Bacteriën maken slappe grond stevig

De onderneming past deze innovatieve techniek toe en ontwikkelt haar in de praktijk samen met Deltares, TU Delft en het Center for Bio-mediated and Bio-inspired Geotechnics van de Arizona State University verder.
Het oude havengebied van de Canadese stad Toronto, het Waterfront, zal binnen een aantal jaren worden herontwikkeld tot een bruisend nieuw stadsdeel, dat de stad met het water verbindt. Dit project wordt ontwikkeld door Waterfront Toronto en zal enkele tientallen miljarden dollars kosten. De Port Lands, een voormalige industrieterrein van 400 hectare binnen het Waterfront Toronto-gebied, zal over een aantal jaren zijn omgevormd tot een gebied voor natuur en recreatie, nieuwe stadswijken met woningen en een deel voor lichte industrie.

Te slap

“De ondergrond van dit gebied is veel te slap voor herontwikkeling”, legt Yvo Veenis uit. Hij is directeur van Groundwater Technology. “Het verstevigen van de grond voor herontwikkeling is enorm kostbaar. Standaardtechnieken om grond te verstevigen, bestaan vaak uit het voorbelasten met enorme hoeveelheden zand of het vermengen met cement, wat slecht is voor het milieu.”
Ook Nederland kent de problematiek van een slappe ondergrond. Amsterdam luidt inmiddels de noodklok om instabiele kademuren op korte termijn aan te pakken, om te voorkomen dat de kademuren afbrokkelen en flinke gaten in het wegdek ontstaan. “Deze problematiek geldt niet alleen voor de Amsterdamse kademuren, maar voor wegen in het algemeen in verstedelijkte gebieden die zwaar worden belast door vrachtverkeer.”

Biocementatie

Volgens Veenis is een biocementatie een alternatieve en veel betere en goedkopere techniek, waarvoor geen onderhoud nodig is. “Biocementatie zorgt ervoor dat slappe grond wordt verstevigd door biologische processen op gang te helpen met bacteriën, die van nature al in de grond zitten. Deze techniek is in het laboratorium van Deltares bewezen en nog nooit eerder zo op locatie toegepast.” Groundwater Technology heeft de kans gekregen om deze innovatieve techniek van Nederlandse bodem in het havengebied van Toronto toe te passen. Met biologische processen zal de grond verbeterd en versterkt worden, zodat het zandpakket coherent en compact wordt en ook bij herinrichting op zijn plek blijft. Deze techniek voorkomt dat er drijfzand ontstaat en wegsijpelt. “De eerste resultaten zijn inmiddels bekend en geven aan dat de grond fors stabieler is geworden”, zegt Veenis trots.
Deze techniek, die gebruikmaakt van natuurlijke bodembacteriën, is in Delft ontwikkeld door Deltares in samenwerking met de TU Delft. Wouter van der Star is scheikundig technoloog en onderzoekt biocementatie bij onderzoeksinstituut voor grond en water Deltares. Hij is betrokken bij de ontwikkeling van de biotechnologie die in Toronto is toegepast. Hij legt in het kort uit wat biocementatie doet in de bodem. “Deze techniek werkt alleen in zand en zanderige bodems”, legt hij uit. “Natuurlijke bacteriële processen in de bodem zorgen ervoor dat zandkorrels door een natuurlijk in de bodem gevormd cement aan elkaar plakken. Dit proces kan versneld worden door bepaalde voedingsstoffen in de grond te injecteren, waardoor deze bacteriën sneller biocement maken. Het doel van deze techniek is om de civieltechnische eigenschappen van de grond te veranderen, om een slappe bodem stevig genoeg te maken om hellingen te stabiliseren, uitspoeling te voorkomen en er wegen op te realiseren.”

