Chemische erosie en waterkwaliteit: de olifant in de kamer
Diffuse waterverontreiniging, daar gaat het dan over!
In tegenstelling tot puntlozingen, waar je door eenvoudige monitoring van concentraties en debiet, een betrouwbaar beeld krijgt van de geloosde verontreinigingsvracht, is dat heel anders voor diffuse “bronnen” van waterverontreiniging: er is geen sprake van één duidelijke bron en concentraties en vrachten zijn daarom moeilijk vast te stellen. Het is ook heel goed mogelijk dat een diffuse bron lang buiten beeld blijft, ook al is ze erg dominant aanwezig … Uiteindelijk heeft diffuse waterverontreiniging alles te maken met de kennis en inzicht in de werking van (lokale)water- en bodemsystemen.
Meestal wordt diffuse verontreiniging onrechtstreeks beschreven. Dit kan door bv. extrapolatie van lokaal gemeten concentraties, schatten van de hoeveelheid stoffen die door gebruik deels in het water kunnen terechtkomen, onderzoek naar de route die een verontreiniging afgelegd heeft tot ze in het water terecht komt enz. Dit alles maakt dat het moeilijk is om een goed beeld te krijgen van de omvang van diffuse bronnen van waterverontreiniging. Toch wordt in dit document het resultaat gepresenteerd van eigen onderzoek op basis van vrij toegankelijke data (bv. VMM) en literatuur, en waarbij we aantonen dat chemische erosie van de bodem verantwoordelijk is voor de zeer belangrijke waterverontreiniging met zware metalen (nikkel, kobalt, zink enz.) in o.m. het bekken van De Mark (Hoogstraten), maar ook daarbuiten.
Samengevat:
De totale vracht van 2,84 ton Ni/j voor het stroomgebied van De Mark is verrassend hoog, en wijst alleszins op deze belangrijke vaststellingen:
- Dat de door VMM gemodelleerde jaarvracht van 11,17 ton Ni/j (2019) voor heel Vlaanderen, en 0,706 ton Ni (2018) (20) voor het ganse Maasbekken (waartoe De Mark behoort) een ernstige onderschatting is,
- Dat chemische erosie van de ondergrond effectief de reus, of beter gezegd de olifant in de kamer is wat betreft de verontreiniging met zware metalen van zowel grond- als oppervlaktewater, en dat dit compleet buiten beeld is gebleven,
- Dat nitraatuitspoeling wel degelijk kan aangewezen worden als de primaire oorzaak van sterk verhoogde gehalten aan zware metalen in grond- en oppervlaktewater, de toename van het sulfaatgehalte en de waterhardheid, en dat dit zeer belangrijke negatieve gevolgen heeft voor de drinkwatervoorziening en kwelafhankelijke natuur,
- Dat de reeds genomen en op nutriënten gerichte maatregelen conform de verschillende mestactieplannen (MAP1-7) onvoldoende zijn om de genoemde effecten tegen te gaan.
Een lange worsteling met waterkwaliteit …
Vlaanderen/ België heeft al decennia lang met waterkwaliteitsproblemen te maken, en steeds weer opnieuw werden daarbij mijlpalen voor het bereiken van een goede kwaliteit vooruitgeschoven in de tijd. Dat is wrang als je weet dat de eerste “anti-vervuilingswetgeving” (1950) en de eerste emissie- en immissienormen (1953) zowat 70j geleden werden opgesteld (cf. https://www.belspo.be/belspo/organisation/Publ/pub_ostc/HL/rHL14bijlA1_nl.pdf). Ondertussen groeide natuurlijk de kennis en de inzichten, werden normen bijgesteld, maar pas recent en zeer voorzichtig begint het inzicht te groeien dat een waterkwaliteitsbeleid moet vertrekken van het bestaan van sterke onderlinge verbanden en beïnvloeding tussen het grond- en oppervlaktewatersysteem, maar ook met de bodem. De waterkwaliteit wordt niet uitsluitend bepaald door wat erin geloosd wordt, maar ook door de route die het water heeft afgelegd door de bodem, en de interacties die daar gebeuren. Het is belangrijk te realiseren dat het meeste water in beken en rivieren in feite ooit grondwater was, en dat grondwater soms snel en soms heel langzaam oppervlaktewater wordt…
Infiltrerend regenwater kan op zijn weg doorheen de bodem (en lucht) stoffen opnemen die kunnen reageren met de bodem. Nitraat ( deel van het stikstofprobleem naast bv. ammoniak) en bestanddeel in mest is daar een voorbeeld van. Door uitspoeling van nitraat dat achterblijft in de bodem na de oogst, komt nitraat in het grondwater terecht. Naast de directe gevolgen daarvan op de kwaliteit van het oppervlaktewater i.v.m. eutrofiëring en de kwaliteit van drinkwater, kan nitraat ook reageren met mineralen in de ondergrond, waarbij secundaire stoffen worden vrijgesteld. Een belangrijk voorbeeld hiervan is de reactie van nitraatrijk water met pyriet (een ijzersulfide), dat vrij verspreid in Vlaanderen blijkt voor te komen, ook al weet niemand precies aan te geven hoe dit ruimtelijk verspreid is (1). Pyriet sluit van nature wisselende hoeveelheden zware metalen in zoals zink (Zn), nikkel (Ni), kobalt (Co), arseen (As) enz., afhankelijk van het historische milieu waarin het gevormd werd (2). Door oxidatie wordt sulfide omgezet in sulfaat, wat verzurend werkt en de bodem-pH doet dalen, waardoor ijzer maar ook de aanwezige zware metalen mobiel worden.
Eenvoudig uitgelegd: er treed pyrietoxidatie op door inwerking van uitspoelend nitraat onder landbouwgronden; hierbij wordt nitraat omgezet in stikstofgas, en sulfiden in sulfaat . Probleem opgelost zou je denken, ware het niet dat de secundaire effecten die optreden, zoals de vorming van sulfaat (verzurend!), toename van de waterhardheid door het oplossen van kalk en de mobilisatie van zware metalen, heel problematisch zijn. Deze verontreiniging ontstaat ruimtelijk verspreid in de ondergrond en is daarom moeilijk te remediëren. Men spreekt van diffuse verontreiniging.
Diffuse verontreiniging kan erg belangrijk tot dominant zijn. Bekend zijn bv. de historische verontreinigingen veroorzaakt door depositie uit de lucht, uitspoeling uit stortterreinen, erosie van (bouw)materialen enz. Weinig bekend en nauwelijks onderzocht is de hier genoemde chemische erosie van de bodem door nitraatrijk water onder landbouwbodems. De vraag is hoe belangrijk de impact is van deze verontreiniging voor de kwaliteit van het grondwater en het gebruik ervan, maar ook hoe, en hoeveel van de verontreiniging bereikt nu en in de toekomst het oppervlaktewater?
In Nederland zijn de drinkwaterbedrijven die grondwater winnen hier al langer over verontrust, en er wordt al veel jaren onderzoek gedaan naar de mogelijke impact op hun zuiveringsprocessen en de daarmee gepaard gaande kosten.
Even technisch
De bodem kan in de loop van eeuwen veel stoffen accumuleren, of vrijstellen. De milieuomstandigheden waarin die processen plaatsvinden bepalen, samen met de bodemeigenschappen zelf, wat het resultaat daarvan is op bv. de kwaliteit van grond- en oppervlaktewater. Een bekend voorbeeld zijn de hoge ijzergehalten in grondwater t.g.v. de aanwezigheid van het ijzerrijke glauconiet in de bodem. Dit mineraal werd ingesloten
tijdens de vorming van bepaalde geologische formaties die terug gevonden worden in bv. de Antwerpse en Limburgse Kempen. Zo werd ook pyriet of ijzerkies , dat een ijzersulfide is, onder specifieke anaerobe omstandigheden in de bodem gevormd, waarbij regelmatig ook andere metaalsulfiden werden opgenomen afhankelijk van het heersende milieu. Door zijn chemische eigenschappen (oplosbaar in H + en NO 3 - milieu) wordt het een reactief element bij wijziging naar zure en oxiderende milieuomstandigheden. Pyriet zal geoxideerd worden als hetzij nitraatrijk bodemwater of zuurstof het bereikt. Het secundaire gevolg is een verdere “interne” verzuring van de bodem waardoor metalen gemakkelijk mobiel worden. Dit fenomeen vindt vooral plaats in kalkloze gebieden met een overmaat aan stikstofmeststoffen en een sterke
verdroging.
