Deltacommissie 2008

(1)

College 5: Inleiding en Waterkwantiteit College 8 en 9: Drinkwater en Afvalwater

Dit college:

Zoetwatervoorziening en waterkwaliteit

Water

(c) G.P.J. Dijkema, 2007

(2)

Deltacommissie 2008

Analyse zoetwatervoorziening

“Een stijgende zeespiegel, afnemende rivierafvoeren in de zomer, langduriger droogteperioden* en indringend zout water via de rivieren en het grondwater** zetten de zoetwatervoorziening van het land onder druk.

Dit leidt tot schadelijke gevolgen voor de drinkwater-voorziening,

landbouw, scheepvaart en (koel)water gerelateerde economische sectoren.”

http://www.deltacommissie.com/doc/advies_samenvatting_en_aanbevelingen.pdf

* gerelateerd aan klimaatverandering

** is al eeuwenlang gaande; wordt versterkt door klimaatverandering

(3)

Deltacommissie 2008 - opdracht

“De Deltacommissie is door de regering gevraagd advies uit te brengen over de bescherming van Nederland tegen de gevolgen van klimaatverandering.

Daarbij gaat het om de vraag hoe Nederland zo ingericht kan worden dat het ook op de zeer lange termijn klimaatbestendig is, veilig tegen overstromingen, en eenaantrekkelijke plaats is en blijft om te leven; wonen, werken,

recreëren en investeren.”

http://www.deltacommissie.com/doc/2008-09- 03%20Advies%20Deltacommissie.pdf

(4)

Deltacommissie 2008 - invulling

“Daarbij was de vraag breder te kijken dan naar (water)veiligheid alleen.

In de visie is daarom ook gelet op samenhang met wonen en

werken, landbouw, natuur, recreatie, landschap,

infrastructuur en energie.

Veiligheid en duurzaamheid zijn de twee pijlers voor de strategie van de komende eeuwen. Naast

bescherming tegen het water, benadrukt en benoemt het advies de kansen voor de Nederlandse samenleving.”

http://www.deltacommissie.com/doc/2008-09- 03%20Advies%20Deltacommissie.pdf

(5)

Deltacommissie 2008

Advies zoetwatervoorziening

“Het Krammer-Volkerak Zoommeer samen met de Grevelingen en eventueel de Oosterschelde inrichten voor de tijdelijke berging van het overtollig rivierwater van Rijn en Maas.

Een zoet-zoutgradiënt (een natuurlijke overgang tussen zoet en zout water) voor dit gebied is een goede oplossing voor het

waterkwaliteitsprobleem en kan nieuwe ecologische kansen bieden. In dat geval moet er een alternatieve

zoetwatervoorziening komen.”

www.deltacommissie.com/doc/advies_samenvatting_en_aanbevelingen.pdf

(6)

Deltacommissie 2008

Advies zoetwatervoorziening

“Het peil van het IJsselmeer wordt met maximaal 1,5 m verhoogd.

Daarmee kan tot na 2100 onder vrij verval worden gespuid op de Waddenzee. Het peil van het Markermeer wordt niet verhoogd.

Het IJsselmeer behoudt zijn strategische functie als

zoetwaterreservoir voor Noord-Nederland, Noord-Holland en,

vanwege de dieper indringende zouttong in de Nieuwe Waterweg, voor West-Nederland.”

www.deltacommissie.com/doc/advies_samenvatting_en_aanbevelingen.pdf

(7)

Waterige ecosystemen

• Veel slecht nieuws

• verslechtering/verandering waterkwaliteit

• verzuring, vermesting, vervuiling, temperatuur

• waterstaatkundige werken (kanalen, dammen, bemaling)

• excessieve onttrekking oppervlakte / grondwater

• introductie van gebiedsvreemde soorten

• isolatie van migrerende soorten

• Gevolgen:

• verlies regeneratief vermogen door overbelasting

• achteruitgang visstand, ontstaan van plagen

• ineenstorting van aquatisch ecosystemen

• Goed nieuws

• zalm weer terug in de Rijn

• sterke verbetering waterkwaliteit stroomgebied Theems

(8)

“ Is our

water clean enough?”

