Grundwasser zur Klimatisierung

Unterirdische Enteisenung und Entmanganisierung

Grundwasser wird verstärkt zur Klimatisierung von Häusern und größeren Gebäuden genutzt. Dazu wird Grundwasser aus dem Untergrund entnommen, über eine Wärmepumpe geführt und wieder in den Grundwasserleiter versickert. Bei höheren Eisen- oder Mangankonzentrationen kommt es zu Ausfällungen von schwerlöslichen Oxidhydraten, die den Wärmetauscher und das Rohrleitungssystem verstopfen. Um dieses Problem zu beseitigen, bietet sich eine elegante und kostengünstige Lösung an, die unterirdische Enteisenung und Entmanganung (UEE). Damit  kann auf die aufwändige und kostenintensive oberirdische Enteisenung durch Fällung/Flockung oder Filtration verzichtet werden.

Das Verfahren der UEE ist seit über 100 Jahren bekannt, in Deutschland wird es derzeit in ca. 20 Wasserwerken und über 4500 Kleinanlagen zur Trinkwasseraufbereitung eingesetzt.

Die UEE ist ein kostengünstiges, betriebssicheres und dazu umweltfreundliches Verfahren. Sie benötigt nur Luftsauerstoff, aber keine speziellen Aufbereitungschemikalien. Es fallen keine Rückstände aus der Wasseraufbereitung und somit auch keine Entsorgungskosten an. Da die Entnahmebrunnen nicht verockern, haben sie sehr lange Betriebszeiten. Die benötigte Anlagentechnik hat nur einen geringen Platzbedarf und lässt sich vollautomatisch betreiben. Sie ist wartungsarm und verursacht nur geringe Personalkosten.

 

Das UEE-Verfahren

Die unterirdische Enteisenung und Entmanganung (UEE) beruht wie die herkömmlichen, oberirdischen Verfahren zur Entfernung von im Wasser gelösten Eisen(II)- und Mangan(II)-Ionen auf der Oxidation und der anschließenden Abtrennung dieser Wasser­inhaltsstoffe. Der wesentliche Unterschied bei diesem Verfahren ist, dass anstelle einer oberirdischen Filteranlage der Grundwasserleiter selbst als Reaktionsraum genutzt wird. Eine Anlage zur unterirdischen Wasseraufbereitung besteht in der Regel aus zwei oder mehr Brunnen, einer Sauerstoffanreicherung, einem Entgasungsbehälter, Armaturen sowie den Transportleitungen zur Wasserförderung und Wassereinleitung bzw. -anreicherung sowie dem Aquifer selbst.  In Abbildung 1 ist ein Verfahrensschema einer Mehr-Brunnen-Anlage zur UEE dargestellt, sie kann aber auch nur mit einem Brunnen betrieben werden.

Eine Anlage zur unterirdischen Wasseraufbereitung wird in so genannten Aufbereitungszyklen betrieben. Dabei besteht ein Aufbereitungszyklus aus einer Infiltrations- und einer Förderphase pro Brunnen, die jeweils durch eine kurze Pause unterbrochen werden, um die durch den Fließrichtungswechsel bedingte hydraulische Belastung abzubauen.

Durch Infiltration von sauerstoffreichem Wasser entsteht im brunnennahen Bereich eine so genannte Oxidationszone (siehe Abbildung 2), ein Reaktionsraum mit erhöhtem Sauerstoffgehalt und erhöhtem Redoxpotential. In dieser Oxidationszone können chemische, physikalische und biologische Aufbereitungsmechanismen stattfinden.

Die unterirdische Enteisenung und Entmanganung wird in der Regel mit mehreren Brunnen betrieben. Um die Oxidationszone zu bilden, wird ein Teil des während der Förderphase eines Brunnens geförderten Grundwassers mit Sauerstoff angereichert und während der Infiltrationsphase über die Filterstrecke eines weiteren Brunnens wieder in den Aquifer infiltriert. Die Funktion des Entgasungsbehälters besteht darin, das mit Sauerstoff angereicherte Wasser von Luftblasen zu befreien, die die Durchlässigkeit des Aquifers beeinträchtigen könnten.

Durch die Infiltration von sauerstoffreichem Wasser wird das sauerstoffarme Grundwasser verdrängt und es bildet sich im Untergrund, in der Umgebung der Filterstrecke, die Oxidationszone aus. Wird in der anschließenden Förderphase wieder Wasser aus diesem Brunnen entnommen, durchströmt das Grundwasser diese Oxidationszone und gelöstes Eisen und Mangan können an Bodenkornoberflächen oder Oxidationsprodukten adsorbiert werden (Adsorptionsphase). Bereits gebildetes Eisenoxidhydrat hat eine positive Wirkung auf das Adsorptionsvermögen. Durch erneutes Einleiten von sauerstoffreichem Wasser erreicht Sauerstoff die adsorbierten Eisen- und Mangan-Ionen und oxidiert sie zu schwer löslichen Oxidhydraten (Oxidationsphase). Im Laufe der Zeit bildet sich dementsprechend eine Ummantelung aus den Oxidationsprodukten auf den Bodenkörnern, die eine katalytisch beschleunigende Wirkung auf die Eisen- und Mangan-Oxidation haben.

