Hoe komen we aan schoon en gezond drinkwater?
Profielwerkstuk van: Tim van Dijk Matthijs Hogerwerf School: Klas: Vak(ken): Docent: Datum:
De Amersfoortse Berg 6AB Scheikunde Dhr. Oosterhout 18 december 2003
1
Inhoudsopgave Voorwoord ....................................................................................................... 3 1 Inleiding .................................................................................................... 4 2 Wat is schoon en gezond water?............................................................... 5 2.1 Historie............................................................................................... 5 2.2 Kwaliteitseisen (normen)voor drinkwater ......................................... 6 3 Is het water uit de kraan schoon en gezond? ............................................ 8 3.1 Drinkwatervoorziening in Nederland ................................................ 8 3.1.1 Grondwater.................................................................................. 8 3.1.2 Oppervlaktewater ...................................................................... 10 3.2 Drinkwatervoorziening in andere landen......................................... 13 4 Hoe kun je zelf water zuiveren? ............................................................. 14 5 Onderzoek waterzuivering bij de TU Delft ............................................ 16 5.1 Bekerglasproef ................................................................................. 16 6 Onderzoek microbiologie bij Hydron ..................................................... 19 7 Conclusies ............................................................................................... 21 8 Samenvatting........................................................................................... 22 9 Bronnen................................................................................................... 24 10 Bijlagen................................................................................................ 25
2
Voorwoord Wij hebben dit onderwerp gekozen omdat we iets met scheikunde wilden doen en Tim veel van zijn vader gehoord had over drinkwater. Zijn vader is namelijk hoogleraar in de drinkwatervoorziening aan de TU Delft. Tijdens vakanties en weekenden heeft Tim dus al vaak met zijn vader drinkwaterbronnen en zuiveringsinstallaties bezocht. Het leek ons leuk om nu zelf eens wat proeven te doen over waterzuivering en er meer van te leren. We hebben contact opgenomen met de medewerkers van het laboratorium van de TU Delft en hebben daar een dag proeven gedaan over waterzuivering. Omdat we daar geen microbiologische proeven konden doen, hebben we ook het drinkwaterbedrijf Hydron gebeld en gevraagd of dat daar kon. Uiteindelijk zijn we daar 2 dagen geweest voor het microbiologische onderzoek. Zowel bij de TU Delft als bij Hydron waren de mensen enorm aardig en behulpzaam. Bij de TU Delft heeft Cees Boeter ons heel goed geholpen. Verder willen we ook Tonny Schuit bedanken en de andere medewerkers en studenten. Bij Hydron heeft de heer Boekenogen alles voor ons geregeld. Verder willen we ook de medewerkers daar bedanken. Tenslotte willen we de vader van Tim bedanken voor alle tips en hulp bij het profielwerkstuk. We hebben veel geleerd van het project. In de eerste plaats over drinkwater en drinkwaterzuivering. Maar ook over de laboratoriumproeven en wat daar allemaal bij komt kijken. Verder ook over het zelfstandig organiseren en uitvoeren van zo’n groot project. En natuurlijk het samenwerken met elkaar en het uiteindelijk op papier krijgen van de resultaten. Kortom, we vonden het leuk en leerzaam!
3
1 Inleiding Het onderwerp van ons profielwerkstuk is ‘schoon en gezond drinkwater’. In het voorwoord hebben we al verteld hoe we tot dat onderwerp gekomen zijn. Over drinkwater is natuurlijk heel veel informatie beschikbaar, zoals de collegedictaten van de TU Delft. Om te beginnen hebben we dus veel van die boeken gelezen en informatie van het internet gehaald. Op basis daarvan hebben we als hoofdvraag voor ons werkstuk gekozen voor: Hoe komen we aan schoon en gezond water? Deelvragen die daarbij horen, worden in de hoofdstukken 3, 4 en 5 behandeld, namelijk: Wat is schoon en gezond water? Is het water uit de kraan schoon en gezond? Hoe kun je water zelf zuiveren? Aan de hand van deze deelvragen kunnen we de achtergronden en de praktijk van de drinkwatervoorziening toelichten. Ook wordt dan duidelijk hoe het water dat uit de kraan komt in Nederland gezuiverd wordt en dat het inderdaad schoon en zuiver is. Omdat dit in andere landen vaak veel minder goed geregeld is, komen we dan op de vraag of je op reis zelf je water zou kunnen zuiveren. De waterzuivering zelf staat centraal bij ons praktijk deel, dat in hoofdstuk 6 en 7 wordt behandeld. In het onderzoek bij de TU Delft hebben we slootwater ‘gezuiverd’ met vlokvorming en membraanfiltratie, zoals dit in Nederland bij de drinkwaterzuivering ook wordt gedaan. In het onderzoek bij Hydron hebben we gekeken of je met chloordruppeltjes of een filterpen op reis zelf water van bacteriën kunt zuiveren. In hoofdstuk 8 staan tenslotte de conclusies van het werkstuk en in hoofdstuk 9 volgt de samenvatting.
