Eine qualitativ anspruchsvolle und nachhaltig sichere Wasserversorgung aus Grundwasser umfasst daher meistens auch eine Wasseraufbereitung gegen Eisen und Mangan. Die dafür eingesetzte Technologie und ihre Effizienz bestimmen Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit der gesamten Wasserversorgung und spielen daher für die Wasserversorger eine entscheidende Rolle.

Sobald  sich dadurch die Wassereintrittsflächen in das Brunnenbauwerk verringern, sinkt die Förderleistung bzw. erhöht sich die Absenkung des Betriebswasserspiegels bei gleichbleibender Entnahmemenge.

Die wesentlichen Ursachen sind:

• chemische und biologische Verockerung
• Versinterung
• Verschleimung
• Versandung

Während Versandung aus Fehlern beim Brunnenbau resultieren kann, hängen die übrigen Ursachen vor allem von der Qualität des Rohwassers und dem Betrieb des Brunnens ab. ^[2]

Chemische und biologische Verockerungen

Bei niedrigeren Redoxpotenzialen treten mehrheitlich biologische Verockerungen auf. Dabei wird die Oxidation durch sessile Bakterien katalysiert (z.B. durch „Eisenbakterien“: Gallionella ferruginea, Leptothrix ochracea und discophorus). Diese Bakterien benötigen eine regelmäßige Zufuhr von Nährstoffen durch vorbeiströmendes Wasser. Sie sind trinkwasserhygienisch unbedenktlich, bilden aber neben der Biomasse große Mengen an Oxiden (sowie Hydroxiden und Oxidhydraten).

Die Ablagerungen unterliegen generell einem Alterungsprozess, bei dem zunächst stark wasserhaltige amorphe Oxide in dichtere kristalline Formen übergehen, die dann stabiler und schlecht lösbar sind. Eisenbedingte Inkrustationen treten meist in Form von Ferrihydrit (Fe5HO8 x 4 H2O) und Goethit (FeOOH) auf. [1]

Die Lösung: Unterirdische Enteisenung und Entmanganung (UEE) mit FERMANOX Wasseraufbereitungsanlagen

Das Verfahren: Unterirdische Enteisenung und Entmangagnung mit FERMANOX

Oxidationszonen im Aquifer bei Einsatz einer UEE

Grundidee bei der unterirdischen Enteisenung und Entmanganung ist die Einleitung von mit Luftsauerstoff angereichertem Wasser in den Grundwasserleiter. Bereits geringe Mengen an Sauerstoff aktivieren dort einen wirkungsvollen Wasseraufbereitungsprozes, denn um den Brunnen entsteht ein Reaktionsraum mit erhöhtem Redoxpotenzial.

Die Stoffe, die aufgrund reduzierter Bedingungen im Grundwasserleiter gelöst wurden, werden durch Oxidation in den Festzustand zurückgeführt und im gleichen Grundwasserleiter lediglich an anderer Stelle dauerhaft wieder festgelegt. Dadurch wird eine effiziente Enteisenung und Entmanganung des Grundwassers erreicht und zusätzlich eine Nitrifikation des Ammoniums, eine Verringerung leicht oxidierbarer organischer Substanzen und eine Reduzierung von Arsen.

Eine kontinuierliche unterirdische Wasseraufbereitung beruht auf dem Betrieb von mindestens zwei Brunnen, die abwechselnd als Förder- oder Infiltrationsbrunnen arbeiten. Die Größe des Reaktionsraumes um jeden Brunnen wird bestimmt durch die Infiltrationsmenge und den Anteil an aktivem Porenvolumen im Grundwasserleiter. Sie bedarf für jeden Brunnen einer individuellen Auslegung, die vor allem auf Rohwasserqualität und erforderlicher Aufbereitungsleistung beruht.

Historie

Die unterirdische Enteisenung und Entmanganung von Grundwasser wird seit den 70er Jahren im großtechnischen Maßstab, seit den 80er Jahren auch in einer Vielzahl von kleinen und mittleren Anlagen zur Trink- und Brauchwasseraufbereitung vor allem in Deutschland, in den Niederlanden und in Skandinavien in verschiedenen Konzeptionen eingesetzt. Seit 1984 stellt die Winkelnkemper GmbH FERMANOX®-Wasseraufbereitungsanlagen her und ist mit inzwischen über 10.000 installierten Kompaktanlagen Marktführer auf dem Gebiet der unterirdischen Enteisenung und Entmanganung.

