Daarom vinden binnen Waternet verschillende onderzoeken plaats naar het functioneren van langzame zandfilters. Daarbij doen we zowel kwantitatief onderzoek (modelleren van de verwijdering van micro-organismen) als kwalitatief onderzoek (microbiologische relevantie). Daarnaast wordt ook extern onderzoek uitgevoerd, zoals het project ‘Slow sand filtration fort he next century’, waarin we het zandfilter sneller en compacter willen maken.
Verwijderingscapaciteit langzaam zandfilter
Het drinkwater maken we zo schoon mogelijk, omdat het moet voldoen aan bepaalde microbiologische normen. Hoe weten we nu of onze zuivering in voldoende mate bacteriën en virussen verwijdert? Tja, dat is dus een lastig verhaal... Doordat het water zó schoon is aan het eind van de waterzuivering kunnen microbiologische parameters maar beperkt worden worden gemeten. Daarom zijn er modellen die de verwijdering van micro-organismen door het langzame zandfilter benaderen.
Filtratiesnelheid of korrelgrootte
De mate van verwijdering door langzame zandfilters is afhankelijk van verschillende factoren. Zo spelen de korrelgrootte en de filtratiesnelheid een grote rol in de verwijdering. Het probleem is echter dat het ene model stelt dat de filtratiesnelheid van grotere invloed is, terwijl het andere model stelt dat de korrelgrootte de grootste invloed heeft op de verwijdering. Door middel van doseringsproeven proberen we te achterhalen welk model het bij het juiste eind heeft. Bij een doseringsproef doseren we grote hoeveelheden micro-organismen in het aanvoerwater, waardoor we zelfs na de filtratie micro-organismen boven de detectiegrens kunnen meten. De uitkomsten van deze proeven kunnen ons dan helpen bij de keuze van het zandtype dat we nodig hebben voor de toekomstige langzame zandfilters én hoe we deze filters moeten gaan bedrijven (filtratiesnelheid). Deze doseringsproeven worden uitgevoerd op een schaal 1:100 ten opzichte van de productieschaal in het bedrijf.
Foto 1: Langzame zandfilters op testschaal 1:100. Hier wordt het kwantitatief onderzoek op uitgevoerd: de doseerproeven.
Schmutzdecke
In in oktober 2020 zijn we doseerproeven gaan doen, maar we waren al eerder gestart met het experiment. Dat komt omdat de Schmutzdecke (een belangrijke factor in het verwijderen van micro-organismen) ongeveer een half jaar nodig heeft om zich te ontwikkelen naar een goed ontwikkelde laag. De Schmutzdecke betekent ‘vieze laag’ in het Duits. Het is de bovenste laag van het langzame zandfilter, die bestaat uit organisch materiaal inclusief micro-organismen, zoals bacteriën, schimmels en protozoa.
Microbiologische relevantie langzaam zandfilter
Naast een kwantitatieve benadering van de werking van een langzaam zandfilter (eliminatiecapaciteit) keken we ook naar de ontwikkeling van de kwalitatieve microbiologische samenstelling van het influent, van het effluent en van de Schmutzdecke. Via DNA-analyses hebben we kennis te vergaart over de vraag wat voor soort organismen zich bevinden in de Schmutzdecke en wat voor rol ze spelen in de verwijderingscapaciteit van een langzaam zandfilter.
Waarom weten we zo weinig van de Schmutzdecke?
Dit komt enerzijds doordat de bemonstering een lastige opgave is en anderzijds doordat de belangrijkste microbiologische techniek van ons detectievenster zich baseert op de kweekbaarheid van micro-organismen. Het merendeel van de microbiologische processen speelt zich echter af buiten dit detectievenster en daar hebben we nu geen zicht op. Met de ontwikkeling van DNA-sequencing, gebaseerd op de aantoonbaarheid van DNA en RNA (genetische informatie) kan veel meer inzicht worden verkregen omtrent de aanwezigheid van (niet-kweekbare) organismen (DNA) en de activiteit van organismen en biologische (omzettings)processen (RNA).
Foto 2: Langzame zandfilters op testschaal 1:100. Hier wordt het kwantitatief onderzoek op uitgevoerd: de doseerproeven.
Kleinschalig
Dit kwalitatieve onderzoek voerden we uit op een kleinere schaal dan het kwantitatieve onderzoek (schaal 1:10.000 vergeleken met de filters in het bedrijf). Deze kleine testversie is bovendien zodanig opgebouwd dat het filter halverwege kan worden afgekoppeld om monsters te nemen van het filterbed.
Resultaat
Vier verschillende langzame zandfilters (pilotschaal en labschaal) zijn gedurende ongeveer één jaar gemonitord met behulp van Next Generation Sequencing (NGS). Het doel was om een eerste inzicht te verkrijgen in de microbiële ontwikkeling van de zandfilters in de tijd. Een aantal opvallende ontwikkelingen in de schmutzdecke van de labschaalfilters wordt hieronder kort samengevat:
In de schmutzdecke is een toename in aantal soorten en soortendiversteit in de tijd waargenomen. Met name in de eerste vijf maanden is er een sterk verloop in verschillende microbiële groepen te zien. Na vijf maanden blijft de microbiële samenstelling op hoofdlijnen gelijk. Deze informatie helpt om te bepalen hoe lang het duurt voordat een nieuw langzaam zandfilter in bedrijf kan worden genomen en welke basismicrobiologie nodig is voor een goede waterbehandeling. Zo kunnen mogelijk ook strategieën worden getest om de opstartfase te versnellen, zoals bijvoorbeeld het enten van de benodigde basismicro-organismen.
De weerstandsopbouw is niet lineair in de tijd, maar wordt beïnvloed door aanwezigheid van de biologie.
Nitrospira spp. is in de schmutzdecke de dominante nitrificeerder. De afwezigheid van dominante ammonium oxiderende micro-organismen in de schmutzdecke doet vermoeden dat ook Nitrospira-soorten die Comammox uitvoeren aanwezig zijn. De toename in percentage nitrificeerders en handhaving hiervan in de schmutzdecke suggereert dat ze een functionele rol hebben.
Dieper in het filterbed wordt juist de ammonium oxiderende archaeon Nitrosopumilus spp. de dominante nitrificeerder. Dit toont aan dat zich ook dieper in het filterbed een functionele microbiële populatie ontwikkelt en handhaaft.
Hoewel de vier filters verschillend bedreven werden (verschillende korreldiameter en/of filtratiesnelheid) wordt op hoofdlijnen eenzelfde patroon van ontwikkeling van de schmutzedecke waargenomen. Nader onderzoek van de data moet uitwijzen of – en zo ja welke – verschillen ontstaan en wat het effect hiervan is op de effluentkwaliteit.
Dit is met name gericht op de algemene ontwikkeling van de schmutzdecke met de tijd. Echter bevatten de verkregen microbiële data nog veel meer informatie dan hier is behandeld. Bijvoorbeeld welke verschillen er ontstaan tussen de vier filters, hoe het effluent verschilt ten opzichte van het influent en wat dit kan betekenen voor de microbiële stabiliteit van het geproduceerde drinkwater.
Zo is bijvoorbeeld waargenomen dat de microbiële samenstelling van het influentwater sterker varieert in de tijd dan het behandelde effluentwater. De inzichten die hiermee worden verkregen kunnen op termijn helpen bij het optimaliseren van de bedrijfsvoering van langzame zandfilters en het terugdringen van de periodes waarin een filter uit bedrijf is. Dit is nog maar het begin van het ontrafelen van de het biologische raadsel van het langzame zandfilter.