Verlaging van de grondwaterstand door drainage, bemaling en grondwaterwinning veranderen de zuurstofhuishouding in de bodem waarbij mineralen als glauconiet, pyriet, maar ook sedimentair organisch materiaal dat zware metalen als metaalsulfide kan bevatten (15), en die voorheen niet in oxische omstandigheden verkeerden, nu wel geoxideerd worden. Door mobilisatie van ingesloten zware metalen ontstaat er een vorm van “interne” contaminatie als gevolg van de optredende chemische erosie.
Reactie van pyriet met nitraat:
2FeS2 + 6NO3 + 4H2O -> 2Fe(OH)3 +4SO4² + 2H+ + 3N2 (gas)
Reactie van zuurstof met bv. pyriet:
2FeS2 + 7O2 + 2H2O -> 2Fe2+ + 4SO4²- + 4H+
Reactie van zuurstof (of bv. Nitraat als oxidator) met organisch materiaal:
CH2O + O2 -> CO2 + H2O
Het vrijkomen van waterstofionen (H + ) geeft aan dat er verzuring plaatsvindt.
Hoeveel, en welke zware metalen secundair worden vrijgezet is van veel factoren afhankelijk o.m.:
- De mate van verontreiniging van pyriet met deze spoorelementen ten gevolge van hun ontstaansgenese (marien, fluviatiel),
- Hoeveelheid infiltrerend water,
- Concentratie nitraat
- Mate van verdroging.
De bodem kan in de loop van eeuwen veel stoffen accumuleren, of vrijstellen. De milieuomstandigheden waarin die processen plaatsvinden bepalen, samen met de bodemeigenschappen zelf, wat het resultaat daarvan is op bv. de kwaliteit van grond- en oppervlaktewater. Een bekend voorbeeld zijn de hoge ijzergehalten in grondwater t.g.v. de aanwezigheid van het ijzerrijke glauconiet in de bodem. Dit mineraal werd ingesloten
tijdens de vorming van bepaalde geologische formaties die terug gevonden worden in bv. de Antwerpse en Limburgse Kempen. Zo werd ook pyriet of ijzerkies , dat een ijzersulfide is, onder specifieke anaerobe omstandigheden in de bodem gevormd, waarbij regelmatig ook andere metaalsulfiden werden opgenomen afhankelijk van het heersende milieu. Door zijn chemische eigenschappen (oplosbaar in H + en NO 3 - milieu) wordt het een reactief element bij wijziging naar zure en oxiderende milieuomstandigheden. Pyriet zal geoxideerd worden als hetzij nitraatrijk bodemwater of zuurstof het bereikt. Het secundaire gevolg is een verdere “interne” verzuring van de bodem waardoor metalen gemakkelijk mobiel worden. Dit fenomeen vindt vooral plaats in kalkloze gebieden met een overmaat aan stikstofmeststoffen en een sterke
verdroging.
Verlaging van de grondwaterstand door drainage, bemaling en grondwaterwinning veranderen de zuurstofhuishouding in de bodem waarbij mineralen als glauconiet, pyriet, maar ook sedimentair organisch materiaal dat zware metalen als metaalsulfide kan bevatten (15), en die voorheen niet in oxische omstandigheden verkeerden, nu wel geoxideerd worden. Door mobilisatie van ingesloten zware metalen ontstaat er een vorm van “interne” contaminatie als gevolg van de optredende chemische erosie.
Reactie van pyriet met nitraat:
2FeS2 + 6NO3 + 4H2O -> 2Fe(OH)3 +4SO4² + 2H+ + 3N2 (gas)
Reactie van zuurstof met bv. pyriet:
2FeS2 + 7O2 + 2H2O -> 2Fe2+ + 4SO4²- + 4H+
Reactie van zuurstof (of bv. Nitraat als oxidator) met organisch materiaal:
CH2O + O2 -> CO2 + H2O
Het vrijkomen van waterstofionen (H + ) geeft aan dat er verzuring plaatsvindt.
Hoeveel, en welke zware metalen secundair worden vrijgezet is van veel factoren afhankelijk o.m.:
- De mate van verontreiniging van pyriet met deze spoorelementen ten gevolge van hun ontstaansgenese (marien, fluviatiel),
- Hoeveelheid infiltrerend water,
- Concentratie nitraat
- Mate van verdroging.
Hoe betrouwbaar is de begroting van de vrachten aan zware metalen?
De Vlaamse Milieumaatschappij (VMM) is de waterkwaliteitsbeheerder in Vlaanderen. In uitvoering van de Europese Kaderrichtlijn Water (KRW) stelt zij programma’s op om de waterkwaliteitsdoelstellingen te realiseren, en zodoende worden dan ook alle bronnen van waterverontreiniging begroot en beschreven. Ook voor zware metalen (zie verder).
Wat betreft de mogelijke impact van chemische erosie van de ondergrond op het grond- en oppervlaktewatersysteem staat het onderzoek in Vlaanderen nog zo goed als nergens. Deze vorm van “interne” verontreiniging wordt wel kort beschreven door VMM (3) voor het (ondiepe) grondwater, maar voor oppervlaktewater blijft dit momenteel compleet buiten beeld. Meer nog: de huidige oppervlaktewater kwaliteitsmonitoring van VMM laat nauwelijks toe om dit fenomeen te beschrijven. Door het stopzetten van de totaalanalyses van zware metalen enkele jaren geleden (bezuinigingen, maar ook omdat normtoetsing aan opgeloste fracties gebeuren), en uitsluitend te focussen op de oplosbare fractie kan er niet meer nagegaan worden wat de omvang is van de zware metalen die gemobiliseerd worden in het oppervlaktewater omdat zware metalen overwegend gevonden worden op de vaste fase, op slib, en slechts beperkt in oplossing.
Ook is de monitoring van de zgn. “oplosbare” fractie weinig betekenisvol omdat bij de heersende milieuomstandigheden in oppervlaktewater ( vnl. pH, redoxpotentiaal) de metalen nikkel en kobalt weinig of niet oplosbaar zijn (cf. Pourbaix diagrammen). Boven een pH van 5-6 zijn nikkel en kobalt weinig oplosbaar en zullen ze vnl. in de vaste fase (slib) gevonden worden. In de analyseresultaten van VMM voor de concentraties van deze metalen in “oplossing” worden dan ook opvallend veel lage waarden gevonden omdat hun verspreidingsroute via slib/sediment als het ware gemist wordt. Bedacht moet worden dat de zgn. “oplosbare fractie” de fractie is die gevonden wordt na filtering van het waterstaal over een filter van 0,45µm. Dat betekent dat “vaste deeltjes” kleiner dan 0,45µm als “opgelost” worden beschouwd. Het is bekend dat vers gevormde chemische neerslagen van metalen (bv. nikkelcarbonaat) in oppervlaktewater nog colloïdaal klein zijn en daardoor in de zgn. oplosbare fractie kunnen terechtkomen zolang ze nog in het water zweven. Door vlokvorming en adsorptie aan bv. bodemdeeltjes groeien de deeltjes gaandeweg en kunnen ze bezinken en ook gefiltreerd worden. Anderzijds is het ook niet onbelangrijk dat organismen zoals mosselen voor hun voeding zwevende deeltjes uit het water filteren en zo bloot staan aan mogelijk extra risico’s.
Omdat het VMM-meetnet oppervlaktewater niet echt geschikt is om afvoergegevens te koppelen aan zowel voldoende (slechts 12 metingen per jaar) als betrouwbare kwaliteitsgegevens is het in feite onmogelijk om voor probleemgebieden de ware omvang van diffuse verontreiniging te begroten, inzonderheid voor nikkel en kobalt. Dat is erg spijtig want er kan zo onmogelijk nagegaan worden of de door VMM gemodelleerde vrachten van zware metalen naar oppervlaktewater via het zgn. WEISS-model wel correct zijn. Het blijft dan ook de vraag of er wel gestuurd wordt op de juiste verontreinigingsbronnen om de waterkwaliteitsdoelstellingen opgelegd door Europa te bereiken in 2027.
