meer-over-de-zwevende-stof-en-licht-in-water-ideeen-over

ministerie van verkeer en waterstaat
rijksdienst voor de ijssdmeerpolders
ministerie van verkeer e n waterstaat
riiksdienst voor de ijsselmeerpolders
werkdocu
I
meer over de zwevende stof en licht in water
ideeen over de relatie tussen licht en zwevende stof in water en het
meten ervan (11)
door a.m.t. kuijpers en e.h.s. van duin
werkdocurnenten zijn als regel eerste versies van te schrijven rapporten (uittypen geschreven tekst) en
daardoor uitsluitend bestemd voor intern gebruik; de verantwoordelijkheid voor de tekst berust bij de auteur.
Meer over de zwevende s t o f en l i c h t i n water
Ideeen over de r e l a t i e tussen l i c h t en zwevende s t o f
i n water en her meten ervan (11)
door
A . M . T . Kuijpers en E . H . S . van Duin
1988
Samenvatting
1.
Inleiding
2.
Meetmethoden
2.1. Experimenten
2.2. Extra bepalingen
3.
Resultaten en discussie
3.1. Samenstelling van de zwevende stof
3.2. Lichtmetingen en extinctie/coefficienten
4.
Eindconclusies
Literatuurlijst
Bij lagen
kuij 637/tulip/10-10-88/ans
SAMENVATTING
Met een uit het Markermeer afkomstige slibsuspensie is een laboratoriumexperiment uitgevoerd ten behoeve van het in ontwikkeling zijnde Markermeer/
Westelijke randmeremodel.
De slibsuspensie was afkomstig uit sedimentvallen. Met deze suspensie zijn
bezinkproeven gedaan, waarmee de suspensie is onderscheiden in fracties. De
samenstelling ten aanzien van het organisch materiaal verschilde per fractie.
Tevens verschilde de correlatie tussen de POC en de hoeveelheid materiaal per
fractie.
Tijdens het experiment is ook de bijdrage aan de spectrofotometrisch bepaalde
extinctie per fractie bepaald.
Voor alle onderzochte relaties zijn lineaire verbanden afgeleid met hoge
correlatiecoefficienten. Bij vergelijking van de relaties met resultaten van
vorige experimenten bleek dat de relaties per proef verschillen, a1 zijn de
correlaties in beide gevallen hoog. Dit duidt erop dat de specifieke extinctiecoefficient van een fractie zeer afhankelijk is van de samenstelling
van het oorspronkelijk materiaal. A1 zijn de aangehouden bezinktijden hetzelfde, de samenstelling van de onderscheide fractie kan verschillen en dit maakt
het definieren van een algemeen geldende specifieke extinctiecoefficient niet
eenvoudig.
Een van de belangrijkste te kwantificeren relaties is de relatie tussen de
extinctiecoefficient gemeten met een spectrofotometer en de extinctiecoefficient berekend uit de lichtmetingen. Het afgeleide lineaire verband berust
echter slechts op een beperkt aantal betrouwbare gegevens.
Voor alle genoemde verbanden is het van groot belang de fractiegrootteverdeling en de bijbehorende extinctiecoefficienten gedurende langere tijd met
een hoge frequentie te meten. Slechts op die wijze kunnen significante en
reproduceerbare verbanden worden gelegd.
.
Tijdens de experimenten is getracht de relatie tussen met slibsensoren gemeten
extinctie en uit analyse bepaalde drooggewichten te kwantificeren. Dit bleek
niet eenduidig mogelijk te zijn. De sensoren zijn zeer gevoelig bij lage gehalten, tevens varieert de meetwaarde tot 10% onder constante omstandigheden.
1. INLEIDING
In het Smedinghuis is in 1987 een laboratoriumexperiment uitgevoerd ten behoeve van het in ontwikkeling zijnde Markermeer/Westelijke randmeren model.
Gezien de hoopgevende resultaten ervan is besloten het experiment na enige
aanpassing en verbetering te herhalen. Dit is gebeurd in november 1987.
Er is getracht om de volgende relaties te kwantificeren:
a. de relatie tussen de met sensoren gemeten slibconcentraties en de
resultaten van laboratoriumanalyses.
b. de relatie tussen de zwevende stof gehaltes en de met continumeters
geregistreerde extincties.
c. de relatie tussen de extinctie gemeten met continu registrerende
lichtmeters en de extinctie gemeten met eengpectrofotometer.
d. de bijdrage aan de extinctie van verschillende fracties zwevend materiaal.
e. relatie tussen het particulate organic carbon gehalte (POC) en de organische stof van verschillende fracties zwevend materiaal.
f. relatie tussen het dissolved organic carbon gehalte (DOC) en de kleinste
fractie.
De achtergond van de proeven is uitvoerig beschreven in Van Duin et a1 (1988)
In dit werkdocument is naast een interpretatie van de meetgegevens een hand-leiding gegeven voor een gestandariseerde methode voor het werk van de deeltjes grootteverdeling van onbewerkt natuurlijk zwevend materiaal, zie bijlage
4.
2. MEETMETHODEN
Voor de uitvoering van het experiment was slib en water uit het Markermeer
nodig. Het water is m.b.v. een centrifugaalpomp opgepompt uit de RWS-haven bij
Lelstadhaven en verzameld in een vat. Het slib is verzameld m.b.v. sedimentvallen, welke opgesteld waren in het Markermeer ter hoogte van het meetponton:
Het slib uit de sedimentvallen is gedurende enkele weken verzameld en gemengd.
Deze 50 cm lange P.V.C.-buizen(0.50 mm) zijn zo dicht mogelijk tegen de bodem
geplaatst waarbij de bovenkant van de buis zich 1 m boven de bodem bevindt. De
Eractieverdeling van het slib in de sedimentval geeft een vertekend beeld. De
fractie van de grote deeltjes is oververtegenwoordigd. Deze deeltjes hebben
een grote bezinksnelheid en zullen snel in de buis sedimenteren. De kleinere
deeltjes, met een lage bezinksnelheid, zullen relatief in het water in een
grotere hoeveelheid aanwezig zijn dan in een sedimentval.
