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Förder- & Leistungsverluste verursacht durch Brunnenalterung

Brunnenalterung oder Verschleiß von Wasserfassungsanlagen und deren Ursachen

Zur Gewinnung von Trink- & Brauchwasser sowie zur Heizung oder Kühlung von Maschinen oder Gebäuden aus Grundwasservorkommen, werden Wasserfassungsanlagen wie zum Beispiel horizontale und vertikale Brunnen und Quellfassungen benötigt. Aufgrund von physikalischen, meteorologischen, hydrologischen, geologischen, chemischen und biologischen Gründen haben diese künstlich angelegten Wasserfassungen eine begrenzte Lebensdauer. Auch natürliche Wasseraustritte im Gelände wie Arteser, Geysire und Quellen unterliegen diesen Veränderungen, im Gegensatz zum Brunnen sind die Veränderungen allerdings sichtbar, wenn auch nur bei langfristiger Betrachtung.

Grundsätzlich stammt alles Grundwasser aus Niederschlagswasser, welches je nach Grundwasser Neubildungsrate, also dem Weg und der Versickerungszeit des Wassers bis zum Aquifer, von Wochen über Jahrzehnte bis zu Jahrtausenden reichen kann.

Im unverritzten Locker- oder Festgesteinsgebirge fließt das Grundwasser relativ langsam. Während in Lockersedimenten das Grundwasser durch die nutzbaren Porenräume der der jeweiligen anstehenden Kornfraktionen, welche von Blöcken über Kies und Sand bis zu Schluffkorn und Ton reichen und je nach Genese also Entstehung von Kantig bis gerundet anzutreffen sind. Sind die nennenswerten Wege von nutzbarem Grundwasser im Felsgestein in der Regel auf Risse und Klüfte sowie Kaarsthohlräume begrenzt. Die nutzbaren Porenräume in porösen Gesteinen wie z.B. Sandstein sind für die Förderung von Wasser zu gering.

Je nach dem jeweiligen Durchlässigkeitsbeiwert der anstehenden durchströmten Gebirgsformation fließt das Grundwasser mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten von Metern pro Jahr bis zu 100 m pro Tag.

  • Blöcke
  • Kies
  • Sand
  • Schluff
  • Ton
  • Riss
  • Kluft
  • Kaarst
  • Molasse

Während des Durchströmens des anstehenden Gebirges werden lösbare Stoffe vom Grundwasser aufgenommen und weitertransportiert. Im Grundwasser lebende Organismen leben von diesen Inhaltsstoffen und verstoffwechseln diese. Aufgrund der geringen Platzverhältnisse sowie der geringen Durchflussrate und des dürftigen Nahrungsangebotes ist die Besiedlungsdichte jedoch sehr gering.

 

Brunnenalterung durch chemisch induzierte Prozesse (Ausfällung)

Während des quasi laminaren Fließens des Grundwassers im Gebirge stellt sich ein chemisch / physikalisches ein Gleichgewicht ein. Das bedeutet, dass bei relativ gleichmäßiger Fließgeschwindigkeit, Temperatur und hydrostatischem Druck ein in etwa stabiles Gemisch entsteht, welches dem Grundwasser einen chemisch-physikalischen (Fingerabdruck) verleiht. Dieser Fingerabdruck sind die hydrologische Wasserparameter des Grundwassers wie z.B.:

Physikalische Parameter:

  • Temperatur
  • Leitfähigkeit
  • pH Wert
  • gelöster Sauerstoff
  • Redox Potential

Chemische Inhaltsstoffe wie:

  • Eisen
  • Mangan
  • Calzit
  • Aluminium
  • Schwermetalle

Gase wie :

  • Methan
  • Kohlendioxid
  • Sauerstoff

Biologische Organismen wie:

  • Eisenreduzierer
  • Manganreduzierer

 

