...crystal clear water

Transcrição

Deutsch
Inhalt
4
Sieben Vorteile der SiLibeads
6
Kostenvergleich
7
Produktdatenblatt
10
Zertifiakate
11
Fachartikel
12
Entsandungs - und Alterungsverhalten von
Glaskugeln und Filterkiesen - Erkenntnisse für
die Brunnenpraxis
20
Neubau von Brunnen mit Glaskugeln
24
Vergleich ausgewählter Materialcharakteristiken
von Glaskugeln und Filterkiesen für den Einsatz
in Trinkwasserbrunnen
31
Brunnenalterung: Sind Glaskugeln eine Alternative zum Filterkies nach DIN 4924?
7
Gründe
für Glaskugeln statt Filterkies
1 Chemisch- und Mikrobiologisch rein
· Die Glaskugeln entsprechen den Anforderungen des § 31 LFGB
und Artikel 3 der Verordnung (EG) 35/ 2004.
· keine Desinfektion vor
dem Einfüllen erforderlich
2
Sphärisch exakte Kugelform und homogene Korngröße
· keine Brückenbildung beim Einbau
· Einkornschüttung ermöglicht die optimale Anpassung der Schlitzweite
der Filterrohre
· maximal möglicher Porenraum
· keine Nachverdichtung, d.h. immer maximal möglicher Porenraum und
gleichbleibende maximale hydraulische Durchlässigkeit
· optimale Regenerierbarkeit durch größere und regelmäßigere Porenkanäle
3 Breites Korngrößenspektrum
· optimale Anpassung an Kernkorndurchmesser
4
Vier- bis sechzehnfach höhere Bruchfestigkeit als Kies
· kein Materialbruch beim Einbau
· kein Verstopfen der Filterschlitze mit Bruchstücken
· keine Kolmation der Poren in der Filterschüttung
· kein Klar- und Entsandungspumpen nach dem Befüllen
5
Kleinstmögliche und glatte Oberfläche
· 40% weniger Einlagerung von Eisen und Mangan
· längere Regenerierintervalle
· hemmt die Biofilmbildung
· leichtes Reinigen von Belägen
6
Gute Einsehbarkeit des Ringraums bei Wickeldrahtfiltern
7 Längere Betriebs- und Nutzungszeiten des Brunnens bei geringeren Betriebsund Instandhaltungskosten.
Tabelle siehe Rückseite
5
Kostenvergleich
Kostenvergleich Lockergesteinsbrunnen,Tiefe 25 m, bei der Verwendung
von Kies / Glaskugeln
Investiton
Baustelle einrichten
Bohrung
Ausbau incl.Nebenleistungen
Kiesschüttung
Glaskugeln
Pumpversuche
Entsanden
Klarpumpen
Summe Investitionen
Differenz
Prozent absolut
Glaskugeln
EURO
15.000
7.800
72.000
50
6.000
14.650
400
150
116.050
25 Jahre
Kies
EURO
15.000
7.800
72.000
1.800
0
14.650
2.400
600
114.250
1.800
102%
Glaskugeln
EURO
15.000
7.800
72.000
50
6.000
14.650
400
150
116.050
40 Jahre
Kies
EURO
15.000
7.800
72.000
1.800
0
14.650
2.400
600
114.250
1.800
102%
Betriebskosten
Energie (U-Pumpe)
Regenerierung
Summe Betriebskosten
44.794
25.000
69.794
59.725
50.000
109.725
71.670
50.000
121.670
95.560
100.000
195.560
Gesamtkosten - Laufzeit
Prozent absolut
185.844
83%
223.975
237.720
77%
309.810
Kostenersparnis, gesamt
Prozent
38.131
17%
72.090
23%
Kostenvergleich Festgesteinsbrunnen, Tiefe 50 m bei der Verwendung von
Kies / Glaskugeln
Investition:
Baustelle einrichten
Bohrung
Brunnenausbau
Kiesschüttung
Glaskugeln
Entsanden
Klarpumpen
Summe Investitionen
Differenz
Prozent absolut
Glaskugeln
EURO
20.000
15.000
101.750
1.250
8.000
600
225
146.825
25 Jahre
Kies
EURO
20.000
15.000
101.750
2.500
0
1.300
450
141.000
5.825
104%
Glaskugeln
EURO
20.000
15.000
101.750
1.250
8.000
600
225
146.825
40 Jahre
Kies
EURO
20.000
15.000
101.750
2.500
0
1.300
450
141.000
5.825
104%
Betriebskosten
Energie (U-Pumpe)
Regenerierung
Summe Betriebskosten
62.370
30.000
92.370
86.625
60.000
146.625
99.792
50.000
149.792
138.600
100.000
238.600
Gesamtkosten - Laufzeit
Prozent absolut
239.195
83%
287.625
296.617
78%
379.600
Kostenersparnis, gesamt
Prozent
48.430
17%
82.983
22%
Produktdatenblatt
7
SiLibeads - Glaskugeln für Wasserfiltration und Trinkwassergewinnung
Version: V12/2014
Produktdatenblatt
Erstmalig erstellt am:
Nächste Prüfung am:
10.02.2014
31.12.2015
Aktualisiert am:
Gedruckt am:
10.02.2014
10.02.2014
Produkt
SiLibeads Glaskugeln
Material
Glaskugeln aus Kalknatronglas mit polierter Oberfläche
Dichte: 2,50 kg/dm³
Hydrolytische Klasse an Glaskugeln:
HGB1 (in Anlehnung DIN ISO 719)
Säurebeständigkeitsklasse an Glaskugeln (> 10,0 mm): S1
(nach DIN 12116)
Säurebeständigkeitsklasse an Glaskugeln (< 6,0 mm): S3
(nach DIN 12116)
Laugenbeständigkeitsklasse an Glaskugeln:
A1
(nach DIN ISO 695)
Einsatzgebiete
Stütz- und Filtermaterial für Trinkwasserbrunnen
Vorteile der Glaskugeln
• Höchstmöglicher wirksamer Porenraum durch exakt gleiche Korngröße und Kugelform,
• Die Schlitzweite der Filterrohre kann optimal angepasst werden, da eine Einkornschüttung
möglich ist,
• Kein Sauberpumpen bzw. Reinigen des Glasmaterials notwendig,
• Keine Desinfektion vor dem Einbau notwendig,
• Geringst mögliche und glatte Oberfläche, dadurch Verzögerung von Eisen- und Manganverockerungen
• Optimale Regenerierbarkeit durch große Porenräume,
• Keine nachträglichen Setzungen,
• Dank hoher Fließfähigkeit ist das Einbringen des Glasmaterials auch in engen Ringräumen ohne Gefahr einer Brückenbildung möglich,
• Höhere Materialfestigkeit der Glaskugeln im Vergleich zum Quarzkies,
• Bei Kamerauntersuchungen innerhalb von Wickeldrahtfilterrohren sind Fremdmaterial,
Fremdkörper oder Verockerungen im Ringraum sehr gut erkennbar.
Technische Daten
Größen
siehe Tabelle Standardgrößen
Deformationstemperatur
600 °C
Erweichungstemperatur
741 °C
Schmelztemperatur
1.475 °C
Wärmeleitfähigkeit
1,135 W/km
Härte nach Mohs
≥6
Alle Angaben sind Referenzwerte
Chemische Analyse; Glaskugeln aus Kalknatronglas; CAS-Nr. 65997-17-3 / EINECS 266-046-0
Hauptbestandteile
Siliciumdioxid SiO2
Natriumoxid Na2O
Calciumoxid CaO
Aluminiumoxid Al2O3
Magnesiumoxid MgO
Methode
DIN 51001
DIN 51001
DIN 51001
DIN 51001
DIN 51001
Anteil (Referenzwerte)
65,0 - 75,0 %
12,0 – 17,0 %
max. 10,0 %
max: 5,0 %
max. 5,0 %
CAS-Nr.
7631-86-9
1313-59-3
1305-78-8
1344-28-1
1309-48-4
EINECS
231-545-4
215-208-9
215-138-9
215-691-6
215-171-9
Lebensmittelrechtliche Bewertung
Bei den geprüften Glaskugeln handelt es sich um einen Bedarfsgegenstand im Sinne §2 Abs. 6 Nr. 1
Lebensmittel-, Bedarfsgegenstände- und Futtermittelgesetzbuch (LFGB).
Die Glaskugeln unterliegen somit den lebensmittelrechtlichen Anforderungen.
Die Glaskugeln entsprechen den Anforderungen des §31 LFGB und des Artikel 3 der Verordnung
Nr. 1935/2004/EG.
Die Grenzwerte nach RoHS werden eingehalten.
SiLibeads erfüllen die mikrobiologischen Anforderungen nach DIN EN ISO 14698-1 und VDI 6022
Dateiname: PDS de SiLibeads Brunnenbau
Seite 1 von 2
SiLibeads - Glaskugeln für Wasserfiltration und Trinkwassergewinnung
Version: V12/2014
Produktdatenblatt
Erstmalig erstellt am:
Nächste Prüfung am:
10.02.2014
31.12.2015
Aktualisiert am:
Gedruckt am:
10.02.2014
10.02.2014
Standardgrößen (weitere Durchmesser und/oder Toleranzen auf Anfrage)
)
Artikel
Durchmesser
Schüttgewicht
Stück pro kg
Druckfestigkeit
Rundheit *
(Referenzwerte)
(Referenzwerte)
(Referenzwerte bei
mittleren Durchm.)