Die unterirdische Enteisenung und Entmanganung (UEE) nutzt im Gegensatz zu oberirdischen Filteranlagen den Grundwasserleiter selbst im brunnennahen Bereich als Reaktionsraum und zum Verbleib der Reaktionsprodukte. Innerhalb des Reaktionsraumes erfolgt durch den eingetragenen Sauerstoff die Aktivierung der komplexen Aufbereitungsmechanismen. Dabei werden die chemisch-physikalischen Vorgänge durch eine autokatalytische Wirkung der bereits festgelegten Oxide unterstützt. Mikrobiologische Vorgänge spielen zusätzlich eine wesentliche Rolle.

Die Oxidation des gelösten Eisens kann beispielsweise mit folgender Summenformel angegeben werden:

2 Fe²⁺ + ½ O₂ + (x + 2) H₂O → (Fe₂O₃ * x H₂O) + 4 H^+[1]

Bei herkömmlichen oberirdischen Filtern entsteht nach Belüftung vorwiegend amorphes, wasserreiches Eisen(III)-Hydroxid (Fe(OH)3) und Mangan-Oxidhydrat (MnOOH) und damit große Mengen Schlamm, die rückgespült und entsorgt werden müssen.

Unterirdisch wandelt sich das primäre Reaktionsprodukt Eisen(III)-Hydroxid zu kristallinem Eisen(III)-Oxidhydrat um und Mangan(III)-Oxidhydrat zu Mangandioxid (MnO2, „Braunstein“). Die Produkte bilden feine Coatings auf der Bodenkornoberfläche mit großer Dichte und entsprechend geringem Volumen.^[1]

Auf dem Bodenkorn abgelagerte Eisen- und Manganoxidhydrate führen zu einer hohen Adsorptionskapazität gegenüber Eisen- und Mangan-Ionen in der Förderphase. Der während der Infiltrationsphase eingetragene Sauerstoff erreicht beim Durchströmen des Grundwasserleiters an der Kornoberfläche adsorbierte Eisen- und Mangan-Ionen und oxidiert sie zu schwerlöslichen Verbindungen. Ein Teil des Sauerstoffs wird adsorbiert und steht zu Beginn der Förderung noch zur Oxidation zur Verfügung.

Adsorptions-Oxidations-Modell – chemisch-physikalische Vorgänge im Reaktionsraum der UEE (mit freundlicher Genehmigung von Prof. Dr.-Ing. U. Rott).

Neben der Enteisenung und Entmanganung bewirkt der eingetragene Sauerstoff weitere positive Reaktionen im Aquifer:

• Nitrifikation von Ammonium und Nitrit ^[2]: Ammonium und/oder Nitrit im Grundwasser werden nitrifiziert und damit deutlich gesenkt. Die Umwandlung erfolgt dabei immer bakteriologisch und bei Ammonium immer zweistufig. 2 NH₄⁺ + 3 O₂→ 2 NO₂^– + 2 H₂O + 4 H⁺ (+ Energie) durch Nitrosomonas und Nitrosocystis 2 NO₂^– + O₂→ 2 NO₃^– (+ Energie) durch Nitrobacter und NitrosocystisDie sich bildende Biomasse ist gering und in der Regel ohne Bedeutung.

• Schwefelwasserstoff und der damit unangenehme Geruch werden durch Oxidation beseitigt.
• Schwermetalle wie Arsen, Nickel etc. können reduziert werden. Da sich diese Stoffe in die Eisenoxidationsprodukte einlagern, ist es erforderlich, dass das Grundwasser einen Mindesteisengehalt aufweist. ^[3]
• Methan im Grundwasser oxidiert im Grundwasserleiter bei einem Sauerstoffeintrag noch vor dem Eisen, wodurch bei hohem Sauerstoffbedarf verhältnismäßig viel Biomasse gebildet wird; bei methanhaltigen Grundwässern ist daher eine besondere Betriebsweise erforderlich.

Durch geeignete Auslegung einer unterirdischen Wasseraufbereitung finden alle vorstehenden Reaktionen im Aquifer außerhalb des Brunnenbauwerks statt, das ausschließlich von Reinwasser durchströmt wird.

Für die Beurteilung der Anwendbarkeit des Verfahrens, das Angebot einer geeigneten Wasseraufbereitungsanlage und die Zusicherung der üblichen FERMANOX®-Garantie (Unterschreitung der TrinkwV-Grenzwerte für Eisen, Mangan und Ammonium) benötigen wir daher folgende Unterlagen:

• Rohwasseranalysen aller Brunnen
• Schichten- und Ausbauverzeichnisse aller Brunnen (→ DIN 4023 und 4943)
• Lageplan
• Angaben zu Förderleistung und –konzept
• Aufzeichnungen zur Brunnenentwicklung (soweit vorhanden, z.B. Protokolle zu Entsandung und Leistungspumpversuchen)
• Evtl. hydrogeologische Gutachten

Gegebenenfalls sind Vorversuche sinnvoll, für die wir Versuchsanlagen anbieten können.

