Factsheet: het biologisch reinigen van baggerspecie

A PRINCIPE VAN DE METHODE

Het doel van biologische technieken is het verwijderen van organische verontreinigingen, door middel van bacteriële afbraak. Micro-organismen (bacteriën en schimmels) kunnen bepaalde organische verontreinigende stoffen gebruiken voor hun groei en/of energiehuishouding. Echter niet alle soorten verontreinigende stoffen kunnen worden afgebroken. Zware metalen zijn hiervan een sprekend voorbeeld.

Op basis van de wijze waarop de zuurstof-inbreng geregeld is, worden vier biotechnologische concepten onderscheiden, namelijk reinigen in situ, in depots, in landfarms en in reactoren. In de richtlijn wordt alleenegaan op de operationele technieken landfarming en bioreactoren.

Het succes van biologische reiniging wordt in hoofdzaak beïnvloed door drie factoren:

1. De aanwezigheid van juiste micro-organismen
Niet alle soorten micro-organismen zijn in staat alle soorten organische stoffen af te breken. Er zijn verschillende soorten bacteriën nodig voor bijvoorbeeld de anaërobe dechlorering en de aërobe mineralisatie van gechloreerde verbindingen of van minerale olie en pak-verbindingen.
Het is mogelijk om specifieke bacteriestammen toe te voegen (inoculatie met entmateriaal), die de betreffende verontreinigende stof kunnen afbreken. Deze bacteriën dienen zich vervolgens aan te passen aan de omgeving van het te reinigen materiaal. Vaak blijken de juiste bacteriesoorten al, in een in-actieve vorm en in kleine getale in de waterbodem, c.q. het waterbodemsediment aanwezig te zijn. Het aanleggen van de juiste procescondities zijn voor de groei dan essentieel.

2. De aanwezigheid van optimale procescondities
De eisen die de micro-organismen aan het leefmilieu stellen, verschillen per soort organisme en soort stof dat moet worden afgebroken. Belangrijk zijn temperatuur (30-35 0C is vaak het optimum), aanwezigheid (of afwezigheid) van zuurstof en de aanwezigheid van voedingsstoffen (nutriënten en -koolstof- en energiebronnen, soms de verontreinigende stof zelf). Een extreme zuurgraad en toxische stoffen kunnen een zekere (remmende) invloed hebben op de afbraak van stoffen.

3. De biobeschikbaarheid van stoffen
Verontreinigende organische stoffen, zoals minerale olie, PAK en gechloreerde verbindingen als PCB's en chloorbenzenen zijn in principe biologisch afbreekbaar. Metalen, daarentegen, kunnen niet worden afgebroken.
Biologische verwerking van de specie is dus alleen zinvol indien het gehalte aan metalen de normen voor toepassing niet in de weg staan (lager zijn dan de grenswaarde in het Bbk ).

In vrijwel alle biologische reinigingsprocessen wordt steeds eenzelfde afbraakpatroon gevonden; een eerste snelle afbraak gevolgd door een tweede fase met (zeer) trage afbraak.
Voor bacteriën is alleen het in de waterfase opgeloste of het licht aan de buitenzijde gebonden deel van de verontreinigende stof bereikbaar (biobeschikbaar). In de eerste fase na de start van de reiniging, wordt dit biobeschikbare deel relatief snel afgebroken. Vervolgens blijft het sterk aan de matrix gebonden deel over. Afbraak van dit deel gebeurt na diffusie van de verontreinigende stoffen uit de bodemmatrix (desorptie). Dit is een traag verlopend proces, waarbij reiniging wel volledig kan zijn, indien voldoende tijd voor desorptie wordt gegeven.

Bij landfarming wordt in de wijze van uitvoering rekening gehouden met de biobeschikbaarheid van stoffen en het creëren van bepaalde procescondities. Onderscheid wordt gemaakt in intensieve landfarming, extensieve landfarming en kasfarming.

B UITGANGSPUNTEN VOOR DE ONTWERPSTRATEGIE

Landfarming
In het landfarm-proces van baggerspecie zijn drie verschillende (en overlappende) fasen te onderscheiden:

1: Ontwatering en rijping:
In de eerste fase moet de natte (zuurstofloze) specie ontwateren en een goede (losse) structuur krijgen. Dit wordt ook wel het 'rijpen' van de specie genoemd: structuurvorming door het samenspel van fysische, chemische en biologische processen. Voor het ontwerp zijn van belang de verdamping, de drainage mogelijkheden en de neerslag. De ontwatering kan worden gestimuleerd door het bewerken (harken/ploegen) van de sliblaag en het afvoeren van neerslag via het oppervlak.
2: Snelle biologische afbraak:
Zodra de specie voldoende luchtgevulde poriën (goede structuur) heeft start de eerste, snelle fase van de biologische afbraak waarin de direct beschikbare verontreinigende stoffen worden afgebroken. In deze fase dient de goede structuur in stand gehouden en nog verder verbeterd te worden. Hiertoe kan gekozen worden tussen verdere bewerking of beplanting van de specie.
3: Trage biologische afbraak:
Nadat alle goed beschikbare verontreinigende stoffen zijn afgebroken, wordt de afbraak bepaald door de desorptie vanuit de matrix. De tweede, langzame fase van biologische afbraak begint. Vanaf dit moment, zijn procesbeheersende maatregelen niet meer nodig.