Nikkel is een prioritaire stof, opgenomen in de Europese Kaderrichtlijn Water. Dit houdt in dat er voor elk stroomgebieddistrict een inventaris moet opgemaakt worden van emissies, lozingen en verliezen van alle prioritaire stoffen. Op basis van deze inventaris zou de Europese Commissie (uiterlijk in 2018), nagaan of de lidstaten vorderingen maken voor de in de kaderrichtlijn Water vooropgestelde reductiedoelstellingen (vermindering van de lozing van prioritaire stoffen (bv. Nikkel) en geleidelijke stopzetting lozing van prioritair gevaarlijke stoffen).
Het WEISS-model en zijn beperkingen
VMM gebruikt het WEISS-model (21) om significante bronnen en hun bijdrage aan de waterverontreiniging in kaart te brengen. Het begroot de totale belasting van oppervlaktewater, incl. een aantal bekende diffuse bronnen met zware metalen. Het model is niet gebaseerd op echte monitoringgegevens, maar vnl. op modelberekeningen en kengetallen. Zo berekent het WEISS-model de totale belasting van oppervlaktewater voor de metalen nikkel en zink (2019). Niet voor kobalt, ook al worden hiervoor de belangrijkste normoverschrijdingen in oppervlaktewater genoteerd in het VMM monitoringnetwerk nl. op 52% van de stalen in 2019 (11).
Omdat de talrijk vastgestelde normoverschrijdingen voor kobalt maar ook nikkel in grondwater, moeilijk kwantitatief te beschrijven zijn, zoeken we verderop in dit artikel naar een manier om dit onrechtstreeks te doen via de voeding van het oppervlaktewater vanuit het grondwater, en de eventuele uitspoeling van nikkel en kobalt naar het oppervlaktewater.
In principe is dit haalbaar als alle bronnen (diffuse- en puntbronnen) op oppervlaktewater meegewogen worden, en uitgezet kunnen worden tegen de door monitoring verkregen resultaten. De metaalvracht doorheen een waterloop kan in principe bepaald worden als de totaalconcentratie (opgelost + gebonden) kan gekoppeld worden aan het afvoerdebiet van de waterloop op dat ogenblik.
Modellering binnen WEISS is prima, maar men moet er dan wel over waken dat de modeluitkomsten kunnen gevalideerd worden door meetgegevens, en dat is nu net het grote probleem, die zijn momenteel niet (meer) beschikbaar. Daarom wordt in dit artikel zijdelings ook gekeken naar een manier om de betrouwbaarheid van de modelresultaten van WEISS na te gaan.
Dat doen we op twee manieren: (1)we bekijken of de belangrijkste bronnen en stofroutes naar het oppervlaktewater wel zijn meegenomen, en wat die ons leren, en (2) of toch een voorzichtige raming mogelijk is van de stofvrachten in oppervlaktewater van een zgn. risicogebied met hoge concentraties aan zware metalen in grondwater (Hoogstraten), en wat dit ons leert over de gemodelleerde vrachten.
Is de vrees terecht dat de gemodelleerde vrachten op papier wel mooi lijken, maar niet echt een weerspiegeling zijn van de reële situatie op het terrein?
De VMM-WEISS-resultaten voor zware metalen in Vlaanderen die het oppervlaktewater belasten zowel vanuit landbouw-, natuur- of andere bronnen worden gegeven in tabel 1. In de begroting van deze cijfers werd de hoeveelheid zware metalen die via dierlijke mest wordt aangevoerd niet opgenomen, terwijl deze toch kunnen uit- en afspoelen naar het oppervlaktewater. Dat is een probleem omdat het een belangrijke potentiële bron is voor nikkel, zink en kobalt, maar ook koper en cadmium. In dit rapport beperken we ons tot de drie eerst genoemde zware metalen. Ook belangrijk om aan te stippen is dat de bijdrage vanuit de bodem in tabel 1 enkel gebaseerd is op bodemerosie (gegevens 2005), en dus enkel de hoeveelheid zware metalen geven die aanwezig zijn in de bodemtoplaag die kan wegspoelen. Deze bodemterm heeft dus niets te maken met het fenomeen van de chemische erosie van de diepere ondergrond, wat hier beschreven wordt.
Beleidsmatig is het belangrijk om te realiseren dat de belasting van de bodem met andere stoffen dan nitraat niet via het Mestdecreet geregeld worden, maar in Vlarea (gebruik bodemverbeterende middelen). Deze door het gebruik van kunstmest wordt dan weer federaal geregeld via productnormering. Dat maakt de bescherming van de bodem en dus het grond- en oppervlaktewater tot een complexe juridische kwestie. Het juridische kluwen belet een integrale benadering van de verontreinigingsproblematiek.
In tabel 2 wordt een schatting gemaakt van de bruto hoeveelheid nikkel, zink en kobalt die in dierlijke mest terecht komt (eigen berekening op basis van landbouwstatistieken en literatuur). Een deel van deze metalen zal in de landbouwbodem vastgelegd worden en mogelijk accumuleren. Door verzuring van de bodem en door vorming van metaalcomplexen met organisch materiaal valt mobilisatie echter niet uit te sluiten.
Om nu vervolgens te bepalen welke vrachten van deze metalen worden getransporteerd naar oppervlaktewater, moeten de gemeten afvoerdebieten gekoppeld kunnen worden aan voldoende en betrouwbare kwaliteitsgegevens. Dat is alvast een groot probleem zo bleek eerder.
In het volgende deel trachten we handvaten en argumenten te geven aan de vrees dat met de huidige aanpak nl. modellering zonder modelkalibratie met monitoringgegevens, er een (ernstige) onderschatting gebeurt van de reële vracht aan zware metalen naar het grond- en oppervlaktewater, en of bijsturing van het beleid nodig is.
Uit de vergelijking van de bronnen vermeld in tabel 1 (netto belasting) en tabel 2 (bruto belasting uit dierlijke mest) blijkt alvast het risico op een onderschatting van de belasting van het oppervlaktewater die gebeurt in het WEISS-model omdat dierlijke mest niet wordt meegeteld. De zware metalen begroot in tabel 2 zijn potentieel (bruto) beschikbaar voor zowel grond- als oppervlaktewater in landbouwgebied, en gebaseerd op de belastingcijfers met zware metalen in mest cf. ACRRES (4); de vermelde bruto vrachten aan zware metalen zouden volgens cijfers van de BDB (5) resp. 1.690 ton Zn/j en 30,2 ton Ni/j bedragen (geen gegevens over kobalt) .
Via een voorzichtige berekening gebruikmakend van de ACRRES-cijfers en door enkele bijkomende maar realistische aannames te doen worden deze potentiële bronnen geëvalueerd naar hun mogelijke netto-impact op de kwaliteit van het grondwater.
Omrekening van de totale potentiële input via dierlijke mest naar een bodembelasting per m2 levert een jaarlijkse zware metaalbelasting op van resp. (tabel 2): 3,294mg Ni/m2 , 1,931mg Co/m2 en 176,262mg Zn/m2 per jaar.
Met de gegevens uit tabel 2 kan dan verder een schatting worden gemaakt van de netto zware metaal belasting van het grondwater onder Vlaamse landbouwgrond via dierlijke mest.
Volgende eenvoudige aannames zijn daarbij nodig:
De berekening levert op dat er tussen de 2.000µg Ni/m2 en de 4.000µg Ni/m2 maximaal zou kunnen afgevoerd worden van de beschikbare aanvoer van 3.300µg Ni/m2per jaar om de grondwaternormen te respecteren. Voor nikkel is bekend dat het vlot wordt opgenomen door gewassen op het veld, en dat planten nikkel zelfs kunnen accumuleren. Het is dan aannemelijk om te stellen dat er geen accumulatie in de bodem optreedt en het overgrote deel wordt afgevoerd via het gewas, waardoor de concentratie nikkel in de grondwatervoeding wellicht onder de drinkwaternorm zal blijven. Voor kobalt levert dit analoge resultaten op. Ook kobalt wordt normaal goed opgenomen door planten. In de factsheet Uitspoeling van zware metalen uit landbouw- en natuurbodems (8) (Nederland) komt men tot dezelfde vaststelling (uitgezonderd voor koper en wellicht zink).
Als een externe bron niet kan aangewezen worden voor de talrijke en belangrijke normoverschrijdingen voor kobalt en nikkel in het grondwater in enkele risicogebieden, dan blijft de mogelijkheid over van een interne bron: zware metalen die van nature aanwezig zijn in de bodem, en die onder bepaalde milieucondities kunnen uitspoelen. Chemische erosie kwam hier al even aan bod, en het bestaan ervan willen we aantonen in dit artikel.
