Natuurlijke nazuivering verwijdert ammoniumpieken uit het effluent van rwzi Winterswijk

Om ammoniumpieken in het effluent van rwzi Winterswijk te verminderen wordt een voor Nederland nieuw concept, ‘sequence batch wetland’, gerealiseerd. Deze natuurlijke nazuivering combineert buffering en biologische omzetting van ammonium in een systeem met variabele waterstanden.

Download hier de pdf van dit artikel.

Geschreven door Joost van den Bulk, (TAUW), Gert van der Scheer, Jeroen Gmelig Meyling (Aveco de Bondt), Sabine Tankink, Annemarie Kramer-Hoenderboom (Waterschap Rijn en IJssel) 

Rwzi Winterswijk, een rioolwaterzuivering van Waterschap Rijn en IJssel (WRIJ), heeft een capaciteit van 83.000 inwonersequivalenten (i.e.) en ontvangt afvalwater uit stedelijk gebied via een lange persleiding. Tijdens perioden met hevige neerslag ontstaat hierdoor een bijzondere situatie. De persleiding wordt als het ware in één keer doorgespoeld, waardoor afvalwater dat al aanwezig is in de leiding versneld de rwzi bereikt. Deze ‘prop’ afvalwater leidt tot een piekbelasting van de rwzi en een verhoogde ammoniumconcentratie in het effluent.

Variantenstudie
Hoewel de biologische zuivering en de in 2025 gerealiseerde technische nazuivering een groot deel van de ammoniumvracht verwijderen, is dit bij langdurige en/of forse neerslag nog niet voldoende. De verblijftijd in de biologische zuivering is in dat geval te kort en de ammoniumvracht te groot. Een deel van het gezuiverde water wordt dan om de technische nazuivering heen geleid en niet extra gezuiverd. Hierdoor ontstaan tijdelijk verhoogde ammoniumconcentraties in het effluent. Deze pieken leiden tot zuurstoftekorten in het oppervlaktewater en mogelijk tot ammoniaktoxiciteit. In een variantenstudie heeft WRIJ twee maatregelen onderzocht om deze pieken verder te beperken:

• influentbuffer;
• natuurlijke nazuivering in verschillende uitvoeringsvormen.

Het idee achter de influentbuffer is om een (deel van de) ammoniumpiek aan de voorkant te bufferen in een buffertank. De inhoud van de buffertank kan op een later moment geleidelijk verpompt worden naar de rwzi. Zo wordt de piekbelasting verminderd en zijn de nitrificeerders beter in staat de piek te verwerken. De influentbuffer is een betonnen tank waarin de toevoer naar de rwzi gedurende enkele uren gebufferd kan worden.

Als alternatief voor de influentbuffer zijn verschillende types natuurlijke nazuivering beschouwd, waaronder vloeivelden, infiltratievelden en het sequence batch wetland. Infiltratievelden kunnen ammonium omzetten in nitraat. Een nadeel van een infiltratieveld zijn echter de relatief hoge kosten. Het vloeiveld is een eenvoudig en betaalbaar systeem met een natuurlijke uitstraling, maar levert een laag omzetrendement op voor ammonium. Het sequence batch wetland (SBW) combineert de voordelen van lage investeringskosten en een natuurlijke uitstraling met een effectieve omzetting van ammonium. Door het variërende waterpeil biedt het SBW de mogelijkheid om een grote hoeveelheid water te bufferen waarna gebufferd ammonium geleidelijk wordt omgezet.

Uit de variantenstudie is geconcludeerd dat het SBW het meest effectief is voor het afvlakken en verwijderen van ammoniumpieken tijdens regenweeraanvoer.

Tijdelijke berging in sequence batch wetland
De gekozen oplossing bestaat uit een SBW met een oppervlakte van ongeveer 10 hectare direct achter de rwzi. Het ontwerp is specifiek gericht op het opvangen, bufferen en biologisch afbreken van ammoniumpieken.

Bij droogweeraanvoer (ca. 300m3/uur) stroomt het effluent door een smalle, meanderende beek (zie afbeelding 1, boven). Vervolgens loost het systeem op het ontvangende oppervlaktewater. Tijdens regenweeraanvoer (max. 2.800m3/uur) kan de ammoniumconcentratie in de rwzi oplopen en treedt het SBW in werking. Een afsluiter aan het uiteinde van het systeem sluit, waardoor water tijdelijk in het gebied wordt vastgehouden. De natuurlijke nazuivering vult zich dan geleidelijk met effluent van de rwzi (afbeelding 1, onder).

Deze tijdelijke berging vergroot de verblijftijd van het water. Daardoor krijgen micro-organismen (in de bodem) voldoende tijd om ammonium onder invloed van zuurstof biologisch om te zetten naar nitraat (NO3-). Nadat de piekbelasting is verwerkt, opent de afsluiter weer en loopt het systeem gecontroleerd leeg. Naar verwachting zal de afsluiter ongeveer drie dagen dicht blijven, maar dat is afhankelijk van de ontwikkeling van de ammoniumconcentratie in het systeem. Na oplevering wordt het systeem intensief gemonitord om tot een optimale bedrijfsvoering te komen.

