Ruud Kampf

r.kampf@ushn.nl

Edwin Foekema

e.foekema@mep.tno.nl

De vijvers hebben het hele seizoen zonder noemenswaardig onderhoud goed gefunctioneerd. Uit de ervaringen met de bakken blijkt dat grootschalig onderhoud het stabiele systeem verstoord en daardoor beter achterwege kan worden gelaten.

Inhoud

1. Inleiding 

1.1 Voorgeschiedenis

1.2 Onderzoeksdoelen voor 2001

1.3 Test opstellingen

2. Watervlooien in de voorbezinkvijver > >

3. De bakken 

3.1 Invloed verblijftijd (2 april tot 14 juni) 

3.2 Invloed beluchting (20 juni tot 16 augustus)

3.3 Invloed oogsten (21 augustus tot 12 september)

3.4 Invloed verduisteren (17 september tot 24 september)

3.5 Invloed extra slibdosering (2 oktober tot 9 november)

3.6 Algemene beschouwing van de experimenten in de bakken

4. De vijvers

5. Metingen aan het effluent

5.1 E.coli

5.2 Zwevend stof

5.3 pH en ammonium

6. Laboratorium testen

6.1 Invloed van de watertemperatuur

6.2 Invloed van voedseldichtheid

6.3 Zwemsnelheden

7. Modelberekeningen

8. Discussie en conclusies

8.1 Programma van eisen 

9. Voorstel voor aanpak in 2002

10. Referenties 

1. Inleiding

1.1 Voorgeschiedenis

In de voorbezinkvijver van rwzi Everstekoog op Texel zijn zeer hoge aantallen watervlooien waargenomen. De watervlo heeft een belangrijke ecologische functie, als filteraar van oppervlaktewater en als stapelvoedsel voor vis, waaronder de stekelbaars. Dit leidde tot het idee dat het misschien mogelijk zou zijn om watervlooienbiomassa te kweken op effluent. De watervlooien zouden door stekelbaarzen geconsumeerd kunnen worden, die weer als voedsel dienen voor de lepelaar, een rode lijst soort die op Texel voorkomt, en waarschijnlijk te kampen heeft met voedselgebrek. De biomassakweek leidt tot verdere nazuivering van het effluent, en mogelijk kan zelfs actief slib worden bijgemest. Op deze wijze kan aan een groot aantal doelstellingen van het Masterplan Water Texel voldaan worden.

In 1998 heeft Mirjam Groot (student VUA) een verkennend onderzoek uitgevoerd, onder begeleiding van USHN en TNO-MEP. Het belangrijkste resultaat was dat het concept inderdaad vanuit eco(toxico)logisch perspectief mogelijk zou kunnen zijn. In 1999 is door TNO-MEP in opdracht van USHN en de Provincie Noord-Holland een aanvullende studie verricht, om een aantal onzekerheden weg te nemen en een functioneel ontwerp te maken voor de biomassakweek op effluent van rwzi De Cocksdorp op Texel. In dit onderzoek is aangetoond dat de watervlooien zich met actief slib deeltjes kunnen voeden, en dat een redelijke productie mogelijk moet zijn (voldoende voedsel voor enkele tientallen Lepelaars). Verder is geconcludeerd dat een algenkweeksysteem bij De Cocksdorp niet haalbaar is, en dat eventueel bijgemest zou kunnen worden met surplusslib uit de rwzi. Het functionele ontwerp is hieronder weergegeven.

In 2000 is door het bestuur van Uitwaterende Sluizen besloten dat verder onderzoek naar een "Kwekelbaarsjes systeem" bij de Cocksdorp plaats kan vinden. Het voornemen was om in 2001 enkele ‘laatste’ opschalingsvragen te beantwoorden met behulp van een pilot-systeem op semi-veld schaal.

2. Onderzoeksdoelen voor 2001

Het doel van de werkzaamheden in 2001 was het beantwoorden van een aantal opschalingsvragen ten aanzien van het "kwekelbaarsjes systeem" bij rwzi De Cocksdorp. Zodat op basis hiervan een goed gefundeerd programma van eisen voor het uiteindelijke full-scale ontwerp van het watervlooien kweeksysteem opgesteld kan worden.

Bij aanvang van het project werden de volgende concrete onderzoeksvragen geformuleerd:

1. Hoe kunnen de watervlooien geoogst worden uit het kweeksysteem?
2. Wat is de optimale oogstfrequentie, en is deze gerelateerd aan de watertemperatuur?
3. Kan de opbrengst verhoogd worden door bijmesten met extra slib?
4. Hoe vaak is onderhoud nodig van het kweeksysteem, en hoe moet dit plaatsvinden?

Dit rapport bevat een overzicht van de resultaten van de experimenten die in het kader van het Kwekelbaarsjesproject in 2001 werden uitgevoerd door het Hoogheemraadschap van de Uitwaterende sluizen en TNO. De grootschalige experimenten werden uitgevoerd bij de RWZI Everstekoog op Texel.

Veel van de metingen werden uitgevoerd door stagiaires en zijn (tevens) gerapporteerd in stageverslagen (resp. Hoogstrate, 2001 en Rozenkranz 2001). Tijdens deze stageperioden werden tevens op laboratoriumschaal testen en modelberekeningen uitgevoerd die relevant waren voor het kwekelbaarsonderzoek. De resultaten van deze testen en berekeningen worden in dit rapport voor de volledigheid kort samengevat weergegeven. Voor detail informatie wordt verwezen naar de oorspronkelijke verslagen.

2.1 Test opstellingen

In het vroege voorjaar van 2001 zijn op het terrein van de rwzi Everstekoog op Texel 4 bakken met elk een volume van ca. 2 m³ en 4 vijvers met elk een volume van ca. 20 m³ aangelegd die gevoed werden met effluent uit de rwzi.

