroverontreinigingen in het influent en effluent van Nederlandse rwzi’s, en is vrij toegankelijk voor iedereen (website Nederlandse EmissieRegistratie). Uit de data worden de emissiefactoren (EF) en zuiveringsrendementen (ZR) voor stoffen vanuit rwzi’s afgeleid (zie kader) zoals die in de Nederlandse EmissieRegistratie zijn geregistreerd. De EF is de emissie van een stof (het voorkomen in het rwzi-influent) in gram per inwoner, het ZR is het percentage hiervan dat door een rwzi verwijderd wordt. Op basis van deze parameters kunnen de emissies vanuit de afvalwaterketen naar het oppervlaktewater bepaald worden.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

17

10000

Figuur 1. Concentraties medicijnresten in rwzi-influent, gemeten (x-as) en geschat op basis van gebruik (y-as)

Berekend in influent (µg/L)

1000

100

10

1

0,1

0,01

N = 15; AE = 0.08; AAE = 0.34; R2 = 0.91 0,01

Deltares en AD eco advies hebben een update van de Watson-database uitgevoerd, waarvoor gegevens over de periode 2014-2018 zijn verzameld. Deze data zijn verder geanalyseerd en leveren een schat aan interessante gegevens op, die voor allerlei toepassingen gebruikt kunnen worden. Dankzij de update bevat de database nu gegevens over 1310 stoffen, waarvan er na verdere analyse 112 zijn opgenomen in de Emissie­Registratie. In dit artikel worden de meest aansprekende resultaten van de analyse en een aantal toepassingen uitgelicht.

BEPALING EMISSIEFACTOREN EN ZUIVERINGSRENDEMENTEN De monitoringsgegevens in de Watson-­database van de Nederlandse EmissieRegistratie zijn afkomstig van regionale waterbeheerders. Om bruikbaar te zijn voor het afleiden van betrouwbare emissiefactoren en zuiveringsrendementen moeten de gegevens voldoen aan een aantal randvoorwaarden. Zo moeten voor de bepaling van de emissiefactor minimaal 7 metingen beschikbaar zijn, gedaan binnen één jaar en op minstens 3 verschillende rwzi’s. Voor de bepaling van het zuiveringsrendement moeten bovenstaande gegevens bovendien beschikbaar zijn voor 3 verschillende jaren. Zijn er genoeg metingen boven de rappor­ tagegrens (RG) dan wordt voor het berekenen van de emissiefactor uitgegaan van de mediane waarde (>50% RG) in het effluent dan wel het influent.

Is er te weinig informatie voorhanden dan wordt gekeken naar het gemiddelde (>25% RG). Voor de berekening van het zuiveringsrendement worden waardes <RG niet meegenomen.

JUNI 2020

0,1

1 10 Gemeten in influent (µg/L)

100

1000

Medicijnresten De Watson-database bevatte al gegevens over een aantal medicijnresten. Met de recente update is de hoeveelheid data vergroot en daarmee is voor een aantal stoffen een nieuwe, dan wel een verbeterde waarde van de emissiefactor of het zuiveringsrende­ ment afgeleid. Zo konden voor 20 medicijnresten de kentallen worden verbeterd en konden 12 stoffen toegevoegd worden aan de EmissieRegistratie. Ter validatie hebben we onze resultaten vergeleken met emissieschattingen op basis van verkoopcijfers gecombineerd met excretiefactoren. De vergelijking laat zien dat de uitkomsten van beide methodieken in het algemeen goed met elkaar overeenkomen, zie figuur 1. Voor een aantal medicijnen zijn ze aanvullend. Dit geldt voor medicijnen waarvan de verkoop en/of het gebruik niet goed in beeld is, zoals bij over the ­counter-medicijnen (medicijnen die vrij verkocht ­mogen worden, zoals paracetamol, ibuprofen en diclofenac). Hiervoor geven de metingen een beter beeld. Bij middelen die snel afgebroken worden of waarvoor geen goede analysemethode beschikbaar is, geven emissieschattingen op basis van verkoopcijfers een beter beeld. Voorbeelden van deze laatste categorie zijn cytostatica en metformine.

PFAS Poly- en perfluoralkylstoffen (PFAS) staan de laatste tijd sterk in de belangstelling vanwege de alomtegen­ woordigheid van deze giftige stoffen in bodems, oppervlaktewater en waterbodems en de bijbehorende risico’s. Er is nog veel onbekend over de bronnen (aard, locatie, omvang) waaruit PFAS in het milieu terecht komen. Op basis van de beschikbare metingen

Watson-database geüpdatet

16

18

WATER MATTERS

Figuur 2: Verloop in de tijd van PFOS-concentraties in rwzi-effluent, gebaseerd op beschikbare metingen.

Bemonsterde rwzi’s kunnen per jaar verschillen. De boxplots geven de mediaan (horizontale streep), de 25en 75-percentiel (de blauwe box), en de range (zwarte ‘snorharen’ ofwel whiskers) in concentraties weer

tot en met 2018 is de bijdrage van rwzi-effluenten aan de gehaltes in oppervlaktewater bepaald. Voor een aantal verbindingen uit de PFAS-groep zijn er genoeg data om zowel een zuiveringsrendement als een emissiefactor af te leiden.

Omdat de productie en een groot aantal toepassingen van PFOS sinds 2010 verboden zijn, is gekeken of de concentratie PFOS in effluenten sinds die tijd ook is afgenomen. De beschikbare metingen laten zien dat dit inderdaad het geval is; sinds 2010 is de gemiddelde concentratie in effluenten met 75% gedaald (figuur 2). Dit komt overeen met het concentratieverloop van de afgelopen 10 jaar in oppervlaktewater. Deze resultaten suggereren dat emissies vanuit rwzi’s en aanvoer uit het buitenland samen voor een substantieel deel de concentraties in oppervlaktewater (en uiteindelijk ook in waterbodems) bepalen. Verder onderzoek zal dit moeten bevestigen.

Opvallend is dat enkele rwzi’s in Zuid-Holland een verhoogde concentratie PFOA laten zien ten opzichte van de rest van Nederland. Waarschijnlijk is dat het gevolg van atmosferische depositie in het verleden, veroorzaakt door de voormalige PFOA-productie­ locatie in Dordrecht, die nog steeds via af- en uitspoeling vanaf verhardingen en vanuit het riool voor verhoogde concentraties in de afvalwaterketen zorgt.

Biociden en gewasbeschermingsmiddelen Een groep van stoffen die ook regelmatig wordt aangetroffen in zowel influenten als effluenten zijn

bestrijdingsmiddelen voor huishoudelijke toepassingen. Het gaat hierbij om insecticiden (zoals fipronil en imidacloprid) en herbiciden (voor onkruidbestrijding op verharde oppervlaktes, zoals glyfosaat). De emissies van een aantal van deze middelen worden binnen de EmissieRegistratie al ingeschat, maar dan via andere methodes en routes. Aangezien deze emissieschattingen vrij grof zijn, is gekeken is in hoeverre de gegevens uit de Watson-database een verbetering van deze emissieschattingen zouden opleveren.

Imidacloprid Imidacloprid mag nog beperkt in de glastuinbouw gebruikt worden, en zit ook in geneesmiddelen voor huisdieren (tegen vlooien en teken). Werd het afvalwater uit de kassen van oudsher – meestal amper gezuiverd – rechtstreeks op het oppervlaktewater geloosd, tegenwoordig loopt de emissieroute steeds vaker via het riool. Voor 2018 wordt ingeschat dat 91 kg via rwzi’s in het oppervlaktewater belandde.

Het is moeilijk in te schatten welk deel hiervan afkomstig is vanuit de glastuinbouw en welk deel vanuit particuliere huishoudens. Opmerkelijk is dat relatief hoge concentraties aangetroffen worden bij rwzi’s die niet in tuinbouwgebieden liggen. Dit impliceert dat emissies van imidacloprid als gevolg van gebruik voor huisdieren een substantiële bron zijn.

Fipronil Hetzelfde geldt voor het insecticide fipronil, dat alleen

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

nog een toepassing heeft bij huisdieren. Uit monitoringsgegevens is berekend dat in 2018 22 kg fipronil het oppervlaktewater bereikte via rwzi’s. Voor zowel fipronil als imidacloprid zijn recent voorlopige ruwe emissieschattingen gemaakt, gebaseerd op toepassingsscenario’s (Lahr et al., 2019). De via Watson berekende vrachten voor beide stoffen zouden volgens deze scenario’s ruim voldoende zijn om de norm voor beide stoffen te overschrijden. Het gebruik van diergeneesmiddelen bij huisdieren zal de komende jaren verder uitgewerkt worden in het thema ‘Dier­ geneesmiddelen: bronnen, routes en risico’s’ binnen de Kennisimpuls Waterkwaliteit (zie website Kennis­ impuls Waterkwaliteit).

Herbiciden op verhardingen Herbiciden zoals glyfosaat worden ook regelmatig aangetroffen in huishoudelijk afvalwater. Glyfosaat wordt in het milieu relatief snel omgezet in aminomethylfosfonzuur (AMPA), waardoor de gemeten glyfosaat-concentraties een onderschatting van de werkelijke emissie geven. Tevens mogen deze stoffen zowel door particulieren als door overheden gebruikt worden, wat het gebruik van monitoringsgegevens minder geschikt maakt. Het gebruik van herbiciden door overheden op verharde oppervlaktes en in openbaar groen is de afgelopen jaren behoorlijk beperkt; door particulieren mogen deze middelen nog wel zonder restricties worden gebruikt. In 2019 hebben het CBS en het RIVM nieuwe cijfers gepubliceerd over het gebruik door overheden en door particulieren. Op basis hiervan hebben wij nieuwe emissieschattingen gemaakt voor deze middelen. Hieruit blijkt dat de emissie van een stof als glyfosaat door particulieren (3172 kg) vele malen hoger is dan het gebruik door overheden (2 kg) en de landbouwsector (37 kg).

Conclusies De van regionale waterbeheerders verkregen moni­ toringsdata, verzameld in de Watson-database, zijn een goede basis voor emissieschattingen voor deze stoffen. Dit kan informatie verschaffen over ­emissieroutes, die via andere wegen slecht in beeld te brengen zijn. Met de laatste update van de Watson-database is het ook mogelijk om voor sommige

JUNI 2020

19

(groepen van) stoffen trends af te leiden uit de reeks aan metingen. Hierdoor is het bijvoorbeeld mogelijk om de effectiviteit van beleidsmaatregelen te eva­ lueren.

Erwin Roex, Nanette van Duijnhoven, Rianne van der Meiracker, Jos van Gils (Deltares), Anja Derksen (AD eco advies) Referenties • Lahr et al.(2019) Diergeneesmiddelen in het milieu, een synthese van de huidige kennis. STOWA rapport 2019-26 • www.cbs.nl/nl-nl/nieuws/2019/35/gebruik-bestrijdings­ middelen-overheden-fors-gedaald • www.emissieregistratie.nl/erpubliek/erpub/wsn/default.aspx • www.kennisimpulswaterkwaliteit.nl • www.rivm.nl/publicaties/particulier-gebruik-biociden2014-2017

SAMENVATTING In de Watson-database worden monitoringsgegevens van waterbeheerders over microverontreinigingen in influent en effluent van rioolwaterzuiveringsinstallaties (rwzi’s) verzameld. Deze data kunnen dienen als input voor emissieschattingen voor stoffen. Deze schattingen kunnen informatie verschaffen over de herkomst van microverontreinigingen die via andere wegen slecht in beeld te brengen is, zoals dit artikel laat zien voor (het particulier gebruik van) vrij verkrijgbare geneesmiddelen voor mensen en huisdieren. Met de laatste update van de Watson-database is het ook mogelijk geworden om voor sommige (groepen van) stoffen, zoals PFAS, trends af te leiden uit de tijdreeks aan metingen: een nuttig instrument bij het evalueren van de effectiviteit van beleidsmaatregelen te evalueren.

