Drinkwatervoorziening

Technische Hogeschool A f d e l i n g der Weg- en W a t e r b o u w k u n d e

Drinkwatervoorziening

VEERTIENDE VAKANTIECURSUS 18 en 19 januari 1962

r/\OORMANS PERIODIEKE PERS N.V.

-

DEN HAAG

Reeds zijn in onderstaande volgorde in boekvorm verschenen de voordrachten van de volgende cursussen: 1. Filtratie, 2. Vervaardiging van buizen voor transport- en distributieleidingen, 3. Winning van grondwater, 4. Waterzuivering, 5. Hygignische aspecten van de drinkwatervoorziening, 6. Het transport en de distributie van leidingwater, 7. Keuze, aantasting en bescherming van materialen voor koud- en warmwaterleidingen, 8, 9 en 10. Enige wetenschappelijke grondslagen der waterleidimgtechniek I, I1 en m, 11. Radioactiviteit, 12. Het grondwater, 13. De Rijn.

Technische Hogeschool Afdeling der Weg- en Waterbouwkunde

Veertiende Va kantiecursus in Drinkwatervoorziening gehouden op 18 en 19 januari 1962 te Delft

Nieuwe ontwikkelingen in de waterleidingtechniek op fysisch, chemisch en biologisch gebied

MOORMANS PERIODIEKE PERS N.V.

-

DEN H A A G

WOORD VOORAF In het gesproken openingswoord voor deze cursus heb ik iets over de laatste ontwikkelingen in de civiel-technische opleiding gezegd. Was in het verleden de opleiding tot civielingenieur aan de Afdeling der Weg- en Waterbouwkunde vrijwel zonder enige differentiatie, een sterk dynamische ontwikkeling, die nog steeds voortgaat is na de Tweede Wereldoorlog ingetreden. Een van de eerste symptomen was de mogelijkheid om in verschillende richtingen te kunnen afstuderen. Ret afgelopen jaar is het aantal richtinger inmiddels vermeerderd met die voor staalconstructies en die voor betonconstructies, die samen 11% van de afstuderenden vertegenwoordigen. Een ander symptoom was de jaarlijks weerkerende vakantiecursus in drinkwatervoorziening, bedoeld om afgestudeerde ingenieurs op de hoogte te houden of te brengen van de vorderingen van wetenschap en techniek op waterleidinggebied. Deze 14e cursus, met zijn 197 niet-student cursisten overtreft alweer de 13e (178), ìarbij de groeiende belangstelling uit de industriële sector (26 sisten) met grote voldoening mag worden vastgesteld. kust-acaderniale vorming (in welk licht deze cursus ook kan worden gezien), een volgende activiteit van de Afdeling, werd mogelijk door de snelle ontwikkeling van het speurwerk aan de Afdeling. Voor de Tweede Wereldoorlog werd dit speurwerk aangevangen op het Waterloopkundig Laboratorium en het Laboratorium voor Grondmechanica, welke beide laboratoria nog steeds met ere worden genoemd; na de oorlog is het speurwerk sterk uitgebreid. Met de ingebruikneming van het Stevinlaboratorium, dat inmiddels weer aan uitbreiding toe is, heeft het speurwerk een behuizing verkregen waar nu met een staf van 60 medewerkers onderzoek wordt verricht op staalconstructies, betonconstructies, hout, hoog-moleculaire stoffen (kunststoffen), bouwmaterialen enz., volgens traditionele en volgens geheel nieuwe methoden; tevens wordt de toegepaste mechanica er intensief experimenteel beoefend. Voor het speurwerk op gezondheidstechnisch gebied zijn in het nieuw te bouwen gebouw voor Weg- en Waterbouwkunde niet onbelangrijke vloeroppervlakken voor laboratorium en proefterrein

gereserveerd, waarbij niet is vergeten om t.z.t. laboratorium en terrein uit het stedelijk rioolnet van (rioo1)water te voorzien. De post-academiale vorming is niet bij de vakantiecursus blijven staan, maar werd voortgezet met de International Course in Hydraulic Engineering (1 jaar), de post-academiale cursus Gezondheidstechniek (één dag per week gedurende 7 maanden), de European Course in Sanitary Engineering (1 jaar) en de post-academiale cursus Wegverkeerskunde (één dag per week gedurende 4 maanden). In de nabije toekomst volgt, in samenwerking met diverse lichamen, de 2-jarige post-academiale cursus Lastechniek (350 lesuren). Hoewel dit cursusjaar 265 nieuwe eerste-jaarsstudenten zijn ingeschreven en aan de Afdeling meer dan 1200 studenten studeren, kan nog steeds niet aan alle aanvragen om civiel-ingenieurs worden voldaan. Laten wij hopen op een stormachtige ontwikkeling van het aantal afstuderenden in een nabije toekomst, want de moeilijkheid schuilt niet in de kwaliteit maar in het aantal. Op grond van het bovenstaande spreek ik de hoop uit, dat de vakantiecursussen in drinkwatervoorziening nog lang hun weg met toenemend succes mogen vervolgen.

Delft, november 1962 De Voorzitter van de Afdeling der Weg- en Waterbou~~kirrtde, prof. ir. A. A. van Douwen

Algemene inleiding door prof. W . F . J . M . Krul

De 13e vakantiecursus behandelde de Rijn als belangrijke bron voor onze drinkwatervoorziening, reeds thans en vooral in de toekomst. Ik zou die cursus willen samenvatten als een bijdrage voor de schepping van een macrostructuur, die de grondslag moet zijn van een bevredigende toekomstige watervoorziening voor de bevolking, de industrie en de landbouw. Die macrostructuur heeft tot doel, water in voldoende hoeveelheid en hoedanigheid beschikbaar te stellen ter verdere verwerking voor veelsoortige en veelomvattende behoeften. Zij heeft als object vrijwel het gehele stroomgebied van de Rijn buiten en binnen onze grenzen. Buiteil de grer7zer.1:vervlakking van de wisseling in waterafvoer, in het bijzonder door verhoging van de laagste debieten en voorts bestrijding van de vervuiling. Een complex van maatregelen, waarbij industrie, landbouw en scheepvaart zijn betrokken en dat alleen door integratie van tegenstrijdige nationale en internationale belangen kan worden verwezenlijkt. Binnen onze grenzen: een integraal waterstaatkundig beheer met schepping van mogelijkheden tot accumulatie en voorts bestrijding van verontreiniging. Maar een goede macrowaterhuishouding kan nooit geheel de nadelen opheffen, die een deltagebied als het onze eigen zijn. Onze watervoorziening blijft naar kwaliteit afhankelijk van de verontreiniging der grote rivieren, de nabijheid van de zee en het betrekkelijk geringe natuurlijke zuiveringsvermogen van het oppervlaktewater. Op deze grondslag moet een doeltreffende infrastructuur worden opgebouwd en hier ligt een taak voor onze afvalwaterdeskundigen en waterleidingdeskundigen van velerlei pluimage. Deze gedachtengang verleent een samenbindend karakter aan de heterogene onderwerpen die in deze 14e vakantiecursus worden behandeld. Het programma is slechts een bescheiden keuze uit de talrijke problemen van de infrastructuur. Talrijk zijn ze reeds nu, maar ongetwijfeld zal hun aantal in de nabije toekomst nog veel groter worden. Ons land zal immers door zijn bijzondere ligging in het straks geïntegreerde Europa de vestigingsplaats bij uitstek zijn voor zware basisindustrie, chemische industrie, verwerking van aardolie en alle daarbij behorende toeleverings- en verwerkingbedrijven. Dit betekent toenemend waterverbruik, toenemende kwaliteitseisen voor verschillende fabricageprocessen, toenemende kansen op ver-

ontreiniging ook van oppervlakte- en grondwater, zowel kwantitatief als kwalitatief. Is ons land voldoende toegerust voor deze strijd, die beslissend zal kunnen zijn voor de vervuiling van onze economische taak en de geestelijke en lichamelijke gezondheid van ons volk? Om die vraag te kunnen beantwoorden is het nodig, eerst de vijandelijke aanvalskracht te verkennen en ons daarna te bezinnen op de noodzakelijke middelen om die kracht te keren, waartoe niet alleen verdediging maar ook aanval onzerzijds moet worden overwogen. Wat nu de moeilijkheden betreft, deze hangen alle samen met de toenemende verontreiniging van biologische en chemische - eventueel ook radioactieve - aard als gevolg van de bevolkingsverdichting en vooral van de industriële activiteit. Het stadium van de oligotrofie ligt voor bijna al ons oppervlaktewater reeds achter ons en het eutrofe stadium heeft op vele plaatsen al plaatsgemaakt voor dat van de anaërobie, waarin de natuurlijke reiniging niets meer vermag tegen pathogene organismen. Daarbij komt de lozing van chemische vergiften, die het zelfreinigend vermogen van water en bodem kunnen vernietigen. Gecompliceerde chemische behandeling en desinfectie zijn vaak de enige afweermiddelen, doch zij schieten soms nu al tekort, bv. als het gaat om de bestrijding van virussen. Dr. Molt zal hierover in deze cursus wel het een en ander meedelen. Daarbij komt dat de paardemiddelen der hedendaagse chemische waterzuivering helaas het toenemende smaakbezwaar niet altijd kunnen opheffen en het soms verergeren. Kan ozon uitkomst brengen? Wij hopen er iets van te vernemen van dr. Van Heusden. Dan is er het probleem van de chemische verontreinigingen, vaak in minimale doses, die op den duur de gezondheid kunnen benadelen. Wat zijn op dit gebied de maximaal toelaatbare concentraties? Een vraag die al evenzeer klemt voor de radioactieve verontreiniging. Voor de hygiënisten ligt hier een moeilijke taak, vooral doordat proefondervindelijk onderzoek zo bezwaarlijk is, wanneer het de mens en generaties van mensen betreft. Het is duidelijk, dat wij er met de verdediging alleen niet komen, maar dat de aanval mede noodzakelijk is, d.w.z. actieve bestrijding van de verontreiniging van water en bodem. Tekenend en veelbelovend is het in dit verband, dat ons tijdschrift ,,Water9' sedert 1 januari 1962 de behandeling van afvalwater in zijn werkingssfeer heeft betrokken. Hoe staat nu ons arsenaal ervoor? Ik zou dat drieledig willen beschouwen, nl. wat betreft de organisatie, het speurwerk en de opleiding.

De organisatie van onze Nederlandse samenleving schept de mogelijkheid tot velerlei doeltreffende activiteit op het gebied van de waterhuishouding. Wij hebben onze uitnemende Rijks- en provinciale waterstaatsdiensten, die in samenwerking met de grote waterschappen in staat zijn, een bevredigende regeling van de macrowaterhuishouding tot stand te brengen, nu deze lichamen in de laatste decennia ook de kwaliteitsbeheersing van het oppervlaktewater tot hun taak zijn gaan rekenen. Slechts ten aanzien van het internationale rivierbeheer uit kwaliteitsoogpunt staan wij nog maar aan het allereerste begin. Wij zien popelend uit naar het tot stand komen van een internationaal toeziend lichaam, zoals bv. voor de Ohio en voor andere riviergebieden in de Verenigde Staten is geschapen. Wij moeten hopen dat ons land d e nodige politieke kracht zal bezitten om op dit gebied in het kader van de Europese integratie de nodige activiteit te ontwikkelen. Wat de aanvalsstrategie op het gebied van de infrastructuur betreft, zien wij een verblijdende ontwikkeling bij verscheidene waterschappen, gesteund door het Rijksinstituut voor Zuivering van Afvalwater. Daarbij laat de industrie zich niet langer onbetuigd, gezien de activiteit van de Commissie Industriewater van de drie Verbonden van Nederlandse Werkgevers, die een speciale afdeling voor water en afvalwater aan het Bureau Krachtwerktuigen te Amersfoort heeft toegevoegd. In 1961 is daarbij gekomen de ,,Stichting Bedrijfsonderzoek Afvalwaterzuiveringsinstallaties" die op een samenwerking berust tussen de Vereniging van Nederlandse Gemeenten, de Unie van Waterschapsbonden en de Orde van Nederlandse Raadgevende Ingenieurs. Het wachten is nog op een Wet inzake Waterverontreiniging, hoewel ik ervan overtuigd ben dat ook zónder een wet scheppend werk mogelijk is. Een algemeen subsidiestelsel voor de behandeling van afvalwater gebaseerd op een landelijk plan, zoals voor de drinkwatervoorziening, lijkt mij daarbij van de grootste betekenis. Wellicht kan daartoe de te verwachten grotere activiteit van het ministerie van Sociale Zaken en Volksgezondheid bijdragen, dat met ingang van 1 januari 1962 een afzonderlijke Inspectie voor de Milieu-Hygiëne in het leven heeft geroepen, waaronder straks regionale inspecties komen te ressorteren. De verdediging in de infrastructuur van de waterhuishouding d.w.z. de bereiding van het beschikbare oppervlakte- en grondwater tot gebruilcswater, vindt in ons land een oudere en meer ervaren organisatie beschikbaar, die thans sedert 1961 ook op een wet, de Waterleidingwet. steunt. Deze wet regelt uitvoerig het hygiënisch toezicht op de drinkwatervoorziening, waarbij de nieuwe Inspectie

voor de Milieu-Hygiëne, gesteund door het Rijksinstituut voor de Volksgezondheid, van grote betekenis zal kunnen worden. Toezicht behoort echter een bijkomstige factor te zijn: de verantwoordelijkheidszin en de bekwaamheid van de waterleidingbedrijven moeten voorop staan. Steun van buiten de bedrijven, door het Keuringsinstituut voor Waterleidingartikelen KIWA, het Rijltsinstituut voor Drinkwatervoorziening R.V.D. en andere organisaties, al of niet door tussenkomst van de Vereniging van Exploitanten van Waterleidingbedrijven en de Vereniging voor Waterleidingsbelangen, kan nooit de zelfwerkzaamheid van de bedrijven vervangen. Doch deze kan alleen opgewassen zijn tegen de hand -. r over hand toenemende moeilijkheden bij een voldoende bedrijfs. . .. grootte. Ook de zo voorname personeelsbezetting hangt hiermee - -, samen: in het industriële Nederland van nu, en zeker van straks, kan het inherente gebrek aan leidinggevend en gespecialiseerd personeel alleen door concentratie van ondernemingen worden tegengegaan. De industrie geeft allerwegen het voorbeeld. Moge daarom de door de Waterleidingwet geopende mogelijkheid van reorganisatie met voortvarendheid worden aangegrepen! Daarbij zal m.i. ook een samengaan van waterleidingbedrijven en beheer van installaties voor zuivering van afvalwater in sommige gevallen nuttig kunnen zijn. Wil de watervoorziening voor haar taak berekend blijven, dan is wetensclzappelijk onderzoek een eerste vereiste. De vakantiecursus van heden bewijst dat dit in de waterleidingkringwordt verstaan en dat de bedrijven zelf, het KIWA en de Organisatie T.N.O. hun bijdragen aan het noodzakelijke speurwerk leveren. Bij de inleiding voor de 8e Vakantiecursus (Enige wetenschappelijlte grondslagen der waterleidingtechniek I (1956)) gaf ik mijn mening over de plaats die aan deze organisaties in principe moet worden toegedacht en wel op het gebied van het ervarings-, van het toegepast wetenschappelijk- en van het fundamenteel wetenschappelijk onderzoek. Voor het laatste achtte ik het wenselijk -l..

er Chemische Technologie van de ~echniicheHogeschool Deìi Heertjes, een fundamenltratie wordt verricht in nauw contact met hc het Instituut voor Gezondhei&!@

L Samenwerking met het buitenland zal steeds meer op de voorgrond moeten treden, gezien de veelheid en de gelijksoortigheid van de op te lossen problemen. Op corrosiegebied is deze samenwerking reeds een feit: het KIWA treedt hierbij sterk op de voorgrond. Reiik- en smaakproblemen zijn voor West-Duitsland en Nederland van gelijke aard. In de Verenigde Staten wordt - met name in het Robert Taft Institute te Cincinnati - veel aandacht aan de virussen en de radioactiviteit geschonken. De afstanden zijn zo klein geworden, dat uitwisseling en detachering van personeel en wederzijds onderzoek van watermonsters geen onoverkomelijke moeilijkheden meer opleveren. In dit verband moeten ook het Water Pollution Research Laboratory (dr. Southgate) en de Water Research Association (dr. Allen) in Engeland, het Centre d'Etudes et de Documentation des Eaux (prof. Leclerc) in België en de Eidgenössische Anstalt fur Wasserversorgung, Abwasserbeseitigung und Gewasserlcunde (prof. Jaag) in Zwitserland worden genoemd. Meer dan tot dusver zal ook de medewerking van de hygiënisten nodig zijn. Als voorbeeld verwijs ik naar het onder leiding van de Gezondheidsraad ingestelde onderzoek inzake de fluoridering van water. In geen enkel land buiten de Verenigde Staten is dit vraagstuk zo grondig bekeken. I k hoop dat onze waterleidingbedrijven daarmee hun voordeel zullen doen.

,

Ten slotte nog enkele opmerkingen over de opleicling. Over de taak van de Technische Hogeschool Delft op het gebied van de gezondheidstechniek hoop ik binnenkort het een en ander mee te delen in een vergadering van de Vereniging voor Waterleidingsbelangen. Hier moge ik, in het verband van de geschetste macroen infrastructuur van de waterhuishouding, volstaan met erop te wijzen dat zowel het lager als het middelbaar technisch onderwijs en de Technische Hogeschool een belangrijke taak hebben te vervullen. ,,Delft9' staat nog maar aan het begin van deze taak, die vooral in de Afdelingen der Weg- en Waterbouwkunde en der Chemische Technologie zal moeten worden aangevat en die zowel de academiale opleiding - met inbegrip van speurwerk - als medewerking aan de post-academiale vorming in nationaal en internationaal verband zal moeten aanvatten. Voorts moet worden vermeld, dat de Landbouwhogeschool te Wageningen de beoefening van de scheikunde en microbiologie voor water en afvalwater in het programma van de studierichting Cultuurtechniek heeft opgenomen. L. Y, u

Geo-elektrisch onderzoek ten behoeve van de waterwinning door ir. J . C . vuil Dam

Als eerste in de rij van sprekers in deze 14e Vakantiecursus in dnnkwatervoorziening, rust op mij de taak u in te lichten over de geo-elektrische methode van onderzoek en, wat u in het bijzonder zal interesseren, haar toepassing ten behoeve van de waterwinning. Dat dit onderzoek, waar toegepast, voorafgaat aan de inrichting van grondwaterwinplaatsen moge de rechtvaardiging zijn voor het feit, dat deze les voorafgaat aan de andere in deze cursus, die immers betrekking zullen hebben op onderzoek en behandeling van reeds gewonnen water. Bij het samenstellen van deze les verkreeg ik de welwillende medewerking van drs. Gischler, hydrogeoloog bij de Werkgroep Geoelektrisch Onderzoek T.N.O., die mij gegevens verstrekte omtrent enkele recente geo-elektrische onderzoekingen, die door hem ten behoeve van drinkwaterleidingmaatschappijen werden verricht.

Inleiding De geo-elektrische methode stamt uit de exploratiegeofysica en kan als zodanig worden genoemd naast de seismische, gravimetrische en magnetometrische methoden. In de dertiger jaren heeft de geo-elektrische methode grote opgang gemaakt, hetgeen zijn weerspiegeling vindt in de literatuur, waarin in die tijd de mathematische grondslagen zijn gelegd. Onder de vele namen die in dit verband zouden kunnen worden genoemd zijn die van de Franse gebroeders Schlumberger wellicht het meest bekend. De toepassingen lagen echter destijds nog niet zo zeer op het terrein der geohydrologie. Vooral in de jaren sedert de Tweede Wereldoorlog kwam de toepassing van deze methode ten behoeve van geohydrologisch onderzoek meer en meer naar voren, omdat bleek, dat deze relatief eenvoudige, snelle en goedkope methode zich hiervoor uitstekend leende. De Duitsers zijn ons onder anderen hierin voorgegaan. De eerste toepassing van deze methode in Nederland is geweest het onderzoek in het IJsselmeer ten behoeve van de uitvoering van de Zuiderzeewerken in de jaren 1951 tot en met 1955. Het wel-

slagen hiervan is in 1954 aanleiding geweest tot de oprichting van de Werkgroep Geo-elektrisch Onderzoek T.N.O., die zich op een verdere ontwikkeling van de methode toelegt en bovendien, tegen betaling, opdrachten voor derden uitvoert. De tot dusver uitgevoerde opdrachten zijn zeer gevarieerd van doelstelling en opzet geweest. Daaronder hadden die, welke ten behoeve van drinkwaterleidingmaatschappijen werden verricht, een belangrijk aandeel. Inmiddels beschikt ook de Rijkswaterstaat sedert 1958 over een meetploeg met instrumentarium voor het verrichten van een systematisch onderzoek van de ondergrondse verzilting van het lage deel van Nederland. Beide diensten mogen zich verheugen in een goede onderlinge samenwerking. Na deze inleiding is het wellicht nuttig eerst de grondslagen van de methode en de wijze van uitvoering uiteen te zetten, waardoor tevens het inzicht in de toepassingsmogelijkheden en de beperkingen daarvan wordt verdiept en de daarna te behandelen voorbeelden van uitgevoerde onderzoeken duidelijker zullen spreken.

Bodemweerstanden Zoals de naam reeds zegt worden bij toepassingen van de geoelektrische methode de elektrische eigenschappen van de bodem onderzocht. Met name gaat het hierbij om de specifieke elektrische bodemweerstand die, evenals bij de geleidende materialen in de elektrotechniek, wordt uitgedrukt als weerstand per eenheid van lengte in de stroomrichting, voor de eenheid van doorsnede loodQ recht op de stroomrichting, derhalve in - X m2, dat is in O m. m De specifieke elektrische bodemweerstanden Q zijn de reciproke waarden van de specifieke elektrische geleidingsvermogens. Aangezien de bodem in het algemeen is opgebouwd uit een vaste, een vloeibare en een gasvormige component hangt de grootte van de specifieke elektrische bodemweerstand af van de geleidende eigenschappen van elk van deze componenten, van hun onderlinge verhouding, die wordt gekarakteriseerd door de porositeit en de graad van verzadiging van de poriën met vloeistof, en tenslotte van de vorm van de poriën. Van genoemde drie componenten heeft de gasvormige, dat is de lucht in de poriën, een oneindig hoge weerstand; het is een volkomen isolator. De vaste component heeft doorgaans een zeer hoge weerstand, afhankelijk van de aard van het gesteente of het sediment, dat bijvoorbeeld al of niet ertshoudend kan zijn. De vloeibare component tenslotte vormt doorgaans het meest geleidende element in dit systeem. De geleidbaarheid hiervan hangt ten nauwste samen met het ionengehalte. Water met

A f b . I Forr>iatiefnctor als frrricrie i~aiide porositeit i~olgeiisetikele oiiderzoekers 1 0 POROSITEIT

20 IN

30

40

60

B 0 l00

%

een hoog zoutgehalte is in hoge mate geleidend; zeer zoet grondwater geleidt slecht. Gezien de weerstandsverhoudingen van deze componenten kan, volgens Archie, voor met grondwater verzadigde zandlagen worden gesteld, dat de specifieke elektrische bodemweerstanden Q recht evenredig zijn met de specifieke elektrische weerstanden van het poriënwater Q,. Deze verhouding is per definitie de formatiefactor F:

el

Deze is onafhankelijk van het geleidingsvermogen van het poriënwater, maar wordt alleen bepaald door de bodemstructuur en is derhalve in hoge mate afhankelijk van de porositeit. Afb. 1 geeft aan hoe volgens enkele onderzoekers de formatiefactoren van de

Afb. 2 Schenla mee opstelling stroomelektrode, meetelektrode

door hen beschouwde bodemstructuren a£hangen van de porositeit. De lijn volgens Archie voor m = 1,3 is het meest toepasselijk voor niet-geconsolideerde zanden, zoals hier te lande voorkomen. Daaruit blijkt, (at bij een porositeit van 35% een formatiefactor van ca. 4 behoort. Voor kleilagen geldt dit niet omdat in tegenstelling tot zand de kleimineralen ook een aandeel hebben in de elektrische stroomgeleiding. Bovenstaande uitdrukking voor de formatiefactor geeft in dit geval slechts een schijnbare formatiefactor, lager dan die voor zand van dezelfde porositeit. Bovendien is de porositeit van Mei doorgaans groter dan van zand. Uit het voorgaande blijkt, dat het mogelijk is door meting van de specifieke elektrische bodemweerstand Q , de specifieke elektrische weerstand Q,, en daarmee het ionengehalte van het poriënwater te vinden, mits de formatiefactor F bekend is, dan wel F te bepalen en daarmee een aanwijzing voor de porisiteit te verkrijgen wanneer Q, bekend is. Dit betekent ook, dat er behalve elk weerstandsonderzoek tevens gegevens uit boringen met grondwateranalyses ter beschikking dienen te staan ter ijking van de gemeten bodemweerstanden.

Weerstandsmeting Alvorens over te gaan tot de praktische toepassing van deze grondslagen, zal eerst worden beschreven op welke wijze de bodemweerstanden worden bepaald. Dit geschiedt door metingen aan de oppervlakte. De gebezigde meetopstelling is schematisch weergegeven in afb. 2. De beide buitenste elektroden zijn de zogenaamde stroomelektroden C, geplaatst op een onderlinge afstand L; deze bestaan uit koperen staven (afb. 3), die slechts enkele decimeters in de bodem worden gestoken en via kabels zijn verbonden met een gelijkstroombron, opgesteld in een meetauto. In het aldus opgebouwde stroomcircuit loopt een gelijkstroom van te meten sterkte I. Stroomsterkten tot ca. 2 A worden hiervoor toegepast. Door de bodem verlopen de stroombanen zoals geschetst in afb. 2. Als

A f b . 3 Plaatsing van de elektroden

gevolg hiervan ontstaan tussen de beide zogenaamde meetelektroden P (afb. 2 en 3), die op een onderlinge afstand a in het midden van de verbindingslijn der stroomelektroden zijn geplaatst, een te meten potentiaalverschil d V. Dit potentiaalverschil kan variëren van enkele V tot onderdelen van mV, hetgeen een zeer speciale meetapparatuur vereist. Afb. 4 geeft een beeld van deze apparatuur in de meetauto. De rechtse kist bevat de stroombron, bestaande uit vier roterende omvormers, die de door accu's geleverde spanning transformeren tot een hogere gelijkspanning. De beide voorste kisten bevatten het meetgedeelte. Het quotiënt R

=

AV is de weerstand van het grondmassief, inI

gesloten tussen de equipotentiaalvlakken door de meetelektroden P (afb. 2). Uit deze weerstand R kan de specifieke elektrische bodemweerstand Q eenvoudig worden berekend: Q=CR, waarbij C een constante is, die wordt bepaald door de elektroden-

t

Afb. 4

Uverz~clitvan de npparatziirr

i11

de nleetarrto

configuratie. Langs mathematische weg kan eenvoudig worden afgeleid dat:

Bij metingen aan de oppervlakte van een homogene ondergrond is de aldus bepaalde specifieke elektrische bodemweerstand Q onafhankelijk van de toegepaste afstanden a en L. In werkelijkheid is de bodem echter nimmer homogeen. Veelal kan het bodemprofiel worden geschematiseerd tot een aantal horizontale lagen van verschillende specifieke elektrische weerstand, samenhangend met de lithologische eigenschappen van die lagen en de chemische samenstelling van het grondwater in die lagen. Zeer zeker geldt dit waar de bodem is opgebouwd uit sedimenten, die in horizontale lagen zijn afgezet. In afb. 5 is een bodemprofiel weergegeven bestaande uit twee lagen; de deklaag heeft een hogere weerstand dan de basislaag. De stroombanen breken op het grensvlak van de beide lagen. Hierdoor is Q niet meer onafhankelijk van L. De op

Afb. 5 Strooi,ilij~ie~iiri eer1 l)oder,~pr.ofielinet tlilee Ircger~,IvooriJnri de bnsislnog eer1 logere ic~eer.strrr~(l Iieeft driii rle deklaog

dezelfde wijze berekende elektrische weerstand Q is nu een schijnbare weerstand ,o, en zal bij kleine afstanden L vrijwel gelijk zijn aan Q,, de weerstand van de deklaag, en bij toenemende afstanden naderen tot o,, de weerstand van de basislaag.