Figuur 1 Plattegrond van de onderzoekslocatie op het terrein van rwzi Everstekoog. De bakken en de vijvers bevonden zich tussen de daadwerkelijke RWZI (linkerzijde van de plattegrond) en de voorbezinkvijver van het moerassysteem (rechterzijde van de plattegrond).

zie voor foto's van de opstelling de fotopagina

Het primaire doel van de experimenten in de bakken was het zoeken naar de meest optimale omstandigheden om watervlooien op RWZI effluent te kweken en daarnaast methoden te ontwikkelen om de watervlooien te oogsten (onderzoeksvragen 1 t/m 3).

De vijvers waren met name bedoeld om praktijkervaring op te doen met systemen op een schaal die mogelijk realistisch is indien er daadwerkelijk sprake is van watervlooien kweek op RWZI effluent (onderzoeksvraag 4).

Tevens werden op laboratoriumschaal experimenten uitgevoerd voor de beantwoording van subvragen over de invloed van de temperatuur en de voedseldichtheid op de reproductie snelheid van de watervlooien en ter bepaling van de maximale zwemsnelheid van een watervlo.

2 Watervlooien in de voorbezinkvijver

In 2001 zijn door Uitwaterende Sluizen geregeld bemonsteringen in de voorbezinkvijver van het moerassysteem bij de rwzi Everstekoog uitgevoerd. De voorbezinkvijver heeft een verblijftijd van ca. 1¹/₃ dag, die echter tijdens perioden van substantiële regenval aanzienlijk korter kan zijn.

Hierbij werd vijver in drie sectoren gedeeld: Oost, midden en west. Door in elke sector een aantal watermonsters te nemen werd getracht om per sector het gemiddelde aantal watervlooien per liter te bepalen.

Waarnemingen uit voorgaande jaren dat de watervlooien niet homogeen in de waterkolom verdeeld zijn, maar zich in dichte wolken concentreren, werden ook dit jaar bevestigd. De aantallen watervlooien die op dezelfde dag in de verschillende sectoren werden bemonsterd toonden grote verschillen (Figuur 2). Het is niet duidelijk of deze verschillen daadwerkelijk tussen de sectoren bestaan, of bij toeval ontstaan door het al dan niet bemonsteren van een wolk waarin de watervlooien geconcentreerd voorkomen. In elk geval kan er over de gehele periode geen typisch watervlooien rijke of –arme sector worden aangegeven.

Al met al blijkt het ontzettend moeilijk om een goede indruk te krijgen van het aantal watervlooien in de 4400m³ grote vijver. Door alle waarnemingen te middelen kan een schatting worden gemaakt van het gemiddelde aantal watervlooien per liter voor de gehele vijver. Dit blijkt rond de 50 individuen te schommelen, ongeveer 220 miljoen in de gehele vijver.

Ook in voorgaande jaren lag de gemiddelde dichtheid rond de 50 individuen per liter (Figuur 3). Extreem hoge dichtheden (tot >300 stuks/l) werden gevonden in 1996. Het succes van dat jaar laat zich (achteraf) niet verklaren.

3. De bakken

De bakken bestonden uit in de buitenlucht opgestelde polyester tanks met een maximale (boven)diameter van ca. 2 meter en een waterdiepte van ca. 70 cm, het volume bedroeg ca. 2000 liter (voor exacte maten). Zij werden gevoed met effluent van de rwzi dat vanaf de bodem werd ingevoerd. Aan het wateroppervlak was over de totale breedte (diameter) een buis aangebracht met aan de onderzijde een sleuf van 0.5 cm breed waardoor het surplus water werd afgevoerd. Aanvankelijk was de ‘afvoersleuf’ bedekt met gaas met een maaswijdte van ca. 1 mm om de uitstroom van watervlooien te beperken. Dit gaas bleek echter zeer snel dicht te slibben en is na enkele dagen verwijderd.

Elke bak werd van effluent voorzien door middel van een identieke pomp met een debiet van ca. 100 l/minuut. Door de looptijd van de pompen per bak te variëren werden verschillende verblijftijden (HRT: Hydrolic Retention Time) in de bakken gerealiseerd (Tabel 1). Per uur waren de pompen slechts een korte periode, maximaal 6% van de tijd in werking.

Tabel 1 Pomptijden in seconden per uur voor de pompen van de verschillende bakken bij retentietijden (HRT) van respectievelijk 0.5, 1.5 en 3 dagen.

Een chronologisch overzicht van de handelingen in de bakken (met uitzondering van de normale bemonsteringen) is weergegeven in Tabel 2.

Tabel 2 Chronologisch overzicht van handelingen aan de bakken, normale bemonsteringen zijn niet opgenomen.

3.1 Invloed verblijftijd (2 april tot 14 juni)

Na het inrichten van de bakken werden de pompen dusdanig afgesteld dat in bak 1 tot en met 4 verblijftijden van respectievelijk 0,5; 1,5; 1,5 en 3 dagen werden benaderd.

Op 2 april zijn de bakken geënt met watervlooien uit de voorbezinkvijver. Aanvankelijk waren de dichtheden laag en kwam de populatie niet tot ontwikkeling. Waarschijnlijk was dit het gevolg van de watertemperatuur die tot begin mei beneden de 10°C bleef schommelen (Figuur 4). Vanaf het moment dat de temperatuur meer dan 10°C bedroeg, begon de populatiedichtheid in alle bakken te stijgen (Figuur 5). De snelheid waarmee de watervlooien dichtheid in de bakken toenam was aanvankelijk gelijk bij een HRT van 1,5 en 3 dagen.