Twee methodes

Van der Star onderzocht hoe de gewenste range van bodemsterkte bereikt kan worden, van lichte tot een veel stevigere cementatie, geschikt voor allerlei toepassingen. Daarnaast stelde hij vast dat deze techniek ook geschikt is om te voorkomen dat een talud in het losse zand, ofwel running sands, wegzakt. In Toronto is voor twee methodes gekozen. Bij de eerste methode zijn bacteriën uit de bodem gehaald, opgekweekt en weer teruggeplaatst, voorzien van extra voedingsstoffen. Deze bacterie komt overal ter wereld van nature voor in de bodem en maakt het enzym urease aan. Dit enzym wordt in principe gebruikt om ureum af te breken wat een positieve uitwerking heeft op deze bacterie. De bacterie wordt uit de grond gehaald en opgekweekt en in grote hoeveelheden teruggeplaatst in de bodem om de ontwikkeling van het enzym fors te versnellen. Vervolgens wordt ureum in de bodem toegevoegd, waardoor het enzym het ureum omzet zodat er op een natuurlijke wijze carbonaat ontstaat. Carbonaat komt van nature al in de bodem voor. Aan dit proces wordt calcium in opgeloste vorm toegevoegd, waardoor de verbinding calciumcarbonaat ontstaat, dat niet oplosbaar is. Deze stof slaat neer als cement en kit de bodemdeeltjes aan elkaar. Dit enzym werkt al binnen een paar uur. In Toronto resulteerde dit in de bedoelde lichte cementatie.
Bij de tweede methode zijn extra, slim gekozen hulpstoffen toegepast om het bacteriële verstevigingsproces in de grond te versnellen. Hiervoor worden ook bacteriën ingezet die van nature in de bodem voorkomen. Aan deze bacteriën worden voedingsstoffen en nitraat toegevoegd, dat door de bacteriën wordt afgebroken. Hierdoor ontstaat stikstofgas en carbonaat. Door calcium in de bodem toe te voegen, ontstaat eveneens calciumcarbonaat, met precies hetzelfde effect. “Beide methoden bleken succesvol te zijn verlopen en was de kalk zichtbaar neergeslagen in de grond”, zegt Van der Star. In Nederland is deze combinatie van technieken nog onbekend. “Deze innovatieve techniek is in Nederland nog niet grootschalig toegepast. Cement is nog steeds een grote concurrent. Een nieuwe techniek toepassen in een pilot vraagt om een innovatiegerichte mind-set. In Toronto gaat het om een groot gebied, waar de stad tijd en geld heeft uitgetrokken om een aantal pilots met deze techniek uit te voeren. Dat zie je haast nooit gebeuren in Nederland”, zegt Van der Star. 

Dijkversteviging

Leon van Paassen is professor en onderzoeker bij het Center for Bio-mediated and Bio-inspired Geotechnics van de Arizona State University. Hij is in 2009 in Delft gepromoveerd op het gebied van biologische grondverbetering. Hij is sterk betrokken bij het onderzoek en de uitvoering van de nieuwe biologische techniek in Toronto. Sinds twee jaar verblijft hij in Arizona om deze techniek ook in de Verenigde Staten op de kaart te zetten. De National Science Foundation in de VS heeft daarvoor een budget van 20 miljoen dollar beschikbaar gesteld voor een periode van vijf jaar. Volgens Van Paassen is deze nieuwe biologische bodemtechniek uitstekend in te zetten in Nederland, waar deze natuurlijke bodembacteriën ook voorkomen. “Nederland kent eveneens de problematiek van slappe grond en intensief, zwaar verkeer”, zegt hij. “Ook bij dijkversteviging is deze techniek uitstekend toe te passen, waarbij dijken niet alleen hoger, maar ook stabieler en steviger gemaakt kunnen worden. Dat we in Toronto deze techniek kunnen toepassen is geweldig. Nieuw ontwikkelde technieken die wetenschappelijk in een laboratorium zijn bewezen, moeten op locatie getest worden om aan te tonen dat ze echt goed bruikbaar zijn. Toronto verschafte ons deze kans om aan te tonen dat deze techniek geschikt is om de slappe grond daadwerkelijk te verstevigen. Ook heeft het project daar veel informatie opgeleverd waardoor we de processen nog verder kunnen optimaliseren”, besluit Van Paassen. 

Tosca Vissers is pr-journalist bij Procomm.