4
2 Wat is schoon en gezond water? 2.1 Historie Water is de bron van het leven. Zonder water kunnen planten, dieren en mensen niet leven. Daarom heeft de mens zich altijd in de buurt van water gevestigd. De oude Romeinen wisten al dat ze voor hun drinkwater als het kon gebruik moesten maken van schone bronnen in de bergen. Ze bouwden daarom prachtige aquaducten waarmee het water onder vrij verval naar hun steden werd aangevoerd. Rome beschikte bijvoorbeeld tijdens het Keizerrijk over in totaal 11 aquaducten die aan de 1 miljoen inwoners volop water leverden voor gebruik in de huizen, fonteinen en badhuizen!
De Romeinen en gezondheidstechniek
November 23, 2003
4
Figuur 1: Aquaducten uit de tijd van de Romeinen
Na de val van het Romeinse rijk gingen veel van deze waterwerken verloren. Men dronk water uit vuile sloten en putten. In de Middeleeuwen ontstonden hierdoor enorme epidemieën ten gevolge van besmet drinkwater. Bekende voorbeelden zijn de pest, de cholera en de buiktyfus. In de 19e eeuw kreeg men door dat het zo niet langer kon. De overheid besloot toen dat er een goede centrale drinkwatervoorziening moest 5
komen. In 1853 kreeg allereerst Amsterdam een drinkwatervoorziening en later ook andere steden en tenslotte ook het platteland. De aanleg heeft alles bij elkaar 1 eeuw geduurd, maar was een groot succes. Uit de onderstaande figuur blijkt dat de buiktyfus in Nederland in de vorige eeuw is uitgebannen door de invoering van de drinkwatervoorziening. De pieken in de grafiek worden veroorzaakt door de eerste en tweede wereldoorlog. De mensen hadden toen behalve soms minder schoon drinkwater ook minder afweer door ondervoeding. Ook waren er meer vluchtelingen die de ziekte meenamen en de mensen werden niet alleen via het drinkwater besmet.
70 60
70
1919 1945
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0 1900
1925
1950
1975
0
% niet- aangesloten op drinkwater
tyfus incidentie per 100.000 inwoners
Schoon water, gezond leven!
jaar
November 23, 2003
3
Figuur 2: De incidentie van tyfus en het percentage mensen dat niet is aangesloten op drinkwater in de tijd.
2.2
Kwaliteitseisen (normen)voor drinkwater Uit de geschiedenis blijkt al dat de belangrijkste eis aan ‘schoon’ drinkwater is dat ziekteverwekkende organismen er niet in mogen voorkomen. De Romeinen bereikten dit doordat ze gebruikt maakten van bronnen uit de bergen die van zichzelf schoon waren. De epidemieën in de middeleeuwen werden veroorzaakt omdat het water uit sloten en putten besmet was met uitwerpselen van mensen en dieren die ziekteverwekkende organismen als cholera- en tyfusbacteriën bevatten.
6
Tegenwoordig wordt voor als hygiënische eis gesteld (onder meer in de Waterleidingwet) dat E.coli’s in het drinkwater afwezig moeten zijn. Meestal wordt een groep bacteriën gemeten (‘coliforme bacteriën’) als een soort indicator-parameter. Dit wil zeggen dat er heel veel van deze bacteriën in menselijke en dierlijke uitwerpselen voorkomen. Als ze niet aanwezig zijn, betekent het dus dat de bron schoon is. Als ze wel aanwezig zijn dan is er een kans dat er ook andere gevaarlijke bacteriën (waaronder E-coli) aanwezig zijn en dan moet het water gedesinfecteerd worden. Dit kan onder meer met chloor. Een andere basis eis aan de kwaliteit van drinkwater is dat het water ‘helder’ moet zijn. Niemand wil namelijk een troebel glas water drinken. Omdat water uit rivieren en meren altijd in zekere mate troebel is, moeten de slibdeeltjes verwijderd worden door middel van vlokvorming en bezinking. Er zijn natuurlijk nog veel andere eisen die aan drinkwater gesteld worden. Zo mogen er natuurlijk geen giftige stoffen in aanwezig zijn. Natuurlijke gifstoffen die in sommige bronnen voor kunnen komen zijn arsenicum ( kan leiden tot ‘blackfoot disease’, een vorm van huidkanker), fluoride (kan leiden tot botvergroeiïngen) en nitraat (kan leiden tot ‘blue baby disease’, het stikken van baby’s). Deze verontreinigingen komen zelden voor. Veel vaker komen problemen voor met stoffen die door lozingen van steden, industrieën en de landbouw in het water komen dat gebruikt wordt voor de bereiding van drinkwater. Bekende voorbeelden zijn zware metalen als kwik, cadmium en lood en ook nitraat. Ook bestrijdingsmiddelen en vele andere organische verontreinigingen kunnen voorkomen. Voor heel veel stoffen zijn in de wet (Waterleidingbesluit) eisen en normen opgesteld. In de tabellen in bijlage 1 staan de belangrijkste eisen voor de kwaliteit van drinkwater opgesomd.