Landfarming kan worden toegepast op zandige of matig zandige species.

Intensieve landfarming vindt plaats in de buitenlucht en omvat in ieder geval de bovengenoemde fasen 1 en 2. Voor intensieve landfarming zijn de volgende aspecten voor het ontwerp en de exploitatatie van belang.
Startseizoen:
Op basis van de balans tussen verdamping en neerslag in de diverse seizoenen, is een goed startseizoen tussen het najaar en het vroege voorjaar. Daardoor kan de specie ontwaterd zijn en een anaërobe structuur hebben op het moment dat de voor de afbraak benodigde hogere zomertemperaturen aanwezig zijn.
Aanleg velden:
Bij de aanleg van de velden spelen de sliblaagdikte en de regenwaterafvoer een rol. Om regenwater af te voeren, kan de specie in een helling worden aangelegd. Gedurende de tijd dat de specie nog niet steekvast is, kunnen kades nodig zijn. Uitgaande van een organisch stof gehalte van circa 10%, ligt de maximale laagdikte voor beplante velden tussen de 65 cm (hoog lutum gehalte) en 105 cm (laag lutum gehalte). Met bewerking wordt in de praktijk uitgegaan van een grotere laagdikte. Deze extra dikte kan variëren van 40 tot 65 cm. Wanneer géén drainage of oppervlakkige ontwatering wordt toegepast, is in het Nederlandse klimaat de laagdikte maximaal 20 cm. Dit is het geval bij het 'op de kant zetten van baggerspecie' op landbouwpercelen.
Bewerking:
Zodra de specie beloopbaar is (na 4 tot 6 weken), is bewerking met een cultivator op rupsbanden mogelijk. Later kan worden overgegaan tot ploegen van de hele laag. Afhankelijk van weersomstandigheden, bewerkingsintensiviteit en specie-type, kan de ontwatering en rijping binnen een periode van 3 en 6 maanden plaatsvinden. Vervolgens kan de specie maandelijks worden omgezet, of kan gekozen worden voor beplanting.
Beplanting:
Beplanting wordt niet aanbevolen bij de start van de landfarm maar pas op het moment dat het materiaal een redelijke structuur heeft verkregen. Door de groei van wortels wordt in de specielaag aërobie verkregen. Ten opzichte van bewerkte velden, zal in beplante velden de aërobie een half tot een heel jaar later bereikt zijn. Beplanting met als doel om metalen op te nemen, bevindt zich nog in het ontwikkelingstraject.
Monitoring:
Monitoring dient gericht te zijn op de fysische gesteldheid en de chemische samenstelling van de specie. De monitoring dient in periode van veranderingen (ontwatering, eerste fase afbraak) intensiever te zijn dan in de stabielere tweede afbraakfase.
Verblijftijden en productkwaliteit:
Op basis van de beperkte praktijkervaringen wordt de verblijftijd voor het halen van een volgens het Bbk toepasbare kwaliteit ingeschat op 1 - 3 jaar, afhankelijk van de specie en de intensiviteit van bewerking.

Intensieve landfarming kan worden gevolgd door extensieve landfarming. Voor extensieve landfarming moet worden gerekend op verbloijftijden tussen 5 en 40 jaar.
Kasfarming is gericht op het binnen een overkapte inrichting versnellen van de afbraak door te werken met verwarming en beluchting. In de ontwateringsfase is deze uitvoeringsvorm niet effectief.

Reactoren
Het concept Reiniging in Reactoren is specifiek onderzocht voor de aanpak van met olie en PAK verontreinigde specie. In de voor de afbraak van deze stoffen benodigde zuurstof wordt voorzien door de specie met water te verdunnen tot een slurrie en deze vervolgens mechanisch te beluchten. Om de slurrie in beweging te houden kunnen roermechanismen gebruikt worden. Verdere stimulans van de biologische afbraak vindt plaats door middel van verwarming, pH-regeling en toevoeging van nutriënten en soms entmateriaal of koolstofbronnen.
Reiniging in Reactoren kan worden toegepast op ongescheiden specie of op de fijne fractie na hydrocyclonage. Aandachtspunten bij de ontwikkeling en operationalisering van reactoren zijn:
1) een kosten-effectief beluchtings-systeem.
2) een optimaal droge stof gehalte (hogere capaciteit).

Onderscheid wordt gemaakt in batch slurrysystemen en continue slurrysystemen.

C HET TOEPASSINGSGEBIED

Milieueffecten
Het biologisch reinigen van baggerspecie heeft een zekere milieuverdienste tot gevolg, terwijl het behalen van deze verdienste gepaard gaat met een bepaalde milieubelasting. De milieuverdienste is in tabel 1 uitgedrukt in het prestatiegebied (type specie en type stoffen) en de milieuwinst (hoeveelheid van in situ droge stof die tot product wordt verwerkt en kwaliteitsverbetering).

