Obwohl ein Großteil der Erdoberfläche mit Wasser bedeckt ist, kommt aber nur ein sehr geringer Anteil des vorhandenen Wassers für die Trinkwasserversorgung in Betracht. Nur 3% sind Süßwasser und der größte Teil davon entfällt auf das kaum nutzbare Eis der Polkappen und Gletscher. Der weitaus größte Anteil an nutzbarem Süßwasser liegt als Grundwasser in Poren-, Kluft- und Karst-Grundwasserleitern vor. Dementsprechend erfolgt auch die Trinkwassergewinnung in Deutschland (und in der EU) zu 75% aus unterirdischem Wasser.[1]
Grundwasser steht aber nicht überall in unbegrenzter Menge und guter Qualität zur Verfügung, sondern muss in Abhängigkeit von natürlichem Dargebot bewirtschaftet werden.
Wasseranteile an der Trinkwasserversorgung in Deutschland nach [2]
[1] Höll, Karl: Wasser. Berlin [u.a.]: 8., völlig neu bearb. Aufl. Aufl. de Gruyter, 2002.
[2] Merkl, Gerhard: Technik der Wasserversorgung. München: Oldenbourg Industrieverlag, 2008.
Grundwasser enthält, je nach den Eigenschaften des Grundwasserleiters und der Verweildauer im Untergrund, unterschiedliche Mengen an chemischen und biologischen Inhaltsstoffen sowie Stoffbestand des anstehenden Gesteins. Häufig treten reduzierte Grundwässer auf, die verstärkt Eisen und Mangan lösen und dadurch nicht den Anforderungen der Trinkwasserverordnung genügen.
Verockerte Unterwasserpumpe
Außerdem verursacht die Förderung von eisen- oder manganhaltigem Grundwasser oft eine Brunnenalterung durch Verockerungen sowie Ablagerungen in Pumpen und Rohrleitungen.
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.
Die DIN 2000[1] definiert Anforderungen an Trinkwasser u.a. mit dem Leitsatz „Trinkwasser sollte appetitlich sein und zum Genuss anregen. Es muss farblos, klar, kühl sowie geruchlich und geschmacklich einwandfrei sein. […] Es muss mindestens den gesetzlichen Anforderungen genügen“.
Gesetzliche Grundlage für die Bewertung von Trinkwasserqualität ist in Deutschland die Trinkwasserverordnung (TrinkwV 2001[2] als Umsetzung der Richtlinie 98/83/EG[3]). Darin heißt es:
„Trinkwasser muss so beschaffen sein, dass durch seinen Genuss oder Gebrauch eine Schädigung der menschlichen Gesundheit insbesondere durch Krankheitserreger nicht zu besorgen ist. Es muss rein und genusstauglich sein. Diese Anforderung gilt als erfüllt, wenn bei der Wasseraufbereitung und der Wasserverteilung mindestens die allgemein anerkannten Regeln der Technik eingehalten werden und das Trinkwasser den Anforderungen der §§ 5 bis 7 entspricht.“
Grenzwerte nach Trinkwasserverordnung
Eisen und Mangan sind die beiden häufigsten Schwermetalle der Erdkruste, treten in Mineralien oft zusammen auf und liegen oft beide in erhöhten Konzentrationen im Grundwasser vor. Die geogen bedingten Konzentrationen liegen meist weit unterhalb des für einen erwachsenen Menschen gesundheitlich relevanten Bereichs. In der Trinkwasserverordnung werden aus eher sensorischen und technischen Gründen deutlich niedrigere Grenzwerte festgelegt[4].
[1] DIN 2000: Zentrale Trinkwasserversorgung – Leitsätze und Anforderungen an Trinkwasser – Planung, Bau, Betrieb und Instandhaltung der Versorgungsanlagen; Technische Regel des DVGW
[2]TrinkwV 2001: Trinkwasserverordnung in der Fassung der Bekanntmachung vom 2. August 2013 (BGBl. I S. 2977)
[3] Richtlinie 98/83/EG des Rates: über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch.