(Nominalwert)
Art. 4501R
Art. 45015R
Art. 4502R
Art. 4503R
Art. 4504R
Art. 4505R
Art. 4506R
Art. 4507R
Art. 4508R
Art. 4510R
Art. 4511R
Art. 4512R
Art. 4513R
Art. 4514R
Art. 4515R
Art. 5016
Art. 50165
Art. 5017
Art. 5018
Art. 5021
Art. 5023
0,25 – 0,50 mm
0,40 – 0,60 mm
0,60 – 0,90 mm
0,80 – 1,00 mm
1,00 – 1,30 mm
1,25 – 1,65 mm
1,55 – 1,85 mm
1,70 – 2,10 mm
2,00 – 2,40 mm
2,40 – 2,90 mm
2,85 – 3,45 mm
3,40 – 4,00 mm
3,80 – 4,40 mm
4,50 – 5,50 mm
5,00 – 6,00 mm
10,0 mm (+/- 0,5 mm)
10,3 mm (+/- 0,5 mm)
11,0 mm (+/- 0,5 mm)
12,0 mm (+/- 0,5 mm)
14,0 mm (+/- 0,5 mm)
16,0 mm (+/- 0,8 mm)
1,46 kg/dm
3
1,47 kg/dm
3
1,49 kg/dm
3
1,50 kg/dm
3
1,51 kg/dm
3
1,51 kg/dm
3
1,52 kg/dm
3
1,52 kg/dm
3
1,53 kg/dm
3
1,53 kg/dm
3
1,53 kg/dm
3
1,53 kg/dm
3
1,53 kg/dm
3
1,49 kg/dm
3
1,47 kg/dm
3
1,45 kg/dm
3
1,45 kg/dm
3
1,45 kg/dm
3
1,45 kg/dm
3
1,43 kg/dm
3
1,43 kg/dm
3
14.486.600
6.111.500
3.129.100
1.140.300
502.300
250.580
155.490
111.370
71.740
41.050
24.440
15.080
11.080
6.040
4.500
760
700
570
440
270
180
0,95
0,95
0,95
0,95
0,95
0,95
0,95
0,95
0,95
0,95
0,95
0,95
0,95
0,95
0,94
0,99
0,99
0,99
0,99
0,99
0,98
200 N
300 N
425 N
575 N
675 N
825 N
1.050 N
1.300 N
1.550 N
1.900 N
2.350 N
3.150 N
6.000 N
6.300 N
7.500 N
10.500 N
13.200 N
16.500 N
)
* simultane Messung der Rundheit mittels digitaler Bildverarbeitung (Retsch-Camsizer, Wert b/l3)
EG-Konformitätszertifikat Nr. 0780-CPD-85103
Durch eine Prüfung der TÜV Rheinland LGA Bautechnik GmbH wurde für die Artikel 45015 bis 4506 der Nachweis
erbracht, dass die relevanten Vorschriften nach EN 1423:1997/A1:2003 eingehalten werden.
Ausschluß von Silan / Glykol / Epoxid
Wir bestätigen, dass der komplette Produktionsprozess (Herstellung einschließlich Verpackung) ohne die Verwendung
von Silan, Glykol und Epoxid(harz) erfolgt.
Hinweise
Entsorgung
Bei Entsorgung sind die nationalen Gesetze und örtlichen Vorschriften zu beachten.
Arbeitssicherheit
Verschüttetes Produkt führt zu erhöhter Rutschgefahr.
Mitgeltende Unterlagen
Musterkarte SiLibeads … glass beads for technical applications
Sicherheitsdatenblatt SiLibeads; Prüfberichte
Zertifizierungen
nach
DIN EN ISO 9001:2008
Hersteller/Lieferant
Sigmund Lindner GmbH; Oberwarmensteinacher Straße 38; D-95485 Warmensteinach
Tel.: 09277-9940
Fax: 09277-99499
E-Mail: [email protected]
Web: www.sili.eu
Dateiname: PDS de SiLibeads Brunnenbau
nach
HACCP-Standard für
Glaskugeln im Kontakt
mit Lebensmittel
Seite 2 von 2
9
Zertifikate
ZERTIFIKAT
Die Zertifizierungsstelle
der TÜV SÜD Management Service GmbH
bescheinigt, dass das Unternehmen
Sigmund Lindner GmbH
Oberwarmensteinacher Straße 38
D-95485 Warmensteinach
für den Geltungsbereich
Herstellung von
Glaskugeln mit Lebensmittelkontakt
ein HACCP-System
eingeführt hat und anwendet.
Durch ein Audit, Bericht-Nr. 70007977
wurde der Nachweis erbracht, dass die Forderungen des
TÜV MS Standards HACCP
erfüllt sind. Dieses Zertifikat ist gültig bis 2014-12-21
Zertifikat-Registrier-Nr. 12 500 6581 TMS
München, 2012-07-25
Fachartikel
11
Spezial BRUNNENBAU
Entsandungs- und Alterungsverhalten
von Glaskugeln und Filterkiesen –
Erkenntnisse für die Brunnenbaupraxis
Seit ihrer Einführung als Schüttgut im Brunnenbau im Jahr 2007 sind Glaskugeln Gegenstand intensiver Erforschung, aber auch kontroverser Diskussionen
über Sinn und Notwendigkeit. In einer Reihe vergleichender Untersuchungen
wurden zwischenzeitlich grundlegende Ergebnisse zur Funktion von Ringraumschüttungen sowie deren Systemzusammenhängen und Beeinflussungsfaktoren
gewonnen.
40
11-2013
Tabelle 1 – Ausbaudaten der Versuchsbrunnen 1 bis 6 auf dem Gelände des Bau-Ausbildungszentrums
Rostrup (Länge der Filterstrecke: 4 m)
Typ der Ringraumschüttung
eingebaute Körnung/
Kugelgröße [mm]
Länge des
Schüttkörpers [m]
1
Glaskugeln (Gk)
1,7 bis 2,1
8,30
2
Filtersand (Fk)
1,0 bis 2,0
8,30
3
Glaskugeln (Gk)
2,0 bis 2,4
6,00
4
Glaskugeln (Gk)
2,4 bis 2,9
7,00
5
Glaskugeln (Gk)
2,85 bis 3,45
7,00
6
Filterkies (Fk)
2,00 bis 3,15
8,00
Der Einsatz neuer Verfahren oder Werkstoffe im Brunnenbau löst meist kontroverse Diskussion über Sinn und Notwendigkeit aus. Ein positiver Effekt dieser
Diskussionen ist, dass sie nicht nur die
produktbezogene Forschung anregen,
sondern auch das Hinterfragen bisheriger, meist empirisch erworbener Arbeitsgrundlagen und Glaubenssätze.
Die physikalischen Eigenschaften der
beiden unterschiedlichen Schüttguttypen
wurden 2008 im Rahmen eines F&E-Vorhabens im Labormaßstab untersucht.
Dabei ergaben sich deutlich messbare
Unterschiede zwischen den Materialtypen bei den Eigenschaften Rundheit,
Bruchlast, Bruchcharakteristik, Abriebfestigkeit und beim Anlagerungsverhalten gegenüber chemisch induzierten
Eisenhydroxiden [1+2].
2011 wurden am Bau-Ausbildungszentrum in Rostrup Laborversuche und Versuche an einem Teststand durchgeführt.
Diese Versuche dienten der Ermittlung
SiLibeads
®
hydraulischer Kenngrößen, die eine allgemeine hydraulische Charakterisierung
der Schüttgüter für den Brunnenbau zulassen. Im Labor- und Technikumsmaßstab
wurden für verschiedene Schüttguttypen
die Porosität bei lockerer und dichter
Lagerung, das Setzungsverhalten unter
ungesättigten und gesättigten Bedingungen, die Durchlässigkeitsbeiwerte und
Durchflussraten sowie die Systemdurchlässigkeit „Gebirge-Schüttung“ bestimmt
[3+4].
Die Erkenntnisse aus den Labor- und
Technikumsversuchen aus den Jahren
2009 bis 2011 wurden im Rahmen einer Masterarbeit an der Jade Hochschule
Oldenburg an realen Brunnen auf dem
Gelände des Bau ABC in Rostrup vertieft
betrachtet [5].
Untersuchungsziel
In Fortführung der Labor- und Technikumsversuche aus dem Jahr 2011 erfolgten
2012 und 2013 am Bau ABC Rostrup ver-
Abbildung: Treskatis
Brunnennummer
abb. 1 – Ausbaudetail der
Versuchsbrunnen auf dem
Gelände des Bau ABC Rostrup
tiefende Betrachtungen an realen Brunnen. Im Fokus standen der Einfluss von
Schüttgütern auf die Entwicklungs-/Entsandungsfähigkeit und die Verockerungsneigung von Glaskugeln in Relation zu
vergleichbar gekörnten Filterkiesen. Die
von Laborversuchen flankierten Felduntersuchungen lassen erste Bewertungen
von vergleichbaren Kugel- und Kieskorngrößen hinsichtlich der Sensibilität der
Schüttgutbemessungen, der spezifischen
Ergiebigkeiten, des Entsandungs- und
Alterungsverhaltens zu.
