De rwzi Winterswijk heeft eind 2024 een vierde zuiveringstrap in gebruik genomen. De integrale nabehandeling functioneert stabiel en toekomstbestendig en draagt aantoonbaar bij aan een betere waterkwaliteit.
Geschreven door Tiza Spit, Coen de Jong (Witteveen+Bos), Koen van Gijn, Annemarie Kramer-Hoenderboom (Waterschap Rijn en IJssel), Jalmar Hobelman (Nijhuis Saur Industries)
Download hier de pdf van dit artikel.
Waterschap Rijn en IJssel (WRIJ) heeft voor de derde planperiode van de KRW de opgave om nutriënten vergaand te verwijderen om de belasting uit vier rwzi’s naar het oppervlaktewater te verminderen. Een van deze rwzI’s is rwzi Winterswijk, die loost op de Groenlose Slinge, een permanent stromende laaglandbeek waar bijzondere en kwetsbare soorten voorkomen. De rwzi moet meer fosfor en ammonium verwijderen en zorgen voor een minimale zuurstofconcentratie om een gezonde waterkwaliteit te kunnen garanderen. Daarbij heeft WRIJ ervoor gekozen om de waterkwaliteit verder te verbeteren door de verwijdering van medicijnresten mee te nemen in het ontwerp. De rwzi Winterswijk is een van de veertien full-scale demonstratie-installaties die heeft deelgenomen aan de eerste tranche van de subsidieregeling ‘stimuleren verwijdering medicijnresten’ van het ministerie van Infrastructuur en Waterstaat.
Eind 2024 heeft WRIJ op rwzi Winterswijk hiervoor een vierde zuiveringstrap in bedrijf genomen voor de behandeling van 250 tot 860 m3 effluent. Het waterschap heeft ervoor gekozen om een integrale techniek toe te passen waarmee zowel microverontreinigingen (micro’s), zoals medicijnresten, als fosfor en ammonium vergaand uit afvalwater worden verwijderd. Deze trap bestaat uit ozonisatie gevolgd door biologische actiefkoolfiltratie (O3-BAKF), met dosering van coagulanten (vlokmiddelen). De ozonisatie uitgevoerd volgens het MicroOxi-concept van Nijhuis en de actiefkoolfiltratie uitgevoerd als Biologische actieve koolfiltratie met zuurstofdosering (BODAC). Het doel van de nazuivering is duidelijk: medicijnresten, zwevende stof, fosfaat en ammonium verwijderen, ecotoxicologische effecten met meer dan 50% verkleinen en het risico op bromaatvorming minimaliseren. De installatie is geselecteerd, ontworpen en gebouwd met een bouwteamconstructie samen met bouwcombinatie CLC Water. In dit artikel nemen we u mee in de ontwerpkeuzes, de leerervaringen uit de inbedrijfname en de resultaten die daarna volgden.
Aanpak technologische inbedrijfname
In november 2024 is de bouw van de installatie afgerond en is de installatie in gebruik genomen. De technologische ingebruikname bestond uit twee fases met elk een eigen doelstelling: bepalen met welke instellingen zo efficiënt mogelijk aan de vereisten kon worden voldaan (fase 1) en toetsen of de installatie aan alle gestelde criteria van het waterschap kon voldoen (fase 2). Belangrijke onderzoekspunten voor fase 1 waren de optimale ozondosering en de keuze voor het inbrengen van het ozongas met de stroming van het effluent mee (meestrooms) of juist daar tegenin (tegenstrooms). Voor fase 2 was vooral het verwijderingsrendement van de installatie van belang: of de installatie aan alle verwachtingen kan voldoen. De verwachting van de O3-BAKF installatie is immers dat het fosfaat afneemt door coagulatie en filtratie, het ammonium biologisch wordt omgezet, en de medicijnresten worden afgevangen en chemisch en biologisch afbreken of adsorberen.
