Je leest:

Biologische aangroei in koelwatersysemen

Biologische aangroei in koelwatersysemen

Mosselen, oesters en zeepokken gedijen goed in koelwatersystemen. Voor biologen en chemici vormen dergelijke vastzittende gemeenschappen een interessant studiegebied. Voor de procesoperator ligt het anders: “het kan me niet schelen wat voor beesten het zijn, het koelwatersysteem moet nu schoon”.

Zeepokken groeien op walvissen en zeeschildpadden en mosdiertjes vinden een plekje op wieren. Organismen koloniseren ook voorwerpen die in het water terechtkomen. Dergelijke aangroei, ofwel biofouling, blijft niet beperkt tot scheepswrakken, visnetten en gedumpte auto’s, maar treedt ook op in koelwatersystemen van energiecentrales.

Het is niet verwonderlijk dat energiecentrales doorgaans langs een rivier of kanaal of aan zee staan. Een elektriciteitscentrale van 600 MW bijvoorbeeld verbruikt zo’n 25.000 liter water per seconde voor het condenseren van afgewerkte stoom. Leidingen met een diameter van gemiddeld twee meter voeren het koelwater uit de rivier aan. Zonder maatregelen tegen biofouling op de binnenwand ligt zo’n elektriciteitscentrale binnen een jaar weer volledig stil. Honderden tonnen mosselen en andere organismen zetten zich in zo’n periode af in de leidingen, zodat een grote schoonmaak nodig is. Het probleem is niet alleen een afnemende wateraanvoer of een zwaardere pompbelasting. De biofouling kan ook condensors en warmtewisselaars verstoppen en zo de warmteoverdracht beperken. Bovendien scheiden sommige organismen in een bacteriële slijmlaag, zoals sulfaatreducerende bacteriën, producten uit die de corrosie van leidingen en condensors versnellen.

Balanceren

De biofouling kan flink toenemen. Een medewerker van een centrale staat hier in de pompkelder op een anderhalve meter dikke laag mosselen en slib.

Aangroeibestrijding is hard nodig. De eeuwenoude strijd tussen mens en natuur vindt ook in koelwaterleidingen plaats. Niemand zit te wachten op productieverliezen, materiaalschade, onvoorziene uitval en stijgende onderhoudskosten; zeker de consument niet, die uiteindelijk betaalt. Biologen, chemici en technici van de Katholieke Universiteit Nijmegen en de KEMA in Arnhem bestuderen de mogelijkheden om aangroei in koelwaterleidingen tegen te gaan. De ontwikkeling van bestrijdingsmethoden is een kwestie van balanceren. Aan de ene kant neemt de complexiteit van de aangroei toe. Dat komt onder meer door de sterk toegenomen zeevaart en het beschikbaar komen van nieuwe vaarkanalen naar Oost-Europa. Nieuwe organismen bereiken zo de West-Europese wateren via scheepswanden en ballastwater. Aan de andere kant groeit het inzicht in de milieu-effecten van bestrijdingsmiddelen. Dankzij verbeterde analysemethoden kunnen milieuchemici de waterkwaliteit goed volgen, inclusief de aanwezigheid van schadelijke verontreinigingen. De milieuwetgeving zorgt voor een extra uitdaging; de overheid wil immers chemische verontreinigingen en het gebruik van bestrijdingsmiddelen terugdringen. Met name in de zogenaamde doorstroomkoeling neemt de biologie een prominente plaats in. Veel grotere organismen, zoals zeepokken, mosselen, oesters en hydropoliepen, vinden een leiding met doorstroomkoeling een prima verblijfplaats. In een doorstroomkoeling is altijd water met voedsel en zuurstof aanwezig en er zijn geen of weinig roofdieren. Door het ontbreken van licht hoeven de organismen bovendien niet te concurreren met algen en andere planten.

Successie

Nadat er een macromoleculaire film op een leidingwand is ontstaan, spelen diverse fysische processen een rol bij de verdere aangroei.

Zodra de nieuwe koelwaterleiding van de centrale in het water is geplaatst en water naar binnen stroomt, begint de aanval van Moeder Natuur op het hoogwaardige technische materiaal. De kolonisatie van een nieuw oppervlak bestaat grofweg uit vier fasen: biochemische conditionering van het oppervlak, kolonisatie door bacteriën, kolonisatie door eencellige diertjes en kolonisatie door meercelligen. Het patroon van deze successie is vrijwel onafhankelijk van de aard van het oppervlak, de geografische regio of de koloniserende soorten.