In der Regel kann bei der unterirdischen Aufbereitung im Anschluss an die jeweilige Infiltrationsphase eines Brunnens ein Vielfaches der infiltrierten Wassermenge als aufbereitetes Wasser gefördert werden. Dies nennt man den Ergiebigkeitskoeffizienten. Dieser kann sich während und auch nach der Einarbeitungsphase noch verbessern und Werte zwischen 2 und 12 annehmen. Der Wechsel zwischen Entnahme und Reinfiltration muss in festgelegten Zyklen erfolgen, um ein Ausfällen von Eisen zu verhindern. Die Filterstrecken der Entnahmebrunnen müssen entsprechend ausgebaut sein, um sowohl die Entnahme als auch Reinfiltration sicherzustellen.

Die Einarbeitungsphase für die Enteisenung dauert in der Regel wenige Tage bis Wochen. Bei der Entmanganung sind mehrere Wochen bis Monate notwendig, weil dafür die Bildung einer Mikroflora erforderlich ist.

Eine Verblockung des Grundwasserleiters mit Reaktionsprodukten oder eine Abnahme der Aufbereitungsleistung konnte auch bei langjährig in Betrieb befindlichen Anlagen nicht beobachtet werden. Bei der unterirdischen Aufbereitung besteht im Gegensatz zu oberirdischen Filteranlagen die Möglichkeit einer Ausdehnung des Reaktionsraumes. Somit kann sich der Reaktionsraum bei einer lokalen Verringerung des durchflusswirksamen Porenraums ausdehnen. Im Vergleich zu den in Schnellfiltern entstehenden wasserreichen Reaktionsprodukten kann sich das Volumen der Reaktionsprodukte bei der UEE durch Alterung und Mineralisierung vermindern. Mit diesem Verfahren kann neben Eisen und Mangan auch Arsen aus dem Grund- bzw. Trinkwasser entfernt werden.

Von der Züblin Umwelttechnik GmbH (www.zueblin-umwelttechnik.com) wurden bisher einige Anlagen zur Unterirdischen Enteisenung installiert und erfolgreich betrieben. Als aktuelles Projekt wird die Anlage in Heidenheim beschrieben.

 

Technische Realisierung in der Berufsakademie Heidenheim

In der Dualen Hochschule Baden-Württemberg in Heidenheim werden täglich bis zu 24 l/s Grundwasser zur Gebäudeklimatisierung benötigt, um das Gebäude über eine Betonkerntemperierung zu beheizen und zu kühlen.

Für die Unterirdische Enteisenung wurden anstatt drei reinen Entnahmebrunnen insgesamt fünf Grundwasserbrunnen als Förderbrunnen und Infiltrationsbrunnen erstellt. Jeder Brunnen wurde mit zwei separaten Leitungen an die zentrale UEE-Anlage angeschlossen, um sowohl die Entnahme als auch die Reinfiltration automatisch durchführen zu können. Je nach Anforderung durch die Wärmepumpe im Sekundärkreislauf werden ein bis drei Brunnen zur Brauchwasserentnahme genutzt, während ein weiterer Brunnen nur für die Vorbereitung des sauerstoffangereicherten Wassers  dient. Dieses wird in einen Brunnen, der gerade nicht betrieben wird, reinfiltriert, um die erforderliche Oxidationszone auszubilden und für den nächsten Entnahmezyklus vorzubereiten.

Die Ergiebigkeitskoeffizienten (Verhältnis von Entnahme zur Reinfiltration) wurden in dem vorliegenden Fall zuerst mit einer Versuchsanlage für 8 l/s ermittelt und die Brunnen bereits während der Bauphase der Hauptanlage für die weitere Entnahme vorbereitet, sodass bereits mit reduzierten Eisengehalten gestartet werden konnte.

Nach einem festgelegten Betriebsprogramm werden die Entnahme- und Reinfiltrationsbrunnen durchgetaktet, um immer eine sichere Entnahme von eisenarmem Grundwasser zu gewährleisten. Die Steuerung der gesamten Anlage erfolgt durch eine SPS mit Visualisierung. Hier sind sowohl die Betriebs- und Pausenzeiten der einzelnen Brunnen, die Durchflussmengen sowie Betriebs- und Störmeldungen hinterlegt.

Die vorläufigen Ergebnisse der Einfahrphase sind in Abbildungen 3 und 4 ersichtlich. Die Anlage ist seit Juni 2010 in Betrieb. Die Eisengehalte im Grundwasser können von 5 – 7 mg/l auf < 0,2 mg/l und die Mangangehalte von 0,5 mg/l auf < 0,05 mg/l zuverlässig reduziert werden.

Literatur:
Rott, U. und Friedle, M. (2000) 25 Jahre unterirdische Wasseraufbereitung in Deutschland – Rückblick und Perspektiven – gwf, 141 Nr. 13, 99-107
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