Uitdagingen inbedrijfname
De voornaamste uitdaging bij de inbedrijfname van de ozoninstallatie was het optreden van drukschommelingen in de contacttank, veroorzaakt door kleine niveauverschillen tussen het instromende water en het uitgaande water. Omdat de tank een gesloten systeem is, activeerden deze schommelingen regelmatig de veiligheidssystemen, waardoor de ozonbehandeling werd afgeschakeld. Dit probleem ontstond doordat het water niet via een overstort werd afgevoerd, maar via pompen naar de BAKF-behandeling. Verschillen in pompcapaciteit konden zo leiden tot drukvariaties.
De oplossing bestond uit drie maatregelen:
1. Afstemming van pompen – Beide pompen zijn in samenwerking met een specialist optimaal op elkaar afgestemd.
2. Slimme-gemalen-regeling – Het waterschap heeft een regeling ingevoerd die het aanvoerdebiet van de nabehandeling stabiliseert en afvlakt.
3. Herziening van grenswaarden – Veiligheidsinstellingen zijn waar mogelijk verruimd. De veiligheidsmarges bleken aan de conservatieve kant en konden verruimd worden zonder concessies aan veiligheid.
Door deze ingrepen functioneert de ozonbehandeling nu betrouwbaar en stabiel.
Uitkomsten instellingen fase 1
In de eerste fase is de juiste ozondosering afgeleid. Dit is een belangrijke factor in de zuiveringsprestatie, de beheerkosten en duurzaamheid (zuurstof, energieverbruik en standtijd actiefkool). Daarnaast wordt het risico op bromaatvorming geminimaliseerd. Dosering moet niet te hoog zijn, maar ook niet te laag om het samenstel tussen ozon en actiefkool te optimaliseren. De ‘relatieve’ ozondosering wordt mede bepaald op basis van de concentratie opgelost organisch koolstof (DOC) (g O3/g DOCeq.). De DOC-concentraties zijn immers erg belangrijk voor de efficiëntie van zowel de ozon- als de actiefkoolbehandeling. In het afvalwater van RWZI Winterswijk zijn de DOC-concentraties aan de hoge kant (ongeveer 20 mg DOC/L), waardoor de ‘absolute’ dosering (in mg O3/L) hoger is dan bij zuiveringen met een lagere DOC-concentratie en een vergelijkbare relatieve ozondosering.
Afbeelding 1. Gemiddelde verwijdering van alle gemeten microverontreinigingen bij verschillende ozonconcentraties
In afbeelding 1 zijn de verwijderingsrendementen bij de verschillende ozondoseringen (oranje) en na de biologische actiefkoolfiltratie weergegeven. Op basis van deze resultaten en resultaten bij referentiezuiveringen in Zwitserland, is op rwzi Winterswijk gekozen voor een dosering van 0,15 g O3/g DOCeq. als uitgangspunt. In de loop van de tijd kan deze worden bijgesteld op basis van meetresultaten en operationele ervaringen.
Om te voldoen aan de eisen voor medicijnrestenverwijdering wordt bij een enkelvoudige ozonbehandeling doorgaans een dosering van 0,3 tot 0,7 g O₃/g DOCeq. toegepast. Deze waarde varieert echter sterk per zuivering, afhankelijk van de bijdrage van de primaire behandeling. In Winterswijk fungeert BAKF als hoofdstap in de nabehandeling, terwijl ozon vooral wordt ingezet om de standtijd van BAKF te verlengen. Daarom is gekozen voor lagere ozondoseringen.