In bak 1 met de korte verblijftijd van ca. 0,5 dagen verliep deze ontwikkeling trager. Dit is mogelijk het gevolg van uitspoeling van de watervlooien tijdens de periodieke verversing van de bakken. De watervlooien bevonden zich doorgaans in wolken geconcentreerd in de bakken. Deze wolken werden vooral aangetroffen op scheidslijnen van (zon)licht en schaduw en dus ook rond de afvoer buis. Omdat de verversing van het water in de bakken pulsgewijs plaats vond werden de watervlooien ‘verrast’ door de plotseling optredende stroming waardoor zij niet meer in staat waren om aan de waterstroom te ontsnappen en uitgespoeld werd. Bij tellingen in het afgevoerde water uit de bakken werden dan ook (vooral in de bakken met een korte verblijftijd, waar de stroomsnelheden het hoogst werden) hogere watervlooien dichtheden gevonden dan er (gemiddeld) in het water van de bak aanwezig waren (Hoogstrate, 2001).

De maximale dichtheden die bereikt werden lagen tussen de 400 en 600 watervlooien per liter. Dit zijn gemiddelde dichtheden. In de watervlooien wolken liggen deze dichtheden vele malen hoger. Ogenschijnlijk onafhankelijk van de verblijftijden vinden er op verschillende tijdstippen sterke dalingen van het aantal watervlooien per bak plaats.

Tijdens dit experiment was slechts bak 4 voorzien van een zuurstofelektrode (de andere elektrodes bevonden zich op dat moment in de vijvers). Uit deze metingen blijkt dat de ontwikkeling van de watervlooien samen valt met het afnemen van het zuurstofgehalte (Figuur 6). Op zich is dit niet verwonderlijk omdat aangenomen mag worden dat de watervlooien de belangrijkste zuurstofverbruikers in de bakken zijn. In theorie verbruiken 250 watervlooien elke 10 uur ten minste 1 mg zuurstof (gegevens uit Lampert, 1986 en Culver et al, 1985).

Extreem lage zuurstofgehalten werden gemeten halverwege de maand mei, op het moment dat de watervlooien de hoogste dichtheid bereikte. Tijdens de volgende bemonstering was de populatiedichtheid aanzienlijk lager en het lijkt hier aannemelijk dat de lage zuurstof spanning van het water een rol heeft gespeeld bij deze teruggang. Tijdens de daaropvolgende periode met lage zuurstofspanningen van ca. 2 mg/l blijft de populatie stabiel rond 200 individuen per liter. In het laatste monster genomen op 20 juni bleken plotseling weer hoge dichtheden watervlooien voor te komen, hoewel het zuurstofgehalte op dat moment erg laag was. Mogelijk profiteerden de watervlooien nog van de tijdelijk verhoging die enkele dagen eerder was opgetreden.

Na afloop van de test werden de bakken schoongemaakt, waarbij grote hoeveelheden watervlooien werden verzameld ( Figuur 7 & Figuur 8).

3.2 Invloed beluchting (20 juni tot 16 augustus)

Omdat voorgaande observaties deden vermoeden dat de watervlooien dichtheid sterk afhankelijk was van het zuurstofgehalte in de bakken werd in twee bakken d.m.v. continue beluchting van de waterkolom een eventueel zuurstofgebrek opgeheven. De HRT van vijver 1 werd gewijzigd naar ca. 3 dagen, zodat nu verblijftijden van 1,5 en 3 dagen gedupliceerd waren in respectievelijk Bakken 2 & 3 en 1 & 4. De waterkolom van bak 1 en 2 werd vanaf 3 juli continu belucht met behulp van een membraampompje. Het aanbrengen van de beluchting had tot effect dat de perioden met lage zuurstofgehalten werden voorkomen. In perioden dat er geen lage zuurstofspanningen optraden in de niet beluchtte bakken was er geen substantiële invloed van de beluchting waarneembaar (n 9, Figuren 9 en 10).

Uit de ontwikkeling van het aantal watervlooien in de bakken blijkt dat beluchting in elk geval geen positief effect heeft op de ontwikkeling van de dichtheden (Figuur 11). De dichtheden in de beluchtte bakken blijven achter bij die in de niet beluchtte, mogelijk is er dus zelfs van een negatief effect sprake. Uit laboratoriumkweken is bekend dat de opstijgende luchtbellen watervlooien kunnen beschadigen, mogelijk is dat ook in de bakken het geval geweest.

De optredende daling van de zuurstofgehalten in de eerste weken van augustus kan niet verklaard worden door de toenemende dichtheid van de watervlooien. Wellicht is het veroorzaakt door een verslechterende effluent kwaliteit, met een relatief hoog biologisch zuurstof verbruik (BZV).

3.3 Invloed oogsten (21 augustus tot 12 september)

Voordat de test naar de invloed van oogsten werd gestart zijn de bakken schoongemaakt en opnieuw geënt met watervlooien. Het onderzoeksplan was om per dag 7% van het in de bak aanwezige volume watervlooien te oogsten. Hiertoe werd eerst met de steekbuis 7 liter water bemonsterd en het volume aan watervlooien bepaald. Dit gebeurde m.b.v. een maatcilinder met planktongaas aan de onderzijde. Aan de hand van deze gegevens werd het volume dat uit de bak geoogst moest worden bepaald. Deze hoeveelheid watervlooien werd vervolgens verzameld door een planktonnet door de delen van de bak te halen met de hoogste watervlo dichtheden.

Reeds een week na het opstarten van de bakken had zich een grote hoeveelheid macroalgen (flab) in de bakken ontwikkeld. Tijdens het verwijderen van deze algen was niet te vermijden dat tevens substantiële hoeveelheden watervlooien verwijderd werden. De aanwezigheid van de algendraden in de planktonmonsters maakte ook een goede inschatting van het volume watervlooien onmogelijk (Figuur 12). Het oogst experiment kon hierdoor niet worden uitgevoerd. Toen na 3 weken de macroalgen, ondanks regelmatig verwijderen, nog steeds de in alle bakken floreerden werd besloten het experiment niet voort te zetten.