Interpretatie De grafiek, die Q, als functie van L/2 voorstelt is een weerstandskromme. Uit deze kromme kan omgekeerd het weerstandsprofiel van de bodem ter plaatse worden afgeleid door vergelijking van de door meting verkregen weerstandskromme met krommen, die werden berekend voor aangenomen combinaties van bodemweerstanden en laagdikten, waarvan thans een vrij grote collectie beschikbaar is. In afb. 6 is bij wijze van voorbeeld een bundel berekende weerstandskrommen voor een bodemprofiel bestaande uit twee lagen afgebeeld. Om praktische redenen is de dubbellogaritmische schaal hiervoor aangewezen. De dikte van de eerste laag is gelijk aan de eenheid van lengte; de verhouding

van de weerstand van de 101

basislaag tot die van de deklaag is als parameter gekozen. De beide uitersten worden gevormd door de krommen, waarvoor de verhouding

*,ca en

ei

0

bedraagt, hetgeen in fysische termen bete-

kent, dat de basislaag uit volkomen isolerend materiaal bestaat, resp. een volkomen geleider is. Afb. 7 toont een gemeten weerstandskromme voor een vier-lagenprofiel met de bijbehorende interpretatie. Het assenstelsel hiervan is, ten opzichte van dat in afb. 6, 90" gedraaid. Daardoor loopt de L/2-as in afb. 7 verticaal. De geïnterpreteerde diepten van de

voor een bodemprofiel bestaande irit Afb. 6 Birndel weerstandskrornme~~ c2

twee lageii, met - als parameter Cl

l

grensvlakken worden afgelezen langs de L/2-as, die voor de interpretatie als diepteschaal geldt en in deze verticale stand gemakkelijker als zodanig leesbaar is. De werkelijke weerstanden Q van de diverse lagen kunnen langs de horizontale pa-as worden afgelezen. Het afleiden van een weerstandsprofiel uit een weerstandskromme is geen eenvoudige zaak en wel ten eerste omdat het eindige aantal beschikbare standaardkrommen niet voorziet in het oneindig grote aantal mogelijke weerstandsprofielen en het berekenen van nieuwe zg. standaardkrommen zeer tijdrovend is, en voorts omdat bij een-

Afb. 7

Weerstaridskromn~e,gemeten i~abijEgrnorid aan Zee, met interpretatie er1 het profiel vari eer! iiabijgeleger~boring

zelfde gemeten kromme, binnen de grenzen van de meetnauwkeurigheid, vaak diverse interpretaties mogelijk zijn. Uit ,deze equivalente oplossingen zal dan een keuze moeten worden gemaakt op grond van kennis van de bodem uit boringen of andere metingen. Boringen zijn bij eik geo-elektrisch onderzoek onmisbaar; daaruit moet blijken welke geohydrologische betekenis mag worden gehecht aan de geuiterpreteerde specifieke elektrische bodemweerstanden. In afb. 7 is behalve de meting, die nabij Egmond aan Zee is verricht, het lithologisch profiel van een dichtbij gelegen boring ingetekend op dezelfde logaritmische schaal. Vergelijking van het weerstandsprofiel met de boring leert, dat de enkele meters dikke

kleilaag op ca. 30 m diepte duidelijk naar voren komt door het weerstandscontrast op die diepte, dat aangeeft dat onder de kleilaag tot 80 m diepte een hoge weerstand, derhalve zoet grondwater, aanwezig is in tegenstelling tot daarboven. De kleilaag heeft hier blijkbaar het onderliggende zoete grondwater beschermd tegen verdringing door zouter water tijdens latere transgressies van de zee. De diepte van het filter in de boring is eveneens aangegeven en het kruisje in het diagram geeft de grootte van de specifieke elektrische weerstand e aan behorende bij de uit analyse bekende weerstand e, van een watermonster uit dat filter, volgens de in de volgende paragraaf toe te lichten ijkgrafiek.

Afb. 8 geeft een voorbeeld van een ijkgrafiek. De lijn, aangeduid met el in de linkerhelft van het diagram geeft het verband weer tussen de specifieke elektrische weerstand bij 18OC (c.q. de reciproke waarde, het geleidingsvermogen K X 106),van grondwatermonsters en het ionengehalte daarvan op grond van analyses in het laboratorium. De tweede lijn in deze helft van het diagram, die voor e is zo goed mogelijk getrokken tussen de punten weergevende het verband tussen de geïnterpreteerde specifieke elektrische bodemweerstanden in metingen nabij boringen en het ionengehalte van de watermonsters uit die boringen. Door de keuze van een logaritmische schaal voor beide assen lopen beide lijnen evenwijdig. De onderlinge afstand geeft de grootte van de schijnbare formatiefactor F ' aan. Schijnbaar, omdat el in het laboratorium bij 18°C wordt bepaald terwijl e geldt voor een gemiddelde bodemtemperatuur van 10°C.

(,.,

,,

(,.,

Deze grafiek maakt het nu omgekeerd mogelijk om uit een door meting bepaalde bodemweerstand, in het gebied waarvoor de ijkgrafiek is opgesteld, het ionengehalte van het grondwater af te leiden. Van het aldus bepaalde totale ionengehalte bestaat de helft uit -

negatieve ionen, zoals C l T ~ 0 4 e nHCO; Daar de interesse meestal uitsluitend uitgaat naar het gehalte aan (21--ionen is in de rechterhelft van het diagram nog een aantal krommen geconstrueerd, die het mogelijk maken, vervolgens het chloridegehalte af te lezen, wanneer het gehalte aan andere negatieve ionen bekend is uit grondwateranalyses van monsters afkomstig uit het desbetreffende gebied.

e

I

Z

>

1

I

>

i

A f b . 9 Isohalinenkaart voor 50 m diepte onder een gedeelte van het ZJssel»ieer, samengesteld op grond van geo-elektrisch onderzoek

Toepassingen Na deze beschrijving van de methode volgt thans ter illustratie van de toepassingsmogelijkheden nog een aantal voorbeelden van verrichte onderzoekingen. IJsselmeer Als eerste voorbeeld van toepassing zou ik willen noemen het onderzoek in het IJsselmeer, tevens het eerste dat hier te lande is verricht. Hoewel dit onderzoek niet was gericht op de drinkwatervoorziening, heeft het toch informaties verschaft, die onmisbaar zijn voor de bepaling van de plaats van eventuele toekomstige grondwaterwinningen in dit gebied. Als bijzonderheid kan nog worden vermeld, dat dit onderzoek te water werd verricht. Daartoe werd de speciaal voor dit doel geconstrueerde kabel, voorzien van elektroden, telkenmale op de meerbodem uitgelegd vanaf een schip. Over dit onderzoek is inmiddels uitgebreid gerapporteerd door de Dienst der Zuiderzeewerken. Afb. 9 werd hieraan ontleend. De

pleistocene zandlagen zijn in dit gebied dermate homogeen van samenstelling, dat overal dezelfde formatiefactor kon worden aangehouden, waardoor het mogelijk werd isohalinenkaarten voor diverse diepten samen te stellen. Afb. 9 geldt voor een diepte van 50 m. In tegenstelling tot hetgeen mocht worden verwacht, verliep de overgang van zoet naar brak grondwater niet evenwijdig aan de noordwestrand van de Veluwe. Het zoete grondwater, dat op de meeste plaatsen reeds op korte afstand uit de kust overgaat in brak grondwater, vertoont nabij Harderwijk een belangrijke uitstulping, die in grote trekken samenvalt met een ter plaatse aanwezige hoog gelegen rug ,,De Knar", die een uitloper vormt van de stuwwal ten zuidoosten van Harderwijk. De jongere, veelal uit klei en veenlagen bestaande, afzettingen hebben het zoete grondwater, dat hier in het pleistoceen is ontstaan geconserveerd. In eerste instantie is dit een onmisbaar gegeven voor de berekeningen ten aanzien van de hoeveelheid zout, die door kwel in de zuidelijke IJsselmeerpolders wordt gebracht. Uit een oogpunt van drinkwatervoorziening is het van belang omdat het een duidelijke begrenzing geeft van het gebied, waar het eventueel te onttrekken grondwater zoet is.

Friesland Het tweede voorbeeld is van geheel andere aard. Het betreft een onderzoek, dat in het jaar 1958 is verricht ten behoeve van de Intercommunale Waterleiding Gebied Leeuwarden (I.W.G.L.) in de omgeving van het reeds bestaande pompstation te Noord-Bergum, waarvan uitbreiding werd overwogen. Hier deed zich de vraag voor in hoever dit mogelijk zou zijn, gezien de nabije ligging van de overgang van zoet naar brak en zout grondwater. Een juiste detaillering van deze overgang ontbrak nog. Om deze reden werd aan de Werkgroep Geo-elektrisch Onderzoek T.N.O. opgedragen deze grens met de geo-elektrische methode van onderzoek nader te preciseren. Het onderzoek omvatte in totaal 71 metingen. Ongeveer gelijktijdig werd door de I.W.G.L. in hetzelfde gebied een omvangrijk boorprogramma ten uitvoer gebracht, waarvan de gegevens onmisbaar waren bij de interpretatie van het geo-elektrisch onderzoek; omgekeerd werden de lokaties van de boringen mede bepaald op grond van de voorlopige uitkomsten van de metingen. Daardoor heeft dit onderzoek niet alleen geresulteerd in een nadere detaillering van de gezochte overgang, maar het heeft tevens gegevens verschaft over de diepte en uitgestrektheid van de in het onderzochte gebied, zowel als daarbuiten, plaatselijk in zeer grote

Afb. I 0

Specifieke elektrisclie ~veerstaizdop eer1 diepte vuil 60 in -rn.v. in de omgeving van Noord-Bergrcin

diepten voorkomende potklei. De potklei kenmerkt zich door relatief lage weerstanden van ca. 10 Qm. Afb. 10 voorstellende de weerstandsverdeling op een diepte van 60 m -m.v. geeft hiervan een duidelijk beeld. Deze weerstanden werden gevonden in een langgerekte strook, die in noord-zuidrichting door het gebied loopt, en waarin het Bergumermeer en de Leyen zijn gelegen. Deze gehele strook tekent zich aan de oppervlakte af door een depressie in de maaiveldhoogte. De zone van relatief lage weerstand en de lokaties van de boringen, waarin potklei was aangetroffen bleken elkaar volkomen te dekken. Gezien de zeer grote diepten - tot 95 m -waartoe de potklei, blijkens de boringen en de metingen, reikt, fungeert de met potklei gevulde geul in geo-hydrologisch opzicht als een scherm, dat weerstand biedt aan de horizontale grondwaterbeweging. Nadere analyse van de grondwaterstijghoogten zal nog moeten uitwijzen of hier slechts sprake is van een gedeeltelijke belemmering van de stroming, dan wel van een volledige begrenzing van het wingebied. Het behoeft in deze kring geen nader betoog, dat de verkregen informatie betreffende de potklei in dit geval ten minste even belangrijk was als de gegevens betreffende de zoet-zoutgrens.

Afb. l 1

Diepte Ni rn -m.v. vati de basis van Iiet sedinrerztpakket met 40 Q n1 in de omgeving van Zuidlaren Q

Groningen

In opdracht van de N.V.Waterleidingmaatschappij voor de provincie Groningen (WAPROG) te Groningen werd eveneens door de Werkgroep Geo-elektrisch Onderzoek T.N.O. een onderzoek verricht nabij Zuidlaren. Het doel hiervan was een geschikt terrein te vinden voor het stichten van een nieuw pompstation, teneinde te kunnen blijven voldoen aan de toenemende behoefte aan water als gevolg van de voortschrijdende industrialisatie in deze provincie. Het onderzoek werd verricht in de jaren 1959 en 1960 en omvatte in totaal 63 metingen. In afb. 11 zijn de lokaties van die metingen aangegeven, alsmede de diepte in m -m.v. van het sedimentpakket met Q 40 Om. Daar voor een juiste interpretatie correlatie van metingen met enkele bestaande diepe boringen noodzakelijk was, werden ook in de wijdere omtrek metingen uitgevoerd. De voorlopige interpretatie van de eerste 50 metingen is aanleiding

>

geweest tot het maken van twee boringen, waarvan er één 2 km oostelijk van Zuidlaren werd uitgevoerd tot een diepte van 200 m. De resultaten waren in grote trekken als volgt: onder beschermende eemienkleilagen werd van ca. 50 tot ca. 110 m diepte een dik zandpakket aangetroffen, waaraan zoet water zou kunnen worden onttrokken. De diepte van het grensvlak tussen zoet en zout grondwater (afb. 1 l), bleek zelfs groter te zijn dan werd verwacht. Het dikke ,,doorlatende pakket" bleek plaatselijk echter meer fijnkorrelig te zijn ontwikkeld. Wateronttrekking zou daar bezwaarlijk zijn. Door correlatie van het geo-elektrisch onderzoek met boringen kon als criterium voor de bruikbaarheid van een terrein in dit gebied, 100 Qm moest als toekomstig wingebied worden gesteld, dat Q zijn en tevens F 3. Deze eis voor de formatiefactor sluit klei uit. Een grotere formatiefactor duidt op een geringere porositeit; deze wordt in het algemeen gevonden bij grove granulometrisch weinig gesorteerde zanden, derhalve bij lagen met grote doorlatendheid. Op grond van het voorkomen van relatief lage elektrische weerstanden, samenhangend met de zeer lage formatiefactor ter plaatse moest worden afgezien van een waterwingebied bij Zuidlaren tegen de Hondsrug aan. Genoemde diepe boring en het weerstandsonderzoek vestigden de hoop, dat enkele kilometers ten oosten van Zuidlaren wel aan de gestelde eisen zou zijn voldaan. Dit werd bevestigd door 13 aanvullende metingen, die aldaar werden verricht, gelijktijdig met nog tien boringen, waarvan het merendeel tot 200 m diepte reikt.

>

Het onderzoek in Noordholland werd door de Dienst voor de Waterhuishouding van de Rijkswaterstaat verricht in het bestek van het in uitvoering zijnde systematische onderzoek naar de ondergrondse verzilting van het lage deel van Nederland. Gezien het karakter van dit onderzoek is de dichtheid van het net van metingen doorgaans veel geringer dan van de gedetailleerde onderzoekingen, die door T.N.O. ten behoeve van drinkwaterleidingmaatschappijen werden verricht. Met opzet werden ook de duingebieden buiten beschouwing gelaten. Niettemin heeft dit onderzoek ook interessante gegevens opgeleverd. Ik wil mij hier echter beperken tot één voorbeeld, dat ook binnen de interessesfeer van de drinkwatervoorziening valt en wel het gebied tussen Alkmaar en de duinen. Hier werd in een aantal metingen een weerstandscontrast gevonden op ca. 30 m diepte. Afb. 7 geeft hiervan een voorbeeld. De aard van dit contrast, een

VERKLARING I'GETAL IS SPEC.ELEK.WEERSTAND 90(25:

0

IN DE METING I N A m Z'GETAL IS NCGEO-ELEK. METING

1

1

A f b . 12 Specifieke elektriscl~e weerstand op een diepte van 15 -N.A.P. in de omgeving van Alkmaar

r11

weerstandstoeneming, duidt op de aanwezigheid van zoet grondwater onder zout, hetgeen slechts denkbaar is indien het zoete grondwater aan de bovenzijde door een afsluitende laag is beschermd. Inderdaad bleek deze aanwezig te zijn in de vorm van een kleilaag van eemien ouderdom, aangetroffen in een aantal

A f b . 13 Specifieke elektriscke iveerstand op eer1 diepte van 40 n1 -N.A.P. in de onzgei~ingvan Alkmaar (verklaring als in afb. 12)

boringen in de omgeving. Ter illustratie zijn in de afb. 12 en 13 de weerstandskaarten getekend voor diepten van resp. 15 en 40 m -N.A.P., waaruit duidelijk blijkt hoezeer deze verschillen. Door bestudering van de geologische gesteldheid van dit gebied is gebleken, dat het zoute grondwater achter de duinen boven de kleilaag kan worden beschouwd als een overblijfsel uit de tijd, het Subatlanticum, dat er bij Egmond een opening in de strandwal bestond, waardoor de zee vrij toegang had. De tweede strandwal liep over Alkmaar, Heiloo en Limmen. Deze tekent zich in afb. 12 op de diepte van 15 m -N.A.P. duidelijk af door de hogere weerstanden, die ten oosten van het gebied met zout grondwater voor-

komen. Het zoute water is derhalve thans als het ware ingesloten tussen de zoutwaterlens in de duinen en die ter plaatse van de voormalige strandwal. Texel Het laatste voorbeeld betreft het eiland Texel, waar in 1956 een centrale drinkwatervoorziening is gesticht, die haar water onttrekt naast de afgedamde Moksloot in de duinen in het zuidwesten van

het eiland (afb. 14). Vanzelfsprekend kan de waterbehoefte in de landbouw hiermee niet worden gedekt. Het grote oppervlak regelmatig verdrogende gronden was voor de Rijkslandbouwconsulent aanleiding aan de Rijkswaterstaat de vraag voor te leggen of het mogelijk was met de geo-elektrische methode aan te geven, waar en tot welke diepten' op Texel zoet grondwater voorkomt. Hiertoe werden in het jaar 1961 in totaal 103 metingen op dit eiland verricht, waaronder een aantal in de duinen. De uitslag van het onderzoek, waarover binnenkort zal worden gerapporteerd, was, zoals reeds werd gevreesd, teleurstellend. De aanwezigheid van zoet grondwater was beperkt tot de duinen en het Bergje, een pleistocene verheffing ten zuidoosten van Den Biyrg. In afb. 14 is de diepte in m -m.v. van het ondervlak van het zoete grondwater op Texel gekarteerd. Als criterium voor ,,zoetn is hier gekozen een specifieke elektrische weerstand van tenminste 4 0 Qm. Volgens de ijkkromme voor Texel ligt het chloridegehalte van het grondwater dan tussen 180 en 410 mg ~ 1 7 1 . Ondanks deze teleurstelling heeft het onderzoek een aantal interessante nevenaspecten opgeleverd. Zo werd vrij regelmatig een weerstandsovergang gevonden, die op vele plaatsen nauw samenhangt met de diepte, waarop de in hydrologisch opzicht zo belangrijke keileem voorkomt. De keileem vormt ook de basis van het watervoerende pakket, waaraan de waterleidingmaatschappij, het P.W.N., haar water onttrekt. In het uiterste noorden van het eiland werd tot grote diepte, 60 m, zoet vater aangetoond. Het hier aanwezige zoete water kon zelfs tot onder het strand worden gevolgd, hetgeen geen verwondering wekt, wanneer men bedenkt dat de duinen daar in belangrijke mate zijn afgeslagen. Tenslotte was het leerzaam de aangegeven diepte van het grensvlak tussen zoet en zout grondwater onder het Bergje te vergelijken met de ligging van die grens ter plaatse van vier boringen, die aldaar in de jaren 1915 tot 1919 werden verricht en bemonsterd. Daaruit blijkt, dat dit grensvlak in de sedertdien verstreken tijd belangrijk omhoog is gekomen. Waar vroeger diepten van 50 tot 65 m voorkwamen vindt men nu nog slechts 25 tot 35 m zoet grondwater. Besluit Met deze voorbeelden moge duidelijk zijn geworden, welk een belangrijke bijdrage het geo-elektrisch onderzoek kan geven tot de kennis van de geo-hydrologische gesteldheid van een gebied.

Coagulatie

1. Inleiding

Tijdens de eerste vakantiecursus heeft dr. Vart Heusden aan de hand van de toentertijd bekende gegevens de belangrijkste aspecten van de chemische coagulatie belicht. Sedertdien is het inzicht omtrent het wezen van de coagulatie verder verdiept en de wetenschappelijke en technische ontwikkeling van het coagulatieproces heeft nieuwe vorderingen gemaakt. In deze les zullen de belangrijkste nieuwe gezichtspunten onder de loep worden genomen. Hierbij zal worden voortgebouwd op de stof, die door dr. Van Heusden werd behandeld. Om de toenemende behoefte aan drinkwater voor huishoudelijk en industrieel gebruik te kunnen dekken is men tegenwoordig meer en meer genoodzaakt zijn toevlucht te nemen tot het zuiveren van oppervlaktewater. In vroeger jaren, toen het oppervlaktewater nog niet zo sterk was verontreinigd, kon hieruit door een eenvoudige langzame filtratie een goed en betrouwbaar drinkwater worden verkregen. Moeilijkheden gingen zich echter voordoen toen de vervuiling van het beschikbare oppervlaktewater groter werd. In de loop der jaren moest het langzame filtratieproces met andere bewerkingen zoals storage, sedimentatie, beluchting, voorfiltratie, chloring en behandeling met actieve kool worden aangevuld om een redelijk produkt te kunnen verkrijgen. Maar zelfs een dergelijke geperfectioneerde langzame filtratie zal falen als de verontreiniging van het ruwe water te groot is. Onvoldoende resultaten worden bereikt als het water bv. veel colloïdale klei bevat, een te hoge kleur heeft of een te hoog gehalte heeft aan organische stoffen, ijzer of mangaan. De langzame zandfiltratie is dan niet in staat om de hierboven opgesomde verontreinigende bestanddelen in voldoende mate te verwijderen, zoals moge blijken uit tabel 1, waarin behalve de hoedanigheid van sterk verontreinigd oppervlaktewater ook de samenstelling is gegeven van het hieruit door langzame filtratie bereide produkt. Onder dergelijke omstandigheden is met de langzame filtratie geen behoorlijk drinkwater te verkrijgen. De in het ruwe water voorkomende verontreinigingen kunnen dan beter en vollediger worden verwijderd door chemische coagulatie met ijzer- of aluminiumzouten.

TABEL 1

Ruw oppervlaktewater

Filtraat langzame zandfiltratie

Kleur KMn04-verbruik NH4 Fe Mn

2. Colloïd-chemische grondslagen

In water opgeloste stoffen komen daarin voor in uiterst fijnverdeelde toestand nl. als moleculen of ionen. Kenmerkend voor deze ware oplossingen is, dat de opgeloste stof niet affiltreerbaar is en verder dat deze optisch leeg is d.w.z. dat bij doorvallend licht geen zijwaartse verstrooiing van het licht plaatsvindt. Ook niet-oplosbare stoffen kunnen in zeer fijn verdeelde toestand in water vóórkomen. Is de diameter van de deeltjes groter dan dan spreken wij van een grof-mechanische suspensie. Kenmerkend voor een dergelijke suspensie is, dat de deeltjes affiltreerbaar zijn. Hebben de gesuspendeerde deeltjes afmetingen, die liggen tussen 1 mp en 1;' dan spreken wij van een colloïdale oplossing of sol. Ogenschijnlijk heeft een colloïdale oplossing bedriegelijk veel van een ware oplossing. Bij filtratie over filtreerpapier gaan de soldeeltjes door het papier heen. Maar bij nader onderzoek blijkt toch, dat er grote verschillen zijn. Zo vertoont een colloïdale oplossing een duidelijk Tyndall-effect, d.w.z. dat bij invallend licht een sterke zijwaartse strooiing plaatsvindt. Uit de aard van de zaak zijn er geen scherpe grenzen tussen de ware oplossingen en de solen en evenmin tussen de solen en de grof-mechanische suspensies. Oplossingen van chemische verbindingen met een zeer groot molecuul hebben eigenschappen, die min of meer op die van colloïdale oplossingen gelijken. Daar de troebelheid en kleur van het in de natuur voorkomende water voor een belangrijk deel worden veroorzaakt door de aanwezigheid van in colloïdale toestand voorkomende stoffen, waarbij een groot deel van de organische stof eveneens als colloïd voorkomt, kunnen zich bij de zuivering moeilijkheden voordoen omdat de colloïden zich niet door een eenvoudige mechanische filtratie laten verwijderen. Evenmin is het mogelijk om een scheiding door sedimentatie te bewerkstelligen omdat, door de zeer geringe afmeting van de soldeeltjes de bezinksnelheid is te verwaarlozen. Een aangroeiing van de kleine deeltjes tot grotere complexen, een proces, dat men eigenlijk

I

potentiaal

I I l

E I

I I

I

afstond van d e wand

Afb. 1

E

= =

t1lermodynamisclie poteiitiaal elektrokinetische of zêtapoteritiaal

oppervlakte-energie afneemt, vindt bij een colloïdale oplossing vrijwel niet plaats. Dit komt omdat de soldeeltjes door adsorptie van ionen hetzij een positieve, hetzij een negatieve elektrische lading hebben, waardoor -decolloïdale deeltjes elkaar afstoten en vorming van grotere conglomeraten van deeltjes wordt voorkomen. De geadsorbeerde ionen trekken tegengesteld geladen ionen uit de oplossing aan, waardoor een zg. elektrische dubbellaag wordt gevormd. Het potentiaalverschil tussen beide elektrische ladingen is het potentiaalverschil tussen vaste stof en vloeistof, dus de thermodynamische potentiaal. De uit de vloeistof aangetrokken compenserende ionen zijn echter niet alle onverbrekelijk aan het deeltje verbonden. Wij kunnen dus een onderscheid maken tussen een vast en een diffuus deel van de dubbellaag (afb. 1). In het vaste deel treedt een snel potentiaalverval op (a-b). Van b tot c is het potentiaalverval meer geleidelijk. Het potentiaalverschil b-c heet de elektrokinetische of zêtapotentiaal (c).

Afb. 2 A irivloed concerltratie elektrolyt o p t-poterrtiaal, B invloed valentie vati tegerigesteld geladen ionen o p (-potentinal

De stabiliteit van colloïdale oplossingen hangt af van de waarde van de zêtapotentiaal. Wanneer tWe soldeeltjes elkaar naderen, zullen de afstotende krachten voorkomen, dat ze zich verenigen tot één groter deeltje. Hoe groter de zêtapotentiaal des te groter de afstotende krachten en dus ook de stabiliteit van de sol. De waarde van de zêtapotentiaal is afhankelijk van het elektrolytgehalte. Een verhoging van het elektrolytgehalte veroorzaakt een verlaging van de elektrokinetische potentiaal door een verhoging van de adsorptie van tegengesteld geladen ionen in de zg. vaste dubbellaag (afb. 2A). De invloed is afhankelijk van de lading van de ionen; divalente ionen verminderen de <-potentiaal meer dan monovalente ionen en trivalente weer meer dan de divalente ionen (afb. 2B). Door toevoeging van elektrolyten kan de stabiliteit van een sol dus worden verminderd. Beneden een zekere kritische waarde van de zêtapotentiaal zijn dq afstotende krachten zo gering geworden, dat de kleine soldeeltjes kunnen samengroeien tot grotere partikels,

Afb. 3 Wederzijdse uitvlokking van tegengesteld geladen solen

m.a.w. onder deze omstandigheden treedt flocculatie op. Flocculatie is ook mogelijk door een wederzijdse beïnvloeding van twee tegengesteld geladen solen. Deze vorm van flocculatie treedt op als twee solen van tegengestelde lading met elkaar worden gemengd. Het is duidelijk, dat volledige uitvlokking slechts mogelijk is als de ladingen van beide solen elkaar tot onder de kritische potentiaal neutraliseren. Indien één van beide solen in overmaat aanwezig is, treedt geen of een slechts onvolledige uitvlokking op. In afb. 3 is het verband tussen uitvlokking en mengverhouding van de solen schematisch weergegeven. Het gearceerde gedeelte geeft het gebied van geheel of gedeeltelijke uitvlokking weer. De in natuurlijke wateren voorkomende verontreinig'mgen zoals klei, huminemren, eiwitachtige stoffen en ander organisch materiaal, zijn van colloïdale aard. De stabiliteit wordt hierbij veroorzaakt door een negatieve lading. Bij de chemische coagulatie wordt gebruik gemaakt van aluminiumof ijzerzouten. Indien deze aan water worden toegevoegd zullen door reactie met de alkaliteit de overeenkomstige hydroxyden worden gevormd: 2 Al (X 3) Hz0 -iAlg03 X H20 3 HzS04 2 Fe Cl3 (x 3) Hz0 -t Fez03 x H20 6 HCl Het gevormde zuur wordt geneutraliseerd door het bicarbonaat, dat tot de normale bestanddelen van naturlijk water behoort. Is de natuurlijke alkaliteit te gering, dan kan kalk worden toegevoegd om het proces te bevorderen. Bij toevoeging van tamelijk grote hoeveelheden aluminium- of ijzerzouten en een voldoend hoge alkaliteit om al het gevormde zuur te binden. zal zich snel een precipitaat van &O3 n H 2 0 resp. Fe,O, n %O vormen. In de praktijk van de chemische coagulatie worden echter slechts kleine hoeveelheden coagulans gebruikt. Onder deze omstandigheden vormen zich de positief geladen solen van Alzo3 of Fe203.