En dan terug naar het grondwater
De conclusie uit het voorgaande is dat de externe belasting van landbouwbodems door de zware metalen nikkel en kobalt die aanwezig zijn in dierlijke mest, samen met de luchtdepositie geen verklaring opleveren voor de talrijke en belangrijke normoverschrijdingen in het (ondiepe)grondwater. Uit het onderzoek “Uitspoeling van zware metalen uit bodems naar oppervlaktewater” door Alterra (9) blijkt voor Nederland de bijdrage aan zink vanuit kunstmest zeer beperkt (geen gegevens over nikkel en kobalt), doch de bijdrage vanuit dierlijke mest (veevoederadditieven!) zijn voor zink, koper en cadmium wel belangrijk en mogelijk verantwoordelijke voor accumulatie van deze metalen in de bodem (10) en met toename van het risico op uitspoeling met de tijd.
Via een voorzichtige berekening gebruikmakend van de ACRRES-cijfers en door enkele bijkomende maar realistische aannames te doen worden deze potentiële bronnen geëvalueerd naar hun mogelijke netto-impact op de kwaliteit van het grondwater.
Omrekening van de totale potentiële input via dierlijke mest naar een bodembelasting per m2 levert een jaarlijkse zware metaalbelasting op van resp. (tabel 2): 3,294mg Ni/m2 , 1,931mg Co/m2 en 176,262mg Zn/m2 per jaar.
Met de gegevens uit tabel 2 kan dan verder een schatting worden gemaakt van de netto zware metaal belasting van het grondwater onder Vlaamse landbouwgrond via dierlijke mest.
Volgende eenvoudige aannames zijn daarbij nodig:
- Een gemiddelde grondwatervoeding van 200mm/j (of 200 l/m2.j)
- De concentratie nikkel en kobalt in de grondwatervoeding zit in de vork tussen achtergrondwaarde en (voorstel)bodemsaneringsnorm.
De berekening levert op dat er tussen de 2.000µg Ni/m2 en de 4.000µg Ni/m2 maximaal zou kunnen afgevoerd worden van de beschikbare aanvoer van 3.300µg Ni/m2per jaar om de grondwaternormen te respecteren. Voor nikkel is bekend dat het vlot wordt opgenomen door gewassen op het veld, en dat planten nikkel zelfs kunnen accumuleren. Het is dan aannemelijk om te stellen dat er geen accumulatie in de bodem optreedt en het overgrote deel wordt afgevoerd via het gewas, waardoor de concentratie nikkel in de grondwatervoeding wellicht onder de drinkwaternorm zal blijven. Voor kobalt levert dit analoge resultaten op. Ook kobalt wordt normaal goed opgenomen door planten. In de factsheet Uitspoeling van zware metalen uit landbouw- en natuurbodems (8) (Nederland) komt men tot dezelfde vaststelling (uitgezonderd voor koper en wellicht zink).
Als een externe bron niet kan aangewezen worden voor de talrijke en belangrijke normoverschrijdingen voor kobalt en nikkel in het grondwater in enkele risicogebieden, dan blijft de mogelijkheid over van een interne bron: zware metalen die van nature aanwezig zijn in de bodem, en die onder bepaalde milieucondities kunnen uitspoelen. Chemische erosie kwam hier al even aan bod, en het bestaan ervan willen we aantonen in dit artikel.
En dan terug naar het grondwater
De conclusie uit het voorgaande is dat de externe belasting van landbouwbodems door de zware metalen nikkel en kobalt die aanwezig zijn in dierlijke mest, samen met de luchtdepositie geen verklaring opleveren voor de talrijke en belangrijke normoverschrijdingen in het (ondiepe)grondwater. Uit het onderzoek “Uitspoeling van zware metalen uit bodems naar oppervlaktewater” door Alterra (9) blijkt voor Nederland de bijdrage aan zink vanuit kunstmest zeer beperkt (geen gegevens over nikkel en kobalt), doch de bijdrage vanuit dierlijke mest (veevoederadditieven!) zijn voor zink, koper en cadmium wel belangrijk en mogelijk verantwoordelijke voor accumulatie van deze metalen in de bodem (10) en met toename van het risico op uitspoeling met de tijd.
Het keuzebelang van een “norm”
Sinds kort worden door VMM de normoverschrijdingen in oppervlaktewater voor bv. nikkel getoetst aan de zgn. biobeschikbare fractie van nikkel in het staal, en niet langer aan het gehalte aan opgelost nikkel. In deze toetsing wordt het gemeten gehalte aan opgelost nikkel omgerekend naar een nieuwe waarde die rekening houdt met de biobeschikbare fractie in het staal op het ogenblik van de staalname. Deze omrekening gebeurt aan de hand van de gemeten concentratie aan opgeloste organische koolstof (DOC) en de waterhardheid met de PNECpro rekentool, en geldt voor elk type
oppervlaktewater :
- Rivieren en meren:
4 µg Ni (biobeschikbaar)/l (jaargemiddelde)
34 µg/l (opgelost) (maximum)
- Overgangswater:
8,6 µg/l (opgelost) (jaargemiddelde)
34 µg/l (opgelost) (maximum)
Door de normtoetsing te doen aan de zgn. biobeschikbare fractie blijken de eerdere normoverschrijdingen grotendeels te verdwijnen:
“zonder rekening te houden met deze biobeschikbaarheid tekenen we voor nikkel overschrijdingen op in SGD Schelde van 12% en in SGD Maas van 50%, en dit op de toestand- en trendmeetpunten over de periode 2016-‘17-‘18. Wanneer de meetresultaten echter getoetst worden aan de biobeschikbare fractie, blijven er nauwelijks nog overschrijdingen over.” (20)
Onbedoeld wordt op deze manier echter het probleem potentieel weggecijferd: ook al is de vracht aan zware metalen nog zo groot, als op het moment van staalname de biobeschikbare fractie voldoende laag is, dan is er geen probleem … voorbijgaand aan toch wel deze aspecten:
- Wat als de milieucondities later, verder stroomafwaarts, zouden veranderen (getijderivier, zoet-zout)?
- Wat als dit oppervlaktewater wordt aangewend als ruwwater voor de drinkwatervoorziening ..?
- Wat met interactie grond- en oppervlaktewater?
- Wat met de combinatietoxiciteit van meerdere contaminanten en stressfactoren?
- Omdat het probleem wordt weggecijferd, en door de beperkingen van de VMM-monitoring, is er geen inzicht in wat er mogelijk echt aan de hand is en blijven grote potentiële verontreinigingsbronnen compleet buiten beeld, met als direct gevolg dat de noodzakelijke beleidsmaatregelen niet genomen worden.
Voor oppervlaktewater moet daarom ook geconcludeerd worden dat de bekende bronnen beschreven in het WEISS-model geen verklaring bieden voor de belangrijke normoverschrijdingen voor nikkel en kobalt in bepaalde gebieden; bovendien blijken de genoemde hoeveelheden in tabel 1 slechts een fractie te zijn van de hoeveelheid zware metalen die omgaan in dierlijke mest die op het land wordt gebracht.
VMM vermeldt in het rapport Zware metalen in oppervlaktewater (2010-2019) (11) dat voor kobalt “normoverschrijdingen in 52% van de waterlichamen, … te maken heeft met de aanwezigheid van kobalt in veevoeder en dus mest, én de aanvoer vanuit grondwater”. Verder: “Atmosferische depositie en bodemerosie hebben de belangrijkste aandelen in de netto-emissie van zware metalen naar oppervlaktewater, zonder duidelijke evolutie” (11) (12). Gezien het voorgaande biedt dit geen houvast om verklaringen te geven aan de vastgestelde normoverschrijdingen.
In grondwater worden door VMM veelvuldig overschrijdingen gerapporteerd (3); voor nikkel in 5,4% van de filters tot zelfs boven de milieukwaliteitsnorm die varieert volgens locatie van 40 tot 60µg Ni/l. De norm wordt hier afgestemd via het zgn. achtergrondniveau op wat als normaal wordt aangenomen in een bepaald grondwaterlichaam. Het is niet uit te sluiten dat deze zgn. achtergrondniveaus niet reeds het resultaat zijn van menselijke invloeden. De Werkgroep Zware metalen, Platform Bodembeheer Brabant, stelt in een rapport (13) dat ten gevolge van bv. pyrietoxidatie, nikkel in het grondwater kan voorkomen in concentraties van 100-200µg/l. Deze waarden worden ook In Vlaanderen teruggevonden. De problemen die zich stellen voor de drinkwaterbedrijven die werken met grondwater zijn groot als je beseft dat de maximale norm voor grondwater bestemd voor drinkwaterproductie 20µg opgelost Ni/l bedraagt.