2.1. Experimentopzet
In een cilindervormige bak gevuld met 150 1 Markermeerwater, met een hoogte
van 1.40 m en een diameter van 38 cm, is een verticale stang gemonteerd waaraan 4 lichtsensoren zijn bevestigd (een boven water en 3 onder water). De afstand van de meetcel tot aan het wateroppervlak bedraagt:
L- +10 cm
L- -30 cm
L- -50 cm
L- -70 cm
Boven de bak is een stralingsbron, een dag-licht-lamp, bevestigd.
Met behulp van een mechanisch roerwerk en een centrifugaalpomp wordt het water
gemengd en in beweging gehouden. Naast de bak staat een speciaal opwervelmengvat, afkomstig van de directie Noordzee, met een magneetroerder.
De proef is uitgevoerd in stappen. De eerste stap is gedaan met bezonken
Markermeer water in de bak zonder slibtoevoegingen. Bij iedere volgende stap
is een hoeveelheid slibsuspensie toegevoegd. Om een homogeen mengsel te krijgen is, tijdens het meten, geroerd met het mechanisch roerwerk en heeft de
centrifugaalpomp gedraaid. Per stap zijn de volgende metingen verricht:
1. metingen met de lichtsensoren
2. metingen met de slibmeters; het mengvat wordt bij elke stap gevuld met
suspensie afkomstig uit de bak en hierin is met behulp van drie slibsensoren het slibgehalte gemeten
3. analyse van totaal droog ewicht, asrest, chlorofyl-a,particulate organic
carbon (POC) en dissolve organic carbon (DOC)
4. spectrofotometrische extinctie-bepalingen bij een golflengte van 350 t/m
750 nm (stapgrootte 50 ~ n ) .
.
3
2.2. Extra bepalingen
Bij een aantal van de stappen is getracht de deeltjesgrootteverdeling te bepalen door middel van bezinkproeven.
De bezinkproef is, in tegenstelling tot vorige keer, gedaan in cilinders van 1
liter zonder aftaptuitje. Hieruit is 15 cm bovenstaand water afgeheveld.
ongeveer 425 m l . z i e b i j l a g e 4 .
De s t a p p e n w a a r b i j d i t plaatsvond s t a a n aangegeven met een *. Per f r a c t i e z i j n
de volgende metingen u i t g e v o e r d :
1 . a n a l y s e van t o t a a l drooggewicht, a s r e s t en s o o r t e l i j k gewicht
2 . s p e c t r o f o t o m e t r i s c h e e x t i n c t i e bepalingen b i j een g o l f l e n g t e van 350 t / m
750 MI ( s t a p g r o o t t e 50 M I ) .
De manier waarop h e t s o o r t e l i j k gewicht is bepaald van h e t s l i b i s beschreven
i n bijlage 5.
Een optredend probleem b i j de e x t i n c t i e metingen i s d a t t i j d e n s de meting bez i n k i n g van s l i b d e e l t j e s o p t r e e d t i n h e t c u v e t . Daarom moet voor e l k e meting
(dus b i j i e d e r e t e meten g o l f l e n g t e ) de s u s p e n s i e i n h e t c u v e t gemengd worden.
Voor nadere t o e l i c h t i n g van de meetmethoden wordt verwezen n a a r Van Duin e t a 1
(1988). hoofdstuk 3 .
3. RESULTATEN EN DISCUSSIE
Het experiment is uitgevoerd op 24-11-1987.Het heeft een grote hoeveelheid
gegevens opgeleverd die gebruikt kunnen worden voor het in ontwikkeling zijn
de Markermeer/Westelijke randmeren model. De eerste meetserie is uitgevoerd
met Markermeerwater in de bak zonder slibtoevoegingen, aangegeven met
stapnummer 0 in tabel 3.a. Per stap is slib toegevoegd, stap 1 t/m 12.
Tabel 3a. Resultaten experiment
stap
SS
mg/l
ss
1
(%)
11
I11
,
AS
mg/l
AFDW
mg/l
chl-a
POC
1
mgC/l
DOC
mgc/l
E#
/m
--------------------------.---------------------
3.1. Samenstelling van de zwevende stof
Het bereik van de in het mengvat hangende slibmeters was lngesteld met behulp
van een mengsel Markermeerwater en -slib in een concentratie van 300 mg/l
(meter I en 11) en 600 mg/l (meter 111). De resultaten van de metingen staan
weergegeven in tabel 3.a. SS I, SS I1 en SS 111. Het soortelijk gewicht van de
slibsuspensie bedroeg 2212 kg/m3. Het WL (1980) heeft de dichtheid van ongeoxydeerd havenslib geschat op 1100 tot 1500 kg/m3. Deze waarde is aanmerkelijk
lager dan die van het Markermeerslib. De gebruikte analysemethode is onbekend.
Eigenlijk zou je verwachten,dathavenslib een hoger SG heeft omdat het.organisch stofgehalte veel lager is, nl. 8% in tegenstelling tot 17% in Markermeerslib. Deze lagere waarde is ook niet toe te schrijven aan het hoge percentage zware metalen in het havenslib. De zware metalen zorgen voor een structuurverandering van de kleimineralen maar dat heeft geen SG verandering tot
gevolg. Het Markermeerslib en het havenslib zijn qua samenstelling en structuur zeer verschillend van elkaar.
De via analyses verkregen gesuspendeerde stof gehalten en de meetwaarden,
verkregen met behulp van de slibmeters, zijn uitgezet in fig. 3.a. Met
lineaire regressiemethoden zijn de volgende vergelijkingen berekend:
SSI'
- 0 . 2 9 * SS - 17.9
SSII'
0.29 * SS - 13.7
SSIII'
0.16 * SS - 7.6
--
-- 0.963
0.974
r - 0.991
r
r
--
n - 8
8
n
n
11
(3.1)
(3.2)
(3.3)
Deze regressielijnen staan tevens in de figuur afgebeeld.
2 08
0
'
600
400
800
TOTRRL OROOGGEYICnT I M G l L )
Figuur 3.a Relatie tussen het totaal drooggewicht en de meetwaarde van de
slibmeters
Uit figuur 3a en de lineaire regressievergelijkingen blijkt dat slibmeter 111,
geijkt van 0-600 mg/l, het meest nauwkeurig meet. Terwijl men zou verwachten
dat hoe groter het meetbereik is hoe kleiner de meetnauwkeurigheid. Uit herhaalde ijkproeven (zie "Meetopstelling Markermeer; methoden en resultaten
1987" door A . Mugie, A. Oldenkamp en E.H.S. van Duin) van de slibsensoren is
gebleken dat ze gevoelig zijn voor verontreinigingen (0.a. aangroei). De meters functioneren het best met een meetbereik van 0-1000 mg/l. Kleine slibconcentratieverschillen, zoals ze voorkomen in het Markenneer, zijn dan nauwelijks waarneembaar. De slibsensoren zijn geschikt om tendenzen te meten maar
niet voor het voor dit onderzoek gestelde doel.
