Drinkwater - Chemische Feitelijkheden

Inhoud
Startpagina
Drinkwater
151–1
Drinkwater
door C. G. E. M van Beek en J.W.N.M. Kappelhof
Kiwa NV Onderzoek en Advies
1.
2.
3.
3.1
3.2
4.
5.
5.1
5.2
5.3
6.
7.
Inleiding
Bronnen
Samenstelling grondwater
Chemische reacties in grondwater
Bestrijdingsmiddelen en andere organische
verontreinigingen
Samenstelling oppervlaktewater
Bereiding van drinkwater
Zuivering van grondwater
Zuivering van oppervlaktewater
Interactie met leidingmaterialen
Van grondwater naar oppervlaktewater
Literatuur
151–
151–
151–
151–
3
3
4
4
151– 6
151– 7
151– 8
151– 9
151–10
151–11
151–12
151–13
Chemische Feitelijkheden is een uitgave van Samsom H. D. Tjeenk
Willink bv in samenwerking met de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging.
26 Chemische feitelijkheden
mei 1998
tekst/151
Inhoud
Startpagina
Drinkwater
1.
151–3
Inleiding
Drinkwater is in Nederland een product dat door iedereen zonder
enige zorg kan worden geconsumeerd en dat in voldoende mate beschikbaar is. De waterkwaliteit voldoet aan strenge wettelijke eisen
die vastgelegd zijn in het Waterleidingbesluit (1984). Deze eisen betreffen toxicologische normen, het water mag niet ziekmakend zijn,
en esthetische of organoleptische normen, het water moet helder,
reuk- en geurloos zijn. Uit ethische overwegingen mogen onder andere geen bestrijdingsmiddelen in het water aanwezig zijn; deze eis is
zwaarder dan de toxicologische. Tenslotte mag, om technische problemen te voorkomen, het water de leidingmaterialen niet aantasten.
Het Waterleidingbesluit (1984) schrijft ook de frequentie van de
chemische en microbiologische analyses voor, die door het waterleidingbedrijf moeten worden uitgevoerd. Dit betreft zowel grondstof als water aan de kraan. De resultaten van deze analyses worden
gerapporteerd aan de regionaal inspecteur voor de milieuhygiëne
belast met het toezicht op de volksgezondheid en verwerkt door het
RIVM.
2.
Bronnen
Het Nederlandse drinkwater is voor circa 60% afkomstig uit grondwater. Het grondwater wordt op circa 250 puttenvelden uit de bodem gepompt. Dit kan alleen waar de bodem goed doorlatend is
(zand). Op die diepte zijn in de putbuis zaagsneden aangebracht om
het grondwater te laten toestromen.
De ouderdom van het onttrokken grondwater varieert van gemiddeld 50 jaar voor een ondiepe winning, waar vanwege de aanwezigheid van zout water niet dieper kan worden onttrokken, tot meer
dan 10.000 jaar op diepe winningen onder dikke kleilagen.
Een klein gedeelte van het onttrokken grondwater bestaat uit
„oevergrondwater”. Hier stroomt oppervlaktewater de bodem in
naar het puttenveld. Dit grondwater vertoont nog vele kenmerken
van oppervlaktewater.
26 Chemische feitelijkheden
mei 1998
tekst/151
Inhoud
Startpagina
151–4
Drinkwater
Het resterende drinkwater wordt bereid uit oppervlaktewater. De
chemische samenstelling van oppervlaktewater is variabel in de tijd.
Bij oppervlaktewater als bron kan nog onderscheid gemaakt worden tussen directe bereiding uit oppervlaktewater via spaarbekkens
en bereiding na kunstmatige bodempassage, hetzij na infiltratie via
open water, zoals in de duinen, hetzij na infiltratie met behulp van
putten (wordt nog slechts op kleine schaal toegepast).
Het essentiële verschil tussen grondwater en oppervlaktewater als
bron voor de bereiding van drinkwater wordt gevormd door de bacteriologische betrouwbaarheid. Ziekmakende micro-organismen
kunnen zich niet langer dan 60 dagen à 1 jaar buiten het (menselijk)
lichaam handhaven. Zoals aangegeven is grondwater veel ouder, en
daarom bacteriologisch betrouwbaar. Oppervlaktewater is bacteriologisch niet betrouwbaar (lozingen van rioolzuiveringsinstallaties).