De milieuwinst bij landfarming bestaat uit ontwatering, structuursverandering en verbetering van de chemische kwaliteit ten aanzien van minerale olie en PAK gehalten. Door nuttige toepassing van het gerijpte materiaal wordt een besparing op primaire grondstoffen en op benodigde depotruimte bereikt. Voor reinigen in bioreactoren is de milieuwinst hiermee vergelijkbaar.

Overzicht milieuverdiensten biologische technieken

Ten aanzien van de milieubelasting kan worden gesteld dat deze voor de genoemde uitvoeringsvormen zeer verschillend zijn. Voor de aspecten energie-, water- en grondstoffenverbruik als ook afvalproductie, emissies en hinder kan de milieubelasting bij intensieve en extensieve landfarming door de aard van de activiteiten als (zeer) gering worden aangemerkt. Wel erg belangrijk in dit verband is het zeer grote ruimtebeslag van een landfarm. Voor bioreactoren is dit ruimtebeslag uiteraard veel minder, maar ligt het eergieverbruik beduidend hoger.

Toepassingsvoorwaarden
Beleidsmatige voorwaarden voor het kunnen/mogen toepassen van de techniek hebben met name betrekking op de kwaliteit van het te realiseren eindproduct. Bij voorkeur wordt uitgegaan van een productkwaliteit, waarvoor volgens het Besluit bodemkwaliteit geldt dat sprake is van schone grond of grond/baggerspecie die voldoet aan de Maximale Waarden.Verder geldt bij de toepassing op of in landbodem dat de toepassing is gekoppeld aan de gebruiksfunctie op de plek van toepassing en de daar aanwezige bodemkwaliteit. Voor de toepassing in oppervlaktewater wordt niet getoetst aan de functie, maar alleen aan de kwaliteit van de ontvangende waterbodem. Vergunningtechnische toepassingsvoorwaarden betreffen inrichtingseisen en eventueel een mer-plicht in het kader van de Wm, lozingseisen in het kader van de Wvo en mogelijk eisen vanuit de Wro. Technische toepassingsvoorwaarden betreffen de acceptatie criteria van baggerspecie, waarvan de textuur en de kwaliteit en kwantiteit van de specie van belang zijn.

Het toepassingsgebied voor landfarming van baggerspecie is bepaald voor de situatie dat het eindproduct voldoet aan een categorie 1 of 2 bouwstof volgens het voormalige Bouwstoffenbesluit.

Bij de inwerkingtreding van het Besluit bodemkwaliteit is de normering van veel parameters gewijzigd. Voor sommige stoffen is de normering soepeler geworden, maar voor sommige ook strenger. Hierdoor kunnen de toepassingsmogelijkheden op dat onderdeel verschillen van het toepassingsgebied zoals dat in de onderstaande tabel schematisch is weergegeven.

Voor zware metalen is landfarming in principe niet toepasbaar, omdat de metalen niet te verwijderen zijn. Wanneer een cocktail van verontreinigingen aanwezig is, bepaalt de mate van aanwezigheid van zware metalen de toepasbaarheid. Fytoremediatie, de inzet van planten die zware metalen kunnen opnemen, biedt op de lange termijn perspectief op de verwijdering van zware metalen. Deze techniek wordt in Nederland echter niet op praktijkschaal toegepast.

Landfarming is bij de aanwezigheid van organisch (micro)verontreinigingen mogelijk toepasbaar. De toepasbaarheid in zandige baggerpecie is iets groter, omdat daarin vanwege het grotere porievolume beter zuurstof intreedt. Bij kleiig/siltig baggerspecie is het eenvoudiger om de bacteriële activiteit te stimuleren vanwege een hoger organische stofgehalte en nutriëntengehalte, maar de lagere doorlatendheid zorgt voor een limitering van de zuurstofindringing. Verder is de toepasbaarheid afhankelijk van factoren als beginconcentraties, duur en intensiteit van de behandeling.

D KOSTEN

De kosten per ton droge stof variëren van circa € 22 tot € 30 (of € 17 tot € 20 bij onderafdichting met compost) voor landfarming tot aan € 31 tot € 39 voor reactortechnieken.

De grootste kostenposten voor Intensieve landfarming liggen in de investeringskosten voor drainzand en folie (ca. 75% van investering). Landfarming met compost als onderlaag leidt tot meer dan een 50%-reductie van de investeringskosten en een verlaging in de kostprijs van € 20 naar € 16 per ton droge stof.

E TRENDS EN ONTWIKKELINGEN

Als belangrijke trends en ontwikkelingen kunnen worden genoemd:

• De toepassing van toeslagmiddelen bij landfarming voor het vergroten van de aërobe structuur of het vergroten van de biobeschikbaarheid;
• De mogelijkheden om aan extensieve landfarming een tweede nuttige functie van het gebied te koppelen;
• Landfarming en fytoremediatie voor zware metalen in combinatie toe te passen;
• Het onderzoek naar reiniging van met gechloreerde stoffen vervuilde specie;
• De aanpassing van de norm voor minerale olie.