Ziele der nachfolgend vorgestellten
experimentellen Untersuchungen waren
einerseits eine Überprüfung der Laborergebnisse in der Brunnenbetriebspraxis
und andererseits die Herausarbeitung von
Vor- und Nachteilen der Schüttguttypen
in Abhängigkeit vom Einsatzgebiet und
von den brunnentechnischen Rahmenbedingungen. Parallel dazu erfolgten Säulenversuche mit natürlichen Kiesen und
Glaskugeln zur Untersuchung des
– lassen Brunnen länger sprudeln
INNOVATIONS
Glasku g el n a l s Er s a tz f ü r Fi l te rk i e s i n Bru n n en
- SiLibeads Glaskugeln entsprechen den Anforderungen des § 31 LFGB und Artikel 3 der Verordnung (EG) Nr. 1935/2004, somit
entfällt die Desinfektion vor der Befüllung
- Einkornschüttung ermöglicht optimale Anpassung der Filterschlitzöffnungen
- Kein Materialbruch beim Befüllen des Ringraumes, somit bleiben Filterschlitzöffnungen frei
- Harmonische Kugelform und einheitliche Kugelgröße verhindern Brückenbildung beim Befüllen des Ringraumes
- Klar- bzw. Entsandungspumpen nach dem Befüllen entfällt
- Höchstmöglicher Wasserdurchfluss auf Grund exakt gleicher Korngröße und Kugelform
- Eisen- und Manganverockerung reduziert sich um bis zu 40%, dadurch lassen sich
Kosten für Brunnenregenerierarbeiten einsparen
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n
utsche
des De
stages
e
d
n
u
B
13
18.07.12 09:59
spezial BrunnenBau
jeweiligen Verockerungsverhaltens. Die
Ergebnisse der genannten Untersuchungen sind ausführlich in [5] beschrieben.
Entsandungsmenge Brunnen Nr. 1
Gk 1,7-2,1 mm
8
Entsandungsabschnitt
7
6
5
4
3
Abbildung: L. Tholen
2
1
1,0
10,0
100,0
Sandmenge je Abschnitt [ml]
1.000,0
10.000,0
abb. 2 – Sandmengen in den acht Entsandungsabschnitten (L = 0,5 m) des Brunnen B1 (Ausbau mit
Glaskugeln 1,7 bis 2,1 mm); nach [5]
Entsandungsmenge Brunnen Nr. 2
Gk 1,0-2,0 mm
8
7
6
5
4
3
2
1
1,0
10,0
100,0
Sandmenge je Abschnitt [ml]
10.000,0
1.000,0
abb. 3 – Sandmengen in den acht Entsandungsabschnitten (L = 0,5 m) des Brunnen B2
(Ausbau mit Filterkies 1,0 bis 2,0 mm); nach [5]
Tabelle 2 – Entsandungsmenge pro Abschnitt bei Brunnen B1 bis B6 sowie deren Gesamtsandmengen
nach Erreichen eines Beharrungswertes bzw. des Abbruchkriteriums, nach [5]
Entsandungsmenge [ml]
in der Filterstrecke
B1:
Gk 1,72,1
B2:
Fk 1,02,0
B3:
Gk 2,02,4
B4:
Gk 2,42,9
B5:
Gk 2,853,45
B6:
Fk 2,03,15
1
2.541,5
85,5
1.099,5
2.713,0
335,0
3.350,0
2
49,7
43,5
431,5
832,0
202,0
1.126,0
3
177,5
71,5
264,0
1.205,0
65,0
930,0
4
21,5
62,0
267,0
840,0
80,0
655,0
5
34,0
29,0
141,0
650,0
50,5
135,0
6
19,0
10,8
154,0
1.188,0
204,0
485,0
7
275,6
8,5
291,0
785,0
162,0
220,0
8
172,0
3,6
332,0
1.910,0
124,0
86,0
3.290,8
314,4
2.980,0
10.123,0
1.222,5
6.987,0
Gesamtmenge
des Brunnens
42
11-2013
Entsandungsversuche
an realen Brunnen
Im Bau-Ausbildungszentrum in Rostrup
wurden sechs Vertikalfilterbrunnen in die
quartären Fein- bis Mittelsande unter dem
örtlichen Grundwasserstauer abgeteuft
und mit PVC-Rohren ausgebaut (Abb. 1).
Der Grundwasserleiter ist gespannt und
durch eine reduzierte Grundwasserbeschaffenheit mit hohen Eisen- und Mangangehalten gekennzeichnet (7 bis
12 mg/l Fe gesamt und 1,2 bis 1,8 mg/l Mn
gesamt). Der Standort Rostrup wurde für
den Versuchsaufbau gewählt, da die
Untergrundverhältnisse dort nur im geringen Umfang wechseln und somit verschiedene Brunnenausbauten bei in etwa gleichen hydrogeologischen Randbedingungen untersucht werden können.
Der Ausbau der Bohrungen mit einem
Durchmesser von 324 mm erfolgte mit PVC
Material DN 125 sowie mit Filterkiesen
oder Glaskugeln in unterschiedlichen
Schüttkorngrößen. Dabei wurden Körnungen bzw. Kugelgrößen verwendet, die
sowohl nahe als auch bewusst über dem
nach DVGW-Arbeitsblatt W 113 ermittelten Schüttkorn lagen (Tab. 1). Aus den mit
erweiterten Siebsätzen erhaltenen Siebkurven ergaben sich nach DVGW-Arbeitsblatt W 113 Schüttkorngrößen ≤ 2 mm, für
die eine DIN-Schüttung von 1 bis 2 mm
abgeleitet wurde. Der Ungleichförmigkeitsgrad lag durchweg unter 2.
Die Brunnen wurden im Jahr 2010 niedergebracht und damals nur klar gepumpt,
geophysikalisch vermessen und bis zu Versuchsbeginn im Herbst 2012 ohne Förderung stehen gelassen. Nach einer TV-Befahrung, die für alle Brunnen unterschiedlich
starke weiche Beläge, bevorzugt im oberen Filtersegment, nachwies, erfolgte ein
dreistufiger Pumpversuch nach DVGW-AB
W 111. Im Anschluss wurden alle Brunnen
mittels einer Doppelkolbenkammer
(Packerabstand 0,60 m) entwickelt.
Danach erfolgte ein weiterer Pumpversuch
mit den Förderstufen 8, 12 und 16 m³/h.
Im Zuge der Entwicklungsarbeiten ergaben sich folgende qualitative Erkenntnisse
bei den sechs untersuchten Brunnen:
• Die bei ca. 9 m³/h über die Kammer geförderten Sandmengen waren im Trend
bei den Filterkiesbrunnen geringer als
bei den Glaskugelbrunnen (Tab. 2 und
Abb. 2+3); der Sandaustrag nimmt mit
der Kugel- bzw. Korngröße des jeweiligen Schüttguttyps erwartungsgemäß zu.
• Im Filterkiesbrunnen 6 mit der Bemessungsschüttung 2,0 bis 3,15 mm wurde
trotz Konformität mit dem Schüttkorn
(ermittelt mit dem Norm-Siebsatz) beim
Pumpversuch nach der Entsandung ein
unerwartet starker Sanddurchbruch festgestellt, dessen Ursache vermutlich auf
eine Fehlbestimmung des Kennkorns
(z. B. aufgrund des Einsatzes eines Siebsatzes mit einer zu weitständigen Prüfsiebgröße) oder Fehler bei der Bodenprobennahme zurückgeführt wird.
• Bereits durch mäßige Impulseinträge
beim „bewegten“ Kolben (Hubhöhe
0,5 m) wurde eine Zunahme des Sandaustrags unabhängig vom Schüttguttyp
festgestellt. Eine stabile Beharrung der
Sandausträge konnte jedoch nicht in
allen Brunnen bzw. in allen Behandlungsstufen entlang der 4 m langen Filterstrecken erreicht werden, was auf die
versuchstechnisch gewollte „Überbemessung“ der Schüttung in den Brunnen 4 bis 6 zurückzuführen ist.
• Die Brunnen 1 und 2 mit den feinen
Schüttungen (s. Tab. 1) erreichten beim
Pumptest nach der Entsandung erwartungsgemäß bei allen Förderstufen die
vorab definierte Sandfreiheit von < 0,1 g/
m³. Am Brunnen 3 wurde erst bei der
höchsten Förderstufe (16 m³/h), die über
der für den Standort definierten Betriebsförderung von 12 m³/h lag, ein
Sanddurchbruch erzielt.
• Die gröber geschütteten Glaskugelbrunnen 4 und 5 konnten nicht sandfrei hergestellt werden, da deren Schüttung
erwartungsgemäß bei der Betriebsfördermenge nicht stabil gegenüber Feststoffeinträgen aus dem Grundwasserleiter ist.
• Der Kiesschüttungsbrunnen 6 zeigte
bei 12 m³/h einen Sandgehalt von
< 0,1 g/m³, bei 16 m³/h Förderleistung erfolgte analog zum Glaskugelbrunnen 3
ein Sanddurchbruch.