Biochemische conditionering

Oppervlakken blijven niet graag kraakhelder. Een schoon oppervlak heeft een relatief hoge vrije oppervlakte-energie en dat is ongunstig. Hoe lager die energie is, des te beter. Bij de bevochtiging van het oppervlak met water daalt deze energie. De eerste aanvalsfase, de biochemische conditionering, is een vervolg op dit proces. In het rivierwater rondzwevende eiwitten en koolhydraten zetten zich af op het schone oppervlak en verlagen daarbij de vrije oppervlakte-energie. Die moleculen vormen een macromoleculaire film. Binnen enkele uren heerst er een dynamisch evenwicht, waarbij continu moleculen uit de film weer oplossen en nieuwe moleculen zich afzetten. De vrije oppervlakte-energie van al die eiwitten en koolhydraten kan aanzienlijk verschillen. Bij gemiddeld een zeer hoge of een zeer lage vrije oppervlakte-energie ontstaat een compacte film die sterk aan het oppervlak is gehecht. Bevatten de stoffen daarentegen een middelmatige hoeveelheid vrije oppervlakte-energie, dan is deze film vlokkig en los gebonden. De waterkwaliteit is zo bepalend voor het resultaat.

Bacteriën

De microbiologische aanval begint na een tot twee uur. Bacteriën koloniseren dan het slijmerige oppervlak. In eerste instantie trekt het oppervlak de bacteriën naar zich toe. Bij dat proces spelen natuurkundige verschijnselen zoals de Brownse beweging, elektrostatische wisselwerking, zwaartekracht en Van-der-Waalskrachten een rol. Voor het transport op micrometerschaal is vooral de Brownse beweging van belang, terwijl op grotere schaal (centimeters) stroming en turbulentie een belangrijke rol spelen. Vervolgens versmelt de eerste, macromoleculaire laag met de groeiende laag dode en levende bacteriecellen en het door bacteriën uitgescheiden slijm. Daarbij ontstaat een slijmlaag ofwel biofilm.

Diertjes

Nu komt het zwaardere geschut in beweging. De slijmlaag is kleverig. Eencellige diertjes en vooral de in het water zwevende, planktonische grotere organismen hechten daar gemakkelijk aan. Bij veel ongewervelde dieren komen de larven vrij in het water voor en verspreiden zo de soort. De larven, nog geen millimeter groot, ontwikkelen zich in het plankton tot het stadium waarin ze zich kunnen vasthechten. Honderden soorten ongewervelde dieren koloniseren zo vanuit het plankton de slijmlaag. Tot deze foulinggemeenschappen behoren sponzen, hydropoliepen, kokerwormen, zeepokken, slijkgarnalen, mosselen, oesters, mosdiertjes, stekelhuidigen en zakpijpen. Aan de Universiteit van Nijmegen onderzoeken we de levenscycli van deze aangroeiorganismen tot in detail. Die kennis is van belang voor de aangroeibestrijding, bijvoorbeeld om de ideale periode voor de bestrijding te voorspellen. In onze gematigde streken is er een duidelijk relatie met de watertemperatuur. In de tropen vindt vaak een min of meer continue aanvoer van larven plaats en vormt de aangroei het gehele jaar een probleem.

Concurrentie

Het koelwater brengt steeds meer organismen naar het levende oppervlak, de aangroeigemeenschap. Het oppervlak breidt zich echter niet uit. De organismen groeien daarom over en door elkaar heen; er ontstaan allerlei wisselwerkingen en een heftige concurrentie om de beschikbare ruimte begint. De pioniers verstikken meestal onder de nieuwe lagen kolonisten. Het stromende water voert de larven mee. Ze zijn kieskeurig. Het eerste beschikbare oppervlak laten ze vaak links liggen. De meeste soorten kunnen zich na vestiging niet of nauwelijks verplaatsen. Ze moeten dus een goede plek kiezen, waar een continue en voldoende voedseltoevoer is, met voldoende soortgenoten om te paren, met bescherming tegen roofdieren en een geschikt milieu om een beschermende accommodatie op te bouwen.

