Stop de pompen!
Bodembacteriën
maken verontreinigd grondwater weer schoon
Grond en
grondwater in Nederland zijn op 600.000 plaatsen vervuild. Oppompen en afgraven
zou 18 miljard kosten, zo berekende het Ministerie van VROM. Maar na praktisch bodemonderzoek
in 20 proefschriften blijkt het schoonmaken ook voor eenderde
van dat bedrag te kunnen. Dankzij natuurlijke afbraak door bodembacteriën.
© 2007
Vlak buiten de singels van Utrecht ligt het Griftpark. Honderdvijftig
jaar geleden stond hier een vuilstortplaats en gasfabriek, aan de rand van de
stad. Nu is dit terrein een populair stadspark met speeltuin, stadsboerderij en
skatebaan. Zeventien jaar lang hield een hardnekkige
grondwaterverontreiniging de aanleg van het park tegen. Uiteindelijk is er een
damwand omheen gezet en schone grond bovenop gelegd. Inpakken, oppompen en afdekken
van de verontreiniging kostte alles bij elkaar 250 miljoen gulden. Dankzij het NWO-bodemonderzoeksprogramma Trias kan vervuild grondwater voortaan
zonder oppompen worden schoongemaakt. Met bodemingenieurs samenwerkende
wetenschappers ontwikkelden praktische methoden om natuurlijke afbraak van
verontreinigingen door bodembacteriën aan te tonen, te voorspellen en te
monitoren. Zo bleek afbraak van verontreinigingen in het veld met één simpele
meting aantoonbaar, nadat microbiologen ontdekten dat bacteriën bij hun
schoonmaakwerk eerst het lichte C-12 koolstofatoom oppeuzelen. En hydrologen
leidden een formule af waarmee snel en nauwkeurig is te voorspellen hoe ver een
grondwaterverontreiniging zich zal verspreiden.
De bodemverontreiniging in het Griftpark werd ontdekt in 1980, kort nadat
het eerste Nederlandse gifschandaal in Lekkerkerk de
wereldpers had gehaald. Mannen in maanpakken kwamen er aan te pas om vaten chemisch
afval onder de nieuwbouwwoningen in het dorp langs de Lek weg te graven. Koniging Beatrix bracht een officieel bezoek aan honderden geëvacueerde
bewoners. Kort daarna nam het rijk zich voor de bodem en het grondwater van
Nederland binnen één generatie helemaal schoon te maken. Tot de laatste korrel
zou Nederland alle vieze plekken afgraven, naar verwachting waren dat er 350.
Maar dat aantal liep snel op: in 1982 waren het er al
Verontreinigd grondwater schoonmaken is moeilijk. De
oorzaak van de verontreiniging opsporen lukt vaak nog wel: meestal is dat een
lekkende leiding of een vuilstortplaats. Maar nadat het lek is gedicht,
stroomt het vervuilde grondwater rustig verder, tot enkele honderden meters ver
en tientallen meters diep. Na enkele jaren zit zo’n
sigaarvormige pluim onder andermans grond of, erger nog, is hij op weg naar een
drinkwaterwinning. Grondwater oppompen en reinigen, zoals dat tot voor kort
vaak gebeurde, is duur en weinig efficiënt. Bovendien zitten onder oude binnensteden
vaak meerdere verontreinigingspluimen vlak bij
elkaar; door te veel gepomp is na verloop van tijd
niet meer te achterhalen wie welke verontreiniging heeft veroorzaakt, of juist
opgeruimd.
Begin jaren negentig ontdekten wetenschappers dat organische verontreinigingen
zoals olie, aromaten en oplosmiddelen, ook door natuurlijke processen uit het
grondwater kunnen verdwijnen. Soms gebeurt dat door verdamping, of verdunning
met schoon grondwater; soms door het daadwerkelijk afbreken en onschadelijk
maken van verontreinigingen door bacteriën en schimmels. Die blijken in staat
complexe moleculen als benzeen en tolueen te ontleden in CO2 en H2O
met behulp van zuurstof – soms zelfs zonder. Van oplosmiddelen als per en tri
knabbelen bacteriën de schadelijke chlooratomen af. De snelheid van deze
natuurlijke afbraak wordt in hoge mate bepaald door mengingsprocessen aan de
rand van de pluim: alleen dáár vinden van nature in
de bodem aanwezige bacteriën de juiste combinatie van niet te veel vuil en
voldoende hulpstoffen als zuurstof en nitraat om de vervuiling te consumeren.
