Bereiken en handhaven juiste condities
De doelstelling van een anaëroob bioscherm is om de microbiologische ecologie om te vormen naar sulfaat reducerende of methanogene populaties door de injectie van een electronendonor (in de regel afbreekbaar koolstof, verder in het algemeen substraat genoemd). Als de toevoeging van deze electronendonor hoger is dan de natuurlijke instroom van electronenacceptoren als zuurstof en nitraat, dan zijn de condities voor microbiologische afbraak gunstig veranderd. Indien vervolgens afbraak optreedt, is sprake van een microbiologisch geactiveerde of reactieve zone.
Een goede geochemische grondwaterkarakterisatie is onontbeerlijk: wat zijn de
redoxomstandigheden in het instromende grondwater? Hoeveel moeite kost het om de gewenste redoxcondities te realiseren? Hoeveel substraat moet worden toegevoegd om de natuurlijke omstandigheden te overwinnen? Is op de locatie al sprake van
natuurlijke afbraak, of met andere woorden zijn de gewenste processen en bacteriën al aanwezig. Hiertoe kan gekeken worden naar trends, afbraakproducten, stabiele isotopen, micro-organismen. Daarnaast is het bufferende vermogen van de bodem bij sommige toepassingen van belang, in het bijzonder de gevoeligheid van de bacteriën ten aanzien van een lage zuurgraad. Als het vermoeden bestaat dat door de injectie van de koolstofbron een onacceptabele pH-daling gaat optreden, dan is het raadzaam het bufferende vermogen van de bodemmatrix in het laboratorium vast te stellen. Met dit laboratoriumonderzoek kan de mengverhouding koolstof worden bepaald, die nog kan worden toegepast, zonder dat een ontoelaatbare pH-daling optreedt.
De duurzaamheid van injecties en de termijn waarop injecties moeten worden herhaald kunnen ook uit laboratoriumexperimenten worden afgeleid, maar moeten worden bevestigd door proeven of tijdens intensievere monitoring tijdens de opstartfase van het bioscherm.
Grondwaterstroming en menging
Het spreekt voor zich dat, conform de aandachtspunten bij ijzerschermen, de grondwaterstromingsrichting goed bekend moet zijn. Bovenop de aspecten die voor ijzerschermen zijn genoemd, is de menging van de toeslagstoffen met het grondwater essentieel. Voor anaerobe bioschermen zijn verschillende principes beschikbaar:
- Injectie in verticale filters en menging door dispersie;
- Recirculatie loodrecht op de grondwaterstromingsrichting en toevoeging stoffen;
- Verticale recirculatie;
- ‘Oppakken’ grondwaterstroming en stroomafwaartse infiltratie;
- Horizontale injectie-elementen.
Ad. 1: Dispersie
Bij de eenvoudigste vorm van anaerobe bioschermen vindt de menging tussen grondwater en substraat passief plaats. Het zijn bioschermen waarbij een koolstofbron (bijvoorbeeld een mengsel van afbreekbare suikers en water) via een rij van injectiefilters dwars op de stromingsrichting van een verontreiniging aan het grondwater wordt toegevoegd. Het substraat moet zich door dispersie en diffusie mengen met het grondwater. Vaak bestaat een injectiepunt uit meerdere filters op verschillende dieptes in het watervoerende pakket, om op die manier een groter verticaal gebied te bestrijken. De dekkingsgraad is afhankelijk van de afstand tussen de injectiefilters in horizontale zin en de dispersie. Stroomafwaarts van de injectiefilters ontstaan pluimen van organisch materiaal, die uiteindelijk moeten overlappen. Injectie kan (bijna) continu of batchgewijs plaatsvinden, afhankelijk van de grondwatersstromingssnelheid, influx van verontreinigingen en afbraaksnelheden. Het geïnjecteerde organische materiaal wordt gefermenteerd, moleculair waterstof wordt gevormd als uiteindelijke electronendonor, de redoxomstandigheden verschuiven en de verontreinigingen worden afgebroken (middels [[anaerobe afbraak van VOCl|reductieve dechlorering). Omdat de koolstofbron langzaam afgebroken wordt en meestroomt met het grondwater ontstaat stroomafwaarts van de injectiefilters een reactieve zone, waarin voldoende koolstofbron aanwezig is om de afbraakprocessen te laten verlopen. Meerdere injectieraaien in een pluimgebied kunnen zorgen voor een actieve sanering van een pluim.
In de praktijk is diffusie en dispersie van geinjecteerd substraat loodrecht op de stromingsrichting van het grondwater gering. De menging van substraat mat het grondwater is passief, en kan niet worden bijgestuurd. Dit fenomeen wordt bij de aanleg van het bioscherm met injectiefilters vaak over het hoofd gezien, waardoor een te grote afstand tussen de filters gehanteerd wordt. Om te voorkomen dat de verontreinigingen onbehandeld tussen de injectefilters door glippen, moet het invloedsgebied van een injectiefilter realistisch worden ingeschat en worden overgedimensioneerd.
Ad 2.: Recirculatie loodrecht op de grondwaterstroming
Een meer actieve vorm van menging voor een gunstigere distributie van de toeslagstoffen bestaat uit het recirculeren van grondwater loodrecht op de stromingsrichting. Aangezien het rondpompen energie kost, is strikt gesproken geen sprake meer van een passieve barrière en spreken we van semi-passieve schermen.