Watson-database geüpdatet

20

WATER MATTERS

iStockphoto

AUTEURS

Ruud Steenbeek en Peer Timmers (KWR)

WASTEWATER-BASED EPIDEMIOLOGY: RIOOLWATER ALS SPIEGEL VAN DE SAMENLEVING

Thomas ter Laak en Erik Emke (KWR)

In 2005 werd in Italië voor het eerst een nieuwe methode toegepast om het drugsgebruik in een stad te meten. De bron: chemische analyse van rioolwater. Het succes van dit onderzoek maakte in één klap duidelijk dat rioolwater veel informatie kan opleveren over de gezondheid en de levensstijl van de bevolking.

Frederic Béen (KWR)

Allerlei chemische stoffen en microörganismen komen via het menselijk lichaam of via directe lozing in het rioolwater terecht en vervolgens bij de rioolwaterzuivering. In de rioolwaterepidemiologie ofwel wastewater-based epidemiology (WBE) staat de identificatie van biologische markers (biomarkers) centraal. Het kan gaan om chemische stoffen (die bijvoorbeeld wijzen op consumptie, gebruik of blootstelling) of ziekteverwekkers (bacte­ riën, virussen of hun genetisch materiaal). Een biomarker is bruikbaar als hij door mensen

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

21

Afbeelding 1: De belangrijkste stappen bij de analyse van rioolwater in de rioolwaterepidemiologie (WBE) en de benodigde data per stap (naar Castiglioni et al., 2014) met een rekenvoorbeeld

uitgescheiden wordt, in detecteerbare hoeveelheden in het rioolwater terechtkomt, geen relevante andere bronnen heeft én stabiel is. Onderzoek van drugsgebruik door de bevolking is de bekendste toepassing.

WBE stap voor stap De eerste stap is monstername, waarbij dagelijks elke 5-15 minuten rioolwater verzameld en gemengd wordt om tot één verzamelmonster te komen. Dit wordt gedaan omdat de samenstelling van het rioolwater gedurende de dag erg variabel kan zijn. Het monster wordt bewerkt en eventueel geëxtraheerd en geconcentreerd om de meting van de biomarkers te optimaliseren. Hierna wordt de gevonden concentratie van biomarker vermeningvuldigd met het debiet (de hoeveelheid water die per dag door de waterzuivering stroomt), zodat de vracht van de biomarker bekend is. In het geval van drugs kan het gebruik per dag per 1000 inwoners berekend worden door de vracht te corrigeren voor de menselijke uitscheiding en te delen door het aantal mensen in het voorzieningsgebied. Ook omrekening tot het aantal doses per 1000 inwoners is mogelijk. Zie afbeelding 1 voor een schema van de stappen en een rekenvoorbeeld.

Grootte van de populatie Bij WBE is het belangrijk om de data te normaliseren voor de populatiegrootte. Het officiële aantal

JUNI 2020

inwoners van een voorzieningsgebied is vaak niet up-to-date wat betreft geboorte en sterfte, maar deze variaties zijn klein. Veel belangrijker is de invloed van de mobiliteit van mensen voor werk, vertier of vakantie. Het is daardoor onduidelijk hoeveel ­mensen per dag of zelfs per uur hun biomarkers lozen in een bepaald rioolnetwerk. Dit is te corrigeren door te werken met ‘populatiebiomarkers’. Dat zijn biomarkers waarvan de uitscheiding sterk correleert met de populatiegrootte én onafhankelijk is van abiotische factoren als het weer en de geografische locatie. Als de gemiddelde emissie van een individu voor zo’n populatiebiomarker bekend is, kan het aantal mensen in het voorzieningsgebied op een bepaald moment worden berekend. Bekende populatiebiomarkers zijn zoetstoffen en ammonium.

Huidige toepassingen van WBE WBE werd voor het eerst toegepast in Italië in 2005 om gebruik van illegale drugs te meten. Hierbij werd gekeken naar cocaïne, THC, ketamine, MDMA en heroïne en humane metabolieten van deze stoffen.

Later is WBE ook toegepast om het gebruik van onder andere caffeïne, nicotine, afslankmiddelen en alcohol vast te stellen. Het is ook mogelijk gebleken om op deze wijze het gebruik van nieuwe psychoactieve stoffen (nieuwe drugs) te signaleren en afvallozingen van drugsproductie te traceren (Choi et al., 2015). Tevens

Rioolwater als spiegel van de samenleving

20

22

WATER MATTERS

kan met rioolwateronderzoek onderscheid gemaakt worden tussen legaal en illegaal gebruik van bijvoorbeeld geneesmiddelen. Zo bleek in diverse Nederlandse steden dat slechts een derde van de gebruikte viagra legaal via een doktersrecept was verkregen (Venhuis et al., 2014).

Belangrijk bij het toepassen van WBE is de invloed van omgevingsfactoren op de meting. Een voorbeeld is de toename in de vracht van nicotine tijdens perio­ den van regen. Dat bleek te komen door transport van as en peukenresten door het regenwater naar het rioolwater. Behalve naar middelen die mensen gebruiken wordt er ook gekeken naar stoffen waaraan mensen op andere wijze worden blootgesteld.

Dit kan gaan om bestrijdingsmiddelen, mycotoxines, para­benen, plasticizers, brandvertragende stoffen en UV-filters. De manier van blootstelling varieert, maar van al deze stoffen zijn biomarkers terug te vinden in het rioolwater. De blootstelling kan vervolgens gerelateerd worden aan locatie (bijvoorbeeld nabij industrie) en aan trends in de tijd (denk aan seizoensgebonden gebruik van bestrijdingsmiddelen).

Het Europees netwerk van rioolwateranalyse, Sewage analysis CORe group Europe (SCORE), heeft laten zien dat ook het structureel en grootschalig meten van drugsgebruik mogelijk is. Dit netwerk coördineert internationale studies en zorgt voor kwaliteitscontrole. Op deze manier kan onderzoek gedaan worden met dezelfde gevalideerde methodes, wat resultaten robuust en vergelijkbaar maakt. Jaarlijks worden deze gegevens dan ook gebruikt door het European Monitoring Centre for Drug and Drug Addiction. In 2011 is zo in 19 Europese steden voor het eerst het illegale drugsgebruik vergeleken. Sindsdien is het meetnetwerk uitgebreid tot bijna 120 steden binnen en buiten Europa (González‐Mariño et al., 2020).

Toekomst Een breed scala aan biomarkers in het afvalwater kan ons bijna real-time en met een hoge geografische resolutie iets vertellen over een bepaalde populatie.

Het kan gaan om gedrag (bijvoorbeeld drugsgebruik of voedingspatroon), blootstelling (bijvoorbeeld aan bestrijdingsmiddelen en industriële stoffen) en gezondheid (bijvoorbeeld pathogenen of antibio­

ticaresistentie). De meeste studies naar biomarkers hebben nog een academisch en verkennend karakter.

In de toekomst kan analyse van rioolwater veel maatschappelijk relevante informatie opleveren.

Zo kan WBE dienen om de gezondheid van de bevolking te peilen. Het geeft bijvoorbeeld informatie over het dieet van een populatie en het gebruik van medicijnen. Voor antibiotica kan dit bovendien worden gerelateerd aan het voorkomen van antibioticare­ sistentie, want rioolwater bevat bacteriële resistentiegenen. Analyse van specifieke DNA-fragmenten van pathogene ziekteverwekkers kan informatie opleveren over de verspreiding van infecties. Zeer recent is deze techniek toegepast om het voorkomen van SARS-CoV2, het virus verantwoordelijk voor CoviD-19, in diverse steden in Nederland te meten (H2O/Waternetwerk, 2020). Analyse van rioolwater kan zo een goed instrument zijn om een virusuitbraak te monitoren op verschillende geografische schalen en zelfs, als de resolutie van de technieken toereikend is, om een virus in een populatie vroegtijdig op te sporen.

Koppeling aan andere gegevens In alle gevallen is het van belang dat de toegepaste methoden robuust en betrouwbaar zijn, maar ook dat gegevens uit het rioolonderzoek worden gekoppeld aan andere informatiebronnen over het voorzieningsgebied van rioolwaterzuiveringen, zodat verbanden kunnen worden gelegd. In het geval van drugsproductie gaat dit om informatie bij politie en opsporingsdiensten. WBE kan ook toegepast worden bij evenementen. Hierbij kan bijvoorbeeld gekeken worden naar de alcohol- en drugsconsumptie op een festival of gebruik van prestatiebevorderende middelen bij een (niet-)professioneel sportevenement. In het geval van antibioticaresistentie gaat het om een relatie tussen antibioticaconsumptie enerzijds en het aantreffen van infecties met resistente bacteriën bij patienten anderzijds. Zo wordt signalering van antibioticaresistentie in een populatie een stuk eenvoudiger.

Conclusie Al met al is ons rioolwater een bijna onuitputtelijke bron van informatie over ons gedrag en onze gezondheid zonder dat hiermee de privacy geschonden

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

wordt. Door deze informatie te combineren met ­bijvoorbeeld bevolkingsonderzoeken of gezondheidsstatistieken kunnen we onszelf beter leren kennen.

Na 2005 is er steeds meer onderzoek gedaan naar deze methode en het aantal onderzoeken blijft groeien. De toepassingen van WBE en het aantal onderzochte biomarkers zijn de laatste jaren dan ook sterk uitgebreid.

De waterschappen hebben met WBE een ­belangrijke informatiebron in handen die relevant is voor het toetsen en vormgeven van beleid. Overheden op alle niveaus inclusief hun uitvoerende organisaties op het gebied van volksgezondheid, milieu en handhaving kunnen hun voordeel doen met deze informatie (Verhoeven et al., 2020).

Ruud Steenbeek, Peer Timmers, Thomas ter Laak, Erik Emke en Frederic Béen (KWR)

Referenties Castiglioni, S., Thomas, K. V., Kasprzyk-Hordern, B., Vandam, L., & Griffiths, P. (2014). Testing wastewater to detect illicit drugs: state of the art, potential and research needs. Science of the Total Environment, 487, 613-620.

Choi, P. M., Tscharke, B. J., Donner, E., O'Brien, J. W., Grant, S. C., Kaserzon, S. L., ... & Mueller, J. F. (2018). Wastewaterbased epidemiology biomarkers: Past, present and future.

TrAC Trends in Analytical Chemistry, 105, 453-469.

González Mariño, I., Baz-Lomba, J. A., Alygizakis, N. A., AndrésCosta, M. J., Bade, R., Bannwarth, A., ... & Bijlsma, L. (2020).

Spatio-temporal assessment of illicit drug use at large scale: evidence from 7 years of international wastewater monitoring.

Addiction, 115(1), 109-120.

“KWR Vindt Coronavirus in Rioolwater En Werkt Aan Ontwikkeling Screeningstool.” H2O/Waternetwerk, 24 Mar. 2020, www.h2owaternetwerk.nl/h2o-actueel/kwr-vindt-coronavirusin-rioolwater Venhuis, B. J., de Voogt, P., Emke, E., Causanilles, A., & Keizers, P. H. (2014). Success of rogue online pharmacies: sewage study of sildenafil in the Netherlands. BMJ: British Medical Journal (Online), 349.

Verhoeven, M et al. (2020). Hoogheemraadschap de Stichtse Rijnlanden. Geraadpleegd op 16 maart. Persoonlijke communicatie.