Nähert sich das Grundwasser dann der Wasserfassung, zum Bespiel einem verkiesten, vertikalen Bohrbrunnen mit Filterrohr und Unterwassermotorpumpe, ändern sich alle bisherigen Rahmenbedingungen. Das Grundwasser wird zum Brunnen hin beschleunigt, der hydrostatische Druck nimmt ab, aus dem laminaren Fließen wird eine turbulente Strömung, die Temperatur im Brunnen nimmt durch die Abwärme des Unterwassermotors zu, Luftsauerstoff wird vom Grundwasser aufgenommen und ggf. verschiedene Grundwässer mit unterschiedlicher Mineralisierung vermischen sich. Im Fassungsbereich des Brunnens bildet sich ein Absenktrichter rund um den Brunnen welcher sich geometrisch nach der Fließrichtung des Grundwassers und der Durchlässigkeit der anstehenden Gebirgsschichten sowie der Filterschüttung und des Filterrohraufbaus sowie der Fördermenge ausbildet.

Diese drastischen Veränderungen führen im Brunnen zu einer Aufhebung des chemisch-physikalischen Gleichgewichtes des Grundwassers. Dies kann zur Folge haben, dass sich bislang im Grundwasser gelöste Stoffe durch Sauerstoffeintrag Ausfällen und zur sogenannten Verockerung führen.  Dabei werden zum Beispiel im Wasser gelöstes zweiwertiges Eisen Fe2+ und Mn2+, als Eisenhydroxid bzw. Manganhydroxid ausfallen. 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 Mineralisierungen im Grundwasser vorhanden sind, wird zunächst nur das Eisen oxidiert. 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]

Durch den Druckabfall (Entspannung des Grundwassers) können gelöste Gase wie Kohlendioxid austreten und den Chemismus des Wassers empfindlich verändern. Dies kann zur Versinterung, der karbonatischen Ausfällung von Karbonaten führen.

Die Ausfällungen beginnen im Bereich der Bohraureole, also der Übergang vom anstehenden Gestein zur Brunnenbohrung. Aufgrund des höheren Porenraumes und des beschleunigten Wasserflusses ist der Filterkies der nächste betroffene Ablagerungsort. Filterschlitze sowie das Pumpeneinlaufsieb, die Pumpenhydraulik und die Steigleitung sind die nächsten am stärksten befallenen Stellen weil diese mit einer hohen Durchflussrate, mit hoher Strömungsgeschwindigkeit das größte Mineraldargebot bieten um Ausfällungen zu erzeugen.

 

Brunnenalterung durch biologisch induzierte Prozesse (Ausfällung)

Bakterien wie Leptothrix ochracea, Leptothrix crassa, Thioba-zillus ferrooxidans verursachen die biologische Verockerung. Diese Bakterien sind nahezu überall im anstehenden wassergefüllten Gestein vorhanden, sind aber nicht eigenbeweglich und daher auf Nährstoffzufuhrangewiesen. Die hierdurch hervorgerufenen Ablagerungen finden sich daher in den Zustrombereichen des Brunnens auch weit unterhalb des Wasserspiegels und in größerer Entfernung von der Brunnenmitte. Zusätzlich poren-/schlitzverkleinernd wirken die Mengen an Biomasse, die durch das Bakterienwachstum entstehen. Dies gilt insbesondere für nährstoffreiche Wässer, in denen zusätzlich kohlenstoffverwertende Bakterienarten Biofilme bilden.