Het rapport Zware metalen in grondwater(VMM, 2011) (3), geeft aan (blz.88) dat het voorkomen van nikkel en kobalt sterk aan elkaar gecorreleerd is, maar ook positief gecorreleerd is met het voorkomen van zink en cadmium. Dit duidt wellicht zowel op een gemeenschappelijke bron, als het vrijkomen onder gelijkaardige milieuomstandigheden. Later in dit artikel zullen we laten zien dat dit ook opgaat voor het oppervlaktewater van bv. De Mark in Hoogstraten, een risicogebied voor de uitspoeling van zowel nikkel als kobalt.
In het VMM-rapport wordt ook beschreven dat de gebieden met de hoogste concentraties nikkel, kobalt en zink in grondwater vrij goed overeenkomen met de gebieden met een hoge stikstofbelasting en een lage pH van het grondwater. De problematiek van zware metalen in het grondwater manifesteert zich voornamelijk in het noorden van de provincie Limburg, het noorden en oosten van de provincie Antwerpen, de heuvelzone ten oosten van Ieper en in de Polders (incl. noorden van de provincie Oost-Vlaanderen). Binnen die regio’s zijn in de meerderheid van de peilputten concentraties vastgesteld boven de grondwaterkwaliteitsnorm. Ook buiten die regio’s komen zware metalen in het grondwater voor, maar het percentage normoverschrijdingen is er aanzienlijk lager (3).
De oorzaak van deze normoverschrijdingen kan meestal niet in verband gebracht worden met gekende locaties met een historische vervuiling. In het bewuste VMM-rapport wordt voor nikkel en kobalt daarom uitdrukkelijk ook gekeken naar vrijstelling uit de bodem door een belangrijke belasting met vermestende en verzurende stoffen zoals ammoniak en nitraat.
Hoeveel nitraat mag uitspoelen?
Onder omstandigheden waarbij nitraat gemakkelijk kan uitspoelen (lage grondwatertafel en oxiderende omstandigheden, weinig organisch materiaal beschikbaar voor denitrificering, …) kan ook een aanvaardbaar lijkend nitraatresidu (22) van 90kg NO 3 -N/ha aanleiding geven tot uitspoeling van 200mg NO 3 - /l naar het grondwater (bij 200mm GW-voeding). Deze waarde ligt ver boven de Europese nitraatnorm van 50 mg NO 3 - /l, en is pakweg een factor 3 tot 5 hoger dan wat veilig is voor wat betreft eutrofiëring van oppervlaktewater. Door processen in de bodem en
de gevolgde route van het infiltrerende water kan de hoeveelheid nitraat dat het diepere grondwater of het oppervlaktewater bereikt lager zijn, door verdunning of reactie met reactieve fasen in de ondergrond zoals pyriet, glauconiet, organisch materiaal enz. Deze reactieve bestanddelen worden evenwel door verzurende en vermestende stoffen met de tijd opgesoupeerd terwijl allerhande ongewenste neveneffecten ontstaan. Zo wordt de toename van de waterhardheid in waterwinningsgebieden onder landbouwgrond toegeschreven aan de verzurende en vermestende effecten van bv. ammoniak en nitraat.
Sulfaat, zware metalen en arseen houden grote risico’s in kwelafhankelijke natuur en voor de drinkwaterbedrijven, die op termijn voor grote technische en financiële uitdagingen komen te staan om aan de strenger wordende normen te blijven voldoen (1).
Droogte en drainering werken nitraatuitspoeling in de hand. Onder natte en humusrijke bodems is de nitraatuitspoeling minimaal dankzij
biologische denitrificatieprocessen. Onderstaande grafiek toont dat nitraatuitspoeling onder een natte bodem ongeveer een factor 20 kleiner is dan
onder een droge bodem (23):
Ook een sterke drainering van het land (14), toenemende droogte en de vele grondwaterwinningen in intensief landbouwgebied, maken dat bepaalde bodemmineralen (bv. pyriet, glauconiet en sedimentair organisch materiaal) periodiek of permanent overgaan van een anoxische- naar een geoxideerde toestand. De effecten hiervan op de grondwaterkwaliteit zijn sterk vergelijkbaar met de nitraatoxidatie die werd beschreven.
Hoeveel, en welke zware metalen secundair door chemische erosie worden vrijgezet is van veel factoren afhankelijk o.m.:
Hadden we dit al eerder moeten zien aankomen?
Er is een opvallende overeenkomst te zien in de gebieden met een hoge veedichtheid en dus een hoge stikstofbelasting (ammoniak/nitraat) en de gebieden met hoge concentraties zware metalen in het grondwater:
Hoeveel, en welke zware metalen secundair door chemische erosie worden vrijgezet is van veel factoren afhankelijk o.m.:
- Het gehalte aan zware metalen in vnl. pyriet, glauconiet en sedimentair organisch materiaal. Het gehalte aan deze spoorelementen is een gevolg van hun ontstaansgenese (marien, fluviatiel),
- Hoeveelheid infiltrerend water (neerslagoverschot),
- Concentratie nitraat,
- Mate van verdroging en grondwaterpeilverlaging.
Hadden we dit al eerder moeten zien aankomen?
Er is een opvallende overeenkomst te zien in de gebieden met een hoge veedichtheid en dus een hoge stikstofbelasting (ammoniak/nitraat) en de gebieden met hoge concentraties zware metalen in het grondwater:
Veeleer de gebieden met een hoge veedichtheid/stikstofbelasting, en niet zozeer de gebieden met hoge nitraatconcentraties in het grondwater overlappen met de gebieden met hoge metaalconcentraties in het freatische- of semi freatische grondwater. De hoge ammoniak depositiewaarden in deze gebieden en de verzurende werking ervan speelt wellicht een belangrijke rol in combinatie met de al dan niet aanwezige reactieve ondergrond waardoor nitraat al dan niet actief wordt verwijderd en omgezet naar stikstofgas.
Een overlap van de gebieden met hoge zware metaalgehalten in grondwater zijn daarom ook niet altijd te verwachten in die gebieden met een hoge nitraatconcentratie in het grondwater; met uitzondering voor het noordoosten van Limburg en het zuiden van Vlaanderen (zie fig. 16).
Een overlap van de gebieden met hoge zware metaalgehalten in grondwater zijn daarom ook niet altijd te verwachten in die gebieden met een hoge nitraatconcentratie in het grondwater; met uitzondering voor het noordoosten van Limburg en het zuiden van Vlaanderen (zie fig. 16).
En dan de uiteindelijke vraag: hoeveel zware metalen spoelen effectief uit naar het oppervlaktewater?
Een laatste maar belangrijke toets bij de inschatting van de omvang van de mobilisatie van zware metalen uit de bodem door chemische erosie bestaat erin om te kijken naar de zware metaalvracht in oppervlaktewater, en of deze vracht verklaard kan worden door bekende bronnen (zie tabel 1 & 2). Concreet zou kunnen gekeken worden naar hoeveel nikkel en kobalt door het oppervlaktewater wordt afgevoerd. Door de beperkingen eerder aangehaald (betrouwbaarheid en beschikbaarheid van de VMM-gegevens) is dit slechts zeer beperkt mogelijk. Om toch vat te krijgen op de omvang en vracht aan zware metalen die gemobiliseerd worden in de ondergrond en mogelijk uitspoelen naar oppervlaktewater, kan er naar volgende zaken gekeken worden:
Correlaties tussen Ni, Zn en sulfaat
Voor De Leie (Deinze), de Bovenschelde (Gentbrugge) en De Mark (Hoogstraten) werd een analyse uitgevoerd naar de correlatie tussen de metalen kobalt, nikkel, zink en sulfaat. Het resultaat is te zien in figuur 5 en 6 en 7.