Als Schlussfolgerungen aus den Versuchen an den sechs Brunnen sind folgende
Erkenntnisse und Nachweise abzuleiten:
Die spezifische Ergiebigkeit in den Glaskugelbrunnen fällt bei den standörtlichen
Bodenverhältnissen etwa 15 % höher aus
als bei den Vergleichskorngrößen der DINFilterkiese (Abb. 4). Diese Relation ändert
sich auch nach der Entwicklung der Brunnen nicht.
Die Systemdurchlässigkeiten der Brunnen werden durch die Entsandung erwartungsgemäß gesteigert, wobei Filterkiesbrunnen 2 den größten Zuwachs erfuhr.
Jedoch sind die Systemdurchlässigkeiten
der Glaskugelbrunnen insgesamt eine
Zehnerpotenz höher als die der Filterkiesbrunnen.
Die Brunnen 1 und 2 entsprechen der
Schüttkornausstattung standorttypischer
Brunnen in Rostrup. Dies wurde durch die
technische Sandfreiheit am Ende der Entwicklungsarbeiten durch den Pumptest
nach DVGW-AB W 119 nachgewiesen.
Die Brunnen 4 bis 6 sind gegenüber dieser Schüttkornausstattung für QBetrieb trotz
einer nach DVGW-AB W 113 bestimmten
Schüttung von 2 bis 3,15 mm als „überbemessen“ einzustufen.
Die ausgetragene Sandmenge steigt
mit der Kugel- bzw. Korngröße an und
erreicht in den bearbeiteten Abschnitten
der jeweils 4 m langen Filterstrecken unterschiedliche Beträge.
Die bei der Entsandung ausgetragenen
bestimmten Korngrößen lagen bei dem
„korrekt“ bemessenen Filterkiesbrunnen
(Brunnen 2) mit Partikeln bis zu 0,2 mm
Größe (< 5 % der Masse) unter der nach
W 113 ermittelten Kennkorngröße von
0,36 mm; beim Glaskugelbrunnen 1 ergab
sich ein geringer Durchbruch von Körnern
bis maximal 0,5 mm (ca. 5 % der Masse).
Die übrigen Brunnen zeigten Sanddurchbrüche mit steigenden Anteilen der hier
gewählten Prüfkorngröße von 0,5 mm (13
bis 17 % bei Brunnen 4 und 5).
Die Durchgangskorngröße steigt bei
dem feinkörnigen Bodentyp (C u < 2) in
Funktion der Kugel- bzw. Korngröße der
Schüttung an.
Bei den nach DVGW AB W 113 „überbemessenen“ Glaskugelschüttungen ergaben sich Durchbrüche von Sandkörnern,
die größer als das Kennkorn sind. Bei der
gröberen Kiesschüttung nicht so deutlich
erkennbar.
Bei Glaskugelschüttungen können bei
„korrekter“ Bemessung der Kugelgröße
Durchbrüche bis zum Kennkorn der Sieblinie erwartet werden. Den Nachweis dieses Ansatzes liefert auch die Entsandung
eines kombinierten Förder- und Schluckbrunnens in alluvialen Sanden und Kiesen in Phoenix, Arizona. Der Brunnen
wurde aus Budgetgründen nur teilweise
mit Glaskugeln geschüttet. Der Rest wurde
mit Kies der dort üblichen Körnung verfüllt. Die Glaskugelgröße korrespondiert
mit der Kiesabstufung. Während der
Bereich der Kiesschüttung, bei insgesamt
geringerem Austrag, auch gröberes Korn,
vermutlich aus dem Schüttgut selbst, liefert, stoppt der Sandaustrag in der Glaskugelpackung bei der Kennkorngröße. Der
Durchmesser des Kennkorns entspricht
exakt dem bei dichter Lagerung
11-2013
4315
spezial BrunnenBau
Bei Filterkiesen beginnt ein verockerungsbedingter
Druckanstieg früher als in analogen Glaskugelschüttungen.
der Kugelpackung und zeigt, dass Glaskugeln ohne zusätzliche Maßnahmen in
diese Bettungskonfiguration gebracht
werden. (Abb. 5+6) [6].
Fehlbemessungen und Sanddurchbrüche können nur durch möglichst exakte
Probennahmen und mit einem in den
feineren Korngrößen zwischen 2,0 und
0,063 mm stufenweise erweiterten Siebsatz bzw. genaueren Messverfahren, (z. B.
Camsizermessung) vermieden werden.
Filterkiese weisen in Bezug auf die
Sandfreiheit und die Filterstabilität scheinbar eine höhere „Toleranz“ gegenüber
Fehlbemessungen und Ausführungsfehlern im Brunnenbau auf. Diese höhere
„Toleranz“ des Filterkieses gegenüber
handwerklichen Fehlern wird aber durch
die erhöhte Kolmationsgefahr und die
damit verbundene geringere Ergiebigkeit
der Filterkiese im Vergleich zu Glaskugelschüttungen bei vergleichbaren Brunnen
aufgewogen.
Laborversuche zur Bestimmung
des Druckaufbaus bei einer
chemischen Verockerung
Die Ausfällung von Eisen- und Manganoxiden in Bohrbrunnen durch Oxidation
in Verbindung mit mikrobiellen Einflüssen ist häufig eine unvermeidliche Begleiterscheinung des Förderbetriebs. Die Folge
Entnahmemenge [m3/h]
0,00
4
0
8
12
-1,00
-2,00
Gk-Brunnen
Absenkung [m]
-3,00
Fk-Brunnen
-4,00
B1: Gk 1,7-2,1
B2: Fk 1,0-2,0
B3: Gk 2,0-2,4
B4: Gk 2,4-2,9
B5: Gk 2,85-3,45
B6: Fk 2,0-3,15
-5,00
Abbildung: C. Treskatis
-6,00
-7,00
abb. 4 – Ergiebigkeitskurven der Brunnen 1-6 vor der Entsandung; aus [5]
44
11-2013
16
dieser sogenannten „Verockerung“ ist,
unabhängig von ihrer Ursache, eine allmähliche Zunahme der Druckverluste am
Brunnen in Folge der Verstopfung der
durchflussfähigen Poren in der Ringraumschüttung mit Ablagerungen und Abscheidungen von Eisen- und/oder Manganoxiden sowie eine Abnahme in der spezifischen Ergiebigkeit des Brunnens.
Im Bau-ABC in Rostrup wurden Laborexperimente zur Ermittlung der Druckverluste infolge einer künstlich hervorgerufenen chemischen Verockerung (induziert
durch einen Sauerstoffeintrag in das
ansonsten reduzierte, eisen- und manganhaltige Rohwasser eines Brunnens)
in unterschiedlichen Schüttguttypen und
Körnungen durchgeführt. Dabei wurden
verschiedene Filterkiese und Glaskugelfraktionen direkt miteinander verglichen
(Tab. 3). Mikrobiologische Aspekte der
Verockerung und der Entfernung der Ablagerungen durch handelsübliche Regeneriermittel wurden im Rahmen dieser Experimente nicht untersucht [7]. Von der Zielsetzung gleiche und vom Aufbau ähnliche Versuche wurden ungefähr im gleichen
Zeitraum in Berlin von einem Team aus
verschiedenen Institutionen in Koordination durch das Kompetenzzentrum Wasser Berlin gGmbH durchgeführt [8].
Für die Druckverlustbestimmung in verschiedenen Materialien wurde eine DarcyVersuchsanordnung gewählt, mit der bei
früheren Untersuchungen die Durchlässigkeit der Schüttgüter bei verschiedenen
Lagerungsdichten bestimmt wurde [5].
Der Versuchszylinder wurde mit dem jeweiligen Schüttgut ca. 50 cm hoch befüllt und
nicht zusätzlich verdichtet. Der eingebaute
Filterkies wurde vorher trocken gesiebt,
damit das Unterkorn des Filterkieses das
feinmaschige Sieb nicht verstopft, welches der Filterschüttung Halt gibt. Die
Maschenweiten des Siebes wurden bei
jedem Versuchsdurchgang an die Größe
der Filterschüttung angepasst, um den
Druckverlust zu mindern.
Das Durchlaufwasser wurde aus einem
Brunnen in der Versuchshalle entnommen und zur Beschleunigung der chemischen Verockerung mit Sauerstoff künstlich angereichert. Die Pumpe wurde auf
2 bar eingeregelt, um die Anlagensicherheit zu gewährleisten [7]. Der Druckverlauf in der Schüttung wurde bei konstant
gehaltenem Durchfluss mit Datenloggern
aufgenommen und für die untersuchten
Schüttgüter in Abbildung 7 dargestellt.
Der Anstieg des Drucks im Versuchskörper erfolgte in den verschiedenen Schüttgütern zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
Nach Erreichen des versuchstechnisch
eingestellten Druckniveaus von 2 bar
wurde die Plateauphase zu unterschiedlichen Zeitpunkten erreicht. Die zeitliche
Verschiebung ist dabei vom Schüttguttyp
und von der Körnung abhängig. Die Zeitdifferenz zwischen den Druckaufbaukurven ist nach Erreichen des Wendepunkts
vor der versuchstechnisch bedingten Plateauphase in etwa konstant.