Naast het totaal droog gewicht, SS, is van ieder monster de asrest en indirect
het asvrijdrooggewicht (AFDW) bepaald. De relatie tussen het totaal drooggewicht, SS, en AFDW is weergegeven in figuur 3.b. De regressielijn van dat verband is : .
AFDW
-
0.16
*
SS
+ 1.18
r
-
0.9992
n
-
13
(3.4)
Figuur 3.b Relatie tussen het totaal drooggewicht en her asvrijdrooggewicht
Aangezien de punten een verdunningsreeks weergeven en het AFDW een percentage
van her SS is, is het volgens verwachting dat deze lijn een rechte door de
oorsprong geeft. Het enige afwijkende punt is dat van stap 0. Hier is het
percentage AFDW 25% i.p.v. ongeveer 17%, zoals bij de overige stappen. Dit
geeft aan dat het organische stofgehalte hoger is in het water, dan in het
aldaar aanwezige slib. Dit is toe te schrijven aan her opgelost organisch
materiaal (DOC).
De monsters zijn ook geanalyseerd op chlorofyl-a. Dit gehalte is een indicacie
voor de algenbiomassa. De chlorofyl-a en totaal drooggewichtgegevens zijn
verwerkt tot fig. 3.c: De lineaire regressielijn wordt weergegeven door de
vergelijking
Figuur 3.c Relatie tussen het totaal drooggewicht en het chlorofyl-a gehalte
Opvallend aan deze relatie is dat de lijn bij extrapolatie niet door de
oorsprong loopt. Dit impliceert dat, indien her monster geen zwevende stof
bevat, er we1 chlorofyl-a aanwezig is, war dan dus in opgeloste vorm aanwezig
zou moeten zijn. Dit is onwaarschijnlijk aangezien chlorofyl-a een maat is
voor de aanwezigheid van plantaardig materiaal. Uitzetten van her chlorofyl-a
gehalte tegen het organisch stof gehalte levert een gelijksoortig resultaat
op, zie figuur 3.d.
Figuur 3.d Relatie tussen het organische stofgehalte en het chlorofyl-a
gehalte .
-
V a r g e l i j k i n g van de r e g r e s s i e l i j n i s :
Chl-a
1 . 0 * AFDW + 1 6 . 9
r
-
0.9929
n
-
13
(3.6)
Ook deze r e g r e s s i e l i j n l o o p t n i e t door de oorsprong. Een v e r k l a r i n g voor d i t
v e r s c h i j n s e l i s n i e t d i r e c t voorhanden. De r e l a t i e i s we1 s i g n i f i c a n t .
B i j e l k e s t a p i s h e t POC e n DOC g e h a l t e bepaald. Het DOC g e h a l t e i s c o n s t a n t .
D i t b e t e k e n t d a t b i j toevoegingen van s l i b en l a n g d u r i g r o e r e n geen e x t r a
organische s t o f f e n u i t h e t s l i b vrijkomen en i n o p l o s s i n g gaan, o f u i t de
o p l o s s i n g verdwijnen.
Het POC g e h a l t e i s i n f i g u u r 3 . e u i t g e z e t tegen h e t AFDW.
0
20
40
60
B0
100
RSVRIJDROOGGEWICHT 1flG1L)
Figuur 3 . e R e l a t i e t u s s e n h e t organische s t o f g e h a l t e e n h e t p a r t i c u l a t e
organic carbongehalte.
De r e g r e s s i e l i j n h e e f t de volgende v e r g e l i j k i n g :
POC
-
0.34
*
AFDW
-
1.70
r
=
0.9942
n -13
(3.7)
Zoals t e verwachten i s d i t een l i n e a i r verband, d a t de l i j n n i e t e x a c t door de
oorsprong g a a t i s t e w i j t e n aan onnauwkeurigheden i n de a n a l y s e s . Het POCg e h a l t e is dus een v a s t percentage van h e t AFDW b i j e e n verdunningsreeks.
Met behulp van bezinkproeven i s g e t r a c h t een f r a c t i e v e r d e l i n g t e maken. Drie
b e z i n k t i j d e n z i j n aangehouden, waardoor 4 f r a c t i e s kunnen worden o n d e r s c h e i den.
T a b e l 3 . b Gegevens v a n d e b e z i n k p r o e v e n
bezinksnelheid
rn/s
-6
2 . 5 E-6
40 E - 6
160 E
bezinktijd
fractie
16 u u r 40 min
63 rnin
1 6 min
1
1,2
1,2,3
1,2,3,4
SG
kg/m3
692
742
744
2212
D
P
D (F)
SG-2212
< 1.9
< 7.8
< 2
< 8
<
< 16
15.5
.
De samenstelling van de verschillende fracties is geanalyseerd. De resultaten
zijn weergegeven in tabel 3.c.
Tabel 3.c.
Resultaten fractiegrootte bepaling
stap
fractie 1
fractie 2
fractie 3 fractie 4
---.---------------------.--------------------------------
E#
(/m)
AFDW
(%/I)
'
2
4
6
8
11
7.08
9.24
10.71
11.71
13.17
4.35
6.80
10.70
14.02
17.76
2
5.5
8.6
9.9
8.1
8.0
6.3
5.2
8.7
20.2
19.9
1.9
3.9
7.6
4.6
23.5
2.7
11.5
21.0
24.7
32.6
19
13
18
26
22
39
20
15
8
18
8
13
15
15
13
4
6
8
11
AFDW
%
2
4
6
8
11
23
25
25
20
18
1.02
2.84
4.87
5.90
14.21
1.12
1.36
2.71
4.61
7.76
Een beschrijving van de methode is gegeven in bijlage 4. In figuur 3.f is het
totaal drooggewicht van elke Eractie voor elke stap uitgezet tegen het totaal
drooggewicht van de desbetreffende stap.