Bij de bereiding tot drinkwater is daarom altijd een desinfectiestap
nodig. Zoals vermeld, kan deze desinfectiestap bestaan uit een
kunstmatige bodempassage.
3.
Samenstelling grondwater
Tijdens de stroming van grondwater door de bodem vinden allerlei
chemische processen plaats. Deze chemische processen verlopen gedeeltelijk via microbiologische weg. De chemische samenstelling van
de bodem bepaalt welke chemische processen verlopen. De belangrijkste processen zijn redoxreacties en zuur-base reacties. Daarnaast
kunnen nog van belang zijn oplos,- omwissel- en adsorptiereacties.
3.1.
Chemische reacties in grondwater
De drijvende kracht voor het optreden van redoxprocessen is de
aanwezigheid van organisch materiaal (humus) in de bodem. De
meeste zandige afzettingen bevatten een gering percentage organisch materiaal, bij oude zandige afzettingen kan het organisch materiaal volledig zijn verdwenen, zoals op de Veluwe. Klei- en veenafzettingen bevatten veel hogere gehalten organisch materiaal, maar
worden vanwege hun geringe doorlatendheid veel minder door wa26 Chemische feitelijkheden
mei 1998
tekst/151
Inhoud
Startpagina
Drinkwater
151–5
ter doorstroomd. Het grondwater uit deze afzettingen levert daarom
maar een geringe bijdrage aan de openbare drinkwatervoorziening
en wordt in het vervolg buiten beschouwing gelaten.
Bij redoxreacties wordt de ene reactant geoxideerd (staat electronen
af), en de andere wordt gereduceerd (neemt electronen op). Redoxreacties verlopen in een vaste volgorde, zo zal mangaan pas in oplossing gaan, nadat geen zuurstof meer aanwezig is, enzovoorts (s =
solidus, aanwezig in vaste fase):
1. verbruik van zuurstof:
CH2O(s) + O2
➝ CO2+ H2O;
2. oplossen van mangaan:
2MnO2(s) + CH2O + 4H+ ➝ 2Mn2+ + 3H2O + CO2;
3. denitrificatie:
5CH2O(s) + 4NO3– + 4H+ ➝ 2N2+ 7H2O + 5CO2;
4. oplossen van ijzer:
4Fe(OH)3(s) + CH2O + 8H+ ➝ 4Fe2+ + 11H2O + CO2;
5. sulfaatreductie:
2CH2O(s) + SO42–+ 2H+
➝ H2S + 2H2O + 2CO2; en
6. methaanvorming:
2CH2O
➝ CO2+ CH4
Organisch materiaal is hier vereenvoudigd weergegeven als koolwaterstof, maar bevat in werkelijkheid ook amino- en fosfaatgroepen.
Bij de oxidatie van organisch materiaal kunnen dus ook ammonium
en fosfaat in het grondwater geraken.
Gezien de grote verschillen in bodem (zand en veen) bestaan er
grote verschillen in chemische samenstelling van het grondwater
tussen de puttenvelden. Vanwege de langzame stroming verandert
de chemische samenstelling van het onttrokken grondwater slechts
langzaam in de tijd. Bovendien wordt de samenstelling beïnvloed
door de huidige milieuverontreiniging: de effecten daarvan zijn momenteel alleen nog maar merkbaar op winningen met jong grondwater.
De Veluwe is in zeer grote mate uitgeloogd, dat wil zeggen: bevat
geen organisch materiaal. Het grondwater bevat daar tot zeer grote
diepte zuurstof, en dus geen mangaan etc. Dit water kan zonder verdere behandeling als drinkwater worden gedistribueerd. Op andere
plaatsen, in het bijzonder in de omgeving van venige afzettingen,
26 Chemische feitelijkheden
mei 1998
tekst/151
Inhoud
Startpagina
151–6
Drinkwater
bevat het onttrokken grondwater hoge concentraties mangaan, ijzer
en ammonium. Alvorens dergelijk water als drinkwater te kunnen
distribueren moeten eerst deze stoffen worden verwijderd.