Versuchsergebnisse
Zu Beginn des Versuchs wurden bereits
ohne chemische Verockerung geringe
Druckunterschiede zwischen den Materialtypen festgestellt, wobei Glaskugeln
den geringsten Anfangsdruck aufwiesen.
Die chemische Verockerung ist in allen
untersuchten Schüttguttypen sehr ausgeprägt und optisch deutlich erkennbar.
Es bildeten sich im Zentrum der Versuchssäule verbackene Agglomerate aus
Tabelle 3 – Auswahl der untersuchten Schüttgüter
zur Bestimmung der Druckverlaufskurven infolge
einer induzierten chemischen Verockerung
Kies [mm]
Glaskugeln [mm]
0,70 – 1,25
0,75 – 1,00
1,00 – 2,00
1,70 – 2,10
2,00 – 3,15
2,40 – 2,90
Eisenoxiden und Glaskugeln bzw. Filterkies. Die Glaskugeln waren wie die Filterkieskörner zunächst mit einer dünnen
Schicht mit Manganoxiden ummantelt
und in einer Matrix aus Eisenoxiden eingelagert [7].
Aus den bisher durchgeführten Versuchen ist abzuleiten, dass in den Filterkiesen ein verockerungsbedingter Druckanstieg grundsätzlich früher beginnt als in
den analogen Glaskugelschüttungen.
Diese Schlussfolgerung gilt für den direkten Vergleich gleich großer Schüttgüter.
In den Glaskugelschüttungen beginnt
unter vergleichbaren Randbedingungen
der Druckanstieg je nach Kugelgröße nach
ca. 40 bis ca. 98 h; die vergleichbaren
Filterkiese zeigten einen Druckanstieg
bereits nach ca. 24 bis ca. 70 h. Die Verockerung der Glaskugeln beginnt im Labor
um den zeitlichen Faktor 2 bis 2,5 später.
Die Druckaufbaukurven steigen nach
Erreichen des versuchsbedingten Wendepunktes (die Plateauphase ist durch
die Druckbegrenzung der Pumpe bedingt
und ist nicht mit dem realen Brunnenbetrieb zu vergleichen) bis zur versuchsbedingten Druckbegrenzung von 2 bar bei
allen Kugelgrößen nahezu parallel mit in
etwa gleicher Steigung an.
Der Verlauf der Druckaufbaukurven in
der ersten Phase bis zum versuchsbedingten Wendepunkt ist nach diesen Messergebnissen von der Materialart und der
Korngröße der Schüttung abhängig und
wird in ihrem Ausmaß von der Wasserbeschaffenheit maßgeblich gesteuert.
Den Einfluss des Versuchsaufbaus
auf die zeitliche Entwicklung des Druckaufbaus zeigte eine Wiederholung des
Versuchs mit der Kugelgröße Gk 1,7 bis
2,1 mm. Der Erstversuch mit der Gk-Schüttgröße 1,7 bis 2,1 mm ergab einen Druckanstieg nach ca. 160 h. Der Wiederholungsversuch am Ende der gesamten Versuchsreihe zeigte einen Druckan-
11-2013
17
45
spezial BrunnenBau
60
Sand 6 x 9
Zurückgehalten (%)
50
40
Zone 1 (777-798') (D-15 min)
Zone 1 (777-798') (15-30 min)
Zone 1 (777-798') (45-60 min)
Zone 1 (777-798') (225-240 min)
30
20
Grenzkorndurchmesser
Abbildung: R. Klaus

0
Filterschlitzweite

10
0.003 0.006 0.012 0.017 0.023 0.034 0.047 0.055 0.067 0.079 0.088 0.093 0.098 0.11
Partikelgröße (inch)
abb. 5 – Kornverteilung des Austrags aus dem Bereich der Kiesverfüllung
80
70
Glaskugeln 2,4-2,9 mm
Zurückgehalten (%)
60
50
Zone 4 (510-530') (D-15 min)
Zone 4 (510-530') (15-30 min)
Zone 4 (510-530') (45-60 min)
Zone 4 (510-530') (225-240 min)
40
30
20
0
Grenzkorndurchmesser

Abbildung: R. Klaus
10
0.003 0.006 0.012 0.017 0.023 0.034 0.047 0.055 0.067 0.079 0.088 0.093 0.098 0.11
Partikelgröße (inch)
abb. 6 – Kornverteilung des Austrags aus dem Bereich der Glaskugelverfüllung
Vergleich der Druckaufbaukurven aller Verockerungsversuche
2,5
Fk 0,7-1,25
Gk 0,75-1,0
2
Druck [bar]
Fk 1,0-2,0
1,5
Gk 1,7-2,1
1
Gk 1,7-2,1
Wiederholung
Fk 2,0-3,15
0,5
Gk 2,4-2,9
0
0:00
48:00
96:00
144:00
192:00
Zeit [h]
240:00
288:00
336:00
abb. 7 – Druckaufbaukurven in den untersuchten Schüttgütern bei einer induzierten chemischen
Verockerung; nach [5+7].
46
11-2013
stieg bereits nach ca. 80 h. Eine der
möglichen Ursachen dieses zeitlichen
Unterschiedes wird auf die im Versuchsablauf zunehmende Verockerung der
Zuführungsleitung und die da-durch vermutlich ausgelösten Abrisse und Verlagerungen von Verockerungsprodukten in
die Schüttgutzylinder gesehen, die zu
einem im Vergleich zum Erstversuch frühzeitigerem Druckaufbau führten [6].
Die Ergebnisse und Schlussfolgerungen der Untersuchungen in Berlin unterscheiden sich von den Ergebnissen aus
Rostrup, vor allem was den Vergleich zwischen Glaskugeln und Sand bzw. Kies im
Verockerungsverhalten betrifft [8]. Übereinstimmung in den Untersuchungsergebnissen besteht in den hydraulischen
Eigenschaften und Kennwerten bei einem
direkten Vergleich von entsprechend
gekörnten Filtersanden und Glaskugeln.
Hier korrespondieren die jeweiligen Körnungen bei den untersuchten Schüttgutmaterialien und bestätigen die Untersuchungen in Rostrup [1+2].
Bezüglich der Akkumulationsraten und
des Regenerierpotenziales schneiden
jedoch in der Berliner Studie Glaskugeln
vergleichsweise schlechter als die dort
untersuchten Fraktionen von Filtersand
und Kies ab [8]. Die besten Ergebnisse lieferte die untersuchte Körnung eines Filterkieses. Bei der Bewertung und Schlussfolgerung ist jedoch zu berücksichtigen,
dass die in Berlin untersuchten Filtermaterialien verschiedene Größenspektren
aufwiesen. Die mit Abstand größte Körnung wies Kies der Gradierung 5,6 bis
8,0 mm auf, während Sand und Glaskugeln nur mit der Gradierung 1,25 bis
1,60 bzw. 1,65 mm in die publizierten
Vergleichsuntersuchungen einbezogen
wurden [8].
Ein direkter Vergleich der Ergebnisse
ist wegen der methodisch unterschiedlichen Versuchsansätze nicht durchführbar. Die Materialien müssen wegen der,
auch von den Autoren in [8] zitierten, Größenabhängigkeit der hydraulischen Parameter zwingend innerhalb der entsprechenden Größenklasse untersucht werden [7].
Zusammenfassung
Experimentelle Untersuchungen im Laborund Geländemaßstab zeigten, dass die
Bemessung der Kugelgröße auch bei Sedimenten mit geringen Ungleichkörnigkeiten unproblematisch ist, wenn die Bodenverhältnisse schichtspezifisch untersucht
und eine mit erweitertem Siebsatz aufgestellte Korngrößenverteilung zur Kenn-
kornbestimmung verwendet wurde. Um
eine Sandführung zu vermeiden, ist eine
exakte Kugelgrößenbestimmung nach
DVGW-W 113 erforderlich. Das gilt auch
für Kiesschüttungen, nur wird die Sandführung bei einer Fehlbemessung durch
die Einlagerung bzw. Kolmation von mobilisierbarem mineralischem Korn aus dem
Grundwasserleiter in die Ringraumschüttung verschleiert. Bei Glaskugelschüttungen ist dieser Prozess oft im Kamerabild
direkt optisch erkennbar.
Die Verockerung von Glaskugelschüttungen verläuft im Labormaßstab im Vergleich zu gleich großen Filterkiesen zeitlich verzögert. Die daraus ableitbare „Verockerungsgeschwindigkeit“ als Maß für die
Zunahme des Differenzdrucks im Versuchskörper über die Zeit wird durch die
glatten Oberflächen der Glaskugeln und
die im Vergleich zum Filterkies relativ
gleichmäßige Porenraumgeometrie reduziert. Die weitere Druckaufbaucharakteristik der Glaskugelpackungen verläuft im
Laborversuch nach Durchgang eines versuchstechnisch bedingten Wendepunktes parallel zur der Druckaufbaukurve der
Filterkiese. Der Druckaufbau war bei den
Laborexperimenten aus sicherheitstechnischen Gründen durch eine Frequenzregelung der Pumpe bei konstantem Fördervolumenstrom limitiert, die im realen Brunnen so nicht vorkommt. In realen Brunnen
nimmt der Differenzdruck in der Schüttung im Vergleich zu den Druckaufbaukurven aus den Laborexperimenten bei rückläufigen Fördermengen immer weiter zu.
