Natuurlijk zwembad: de wetenschap achter biologische filtratie

Hoe blijft een natuurlijk zwembad helder zonder chloor? Het korte antwoord: biologie. Bij natuurlijke zwembadfiltratie halen bacteriën die op het filtermateriaal leven fosfaat, stikstof en koolstof uit het water. Algen en ongewenste bacteriën houden dan vrijwel niets over om van te leven.

Die levende laag, de biofilm, verdringt ook de bacteriën die zwemmers meebrengen. In peer-reviewed laboratoriumproeven, gepubliceerd in npj Clean Water (Nature Portfolio), verwijderde zo’n biofilter tot 99,9 % van de testbacteriën binnen 24 uur.

In dit artikel leest u hoe natuurlijke filtratie werkt, wat dat onderzoek wel en niet aantoont, wat we in echte zwembaden meten en welke grenzen u moet kennen voordat u ervoor kiest.

Natuurlijke filtratie begon bij de zwemvijver, maar de planten deden niet het meeste werk

Een klassieke zwemvijver heeft twee zones: een diep zwemgedeelte en een ondiepe zuiveringszone met grind en planten. Men ging ervan uit dat de planten het water schoonhielden, dus bij troebel water was het gebruikelijke antwoord: meer beplanting.

Een zwemvijver die alleen op planten draait, gebruikt meestal 30 tot 50 % van het wateroppervlak voor die plantenzone. Dat is veel tuin, en het is de reden dat de meeste mensen denken dat een natuurzwembad eruit moet zien als een vijver.

Onze microbiologen lieten zien dat het de bacteriën in het grind waren die het meeste werk deden, niet de planten.

Die bacteriën haalden fosfaat, stikstof en koolstof uit het water, en juist dat gebrek aan voedingsstoffen maakte het algen en ziekteverwekkers moeilijk om te overleven.

Daarmee veranderde de ontwerpvraag. Als bacteriën het schoonmaken doen, kunnen ze in een compact filter in de technische ruimte wonen, en kan het zwembad eruitzien als elk ander zwembad: geen rietzone, binnen of buiten, en verwarmd als u dat wilt.

Over de beplante varianten leest u meer in ons artikel natuurzwembad of zwemvijver.

Biologische nutriëntenverwijdering: algen en bacteriën krijgen geen voeding

Elk zwembad krijgt een constante stroom voeding voor micro-organismen binnen: huidschilfers, zweet, zonnebrand, stuifmeel, bladeren en stof. Chloor pakt dat aan door het te oxideren en te doden wat er groeit.

Biologische filtratie kiest een andere route. Onschadelijke bacteriën eten die voeding eerst op, en wat er in het water overblijft, is te mager voor algenbloei. Dit heet biologische nutriëntenverwijdering, hetzelfde soort proces dat in de afvalwaterzuivering wordt gebruikt.

Fosfaat bepaalt de groei

Algen hebben fosfaat nodig, en in zoet water is dat vaak de voedingsstof die het eerst opraakt. Haal het weg en algen krijgen moeilijk een bloei op gang, hoe warm of zonnig de week ook is.

In Nederland is dat bekend van zwemplassen. Blauwalg, een cyanobacterie, groeit bij warm weer in water met veel fosfaat en stikstof. Bij Strandbad De Rauwbraken in Berkel-Enschot werd het fosfaat met een fosfaatbinder in de bodem vastgelegd, en het jaar daarna was het water helder. Onderhoud bleef wel nodig: aan de randen kwamen de algen later terug.

De auteurs van het onderzoek in npj Clean Water wijzen erop dat fosfaat in drinkwatersystemen de bepalende factor is die microbiële groei beperkt of juist bevordert. Bacteriën in de biofilm nemen het op terwijl ze groeien.

Mineral+Biome® voegt tijdens het filteren ook een spoor fosfaatbinder toe. Die wordt in het filter opgevangen en bij het terugspoelen verwijderd, zodat er niets van in het zwemwater achterblijft.