Eisenhydroxid

Der Eisengehalt des Wassers ist hierbei nicht allein das entscheidende Kriterium. Die Betrachtung des Stoffwechsels der an der Verockerung beteiligten Bakterien verdeutlicht, warum mehrere Faktoren zusammenspielen müssen. Das im Grundwasser gelöste Eisen dient den Bakterien bei der Eisenoxidation lediglich als Elektronenquelle für ihren Stoffwechsel. Entscheidend ist aber, dass gleichzeitig Sauerstoff im Umfeld der Bakterien vorhanden ist. Nur dadurch können die Bakterien Elektronen an den Sauerstoff abgeben und gelöste zweiwertige Eisenionen werden in unlösliches Eisenhydroxid umgewandelt. Bei hohen Sauerstoffkonzentrationen kann sich unlösliches Eisenhydroxid zusätzlich auch ohne Beteiligung von Bakterien rein chemisch bilden. Da einigen Bakterien neben Sauerstoff jedoch auch Nitrat als sogenannter „Elektronen-empfänger“ dienen kann, können auch Brunnen von Verockerung betroffen sein, in denen keine direkten Sauerstoffeinträge stattfinden. Neben diesen über ihren Energiestoffwechsel als Eisenbakterien klassifizierten Organismen existiert auch eine Reihe von Bakterien, die ihren Energiebedarf über im Wasser gelöste verwertbare organische Stoffe abdecken. Eine Eigenschaft haben jedoch die meisten der verockerungsrelevanten Bakterien: Sie verfügen über bemerkenswerte strukturelle Eigen- schaften. Viele von ihnen bilden nanoröhrenartige Scheiden, lange Stiele oder großflächige Filamente, an deren Ober-fläche das Eisenhydroxid abgelagert wird. Wahrscheinlich ist es erst durch diese ganz spezifischen Strukturen überhaupt möglich, zweiwertiges Eisen in großen Mengen als Eisenhydroxid abzuscheiden, da sich die in den Ablagerungen befindlichen Bakterien sonst mit ihren Abfallprodukten von der weiteren Nährstoffversorgung abschneiden würden. Diese Kombination aus organischen flexiblen Trägern und anorganischen harten Ablagerungen ist auch einer der Gründe für die hohe Stabilität der Beläge, die selbst Einlaufsiebe von Pumpen problemlos überwuchern und stärksten Scherkräften wiederstehen.

Besiedlungsflächen

Dieses Prinzip der Kombination unterschiedlicher Materialien, welches sich der Mensch beispielsweise auch beim Stahlbeton zunutze macht, sorgt dafür, dass die Verockerungsbakterien optimal von den hohen Strömungsgeschwindigkeiten und der damit verbundenen guten Nährstoffversorgung im Brunnen profitieren können. Frei schwimmende Bakterien, die sich mit gleicher Geschwindigkeit wie das umgebende Medium fortbewegen, könnten ihre Nährstoffe lediglich durch Diffusion aus einem relativ schmalen Bereich des sie umgebenden Wassers beziehen. Daher bietet ihre Anheftung an Kies und andere Oberflächen in eher nähr-stoffarmen Umgebungen deutliche Vor-teile. Durch diese, in der Welt der Bakterien weit verbreitete, „sessile“ Lebensweise können von den an der Oberfläche haftenden Zellen lediglich die stetig an ihnen vorbeiströmenden Nährstoffe eingesammelt werden. Je stärker die Strömung, desto mehr Nährstoffe stehen den im Brunnenumfeld lebenden Bakterien zur Verfügung. Daher wird klar, dass gerade die Bereiche höchster Strömung (wie z. B. das Pumpeneinlaufsieb) besonders attraktive Besiedlungsflächen darstellen. Die Anlagerung erfolgt hierbei keinesfalls immer nur zufällig und passiv, vielmehr haben Bakterien Strategien entwickelt, sich aktiv und sehr nachhaltig mit einer Oberfläche zu verbinden. Einer der wichtigsten Mechanismen ist hierbei die Ausscheidung von sogenannten extrazellulären polymeren Substanzen (EPS). Dieses schleimartige Gemisch – bestehend aus den unterschiedlichsten Polysacchariden und Proteinen – dient nicht nur als eine Art Klebstoff für die bereits angehefteten Bakterien, sondern vor allem als Wegbereiter für die weitere Besiedlung. Durch ein Wachstum innerhalb einer derartigen Biofilmmatrix ist es Bakterien möglich, sogar entgegen extrem starken Strömungen wie ein langsam kriechender Organismus jedwede Oberfläche zu besiedeln.