Glaskugeln verhindern eine Verockerung der Schüttung in Brunnen nicht, sie
verzögern den Druckaufbau und den Rückgang der Ergiebigkeit. Die Befunde aus
den Experimenten bestätigen, dass die
anfänglich unterschiedlichen Materialei-
genschaften der untersuchten Schüttkorntypen mit zunehmender Betriebszeit sehr
stark von den individuellen Alterungsprozessen im Brunnen überlagert werden.
Danksagung
Die Autoren danken der Firma Sigmund
Lindner, Warmensteinach, für die finanzielle und materielle Unterstützung sowie
die langjährige Förderung der praxisorientierten Forschung an Glaskugeln und
Filterkiesen. Ein großer Dank geht auch an
das Bau-Ausbildungszentrum in Rostrup
für die technische und personelle Unterstützung der Arbeiten.
Literatur
[1] Treskatis, C., Danhof, M., Dressler, M. &
Herrmann, F. (2010): Vergleich ausgewählter
Materialcharakteristiken von Glaskugeln und
Filterkiesen für den Einsatz in Trinkwasserbrunnen. DVGW energie|wasser-praxis (ewp)
1/2010: 26 – 32.
[2] Treskatis, C. (2011): Einsatz von
Glaskugeln in Trinkwasserbrunnen – bisherige Forschungsergebnisse. – in: bluefacts –
International Journal of Water-Management:
110-116.
[3 ] Treskatis, C., Tholen, L. & Klaus, R.
(2011): Hydraulische Merkmale von Filterkies
und Glaskugelschüttungen im Brunnenbau
– Teil 1. DVGW energie|wasser-praxis (ewp)
12/2011: 58 – 65.
[4] Treskatis, C., Tholen, L. & Klaus, R.
(2012): Hydraulische Merkmale von Filterkies
und Glaskugelschüttungen im Brunnenbau
– Teil 2. DVGW energie|wasser-praxis (ewp)
01/2012: 40 – 43.
[5] Tholen, L. (2013): Vergleichende
Untersuchungen an Filterkies- und Glaskugelschüttungsbrunnen. – Masterarbeit
an der Jade Hochschule: 94 S., Oldenburg
(unveröffentlicht).
[6] Klaus, R., (2013): Glass bead filter packs
in water wells for higher efficiency and
reduced O & M costs. - in: Brown, A.,
Figueroa, L., Wolkersdorfer, Ch. (eds) (2013):
Reliable Mine Water Technology (Vol II):
783–1263.
[7] Treskatis, C., Tholen, L. & Klaus, R.
(2013): Ergebnisse experimenteller
Vergleichsuntersuchungen mit Glaskugeln
und Filterkiesen. – in: gwf Wasser Abwasser
(im Review-Verfahren); München.
[8] Schwarzmüller, H., Taute, T. & Dlubek, H.
(2013): Auswirkung unterschiedlicher
Schüttmaterialien auf die Verockerung und
Regenerierbarkeit von Brunnen. bbr
04/2013: 56 – 63.
Autoren
Dipl.-Geol., MBA Reinhard Klaus
RKP Consulting
Mögeldorfer Hauptstr. 31A
90482 Nürnberg
Tel.: 0911 5703596
[email protected]
Prof. Dr. habil. Christoph Treskatis
Bieske und Partner
Beratende Ingenieure GmbH
Im Pesch 79
53797 Lohmar
Tel.: 02246 9212-22
Fax: 02246 9212-99
[email protected]
Lara Tholen, M. eng.
CONSULAQUA Hamburg
Beratungsgesellschaft mbH
Ausschläger Elbdeich 2
20539 Hamburg
Tel.: 040 7888-82342
[email protected]
www.consulaqua.de
11-2013
4719
| I FAT EN TS O RGA
Neubau von Brunnen mit Glaskugeln
Ergiebigkeiten und Einsparpotenziale
nde 2007 wurden erstmalig Glaskugeln
in Bohrbrunnen als Ersatz für Kies als
Schüttmaterial eingesetzt. Ausgangspunkt
war die Qualität der lieferbaren natürlichen
Sande und Kiese, die u. a. hinsichtlich Form,
Festigkeit und anderer Kriterien Nachteile
gegenüber Glaskugeln aufweisen [1]. Die
mangelnde Festigkeit des Kieses führte zu
irreparablen Kolmationen im Ringraum, die
nur durch Komplettsanierungen behoben
werden konnten. Die Lebensdauer eines
Brunnens war damit deutlich verkürzt. Qualität und Zustand der anderen Bauteile hätte
den einwandfreien Betrieb für weitere 10
bis 20 Jahre zugelassen.
Im Jahr 2009 wurden DIN-Filterkiese und
Glaskugeln auf mechanische Parameter
untersucht. Glaskugeln erzielten dabei in
allen untersuchten Parametern bessere Ergebnisse als DIN-Kiese [5]. Im Jahr 2011
fanden umfangreiche Vergleichsuntersuchungen zur Hydraulik und zum Lagerungsverhalten der jeweiligen Schüttgüter statt.
Auch hierbei zeigen die Glaskugeln z. T.
bessere Eigenschaften gegenüber Filterkiesen [6]. Tabelle 1 zeigt eine kurze Gegenüberstellung der Materialien „Glaskugeln
und Sand.
Das Langzeitverhalten bei den mit Glaskugeln ausgebauten Brunnen ist derzeit aus
verständlichen Gründen nicht einschätzbar.
Hier sind aufgrund der Materialeigenschaften und den hydraulischen Eigenschaften
Vorteile für den Einsatz von Glaskugeln zu
erwarten. Während die technischen Vorteile
von Glaskugeln in Fachkreisen akzeptiert
sind, wird der höhere Anschaffungspreis
von Glaskugeln gegenüber natürlichen mineralischen Filterschüttungen häufig als
Nachteil und Hindernis für eine Verwendung
angeführt. Der Materialpreis alleine reicht
jedoch bei weitem nicht aus, um die Gesamtwirtschaftlichkeit eines Brunnens zu
beurteilen. Mit Betriebszeiten von in der
Regel mehr als 40 Jahren sind Brunnen
sehr langlebige Investitionsgüter. Neben
den Investitionskosten müssen die Betriebskosten betrachtet werden, um das
Ziel einer optimalen Gesamtwirtschaftlichkeit zu erreichen. Der große Einfluss der
Betriebskosten ist als wesentlicher Faktor
in der Wirtschaftlichkeit von Brunnen lange
bekannt.
30
Für eine vergleichende Wirtschaftlichkeitsuntersuchung müssen in der Regel mindestens die folgenden Kostenaspekte betrachtet werden:
• Investitionskosten,
• Energiekosten der Rohwasserförderung,
• Kosten für Wartung und Instandhaltung
(hier: Kosten für Regeneriermaßnahmen).
Nachfolgend werden für kürzlich neu gebaute
Brunnen die Aspekte „Investitionskosten“
bzw. Mehrkosten für den Einsatz von Glaskugeln gegenüber Kies sowie „Energiekosten
der Rohwasserförderung“ untersucht.
Bei einem Versorger wurden 2009/2010 insgesamt drei neue Brunnen als Ersatz für vorhandene Brunnen mit Steinzeugfilterausbau
erstellt. Die Brunnen wurden mit Wickeldrahtfilter sowie mit Glaskugeln ausgerüstet.
Zwei dieser Brunnen, Brunnen „A“ und „B“,
werden in die folgenden Auswertungen einbezogen. Weitere Vergleichsdaten liegen
von dem Brauchwasserbrunnen eines Stahlwerkes in Süddeutschland vor. Hier wurde
in der vorhandenen Bohrung der korrodierte
Ausbau aus Kupfermaterial mit EdelstahlWickeldrahtfiltern und die Ringraumschüttung aus Kies mit Glaskugeln ersetzt. Dieser
Brunnen findet sich als Br. „C“ in der Aus-
Brunnen B
Abb. 1: Geologie und Ausbauplan von Brunnen „B“ mit Glaskugeln
energie | wasser-praxis 4/2012
Quelle: R. Klaus & P. Walter
E
Tabelle 1: Vergleichende Gegenüberstellung Kies/Glaskugeln im Brunnenbau
Sand/Kies
+
-
Hydraulik
+
-
Mechanik
+
-
Bettungsverhalten
+
-
chem. Beständigkeit
+
-/+
Regenerierbarkeit
+
-/+
Kosten Material
-
+
Folgekosten Entsandung
+
-
+?
-?
Häufigkeit von Regenerierungen/
Regenerierintervalle
wertung. In Abbildung 1 und 2 sind die
Ausbaupläne der Brunnen „B“ und „C“
(Abb. 3) dargestellt.
An den vorhandenen und den neuen Brunnen liegen Daten aus Betriebstests vor. Aus-
wertungen der Fördermengen und Absenkwerte sowie berechnete Ergiebigkeiten sind
in Tabelle 2 dargestellt (mit: Q = Förderung;
s = Absenkung; E = Ergiebigkeit). An allen
Brunnen konnten signifikante Leistungssteigerungen erzielt werden (Abb. 4).
