Bronproblemen door sulfaatreductie

Inleiding

In Nederland zijn er in de afgelopen decennia veel bronnen gerealiseerd voor bodemenergiesystemen. Ontwerpers, onderhoudsbedrijven, boorfirma’s en adviseurs hebben hierdoor veel kennis en ervaring kunnen opdoen over bodem en water. De kwaliteit van het merendeel van de gerealiseerde bronnen is van een hoog niveau en bronontwerp is goed onder controle.

In de laatste 5 à 6 jaren zijn er echter alsnog problemen ontstaan bij bronnen voor WKO-systemen (open bodemenergiesystemen), die vaak al jarenlang weinig tot niet achteruit gingen in conditie. Pas na langdurig gebruik werd het specifieke debiet (doorvoercapaciteit in kubieke meter per seconde) van de bronnen minder, zonder direct aantoonbare oorzaak. Dit gaf aanleiding om te onderzoeken wat de reden is dat bronnen pas na jarenlang gebruik slechter zijn gaan functioneren.

Onderzoek

Door de werkgroep Kennis van Branchevereniging Bodemenergie is opdracht gegeven aan Installect Advies en IF Technology om nader onderzoek te doen naar deze problematiek bij open bodemenergiesystemen. Na het verzamelen van actuele gegevens van projecten waar deze problemen geconstateerd zijn, is uiteindelijk een inzichtelijk rapport verschenen waarin duidelijke conclusies zijn beschreven over het probleem dat wordt veroorzaakt door het mengen van grondwater met verschillende redoxtoestanden wat het proces van sulfaatreductie bevordert. Voor een goede doorvoercapaciteit van een bodembron is de aanwezigheid van sulfaat een belangrijke factor.

Sulfaatreducerende omstandigheden komen in een groot deel van Nederland voor. Het leidt echter lang niet altijd tot problemen voor bronnen. Waar deze wel en waar niet te verwachten zijn is beschreven in het rapport over putverstopping door sulfaatreductie. Een combinatie van processen draagt bij aan het ontstaan en de snelheid van de bronverstopping:

• Vorming en groei van biomassa;
• Vorming van ijzersulfiden;
• Verhoogde mate van verstopping door deeltjes.

Oorzaak sulfaatreductie

De oorzaak zit vooral in menging van verschillende watertypen met verschillende redoxtoestand. Redoxproblematiek door ijzerverstopping is algemeen bekend, er zijn echter meerdere redoxtoestanden in bodem en water dan alleen zuurstof en ijzer. Nitraat-, mangaan-, ijzer(hydr)oxides en sulfaatreductie nemen ieder hun plek in naarmate grondwater meer gereduceerd raakt. En kunnen dus ook voor reacties zorgen waardoor vorming van ongewenste stoffen in het grondwater ontstaan.

Grondwaterkwaliteit

Grondwaterkwaliteit wordt bepaald door vele omstandigheden. Zo kennen we zoet, brak en zout grondwater als belangrijke bepalende kwaliteiten. Wat echter ook meespeelt in het totale proces van waterkwaliteiten is de oorsprong van het water in een watervoerend pakket. Zo heeft regenwater dat via veenpakketten en veenlagen in de ondergrond terecht is gekomen een hele andere samenstelling dan het diepere zoute grondwater dat afkomstig is uit zeewater en zijn er door menging van waterkwaliteiten in de bodem ook allerlei tussenvormen aanwezig.

Bodemleven

En dan hebben we natuurlijk ook nog het bodemleven, de bacteriën, die een grote rol kunnen spelen in de processen die in de bodem plaatsvinden. Door toepassing van bronnen in de bodem waarbij netto geen grondwater wordt verbruikt (bodemenergiebronnen) wordt water heen en weer verplaatst in de bodem. Als daarbij menging plaatsvindt van verschillende typen grondwater, kunnen daardoor stoffen bij elkaar worden gebracht die voor bacteriën bruikbaar zijn: dit betekent dat sprake is van aanvoer van ‘voedsel’ voor reacties en bacteriën. Met name bij menging van grondwater dat rijk is aan sulfaat en grondwater dat verhoogde concentraties organisch koolstof bevat, ontstaat een gunstig klimaat voor biologische afbraak van sulfaat. Het proces van sulfaatreductie door bacteriën, dat van nature zeer traag verloopt, wordt door de menging versneld en leidt tot de vorming van verstoppend materiaal.