Stikstof verdwijnt in twee stappen

Ammonium uit zweet en andere menselijke bronnen wordt door nitrificerende bacteriën omgezet in nitriet en daarna in nitraat. Dieper in de biofilm, waar weinig zuurstof is, zetten andere bacteriën nitraat om in stikstofgas, dat gewoon uit het water ontsnapt.

In het echte vijverwater uit het onderzoek zakten ammonium en nitriet binnen 24 uur onder de detectiegrens, en daalde nitraat met ongeveer 31 %.

Zwemmers merken stikstof ook. In een gechloord zwembad reageren stikstofverbindingen met chloor tot chlooramines, de oorzaak van de bekende zwembadlucht. Zonder chloor ontstaan ze niet.

Koolstof voedt de bacteriën die water troebel maken

Opgeloste organische koolstof is voeding voor de algemene bacteriën die water troebel maken. Een volgroeide biofilm verbruikt die koolstof zelf, waardoor die vrij zwevende populaties klein blijven.

In het 24-uursonderzoek bleef het aantal algemene bacteriën stabiel in water dat door het biofilter ging, maar steeg het in water dat door een lege kolom ging. Het totale organische koolstofgehalte veranderde in die korte periode niet meetbaar.

Zo werkt een biofilter, stap voor stap

Een biofilter is een vat met filtermateriaal met een groot oppervlak. Het water stroomt er langzaam genoeg doorheen om bacteriën zich te laten hechten en een biofilm te laten vormen: een dunne, levende laag van vele soorten, bijeengehouden door een kleverige matrix die ze zelf maken.

1. Bacteriën koloniseren het filtermateriaal. In het labonderzoek werden de filters geënt met vijverwater en kregen ze vier weken om te rijpen voordat er werd getest.
2. De biofilm werkt als een spons. De matrix vangt voedingsstoffen en fijne deeltjes uit het langsstromende water op, zelfs bij zeer lage concentraties, en de bacteriën gebruiken die als voeding.
3. De hoeveelheid voedingsstoffen daalt. Zonder fosfaat, stikstof en koolstof wordt het water een slechte plek voor algen en ziekteverwekkers.
4. Nieuwkomers worden verdrongen. Een gevestigde biofilm laat weinig ruimte en voeding over voor binnenkomende bacteriën. De onderzoekers noemen dat competitieve uitsluiting: uit het levende filtermateriaal werd geen levensvatbare E. coli teruggevonden, terwijl steriel materiaal van hetzelfde type ongeveer 1.000 per filter bevatte.
5. UV behandelt de rest. Elk Mineral+Biome®-systeem heeft een UV-stap als tweede barrière; de lamp wordt jaarlijks vervangen.

In een Mineral+Biome®-systeem zit dit alles in een filter uit één stuk in de technische ruimte, met een mineralisator, een besturing met touchscreen en een app, zodat de eigenaar het water kan controleren zonder de technische ruimte in te gaan. Op onze pagina over de technologie ziet u de complete unit.

Wat het peer-reviewed onderzoek echt laat zien

Het onderzoek kwam voort uit een promotietraject dat werd gefinancierd door UWE Bristol en Origin Aqua Technologies.

Het werd in 2022 gepubliceerd in npj Clean Water, een peer-reviewed tijdschrift van Nature Portfolio, onder de titel “The control of waterborne pathogenic bacteria in fresh water using a biologically active filter”.

De auteurs zijn Steven, Thorn, Robinson, Turner, Lee en Reynolds. Jack Lee van Origin Aqua is co-auteur.

De opzet was bewust eenvoudig. Kolommen met keramisch filtermateriaal op labschaal rijpten vier weken; daarna werd water met ongeveer 1.000 bacteriën per 100 ml er 24 uur doorheen gepompt.

Er liepen twee controles mee: hetzelfde materiaal, maar gesteriliseerd, en een lege kolom. Zo wordt het effect van de levende biofilm gescheiden van gewoon zeven.