[4] Höll, Karl: Wasser. Berlin [u.a.]: 8., völlig neu bearb. Aufl. Aufl. de Gruyter, 2002.
Auszug aus der Trinkwasserverordnung[2]
§ 7 Indikatorparameter und Anhang 3
| Parameter | Grenzwert |
|---|---|
| Ammonium: | 0,5 mg/l |
| Eisen: | 0,2 mg/l |
| Mangan: | 0,05 mg/l |
Diese niedrigen Grenzwerte sind sinnvoll, denn bei Eisenkonzentrationen > 0,5 mg/l treten direkt wahrnehmbare Veränderungen (Braunfärbung des Wassers bei Luftzutritt, Geschmacksveränderung des Wassers) auf. Ab 0,2 mg/l können außerdem Verfärbungen und Ablagerungen an wasserberührten Oberflächen auftreten, was sowohl die Nutzbarkeit (aus Sicht des Kunden) als auch die technische Betriebssicherheit (aus Sicht des Versorgers → Verockerungen) einschränkt.
Außerdem können Ablagerungen von Eisenoxidhydraten in Rohrleitungen Grundlage für unerwünschte Mikroorganismen bilden [4]. Um das zu vermeiden, sollte das vom Wasserwerk abgegebene Trinkwasser nicht mehr als 0,05 mg/l Eisen enthalten [5]. Der DVGW empfiehlt sogar Eisenkonzentrationen ≤ 0,02 mg/l und Mangankonzentrationen
≤ 0,01 mg/l. [6]
In reduzierten Grundwässern tritt neben Eisen und Mangan häufig auch Ammonium in erhöhten Konzentrationen auf. Auch dafür ist in der Trinkwasserverordnung aus allgemeinhygienischen Gründen ein Grenzwert festgelegt. Generell ist für die Abgabe von Trinkwasser die Einhaltung dieser Grenzwerte zwingend erforderlich, aber die meisten Wasserversorger stellen deutlich höhere Anforderungen an ihr eigenes Trinkwasser. Das entspricht auch dem in der Trinkwasserverordnung und der DIN 2000 geforderten Minimierungsgebot:
„Konzentrationen von chemischen Stoffen, die das Trinkwasser verunreinigen oder seine Beschaffenheit nachteilig beeinflussen können, sollen so niedrig gehalten werden, wie dies nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik mit vertretbarem Aufwand […] möglich ist.“ [2]
Das impliziert für Wasserversorger die Wahl einer möglichst effizienten und gleichzeitig wirtschaftlichen Aufbereitungstechnologie. Bei erhöhten Konzentrationen von Eisen, Mangan oder Ammonium bietet sich dazu gemäß DVGW-Arbeitsblatt W 223 [6] die unterirdische Enteisenung und Entmanganung (UEE) an.
[1] DIN 2000: Zentrale Trinkwasserversorgung – Leitsätze und Anforderungen an Trinkwasser – Planung, Bau, Betrieb und Instandhaltung der Versorgungsanlagen; Technische Regel des DVGW
[2]TrinkwV 2001: Trinkwasserverordnung in der Fassung der Bekanntmachung vom 2. August 2013 (BGBl. I S. 2977)
[3] Richtlinie 98/83/EG des Rates: über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch.
[4] Höll, Karl: Wasser. Berlin [u.a.]: 8., völlig neu bearb. Aufl. Aufl. de Gruyter, 2002.
[5] Grohmann, Andreas ; Hässelbarth, U. ; Schwerdtfeger, W.: Die Trinkwasserverordnung. Berlin: 4., neu bearb. Aufl. Aufl. E. Schmidt, 2003.
[6] DVGW: Arbeitsblatt W 223-1. 2005.