+ + + +

+ +

Flocculatie kan nu optreden omdat enerzijds de toevoeging van de 1- of Fe-zouten, dus door 3-waardige positieve ionen, de zêtaotentiaal van de negatief geladen verontreinigingen wordt verlaagd; anderzijds doordat de gevormde positieve soldeeltjes van Alzo3 of Fe,O3 aanleiding geven tot een wederzijdse uitvlokking met de negatieve colloïden in het water. Door onderzoek van de laatste jaren is wel uitgemaakt, dat de flocculatie wel hoofdzakelijk het gevolg is van de wederzijdse uitvlokking. De potentiaalverlagende werking van de Al- of Fe-ionen is bij de concentratie, die normaal voorkomt, vrijwel geheel te verwaarlozen.

&

3. Enkele theoretische beschouwingen over het uitvlokkingsproces

De reactie van het toegevoegde coagulans met het in het water voorkomende bicarbonaat:

+ + + +

+ +

Alz(S04)3 (X 3) H20 + A1203 X Hz0 3 HzS04 of 2 FeCL (x 3) H 2 0 + Fe203 x Hz0 6 HCl verloopt in zeer korte tijd. Direct na het reactieproces komen de hydroxyden nog in de moleculaire vorm voor, maar door de warmte- resp. Brownse beweging van de partikeltjes en het zeer grote aantal deeltjes per volume-eenheid vinden zoveel contacten plaats, dat de hydroxydepartikels spoedig aangroeien tot deeltjes van colloïdale dimensies. Dit proces is in enkele seconden voltrokken. Aangenomen, dat de zêtapotentiaal een voldoende laag niveau heeft om voortgezette uitvlokking mogelijk te maken, zal de snelheid van de flocculatie nadat de soltoestand is bereikt zeer sterk afnemen. Het is duidelijk, dat naarmate de deeltjes groter worden hun beweeglijkheid onder invloed van de Brownse beweging kleiner wordt, met het directe gevolg dat ook de kans op onderlinge contacten en samenballing van de deeltjes geringer wordt. Deze zg. perikinetische flocculatie heeft dus een met de tijd sterk aflopend karakter. Voortzetting van de uitvlokking is mogelijk door de partikeltjes kunstmatig gelegenheid te geven met elkaar in aanraking te komen, wat kan worden bereikt door agitatie van de vloeistof. Onder deze omstandigheden spreekt men van orthokinetische flocculatie. De snelheid van deze vorm van uitvlokking op een bepaald tijdsbestek, bv. in de tijdseenheid, in botsing komt met gradiënt en de concentratie van de deeltjes, wat door een eenvoudige berekening kan worden aangetoond. De waarschijnlijkheid, dat een deeltje 1 met een diameter d, in een bepaald tijdsbestek bv. in de tijdseenheid in botsing komt met een deeltje 2 met een diameter d,, kan als volgt worden berekend. Indien het middelpunt van deeltje 2 binnen de bol komt, waarvan

Afb. 4 X richting van de stroom, Z richting snelheidsgradiërrt

het middelpunt samenvalt met dat van deeltje 1en met een straal R = (d, d,), zullen beide partikels met elkaar in botsing komen (afb. 4). Verondersteld wordt, dat in de vloeistof een laminaire

+

,

stroming bestaat met een snelheidsgradiënt . Op een afstand z boven het middelpunt is de relatieve snelheid van de vloeistof av

z

g.De hoeveelheid vloeistof, die per tijdseenheid door de

schijf met een hoogte dz stroomt is:

en de hoeveelheid, die door de hele bol stroomt:

Indien de vloeistof per volume-eenheid n, partikels met diameter d, en n, met diameter d, bevat dan is de waarschijnlijkheid dat één bepaald deeltje 1 gedurende de tijdseenheid in botsing komt met een deeltje 2: 4 dv =-n2 1 dv I =-n2R3(di 3 dz 6 dz en het waarschijnlijk aantal botsingen van deeltjes 1 en 2 per volume-eenheid:

+

Afb. 5

De snelheid, waarmee het uitvlokkingsproces verloopt is dus recht evenredig met de snelheidsgradiënt G, met de derde macht van de som van de diameters en met de concentraties, waarin beide soorten deeltjes voorkomen. De waarde van de snelheidsgradiënt bij de menging en vlokvorming in waterzuiveringsinrichtingen kan sterk wisselen met tijd en plaats. Een gemiddelde waarde kan echter worden berekend uit het per volume-eenheid benodigde arbeidsvermogen voor de agitatie. Beschouwen wij een elementaire vloeistofkubus dx dy dz (afb. 5). Tussen onder- en bovenvlak bestaat een snelheidsverschil dv. De kracht ten gevolge van de inwendige wrijving is:

lr

waarin LL de viscositeit van het water. De arbeid, die door deze acht per tijdseenheid wordt verricht, bedraagt: dv dv kdv=p-d~d~dv=~ dxdydz z dz Het ingebrachte vermogen per volume-eenheid is dan:

(d-)

Daar de snelheid van de vlokvorming evenredig is met de gradiënt G, zou het, oppervlakkig bezien, raadzaam zijn om de snelheidsgradiënt zo hoog mogelijk op te voeren teneinde de flocculatietijd te bekorten. Hierbij is men echter aan een maximum gebonden. De inwendige wrijving op een bepaald punt van de vloeistof bedraagt: e=pG

Indien G te hoog zou worden opgevoerd, zou de inwendige wrijving zo groot worden, dat de grotere vlokken, die uit de aard der zaak zwakker van bouw zijn dan kleine vlokken, stuk zouden breken. Camp heeft voor een aantal goed functionerende coagulatiebedrijven in de V.S. de waarde van G berekend volgens formule (2). Hierbij vond Camp, dat de maximumwaarde voor G varieerde van 20 tot 74 sec-'. Wil men verzekerd zijn van een goede vlokvorming dan mag laatstgenoemde waarde niet of slechts weinig worden overschreden. Wij hebben gezien, dat de snelheid, waarmee het uitvlokkingsproces verloopt evenredig is met de snelheidsgradiënt. Bij een lage gradiënt zal het langer duren voor het flocculatieproces is voltooid dan bij een hoge G. Het produkt van gradiënt en flocculatietijd GT kan daarom als een karakteristieke grootheid worden gezien. Uit de praktijk van de waterzuivering is gebleken, dat voor een goede coagulatie de waarde van het dimensieloze produkt GT moet liggen tussen 10.000 en 100.000. Uit de aard der zaak verdient het aanbeveling om bij het ontwerpen van flocculatie-inrichtingen met bovenvermelde grenswaarde voor G en G T rekening te houden. Een voldoende agitatie of, anders gezegd, een juiste waarde voor G kan op verschillende wijze worden bereikt. Tegenwoordig worden het meest mechanische roerwerken toegepast, die het voordeel hebben, dat de mate van agitatie geheel aan de omstandigheden kan worden aangepast. In de praktijk varieert het voor het roeren benodigde energieverbruik van 0,5-1,5 kWh per 1000 m3behandeld water. Uitvlokking kan ook worden bevorderd door beluchting, nl. door kleine luchtbellen door de vloeistof te persen. Door de opstijgende beweging van de luchtbellen wordt de gewenste snelheidsgradiënt verkregen. Hierbij doet zich de bijzondere omstandigheid voor, dat luchtbellen door de vlokken worden ingesloten, waardoor deze niet bezinken maar naar de oppervlakte stijgen. De vlok kan dan door afschuiming worden verwijderd, zodat geen bassin of andere inrichting voor bezinking behoeft te worden gebruikt. Men zou dus met aanmerkelijk kleinere installaties kunnen volstaan.

4. Uitvlokking en beziokig Een goede vlok van aluminium- of ijzerhydroxyde is affiltreerbaar. Filtratie direct na de uitvlokking is wel mogelijk maar is van bedrijfseconomisch standpunt bekeken onaanvaardbaar omdat dan het percentage filterspoelwater veel te hoog zou zijn. In verband hiermee wordt vrijwel steeds het grootste gedeelte van de vlokken door bezinking verwijderd vóór het water op de filters wordt gebracht.

Zoals bekend is, bestaat bij de chemische coagulatie van water het vlokkenmateriaal uit Al(OH), resp. Fe(OH), met geadsorbeerd water en ingesloten en geadsorbeerde verontreinigingen. Vers geprecipiteerd aluminium- resp. ijzerhydroxyde, bereid uit tamelijk geconcentreerde oplossing van de overeenkomstige zouten door toevoeging van de benodigde hoeveelheid alkali, bevat een beperkte hoeveelheid water nl. 20 mol. &O per mol. hydroxyde. De dichtheid van deze vlokken bedraagt dan voor: Al (0H)j 20 Hz0 : 1,18 Fe (OH), 20 Hz0 : 1,34 De vlokken, verkregen bij de normale chemische coagulatie, bevatten veel meer water. Daardoor verschilt de dichtheid van de vlokken slechts weinig van die van water (ca. 1,002). Uit de aard der zaak kunnen relatief grote verschillen voorkomen. Klei en slibdeeltjes vergroten het s.g., ingesloten organische stoffen kunnen de dichtheid verminderen. De bezinkingssnelheid van de uitgevlokte partikels is afhankelijk van de dichtheid van de vlokken, de diameter van de deeltjes en de viscositeit van het water. Het verband tussen deze grootheden is vastgelegd in de formule van Stokes: 1 g (pi - p) dz, waarin v =18 P

(3)

g = de versnelling van de zwaartekracht, FL = de viscositeit, g, en Q = de dichtheid van de vlokken resp. van het water en d = de diameter van de deeltjes. De bezinkingssnelheid is dus evenredig met het kwadraat van de diameter en omgekeerd evenredig met de absolute viscositeit. Het effect van de sedimentatie hangt dus ten nauwste samen met de grootte van de deeltjes en met de viscositeit. Laatstgenoemde grootheid is sterk afhankelijk van de temperatuur, zoals moge blijken uit tabel 2. Bij O 'C is de viscositeit bijna 80% hoger dan bij 20 "C. Het is dus duidelijk, dat de bezinkingssnelheid bij lage watertemperatuur veel geringer is dan bij hoge watertemperatuur.Hiermee moet worTABEL 2 viscositeit van water in centipoise (102 cm-' g s e c 1 ) temp. in

O 5 10 15 20 25

O C


1,79 1,52 1,31 1,14 1,Ol 0,239

1

P - - - - - - - - - - - - -

+

Afb. 6

den rekening gehouden bij het ontwerpen van bezinkbekkens. Het verband tussen de hoeveelheid behandeld water en de bezinlcingssnelheid kan voor een zg. ideaal bezinkbassin (afb. 6) eenvoudig worden berekend. Indien de bezinkingssnelheid, waarbij juist 100% sedimentatie wordt verkregen V, wordt genoemd, bedraagt de verblijftijd: T=- h vr; waarin h = de diepte van het bassin. Voor T kan ook worden geschreven: T=-- hbl

Q '

waarin b = de breedte, l = de lengte en Q = de hoeveelheid water, die per tijdseenheid doorstroomt. Hieruit volgt: h - hbl h.A VS

waarin A=bl=het

Q

Q '

oppervlak van het bekken, of

*

Q -VS -De produktiecapaciteit van een sedimentatiebassin is dus.uitsluitend afhankelijk van de sedimentatiesnelheid en het oppervlak; de diepte van het bassin is, althans theoretisch, van geen betekenis. Het quotiënt

Q komt in de Angelsaksische literatuur voor als

-

A ,,surface loading" of ,,overflow rate". Deze grootheid is van bijzondere betekenis bij het ontwerpen van ,,upward flow" instaliaties.

Er bestaat een essentieel verschil tussen de bezinking van niet ilocculerende partikels en de sedimentatie van uitvlokkende suspensies. In laatstgenoemd geval wordt de bezinking beïnvloed door voortgezette flocculatie, die het gevolg is van: a. verschil in sedimentatiesnelheid van de vlokken; de grotere en dus snellere vlokken halen de kleinere en trage partikels in, waardoor verdere groei van de vlokken mogelijk is; b. het voorkomen van snelheidsgradiënten in het water.

Afb. 7

Het zal duidelijk zijn, dat in een ideaal sedimentatiebassin alleen de onder a genoemde oorzaak voor voortgezette flocculatie bestaat. De snelheid, waarmee de uitvlokking plaatsvindt is een functie van het aantal botsingen tussen de partikels per tijdseenheid. Nu zal een deeltje met een diameter d, en een bezinksnelheid V, (afb. 7) in de tijdseenheid alle partikels met een diameter d, (d,
(di 4

+

d2)' (v1 - VZ). Indien de vloeistof per volume-eenheid n, partikels met een diameter d, bevat, dan kan de waarschijrilijkheid, dat in de tijdseenheid een deeltje d, in aanraking komt met een deeltje d,, worden weergegeven met de betrekking:

Bevat de vloeistof n, partikels met diameter d,, dan bedraagt het warschijnlijk aantal botsingen per volume-eenheid en per tijdsenheid: 7d

ns = n1 nz -(di 4

+ d2)z(Vi-Vs)

Hiervoor kan worden geschreven: 7d

ns = -f n1 n2 (di 4

+d

waarin Uit formule (4) kan worden afgeleid dat:

~(di) ~ dz)

(4)

a. geen uitvlokking plaatsvindt als de deeltjes dezelfde diameter hebben; b. de flocculatiesnelheid evenredig is met de 3e macht van de som van de diameters; c. de flocculatiesnelheid evenredig is met de concentratie, waarin de deeltjes voorkomen. In bezinkbassins zal altijd ook enige uitvlokking plaatsvinden ten gevolge van optredende snelheidsgradiënten. Deze worden veroorzaakt door niet te vermijden turbulenties bij de inlaat en verder door de weerstand van wanden en bodem. De snelheid van deze uitvlokking wordt bepaald door formule (1). In een normaal sedimentatiebassin vindt dus voortgezette flocculatie plaats door beide bovengenoemde oorzaken. Er moet echter op worden gewezen, dat in de praktijk het effect van deze voortgezette uitvlokking niet moet worden overschat, vooral niet als het uitvlokkingsproces al voor een aanzienlijk percentage is voltooid vóór het water in het sedimentatiebassin wordt geleid. De flocculatiesnelheid is dan al sterk vertraagd door de teruglopende concentratie van de partikels. De voortgezette flocculatie, zowel volgens formule (1) (snelheidsgradiënt) als volgens formule (4) (verschil sedimentatiesnelheid), is van bijzonder grote betekenis bij de filtratie door een vlokkendeken (,,upward flow"). Een vlokkendeken is opgebouwd uit grote vlokken en het aantal vlokken per volume-eenheid is groot. Alle omstandigheden zijn dus gunstig voor het afvangen van kleinere partikels, dus voor een voortgezette uitvlokking. Door het aanwezig zijn van uitsluitend grote vlokken, waarvan de bezinksnel-

Q worden toegepast; heid groot is, kan een hoge ,,overflow rate" A bovendien kan door het snelle verloop van het flocculatieproces, de totale verblijftijd in de installatie laag worden gehouden 1% uur) in vergelijking met die bij de klassieke waterzuiveringsinstallaties.

(x-

5. Mogelijke storingen van het coagulatieproces Het verloop van het coagulatieproces is afhankelijk van de chemische en fysische hoedanigheid van het te behandelen water. Het voorkomen van bepaalde verontreinigingen zoals kleideeltjes, organische colloïden en kiezelzuur in een bepaalde vorm kunnen de uitvlokking bevorderen. Uiteraard ,is bij verschillende onderzoekers de vraag gerezen of er in water stoffen kunnen voorkomen, die het flocculatieproces kunnen storen. Hierbij is in de eerste plaats gedacht aan de synthetische wasmiddelen. Amerikaanse onderzoekers

hebben aangetoond, dat sommige detergente stoffen, die in huishoudelijke wasmiddelen worden gebruikt. de uitvlokking van Al(OH), kunnen storen bij concentraties van 8-20 mgll. Andere gaven bij hoeveelheden groter dan 25 mg11 nog geen moeilijkheden. Daar het voorkomen van dergelijk grote hoeveelheden oppervlakte-actieve stoffen in water, dat als grondstof voor de drinkwatervoorziening wordt gebruikt, niet waarschijnlijk is, zal het in de praktijk wel nooit voorkomen, dat oppervlakte-actieve stoffen als zodanig oorzaak zijn van moeilijkheden bij het coagulatieproces. Nu bestaan de synthetische wasmiddelen slechts voor een deel uit organische oppervlakte-actieve stoffen. Het gehalte hiervan wisselt van 20 tot 40% ;de voornaamste andere bestanddelen zijn natriumsulfaat (10-60%) en polyfosfaten (0-50%). Veel gebruikte fosfaten zijn natriumpyrofosfaat Na,P,O, en natriumtrifosfaat Na,P3Olo. Volgens Amerikaanse onderzoekingen kan bij eerî gehalte van 1 mg11 aan polyfosfaat de uitvlokking van aluminiumhydroxyde ernstig worden gestoord. De storing kan volledig zijn, d.w.z. de vlokvorming blijft geheel achterwege, of de flocculatie vindt wél plaats maar de vlokken blijven klein en zijn zwak van structuur. Niet alleen de uitvlokking van aluminiumhydroxyde maar ook de coagulatie met ijzerzouten wordt gestoord als het water meer dan sporen polyfosfaat bevat (2 1 mg/l). Dit werd aangetoond door proeven, uitgevoerd door de Drinkwaterleiding van Rotterdam. Polyfosfaten kunnen door hydrolyse worden omgezet in het voor het coagulatieproces onschuldige orthofosfaat. De snelheid, waarmee deze omzetting plaatsvindt hangt o.a. ook af van de watertemperatuur. Men heeft echter aangetoond, dat zelfs bij hoge watertemperatuur (20-25°C) de hydrolyse nog maar heel langzaam verloopt, (50% omzetting Na,P,O, in 60 dagen). 6. Coagulatiehulpmiddelen

De ervaring heeft geleerd, dat onder invloed van verschillende omstandigheden het coagulatieproces minder vlot kan verlopen. Dit kan zich o.a voordoen als: a. het te behandelen water een lage temperatuur heeft (0-5°C). Bij temperaturen lager dan 5°C is het uitvlokkingsproces traag, de sterkte van de gevormde vlok is kleiner dan bij normale watertemperaturen en de bezinksnelheid is verminderd door de hogere viscositeit van het water; b. het water een lage kleur en troebelingsgraad heeft. Onder deze omstandigheden is de vlokvorming moeilijk omdat door een tekort aan negatieve colloïdale deeltjes de wederzijdse uitvlokking niet volledig kan plaatsvinden;

c. het water bepaalde chemische verbindingen bevat, die de vlokvorming kunnen verhinderen resp. vertragen (bv. polyfosfaten). Ook is het niet uitgesloten, dat sommige watersoorten kiezelzuur in een storende vorm bevatten. Door één of meer van de hierboven genoemde omstandigheden kan de vlokvorming dus niet voldoende zijn, de bezinkingsnelheid is lager dan normaal en een groter gedeelte van de vlokken moet door de filters worden verwijderd, waardoor de filtratieperiodes korter worden. Meestal zijn de vlokken dan ook minder sterk van structuur, zodat de mogelijkheid bestaat, dat bij toenemende filterweerstand de vlokken stuk gaan en door het filterbed worden getrokken met als resultaat een filtraat, dat troebel is door de aanwezigheid van Al(OH),- of Fe(OH),-partikeltjes. Nu is het noodzakelijk om erop te wijzen, dat de hierboven beschreven moeilijkheden geenszins tot de hoge uitzonderingen behoren. Vele bedrijven zijn niet in staat om zonder speciale maatregelen gedurende het gehele jaar een ongestoord coagulatieproces te doen verlopen. Een al sinds jaren bekend middel om het coagulatieproces te bevorderen is het zg. ,,actieve kiezelzuur", een verdunde oplossing van polymeer kiezelzuur, dat de eigenschap bezit om enerzijds de vlokvorming te stimuleren, anderzijds de vlok te verstevigen. Tegenwoordig kent men vele middelen om het coagulatie- en sedimentatieproces te bevorderen. Deze zg. ,,coagulant aids" kunnen voor verschillende doeleinden worden toegepast, bv. : a. het verkrijgen van een zware en dus snel bezinkbare vlok; b. het versnellen van de vlokvorming; c. het verkrijgen van een sterke vlok. Verzwaring van de vlok kan op eenvoudige wijze worden bewerkstelligd door met het coagulans een indifferente stof met een relatief hoog s.g. in poedervorm toe te voegen. Voor dit doel kunnen worden gebruikt klei, bentonit, poedervormig krijt en ook actieve kool in poedervorm. Tijdens de vlokvorming worden de partikeltjes van het hulpmiddel ingesloten waardoor de vlokken een hogere dichtheid hebben dan zonder toevoeging. Uit de aard der zaak kunnen vertegenwoordigers van deze groep coagulatiehulpmiddelen alleen worden toegepast als de vlokvorming op zich zelf geen moeilijkheden oplevert. Een bijzondere plaats onder de coagulatiehulpmiddelen neemt het actieve kiezelzuur in, niet alleen omdat dit middel al sedert vele jaren door een groot aantal bedrijven met succes wordt toegepast, maar ook omdat de werking ervan als tweeledig kan worden beschouwd; enerzijds kan het fungeren als negatief colloïd om de als

ZUUR

NA-SILIKAAT

WATER

VERDUND ZUUR

R!JPlNGSTANK

4

NAAR PUNT VAN DOSERING WATER

1

NA-SILIKA AT

VERDUND ZUUR

OPL. RVPINGSTANK POMP

B

POMP

Afb. 8 Bereiding vair actief kiezelzuur

verontreiniging aanwezige negatieve colloïden aan te vullen en zodoende met het toegevoegde coagulans een voldoend snelle wederzijdse uitvlokking te verkrijgen, maar het heeft ook duidelijk de eigenschappen, die kenmerkend zijn voor de hierna te behandelen organische coagulatiehulpmiddelen, nl. het versterken van de vlok en de mogelijkheid om hierdoor zeer grote en dus snel bezinkbare vlokken te verkrijgen. Actief kiezelzuur kan worden bereid door aan een oplossing van waterglas zuur toe te voegen, bv. zwavelzuur: NazSiOs HzS04 + NazSO4 HzSi03. Het primair gevormde H,SiO, polymeriseert tot hoog-moleculaire polykiezelzuren van verschillende samenstelling, die door de verzamelformule (H2Si0,)n kunnen worden weergegeven. Oplossingen van actief kiezelzuur kunnen discontinu (afb. 8a) of continu (afb. 8b) worden bereid. In plaats van zwavelzuur kunnen ook verschillende andere stoffen voor het in vrijheid stellen van het kiezelzuur worden gebruikt bv. zoutzuur, chloor, koolzuur en natriumbicarbonaat. De bruikbaarheid van actief kiezelzuur hangt in hoge mate af van de samenstelling van het te behandelen wa-

+

+

ter. Goede resultaten kunnen over het algemeen worden verwacht bij watersoorten met een lage alkaliteit. Een gunstig effect is echter geenszins gegarandeerd; het kan zelfs voorkomen, dat de toevoeging van actief kiezelzuur de vlokvorming bemoeilijkt of zelfs geheel verstoort. Een met d'ie van actief kiezelzuur overeenkomende werking hebben sommige natuurlijke organische produkten zoals zetmeel, gelatine en alginaten, verbindingen met een hoog moleculair gewicht, die zich in waterige oplossing als colloïden gedragen. Naast deze natuurlijke coagulatiehulpmiddelen kent men tegenwoordig ook de synthetische poly-elektrolyten. Verschillende van de tot laatstgenoemde groep behorende verbindingen zijn derivaten van het polyacrylzuur, een polymeer van acrylzuur

acrylzuur bv. het polymethuylacrylzu~

---

-CH2-C

I -

COOH n

De poly-elektrolyten zijn kettingmoleculen, die in ongedissocieerde toestand min of meer de vorm van een in elkaar gekronkeld touw hebben( afb. 9a). Door neutralisatie (in het geval van polymethylacrylzuur dus door toevoeging van NaOH) treedt dissociatie op; het aldus gevormde poly-ion zal zich gaan strekken door de elektrisch geladen COO-groepen. In deze gestrekte vorm is de kans groot, dat het kettingmolecuul in contact komt met een soldeeltje van het gehydrolyseerde coagulans. Al naar gelang van de aard van de sol en van het gebruikte coagulatiehulpmiddel kunnen één of meer van de iongroepen een plaats gaan innemen in de elektrische dubbellaag om het soldeeltje. Het soldeeltje heeft dan als het ware een soort vangarm gekregen. Er bestaat nu een vrij grote kans, dat het vrije uiteinde van deze vangarm zich aan een ander soldeeltje hecht. De hierbij plaatsvindende neutralisering van de elektrisch geladen iongroepen vermindert de afstotende kracht tussen de uiteinden van het polymere molecuul, dat dan weer de neiging gaat vertonen om de vorm van een in elkaar gekronkeld

r

coo-

cóoAfb. 9 Poly-elektrolyt: A ongedissocieerd, B als iori

touw aan te nemen, wat dus tot resultaat heeft, dat de soldeeltjes naar elkaar toe worden getrokken. Aldus kan men zich enigszins voorstellen hoe de werking van een toegevoegd poly-elektrolyt is. Aangenomen mag worden, dat de werking van actief kiezelzuur, althans voor een deel, op een soortgelijk mechanisme berust, zodat dit produkt min of meer kan worden beschouwd als een anorganisch poly-elektrolyt. Bovengeschetste voorstellingswijze leent zich minder voor de verklaring van de activiteit van zg. niet-ionogene polymeren zoals de zetmeelprodukten; maar aan de andere kant is het nog de vraag of deze niet-ionogene coagulatiehulpmiddelen wel als niet-elektrolyt mogen worden beschouwd. Voor sommige in de handel voorkomende zetmeelprodukten is deze twijfel zeker gerechtvaardigd. De coagulatie hulpmiddelen zijn reeds werkzaam in kleine doses (0,5-2 mg/l). In ieder geval mag geen overdosis worden toegepast omdat dan het effect juist tegengesteld zou zijn aan hetgeen wordt verlangd. Een overmaat aan ,,coagulant aid" heeft een dispergerende invloed, zodat de uitvlokking juist wordt verstoord. Een goede dosering is daarom van het grootste belang. De benodigde hoeveelheid moet door laboratoriumproeven worden vastgesteld. Ook aan de wijze van dosering zelf moet bijzondere aandacht worden besteed, wil het gewenste doel worden bereikt. In geen geval kunnen deze hulpstoffen rechtstreeks aan het te behandelen water worden toegevoegd. Eerst moet een betrekkelijk geconcentreerde oplossing in water (ca. 2%) worden bereid, waarbij aan

de menging bijzonder hoge eisen worden gesteld. De elders bereide colloïdale oplossing wordt dan aan het te behandelen water toegevoegd. Een aspect, dat bij het gebruik van coagulatiehulpn~iddelenbij de drinkwaterzuivering niet over het hoofd mag worden gezien, is de fysiologische werking ervan op mens en dier. Hoewel bij een juiste dosering het hulpmiddel vrijwel geheel in de vlok wordt opgenomen (onderzoekingen laboratorium D.W.L. Rotterdam wijzen in die richting) moet in de praktijk met eventuele afwijkingen en storingen rekening worden gehouden. Men zal echter goed eraan doen, het gevaar van het voorkomen van sporen ,,coagulation aids" in het drinkwater niet te overschatten. Door de U.S. Public Health Service zijn dan ook al verschillende ,,coagulation aids", W.O.synthetische, volkomen onschadelijk geacht, zodat deze zonder enig bezwaar bij de bereiding van drinkwater kunnen worden toegepast.