Langdurig gebruik bronnen

In de eerste jaren van gebruik van bronnen kan de vorming van verstoppend materiaal dermate langzaam verlopen dat het niet wordt opgemerkt. Naarmate het bronsysteem langer in gebruik is kunnen de bacteriën exponentieel toenemen en op deze manier het vormingsproces van verstoppend materiaal steeds verder versnellen. De combinatie van gevormde biomassa en ijzersulfiden kan dan op termijn tot putverstoppingsproblemen leiden. In onderzochte gevallen kan het wel 5 tot 15 jaar duren voor de problemen worden gesignaleerd.

Het proces van verstopping kan sneller verlopen in de warme bron dan in de koude bron omdat (bio)chemische processen bij hogere temperatuur sneller verlopen. Ook de balanssituatie van de bronnen kan een rol spelen. Door verschuiving van de balans wordt meer ‘vers’ water aangetrokken waardoor het proces nog extra versneld wordt.

De onderzochte projecten die gebruikt zijn voor het onderzoek bevinden zich vooral in de regio Amsterdam. De problematiek kan echter overal voorkomen waar vergelijkbare menging van verschillende typen grondwater plaatsvindt.

Oplossingen bij het ontwerpen van nieuwe systemen

Dat er processen in de bodem kunnen optreden als gevolg van grondwaterverplaatsing betekent niet dat de realisatie van bronnen nadelig is of altijd tot problemen zal leiden. Het is wel belangrijk om kennis te hebben van het bestaan ervan en er rekening mee te houden bij het maken van nieuwe ontwerpen voor bronnen.

Het mengen van grondwatertypen met sulfaat en organische stof moet zoveel mogelijk worden vermeden. Een goed inzicht in de waterkwaliteiten op een projectlocatie is essentieel voor een goed ontwerp.

Schematische weergave van de ontwikkeling van de watersamenstelling naarmate het grondwater steeds verder gereduceerd raakt (bron grafiek links: Appelo en Postma, 1993; indeling redoxtoestanden gebaseerd op Griffioen et al., 1997).

In Amsterdam worden de bronfilters bij voorkeur geplaatst onder de grondwaterkwaliteitsovergang van in het sulfaatrijke, zoute grondwater. In Amsterdam bevindt de grondwaterkwaliteitsovergang zich globaal tussen 60 à 70 m-mv en 100 à 120 m-mv. Boven deze grondwaterkwaliteitsovergang is zoet tot licht zout grondwater aanwezig met zeer lage concentraties sulfaat, dat verhoogde concentraties afbreekbaar organische koolstof bevat. Het grondwater onder de overgang is zout en sulfaatrijk.

Geadviseerd wordt om voor elk project een goed onderzoek te doen naar de grondwaterkwaliteiten en het ontwerp daarop aan te passen. Dit geldt ook voor de overige delen van Nederland waar een vergelijkbare overgang in grondwaterkwaliteit aanwezig is op of nabij de dieptetrajecten die bruikbaar zijn voor open bodemenergiesystemen.

Maatregelen voor bestaande systemen

Putverstopping door sulfaatreductie is een lastig op te lossen probleem. Mechanische en chemische reinigingsacties hebben vaak maar een tijdelijk effect. Zeker als de oorzaak (mengen van waterkwaliteiten) in stand blijft. Behalve de verstopping moet dus ook waar mogelijk de oorzaak worden weggenomen, waar mogelijk. Ook hier is het belangrijk om inzicht te hebben in de diepte van de overgang van de waterkwaliteiten en in hoeverre aanhoudende menging kan worden voorkomen. Sturen op water(on)balans kan dan helpen. Alles moet natuurlijk wel passen bij de bedrijfsvoering.

Bij monobronnen kan ervoor worden gekozen om meer grondwater van het diepe bronfilter naar het ondiepe bronfilter te verpompen dan omgekeerd. Zodoende wordt het ondiepe grondwater weggeduwd en verpompt het systeem vooral diep zout grondwater.

Conclusie

Bronverstopping door sulfaatreductie wordt voornamelijk veroorzaakt door menging van verschillende grondwaterkwaliteiten. Het probleem ontstaat vaak pas na jaren van gebruik van het open bodemenergiesysteem.

Voor ontwerpen van duurzame bronnen is het belangrijk om een goed inzicht te hebben in de overgangsdiepte van de waterkwaliteiten. De beste manier om de verstoppingsproblematiek te voorkomen is ervoor te zorgen dat deze menging niet of nauwelijks optreedt.

Een factsheet die een methode aangeeft om tot goede bronontwerpen voor WKO-systemen te komen, vindt u hier.

Het volledige rapport over sulfaatreductie kunt u hier downloaden.