Verschiedene Prozesse zwischen chemischen und biologischen Inhaltsstoffen des Grundwassers sowie Stoffbestand des Bodens führen in Brunnen im Laufe des Betriebes zu einer Brunnenalterung bzw. zu einer Brunnenverockerung. Darunter versteht man das Nachlassen der Brunnenleistung v.a. durch die Ablagerung von Reaktionsprodukten im Brunnenbauwerk oder im angrenzenden Gestein und die daraus resultierende Verringerung des Hohlraumvolumens. [1]
Teilweise verockertes Wickeldrahtfilter
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]
Verockerung als häufigste Form der Brunnenalterung
„Die Oxidation von gelöstem, zweiwertigem Eisen und Mangan und die daraus resultierende Ausfällung unlöslicher Eisen(III)- bzw. Mangan(IV)-Verbindungen stellt die häufigste Ursache der Brunnenalterung dar.“ [3]
Alterungsprozesse von Brunnen in Deutschland nach einer DVGW-Umfrage[5]
Eine DVGW-Umfrage von 2009 hat ergeben, dass bei zwei Drittel aller Wasserwerksbetreiber Brunnenalterung auftritt, die meist durch Ergiebigkeitsverluste oder direkt durch Kamerabefahrung festgestellt wird. Diese Alterung zwingt zur Regenierung und Sanierung von Brunnen, die von den meisten Betreibern von Wasserwerken in Intervallen von 1 bis 5 Jahren durchgeführt werden. [4]
Eine vorherige DVGW-Umfrage zeigt, dass die Ursache fast immer bei Verockerungen liegt. Davon sind über 80% Eisenoxide, der Rest Manganoxide. [1]
Chemische und biologische Verockerungen
Die chemische Verockerung entsteht aus der Oxidation der zweiwertigen Spezies, wenn gelöste Eisen- (Fe2+) oder Manganionen (Mn2+) mit gelöstem Sauerstoff in Kontakt kommen. Dabei hängt die Reaktionsgeschwindigkeit stark vom pH-Wert ab, nimmt aber durch die autokatalytische Wirkung von bereits gebildeten Oxiden stark zu. Da die Oxidation von Eisen und Mangan unterschiedliche Redoxpotenziale erfordert, treten entweder rostbraune Eisenverockerungen oder schwarze Manganverockerungen auf, aber nur selten beides. Wo beide Spezies im Grundwasser vorhanden sind, wird zunächst nur das Eisen oxidiert.
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]
Fazit:
Zusammenfassend beruht die Verockerung von Brunnen auf folgenden Faktoren:
- Gelöste Eisen- oder Manganionen (lt. Fachliteratur bei Eisenkonzentrationen > 0,2 mg/l[8])
- Ein positives Redoxpotenzial / gelöster Sauerstoff
- Ein pH-Wert > 5
- Eine erhöhte Fließgeschwindigkeit
- Eisen- und manganspeichernde Bakterien
Verockertes Laufrad einer Unterwasserpumpe
Diese Faktoren sind in Brunnenbauwerken häufig gegeben. Bei einem Leistungsrückgang von 10% bis 20% durch Verockerung ist bereits ein fortgeschrittenes Alterungsstadium erreicht und die „Regenerierung erfordert einen hohen technischen Aufwand und somit hohe Kosten.“ [9]Häufig wird als Präventiv- oder Sanierungsmaßnahme versucht, durch bauliche Maßnahmen das Sauerstoffniveau und die Eintrittsgeschwindigkeit im Filterbereich positiv zu beeinflussen.
Aber die effizienteste Methode zur Vermeidung von Verockerungen ist der Einsatz einer unterirdischen Enteisenung und Entmanganung. Dadurch werden Eisen und Mangan bereits vor Eintritt in das Brunnenbauwerk effizient aus dem Wasser entfernt.
[1] Houben, Georg ; Treskatis, Christoph: Regenerierung und Sanierung von Brunnen. München: Oldenbourg Industrieverl, 2003.
[2] Tholen, Michael: Arbeitshilfen für den Brunnenbauer. 2. Aufl. 2012.
[3] Wiacek, Hella: Brunnenmonitoring zur optimalen Brunnennutzung und -pflege. Johannes Gutenberg-Universität Johannes Gutenberg-Universität in Mainz, Fachbereich Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften, 2005
[4] Orlikowski, D ; Dauchy, L ; Schwarzmüller, H: Ergebnisse der bundesweiten DVGW-Umfrage zur Instandhaltung von Brunnen. 2009.