7
3
Is het water uit de kraan schoon en gezond? Het antwoord op deze vraag is kort gezegd: in Nederland wel en in andere landen vaak niet. Dit hangt samen met de verschillen in de aandacht en het geld dat eraan besteed wordt of besteed kan worden in verschillende landen. Het hangt ook af van de opzet van de drinkwatervoorziening. Vandaar dat we in de volgende 2 paragrafen deze opzet en de verschillen gaan uitleggen.
3.1
Drinkwatervoorziening in Nederland De drinkwatervoorziening in Nederland is geregeld op basis van de volgende principes: Bronnen: gebruik de schoonste bron en bescherm de kwaliteit Zuivering: principe van meerdere barrières tegen verontreinigingen Distributie: 24 uur per dag onder druk en beschermd tegen verontreinigingen Als bronnen voor de drinkwatervoorziening wordt in Nederland gebruik gemaakt van grondwater en oppervlaktewater. In Nederland is er voldoende zoet water aanwezig.
3.1.1 Grondwater Grondwater wordt gebruikt in het oosten, noorden en zuiden van het land. Ons drinkwater in Amersfoort wordt ook bereid uit grondwater. Er zijn in Amersfoort twee grondwaterwinplaatsen, namelijk de Amersfoortse Berg (bij de watertoren) en de Hogeweg (bij Hoevelaken). Grondwater is een prima bron voor de drinkwatervoorziening omdat de kwaliteit in het algemeen heel goed is. Grondwater is eigenlijk regenwater dat een lange reis gemaakt heeft door de bodem. Bij de stroming door de zandkorrels worden verontreinigingen afgefiltreerd en geadsorbeerd en door de lange verblijftijd in de ondergrond (vaak honderden jaren) gaan ziektekiemen vanzelf dood. Grondwaterwingebieden worden in Nederland ook beschermd tegen verontreinigingen. Borden geven de grenzen van de grondwaterbeschermingsgebieden aan, waar geen fabrieken, benzinestations e.d. gebouwd mogen worden. Omdat de kwaliteit van grondwater al heel goed is, kan de zuivering relatief eenvoudig zijn. Het plaatje hieronder geeft een voorbeeld van de zuivering. Die zuivering bestaat uit een dubbele beluchting en een
8
zandfiltratie. De beluchting is nodig omdat het grondwater vaak geen zuurstof bevat. Bij de beluchting kan er zuurstof inkomen. Zuurstof is wel nodig in drinkwater omdat het een frisse smaak geeft. Bovendien oxideert zuurstof tweewaardig ijzer (ferro-ijzer) dat in het grondwater is opgelost tot driewaardig ijzer (ferri-ijzer). Het ferri-ijzer vlokt vervolgens uit tot ferri-hydroxide dat in het zandfilter wordt afgefiltreerd. De reacties zijn: De reacties (zonder toestandsaanduiding)zijn: Fe 2+ → Fe 3+ + e O2 + 2H2O + 4 e → 4 OH-
x4 x3
4Fe 3+ + 3O2 + 6H2O → 12 OH- + 4 Fe 3+ → 4Fe(OH)3 We zullen nog even nader ingaan op het uitvlokproces van ferri-ijzer tot ferri-hydroxide. Zal al het ijzer neerslaan en verwijderd worden? In tabel 45 van BINAS is te zien dat ijzer(III)hydroxide slecht oplosbaar is in water. Er stelt zich een evenwicht in, dat er als volgt uit ziet: Fe 3+ (OH -)3 (s) ->/<- Fe 3+ (aq) + 3 OH- (aq) In de reactievergelijking is te zien dat naarmate er meer Fe 3+ bij komt, het evenwicht naar links zal verschuiven. Hierdoor zie je de neerslagvorming als ‘vlokken’. Om de concentraties Fe 3+ en OH- te berekenen geldt: Ks = [Fe 3+ ] . [OH-]3 De ferrihydroxide concentratie komt niet in deze vergelijking voor omdat deze alleen wordt toegepast op het oplosbare zout en dus niet op een vaste stof. De waarde van Ks is in tabel 46 van BINAS op te zoeken. Deze waarde is gelijk aan 2,6 . 10-39. Aan de hand van deze waarde is de [Fe 3+ ] en de [OH-] eenvoudig te berekenen. In de reactievergelijking is te zien dat de verhouding waarin de Fe 3+ en OH- met elkaar reageren gelijk is aan 1:3. De vergelijking komt er dan als volgt uit te zien: 2,6 . 10-39 = x . x3. De waarde van x is dan gelijk aan: 2,26 . 10-10 . De [Fe 3+ ] is dus zeer klein en gelijk aan 2,26 . 10-10 Vervolgens is hieruit te berekenen vanaf welke pH ferrihydroxide gaat neerslaan. De [OH-] is 3 keer 2,26 . 10-10. De pOH is dan –log[OH-] is 9.2 en de pH 14 - 9.2 = 4.8
9
Dergelijke reacties treden ook op voor de oxidatie van tweewaardig mangaan. IJzer en mangaan moeten uit het water verwijderd worden omdat ze anders afzettingen in het leidingnet en aan de kraan kunnen geven (en het wasgoed kan bruin worden). Hoge concentraties kunnen ook een metaalachtige smaak aan het water geven. Het gezuiverde water wordt daarna bewaard in een reinwaterkelder, waarna het door pompen in het distributienet wordt gepompt. In Nederland zorgt men ervoor dat er altijd overdruk op het distributienet staat, zodat verontreinigingen van buitenaf (bijvoorbeeld door lekkende riolen) niet in het net kunnen binnendringen. Watertorens waren vroeger nodig om druk op het net te houden tijdens stroomstoringen, maar tegenwoordig kan dit evengoed en goedkoper met een noodstroom aggregaat.