De bekendste zuur-base reactie is het oplossen van kalk onder invloed van het zwakke zuur vrij koolzuur. Kalk komt van nature in
vele bodems voor. Vrij koolzuur is afkomstig uit de atmosfeer en
komt vrij bij de wortelademhaling:
CaCO3 (s) + CO2 + H2O ➝ Ca2+ + 2HCO3–
Onder invloed van zure atmosferische depositie komen protonen
vrij, die ook weer, indien aanwezig, door kalk worden geneutraliseerd:
–
2SO2 + O2 + 2H2O ➝ 4H+ + 2SO42
CaCO3 (s) + H+
➝ Ca2+ + HCO3–
Het oplossen van kalk leidt tot de „hardheid” van het water.
Waar de bodem van nature geen kalk bevat, of waar de bodem in de
loop van de tijd volledig is uitgeloogd met betrekking tot kalk, zal
het gevormde zuur door silicaten worden geneutraliseerd, maar dit
is een zeer traag proces. In de praktijk wordt het zuur gebufferd
door omwisseling van protonen tegen kationen aan kleimineralen,
en door het in oplossing gaan van aluminiumhydroxiden.
3.2.
Bestrijdingsmiddelen en andere organische verontreinigingen
Ter bescherming van het gewas worden bestrijdingsmiddelen toegepast. Een groot deel van deze middelen komt in het milieu terecht,
en dus ook in grond- en oppervlaktewater. Organische verontreinigingen komen ook vrij door calamiteiten en lekkages van opslagtanks. Het betreft onder andere minerale olieproducten, zoals benzeen en tolueen, en vluchtige halogeenkoolwaterstoffen, zoals tri en
per.
Organische microverontreinigingen, zoals bestrijdingsmiddelen,
vluchtige halogeenkoolwaterstoffen en minerale olieproducten, zijn
26 Chemische feitelijkheden
mei 1998
tekst/151
Inhoud
Startpagina
Drinkwater
151–7
in de bodem aan processen onderhevig. De belangrijkste processen
zijn adsorptie en (biologische) omzetting.
Vele bestrijdingsmiddelen lossen niet goed op in water (hydrofoob).
Deze middelen worden in het bijzonder door humus geadsorbeerd.
Deze adsorptie is gedeeltelijk irreversibel. Meerdere bestrijdingsmiddelen bezitten, afhankelijk van de pH, een lading. Door de aanwezigheid van deze lading lossen deze middelen beter op in water,
maar kunnen ze ook aan (tegengesteld) geladen bodemoppervlakken worden vastgelegd.
Organische microverontreinigingen kunnen onder invloed van chemische (hydrolyse, dehalogenering) en microbiologische processen
in andere stoffen worden omgezet, waarbij de anorganische elementen als anorganische stoffen eindigen. Deze processen spelen zich
alleen af onder daarvoor gunstige omstandigheden: in het bijzonder
de juiste redoxpotentiaal; daarnaast zijn pH en aanwezigheid van de
noodzakelijke bacteriën en voedingsstoffen van belang.
Alleen die organische microverontreinigingen die weinig interactie
met de bodem vertonen zijn tot nu toe in het onttrokken grondwater
aangetroffen. Dit zijn verbindingen, zoals trichlooretheen en per,
1,2-dichloorpropaan, tolueenverbindingen en „kleine” bestrijdingsmiddelen zoals bentazon, bromacil en carboxylverbindingen.
Het onttrokken grondwater moet een lange weg afleggen van maaiveld naar put. Het grondwater doet daar minimaal gemiddeld 50
jaar over. Door interactie met reactieve bodembestanddelen, zoals
humus, kalk, kleimineralen, ijzerhydroxiden en mangaanoxiden zullen verontreinigingen op het water „achterlopen” en pas na veel langere tijd de putten bereiken. De nu aangetroffen verontreinigingen
vormen daarom het topje van de ijsberg. De capaciteit van de bodem om verontreinigingen vast te leggen is van plaats tot plaats variabel. Maar zodra de capaciteit is verbruikt, zal de verontreiniging
met dezelfde snelheid als het water de putten bereiken.