[5] Houben, Georg ; Treskatis, Christoph: Regenerierung und Sanierung von Brunnen. München: Oldenbourg Industrieverl, 2003.
[6] Niehues, B.: DVGW-Umfrage “Brunnenregenerierung“. 1999.
[7] Houben, Georg ; Treskatis, Christoph: Regenerierung und Sanierung von Brunnen. München: Oldenbourg Industrieverl, 2003.
[8] Mutschmann, Johann ; Stimmelmayr, Fritz: Taschenbuch der Wasserversorgung. Wiesbaden: 14. Aufl. Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, 2007.
[9] DVGW: Arbeitsblatt W 130, 2007.
Die Lösung: Unterirdische Enteisenung und Entmanganung (UEE) mit FERMANOX® Wasseraufbereitungsanlagen
Die unterirdische Enteisenung und Entmanganung von Grundwasser (UEE) mit FERMANOX® aktiviert einen natürlichen Aufbereitungsprozess im Grundwasserleiter bereits vor der Förderung. Mit geringem Aufwand lassen sich dort bereits Eisen- und Mangankonzentrationen auf Trinkwasserniveau erzeugen. Dadurch werden effektiv auch alle Verockerungen in Brunnen, Pumpen und Rohrleitungen vermieden. Gleichzeitig ist das Verfahren besonders nachhaltig,
- weil kein Filtermaterial benötigt wird,
- kein Abwasser oder Abfall entstehen,
- der Energiebedarf besonders niedrig ist und
- die Lebensdauer der Bohrbrunnen erhöht wird.
FERMANOX®-Anlage zur unterirdischen Enteisenung und Entmanganung
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 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.
[1] Rott, Ulrich: Gutachterliche Stellungnahme zur Wirkungsweise der “FERMANOX-Wasseraufbereitung“ unter besonderer Berücksichtigung umweltrelevanter Auswirkungen. Universität Stuttgart, Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft, 1994
[2] Rott, Ulrich: Gutachterliche Stellungnahme zur Aufbereitungsleistung der “FERMANOX-Wasseraufbereitung“. Universität Stuttgart, Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft, 1995
[3] Rott, Ulrich; Meyerhoff, Ralf ; Bauer, Tarja: In situ-Aufbereitung von Grundwasser mit erhöhten Eisen-, Mangan- und Arsengehalten. In: gwf – Wasser/Abwasser 137 (1996.) Nr. 7, S. 358-363
Grundvoraussetzung für den Einsatz von FERMANOX®-Anlagen zur unterirdischen Enteisenung und Entmanganung sind Vertikal- oder Horizontalfilterbrunnen im Lockergestein (Sand oder Kies), weil die eigentliche Aufbereitung v.a. die große Oberfläche eines Porengrundwasserleiters erfordert. Für den Brunnenausbau gelten die üblichen technischen Regeln (v.a. DVGW W 113, W 123 und DIN 4924). Darüber hinaus ist insbesondere sicherzustellen, dass im Brunnenbauwerk keine Vertikalströmungen auftreten.
Bzgl. der Rohwasserqualität bestehen Anwendungsgrenzen. Insbesondere die Entmanganung erfordert einen Mindest-pH-Wert, der aber bedingt durch die hohe Effizienz des Verfahrens niedriger liegt als bei oberirdischen Verfahren. Außerdem steigt der Aufbereitungsaufwand bei höheren Ammonium- oder Methankonzentrationen im Grundwasser stark an.Für Eisen- oder Mangankonzentrationen im Rohwasser gibt es keine Grenzwerte (entgegen verschiedener Veröffentlichungen, siehe auch[1]). Mit FERMANOX® können auch extreme Grundwässer auf Trinkwasserniveau aufbereitet werden.
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.
