Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2009

Die Uferfiltration und die unterirdische Enteisenung / Entmanganung (UEE) sind bewährte Verfahren für die natürliche, unterirdische Voraufbereitung von Wasser. In Abhängigkeit von der Wasserbeschaffenheit und den geochemischen Eigenschaften des Grundwasserleiters können Redoxreaktionen, Sorptions- und Auflösungsprozesse oder eine ungünstige Bewirtschaftung der Brunnen bei beiden Verfahren zu erhöhten Mangankonzentrationen im Rohwasser führen. Erhöhte Mangankonzentrationen sind häufig für Verockerungsprozesse im Filterbereich der Brunnen und Ablagerungen in Pumpen und Steigleitungen verantwortlich. Diese beeinträchtigen den langfristigen Brunnenbetrieb und führen zu höheren Kosten der Wasseraufbereitung. Außerdem führt Mangan zur Färbung des Wassers und muss in der Trinkwasseraufbereitung auf < 0,05 mg/L verringert werden. Für Wasserwerksbetreiber ist die Kenntnis über die Ursache und das Verhalten von Mangan essentiell für einen optimalen Betrieb. Die ägyptische Hauptstadt Kairo steht einem stark wachsenden Wasserbedarf gegenüber. Für die Bewertung einer möglichen Anwendung der Uferfiltration am Nil wurden vorhandene Versuchsbrunnen teufenabhängig beprobt und das Flusssohlsediment untersucht. Das Flusssohlsediment wies hohe Eisen- und Mangangehalte auf und wurde als Ursache für erhöhte Eisen-, Mangan- und Ammoniumkonzentrationen im Uferfiltrat identifiziert. Für den Uferfiltrationsstandort Dresden-Tolkewitz wurde der Einfluss von Temperatur und Infiltrationsrate auf die Manganfreisetzung aus der Elbsohle untersucht. Betriebsdaten der Jahre 2006 bis 2016 und Säulenversuche bildeten die Grundlage. Die Manganfreisetzung wurde primär von der Temperatur kontrolliert, die Infiltrationsrate war weniger wichtig und verlor mit steigender Temperatur weiter an Bedeutung. Eine Manganfreisetzung wurde bei Wassertemperaturen von 20 °C und Infiltrationsraten von ≥ 0,3 m³/(m²×d) ausgelöst. Während der Inbetriebnahme eines UEE-Wasserwerks in Khabarovsk (Russland) wurde an einigen Brunnen eine intensive Manganfreisetzung beobachtet. Außerdem führte biologische Kolmation zu einem raschen Leistungsverlust und erforderte die Desinfektion der Brunnen. Die Auswertung der ersten 194 UEE-Zyklen eines Förderbrunnens und ergänzende Batchversuche ergaben, dass die Auflösung des im Grundwasserleiter vorhandenen, manganhaltigen Siderits die Ursache der Mn-Freisetzung war. Die Auflösungsprozesse hingen stark von der Korngröße des GWL-Materials und dem pH-Wert des Grundwassers ab. Die Filterkiesschüttung des Brunnens zehrte weniger als 1 % des infiltrierten Chlors und das Natriumhypochlorit drang ca. 2 bis 3,5 m in den Grundwasserleiter ein. Das Wasserwerk Eggersdorf nutzt die UEE für die Voraufbereitung von eisenhaltigem Grundwasser und dient, entgegen den Empfehlungen für die UEE, der Abdeckung von Bedarfsspitzen. In einem Feldversuch wurde die mögliche Umnutzung der UEE-Brunnen für die dauerhafte Grundwasserförderung getestet. Die dabei aufgetretene Manganfreisetzung wurde auf die chemische Reduktion von abgeschiedenen Mangan(hydr)oxiden durch eisenhaltiges Grundwasser zurückgeführt.:Kurzfassung i Abstract iii Danksagung iv Inhaltsverzeichnis v Abkürzungsverzeichnis vii 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Motivation und Ziele 3 1.3 Gliederung der Arbeit 5 2 Auftreten und Verhalten von Mangan bei der Uferfiltration 6 2.1 Eintragspfade von Mangan in das Uferfiltrat 6 2.2 Einflussgrößen auf den Mangangehalt im Uferfiltrat 7 3 Erkundung eines neuen Uferfiltrationsstandortes in Embaba 9 3.1 Einleitung und Standortbeschreibung 9 3.2 Teufenabhängige Probennahme während des regulären Betriebes 9 3.3 Ursache der Manganfreisetzung und Bewirtschaftung des Standortes 10 4 Einfluss der Infiltrationsrate und der Temperatur auf die Manganfreisetzung aus der Elbsohle in Dresden 12 4.1 Einleitung und Standortbeschreibung 12 4.2 Einfluss der Temperatur auf die Manganfreisetzung 12 4.3 Einfluss der Infiltrationsrate auf die Manganfreisetzung 13 5 Freisetzung von Mangan beim Start einer UEE in Khabarovsk 15 5.1 Einleitung und Standortbeschreibung 15 5.2 Untersuchungen zur Ursache der Manganfreisetzung 15 5.3 Begrenzung der Leistungsabnahme der UEE-Brunnen 16 6 Manganfreisetzung bei der geplanten Umstellung des UEE-Wasserwerks Eggersdorf auf kontinuierliche Förderung 18 6.1 Einleitung und Standortbeschreibung 18 6.2 Umstellung eines UEE-Brunnens auf dauerhafte Förderung 18 6.3 Ursache der Manganfreisetzung aus dem ehemaligen Reaktionsraum 19 7 Zusammenfassung und Ausblick 21 Literaturverzeichnis 24 Beiliegende Publikationen 29 Beiliegende Publikation 1 31 Beiliegende Publikation 2 53 Beiliegende Publikation 3 69 Beiliegende Publikation 4 83 Beiliegende Publikation 5 103 