3.4 Invloed verduisteren (17 september tot 24 september)

De ontwikkeling van macroalgen kan geremd worden door de bakken te verduisteren. Om te onderzoeken of deze verduistering ook invloed heeft op de watervlooien werd een test uitgevoerd waarbij de watervlooien ontwikkeling in verduisterde bakken zou worden vergeleken met niet verduisterde bakken. De bakken werden leeggepompt en schoongemaakt, waarbij de algen werden verwijderd. Na vullen met effluent werden de bakken geënt met watervlooien (Figuur 13) en werden 2 bakken met gaasdoek verduisterd.

De invloed van het verwijderen van de bij daglicht zuurstofproducerende algen is duidelijk zichtbaar in het verloop van de zuurstofgehalten voor en na 17 september (Figuur 14). Door de afwezigheid van de algen verdwijnen dag/nachtfluctuaties in het zuurstofgehalte. Deze situatie blijft bestaan in de verduisterde bakken, terwijl in de niet verduisterde bakken al snel de fluctuatie al snel weer de kop op steekt. Waarschijnlijk als gevolg van de ontwikkeling van nieuwe algen. Onder invloed van het licht worden de zuurstofgehalten ook substantieel hoger in bakken 1 en 2.

Om onduidelijke redenen bleef de ontwikkeling van de geënte watervlooien populatie uit. Er kon dus geen uitspraak worden gedaan op de vraag of verduistering een negatieve invloed heeft op de ontwikkeling van de watervlooien. Op basis van indertijd gevonden literatuurverwijzingen waarin melding wordt gemaakt van Daphnia populaties die nabij de bodem leven in diepe meren wordt dit echter niet verwacht (Flik et al., 1997).

3.5 Invloed extra slibdosering (2 oktober tot 9 november)

Begin oktober bleken er toch weer behoorlijke dichtheden watervlooien in de bakken aanwezig te zijn. Vanaf 12 oktober werd met membraampompen actief slib aan bakken 1 en 2 toegevoegd. Dit actief slib werd verzameld uit het beluchtingscircuit en vanuit een belucht voorraadvat met een contant debiet van 20 ml/minuut in de bakken gepompt. Omdat de eerdere ervaringen hadden uitgewezen dat het schoonmaken van de bakken (bijna) altijd een woekering van macroalgen tot gevolg heeft, werd besloten de schoonmaakactie aan het begin van het experiment ditmaal achterwege te laten. De aanzienlijke verschillen in watervlooien dichtheden die op dat moment in de bakken bestonden (Tabel 3, dag 0) werden dan ook niet gewijzigd.

In de bakken met HRT van 1 dag ontstond een duidelijk lager zuurstofgehalte in de met extra slib gedoseerde bak (Figuur 15). Het lijkt aannemelijk dat het biologisch zuurstof verbruik van deze bak door het toegevoegde slib werd verhoogd. In de bakken met een HRT van 3 dagen had de toevoeging van extra slib echter geen duidelijke invloed op het zuurstofgehalte in de bakken. De oorzaak van het verschil tussen de bakken met de verschillende verblijftijden is onduidelijk. Mogelijk werd het zuurstofgehalten door heel andere factoren dan het slib bepaald.

Uit de tellingen van de watervlooien dichtheden in de verschillende bakken blijkt dat de bakken op verschillende momenten hun hoogste dichtheden bereikten. Ook in de van extra slib voorziene bakken worden deze hoge dichtheden niet behouden. Deze test levert dan ook geen aanwijzingen op dat de fluctuaties in de watervlooien dichtheden primair veroorzaakt worden door gebrek aan voedsel.

Bij afronding van deze test was de watertemperatuur beneden de 10°C gezakt (Figuur 16), en werd besloten om van verdere testen af te zien.

3.6 Algemene beschouwing van de experimenten in de bakken

De ervaring die gedurende het jaar werden opgedaan met de bakken maakten een ding heel duidelijk: De natuur laat zich niet dwingen.

Om in alle bakken een vergelijkbare uitgangsituatie te creëren werd bij aanvang van een nieuw experiment telkens de hele bak schoongemaakt waarbij aanwezige algen en slib werden verwijderd. Door enting werd vervolgens getracht om in alle bakken een vergelijkbare watervlooien dichtheden te realiseren. Deze herinrichting van de bakken leidde steevast tot de ontwikkeling van macroalgen. Door de aanwezigheid van deze algen werd de bemonstering van de watervlooien bemoeilijkt en was kwantitatief oogsten van watervlooienbiomassa onmogelijk.

De ontwikkeling van de macroalgen gaf de indruk een eerste stap te zijn in de successiereeks die in gang werd gezet bij het opnieuw opstarten van een bak. Na verloop van tijd verdwenen de algen ogenschijnlijk vanzelf. Poelslakken (Lymnaea stagnalis) kunnen, mits in voldoende dichtheden aanwezig, deze ontwikkeling bespoedigen (Figuur 17). Tegen de tijd echter, dat de algen niet langer in hinderlijke dichtheden aanwezig waren was in de verschillende bakken van een vergelijkbare uitgangssituatie al geen sprake meer. Op deze wijze ging veel tijd en energie verloren aan schoonmaken en opstarten van de bakken zonder dat hierdoor de goede experimentele situatie werd bereikt.