[1] Groth, Peter ; Czekalla, Christian ; Dannöhl, Rainer ; Kölle, Walter ; Ließfeld, Rainer ; Meyerhoff, Ralf ; Olthoff, Reinhold ; Rott, Ulrich ; Wiegleb, Klaus: Unterirdische Enteisenung und Entmanganung – aktualisierter Statusbericht. In: gwf – Wasser/Abwasser (Sonderdruck) 138 (1997) Nr. 4, S. 182-187
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
| Annahmen: | |
|---|---|
| Wasserentnahme in 30 Jahren: | 10.950.000 m³ |
| Wasserentnahme: | 1.000 m³/Tag |
| Eisengehalt: | 5 mg/l |
| Betriebszeit: | 30 Jahre |
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.
[1] Groth, Peter ; Czekalla, Christian ; Dannöhl, Rainer ; Kölle, Walter ; Ließfeld, Rainer ; Meyerhoff, Ralf ; Olthoff, Reinhold ; Rott, Ulrich ; Wiegleb, Klaus: Unterirdische Enteisenung und Entmanganung – aktualisierter Statusbericht. In: gwf – Wasser/Abwasser (Sonderdruck) 138 (1997) Nr. 4, S. 182-187
[2] Friedle, Matthias ; Rott, Ulrich: Grundlagen und Anwendungen von Verfahren zur subterrestrischen Aufbereitung von Grundwasser. Handbuch Wasserversorgungs- und Abwassertechnik. Vulkan-Verlag, 1998, S. 79-107
[3] Ewert, Thomas; Wisotzky, Frank; Schindler, Roland; Schumacher, Detlef; Rott, Ulrich: Erfahrungen mit der unterirdischen Enteisenung an den Wasserwerken der NiederrheinWasser GmbH. In: gwf – Wasser/Abwasser 152 (2011) Nr. 2, S. 170-175[4] Schulte-Ebbert et al.: Verhalten von anorganischen Spurenstoffen bei wechselnden Redoxverhältnissen im Grundwasser. Veröffentl. Des Instituts für Wasserforschung GmbH Dortmund und der Dortmunder Stadtwerke AG, Nr. 32; 1991
FERMANOX WV & WV Professional für Wasserwerke
Wasseraufbereitungsanlage zur unterirdischen Enteisenung und Entmangagung mit FERMANOX
Einsatzbereich
Die FERMANOX®-Edelstahlanlagen vom Typ WV professional sind für industrielle Leistungen konzipiert. Sie werden im Wechselbetrieb mit zwei oder mehreren Bohrbrunnen gefahren und kommen entsprechend dem jeweiligen Bedarfsfall in verschiedenen Leistungsklassen und Ausführungen zum Einsatz.
Wasseraufbereitungsleistung
Je nach Rohwasserqualität haben Anlagen vom Typ WV professional eine Aufbereitungsleistung von 100 bis maximal 8.000 m³/Tag je Anlage. Zur Leistungsstei-gerung ist die Parallelschaltung mehrerer Anlagen möglich.
FERMANOX®-Anlage vom Typ WV professional
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
Bei FERMANOX®-Anlagen vom Typ WV professional werden die verbrauchte Wassermenge und die zur Aufbereitung rückgeführte Menge kontinuierlich überwacht. Die verbrauchsabhängige Regelung stellt sicher, dass immer das richtige Verhältnis von Förderung und Sauerstoffanreicherung für jeden Brunnen eingehalten wird. Gleichzeitig erfolgt die nächste Anreicherung immer erst nach Verbrauch einer entsprechenden Wassermenge.
Bei Abweichung von den Solldaten erfolgt automatisch eine Alarmgabe und Anzeige der Fehlerursache.
Spezialinjektor der FERMANOX®-Anlage vom Typ WV professional
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
Die verbrauchsabhängig geregelte Anlage überwacht sich auch selbst und gibt Alarm bei Abweichungen vom Normalbetrieb.
Eine Protokollierung und Auslesung der Betriebsdaten ist möglich. Dazu kann auch ein PC an die Schnittstelle der Regelung angeschlossen werden. Alternativ sind Fernauslesung und –parametrierung oder Leitstandanbindung möglich.
