Dieper in het water gedoken (3)

Waar komt (ons) water vandaan?

De watercyclus op aarde

We beginnen met het beschouwen van de watercyclus met als startpunt het water in de fase gas of damp in wolken. Het water begint de cyclus als pure H₂O (ook bekend als diwaterstofmonoxide of oxidaan), maar niet voor lang, want de waterdamp slaat uiteindelijk op aarde neer als regen, ijskristallen (sneeuw, rijp) of minuscule waterdruppeltjes (mist). Terwijl het water condenseert om waterdruppels te vormen, absorbeert het koolstofdioxide en andere gassen uit de lucht. De atmosfeer zit ook vol met stofdeeltjes en minuscule mineraalkristallen, zoals zand en natriumchloride. Al deze stoffen helpen waterdamp te condenseren, maar ze vervuilen ook het water tijdens de vorming van druppeltjes. De druppeltjes klonteren samen en vallen als neerslag (regen of sneeuw) op de aarde.

Als de regen en sneeuw op de aarde vallen en zich verzamelen, openbaart het zich als oppervlaktewater. Hoe langer het oppervlaktewater in contact blijft met de aarde (dagen of jaren), hoe meer stoffen uit de omgeving erin opgelost of gesuspendeerd worden. Dit kunnen stoffen zijn afkomstig vanuit organisch materiaal van planten of dieren, andere verbindingen zoals herbiciden en pesticiden, en mineralen zoals natriumchloride en calciumsulfaat om er maar een paar te noemen.

Figuur 3.1: schematische voorstelling van de diverse stromen van vormen van water in de watercyclus op aarde.

Het oppervlaktewater sijpelt de grond in, het meeste organische materiaal wordt eruit gefilterd en het water wordt blootgesteld aan meer mineralen waar het langs stroomt of sijpelt. Dit water wordt grondwater genoemd en het kan honderden, zo niet duizenden jaren in deze watervoerende lagen blijven. Door de lange blootstelling hebben mineralen voldoende tijd om op te lossen in het grondwater. In gebieden die rijk zijn aan bodems en rotsformaties met carbonaten^[1] leiden die opgeloste mineralen vaak tot hogere concentraties aan hardheid^[2] en alkaliteit dan aan het aardoppervlak bereikt kunnen worden. Zo zal dus de chemische samenstelling van het water afhangen van de lokale geologie en kan het een grote invloed hebben op het karakter van het bier als daarmee gebrouwen gaat worden.

Putten, bronnen en kwelwater in rivieren en beken brengen grondwater terug naar oppervlaktewateren. Op elk moment kan zowel grondwater als oppervlaktewater weer in de atmosfeer verdampen om deze watercyclus opnieuw te starten. Er zijn drie belangrijke bronnen van zoet water: (neerslag, oppervlaktewater en grondwater). Neerslag van recente regenval of een sneeuwlaag heeft doorgaans een lagere pH dan oppervlaktewater en bevat zeer weinig organisch materiaal of opgeloste mineralen.

Oppervlaktewater uit rivieren of meren kan meer organische stof en een matige concentratie opgeloste mineralen en alkaliteit bevatten. Oppervlaktewater is waarschijnlijker verontreinigd met organische stoffen en varieert sterk met de locatie vanwege de omgevingsomstandigheden en menselijke activiteiten. Grondwater heeft meestal een laag organisch gehalte, maar kan een hoger gehalte aan opgeloste mineralen bevatten en is vatbaar voor verontreiniging door de industrie, de landbouw en andere door de mens gemaakte en aangewende bronnen.

Al eeuwenlang halen brouwers hun brouwwater uit oppervlakte- en grondwaterbronnen. Het grootste deel van het water dat uit deze bronnen wordt gehaald, is bestemd voor het maken van drinkwater of voor andere doeleinden dan brouwen. Het water kan worden verzacht of verhard, de pH wordt aangepast en ionen of organische stoffen die problemen veroorzaken worden verwijderd om het water aantrekkelijker te maken voor consumenten. In veel landen vereisen wetten vaak dat openbare nutsbedrijven water desinfecteren om microbiële besmetting te verwijderen voordat het wordt gedistribueerd naar watergebruikers. Het feit dat het water is behandeld voordat het wordt gedistribueerd, betekent niet dat het geschikt is om te brouwen, ook al is het geschikt om te drinken. Hoewel drinkwater veilig is voor menselijke consumptie, is niet al het drinkwater geschikt om de gewenste bierstijl te brouwen.