Death's dispensary, 1866

Copyright, Brooklyn College History Dept, 1997

Slide Courtesy John Norton Jr., PhD, Univ. of Michigan, Ann Arbor, Mich.

In ages past, the question was...

(9)

Waterverontreiniging

• de aanwezigheid van vreemde substanties in de betreffende “soort” water (rivier, drinkwaterbron, etc),

• zowel organisch, anorganisch, radiologisch als bacterieel,

• zodat het water (zonder ingrijpen) niet langer zijn functie kan vervullen.

Waterkwaliteit

(10)

• Directe humane consumptie

• Drinkwaterkwaliteit

• Overig huishoudelijk gebruik

• andere kwaliteit van water toereikend?

• grijs water kwaliteit, wat is dat?

• water niet geschikt voor consumptie

• wèl voor persoonlijke hygiëne (wastafel, douche, bad, mandi)

• wassen (kleding, vaat)

• toiletspoeling: water is transportmedium afvoer humane afvalstoffen

• Indirecte consumptie

• irrigatie: ongezuiverd oppervlaktewater, ??effluent

• proceswater in industrie: gedemineraliseerd water

Functies van water en waterkwaliteit

(11)

Huidig en toekomstige vragen

• I = P * A * T

• Sterke groei watergebruik

• Huishoudens

• Diensten, Industrieel Watergebruik

• Watermanagement en Ruimtelijke ontwikkeling

• Randvoorwaarde bevolkingsgroei en industriële ontwikkeling

• Nieuwe bronnen van water? Hoe de kringlopen beter inrichten?

2. Is er genoeg water?

• De waterkwaliteit vermindert op veel plaatsen

• Oplossing: meer/uitgebreidere zuivering

• Systeemvisie:

• uitgebreidere/intensievere behandeling van drinkwater?

• uitgebreidere/intensievere behandeling van afvalwater?

• andere leefstijl – hoe leven met water?

1. Is de waterkwaliteit voldoende?

(12)

• Wat is een acceptabele waterkwaliteit in

• rivieren, meren, gletschers, zeeën, oceanen;

• kanalen, riolen, oplagbassins, stuwmeren); (Economisch… nut)

• activiteiten die onafhankelijk zijn van de waterkwaliteit?

• afvoer van hemelwater: “runoff/km²”

• transport (schepen, afvalstoffen)

Functies van water systemen

(13)

• Wat is een acceptabele waterkwaliteit

• voor activiteiten die afhankelijk zijn van de waterkwaliteit?

• drinkwatervoorraad, -transport & zuivering

• gietwater

• energieopwekking

• visserij

• recreatie

• habitat van van planten en dieren (ecosystemen!)

• Veel verschillende BELANGEN

• BELANG en ...

• ... KOSTENVEROORZAKING

• ... lopen uiteen...

Functies van water systemen

(14)

Waterkwaliteit

• Slechte waterkwaliteit ten gevolge van verontreiniging in het

water(systeem) leidt tot problemen bij onttrekking voor (in)direct humaan gebruik

• Herziene definitie:

• waterverontreiniging = aanwezigheid van substanties in water van een watersysteem, zowel organisch, anorganisch, radiologisch als bacterieel, waardoor het watersysteem ernstig in zijn functioneren wordt geschaad, of zelfs een deel of alle van zijn economische en ecologische functies niet meer kan vervullen.

• Europese Kaderrichtlijn Water:

• “chemische waterkwaliteit”

• “ecologische waterkwaliteit”

(15)

Hoogheemraadschap van Delfland

(16)

(17)

Kwaliteit zwemwater (tot 2012)

Bacteriologisch Blauwalgen

(18)

Delfland en waterkwaliteit

- randvoorwaarden ecologie

(19)

Ecologische waterkwaliteit

Beoordeling

(20)

Delfland

Randvoorwaarde ecologie: stikstof

MEP/GEP: Maximaal/Goed Ecologisch Potentieel

Bron: http://www.hhdelfland.nl/publish/pages/25808/waterkwaliteitsrapportage2011definitief.pdf

(21)

Delfland

Verloop stikstofconcentratie Delfland (West(groen), Oost(blauw)