Vestigingsplekken

Oesters, koralen, kokerwormen en zeepokken zijn sociale aangroeiorganismen, zo blijkt uit recent onderzoek, waarbij de larve die zich wil vestigen zijn eigen soort herkent. Met hun zintuigen testen ze uitvoerig mogelijke vestigingsplekken, op zoek naar het ideale oppervlak. De selectiviteit kan erg soortspecifiek zijn. Sommige organismen hebben een tijdelijk vestigingsmechanisme. Spijtoptanten kunnen zichzelf na een ongelukkige keuze alsnog losmaken en naar een andere plaats verhuizen. Zee-egel en zeester zuigen zich bijvoorbeeld tijdelijk vast met zuignappen, terwijl zeeanemonen, slakken en zakpijpen een kleverig slijm uitscheiden. Organismen die in het volwassen stadium enige mobiliteit bezitten, gebruiken voor de vestiging slijmuitscheiding. Soorten die zich voor het leven op één plaats vestigen, zoals zeepokken en kalkkokerwormen, gebruiken een kleverig cement, soms versterkt met kalkafzetting. Sommige mosselen zetten zich stevig vast met de zogenaamde byssusdraden. Toch zijn ze niet helemaal immobiel. Vooral jonge mosselen kunnen de draden verbreken en zich met hun voet verplaatsen

Strategieën

Het beschikbare oppervlak is bijna altijd beperkt. De vastzittende ongewervelde dieren zetten tal van strategieën in om zich te handhaven. Ze zoeken hun toevlucht in het verwijderen en verstikken van de concurrentie en zelfs in fysieke en chemische agressie. Tot de dominante soorten bij deze concurrentiestrijd behoren mosselen en sponzen. De mosselen zijn meestal succesvol vanwege hun grootte, hoge ouderdom en hun effectieve filtratietechniek. Sponzen, mosdiertjes en holtedieren danken hun succes aan chemische oorlogsvoering. Ze maken stoffen die antimicrobiële en giftige of schadelijke eigenschappen hebben. Het levende wandtapijt lijdt ook onder roofzucht en begrazing, biologische verstoringen, waarbij vastzittende soorten beschadigd raken of van het oppervlak verdwijnen. In het buitenwater zijn de belangrijkste roofdieren vogels, vissen, schaaldieren en stekelhuidigen (zeesterren).

Overlast

De aangroei van micro-organismen in warmtewisselaars belemmert daar de warmteoverdracht. Daarnaast kan het leiden tot specifieke vormen van corrosie, veroorzaakt door corrosieve stofwisselingsproducten van bacteriën. Alleen al in Europa verliezen industrie en energiebedrijven zo jaarlijks miljoenen euro’s. Mosselen behoren tot de meest beruchte aangroei-organismen in industriële koelwatersystemen. In het koelwatersysteem hechten de mossellarven zich vooral vast in inlaatputten, koelwaterleidingen – met name mangaten en bochten – en in waterkasten van de condensors. Ook in hulpkoelsystemen vindt aangroei plaats, zoals in platenkoelers. De overlast van aangroei in condensorpijpen is doorgaans nihil. Het water stroomt daar te snel. In centrales en industrieën aan de Westerschelde treft men de laatste jaren steeds vaker oesters aan. Oesters vormen een apart probleem. Doordat ze hun ene schelphelft vastcementeren aan de wand, zijn ze zeer moeilijk te verwijderen. Tijdens de bedrijfsvoering kan de hoeveelheid benodigd water sterk veranderen, bijvoorbeeld als de vraag naar koelwater sterk wisselt of bij het opstarten van de koelwaterpompen. De biofouling kan dan voor acute problemen zorgen. De veranderende waterstroom kan een complete schelpenmatras van de wand van een put of een kanaal losslaan. De brokstukken van de matrassen kunnen de condensors of de mosselfilters snel verstoppen. Een door de KEMA in Arnhem ontwikkeld apparaat volgt de aangroei in het koelwatersysteem. In deze monitor, de KEMA Biofouling Monitor, zet de aangroei zich vast op pvc-platen. Regelmatig bemonsteren onderzoekers van de KEMA de platen en analyseren dan hoe de omvang, aard en groei van de biofouling vordert.

Bestrijding

Voorkomen is beter dan genezen. Er zijn vele technieken om de aangroei in koelwatersystemen te bestrijden. In vogelvlucht: chloorbleekloog, antifoulingverf en niet-giftige coatings, chloordioxide, chemische bestrijdingsmiddelen (waaronder antimosselmiddelen en oppervlakte-actieve verbindingen) en tenslotte mechanische reiniging, ozon en uv-behandeling, en thermische bestrijding.