SAMENVATTING In de rioolwaterepidemiologie ofwel wastewaterbased epidemiology (WBE) wordt rioolwater benut als bron van informatie over de gezondheid en de levensstijl van burgers. Analyse van rioolwater kan informatie opleveren over drugs- en medicijngebruik, gebruik van voedingsmiddelen en andere producten en over blootstelling aan bijvoorbeeld bestrijdingsmiddelen in het voorzieningsgebied van een rioolwaterzuivering. Ook monitoring van pathogenen is mogelijk. Onderzoek naar zulke ‘biomarkers’ is voor het eerst gedaan in 2005 voor illegale drugs, maar daarna snel verbreed. Rioolwater blijkt een spiegel van de samenleving. Door de data te normaliseren voor de populatie, kunnen verschillende regio’s vergeleken worden. Dergelijke informatie kan overheden helpen hun beleid toetsen en verbeteren.

JUNI 2020

23

Rioolwater als spiegel van de samenleving

24

WATER MATTERS

AUTEURS

Wilfred Altena en Leonard Osté (Deltares)

Hannie Maas (Rijkswaterstaat)

Noud Kuijpers (Programma­ bureau KRW/DHZ Maasregio)

DE HERKOMST VAN VERONTREINIGINGEN BEPALEN OVER BEHEERGRENZEN HEEN: CASUS MAASSTROOMGEBIED Voor sommige stoffen zijn de normoverschrijdingen in de Maas niet te verklaren vanuit de directe buitenlandse aanvoer (via Eijsden) en de activiteiten ­binnen het eigen beheergebied van Rijkswaterstaat. Rijkswaterstaat had behoefte aan meer inzicht in de stofbelasting vanuit de regionale wateren.

Dezelfde vraag bleek relevant voor de regionale waterbeheerders ten aanzien van de belasting onderling en uit buitenlandse regionale wateren. Er was een manier nodig om de herkomst van verontreinigingen te traceren.

We hebben een model gebruikt dat emissiegegevens uit de Nederlandse EmissieRegistratie koppelt aan de hydrologie van de KRW-Verkenner (zie kader). Zo konden we voor elke willekeurige locatie de concentratie van een stof berekenen. De resultaten vergeleken we daarna met metingen en op basis daarvan is het model geoptimaliseerd. Essentieel is dat bij die optimalisatie de kennis over de bronnen en het gedrag van stoffen wordt meegenomen. Om voor een willekeurige locatie de herkomst van een stof te bepalen wordt gebruik gemaakt van virtuele ‘tracers’. Aan de hand van deze tracers kan bepaald worden uit welk beheer­ gebied en uit welk brontype de stof afkomstig is.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

25

Afbeelding 1. Vergelijking van gemeten (x-as) en berekende (y-as) waarden voor de gemodelleerde stoffen. Voor kobalt en zink geldt dat de open bolletjes van voor de kalibratie (‘bijschatting’ respectievelijk retentie) zijn en de gevulde bolletjes van erna. Vanwege de beperkte ruimte zijn de resultaten voor fluorantheen hier niet gepresenteerd

KRW-VERKENNER De KRW-Verkenner analyseert de effectiviteit van mogelijke KRW-maatregelen en maatregelpakketten op de chemische en ecologische kwaliteit van oppervlaktewateren. De tool geeft zo dus inzicht hoe KRW-doelen gehaald kunnen worden.

Voorbeelden van maatregelen zijn het aanpakken van puntbronnen (zoals rwzi's) of diffuse bronnen (zoals landbouw of verkeer), het hermeanderen van beken of het aanleggen van natuurvriendelijke oevers. Zie ook www.deltares.nl/nl/projecten/ krw-verkenner

Opzetten van het model De methode hebben we ontwikkeld en geoptimaliseerd aan de hand van vier stoffen (Osté en Altena, 2019): carbamazepine, fluorantheen, kobalt en zink.

Deze stoffen verschillen in chemische ­eigenschappen en gebruik en er is niet voor alle vier dezelfde informatie beschikbaar. Van zink is het meest bekend: bronnen en meetgegevens. Voor kobalt geldt dat bijvoorbeeld data over lozingen naar oppervlakte­water incompleet zijn, vooral omdat de uitspoeling uit de bodem niet bekend is. Voor carbamazepine is de omvang van de bronnen vrij nauwkeurig bekend, maar zijn er weinig monitoringsgegevens. Fluorantheen heeft atmosferische depositie als belangrijkste bron.

Het gebruik van virtuele tracers maakt het mogelijk om op basis van het model een schatting te maken van de herkomst en omvang van bronnen of in te schatten op welke plaatsen de hoogste concentraties verwacht mogen worden.

JUNI 2020

Voor de berekeningen is gebruik gemaakt van de KRW-Verkenner Maasschematisatie (Meijers, 2018).

Aan deze schematisatie zijn op basis van data uit de EmissieRegistratie (Nederlandse EmissieRegistratie, 2019) puntbronnen en diffuse bronnen van zink, kobalt, carbamazepine en fluorantheen toegevoegd.

Deze puntbronnen betreffen bedrijven en waterzuiveringsinstallaties; ze zijn in de KRW-Verkenner toegevoegd op de locatie van hun uitstroompunt in de Maas. Naast deze interne bronnen zijn in het Maasstroomgebied ook de kleinere beheergrensoverschrijdende wateren van belang. Voor deze wateren is op basis van meetdata op of nabij het grenspunt voor de betreffende stoffen een concentratie vastgesteld. De waterbeheerders hebben daarvoor monitoringsge­ gevens aangeleverd.

Retentie Voor zink worden alle (binnen- en buitenlandse) bronnen geregistreerd in de EmissieRegistratie en is de kwaliteit van die informatie goed. Daarnaast wordt zink ook op veel locaties gemonitord door de waterbeheerders waardoor veel validatiepunten beschikbaar zijn. Zink was dus een goede kandidaat om als eerste het model mee te testen en te kalibreren. Het blijkt dat de berekende zinkconcentraties aanzienlijk hoger zijn dan de gemeten concentraties (afbeelding 1). Dit geldt niet alleen voor de grotere wateren, maar ook voor de haarvaten van het systeem. Aangezien al veel onderzoek is gedaan naar alle puntbronnen, gaan we er vanuit dat de emissiegegevens kloppen.

Waarheen ‘verdwijnt’ dan een deel van het geloosde zink? Wij hebben geconcludeerd dat het meenemen

Herkomst verontreinging Maasstroom­ gebied

24

26

WATER MATTERS

Afbeelding 2. Herkomst van de belasting in en het debiet van de Maas bij Keizersveer, naar waterbeheerder en brontype De buitenlandse aanvoer is hierbij toegeschreven aan de waterbeheerder waar het buitenlandse waterlichaam Nederland binnenkomt. (Vanwege de beperkte ruimte zijn de testgegevens over fluorantheen hier niet gepresenteerd.)

Afbeelding 3. Effect van een hypothetische maatregel (emissiereductie van 90% voor carbamazepine door alle rwzi’s in waterschap De Dommel) op met het model berekende concentraties carbamazepine in de Maas

van retentie, de vastlegging van stoffen in onder andere de waterbodem, in kleine wateren de meest logische optimalisatiestap was. Op basis van het verschil in gemeten en berekende concentraties in de kleine wateren is een retentiefactor berekend. Het doorrekenen met de retentiefactor bleek ook voor de grotere wateren zinkconcentraties op te leveren die beter overeenkomen met de feitelijke metingen.

Monitoringsnetwerk afstemmen Voor het geneesmiddel carbamazepine geldt dat de bronnen (rwzi’s en huishoudelijk afvalwater via septic tanks) goed bekend zijn, maar dat het aantal meetdata zeer beperkt is. Voor deze stof is dus alleen een modelberekening met de data uit de Emissie­ Registratie gedaan, zonder verdere aanpassing van het model (zie afbeelding 1). Voor waterlichamen waarvan niet of nauwelijks meetdata over een specifieke stof aanwezig zijn geeft het instrument een eerste indicatie voor te verwachten concentraties.

Hiermee kan besloten worden voor welke locaties het zinvol is om te gaan monitoren, bijvoorbeeld omdat er hoge concentraties worden verwacht bij een specifiek inlaatpunt. Voorwaarde hiervoor is wel dat een mate van retentie en/of afbraak bekend is.

‘Bijschatten’ van bronnen Waar voor zink veel data beschikbaar zijn, zowel monitoringsgegevens als informatie over bronnen, ontbreekt voor veel andere stoffen een deel van de informatie. Voor kobalt bijvoorbeeld zijn veel metingen beschikbaar, maar is de kennis over bronnen gebrekkig. Uit onze berekeningen kwamen aanzienlijk lagere concentraties dan de gemeten waarden (afbeelding 1). De voornaamste oorzaak hiervan is waarschijnlijk dat voor kobalt uitspoeling uit de bodem niet is opgenomen in de EmissieRegistratie en dat deze bron dus niet is meegenomen in de berekening. Om de uitspoeling te kunnen modelleren is deze geschat op basis van het verschil tussen de gemeten en de gemodelleerde c­ oncentraties. De ruimtelijke spreiding in regionale wateren van dit concentratieverschil kan informatie opleveren over verschillen in de intensiteit van uitspoeling. Op die manier kunnen we een bron schatten waarvoor geen emissiecijfers aanwezig zijn.

Voor ­kobalt is, op basis van het verschil in gemeten en gemodelleerde concentraties, de intensiteit van uitspoeling geschat op 11 gram/ha/jaar. Deze waarde is uniform over het gehele Maasstroomgebied toegepast.

Herkomstanalyse De ontwikkelde methode is toegepast op het Nederlandse Maasstroomgebied voor vier stoffen. Uit de modelberekeningen blijkt dat de regionale vracht op de Maas bij Keizersveer (net voor de Biesbosch) groter is dan de bij Eijsden uit België binnenstromende buitenlandse vracht. De regionale bronnen dragen dus belangrijk bij aan de totale vracht. Bovendien zijn de concentraties in de regionale wateren hoger, ­doordat het debiet er relatief klein is (afbeelding 2).

Daar moet wel bij worden opgemerkt dat een groot gedeelte van deze binnenlandse belasting weer afkomstig is vanuit regionale grensoverschrijdende wateren. De bijdrage vanuit waterschap Brabantse Delta is zeer klein, omdat dit waterschap vooral ná

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

Keizersveer afwatert op de Maas. Daar treedt ook menging op met Rijnwater.

Voor de concentraties zink en kobalt is er een stijgende trend tussen Eijsden en Keizersveer, voor fluor­ antheen is er juist een duidelijke afname zichtbaar. In alle gevallen kan via de ontwikkelde methode worden verklaard of de toe- of afname afkomstig is uit het binnenland of uit het buitenland. Voor de praktijk betekent dit onder andere dat met de ontwikkelde methode afwenteling zichtbaar kan worden gemaakt en dat normoverschrijdingen dus niet alleen binnen het beheergebied van de betreffende waterbeheerder opgelost kunnen worden.

Effect van maatregelen kwantificeren De herkomstbepaling maakt inzichtelijk welke bron(nen) belangrijk is/zijn voor benedenstroomse overschrijdingen en geeft daarmee een indicatie voor mogelijke maatregelen. Daarnaast kan met het model het effect van een mogelijke maatregel ook gekwantificeerd worden. Er zijn verschillende typen maatregelen die kunnen worden doorgerekend, zoals het lokaal of regionaal verminderen van diffuse bronnen, de emissies van puntbronnen aanpassen of bezinkputten toevoegen in het watersysteem. Als voorbeeld is het effect op de Maas van een emissiereductie van 90% voor carbamazepine door alle rwzi’s in waterschap De Dommel doorgerekend (afbeelding 3).