4. De vijvers

De vijvers zijn ca. 10 meter lang en 4,5 meter breed de waterdiepte bedroeg ca. 1 meter. De berekende volumes van de individuele vijvers varieerden tussen 24 en 26 m³. Voor het verversen van de vijvers werd gebruik gemaakt van hetzelfde type pomp als bij de bakken. Door de pomptijden aan te passen aan het specifieke debiet van de individuele pomp en het volume van de vijver werd voor alle vijvers een verblijftijd (HRT) 1,5 dagen gecreëerd ( Tabel 4). De looptijd van de pompen was ca. 30% van de tijd. Omdat 80% van het effluent gedurende de dag wordt aangevoerd en 20% ’s nachts werden de pompen zo ingesteld dat dit deze 80/20 verdeling ook bij de verversing van de vijvers gerealiseerd werd. Deze situatie bleef gedurende het gehele seizoen gehandhaafd. Zie voor maten van de vijvers.

 Tabel 4 Berekende volumes van de vijvers en de looptijd van de pompen zoals die was ingesteld om een HRT van 1.5 d te bereiken.

Afgezien van noodzakelijk onderhoud zoals het verwijderen van macroalgen (flab) en kroos (Tabel 5) werden er geen handelingen in de vijvers verricht anders dan de bemonsteringen. Vijver 4 was de gehele periode voorzien van een zuurstof- en temperatuurmeter.

Tabel 5 ‘Onderhoudshandelingen’ in de vijvers

In de eerste weken na het aanleggen van de vijvers begonnen zich macroalgen te ontwikkelen in met name vijver 1 en vijver 2. Eind april is getracht hier zoveel mogelijk van te verwijderen en na deze periode bleef de ontwikkeling van macroalgen in de vijvers binnen de perken.

Gedurende de zomermaanden ontwikkelde zich eendenkroos op de vijvers. Het volledig dichtgroeien van het vijveroppervlak kon alleen worden verhinderd door wekelijks het eendenkroos te verwijderen. Toen dit in juli niet consequent gebeurde raakten alle vijvers volledig bedekt (Figuur 21).

Naarmate het jaar vorderde, ontwikkelde zich in met name vijver 1 aarvederkruid (Myriophyllum spicatum), een onderwaterplant.

Nadat rond begin mei, de watertemperatuur boven de 10°C was gestegen (Figuur 18), begon de watervlooien dichtheid in de vijvers toe te nemen (Figuur 19). Na 3 a 4 weken worden de hoogste dichtheden bereikt. Voor vijvers 2, 3 en 4 liggen deze rond 200 individuen per liter. In vijver 1 worden in dezelfde periode twee maal hogere dichtheden bereikt. Na deze piek stabiliseert de dichtheid in alle vijvers rond 50-100 individuen per liter. In vijver 3 liggen de dichtheden constant iets hoger dan in de andere vijvers. De aanwezige watervlooien zijn in vijver 3 over het algemeen wel kleiner, maar behoren tot dezelfde soort (Daphnia magna) die ook in de andere vijvers domineerden.

Net als in de bakken, waren de watervlooien in de vijvers ook op bepaalde plaatsen in ‘wolken’ geconcentreerd. Deze wolken bevonden zich veelal langs de wanden van de vijvers en op de rand van licht en schaduw.

Figuur 19 Ontwikkeling van de watervlooien dichtheden in de vijvers

Alleen in vijver 4 werd het zuurstofgehalte continue gemeten. Voordat de watervlooien tot ontwikkeling kwamen bevatte het water van de vijver hoge zuurstofgehalten (Figuur 20). De ontwikkeling van de watervlooien dichtheden lijkt vervolgens het verloop van het zuurstofgehalte te spiegelen. Een toename van de watervlooien dichtheid leidt (via respiratie) tot lagere zuurstofgehalten, hetgeen kan resulteren in vrijwel volledige depletie. Onder invloed van zuurstofgebrek stort vervolgens de watervlooien populatie in.

5. Metingen aan het effluent

Gedurende het jaar zijn regelmatig een aantal voor het onderzoek relevante parameters gemeten in het effluent van de rwzi.

5.1 E.coli

In de loop van het seizoen ontstond de gedachte dat E.coli (thermotolerante coli bacteriën (44 °C)) tellingen een indicatie zouden kunnen geven van de hoeveelheid bacteriën die door de watervlooien worden weg gefilterd. Vanaf augustus zijn daarom geregeld monsters uit de bakken en de vijvers genomen voor de bepaling van het E.coli getal (Tabel 6).

Tabel 6 Resultaten E.coli tellingen (aantal per ml, membraanfiltratie, 44 °C) in effluentmonsters van verschillende herkomst

De aantallen E.coli in de bakken en vooral in de vijvers lagen beduidend lager dan in het aangevoerde effluent. Hoewel de gemiddelde waarden in de bakken met HRT =1½ d doorgaans iets hoger waren dan in de bakken met HRT = 3d. is er nauwelijks sprake van een duidelijk effect van het verschil in verblijftijd. Dit verschil is alleen zichtbaar tijdens de laatste twee bemonsteringen (21 november en 4 december) wanneer in de bakken met de langere verblijftijden lagere E.coli concentraties worden aangetoond. Of dit iets te maken heeft met het seizoen (lagere temperaturen, lagere watervlo dichtheden) is niet duidelijk.

De verblijftijden in de vijvers bedroeg 1½ dag en is daarmee vergelijkbaar met twee van de bakken. Toch liggen de E.coli getallen in de vijvers duidelijk lager dan in de bakken. Dit is vooral het geval gedurende de zomermanden.

Ook in de voorbezinkvijver worden door de jaren heen doorgaans duidelijk minder E.coli gevonden dan in het effluent (Figuur 23). Het gemiddelde aantal E.coli per ml was in de voorbezinkvijver bij een hydraulische verblijftijd van 1,3 dag 140 (mediaan: 68). In de vijvers was de verwijdering van E.coli in de laatste helft van 2001 bij een verblijftijd van 1,5 dag duidelijk beter (gemiddelde 23, mediaan 23). De uitschieters in de grote vijver van het moerassysteem worden waarschijnlijk veroorzaakt door een vermindering van de HRT bij substantiële regenwater aanvoer.

