Prozesse im Aquifer

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
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 Nitrosocystis

    Die 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