Verbrauchsabhängige Regelung mit Auslesesoftware
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
Einsatzbereich
Bei Großprojekten und in Fällen, in denen wir auf Grund ungünstiger Rohwasserqualität oder Bodenbeschaffenheit die Funktionalität des Verfahrens nicht von vornherein garantieren können, ist ein Versuchsbetrieb empfehlenswert. Für diesen Zweck bieten wir FERMANOX®-Versuchsanlagen vom Typ WV professional und Zubehör zur Miete sowie Dienstleistungen rund um die Versuchsbegleitung an.
FERMANOX®-Versuchsanlage im Container
Ein entscheidender Schritt bei dem Neubau oder der Modernisierung eines Wasserwerks ist die verfahrenstechnische Planung der Wasseraufbereitung. Für die Verfahrensauswahl zwischen oberirdischer und unterirdischer Enteisenung und Entmanganung lohnt sich ein Vergleich beider Alternativen anhand von Effizienz und Wirtschaftlichkeit.
Vergleicht man eine unterirdische Enteisenung und Entmanganung mit einem offenen Kiesfilter ohne Zusatzstoffe (d.h. ohne Aufhärtung oder Zudosierung von Hilfsstoffen etc.), ergibt sich qualitativ folgendes Bild:
- Konzeptvergleich FERMANOX im Vergleich zum Kiesfilterverfahren
Unterirdische Enteisenung und Entmanganung mit dem FERMANOX®-Wasseraufbereitungsverfahren ist effizienter.
Zum Verständnis der wesentlich höheren Effizienz einer unterirdischen Enteisenung und Entmanganung im Vergleich zu oberirdischen Schnellfiltern ist ein Vergleich der Reaktionsräume hilfreich.
Bei ca. 25% wirksamem Porenvolumen in einem Lockergestein-Grundwasserleiter wird mit der Infiltration ein Reaktionsraum geschaffen, der gegenüber der Infiltrationsmenge das ca. 4-fache Volumen aufweist – ein Vielfaches größer als bei herkömmlichen Schnellfiltern. In diesem groß dimensionierten Raum wird das Wasser zum Brunnen hin gefördert. Die Infiltration erfolgt in entgegengesetzte Richtung vom Brunnen ausgehend in den Grundwasserleiter. Damit wird – im Gegensatz zu herkömmlichen Filtern – der gesamte Reaktionsraum für die Aufbereitung aktiv, und die Vorgänge der Oxidation und Adsorption werden vorteilhaft weitgehend getrennt. Da die Fördermenge die Infiltrationsmenge stets übersteigt, gibt es über den Reaktionsraum hinaus keine Veränderung des im Grundwasserleiter herrschenden Gleichgewichts.
Vergleich der Reaktionsraumgrößen im Aquifer und im oberirdischen Filter nach [1]
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.
[1] Friedle, M; Rott, U: Grundlagen und Anwendungen von Verfahren zur subterrestrischen Aufbereitung von Grundwasser. Handbuch Wasserversorgungs- und Abwassertechnik. Vulkan-Verlag, 1998, S. 79-107
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.
Das FERMANOX®-Wasseraufbereitungsverfahren garantiert eisen-, mangan- und ammoiumfreies Wasser – direkt aus dem Brunnen. Das ideale Verfahren zum Heizen & Kühlen!
FERMANOX® verfügt als Pionier und Marktführer der Kompaktanlagen für unterirdische Wasseraufbereitung über das Know-how zur Auswertung der hydrogeologischen und wasser- chemischen Gegebenheiten vor Ort und der daraus resultierenden Auslegung der FERMANOX®-Wasseraufbereitungsanlage.
Die erste FERMANOX®-Anlage wurde 1983 in Betrieb genommen. Der Eisengehalt des ursprünglichen Rohwassers betrug 6,7 mg/l, das entspricht dem 33,5-fachen des Grenzwertes nach Trinkwasserverordnung. Die Anlage läuft bis heute störungsfrei, obschon der Bohrbrunnen inzwischen ca. 60 Jahre alt ist.
Zwischenzeitlich wurden über 10.000 Anlagen in Betrieb genommen.