Abb. 2: Ausbauplan von Brunnen „C“ mit Glaskugeln
Anteil Unterkorn
Glaskugeln
21
| I FAT EN TS ORGA
Tabelle 2: Fördermengen und erzielte Ergiebigkeiten
Br. A
Steinzeug-Kies
Br. A-neu
Br. B
s1
(m3/h)
[m]
15,60
3,13
E1
Q2
s2
[m3/h/m] (m3/h)
[m]
E2
Q3
s3
[m3/h/m] (m3/h)
[m]
E3
EMittel
LeistungsSteigerung
um
[m3/h/m] (m3/h/m)
4,98
33,80
6,98
4,84
61,70 9,90
6,23
5,4
WD-Glas
20,16
2,02
9,98
39,60
3,91
10,13
60,48 5,71
10,59
10,2
Steinzeug-Kies
11,84
1,11
10,67
28,10
3,77
7,45
42,48 5,63
7,55
8,6
WD-Glas
19,80
1,76
11,25
39,96
3,72
10,74
59,76
10,65
10,9
27,2 %
92,5
411,4
344,8 %
Br. B-neu
Br. C
Q1
Kupfergewebe
259,00
2,80
92,50
WD-Glas
288,00
0,70
411,43
Br. C-neu
5,61
91,2 %
Br.-Ausbau
Tabelle 3: Gegenüberstellung Brunnenergiebigkeiten alt/neu und Kies/Glaskugeln
Energiekosten Rohwasserförderung
Ausbau Glaskugeln
Kosten je Kilowattstunde i.M.
Br. B-alt Br. B-neu
Br. C-alt Br. C-neu
(EUR/KWh)
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
Förderung i. M.
(m≥/h)
60
60
60
60
200
200
Förderung (Annahme)
(m≥/a)
500.000
500.000
500.000
500.000
Wirkungsgrad Tauchmotorpumpen (µ) i.M.
1.800.000 1.800.000
(%)
60 %
60 %
60 %
60 %
60 %
60 %
(m≥/h/m)
5,4
10,2
8,6
10,9
92,5
411,4
(mWS)
11,2
5,9
7,0
5,5
2,2
0,5
Summe Energiekosten Förderung
(EUR/a)
3.818
1.997
2.389
1.878
2.651
596
Einsparung
(EUR/a)
spez. Ergiebigkeit i.M. (nach vorliegenden Daten)
relative Förderhöhen i. M.
(nur bez. auf reine Absenkung s)
An den untersuchten Brunnen ergeben sich
für den Betreiber die in Tabelle 3 aufgeführten Einsparungen an Energiekosten der Förderung. Die Jahresfördermengen wurden
bei den Berechnungen geschätzt.
Für die Brunnen „A“ und „C“ wurden von
den Betreibern z. T. Kostenvergleiche für
1.821
einen Ausbau mit Kies oder Glaskugeln zur
Verfügung gestellt. Eine Kostengegenüberstellung ist in Tabelle 4 und 5 dargestellt.
Die alleinigen Differenzen der Jahreskosten
aus „Einsparung Energiekosten“ und Mehrkosten „Kapitaldienst“ für die Wahl von Glaskugeln belaufen sich auf 1.821 – 273 =
1.548 EUR/a (Einsparpotenzial Brunnen
511
2.055
Br. A-alt Br. A-neu
„A“) und 2.055 – 718 = 1.337 EUR/a (Einsparpotenzial Brunnen „C“). Bei einer theoretischen Hochrechnung für eine Nutzungsoder Betriebszeit von 40 Jahren – gleichbleibende Verhältnisse vorausgesetzt – läge
das resultierende Einsparpotenzial bei Brunnen „A“ bei rd. 62.000 EUR und bei Brunnen „C“ bei rd. 53.000 EUR. Weitere Ein-
350 %
250 %
200 %
150 %
100 %
50 %
0,0 %
Abb. 3: Einbau von Glaskugeln
an Brunnen „C“
32
Br. A-neu
Br. B-neu
Br. C-neu
Abb. 4: Gegenüberstellung Brunnenergiebigkeiten alt / neu und Kies / Glaskugeln
Quelle: Ochs Bohr GmbH
Leistungssteigerung µm (%)
300 %
Tabelle 4: Übersicht Gesamtkosten Brunnen „A“ und „C“
Brunnen "A"
Brunnen "C"
Ausbau Glaskugeln
Ausbau Kies
Ausbau Glaskugeln
EUR
EUR
EUR
EUR
Teilgewerk
1 Baustelleneinrichtung
15.419
15.419
Einzelkosten nicht bekannt
2 Bohrung
13.581
13.581
3 Brunnenausbau
19.638
25.950
3.200
21.600
1.485
4 Entsandung und Pumpversuch
8.632
8.632
3.300
5 Brunnenabschlussbauwerk
31.502
31.502
6 Kontrollen
Zwischensumme 1 (nur Brunnenbau)
2.563
2.563
91.335
97.647
136.915
153.500
100,0%
106,9%
100,0%
112,1%
Mehrkosten
Ausbau Kies
6.312
16.585
Tabelle 5: Übersicht Kapitalkosten Brunnen „A“ und „C“
Kostensituation Br. „A“
Ausbau „Kies“
Ausbau „Glaskugeln“
Kostensituation Br. „C“
Ausbau „Kies“
Ausbau „Glaskugeln“
Investitions- und Kapitalkosten
Investitionskosten
(EUR)
91.335
Nutzungsdauer
(a)
40
Annuitätsfaktor
(-)
jährl. Kapitalkosten
(EUR/a)
Mehrkosten "kapitalisiert"
(EUR/a)
97.647
136.915
153.500
40
40
40
0,0433
0,0433
0,0433
0,0433
3.951
4.224
5.923
6.641
sparungen sind infolge der geringeren Verockerungsneigungen und damit verbundenen größeren Regenerierintervallen bei
Brunnen mit Glaskugelausbau zu erwarten.
Erste Beobachtungen an einem ca. vier
Jahre alten Brunnen mit Glaskugelschüttungen im Mittelfränkischen Sandsteinkeuper ergaben:
• deutlich geringere Eisenablagerungen im
Ringraum im Vergleich zu Brunnen mit
Kieshinterfüllung,
• geringerer Anstieg des Filterwiderstandes
trotz Verockerung,
• leichtere Entfernbarkeit der Beläge an der
Schüttung.
Interessant ist die weitere Fortschreibung
der Brunnenergiebigkeiten und der Kosten
von gegebenenfalls anfallenden Regenerierungsmaßnahmen, um das Langzeitverhalten der Brunnen in wirtschaftlicher Hinsicht
fortschreiben zu können.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass
neue Brunnen mit Kiesausbau anstelle von
Glaskugeln im Neubauzustand ebenfalls Leistungssteigerungen aufweisen können. Dies
war nicht Gegenstand der Untersuchung.
273
Kapitaldienst
718
Aufgrund der mangelnden Festigkeit von Kies
im Vergleich zu Glaskugeln (wie eingangs erwähnt) sehen die Autoren aber – über die gesamte Nutzungsdauer eines Brunnens – neben den dargestellten wirtschaftlichen auch
deutliche technische Vorteile für den Einsatz
von Glaskugeln, besonders was die Nachhaltigkeit der Leistung betrifft.
[7] Treskatis, C., Hein, C., Peiffer, S. & Herrmann, F.
(2009): Brunnenalterung: Sind Glaskugeln eine Alternative zum Filterkies nach DIN 4924?. In: bbr
04/2009: S. 36-44; Bonn (wvgw).
Literatur
[10] Walter, Peter, (Mai 2001): Kostenbetrachtungen
und Kostenanalysen beim Brunnen. In: bbr Verlagsgesellschaft Rudolf Müller Bau-Fachinformationen
GmbH&Co.KG, Köln
[1] Herrmann, F & Stiegler, X. (2008): Einsatz von Glaskugeln als Ersatz für Filterkies in Brunnen. In: bbr
05/2008: S. 48-53; Bonn (wvgw).
[2] DeZwart, B.-R. (2007): Investigation of Clogging
Process in Unconsolidated Aquifers near Water
Supply Wells. 200 S., Dissertation TU Delft.
[3] Treskatis, C. (2007): Partikelinduzierte Kolmation
von Brunnen – Identifikation und Lösungsansätze.
In: Drebenstedt, C. & Struzina, M. (Hrsg.): Grundlagen und Erfahrungen der Übertragbarkeit von
Modellversuchen auf großindustrielle Anwendungen, S. 59 – 71, Freiberg, ISBN 978-3-86012330-0
[4] Houben, G. & Treskatis, C. (2003): Regenerierung
und Sanierung von Brunnen. 280 S., 111 Abb., 32
Tab., Anhang und CD-ROM; München (Oldenbourg)
(ISBN: 3-486-26545-8).
[5] Treskatis, C. Danhof, M., Dressler, M. & Herrmann,
F. (2010): Vergleich ausgewählter Materialcharakteristiken von Glaskugeln und Filterkiesen für den
Einsatz in Trinkwasserbrunnen. DVGW energie |
wasser-praxis 1/2010: S. 26 – 32; Bonn (wvgw).
