BioGrout en Numerieke Wiskunde: een
sterke combinatieÂ
Nieuwe grondverbeteringstechniek profiteert van
voorspellende kracht wiskundige modellen
Ineke Temming
BioGrout is een innovatieve grondverbeteringstechniek waarbij bacteriën worden ingezet om grond te verstevigen. Deze zomer werd het voor het eerst in de praktijk toegepast bij de aanleg van een gaspijpleiding onder de Waal. Wiskundige
modellering en computersimulatie vooraf waren essentieel voor het ontwerp van de uitvoeringsprocedure en het verkrijgen van een vergunning.Â
Dit jaar werd BioGrout voor het eerst in de praktijk toegepast bij de installatie van een gaspijpleiding onder de Waal tussen Beuningen en Slijk-Ewijk, een opdracht van Gasunie.
Studenten van de Delftse MSc-opleiding Toegepaste Wiskunde voeren hun
afstudeeronderzoek meestal uit bij bedrijven of instituten. Zo doen zij ervaring op in de toepassing van wiskundige methoden en gereedschappen op technologische
vraagstukken. Zij werken aan pittige praktijkproblemen, waarbij vaak ook nieuwe wiskundige technieken moeten worden ontwikkeld.
In 2007 gingen Kees Vuik en Fred Vermolen, hoogleraar en docent Numerieke Wiskunde, voor studente Miranda van Wijngaarden op zoek naar een project rondom ‘modellering & simulatie van stroming en transport in poreuze media’. Precies op het juiste moment klopten zij aan bij Deltares, het kennisinstituut voor deltatechnologie. “Binnen ons grondverbeteringsÂproject BioGrout begon net behoefte te ontstaan aan een rekeninstrument†, vertelt Gerard van Meurs, expertisemanager Geo-Engineering van Deltares. De Numeriek Wiskundigen waren dus meer dan welkom, het begin van een vruchtbare samenwerking.
Australische vinding
BioGrout is een biologische methode waarmee zand kan worden verstevigd tot zandsteen.
Het kan worden gebruikt voor spoorwegstabilisatie, kustverdediging en versterking van de fundering van kerncentrales. In aardbevingsgevoelige gebieden voorkomt BioGrout schade aan gebouwen en infrastructuren. “Het idee komt uit Australië†, vertelt geotechnisch ingenieur Leon van Paassen, die op het onderwerp promoveerde.
“Tijdens de bouw van een off shore olieplatform in 1990 schoot een paal tijdens het heien ineens 100 meter het zand in. Dit was de aanleiding voor een groot onderzoek naar grondverbeteringsÂtechnieken. De Australiërs ontdekten dat zand kan worden
verstevigd met behulp van het enzym urease. Als je dat samen met ureum en
calciumchloride in zand injecteert, wordt het ureum omgezet in ammonium en carbonaat. Het carbonaat slaat met calcium neer als calciumÂcarbonaatÂÂkristallen en die kitten de zandkorrels aan elkaar. Daardoor wordt het zand stijver en sterker. Aanvankelijk
gebruikten ze urease uit planten, maar dat was erg duur. Mede op basis van het meer dan 100 jaar oude werk van good old Beijerinck, de oprichter van het Delftse
biotechnologieÂlab, kwamen ze erachter dat urease ook wordt geproduceerd door de bacterie Sporosarcina pasteurii, met kalkneerslag als gevolg.â€
De waarde van wiskundige modellen
Deze partiële differentiaalvergelijking uit het model beschrijft het convectieve (meevoerende), dispersieve (spreidende) transport en de omzetting van het geïnjecteerde ureum. Dit ureum wordt door de bacteriën omgezet in carbonaat. Bron: Miranda van Wijngaarden, TU Delft/Deltares
Bij BioGrout spelen fysische, chemische en microbiologische verschijnselen een rol en dat maakt het tot een complex, moeilijk te doorgronden proces. Het model dat de wiskundigen opstelden, op basis van balanswetten, ziet er dan ook ingewikkeld uit.