-
250
-
.--
FRRCTIE I
X
FIIRCTIE 4
0
*
A
U
E
288
-
150
-
-
FIIKTIE I
FRRCTIE 1
W
*
+
U
E
a
Y
,
I
:5I:
lee
-
58
-
W
0
u
0
0
$
b-
0
+
B
B
I
I
I
I
I
I
I BE
200
388
400
500
680
TOTRRL OROOCCEHICHT ( U G / L I
Figuur 3.f Relatie tussen het totaal drooggewicht en het drooggewicht per
fractie.
Uit tabel 3.c en figuur 3.f. blijkt dat indien het zwevende stofgehalte in de
bezinkkolom toeneemt, de zwevende stof concentratie van de grote fracties, 3
en 4, veel sneller toeneemt dan van de kleinere fracties. Aangezien de basissuspensie voor alle stoffen:hetzelfde is, zou her percentage van de zwevende
stof per fractie constant dienen te blijven. In tabel 3.c. zijn ook de percentages zwevende stof van elke fractie van elke stap berekend.
In figuur 3.g. zijn de verschillende relaties geplot.
De vergelijkingen van de regressielijnen zijn:
8
108
280
3 00
408
588
6 00
rOTRRL OROOGGEHICHT lUG,Ll
Figuur 3 . g Procentuele f r a c t i e v e r d e l i n g van de zwevende s t o f .
Het p e r c e n t a g e ingenomen door f r a c t i e 4 neemt t o e t u s s e n s t a p 2 e n s t a p 4 . B i j
de o v e r i g e s t a p p e n b l i j f t h e t ongeveer g e l i j k . Het percentage van f r a c t i e 3
neemt t o e , met u i t z o n d e r i n g van s t a p 8 . Het percentage van f r a c t i e 2 neemt
t u s s e n s t a p 2 en 4 a f en b l i j f t daarna g e l i j k . Het percentage van de k l e i n s t e
f r a c t i e neemt g e s t a a g a f .
B i j d i t v e r s c h i j n s e l kunnen twee f a c t o r e n een r o l s p e l e n :
a . h e t o p t r e d e n van gehinderde b e z i n k i n g e n c o a g u l a t i e
b . achtergrondsconcentraties.
B i j gehinderde bezinking s l e p e n de g r o t e d e e l t j e s de k l e i n e d e e l t j e s mee,
waardoor deze e e r d e r t o t b e z i n k i n g komen dan, i n d i e n z i j n i e t gehinderd zouden
worden. Naarmate h e t zwevende s t o f g e h a l t e i n de bezinkkolommen toeneemt, z a l
h e t o n d e r l i n g e h i n d e r e n b i j bezinking meer e n meer o p t r e d e n .
Het f e i t d a t h e r percentage:van de g r o t e r e f r a c t i e s toeneemt b i j hogere zwevende s t o f g e h a l t e s i n de bezinkkolommen, kan hiermee dus i n e n i g e mate v e r k l a a r d worden. Voor f r a c t i e 3 i s deze invloed v e e l g r o t e r dan voor f r a c t i e 4 .
B l i j k b a a r b e s t a a t f r a c t i e 4 u i t d e e l t j e s d i e r e l a t i e f zwaar z i j n e n z e e r s n e l
bezinken e n n i e t met k l e i n e d e e l t j e s coaguleren. F r a c t i e 3 daarentegen is
w a a r s c h i j n l i j k voor e e n d e e l i n de bezinkkolom gevormd door c o a g u l a t i e van
d e e l t j e s u i t de f r a c t i e s 1 en 2 . Het percentage van f r a c t i e 2 i s na s t a p 2
r e d e l i j k c o n s t a n t , D i t i m p l i c e e r t d a t de hoeveelheid massa d i e door c o a g u l a t i e
en s l e e p e f f e c t e n v e r l o r e n g a a t , ongeveer g e l i j k i s aan de concentratietoename
en de hoeveelheid massa d i e i n f r a c t i e 2 t e r e c h t komt door c o a g u l a t i e en
sleepeffecten.
Het percentage van f r a c t i e 1 neemt a f met h e t t o t a a l zwevende s t o f g e h a l t e . De
a b s o l u t e hoeveelheid neemt e c h t e r t o e . Dat w i l zeggen d a t de k l e i n s t e f r a c t i e
n i e t beschouwd kan worden a l s een i n h e t water aanwezig c o n s t a n t g e h a l t e , de
zogenaamde achtergrondconcentratie. B i j de v o r i g e experimenten l e e k d i t we1
h e t geval t e z i j n .
I n f i g u u r 3 . h i s h e t AFDW p e r f r a c t i e u i t g e z e t tegen h e t AFDW behorende b i j
d i e bepaalde s t a p . De h i e r i n getekende r e g r e s s i e l i j n e n hebben de volgende
vergelijkingen:
AFDWl
AFDW2
AFDW3
AFDW4
---
0.02
0.25
0.29
0.44
0
*
*
*
*
AFDW + 6 . 8 7
AFDW + 0 . 5 0
AFDW - 5 . 3 7
AFDW - 2 . 0 0
30
60
90
RSVRIJOROOCCEYICHT l M C / L )
Figuur 3 . h F r a c t i e v e r d e l i n g van h e t organische s t o f g e h a l t e
I n f i g u u r 3 . i is h e t percenfage AFDW van e e n f r a c t i e u i t g e z e t t e g e n h e t AFDW
van d i e s t a p . Tevens s t a a n h i e r i n de r e g r e s s ' i e l i j n e n met de v e r g e l i j k i n g e n :
-
AFDW'1
- 0 . 0 9 2 * AFDW + 26.5
AFDW'2- 0 . 1 1 * A F D W + 1 4 . 6
AFDW'3
- 0 . 2 9 * AFDW + 33.4
AFDW'4
0.064 * AFDW + 9 . 8
--
-
r
-0.775
r - 0.579
r
-0.648
r - 0.583
n
n
n
n
---
5
5
5
5
(3.20)
(3.21)
(3.22)
(3.23)
Figuur 3. i ~rocentuelefractieverdeling van het organische stofgehalte.
Tevens is voor iedere fractie de relatie tussen totaal drooggewicht en asvrijdrooggewicht grafisch weergegeven in fig. 3.j. De vergelijkingen van de regressielijnen luiden als volgt:
Figuur 3.j Relatie tussen het totaal drooggewicht en asvrijdrooggewicht per
fractie.