Conclusies De ontwikkelde methode – koppelen van KRW-Verkennermodel (hydrologie) en Nederlandse EmissieRegistratie (emissies) – geeft stofconcentraties die niet altijd overeenkomen met meetdata en kennis over bronnen. Voor de kalibratiestap maakt het model gebruik van kennis over het gedrag van stoffen, ­afhankelijk van de beschikbare informatie: 1. retentie of nalevering in het watersysteem (als informatie over bronnen en concentraties goed beschikbaar is); 2. ‘bijschatten’ van bronnen (als de kennis over bronnen onvolledig is en het model de gemeten concentraties onderschat).

Als geen of nauwelijks meetdata beschikbaar zijn

JUNI 2020

27

maar wel betrouwbare informatie over bronnen, geven de modelresultaten een eerste indicatie voor te verwachten concentraties op een locatie.

Ook kan het model kwantitatieve voorspellingen doen over (verandering van) concentraties bij het nemen van emissiereducerende maatregelen.

Verder kan met behulp van virtuele ‘tracers’ op elke gewenste locatie in het model worden weergegeven waar de bronnen zich bevinden die verantwoordelijk zijn voor de gevonden stofconcentratie; een nuttig ­instrument om mee met andere beheerders in gesprek te gaan.

Wilfred Altena (Deltares), Leonard Osté (Deltares), Hannie Maas (Rijkswaterstaat), Noud Kuijpers (Programmabureau KRW/DHZ Maasregio) Gebruikte bronnen • Osté, L. en Altena, W. (2019). Ontwikkeling methode ­afwenteling stoffen in het Maasstroomgebied, Deltares ­rapport 11203432-002-ZWS-0003.

• Meijers, E. (2018). Verbetering hydrologische schema­tisatie KRW-Verkenner Maas t.b.v. bronnenanalyses, Deltares memo.

• Nederlandse EmissieRegistratie, www.emissieregistratie.nl, geraadpleegd: 13-02-2019.

SAMENVATTING Waterbeheerders zijn doorgaans vooral gericht op de verontreinigingsbronnen in hun eigen watersysteem, maar soms is het wenselijk om inzicht te hebben in bronnen elders. Dit artikel beschrijft een nieuwe methode om de belasting vanuit bovenstroomse wateren naar een benedenstrooms punt te identificeren. De methode maakt iteratief gebruik van een waterkwaliteitsmodel (hydrologie, emissies) en gemeten concentraties in het oppervlaktewater. He model kan op een willekeurige locatie voor iedere stof de herkomst – ruimtelijk, naar brontype en kwantiteit – te bepalen. Dat maakt de methode nuttig in de samenwerking tussen waterbeheerders, in het zoeken naar maatregelen ter verbetering van de waterkwaliteit, en het voorspellend kwantificeren van de effecten van maatregelen.

Herkomst verontreinging Maasstroom­ gebied

28

WATER MATTERS

VERWIJDERINGSRENDEMENTEN VAN MEDICIJNRESTEN OP 18 RWZI’S AUTEURS

Een meetcampagne op 18 rwzi’s in het oosten van het land geeft inzicht in de verwijderingsrendementen van medicijnresten. De 11 gidsstoffen laten een gemiddelde verwijdering zien van rond de 30%.

Herman Evenblij (RHDHV)

Melanie Kuiper (Waterschap Drents Overijsselse Delta)

Els Schuman (LeAF)

Vrijwel alle oppervlaktewateren in Nederland bevatten sporen van microverontreinigingen: medicijnresten, gewasbeschermingsmiddelen, huishoudelijke chemicaliën en industriële verontreinigingen. De concentraties van deze stoffen zijn laag, variërend van enkele nanogrammen tot milligrammen per liter.

Ook al zijn de concentraties laag, er zijn steeds meer aanwijzingen dat deze stoffen een negatieve impact hebben op het watermilieu. Een groot deel van de microverontreinigingen in oppervlaktewater is te herleiden tot effluentlozingen van rioolwaterzuiveringsinstallaties (rwzi’s) (Moermond et al, 2016).

Rwzi’s verwijderen deze stoffen in meer of mindere mate, tussen 0 en 99%. Dit is onder andere afhankelijk van de stofeigenschappen (o.a. Watson database, Wubbels et al, 2018, en vergelijk STOWA 2018-02, STOWA 2018-46). Het verwijderingsrendement voor specifieke stoffen kan per rwzi sterk verschillen (o.a. Maas et al, 2017).

Dit artikel is het vervolg op een publicatie in de vorige uitgave van Water Matters (september 2019). Daarin werd een meetcampagne beschreven, opgezet om de impact van geloosde geneesmiddelen uit 7 rwzi’s bij waterschap Aa en Maas te bepalen (Evenblij et al, 2019).

Dit artikel beschrijft beknopt de inzichten in de verwijderingsrendementen, verkregen met een meetcampagne op 18 rwzi’s in het oosten van Nederland. Het gaat specifiek in op de resultaten van de verwijdering van medicijnresten, niet op de andere gemeten organische microverontreinigingen.

Voorafgaand aan het onderzoek zijn twee onderzoeksvragen opgesteld: 1. Wat is het verwijderingsrendement van de microverontreinigingen?

2. Zijn er eenvoudige procesparameters waarmee het verwijderingsrendement beïnvloed kan worden?

De meetcampagne werd uitgevoerd op 18 rwzi’s in de beheersgebieden van 5 waterschappen: Drents Overijsselse Delta, Zuiderzeeland, Vallei en Veluwe, Vechtstromen en Rijn en IJssel. In februari en juli 2018 werd van deze rwzi’s 3 keer een 48-uursmonster van influent en effluent genomen. De monsters werden genomen in een periode van droogweeraanvoer, in een periode van ongeveer 10 dagen.

Voor het project is een analysepakket opgesteld bestaande uit organische microverontreinigingen, macroparameters en metalen. Bij de samenstelling van het stoffenpakket is rekening gehouden met probleemstoffen die in oppervlaktewater voorkomen, de conceptlijst (2017) van RWS met 11 (aanbevolen) ‘gidsstoffen’ en ‘overige stoffen relevant voor

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

29

Figuur 1 (a en b) Medicijnresten in RWZI influent en effluent, in microgram per liter. De bij name genoemde stoffen zijn de stoffen met de hoogste concentraties, gemiddeld over 18 RWZI’s. De getallen zijn de gemiddelde concentratie per stof.

monitoring effluenten’, de stoffen die binnen vergelijkbare projecten zoals het PACAS-project op rwzi Papendrecht zijn gemeten en stoffen die prominent in de Watson database voorkomen.

Vervolgens is met het beschikbare budget zoveel mogelijk aansluiting gezocht op gangbare analysepakketten van het laboratorium. Er is bewust voor een ‘beperkte’ analyse van het aantal microveront­ reinigingen gekozen, waardoor frequenter gemeten kon worden.

In deze studie is niet gekeken naar effecten op het watersysteem.

Analyse van geneesmiddelen De geneesmiddelenanalyses zijn uitgevoerd met positieve ionisatie vloeistofchromatografie – massa­ spectrometrie (pos-LC-MSMS). Daarvan werden 57 geneesmiddelen en 2 metabolieten daarvan bepaald. De effluentmonsters werden zonder extra verdunning opgenomen in eluens met toegevoegde gelabelde interne standaarden en door directe injectie geïnjecteerd op de LC-MSMS. De influentmonsters werden vooraf 5 keer verdund om matrixeffecten te verminderen en daarna op dezelfde wijze gemeten als de effluentmonsters. De analyses zijn uitgevoerd door Aqualysis.

Resultaten De gemeten influentconcentraties van medicijnresten op de 18 onderzochte rwzi’s varieerden van kleiner dan 0,1 µg/l tot honderden µg/l. De totale hoeveelheid van de 59 geanalyseerde medicijnresten in het influent was gemiddeld 464 µg/l. Meer dan 75% van de vracht bestond uit paracetamol (pijnstiller) en met-

JUNI 2020

formine (bloedsuiker regulerend). In effluent van de rwzi’s was de totale concentratie aanzienlijk kleiner (21,1 µg/l), en hier is ook een andere ‘top 11’ dan in het influent (figuur 1).

Metformine wordt door een rwzi weliswaar goed verwijderd, maar de gemeten effluentconcentratie was nog wel groter dan 1 µg/l. Het totale verwijderingsrendement op de totale vracht medicijnresten bedroeg meer dan 90%. Dit rendement wordt grotendeels beïnvloed door de hoge vracht van de goed verwijderbare stoffen metformine en paracetamol.

Zonder deze twee stoffen ligt de totale vrachtverwijdering van de medicijnresten tussen de 60-85%, afhankelijk van de rwzi.

Verwijdering van gidsstoffen Door STOWA is in samenwerking met het m ­ inisterie van Infrastructuur en Waterstaat het Innovatieprogramma Microverontreinigingen opgezet. In dit programma wordt gebruik gemaakt van 11 gidsstoffen, om de effectiviteit van verwijderingstechnieken te evalueren. De gemiddelde verwijderingsrendementen van deze 11 gidsstoffen, zoals afgeleid uit de meetcampagne, zijn gepresenteerd in figuur 2.

Het gemiddelde verwijderingsrendement per rwzi varieert van 9% tot 53%. Overall, voor alle 18 rwzi’s gezamenlijk ligt het gemiddelde rendement van de 11 stoffen rond de 30%. Zowel in de zomer als in de winterperiode zijn er meerdere stoffen die regel­matig een negatief verwijderingsrendement laten zien: 22 in de zomer en 37 in de winter. Dit toont aan dat een aantal stoffen in het influent niet of onvoldoende wordt gemeten, terwijl deze in het effluent (blijkbaar) nauwkeuriger te meten zijn. Het is ook mogelijk dat

Meetcampagne medicijnresten op 18 rwzi’s

28

30

WATER MATTERS

Figuur 2.

Gemiddeld verwijderingsrendement van de 11 gidsstoffen van het Innovatieprogramma Microverontreinigingen, per RWZI

een stof in het influent als een niet gemeten metaboliet wordt aangevoerd en dus ‘onzichtbaar’ is, om vervolgens op de RWZI door omzettingsprocessen terug te vallen in de moedercomponent die wel gemeten is.

Vrachten en concentraties van de stoffen uit het ZORG-project In 2011 is een inventarisatie gemaakt van de emissie van geneesmiddelen uit zorginstellingen (STOWA 2011-2). In die studie is op 8 rwzi’s de aanvoer en emissie van 25 stoffen gemeten. Het gemiddelde verwijderingspercentage van de destijds gemeten stoffen (exclusief metformine) (somvrachtverwijdering) bedroeg in die studie 65%.

Ter vergelijking is dit percentage voor de 18 rwzi’s in deze studie ook berekend en gepresenteerd in figuur 3 (de blauwe balken). Het gemiddelde verwijderingsrendement bedroeg 78%, wat beduidend hoger is dan de 65% zoals gemeten in het ZORG-project.

In figuur 3 is de verwijdering van medicijnresten ook op een andere manier gepresenteerd, namelijk als gemiddeld verwijderingspercentage per stof. Hiervoor is van elke stof individueel de procentuele concentratieverlaging berekend. Vervolgens zijn voor alle beschouwde stoffen deze waarden gemiddeld (analoog aan de berekening van verwijdering van de 11 gidsstoffen): de groene balken in figuur 3. Dit is gedaan voor dezelfde lijst van 25 stoffen uit het ZORG-project.