(22)

Delfland

Randvoorwaarde ecologie: fosfaat

MEP/GEP: Maximaal/Goed Ecologisch Potentieel

(23)

Delfland

Verloop fosfaatconentratie Delfland (West(groen), Oost(blauw)

(24)

Ecologie

• Waterkwaliteit:

• zichtbeoordeling

• tellingen

• aantal soorten

• diversiteit

• aantal per soort

(25)

Ecologische

waterkwaliteit

Trofie (vermesting)

(26)

Ecologische

waterkwaliteit

(27)

• Oplosbaarheid van zuurstof in water, 20^oC = slechts 9 [mg/l]!

• +/- 2.7 mg O₂ nodig per mg organic carbon (CH₂O)_n

• Zuurstofverbruik bij verontreiniging snel te hoog

• aërobe afbraakreacties (snel, stabiele eindproducten)

• anaërobe reacties (traag, onstabiele producten, b.v.

methaan, waterstofsulfide H₂S)

Saprobie:

Zuurstofhuishouding

(28)

• Watersystemen kennen ‘diepte’ zones

• euphotic zone: assimilatie & respiratie

• deep-water or saturated zone: anaerobe organismen (anoxia - geen zuurstof)

• gestabiliseerd door ‘thermocline’

• kan incidenteel tot massale vissterfte etc. leiden als thermische inversie wordt opgemengd bij storm.

Zuurstofhuishouding

(29)

• Engels: “Biochemical oxygen demand (BOD)”

• De benodigde hoeveelheid zuurstof om organisch materiaal aanwezig in water via aërobe processen te

kunnen afbreken

• Maat voor de hoeveelheid zuurstof- consumerende stoffen in

(afval)water

Afvalwater:

Biologisch zuurstofverbruik (BZV)

(c) G.P.J. Dijkema, 2008

(30)

Prestatieindicatoren & ontwerp afvalwaterzuiveringsinstallatie

• Hydraulische capaciteit:

• er moet een bepaald debiet afwater door de installatie kunnen stromen (debiet: hoeveelheid per tijdseenheid)

• BZV-belasting (Biologisch Zuurstof Verbruik)

• de installatie moet een bepaalde vuillast aangevoerd met het afvalwater onschadelijk kunnen maken (BZV in [mg/l] of [g/m³])

• Zuiveringsrendement

• in een bepaald werkingsgebied (hydraulische én BZV-belasting) moet bijvoorbeeld > 98% zuiveringsrendement worden gehaald op BZV

• Moderne installaties: P-rendement en N-rendement

(31)

• Fysische aspecten

• helderheid of doorzicht,

• kleur

• geur en smaak,

• stralingsniveau,

• temperatuur,

• snelheid, turbulentie

• Mede bepaald door

• Chemische aspecten: kleur, geur, smaak

• Biologische aspecten: doorzicht, kleur, etc.

Karakteriseren van waterkwaliteit

(niet ecologie)

(32)

• Chemische aspecten

• concentratie van verschillende ionen in oplossing

• [Ca²⁺] [Mg ²⁺] hardheid

• [H⁺] of [H₃O⁺] zuurgraad (pH)

• [Cl^-], [F^-] chloride, fluoride, (zoutgehalte)

• nutriënten (voor planten)

• nitraat- (NO₃^-), sulfaat- (SO₄^2-), fosfaat (PO₃^4-)

• essentiële elementen voor planten (ijzer- (Fe), koper- (Cu), mangaan- (Mn), natrium- (Na), zink (Zn),

• toxische zware metalen (As, Ba, Cd, Cr, CN, Hg, Pb, Se, Ag)

• toxische organische stoffen

Karakteriseren van waterkwaliteit

(33)

• Extreme toevoeging van voedingsstoffen aan water

• stikstof (nitraat NO₃^-, ammonium NH₄⁺)

• fosfor (fosfaat PO₄^3-)

• leidt tot een excessieve groei van algen of waterplanten - verstoring ecosysteem

• concentratie fosfaat meestal de belangrijkste factor (veel landbouwgronden bijna verzadigd met fosfor)

Eutrofiëring (vermesting)

http://www.bijenhelpdesk.nl/WatervegAlg/Algenbloei.htm

(34)

“Chemische”

Waterkwaliteitsparameters

MTR (Maximaal Toelaatbaar Risiconiveau)

norm uit de Vierde nota Waterhuishouding [Min. van V. en W.