Van de verschillende afgehevelde suspensies is het SG bepaald. Afhankelijk van
de bezinktijd zijn in de afgehevelde suspensies verschillende fracties aanwezig. De resultaten staan weergegeven in tabel 3.b.
Het SG van de fracties 1,2 en 3 verschilt onderling niet veel, en neemt naarmate de bezinksnelheid kleiner is enigszins af. Dit is waarschijnlijk toe te
schrijven aan het percentage organische stof dat toeneemt naarmate de bezinksnelheid toeneemt. Over het algemeen is het SG van organische stof lager dan
van anorganische stof. Gezien de cijfers in tabel 3.b moet het SG van fractie
4 erg hoog zijn om her totaal SG zo hoog te krijgen. Dat impliceert dat de
samenstelling van fractie 4 niet in het minst overeenkomt met de samenstelling
van de andere fracties.
Een deel van fractie 4 zou kunnen bestaan uit fijn zand en ;ware zavel.
Tevens is van iedere stap het POC gehalte in figuur 3.k gerelateerd aan het
asvrijdroog gewicht per fractie. De vergelijkingen van de lineaire regressielijnen zijn:
POC
POC
POC
POC
-- 1.03
1.93 * AFDWl - 1.57
* AFDW2 + 1.5
-- 0.83
* AFDW3 + 7.06
0.72 * AFDW4 + 0.72
r
0
I
0
I0
20
30
RSVRIJDROOCCEHICHT PER FRRCTIE
-
FROCTIE I
FRRCTIE 2
FRRCTIE 3
FIIRTIE
4
40
(UGIL)
Figuur 3.k Relatie tussen het POC gehalte en het asvrijdrooggewicht per
fractie.
Het is duidelijk dat hetPOC niet gerelateerd kan worden aan de kleinste
fraccie. Het percentage organische stof van de fractie 1 neemt af, bij
toenemend gehalte. Dat wil zeggen dat de samenstelling van de fractie verandert indien de concentratie verandert. Dit betekent dat de organische
deelcjes binnen de fractie meer effect ondervinden van coagulatie processen
dan de anorganische deeltjes. Dit is inderdaad te verwachten.
3.2. Lichtmetingen en extinctiecoefficienten
9
De met behulp van de lichtcellen gemeten lichtintensiteiten geven enkel voor
de eerste drie stappen betrouwbare waarden. Bij de stappen daaropvolgend lopen
de slibgehalten in het water en de.daarmee samenhangende extinctie zo hoog op,
dat de lichtintensiteiten in de waterkolom afnemen tot onder de gevoeligheid
van de sensoren. De aan de hand van de eerste drie metingen berekende extinctiecoefficienten staan weergegeven in tabel 3.d.
Tabel 3.d. Resultaten extinctiemetingen in de waterkolom
stap
SS
mg/l
E
/m
E#
/m
Naast de uit de lichtmetingen berekende extinctiecoefficienten, zijn ook
extinctiecoefficienten gemeten met een spectrofotorneter, E#, zie paragraaf
2 . 2 . De resultaten staan weergegeven in tabel 3.a en in figuur 3.1.
0
200
400
TOTRRL OROOGGEYICHT
600
000
(MGILJ
Figuur 3.1 Relatie tussen de spectrofotometrische extinctiecoefficient en het
drooggewicht.
Voor het omrekenen van de in het lab gemeten extincties naar de extinctiecoefficienten bepaald uit de lichtmetingen afkomstig van de lichtcellen, is
getracht een lineair verband te leggen tussen de beide extinctiecoefficienten,
E en E#. Het berekende verband is weergegeven in figuur 3.m. Het verband heeft
de volgende vergelijking:
0
5
I0
EXTINCTKE
*
15
20
<,MI
Figuur 3.m Relatie tussen de extinctiecoefficienten gemeten met een spectrofotometer en bepaald uit metingen met lichtcellen.
De relatie is niet significant. In het voorgaande experiment is eveneens een
dergelijk verband afgeleid (Van Duin et a1 1988). Dat verband is ook geschetst
in figuur 3.m. Beide verbanden zijn op dezelfde manier bepaald maar de vergelijkingen zijn dusdanig verschillend dat het blijkt dat een onder alle omstandigheden geldende relatie tussen E en E# niet op deze manier is af te leiden.
We1 is er voor een bepaalde slibsamenstelling een verband af te leiden, maar
voor iedere labproef of veranderende omstandigheid in het veld, dient dit ver'band opnieuw bepaald te worden.
Om inzicht te krijgen in de bijdrage van iedere fractie aan de extinctie is de
extinctiecoefficient van iedere fractie bepaald met een spectrofotometer, E#
(zie bijlage 9). Dit is in duplo.gebeurt. Deze gegevens zijn verwerkt tot fig.
3.n, waarin tevens de lineaire regressielijnen afgebeeld zijn. De vergelijkingen van deze lijnen zijn:
0
50
TOT.
100
150
200
250
DHOOCCEHICHT PER FRRCTIE InG,LI
Figuur 3.n Relatie tussen de spectrofotometrische extinctiecoefficient en het
totaal drooggewicht per fractie.
Opvallend aan de in tabel 3.d gegeven resultaten is dat het totaal drooggewicht van fractie 1 niet constant is bij alle stappen, evenals de extinctiecoefficient. Het gehalte en de extinctie kunnen dus niet als achtergrondswaarden van het Markermeerwater beschouwd worden. Om de achtergrondextinctie te
definieren kan als volgt gewerkt worden:
De berekening van de uitdoving van licht in water gemeten met een spectrofotometer kan nu berekend worden met behulp van algemene vergelijking 3.34.
-
Maar in dit geval wordt die uitdoving berekend met (3.36)
E#
El# + E2# + E3# + E4#
E#'.SS
El#'.SSl + EZ#'.SS2 + E3#'.SS3 + E4#'.SS4
- -
(3.36)
(3.37)
De achtergrondsextinctie vai het water vormt in (3.36) een deel van El# en is
dus als volgt gedefinieerd:
El#
EO# + Ew#
(3.38)
-
Tabel 3 . e . Afgeleide e x t i n c t i e c o e f f i c i e n t e n
fractie
stap 2
stap 4
stap 6
stap 8
s t a p 11
mean
Met behulp van de i n t a b e l 3 : e . vermelde a f g e l e i d e e x t i n c t i e c o e f f i c i e n t e n kan
de e x t i n c t i e a l s v o l g t worden berekend.