Figuur 3: Het zuiveren van grondwater in opeenvolgende stappen.
3.1.2
Oppervlaktewater Oppervlaktewater wordt als bron voor de drinkwatervoorziening gebruikt in het westen van Nederland, onder meer voor Rotterdam en Amsterdam. Daar is het grondwater zout (invloed van de zee) en dus ongeschikt voor de drinkwatervoorziening. Vroeger heeft men wel veel water gewonnen in de duinen (daar zit een zoetwaterbel dichtbij de zee, omdat zoet (regen)water blijft drijven op zout water). Nu worden de 10
duinen nog wel gebruikt om water te onttrekken, maar het natuurlijke zoete duinwater wordt kunstmatig aangevuld door rivierwater dat geïnfiltreerd wordt via duinmeertjes. Bij Rotterdam wordt het rivierwater gelijk gezuiverd tot drinkwater in grote zuiveringsfabrieken. Oppervlaktewater heeft natuurlijk het grote bezwaar dat het makkelijk vervuild kan raken door allerlei lozingen en ongelukken. In Nederland worden zowel de Rijn als de Maas gebruikt als bron voor de drinkwatervoorziening. De kwaliteit van de rivieren wordt dan ook goed beschermd en bewaakt. De overheid heeft allerlei regels maar de waterleidingbedrijven doen zelf ook veel en nog meer dan volgens de wet moet. Er zijn ook internationale commissies en internationale verdragen om de rivieren te beschermen. De Rijn kan natuurlijk ook in Zwitserland of in Duitsland al vervuild raken terwijl wij er hier in Nederland drinkwater van moeten maken. Er is zelfs een internationaal alarmeringssysteem voor calamiteiten. Het komt best vaak voor dat de drinkwaterbedrijven geen water uit de rivier kunnen gebruiken voor een tijdje omdat er een lozing of een ongeluk is geweest. De drinkwaterbedrijven hebben voor zulk soort gebeurtenissen grote voorraadbekkens of spaarbekkens. Het water uit deze bekkens wordt dan gebruikt om in dit soort situaties toch door te kunnen gaan met het maken van drinkwater. De zuivering van oppervlaktewater is natuurlijk veel uitgebreider en moeilijker dan de zuivering van grondwater. Het plaatje hieronder geeft er een beeld van. Om te beginnen is rivierwater altijd troebel en moet het fijne slib dus verwijderd worden. Hiervoor wordt vlokvorming met ijzer(III)-zouten toegepast, meestal in de vorm van FeCl3. Dit wordt toegevoegd als een oplossing. Net als bij grondwater ontstaan er dan vlokken van Fe(OH) 3. FeCl3 → Fe 3+ + 3 Cl Fe 3+ + 3 OH→ Fe(OH)3 In deze vlokken worden de fijne slibdeeltjes en ook allerlei andere verontreinigingen ingevangen. De vlokken met de verontreinigingen kunnen dan daarna door bezinking worden verwijderd. Na de bezinking worden de laatste slibdeeltjes verwijderd in een groot zandfilter. Daarna moet oppervlaktewater gedesinfecteerd worden omdat er ziekteverwekkende bacteriën in kunnen voorkomen. In Nederland gebruiken we daarvoor liefst zo weinig mogelijk chloor omdat dat een vieze smaak aan het water geeft en bovendien ontstaan er allerlei bijprodukten bij de oxidatie van organische stof. Zo kan er zelfs chloroform ontstaan (dat is in grote concentraties kankerverwekkend). In Rotterdam wordt het water gedesinfecteerd met ozon, dat net als 11
chloor een sterke oxidator is. Ozon oxideert dan ook het DNA van de bacteriën waardoor deze dood gaan. Bij de desinfectie met hogere concentraties ozon kan bijvoorbeeld weer het kankerverwekkende bromaat (BrO3-)worden gevormd. Reactie van de oxidatie van chloor (hypochoriet) en ozon: 2 HClO + 2H+ + 2e → Cl2 + H2O O3 + 2 H+ + 2e → 2 H2O Verder wordt bij de zuivering van oppervlaktewater in Nederland altijd een zuiveringsstap met actieve kool gebruikt. Aan dit aktieve kool worden bestrijdingsmiddelen en andere organische verontreinigingen geadsorbeerd. Tenslotte wordt nog een klein beetje chloor toegevoegd om er zeker van te zijn dat in het distributienet bacteriën (die niet echt schadelijk zijn) niet te veel gaan groeien. Je kunt dan weer slijmlagen in het leidingnet krijgen en daarop kunnen weer andere diertjes van gaan eten. Daarmee wordt bereikt dat het water tot aan de kraan helemaal schoon blijft.