7. Nieuwe technische ontwikkelingen Op grond van verdieping van theoretisch inzicht en ruimere praktische ervaringen met het coagulatieproces zijn op technisch gebied grote en kleine verbeteringen tot stand gekomen. Voor een belangrijk deel hebben deze betrekking op de dosering, de menging en het eigenlijke uitvlokkingsproces. Ook op het gebied van de ,,upward-f1ow"-installaties zijn nieuwe constructies ontwikkeld. De meest originele hiervan is de door Degrémont ontworpen ,,pulsator" (afb. 10), waarvan hieronder een korte beschrijving volgt. In het midden van een reservoir bevindt zich een vacuumklok A, waarin het te behandelen water met benodigde chemicaliën wordt opgezogen. Het vacuum wordt onderhouden door een pomp P. Wanneer het waterniveau het contact 1 heeft bereikt wordt de afsluiter S geopend. Door de druk van de lucht wordt het water uit de klok door een geperforeerd buizensysteem B in de flocculatieruimte geperst, waardoor de daarin aanwezige vlokkendeken in zwevende toestand wordt gehouden. Als het waterniveau het contact 2 heeft bereikt wordt de afsluiter A gesloten, waarna het water weer in de klok zal stijgen; het water in de uitvlokkingsruimte komt dan tot stilstand. De overmaat aan vlokken wordt door ,,slibconcentrators" C, - C2 afgevoerd. Het effluënt kan op de normale wijze door middel van geperforeerde goten (D) worden afgevoerd. Een voordeel van de pulsator is, dat deze in iedere gewenste vorm (rond, ovaal, rechthoekig enz.) kan worden geconstrueerd. Ook, dat geen mechanische roenverken nodig zijn. Wel moet men zich realiseren, dat de uitvlokking uitsluitend in de sedimentatieruimte

-

water mei

coogultins.

Afb. 10 P~~lsator van Degrémont

plaatsvindt, wat dus bijzonder hoge eisen stelt aan de werking van de vlokkendeken. 8. Coagulatie en waterkwaliteit

De kwaiiteitsverbetering van water door het coagulatie heeft betrekking op de fysische, de chemische en de biologische (bacteriologische) hoedanigheid. Wat betreft de fysische gesteldheid kan worden opgemerkt, dat m.b.t. de troebelheidsgraad en de kleur door de coagulatie een aanzienlijk effect kan worden verkregen. Al het zwevende materiaal van colloïdale dimensies af tot de grovere zwevende delen zoals klei, slib, fijn-verdeeld organisch materiaal en microscopische organismen, wordt geadsorbeerd aan, of ingesloten door, de vlokken en kan dus nagenoeg volledig worden verwijderd. De kleur van water wordt veroorzaakt door opgeloste en door colloïdale stoffen. De kleur verooaaakt door colloïdaal materiaal kan volledig worden verwijderd, de kleur veroorzaakt door opgeloste stoffen wordt als regel slechts gedeeltelijk geëlimineerd. Het is bekend, dat de klew van water wordt uitgedrukt in mg Pt/l. Water met een zeer hoge kleur bv. van 50-80 mg Pt11 kan door coagulatie worden omgezet in een produkt, dat praktisch kleurloos is nl. met een kleur van 2-4 mg Pt/l. Het ontkleurend effect van de coagulatie hangt ook af van de dosis coagulans; hierbij moet erop worden gewezen, dat voor het verwijderen van de laatste resten kleur zeer grote hoeveelheden coagulans nodig zijn.

49

Bij de chemische samenstelling van water moet een onderscheid worden gemaakt tussen de anorganische en de organische bestanddelen. Door het coagulatieproces wordt de anorganisch chemische samenstelling, althans wat betreft de normaal voorkomende bestanddelen, niet of weinig veranderd. Wel wordt een deel van het bicarbonaat omgezet in koolzuur, wat neerkomt op een pH-verlaging maar meestal wordt deze weer gecompenseerd door toevoeging van kalk. IJzer en mangaan worden door het coagulatieproces vlot verwijderd. Hierbij doet het weinig terzake in welke vorm deze componenten voorkomen, in ionvorm of gebonden in een organisch complex. In het eerstgenoemde geval zullen de Fe- resp. Mn-ionen als het ware een aanvulling vormen van de toegevoegde dosis coagulans, in het tweede geval zullen Fe en Mn door adsorptie worden geëlimineerd. Belangrijk is verder, dat het fosfaatgehalte door de coagulatie tot een zeer lage waarde wordt gereduceerd, afhankelijk van de omstandigheden tot 10 à 204(,g/1. Organische stoffen worden voor een deel ingesloten, voor een deel door de vlok geadsorbeerd. De mate, waarin de organische stoffen worden verwijderd, hangt o.a. af van de hoeveelheid coagulans, die wordt toegevoegd. In de praktijk zal men genoegen moeten nemen met een gedeeltelijke eliminering van de organische stof omdat een volledige verwijdering een zeer hoge dosis coagulans zou vergen. Sporen fenolen worden door de vlok redelijk geadsorbeerd. Het zuiveringseffect kan natuurlijk aanmerkelijk worden verbeterd door met het coagulans ook actieve kool te doseren. Detergente stoffen, althans de anionactieve, worden slechts weinig geadsorbeerd. In dit geval is het gebruik van actieve kool een dwingende noodzaak. Dit zal ook het geval zijn als het ruwe water onverhoopt zou zijn verontreinigd met insecticiden en dergelijke stoffen. Ook de bacteriologische hoedanigheid van water wordt door het coagulatieproces aanmerkelijk verbeterd. Dit is ook wel duidelijk want de bacteriën (afmetingen 1-10p) kunnen worden beschouwd als gesuspendeerd materiaal. Bij een goed verlopend proces vindt een reductie van het aantal bacteriën plaats van 60 à 70%, soms zelfs van 90%; dus een behoorlijke bacteriologische verbetering maar geen volledige verwijdering, zodat bij de bereiding van drinkwater nog een speciale desinfectie moet plaatsvinden. Nu wordt de betrouwbaarheid van drinkwater niet alleen bepaald door de bacteriologische hoedanigheid. Evenzeer moet men zeker ervan zijn, dat het drinkwater geen ziekteverwekkende virussen bevat. Tegenwoordig wordt in verschillende wetenschappelijke centra gewerkt aan de methodiek om virussen in het water aan te tonen en te bepalen. Op dit terrein is al veel bereikt, zodat het ook mogelijk is om te onderzoeken in welke mate virussen bij de ver-

schillende waterzuiveringsmethoden worden verwijderd. Volgens de tot dusver bekende gegevens is het effect van het coagulatieproces zeer bevredigend; hierbij kan men waarschijnlijk op verwijdering van 90 a 99% rekenen. Maar ook hierbij, evenals het geval is met de bacteriën, bereikt men geen volledige verwijdering, zodat een aanvullende behandeling, in de vorm van een desinfectie, steeds noodzakelijk is. Een bijzondere plaats nemen de radioactieve verontreinigingen in. Komen deze voor als zwevend materiaal of in colloïdale vorm, dan is door coagulatie een volledige verwijdering mogelijk. De verwijdering van opgeloste radioactieve isotopen hangt af van de mate, waarin deze aan de aluminium- resp. ijzerhydroxydeviokken worden geadsorbeerd. Sommige isotopen, zoals de zeldzame aarden, alsmede fosfor in de vorm van fosfaat worden goed geadsorbeerd. Voor radioactief strontium is vastgesteld, dat dit, afhankelijk van de omstandigheden, voor 10 a 50% kan worden verwijderd. Het zuiveringseffect kan verder worden verbeterd door toevoeging van klei of bentonit in poedervorm. Het ionenwisselend vermogen van deze materialen begunstigt de verwijdering van vele radioactieve isotopen in belangrijke mate. Er moet echter met nadruk op worden gewezen, dat het coagulatieproces het niveau van de radioactiviteit slechts dan tot een aanvaardbare waarde kan verlagen, als het ruwe uitgangsprodukt slechts in zeer geringe mate is besmet. Literatuur G. P. H. van Heusden - Het wezen der coagulatie. l e Vak.cursus drinkwatervoorz. Moormans Periodieke Pers N.V., Den Haag (1948). G. M. Fair en J. C. Geyer - Elements of Water Szcpply arid Waste Disposal. John Wiley & Sons Inc., New York (1958). E. W. Steel - Water Sicpply and Se~verage.McGraw-Hill Book Comp. Inc., New York (1960). E. Nordell - Water Treatinertt for Industrial and other uses. Reinhold Publ. Corp., New York (1951). T. R. Camp en P. C. Stein -Boston Soc. of Civil Engineers 30(1943)219. T . R. Camp - Trans. Am. Soc. of Civil Engineers (1946)(2285)895. T . R. Camp - Trans. Aln. Soc. of Civil Engineers (1955)(2722)1. Anon. - J.A.W .W.A. 47(1955)768. A. P. Black -J.A. W .W.A. 52(1960)492. H. E. Hudson jr. -J.A. W .W.A. 49(1957)242. Shih Lu Chang - J.A.W.W.A. 53(1961)288. T . M . Riddick -J.A.W. W.A. 53(1961)1007. H . R. Kruyt - Colloid Science. Elsevier Publ. Comp., Amsterdam (1952). R. F. Packham - Water Res. Neivs (1958)(7).

Onderzoekingen naar de toestand van filterbedden door ir. A. de Lathouder

1. Inleiding

Het is bekend dat filterbedden nog al eens verborgen gebrekei1 hebben, zoals onregelmatigheden in d e steunlagen, slibbanken, verstopte spoelorganen e.d. Vaak treden deze verschijnselen eerst na geruime tijd aan het licht door verdachte wijzigingen in het uiterlijk van het filter of opvallende veranderingen in buiten het filter controleerbare grootheden, die kenmerkend zijn voor de werking van het filter. Dit kunnen bv. zijn een onregelmatigheid die de luchtspoeling aan de oppervlakte van het filterbed te zien geeft, sterke toeneming van de weerstand van het zg. ,,schone3' filterbed, kwaliteitsvermindering van het filtraat. Aangezien een studie van het inwendige van het bed niet goed mogelijk is - het opsporen van gebreken door afgraven is omslachtig en niet bevorderlijk voor een goede werking van het filter - komen onvolkon~enhedendie hun oorsprong in het filterbed vinden meestal eerst in een laat stadium aan het licht. Het is dan ook niet te verwonderen dat behoefte werd gevoeld aan een methode om op eenvoudige en doeltreffende wijze het inwendige van het filterbed te kunnen inspecteren. Hierdoor kan bv. de mogelijkheid worden geschapen het verloop van de vervuiling in het bed, de gelaagdheid van het zandbed en het effect van de spoelwerking direct te controleren, zodat een beter inzicht in het verloop van het filtratieproces wordt verkregen. Bovenstaande overwegingen hebben geleid tot de ontwikkeling van een eenvoudig apparaat, gebaseerd op een door het KIWA aangegeven principe, waarmee de beoogde controle mogelijk is door het steken van voor het filter representatieve monsters over de diepte van het bed. Door een regelmatige controle kunnen ongerechtigheden tijdig worden gesignaleerd zodat bijtijds maatregelen kunnen worden genomen. Hierdoor wordt een regelmatiger bedrijf verzekerd hetgeen uiteindelijk de exploitatie ten goede komt. Sedert het steekapparaat door het KIWA tezamen met de Duin-

waterleiding van 's-Gravenhage tot een voor de praktijk bruikbare vorm is ontwikkeld, zijn hiermee in samenwerking met een aantal waterleidingbedrijven verschillende filters onderzocht. Op grond hiervan konden verscheidene adviezen worden uitgebracht en er werd ruime ervaring opgedaan ten aanzien van het gebruik van het steektoestel. In dit overzicht wordt de ontwiltkeling van het apparaat behandeld en, vooral ook ten dienste van de toekomstige gebruiker, wordt nader ingegaan op de steektechniek, de wijze van onderzoek en de mogelijkheden die het toestel biedt. 2 . De grondvorm van het steekapparaat en de daaraan te stellen eisen

Het was bekend dat een gesloten buis ongeschikt is voor het steken van filterbedmonsters omdat de steekweerstand zeer groot is, het monster maar tendele tot de buis toetreedt en bovendien sterk ineen wordt gedrukt. Verondersteld werd dat deze bezwaren zich minder sterk zouden doen gevoelen indien in principe zou worden uitgegaan van een overlangs gedeelde buis waarvan de beide delen na elkaar in het te bemonsteren medium kunnen worden gestoken, als het ware als een schuif op een griffelkoker. Op grond van dit principe werd als grondvorm gekozen een metalm goot, die rechtstandig in het bed wordt gestoken en daarna wordt afgesloten door een sluitstuk dat als een schuif met een geleiding langs de goot in het filter wordt geduwd. De afmetingen en vorm van goot en schuif dienen zodanig te worden gekozen dat representatieve monsters kunnen worden gestoken en dat in het bijzonder wordt voldaan aan de volgende eisen. a. De vervorming van het monster (indrukking, vermenging) tijdens insteken, uittrekken en openen van het toestel moet minimaal zijn. b. Het toestel moet gemakkelijk ltunnen worden geopend, waarna het monster eveneens gemakkelijk moet kunnen worden uitgenomen. c. Met éénmaal steken moet, met een minimale verstoring van het filterbed, een serie monsters over de gewenste diepte en van voldoende inhoud voor g laboratorium onderzoek worden verkregen. d. De zg. ,,uitvalv, dat is de hoeveelheid materiaal die tijdens het uittrekken van het apparaat aan de onderzijde uit het toestel valt, moet tot een minimum beperkt blijven.

e. Het inbrengen en uittrekken van het apparaat moet met beperkte krachtsinspanning met de hand mogelijk zijn. f. De constructie dient eenvoudig en robuust te zijn en voldoende beschermd tegen aantasting te zijn uitgevoerd. g. Het toestel met eventueel toebehoren moet gemakkelijk hanteerbaar zijn en mag geen vervoersprobleem scheppen voor wat betreft afmetingen, gewicht en kwetsbaarheid. h. Het toestel moet zo universeel mogelijk zijn, d.w.z. geschikt zijn voor het nemen van monsters uit filterbedden met verschillende diepten en korrelgrootten, verschillende vervuilingsgraden en gevoed met water van uiteenlopende samenstellingen. De onder g en h genoemde eisen zijn van minder belang voor een steekapparaat dat voor een bepaald filter is bestemd. 3.

De ontwikkeling en de uitvoering van het steekapparaat

3.1.

Onderzochte variaties

Volgens het principe ,,goot en schuif" werden 25 steekapparaten met een verschillende dwarsdoorsnede vervaardigd. Een aantal van deze toestellen werd op punten van ondergeschikt belang nog gewijzigd, zodat een groot aantal variaties kon worden bestudeerd. Deze variaties bestonden uit verschillen in vorm en afmetingen van de dwarsdoorsnede van goot en schuif, geleiding, uitvoering van de onderkant (steekpunt, lipjes om het uitvallen van het monster te voorkomen) en oppervlaktebehandeling (,,coating"). Naast deze variabelen, die het apparaat zelf betroffen, moesten de verschillen in steektechniek worden bestudeerd. Dit laatste punt betrof dus de wijze waarop het appparaat in het bed werd gebracht, bv. schuin of rechtstandig, snel of langzaam, met een onderbroken of doorgaande beweging (zie pt 4). Het grote aantal mogelijkheden leidde tot een uitgebreid beproevingsprogramma. Hierin konden de variabelen naar keus en dus systematisch worden gewijzigd. Een complicatie vormde echter de noodzaak tot steken in verschillende filters, waardoor een extra aantal variabelen, die men niet in de hand heeft, in het programma worden geïntroduceerd. Het zal duidelijk zijn dat de eigenschappen van het filtermateriaal waaruit de monsters werden gestoken mede van invloed waren op het monstersteken en dat verschillende filters met geheel verschillende bedden, gevoed met verschillende soorten water, tot grote verschillen in de steekresultaten konden leiden. Zelfs bleek de toestand van het zandbed in eenzelfde filter, bv. ten gevolge van verschillen in vervuiling,

A f b . 2 Dii>nrsdoors~iede (lengte afl~nlikelijkijar1 de dikte ilnri het bed) Af b. I Steektoestel corlipleet i11 nim) (zomfer lipjes) (111~1teli

vochtigheidsgraad en samendrukking, van grote invloed op het resultaat te zijn. Het gevolg was dan ook dat de conclusies door dergelijke variabelen, die men niet in de hand heeft en die men meestal ook niet goed kent, vaak werden vertroebeld, hetgeen de vergelijking van verschillende uitvoeringsvormen bemoeilijkte. Op de invloed van bedoelde factoren wordt in punt 5 nader ingegaan.

De uitvoering van het steektoestel, vastgesteld op grond van het uitgebreide vooronderzoek, is in de afb. 1 en 2 geschetst. De goot heeft een dwarsdoorsnede in de vorm van een halve cirkel, de schuif bestaat uit een vlak gedeelte met twee haaks omgezette randen die dienen om de schuif tijdens het omlaagdrukken langs de goot te geleiden. Om de weerstand van de schuif zo klein mogelijk te houden is de dikte van het plaatmateriaal van de schuif slechts 1 mm. Uit later opgedane ervaringen is gebleken dat deze schuif bij een steekdiepte van 2 m en een grote steekweerstand neiging tot uitknikken vertoont. Tijdens het steken is in dat geval derhalve de uiterste voorzichtigheid geboden. Om dit ongemak te verhelpen kan het vlakke gedeelte van de schuif iets naar buiten worden doorgedrukt zodat de dwarsdoorsnede een licht gebogen vorm krijgt. Bij een doordrukking ter grootte van 3 mm wordt de knikzekerheid reeds ongeveer verdubbeld. Er zal nog worden nagegaan of deze vormverandering van de schuif verder geen ongewenste consequenties met zich, brengt. Het apparaat is uitgevoerd in roestvrij staal en bekleed met een laag kunststof, ,,hostaflon" genaamd. Door deze bescherming van het oppervlak wordt een behoorlijk slijtvaste en gladde laag verkregen. Het ligt in de bedoeling de kwestie van de coating nader te onderzoeken, zowel wat betreft de slijtvastheid als de weerstand. In de huidige vorm is het apparaat echter reeds voor

Afb. 3

Uitvoering met lipje

het onderzoek in de meeste filters geschikt. Voor zand met korreldiameters > 2 à 3 mm kan het gewenst zijn het toestel van onderen op de in afb. 3 geschetste wijze van verende lipjes te voorzien (bv. 30 mm lang, 5 mm breed en 0,35 mm dik), om te voorkomen dat het grove materiaal eruit valt als het apparaat uit het bed wordt getrokken. Op deze wijze kon zonder bezwaar in materiaal van 3 à 4 mm worden gestoken.

4. De steektechniek De steektechniek berust op ervaring en kan voor verschillende filterbedden verschillend zijn. Het steken is wat men noemt een ' ,,slag", maar hiervoor zijn zeker enkele algemene richtlijnen te geven. a. De toestand van het bed Alvorens te steken wordt het bed zóver afgelaten dat het waterniveau tot onder de steekdiepte is gezakt. Het materiaal zou anders hi het natte filter bij het omhoogtrekken te gemakkelijk uit het apparaat glijden. Mocht de weerstand wat groot zijn dan mag het toestel wel eerst in het natte bed worden gestoken (zonodig eerst iets aflaten) omdat dit gemakkelijker gaat dan in een minder vochtig bed. Daarna, dus vóór het trekken, moet het bed dan geheel worden afgelaten.

b. Het inbrengen De goot wordt eerst met water bevochtigd (,,gesmeerd") en dan ca. 5O achteroverhellend, zoveel mogelijk in één doorgaande beweging in het bed omlaaggeduwd. Daarna wordt de schuif zodanig over de goot omlaaggeschoven, dat vooral de onderkant goed tegen de goot aangedrukt blijft en dus niet gaat wijken. Dit kan worden bereikt door de schuif aanvankelijk onder een zeer

kleine hoek met de goot omlaag te duwen, dus door de bovenkant even vrij te houden van de goot. Hierbij moet de steker de zekerheid hebben dat de onderkant van de schuif het monster langs de goot afsnijdt. Blijft de goot of de schuif bij het inbrengen haperen dan kan het gunstig zijn deze enkele cm omhoog te trekken alvorens verder te gaan.

c. Het trekken Het trekken van het nu gevulde steektoestel geschiedt zoveel mogelijk in één langzame doorgaande beweging. Ruwe en plotselinge bewegingen vergroten de kans op uitval. Bij het tegelijkertijd omhoog halen van goot en schuif moeten deze delen zoveel mogelijk met beide handen stevig op elkaar worden gedrukt. Hierbij wordt het apparaat afwisselend hand voor hand onmiddellijk boven het bed omklemd. Voor lange apparaten kan het gewenst zijn het trekken door twee man te doen geschieden of de boveneinden van het toestel tijdens het trekken met een klem op elkaar te drukken. d. Het resultaat Het toestel wordt na het uittrekken horizontaal neergelegd met de goot naar onderen. De schuif kan nu, nadat deze voorzichtig van het monster is losgeklopt, van de goot worden verwijderd. Als de steekdiepte is gemeten kan aan de bovenzijde van het toestel de inklinking en aan de onderzijde de eventuele uitgevallen lengte (,,uitval" in cm) worden opgemeten. Daarna wordt de plaats van de gewenste monsters op de goot afgetekend en het materiaal wordt met een half cirkelvormig plaatje dat in de goot past eruit geschoven zodat de monsters afzonderlijk, bv. in plastieken monsterzakjes kunnen worden verzameld. Uiteraard zal het monster nooit ongestoord zijn omdat goot en schuif door het zand heen omlaag worden geschoven en dus altijd enig slib mee omlaag zullen voeren. Daarbij wordt het monster tevens iets ineengedrukt. Deze inklinking bedraagt , meestal 1-6% van de steeklengte. Bovendien valt er aan de onderkant vaak iets van het monster uit, doorgaans 0-10% van de lengte. Voor grof materiaal met weinig samenhang is de reeds genoemde voorziening met lipjes nodig om het uitvallen van materiaal te voorkomen. Ter plaatse van deze lipjes zal het monster uiteraard ook enigszins worden verstoord.

79 .

5. De invloed van het te bemonsteren materiaal op het steekresultaat Aangezien het de bedoeling was het steekapparaat in de normaal voorkomende filters van de Nederlandse waterleidingbedrijven te gebruiken, was het nodig het toestel in verschillende filters te beproeven. Er werd daarom gestoken in filterbedden van uiteenlopende samenstelling. Op deze wijze kon een indruk van variaties in korrelgrootte, gelaagdheid, diepte en samendrukking van het filterbed worden verkregen. Hierbij moest rekening ermee worden gehouden, dat ook de aard van het te filtreren water (aard, hoeveelheid en de plaats van het slib), alsmede de vochtigheidstoestand en de temperatuur van het filterbed van invloed zijn. Zoals reeds werd opgemerkt kan de invloed van genoemde factoren doorgaans niet afzonderlijk worden bestudeerd. Toch kon op grond van de opgedane ervaringen wel een indruk worden verkregen van de invloed die bepaalde grootheden op de steekweerstand en de uitval aan de onderkant van het apparaat hebben. a. Korrelgrootte varz het filterbed Bij toenemende korrelgrootte nemen, in het gebied van de gebruikelijke zandafmetingen, zowel de steekweerstand als de uitval aan de onderkant van het apparaat toe. Bij het steken in zeer fijn materiaal (<0,s mm) werden echter ook betrekkelijk hoge weerstanden geconstateerd. b. Samendrukking vuil het filterbed Het ligt voor de hand.dat de steekweerstand in een stevig samengedrukt bed groter is dan in een bed dat in losse stapeling verkeert. Door een grotere samendrukking is de kans dat een deel van het gestoken monster onder uit het apparaat valt kleiner. De samendrukking (inklinking, pakking) van het bed hangt nauw samen met de wijze van spoelen, in het bijzonder met de daarbij optredende expansie. c. Dikte van het filterbed Naarmate de dikte van het fiterbed groter is moet ook dieper worden gestoken en neemt de steekweerstand uiteraard toe. De steekweerstand kan meer dan lineair met de diepte toenemen omdat de inklinking van het bed in dieper gelegen lagen meestal groter is. Een grotere samendrukking onder in het bed maakt de kans op uitval aan de onderkant van het toestel kleiner.

TABEL 1 Invloed op: Bij toeneming van:

samendrukking dikte van het bed

.

steekweerstand

uitval aan onderkant

groter groter groter kleiner kleiner

groter kleiner kleiner groter kleiner

Vochtigkeidstoestand van het filterbed

In een nat bed kan doorgaans gemakkelijker worden gestoken dan in een filterbed dat minder vochtig is. AnderAijds glijdt een nat monster tijdens het trekken gemakkelijker uit het apparaat dan een minder vochtig monster. Het is dan ook meestal nodig het bed zóver af te laten dat de waterstand onder de onderkant van het steektoestel is gezakt. Soms is het zelfs nodig na het aflaten enige tijd te wachten tot het bed voldoende is uitgelekt. Ter vermindering van de steekweerstand kan het soms nuttig zijn het toestel in het bed te steken vóór het filter is afgelaten. Tijdens het aflaten mag de normale filtratiesnelheid niet worden overschreden. e. Vervuiling van het filterbed Het slib dat zich in het filterbed bevindt gedraagt zich meestal min of meer als een smeermiddel. Een sterke vervuiling gaat dan ook vaak gepaard met een kleine steekweerstand en omgekeerd. Vandaar dat in nieuwe en in pas gespoelde filterbedden soms vrij hoge steekweerstanden worden geconstateerd. Verder geeft het slib een zekere binding in het gestoken monster waardoor dit minder gemakkelijk uit het toestel valt. De invloed van het slib kan zich zowel in hoofdzaak in de bovenlagen van het bed (oppervlaktewater) als meer over de diepte van het bed verdeeld (grondwater) doen gelden. Een overzicht van de mogelijke invloed die de steekweerstand en de uitval bij toeneming van de onder a t/m e genoemde factoren ondervinden is in tabel 1 opgenomen. Hoewel de temperatuur ongetwijfeld van invloed is (viscositeit van het water), is het effect hiervan niet onderzocht. De totale indrukking van het gestoken monster kan worden bepaald uit het verschil tussen steekdiepte en lengte van het monster, beide gemeten uit de onderkant van het apparaat. Deze

indrukking wordt bepaald door een complex van factoren die moeilijk zijn te scheiden. Wé1 kon worden vastgesteld dat de indrukking doorgaans kleiner is naarmate het bed meer is ingeklonken en de steekdiepte geringer is. Een ongunstige combinatie met betrekking tot de steekweerstand vormt een sterk ingeklonken, dik, grofkorrelig filterbed dat weinig vocht en weinig vuil bevat. In het bijzonder kan de steekweerstand naar onderen sterk toenemen indien men te maken heeft met een sterke inklinking onder in het bed, vuilberging boven in het bed en een zodanige gelaagdheid van het filterzand dat het grove materiaal zich onder in het bed bevindt.