Gemiddeld liggen de concentraties van deze stoffen in het effluent 46% lager dan in het influent.

Verder blijkt dat deze benadering (kleine) veranderingen laat zien ten opzichte van de somvrachtbenadering. Beide benaderingen zijn echter nodig om te kunnen bepalen in hoeverre de lozing van medicijnresten een risico vormt voor het ontvangende oppervlaktewater.

Dat is een studie op zich, waarbij ook nog tal van ­andere factoren een rol spelen, zoals de functie en kwaliteit van het oppervlaktewater waarop wordt geloosd. Verwijzend naar het vorige artikel over de meetcampagne bij waterschap Aa en Maas, kan wel gesteld worden dat dit type meetgegevens input geeft om een ‘ranking’ te bepalen van rwzi’s, als nadere detaillering van bijvoorbeeld de Hotspot Analyse ­Geneesmiddelen op rwzi’s.

Relatie tussen verwijdering en operationele ­karakteristieken van de rwzi In dit project is tijdens ieder meetmoment een aantal karakteristieken van de rwzi genoteerd zodat even­ tuele verbanden gelegd kunnen worden. De zoektocht was daarbij gericht op relaties tussen procesomstandigheden van de rwzi’s en de verwijdering van medicijnresten.

De volgende kenmerken zijn geanalyseerd: tempera­ tuur, hydraulische verblijftijd, slibleeftijd, hoeveelheid zware metalen (waarbij koper als indicator is gebruikt), aanwezigheid van interne belasting uit ontwatering van uitgegist slib. Ook is de technologische opzet van de rwzi meegenomen. Zoals uit figuur 3 blijkt is er voor de gemiddelde verwijdering een ­grotere spreiding dan in de somvrachtverwijdering, zodat de verwachting was dat eventuele verbanden hiermee sterker konden worden aangetoond. Daarom zijn de genoemde technologische parameters gecorreleerd aan de gemiddelde verwijdering van de stoffen per rwzi.

Er zijn echter geen statistisch significante ­verbanden gevonden tussen de beschouwde parameters en de verwijdering van medicijnresten. De enige signi­ ficant relevante parameter bleek de temperatuur te zijn. In de zomerperiode is het gemiddelde

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

31

Figuur 3.

Vergelijking tussen somvrachtverwijdering en procentuele concentratieverlaging van de 25 stoffen uit het ZORG project, voor de 18 beschouwde RWZI’s in Rijn-Oost gebied

v­ erwijderings­rendement van alle gemeten stoffen (exclusief p ­ ara­cetamol en metformine) 55% en in de winter 32%.

Conclusie In alle influenten is een groot scala aan medicijn­ resten aangetroffen, variërend in concentratie van minder dan 0,1 tot honderden microgrammen per ­liter. De gemiddelde overall verwijderingsrendementen van microverontreinigingen is sterk afhankelijk van de ­beschouwde microverontreinigingen, en of de verwijdering wordt berekend op basis van de somvracht of op basis van het gemiddelde van de verwijderingsrendementen van individuele stoffen. Op basis van het gemiddelde van de rendementen van individuele stoffen zijn grotere verschillen gevonden tussen rwzi’s dan op basis van de verwijdering van somvrachten.

De 11 gidsstoffen uit het innovatieprogramma ­microverontreinigingen die ook in dit onderzoek zijn meegenomen laten een gemiddelde verwijdering zien van rond de 30%. De prestaties van individuele rwzi’s variëren van 9% tot 53% voor de 11 gidsstoffen.

De verschillen tussen rwzi’s zijn niet te koppelen aan eenvoudige technologische parameters of het ­zuiveringsconcept. Mogelijk dat voor individuele stoffen of stofgroepen de systeemconfiguratie van een rwzi wel van invloed kan zijn, dit is in dit onderzoek niet onderzocht. De verwijdering van microverontreinigingen bleek het sterkst in verband gebracht te kunnen worden met temperatuur. In de warme zomerperiode is een significant hoger verwijderingsrendement gevonden dan in de koude winter.

Herman Evenblij, (RHDHV), Els Schuman (LeAF), Melanie Kuiper (Waterschap Drents Overijsselse Delta)

JUNI 2020

De voor dit project verzamelde gegevens zijn opvraagbaar bij Waterschap Drents Overijsselse Delta.

Referenties Evenblij, H., Schoffelen, N., Knoben, R., Hulst, W. v.d. (2019) Rangschikking RWZI's op basis van metingen aan genees­ middelen, Water Matters 1 (9), 36-39.

Maas, P. van der; B. Bult; H. de Vries; O. Kluiving; 2017; Ver­ wijdering van acesulfaam in rioolwaterzuiveringsinstallaties: wat bepaalt het verschil?, H2O, 17 juli 2017 Moermond, C. et al, Geneesmiddelen en waterkwaliteit, RIVM, 2016-0111 Wubbels et al. Biologische fingerprinting biedt inzicht in verwijdering van medicijnen en zoetstoffen in RWZI’s zie hier STOWA 2017-42 Landelijke Hotspotanalyse geneesmiddelen RWZI’s STOWA 2018-46 Zoetewaterfabriek awzi de Groot Lucht: pilotonderzoek ozonisatie en zandfiltratie STOWA 2018-02 PACAS – Poederkooldosering in actiefslib voor verwijdering van microverontreinigingen Watson database in de emissieregistratie; http://www.emissie registratie.nl/erpubliek/erpub/wsn/default.aspx

SAMENVATTING Rwzi’s zijn een bron van microverontreinigingen in oppervlaktewater en vertonen een onverklaarbare onderlinge variatie in de verwijdering van deze stoffen. In het beheersgebied van de 5 oostelijke waterschappen is op 18 rwzi’s onderzocht wat het verwijderingsrendement is voor medicijnresten.

Verder is getracht om de optredende verschillen te correleren aan de actuele procesparameters op de betreffende rwzi’s. Een selectie van 11 gidsstoffen uit het Innovatieprogramma Microverontreinigingen heeft een gemiddelde verwijdering van 30%. De prestaties van individuele rwzi’s variëren van 9% tot 53% voor deze gidsstoffen. De verschillen tussen rwzi’s zijn niet te koppelen aan eenvoudige technologische parameters of het zuiveringsconcept.

Meetcampagne medicijnresten op 18 rwzi’s

32

WATER MATTERS

AUTEURS

Stefanie Salmon en Stijn Brouwer (KWR Water Research Institute)

Stef Koop (KWR, Universiteit Utrecht)

WATERBESPARING IN NEDERLAND: HOE KUNNEN WE ONS GEDRAG VERANDEREN? Bewust en zuinig gebruik van drinkwater is niet vanzelfsprekend. Nodig is het wel, vanwege de noodzakelijke duurzame omgang met kwetsbare natuur en beschikbare grondstoffen, en om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Bovenal is water schaars; de droge zomer van 2018 was wat dit betreft een ‘wake-up call’ voor drinkwaterbedrijven. Hoe logisch het ook lijkt om ­zuinig te zijn met drinkwater, het is gemakkelijker gezegd dan gedaan.

Ondanks de toegenomen verkoop van waterbesparende apparaten is het watergebruik door huishoudens in de afgelopen decennia slechts licht afgenomen (Van Thiel, 2017). Daarom is het belangrijk om ook in te zetten op waterbesparend gedrag. Vooralsnog doen waterbedrijven dit voornamelijk door het geven van een drinkwateradvies bij droogte. De vraag is echter in hoeverre men deze adviezen opvolgt. Want wat is er nodig hen te bewegen daadwerkelijk

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

minder drinkwater te gebruiken? In dit artikel zetten we op basis van een uitgebreide literatuurstudie de belangrijkste inzichten over het stimuleren van waterbesparend gedrag op een rij.

Kennisoverdracht is niet voldoende Het standaard idee is dat je mensen moet informeren, bijvoorbeeld over de negatieve gevolgen van waterschaarste voor het milieu (Koop et al., 2019). Als ze maar genoeg kennis hebben, dan zullen zij een positievere houding hebben ten aanzien van waterbesparend gedrag. Echter, een positieve houding betekent nog niet dat mensen ook zelf water willen besparen.

Als niemand in hun omgeving bezig is met water­ besparing (negatieve sociale norm) en ze niet het idee hebben te weten hoe dit te doen (lage inschatting van eigen effectiviteit), dan is de kans klein dat ze daadwerkelijk water willen besparen.

Waar een wil is, is een weg?

Bij het stimuleren van gedragsverandering door kennisoverdracht is één van de uitgangspunten dat mensen min of meer weloverwogen beslissingen nemen over hun gedrag. Dit is echter lang niet altijd het geval. Het van plan zijn om korter te douchen leidt in de praktijk vaak niet tot daadwerkelijk korter douchen.

Eén van de redenen waarom intenties vaak niet tot gedrag leiden is dat veel dagelijkse keuzes op een vrijwel gedachteloze manier worden gemaakt. In de hersenen zijn twee systemen in meer of mindere mate actief: Systeem 1 is een snel systeem, ­gebaseerd op emotie, impuls of gewoonte. Het wordt ook wel ons automatische brein genoemd omdat je er geen controle over kan uitoefenen. Systeem 2 is een langzamer en meer reflectief systeem gebaseerd op cognitie en het overdenken van keuzes (Kahneman, 2012). Denken volgens Systeem 2 kost de hersenen veel energie. Door een gebrek aan tijd, mentale energie of capaciteit, opereren de hersenen veelal vanuit Systeem 1. Twee gedragsveranderingstactieken

JUNI 2020

33

die zich richten op weloverwogen keuzes zijn (I) het verhogen van kennis en (II) het verhogen van de eigen effectiviteit (Koop et al., 2019). Deze tactieken – die samenkomen in bijvoorbeeld de huidige adviezen voor waterbesparing - beïnvloeden weliswaar de houding tegenover waterbesparing, maar leiden vaak niet tot gedragsverandering.

Inspelen op gedachteloze keuzes Veel dagelijkse keuzes gerelateerd aan watergebruik zijn bijna volledig gedachteloze, automatische keuzes (Systeem 1). De snelle beslissingen die mensen ­maken onder deze omstandigheden zijn vaak gebaseerd op simpele vuistregels (Kahneman, 2012).

Naast gedragsveranderingstactieken die inspelen op weloverwogen keuzes (Systeem 2) zijn er ook verschillende tactieken die in meer of mindere mate inspelen op de vrijwel volledig gedachteloze, impulsieve route (Systeem 1). De onderzochte tactieken die inspelen op deze route van waterbesparing zijn framing, sociale normen, tailoring, emotionele shortcuts, priming en nudging (Koop et al., 2019).

Framing: hoe presenteer je de boodschap?

Framing maakt gebruik van onbewuste denkfouten, zoals bijvoorbeeld de neiging om dingen waar we op korte termijn mee te maken hebben als belangrijk te zien, en nauwelijks aandacht te hebben voor belangrijkere zaken op de langere termijn. Zo is proefondervindelijk gebleken dat mensen meer open staan voor boodschappen over de directe korte termijneffecten van waterschaarste dan over de indirecte lange termijneffecten die ingrijpender zijn (Zhuang et al., 2018).

Sociale normen: wat doen anderen?

Sociale normen vertellen wat andere mensen doen.

Bijvoorbeeld: ‘De meeste mensen kiezen voor een waterbesparende vaatwasser’. Dit type informatie werkt ook als een simpele vuistregel om een keuze te maken waarvoor geen reflectie nodig is. Wanneer

Gedrags­ verandering ­ aterbesparing w

32

34

WATER MATTERS

mensen snelle, bijna volledig gedachteloze keuzes maken kunnen sociale normen waterbesparing stimuleren. Tot nu toe lijkt het inzetten van sociale normen één van de meest effectieve gedragsveranderingstactieken voor waterbesparing (Koop et al., 2019).