4.
Samenstelling oppervlaktewater
Ook oppervlaktewater ondervindt de gevolgen van de milieuverontreinigingen. Oppervlaktewater wordt gevoed door grondwater en
26 Chemische feitelijkheden
mei 1998
tekst/151
Inhoud
Startpagina
151–8
Drinkwater
zal zo de gevolgen van verzuring, vermesting en verspreiding ondervinden. Deze bijdrage zal zeker bij de grote oppervlaktewateren
gering zijn, bij kleine oppervlaktewateren groter.
Een veel grotere bijdrage aan de belasting van oppervlaktewater
wordt geleverd door afspoeling: bij hevige neerslag zal op hellende
terreinen de neerslag over maaiveld naar oppervlaktewater afspoelen. Daarbij zullen allerlei stoffen die in het maaiveld aanwezig zijn
of door het bodemmateriaal zijn vastgelegd, worden meegevoerd.
Afhankelijk van het type rioolwaterzuivering passeren vele stoffen
deze zuivering. In Nederland is de zuivering vooral gericht op verwijdering van stikstof. Bestrijdingsmiddelen (diuron), metalen (koper) en vaak ook fosfaat passeren deze zuivering.
Calamiteiten (Sandoz-brand) en illegale en legale lozingen (bentazon) leveren ook een bijdrage aan de verontreiniging van oppervlaktewater.
Bij kleine oppervlaktewateren spelen vervluchtiging van bestrijdingsmiddelen en spoelen van spuittanks ook een rol.
5.
Bereiding van drinkwater
Zoals aangegeven bestaan er fundamentele verschillen tussen de bereiding van drinkwater uit grondwater en uit oppervlaktewater: de
noodzakelijke desinfectie van oppervlaktewater en de mogelijke
aanwezigheid van verontreinigingen met bijbehorende processen.
Adsorptie en biologische omzetting zijn in vergelijking met grondwater minder intensief. Wel zijn in oppervlaktewater nog andere
processen actief zoals vervluchtiging en fotolyse (omzetting onder
invloed van licht). Hoe het ook zij, de chemische samenstelling van
oppervlaktewater is in vergelijking met grondwater zeer variabel, en
het bevat gewoonlijk een cocktail van allerlei verontreinigingen.
Bij de bereiding van drinkwater uit grond- en oppervlaktewater
worden vaak dezelfde processen toegepast als in de natuur optreden.
26 Chemische feitelijkheden
mei 1998
tekst/151
Inhoud
Startpagina
Drinkwater
5.1.
151–9
Zuivering van grondwater
Er zijn nog enkele winningen waar het grondwater zonder zuivering
kan worden gedistribueerd. Aangezien dergelijk water agressief kan
zijn wordt een opharding toegepast, dat wil zeggen aan het water
wordt kalk toegevoegd, waardoor de CO2-concentratie in het water
wordt verlaagd.
De zuivering van grondwater bestaat gewoonlijk uit een (intensieve)
beluchting waarbij de overmaat vrij koolzuur, zwavelwaterstof en
methaan uit het water wordt geblazen. Bovendien dient deze beluchting om zuurstof toe te voegen, waardoor ijzer, mangaan en ammonium worden geoxideerd. Bij deze oxidatie worden respectievelijk
ijzerhydroxide, mangaandioxide, biomassa en nitraat gevormd:
4Fe2+ + O2 + 10H2O ➝ 4Fe(OH)3(s) + 8H+
2Mn2+ + O2 + 2H2O ➝ 2MnO2(s) + 4H+
NH4+ + 2O2
➝ NO3+ + 2H+ + H2O
De gevormde ijzerhydroxiden, mangaanoxiden en biomassa van
bacteriën worden in met zand gevulde ketels (filters) verwijderd. De
voor oxidatie van ammonium noodzakelijke bacteriën ontwikkelen
zich op het filterzand. Periodiek worden de filters gespoeld om het
geaccumuleerde slib (ijzerhydroxide, mangaandioxide en biomassa)
te verwijderen.