H i e r u i t v o l g t voor E W de waarde 0.32 /m.
Als de algemene Eormule ( 3 . 3 4 ) vergeleken wordt met de formule van d i t expe, r i m e n t ( 3 . 3 6 ) dan b l i j k t h e t volgende:
El# ( 3 . 3 6 )
El# ( 3 . 3 4 ) ' + Ewff(3.34)
(3.40)
combinatie van ( 3 . 6 0 ) met ( 3 . 3 8 ) v o l g t :
Eo# ( 3 . 3 8 ) (3.34)
e n kan dus aan
( 3 . 3 5 ) de waarde 0.27 toegekend worden.
Uit
El#
E'1#
De invloed van de k l e i n e d e e l t j e s op de e x t i n c t i e i n water is r e l a t i e f g r o o t .
D i t komt overeen met de verwachting, z i e ook van Duin e t a 1 (1988).
4. Eindconclusies
De resultaten van het experiment hebben geleid tot meer inzicht in de relatie
tussen het zwevend materiaal in het water, de samenstelling ervan en de invloed op het lichtklimaat.
Van de drie slibmeters functioneerde meter 3 relatief het beste, maar nog niet
erg nauwkeurig. Bij 1ater.in het veld uitgevoerde metingen bleken de meters
absoluut niet te voldoen.
Het afnemen van het procentueel gehalte aan deeltjes <2 p ' e n dus het toenemen
van het procentueel gehalte aan deeltjes van 2 tot 16 p duidt op het optreden
van coagulatie, waardoor de deeltjes sneller bezinken.
Dit betekent dat de mate van verdunning invloed heeft op de resultaten van de
bezinkproef en dat het zodoende van belang is bij hogere concentraties een
verdunningsreeks te gebruiken. Wat de optimale verdunning is voor de meest
"natuurlijke" bezinking, is uit deze proefresultaten niet te halen.
Theoretisch gezien zal coagulatie minder optreden biJ een hogere verdunning,
daar staat tegenover dat onder natuurlijke omstandigheden ook coagulatie kan
optreden, en bij een te grote verdunning de asvrijdrooggewichtbepaling onnauwkeurig wordt. Waarschijnlijk kan het best gewerkt worden met concentraties
die ook onder natuurlijke omstandigheden voorkomen, dus in een range van 0 tot
300 mg/l, met als streven een concentratie tussen de 50 en de 100 mg/l. Dit
betekent dat aan de resultaten van stap 2 en 4 meer waarde gehecht dient te
worden dan aan de resultaten van de overige stappen. Het opdrijven van deeltjes is niet duidelijk geconstateerd, dat wil zeggen dat flocculatieprocessen
geen belangrijke rol spelen.
Het DOC gehalte in het water is constant, het POC gehalte niet. De opgeloste
organische stoffen zijn verantwoordelijk voor het verhoogde percentage organische stof in bezonken Markermeerwater in verband met de verschillende suspensies. Het POC is niet te relateren aan de kleinste fractie. Het organische
stofgehalte neemt in verhouding af bij.de kleinste fractie bij toenemende concentraties. Dat wil zeggen dat de organische deeltjes actiever betrokken zijn
bij coagulatie processen dan de anorganische deeltjes.
Ook indien het totaal drooggewicht in het monster nu1 is, bevat het monster
een bepaalde hoeveelheid chlorofyl-a.Dit is onmogelijk en moet op een fout in
de analysemethode wijzen.
Een vergelijking tussen de spectrofotometrische extinctiecoefficient en de
extinctieco8ffici6nt berekend uit de gegevens van de lichtcellen heeft niet
geleid tot een betrouwbaar verband. Hoe deze relatie we1 gelegd kan worden is
nog niet duidelijk. Het lijbt erop dat dit verband erg afhankelijk is van de
samenstelling van het waterhonster.
Het toekennen van een betrouwbare specifieke extinctiecodfficient per fractie
wordt bemoelijkt vanwege het beperkte aantal gegevens. De methode op zich
lijkt echter veelbelovend.
De proef heeft geleid tot meer inzicht in de processen en de meetmethoden.
Hoewel het herhalen van de proef op zich zinvol kan zijn, verdient het de
voorkeur de metingen in het veld uit te voeren. Dat wil zeggen dat de lichten de slibmeters in her water worden opgehangen en zeer regelmatig monsters
worden genomen waarin het slibgehalte, de fractiegrootteverdeling en de extinctiecoefficienten worden bepaald.
'
Dit dient zo vaak uitgevoerd te worden tot niet alleen significante, maar ook
reproduceerbare resultaten worden bereikt.
LITERATUURLIJST
*
E.H.S. van Duin, A.M.T.
Kuijpers, A. Oldenkamp
(1988)
"Zwevende stof en licht in water",
RIJP werkdocument 1 Cbw.
*
J. Hofstee (1980)
"Toelichting op de analysemethoden voor grond, organisch
materiaal, water en bodemvocht",
Rijksdienst voor de IJsselmeerpolders
*
J . Hofstee (1980)
"Analysemethoden, deel I Grond",
Rijksdienst voor de IJsselmeerpolders
*
J. Hofstee (1980)
"Analysemethoden, deel I11 Water
en bodemvocht".
Rijksdienst voor de IJsselmeerpolders
"Milieutechnische aspecten van het
storten van baggerslib uit de
Maasmond, de Botlek- en de
Waalhaven in het Oostvoornse
Meer".
WL-rapport M 1501/M 1549
*
W. Locher
"Kleimineralen"
Syllabus HBCS.
Bii laeen
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Symbolenlijst
Spectrofotometrische extincties
Spectrofotometrische extincties van de bezinkproeven
Bepaling deeltjesgrootteverdeling
Soortelijk gewicht bepaling
Bepaling totaal drooggewicht en asrest
Bepaling chlorofyl-a gehalte
8. Bepaling POC en DOC
9. Meten van extinctie met behulp van spectrofotometer
Bij lage 1. Symbolenlijst.