6. De omvang van het filteronderzoek 6.1.

Het aarttal steken

Om een goede indruk van het gebeuren i11het filter te verkrijgen, dient het aantal plaatsen waar in het filter wordt gestoken (het aantal steken) ruim te worden gekozen. Anderzijds is beperking nodig om het onderzoekingswerk binnen redelijke grenzen te houden. Voor een groot filter zou men bv. kunnen beginnen met 2 steken op de lange hartlijn en 2 steken langs een lange zijkant. Wordt vóór en na het spoelen gestoken dan zijn dit reeds 8 steken, die elk een aantal monsters op verschillende diepten opleveren. Voor een klein filter kan eventueel met 2 steekplaatsen worden volstaan. Op grond van gerezen problemen of gebleken gebreken kan een nader onderzoek op speciale vragen worden gericht, waarbij plaatsen die onregelmatigheden vertonen aan een extra onderzoek worden onderworpen. 6.2.

Het aar~talntonsters per steek

Per steek wordt een langgerekt monster filtermateriaal ter lengte van de steekdiepte verkregen. Hieruit worden de detailmonsters (verder ,,monstersv te noemen) op de gewenste diepten genomen. Het is overbodig en tijdrovend uit het gestoken materiaal een aaneengesloten reeks monsters te onderzoeken. Het aantal en de plaats hangen af van de diepte van het bed, de slibverdeling (type water) en uiteraard van het doel van het onderzoek. Uit een eerste steek kan op het gezicht reeds een indruk van het gewenste aantal en de verdeling van de monsters worden verkregen. Worden monsters van 5 cm lengte (ca. 25 cm" gekozen, dan kunnen deze voor een steekdiepte van 100 cm als volgt over één steek worden verdeeld: 0-5, 5-10, 10-1 5, 15-20, 45-50, 95-100 cm. Voor een steekdiepte van 150 cm kan een

7e monster op 145-150 cm worden toegevoegd. In het algemeen zullen de monsters voor oppervlaktewater meer bovenuit, voor grondwater meer onderuit het filter worden genomen.

6.3.

Het tijdstip i)uiz steken

Het steken is veelal gericht op een controle van de spoelmethode. Mede omdat op deze wijze twee uiterste toestanden van vervuilingsgraad kunnen worden bestudeerd verdient het aanbeveling zowel vlak vóór als ná het spoelen te steken. Ook kan het zijn dat men de vuilberging als functie van de filtratietijd wil kennen. Dan kan op verschillende momenten tijdens de filtratieperiode worden gestoken. Ook hier geldt dus geen vast voorschrift, maar is aanpassing van het onderzoek aan het gestelde doel nodig. 7.

Monsteronderzoek

7.1. Bepaliilg ijw het slibgehalte Om tot een eenvoudige en vlotte werkwijze te komen is als vergelijkingsmaatstaf voor het slibgehalte gekozen de gewichtshoeveelheid droog slib die zich in een bepaald volume van het zandmonster bevindt. Voor de vergelijking van verschillende toestanden van een gegeven filter dat met een bepaald water wordt gevoed is dit een bevredigende methode. Het gewicht aan droog slib is echter niet bepalend voor de verstopping van het filter. Daarbij speelt nl. de aan het slib gebonden hoeveelheid water een belangrijke rol en het gaat dus om het volume nat slib dat zich in de poriën bevindt. Aangezien dit volume vaak vele malen groter zal zijn dan het gedroogde volume en bovendien sterk afhangt van het soort slib (aard van het ruwe water), heeft het doorgaans weinig zin vervuilingen van verschillende slibsoorten volgens de genoemde methode te vergelijken. Ware er een eenvoudige routinemethode ter bepaling van het volume nat slib dan zou deze zeker de voorkeur verdienen. Een indruk van de verstoppende werking van het slib op verschillende diepten van het filter kan overigens langs een geheel andere weg worden verkregen en wel door het drukverlies (weerstand) in het filterbed als functie van de diepte te meten. Wordt het drukverloop vóór en ná het spoelen gemeten dan geeft het verschil tussen beide weerstandskrommen een indruk van de verstopping die het slib veroorzaakt. Daar het probleem van drukmetingen in filterbedden buiten het bestek van deze les valt, wordt hierop niet verder ingegaan.

LTRECHTER VOOR INBRENGEN VAN HET MONSTER

_CLIBCPOELER

C

-..WATERSTAND

MATERIAAL: PERSPEX DIAMETER: CA. 35 mm HOOGTE BUIS: CA. 200rnm VULLEN

INSTROOMSTUK MET BODEM .VAN KOPFRGAAS KRAAN IN WATERTOEVOER TLIDENC

AFZUIGING VIA WATERSTRAALKRAAN TUDENS

Afb. 4

Schenlo slibspoelr~ietlrode

Om de hoeveelheid droog slib in een bepaalde hoeveelheid monsterzand te bepalen is een standaardmethode ontwikkeld. Het slib wordt daarbij met een speciaal daarvoor ontwikkeld apparaatje, de slibspoeler, uit het monster afgezonderd. Deze slibspoeler bestaat uit een perspex cilinder met een lengte van 200 mm en een diameter van 35 mm, voorzien van een schaalverdeling (zie afb. 4). Aan de onderzijde is de spoeler voorzien van een toevoerstuk waarin een gaasje als bodem is aangebracht; op de bovenzijde kan een afneembaar uitstroomstuk worden geplaatst. Het monster, dat bij een lengte van ca. 5 cm ongeveer 25 cm3 inhoud heeft, wordt met een trechter voorzichtig in de ten dele met water gevulde spoeler gebracht. Nadat het uitstroomstuk op de spoeler is bevestigd wordt van onderen af met 500

cm3 water gespoeld en wel met een zodanige snelheid, dat de expansie van het monster 100% bedraagt. Het spoelwater wordt naar een conische filterbeker geleid en onder vacuum gefiltreerd door een vooraf gewogen gedroogd filterschijfje. Na het filtreren wordt het schijfje met slib gedurende 30 min. bij llO°C gedroogd en nogmaals gewogen. De gewichtsvermeerdering geeft tenslotte de hoeveelheid droog slib die aanwezig was in het volume zand dat na het spoelen op de schaal van de slibspoeler wordt afgelezen. Om hierbij de invloed van de inklinking van het zand zoveel mogelijk te elimineren wordt het in de slibspoeler achtergebleven water schoksgewijs - door knijpen in de afvoerslang - afgelaten. Hierdoor worden de zandmonsters dan steeds tot volumina met ongeveer gelijke inklinlcing teruggebracht. Tenslotte kan de hoeveelheid droog slib door omrekening van het afgelezen volume op 25 cm3 zand worden betrokken. Volgens de opgedane ervaring wordt op de besproken wijze vrijwel alle slib uit de poriën van het monster verwijderd. Dat is dus de tijdelijke vervuiling die bij een normale spoeling wordt verwijderd, maar daarenboven de blijvende vervuiling die na een normale spoeling in de poriën is achtergebleven. Weliswaar bestaat er altijd kans dat ook een deel van de korrelaangroeiing wordt meegespoeld, maar dit bleek doorgaans een verwaarloosbaar percentage te zijn. Overigens zullen er natuurlijk ook gevallen voorkomen waarin het slib niet op geheel juiste wijze wordt uitgespoeld. Aangezien het echter meestal om een kwalitatieve beoordeling door vergelijking van twee of meer toestanden gaat, zijn genoemde onvolkomenheden niet als bezwaar ondervonden. Door het slibgehalte als functie van de diepte in het bed in grafiek te brengen, wordt de vervuilings- of slibkromrne verkregen. Deze kromme geeft een indruk van de wijze waarop het slib in het filter verdeeld is. Worden dergelijke krommen bepaald voor de toestanden vóór en ná het spoelen dan geeft het verschil een beeld van de tijdelijke vervuiling; de kromme die geldt voor de toestand na het spoelen demonstreert de blijvende vervuiling. Uit deze krommen blijkt dus het effect van de spoelmethoden. 7.2.

Onderzoek naar de aard van het slib

Door een visuele bestudering van het uit het filterbed gestoken en in de steekgoot verzamelde materiaal kan veelal een goede indruk van de aard van het slib op verschillende diepten worden verkregen. Mangaan- en ijzerverbindingen tekenen zich bruinzwart resp. roodbruin af. Organische bestanddelen komen vaak in de sliblagen boven in het filter voor en zijn dan als grijszwarte

verkleuringen in de monsters uit het bovenste deel van het bed zichtbaar: Meer dan een zeer globale indruk kan deze beoordeling uiteraard niet geven. Wenst men een kwantitatieve bepaling van de bestanddelen van het slib dan moeten de monsters worden schoongespoeld en het slib moet langs chemische weg worden geanalyseerd.

F

7.3. Bepaling van de korrelaangroei

Hoewel aan de korrelaangroeiing in het algemeen niet zoveel aandacht wordt besteed, vermoedelijk omdat deze zich meestal langzaam en daarom ongemerkt volstrekt, kunnen de gevolgen van korrelaangroeiing belangrijk zijn. Het filtermateriaal verandert door aangroeiing in verschillende opzichten. De korreldiameter wordt groter waardoor: 1. de dikte van het filterbed toeneemt, 2. de expansie bij een bepaalde spoelsnelheid kleiner wordt, 3. de weerstand kleiner wordt en 4. de poriën zich zullen vergroten. Het s.g. verandert iets, hetgeen tot uiting kan komen in kleine wijzigingen van de expansie en van de inklinking van het filtermateriaal. De samenstelling van het materiaal waaruit de korrel is opgebouwd, wijzigt zich door aangroeiing van het oppervlak. Hierdoor kunnen zich andere potentialen instellen waardoor het samenspel tussen elektrostatische en moleculaire krachten verandert. Door de aangroeiing neemt de hoekigheid van de korrel af. Genoemde factoren zullen van invloed zijn op het filtratieproces en kunnen de kwaliteit van het filtraat beinvloeden. Om nu de aangroeiing te controleren volgt het KIWA de volgende werkwijze. Een bepaalde gewichtshoeveelheid van het met de slibspoeler schoongespoelde gedroogde zand wordt in sterk zoutzuur (ca. 30%) gebracht, na 30 min. even omgeroerd om de gevormde gassen beter te laten ontwijken en na totaal 45 min. goed schoongespoeld in water, gedroogd en gewogen. Uit het gewichtsverschil is de aangroeiing bekend. De methode is niet exact omdat het zand bestanddelen bevat die tijdens het wassen in zoutzuur in oplossing gaan. Hiermee kan echter rekening worden gehouden door de zg. oplosbaarheidsgraad, die doorgaans slechts enkele procenten bedraagt, uit een zoutzuurwassing van schoon niet aangegroeid zand te bepalen. Een zeefanalyse van het aangegroeide materiaal is niet te maken omdat de aangroeiing tijdens het zeven eraf schilfert. De gemiddelde dikte van de aangegroeide laag kan echter betrekkelijk eenvoudig bij benadering worden bepaald. Dit kan bv. geschie-

den met behulp van een zeefanalyse van het schone zand en een pyknometerbepaling zowel voor het schone als voor het aangegroeide zand. 7.4.

De gelaagdheid van het filternmteriaal

In het bijzonder voor een bed met steunlagen is het gewenst te controleren of het filtermateriaal op de juiste wijze is gerangschikt. Voor de bepaling van de korrelafmetingen wordt van een gedroogd in zoutzuur gewassen monster een zeefanalyse gemaakt. Hiertoe wordt door het KIWA gebruik gemaakt van een EML-zeefmachine. Deze machine werd na een uitgebreid onderzoek betreffende het maken van zeefanalyses gekozen. Op de machine worden genormaliseerde zeven van 0,21 mm tot 5,66 mm gebruikt. Om de hinderlijke discontinuïteit bij overgang van plaatzeven (ronde gaatjes) op draadzeven (vierkante gaatjes) te vermijden worden voor alle diameters draadzeven toegepast. Op grond van zeefanalyses van monsters, die op verschillende plaatsen (diepten) zijn gestoken, kunnen conclusies ten aanzien van de gelaagdheid van het bed worden getrokken. 8.

Overzicht van enkele mogelijkheden die het steekapparaat biedt

8.1.

De verdeliízg vmt het slib

Door op verschillende plaatsen in het filter te steken kunnen verschillen in horizontale zin worden bestudeerd. Hieruit kunnen conclusies worden getrokken ten aanzien van de gelijkmatigheid van de werking over een horizontale doorsnede van het filter en eventueel over het optreden van wandeffecten. De analyse per steek in verticale zin (vervuilingskromme, zie pt 7.1.) geeft een indruk omtrent verschijnselen die op verschillende diepten optreden. In de eerste plaats de indringingsdiepte van het vuil, waaruit volgt of het slib in hoofdzaak in de bovenste lagen wordt tegengehouden (oppervlaktewerking), of meer tot de diepere lagen doordringt (volumewerking). Soms zijn de onderste lagen onwerkzaam, soms ook dringt de vervuiling tot in de steunlagen door. Ongerechtigheden zoals slibbanken en slibballen kunnen worden geconstateerd. De waarnemingen kunnen leiden tot conclusies omtrent de vereiste beddiepte, korrelafmetingen, gelaagdheid, filtersnelheid en spoelmethode. Ter illustratie zijn in de afbeeldingen 5 , 6 en 7 enkele voorbeelden uit de praktijk in grafiek gebracht. Afb. 5 toont de slibkrommen voor een steek in het midden en één in de hoek van

DROOG SLIB IN mg PER 25cm3 MONSTER--

Afb. 5

SIibkromr?reri vati eeii siielfilter, iii het midden ei1 in een hoek bei~roiisterd FILTERGEGEVENS: grondit~nter;za~rdspec. 1-3 min; diepte bed ca. 100 cnr; filtrnties~iellieid3 r?~lli;spoel~iretliode:I n~ili.lrrclit 60 nrlli, 3 miti. iiwter 30 iir/Ii; hoeksteek cn. 50 crn zrit de ~cwrider~; bernonstering na spoelen DROOG CLIB IN mg PER 25 cm3 MONSTER-

O

m

100

300

10 20 30 40 50

E

60

U

z

K

70

O 80 W Y

E"

I"

110 120

1

3

0

~

"

"

"

"

"

"

"

'

140 150

Afb. 6

Slibkroi?~rnet~ ijan een siielfilter vóór er1 ria het spoeleii geïi~filtreerd rivierii~nter;zaridspec. 0,75 - 1,50 171171; diepte bed 140 à I50 crn; filtrotiesriell~eid 5 inllr; spoelnretliode: 3 rniii. ivater clr. 15 nzIIi, Irrcht cn. 85 n~lli,2 nriri. water ca. 25 n ~ l h

FILTERGEGEVENS:

Afb. 7

Slibkromnieii voii een siielfilter vóór ei1 fin liet spoeleii groiidit~ater;zriiidspec. 1,5 - 2,O nlin; diepte bed 200 cri]; filtratiesiiellieid 7 i>i/Ii;spoelrnefhode riorinnnl: 30 sec 1cjater 12 ri~lli,6 rniii. ,ijater 12 i i ~ l h ,lrrcht 9 0 111111, 30 sec itjrtter 12 mlli FILTERGEGEVENS:

een filter. De vervuiling in de hoek is ongeveer 3 maal zo groot als in het midden. In dit geval bleek de spoelwerking in de hoeken minder effectief te zijn dan in het midden. Afb. 6 geeft een voorbeeld van oppervlaktevervuiling met enige dieptewerking. Het slib wordt uit de bovenlagen goed verwijderd, maar onder in het filter gaat dit minder gemakkelijk. Uit deze afbeelding blijkt duidelijk het reinigende effect van de spoeling. De invloed van variaties in de spoeltijd, -snelheid en combinaties van water en lucht kunnen op deze wijze in beeld worden gebracht. In afb. 7 zijn de krommen voor een grondwaterfilter gegeven, waarin de ontijzering en ontmanganing in dieper gelegen lagen van het filter tot uiting komen. In dit geval wordt ook een incidentele spoeling met verdubbelde capaciteit toegepast. Na deze spoeling werd meer slib aangetroffen omdat veel aangegroeid vuil van de korrel werd losgespoeld, maar niet direct bij dezelfde spoeling afgevoerd. Uit dit voorbeeld blijkt dat steeds rekening ermee moet worden gehouden dat het evenwicht zich eerst na enkele spoelingen weer herstelt. Het effect van een wijziging in de spoeling kan dan ook pas worden beoordeeld nadat het filter

enige tijd onder de gewijzigde omstandigheden in bedrijf is geweest.

Uit een onderzoek naar de aard van het slib dat zich in de gestoken monsters bevindt (zie pt 7.2.) kan worden vastgesteld waar zich in het filter bepaalde componenten van de vervuiling afzetten. Op deze wijze kunnen bv. de indringingsdiepte en de verdeling van ijzer en mangaan worden bepaald. Hieruit kunnen conclusies worden afgeleid ten aanzien van de gekozen korrelgrootte en -verdeling van het filtermateriaal en de diepte van het bed.

Het onderzoek naar de aangroeiing van de gestoken zandmonsters leidt tot een inzicht omtrent de toeneming van de afmetingen van het filtermateriaal. Een variatie van korrelafmetingen (zie pt 7.3.) kan van grote invloed zijn op het filtratieproces. De aangroeiing kan oorzaak zijn van wijzigingen in de werking van het filter. Vooral indien deze zich langzaam blijken te voltrekken is er aanleiding na te gaan of de oorzaak in de aangroeiing is gelegen. Blijkt de aangroeiing een ongunstige invloed op de filtratie te hebben dan is het gewenst deze binnen zekere grenzen te houden, bv. door van tijd tot tijd een spoeling van verhoogde capaciteit toe te passen. Dit zou nodig kunnen zijn indien het slib door de korrelvergroting (grotere poriën) te diep in het filter gaat doordringen. 8.4.

De gelaagdheid van het bed

Met behulp van zeefanalyses (zie pt 7.4.) kan de gelaagdheid van het bed worden gecontroleerd en zo kunnen dus eventuele verstoringen hierin worden opgespoord. Ook vermenging van het materiaal van de steunlaag met het eigenlijke filtermateriaal en onregelmatigheden in het verloop van de steunlaag in horizontale zin komen op deze wijze aan het licht. Tenslotte kan ook de ontmenging van filterzand, waarbij het grove en fijne zand zich resp. onder en boven in het filterbed oriënteren, op deze manier worden vastgesteld. 8.5.

Bestudering van algenzene verschijnselen in het filter

Een beter inzicht in het filtratieproces kan worden verkregen

door de bestudering van voor het filter kenmerkende grootheden (filtratiesnelheid, looptijd, weerstand, filtraat enz.) en behandelingswijzen (voorbehandeling, spoelschema) in samenhang met de verdeling, diepte en graad van de vervuiling in het filterbed. Zo kan de vervuiling op verschillende tijdstippen van de filtratieperiode met het steekapparaat worden bepaald om het verloop van de vervuiling als functie van de looptijd vast te leggen. Ook kan bv. het verloop van het drukverlies over de diepte van het bed (de weerstand) met de slibkromme worden vergeleken om een indruk van de verstoppende werking van het slib te krijgen (zie pt 7.1.). Zeer belangrijk is de controle van het spoelschema van het filter (zie ook pt 8.1.). Een goede wijze van spoelen is een eerste vereiste voor de goede werking van het filter. De invloed van variaties van de spoeltijd, de spoelsnelheid en van verschillende combinaties van het spoelwater en de spoellucht kunnen met behulp van de slibkrommen in beeld worden gebracht. Deze slibkrommen vormen een belangrijk hulpmiddel voor het vaststellen van de juiste spoelmethode.

Ozonisatie door clr. G. P. H . van Heusderz

Betekenis van de oxydatie in de waterreiniging In de voordracht, die ik vorig jaar hield over de biologie van de Rijn l , heb ik erop gewezen, dat de zuivering van het rivierwater tot drinkwater zich in drie hoofdstukken laat samenvatten: 1. clarificatie (helder maken). Hiervoor staan de volgende procédés ter beschikking: - coagulatie; - bezinking; - zandfiltratie; 2. oxydatie (verwijderen van organismen, organische en andere gereduceerde verbindingen). Dit wordt gedaan: - biologisch: door bacteriën in spaarbekkens, in de bodem-infiltratie en in de langzame zandfilters; - chemisch: door toevoegen van sterke chemische oxydatiemiddelen als chloor, chloordioxyde en ozon; - fysisch: door adsorptie aan ijzerhydroxyde en actieve kool. 3. demineralisatie (alleen bij geringe waterafvoer): - verdunning met zoeter water. Onder normale omstandigheden bestaat het zuiveringsproces dus voor de helft uit oxydatie. Opvallend is hoe simpel in principe de reiniging van het rivierwater is. Wetenschappelijk gesproken ligt hier dan ook geen enkel probleem en in het laboratorium is het zeer eenvoudig uit rivierwater drinkwater te bereiden: Na toevoegen van wat uitvlokkende ijzerverbindingen en filtratie door een filtreerpapiertje ontstaat een mooi helder water, dat echter slecht smaakt. Laat men dan door het filtraat wat ozon borrelen, dan verkrijgt men een onberispelijk produkt. Het probleem is dan ook de technische realisatie daarvan op een economische basis. En deze is minder eenvoudig. En hiermee staan wij meteen midden in de verwarring, die er heerst rondom ozon. Het is gelukkig voor mij, dat ik hier spreek en niet voor radio of televisie, want dan draaide men de knop uit, denkende: daar is weer zo'n zwamneus over ozon. Weet die man dan niet, dat in de vorige eeuw al ozoninstallaties bij waterleidingen in gebruik zijn geweest en dat sedertdien vrijwel alles op i

Water 45(1961)(14)185; (15)201.

70

een mislukking is uitgelopen? Weet hij dan niet, dat Amerika's nieuwste ozon-installatie, die tevens de grootste was, namelijk die te Philadelphia, vorig jaar is verkocht? Velen uwer zullen dan ook ongetwijfeld met een schouderophalen tegenover de toepassing van ozon staan. Hoevelen hebben hun nek al niet gebroken op de toepassing van ozon? Dat zal mij niet overkomen, zullen velen uwer ongetwijfeld denken. Toch heb ik de moed opgebracht de ozon nog weer eens op te rakelen, omdat ik ervan overtuigd ben, dat er een plaats is voor ozon in vele waterleidingbedrijven. Men dient .. dan wel behoedzaam de omstandigheden te overwegen en zich' :; goed bewust te zijn van de goede eigenschappen van de ozon, maar ook van zijn beperktheid. Die beperktheid is feitelijk in hoofdzaak zijn prijs. . .. -Laat ik nog eens even terugkomen op het water uit de Rijn. On- , I - l

dit in Lobith toepa ! Evenveel als onze aarmee zou de Rijn heus nog me teruggekeerd. Daar ligt de kern van de zaak: er moet zo enorm veel worden geoxydeerd en men is daarom wel verplicht naar de allergoedkoopste vorm van oxydatie om te zien. Dat is ook de reden waarom de Rijn en zo vele andere wateren zo sterk zijn verontreinigd. Men heeft nagelaten voldoende geld te steken in de oxydatie van het afvalwater, erop vertrouwende dat de natuurlijke zelfreiniging dit wel voor niets zou doen. Inderdaad doet deze natuurlijke zelfreinigingveel en ze is ongetwijfeld ook de goedkoopste vorm van oxydatie. Maar ze kan niet alles. De natuurlijke oxydatie De natuurlijke oxydatie verloopt in haar eenvoudigste vorm met behulp van de zuurstof, die voor ongeveer 21 volumeprocenten in de lucht voorkomt en voor ongeveer 35% in de gassen, die in het water zijn opgelost. Deze zuurstof, die door diffusie van uit de atmosfeer steeds wordt aangevuld, is in staat bv. ferroverbindingen en sulfiden te oxyderen. Veel verder komt de oxydatie met zuurstof indien bacteriën, schimmels, protozoën e.a. zijn ingeschakeld en bovendien de spanning van de zuurstof in het water wordt verhoogd door de plantaardige organismen. Dan kunnen zeer veel organische stoffen en bv. ook de ammoniumverbindingen worden verwerkt. In het alge-

't

. -.

L

A

..

C-C/

\

O\

I

c/

'c-

c/ \

CI

(CH)" Afb. 1

Ligrlilie

meen gesproken kunnen door deze biologische oxydatie worden verwerkt de alcoholen, ketonen, aldehyden, zuren en zouten, waaronder ook de fenolen en aminozuren. Maar biologisch zijn moeilijk verwerkbaar de organische stoffen, die zijn opgebouwd uit: 1. lange koolsto£ketens - c - c - c - c - c - c C

3. tertiaire en quaternaire koolstof-atomen

=I 4. etherachtige verbindingen - C - o .-C -

Dit is zeer opmerkelijk. Wij weten immers niet beter, dan dat alle produkten, die de natuur heeft opgebouwd door de natuur zelf weer worden afgebroken. Maar afb. 1 laat de structuurformule zien van lignine, houtstof, waaruit het grootste deel van het hout dus is opgebouwd. Dit wordt door de bossen in enorme hoeveelheden geproduceerd. Duidelijk zijn daarin de bovengenoemde vier koolstofconstellaties te zien en het is dan ook moeilijk verteerbaar. Daaraan heeft de organische stof hout zijn veelvuldig gebruik dan ook te danken. De natuur ontdoet zich van deze stoffen door ze te humificeren, d.w.z. zo veel als doenlijk is te oxyderen en dan op

produkten van wieren en diatomeeën gaven tenslotte het aanzien aan aardolie. Veen lost voor een gedeelte colloïdaal in water op en geeft er d bekende gele kleur aan. Ook het effluënt van een rioolwaterzuiveringsinstallatie is geel gekleurd. Deze zuivering geschiedt immers met behulp van bacteriën, die bovenbedoelde moeilijk verwerkbare stoffen uit ons voedsel eveneens laten passeren in een humus achtige vorm. De moderne chemische industrie gebruikt veel aardolie en steen

verwerkt. De chemische oxydaîie

verwijderd alvorens het de kwaliteit van drinkwater heeft. Dit kan geschieden met de bovengenoemde adsorptiemiddelen maar zij hebben het nadeel, dat zich steeds een evenwicht instel tussen de hoeveelheid geadsorbeerde stof en de hoeveelheid, die in het water achter blijft. Lage concentraties kan men dan ook alieen bereiken door zeer hoge doseringen. Bovendien is de adsorptie specifiek, slechts bepaalde stoffen worden in grote mat gebonden. En tenslotte moeten de adsorptiemiddelen weer d bezinking en filtratie uit het water worden verwijderd, hetgeen niet geringe extra belasting betekent van de voor clarificatie b stemde reinigingsinstallaties. Veel eleganter werkt men dan ook met de sterke chemische gas vormige oxydatiemiddelen. Van deze spant ozon de kroon en VOO zover bekend worden alle organische stoffen in het water er doo geoxydeerd. Behalve tot moleculen 0, kunnen zuurstofatomen zich ook verenigen tot moleculen 0,. Deze stof, ozon geheten, heeft geheel andere eigenschappen dan de gewone zuurstof. Het meest opvallend daarbij is zijn buitengewoon sterke oxydatiekracht. Deze blijkt duidelijk bij vergelijking van de volgende oxydo-reductiepotentialen:

73

Os cl2 C102 Brz J2

+2H +4H +2H

O2

=

+ H20 Cl' + 2 H20

=

2 Br'

= =

2 J'

= 02 = 2 Cl'

2 OH'

2,07 1,36 1,25 1,07 0,58 0,40

V

V V V

V V

Zoals gezegd kan zuurstof, het laagste oxyderende gas uit deze reeks, niet inwerken op de meeste organische stoffen. Jodium en broom zijn sterker en kunnen zich bv. adderen aan cyclische verbindingen. Chloor is op zijn beurt een nog sterker oxydatiemiddel en kan zelfs jodium en broom weer uit hun verbindingen verdringen. Ozon is een nóg veel sterker oxydatiemiddel en in staat cyclische en ook andere verbindingen open te breken. Vooral op dubbele bindingen heeft het veel vat en waar chloor deze binding openbreekt en zich addeert vormt ozon op analoge wijze een ozonide. De chloorverbinding is echter stabiel, maar het ozonide valt in water snel uiteen. Afb. 2 geeft dit in formules weer. De produkten, die daarbij ontstaan zijn ook gemakkelijk oxydeerbaar en tenslotte houdt men koolzuur en water over. Dit is van belang, omdat bij de chloring van rivierwater en ook van andere wateren gechloorde organische verbindingen ontstaan, zoH2C=CH2

+

AETHYLEEN

H2C=CH2

C

L

H2C-CH, Cl Cl

CHLOOR AETHYLEENCHLORIDE

+

O O, + H 2 ~ ' F H 2 0-0

AETHYLEEN

OZONIDE

H2C=0

OZON

FORMALDEHYDE MIERENZUUR

+

O3 +

FORMALDEHYDE

O CIH HO'

OZONIDE

+

MIERENZUUR

O,

'"CH H O/

+

0,

M IERENZUUR

CO, + H20 + 6, KOOLZUUR WATER

Afb. 2

Afb. 3 Inwerking van ozon,, Waterleidingplas Amsterdam

5

O

10 mg11 OZON

als bv. de chloorfenolen, die berucht zijn om hun slechte smaak. Ozon doet dat niet. Ook op veenwateren werkt chloor adderend, daarbij peperig smakende verbindingen vormend. Ozon werkt in zulke gevallen eveneens ontkleurend, maar tevens smaak verbeterend, zelfs wanneer eerst gechloord is. Afb. 3 toont als voorbeeld de inwerking van ozon op het gele water van de Plassenwaterleidingvan Amsterdam. In Dordrecht heeft men vorig jaar proeven genomen met ozon, waarbij vooral de smaakverbetering sterk opviel. Hopelijk worden de resultaten van deze proeven gepubliceerd. Zij waren zo goed, dat men tot toepassing van ozon heeft besloten. Ook Dusseldorf denkt daar zo over. Daar heeft men met 0,7 tot 1 mg11 ozon in nagenoeg alle gevallen het water reuk- en smaakloos gemaakt, dat een smaakgetal had van 7-30 en een reukgetal van 5-15. Leeflang heeft in de vierde Vacantiecursus in 1952 reeds erop gewezen, dat ozon een sterk desinfectans Buffle meent, dat Water 36(1952)(20)247; (21)259.