Een vraag die mensen in de praktijk de laatste jaren erg bezighield, is of een verontreinigingspluim door bacteriën tot staan kan worden
gebracht: kan natuurlijke afbraak van verontreinigingen zo snel verlopen dat
deze het transport via het grondwater compenseert? Een pluim die aldus na
verloop van tijd ‘stationair’ wordt of zelfs krimpt, zo luidt de redenering,
hoef je niet langer op te pompen.
Voorspellen hoe snel verontreinigingen zich in het grondwater verplaatsen
is het onderzoeksterrein van Ruud Schotting,
wiskundige en hoogleraar kwantitatieve hydrologie aan de Universiteit Utrecht.
De afgelopen jaren begeleidde hij enkele promovendi die binnen Trias
grondwatermodellen ontwikkelden voor de praktijk. Het gedrag van verontreinigingspluimen in het grondwater voorspellen bleek
razend ingewikkeld. De ondergrond is niet alleen ontoegankelijk en heterogeen,
er vindt ook een scala aan chemische, fysische en biologische processen plaats.
Vaak zijn die nog onbegrepen en beïnvloeden ze elkaar onderling. Daarom zijn de
meeste grondwatermodellen numeriek; wat er precies gebeurt
is onbekend en wordt rekenkundig benaderd.
In hun zoektocht naar een formule voor de lengte van een pluim gebruiken onderzoekers
ook wiskundige analyses om processen in het verontreinigingsfront
beter te begrijpen. Een van die processen is het mengen van de verontreinigingspluim met zijn omgeving, aangeduid met
‘hydrodynamische dispersie’. In een waterverzadigd
poreus medium zoals een bodem volgen in water opgeloste deeltjes van een verontreinigingspluim allemaal een ander pad. Schotting: “Ze kiezen ieder een eigen route door het doolhof van onregelmatig op elkaar gestapelde
zandkorrels, kleideeltjes en plantenresten. En dus bereiken ze allemaal op een
ander moment de rand van de pluim. Na verloop van tijd wordt het aanvankelijk
scherpe front van een verontreinigsingspluim daardoor
diffuus.” Lange tijd dachten wetenschappers dat de lengte van een verontreinigingspluim afhankelijk was van de longitudinale
dispersie, de snelheid waarmee verontreinigd water in
de stroomrichting mengt met schoon water. Menging in die richting verloopt tien
tot twintig keer zo snel als loodrecht op de pluim.
Maar hoeveel mensen wereldwijd ook onderzoek deden naar mengprocessen in
grondwaterpluimen, het lukte niemand de lengte van die pluimen analytisch te verklaren
uit de eigenschappen van de grond, het stromende grondwater en de
verontreiniging. Dat vormde een belemmering voor de uitvoeringspraktijk, aldus Schotting: “Voordat je natuurlijke afbraak als
saneringstechniek kunt inzetten, moet je de verantwoordelijke processen
helemaal begrijpen. Alleen dan kun je de ontwikkeling van een pluim goed
voorspellen en monitoren.” De oplossing voor dit taaie probleem schoot Schotting opeens te binnen in de trein naar Duitsland, op
weg naar een collega die een onbegrepen experiment had gedaan. De lengte van een pluim verontreinigd
grondwater, zo had hij in zijn laboratorium waargenomen, leek omgekeerd evenredig
met het transport in de breedte.
Krabbelend op een stukje papier leverde Schotting het
sluitende wiskundige bewijs voor dit tegen-intuïtieve
resultaat.
