Inzicht in ijzerchemie helpt ons chemische putverstopping en ontijzering te doorgronden

KWR-onderzoeker Kees van Beek heeft zich na zijn pensionering gebogen over de theorie van de ijzerchemie, omdat de ijzerchemie niet alleen relevant is voor het optreden van chemische putverstopping, maar ook voor de ontijzering in de drinkwaterbereiding. Bij de ontijzering zijn drie processen te onderscheiden: homogene, heterogene en biologische ijzeroxidatie. Bij een hogere pH van het grondwater, zoals bij duinwaterbedrijven, domineert homogene oxidatie. Homogene oxidatie verloopt  traag en leidt daarom vooral in terreinleidingen tot verstopping. Bij lagere pH, zoals in de meeste andere grondwaterwinningen, spelen heterogene oxidatie en biologische oxidatie de grootste rol, met als resultaat ernstige chemische en biologische verstopping van het putfilter. Van Beeks onderzoek leverde niet alleen een verklaring op voor de waargenomen putverstoppingen onder verschillende omstandigheden, maar is ook van toepassing op een belangrijk proces bij de drinkwaterbereiding, de ontijzering van grondwater – ook een ijzeroxidatieproces. Waar bij putverstopping de omstandigheden vastliggen, zijn bij ontijzering tijdens de drinkwaterzuivering de condities wél te optimaliseren. Van Beek: “Ik heb veel hulp gehad van technologen uit de drinkwatersector en KWR. Door hun ervaringen met ontijzering in de zuivering te vergelijken met optreden van chemische putverstopping en af te zetten tegen de theorie van de oxidatie van ijzer door zuurstof, was het mogelijk een grotere vinger achter de ontijzering te krijgen.” Dat leidde bijvoorbeeld tot de suggestie om het ontijzeringsproces anders in te richten, zodat de kwaliteit van het verwijderde ijzerslib meer te sturen is naar de behoefte voor hergebruik.

Kennis over putverstopping kan bijdragen aan het optimaliseren van ijzerverwijdering in de drinkwaterbereiding.

In 2006 ging Kees van Beek officieel met pensioen, na 33 jaar toegepast onderzoek bij KWR. Hij was specialist in putverstopping en hij heeft onder meer een grote bijdrage geleverd aan een methode om mechanische putverstopping te voorkomen, namelijk door putten volgens een plan afwisselend aan en uit te schakelen. Dit kwam onder meer aan de orde op het in 2017. Putschakeling kan voorkomen dat kleine deeltjes zich ophopen op de boorgatwand. Graag wilde hij ook zijn vingers krijgen achter de oorzaken van chemische putverstopping, een ander fenomeen dat bij veel puttenvelden voor problemen zorgt. Daarom heeft hij zich na zijn promotie in 2010 gebogen over de theorie van de ijzerchemie die ten grondslag ligt aan chemische verstopping en aan ontijzering. Voor dit werk kon hij zijn werkplek bij KWR behouden en gebruik blijven maken van de KWR-faciliteiten, tot wederzijds genoegen. Maar nu vindt Van Beek het genoeg: het wordt tijd om écht met pensioen te gaan. Graag wil hij zijn bevindingen uit deze laatste periode delen met de drinkwatersector. De zes artikelen waarin hij de afgelopen jaren zijn bevindingen heeft vastgelegd zijn daarom gebundeld en gecombineerd met deze toelichting op de KWR-website, die een samenvatting geeft van de belangrijkste resultaten. Van Beeks gespit in de theorie van de ijzerchemie heeft sterk bijgedragen aan de verklaring van de waarnemingen van diverse collega’s bij KWR en waterbedrijven.

“De processen die bij putverstopping en ontijzering een rol spelen, zijn in essentie gelijk,” zegt Van Beek. “Vergelijking van kennis en ervaringen met ontijzering en met chemische putverstopping levert daardoor meer zinvolle kennis voor beide toepassingen.”