Bovenstaande gegevens vormen een indicatie dat E.coli in de vijvers efficiënt wordt verwijderd. Waarschijnlijk spelen de in de vijvers aanwezige watervlooien hierbij een belangrijke rol. Doordat de E.coli metingen pas laat in het seizoen gestart zijn en niet parallel werden uitgevoerd met de bepaling van de watervlooien dichtheden is het moeilijk om op basis van deze dataset een duidelijke relatie te leggen tussen de aanwezigheid van watervlooien en de verwijdering van E.coli. In vervolgonderzoek verdient deze relatie meer aandacht.

5.2 Zwevend stof

Het zwevend stofgehalte van het effluent, zoals dat aan de bakken en vijvers werd toegediend, is op 3 tijdstippen bepaald. Bij gebruik van een standaard filter met poriegrootte van 0,2 µm werd tussen de 8 en 28 mg droge stof per liter aangetroffen en een gemiddelde waarde van ca. 18 mg/l.

Deze waarde is hoger dan de waarden die tijdens de effluent analyses door USHN bepaald worden. Dit is hoogstwaarschijnlijk het gevolg van het gebruik van grovere filters met poriegrootte 1.6 µm door Uitwaterende Sluizen, waardoor de fijne fractie van het zwevend materiaal niet wordt meegenomen.

Deze kleinere fractie is echter wel beschikbaar als voedsel voor de watervlooien. Bij een zwevend stof gehalte van ca. 15 mg/l kunnen volgens het rekenmodel inderdaad de Daphnia dichtheden bereikt worden die in de bakken werden vastgesteld (zie hoofdstuk 7). Wanneer de lagere gehalten van USHN worden gehanteerd, treedt worden in het model niet de dichtheden uit de praktijk bereikt doordat voedselgebrek optreedt (Rozenkranz, 2001).

5.3 pH en ammonium

Op verschillende tijdstippen zijn pH en ammoniumgehalten in de bakken bepaald. In deze periode zijn geen extreme waarden aangetroffen die een remmende werking op de ontwikkeling van de watervlooien zou kunnen hebben (Tabel 1). Na augustus zijn deze metingen niet meer uitgevoerd.

Tabel 8 pH en ammoniumgehalten in de bakken en van het effluent waarmee de bakken ‘doorstroomt’ werden.

6. Laboratorium testen

In een laboratoriumopstelling werden gedurende 2 weken bij verschillende temperaturen tussen 8 tot 27°C watervlooien gehouden. De initiële dichtheid in de systemen was 20 individuen per liter, elke temperatuur werd in duplo ingezet. Vrijwel dagelijks werd aan alle systemen een gelijke hoeveelheid actief slib uit de rwzi Everstekoog toegediend als voedsel. Na twee weken werden alle in de systemen aanwezige watervlooien verzameld, geteld en gewogen (Tabel 9). Uit deze resultaten bleek dat de reproductie pas goed op gang komt bij een watertemperatuur boven 10°C en dat de maximale reproductiesnelheid wordt gevonden rond 20°C. Temperaturen boven de 25°C blijken een sterk remmende werking op de populatieontwikkeling te hebben (Figuur 24).

Gedetailleerde achtergronden bij deze test zijn beschreven in Hoogstrate (2001).

Tabel 9: Watervlooien dichtheden in testsystemen met initieel 20 watervlooien per liter, na twee weken bij verschillende temperaturen: aantallen per liter en gemiddelde biomassa per individu

6.2 Invloed van voedseldichtheid

Om te onderzoeken of de groeisnelheid van de watervlooien populatie kan worden vergroot door extra slib als voedsel aan te bieden werd een test gedaan waarbij watervlooien bij een optimale omgevingstemperatuur (20°C) werden gehouden op het voedselniveau dat bij benadering overeenkomt met wat bij een verblijftijd van 1.5 dagen in de bakken zou bestaan (100%) en respectievelijk, anderhalf (150%) en twee maal (200%) deze hoeveelheid. Naast de invloed van de hoeveelheid voedsel werd ook onderzocht of het vooraf vernietigen van de vlokstructuur van het slib (door trilling) de geschiktheid als voedselbron vergrootte.

Een hoger voedselaanbod leidde niet tot hogere dichtheden watervlooien aan het eind van de test (Figuur 25). Het aanbieden van het slib in losgetrilde vorm lijkt in absolute zin tot iets hogere watervlooien dichtheden te leiden, echter deze verschillen zijn nimmer significant.

Deze test is in meer detail beschreven in Hoogstrate (2001).

6.3 Zwemsnelheden

Bij het ontwerpen van een kweeksysteem is het van belang te weten wat de maximale zwemsnelheid van een watervlo is. Om dit te onderzoeken zijn in het laboratorium testen uitgevoerd met een horizontale glazen kolom die met een regelbare snelheid met water doorstroomd werd (Figuur 26). Nadat watervlooien van verschillende grootteklassen in de kolom waren gebracht, werden deze met behulp van een lichtbron naar een plaats gelokt. Vervolgens werd de stroomsnelheid door de kolom langzaam opgevoerd en genoteerd wanneer de watervlooien niet meer tegen de stroom op konden zwemmen en van de lichtbron verwijderd raakten.

De maximale zwemsnelheid was, zoals valt te verwachten, afhankelijk van de grootte van de watervlo. Exemplaren kleiner dan 0,5 mm hadden weerstonden een stroming van 1 cm/sec terwijl grote dieren van meer dan 1 mm nog een stroosnelheid van 2 cm/sec konden weerstaan.

Deze test is in meer detail beschreven in Rosenkranz (2001).

Figuur 26 De kolom die gebruikt werd voor het vaststellen van de maximale zwemsnelheden van watervlooien.