Getailorde feedback doorbreekt onbewuste patronen.

Tailoring is het laten aansluiten van de boodschap bij de ontvanger, zodat de kans groter is dat de ­ontvanger zich aangesproken voelt en de boodschap bewuster verwerkt (via systeem 2). Tailoring wordt middels de inzet van slimme watermeters in ­binnenen buitenland veel toegepast bij het geven van feedback op het watergebruik. Vaak denken mensen dat ze zuiniger omgaan met water dan feitelijk het geval is. Dit leidt tot een onaangenaam gevoel en een stimulans om meer water te besparen (Cialdini et al., 2006). In de literatuur wordt dit ook wel cognitieve dissonantie genoemd.

Emotionele shortcuts: inspelen op gevoel Door het oproepen van emoties kan de reactie van mensen op andere berichten worden beïnvloed. Zo bleek in een experiment waarin feedback-schermpjes in douches werden opgehangen dat een visualisatie van een zwemmende vis die doodgaat wanneer je te veel water gebruikt mensen meer beweegt tot waterbesparing dan een presentatie van het waterverbruik met cijfers of druppels (Fang & Sun, 2016).

Priming: een mindset activeren De blootstelling aan een prime – d.i. een externe stimulus, bijvoorbeeld woorden of een geur – ­beïnvloedt de reactie op een volgende stimulus doordat een bepaalde mindset of doel wordt geactiveerd. Zo leidt het primen van milieubewuste doelen tot hogere waardering van, en keuze voor, losse in plaats van verpakte producten (Tate et al., 2014). Primes worden voor zover bekend nog niet toegepast voor water­besparing.

Nudging: een duwtje in de waterbesparende richting Nudging is het slim inrichten van de omgeving en keuzemogelijkheden om zo het gedrag van mensen op een voorspelbare manier te veranderen zonder dat daarbij opties worden verboden of de keuzevrijheid wordt beperkt (Thaler & Sunstein, 2008). Hierbij kunnen meerdere van de bovengenoemde tactieken worden ingezet. Een bekend voorbeeld is het op ooghoogte plaatsen van gezonde voedingsproducten in de supermarkt. Evenzo kunnen in een bouwmarkt waterbesparende kranen opvallend geplaatst worden om de verkoop te stimuleren. Hier liggen veel toepassingsmogelijkheden.

Volgende stappen naar meer waterbesparend gedrag De internationale literatuur naar waterbesparing van huishoudens laat zien dat het verschil tussen w ­ eten, willen en doen groot is, en dat een duwtje in de goede richting kan helpen. Het slim combineren en herhalen van verschillende tactieken voor gedragsverandering lijkt hierbij de sleutel tot succes. Wanneer drinkwater­bedrijven een waterbesparingsadvies ­geven tijdens droge perioden, dan is het van belang dat zij meer inspelen op de bijna volledig gedachte­ loze, impulsieve denkroute . Subtiele tactieken ­kunnen waterbesparend gedrag de voor de hand liggende optie maken. Tot nu toe lijken vooral sociale normen en getailorde feedback effectief.

De vraag is echter wat er gebeurt wanneer een tactiek voor gedragsverandering langere tijd wordt ingezet. Heeft het plaatsen van een zandloper in de douche bijvoorbeeld ook nog effect na een aantal maanden? Een interessante onderzoeksrichting waar KWR volop op inzet, is het achterhalen hoe deze v­ ormen van gedragsbeïnvloeding eraan kunnen bijdragen dat mensen nieuwe waterbesparende gewoonten ontwikkelen en vasthouden.

Interessant is de toepassing van zogenaamde ‘alsdan plannen’. In een als-dan plan wordt een specifieke situatie gekoppeld aan een specifiek gedrag.

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

35

Bijvoorbeeld: ‘Als ik mijn tanden poets, dan doe ik de kraan dicht’. Het idee hierachter is dat de situatie (tanden poetsen) automatisch het gedrag (de kraan dicht doen) uitlokt, zonder dat je hierbij na hoeft te denken. De toepassing van deze benadering laat al veelbelovende resultaten zien op het gebied van ­milieubewust gedrag (Gollwitzer & Sheeran, 2006).

Stefanie Salmon en Stijn Brouwer (KWR Water ­Research Institute) en Stef Koop (KWR, Universiteit Utrecht)

Referenties Cialdini, R.B. et al. (2006). Managing social norms for persuasive impact. Social Influence, 1, 3-15.

Fang, Y.M. & Sun, M.S. (2016). Applying eco-visualisations of different interface formats to evoke sustainable behaviours towards household water saving. Behaviour & Information ­Technology, 35, 748-757.

Gollwitzer, P.M. & Sheeran, P. (2006). Implementation intentions and goal achievement: A meta-analysis of effects and ­processes. Advances in Experimental Social Psychology, 38, 69-119.

Kahneman, D., (2012). Thinking, Fast and Slow. London: Penguin.

Koop, S.H.A., Van Dorssen, A.J., & Brouwer, S. (2019). Enhancing domestic water conservation behaviour: A review of empirical studies on influencing tactics. Journal of Environmental Management, 247, 867-876.

Tate, K., Stewart, A.J. & Daly, M. (2014). Influencing green ­behaviour through environmental goal priming: the mediating role of automatic evaluation. Journal of Environmental Psychology, 38, 225-232.

Thaler, R. & Sunstein, C.R. (2008). Nudge: Improving decisions about health, wealth and happiness. Yele University Press, New Haven, United Kingdom.

Van Thiel, L. (2017). Watergebruik thuis 2016. TNS Nipo rapport C8732.

Zhuang, J., Lapinski, M.K., & Peng, W. (2018). Crafting messages to promote water conservation: Using time-framed messages to boost conservation actions in the United States and China. Journal of Applied Social Psychology, 48, 248-256.

JUNI 2020

SAMENVATTING Drinkwaterbedrijven geven steeds vaker een waterbesparingsadvies in droge perioden. De vraag is of mensen deze wel opvolgen. Want wat is er nodig om mensen te bewegen daadwerkelijk minder drinkwater te gebruiken? Dit artikel presenteert acht gedragsveranderingstactieken uit de internationale literatuur die zijn ingezet op het ­gebied van waterbesparing. Enkel kennisoverdracht en het verhogen van de eigen effectiviteit blijken onvoldoende tot gedragsverandering te leiden. Subtiele tactieken die inspelen op de impulsieve route zijn vaak effectiever. Zo kan de vergelijking met anderen iemand op een subtiele manier stimuleren om water te besparen. Vragen voor vervolgonderzoek zijn wat de effecten van deze subtiele gedragsveranderingstactieken zijn op de lange termijn, en hoe waterbesparend gedrag een gewoonte kan worden.

Gedrags­ verandering ­ aterbesparing w

36

WATER MATTERS

Foto Scholman

Wateroverlast in de Slotenbuurt in Zegveld (ZH) in 2018

AUTEURS

Bas Kolen (HKV)

INTEGRALE RISICOANALYSE: DE VOLGENDE STAP IN OMGAAN MET WATEROVERLAST? Roel Bronda (HDSR)

Ludolph Wentholt en Robin Biemans (STOWA)

Hanneke Vreugdenhil (HKV)

Het waterbeheer in Nederland kent vanouds drie domeinen: veiligheid (water­ keringen), stedelijke watersystemen en watersystemen voor het landelijk gebied. Waterschappen, gemeenten en provincies en het rijk spelen in elk domein ieder hun eigen, onderling heel precies afgestemde rol. De toenemende wateroverlast door piekbuien, o.a. in Kockengen in juli 2014, heeft duidelijk gemaakt dat deze benadering zijn beperkingen heeft. Als het spannend wordt, piepen en kraken zowel de voorzieningen als de instanties. Betere samenwerking en een integrale benadering zijn nodig.

In 2016 heeft STOWA samen met de verschillende overheden én RIONED de Commissie Wateroverlast ingesteld. Doel is om sector-overstijgende opgaven in samenhang te bekijken en te werken aan doelmatiger oplossingen met meer draagvlak, vanuit een integrale risico­ analyse. Maar is zo’n integrale risicoanalyse wel uitvoerbaar, en leidt deze tot doelmatigheid en een zinvol perspectief voor de beheerder(s)? HKV heeft dit samen met waterschappen en gemeentes onderzocht in een viertal cases aan de hand van een uniform raamwerk (­STOWA, 2020).

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

De huidige praktijk Voor elk van de verschillende watersystemen bestaan ontwerpregels en richtlijnen, die van oudsher afzonderlijk zijn ontwikkeld. Voor elk watersysteem geldt dat als de verwachte wateroverlast en de verwachte schade toenemen (zowel de impact in euro’s als de ruimtelijke omvang en de niet-materiële schade), de eisen strenger zijn. Die eisen verschillen: • in de stad geldt het bijvoorbeeld als acceptabel als er eens in de 2 jaar water op straat staat door een overbelast riool; • voor het landelijk gebied gelden andere normen.

Voor grasland is bijvoorbeeld eens in de 5 jaar wateroverlast acceptabel, voor akkerbouw en bebouwd gebied eens in de 30 en 100 jaar. Deze normen zijn ontwikkeld ten tijde van de ­Commissie Waterbeheer 21ste eeuw, mede op basis van maatschappelijke kosten-batenanalyses (MKBA) en vastgesteld door provincies; • voor primaire waterkeringen zijn de overstromingskansnormen gebaseerd op een MKBA en op slachtofferrisico’s, en vastgelegd in de Waterwet; • Voor regionale keringen is de normklasse afhankelijk van de schade in een polder na een doorbraak.

Deze normen, uitgedrukt in een overschrijdingskans van een waterstand en vastgelegd door de provincies, variëren van eens in de 10 tot 1000 jaar (NB zo’n norm is dus niet gelijk aan de kans op een doorbraak).

Anders kijken: de integrale blik Een integrale risicoanalyse focust op inundaties die ontstaan door neerslag in een stroomgebied, of het nu stedelijk of landelijk gebied betreft, of waterkeringen. Centraal staat de term risico, gedefinieerd als het product van de kans van vóórkomen en gevolgen in een gebied. De kans op inundaties wordt berekend op basis van statistieken over neerslag, berging- en afvoermogelijkheden. De gevolgen betreffen inundatiedieptes en hieruit volgende schades (inclusief de duur). Dat betekent dat ook het ontwerp van de ruimtelijke omgeving en de crisis- of beheermaatregelen worden meegenomen. Met statistische, hydraulische, hydrologische en schademodellen kunnen zowel de kansen als de gevolgen van mogelijke gebeurtenissen

JUNI 2020

37

– inclusief afhankelijkheden tussen de watersystemen – én maatregelen worden ingeschat en zo dus ook het risico.

Casus Woerden en de Oude Rijn Bij langdurige regenval wordt het lozen van water uit de polders op de boezem Oude Rijn gestopt om de waterkeringen niet te zwaar te belasten. Door de maalstop ontstaat extra schade in de polders. Het stedelijk watersysteem van Woerden loost echter ook op de boezem, via overstort. De drempelhoogte van deze overstort ligt boven het maalstoppeil om vrije lozing van stedelijk water op de boezem mogelijk te maken.