75

TABEL 1

Auteur

Desinfectans

Bacterie

Gedood na

800 Kiemenlm1 idem Polio-virus idem 60.000 E.coli/ml idem 350 sporen van B.subtilis idem

5-734,min. idem 1%-3 uur 2 min. 4 uur 5 sec 2% uur

% min.

het 15 tot 30 maal sneller werkt dan chloor. Andere getallen treft men aan in tabel 1. Kortom,. ozon is een ideaal oxydatiemiddel, wanneer men heeft te maken met:

1. gekleurd water; 2. smaak- en reukbemaren door algen of andere vegetaties of door produkten van de aardolie- en steenkoolindustrie; 3. hygiënisch onbetrouwbaar water. Toepassing van ozon Reeds in 1857 heeft Werner Siemens, die de eerste ozon-installatie ontwierp, die trouwens geheel op hetzelfde principe berustte, als wat heden ten dage nog wordt gebruikt, gewezen op de grote bruikbaarheid van ozon in de waterreinigingstechniek. Sindsdien is ozon dan ook doorlopend toegepast, zij het niet algemeen. Waarom is dit ideale oxydatiemiddel niet algemener in gebruik gekomen? Uiteraard omdat er niet altijd behoefte was aan een zo sterk werkende stof en men veelal aan een biologische oxydatie of toepassing van het minder sterke chloor voldoende had. Maar toch ook wel omdat ozon vele nadelen heeft, die zijn toepassing hebben geremd. Laat ik daarvan enkele noemen. 1. Ozon is niet te koop, men moet het zelf ter plaatse maken. Het is daarbij niet mogelijk een voorraad aan te leggen, omdat het daarvoor te snel uiteenvalt. Men moet dan ook een produktiecapaciteit installeren, die voldoende is voor het maximum waterverbruik onder de slechtste omstandigheden. 2. Behalve door de benodigde installatie is de produktie van ozon ook door het hoge elektrische stroomverbruik vrij duur. Bij oudere installaties was de produktie bovendien niet voldoende bedrijfszeker door veelvuldig optredende storingen daarin en in de levering van de elektriciteit.

3. Ozon lost relatief moeilijk in water op en vraagt ook daarvoor een aparte installatie, die vroeger zeer omvangrijk was. Chloorgas, dat een bijprodukt van de zoutindustrie is, heeft het dan ook veelal verdrongen. Dit heeft genoemde nadelen niet. Het evenaart in vele opzichten de werking van ozon en ware het niet, dat het zich aan vele organische stoffen addeert tot bijzonder slecht smakende verbindingen, dan was ozon reeds lang uitgeschakeld geweest. Wel reduceert men deze gechloorde verbindingen weer zo veel mogelijk door adsorptie aan actieve kool, maar daardoor wordt het gehele proces weer duur en moeilijk regelbaar. Bij vergelijking van chloor met ozon moet men de volgende goede eigenschappen van ozon niet uit het oog verliezen.

1. Het produceren en toevoegen aan het water is tegenwoordig volautomatisch en weinig arbeidsintensief. Dit past goed in de gehele moderne bedrijfsontwikkeling. Het nadeel van beide gassen, dat ze zeer giftig zijn, speelt daardoor voor ozon vrijwel geen rol; ongelukken bij de bediening komen daardoor niet voor. 2. Het is onafhankelijk van eventuele transportmoeilijkheden bij de aavoer (ijs, oorlog). Men heeft slechts lucht en elektriciteit nodig om ozon te maken. Valt de elektriciteitsvoorziening onverhoopt uit, dan stoppen ook de pompen of men moet zelf voor een noodvoorziening zorgen. 3. Het kan in overmaat worden gedoseerd en verlangt dus minder regeling. Ozon geeft met geen enkele stof, die zich in het water bevindt, smaak- of andere bezwaren. Het werkt altijd verbeterend en geeft geen kans op onverhoeds verhoogde bezwaren. 4. Het werkt zeer snel, niet alleen bacteriedodend, maar ook de reactie met de organische stoffen is veel sneller dan die bij chloor. De contacttijd van 15 minuten is dan ook voldoende, voor chloor bedraagt deze daarentegen soms vele uren. 5. Het werkt sterker dodend, hetgeen vooral van belang is bij resistente sporen van bacteriën en andere organismen. 6. Ozon kan veel resistenter organische stoffen afbreken. Zo breekt het een benzolkern open, wat geen ander oxydatiemiddel vermag. 7. Ozon kan in samenwerking met chloor worden gebruikt, omdat het in staat is eenmaal gevormde gechloorde verbindingen af te breken. Veeleer moet daarom worden gedacht aan een aanvullende taak, die voor beide oxydatiemiddelen is weggelegd, dan aan een concurrerende.

De oudste nog werkende ozon-installatie dateert van 1906 en staat in Nice. Er worden nog voortdurend nieuwe ozon-installaties gebouwd. Zelfs krijgt men de indruk, dat de belangstelling voor

+

+

OZQ$ Afb. 4 Compagnie des Eaux et de I'Ozone, Parijs

LUCHT

9

ozon eerder toe- dan afneemt. Dit zal wel komen door de volgende oorzaken. 1. De steeds groter wordende oxydatiekracht, die men nodig heeft in verband met de steeds voortschrijdende verontreiniging van het oppervlaktewater, dat men steeds meer moet gaan gebruiken. 2. De voortdurende verbeteringen, die men aanbrengt in de ozoninstallatie door de betere luchtdroging, het betere oplossysteem en de betere produktie. 3. Ook raakt men meer op elektriciteit ingesteld. Zo zijn de oude stoompompen vervangen door elektrische. De bewering, dat men voor een ozon-installatie speciaal personeel zou moeten hebben, is daarmee al lang vervallen. 4. Op de elektrische energie kan men beter vertrouwen, omdat ook daar veel is verbeterd, men denke bv. maar eens aan de veel grotere betrouwbaarheid, die is bereikt door het koppelen van de elektriciteitsnetten. 5. Men krijgt steeds meer behoefte aan weinig arbeidsintensieve processen. Er wordt trouwe an velen oppervlakkig menen. Ik moge hier wijzen op de honderden ozon-Gitallaties van de Compagnie des Eaux et de l'ozone in Frankrijk, Zwitserland, Canada enz. Hun oudste installatie in Nice, die door Otto is ontworpen, heeft vele uitbreidingen ondergaan. Steeds bleef men er trouw aan ozon. In ons land zijn er thans slechts voor zover ik weet - drie in bedrijf voor industriële doeleinden. En, zoals gezegd, Dordrecht heeft er een aangeschaft en voor de Plassenwaterleiding van Amsterdam liggen de plannen daartoe klaar. Ik geloof, dat ozon het antwoord is op de vraagstukken van de tweede helft van deze eeuw: industriële waterverontreiniging, bedrijfsautomatisering.

Afb. 5

Tlze Welsbaclz Corporation, Pltiladelphia

Afb. 6 Kerag Ricliters~vil )

Produkîie van ozon Hoe men ozon moet maken is algemeen bekend: door zg. donkere ontladingen in gedroogde lucht tussen twee elektroden. In feite bombardeert men met behulp van elektronen de murstofmoleculen in hun atomen uiteen. Daarna verenigen zij zich weer, waarbij voor een gedeelte drie-atomige moleculen worden gevormd. Voor dat splitsen is veel energie nodig: 0 2 f 117,2 kcal 202+20 3 02 67,s kcal

+

2O 203 = 2 03 = =

+ 49,4 kcal

Deze energie wordt het best in de vorm van hooggespannen en hoogfrequente wisselstroom toegevoerd. Stellen wij daarbij 1 kWh op 860 kcal, dan kan men berekenen, dat voor 1kg ozon 1,4 kWh nodig is. Er zijn talloze types ozon-installaties in de handel geweest en het aantal patenten op nieuwe vindingen is legio. Ozon heeft blijkbaar altijd tot de verbeelding van de uitvinders gesproiken. Veel daarvan is thans slechts historie. Ook is er niet veel wezenlijks veranderd. Sinds de oorlog zijn slechts drie types ozon-installaties gebouwd en daaruit heeft men thans te kiezen. Zij werden geleverd door:

1. Compagnie des Eaux et de l'Ozone te Parijs 2. The Welsbach Corporation te Philadelphia; 3. Kerag te Richterswil in Zwitserland. De afb. 4, 5 en 6 geven schematisch de verschillen in constructie weer en afb. 7 en 8 tonen foto's van enkele details. Wat het rende-

AJD.

I

uzonrsaror van ae ~ompagrlieaes ~ a u xer ae i uzone

ment van de ozon-produktie betreft, verschilien ze onderling niet veel, zoals blijkt uit tabel 2, Bij vergelijking valt direct op, dat men ongeveer 15 maal zo veel elektrische energie nodig heeft dan de theoretische hoeveelheid. Dit wordt ten dele veroorzaakt, doordat men met lucht in plaats van met zuivere zuurstof werkt. Daarmee werkend is het verbruik ongeveer 10 kWh per kg ozon. Maar ook dit is nog een veelvoud van de theoretisch benodigde hoeveelheid. Ondanks de vele pogingen, die men daartoe in het werk heeft gesteld, is men niet erin

Afb. 8

Ozoriisator vali The WelsLUbrlCorporation

TABEL 2

kWh per kg ozon -

Theoretisch Co. Eaux Ozone Welsbach Kerag

Produceren 1,4 22,2 17,s-20 20

Lucht drogen

In water mengen

Totaal

1s

22 3,s 4

25,s 24-26,s 25,s

3

13

Afb. 9 -17.85 eleme~iteri2000 W 445 Wlm2 - - - 11,8 elementeri 2420 W 81 1 Wlm" . . . . 7,76 elementert 2715 W 1385 WlmZ

.

geslaagd een beter rendement te verkrijgen, al is men in de loop der jaren wel belangrijk vooruitgegaan. De teveel toegevoerde energie gaat als warmte verloren en deze moet door koelwater worden afgevoerd. Uiteraard zal warmte-ontwikkeling als nevenverschijnsel wel nooit geheel te voorkomen zijn, maar het is de taak van de producent van ozon-installaties deze zo laag mogelijk te doen ~ i j nen de ozonproduktie zo hoog mogelijk op te voeren. Van het produktievermogen van een bepaalde ozonisator krijgt men een indruk bij het bekijken van afb. 9. In het algemeen hangt de ozonproduktie slechts van twee factoren af, namelijk de tijd, dat het gas in de ontladingsruimte verblijft en de hoeveelheid elektriciteit, die men daar doorheen stuurt. Maar dit wordt door allerlei secundaire factoren beïnvloed, zoals het opnieuw uiteenvallen van de ozon door de elektrische ontladingen, door de hoge temperatuur enz. In afb. 9 ziet men dan ook de produktie dalen bij langer verblijf in de reactieruimte en bij opvoeren van de elektriciteit. In beide gevallen stijgt daarentegen de concentratie van de ozon in de lucht en bovendien kan men met een kleinere installatie genoegen nemen. De beste installatie is derhalve die, waarbij het beste compromis is gevonden tussen stroomverbruik, concentratie en investering in de installatie. In de loop der jaren heeft men dit compromis steeds beter weten te vinden. Daar komt nog bij, dat de ozon-installatie niet alléén staat. Ervóór bevindt zich een inrichting voor het drogen van de lucht en erachter een systeem voor het in het water brengen van de geozoniseerde

Afb. 10 Schematische voorstelling van ozon-installatie

lucht. Ook deze zijn in de loop der jaren gewijzigd en zij hebben ook de produktie van de ozon beïnvloed, in die zin, dat men naar steeds hogere ozonconcentraties is gegaan. Tegenwoordig zijn concentraties van 15 tot 25 mg11 gebruikelijk, vele oude installaties werkten slechts bij 5 à 10 mg /l. Het oplossysteem is ook allengs gewijzigd. Vroeger werkte men algemeen met het systeem, dat in afb. 10 is weergegeven. Ook tegenwoordig werkt de Compagnie des Eaux et de l'Ozone nog met zulk een systeem, zij het ook, dat de ozon thans wordt aangezogen door slechts een gedeelte van het te behandelen water. Welsbach perst de ozon door poreuze platen onder in het reservoir. Zijn gehele luchtdroging en ozonproduktie geschieden trouwens onder druk. Kerag lost de ozon op door middel van een soort centrifugaalpomp, die de ozon aanzuigt en tegelijkertijd fijn in het water verdeelt. Deze wijze van werken maakt de diepe reservoirs overbodig. Deze hebben niet alleen het nadeel van hoge bouwkosten, maar ook wordt het water daarin oververzadigd aan lucht, aangezien het oplossingsevenwicht onder druk wordt ingesteld. Wanneer men qandfilters achter de ozondosering plaatst, komt deze overmaat lucht tussen de korrels van het zandbed vrij, hetgeen zeer snelle blokkering van de waterstroom betekent. De ,,Kerag Begaser" zijn echter aileen in staat alle ozon op te lossen,

LAfb. l 1

GEOZONISEE

oplos set^ vat1 o z o i ~ i11 iimter door tivee ,,Kerag B-ngnsei" ( M t ~ o t o i B , ,,Begasei")

wanneer de ozonconcentratie niet te laag is en het ozonbindend vermogen van het water relatief groot is. Anders moet men twee ,,Begaser" in serie schakelen en gebruik maken van het tegenstroomprincipe. Zulk een systeem is weergegeven in afb. 11. Toepassing van ozon in de toekomstige Plassenwaterleiding van Amsterdam Het meest nieuwsgierig zult u zijn naar de kostprijs van ozonisatie. Het beste doe ik daarbij deze te begroten als onderdeel van de toekomstige Plassenwaterleiding van Amsterdam, waarbij deze kan worden vergeleken met de kostprijs van andere waterreinigingsprocessen. Tevens kan dan naar voren worden gebracht onder welke omstandigheden heil wordt verwacht van ozonisatie en wat haar plaats is temidden van de andere reinigingsinstallaties. Deze Plassenwaterleiding is al sedert 1932 in bedrijf en maakt sindsdien voor de reiniging van het water gebruik van de snel- en langzame zandfilters van de voormalige Vechtwaterleiding. Deze dateert reeds van 1888 en het zal niemand verwonderen, dat er behoefte is aan vernieuwing. Er wordt thans ongeveer 20 miljoen m3 water per jaar geleverd. Het water wordt gewonnen in de Bethunepolder, waarvan het uitslagwater door een kanaal wordt gevoerd naar de Waterleidingplas, een bassin met een verblijftijd van gemiddeld 110 dagen. Vandaar wordt het verpompt naar de bezinkbassins, de snel- en langzame zandfilters en tenslotte ontvangt het nog ongeveer 1 mg/l chloor voor veiligstelling van de desinfectie. Het uitslagwater van de Bethunepolder is mooi zoet water, de hardheid en het ijzergehalten hebben waarden, die voor grondwater gewoon zijn. Het gemaal draait vrijwel continu en Amsterdam heeft daaraan dan ook een goede waterbron. Hoog is echter het gehalte aan organische stoffen en wel speciaal aan veenachtige organische stof, die het water een gele kleur en

TABEL 3 Reiniging Plassenwater Amsterdam Bethunegemaal Kleur Pt-Co KMn04-verbruik Zuurstof IJzer Mangaan SaIiene ammonium Organische ammonium

40 28 4,4 32 02 1,3

0,37

Onttrekking plas

21 24 10,4 0,13 O O,18 0,31

Nafiltraat

16 20 88 O O O 0,13

Chloorozon-proef

10 17 -

O O O 0,23

een hoog KMn0,-verbruik geven. Dit komt doordat in de polder en zijn omgeving dikke veenlagen op de zandige ondergrond liggen, waarvan een gedeelte colloïdaal oplost. Deze organische stof is biologisch zeer moeilijk verwerkbaar, wat direct duidelijk is, als men zich realiseert, dat juist aan deze eigenschap het veen zijn ontstaan heeft te danken, en bovendien is het nog een 6000 jaren onaangetast blijven liggen. Door de biologische reiniging in de Waterleidingplas en in de biologisch werkende langzame zandfilters vindt dan ook slechts een geringe reductie plaats, die nog grotendeels is te danken aan uitvlokking. Tabel 3 geeft daarover enkele getallen. Hier is dus chemische oxydatie veel meer op zijn plaats dan biologische en bij de toekomstige reiniging is dan ook in plaats van langzame zandfilters gedacht aan toevoegen van 5 mg11 chloorgas en 1% mg/l ozon. Met deze hoeveelheden kon in een proefinstallatie een belangrijk lagere kleur en KMn0,-verbruik worden verkregen (zie chloor-ozonproef in tabel 3). Bij hogere doseringen waren beide waarden nog lager, maar daaraan bestaat geen behc~efte,want de resterende organische stoffen bleken op generlei wijze last te veroorzaken. De bewering, die wel is geuit, dat één van de nadelen van ozon zou zijn, dat het brokstukken maakt van organische stoffen, die biologisch beter verwerkbaar zouden zijn en daardoor last zouden geven van nagroei van bacteriën en andere organismen in het leidingnet, kon proefondervindelijk worden weerlegd. Ik moet hierbij twee voor cle hand liggende vragen beantwoorden: 1. Waarom wordt niet met chloor alléén gewerkt? 2. En waarom niet met ozon alléén? Het antwoord hierop is dat ozon te duur uitvalt en dat chloor smaakbezwaren geeft. Bij dosering in deze verhouding breekt ozon de oorspronkelijk gevormde peperig smakende chloor-veenverbinding weer af. Door de afbraak van de organische stof over de

beide oxydatiemiddelen te verdelen, verkrijgt men een economische werkwijze en een goed resultaat. Er vindt dus in de toekomstige Plassenwaterleiding een oxydatie in de volgende vier stappen plaats. 1. Opnemen van atmosferische zuurstof in de Waterleidingplas en daardoor oxydatie van de ferro-verbindingen en de sulfiden. 2. Biologische oxydatie in de Waterleidingplas door het proces van de zelfreiniging, waardoor een oxydatie van de mangano- en ammoniumverbindingen en van de organische stoffen, voor zover ze biologisch verwerkbaar zijn, wordt bereikt. 3. Chloring voor oxydatie van de resten van het ammonium, speciaal in de winter wanneer de biologische oxydatie van het zelfreinigingsproces in de Waterleidingplas slecht verloopt. Verder voor het doden van de organismen en een gedeeltelijke oxydatie van de veen-achtige organische stof. 4. Ozonisatie die een verder gaande oxydatie van de veen-achtige organische stof bewerkstelligt evenals van de bij de chloring ontstane hinderlijke chloorveenverbindingen. Ook worden de smaakstoffen van het plankton afgebroken evenals die uit het suppletiewater, dat uit rivierwater zal moeten bestaan. Zo werkende is een logische reeks met steeds sterker werkende en ook duurdere oxydatiemiddelen opgebouwd, die als de meest economische en meest effectvolle wordt gezien. Zoals alle waterleidingen zal ook de Plassenwaterleiding in de toekomst meer water moeten produceren. Behalve uitslagwater van de Bethunepolder zal dan tevens suppletiewater moeten worden verwerkt dat, zoals gezegd, rivierwater uit de Rijn zal zijn. Blijkens proeven, die hiermee zijn genomen, kan ook dit water op dezelfde wijze worden geoxydeerd. Het heeft soortgelijke lage zuurstof- en hoge ammoniumgehalten. Wel zijn de organische stoffen van geheel andere aard. Over het algemeen zijn zij biologisch gemakkelijker verwerkbaar dan die uit het Bethunewater en blijkens proeven daalt het KMn0,-verbruik in een proefvijver tot lagere waarden dan thans in de Waterleidingplas worden aangetroffen. Wel dienen dan echter in perioden met geringe waterafvoer in de rivier, waarin het KMn0,-gehalte en de kleur kunnen stijgen tot waarden boven de 50 mg/l, aan het toegevoerde rivierwater ijzerzouten voor een eenvoudige coagulatie te worden toegevoegd. Het toevoegen van ijzerzouten zal trouwens ook goed zijn voor het beteugelen van de fytoplanktongroei in de Waterleidingplas. Het rivierwater is immers rijk aan anorganische zouten, waaronder fosfaten en andere voedingszouten. Het fytoplankton bouwt daaruit organisch materiaal op en dit betekent dus een belangrijke

anti-oxyderende schakel in het reinigingsproces, die zo veel mogelijk dient te worden vermeden. De coagulatie onttrekt het fosfaat uit het water en voorkomt zodoende bedoelde ongewenste groei. Onder de biologisch niet gemakkelijk verwerkbare organische stoffen in het rivierwater vallen vooral de reuk- en smaakstoffen op. Blijkens de onderzoekingen in Dusseldorf en Dordrecht is ozon in staat belangrijke verbetering in dit opzicht te bewerkstelligen. Dosering van actieve kool in het aangevoerde water gedurende perioden, waarin de smaak zeer slecht is wordt evenwel als reserve achter de hand gehouden. Anders zou men de produktiecapaciteit van de ozon nog meer moeten uitbreiden en deze uitbreiding slechts nodig hebben in betrekkelijk weinig frequent optredende perioden. In dit verband is de uitvlakkende werking, die een zo groot reservoir als de Waterleidingplas heeft, voor de ozon van het grootste belang. Deze plas levert een water van een veel constantere samenstelling dan de voortdurend wisselende rivier. Ik geloof dan ook, dat men slechts tot een economisch verantwoorde toepassing van ozon komt, wanneer men heeft gezorgd voor zo constant mogelijke watersamenstelling en een zo ver mogelijk voorafgaande oxydatie langs andere weg. Vroeger heeft men wel pogingen gedaan om vervuild oppervlaktewater door ozon alléén te behandelen, zoals in 1893 bij Alphen met water uit de Oude Rijn, in 1900 in Schiedam met Maaswater en bij Nieuwersluis met polderwater, in 1904 te Ginneken met water uit de Mark enz. Deze waren gedoemd te mislukken en hebben ozon in een kwaad daglicht gesteld. Over mislukken gesproken: veel proeven over de werking van ozon zijn reeds in het laboratorium mislukt, omdat tot nu toe geen enkele firma een kleine laboratorium-ozon-installatie op de markt brengt, die compleet is en volautomatisch werkt en waaraan men de werking van ozon kan toetsen. In het laboratorium, waar toch de eerste stap naar de ozon wordt gezet, moet men altijd zelf maar wat bij elkaar zoeken en de tijd, die voor de proeven beschikbaar is, is dan al lang verstreken, voordat men het apparaat lopende heeft. In vele gevallen, is de afwijzende houding, die men tegenover ozon aanneemt, hieraan te danken. Ik durf zelfs te stellen, dat een ieder, die afwijzend tegenover ozon staat, nog nooit een goede proef ermee heeft gedaan.