“Het is een groot stelsel van aan elkaar gekoppelde partiële differentiaalÂ-vergelijkingen waarmee je grondwaterstromingen kunt voorspellen†, legt Fred Vermolen uit. Volgens Gerard van Meurs is het model om twee redenen waardevol. “In de eerste plaats maakt het de black box  van het proces transparant. Door de berekeningen krijg je inzicht in de effecten van bepaalde verschijnselen, zodat je daarnaar kunt handelen. Je wilt natuurlijk dat de reactie op de juiste plaatsen optreedt. Als uit het model blijkt dat de kalk direct bij het injectiepunt neerslaat, moet je de oplossingen anders inbrengen. Ook zijn dit soort modellen behulpzaam om het vertrouwen van de omgeving te winnen, zoals vergunningsverlenende instanties.â€
Complex samenhangende parameters
De belangrijkste parameters van het model zijn volgens Vermolen en Vuik de concentraties bacteriën en urea in het water, de snelheid van de stroming, en de reactiesnelheid - die nauw samenhangt met de conditie van de bacteriën. Ook de porositeit van de ondergrond is belangrijk. Vermolen: “Hoe meer vrije ruimte er tussen de zandkorrels is, des te gemakkelijker de vloeistof er doorheen kan stromen. Door de kalkneerslag wordt de porositeit van de grond echter kleiner. Daardoor wordt ook de doorlaatbaarheid kleiner en verandert de stroming.†Kees Vuik wijst op nog een complicatie: “De stroming wordt ook beïnvloed doordat de dichtheid van de vloeistof verandert, als gevolg van de biochemische reacties.†Al met al was het voor afstudeerder Miranda van Wijngaarden een behoorlijke uitdaging om dit complexe model efficiënt en betrouwbaar op te lossen, maar ze slaagde met vlag en wimpel.
Succesvolle pilot
Tussen 2003 en 2008 werd het procédé experimenteel onderzocht, waarbij een steeds grotere hoeveelheid zand werd gecementeerd. Zandsteenkolommetjes in een vitrine bij Deltares herinneren aan deze fase in het onderzoek. Dit jaar volgde de grote stap naar ‘het veld’, een spannend moment. Het pilotproject maakte deel uit van de installatie van een gaspijpleiding onder de Waal tussen Beuningen en Slijk-Ewijk, een opdracht van Gasunie. BioGrout werd met succes toegepast om de grindlagen onder de rivier te verstevigen, zodat het boorgat niet zou instorten. De plaatsbepaling van de injectie- en onttrekkingslansen baseerden de uitvoerders, Volker Staal & Funderingen, en Visser & Smit Hanab, mede op de uitkomsten van computersimulaties door Miranda van Wijngaarden. Het Waterschap gebruikte de simulatieresultaten bij de beoordeling van de vergunningsaanvraag, met groen licht als gevolg.
Tussen 2003 en 2008 werd het BioGrout-proces experimenteel onderzocht, waarbij een steeds grotere hoeveelheid zand werd gecementeerd.
Processimulator
Volgens Gerard van Meurs en Leon van Paassen zal de behoefte aan een goede processimulator in de toekomst alleen maar toenemen. Van Paassen: “Het huidige proces is nog relatief duur door de noodzaak om het ammonium af te voeren en speciale organismen te kweken. Daarom experimenteren we met een nieuw proces, gebaseerd op de omzetting van calciumacetaat en calciumnitraat in kalk. BioGrout 2 is nóg
complexer, omdat we hierin te maken krijgen met bacteriegroei en gasvorming in de bodem. En dat maakt het voor de uitvoerders nog moeilijker om hun injectiestrategie te bepalen.†Het ideale simulatiepakket is interactief en eenvoudig hanteerbaar,
benadrukt Van Meurs. “Het moet aannemers in staat stellen te spelen met locaties van injectie- en onttrekkingspunten, met debieten en concentraties, om zo een goede
De stikstof-concentratie [g/l] na 12 uur injecteren. De bovenste put is de injectieput, de onderste drie putten zijn onttrekkingsputten. Deze worden pas na 12 uur aangezet. Deze simulatie is van belang omdat de achterblijvende stikstofconcentratie niet boven een bepaalde waarde mag uitkomen. Bij rioolzuivering moet er betaald worden per kg stikstof. Bron: Miranda van Wijngaarden, TU Delft/Deltares
Voorsprong voor Nederland
Kortom, nieuwe uitdagingen voor de Numeriek Wiskundigen, en voor Miranda van Wijngaarden in het bijzonder. Haar succesvolle afstudeerwerk resulteerde in een promotieplaats bij Deltares, waar ze met collega-promovendi van Geotechniek en Biotechnologie aan Biogrout 2 gaat werken. Dankzij de unieke samenwerking tussen onderzoekers en aannemers zal de voorsprong die Nederland in de ontwikkeling van
BioGrout heeft genomen nog groter worden. Winst voor ‘Nederland-Kennisland’
en de ‘BV Nederland’!
