Luchtig rioolwater

Afvalwater door leidingen pompen kost onnodig veel energie doordat op sommige plekken luchtbellen blijven hangen. Delftse wetenschappers hebben ontdekt wat op die plekken precies gebeurt.

Vanuit een voorbezinktank pompt ir. Ivo Pothof rioolwater zijn opstelling in om luchtbellen in rioolbuizen te bestuderen. (Foto: Tomas van Dijk)

Hevig klotsend lijkt een kleine rioolwater-tsunami zich een weg omhoog te banen door een doorzichtige rioolbuis. De proefopstelling van ir. Ivo Pothof van de afdeling gezondheidstechniek (CiTG) en Deltares toont hoe het water zich gedraagt in rioolbuizen wanneer deze onder de grond een knik maken. Zijn proefbuis duikt vanaf twee op elkaar gestapelde zeecontainers onder een hoek van tien graden naar beneden. Achter de containers staat de grote voorbezinktank waaruit Pothof het vieze water oppompt.
De golf is uiteraard niet echt een tsunami. “Het is een watersprong”, legt Pothof uit op het terrein van de rioolwaterzuiveringsinstallatie in Hoek van Holland. “De watersprong ontstaat wanneer we water door een buis met gasophopingen pompen. Het gaat gepaard met veel turbulentie. Precies dit geklots ontstaat ook op plekken waar rioolbuizen dieper de grond in gaan om spoorwegen en snelwegen te ontwijken.”
Het geklots kost veel geld. Waterzuiveringsbedrijven moeten dertig procent harder pompen om het vieze water vanuit de gemaalkelders in de steden – waar het water in eerste instantie wordt opgevangen - in de zuiveringsinstallaties te krijgen als het water langs dergelijke leidingkronkels moet.
Samen met collega’s heeft Pothof inzichtelijk gemaakt wat er precies gebeurt in die kronkels. Bij de watersprong is de buis gevuld met water. Aan weerszijden van de watersprong proberen luchtbellen omhoog te kruipen tegen de stroom in. De grote bovenste luchtbel kalft beetje bij beetje af door het geweld waarmee het water naar beneden gepompt wordt. Stroomafwaarts proberen de ‘door de watersprong doorgeslikte luchtbellen’ zich weer een weg naar boven te banen nadat ze zich gehergroepeerd hebben.
Het wegwerken van de luchtbellen lijkt een gevecht tegen de bierkaai. Maar wanneer Pothof de waterpomp opvoert tot 1,5 meter per seconde – tweemaal de normale snelheid in veel afvalwaterpersleidingen – verdrukt het water de luchtbellen uiteindelijk toch tot aan het horizontale deel op de grond. Van daaruit laat de lucht zich makkelijk meevoeren met de stroom.
Door tijdelijk de stroomsnelheid op te voeren kun je de luchtbellen dus wegwerken en de weerstand in de buis verlagen. Maar volgens Pothof is dat niet de oplossing. “De pompen in het veld kunnen die extra snelheid niet leveren. Bovendien komen de luchtbellen vanzelf weer terug door dat er telkens nieuwe kleine luchtbelletjes vanuit de gemaalkelders aangeleverd worden.”
Volgens de onderzoeker moet het probleem bij de bron aangepakt worden. Een kleine ingreep bij de gemaalkelders zou al wonderen verrichten. “Bij de gemaalkelders plonst het water vlakbij de pompen de kelder in. Hierdoor worden er al meer luchtbelletjes mee de leidingen ingesleurd dan in een dalende leiding afgevoerd kunnen worden. Een simpel spatscherm zou dit voorkomen.”
Een tweede oorzaak van de luchtbellen is het beluchtingssysteem. Vroeger konden de pompen alleen op volle toeren draaien of uit staan. De bruuske overgang van ‘aan’ naar ‘uit’ zorgde toen voor een enorme onderdruk in de buizen. Om te voorkomen dat de buizen implodeerden werden er kraantjes opengezet om lucht toe te laten en de onderdruk op te heffen.
Onderdrukken worden nu nog steeds op die manier opgelost. Maar volgens Pothof is dat op de meeste plaatsen helemaal niet meer nodig. “De meeste buizen zijn sterk genoeg om de geringe onderdrukken die nu nog ontstaan aan te kunnen, omdat de pompen tegenwoordig vrijwel allemaal een toerenregeling hebben.”
In een derde container op de grond onder de testrioolbuis heeft Pothof zijn datacentrum ingericht. De informatie van alle druk- en debietmeters die hij aan zijn opstelling heeft aangesloten, stroomt hier zijn laptop binnen.
In de hoek staat een grote fles wasmiddel van Robijn. “We hebben hier ook geëxperimenteerd met schoon water”, zegt de onderzoeker. “Door wasmiddel toe te voegen probeerden we de oppervlaktespanning van rioolwater na te bootsen. Maar de eiwitten en vetten in het rioolwater zorgen toch voor een ander soort – een traag-dynamische - oppervlaktespanning.” Verkassen naar een fris ruikend lab om het onderzoek voort te zetten met schoon leidingwater zat er dus niet in.