3 soorten ijzeroxidatie

Kees van Beek: “Bij de oxidatie van ijzer (II) door zuurstof zijn drie processen te onderscheiden. In de eerste plaats de homogene oxidatie: die treedt op bij beluchting van ijzerhoudend water of bij menging van ijzer (II)-houdend water en van zuurstofrijk water. Hierover is vrij veel bekend. Bij homogene oxidatie ontstaan vlokken ijzer(III)hydroxide. Daarnaast heb je heterogene oxidatie: oxidatie van ijzer (II) nadat het is geadsorbeerd aan het oppervlak van eerder gevormd ijzer(III)hydroxide. Over dit proces is minder bekend. Daarnaast is er nog biologische oxidatie, en daarover weten we het minst. De ijzeroxiderende Gallionella-bacteriën gedijen onder omstandigheden waar ijzer(II) bevattend water en zuurstof bevattend water met elkaar mengen, daaraan ontlenen zij hun energie. Om de vrijkomende energie tot hun voordeel te kunnen gebruiken, beschikken Gallionella-bacteriën over uitstekende hechtende eigenschappen: zij “overleven” stroming in putfilters en terugspoelen van ontijzerings-filters. Zodra beide waterstromen of -typen zijn gemengd, vervalt het bestaansrecht van Gallionella-bacteriën en zal alleen nog homogene oxidatie optreden.”

Verklaring voor grondwaterwaterontijzering en putverstopping

Oxidatie van ijzer(II) naar ijzer(III) speelt op meerdere plaatsen in de drinkwatervoorziening een rol. Zoals gezegd ontstaat chemische putverstopping door oxidatie van ijzer. Begrip van de ijzerchemie helpt om te verklaren onder welke condities en op welke plekken er wel of juist geen putverstopping optreedt. Tegelijkertijd geeft de ijzerchemie meer inzicht in de ontijzering van eenmaal opgepompt water, en mogelijk zicht op meer optimale methoden om dat water te ontijzeren. “De processen die bij putverstopping en bij ontijzering een rol spelen, zijn in essentie gelijk,” zegt Van Beek.

Grondwaterputten raken regelmatig verstopt door accumulatie van neerslagen, gevormd door oxidatie van ijzer uit het grondwater.

Putverstopping pH-afhankelijk

Chemische putverstopping is een hinderlijk fenomeen en er zijn nauwelijks mogelijkheden om de condities onder de grond aan te passen. Begrijpen hoe de verstopping ontstaat, is al een stap vooruit. Van Beek: “Bij het oppompen van water met een hoge pH – zeg maar boven 7,5 – domineert na menging met zuurstof de homogene oxidatie. Dit is bijvoorbeeld het geval bij duinwaterbedrijven. De ijzerconcentraties in het water zijn laag en de homogene oxidatiereactie verloopt relatief traag. Er is dan dus nauwelijks verstopping van de filterspleten, waarschijnlijk mede doordat de ijzer(II)-concentraties laag zijn, zodat Gallionella-bacteriën onvoldoende energie kunnen verkrijgen. In deze winningen zie je juist dat ijzerhydroxidevlokken ontstaan wanneer het water al een poosje onderweg is, door homogene oxidatie in de terreinleidingen. Voortdurende vorming van ijzer(III)hydroxideneerslagen en -vlokken, ondanks de lage concentratie van ijzer(II), kan daar leiden tot ernstige verstopping.”

Anders is het bij lagere pH. “Bij een pH onder 7,5, zoals bij de meeste andere grondwaterwinningen, spelen heterogene oxidatie en biologische oxidatie de grootste rol. In putten die (gescheiden) waterstromen onttrekken van zuurstof­bevattend en van ijzer­bevattend water zijn de omstandigheden ideaal voor Gallionella-bacteriën. Om de maximale energie uit deze menging te halen, zullen zij zich “stroomopwaarts” bewegen naar de spleten van het putfilter. Dank zij hun uitstekende hechtende eigenschappen kunnen zij zich daar handhaven, wat resulteert in ernstige chemische en biologische verstopping van het putfilter. Zodra beide waterstromen volledig zijn gemengd – na de onderwaterpomp – is de rol van Gallionella-bacteriën uitgespeeld. In de terreinleidingen vind je daarom maar verwaarloosbaar verstopping door heterogene oxidatie, want ook al zijn er hogere concentraties ijzer(II), er is geen biologische of andere hechting.”