Huidige zuivering oppervlaktewater II bekken Fe (III)
vlokvorming vlokverwijdering ozonisatie snelfiltratie
Bekken: voorraad, afvlakking, zelfreiniging Ozonisatie: desinfectie, afbraak organisch materiaal dosering = 2-3,5 mg/l O3 Aktief kool filtratie: afbraak organisch materiaal, verwijdering bestrijdingsmiddelen
aktiefkool filtratie Cl2/ClO2
reinwaterkelder
chloordosering = 0,3 mg/l (transport)
Figuur 4: Het zuiveren van oppervlaktewater in opvolgende stappen.
12
3.2 Drinkwatervoorziening in andere landen In landen als Duitsland en België is de drinkwatervoorziening even goed als in Nederland. In veel andere landen is dit echter niet zo. Het meest duidelijk is dit in ontwikkelingslanden waar veel mensen over het geheel geen schoon drinkwater hebben en er geen leidingnetsysteem is. Zij drinken nog steeds het water uit sloten, rivieren en waterputten. Omdat dit water soms besmet is met bacteriën sterven er wereldwijd miljoenen kinderen en volwassenen aan ‘water-borne diseases’ als cholera en tyfus. Ook is er in veel landen te weinig drinkwater. In Nederland gebruiken we ongeveer 120 liter per persoon per dag. In veel Afrikaanse landen hebben de mensen nog niet eens 4 liter per persoon per dag. Volgens de WHO (World Health Organisation) is het absolute minimum 7 liter per persoon per dag. Ook dit geeft veel hygiënische problemen en ziekten. Maar ook in landen en gebieden die wel een centrale drinkwatervoorziening hebben is het drinkwater vaak niet betrouwbaar. Dit komt omdat men onvoldoende zorg besteed aan de 3 basiseisen: Bronnen: gebruik de schoonste bron en bescherm de kwaliteit Zuivering: principe van meerdere barrières tegen verontreinigingen Distributie: 24 uur per dag onder druk en beschermd tegen verontreinigingen Problemen met verontreinigingen van de bron komen veel voor. Een bekend voorbeeld zijn de Minamata-baai in Japan, waar kwik-houdend afvalwater werd geloosd waardoor de mensen ziek werden. Het kwik kwam hierdoor in de voedselketen (vis) en in het drinkwater. Problemen met de zuivering komen zelfs in de VS nog voor. Zo werden in 1993 in Milwauki 400.000 mensen ziek door besmetting met Cryptosporidium, een protozo dat niet gedood wordt door chloor. Er waren daar te weinig zuiveringsstappen (barrières) en men dacht dat de desinfectie met chloor genoeg was. In Nederland hebben we het Legionella-probleem gehad. Dit is echter geen echt drinkwaterprobleem, zoals in de USA. Je wordt namelijk niet ziek als je water met deze bacteriën drinkt. Je kan wel ziek worden als je ze inademt. Als water heel lang bij 40-55 graden Celcius of hoger stilstaat dan kunnen deze bacteriën zich snel vermenigvuldigen. Als je daarna het water versproeit of verdampt (airco, whirlpool, etc), kun je
13
kleine druppeltjes inademen met deze bacteriën erin. De legionellabacteriën kunnen dan in je longen terechtkomen. Vervuiling in het distributienet/leidingnet komen in het buitenland veel voor. Vooral in ontwikkelingslanden wordt soms maar gedurende een paar uur per dag water geleverd. Dan staat er in de overige uren geen druk op het net en kan verontreinigd water (uit riolen of anderszins) in het net doordringen.