Chloreren

Chemische middelen hebben zich ruimschoots bewezen bij de bestrijding van biologische aangroei, zowel in huishoudens als in de industrie. De biocidewerking van chloorbleekloog (natriumhypochloriet, NaOCl) is al decennialang bekend. Oorspronkelijk desinfecteerden drinkwaterbedrijven hun product met deze oxidator, wat een kenmerkende smaak opleverde. Mede dankzij chloorbleekloog zijn in Nederland ziekten als cholera en tyfus verdwenen. Het doseren van chloor in het koelwater in de vorm van chloorbleekloog of via elektrolyse van zeewater ter plaatse is wereldwijd de populairste methode voor aangroeibestrijding. Elektriciteitscentrales die koelen met zoet water krijgen vaak in het najaar een eenmalige chloreringsbeurt. De driehoeksmossel en de Aziatische mossel, die voor het eerst in 1988 in onze contreien in de Rijn is aangetroffen, mogen zich tijdens het mosselseizoen, van juni tot oktober, rustig vestigen in het koelwatersysteem. Bij de chloreringsbeurt zijn de mosselen nog zo klein dat ze de condensorpijpen moeiteloos passeren en geen verstoppingsproblemen veroorzaken. Bij elektriciteitscentrales die koelen met zeewater en brak water wisselt men vaak continu en discontinu chloreren af. De KEMA Biofouling Monitoren geven, aan de hand van het verschijnen van mosselbroedjes daarin, het startsignaal voor de chlorering. Tijdens het broedvalseizoen, als zwermen larven in het water vrijkomen en een woonplek zoeken, onderdrukt continu chloreren de afzetting van de mosselen.

MosselMonitor

Een mossel sluit zijn klep als het water verontreinigd is. Met de MosselMonitor, waarin de kleppen van een vastgelijmde mossel zijn voorzien van sensoren, volgen KEMA-onderzoekers de waterkwaliteit. Zo onderzochten ze ook de invloed van chloorbleekloog op mosselen. Bij 0,5 mg l-1, een gangbare dosis bij continu en discontinu chloreren, blijft de klep dicht.

Daarna moet discontinu chloreren de groei van de mosselen zoveel mogelijk remmen. Het ideaal vormt een compromis tussen de bestrijding van aangroei, zo laag mogelijke kosten en een zo gering mogelijke milieubelasting. Een zeer recente ontwikkeling is Pulse Chlorination. Daartoe onderzoekt men nauwkeurig, met de MosselMonitor, hoe snel de mosselen zich na een chloordosis herstellen. Het tempo waarin de mosselen hun kleppen bewegen, vormt daarvoor een indicatie. In het doseerregime komt de volgende dosis chloorbleekloog als mosselen hun kleppen weer openen, zodat ze de chlooraanvoer als continu ervaren, terwijl in werkelijkheid discontinu wordt gedoseerd. Het totale chloorgebruik, bij continu chloreren bij 25.000 liter koelwater per seconde ongeveer 45 kilogram per uur, kan zo met de helft worden teruggedrongen.

Antifoulingverven

De meeste antifoulingverven bevatten toxische stoffen, zoals koper en tributyltinoxide (TBTO) die langzaam uit de verf vrijkomen. Ze zijn zo giftig voor het milieu in en rond het uitlaatgebied, dat deze coatings niet meer bij elektriciteitscentrales en industrieën worden toegepast. Specifieke antimosselmiddelen (mollusciciden) kunnen binnen enkele dagen alle mosselaangroei doen afsterven. In zoetwatersystemen zijn hooguit twee behandelingen per jaar voldoende. Bepaalde pesticiden uit de landbouwbestrijding zijn eveneens geschikt. Het verwijderen van deze giftige stoffen uit het koelwater, om het milieu in het uitlaatgebied te beschermen, is helaas nog een groot probleem.

Oppervlakte-actieve stoffen

Enkele Europese bedrijven testen momenteel een koelwateradditief op basis van aminen. Het bestaat uit oppervlakte-actieve stoffen (surfactants) die een dunne film op de wand van het koelwatersysteem vormen. Dat bemoeilijkt de aanhechting van organismen. Deze stoffen beschadigen bovendien de celmembranen van organismen. Bij mosselen tasten ze na verloop van tijd het dekweefsel van de kieuwen en de mantelholte aan. De mosselen laten dan los of ze gaan dood. Een grootschalige toepassing van deze aminen is nog niet mogelijk. Er zijn nog geen betrouwbare analysemethoden en de diverse experimenten bij centrales en industrieën hebben nog een wisselend succes.