Net zoals de snelheid van de kopman de lengte van een peloton wielrenners
bepaalt, werd lange tijd gedacht dat de snelheid waarmee verontreinigd water
aan de vóórkant van de pluim mengt met schoon water,
bepaalt hoe lang een verontreinigingspluim kan
worden. Schotting liet zien dat dit niet klopt: “Omdat
het uitwisselingsoppervlak van de lange zijkant van een pluim veel groter is
dan van de smalle voorkant, is transversale dispersie het dominante proces, hoe
langzaam het ook verloopt. Menging in de stromingsrichting doet er blijkbaar niet
toe voor de lengte van de pluim.” Na publicatie van zijn analytische
grondwaterformule in het gerenommeerde blad Advances in Water Resources
stroomden de positieve reacties uit binnen- en buitenland binnen. Zonder
complexe numerieke modellen kunnen ingenieurs voortaan uit enkele eigenschappen
van de grond en het grondwater berekenen hoe een ondergrondse verontreinigingspluim zich zal ontwikkelen, een essentieel
gegeven bij het ontwerpen van een saneringsplan.
Om wetenschappelijke kennis over natuurlijke afbraak van verontreinigingen
snel in de Nederlandse bodemsaneringspraktijk toe te
kunnen passen, startte NWO samen met de praktisch ingestelde ingenieurs van de
Stichting Kennisontwikkeling Kennisoverdracht Bodem (SKB) en Delft Cluster –
een samenwerkingsverband van GeoDelft, WL| Delft Hydraulics, de Technische Universiteit Delft en TNO - het
bodemonderzoeksprogramma Trias. Niet alleen hoogleraren begeleidden de
promovendi en postdocs binnen Trias, een afkorting van Tripartite Approach to Soil
Systems processes, ook deskundigen van
ingenieursbureaus en grote technische instituten praatten mee over aanpak en
resultaten. Zes jaar bodemonderzoek door de universiteiten van Amsterdam,
Delft, Nijmegen, Utrecht en Wageningen en de onderzoeksinstellingen Alterra,
TNO en NIOO heeft 20 proefschriften opgeleverd. In juni van dit jaar sloot
Trias af met een internationaal wetenschappelijk symposium.
Milieuchemicus Sabrina Botton van Universiteit van Amsterdam verdedigde begin
dit jaar met succes één van de 20 Trias-proefschriften.
Daarin laat ze zien dat het met isotopenanalyse mogelijk is om natuurlijke
afbraak van benzine-achtige verbindingen zoals
benzeen en tolueen (BTEX) onder veldomstandigheden aan te tonen. Toen een Wageningse onderzoeker enkele jaren geleden een
bacteriekweek maakte van zuurstofloos grondwater benedenstrooms van Banisveld, een stortplaats bij Boxtel,
vond hij Geobacter.
Van deze bacterie was al enige tijd bekend dat hij ook onder zuurstofloze
condities tolueen kan afbreken. Zou dat in Banisveld
ook het geval zijn, zo vroeg Sabrina Botton zich af, en is het dan mogelijk het
relatieve belang van natuurlijke afbraak ten opzichte van verdunning vast te
stellen?
Om erachter te komen of Geobacter inderdaad BTEX wist af te breken in de
zuurstofloze, ijzerreducerende omstandigheden bij Banisveld,
maakte Botton gebruik van een opmerkelijke eetgewoonte van bacteriën. Als die
kunnen kiezen, vertonen ze namelijk een voorkeur voor lichte koolstof-isotopen, aangeduid met C-12. De verhouding tussen
de hoeveelheid C-12 en C-13 is in de natuur een vast getal dat niet verandert,
namelijk 100:1. Op die regel is maar één uitzondering. Bij biologische afbraak
door bacteriën is de hoeveelheid C-
Botton toonde aan dat naarmate de afstand tot de stortplaats groter wordt,
de hoeveelheid C-
Microbioloog Alette Langenhoff van TNO is enthousiast over deze toepassing
van isotopenanalyses. Ze adviseert bedrijven in de Rotterdamse Haven over de
aanpak van hun grondwaterverontreinigingen. Een vastgestelde verhoging van de
hoeveelheid C-13 ten opzichte van C-12 kan helpen om milieu-ambtenaren
ervan te overtuigen dat oppompen en afgraven van een grondwaterverontreiniging niet
nodig is. “Het grote voordeel is dat één meetronde volstaat. Vroeger gingen we
op zoek naar concentratieverschillen. Komt er na enige tijd wat bij of gaat er
wat vanaf? Dat betekende minstens twee keer meten. En een afname kon ook nog het
gevolg zijn van verdunning. Als we nu een relatieve aanrijking
van C-13 meten, is er geen discussie meer mogelijk. Dat kan alleen door
bacteriën.”