De integrale risicoanalyse toonde aan dat het mogelijk is om de strikte koppeling van de drempelhoogte en maalstoppeil los te laten. De berekende kans op tegelijkertijd optreden van wateroverlast door extreme piekneerslag (in de stad) en door langdurige gebiedsneerslag (in de polders) bleek nihil. Door de trage reactiesnelheid van het regionale watersysteem bij een piekbui is de kans op een verdronken overlaat miniem. De drempelhoogte zou dan ook omlaag kunnen. Dat biedt ruimte aan de stad Woerden: meer mogelijkheden om water af te voeren, minder waterberging nodig.

De casus liet ook zien dat aandacht nodig is voor de schadeposten en de schademodellering. Bij een integrale risicoanalyse moeten alle relevante ­schadeposten worden meegenomen, niet alleen inundatieschade maar ook gewasschade door hoge grondwaterstanden.

Verder bleek dat de berekende schade in s­ tedelijk gebied mogelijk sterk wordt overschat. Met de Waterschadeschatter zijn voor Woerden schades berekend van 15-20 miljoen euro bij 80 mm neerslag in een uur.

In september 2018 viel 97 mm neerslag in een uur.

De bij verzekeraars gemelde schade en de bij de gemeente bekende schade was hooguit enkele tienduizenden euro’s.

Casus Rijnland: compartimentering van de boezem In de boezem van Rijnland staan oude kunstwerken waarmee de boezem opgedeeld kan worden in compartimenten, zodat bij een calamiteit bepaalde delen

Integrale risicoanalyse wateroverlast

36

38

WATER MATTERS

Afbeelding 1: Correlatie tussen piekneerslag van korte en lange duur uit een 258-jarige reeks van neerslaggegevens (10 minutenwaarden)

van de boezem en de polder kunnen worden geïsoleerd. Momenteel wordt gedacht aan de instelling van een mobiel compartimenteringsteam dat binnen een paar uur een compartiment kan realiseren.

Uit de casus blijkt dat compartimentering, en zeker een mobiel compartimenteringsteam, doelmatig kan zijn en kan leiden tot lagere risico’s en lagere normen voor regionale waterkeringen. Zo neemt de schade aan de boezem sterk af naarmate het stuk boezem met een lage waterstand korter is. Ook de schade in een polder is na compartimentering geringer doordat er minder water naar binnen stroomt. De kosten van de vereiste investering in crisisbeheersing weegt op tegen de te behalen baten. De effectiviteit en doelmatigheid nemen nog meer toe als gebruik wordt gemaakt van verwachtingen over het weer, boezemwaterstanden en faalkansen. Het loont dus soms om meer te investeren in crisisbeheersing en al vóór een mogelijke doorbraak een mobiel compartiment in te stellen, zelfs achteraf blijkt dat de waterkeringen niet bezweken zijn.

De integrale risicoanalyse leidde ook tot nieuwe inzichten. Tot nu toe gaat men bij normering van ­regionale keringen van uit van het volledig leeglopen van de boezem in de polder. Uitgaande van compartimentering bleek de norm van de regionale waterkering op sommige plaatsen wel 1 tot 2 normklassen omlaag zou kunnen.

Casus Breda Breda, gelegen in een hellend gebied, kan wateroverlast ondervinden door piekbuien in de stad of door extreme afvoer via de beek de Molenleij. Zowel uit een systeemanalyse en als uit een analyse van

neerslagpatronen (zie afbeelding 1) bleek ook hier dat piekneerslag in de stad en langdurige neerslag in het landelijk gebied elkaar niet versterken maar als aparte gebeurtenissen kunnen worden beschouwd.

Het economisch risico in de stad kan omlaag door maatregelen te nemen, bijvoorbeeld door te voorkomen dat het water via de riolering de stad in kan stromen of door de kwetsbaarheid van gebouwen voor wateroverlast te verkleinen.

Casus ‘Nieuw object’ Deze casus betrof een fictief object, bijvoorbeeld een groot nieuw datacentrum, in een graslandpolder.

De combinatie van functieverandering en de waarde van dit object zou in beginsel ingrepen aan het water­ (keringen)systeem nodig maken. De integrale risico­ analyse toont aan dat het in zo’n situatie niet altijd doelmatig is om alleen de waterkeringen te verbeteren. Maatregelen in het watersysteem, maatregelen bij de inrichting van de omgeving en crisisbeheersing kunnen elk doelmatig en optimaal zijn, afhankelijk van gebiedskenmerken en de waarde van het object.

Conclusie De cases laten zien dat integrale risicoanalyses uitvoerbaar zijn en kunnen leiden tot lagere risico’s en grotere doelmatigheid van investeringen. Via een gebiedsanalyse aan de hand van verschillende modellen, statistieken, correlaties en expertkennis kunnen de risico’s in kaart worden gebracht. Hierbij wordt gebruik gemaakt van instrumenten die nu in alle sectoren al worden gebruikt.

Een aandachtspunt is het hanteren van gelijke aannames en definities voor faalkansen en gevolgen (ofwel

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

39

Afbeelding 2: Voorbeeld mogelijke uitwerking van het onderdeel basisvoorziening waarbij er voor verschillende waterstanden verschillende eisen zijn gesteld

risicoparameters onder dezelfde noemer brengen).

Ook is aandacht nodig voor schademodellering. We adviseren om gewasschade door hoge grondwaterstanden en schade door daling van de waterstand op de boezem ook mee nemen. Tenslotte bevelen we aan om de schadefuncties in stedelijk gebied te evalueren en te herijken.

Pleidooi voor de gebiedsnorm, lonkend perspectief De aandacht voor klimaatverandering, ruimtelijke adaptatie en risicodialogen geeft aan dat de huidige ontwerpfilosofie wringt met de verwachtingen van de maatschappij. Als in plaats van de eisen per watersysteem het integrale risico en de blootstelling centraal staan, wordt een risicodialoog veel eenvoudiger.

Aandacht voor extreme neerslag in de stad en in het landelijk gebied en voor regionale waterkeringen ligt hierbij voor de hand. Deze vormen van wateroverlast kunnen regionaal worden beschouwd waardoor er ruimte is voor maatwerk. Primaire keringen kunnen buiten beschouwing blijven omdat de aard en omvang van een andere orde is; bij primaire keringen is er ook een significant slachtofferrisico en het beleid is landelijk verankerd.

Wij pleiten voor het hanteren van gebiedsnormen op basis van een integrale risicoanalyse, met twee pijlers waarbij de strengste leidend is: • doelmatigheid; op basis van optimalisatie van de totale kosten met MKBA; • basisvoorziening; acceptatiegrenzen per vorm van grondgebruik, op basis van combinaties van blootstelling en waarschijnlijkheid. Een voorbeeld is opgenomen in afbeelding 2.

Het ‘acceptabel risico’ in een gebied kan als norm en als ontwerpcriterium worden vastgesteld. De gezamenlijke overheden kunnen dit vastleggen en commu­niceren naar burgers en bedrijven. De over-

JUNI 2020

heden kunnen onderling afspreken wie voor welke maatregelen verantwoordelijk is.

Dit biedt mogelijkheden voor regionaal maatwerk en een ondergrens voor nieuwe gebiedsontwikkelingen.

Overheden kunnen vervolgens voor (speciale) objecten nog aanvullende eisen stellen, zeker als de impact van uitval van deze objecten erg hoog is. Eigenaren van objecten tenslotte kunnen ook zelfstandig aanvullende voorzieningen treffen om risico’s van wateroverlast te beperken, bijvoorbeeld bij beheer, ontwerp en bouw van het object.

Bas Kolen (HKV), Roel Bronda (HDSR), Ludolph Wentholt en Robin Biemans (STOWA), Hanneke Vreugdenhil (HKV) Referenties STOWA (2020). Eindrapport Integrale Risicoanalyse. Rapport 2020-02, 103 pp. ISBN 978.90.5773.885.2. https://www.stowa.nl/sites/default/files/assets/PUBLICATIES/ Publicaties%202020/STOWA%202020-02%20Integrale%20 risicoanalyse.pdf

SAMENVATTING Het waterbeheer in Nederland kent vanouds drie domeinen: stedelijk gebied, landelijk gebied en veiligheid (waterkeringen). Bij het ontwerp en beheer van de water-infrastructuur kijken we van oudsher naar deze verschillende watersystemen afzonderlijk, wat kan leiden tot suboptimale oplossingen. Met integrale risicoanalyses is het mogelijk om bij knelpunten in het watersysteem breder te kijken en de blootstelling voorop te stellen. Het grote voordeel is dat beleid worden ontwikkeld op basis van acceptabele risico’s van wateroverlast in een heel (stroom)gebied. Met zo’n integrale benadering wordt het ook mogelijk om gebiedsnormen op te stellen.

Integrale risicoanalyse wateroverlast

40

WATER MATTERS

iStockphoto

AUTEURS

Hardy Temmink en Victor Ajao ( Wetsus, European Centre of Excellence for Sustainable Water Technology; Milieutechnologie, Wageningen Universiteit)

Harry Bruning en Huub Rijnaarts (Milieutechnologie, Wageningen Universiteit)

‘GROENE’ FLOCCULANTEN UIT AFVALWATER: HET MES SNIJDT AAN TWEE KANTEN Bij de behandeling van oppervlakte- en afvalwater, en voor het indikken van allerhande slurries worden jaarlijks grote hoeveelheden synthetische, uit aardolie gemaakte polymeren (flocculanten) gebruikt, wat duur en milieu­ onvriendelijk is. Is er een goedkoper en schoner alternatief?

Op grote schaal worden flocculanten gebruikt voor de aggregatie van deeltjes zoals kleideeltjes of organisch materiaal, om zo de afscheiding van die deeltjes d.m.v. bezinking, flotatie of membraanfiltratie te bevorderen. Denk hierbij bijvoorbeeld aan de behandeling van oppervlaktewater of als hulpmiddel bij baggerwerkzaamheden. In veel gevallen ­worden anionische polymeren als flocculanten gebruikt. Kationische polymeren worden vaak gebruikt voor het verder indikken en ontwateren van slurries zoals zuiveringsslib van riool­ waterzuiveringsinstallaties.

Meestal worden synthetische, op aardolie gebaseerde polymeren als flocculant gebruikt, zoals bijvoorbeeld polyacrylamides en polyethyleenimines. De markt voor dit soort poly­ meren omvat wereldwijd ongeveer 6 miljard euro per jaar, waarvan circa de helft voor anionische en de helft voor kationische flocculanten. Synthetische flocculanten hebben een

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

industrieel afvalwater

flocculanten uit aardolie

41

effluent

flocculanten uit afvalwater

oppervlaktewater

water met deeltjes

concentraat

Afbeelding 1. Productie van extracellulaire polymeren uit afvalwater ter vervanging van synthetische flocculanten

aantal nadelen die samenhangen met hun productie en toepassing, waaronder een hoge CO2-voetafdruk en hoge kosten. Daarnaast speelt de toxiciteit van de afbraakproducten/monomeren en van chemica­ liën (zoals formaldehyde) die bij het productieproces worden gebruikt en die nog in het product aanwezig kunnen zijn (Lee et al., 2014). Dit laatste kan even­ tueel hergebruik van het behandelde water of van het afgescheiden deeltjesconcentraat in de weg staan.

Deze nadelen verklaren de toenemende belangstelling voor ‘groene’ en biologisch afbreekbare flocculanten zoals chitosan, gekationiseerd zetmeel, door planten geproduceerde polymeren, tannines, etc.

Toch zijn ook aan deze categorie flocculanten nadelen verbonden: (1) de grondstoffen zijn slechts beperkt beschikbaar of concurreren met de voedselproductie, of (2) er is energie-intensieve chemische m ­ odificatie nodig of (3) het eindproduct is in vergelijking met synthetische flocculanten erg duur.

heid hebben zouden ze in principe geschikt zijn voor een toepassing als flocculant. Afvalwater is een nog onontgonnen bron voor deze ‘groene’ flocculanten.

