Brunnenalterung | Brunnenverockerung

Teilweise verockertes Wickeldrahtfilter
Teilweise verockertes Wickeldrahtfilter

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]

Sobald  sich dadurch die Wassereintrittsflächen in das Brunnenbauwerk verringern, sinkt die Förderleistung bzw. erhöht sich die Absenkung des Betriebswasser-spiegels 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 [6]
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

Verockerte Unterwasserpumpe – Ausschnitt Einlaufsieb
Verockerte Unterwasserpumpe – Ausschnitt Einlaufsieb

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
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.