Lebensdauer der Bohrbrunnen

Eine erste Betrachtung des Verfahrens führt zu der Vermutung, dass es durch den Verbleib der Reaktionsprodukte im Aquifer zu Verstopfungen im Brunnenbereich kommen kann. Das Gegenteil ist der Fall: Die Lebensdauer der Brunnen wird beim Verfahren der In-situ-Aufbereitung deutlich verlängert, weil natürliche Verockerung nicht mehr stattfinden kann. Eine Verringerung der hydraulischen Durchlässigkeit in der Oxidationszone wird in der Praxis nicht beobachtet.[1]

Das tatsächlich anfallende Volumen an Oxidationsprodukten wird in der Regel erheblich überschätzt, während die Größe des Reaktionsraums im Aquifer unterschätzt wird:

Ein Fallbeispiel

Die im Beispiel angenommene Wassermenge enthält 54,75 t Eisen, das – als Eisenblock angenommen – ein Volumen von 6,97 m³ einnimmt. Diese Eisenmenge ergibt durch die unterirdische Wasseraufbereitung 87,6 t kristallines Eisenoxidhydrat mit einem Volumen von nur 21,4 m³.

Das reale Porenvolumen eines natürlich gewachsenen Aquifers (Feinsand bis Grobkies) beträgt 36% bis 42%. Bei der Annahme von nur 36% könnte man rechnerisch das gesamte Eisenoxidhydrat aus der Wasserförderung von 30 Jahren in nur knapp 60 m³ Sand unterbringen. Bei einer mittleren Aufbereitbarkeit mit einem Ergiebigkeitsfaktor von KE = 5 werden jedoch bei der o.a. Rechnung ca. 850 m³ Bodenvolumen vom Sauerstoffeintrag erreicht. Damit sind nach den ersten 30 Betriebsjahren noch deutlich mehr als 90% des Porenvolumens im Aquifer verfügbar.

Darüber hinaus findet die Ablagerung der Oxide vornehmlich in den hydraulisch nicht relevanten dead-end-pores (Porenzwickeln) statt. Und schließlich vergrößert sich der Reaktionsraum in dem Maß, in dem aktives Porenvolumen durch Ablagerung geschlossen wird, denn die Rückführung von mit Sauerstoff angereichertem Wasser bleibt in der Menge gleich.

Ausschnitt aus einem Poren-grundwasserleiter nach ^[4]

Diese Ergebnisse werden durch zahlreiche Veröffentlichungen in der Fachliteratur (z.B. [2]) und durch eigene Erfahrungen bestätigt. Im Wasserwerk Rheindahlen der NiederrheinWasser GmbH wird seit über 30 Jahren eine unterirdische Enteisenung betrieben, ohne dass negative hydraulische Effekte feststellbar sind [3]. Die erste FERMANOX®-Anlage wurde 1983 mit einer Eisenkonzentration von 6,7 mg/l in Betrieb genommen. Die Anlage läuft bis heute störungsfrei, obschon der Bohrbrunnen inzwischen ca. 60 Jahre alt ist und nie regeneriert wurde.

FERMANOX WV & WV Professional für die Industrie

Wasseraufbereitungsanlage zur unterirdischen Enteisenung und Entmangagung mit FERMANOX

Fließschema für eine Wasserversorgung mit FERMANOX^®-Anlage vom Typ WV Professional

Funktionsweise

Die FERMANOX^®-Edelstahlanlagen vom Typ WV professional arbeiten mit mindestens zwei Bohrbrunnen, die im Wechsel als Infiltrationsbrunnen und als Förderbrunnen betrieben werden.

Dabei wird ein kleiner Teil des Wassers der  im Förderbetrieb befindlichen Brunnens nach einer Anreicherung mit Sauerstoff aus der Luft durch einen Entgasungsbehälter geleitet und anschließend über den Infiltrationsbrunnen in den Grundwasserleiter reinfiltriert.

Nach dem Durchsatz bestimmter Förder- und Infiltrationsmengen erfolgt eine Umschaltung der Brunnenfunktionen. Aus dem bisherigen Infiltrationsbrunnen erfolgt dann die Förderung aufbereiteten Wassers, während über einen anderen Brunnen sauerstoffreiches Wasser infiltriert wird.

