Op zeshonderdduizend plekken in Nederland zijn grond en grondwater verontreinigd door…

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 Henk Leenaers

 

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 2.000, in 1990 telde men er 100.000 en vorig jaar publiceerde het ministerie van VROM een lijst met 600.000 “mogelijk verontreinigde locaties”. Daarvan moeten er de pakweg 60.000 gesaneerd – meestal vanwege verontreinigingen in het grondwater. Geschatte kosten: 18 miljard euro.

 

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-13 in het restproduct groter dan elders in de natuur.

 

Botton toonde aan dat naarmate de afstand tot de stortplaats groter wordt, de hoeveelheid C-13 in het grondwater toeneemt ten opzicht van C-12. Al gaat het maar om enkele promilles, deze relatieve aanrijking bewijst dat er biologische afbraak plaatsvindt en ook in welke mate: dichtbij de vervuilingsbron zit er circa 15 microgram benzeen in iedere liter grondwater en is de verhouding C-12:C-13 zoals overal elders in de natuur; vijfenzeventig meter verderop is de hoeveelheid benzeen al vier keer zo laag. Dat dit grotendeels het gevolg is van biologische afbraak toonde Botton aan door vast te stellen dat daar vier promille C-13 teveel aanwezig is.

 

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