7. Modelberekeningen

Met behulp van het programma Modelmaker is de ontwikkeling van de watervlooien populatie in een bak mathematisch gemodelleerd. Dit model berekent op grond van de initiële watervlo dichtheden, de watertemperatuur, de verblijftijd (HRT) en het voedselaanbod (slibgehalte van het effluent) de ontwikkeling van de dichtheid van de watervlooien populatie in de tijd. Bij een geschikte watertemperatuur blijkt de ontwikkeling van de watervlooien populatie te worden beïnvloed door de HRT en het voedselaanbod.

Bij een HRT van 0,5 dag blijken er in het model per tijdseenheid meer watervlooien uit te spoelen dan er worden geboren, waardoor de populatie zich niet kan ontwikkelen. Bij een ‘standaard’ slibgehalte van het instromende effluent van 5 mg/l wordt volgens het model de beste watervlooien ontwikkeling bereikt met een HRT van 1,5 dag. Bij een langere verblijftijd (HRT=3d) berekend het model lagere dichtheden, wat veroorzaakt wordt doordat er per tijdseenheid niet voldoende voedsel wordt aangevoerd. Dit is in tegenspraak met de observaties in de bakken waar geen verschillende dichtheden werden gevonden bij verblijftijden van respectievelijk 1,5 en 3 dagen. Voedselgebrek lijkt dus niet de factor te zijn die de ontwikkeling van de watervlooien in de bakken belemmerde. Volgens het model kunnen de watervlooien dichtheden zoals die in de bakken zijn waargenomen alleen worden bereikt als het zwevend stof (i.c. actief slib) gehalte van het effluent ca. 15 mg/l bedraagt (Figuur 27).

Uit de modellering bleek dat het regelmatig oogsten van een beperkt deel van de watervlooien populatie uiteindelijk effectiever is dan het minder frequent oogsten van grotere hoeveelheden. De grootste opbrengst wordt in het model bereikt indien dagelijks 20-30% van de populatie wordt geoogst, startend 14 dagen nadat de watertemperatuur de 10°C grens heeft bereikt (Figuur 28).

8. Discussie en conclusies

Doordat ontwikkeling van het ‘ecosysteem’ in de bakken niet goed manipuleerbaar bleek, was het niet mogelijk het oorspronkelijk voorgestelde onderzoeksplan geheel uit te voeren. Vooral de ontwikkeling van de macroalgen in de bakken leverde veel problemen op. Deze sterke macroalgen ontwikkeling was duidelijk gerelateerd aan de ontwikkelingsfase waarin het systeem zich bevond en werd ook waargenomen in de opstartfase van de vijvers.

Ondanks, of juist door, deze praktische problemen is er veel ervaring opgedaan met het op een meer realistische schaal kweken van watervlooien op rwzi effluent. Zo is gebleken dat het effluent van rwzi Everstekoog voor deze toepassing geschikt is, en dat de gemiddelde maximale watervlooien dichtheden (in systemen als de bakken en vijvers) bereikt kunnen worden tussen de 100 en 200 individuen per liter. Periodiek zullen hogere dichtheden tot 600 ind/l bereikt worden. In de watervlooien ‘wolken’ liggen de dichtheden vele malen hoger.

De ontwikkeling van de watervlooien populatie is niet optimaal bij een korte verblijftijd van 0.5d. Waarschijnlijk omdat de populatie zich bij deze doorstroomsnelheden niet kan handhaven. Verblijftijden van 1,5 en 3 dagen geven betere resultaten, waarbij geen tijdsgerelateerde verschillen bestaan.

De watervlooien dichtheden fluctueren sterk in de tijd, waarschijnlijk als gevolg van zuurstofgebrek dat ontstaat bij hoge Daphnia dichtheden. Beluchting van de waterkolom verhindert het ontstaan van zuurstofgebrek maar heeft, waarschijnlijk door fysieke botsingen van de watervlooien met de luchtbellen, geen positief effect op de ontwikkeling van de dichtheden.

Zoals in de aanhef van deze paragraaf al is gemeld is het oorspronkelijke onderzoeksplan niet geheel doorlopen. Toch kunnen de meeste onderzoeksvragen in grote lijnen wel worden beantwoord:

1: Hoe kunnen de watervlooien geoogst worden uit het kweeksysteem?

De ontwikkeling van de kweeksystemen lieten het uittesten van verschillende oogst methoden niet toe. De meest eenvoudige methode van oogsten lijkt echter het periodiek verhogen van de doorstoomsnelheid van het kweeksysteem tot een snelheid boven 2 cm/sec. Waardoor een deel van de watervlooien populatie zal uitspoelen.

2: Wat is de optimale oogstfrequentie, en is deze gerelateerd aan de watertemperatuur?

De optimale oogstfrequentie en de invloed van de watertemperatuur is vastgesteld op grond van de modellering van de populatie ontwikkeling in combinatie met de uit laboratorium onderzoek verkregen inzichten in de invloed van de temperatuur.

De hoogste opbrengst uit de kweeksystemen kan worden bereikt bij een dagelijkse oogst van 20% van de populatie vanaf het moment dat de watertemperatuur 14 dagen boven 10°C is geweest.

3. Kan de opbrengst verhoogd worden door bijmesten met extra slib?

In de gebruikte opstelling zijn geen aanwijzingen gevonden dat bijmesten met extra slib de watervlooien opbrengst kan vergroten. Het voedselaanbod blijkt op dit moment niet de factor te zijn die de watervlooien dichtheid limiteert. Naast de directe aanwijzingen uit de laboratorium test, geven ook de resultaten uit de bakken aanwijzingen in deze richting. Bij een snellere doorstroming wordt per saldo meer voedsel aangeboden, maar dit leidt bij een HRT van respectievelijk 3 en 1,5 dagen niet tot verschillende in dichtheden, wat in de modelberekeningen wel het geval is. Ook in de test waarbij aan de bakken extra slib werd gedoseerd werden positieve invloed op de Daphnia populatie waargenomen.