In relatief jong grondwater kunnen nitraat en bestrijdingsmiddelen
worden aangetroffen.
Nitraat kan in bioreactoren microbiologisch verwijderd worden met
behulp van zwavel of ethanol als energiebron. Hierbij wordt nitraat
omgezet in stikstofgas. De empirische reactievergelijkingen zijn:
55S(s) –+ 50NO3– + 38H2O + 20CO2 + 4NH4+ ➝
55SO42 + 25N2 + 64H+ + 4C5H7O2N
0,555C2H5OH + NO3– ➝
0,464N2 + 0,749HCO3– + 0,911H2O + 0,0714C5H7O2N + 0,251OH–
26 Chemische feitelijkheden
mei 1998
tekst/151
Inhoud
Startpagina
151–10
Drinkwater
0886-0150
beluchting
door middel van
cascades
reinwaterkelder
reinwaterpomp
beluchting
door middel van
sproeiers
ruwwaterpomp
voorfilter
Figuur 1.
nafilter
Schematische afbeelding van de zuivering van grondwater.
Bestrijdingsmiddelen worden verwijderd naar gelang hun aard:
vluchtige bestrijdingsmiddelen door intensieve beluchting, waardoor deze middelen naar de atmosfeer vervluchtigen, niet sterk polaire bestrijdingsmiddelen door adsorptie aan actieve kool en sterk
polaire bestrijdingsmiddelen door oxidatie met een sterk oxidatiemiddel zoals ozon of een combinatie van ozon en waterstofperoxide. Na toepassing van een sterk oxidatiemiddel dienen de gevormde omzettingsproducten via actieve koolfiltratie of zandfiltratie te worden verwijderd. Een bijkomend nadeel is dat het van nature in het water aanwezige bromide wordt geoxideerd tot het giftige
bromaat.
Membraanfiltratie heeft een belangrijke ontwikkeling doorgemaakt:
de membranen zijn goedkoper geworden, de benodigde voordruk is
sterk gereduceerd (dus ook het energieverbruik) en de retentie is verbeterd. Membraanfiltratie kan daardoor een aantrekkelijk alternatief zijn voor verlaging van de hardheid van het water en de verwijdering van zowel bestrijdingsmiddelen als nitraat en sulfaat, kleurstoffen en chloride. Deze techniek wordt op diverse locaties voor
verschillende toepassingen bij grondwaterzuivering onderzocht.
5.2.
Zuivering van oppervlaktewater
Als voorbehandeling worden de zwevende bestanddelen uit het oppervlaktewater verwijderd. Meestal wordt dit gerealiseerd door toe26 Chemische feitelijkheden
mei 1998
tekst/151
Inhoud
Startpagina
Drinkwater
151–11
voegen van een vlokmiddel, waarna de zwevende deeltjes kunnen
sedimenteren. Daaropvolgend zal het restant zwevende deeltjes en
ammonium met snelfiltratie (zand) worden verwijderd. Een alternatief voor beide voorgaande processen is membraanfiltratie (microof ultrafiltratie), dat als bijkomend voordeel een belangrijke bijdrage aan de verwijdering van virussen en bacteriën heeft.
Meestal volgt na de voorbehandeling bodempassage (via de duinen
of diepinfiltratie). Een belangrijke functie van bodempassage is desinfectie. Indien geen bodempassage wordt toegepast dient desinfectie op een andere wijze te worden gerealiseerd. Gebruikelijk is het
doseren van chloorbleekloog of chloordioxide. Momenteel wordt
ook onderzocht of membraanfiltratie voor desinfectie geschikt is.
Na de voorbehandeling (en eventueel bodempassage) volgt een nabehandeling, waar organische microverontreinigingen, ijzer, ammonium en mangaan, met bijvoorbeeld snelfiltratie en actieve koolfiltratie (evt. in combinatie met ozonisatie of langzame zandfiltratie)
worden verwijderd. Meestal wordt ook de hardheid van het water
verlaagd (zie par. 5.3.).
Een ontwikkeling is de toepassing van membraanfiltratie in de nabehandeling voor gecombineerde verwijdering van organische microverontreinigingen en zout en verlaging van de hardheid.