Een laatste maar belangrijke toets bij de inschatting van de omvang van de mobilisatie van zware metalen uit de bodem door chemische erosie bestaat erin om te kijken naar de zware metaalvracht in oppervlaktewater, en of deze vracht verklaard kan worden door bekende bronnen (zie tabel 1 & 2). Concreet zou kunnen gekeken worden naar hoeveel nikkel en kobalt door het oppervlaktewater wordt afgevoerd. Door de beperkingen eerder aangehaald (betrouwbaarheid en beschikbaarheid van de VMM-gegevens) is dit slechts zeer beperkt mogelijk. Om toch vat te krijgen op de omvang en vracht aan zware metalen die gemobiliseerd worden in de ondergrond en mogelijk uitspoelen naar oppervlaktewater, kan er naar volgende zaken gekeken worden:
- Of er in oppervlaktewater in de risicogebieden goede correlaties bestaan tussen de concentraties zware metalen onderling omdat bekend is dat chemische erosie en mobilisatie naar het grondwater goede correlaties geeft voor deze metalen onderling en met sulfaat omdat zij samen door oxidatie van metaalsulfiden (pyriet) gevormd worden;
- Een theoretische schatting van de te verwachten maximale vrijstelling en uitspoeling van bv. nikkel en kobalt uit de bodem door inwerking van nitraat op pyriet, indien we weten hoeveel zware metalen in pyriet voorkomen;
- En tot slot een voorzichtige toetsing van het resultaat uit (2) met een mogelijk vracht in oppervlaktewater berekend met de monitoringgegevens van VMM.
Correlaties tussen Ni, Zn en sulfaat
Voor De Leie (Deinze), de Bovenschelde (Gentbrugge) en De Mark (Hoogstraten) werd een analyse uitgevoerd naar de correlatie tussen de metalen kobalt, nikkel, zink en sulfaat. Het resultaat is te zien in figuur 5 en 6 en 7.
Uit de grafieken kunnen we afleiden dat er inderdaad een positieve relatie bestaat tussen zowel de metalen zink, kobalt en nikkel, als met sulfaat, wat logisch klinkt aangezien we er vanuit gaan dat ze samen gevormd worden bij de oxidatie van pyriet. Wat uit het onderzoek van De Mark in Hoogstraten ook naar voor komt (niet in deze grafiek) is dat het sulfaatgehalte weinig varieert met het afvoerdebiet. Uit dit laatste zou kunnen geconcludeerd worden dat de sulfaatvoorraad in de ondergrond groot is; wat in zekere mate dan ook lijkt op te gaan voor kobalt en nikkel.
Schatting van de hoeveelheid Ni, kobalt en zink die gemobiliseerd wordt door NO3--uitspoeling
Vertrekkend van de getoonde reactievergelijking (zie kader “Even technisch”) waarbij pyriet geoxideerd wordt door nitraat, het gehalte aan nikkel en kobalt in pyriet (literatuur) (15) en de aanname dat de voorraad pyriet voldoende is om gedurende verschillende jaren te blijven reageren met nitraat, dan kan in principe berekend worden hoeveel nikkel en kobalt theoretisch kunnen vrijgesteld worden aangezien deze zware metalen samen met pyriet geoxideerd en gemobiliseerd worden. Het onderzoek door D. Huisman (15) geeft aan voor verschillende sedimentaire afzettingen in vnl. het zuiden van Nederland vlak bij de Belgische grens, maar ook in Beerse (België), binnen welke gradiënt zware metalen in pyriet kunnen voorkomen, maar ook op welke diepte deze afzettingen kunnen gesitueerd worden. Een van de conclusies van het onderzoek van D. Huisman over de vorming van pyriet luidt dat plaatselijke verhoogde (pyriet-)zwavel concentraties niet alleen voorkomen in de mariene en estuariene afzettingen, maar ook in fluviatiele formaties, dikwijls samen met sedimentair organische afzettingen, wat er op duidt dat er kleinschalige mariene transgressies hebben plaatsgevonden over oppervlakkige organische lagen tijdens hun vorming. De ijzerbron die toen beschikbaar was bepaalt dan in belangrijke mate de gehalten aan sporenelementen.
Een andere gegevensbron voor de gehalten aan zware metalen in pyriet is het onderzoek door Broers & Buijs (16), zie tabel 3.
Schatting van de hoeveelheid Ni, kobalt en zink die gemobiliseerd wordt door NO3--uitspoeling
Vertrekkend van de getoonde reactievergelijking (zie kader “Even technisch”) waarbij pyriet geoxideerd wordt door nitraat, het gehalte aan nikkel en kobalt in pyriet (literatuur) (15) en de aanname dat de voorraad pyriet voldoende is om gedurende verschillende jaren te blijven reageren met nitraat, dan kan in principe berekend worden hoeveel nikkel en kobalt theoretisch kunnen vrijgesteld worden aangezien deze zware metalen samen met pyriet geoxideerd en gemobiliseerd worden. Het onderzoek door D. Huisman (15) geeft aan voor verschillende sedimentaire afzettingen in vnl. het zuiden van Nederland vlak bij de Belgische grens, maar ook in Beerse (België), binnen welke gradiënt zware metalen in pyriet kunnen voorkomen, maar ook op welke diepte deze afzettingen kunnen gesitueerd worden. Een van de conclusies van het onderzoek van D. Huisman over de vorming van pyriet luidt dat plaatselijke verhoogde (pyriet-)zwavel concentraties niet alleen voorkomen in de mariene en estuariene afzettingen, maar ook in fluviatiele formaties, dikwijls samen met sedimentair organische afzettingen, wat er op duidt dat er kleinschalige mariene transgressies hebben plaatsgevonden over oppervlakkige organische lagen tijdens hun vorming. De ijzerbron die toen beschikbaar was bepaalt dan in belangrijke mate de gehalten aan sporenelementen.
Een andere gegevensbron voor de gehalten aan zware metalen in pyriet is het onderzoek door Broers & Buijs (16), zie tabel 3.
Indien gerekend wordt met een nitraatuitspoeling van 50mg NO3-/l, dan zou bij een mediaan gehalte aan nikkel, zink en kobalt resp. 8,5µg Ni/l, 17µg Zn/l en 12µg Co/l uitspoelen (17). Uitgaande van de maximum waargenomen gehalten aan nikkel en kobalt in pyriet zou dan theoretisch ca. 46µg Ni/l en 41µg Co/l kunnen uitspoelen bij 50mg NO3-/l. Natuurlijk wordt niet enkel pyriet geoxideerd door nitraat, maar ook sedimentair organisch materiaal in de ondergrond dat eveneens hoge concentraties nikkel, kobalt en zink kan bevatten (15). Ook verdroging brengt nitraat en zuurstof dieper in de bodem waarbij zowel pyriet als organisch bodemmateriaal geoxideerd geraken. De som van al deze processen (oxidatie door nitraat, zuurstof, Fe(OH)3, …), de omvang van de nitraatuitspoeling, verdroging enz. vormen een plausibele verklaring voor de waargenomen en belangrijke normoverschrijdingen.
Aan de hand van enkele kengetallen kan bv. voor de stad Hoogstraten, waar sterk verhoogde gehalten aan kobalt en nikkel worden vastgesteld in het grondwater, een schatting gemaakt worden voor de hoeveelheid nikkel, zink en kobalt dat door nitraatuitspoeling (à 50mg NO3-/l) theoretisch kan gemobiliseerd worden bij volledige oxidatie van pyriet onder landbouwbodems (tabel 4).
Aan de hand van enkele kengetallen kan bv. voor de stad Hoogstraten, waar sterk verhoogde gehalten aan kobalt en nikkel worden vastgesteld in het grondwater, een schatting gemaakt worden voor de hoeveelheid nikkel, zink en kobalt dat door nitraatuitspoeling (à 50mg NO3-/l) theoretisch kan gemobiliseerd worden bij volledige oxidatie van pyriet onder landbouwbodems (tabel 4).
De berekende waarden gaan uit van een uitspoeling van (slechts) 50mg NO3-/l, terwijl bij een courant nitraatresidu van pakweg 90kg NO3-N/ha er onder droge en zure zandbodems tot 200mg NO3-/l kan uitspoelen (zie tekstvak “Hoeveel nitraat mag uitspoelen?”), of tot vier maal hoger, waardoor ook hogere vrachten zware metalen gemobiliseerd kunnen worden (tabel 5).
De worstcase werd berekend met de maximale gehalten die in pyriet voorkomen en uitspoeling van 200mg NO3-/l. Deze aanname is te verantwoorden omdat hierbij enkel rekening wordt gehouden met de vrijstelling van zware metalen door oxidatie van pyriet met nitraat, en niet door zuurstof; ook niet met de oxidatie van sedimentair organisch materiaal dat eveneens verrijkt kan zijn met deze spoorelementen (15). Nikkel kan bovendien ook gemobiliseerd worden t.g.v. desorptie processen door sterk verhoogde concentraties van macro-kationen zoals Ca2+ en K+ in infiltrerend landbouwwater (meststoffen), of desorptie door verzuring (18) (H+).