Het grondwater wordt onttrokken uit een verticaal filter, de toeslagstoffen worden in de leiding aan de waterstroom toegevoegd, en het grondwater wordt geherinfiltreerd in meerdere verticale injectiefilters in dezelfde behandelingsraai. Door actief te onttrekken en infiltreren worden een grondwaterstroming gerealiseerd loodrecht op de natuurlijke grondwaterstroming. Een volledige aaneengesloten zone kan worden gemengd. De onderlinge afstand tussen de filters in een raai kan worden vergroot zonder het risico te lopen dat verontreinigingen onbehandeld door het scherm stromen. Het pompdebiet is afhankelijk van de natuurlijke grondwaterstromingssnelheid, maar in de meeste gevallen hoeft slecht af en toe 
actief te worden gepompt om voldoende menging te bereiken. Het verdient aanbeveling om pulsgewijs, bij het begin van een pompperiode, de toeslagstoffen te doseren. Daarmee wordt voorkomen dat toeslagstoffen in het injectiefilter achterblijven en zorgen voor verstoppingen. De praktijk heeft uitgewezen dat ondanks het pulsgewijze karakter toch goede menging optreed, waarschijnlijk door de retardatie van de toeslagstoffen ten opzichte van het grondwater.
Het opnieuw ontrtekken van al eerder gestimuleerd grondwater kan leiden tot verstoppingen. Sterke bacteriologische groei en sulfide vorming kunnen zorgen voor zwevende stof, dat zich verzamelt in onttrekkings- en injectiefilters, met verstopping als gevolg. Een ontwerp waarbij alleen oorspronkelijk (onbehandeld) grondwater wordt onttrokken is robuuster.
Ad 3. Verticale circulatie
Dit principe is vergelijkbaar met horizontale recirculatie, maar bij deze toepassing wordt het grondwater onttrokken uit een verticaal filter en weer geherinfiltreerd in één of meerdere verticale injectiefilters op andere niveaus, maar op dezelfde plek. De toeslagstoffen worden aan de waterstroom toegevoegd. Hierdoor kan de onderlinge verticale afstand tussen de filters op één punt vergroot worden. De horizontale verspreiding van de verontreiniging is echter sterk afhankelijk van de gelaagdheid van de bodem.
De verspreiding loodrecht op de filtres in afhankelijk van de gelaagdheid van de bodem. De techniek slaagt alleen als de filterstellingen zorgvuldig zijn gekozen.
Ad. 4.: ‘Oppakken’ in de grondwaterstromingsrichting
Verstoppingsproblemen bij het horizontale recirculeren volgens principe 2 heeft geleid tot een andere vorm van actief onttrekken en infilteren. Bij deze toepassing wordt het grondwater onttrokken uit een verticaal filter, gemend met substraat, en stroomafwaarts weer geïnjecteerd. Doordat onttrekkingsfilter en infiltratieput op enige afstand van elkaar staan wordt behandeld grondwater niet meer onttrokken. Zwevende bestanddelen die ontstaan bij de microbiologische processen worden niet meer onttrokken, en het risico op putverstopping is daarmee kleiner. Het pompdebiet moet zijn afgestemd op de natuurlijke grondwaterstroming. Met een monitoringspunt tussen de filters wordt gewaakt dat geen te grote stroomopwaartse verspreiding van actief grondwater optreedt.
Ad. 5. Horizontale injectiefilters
Een minder vaak gebruikte toepassing van injectiefilters is de horizontale vorm, vaak toegepast in de vorm van drains. Met een horizontaal gestuurde boring of door het graven van een sleuf kan een drain in de ondergrond geplaatst worden. Dit type is vooral geschikt als het maaiveld boven de verontreiniging moeilijk toegankelijk is, of als de verontreiniging grote oppervlakten bestrijkt. Voor diepere verontreinigingen valt de laatstgenoemde variant vaak af, en zullen meerdere drains boven elkaar moeten worden geplaatst om het verontreinigde deel van het watervoerende pakket te behandelen. Met deze layout kan eenzelfde principe worden nagestreefd als bij principe 3. Door te onttrekken en te infiltreren op verschillende niveaus op dezelfde locatie wordt het substraat verspreid over de verticaal. Een probleem bij injectie via drains is dat het moeilijk is te verifiëren of het geïnjecteerde substraat het filter (de drain) op de juiste plaats verlaat. Omdat een geïnjecteerde vloeistof de weg van de minste weerstand kiest, is het moeilijk na gaan of het substraat ook vanuit het ‘eind’ van de drain het watervoerende pakket ingaan. Daarbij speelt drukverlies over de lengte van de drain ook een rol. Bij verticale filters is de filterlengte vaak veel korter, waardoor dat probleem veel minder speelt.
Zie verder Bioschermen of geactiveerde zones
Referenties en aanvullend informatie
- Hoekstra, N.K., Middeldorp P., Slenders, H., 2005, Pilot bioscreen DAF Treucks, Final evaluation biological groundwater remediation system for chlorinated aliphatics, B&O-A R 2005/078.
-
-