1998]

Stikstof: N

Fosfaat: P

(35)

• Toxiciteit (giftigheid)

• Persistentie (de mate van afbreekbaarheid)

• polychloorbifenylen (PCB)

• polychloorterfenylen (PCT)

• dioxines

Organische verontreinigingen

(36)

• Toxiciteit (giftigheid)

• Persistentie (de mate van afbreekbaarheid)

• Dioxines

• Tetra-Chloro-Dibenzo-Dioxin

• 2,3,7,8-TCDD

Organische verontreinigingen

(37)

• Zeer persistente, olieachtige organische verbindingen

• accumuleren in de bovenste laag van een

voedselweb (

vetweefsel van zeevissen / zeezoogdieren

)

• zéér schadelijk voor de gezondheid

• nu wereldwijd teruggedrongen

• de helft van alle ooit geproduceerde PCB’s en PCT’s is nog steeds in omloop

Polychloorbifenyl (PCB’s) &

polychlorterfenyl (PCT’s)

(38)

• Ontstaan bij onvolledige verbranding

• een belangrijke bron van luchtverontreiniging

• rivieren zijn verontreinigd door

industriële lozingen (fosfor-, aluminium - en anodeproductie) en door

atmosferische depositie

• bij langere blootstelling aan PAK’s mogelijk kanker

Polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK’s)

Naftaleen

Benzo-a-pyreen

(39)

• Chloorverbindingen uit twee groepen

• (1) PCDD’s (polygechloreerde dibenzo-p-dioxines) /75/

• (2) PCDF’s (polygechloreerde dibenzofuranen) /135/

• ontstaan bij de verbranding chloorhoudend materiaal of bij de productie van bestrijdingsmiddelen

• Vietnam: “Agent Orange” (ontbladering)

• 60-70s: Duphar, Amsterdam

• 1978: ontploffing in Seveso in Italië

• 1979: Lickebaert affaire

• Halfwaardetijd van dioxines in natuur ~ 100 jaar, in het menselijk lichaam ~ 7 jaar.

Dioxines

(40)

“Chemische” Waterkwaliteitsparameters (2)

Insecticiden

(41)

Insecticiden

Niet selectief en zwaar giftig!

• Dichloorvos of DDVP (2,2- dichloorvinyl-dimethyl-fosfaat)

• Ethyl-parathion

(42)

“Chemische”

Waterkwaliteitsparameters (2)

• Het gaat beter – sterk verminderde emissies

• Maar residuen nog steeds in waterbodems

(43)

Bestrijdingsmiddelen Delfland 2011

(44)

Bestrijdingsmiddelen Delfland 2011

(45)

Chemische kwaliteitsparameters (3)

(zware) metalen

(46)

• Uitgangspunt: auto-ionisatie van water

• H₂O = H⁺ + OH^-

• Evenwichtsconstante van deze reactie

• K = [H⁺]*[OH^-]/[H₂O]

• Voor normaal water geldt:

• [H⁺] = [OH^-] = 10^-7[mol/l]

• [H₂O] = 55.5 [mol/l] = 55.5 [M] = constant

Chemische kwaliteitsparameters (4)

[H ⁺ ] of [H ₃ O ⁺ ] zuurgraad (pH) (1)

(47)

• Uitgangspunt: auto-ionisatie van water

• H₂O = H⁺ + OH^-

• Evenwichtsconstante van deze reactie

• K = [H⁺]*[OH^-]/[H₂O]

• Voor normaal water geldt:

• [H⁺] = [OH^-] = 10^-7[mol/l]

• [H₂O] = 55.5 [mol/l] = 55.5 [M] = constant

• Maak deze grootheid hanteerbaar:

• Definieer K_w = [H⁺]*[OH^-] = 10^-14

• En ga rekenen met de logarithme:

• ^-10log (K_w) = pKw = -¹⁰log ([H⁺]*[OH^-]) = 14

• = -¹⁰log ([H⁺]) - ¹⁰log ([OH^-])

• = pH + pOH = 14

[H ⁺ ] of [H ₃ O ⁺ ] zuurgraad (pH) (2)

(48)

• Uitgangspunt: zuur dissocieert én bereikt evenwicht

• HA = H⁺ + A^-

• Evenwichtsconstante K_a = [H⁺]*[A^-]/[HA]

• H⁺ = A^- dus: [H⁺]² = K_a [HA]

• Feit/aanname: bij zwakke zuren is ook bij evenwicht de

concentratie (ongedissocieerd) zuur [HA] bijna gelijk aan de oorspronkelijke concentratie [HA]

• Zo is de pH van een oplossing van zwak zuur uit te rekenen.

Sterkte van een zuur

(49)

De zuurgraad - pH

Zumdahl.

Hfst.14/15

4 3

2 1 0

3 2

(50)

(51)

Zure regen

• CO₂

• NO emissie  leidt tot HNO₃

• SO₂ emissie  leidt tot H₂SO₄

• origine van deze emissies?

• N.B. de (chemische) reacties/processen in de atmosfeer die leiden tot de componenten van zure regen worden ‘nagebootst’ c.q.

geïntensiveerd uitgevoerd in de chemische industrie.

• Doel daarbij is om industrieel HNO₃en H₂SO₄te maken

(52)

• Voorbeeld:

• de pH van regenwater waarin alleen CO₂ is opgelost

• reacties:

1) CO₂ + H₂O = H₂CO₃ 2) H₂CO₃ = H⁺ + HCO₃^-

• K₁ = [H₂CO₃ ]/pCO₂ = 10^-1.5 [M/atm]

• K₂ = K_a = 10^-6.4

• Gegeven dat de concentratie CO₂ 350ppm bedraagt

• Wat is dan de pH van regenwater?

Sterkte van een zuur

(53)

Partiaalspanning, bijv. pCO ₂

• In een mengsel van gassen worden de concentraties van stoffen X_i vaak aangegeven als partiaalspanning pX_i

• dus bijv. pCO₂ in atm.

• Voor ideale gassen geldt:

1. pX_i= x_i*P ; x_i = [X_i]/[X_i] 2. P[atm] = pX_i

(54)

• Voor zuren: als een watersysteem of bodem zwakke basen bevat, dan is die ‘gebufferd’ voor zure

depositie

• Start: het evenwicht voor OH- vorming ligt aan de kant van de zwakke base BOH.

• Buffering: Bij toevoer van zuur reageert dit met OH, en dissocieert meer base

• Depletie: Dit gaat net zolang door tot de voorraad BOH is uitgeput.

Buffers

(55)

• Effect van zure depositie op pH op gebufferd watersysteem

• Start: pH > 7

• Buffering: pH daalt licht, maar blijft dan lange tijd bijna constant

• Depletie: pH stijgt sterk, eindwaarde afhankelijk van aanwezigheid buffer op lager pH niveau, of sterkte van zuur.

• Illustratie: Spiro p. 303

Buffers

(56)

Spiro p.303

(57)

• Buffering via twee mechanismen:

• directe neutralisatie basische stoffen

• indirecte neutralisatie door ionen-uitwisseling

• Uitwisseling van cationen of anionen

• In industriële processen en in het milieu

• ion-exchange resins

• kleilagen i.c.m. verwering

• In het milieu: uitwisseling van H+ tegen Ca, Mg, K en uiteindelijk Al (p. 219)

Buffers (3)

(58)

Waterkwaliteit  recreatie, visbeleid

(59)

• Biologische aspecten

• aanwezigheid van algen

• andere organismen

• pathogene micro-organismen

• biologische toxines

• Maatregelen na onttrekking: desinfectie (p.246):

• Thermisch: verhitten

• Chemisch: ozonisering, behandeling met ClO₂ of Cl₂

• probleem met chloor: vorming van gechloreerde koolwaterstoffen

• Straling: UV, rontgen

Karakteriseren van waterkwaliteit

t.b.v. drinkwaterproductie

(60)