Beiliegende Publikation 6 135 Beiliegende Publikation 7 167 Beiliegende Publikation 8 189 / Bank filtration and Subsurface Iron Removal (SIR) are proven technologies for the natural subsurface pre-treatment of water. Depending on the water quality and the geochemical properties of the aquifer, redox reactions, sorption and dissolution or unfavorable well management can lead to increased manganese concentrations in both treatment options. Increased manganese concentrations often cause filter screen clogging of the well or deposits in pumps and standpipes. This can affect the long-term well operation and lead to higher costs of water treatment. Furthermore, increased manganese concentrations can cause a coloring of the water and must be lowered to < 0.05 mg/l during drinking water treatment. For waterworks operators, the knowledge about the source and the behavior of manganese is essential for an optimal operation. The Egyptian capital Cairo faces a growing water demand. To evaluate a potential riverbank filtration site, depth-dependent sampling at existing test wells was carried out and sediment samples from the Nile riverbed were taken. The riverbed sediment showed elevated iron and manganese contents and was identified as cause of increased iron, manganese and ammonium concentrations in the riverbank filtrate. For the bank filtration site Dresden-Tolkewitz, the impact of temperature and infiltration rate on the manganese release from the riverbed sediment of the Elbe river was investigated. The investigations were based on monitoring data of the years 2006 to 2016 and column experiments. The manganese release was primarily controlled by temperature, the infiltration rate was less important. With increasing temperature, the infiltration rate became even less critical. Manganese was released at water temperatures of 20 °C and infiltration rates of ≥ 0.3 m³/(m²×d). During the start-up phase of a SIR waterworks in Khabarovsk, Russia, an intense manganese release was observed in several wells. In addition, biological clogging led to a rapid perfor-mance loss of the wells and required well disinfection. The evaluation of the first 194 SIR cycles of a production well and accompanying batch experiments indicated that the dissolution of the manganese-bearing siderite, which was present in the aquifer, caused the Mn release. The dissolution heavily depended on the grain size of the aquifer material and the pH of the groundwater. The filter gravel pack of the well consumed less than 1 % of the infiltrated chlorine and the sodium hypochlorite approximately penetrated between 2 and 3.5 m into the aquifer. The waterworks Eggersdorf has been using SIR for the pre-treatment of ferrous groundwater and, contrary to general recommendations for SIR well operation, served for covering peaks in water demand. In a field trial, the possible conversion of the SIR wells for permanent groundwater extraction was tested. An observed manganese release was attributed to the chemical reduction of former precipitated Mn(hydr)oxides by iron-containing groundwater.:Kurzfassung i Abstract iii Danksagung iv Inhaltsverzeichnis v Abkürzungsverzeichnis vii 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Motivation und Ziele 3 1.3 Gliederung der Arbeit 5 2 Auftreten und Verhalten von Mangan bei der Uferfiltration 6 2.1 Eintragspfade von Mangan in das Uferfiltrat 6 2.2 Einflussgrößen auf den Mangangehalt im Uferfiltrat 7 3 Erkundung eines neuen Uferfiltrationsstandortes in Embaba 9 3.1 Einleitung und Standortbeschreibung 9 3.2 Teufenabhängige Probennahme während des regulären Betriebes 9 3.3 Ursache der Manganfreisetzung und Bewirtschaftung des Standortes 10 4 Einfluss der Infiltrationsrate und der Temperatur auf die Manganfreisetzung aus der Elbsohle in Dresden 12 4.1 Einleitung und Standortbeschreibung 12 4.2 Einfluss der Temperatur auf die Manganfreisetzung 12 4.3 Einfluss der Infiltrationsrate auf die Manganfreisetzung 13 5 Freisetzung von Mangan beim Start einer UEE in Khabarovsk 15 5.1 Einleitung und Standortbeschreibung 15 5.2 Untersuchungen zur Ursache der Manganfreisetzung 15 5.3 Begrenzung der Leistungsabnahme der UEE-Brunnen 16 6 Manganfreisetzung bei der geplanten Umstellung des UEE-Wasserwerks Eggersdorf auf kontinuierliche Förderung 18 6.1 Einleitung und Standortbeschreibung 18 6.2 Umstellung eines UEE-Brunnens auf dauerhafte Förderung 18 6.3 Ursache der Manganfreisetzung aus dem ehemaligen Reaktionsraum 19 7 Zusammenfassung und Ausblick 21 Literaturverzeichnis 24 Beiliegende Publikationen 29 Beiliegende Publikation 1 31 Beiliegende Publikation 2 53 Beiliegende Publikation 3 69 Beiliegende Publikation 4 83 Beiliegende Publikation 5 103 Beiliegende Publikation 6 135 Beiliegende Publikation 7 167 Beiliegende Publikation 8 189