Uit analyses blijkt dat bij een hogere ozondosering meer medicijnresten via ozon worden verwijderd, maar dat de totale verwijdering nauwelijks toeneemt. Dit patroon wordt ook waargenomen bij andere nabehandelingsconcepten en is dus niet uniek voor Winterswijk: de technieken vullen elkaar aan. Dit is positief voor de breedte van het scala aan medicijnresten dat kan worden verwijderd en voor de robuustheid van het systeem: als een behandelingsstap (gedeeltelijk) uitvalt kan de andere stap het overgebleven aandeel overnemen, zonder dat het totale verwijderingsrendement in gevaar komt. Het hoge verwijderingsrendement wordt gedeeltelijk verklaard doordat het actiefkool vers is en hieraan nog veel sorptie (vastplakken) kan plaatsvinden. Naar verwachting zal op den duur ook biologische afbraak een rol spelen. Door deze synergie tussen ozon en BAKF ontstaat een stabiele, efficiënte en toekomstbestendige nabehandeling.
Ozon meestrooms of tegenstrooms doseren
Ozongas kan met de stroomrichting van het water mee worden gedoseerd of juist tegen de stroomrichting van het water in [1]. Omdat de ozoninstallatie bij Winterswijk met beide instellingen kan draaien, zijn de verwijderingsrendementen voor beide instellingen met elkaar vergeleken (afbeelding 2).
Afbeelding 2. Verwijderingsrendement van de O3-BAKF voor verschillende ozondoseringen, berekend over alle microverontreinigingen. Groep 1 zijn de gidsstoffen die bekend staan als beter te verwijderen dan die in groep 2
Zoals te zien is in afbeelding 2, zijn tussen het mee- en tegenstroomsprincipe geen (significante) verschillen gevonden. Omdat tegenstrooms de tot op heden bekende en gangbare manier van doseren is, is voor fase 2 gekozen voor het tegenstroomsprincipe.
Resultaten fase 2
De O3-BAKF-installatie draait nu bijna een jaar met de gekozen instellingen en de resultaten zijn goed.
Microverontreinigingen
Van de elf gidsstoffen die als referentie dienen volgens richtlijnen van STOWA en het Innovatieprogramma Microverontreinigingen uit Afvalwater (IPMV), nemen er zeven significant af. Samen verwijderen de nabehandelingsinstallatie en hoofdzuivering meer dan 90 % van de ‘micro’s’. In hoeverre de ozon de standtijd van het actiefkoolfilter verlengt, zal na verloop van tijd pas blijken.
Tot nu toe, met ruwweg 18.000 behandelde bedvolumes, wordt er nog geen significante afname in verwijderingscapaciteit van de BAKF’s waargenomen. Wel blijkt uit vergelijkende analyses met zuiveringen zonder ozon dat het verwijderingsrendement nu al langer aanhoudt: bij conventionele GAK-filters wordt al eerder een afname gezien en is de standtijd waarbij medicijnen tot op zekere hoogte worden verwijderd 15.000 bedvolumes [2]. Bovendien verwijdert de combinatie van technologieën een bredere groep micro’s (afbeeldingen 3 en 4).
Afbeelding 3. Gemiddelde verwijderingen van alle geslaagde 48-uursbemonsteringen over de hele RWZI (n=9)
Afbeelding 4. Verwijderingen per meetdag (48-uursmonsters, t.o.v. effluent hoofdzuivering), gerekend naar 7 van 11 STOWA-gidsstoffen
Bromaat en ecotoxicologie
Een belangrijk voordeel van de combinatie O3-BAKF is dat de lage ozondosering en de buffering door BAKF van eventuele bijproducten, de bromaatvorming beperken. Op RWZI Winterswijk werd dan ook gedurende het eerste jaar in bedrijf geen bromaat boven detectiegrenzen gemeten na ozonisatie. De gemeten waarden lagen steeds onder de rapportagegrens die schommelt tussen 0,1 en 0,5 µg/L. Tegelijkertijd toonden bioassays een duidelijke vermindering van ecotoxicologische risico’s. Gemiddeld nam het ecotoxicologisch effect met 66 % af ten opzichte van het water uit de biologische zuivering (afloop nabezinktanks). Dit ligt ruim boven de gestelde streefwaarde van 50 %.