Partners in BioGrout
Deltares;
TU Delft (Geo-Engineering, Biotechnologie, Numerieke Wiskunde);
Volker Wessels (Volker Staal en Funderingen; Visser & Smit Hanab);
Murdoch University (Australië); Calcite Technology Ltd (Australië);
BioGrout is onderdeel van het onderzoeksprogramma SmartSoils® van Deltares. BioGrout 1 werd gefinancierd door SenterNovem. Voor BioGrout 2 is een STW-aanvraag ingediend.
Foto's: Deltares, TU Delft, Volker Wessels Noot voor de redactie
Voor meer informatie over Wiskunde:
Miranda van Wijngaarden 088-335 7213;
Fred Vermolen 015-278 7298;
Kees Vuik 015-278 5530.
Voor meer informatie over Biogrout:
Gerard van Meurs 088-335 7240;
Leon van Paassen 015-278 7473.
U kunt gebruikmaken van de illustraties/foto's achter de link, met vermelding van 'Bron: Miranda van Wijngaarden, TU Delft/Deltares' (illustraties 1-2) of 'Foto's: Deltares, TU Delft, Volker Wessels (foto's 3-9).
Onderschrift bij 1_partiële differentiaalvergelijking
Deze partiële differentiaalvergelijking uit het model beschrijft het convectieve (meevoerende), dispersieve (spreidende) transport en de omzetting van het
geïnjecteerde ureum. Dit ureum wordt door de bacteriën omgezet in carbonaat.
Onderschrift bij 2_simulatie
De stikstof-concentratie [g/l] na 12 uur injecteren. De bovenste put is de injectieput, de onderste drie putten zijn onttrekkingsputten. Deze worden pas na 12 uur aangezet. Deze simulatie is van belang omdat de achterblijvende stikstofconcentratie niet boven een bepaalde waarde mag uitkomen. Bij rioolzuivering moet er betaald worden per kg stikstof.
Onderschrift bij 3_biogrout praktijkproef in grind bij Beuningen
Dit jaar werd BioGrout voor het eerst in de praktijk toegepast bij de installatie van een gaspijpleiding onder de Waal tussen Beuningen en Slijk-Ewijk, een opdracht van Gasunie.
Onderschrift bij 4_ opschaling
Tussen 2003 en 2008 werd het BioGrout-proces experimenteel onderzocht, waarbij een steeds grotere hoeveelheid zand werd gecementeerd.
Onderschrift bij 5_kalkkristallen
Biologisch gevormde kalkkristallen op zandkorrels, gefotografeerd met een elektronenmicroscoop. Foto Deltares
Onderschrift bij 6_test biogrout-grind
Labtest van de biologische versteviging van grind.
Onderschrift bij 7_verstevigd grind
BioGrout van grind.
Onderschrift bij 8_boortest
Proefboring door BioGrout van grind.
Onderschrift bij 9_stabiel boorgat
Na boring bleef het boorgat stabiel. Naam auteur: webredactie EWI
Direct naar: EWI Medewerkers Studentenportal http://www.ewi.tudelft.nl/live/ http://www.ewi.tudelft.nl/live/pagina.jsp?id=40bce30a-736a-4a52-9d23-032621e02fc0&lang=nl BSc Electrical Engineering BSc Technische Wiskunde BSc Technische Informatica Masteropleidingen Virtuele kenniscentra http://www.ewi.tudelft.nl/live/pagina.jsp?id=40bce30a-736a-4a52-9d23-032621e02fc0&lang=nl http://www.ewi.tudelft.nl/live/ Sitemap © 2010 Disclaimer