Desinfectie is traditioneel niet zo belangrijk voor brouwers, omdat het brouwproces meestal een fase van koken omvat welke, micro-organismen doodt die hierdoor geen invloed meer kunnen uitoefenen. Desinfectiemiddelen zijn moeilijk te verwijderen en achterblijvende bijproducten kunnen problemen veroorzaken en een negatief smaakeffect op het bier kunnen hebben. Een welgemeend advies aan brouwers is dan ook: <<ken je waterbron en weet wat je ervan kunt verwachten>>.

Enkele opmerkingen over de pH en Alkaliteit van water

De meeste amateurbrouwers zijn wel op de hoogte van wat pH is en wat het betekent voor het brouwproces. Het belangrijkste begrip dat we moeten hebben is dat pH de maat is voor de concentratie aan waterstofionen en daarmee de zuurgraad van een oplossing bepaalt. pH wordt gemeten op een schaal van 0 tot 14, waarbij 7 als neutraal wordt beschouwd. Waarden lager dan 7 zijn steeds zuurder en die met een pH hoger dan 7 zijn meer basisch. Op zichzelf is de pH van water niet erg nuttig voor brouwers. De pH van de maisch is echter wel heel belangrijk en bepaalt in hoge mate de doelmatigheid van het maischproces. Voor de brouwer is de alkaliteit van het brouwwater belangrijker dan de pH.

Om je brouwwater goed te begrijpen, moet je niet alleen weten wat de de pH is en doet, maar ook wat de buffersystemen in het water doen.

Neerslag van water in de watercyclus

Regenwater of sneeuw kan zeer zuiver zijn en bevat doorgaans minder dan 20 ppm totaal opgeloste vaste stoffen. Terwijl het water condenseert van een gas tot een vloeistof in de atmosfeer, zullen andere gassen oplossen in het vloeibare water, op inerte gassen na.

Als we de samenstelling van de lucht beschouwen zien we dat die bestaat uit ruwweg 78,1% stikstof, 20,95% zuurstof en 0,9% argon is. Vocht in de lucht is goed voor 1% tot 4% van de typische atmosfeer, die wat droge lucht verdringt - met andere woorden, 3% vocht zou 97% droge lucht betekenen. Als we alleen naar de droge lucht kijken, laten deze verhoudingen slechts ongeveer 0,04% van het volume over voor de rest van de gassen, inclusief kooldioxide. De huidige concentratie CO₂ in de atmosfeer is ongeveer 390 ppm (0,039%). CO₂ omvat dus het grootste deel van het resterende gastotaal. Koolstofdioxide (CO₂ ) is verreweg het meest oplosbaar in regenwater en speelt de belangrijkste rol bij het bepalen van de uiteindelijke samenstelling en chemie van ons brouwwater. 

Regenwater heeft doorgaans zeer lage niveaus aan anorganische moleculen, maar luchtverontreiniging kan aanzienlijke hoeveelheden opgeloste sulfaten, nitraten, aldehyden, chloriden, lood, cadmium, ijzer en koper veroorzaken. Koolstofdioxide, kooldioxide, ook wel koolzuurgas genoemd (CO₂ ) is gewoonlijk de belangrijkste bepalende factor van de zuurgraad van het water en dus de resulterende pH. Het oplossen van kooldioxide in regenwater vormt waterig kooldioxide en koolzuur dat de pH verlaagt van 7 (gedestilleerd water) tot ergens in het bereik van 5 tot 6, met een typische gemiddelde waarde van 5,0 tot 5,5. De pH van zuiver water in contact met kooldioxide kan direct worden berekend. Bij 0,03% koolstofdioxide in de atmosfeer zou de resulterende pH van zuiver water bijvoorbeeld 5,65 zijn (bij 20 °C).

Samenvattend zal water uit neerslag typisch een zeer laag gehalte aan ionen en een zeer lage alkaliteit hebben. Het zeer lage gehalte aan ionen kan echter verhoogd zijn in geïndustrialiseerde gebieden, en wind kan gemakkelijk ver van de bron van verontreiniging, verontreiniging veroorzaken.

Oppervlaktewater

Oppervlaktewater kan elk water boven de grond zijn, inclusief meren, vijvers, rivieren en plassen. De pH van oppervlaktewater ligt meestal tussen 6,0 en 8,0 door het oplossen van mineralen en wat organisch materiaal. De kwaliteit en het karakter van oppervlaktewater kan sterk variëren, afhankelijk van vele factoren zoals stroomsnelheid, diepte, oppervlakte en geografie. Oppervlaktewater afkomstig van meren in koudere, gematigde streken kan per seizoen veranderen als gevolg van thermische gelaagdheid. Meren in warme streken kunnen ook last hebben van algenbloei en organisch materiaal. Seizoensgebonden biologische cycli zoals algengroei of de introductie van herfstbladeren kunnen ook de kwaliteit van het oppervlaktewater beïnvloeden; deze kunnen geconcentreerde smaken of geuren veroorzaken die een krachtige behandeling nodig hebben en kunnen resulteren in hogere resterende bijproducten van die behandeling.