4 Hoe kun je zelf water zuiveren? In Nederland hoef je het water niet te zuiveren. Dat is onzin, omdat overal goed water uit de kraan komt. De drinkwaterbedrijven in Nederland analyseren het water continu en hebben uitgebreide bewakings- en onderhoudsdiensten die dat in de gaten houden. In Nederland is het water uit de kraan dan ook betrouwbaar en kun je daar maar beter op vertrouwen. Als je nu op reis gaat naar landen waar het drinkwater minder betrouwbaar is, kun je proberen het water zelf te zuiveren. Hiervoor zijn diverse apparaten en middeltjes in de handel verkrijgbaar. Dit is niet zo eenvoudig omdat je er verstand van moet hebben en je er nooit zeker van kunt zijn wat er allemaal in het water aan verontreinigingen aanwezig is. Het meest belangrijke is er voor te zorgen dat het water bacteriologisch betrouwbaar is. Als dat niet in orde is wordt je namelijk vrijwel altijd ziek. Andere stoffen kunnen ook schadelijk zijn, maar die moet je vaak heel lang binnen krijgen om ziek te worden en dat is minder erg voor een kort tijdje als je op vakantie bent. Water kun je eenvoudig bacteriologisch betrouwbaar maken. Dit kan door het water te koken. Hierbij gaan alle ziekteverwekkende organismen dood. Vanouds wordt dit in tropische landen gedaan. Je moet dan natuurlijk wel een kooktoestel hebben en het is veel werk om het voor ieder beetje water te doen. Een alternatief voor het koken is om water te desinfecteren met chloordruppeltjes of tabletten. Ook hierbij blijft het een bezwaar dat je dat voor ieder beetje water moet doen. Een van die middeltjes hebben wij ook bij het lab van Hydron uitgetest. Een beter alternatief is om gebruik te maken van membraanfilters. Dit zijn filters met hele kleine gaatjes erin. Het water kan wel door die gaatjes, maar bacteriën niet. Het voordeel van membraanfilters is dat niet alleen bacteriën maar ook sommige andere verontreinigingen 14
worden tegengehouden. Dus ze werken in principe ook tegen verontreinigingen als bestrijdingsmiddelen en zo. Membraanfilters worden tegenwoordig ook bij de drinkwaterbedrijven in Nederland toegepast. In de afbeelding kun je de membranen en de eerste grote installaties in Heemskerk zien, waar water uit het IJsselmeer wordt gezuiverd. Een probleem bij membraanfilters is wel dat ze gemakkelijk kapot kunnen gaan. De drinkwaterbedrijven bewaken dit met apparatuur, maar op reis heb je dat niet zo snel in de gaten. Andere nadelen zijn natuurlijk dat ze geld kosten en dat het toch lastig blijft om ieder beetje water apart te filtreren. Bij het onderzoek in het lab van Hydron hebben we zo’n filterpen onderzocht.
Membraanfiltratie
November 23, 2003
21
Figuur 5: Membraanfilters (doorsnede en uitvergroting en praktijkinstallatie)
15
5 Onderzoek waterzuivering bij de TU Delft Bij de TU Delft hebben we de zuivering van slootwater onderzocht met behulp van twee experimenten: Bekerglasproef voor vlokvorming/bezinking Membraanfiltratie proef Het was oorspronkelijk de bedoeling om te meten hoeveel coliformen in het slootwater zaten en of ze bij de bij de zuiveringen verwijderd werden. Dit kon echter niet doorgaan omdat er bij het lab in Delft geen microbiologisch onderzoek gedaan mocht worden (i.v.m. veiligheidsvoorschriften). In plaats daarvan hebben we de ‘standaard’ proeven gedaan. Deze standaardproeven meten de verwijdering van de troebeling. Bij de membraanfiltratie proef bleek dat de troebeling volledig verwijderd werd tot beneden de meetgrens (0,1 FTU). In dit verslag nemen we deze proef verder niet mee. We bespreken wel de bekerglasproef. 5.1 Bekerglasproef Doel: Bij de bekerglasproef wordt onderzocht onder welke condities de troebeling van slootwater verwijderd kan worden door toepassen van vlokvorming en bezinking. Apparatuur: Bij de proef gebruik je een apparaat waarbij 6 bekerglazen tegelijkertijd onder gestandaardiseerde condities kunnen worden onderzocht. Werkwijze: Aan elk van de bekerglazen wordt bij het begin van de proef een hoeveelheid FeCl3 toegevoegd, in ons geval 0, 2 ,4 ,6, 8 en 10 mg Fe/l. Omdat de pH daalt door de dosering van FeCl3 en de daarop volgende neerslagvorming van Fe(OH)3 wordt ook NaOH toegevoegd om de proeven uit te voeren bij een gelijke pH van 8. Bij deze pH is de oplosbaarheid van Fe(OH)3 extreem laag. Na de dosering van FeCl3 en NaOH worden alle glazen gedurende 20 minuten geroerd met een toerental van 35 omwentelingen/min. Na verloop van tijd ontstaan dan vlokken die met het oog kunnen worden waargenomen. Nadat de vlokvorming klaar is, laten we de vlokken gedurende 30 minuten bezinken. Tenslotte wordt een monster genomen van het bezonken water. Hierin wordt de troebeling bepaald. Resultaten: De resultaten staan in onderstaande grafiek.