Deze observaties zijn ook in overeenstemming met modelberekeningen indien ervan wordt uitgegaan dat het effluent ca. 15 mg droge stof per liter bevat, wat wordt bevestigd door analyses. Het kan echter niet worden uitgesloten dat na het opheffen van de huidige factor die de ontwikkeling van hoge watervlo dichtheden limiteert (waarschijnlijk het zuurstofgehalte) er wel een positieve invloed van een hoger voedselaanbod kan worden gevonden.

4. Hoe vaak is onderhoud nodig van het kweeksysteem, en hoe moet dit plaatsvinden?

De vijvers hebben het hele seizoen zonder noemenswaardig onderhoud goed gefunctioneerd. Uit de ervaringen met de bakken blijkt dat grootschalig onderhoud het stabiele systeem verstoord en daardoor beter achterwege kan worden gelaten.

 8.1 Programma van eisen

Op grond van de opgedane ervaring met het kweken van watervlooien op rwzi effluent kunnen een aantal eisen worden gedefinieerd waaraan een watervlooien kweeksysteem in elk geval zal moeten voldoen. Vooral de vragen over het oogsten zijn onvoldoende beantwoord. Toch geven de resultaten van vooral de proeven naar de zwemsnelheid van de watervlooien aanwijzingen hoe de oogst op relatief eenvoudige wijze kan worden gerealiseerd.

De eisen die in elk geval aan een watervlooien kweeksysteem worden gesteld zijn:

• Gedurende het groeiseizoen moeten de kweekbassins zoveel mogelijk met rust worden gelaten, macroalgen kunnen worden verwijderd door aangebrachte poelslakken;
• De verblijftijd moet minimaal 1,5 dag bedragen;
• De stroomsnelheid (aanvoer effluent) moet constant zijn en mag niet boven 2 cm/sec komen omdat de watervlooien anders uit het systeem spoelen;
• Om het systeem ook gedurende de winter effectief te laten zijn mag de temperatuur niet beneden de 10°C zakken. De ideale kweektemperatuur ligt rond 20°C. Tijdens warme zomers moet worden voorkomen dat de systemen teveel opwarmen. Plaatsing in de schaduw is aan te bevelen. Hierdoor wordt tevens de groei van macroalgen beperkt.
• Bij gunstige temperaturen (12-25°C) dient dagelijks een kleine hoeveelheid (ca. 10% ) van de watervlooien populatie te worden geoogst. Dit oogsten zou (in theorie) kunnen plaatsvinden door 10% van het bassin snel af te laten vloeien over een filter. Het is belangrijk dat hierbij snel hoge stroomsnelheden bereikt worden om te voorkomen dat de watervlooien de ‘val’ ontwijken

9. Voorstel voor aanpak in 2002

Verder onderzoek zou er op gericht moeten zijn om de robuustheid en de efficiëntie van het kweeksysteem te testen. De robuustheid kan worden getest door het systeem met zo min mogelijk onderhoud en ingrepen te volgen. De efficiëntie kan gedurende het seizoen worden gevolgd door het monitoren van de kwaliteit van het in- en uitstromende effluent, en de hoeveelheid geoogste watervlooien.

Op basis van de ervaringen van het afgelopen jaar kunnen de systemen worden geoptimaliseerd. De aanvoer van het effluent in de bakken dient te worden gewijzigd van pulsgewijs naar continue, zodat plotseling optredende stroomversnellingen worden voorkomen en de watervlooien in staat zijn de rustige uitstroom te ontwijken. In alle bakken zullen bij opstarten poelslakken moeten worden ingezet om de macroalgen te begrazen. Tussentijdse schoonmaakacties dienen zoveel mogelijk te worden vermeden.

In het uitgebreide onderzoek aan het moerassysteem achter de rwzi Everstekoog is veel kennis verzameld over de zuurstofproductie door ondergedoken waterplanten en aangehechte algen. Het ligt voor de hand om te onderzoeken in hoeverre de "natuurlijke zuurstofritmiek" de gesignaleerde problemen met de lage zuurstofgehaltes in de vijvers en bakken zal oplossen. In twee vijvers zullen in 2002 waterplanten worden aangebracht om een meer natuurlijke situatie te creëren.

Om de efficiëntie van het systeem gedurende het seizoen te bepalen zal de ontwikkeling van de watervlo dichtheden gevolgd moeten worden door wekelijkse bemonstering in alle systemen.. De filterefficiëntie van het systeem zal in sterke mate samenhangen met de dichtheden van watervlooien en kan worden gevolgd door regelmatige bepaling van zwevend stofgehalten en E.coli getallen. Om meer inzicht te krijgen in de invloed van de watervlooien op het effluent is het tevens zinnig om ook nutriënten gehalten in het in en uitstromende effluent te bepalen.

10. Referenties

Flik B.J.G., D.K. Aanen & J. Ringelberg (1997): The extent of predation by juvenile perch during diet vertical migration of Daphnia (with 4 figures and 1 table). In: Archiv für Hydrobiologie - Advances in Limnology, Volume 49: 51-58.

Hoogstrate, M.(2001): Mogelijkheden en verwachtingen voor een kweeksysteem voor D.magna op effluent van een RWZI.
Stageverslag DH 01/001.

Lampert W. (1986): Response of the respiratory rate of Daphnia magna to changing food conditions.
Oecologia 70: 495-501.

Rosenkranz, K. (2001): Some eco-engineering aspects of growing Daphnia on treated wastewater. Modeling of the kwekelbaars project-.
Stageverslag DH 01/004.