Daarna liet het team echt oppervlaktewater uit een stadsvijver door de biofilters lopen. In 24 uur daalde E. coli met 99,8 % en daalden enterococcen met 99,4 %.

Juist de controles maken het resultaat bruikbaar. In de kolommen zonder biofilm overleefden of groeiden de bacteriën, dus concludeerden de auteurs dat vooral de levende biofilm verantwoordelijk was voor de daling.

Wat we in echte zwembaden zien

Het artikel is de onafhankelijke wetenschap. Onze eigen metingen zijn de praktijk in echte zwembaden, en die twee moeten niet door elkaar worden gehaald.

Over vele jaren van routinematige metingen is in Origin Aqua-zwembaden geen E. coli aangetroffen.

Ter vergelijking: de Europese zwemwaterrichtlijn, die ook voor de Nederlandse zwemplassen geldt, beoordeelt binnenwater als ‘uitstekend’ bij maximaal 500 E. coli per 100 ml. Onze resultaten liggen minstens 100 keer onder die grens.

De grenzen van natuurlijke filtratie, eerlijk op een rij

Natuurlijke filtratie is goed onderbouwd, maar het is geen tovermiddel, en het onderzoek heeft zijn grenzen. Dit zijn de punten die wij als koper zouden willen weten.

• Het was een labonderzoek. Kleine kolommen, 24 uur, gecontroleerd water. Het was geen proef in een volledig zwembad, en de auteurs noemen opschaling als vervolgonderzoek.
• Het precieze mechanisme staat nog niet vast. Competitieve uitsluiting en nutriëntentekort zijn de belangrijkste verklaringen, maar de auteurs schrijven dat de specifieke mechanismen nog niet bekend zijn.
• 99,9 % gold voor één soort. E. coli daalde met 99,4 % en P. aeruginosa met 92 %, en een kleine populatie P. aeruginosa overleefde op het materiaal. ‘Tot 99,9 %’ is de eerlijke samenvatting.
• Biologie heeft tijd nodig. De labfilters rijpten vier weken. In een nieuw Mineral+Biome®-zwembad kunt u dezelfde dag zwemmen, maar de biologie heeft 6 tot 8 weken nodig om volledig in balans te komen.
• Kou vertraagt, warmte heeft een plafond. Biofilters zijn minder actief bij lage temperaturen, en Mineral+Biome® is ontworpen voor water tot 30 °C. Het past dus bij zwembaden, niet bij hottubs.
• Het is geen drinkwater. De auteurs zeggen duidelijk dat hun behandelde water niet als drinkwater zou gelden. Dat is een van de redenen dat elk systeem UV heeft.
• Er is geen restwerking. Chloor blijft in het water en werkt bij contact, en het is goedkoper om mee te beginnen. Een biologisch systeem heeft geen restwerking; het is afhankelijk van water dat door het biofilter en de UV circuleert.
• Het is niet ‘er gaat niets in’. Er worden een spoor fosfaatbinder en een mineralensupplement gebruikt. Op onze pagina wat we bedoelen met chemievrij staat precies wat erin gaat.

Natuurlijk zwembad vergeleken met chloor, zout en een beplante zwemvijver

Het grootste verschil is wat het water helder houdt. Chloor- en zoutsystemen werken met een desinfectiemiddel in het water; natuurlijke filtratie werkt door de voeding weg te nemen die micro-organismen nodig hebben.

Bij zout gaat het vaakst mis: een zoutwaterzwembad maakt nog steeds chloor, alleen ter plekke. Waarom, leest u in ons artikel zijn zoutwaterzwembaden echt chloorvrij?

Ook de gebruikskosten verschillen. Volgens onze eigen cijfers gebruikt Mineral+Biome® 50 tot 70 % minder energie en 50 tot 70 % minder water dan chloor of zout.

Veelgestelde vragen over een natuurlijk zwembad en biologische filtratie

Wat is natuurlijke waterfiltratie?