16
De troebeling van het slootwater verminderde bij onze proef van 2,02 FTU tot 0,64 FTU (bij een dosering van 10 mg Fe/l). Al bij een kleine dosering van 2 mg Fe/l werd de troebeling gereduceerd tot 0,99 FTU. Deze resultaten zijn normaal. In de praktijk wordt na de bezinking altijd nog tenminste een zandfilter toegepast waardoor de troebeling nog zal verminderen tot minder dan 0,4 FTU. Bij deze waarden kan het menselijk oog geen troebeling meer waarnemen, zodat het water er helder uitziet. Wel kan met membraanfilters nog een veel lagere troebeling worden bereikt zoals we zelf ook gemeten hebben.
Figuur 6: Bekerglas met verontreinigd water waar vlokvorming in optreedt.
17
Ijzer (mg/l); Troebeling (ntu)
12 10 8 Fe
6
turb
4 2 0 1
2
3
4
5
6
buisnummer
Figuur 7: Diagram van de troebeling (in NTU) als functie van de dosering van ijzer (mg/l).
Figuur 8: Matthijs en Tim in het lab bij deTU Delft
18
6 Onderzoek microbiologie bij Hydron In het laboratorium van Hydron wilden we onderzoeken hoe goed bacteriën verwijderd kunnen worden met chloordruppels en penfilters die je op reis in het buitenland kan gebruiken (als je het water niet kunt koken). In bijlage 2 staat de gebruiksaanwijzing van de druppels en de filterpen. We hebben dat onderzocht door eerst een hoeveelheid coliforme bacteriën toe te voegen aan een bekerglas met water. Vervolgens hebben we het gehalte aan coliforme bacteriën bepaald in dit bekerglas met behulp van de membraanfiltratiemethode. Dit houdt in dat het monster gefiltreerd wordt over een papieren membraanfiltertje. De bacteriën blijven dan achter op dat filtertje, dat vervolgens in een petrischaaltje wordt gelegd op een voedingsbodem. De bacteriën gaan zich dan vervolgens vermenigvuldigen en kunnen na 2 dagen als stippen (kolonies) waargenomen worden. 1 stip komt dan overeen met 1 kolonie van nakomelingen van 1 bacterie. In ons geval waren er ontelbare stippen aanwezig, dus een zeer groot aantal coliforme bacteriën. Vervolgens hebben we een monster uit het bekerglas op 2 manieren gezuiverd: 1. Met chloordruppels 2. Met het penfilter Van het gezuiverde water hebben we vervolgens ook weer het aantal coliforme bacteriën bepaald met dezelfde methode. Nu waren er na 2 dagen op de petrischaaltjes helemaal geen stippen te zien. Dus beide zuiveringsmethoden werkten uitstekend voor het doden van coliforme bacteriën. Dit stond ook in de bijsluiter van het chloor en de pen. Met de filterpen kun je ongeveer 100liter water zuiveren. Daarna is het membraanfilter te vervuild en werkt niet goed meer.
19
Figuur 9: Trechters waarmee je het monster door het membraan kan zuigen.
Figuur 10: Petrischaaltjes met voedingsbodems voor verschillende bacteriën. 20
7 Conclusies Uit ons onderzoek kunnen we de volgende conclusies trekken: Schoon en gezond drinkwater is heel belangrijk om ziekten te voorkomen Water is schoon en gezond als het altijd aan alle normen voldoet; de belangrijkste normen zijn de afwezigheid van ziekteverwekkende micro-organismen, de afwezigheid van giftige stoffen en een aangename smaak en helderheid. In Nederland is het water uit de kraan altijd betrouwbaar omdat er veel zorg besteed wordt aan de bronnen, de zuivering en de distributie. In andere landen is het water vaak minder betrouwbaar en worden mensen nog regelmatig ziek door besmet drinkwater Op reis zou je zelf kunnen proberen je water te zuiveren door het te koken of met middeltjes als chloordruppels of penfilters te zuiveren. Chloordruppels en penfilters zijn goed in staat om coliforme bacteriën te doden, zoals we in het lab van Hydron hebben gemeten. Slootwater kun je minder troebel maken door vlokvorming met FeCl3, zoals we in het lab van de TU Delft hebben gemeten. In Nederland moet je niet proberen om zelf water te zuiveren, want je moet er verstand van hebben en je weet nooit wat er allemaal in het water zit. Het drinkwater uit de kraan is veel betrouwbaarder. Op reis zou je het wel kunnen doen, maar wees altijd voorzichtig want filters kunnen kapot gaan zonder dat je er erg in hebt.