AFDW
AFDWi
AS
chl-a
DOC
E
E'
E#
Ew
Ei
E (DL)
L1
n
POC
r
SG
SS
SS'
SS'I
SSi
asvrijdrooggewicht
mg/l
asvrijdrooggewicht van fractie i
mg/l
asrest
mg/l.
chlorofyl-a
pg/l
dissolved organic carbon
mg C/1
extinctiecoefficient
/m
afgeleide extinctiecoefficient
m2/g
spectrofotometrische extinctiecoefficient
/m
achtergrondsextinctiecobfficient
/m
extinctiecoefficient van fractie i
/m
bij DAG-LICHT-LAMP bepaalde extinctiecoefficient /m
lichtcel 1
aantal meetgegevens
mg C/1
particulate organic carbon
correlatiecoefficient
soortelijk gewicht
kg/m3
gehalte aan gesuspendeerde stoffen
mg/l
procentueelgehalte aan gesuspendeerde stoffen
%
procentueelgehalte aan gesuspendeerde stoffen,
gemeten door slibmeters
%
gehalte aan gesuspendeerde stoffen door
mg/l
fractie i
procentueel gehalte aan gesuspendeerde
stoffen van fractie i
%
Bijlage 2. Spectrofotometrische extinctie
0
golflengte
350
120
400
83
450
66
500
57
550
50
600
45
650
42
700
39
750
36
stap
gem. 400/700
stap
golflengte
350
400
450
500
550
600
650
700
750
5.46
4
314
264
235
207
193
177
167
159
150
gem. 400/700
stap
golflengte
350
400
450
500
550
,600
650
700
750
9.54
20.24
24.69
8
519
455
409
379
352
332
315
306
299
gem. 400/700
36.24
39.83
stap
golflengte
350
400
450
500
550
600
650
700
750
12
846
749
678
632
586
561
529
508
490
Bijlage 3. Spectrofotometrische extinctie van de bezinkproeven
bezinksnelheid 160 E-6 m/s
stap
2
2
golflengte
gem. 400/700
12.45
4
4
18.88
6
6
8
26.28
31.63
21.41
25.73
8
bezinksnelheid 40 E-6 m/s
s tap
2
2
golflengte
350
204
204
400
,158
160
450
135
134
500
119
119
550
108
108
600
100
100
650
93
92
87
87
700
83
82
750
gem. 400/700
11.43
bezinksnelheid 2.5 E-6 m/s
stap
2
2
golflengte
350
147
148
400
108
107
450
87
86
500
75
74
550
66
66
600
54
58
650
54
53
700
50
48
750
46
44
gem. 400/700
7.08
16.04
4
182
136
111
97
87
''79
73
67
61
9.24.
4
179
135
107
96
87.
78
73
67
62
6
.6
8
203
155
130
113
100
93
83
76
70
204
158
129
113
99
93
82
75
70
220
169
143
124
110
99
92
82
78
10.71
11.71
8
222
170
142
124
111
99
90
84
77
B i j l a g e 4 . Bepaling Dee1,tjesgrootteverdeling
De d e e l t j e s g r o o t t e b e p a l i n g b e r u s t op h e t v e r s c h i l i n b e z i n k s n e l h e i d t u s s e n de
grove en f i j n e d e e l t j e s . Deze b e z i n k s n e l h e i d wordt met behulp van de wet van
Stokes berekend:
Ws
pp
p
g
d
p
-----
bezinksnelheid
d i c h t h e i d van de d e e l t j e s
d i c h t h e i d van h e t water
g r a v i t a t i e v e r s n e l l i n g -. 9 . 8 1
diameter van de d e e l t j e s
dynamische v i s c o s i t e i t = 1 . 0 E-3 (20 C) 1 . 8 E-3 ( 0 C)
(m/s)
(kg/m3)
(kg/m3)
(kg/m3)
(m)
(kg/ms )
Drie m a a t c i l i n d e r s van ongeveer 1 1 worden met een goed gemengde s l i b s u s p e n s i e
gevuld. De temperatuur e r v a n wordt gemeten.
Vanaf h e t oppervlak wordt een hoogte van 15 cm a f g e t e k e n d . De s l i b s u s p e n s i e
l a t e n we gedurende t i j d T s t a a n zodat h e r s l i b kan bezinken. B i j i e d e r
c i l i n d e r wordt nu d i e 15 cm bovenstaand water (425 ml) afgeheveld t o t e e n
t o t a l e hoeveelheid van ongeveer 1 . 3 1. Van d i t mengsel, waarvan e e r s t de
temperatuur gemeten i s , wordt h e t s o o r t e l i j k gewicht bepaald ( z i e b i j l a g e 5 ) .
Deze proef wordt u i t g e v o e r d voor de volgende b e z i n k t i j d e n , T :
b e z i n k s n e l h e i d (m/s)
2.5
10:;
40
10
160
*
*
bezinktiid T
16 uur 40 min.
63 min.
16 min.
U i t de d r i e experimenten met v e r s c h i l l e n d e bez'inktijden z i j n de f r a c t i e -
g r o o t t e s met behulp van de wet van Stokes t e berekenen. I n h e r afgehevelde
water u i t h e t experiment m e t de l a n g s t e b e z i n k t i j d (16 uur 40 min) b e v i n d t
z i c h de k l e i n s t e f r a c t i e , f r a c t i e 1. Het t o t a a l drooggewicht i n h e t a f g e hevelde water van d i t experiment i s dus t e g e l i j k e r t i j d h e r t o t a a l drooggewicht
van de k l e i n s t e f r a c t i e , SS1.
I n h e r afgehevelde water van h e t experiment met de middellange b e z i n k t i j d ( 6 3
min) b e v i n d t z i c h de CCn na k l e i n s t e f r a c t i e , f r a c t i e 2 . Het t o t a a l drooggewicht i n d i t monster minus SS1 g e e f t h e t t o t a a l drooggewicht van f r a c t i e 2 ,
SS2.
I n h e t afgehevelde water van h e t experiment met de k o r t s t e b e z i n k t i j d (16 min)
b e v i n d t z i c h de een na g r o o t s t e f r a c t i e , f r a c t i e 3. Het t o t a a l drooggewicht i n
d i t monster minus t o t a a l drooggewicht van h e t afgehevelde w a t e r van h e t experiment met de middellange b e z i n k t i j d g e e f t h e t t o t a a l drooggewicht van f r a c t i e
3 , SS3.
Het t o t a a l drooggewicht van h e t watermonster voordat de bezinkproeven gedaan
z i j n minus h e r t o t a a l drooggewicht van h e r afgehevelde w a t e r van h e t experiment met de k o r t s t e b e z i n k t i j d g e e f t h e t t o t a a l drooggewicht van f r a c t i e 4 ,
SS4.