Grondwater

Zoals hierboven opgemerkt, wordt oppervlaktewater dat in de grond sijpelt en doordringt via rots- en bodemlagen, grondwater genoemd. De halfdoorlatende (semi permeabele) laag waar het grondwater doorheen stroomt, wordt een aquifer genoemd. Vanuit een aquifer kan water gewonnen worden via een bron.De leeftijd van grondwater (tijd sinds het in de grond is gekomen) varieert. Sommige watervoerende lagen bevatten water dat minder dan een jaar oud is en andere bevatten water dat duizenden jaren oud is. De gemiddelde leeftijd van het grondwater wereldwijd is ongeveer 250 jaar.

In die aquifers kan grondwater worden blootgesteld aan hoge hitte en druk, waardoor de opgeloste concentraties aan mineralen hoger kunnen zijn dan in oppervlaktewater kan worden bereikt. Niet al het grondwater is echter sterk gemineraliseerd. In watervoerende lagen die zijn samengesteld uit niet-carbonaat of kiezelhoudend gesteente en grond, zijn die mineralen mogelijk niet erg oplosbaar en wordt het water mogelijk niet zo gemineraliseerd. De typische pH van grondwater varieert van 6,5 tot 8,5. Grondwater met een pH lager dan dit bereik kan vatbaarder zijn voor het oplossen van metalen zoals ijzer, mangaan, enz. Deze metalen zijn typisch ongewenst in brouwwater, zelfs bij zeer lage concentraties.

Vanuit het oogpunt van een brouwer zou het mooi zijn als grondwaterbronnen ingedeeld zouden worden naar een brouwkarakter. Helaas is dat niet het geval; Aquifer-classificaties zijn bedacht door bodemwetenschappers en hydrogeologen, niet door brouwers. Deze wetenschappers houden zich meer bezig met waterbronnen - hoe gemakkelijk het water stroomt en hoe ver je moet graven om het te krijgen. Volgens hydrogeologen zijn er twee hoofdtypen watervoerende lagen: beperkt en onbegrensd. Een beperkte watervoerende laag heeft een relatief ondoordringbare laag (zoals klei) die de meer doorlatende zone bedekt. De onderliggende watervoerende laag is enigszins afgeschermd, of beperkt, van oppervlakteverontreiniging door de ondoordringbare laag. Als doorlatende grond of gesteente zich helemaal tot aan het grondoppervlak uitstrekt, is de watervoerende laag onbeperkt.

Afbeelding 3.2: De lengte, diepte en residentietijd van grondwater varieert veel. Grondwaterstroomlijnen (of -stroompaden) laten de weg van grondwater op een bepaalde plek zien. Het grondwater wordt aangevuld door neerslag, gevolgd door infiltratie en percolatie in de bodem. Hoewel neerslag overal optreedt, vindt percolatie en aanvulling van het grondwater alleen in aanvullingsgebieden plaats. Het grondwater stroomt dan langzaam via gekromde stroomlijnen naar de plek waar kwel plaatsvindt, normaal gesproken op plekken als beekdalen, waar afvoer via oppervlaktewater (een beek of rivier) plaatsvindt. De stroomlijnen worden afgebogen in slecht-doorlaatbare lagen (aquitards). De residentietijd van grondwater kan variëren van dagen tot millennia, afhankelijk van de lengte van de stroomlijn. Bron: Wikimedia Commons, the free media repository and derived from Groundwater flow.svg

Voor een uitgebreidere beschrijving van verschillende typen aquifers verwijs ik naar het onvolprezen boek ‘Water’ van de auteurs John Palmer en Colin Kaminski, uitgegeven door de Brewers Publications. Zij onderscheiden in dit boek een vijftal typen aquifers: 

