Skip to main content
SpringerLink
Log in

Hydraulische Optimierung des Reaktionsraumes um einen Infiltrationsbrunnen zur unterirdischen Enteisenung

Feldversuche und numerische Simulation zur Planung der optimalen Verfahrensergiebigkeit (Teil 1/2)

Hydraulic optimization of the reaction zone around an injection well during subsurface iron removal

Field test and numerical modeling for optimum treatment efficiency (Part 1 of 2)

  • Fachbeitrag
  • Published:
Grundwasser Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Bei der unterirdischen Enteisenung (UE) wird sauerstoffhaltiges Wasser zur Erzeugung eines Reaktionsraumes in den Untergrund geleitet. Neben den hydraulischen Eigenschaften des Grundwasserleiters variiert häufig auch die Grundwasserbeschaffenheit über die Tiefe. Die ungleichmäßige Durchflussverteilung entlang der Filterstrecke von Vertikalfilterbrunnen führt zur Ungleichverteilung des Sauerstoffs (Reaktionsraum) hinsichtlich der Eisenkonzentration im Grundwasser und somit zu einer geringeren Verfahrensergiebigkeit. Deshalb wurden Möglichkeiten zur hydraulischen Optimierung der Reaktionsraumausbildung durch eine Infiltrationssteuerung untersucht. Anhand von Tracer- und Pumpversuchen wurde ein hochaufgelöstes Brunnenmodell kalibriert, welches zur Planung der optimalen Verfahrensergiebigkeit für einen Versuchsbrunnen mit zwei hydraulisch getrennten Filterbereichen genutzt wurde. Eine aktive Steuerung war nur durch die Inaktivierung eines Teilbereiches der Filterstrecke möglich. Für einen Packer, welcher die Filterstrecke des oberen Filterbereiches bei Infiltration entsprechend der hier angesetzten Eisenkonzentrationsverteilung um 4/5 der Gesamtlänge inaktiviert und bei der Förderung evakuiert im Brunnen verbleibt, wurde eine Verdopplung der Ergiebigkeit im Vergleich zur konventionellen Infiltration (Infiltrationsrohr oberhalb des Filters, kein Packer) simuliert. Diese Vorzugsvariante mit Infiltrationssteuerung wurde später zur Planung eines Feldversuchs genutzt, welcher in Teil 2 vorgestellt wird.

Abstract

In subsurface iron removal (SIR), oxygen-enriched water is injected into an aquifer to create a reaction zone. Aside from the hydraulic properties of the aquifer, groundwater quality often varies with depth so that in vertical wells the dissolved oxygen distribution (reaction zone) may not correspond to the dissolved iron concentration which may result in a lower efficiency coefficient. Therefore, measures to hydraulically optimize the formation of the reaction zone through a non-conventional injection were investigated. A high-resolution groundwater flow model was calibrated based on tracer and pump tests and used to plan the optimized injection for a SIR-pilot well with two screen segments. An optimized injection appears to be possible through the inactivation of well screen sections using packers. A doubling of the efficiency coefficient in comparison to a conventional injection was predicted when a packer, which remains evacuated inside the well while pumping, was used to seal 4/5 of the upper well screen length during injection. This scenario was used to plan the operating regime for a SIR field test, which is presented in Part 2.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Log in via an institution

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
Abb. 5
Abb. 6
Abb. 7

Literatur

  • Ahrns, J., Bartak, R., Macheleidt, W., Paufler, S., Grischek, T.: FHprofUnt2012: Exportorientierte Optimierung von Uferfiltration (UF) und unterirdischer Enteisenung/ Entmanganung (UEE). HTW Dresden, Fakultät Bauingenieurwesen/Architektur, Lehrgebiet Wasserwesen, Dresden (2016). FKZ 03FH042PX2

    Google Scholar 

  • Appelo, C.A.J., Drijver, B., Hekkenberg, R., de Jonge, M.: Modeling in situ iron removal from ground water. Ground Water 37(6), 811–817 (1999)

    Article  Google Scholar 

  • Beyer, W.: Zur Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit von Kiesen und Sanden aus der Kornverteilung. wwt Wasserwirtsch Wassertech 14, 165–169 (1964)

  • Bieske, E., Rubbert, W., Treskatis, C.: Bohrbrunnen, 8. Aufl. Oldenbourg, München Wien (1998). 455 S.

    Google Scholar 

  • Chiang, W.H.: 3D-Groundwater modeling with PMWIN. 2. Aufl. Springer, Berlin Heidelberg (2005). 397 S.