Bijlage 5. Soortelijk gewichtbepaling
Om her soortelijk gewicht van het slib te bepalen wordt 100 ml slibsuspensie
gepipetteerd en gewogen. G1.
Na droogdampen (105.C) wordt het monster opnieuw gewogen. G2.
Met behulp van het soortelijk gewicht van water kan het volume-aandeel van het
water van de slibsuspensie berekend worden. De dichtheid van her water is afhankelijk van de temperatuur van het slibmonster (zie onderstaande tabel).
Het soortelijk gewicht van het slib wordt nu met bovenstaande gegevens berekend op de volgende manier:
SGs
Gw
Vw
p
SGs
---
0.1 - vw
massa water
volume water
dichtheid water
soortelijk gewicht slib
Dichcheid van water
temp
Oc
dichth .
kg/m3
temp
OC
dichth.
kg/m3
- - - - . - - - - - - - - - - - - - - -. ----- - -. - - - - - - - - - - - - ,
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10.
11
12
13
14
15
999.87
999.93
999.97
999.99
1.000.00
999.99
999.97
999.93
999.88
999.81
999.73
999.63
999.52
999.40
999.27
999.13
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
2i
29
30
998.97
998.80
998.63
998.43
998.23
998.02
997.80
997.57
997.33
997.07
996.81
996.54
996.26
995.97
995.68
Bijlage 6. Bepaling totaal drooggewicht en asrest
Voor.het bepalen van het totaal drooggewicht en asrest van Markermeerwater,
wordt een bepaalde hoeveelheid (V ml) gefiltreerd over een cellulose acetaatfilter (massa Gl). Het filter met residu wordt nu 4 tot 16 uur gedroogd in een
stoof bij 105 oC en daarna gewogen, G2. Tot slot wordt het filter met materiaal gewicht G3 verast in een moffeloven bij 550 *C gedurende 4 uur. Na afkoeling wordt het gewogen. G4.
De hoeveelheid gesuspendeerd materiaal wordt nu op de volgende manier berekend :
Het totaal drooggewicht bestaat uit een organisch deel (asvrij drooggewicht)
en een anorganische deel (asrest).
Het asvrij drooggewicht/organische stofgehalte wordt berekend met de volgende
formule:
1000 *
-
v
((G2 - Gl) - G4
-
G3)] gram/liter
Bijlage 7. Bepaling van Chlorofyl-a
Chlorofyl-a is gewoonlijk het meest aanwezige en belangrijke pigment in levend
materiaal. Het gehalte aan chloroEy1-a geeft een indruk van de totale hoeveelheid fytoplankton.
Het water wordt gefilterd over een glasvezelfilter a1 dan niet voorbehandeld
met MgC03. Het residu wordt gedurende 5 minuten in een waterbad van 70-75'C
geextraheerd met alcohol.
Na het extraheren wordt het extract afgekoeld met ijs.
Het chlorofyl-a gehalte wordt nu spectrofotometrisch bepaald bij de golflengten 665,hoogste extinctie, en 750 mm.
Bijlage 8. Bepaling POC en DOC
Organische koolstof komt voor in het in water zwevend materiaal. Dit organisch
materiaal wordt door filtratie verzameld op een glasvezelfilter en verast in
de oven bij 950.C.
Het verbrandingsgas C02 wordt in een reactievloeistof (NaOH) vastgelegd. De
hiervoor veranderde geleidbaarheid van de vloeistof is een maat voor de hoeveelheid koolstof.
Particulate organic Carbon (POC) wordt uitgedrukt in mg organische koolstof in
her in 1 1 water voorkomend zwevend materiaal. Deze waarde opgeteld bij de via
auto-analyser bepaald opgelost organisch koolstof (Dissolved Organic Carbon
DOC) geeft het totale gehalte aan organische koolstof per liter water (TOC).
-
Bijlage 9. Meten van extinctie m.b:v. spectrofotometer
Het meten van de extinctiecoefficient van het Markermeerwater gebeurt met een
spectrofotometer.
De werking van het apparaat berust op het principe dat bij iedere gewenste
golflengte de door het monster doorgelaten hoeveelheid licht kan worden gemeten.
Na het ijken van de spectrofotometer wordt het te meten monster in een cuvet
gedaan en in het apparaat geplaatst. Met een stapgrootte van 50 nm wordt de
extinctie per cm (lengte van het cuvet) van het monster vanaf 350 t/m 750 run
gemeten.
Een optredend probleem bij deze extinctiemetingen is dat tijdens de meting bezinking optreedt in het cuvet. Daarom moet voor iedere meting, bij iedere te
meten golflengte, de slibsuspensie in het cuvet gemengd worden.
Om de spectrofotometrische extinctiecoefficient (uitgedrukt in /m) van een
monster te bepalen, worden de extinctiecoefficienten van het golflengtetraject
400 t/m 700 nm gemiddeld en met 100 vermenigvuldigd. Deze gevonden waarde kan
nu vergeleken worden met de extinctiecoefficient berekend uit de lichtmetingen.
Uit de drie experimenten met verschillende bezinktijden is naast het totaal
drooggewicht (zie bijlage 4) ook de spectrofotometrische extinctie per fractie
bepaald.
In het afgehevelde water uit het experiment met de langste bezinktijd, bevindt
zich de kleinste fractie, fractie 1. De extinctie van het afgehevelde water
van dit experiment is dus tegelijkertijd de extinctie van de kleinste fractie,
El#. In het afgehevelde water uit het experiment met de middellange bezinktijd, bevindt zich de Ben na kleinste fractie plus de kleinste fractie, dus
fractie 1 + 2. De extinctie van dit monster minus El# geeft de extinctie van
fractie 2, E2#.
In het afgehevelde water uit het experiment met de laatste bezinktijd, bevindt
zich ook de een na grootste fractie, dus fractie 1,2 + 3. De extinctie van dit
monster minus de extinctie van het afgehevelde monster met de middellange
bezinktijd geeft de extinctie van fractie 3, E3#.
De extinctie van her-watermonster voordat de bezinkproeven-.gedaanzijn minus
de extinctie van het afgehevelde water van het experiment met de kortste bezinktijd geeft de extinctie van fractie 4, E4#.

Download Report