Verbrauchsabhängige Regelung

Anwendungsfälle mit extrem schwankenden Wasserverbrauch

Auch für besondere Anwendungsfälle mit zum Teil extrem niedrigem Wasserverbrauch über längere Zeit kann die Fa. Winkelnkemper GmbH die permanente Funktionstüchtigkeit der Anlage durch entsprechende Programmierung der Anlage gewährleisten. Gleichzeitig erzielt diese Regelung optimale Bedingungen bei geringstem Energieverbrauch.

Überwachung und Fernwartung

FERMANOX^®-Auslegung

Das richtige Verhältnis von Förderung und Anreicherung ist von entscheidender Bedeutung für den Erfolg des Verfahrens. Konkret muss für jeden Brunnen das Rücklaufvolumen an den täglichen Wasserbedarf und die Rohwasserqualität vom Grundwasser angepasst werden. Unter der Typenbezeichung WV führen wir daher 3 verschiedene Standardgrößen mit unterschiedlicher Ausstattung. Die Auswahl der geeigneten Anlage kann immer erst nach einer individuellen Auslegung durch uns erfolgen.

Sollten diese Parameter zukünftig erheblich von den ursprünglichen Ausgangsdaten (z. B. durch Erhöhung des Wasserbedarfs) abweichen, muss eine bestehende Anlage unbedingt durch den Hersteller neu ausgelegt werden, um eine Verockerung der Brunnen zu vermeiden.

FERMANOX^®-Versuchsanlagen

Unterirdische Enteisenung und Entmanganung mit dem FERMANOX-Wasseraufbereitungsverfahren ist effizienter.

Der große Reaktionsraum bzw. die riesige für Adsorption und Reaktion aktive Oberfläche, eine lange Reaktionszeit und das günstigere Gegenstromprinzip in diesem Reaktionsraum bewirken eine mit oberirdischen Verfahren praktisch unerreichbare Effizienz. Dadurch erzielt die UEE bei geringerem Sauerstoffbedarf (und geringerem Energieaufwand) deutlich höhere Aufbereitungsleistungen. Selbst Grundwässer mit extrem hohen Eisen- und Mangankonzentrationen können mit FERMANOX® auf Konzentration weit unterhalb der Grenzwerte der Trinkwasserverordnung aufbereitet werden.

Unterirdische Wasseraufbereitung bietet eine hohe Wirtschaftlichkeit

„Ökonomische Vorgaben, insbesondere der Zwang zum sparsamen Umgang mit den zur Verfügung stehenden Ressourcen bezüglich Raumbedarf, Bau- und Betriebskosten in Wasserwerken, fordern ständige Verbesserungen des Stands der Technik.“ ^[1]

Der DVGW bestätigt die bei unterirdischer Enteisenung und Entmanganung geringeren Investitions- und Betriebskosten im Vergleich zu konventionellen Filteranlagen und führt dies vor allem darauf zurück, dass nur wenige oberirdische Anlagenteile benötigt werden.^[2] Ein genauerer Wirtschaftlichkeitsvergleich zeigt neben den deutlich geringeren Kosten für das technische Equipment weitere Vorteile der UEE:

• Die Einhausung der Wasseraufbereitung kann wegen dem geringen Bauvolumen einer unterirdischen Enteisenung und Entmanganung wesentlich kleiner ausfallen als bei oberirdischen Anlagen. Das spart nicht nur Investitionskosten, sondern auch Energiekosten für Heizung und Trocknung der Betriebsräume.
• Allein die höhere Energieeffizienz sorgt bei der UEE für einen Kostenvorteil, der über die (bei Wasserwerken lange) Nutzungsdauer die Höhe der Investitionskosten übersteigt.
• Es gibt keine Rückspülungen, keine Filterwechsel, kein Abwasser oder Abfall bei der UEE.
• Eine vollautomatisierte und wartungsfreie Anlage wie die FERMANOX^® Typ WV professional senkt die Betriebskosten auf ein Minimum.

Allein aufgrund der niedrigeren Betriebskosten gegenüber oberirdischen Filtern zahlt sich die Modernisierung mit einer FERMANOX^®-Anlage fast immer innerhalb kurzer Zeit aus. Beim Ersatz von Altanlagen wird durch einen vorübergehenden Betrieb beider Systeme ein nahtloser Übergang ohne Unterbrechung der Trinkwasserversorgung erreicht.