De kostpris van ozon En nu dan de prijs van ozon. Deze moge blijken uit de berekening, die is opgesteld in tabel 4. Het is een globale begroting voor het

TABEL 4 Kostprijs van ozonisatie HOEVEELHEID T B BEHANDELEN WATER

20 miljoen m31jaar Spoelwaterverlies 5% Maximum dag 150% Geeft een maximaal te behandelen hoeveelheid water van: 20.000.000 x 1,05 x 1,50 = I n13/sec 365 x 24 x 3600 BENODIGDE HOEVEELHEID OZON

Daadwerkelijke dosering minimaal 1,5 mg/l ozon Verlies bij het oplossen gesteld op maximaal: Achteruitgang in produktie bij hoge temperatuur (25O): Achteruitgang in produktie bij 5% te lage netspanning: Achteruitgang in produktie bij iets te slechte droging: In reserve te houden: Eenodigde produktiecapaciteit van de ozon-installatie: 1,5 X 1,104 X 1,25 = 2,75 mg11 ozon 2,75 X 3600 = 10 kglh ozon

10% 10% 10% 10% 25 %

KOSTPRIJS

Elektrische energie (25 kWhlkg ozon) à 7 ct/kWh: 25 x 7 1O00 Onderhoud geschat op jaarhjks f 20.000 Bediening Ozon-installatie aanschaf rotld f 1.000.000 afschrijving in 15 jaar, annuïteit 9,15% Gebouw geschat op f 200.000 afschrijving in 30 jaar, annuïteit 6% Totaal 2,75

x

TABEL 5 KOSTPRIJS CHLORING Dosering 5 mg11 chloorgas à 33 ct/kg Apparaten, gebouw en contactbassin geschat op f 500.000, afschrijven in 30 jaar, rente 4%%, annuïteit 6% Bediening jaarlijks f 10.000 Verwarming jaarlijks f 6.000 Transport chloorvaten jaarlijks f 6.000 Onderhoud jaarlijks f 10.000

0,15 0,05 0,03 0,03 0,05

ct/m3 ct/m3 ctlm3 ctlm" ct/m3

Totaal

0,5

cllm3

0,17 ctlms

(vernieuwing bestaand systeem) Filtratiesnelheid 10 c m h Benodigde filteroppervlakte 36.000 m2 = 18 filters à 2000 m2 Bouwkosten per stuk geschat op f 700.000 = totaal f 12.600.000 annuïteit 6% 3.8 ct/ma Onderhoud jaarlijks f 100.000 0,5 ctlma Totaal 4,3 ctlm3 KOSTPRIJS LANGZAME ZANDFILTERS

bovenbehandelde Plassenwaterleidingproject. Hierin is een ruime veiligheidsmarge aangehouden. Veelal vindt men de prijs berekend als 0,6 ct/m3/g ozon, dus voor het bedoelde project, waarin 1% g ozon per m3wordt gedoseerd: 0,9 ct/m3. In deze prijs zijn minder veiligheden aangehouden. Is deze prijs nu hoog of niet? Om op deze vraag een antwoord te geven heb ik tabel 5 opgenomen, die op overeenkomstige wijze als tabel 4 een kostprijsberekening geeft voor de toekomstige Plassenwaterleiding. Volgens deze berekening zou 5 mg/l chloor 0,5 ct/m%oeten kosten. Hieruit valt te berekenen, dat ozon ongeveer 7 maal zo duur is als chloor, berekend naar gelijke gewichten. Ozon werkt echter sterker en zulk een vergelijking gaat dan ook mank. Een betere vergelijking verkrijgt men, wanneer men doseringen met eenzelfde effect vergelijkt. Uit de proeven, die zijn genomen, is gebleken, dat óf 5 mg/l chloor óf 3 mg11 ozon in staat waren de kleur van het water 10 punten te doen dalen. Wanneer wij dit verschil mede in de berekening betrekken, is ozon ongeveer 4 maal zo duur als chloor. In tabel 5 is ook een kostprijs berekend voor langzame zandfilters, zoals die tot nu toe bij de Plassenwaterleiding worden gebruikt en die zouden moeten worden vernieuwd, indien daarvoor in de plaats in de toekomst geen chloor en ozon zouden worden toegepast. De kostprijs van de langzame zandfiltratie bedraagt meer dan 4 c t / m h n die van chloor plus ozon 1,6 ct/m3. De investeringen voor langzame zandfilters belopen f 12,6 miljoen, tegenover die voor chloor plus ozon f 1,7 miljoen. En dan wordt met chloor plus ozon nog een betere waterkwaliteit verkregen! Zou men terwille van de kostprijs bij de toekomstige Plassenwaterleiding de langzame zandfilters sneller dan 10 cm/h willen laten filtreren, dan moet worden bedacht, dat hun effect reeds bij geringe snelheidsverhoging nog belangrijk minder wordt. Bij een kostprijs, die evenredig is aan die van chloor plus ozon, is hun verbetering van de waterkwaliteit zo gering, dat toepassing dan in het geheel niet meer in overweging kan worden genomen. Uiteraard geldt het hier vermelde niet voor alle waterleidingen, maar wel heel bijzonder voor de Plassenwaterleiding, waar de organische stof (veen) biologisch vrijwel niet verwerkbaar is. Waar zulke organische stoffen niet voorkomen, maar wel veel biologisch gemakkelijk verwerkbare, kunnen langzame zandfilters veel beter concurreren. Typisch voor ozon is juist zijn bruikbaarheid bij aanwezigheid van veel biologisch moeilijk verwerkbaar materiaal. In het licht van deze getallen is de toepassing van ozon dus volkomen verantwoord en zeker niet duur te noemen. Trouwens, wat

betekent 1,l ct/m3? Gesteld, dat uw waterverbruik 150 lidag bedraagt en dat u dagelijks vijf kopjes thee drinkt, dan kost het één dertigste cent om van een afschuwelijk smakend kopje thee iets goeds te maken!

Kunstmatig ingeleide ,,riiping" van filterzand bil de zuivering van grondwater door drs. H . J . Boorsma en drs. R. Peelen

Inleiding Het meer of minder lange aanloopproces dat bijna altijd nodig is vóór dat een nieuw in gebruik genomen contactmassa in een £ilter een effectief en constant zuiveringsresultaat te zien geeft, is men gewend om aan te duiden met het begrip ,,rijping9' van een filter. Wat gebeurt er bij deze rijping en wat is de oorzaak van de soms aanzienlijke rijpingstijd? Dit rijpingsproces wordt zowel waargenomen bij het ontijzeringsproces dat zonder twijfel een fysicochemisch proces is, als bij die processen die door het biologisch leven worden beheerst of mogelijk gemaakt. Hiertoe behoren de ammoniak- en mangaanverwijdering bij de filtratie. De rijping heeft in het eerste geval, de ontijzering, zeer zeker iets te maken met de zuiver mechanische zeefwerking van het filterzand ten opzichte van de bij de beluchting van het water gevormde ijzervlok. Het poriënvolume van het filterzand wordt nl. iets verkleind door de blijvende vervuiling, waardoor de mechanische zeefwerking door brugvorming iets gunstiger wordt. Doch ook de instelling van een adsorptie-evenwicht van de ionen uit het water zelf aan het zandoppervlak, de enige ionen die op de zuivering invloed kunnen uitoefenen behalve die van het korreloppervlak, is een vrij traag proces door de relatief enorme massa filtermateriaal, waaraan zich de evenwichtsinstelling moet voltrekken. Toch komt deze vorm van rijping betrekkelijk snel tot stand in vergelijking met de biologische rijping. Dit laatste rijpingsproces is nu hetgeen waarop hier nader zal worden ingegaan, daar het kunstmatig kan worden beïnvloed, bovendien heeft deze kunstmatige beïnvloeding het inzicht verdiept. De oxydatie van ammoniak, indien deze in het water voorkomt, is in ieder geval een zuiver biochemisch proces; over het wezen van de mangaanoxydatie bestaat nog niet voldoende zekerheid, al wordt dit proces, zoals zal blijken, toch zeer sterk door de andere chemische en biochemische processen beheerst.

De biologische oxydatie van ammoniak komt eerst tot ontwikkeling door de groei van bacteriën van de geslachten Nitrosomonas en Nitrobacter en in vele gevallen komen deze bacteriecellen van nature in het grondwater voor, waarbij men zich waarschijnlijk moet voorstellen dat er maar enkele cellen per 1 of m3 door het putfilter worden uitgespoeld. Het natuurlijke rijpingsproces van biologisch werkzame filters kunnen wij in twee delen splitsen: 1. de vastzetting van bacteriën in het zandlichaam, 2. de groei van de bacteriën tot een maximale evenwichtspopulatie in het zandbed. Beide fasen eisen tijd, de ,,rijpingstijd". Wanneer men over nieuw schoon filterzand een verdunde bacteriesuspensie filtreert, worden de bacteriën aanvankelijk niet tegengehouden. Bacteriecellen in een waterige suspensie zijn negatief geladen en door hun zeer geringe afmetingen gedragen zij zich als suspensoïde colloïden. Dergelijke kleine deeltjes kunnen onmogelijk door mechanische zeefwerking worden tegengehouden door de talloze malen grotere zeefgaten. Opvanging kan alleen plaatsvinden door de adsorptie van de negatief geladen deeltjes aan een positief geladen oppervlak. Het oppervlak van zandkorrels is eveneens geladen. Vastzetting of tegenhouden van bacteriecellen zal dus niet plaatsvinden, voordat het oppervlak ten dele met een positieve filrn is bedekt. IJzer-ionen en de primaire ijzeroxyde-kiem, evenals een gedeelte van de organische stoffen (in colloïdale vorm) zijn positief geladen. Het is de door deze stoffen gevormde positieve filrn en positieve dubbellaag die eerst de bacteriecellen kan tegenhouden. Het is ook door dit verschijnsel dat het overigens kortstondige doorslaan van langzame zandfilters na verwijdering van de oppervlaktelaag wordt veroorzaakt. De tweede fase van het rijpingsproces wordt beheerst door de groei van de bacteriecellen tot de maximale evenwichtspopulatie. Wanneer nien de toeneming door deling van bacteriën op semilogaritmische schaal uitzet tegen de tijd krijgt men de in afb. 1

Afb. l

weergegeven groeicurve. In eerste instantie, wanneer nog slechts weinig bacteriecellen aanwezig zijn, treedt dit groei- en afstervingsproces op in enkele geïsoleerde gedeelten of poriën van de in vergelijking oneindig grote filtermassa. De verbreiding geschiedt, indien niet wordt gespoeld, met snelheden gelijk aan osmose-snelheden. Door spoelen wordt het bacteriemateriaal verdeeld, de dode cellen en een klein deel van de levende afgevoerd, waardoor de groeifase wordt uitgerekt in de tijd. Het gunstigste effect ten opzichte van de rijping zou kunnen worden verkregen door 2 X per dag spoelen met weinig water en in hoofdzaak lucht (Lag.time, kiemtijd) ca. 8 uur.

De biochemische oxydatie van ammoniak Na het zuiver fysicochemische oxydatieproces van het in het water aanwezige ijzer, kan de ammoniak geleidelijk worden verwijderd door de groei van de beide genoemde soorten bacteriecellen, waarbij de nitrietbacteriën (Nitrosomonas) de voedingsstof leveren voor de nitraatbacteriën (Nitrobacter). De fermentsystemen die deze beide bacteriesoorten bezitten doen dienst als zuurstofoverdragers en gaan daarbij voortdurend van de geoxydeerde vorm in de gereduceerde vorm over. Schematisch kan men zich voorstellen dat de zuurstofatomen haasje over springen van fermenten op het substraat (NH,+-ion). In werkelijkheid springen de elektronen uit het substraat via de enzymsystemen oyer op de zuurstofatomen, die daardoor als zuurstof-ion terechtkomen in het substraat (NO,', NO,' en tussenprodukten). Beide cxydatieprocessen zijn energieleverende processen: 1. NH,+ 1% 0, = 2H+ +H,O NO,' +66 kcal; 2. NO,' f %z' 0, = NO,' 17 kcal. Met behulp van deze vrijkomende energie zijn deze bacteriën in staat, eiwitten en koolhydraten als celmateriaal volledig uit minerale bestanddelen op te bouwen. Zij worden daarom gerekend tot de autotrofe organismen. Het natuurlijke groeiproces van deze organismen in het filterzand, dat zal kunnen aanvangen als het grondwater deze organismen bevat, kan zich over een periode van enkele weken tot 8 maanden of langer uitstrekken. In enkele gevallen komt het zonder kunstmatige ingreep helemaal niet tot stand. D e door Beyerink geponeerde stelregel ,,alles is overal" gaat dus niet in alle gevallen op en zal vermoedelijk moeten worden aangevuld tot: ,,alles is overcrl, zij het in vaak zeer uiteenlopende poprrlatiedichtheden".

+

+

+

,-

Deze erkenning wordt nog versterkt door het verschijnsel dat bij het volledig uitblijven van een nitrificatie van de NH,+-ionen, zelfs bij een gering gehalte ervan, de ontmanganing niet dan bij hoge uitzondering tot stand kan komen. Reeds lang wordt dit euvel van te langzame rijping van nieuw filterzand bestreden door enting van het filter met ingewerkt filterzand uit andere zuiveringsinstallaties. Vaak is deze enting met het uitsluitend doel toegepast, de ontmanganing op gang te krijgen. Ook het ontmanganingsproces komt niet of bij uitzondering spontaan tot stand en vereist een zekere rijpingstijd. Dit lijkt te wijzen op het biologisch karakter van de ontmanganing. Door de zoveel toegepaste entingen met vreemd filterzand werd echter steeds een heel gamma van organismen in het nieuwe filter gebracht. Enkele ongvnstige ervaringen waarbij oligochaete wormen werden overgeënt, deden tenslotte niet dan bij uiterste noodzaak tot dit middel besluiten. Daardoor kwam de wenselijkheid naar voren de entingen te gaan uitvoeren met reinculturen of ophopingsculturen. Als entmateriaal werd daarbij uitgegaan van filterzand uit bedrijven met een actieve nitrificerende flora, d.w.z. met nitrificerende bacteriën, die bij een relatief hoge filtratiesnelheid een verregaande omzetting van ammoniak bewerkstelligden. Uit ervaring was reeds gebleken dat er grote verschillen in activiteit zijn van verschillende g stammen van dezelfde organismen. e cultures werden aangelegd in aëratiekolven in een mineraal % %&dingssubstraat volgens ,,Meik1 'ohn" dat rijk is aan ammoniumzouten; de groei wordt geco troleerd u& de vorming van nitriet en nitraat. Door herhaalde overenting van deze culturen in het steriele voedingsmedium worden tenslotte zg. ,,semi-rein"-culturen van nitriet- en nitraatbacteriën in samenleving verkregen. Beide bacteriesoorten hebben ovale cellen waarbij de nitrietbacteriën iets langer zijn dan de nitraatbacterïen; de eerste worden in een

Y

waterkelder te Vuren e.a. De maximale omzettingscapaciteit van deze stammen werd bepaald door verhoging tot die filtratiesnelheid waarbij de ammoniakoxydatie terugliep tot een rest ammoniakgehaltevan 1mgll. De kritieke filtratiesdeden bedroe, p. 3 . 4 en 5 m/h. De stam Vuren bleek in s t m t e snelheid een hoe-

94

-.

-

TABEL 1 Samenstelling mw water Pompstation Beegden Bestanddelen Kleur (eenheden Pt. schaal) KMn04-verbruik Chloride-ion Nitriet-ion Nitraat-ion Sulfaat-ion Fosfaat-ion Bicarbonaat-ion Vrij koolzuur Ammonium-ion IJzer Mangaan Totale hardheid O D

gehalte in mgfl 7 9,5 3O

o o 8 0,86 159 41 0,55 82 0,29 84

r

eelheid lg/l G om te zetten in een filterbx an 1,2U m aiicte. Dstam werd als entmateriaalmezigd. 3 i t entmateriaal werd voor het eerst toegepast in een nieuw pompstation van de N.V. Wgerkir. voor Midden- en Noord-Limburg te Beegden. @oewel de zuivering hier werd g e b a - m Seerd op een dubbele infiltratie, een droge voorfiltratie over filterland, Tö6faFgegaan door een beluchting van het water en gevolgd 'oor een nafiltratie over magno, bleek E r zelfs een iaar na de bedrijfs stelling van de filter; n; aning en nitrifi-atie te zijn opgetreden. De s we water van-- . . Uit pompstation is voor enkele bestanddelen in tabel 1 weergegeven. Gezien het matige ammoniakgehalte vqn dit water werden hier bij voorbaat geen moeilijkheden verwacht met de ontmanganing, vooral niet omdat de ontmanganing over magno vrijwel nimmer faalt. Bij voorafgaande proe£nemingen was gebleken dat de volledige ontijzering door normale natfiltratie onmogelijk was, en dat door droogfiltratie een gemakkelijke en volledige ontijzering werd bereikt. Bij de inbedrijfstelling werd na korte tijd de onaangename ervaring opgedaan, dat de magno, ook na vervanging, binnen korte tijd werd ge'inactiveerd door omkapseling van de magnokorrel met een film van organische stof met wat iizeroxyde en calciumcarbonaat. ontmanginhg trad hierdoor in-de magno niet op en p -

t r A

.

TABEL 2 SamensíeiUng m w water Pompstation Gmbbenvorst Bestanddelen Kleur (Pt. schaal) RiMnO4-verbruik Chloride-ion Nitriet-ion Nitraat-ion Sulfaat-ion Fosfaat-ion Bicarbonaat-ion Vrij koolzuur Ammonium-ion Uzer Mangaan Totale hardheid O

D

drijfstelling van een nog ongebruikt filter met nieuw filterzand. Dit filter leverde na enkele weken, zonder voorafgaande enting, eveneens ijzer- en mangaanvrij water. De nitrificatie h a m hier spontaan tot stand. De enting met het aan nitrificerende flora rijke spoelwater, was voldoende om de nitrificatie en ontmanganing tot stand te brengen. Blijkbaar ontbrak deze flora aan het ruwe grondwater. Een soortgelijke ervaring werd opgedaan met een proeffilterinstallatie, die werd opgesteld op het terrein van een toekomstig pompstation te Grubbenvorst van deze Maatschappij, met een nog lager ammoniakgehalte van het ruwe water. Ook hier wilde het proeffilter niet op gang komen. Een enting met filterzand, terwijl de nitrificatie volledig verstek liet gaan, had een averechts

resultaat. Het mangaangehalte van het filtraat steeg en keerde na enige tijd weer tot de normale waarde terug.

i

&Oogfilter ingerichte filterbak waarover conti

a h r G l ~ a de n ontmanganing. Doch ook een fysicochernische verklaring met behulp van de vorming van een katalytisch oppervlak uit bruinsteenafiettingen bestaande, is cen langzaam tot stand komend proces voordat voldoende oppervlak aanwezig is voor een volledige ontmanganing. Bovendien is de eerste fase van een mogelijke ontnzanganing ten nauwste gekoppeld met een biologisch proces. indien Izet water ook NH,+-ionen bevat zelfs al zijn dit maar sporen.

Het oxydatie-rediuctieproc8~ De oorzaak dat de oxydatie van mangaan-ionen tot bruinsteen wel afhankelijk is en zelfs kan worden geblokkeerd door de arnmoniakoxydatie, waarbij deze laatste de ijzeroxydatie niet beïnvloedt, doch zelf bij hoge ijzergehalten erdoor kan worden gehinderd is een gevolg van het overeenkomstige karakter van het zg. oxydatie-reductieproces. Het kenmerk van deze evenwichtsreacties is, dat er een elektronenovergang plaatsvindt, waarbij een stof die 'elektronen afgeeft Mn*,NH,+) en een andere stof die wordt geoxydeerd (Fe*, elektronen opneemt wordt gereduceerd (in dit geval 0,). De intensiteit van de oxydatie of reductie wordt bepaald door de oxydatie-potentiaal, een potentiaal die kan worden gemeten aan een platina elektrode t.o.v. een standaard-elektrode. Voor een eenvoudig systeem: Ox ne Red.

+

TABEL 3

MnOz M*'

+

MD+'

+ 2 H z 0 $ Mn02 f

4

~

++ 2e - - 1,33

(ook wel 1,35)

wordt de oxydatie-potentiaal E gegeven door de formule van Nemst : 0,060 Ox E=E,+log n Red waarbij men E, de normaal potentiaal van het systeem noemt Ox indien de verhouding --- = 1 en dus E = E,. Red In de literatuur kan men de in tabel 3 genoemde waarden voor de normaal potentialen aantreffen voor de bij de waterzuivering plaatsvindende reacties. Een stijging van de potentiaal naar hogere waarden zal dus eerst kunnen plaatsvinden, als de bij een lagere potentiaal verlopende processen voldoende ver zijn gevorderd, daar elk van deze systemen is op te vatten als een potentiaal-buffersysteem. Het gedrag van het water bij de zuivering in een aantal praktijkvoorbeelden wordt nu veel duidelijker. Bij een proeffilterinstallatie die werd opgesteld bij een grondwater met een zeer hoog ijzergehalte van 18 mg/l, gelukte het niet in het voorfilter een nitrificatie of ontmanganing tot stand te brengen. In het nafilter kwamen deze oxydaties evenwel zonder speciale kunstgrepen in enkele maanden tot stand. De besproken voorbeelden van Beegden en Grubbenvorst worden nu duidelijk. Ondanks het lage ammoniakgehalte kan geen ontmanganing plaatsvinden voordat voldoende nitraat is gevormd en de nitrificatie nagenoeg volledig is. De waterzuivering van het pompstation Ridderkerk dat is uitgevoerd met dubbele droogfilters, beschikt over water met een hoog ammoniakgehalte +. 8 mg/l (en Fe E 8 mg/l, Mn r 0,50 mg/l. Hier kan de ontmanganing reeds aanvangen bij aanzienlijke rest-ammoniakgehalten (2 à 3 mg/l) en volledig worden vóórdat de nitrificatie

volledig is. De oxydatiepotentiaal wordt immers alleen beheerst Ox (NO,? door de verhouding van de concentraties Red WH4+) Deze erkenning houdt tevens in dat het mogelijk is de ontmanganing te versnellen door een tijdelijke nitraatdosering, of uit te schakelen door een plotseling hoog ammoniakgehalte, waaraan de flora niet direct is aangepast.

-

Het karakter van het ontmanganingsproces Met dit al is nog niet uitgemaakt of het ontmanganingsproces een biologisch of een fysicochemisch proces is, dan wellicht een proces dat biologisch door ,,mangaanbacterïën" wordt ingeleid om als een fysicochemisch-katalytisch proces verder voortgang te vinden. Want ook een katalytisch verlopend proces verloopt eerst met voldoende snelheid i s het katalytisch oppervlak groot genoeg is. Getracht is door onderzoek met een aantal proeffilterbuizen gevuld met zg. mangaanzand, d.w.z. filtermateriaal dat reeds ontmanganende werking heeft, tot een uitspraak te komen. Natuurlijk grondwater uit Sambeek met een hoog mangaangehalte en een vrij laag ammoniakgehalte werd over de filtertjes gedruppeld. De ontmanganing over dit ingewerkte mangaanzand was spontaan. Door een pasteurisatie van de £iltertjes tot O à 70 OC bleef de ontmanganing gehandhaafd, boven deze temperatuur en bij 100 OC ging deze werking verloren. Door deze behandeling is echter ook de nitrificerende flora vernietigd en het staken van de ontmanganing is in het licht van de eerder vermelde beschouwingen begrijpelijk. Wel is getracht de nitrificatie door enting spontaan te herstellen, doch dit is niet gelukt, daar dan ineens de oorspronkelijke evenwichtpopulatiedichtheid van de nitrificerende flora zou moeten worden hersteld. Dit onderzoek wordt verder voortgezet. Een bijzonderheid die het vermelden waard is, is nog dat de individuele voorziening te Sambeek die het water heeft geleverd voor dit onderzoek, gedurende 10 jaar verstek heeft laten gaan ten opzichte van de ontmanganing. De zuivering bestaat hier uit een normale snelfiltratie over zand, gevolg door een magnonafiltratie. Het ruwe water bevat 4,6 mg/l ijzer, 0,42 mg/l ion en 4,4 mg/l mangaan. Hoewel de nitrificatie hier langs natuurlijke weg tot stand kwam bleef de ontmanganing achterwege. De filters werden in juli jl. geënt met een nitrificerende flora en het afslijpsel van mangaanzand, waardoor de ontman-

w-

ganing buiten de verwachting na korte tijd (nafilter ca. 3 weken) volledig tot stand kwam (voorfilter 2 maanden).

Samenvatting De volgorde van plaatsvinden oxydatieprocessen bij de verwijdering van ijzer, ammoniak en mangaanverbindingen uit grondwater wordt beheerst door de oxydatiepotentialen, waarbij de reactie met het laagste potentiaalniveau het eerste plaatsvindt. De biologische rijping van filterzand ten opzichte van de ammoniakoxydatie kan aanzienlijk worden versneld door enting met actieve ophopingsculturen van Nitrosomonas en Nitrobacter.

Detergenten door prof. dr. J . K . Baars

1. Inleiding Sedert een tiental jaren heeft de chemische industrie zich sterk toegelegd op de produktie van een groep verbindingen, die in het dagelijks leven worden aangeduid als detergenten. Weliswaar bereidde E. Frenzy in 1831 uit olijfolie en zwavelzuur met daaropvolgende neutralisatie een typische detergent en ook werden sedert 1850 kleine hoeveelheden uit ricinusolie bereide produkten als bevochtigingsmiddelen in de textielindustrie gebruikt, doch de geschiktheid als wasmiddel heeft pas na de Tweede Wereldoorlog de aandacht getrokken. Als de meest karakteristieke eigenschap van deze groep organische verbindingen mag wel in het algemeen worden beschouwd hun eigenschap dat zij de oppervlakte-spanning van water verlagen waardoor dit water een groter bevochtigend vermogen krijgt. ,,They make water wetter". Het is dan ook begrijpelijk dat zij grote toepassing hebben gevonden bij het wassen van alles wat vuil is, daar de vuildeeltjes op textiel beter worden bevochtigd en het water zich tussen het vuildeeltje en het weefsel dringt. Daardoor kan het vuil gemakkelijker worden verwijderd. Een sterke mechanische actie is nauwelijks meer nodig. Daar komt nog bij dat met hard water geen neerslagen ontstaan en daardoor is geen extra grote hoeveelheid wasmiddel nodig. Wel is ook bij gebruik van detergenten een grotere dosis nodig voor hard dan voor zacht water. In principe kan dus iedere oppervlakte-spanningverlagende verbinding in dit opzicht nuttig zijn en de detergenten worden dan ook gebruikt voor zeer uiteenlopende doeleinden zoals: - het beter doen vloeien van beton, bereiden van schuimbeton; - het reinigen van allerlei vette oppervlakken, bv. het inwendige van olietanks, de ondzrzijde van auto's; - het voorkomen van stof in de mijnen door versproeien met water; - het scheiden van mengsels door middel van flotatie; - het dispergeren en emulgeren in de levensmiddelen- en farmaceutische industrie. Evenwel mag het gebruik als synthetisch reinigingsmiddel als het allerbelangrijkste worden gezien (75-85 % van het totaal). Om

b\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ 12,6 f\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\q n,r ENGELAND h\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\I 11,s ZWITSERLAND h\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\d 11,r NEDERLAND k\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\w 11;O 10.6 BELGIE + LUXEMB. L\\\\\\\\\\\\\ W. DUITSLAND b\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\W 9,9

AUSTRAL IE

v. S.

FRANKRYK

/TAL IE JA PA N EGYPTE INDIA Afb. 1

-

7,5

48

2,8

2,6

EI 0,b Verbruik vnri zeep eti s~~ritl~etisclze ii~nsnliddeleri iri 1953l.54 per persooiz in kgljnni.

echter door de huisvrouw als zodanig te worden geaccepteerd moet de stof nog een andere eigenschap hebben, nl. bij gebruik als wasmiddel ook schuimen. Door de eeuwen heen heeft zich het begrip ontwikkeld dat er zonder schuim geen waswerking mogelijk is. Dit heeft geleid tot het in de handel brengen van een groep sterk schuimende kunstmatige wasmiddelen. Daar hierdoor in wasmachines moeilijkheden kunnen ontstaan, heeft men weer produkten gemaakt ,,mit gebremster Schaumwirkung". Aangezien het wassen met deze moderne detergenten zoveel gemakkelijker is dan volgens de ouderwetse methode met zeep, is het verbruik in de laatste 10 jaren enorm toegenomen en het aandeel van de ouderwetse zepen in de verkoop van wasmiddelen neemt steeds meer af (afb. 1 en 2). 2. Algemene indeling In het algemeen kan worden gezegd dat deze detergenten tot de volgende soorten verbindingen behoren:

1. De anioil-actieve verbindingen Deze kunnen worden bereid: a. door eenvoudige primaire of secundaire alcoholen met zwavelzuur te veresteren. Na neutralisatie ontstaan dan de alkylsulfaten, die worden omgezet in het Na-zout (type Teepol)

VERBRUIK IN BILLIOEN I b s S

4

3

2

l

Afb. 2 Verbruik iJall zeep er1 kurrsfrr~otige ~i'nsrniddelei1

1951

1953 1953 1951 1955 1956

1957 1958

b. door sulfonering van gesubstitueerde benzolen (hetzij met sterk H,SO,, hetzij direct met SO,). Op deze wijze ontstaan de alkylaryl-sulfonaten CHa CH CH~-CHI-CHZ-C~z-9 - C H ~ - C H ~ - C Na CH3 CL3 Ook niet-aromatische verbindingen kunnen alkylsulfonaten geven: R-CHZ-S03 Na Bij al deze verbindingen zit het actieve principe in het -ion, dus de R-S0,-groep.