Biofilm

Die Struktur des Biofilms passt sich hier-bei sehr dynamisch den vorherrschenden Strömungsverhältnissen an. So zeigt sich, dass die Biofilme, die starken Scherkräften ausgesetzt sind, zwar gemeinhin zunächst dünner, aber im Inneren auch wesentlich kompakter und widerstandsfähiger sind. Erreichen derartig kompakte Biofilme erst eine bestimmte Dicke, sind sie nur noch sehr schwer mechanisch angreifbar.

(Verockerungsanalytik für eine längere Brunnenlebensdauer, Dipl.-Ing. Oliver Thronicker, Prof. Dr. Ulrich Szewzyk)

 

Brunnenalterung durch Materialförderung

Die Kiesschüttung, also der Filterkies sowie die Schlitze des Filterrohres haben nicht nur die stützende Funktion des Brunnenausbaus sondern auch die filternde Funktion. Sie sollen alles im Gebirge anstehende Korn über halb der Schluffgrenze, als 63 μ Korngröße vom Brunnen fernhalten. Dafür muss die Filterschüttung sowie die Schlitzweite entsprechend dimensioniert sein um diese Bedingung erfüllen zu können. Vor Erstellung des Brunnens ist deshalb die Ermittlung der Siebline des anstehenden Gebirges sowie der Wasserandrang zu ermitteln um den Brunnen fachgerecht planen und ausführen zu können. Die Entwicklung des Brunnens nach der Erstellung ist die wichtigste Maßnahme um den Brunnen im Betrieb, sandfrei und nachhaltig betreiben zu können.

Bei nicht fachgerechter Ausführung oder zu starker Brunnenalterung durch verstopfte Filterbereiche kann es zu Materialförderung im Brunnen kommen.

Der Transport von Schluff und Sand in und durch den Filterkies kann bei unsachgemäß ausgeführten Brunnen zu vorzeitiger Alterung durch äußere und innere Kolmation, Versandung und Verlandung, Verschleiß der Brunnenpumpe, Verschleiß des Brunnenausbaus und bei dauerhaftem Materialentzug zu Auflockerungsbereichen im Gebirge und damit zu Absenkungen oder Tagesbrüchen an der Tagesoberfläche führen. Dadurch kann es zum Totalverlust des Brunnens kommen.

Bei zu weit fortgeschrittener Brunnenalterung durch verstopfte Filterbereiche kann in den noch durchflossenen Filterbereichen die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers soweit erhöht werden, so dass die Grenzgeschwindigkeit des Wasser überschritten und die Schleppkräfte des Wassers aktiviert werden welches zu Sandführung führt.

 

Verschleiß des Ausbau Materials

Viele Bauteile eines Brunnens unterliegen im laufenden Betrieb einem Materialverschleiß welcher durch physikalische und oder chemische Prozesse verursacht wird.

Korrosion

Die Korrosion von Ausbau und Ausrüstungsmaterialien ist ein wichtiger Alterungsgrund. Unbeschichteter Stahl (schwarzer Stahl), mit Kunststoff beschichteter Stahl, verzinkter Stahl und auch Edelstahl sind anfällig für Korrosion.

Bei unbehandeltem Stahl ist die Metalloberfläche dem chemischen Angriff schutzlos ausgeliefert und es ist nur eine Frage der Zeit bis das Metall vollständig weggerostet ist. Die ist vor allem ein Problem von Brunnen die ursprünglich nur temporär betrieben werden sollten und die Nutzungsdauer dann unzulässigerweise überschritten wird. Von Pfusch am Bau ….!