21
8 Samenvatting Mensen vestigen zich altijd bij een waterbron, omdat water de bron van het leven is. Zonder water kunnen planten, dieren en mensen niet leven. Daarom is het ook belangrijk om schoon en gezond drinkwater te hebben. De Romeinen begonnen al heel lang geleden met het maken van waterwerken. Na de val van het Romeinse rijk waren deze waterwerken vernietigd, en moesten de mensen uit de sloot water halen. Hierdoor zijn er diverse epidemieën ontstaan. Bekende voorbeelden hiervan zijn de pest, de cholera en de buiktyfus. De kwaliteitseisen van het drinkwater zijn gesteld in de waterleidingwet. Hierin staat dat in het water geen ziekteverwekkende organismen mogen voorkomen. Bovendien mag het drinkwater geen E.coli’s bevatten. Om dit te bepalen wordt er eerst gekeken naar of het water coliforme bacteriën bevat. Is dit niet het geval, dan bevat het water ook niet de E.coli. is dit echter wel het geval, dan is nader onderzoek nodig. Het zuiveren van water gebeurt in Nederland op basis van 3 principes. We gebruiken de schoonste bronnen (oppervlaktewater en grondwater), we hebben goede reinigingsmethodes (membraanfiltratie, vlokvorming enz.) en we hebben een goede distributie (er staat 24/uur per dag en 7 dagen per week druk op het waternet waardoor het water beschermd wordt tegen bacteriën). Het grondwater hoeft alleen maar belucht en gefilterd te worden want de grond waar het onder vandaan komt werkt al als een groot filter dat alle bacteriën enz. weghaalt. Het oppervlaktewater moet verschillende processen doorgaan zoals, vlokvorming en verwijdering, ozonisatie, filtratie, aktiefkool filtratie, enz. Drinkwatervoorzieningen in andere landen zijn veel slechter dan in Nederland. In de EU valt het nog wel mee, maar daarbuiten en vooral in ontwikkelingslanden is er (vaak) geen schoon drinkwater. In Nederland is het niet nodig om zelf water te zuiveren, maar op zich zou het wel kunnen. Je kunt bijv. water koken, dan zijn sowieso alle bacteriën dood. Je kunt een filterpen of chloordruppeltjes kopen in een survival/sportwinkel. Dit werkt bij kleine hoeveelheden water die gezuiverd moeten worden. We zijn naar twee verschillende instanties gegaan om proeven te doen. Eerstens zijn we naar de TU in Delft geweest. Daar hebben we de zuivering van slootwater onderzocht met behulp van twee experimenten. De bekerglasproef met vlokvorming/bezinking, en een membraanfiltratie proef. Het doel van de bekerglasproef was het onderzoeken onder welke condities de troebeling van slootwater verwijderd kan worden door het toepassen van 22
vlokvorming en bezinking. De resultaten waren vrij normaal. De troebeling van het slootwater verminderde bij onze proef van 2,02 FTU tot 0,64 FTU (bij een dosering van 10 mg Fe/l). in de praktijk zou dit nog niet voldoende zijn, hierdoor laat men het water nog eens door een zandfilter gaan. Hierdoor zal de troebeling dalen tot onder de 0,4 FTU. Ook hebben we nog een membraanfiltratie toegepast, de waarden die er bij deze proef uitkwamen waren nog weer lager dan de 0,4 FTU. We hebben op het lab van Hydron te Utrecht onderzocht hoe goed bepaalde reinigingsmethodes werken. We hebben chloordruppeltjes en een filterpen gekocht bij Beversport te Amersfoort. We hebben eerst in een paar liter water een bepaalde bacterie soort gedaan. Het membraanfilter daarvan hebben we ingezet (op dit membraanfilter worden de bacteriën geconcentreerd). Ook de membraanfilters van het vervuilde water na behandeling met de chloordruppeltjes en de filterpen hebben we ingezet. Uiteindelijk bleken er nul bacteriekolonies nog over te zijn na beide zuiveringen en ontelbaar veel in het oorspronkelijke vervuilde water.
23
9 Bronnen 1. Drinkwater, basiscolleges TU Delft, J.C. van Dijk, P.J. de Moel en J.Q.J.C. Verberk, TU Delft, 2003 2. Inleiding gezondheidstechniek, collegedictaat ct3420, J.C. van Dijk, F.H.L.R. Clemens en J.H.J.M. van der Graaf, TU Delft 2003 3. Drinkwatertechnologie, collegedictaat ct4470, J.C. van Dijk, TU Delft 2003 4. www.gezondheidstechniek.citg.tudelft.nl 5. www.kiwa.nl 6. www.vewin.nl 7. www.hydron.nl 8. www.who.int
24
10 Bijlagen Bijlage 1: Tabellen met normen voor allerlei chemische stoffen en bacteriën uit het Waterleidingbesluit Bijlage 2:
Gebruiksaanwijzing van de Filtrix filterpen en Hadex waterdesinfectiemiddel
25
Bijlage 1: Tabellen met normen voor allerlei chemische stoffen en bacteriën uit het Waterleidingbesluit
26
27
28