' O-SOS p

2. De kation-actieve verbindingerz In het algemeen zijn dit basen van pyridine of 4-waardig ammonium Als deze laatste verbinding nu het C1 afsplitst zit het actieve principe in het kation. 3. De niet-ionogene verbindingen Dit zijn over het algemeen complexe verbindingen van vetzuren met ethyleenoxyde die niet ioniseren. Het ethyleenoxyde wordt door direct katalytische oxydatie bereid uit ethyleen

In het algemeen wordt groep 1 het meest gebruikt (zie tabel 1). TABEL 1 Verbruik detergenten 1960 in % V.S. Anion deterg. (Sulfaat f sulfonaat) Kation deterg. Niet-ion. deterg.

67,2 33 PI

Duitsl. ZW. Ned. België

Frankr. Eng. 93

O SI

92,3 0,s Ei

80 5

SI

87 O

Z'L

84 1 L

85 l1

8'62

Volledigheidshalve moet hier echter worden vermeld dat deze verbruikscijfers betrekking hebben op de verkochte produkten, waarin behalve de eigenlijke detergenten ook nog de zg. ,,builders" zitten om het schuim ,, op te bouwen" benevens de ,,stabilizers", die het schuim moeten doen voortbestaan. De gemiddelde samenstelling van een vast produkt is in Amerika ongeveer als tabel 2 aangeeft. TABEL 2 Samenstelling A.B.S. Alkyl-benzeen sulfofiaat (Na-zout) Na-polyfosfaten Na-silicaat Na-sulfaat Carboxy methyl cellulose (CMC) 1

Normale zeep 22-35% 37-48% 1 5- 9 % 12-19% 0,s %

zeep Na-fosfaat Na-silicaat Na-carbonaat

40-65 % O-10% 3- 5 % 5-20%

In Duitsland 25-30%

De fosfaten zijn meestal Na-pyrofosfaat en Na,PO,. Ook polyfosfaten zoals calgoon worden wel gebruikt. Zij verminderen de invloed van de hardheid en bezitten ook dispergerende eigenschappen wat betreft het vuil. Het CMC is speciaal toegevoegd om te verhinderen dat het losgemaakte vuil op andere plaatsen weer zou neerslaan. Wanneer het produkt ook nog blekende eigenschappen moet hebben wordt wel perboraat toegevoegd. Om een indruk te geven van het totaal verbruik van deze verbindingen moge hier worden vermeld dat dit in 1959 in Engeland

45.000 t bedroeg. In de V.S. wordt verwacht dat de 1.350.000 t van 1959 tot 1.570.000 t in 1960 zal zijn toegenomen. De bepaling van de detergenten geschiedt wat de anion-actieve sulfaten en de sulfonaten betreft (80-90% van het totale verbruik) meestal nog volgens de in 1955 gepubliceerde methode van Longwel1 en Maniece. Hierbij wordt het actieve principe gekoppeld aan methyleenblauw; de ontstane verbinding, die ook een blauwe kleur heeft, wordt uitgeschud met chloroform. Met licht van 650 m,u wordt dan het absorptiespectrum bepaald. Wanneer alleen de sulfonaten moeten worden bepaald, worden de sulfaten eerst afgebroken door koken met zuur. Als standaard wordt Manoxol gebruikt (Sodium-dioctyl sulfo-succinaat). De kation-actieve detergenten worden eveneens bepaald door gebruik te maken van de binding aan een kleurstof, ditmaal broomfenolblauw. Hiermee kunnen concentraties tot 0,05 mg/l worden bepaald mits bij een pH van 2 wordt gewerkt. Als standaard wordt gebruikt: cetyl-tri methyl ammoniumbromide (CTAB). Deze verbinding zelf wordt bepaald door bichromaat-titratie. Het behoeft ons derhalve niet te verwonderen dat het gebruiken van dergelijke immense hoeveelheden van een organische verbinding bepaalde consequenties zou hebben voor onze samenleving, ook van minder plezierige aard. Dit was in 1953 reeds de reden dat in Engeland een commissie in het leven werd geroepen ,,t0 examine and report on the effects of the increasing use of synthetic detergents". Deze detergenten-commissie verdeelde al direct de bezorgdheid, die het snelgroeiende verbruik wekte, in vier groepen:

1. mogelijke schadelijkheid voor de gezondheid (dermatitis enz.); 2. mogelijke schade aan huishoudelijke en stedelijke leidingen; 3. mogelijke invloed op de zuivering van afvalwater; 4. mogelijke verontreiniging van oppervlaktewateren met consequenties voor het daaruit bereide drinkwater. Wat betreft punt 1 kan worden gezegd dat, ondanks het rijkelijk gebruik dat de huisvrouw van e.e.a. pleegt te maken, afgezien van een enkele speciale gevoeligheid, meestal geen huidaandoening optreedt, althans niet meer dan met de tot nu toe gebruikte wasmiddelen. Een andere mogelijkheid voor toxische effecten bestaat wanneer bv. glazen worden afgewassen met een gewone hoeveelheid detergenten bevattend water en zonder meer te drogen worden gezet. Men kan zich voorstellen dat het oppervlak dan is bedekt met een kleine hoeveelheid detergenten. Wanneer na drogen weer wordt gevuld met gedestilleerd water is daarin slechts een £ractie van de oorspronkelijke concentratie aan te tonen,

-

Afb. 3

i t ~ i ~ l o eiwri d deferget~terio p de vorrli irair eeri l~tchtbel

variërend van 0,2-1 mg/l. Wanneer het glas echter nog even werd nagespoeld was nauwelijks meer detergent aan te tonen. Wat punt 2 betreft zijn evenmin bewijzen gevonden van corrosieve eigenschappen. Wel kan het ,,sop" soms zodanig schuimen dat dit nauwelijks is af te voeren, doch dit is meer een mechanisch bezwaar. Hetzelfde geldt in wasmachines. Ook daar kan de schuimvorming uitermate groot zijn zodat thans speciale, minder sterk schuimende verbindingen worden geleverd! Zeer spectaculair waren echter de effecten onder de punten 3 en 4. Wanneer wij eerst punt 3 beschouwen moet het volgende worden gezegd.

3. De invloed op de biologische zuivering van afvalwater Reeds vrij snel nadat de detergenten werden gelanceerd als de ,,betere9' wasmiddelen, deed zich hun aanwezigheid in het huishoudelijke afvalwater op onaangname wijze kennen: 1. door een nadelig effect op de graad van zuivering en 2. door een sterke schuimontwikkeling in die installaties, die het zg. actief-slibprocédé toepasten. De achteruitgang in de zuiveringsgraad van het afvalwater bleek te berusten op de beïnvloeding van het oplossen van de zuurstof in het water. Wanneer van perslucht gebruik werd gemaakt, kon de vermindering in het zg. zuurstoftoevoervermogen wel 30-40% bedragen. Dit impliceerde dat voor eenzelfde zuurstoftoevoer tenminste 30% meer perslucht moest worden gebruikt. In de Londense afvalwaterzuiveringsinstallatie te Mogden betekende dit niet alleen hogere jaarlijkse exploitatiekosten doch een daarvoor noodzakelijke uitbreiding van de installatie zou niet minder dan £ 900.000 kosten. Wanneer wordt onderzocht hoe dit in zijn werk gaat blijkt het volgende. In het detergent-molucuul kunnen twee verschillende

- -:: --.

,-.

4 Luchtbellen, opstijgend uit een porseleinen kroesje met geperforeerde bodem

delen worden onderscheiden, waarvan het ene, hydrofobe, deel een waterafstotend karakter heeft, en het andere, hydrofiele, deel zich juist naar het water keert. De detergenten hopen zich typisch op aan grenslagen, hetgeen uit de volgende proef blijkt. Uit een capillair wordt een kleine luchtbel geproduceerd in een het aangrenzende volume lucht cuvet met water. Op de bel iattot aan de afsluitende glaskraan staat de hydrostatische de oppervlaktespanning. Wanneer nu de mosferische druk oppervlaktespanning door de aanwezigheid van detergenten wordt verlaagd, wordt de totale druk ook, zij het zeer weinig, minder. Doordat de afgesloten lucht echter belangrijk meer is dan de bel alleen, uit zich de verlaging in de oppervlaktespanning in een zodanige uitzetting van de bel dat deze na enige tijd de capillair verlaat (afb. 3). Het effect is omgekeerd evenredig met de detergent-concentratie: hoe sterker oplossing, hoe eerder de bel ontsnapt! Een verdere analyse leert dat de luchtbellen die uit poreus ma-

+

+

Afb. 5 Afvloeiei? van de, mei zuurstof verzadigde, grenslaag van een lrtchtbel, die opstug1 door zuurstofvrij water, waarflan pyrogallol er? KON zijn toegevoegd

teriaal in een constante stroom in schoon water worden gebracht, geenszins te vergelijken zijn met ideale ronde lichamen (afb. 4) doch zij zijn onregelmatig gevormd en beschrijven dan ook bij hun opstijging een golfbaan, waarbij steeds vernieuwing van de, met zuurstof verzadigde, grenslaag plaatsvindt (afb. 5). Wordt echter lucht gediffundeerd in een vloeistof, die detergenten bevat - en daarbij wordt gedacht aan een concentratie van 10-50 mg/l -, dan blijkt dat de vorm van de bellen veel ronder wordt en hun baan veel rechter. Het is begrijpelijk dat onder die omstandigheden het oplossen van de zuurstof minder is. Wanneer echter voor de aëratie gebruik wordt gemaakt van zg. aëratierotoren, dan wordt door de grote turbulentie, die de beluchtingselementen op hun weg door het water veroorzaken, een groter aantal kleinere bellen in detergenthoudend water veroorzaakt dan hetgeen het geval is in detergentvrij water. Het zuurstof-toevoervermogen van een aëratierotor kan derhalve door de aanwezigheid van detergenten in het water worden verhoogd. Behalve dit voordeel bestaat echter een soms nog groter nadeel. De zuivering van het afvalwater vindt immers plaats in de beluchtingstanks met behulp van de zg. actief-slibvlok, die in suspensie moet zijn om een optimale hoeveelheid organische stof en zuurstof te kunnen verwerken. Daarvoor is een bepaalde minimumsnelheid in de tanks nodig en wel door de gehele natte doorsnede. Door het lage s.g. van het intensieve

Afb.6a Schuimvorming op de afvalwaterztlivering~installatiete Mogden (Eng.) vóár toevoeging van anti-sehuimatie (1954)

lucht-watermengsel dat door de rotor wordt weggestuwd, treedt een zg. bovencirculatie op in de tanky het benedenste. deel komt tot rust en het slib concentreert zich daar zodanig dat de zuivering tekort schiet. Door speciale geleideschotten in de tanks voor zg. rotorbeluchting kan dit euvel weer worden gecorrigeerd. Biologische filters (zg. ,,trickling filtersy') schijnen over het algemeen niet veel hinder te ondervinden van de aanwezigheid van detergenten. Behalve de effecten op de zuivering treedt ook nog een zuiver mechanische hinder op, nl. door schuim. Dit kan zó erg zijn, dat een deel van de zuiveringsinstallatie uit het gezicht verdwljntyde perrons onbegaanbaar worden door het vettige residu dat uit het schuim achterblijft en een volledig afsterven van plantaardig leven in de naaste omgeving van de installatie plaatsvindt. Teneinde het schuimeuvel bij de zuivering te compenseren word~ in principe 3 methoden toegepast. Ten eerste kan zg. antis c h u i m o ~worden toegevoegd (dit gaf te Mogden in 1953 2. 15.000 mé6r kosten! (afb. 6 en 6a)). Deze verhindert inderdaad de schuimv~rming~ herstelt echter bij gebruik van perslucht het oplossen van de 0,niet, Ten tweede kan vloeistof óp het schuim warden gesproeid (afb. 7). Dit kan leidingwater, dan wel gezuiverd effluent van de installaee of zelfs water uit het

Afb. 6b Schuimbestrijding met anti-schrrirnolie te Mogden (1961)

beluchtingsbassin zijn (de zg. ,,mixed liquor"). Ten derde kunnen kappen aan de tegenover de rotor gelegen zijde worden toegepast, zoals o.m. het geval is in Tilburg (afb. 8). Tenslotte kan men ook nog proberen een vermindering in het schuimeuvel te bereiken door het actief-slibgehalte te verhogen Afb. 7 Schuimbestrijding op de afvalivaterzuiveringsinstallatie te Hilversum door besproeien van de belrrcliti~igsbassins

Afb. 8 Schuimvorming b# aZrebe miverin8 van het afvalwater te Tilburg (bmtelbelwchtind

van 1% g11 tot 4 3 5 811. Vaak geeft dit enige verbetering, doch niet altijd. Ook zouden de moeilijkheden kunnen afnemen . wanneer de beluchting wordt voortgezet totdat nitrificatie gaat pptreden (de zg. 2e fase). Deze voortgezette beluchting kost echter belangrijk meer energie en is dus kostbaar. Ook een fase in de afvalwatemtiiv~ring,di^ volgt op de biologische zuivering ondervindt nadeel van de detergenten, al. de gasgisting. In de literatuur wordt vermeld dat de gasproduktie wordt verminderd; speciaal in de warme gistingstank (+_30 "C) @clen afzettingen tegen de wanden en de warmtewisselaars op die uit calcium en fosfaat bestaan en afkomstig moef.en zijn uit de zg,,buildas" van de verpakte detergenten. Tenslotte blijkt bet uitgegiste en geditoogde slib zoveel detergenten te bevatten, dat het voot de landbouw bepaald minder geschikt wordt,

4. Verontreiniging van oppervlaktewateren en eventuele conse'. quentiis voor de ~ a t e r v o o ~ e n i n g In het efluënt van een zuiveringsinstallatie komt dan ook h e h n . ten dage als normaal bestanddeel een hoeveelheid van enkele mg detexgent per 1voor. Zo bevatte de Illinois Water Way, waarin het gezuiverde afvalwater voor de South West Plant te CIi-icago wordt geloosd, op 85 km afstand nog 0,9 mg/l, op 190 km 0,6 mg/l en op 266 km.0,s mg/l. In 1960 bevatte de Ruhr, afhankelijk van de capaciteit van de rivier, van 0,l-1,3 mgll. Voor

de Thames was dit cijfer ca. 0,s mg/l. Door de Rotterdamse Waterleiding werden in de jaren 1957-1960 gemiddelde waarden van 0,2, 0,2, 0,2 en 0 , l mg/l gevonden. Wanneer het water in deze rivieren over een stuw stort kunnen de detergenten grote hoeveelheden schuim veroorzaken. Hetzelfde gebeurt in sluizen (bv. op de Neckar is het wel voorgekomen dat een schip bij het schutten zodanig door het schuim was omgeven dat men een overboord gevallen matroos niet meer kon vinden, hetgeen een fataal gevolg had). Aan de Ruhr werden wel 4 m hoge schuimwallen van 300 m lengte aangetroffen benedenstrooms van de sluis Mulheim-Raffelberg. Bij de bereiding van drinkwater uit zulk oppervlaktewater wordt weliswaar het detergentgehalte enigszins gereduceerd (Hammerton), doch Bucksteeg vermeldt dat in 1960 het Essener drinkwater van 0,05-0,8 mg detergent per 1 bevatte. Het geval Chanute (USA), waar tenslotte 4 mg/l in het water voorkwam, wordt hier als buitengewoon verschijnsel buiten beschouwing gelaten. Bij beschouwing van deze cijfers moet men zich realiseren, dat het gezuiverde afvalwater, waarin oorspronkelijk 10-50 mg detergent per 1 voorkwam, in het ontvangende water een zeker aantal malen is verdund. Een lang contact van het water met zuurstof kan het detergentengehalte tenslotte wel doen verminderen doch wanneer het water minder lang aan de invloed van de zelfreiniging is onderworpen en bv. in de bodem dringt, kan het zich daar, indien de zuurstof verbruikt is, vrijwel onveranderd voortbewegen. De thans nog algemeen verkochte alkylarylsulfonaten blijken dus zeer resistent te zijn en blijven veel langer aantoonbaar dan de hen oorspronkelijk vergezellende organische stikstofverbindingen. In de V.S. worden deze moeilijk afbreekbare detergenten momenteel zelfs beschouwd als ,,built-in detectors" voor verontreiniging van goed water met afvalwater. Op het symposium over grondwaterverontreiniging dat in april 1961 te Cincinnati plaatsvond werd door Flynil gerapporteerd over de situatie op Long Island, waar behalve 390.000 bewoners, die leidingwater uit een distributienet ontvangen, nog 270.000 bewoners 78.000 eigen putten hebben. De afvalstoffen worden meestal plaatselijk in meer of minder gezuiverde vorm in de bodem gedeponeerd. Een onderzoek van 1000 putten wees uit dat 550 putten een positieve ,,syndet"-reactie vertoonden, varïerende van zwak (0,02-0,4 mg/l) tot vrij sterk (< 1,4 mg/l). Van de laatste groep waren er niet minder dan 81! Robeck onderzocht de verplaatsing van zouten, detergenten en colibacteriën door een zandlichaam, waarbij een snelheid van 10

cm/dag werd gehandhaafd. Het bleek, dat in zg. Newton-zand de bacteriën in 410 dagen niet verder dan 120 cm kwamen. De ABS deed er weliswaar langer over om de 3,30 rh lange kolom geheel te doorstromen, doch de looptijd was slechts 2 X zo lang als die van chloriden. De detergenten worden dus bepaald niet definitief geadsorbeerd in het zand, hetgeen ook nog weer met tracers is bewezen, nl. door proeven te verrichten met detergenten, die in de sulfonaatgroep radioactieve S bevatten. Met dit alles voor ogen kan men zich afvragen wat de direct schadelijke gevolgen zijn van het drinken van water dat een bepaalde hoeveelheid detergent bevat. Freeman vermeldt proeven waarin 6 vrijwilligers gedurende 4 maanden 100 mg ABS per dag innamen (het equivalent van 21 à 50 mg/l). Geen waarneembaar resultaat werd opgemerkt, zij het dat de eetlust bij 2 van de 6 personen wat was afgenomen. Ook proeven met grote aantallen ratten gaven geen aanwijzigingen dat een dieet met 0,5% ABS enig fysiologisch effect op deze dieren had. Een tweede vraag, welke zich nu aan ons opdringt is: zou water met een kleine hoeveelheid detergent derhalve acceptabel zijn als drinkwater? Het antwoord moet m.i. luiden dat uiteraard schuimend drinkwater niet acceptabel is, doch ook zeer kleine hoeveelheden van bv. 0,5 mg/l die dan niet schuimen, slechts in exceptionele gevallen acceptabel zijn wanneer het water uiteraard verder geheel aan de te stellen eisen voldoet. Men dient, ondanks de moeilijkheden, er naar te streven het detergentengehalte zo laag mogelijk te maken.

,

a

Wanneer wij nu eerst de vraag stellen of de thans gebruikte deter-? genten zijn te verwijderen uit de effluënten van zuiveringsinstal- -: laties kunnen wij de verschilletide mogelijkheden onder ogen zien. Principieel bestaan er vier mogelijkheden: 1 . Verwijdering door adsorptie. Bucksteeg berekent dat het verwijderen van de door de Ruhr afgevoerde detergenten met actieve kool voor 500 t/jaar naar schatting DM 2,5 miljoen kost. 2. Voor chemisch uitvlokken met ijzerverbindingen zou in hetzelfde geval ongeveer f 10.000 nodig zijn, waarbij 200.000 m3 slib zou moeten verwijderd (nog afgezien van de bouwtechnische investeringen). 3. Een berekening voor verwijdering door flotatie komt op 5,25 DM/kg detergent, in totaal dus op DM 2,6 miljoenljaar. 4. Over verwijdering met ionenwisselaars zijn nog niet genoeg gegevens bekend. In principe zijn het echter vrij dure werkwijzen.

5. Andere mogelijkheden voor verbetering van de huidige toestand De oplossing van het probleem zal dus niet langs deze weg kunnen worden gevonden, doch microbiologische research heeft een andere mogelijkheid gewezen. Reeds eerder is vermeld dat er een onderscheid moet worden gemaakt tussen de 2 soorten detergenten, die momenteel veel worden gebruikt, n1.a de alkylsulfaten en de alkylarylsulfonaten. Behalve dat zij principieel verschillen - zoals ook reeds uit de naam blijkt - in de groep waarin de zwavel zit (C - O - S03Na % C - S03Na), wordt in de praktijkprodukten bij de sulfaten in de rest van het molecuul, die aan de sulfaatgroep zit, een min of meer rechte koolstofketen aangetroffen; bij de sulfonaten is de keten meer vertakt. Dit blijkt nu een essentiële factor te zijn voor de afbreekbaarheid door bacteriën. De alkylsulfaten verdwijnen nagenoeg uit het afvalwater tijdens de zuivering, doch de sulfonaten blijven aanwezig. Men kan zich nu afvragen of, wanneer men erin zou slagen ook sulfonaten met rechte ketens te maken, deze evenzo afbreekbaar zouden zijn als de sulfaten. Als voorbeeld mogen hieronder enkele structuurformules volgen van verschillende alkylarylsulfaten CF3 :H3 7H3 Dobane PT: c , H - c H ? - ~ - c H ~ - c H z - ~ ~ CH3 CH3 CH3

S03Na

In 1958 werd een nieuw type alkylbenzylsulfonaat in beperkte hoeveelheid ter beschikking gesteld door de industrie, dat werd aangeduid als Dobane JN en dat een nagenoeg rechte zijketen bezat Dobane J N :

CH~-(CH~)~$-SO~N~. CH3

Isomeren konden ook aanwezig zijn zoals

doch de keten was in beide stoffen vrijwel onvertakt. In de praktijk werden deze twee stoffen aangeduid als ,,soft detergents" op grond van het feit dat zij in het laboratorium biologisch afbreekbaar waren gebleken. De proeven in het Water Pollution Research Laboratory te Stevenage hadden nl. de in tabel 3 vermelde resultaten gegeven:

TABEL 3 Afbraak van verschillende soorten detergenten (oorspronkelijke concentratie 13 mg11 Biologische filters G

i

O

8

ecd

S

l8

r(

Concentratie in effluënt van

C

d

1. Harde detergent 2. Mengsel hard en zacht 3. Zachte detergent

actief slib, 6 h beluchting

4,30 2,20 0,87

E

67,O 84,O 93,7

,-i

b

8

O

C

I E

G

S 4,05 1,25 0,89

68,7 90,9 933

Uitgedmkt als m2 Manoxol per 1.

De Engelse Detergentencommissie besloot nu in het groot een een proef te nemen met deze afbreekbare verbindingen, aanvangende herfst 1958. Uitvoerige voorbereidingen waren noodzakelijk. In de eerste plaats moest er natuurlijk voldoende materiaal beschikbaar zijn, hetgeen voor de, later als ,,Luton experiment" bekende, proeven nog wel mogelijk was (de benodigde grondstofworden nl. slechts in beperkte hoeveeheid geproduceerd door aardolie-kraakinstallaties). Dan moesten al de tot dien verekte harde detergenten worden vervangen en vooral dit prakche punt bleek moeilijkheden op te leveren. In de eerste plaats oest een analytische bepalingsmethodiek worden uitgewerkt, die tenslotte met behulp van infrarood-absorptiespectra werd gevonden. Doch ook de voorraden harde detergenten moesten zodanig worden vervangen dat zekerheid bestohd over de efficiëntie en ook invoer van buiten het Luton-gebied vrijwel niet voorkwam. Na 8 maanden was de verhouding hard: zacht nog pas 52:48 en in juni 1960 was dit 25:75. Afgezien van allerlei technische complicaties bij monsterneming enz. konden toch vrij betrouwbare cijfers worden verkregen en men toonde aan dat bv. in de periode van 9-16 juni 1960 nagenoeg 80% van de in het ruwe afvalwater aanwezige detergenten werd afgebroken, waartegenover een afbraak van 65% in 1958 stond (afb. 9). Het effect voor de rivier de Lee wordt geschat op een vermindering van de geloosde hoeveelheid detergenten met 4/5. Volledigheidshalve moet echter opgemerkt worden dat, ofschoon het rest-detergentgehalte belangrijk is afgenomen, het schuimen niet is verdwenen. Zelfs zijn gevallen bekend waarbij het schuimen in de afvalwatermiveringsinstallaties sterker schijnt te zijn geworden en onze eindconclusie over deze experimenten moet dan ook zijn dat alleen wat betreft een mogelijke veront-

-

DAGEN

Afb. 9 Afbrnak vnil deterger~terli11 iivierii~nteibij 18-19OC

reiniging van het ontvangende oppervlaktewater de zachte detergenten een wezenlijke verbetering betekenen.

6. Wettelijke maatregelen Het ligt voor de hand dat de vele feiten die in de laatste jaren bekend zijn geworden als gevolgen van het gebruik van detergenten, hebben geleid tot voorstellen om langs wettelijke weg te trachten tot verbetering van de situatie te komen. De Commissie, die in de V.S. over een herziening van de American Public Health Standards van 1946 heeft te adviseren stelde dan ook in 1961 voor, dat in het drinkwater niet meer dan 0,5 mg ABS (alkyl-benzene-sulfonate) per 1 wordt toegestaan, hetgeen inmiddels is geaccepteerd. Dit stelt dan een grens aan de toelaatbare concentratie in het gedistribueerde drinkwater. Wanneer echter wordt uitgegaan van oppervlaktewater zou dit ook moeten worden beschermd tegen verontreiniging met detergenten. Daarvan treffen wij een voorbeeld aan in de Duitse wetgeving. In mei 1960 werd door de Bundestag in het ,,Gesetz uber Detergentien in Wasch- und Reinigungsmitteln" bepaald:

5 1. ( I ) Zweck dieses Gesetzes ist es, eine möglichst hohe Abbaubarkeit von grenzflächen- und waschaktivelz Stoffen (Detergentien) in Wasch- und Reinigungsmitteln zzi erreichen. S 2. ( 1 ) Die Bundesregierung ivird ernlachtigt, durch Rechtsverordnung niit Zustimmzing des Bundesrates die Ailforderz~ngettan die Abbaubarkeit von Detergetitien in Wasck- und Reinigungsrnitteln

sowie das dafiir erforderliche Messverfahren festzusetzen. Die Anforderungen mussen dem Stand von Wissenschaft und Technik auf den Gebieten der Herstellung von Detergentien und der Leistungsfahigkeit van Klaranlagen entsprechen. (2) Die Bundesregierung hut bis zum 30. Juni 1962 erstrnalig eine Rechtsverordnung nach Absatz 1 zu erlassen.

De bedoeling van een en ander is tot het algemeen gebruik van zulke detergenten te komen dat zij in de zuiveringsinstallatie geheel of nagenoeg geheel worden afgebroken zodat geen moeilijkheden meer kunnen ontstaan voor de drinkwatervoorziening. 7. Samenvatting

Men is zich ervan bewust geworden dat het toenemende gebruik van detergenten steeds grotere moeilijkheden voor de samenleving gaat opleveren. In verschillende landen worden dan ook maatregelen genomen teneinde daarin verbetering te brengen. Hoewel dit zeer verheugend is, laat het zich echter aanzien dat nog zeer veel arbeid zal moeten worden verricht aleer het gestelde doel zal zijn bereikt.

INHOUD Woord vooraf.

. . . . . . . . . . . . . . .

Algemene inleiding, door prof. W. F . J . M . Krul

. . . .

Geo-elektrisch onderzoek ten behoeve van de waterwinning, door ir. J. C . van Dam . . . . . . . . . . . . Coagulatie, door dr. E. L. Molt

. . . . . . . . . .

Onderzoekingen naar de toestand van filterbedden, door ir. A . de Lathouder . . . . . . . . . . . . . . Ozonisatie, door clr. G. P. H . van Heusclen . . . . . Kunstmatig ingeleide ,,rijpingw van filterzand bij de zuivering van grondwater, cloor clrs. H. J. Boorsnza en drs. R. Peelen . . . . . . . . . . . . . . . . . Detergenten, door prof. clr. J . K . Baars

. . . . . .