Beschichteter Stahl wurde lange verwendet und wird immer noch eingesetzt, weil er relativ leicht und günstig herzustellen ist. Edelstahl war im 20. Jahrhundert relativ teuer war und auch die Herstellung der Ausbaurohre bei den Lieferanten musste erst etabliert werden musste. Bei Beschichtetem Stahl waren die ersten Beschichtungssysteme mit einem gummiartigen Material überzogen welches über einen längeren Zeitraum seine Weichmacher ins Wasser abgegeben hat. Dadurch wurde die Beschichtung bruchig und durch die Risse konnte Wasser an den Stahl gelangen. Diese Brunnen sind in der Regel nach 40 bis 50 Betriebsjahren dringen sanierungsbedürftig. Moderne Beschichtungssysteme halten deutlich länger. Allerdings sind beschichtete Brunnen anfällig für Beschädigung der Beschichtung (Vorsicht bei Regeneriermaßnahmen). An Schadstellen kommt es dann unweigerlich zu Korrosion.

Auch Edelstahl kann im Grundwasser korrodieren. Die falsche Edelstahlsorte, Behandlungsfehler bei der Herstellung, elektrochemische Korrosion durch falsche Materialpaarung, Einsatz von Chlor bei der Desinfektion oder Säure bei chemischer Regenerierung sowie Lochfras durch Ableitströme können Edelstahlausbauten und Ausrüstung zerstören. Auch Bakterien können Lochfras bei Edelstahlrohren im Brunnen erzeugen.

Mechanischer Stress

Ausbaurohre aus Steinzeug, PVC, PE oder GFK können bei Einwirkung zu großer Kräfte wie Stöße, Seitendruck, vertikaler Verschiebungen reißen oder brechen. Scheuerschäden von anliegenden Pumpen oder Steigleitung und Vibrationsschäden oder Strahlschäden durch Ausbläser an Pumpen oder Steigleitung durch Lochfras oder defekte Dichtungen sind ebenfalls möglich.

Bei OBO Kunstharz Pressholzfilter können sich einzelne Schichten des verleimten Holzes ablösen, Pilze und Bakterien können Zersetzungsprozesse auslösen.

 

Meteorologische & Hydrologische Einflüsse

Veränderung der Wasserspiegel durch Trockenheit, Überflutung, Überbeanspruchung des Aquifers oder durch bergbauliche Einflüsse, können erheblich zur Alterung von Brunnen führen.

Veränderungen des Wasserspiegels können zu einer Veränderung der Wasserchemie führen. Durch Luftsauerstoff induzierten Oxidationsprozesse können sich im trockengefallenen Gebirge Eisen- und Manganoxide oder Sulfide bilden welche beschleunigte Verockerungen im Brunnen erzeugen können. Dazu können kommen, verringerter Wasserandrang und freifallende Filterstreckenbereiche.

Bei Überflutungs- oder in Bergsenkungsgebieten können Grundwasserspiegel ansteigen und Brunnen artesisch werden.

Hier ist auf das Erfordernis eines kontinuierlichen Brunnenmonitorings hinzuweisen.

 

Leistungsfähigkeit der Wasserfassungsanlage

Wie schon erwähnt ist nach der gewissenhaften Voruntersuchung und Planung sowie der fachgerechten, dem gültigen DVGW Regelwerk und dem Stand der Technik entsprechend ausgeführten Brunnenbauwerk, die Entwicklung des Brunnens die wichtigste Maßnahme bei Herstellung einer Wasserfassungsanlage, zur Erreichung der höchst möglichen und dauerhaften Ergiebigkeit.

Wenn hier gespart wird, zahlt sich das nur für den Brunnenbauer und den Regenerier aus!

 

Weitere Informationen sind unter dem Menü Leistungen zu finden.

Dipl.-Ing. (FH) Martin Knobbe
BPK Brunnen- und Pumpen Service
Schalker Straße 44
D 45327 Essen
Telefon :        +49 201 8301132
Mobil :            +49 179 2929975
Fax :              +49 201 8308978
E-Mail :           postcoolBrunnen-Dienst.de
Internet :       www.Brunnen-Dienst.de