Een SBW-systeem om afvoerpieken op te vangen is voor zover bekend nieuw. In Zweden zijn vergelijkbare systemen, maar die hebben niet als specifiek doel het afvangen van ammoniumpieken. 

Het ontwerp wijkt af van traditionele helofytenfilters of waterbergingsgebieden. Het primaire doel is namelijk niet de continue verwijdering van nutriënten, maar het tijdelijk opvangen en omzetten van incidentele ammoniumpieken. Door de combinatie van voldoende diepte in het systeem met een uitstroomconstructie met regelbare afsluiter en een overstort, kan een variabel niveau gehanteerd worden. Op het moment dat de neerslagpiek arriveert is het daardoor mogelijk het volume fors te vergroten. De zuurstof die nodig is om ammonium om te zoeken wordt geleverd vanuit de rwzi.

Zuurstof als sleutelfactor
Voor de omzetting van ammonium naar nitraat is voldoende zuurstof nodig. Een voordeel van rwzi Winterswijk is dat het effluent van de technische nazuivering relatief hoge zuurstofconcentraties bevat door de ozondosering in de installatie en het overstorten van het effluent voorafgaand aan de natuurlijke nazuivering. Deze installatie zorgt namelijk niet alleen voor verwijdering van microverontreinigingen, maar brengt ook extra zuurstof in het water. Het effluent voedt de natuurlijke nazuivering daardoor continu met zuurstofrijk water.

Daardoor kon worden gekozen voor een relatief eenvoudig type natuurlijke nazuivering, zonder aanvullende beluchting. De combinatie van buffering, verblijftijd en natuurlijke microbiologische processen vormt de basis van het zuiveringsconcept. 

Voorkomen van nutriëntenafgifte uit de bodem
De bodemkwaliteit vormde een belangrijk aandachtspunt bij het ontwerp. Het gebied waar de natuurlijke nazuivering wordt aangelegd, bestaat uit voormalige landbouwgrond. Deze gronden bevatten vaak aanzienlijke hoeveelheden stikstof en fosfaat in de bouwvoor. Dit is de bovenste, bewerkte laag van landbouwgrond, waarin gewassen wortelen en waarin bodemleven, organische stof en voedingsstoffen zijn geconcentreerd.

Wanneer deze nutriënten onder natte omstandigheden vrijkomen, kan het systeem onbedoeld zelf een bron van verontreiniging worden. Om dit risico in kaart te brengen zijn uitgebreide bodem- en laboratoriumonderzoeken uitgevoerd.

Uit deze onderzoeken bleek dat verwijdering van de nutriëntrijke bovenste (30-40cm) grondlaag voldoende is om ongewenste afgifte van stikstof en fosfaat naar het water te voorkomen. Deze maatregel is daarom opgenomen in het definitieve ontwerp van de natuurlijke nazuivering.

Verwachte prestaties
Modelberekeningen laten zien dat de natuurlijke nazuivering ammoniumpieken aanzienlijk kan reduceren. In een worstcasesituatie daalt de ammoniumconcentratie naar verwachting van 9 à 10 mg NH₄/l naar minder dan 3 mg/l.

De werking van het systeem is in afbeelding 2 doorgerekend voor een representatieve regenbui uit 2025. De gemeten ammoniumconcentratie in het rwzi-effluent bereikte daarbij in de werkelijke situatie een piek van ongeveer 9 mg/l. Na passage door de natuurlijke nazuivering bedraagt de berekende maximale concentratie nog ongeveer 2 mg/l.

De berekeningen tonen aan dat niet alleen de piekconcentratie afneemt, maar ook dat de belasting over een langere periode wordt uitgesmeerd. Hierdoor neemt de impact op het ontvangende oppervlaktewater verder af.

Een uniek concept voor ammoniumpieken
De natuurlijke nazuivering in Winterswijk onderscheidt zich van bestaande natuurlijke zuiveringssystemen doordat deze specifiek is ontworpen voor het opvangen en verwerken van piekbelastingen. Waar andere systemen gericht zijn op continue verwijdering van nutriënten, richt dit concept zich op tijdelijke opslag en gecontroleerde biologische afbraak van ammonium.

Tijdens het ontwerpproces is voortdurend gezocht naar een optimale balans tussen zuiveringsrendement, landschappelijke inpassing, beheer- en onderhoudbaarheid en investerings- en exploitatiekosten. Dit heeft geleid tot een relatief eenvoudig en robuust systeem dat gebruikmaakt van natuurlijke processen en beperkte technische voorzieningen.

Daarmee vormt dit concept een interessant alternatief voor uitbreiding van conventionele zuiveringstechnieken op locaties met voldoende ruimte voor de aanleg van een bergingssysteem.

Conclusie
Rwzi Winterswijk kampt door de specifieke aanvoersituatie met incidentele ammoniumpieken tijdens regenweeraanvoer. Onderzoek naar verschillende maatregelen wees uit dat een natuurlijke nazuivering in de vorm van een sequence batch wetland hiervoor de meest effectieve oplossing is.