Ontijzeren: sturen via de condities

Dezelfde processen als bij putverstopping zijn actief bij de bovengrondse verwijdering van ijzer(II) uit grondwater door beluchting en filtratie, zoals bij de bereiding tot drinkwater. De beste resultaten worden behaald door de procescondities zo in te richten dat de omstandigheden voor één van de oxidatie-reacties optimaal zijn, dus homogene oxidatie “alleen in het bovenwater” of heterogene oxidatie “alleen in het (zand)filter”. De rol van biologische oxidatie van ijzer(II) in deze “klassieke” zuiveringsmethode is slecht bekend.

Een al bekende methode die momenteel weer in de belangstelling staat is de verwijdering van ijzer(II) uit grondwater door middel van ondergrondse ontijzering. Van Beek: “Hierbij wordt zuurstofrijk water in het watervoerend pakket geïnfiltreerd, waarna, discontinu, een groter volume ijzerloos grondwater kan worden onttrokken. Het onderliggende proces bij deze methode is heterogene oxidatie, waarbij vooral de adsorptie van ijzer aan het oppervlak van de bodemdeeltjes bepalend is voor het rendement van ondergrondse ontijzering.”

Is de kwaliteit van ijzerslib te sturen?

Bij de verschillende soorten oxidatie ontstaan ook verschillende soorten slib, met van elkaar verschillende fysieke eigenschappen. Deze eigenschappen kunnen bepalend zijn voor de verdere gebruiksmogelijkheden, wat maakt dat de keuze voor de soort oxidatie veel effect kan hebben op verder nuttig gebruik van het slib. “Hier liggen mogelijk nog kansen,” vermoedt Van Beek. “De resultaten van onderzoek naar ondergrondse ontijzering zijn potentieel ook relevant voor toepassing in de ‘klassieke’ ontijzering. In het optimale toepassingsgebied van heterogene oxidatie, waarbij je dus bovenwater vermijdt, moet het mogelijk zijn ontijzering in een fluïde bed toe te passen, analoog aan ontharding in korrelreactoren. Ontijzering in korrelreactoren heeft veel voordelen: geen terugspoelen, geen doorslag van ijzervlokjes tijdens opstarten na terugspoelen, hoge hydraulische belasting, reststof met een hoog droge stof gehalte en mogelijk een hogere marktwaarde, etc. Door de bedrijfsvoering te variëren, bijvoorbeeld tussen continue of juist discontinue toevoer van zuurstof, is het wellicht ook mogelijk de kwaliteit van de ijzerkorrels te variëren tussen volledig anorganisch gevormde korrels en anorganisch/organisch gevormde korrels en daarmee af te stemmen op een gevraagde kwaliteit ijzerkorrels.”

Sideriet bepaalt concentratie van ijzer(II) in grondwater

Een leuke “bijvangst” van het onderzoek van Van Beek was de constatering dat de concentratie van ijzer(II) in het Nederlandse grondwater wordt bepaald door het mineraal sideriet (FeCO₃). Dit mineraal wordt in de ondergrond gevormd zodra ijzer(II)-houdend grondwater oververzadigd raakt ten opzichte van sideriet. IJzer(II) komt vrij onder invloed van verschillende bodemchemische processen, onder andere door het oplossen van ijzerhydroxiden (ijzerhuidjes op zand). De omzetting van deze ijzerhuidjes in sideriet-neerslagen is ook bepalend voor de concentratie van sporenelementen in grondwater, zoals arseen, kobalt, nikkel en zink.