Maar Langenhoff is ook kritisch. Want om de biologische afbraak te
versnellen, zou je het in de bodem aanwezige ijzer beschikbaar willen maken
voor bacteriën. Dat is minder makkelijk dan Botton in
haar proefschrift suggereert. Volgens Langenhoff is ijzer onder
veldomstandigheden meestal een vaste stof, namelijk roest. “Alleen in het
laboratorium gaat ijzer volledig in oplossing.” Ook al is natuurlijk afbraak
door Geobacter
onder zuurstofloze omstandigheden nu aantoonbaar, voor bedrijven als Shell mag
het tempo van zelfreiniging best omhoog.
Na een wetenschappelijke carrière in Wageningen leidde microbioloog en bodemhygienicus Huub Rijnaarts, inmiddels
werkzaam bij TNO Bouw en Ondergrond, de afgelopen tien jaar vele internationale
bodemonderzoeksprojecten. Als toepasser van
bodemkennis volgt hij het Trias-onderzoek op de voet.
Wat Trias bijzonder maakt, vertelt hij aan de telefoon, is dat de combinatie
van praktijkervaringen met wetenschappelijke kennis oplossingen heeft
opgeleverd. “Lang niet alle wetenschap in Trias is even vernieuwend, maar door
aannemers en ingenieurs toe te laten in de begeleidingscommissies van
promovendi is het Trias gelukt wetenschap en praktijk aan elkaar te koppelen.”
Het idee dat alleen academici in staat zouden zijn om academisch onderzoek
te begeleiden, is volgens hem achterhaald: “Menig technisch idee voor het
onderzoek kwam van een aannemer of consultant in plaats van de professor.” Wat
we daar in de praktijk van merken? Rijnaarts hoeft er niet lang over na te
denken: “Intensieve maatregelen als oppompen, afgraven en reinigen worden
vrijwel niet meer toegepast als ergens een bodemverontreiniging met
chloorkoolwaterstoffen wordt gevonden. De kennis om zo’n
probleem aan te pakken op een extensieve manier, bijvoorbeeld door perslucht te
injecteren, is inmiddels doorgedrongen tot veel aannemers en ingenieursbureaus.”
Met de kennis van nu zou nooit een damwand om het Utrechtse Griftpark zijn
gebouwd: “Verontreinigingshaarden in de grond, zoals
die met cyanide, hadden we ook nu weer afgegraven. Daar kun je niet omheen.
Maar voordat we maatregelen in het grondwater nemen, bekijken we tegenwoordig eerst
hoe ver een verontreinigingspluim zich kan
verspreiden, wat de reactiviteit van de bodem is en welk deel van de
verontreiniging het bodemleven zelf kan afbreken. Pas als we weten hoe het hele
bodem/water-systeem in elkaar zit, grijpen we in.” Liefst
met behulp van de bodembiologie, want een extensieve aanpak hoeft maar éénderde te kosten van graven en pompen.
Van de 150 miljoen euro die jaarlijks aan saneringsmaatregelen
wordt uitgegeven gaat er nu nog 110 op aan graven en pompen; 40 miljoen euro
wordt besteed aan bodemsanering door natuurlijk afbraak en ander in-situ technieken. Rijnaarts verwacht dat deze verhouding
van één op vier de komende jaren verandert in één op twee. Spijtig vindt hij
het dat zo’n maatschappelijk succes lang niet altijd telt
in de wetenschappelijke wereld: “Visitatiecommissies zijn niet erg onder de indruk
van de toepasbaarheid van kennis, die kijken meer naar wetenschappelijke
publicaties en de citatie-index. Daar zou NWO iets aan kunnen doen.”
Gepubliceerd in
NRC Handelsblad