De theoretisch berekende vrachten aan zware metalen (tabel 5) kunnen op hun beurt ook omgezet worden naar concentraties in het grondwater bij aanname van een neerslagoverschot van 200mm/j (tabel 6):
De theoretisch berekende vrachten aan zware metalen (tabel 5) kunnen op hun beurt ook omgezet worden naar concentraties in het grondwater bij aanname van een neerslagoverschot van 200mm/j (tabel 6):
De berekende concentraties vallen allen binnen de vork van waarnemingen in het grondwater in de regio. Figuur 8 (19) laat bovendien duidelijk de relatie met nitraat zien.
Het blijft natuurlijk een schatten van ordes van grootte, maar de resultaten tonen wel duidelijk aan dat chemische erosie van de ondergrond een zeer valabele piste is in de verklaring van de vastgestelde zware metaalconcentraties!
Toetsing gemobiliseerde hoeveelheid Co en Ni aan hun vracht in oppervlaktewater van De Mark (Maasbekken)
Tot slot blijft nog de mogelijkheid om de theoretisch berekende vrachten aan zware metalen die door pyrietoxidatie met nitraat worden vrijgezet, te toetsen aan de vracht die bv. door het oppervlaktewater van De Mark uit het gebied wordt afgevoerd, weliswaar met de reeds aangehaalde beperkingen.
Voor De Mark in Hoogstraten werd met de beschikbare monitoringsgegevens (VMM) voor nikkel, en het corresponderende gemiddelde dagdebiet, over de periode 2007-2020 een jaarvracht van 2,84 ton Ni/j berekend. Deze vracht is echter afkomstig uit het hele stroomgebied van De Mark dat 29.812ha groot is. Indien we deze vracht uitdrukken per oppervlakte eenheid (ha), dan geeft dat 0,095kg Ni/ha.j. Voor het landbouwgebied van Hoogstraten ( 6.350ha) zou dat betekenen dat er 605kg Ni/j zou worden afgevoerd. Deze waarde zit binnen de theoretisch berekende vork van 432 – 2.348kg Ni/j (tabel 5). Er moet dan wel uitdrukkelijk op gewezen worden dat deze gemiddelde jaarvracht, berekend via de monitoringgegevens van VMM een belangrijke onderschatting inhoudt omdat enkel de opgeloste fractie aan metalen gemeten wordt.
De totale vracht van 2,84 ton Ni/j voor het stroomgebied van De Mark is verrassend hoog, en wijst alleszins op deze belangrijke vaststellingen:
Het is duidelijk dat de kwaliteitsdoelstellingen voor zware metalen als nikkel en kobalt niet gewaarborgd kunnen worden met de huidige beperkingen voor nitraatuitspoeling zoals geregeld in het mestdecreet. Ook de sterke drainering en verdroging van het land is een bedreiging voor het niet halen van de door Europa opgelegde kwaliteitsdoelstellingen. Bovendien kunnen de gevolgen van deze uitspoeling door chemische erosie nog decennia blijven doorgaan; van een terugdringing of standstill is zodoende geen sprake. De juridische gevolgen kunnen niet min zijn: we zien dat de stikstofbelasting de laatste jaren zelfs toeneemt. Rekening houdend met het zgn. Wezer-arrest van 1 juli 2015 door het Europese Hof van Justitie, dat stelt dat als een overheid een project of een “lozing” wil vergunnen, de aanvraag moet getoetst worden aan de waterkwaliteitseisen van de Europese kaderrichtlijn Water. Iedere bijkomende lozing zorgt dan in principe voor een ‘achtergang’ wat ontoelaatbaar is. Bovendien is er een probleem met de richtlijn prioritaire stoffen, opgenomen in de Europese Kaderrichtlijn Water, omdat voor elk stroomgebieddistrict een inventaris moet opgemaakt worden van emissies, lozingen en verliezen van alle prioritaire stoffen. Dus ook bv. voor nikkel. Op basis van deze inventaris zal de Europese Commissie, nagaan of de lidstaten vorderingen maken voor de in de kaderrichtlijn Water vooropgestelde reductiedoelstellingen (vermindering van de lozing van prioritaire stoffen zoals Nikkel en een geleidelijke stopzetting van de lozing van prioritair gevaarlijke stoffen). In dit onderzoek hebben we aangetoond dat de inventaris van gevaarlijke stoffen (bv. nikkel) door VMM ernstige tekortkomingen vertoont en geen weerspiegeling is van de werkelijke belasting van grond- en oppervlaktewater omdat de belangrijkste belasting buiten beeld blijft.
Toetsing gemobiliseerde hoeveelheid Co en Ni aan hun vracht in oppervlaktewater van De Mark (Maasbekken)
Tot slot blijft nog de mogelijkheid om de theoretisch berekende vrachten aan zware metalen die door pyrietoxidatie met nitraat worden vrijgezet, te toetsen aan de vracht die bv. door het oppervlaktewater van De Mark uit het gebied wordt afgevoerd, weliswaar met de reeds aangehaalde beperkingen.
Voor De Mark in Hoogstraten werd met de beschikbare monitoringsgegevens (VMM) voor nikkel, en het corresponderende gemiddelde dagdebiet, over de periode 2007-2020 een jaarvracht van 2,84 ton Ni/j berekend. Deze vracht is echter afkomstig uit het hele stroomgebied van De Mark dat 29.812ha groot is. Indien we deze vracht uitdrukken per oppervlakte eenheid (ha), dan geeft dat 0,095kg Ni/ha.j. Voor het landbouwgebied van Hoogstraten ( 6.350ha) zou dat betekenen dat er 605kg Ni/j zou worden afgevoerd. Deze waarde zit binnen de theoretisch berekende vork van 432 – 2.348kg Ni/j (tabel 5). Er moet dan wel uitdrukkelijk op gewezen worden dat deze gemiddelde jaarvracht, berekend via de monitoringgegevens van VMM een belangrijke onderschatting inhoudt omdat enkel de opgeloste fractie aan metalen gemeten wordt.
De totale vracht van 2,84 ton Ni/j voor het stroomgebied van De Mark is verrassend hoog, en wijst alleszins op deze belangrijke vaststellingen:
- Dat de door VMM gemodelleerde jaarvracht van 11,17 ton Ni/j (2019) voor heel Vlaanderen, en 0,706 ton Ni (2018) (20) voor het ganse Maasbekken (waartoe De Mark behoort) een ernstige onderschatting is,
- Dat chemische erosie van de ondergrond effectief de reus, of beter gezegd de olifant in de kamer is wat betreft de verontreiniging met zware metalen van zowel grond- als oppervlaktewater, en dat dit compleet buiten beeld blijft,
- Dat nitraatuitspoeling wel degelijk kan aangewezen worden als de primaire oorzaak van sterk verhoogde gehalten aan zware metalen in grond- en oppervlaktewater, de toename van het sulfaatgehalte en de waterhardheid, en dat dit zeer belangrijke negatieve gevolgen heeft voor de drinkwatervoorziening en kwelafhankelijke natuur,
- Dat de reeds genomen, op nutriënten gerichte maatregelen conform MAP1-6 onvoldoende zijn om de genoemde effecten tegen te gaan.