    Google Scholar 

  • DVGW: Arbeitsblatt W 223-3 Enteisenung und Entmanganung; Teil 3: Planung und Betrieb von Anlagen zur unterirdischen Aufbereitung. DVGW, Bonn (2005)

    Google Scholar 

  • Ebermann, J.P., Eichhorn, D., Macheleidt, W., Ahrns, J.J., Grischek, T.: Field tests for subsurface iron removal at a dairy farm in Saxony, Germany. In: Maloszewski, P., Witczak, S., Malina, G. (Hrsg.) Groundwater quality sustainability. Selected papers on hydrogeology, Bd. 17, S. 29–40. Taylor & Francis, London (2012)

    Chapter  Google Scholar 

  • Ebermann, J.P., Klügel, S., Fischer, J., Macheleidt, W., Schönheinz, D., Eichhorn, D., Grischek, T.: Entwicklung von mobilen Modulen zur automatisierten unterirdischen Enteisenung und Brunnenkonservierung in Grundwasser- und Uferfiltratfassungen. HTW Dresden, Fakultät Bauingenieurwesen/ Architektur, Lehrgebiet Wasserwesen, Dresden (2010). FKZ 1735X07

    Google Scholar 

  • Eichhorn, D.: Beitrag zur Theorie der Eisenelimination bei der Untergrundwasseraufbereitung. Dissertation, Fakultät für Bau‑, Wasser- und Forstwesen, TU Dresden (1985)

  • Grischek, T., Feistel, U., Musche, F., Ebermann, J., Uhlmann, W.: Hydrochemische Bewertung der unterirdischen Enteisenung in Schleife. Jahrestagung der Wasserchemischen Gesellschaft, Bamberg, 02.–04.05.2016. Proceedings., S. 332–336 (2016). ISBN 978-3936028942

    Google Scholar 

  • Groth, P., Bühring, F., Dannöhl, R., Ließfeld, R., Olthoff, R., Rott, U.: Unterirdische Enteisenung und Entmanganung – ein Statusbericht. gwf Wasser Abwasser 129(5), 321–327 (1988)

    Google Scholar 

  • Hartmann, U.: Beitrag zur Vorbereitung, Projektierung und Inbetriebnahme von Anlagen zur Untergrundenteisenung. Dissertation, Fakultät für Bau‑, Wasser- und Forstwesen, TU Dresden (1986)

  • Hartmann, U., Wingrich, H.: Untersuchungen zur Enteisenung und Entmanganung im Grundwasserleiter. wwt Wasserwirtsch Wassertech 33(8), 280–285 (1983)

    Google Scholar 

  • Henning, A.-K., Meyer, C., Rott, U.: Adsorptions- und Oxidationsvorgänge bei der In-situ-Aufbereitung von Grundwässern. gwf Wasser Abwasser 144(9), 606–613 (2003)

    Google Scholar 

  • Herlitzius, J., Sumpf, H., Grischek, T.: Planung eines Groß-Wasserwerks unterirdischer Aufbereitungstechnologie. bbr 62(11), 54–57 (2011)

    Google Scholar 

  • Herth, W., Arndts, E.: Theorie und Praxis der Grundwasserabsenkung, 3. Aufl. Ernst & Sohn, Berlin (1995). 376 S.

    Google Scholar 

  • Houben, G.J.: Modeling the buildup of iron oxide encrustations in wells. Ground Water 42(1), 78–82 (2006)

    Article  Google Scholar 

  • Istok, D.J.: Push-pull tests for site characterization. Lecture notes in Earth system sciences, Bd. 144. Springer, Berlin Heidelberg (2013). 93 S.

    Google Scholar 

  • Kauffmann, H., Rott, U.: Aktueller Stand der in-situ-Verfahren zur Grundwasseraufbereitung. Wasser Abfall 4, 15–20 (2009)

    Google Scholar 

  • Kirschmer, O.: Versuchsbericht über Untersuchungen zur Durchströmung von Filterrohren. Institut für Hydromechanik und Wasserbau, TH Darmstadt (1966)

  • Korom, S.F., Bekker, K.F., Helweg, O.J.: Influence of pump intake location on well efficiency. J Hydrol Eng 8(4), 197–203 (2003)

    Article  Google Scholar 

  • LfUG: Geologische Karte der eiszeitlich bedeckten Gebiete von Sachsen – Blatt Dresden (2668) 1:50.000. Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Freiberg (1994)

    Google Scholar 

  • LfUG: Geologische Karte der eiszeitlich bedeckten Gebiete von Sachsen – Blatt Großenhain (2568) 1:50.000. Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Freiberg (1995)

    Google Scholar 

  • Macheleidt, W., Bartak, R., Ahrns, J., Pörschke, J., Grischek, T.: Einsatz eines Multilevelpackersystems zur Beschreibung eines unterirdischen Reaktionsraumes. gwf Wasser Abwasser 157(9), 847–853 (2016)

    Google Scholar 

  • Mansuy, N.: Water well rehabilitation – a practical guide to understanding well problems and solutions. CRC Press, Boca Raton (1999). 192 S.