Industrieel afvalwater is geschikter om te gebruiken dan huishoudelijk afvalwater, onder meer omdat het meestal een minder complexe samenstelling heeft en omdat de procesomstandigheden beter te sturen zijn.

Het principe werd eerst getest met (nagebootst) afvalwater van de biodieselproductie, dat glycerol en ethanol als voornaamste organische stoffen bevat.

Hieruit bleek dat een brede range aan procescondities mogelijk is, maar dat vooral de CZV/N-verhouding en de slibleeftijd een belangrijke rol spelen om de micro-organismen te stimuleren tot de productie van voldoende en de juiste polymeren (Ajao et al., 2019).

(CZV = chemisch zuurstofverbruik, een veel gebruikte maat voor de hoeveelheid afbreekbaar (oxideerbaar) organisch materiaal in het water; N = stikstof, nodig voor de groei van micro-organismen)

Flocculanten uit industrieel afvalwater Aanleiding genoeg om onderzoek te starten naar de productie van biologisch afbreekbare flocculanten, en wel uit afvalwater (afbeelding 1). Onder de j­uiste omstandigheiden kunnen micro-organismen de organische stof in bepaalde typen afvalwater namelijk omzetten in grote hoeveelheden (extracellulaire) (bio-)polymeren, in plaats van het af te breken tot H2O en CO2. Omdat deze polymeren over het algemeen een hoog molecuulgewicht en een hoge ladingsdicht-

Als voorbeeld: bij een slibleeftijd van slechts 3 dagen en een CZV/N-verhouding van 100:1 werd maar liefst 50 tot 60% van het CZV in het afvalwater omgezet in extracellulaire polymeren. Deze laatste bestonden voornamelijk uit polysaccharides met negatief geladen carboxylgroepen, een hoog gemiddeld molecuulgewicht (1-2 MDa) en een hoge ladingsdichtheid (3-5 meq g-1 bij pH 7). Interessant en van groot belang is dat deze polymeer-eigenschappen zijn te sturen op basis van de CZV/N-verhouding van het afvalwater,

JUNI 2020

'Groene’ flocculanten uit afvalwater

40

42

WATER MATTERS

Afbeelding 2 Flocculatieactiviteit in kaolinietsuspensie (5 g L-1) bij verschillende doseringen van polymeer geproduceerd uit biodiesel-afvalwater met CZV/N 100:1 en CZV/N 20:1 (A) en het effect van CZV/N 100:1 flocculant op de bezinking in 200 g L-1 kaolinietsuspensie (B)

de slibleeftijd en het type organische stof, oftewel het type afvalwater dat als grondstof wordt gebruikt.

synthetische flocculanten. Bij hogere doseringen nam de flocculatieactiviteit wat af.

Voor de afbraak (oxidatie) van het CZV is veel zuurstof en energie (beluchting) nodig. Omdat een grote fractie van het CZV wordt omgezet in polymeren kan hierop aanzienlijk worden bespaard (ca. 30-40%). Ook de hoeveelheid geproduceerde biomassa daalt flink (ca. 40-50%). Het mes snijdt dus aan twee kanten: de verontreinigingen in het afvalwater worden omgezet in een waardevol eindproduct en tegelijkertijd kan een aanzienlijke kosten- en energiebesparing worden gerealiseerd. Ook andere typen industrieel afvalwater dan biodiesel-afvalwater zijn bruikbaar, zolang het afvalwater aan de volgende voorwaarden voldoet: (1) het bevat opgelost en eenvoudig biologisch afbreekbaar substraat (CZV) en (2) de CZV/N verhouding in het afvalwater kan worden gestuurd. Er is nog aanvullend onderzoek nodig, maar duidelijk is al wel dat de eigenschappen van het geproduceerde polymeer (chemische samenstelling, molecuulgewicht en lading) sterk afhankelijk zijn van het type organisch substraat in het afvalwater.

Soortgelijke, en soms zelfs nog betere, resultaten gaven suspensies van montmorilloniet. Dit is een andere kleisoort die uit nog kleinere deeltjes (0,1 1 µm) bestaat dan kaoliniet (1 10 µm). Het CZV/N 20:1 flocculant had hierin een ietwat mindere werking, wat toegeschreven kan worden aan de wat lagere fractie polysaccharides in de polymeren. Verder bleek uit testen met kleisuspensies en flocculanten uit verschillende soorten afvalwater onder andere:

Flocculatietesten met kleisuspensies De uit afvalwater gewonnen flocculanten werden getest op kleisuspensies. Deze bevatten van nature geladen deeltjes die elkaar afstoten en daarom niet of slechts heel langzaam bezinken. Figuur 2A geeft een voorbeeld van de flocculatieactiviteit (vergroting van de helderheid) op een 5 g L-1 kaoliniet-suspensie als functie van de flocculantdosering. In dit geval ging het om flocculanten die uit biodiesel-afvalwater waren geproduceerd bij een slibleeftijd van 3 dagen bij twee CZV/N verhoudingen, namelijk van 100:1 en 20:1.

Al bij een heel lage dosering van 0,1 mg flocculant g-1 klei bereikte het CZV/N 100:1 flocculant een activiteit van meer dan 90%, waarmee het niet onderdeed voor

• Flocculanten die uit zout afvalwater worden geproduceerd hebben een betere flocculatieactiviteit onder zoute condities dan onder zoete en vice versa; • In vergelijking met synthetische flocculanten is een bredere range van doseringen met goede flocculatieactiviteit mogelijk voordat destabilisering van de suspensie optreedt.

Er zijn ook experimenten gedaan om te kijken naar de bezinking bij heel hoge kleiconcentraties, die meer representatief zijn voor baggerwerkzaamheden. ­Afbeelding 2B laat zien dat bij doseringen van 0,1-0,3 mg flocculant g -1 klei het effect op de bezinking van een 200 g L-1 suspensie al aanzienlijk was en veel lagere sedimentvolumina werden bewerkstelligd.

Verschillende toepassingen Behalve de in dit artikel beschreven flocculatietesten met (schone) kleisuspensies lopen er ook proeven met echt oppervlaktewater, onder meer om te zien of en hoe het lukt om aan deeltjes gebonden fosfaat te verwijderen en om micro- en ultrafiltratie van oppervlaktewater te verbeteren.

Een heel andere toepassing is het gebruik voor de verwijdering en terugwinning van zware metalen door

KENNISMAGAZINE VOOR WATERPROFESSIONALS

adsorptie. In kolom-experimenten waarbij de (anioni­ sche) flocculanten werden geïmmobiliseerd op een dragermateriaal konden zeer grote hoeveelheden van onder andere koper (562 mg g-1) en lood (1204 mg g-1) worden geadsorbeerd (Ajao et al., 2020); de resterende concentraties bleven onder de detectiegrens. Opvallend is dat deze adsorptiecapaciteiten veel ­hoger zijn dan die van commerciële ionenwisselaars. De kolommen konden vervolgens geregenereerd worden, waarbij de metalen werden teruggewonnen en de kolommen opnieuw konden worden gebruikt.

Kationische flocculanten voor ontwatering van zuiveringsslib De flocculanten die uit afvalwater worden geproduceerd zijn anionisch, en daarmee in principe niet geschikt voor de ontwatering van slurries zoals (communaal) zuiveringsslib. Dat vereist in de meeste gevallen een kationisch polymeer. Daarom zijn een aantal oriënterende proeven gedaan waarbij de uit biodiesel-afvalwater geproduceerde polymeren werden gekationiseerd met behulp van een mild chemisch proces (een reactie met glycidyltrimethylammoniumchloride (GTMAC) in aanwezigheid van NaOH). De eerste experimenten met algen- en bacteriesuspensies laten hoopgevende resultaten zien. Of de kationische variant wat betreft effectiviteit, milieu-impact en kosten ook geschikt is voor de ontwatering van zuiveringsslib is nog onbekend, maar het zou een logische vervolgstap zijn om hier nader naar te kijken. Zo kan worden berekend dat de 3700 ton aan synthetische flocculanten die jaarlijks voor de ontwatering van municipaal zuiveringsslib worden ingezet ruimschoots vervangen zouden kunnen worden door uit Nederlands biodiesel-afvalwater geproduceerde flocculanten. Dat zou een perfecte, financieel aantrekkelijke bijdrage kunnen zijn aan de circulaire economie en daarmee zeer de moeite waard om verder te onderzoeken.

Hardy Temmink, Victor Ajao, (Wetsus, European Centre of Excellence for Sustainable Water Technology; Milieutechnologie, Wageningen Universiteit) Harry Bruning en Huub Rijnaarts, (Milieutechnologie, Wageningen Universiteit)

JUNI 2020

43

Dankwoord De auteurs bedanken de leden van het ‘Natural Flocculants’thema van Wetsus, European centre of excellence for ­sustainable water technology, voor de discussies en de finan­ ciële bijdrage.

Referenties Ajao, V., Millah, S., Gagliano, M. C., Bruning, H., Rijnaarts, H., & Temmink, H. (2019). Valorization of glycerol/ethanol-rich wastewater to bioflocculants: recovery, properties, and performance.

Journal of hazardous materials, 375, 273-280.

Ajao, V., Nam, K., Chatzopoulos, P., Spruijt, E., Bruning, H., Rijnaarts, H., & Temmink, H. (2020). Regeneration and reuse of microbial extracellular polymers immobilised on a bed column for heavy metal recovery. Water Research, 115472.

Lee, C. S., Robinson, J., & Chong, M. F. (2014). A review on ­application of flocculants in wastewater treatment. Process Safety and Environmental Protection, 92(6), 489-508.

SAMENVATTING In bepaalde typen (industrieel) afvalwater en ­onder bepaalde procescondities kunnen microorganismen organische verontreinigingen in afvalwater voor een aanzienlijk deel (50-60%) omzetten in polymeren. Deze polymeren hebben een hoog molecuulgewicht en hoge ladingsdichtheid, waardoor ze geschikt zijn als anionische flocculanten en als adsorbens voor (zware) metalen. De belangrijkste voordelen: de verontreinigingen in het afvalwater worden omgezet in een ­waarde­vol product, dat milieuvriendelijker is dan de gangbare synthetische varianten, en tegelijkertijd kan aanzienlijk op de zuiveringskosten worden bespaard. Het mes snijdt hiermee aan twee kanten.

'Groene’ flocculanten uit afvalwater

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

Water Matters wordt mogelijk gemaakt door ARCADIS Wereldwijd opererende ontwerp- en adviesorganisatie op het gebied van de natuurlijke en gebouwde omgeving die duurzame resultaten levert door de toepassing van ontwerp, advisering, engineering, project- en managementdiensten.

Deltares Onafhankelijk kennisinstituut op het gebied van water, ondergrond en infrastructuur. Wereldwijd wordt gewerkt aan slimme innovaties, oplossingen en toepassingen voor mens, milieu en maatschappij.

KWR Watercycle Research Institute Instituut voor toegepast wetenschappelijk wateronderzoek dat kennis genereert en samenbrengt voor innovaties in en optimaal beheer van de waterketen.

Royal HaskoningDHV Onafhankelijk internationaal advies-, ingenieurs- en projectmanagementbureau, dat samen met klanten en partners een bijdrage levert aan een duurzame samenleving.

Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA) Kenniscentrum van regionale waterbeheerders in N ­ ederland, dat zorgt voor het ontwikkelen, bijeenbrengen, delen en implementeren van kennis die nodig is om de opgaven waar waterbeheerders voor staan, goed uit te voeren.