0886-0151
actieve koolfilters
roerwerken
pomp
pomp
ijzerzout
natronloog
ontvangstbekken
vlokhulpmiddel
Biesboschwater
chemicaliëndosering
Figuur 2.
5.3.
slibbezinking
mogelijkheid tot
tweede dosering
met ijzerzouten
behandeling met ozon
na-desinfectie
dubbellaagsfilter
Schematische aanduiding van de zuivering van oppervlaktewater.
Interactie met leidingmaterialen
Het drinkwater wordt zodanig geconditioneerd, dat interactie met
leidingmateriaal wordt geminimaliseerd. Vaak is om een optimale
samenstelling te kunnen bereiken ontharding noodzakelijk. Hierdoor wordt oplossen van cement, koper of lood uit leidingmaterialen sterk gereduceerd en kalkafzetting in met name warmwatertoe26 Chemische feitelijkheden
mei 1998
tekst/151
Inhoud
Startpagina
151–12
Drinkwater
stellen beperkt. Daarnaast kan na ontharding het verbruik van wasmiddelen worden verminderd.
Ontharding wordt meestal gerealiseerd in een fluïde bed, waarin natronloog of kalkmelk wordt gedoseerd. Hierdoor wordt het oplosbaarheidsproduct van kalk overschreden, waarna kalk op gefluïdiseerde zandkorrels neerslaat. Als alternatief (vaak in combinatie
met verwijdering van andere stoffen) kan membraanfiltratie worden
toegepast.
Wanneer in het drinkwater nog geringe restanten ijzer, mangaan,
ammonium of organische stof aanwezig zijn, zal het leidingnet op
den duur vervuilen. Dit zal leiden tot „bruin-water klachten” van de
gebruiker. Hierom wordt de zuivering zodanig geoptimaliseerd dat
de concentraties ijzer, ammonium en mangaan worden geminimaliseerd en het water „biologisch stabiel” is, hetgeen wil zeggen dat
zich er gedurende het transport geen of nauwelijks bacteriën kunnen
ontwikkelen.
6.
Van grondwater naar oppervlaktewater
Het winnen van grondwater ten behoeve van landbouw, industrie,
openbare drinkwater voorziening en ontwatering heeft de grondwaterspiegel verlaagd, waardoor nadelige milieueffecten zijn ontstaan.
Het overheidsbeleid is erop gericht om de grondwaterwinning te beperken. Drinkwaterbedrijven zullen daarom in de toekomst meer
oppervlaktewater als bron voor de openbare drinkwatervoorziening
moeten gebruiken. Dit betekent dat uitgebreidere zuiveringen noodzakelijk zijn, waardoor de prijs van drinkwater zal toenemen.
Momenteel worden met name op nieuwbouwlocaties proeven ontwikkeld voor het leveren van huishoudwater, voor onder andere toiletspoeling en wasmachines. Dit huishoudwater wordt meestal bereid uit afspoelend neerslagwater of locaal oppervlaktewater, en zal
van lagere kwaliteit zijn dan drinkwater. Als zodanig zal het niet
geschikt zijn voor consumptie. De overheid zal in toekomstige wetgeving ook voor dit huishoudwater kwaliteitseisen opnemen.
26 Chemische feitelijkheden
mei 1998
tekst/151
Inhoud
Startpagina
Drinkwater
151–13
7.
Literatuur
–
Appelo, C. A. J. en D. Postma, Geochemistry, groundwater
and pollution, Balkema, Rotterdam, 1993.
Stumm, W. en J. J. Morgan, Aquatic Chemistry, an introduction emphasizing chemical equilibria in natural waters, John
Wiley, 1981, 20e ed.
Waterleidingbesluit, Staatscourant, nr. 258, 18 juni 1984.
Otten, A., Waterzuivering, Lesboek Stichting Wateropleidingen, Utrecht, 1996.
Hoven Th. J. J. van den en M. W. M. van Eekeren, Optimale
samenstelling van drinkwater, Kiwa-Mededeling 100, Kiwa,
Nieuwegein, 1988.
–
–
–
–
26 Chemische feitelijkheden
mei 1998
tekst/151