    Google Scholar 

  • Meyerhoff, R., Rott, U.: Stoffbilanzen als Anwendungskriterium für die In-situ-Aufbereitung eisen- und manganhaltiger Grundwässer. gwf Wasser Abwasser 138(4), 173–180 (1997)

    Google Scholar 

  • Olthoff, R.: Die Enteisenung von Grundwasser im Aquifer – Aufbereitungsmechanismen, Untersuchungsergebnisse. gwf Wasser Abwasser 129(5), 327–339 (1988)

    Google Scholar 

  • Rott, U.: Physical, chemical and biological aspects of the removal of iron and manganese underground. Water Supply 3(2), 143–150 (1985)

    Google Scholar 

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

    Google Scholar 

  • Rott, U., Kauffmann, H., Meyer, C.: Zur Arsenelimination bei der Trinkwasseraufbereitung in Entwicklungsländern. In: Tagungsband Gewässerschutz Wasser Abwasser GWA 35. Essener Tagung für Wasser- und Abfallwirtschaft, 20.–22.03.02. Bd. 188, S. 39.1–39.21 (2002)

    Google Scholar 

  • Rößner, U., Sailer, C., Ebermann, J., Grischek, T., Plassmann, C.: Potenzial der unterirdischen Enteisenung bei Verwendung von verschiedenem Infiltrationswasser. gwf Wasser Abwasser 154(4), 466–472 (2013)

    Google Scholar 

  • Rubbert, T., Treskatis, C.: Numerisch gestützte Brunnenbemessung zur Fassung unterschiedlicher Wasserqualitäten. bbr 12, 80–87 (2008)

    Google Scholar 

  • Schöfmann, T.: Versuche zur subterrestrischen Enteisenung und Entmanganung im Brunnenfeld Altmanns Teil 2. Diplomarbeit, Universität für Bodenkultur Wien, Institut für Wasservorsorge, Gewässerökologie und Abfallwirtschaft (2003)

  • Sturm, M., Urban, W., David, I.: Numerische Verfahren zur Prognostizierung des Ergiebigkeitskoeffizienten bei der subterrestrischen Enteisenung. Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft, Bd. 188. Oldenbourg, München, S. 127–152 (2007)

    Google Scholar 

  • Teutsch, N., von Gunten, U., Porcelli, D., Cirpka, O.A., Halliday, A.N.: Adsorption as a cause for iron isotope fractionation in reduced groundwater. Geochim Cosmochim Acta 69(17), 4175–4185 (2005)

    Article  Google Scholar 

  • Tholen, M.: Arbeitshilfen für den Brunnenbauer. Rudolf Müller Bau-Fachinformationen GmbH & Co. KG, Köln (1997). 212 S.

    Google Scholar 

  • Treskatis, C., Nillert, P.: Regelmäßiger Anpassungsbedarf im DVGW-Regelwerk durch Fortschritte und Praxisentwicklungen im Brunnenbau. bbr 7–8, 44–53 (2009)

    Google Scholar 

  • Tügel, F., Houben, G.J., Graf, T.: How appropriate is the Thiem equation for describing groundwater flow to actual wells? Hydrogeol J 24(8), 2093–2101 (2016)

    Article  Google Scholar 

  • van Beek, C.G.E.M.: Experience with underground water treatment in the Netherlands. Water Supply 3, 1–11 (1985)

    Google Scholar 

  • van Halem, D., Moed, D.H., Verberk, J.Q.J.C., Amy, G.L., van Dijk, J.C.: Cation exchange during subsurface iron removal. Water Res. 46(2), 307–315 (2012)

    Article  Google Scholar 

  • VonHofe, F., Helweg, O.J.: Modeling well hydrodynamics. J Hydraul Eng 124(12), 1198–1202 (1998)

    Article  Google Scholar 

  • Weiss, H.: Doppelventilpumpen 408, Innovative Messtechnik Dr. Weiss. Datenblatt (2011). http://www.im-weiss.de/fileadmin/user_upload/datenblatt/408_oP_3.pdf, Zugegriffen: 23. März 2017

    Google Scholar 

  • Wicklein, A., Steußloff, S.: Brunnen – ein komplexes System: Wege und Möglichkeiten zur effizienten Grundwassergewinnung. expert Verlag, Renningen-Malmsheim (2002). 233 S.

    Google Scholar 

  • Winkelnkemper, H.: Unterirdische Enteisenung und Entmanganung. wwt Wasserwirtsch Wassertech 10, 39–41 (2004)

    Google Scholar 

Download references

Danksagung

Diese Studie wurde im Rahmen des BMBF-Förderprogramms FHprofUnt2012 (03FH042PX2) durchgeführt. Ein herzlicher Dank gebührt Dr.-Ing. Jobst Herlitzius, der die Nutzung des Versuchsstandorts ermöglicht hat.

Author information

Authors and Affiliations

  1. Lehrgebiet Wasserwesen, Hochschule für Technik und Wirtschaft, Friedrich-List-Platz 1, 01069, Dresden, Deutschland

    Johannes Ahrns, Rico Bartak, Thomas Grischek & Richard Pörschke

Authors
  1. Johannes Ahrns
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  2. Rico Bartak
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  3. Thomas Grischek
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  4. Richard Pörschke
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to Rico Bartak.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Check for updates. Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this article

Ahrns, J., Bartak, R., Grischek, T. et al. Hydraulische Optimierung des Reaktionsraumes um einen Infiltrationsbrunnen zur unterirdischen Enteisenung. Grundwasser 22, 253–266 (2017). https://doi.org/10.1007/s00767-017-0368-x

Download citation

  • Received:

  • Revised:

  • Accepted:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00767-017-0368-x

Keywords

Search

Navigation