Ozon

Canadese energiebedrijven pakten in 1996, evenals eerder drinkwaterbedrijven, het gebruik van ozon en ultraviolet licht op als mogelijk alternatief voor driehoeksmosselbestrijding. De toepassing van ozon wordt sinds 1995 bij een koeltoren in het Belgische Mol en in het Rotterdamse industriegebied uitgetest. Enkele Duitse bedrijven zijn al in de jaren tachtig overgeschakeld. Bij kleinere koelwaterstromen zijn beide methoden zeker bruikbaar, mits het water niet teveel organisch materiaal en zwevend stof bevat. Chloordioxide (ClO2) is een alternatief voor chloorbleekloog. Het werkt bij veel lagere concentraties en er ontstaan veel minder chloorhoudende bijproducten (circa factor tien lager). De extra benodigde veiligheidsmaatregelen en de daarmee gepaard gaande hogere kosten vormen een belangrijke handicap. Er is de laatste jaren een duidelijke wereldwijde trend naar meer gebruik van chloordioxide. Voor elektriciteitscentrales met eenheden van 600 MW vormt chloordioxide op dit moment nog geen optie.

Mechanisch

Voor het milieu bieden technische en fysische oplossingen een beter vooruitzicht dan chemische aangroeibestrijdingsmethoden. Milieutechnisch gezien is het volledig mechanisch reinigen van het inlaatsysteem samen met thermische bestrijding de beste optie. Deze methode is in gebruik bij de energiecentrales in Borssele. Een andere vorm van mechanisch reinigen is de toepassing van zogenaamde zelfreinigende filters voor de condensors. Ze verwijderen voornamelijk schelpresten uit de koelwaterstroom. Bijna altijd combineren technici deze techniek met het doseren van een biocide zoals chloorbleekloog. In kleinere koelwatersystemen, waar de waterstroom geringer is, vormen microzeven een goede optie. Die vangen alle deeltjes groter dan een twintigste millimeter op en daarmee ook mosselbroedjes. Ter bestrijding van microfouling in condensors komen sponsrubberballetjes goed van pas. Ze lijken wel op de balletjes waarmee de bierwacht tapleidingen in cafés reinigt. De balletjes worden voor de condensor in het koelwater gedoseerd. De balletjes, al of niet voorzien van speciale coatings, schuren de pijpleidingen schoon. Speciale zeven achter de condensor vangen de balletjes op, waarna ze opnieuw kunnen worden ingezet.

Coating

In de wand van een koelwaterleiding is een gedeelte voorzien van een coating. Sommige coatings blijken volgens zulke testen zeker drie tot vier jaar vrij van aangroei

Een recente milieuvriendelijke ontwikkeling vormen de niet-toxische coatings. Die hebben een zeer glad, waterafstotend oppervlak, bijvoorbeeld van siliconen of epoxy-achtige stoffen, waarop de aangroei weinig tot geen houvast vindt. Deze coatings behouden drie tot vier jaar hun werking. Daarna volstaat het om de toplaag te vervangen. De eerste praktijktesten geven goede resultaten. De toepassing op brede schaal zal met name afhangen van de technische haalbaarheid (bereikbaarheid leidingen, schoon- en droogmaken van de wanden) en de prijsstelling.

Thermisch

Bij de thermische bestrijding van de aangroei verwarmt men het koelwater tot 38 à 40°C. Na een half uurtje bij deze relatief hoge temperatuur is de aangroei dood. Diverse energiecentrales en chemische industrieën in Nederland passen deze methode al toe. Hij is alleen mogelijk als het koelwater kan worden gerecirculeerd, waarbij het water na passage en opwarming in de condensor weer naar de inlaat stroomt. In de praktijk betekent dit dat bij de bouw van de installatie die mogelijkheid al in het ontwerp moet zijn opgenomen. De ontwikkeling van nieuwe technische en fysische methoden om de aangroei te weren en te verwijderen, is hoopgevend. De toenemende zorg voor het milieu is een belangrijke drijfveer om op de ingeslagen wegen verder te gaan. De methoden zijn echter nog duur, omslachtig, moeten bij de bouw van een installatie al worden meegenomen of zijn vooralsnog alleen maar geschikt voor kleine installaties. De procesoperators moeten voor hun schone koelwaterleidingen voorlopig vooral hebben van de chemische aanpak. Gelukkig bereikt men daarmee steeds meer met steeds minder.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 augustus 1999

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.