Ammonium en fosfaat
Ook de resultaten voor ammonium zijn positief. Het zuurstofgehalte in de BAKF was hoog en de biologische processen startten al snel op. Binnen een maand na het aanzetten van de installatie daalde de ammoniumconcentratie in het effluent tot onder de detectielimiet, ondanks de opstart in de relatief koude maand november. Bij droog weer zonder bypass wordt al het ammonium geoxideerd. Bij regenweer is het lastig te zien wat er precies gebeurt, omdat de analyzer in het effluent hangt en dus ook de concentratie in de bypass meet. Dit maakt het lastig om de resultaten te evalueren, maar is vanuit het waterschap gezien logisch.
Ook de fosfaatconcentratie van het effluent blijft met een beperkte coagulantdosering laag. De biologische fosfaatverwijdering werkt al erg goed en haalt meestal effluentconcentraties onder de 0,5 mg-P/L aan Ptotaal (Ptot) in het effluent (afgezien van pieken bij regenwaterafvoer). De combinatie van dosering en filtratie in de nabehandeling verlaagt de P-concentraties verder. Deze lijken tot nu toe rond 0,15 mg-P/L aan Ptot te zijn op de dagen waarop bemonsterd is.
WRIJ heeft met gemeenten een ‘slimme gemalenregeling’ ontwikkeld om de aanvoer van afvalwater zoveel mogelijk constant te houden tussen 250 en 860 m3/uur. Dit vermindert zowel ammonium- als fosfaatpieken. Uit de technologische inbedrijfstelling is gebleken dat deze regeling van grote waarde is voor de efficiëntie van de O3-BAKF.
Conclusie
De technologische ingebruikname van de nabehandeling op rwzi Winterswijk is succesvol afgerond, met een goed samenspel tussen de slimme gemalenregeling en technologieën: ozon (MicroOxi), biologisch actiefkool (BODAC) en coagulantdosering. Het resultaat is een verbeterde waterkwaliteit door efficiënte verwijdering van medicijnresten, een gereduceerde ecotoxicologische belasting en een betere beheersing van fosfaat, ammonium en zwevende stof. De bromaatconcentratie blijft in alle metingen onder het detectieniveau.
Het pad naar de toekomst ligt in voortzetting van de monitoring, gericht op het verder optimaliseren van de doseringen en spoelfrequenties, en in het trainen van operators. De komende maanden wordt bovendien verder geanalyseerd wat de effecten van deze verbetering zijn op de waterkwaliteit van de Groenlose Slinge, waarop het effluent wordt geloosd.
Samenvatting
RWZI Winterswijk heeft eind 2024 een vierde zuiveringstrap in gebruik genomen met ozon, biologisch actiefkool en coagulantdosering. Deze combinatie verwijdert meer dan 90% van de medicijnresten, verlaagt de concentratie fosfaat en reduceert die van ammonium tot onder de detectielimiet. Ecotoxicologische effecten nemen af en bromaat blijft onder de detectiegrens. De gekozen lage ozondosering blijkt efficiënt en robuust, mede door synergie met actiefkool en een slimme gemalenregeling. De integrale nabehandeling functioneert stabiel en toekomstbestendig en draagt aantoonbaar bij aan een betere waterkwaliteit.
REFERENTIES
1. Chen, Y. H. et al. (2003). ‘Dynamic behavior of ozonation with pollutant in a countercurrent bubble column with oxygen mass transfer’. Water Res 37(11). Doi: 10.1016/S0043-1354(03)00085-X. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12753835/#:~:text=Abstract,of%20dissolved%20oxygen%20is%20uncertain.
2. Spit, T., Luimstra, V., Van der Hoek, J. P., Morgenschweis, C., Bechger, M., & Van den Eijnde, T. (2023). ‘Vergaande verwijdering van nutriënten, microverontreinigingen en zwevende stof met O3-STEP’. H2O-Online, 18 oktober 2023.
https://www.h2owaternetwerk.nl/vakartikelen/vergaande-verwijdering-van-nutrienten-microverontreinigingen-en-zwevende-stof-meto3-step