Het is duidelijk dat de kwaliteitsdoelstellingen voor zware metalen als nikkel en kobalt niet gewaarborgd kunnen worden met de huidige beperkingen voor nitraatuitspoeling zoals geregeld in het mestdecreet. Ook de sterke drainering en verdroging van het land is een bedreiging voor het niet halen van de door Europa opgelegde kwaliteitsdoelstellingen. Bovendien kunnen de gevolgen van deze uitspoeling door chemische erosie nog decennia blijven doorgaan; van een terugdringing of standstill is zodoende geen sprake. De juridische gevolgen kunnen niet min zijn: we zien dat de stikstofbelasting de laatste jaren zelfs toeneemt. Rekening houdend met het zgn. Wezer-arrest van 1 juli 2015 door het Europese Hof van Justitie, dat stelt dat als een overheid een project of een “lozing” wil vergunnen, de aanvraag moet getoetst worden aan de waterkwaliteitseisen van de Europese kaderrichtlijn Water. Iedere bijkomende lozing zorgt dan in principe voor een ‘achtergang’ wat ontoelaatbaar is. Bovendien is er een probleem met de richtlijn prioritaire stoffen, opgenomen in de Europese Kaderrichtlijn Water, omdat voor elk stroomgebieddistrict een inventaris moet opgemaakt worden van emissies, lozingen en verliezen van alle prioritaire stoffen. Dus ook bv. voor nikkel. Op basis van deze inventaris zal de Europese Commissie, nagaan of de lidstaten vorderingen maken voor de in de kaderrichtlijn Water vooropgestelde reductiedoelstellingen (vermindering van de lozing van prioritaire stoffen zoals Nikkel en een geleidelijke stopzetting van de lozing van prioritair gevaarlijke stoffen). In dit onderzoek hebben we aangetoond dat de inventaris van gevaarlijke stoffen (bv. nikkel) door VMM ernstige tekortkomingen vertoont en geen weerspiegeling is van de werkelijke belasting van grond- en oppervlaktewater omdat de belangrijkste belasting buiten beeld blijft.
In Nederland werden reeds voor 2006 studies uitgevoerd die de kosten voor de drinkwatervoorziening moesten begroten, die door vermesting en verzuring ontstaan, voor wat betreft de chemische samenstelling van het voor drinkwater onttrokken grondwater.
Met het resultaat van onderzoek uitgevoerd door KIWA Water Research werd een schatting gemaakt van de kosten voor de waterleidingbedrijven en daarbij werd duidelijk dat vermesting zich niet alleen uit in toenemende concentraties nitraat, maar ook in toenemende concentraties sulfaat
en (onder bepaalde omstandigheden) nikkel en in een toenemende hardheid van het gewonnen water. Deze toename in concentraties en hardheden worden echter niet alleen veroorzaakt door vermesting; ook verzuring en verdroging leveren daaraan een belangrijke bijdrage. De totale kosten die de grondwaterbedrijven in Nederland in de periode van 1991 tot en met 2000 hebben gemaakt in verband met bemesting worden geschat op 85 miljoen euro “https://edepot.wur.nl/407497”. Een Recent Nederlands onderzoeksrapport onderzocht uitgebreid de gevolgen van de uitloging van het geochemisch buffervermogen van de ondergrond voor de drinkwatersector (1)
Welke aanpak is er nodig om de uitspoeling van metalen en sulfaat te stoppen?
In tegenstelling tot puntlozingen kan je diffuse bronnen van verontreiniging niet saneren met bv. een waterzuiveringsstation. Hier zijn heel andere ingrepen aan de orde. Als de oorzaak bekend is van de verontreiniging, zoals hier werd aangetoond voor nikkel en kobalt (zink), dan moet er gestuurd worden op de stoffen en mechanismen die de uitspoeling veroorzaken, en dat zijn vnl. twee maatregelen:
- Ernstige reductie van de nitraatuitspoeling en verzuring (NH3!) van de bodem; de aanpak in de Mestactieplannen volstaat niet en moeten bijgestuurd worden. Verkeerdelijk werd besloten dat streken met een reactieve ondergrond geen problemen hadden met stikstofuitspoeling omdat de focus enkel op nitraat ligt,
- Vernatten van kwetsbare regio’s voor bodemoxidatie door zowel de drainering van het land als de talrijke (diepe)grondwaterwinningen drastisch te verminderen.
Er lopen momenteel plannen binnen Vlaanderen die hier slechts deels aan tegemoet komen (MAP 6 en 7), Blue Deal enz., maar wat betreft vergunningen voor grondwaterwinningen is er momenteel nauwelijks sprake van een restrictief beleid en worden nog steeds “eeuwig durende vergunningen” afgeleverd.
Aangaande de lopende plannen is de grote vrees echter: Too Little en Too Late; de inzichten die hier werden gepresenteerd spelen daar overigens ook geen enkele rol in. Ondertussen dreigen de kosten voor o.a. de drinkwatermaatschappijen en de burger in de toekomst hoog op te lopen, maar vreemd genoeg hoor je in Vlaanderen hierover niets, noch van de overheid, noch van de drinkwatermaatschappijen. Kent men wel het probleem, of wordt dit gewoon genegeerd? Beide vaststellingen zijn zeer verontrustend en niet bepaald hoopgevend en vertrouwen wekkend.
De noodzakelijke beleidskeuzes die moeten gemaakt worden zijn best ingrijpend, maar het is onvermijdelijk dat het beleid terzake ernstig wordt bijgestuurd willen we de waterkwaliteitsdoelstellingen die Europa ons oplegt ook effectief kunnen realiseren tegen 2027; het jaar waarin dit alles realiteit zou moeten worden klinkt dan onrealistisch dichtbij … en Boeren mét Water zo ver weg!
Jan de Schutter
augustus 2022
Geciteerde werken1. al., B. van der Grift et. Uitloging geochemisch buffervermogen ondergrond. Nerderland : KWR_BTO, 2019.
2. Broothaers, L. Natuurlijke samenstelling van delfstoffen. België : Vlaamse overheid, 2003.
3. VMM. Zware metalen in het grondwater_resultaten meetcampagne 2011. sl : VMM, 2011.
4. Starmans, D. Mest vol verwaarden? Wat kan raffinage betekenen? Wageningen : ACRRES_WUR, 2015.
5. G. Coppens et al. De mestwijzer. Heverlee (België) : BDB_Bodemkundige Dienst van België, 2009.
6. al., G. Van Gestel et. Voorstel voor herziening bodemsaneringsnormen voor nikkel. sl : OVAM, 2010.
7. al., W. Verweij et. Achtergrondconcentraties en kwaliteitscriteria grondwater_Briefrapport 2017-0125. Nederland : RIVM, 2017.
8. Deltares, ALTERRA-WUR &. Uitspoeling van zware metalen uit landbouw- en natuurbodems. Nederland : Rijkswaterstaat, 2016.
9. al., L.T.C. Bonten et. Uitspoeling van zware metalen uit bodems naar oppervlaktewater_Alterra rapport 2024. Nederland : Alterra_WUR, 2010.
10. al., J. Groenberg et. Mogelijkheden voor maatregelen en invloed van voorgenomen beleid mbt. nutriënten op de uitspoeling van zware metalen naar het oppervlaktewater. Nederland : Alterra_WUR, 2009.
11. VMM. https://www.vmm.be/water/kwaliteit-waterlopen/zware-metalen-in-oppervlaktewater#:~:text=Metalen%20zijn%20per%20definitie%20niet,ze%20toxisch%20worden%20voor%20waterorganismen. [Online] september 2020.
12. Waterverontreiniging door metalen in 2017. sl : VMM (2017), https://www.vmm.be/publicaties/waterverontreiniging-door-metalen-in-2017.
13. Omgaan met regionaal verhoogde concentraties van zware metalen in het grondwater in Noor-Brabant. sl : Werkgroep Zware metalen, Platform bodembeheer Brabant, 1 november 2011.
14. Ysebaert, Tom. Europa tikt Vlaanderen op de vingers wegens drainage rond natuur. De Standaard. 2022, 29 juni 2022.
15. Huisman, D.J. Geochemical characterization of subsurface sediments in the Netherlands. WUR Nederland : sn, 1998.
16. H.P. Broers & E.H. Bijs et al. Origin of trace metals and arsenic at the Oostrum well. Netherlands Institute of Applied Geoscience TNO. 1997.
17. H.P. Broers et al. Naar een andere toetsdiepte voor nitraat in grondwater? Nederland : TNO, 2004.
18. Herkomst van sporenelementen in grond- en oppervlaktewater. C. van Beek. Nederland : H2O, 1999.
19. VMM cel Grondwater. DOV-Vlaanderen. [Online] 2022. https://www.dov.vlaanderen.be/data/put/2017-002365#3.
20. Persoonlijke mededeling J. Vabhooren VMM. 2022.
21. VMM_Vito. https://www.vmm.be/data/emissie-inventaris-water. [Online]
22. https://www.vlm.be/nl/themas/waterkwaliteit/Mestbank/bodemstalen/nitraatresidustalen/Paginas/default.aspx. VLM. [Online] 2021.
23. Effecten van nitraatuitspoeling op grondwaterkwaliteit: trends en patronen. A. Van Loon. Nederland : KWR-Water, 14 december 2020.