Natuurlijke waterfiltratie maakt water schoon met fysieke en biologische processen in plaats van met een toegevoegd desinfectiemiddel. Het is hetzelfde principe als bij de langzame zandfilters in de waterzuivering. In een zwembad betekent het dat bacteriën op het filtermateriaal voedingsstoffen verwijderen en ongewenste bacteriën verdringen.

Hoe blijft een natuurlijk zwembad schoon zonder chloor?

Het biofilter haalt het fosfaat, de stikstof en de koolstof weg die algen en bacteriën nodig hebben, en de gevestigde biofilm verdringt nieuwkomers. Een UV-stap behandelt het water als tweede barrière, en het filter wordt teruggespoeld om opgevangen vuil te verwijderen.

Kun je ziek worden van zwemmen in een natuurzwembad?

Een gefilterd natuurlijk zwembad is iets anders dan zwemmen in een plas of rivier. In Origin Aqua-zwembaden is over vele jaren van routinematige metingen geen E. coli aangetroffen, minstens 100 keer onder de Europese grens voor ‘uitstekend’ zwemwater. Daarnaast vond het onderzoek in npj Clean Water in laboratoriumproeven tot 99,9 % minder testbacteriën binnen 24 uur.

Krijgt een natuurlijk zwembad last van blauwalg?

Blauwalg is een cyanobacterie die bij warm weer snel groeit in water met veel fosfaat en stikstof. Een biofilter haalt juist die voedingsstoffen uit het water, en een spoor fosfaatbinder legt fosfaat vast in het filter. Daarmee neemt u de voeding weg waar blauwalg en andere algen op groeien.

Werkt natuurlijke filtratie in een verwarmd zwembad of binnenzwembad?

Ja. Mineral+Biome® werkt binnen en buiten met water tot 30 °C. Binnenzwembaden hebben er het meeste aan, omdat er zonder chloor geen chlooramines in de lucht van de zwemhal komen.

Hoe lang duurt het voordat een biofilter werkt?

U kunt zwemmen op de dag dat het systeem wordt geïnstalleerd. De biologie heeft 6 tot 8 weken nodig om volledig in balans te komen; daarom werkt de UV-stap vanaf de eerste dag mee.

Kan ik mijn bestaande zwembad ombouwen naar natuurlijke filtratie?

Ja. Mineral+Biome® wordt in 1 tot 2 dagen in een bestaand zwembad geplaatst, zonder aanpassingen aan het leidingwerk. In ons artikel over een bestaand zwembad chemievrij maken leest u wat erbij komt kijken; de terugverdientijd ligt meestal tussen 3 en 7 jaar, afhankelijk van het type en de grootte van het zwembad.

Heeft een natuurlijk zwembad planten nodig?

Nee. Onderzoek liet zien dat de bacteriën in het grind het meeste werk doen bij het verwijderen van voedingsstoffen, dus het filter kan in de technische ruimte staan. In een nieuw aangelegde zwemvijver die rond Mineral+Biome® wordt ontworpen, kan de plantenzone meestal krimpen tot ongeveer 20 % van het oppervlak.

Water dat voor zichzelf zorgt

De natuur maakt water al altijd schoon zonder chloor. Sinds 2010 werken wij eraan om dat proces in een filter te stoppen dat in een gewone technische ruimte past, en om het meetbaar te houden.

Bent u een zwembad aan het plannen of denkt u erover het bestaande te veranderen? Het eerste gesprek is eenvoudig: vertel ons over het zwembad en wij zeggen u of natuurlijke filtratie past, met een schriftelijke prijs voordat er iemand langskomt.

Over het woord ‘chemievrij’: daarmee bedoelen we geen desinfectiemiddelen (geen chloor, broom, zoutelektrolyse of koper) en geen chemische resten in het zwemwater. Tijdens het filteren worden automatisch sporen van een fosfaatbinder gebruikt; die binden fosfaat en worden bij het terugspoelen volledig verwijderd, zonder resten in het water. Mineralen worden toegevoegd in concentraties van miljardsten (ppb) in een levensmiddelengeschikte drager. Lees onze volledige definitie.