• Zand- en grindwatervoerende lagen, die meestal zijn samengesteld uit silica-achtige gesteenten zoals graniet die relatief onoplosbaar zijn.
• Zandsteen aquifers zijn voornamelijk samengesteld uit korrels ter grootte van zand die aan elkaar zijn gecementeerd. Zandsteen kan verschillende sedimentaire gesteenten omvatten, waaronder gips.
• Gesteente-aquifers van carbonaat. Deze komen over de hele wereld veel voor en bestaan voornamelijk uit kalksteen (calciumcarbonaat) en dolomiet (calciummagnesiumcarbonaat). De kalksteen is het resultaat van sedimentatie van miljarden schelpen en koralen uit oude zeeën.
• Zandsteen en carbonaatgesteente aquifer, die is samengesteld uit carbonaatgesteenten met daartussen bijna gelijke hoeveelheden zandsteen. Deze watervoerende lagen kunnen ook gips bevatten en hebben de neiging om sterk gemineraliseerd water te produceren. Burton-Upon-Trent in het Verenigd Koninkrijk is het beroemdste hardwatergebied van de brouwwereld, met zowel een hoge hardheid van gips als een hoge alkaliteit van het carbonaatgesteente.
• Aquifer bestaande uit stollingsgesteenten en metamorfe gesteenten (d.w.z. basalt en graniet, of marmer en kwartsiet. Deze rotsen zijn niet poreus en hydraulische stroming wordt meestal bereikt door scheuren en breuken in de rots. Deze rotsen zijn relatief onoplosbaar en dragen typisch zeer weinig hardheid of alkaliteit bij aan het water. De waterkwaliteit in deze aquifer blijft zeer gelijkaardig aan de aanvankelijke neerslag.

Water van de bron tot de kraan

Niet alle gemeenschappen worden gevoed door één grote en consistente waterbron. Een watervoorziening kan uit verschillende bronnen worden gemengd om een grote populatie het hele jaar door constant van water met een hoge kwaliteit te voorzien. Terwijl sommige grote brouwerijen hun eigen bronnen of langdurige waterrechten hebben, krijgen thuisbrouwers en veel kleine brouwers hun water van de gemeentelijke waterleverancier. Verschillende bronnen kunnen de ionische samenstelling van de watervoorziening beïnvloeden. Alle gemeentelijke waterleveranciers in ontwikkelde landen zijn doorgaans gehouden aan strikte wetten voor waterzuiverheid en sanitaire voorzieningen. Welke specifieke zuiveringsstappen nodig zijn, hangt af van het bronwater.

De eerste behandelingsstap voor oppervlaktewaterbronnen is filtratie door schermen om omgevingsafval zoals stokken en bladeren te verwijderen. De volgende stappen variëren afhankelijk van de soorten verontreinigingen. De volgorde van deze processen van behandeling kan variëren tussen behandelingsfaciliteiten. Indien organische smaak- en geurverbindingen in het water aanwezig zijn, kan een behandeling met actieve kool worden uitgevoerd. Als het water onaangename concentraties ijzer of mangaan bevat, wordt het water belucht of blootgesteld aan ozon (geozoniseerd) om oplosbare vormen van deze metalen te oxideren tot hun onoplosbare vormen. Eenmaal in onoplosbare vorm kunnen de metalen uit het water worden gefilterd. Een andere behandeling om opgelost ijzer en mangaan te verwijderen, is filtratie door 'groenzand', dat die ionen oxideert en vasthoudt. Als het water te hard is, kan het worden verzacht met kalk om calciumcarbonaat en magnesiumhydroxide neer te slaan. Fijne deeltjes in water kunnen worden gecoaguleerd met toevoegingen van aluin (aluminiumsulfaat), ferrichloride of polymeer. Deze coagulanten helpen de fijne deeltjes uit te vlokken door agglomeratie, zodat de deeltjes samenklonteren om hun bezinking te versnellen of hun filtering te bevorderen. Grotere deeltjes zoals fijn zand en slib bezinken binnen enkele minuten. Het kan echter dagen duren voordat kleinere deeltjes, zoals bacteriën, bezinken zonder de hulp van stollingsmiddelen.

In sommige landen/streken is een resterend desinfectiemiddel nodig in de pijpleidingen van het nutsbedrijf om bacteriële besmetting en groei te voorkomen nadat het water de zuiveringsinstallatie verlaat. Desinfectie omvat meestal de toevoeging van chloor, of chloor en ammoniak (om chlooramine te maken) aan het afgewerkte water.

Geraadpleegde bronnen

• WATER, a Comprehensive Guide for Brewers; John Palmer & Colin Kopinski; uitgegeven door de Brewers Publications.
• Wikimedia Commons, the free media repository and derived from Groundwater flow.svg
• https://www.waterhardheid.nl/wat-is-hard-water.

^[1] Een carbonaat is een (polyatomisch) anion van koolstof en zuurstof[1], met als brutoformule CO₃²⁻.
^[2] Hard water is water dat veel kalk (calcium en magnesium) bevat. In Nederland wordt verreweg het meeste drinkwater uit de bodem gewonnen. In de Nederlandse bodem zitten diverse kalklagen, in het verleden lag Nederland in de zee en vooral de afzetting van schaaldieren heeft ervoor gezorgd dat de bodem ook nu nog rijk is aan kalk. Het remt de vorming van schuim bij wasmiddelen