[6] Treskatis, C; Tholen, L; Klaus, R. (2011): Hydraulische
Merkmale von Glaskugel- und Filterkiesschüttungen
im Brunnenbau. DVGW energie | wasser-praxis
12/2011 u. 01/2012; Bonn (wvgw).
[8] Treskatis, C., (2011): Einsatz von Glaskugeln in
Trinkwasserbrunnen – bisherige Forschungsergebnisse. bluefacts 5/2011: S. 110 – 116; Bonn (wvgw).
[9] Walter, Peter, (Mai 2000): Wirtschaftliche Aspekte
beim Betrieb von Brunnen. In: bbr 05/2000 Verlagsgesellschaft Rudolf Müller Bau-Fachinformationen GmbH&Co.KG, Köln
[11] Klaus, R & Walter, P. (2011): Wirtschaftlichkeit von Glaskugeln im Brunnenbau. In: bbr 08/2011; Bonn (wvgw).
Autoren:
Dipl.-Geol. Reinhard Klaus, MBA
RKP Consulting
Mögeldorfer Hauptstr. 31a
90482 Nürnberg
Tel.: 0911 570 3596
Dipl.-Ing. Peter Walter
WETZEL + PARTNER
Ingenieurgesellschaft mbH
Fritz-Reuter-Str. 2
47447 Moers
Tel.: 02841 96990-30
Internet: www.iwp-moers.de
n
23
33
| TECHNIK
Abb. 1: Versuchsanordnung zur
Bestimmung des austragsfähigen
Korns glaziofluviatiler Sedimente über
einer Mono-Glaskugelschüttung (hier:
5 mm Kugeldurchmesser)
Quelle: Autoren
Vergleich ausgewählter Materialcharakteristiken
von Glaskugeln und Filterkiesen für den Einsatz
Im Rahmen eines aktuell laufenden F&E-Vorhabens, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie auf Grund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages, wurden ausgewählte
brunnenbauspezifische Materialcharakteristiken von Glaskugeln und Filterkiesen ermittelt. Die ersten
Ergebnisse dieser aktuell bei den Vorhabensträgern durchgeführten Labortests werden nachfolgend
vorgestellt.
G
laskugeln aus säurebeständigem KalkNatronglas werden seit 2007 als
Schüttgüter zur „Verkiesung“ von Brunnenfiltern angewendet. Erste Erfahrungen mit
Glaskugeln als Filterschüttungen wurden
beim Bau von Festgesteinsbrunnen in Franken gesammelt und durch Stiegler & Herrmann (2008) für die Fachwelt zugänglich gemacht. Auslöser der ersten Einsätze von
Glaskugeln in Brunnen waren Erkenntnisse
26
bei der Entwicklung und Regenerierung von
stark verockerungsanfälligen Brunnen sowie
ein autochthoner Eintrag hoher Feinkornanteile und Feinpartikel mit den DIN-Filterkiesen verschiedener Lagerstätten. Diese Feinkornanteile wurden neben den Feinpartikeln
aus dem Grundwasserleiter für die Unterkornkolmation an Brunnen verantwortlich
gemacht (DeZwart 2007, Treskatis 2007).
Gleichzeitig wurde erkannt, dass die „rau-
he“ Oberfläche und Primärmineralien auf den
Kieskörnern die Anlagerungen von Inkrustationen fördern. Zum Anlagerungsverhalten
von Eisenmineralien an Glaskugeln im Vergleich zu DIN-Filterkiesen wurden erste quantitative Erkenntnisse von Treskatis et al. (2009)
publiziert. Für die Brunnenbaupraxis konnte mit diesen Untersuchungen bestätigt werden, dass bei der Verwendung von Glaskugeln im Brunnenringraum sowohl mechaenergie | wasser-praxis 1/2010
nisch bedingte Feinkorn- und Bruchstückbildungen vermieden werden können als
auch eine deutlich geringere Inkrustationsneigung zu erwarten ist.
Für den Brunnenbau sind neben dem Anlagerungsverhalten gegenüber Inkrustationen vor allem die für die hydraulische Ergiebigkeit eines Brunnens wichtigen Kenngrößen mechanische Stabilität, die Abriebfestigkeit, die Rundheit der Schüttkörner und
die chemische Beständigkeit (z. B. gegenüber Regeneriermitteln nach DVGW-Arbeitsblatt W 130) von Bedeutung.
Untersuchungsgegenstand
und Methodik
Als Prüfmaterialien wurden vier handelsübliche Filterkiese für den Brunnenbau in den
Korngrößenstufen nach DIN 4924 (1 bis 2
mm bis 8 bis 12 mm) und Glaskugeln (säurepoliert und matt) in den Körnungsspektren 1,25 bis 1,65 mm und bis maximal
12 mm untersucht. Dabei wurden folgende physikalischen Eigenschaften im Labormaßstab untersucht:
• Rundheit,
• spezifisches Gewicht,
• Schüttgewicht,
• Kornverteilung,
• Bruchlast bei statischer Beanspruchung,
• Bruchverhalten bei statischer Beanspruchung,
• Bruchverhalten bei dynamischer Beanspruchung,
• Abriebfestigkeit,
• Oberflächengestalt,
• Oberflächenprofil,
• Rauhtiefen,
SiLibeads
®
• spezifische Oberfläche,
• chemische Beständigkeit gegenüber
pH-gesteuerten Regeneriermitteln.
Die Methoden und Randbedingungen, die
zur Bestimmung dieser Materialeigenschaften angewendet wurden, sind in Tabelle 1 zusammengefasst worden. Bisher
liegen die ersten Ergebnisse von Vergleichsmessungen dieser physikalischen
Kenngrößen für folgende Kies- und Glaskugelfraktionen vor:
• Filterkies: 1 bis 2 mm und 1,4 bis 2,2
mm als Hauptvergleichsprodukte sowie
für ausgewählte Tests 2,0 bis 3,15 mm,
5,6 bis 8,0 mm und 8,0 bis 12,0 mm
• Glaskugeln: 1,25 bis 1,65 mm als Vergleichsprodukte zu den o. g. Filterkiesen
und für ausgewählte Tests 1,50 mm,
2,85 bis 3,45 mm, 3,00 mm, 5,00 bis
6,00 mm und 12 mm
Die Kenngrößen Nr. 5 bis 7 beeinflussen
das Kolmationsverhalten des Schüttkörpers und zusammen mit der Kenngröße Nr.
4 die Größe des entsandungsfähigen oder
kolmationsfördernden Unterkorns aus dem
Grundwasserleiter oder aus dem Schüttgut
selbst. Die Bildung von Unterkorn innerhalb
der Schüttgüter war einer der Ursachen,
Alternativen für bruchstückbildende und
kolmationsfördernde Filterkiese zu suchen.
Die Kenngrößen Nr. 9 bis 12 beeinflussen
das mikrobiologische und chemische Inkrustationsverhalten einer Schüttung im Brunnen.
Die Kenngröße Nr. 12 ist auch für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für die Wahl der
Schüttgüter in Trinkwasserbrunnen von
Bedeutung. Geringe innere Oberflächen
auf den Schüttgütern reduzieren nach
Houben & Treskatis (2003) Primäranlagerung der Inkrustationsprodukte und verzögern somit die „Verockerung“ von Brunnen. Daneben beeinflusst diese Kenngröße das Regenerierergebnis und dessen
Nachhaltigkeit bzgl. des Lösevorgangs
und der Wiederverockerung.
Ergebnisse
Die Labortests ergaben beim Vergleich der
beiden Materialtypen und unterschiedlichen Korngrößen folgende Ergebnisse:
• Kenngröße Nr. 1: Das spezifische Gewicht der handelsüblichen Quarzfilterkiese beträgt zwischen 2,615 und 2,655
kg/dm3, je nach Quarzgehalt. Bei den
Glaskugeln werden spezifische Gewichte von 2,503 kg/dm3 gemessen.
• Kenngröße Nr. 2: Das Schüttgewicht
beträgt beim Quarzfilterkies einer Körnung von 2 mm 1,599 bis 1,615 kg/dm3
und bei einer Glaskugel vergleichbarer
Größe 1,585 kg/dm3.
• Kenngröße Nr. 3: Die Rundheit der Glaskugeln wurde nach der in Tabelle 1 genannten Formel zu 0,97 ermittelt. Der
Quotient b/(l · 3) erreicht bei den Quarzkiesen im optimalen Fall 0,73 bis 0,78.
• Kenngröße Nr. 4: Mit Hilfe der digitalen
Bildanalyse wurden für verschiedene glaziofluviatile Sedimente aus dem Bodenseeraum Kornverteilungen bestimmt, um
die Korngröße zu bestimmen, die bei
dichtester Lagerung eines Filterkieses
und einer Glaskugelpackung den Schüttkörper passieren kann. Damit wird
– lassen Brunnen länger sprudeln
INNOVATIONS
Glaskug eln a ls E r satz für Filterk ies in B ru n n e n
- SiLibeads Glaskugeln entsprechen den Anforderungen des § 31 LFGB und Artikel 3 der Verordnung (EG) Nr. 1935/2004, somit
entfällt die Desinfektion vor der Befüllung
- Einkornschüttung ermöglicht optimale Anpassung der Filterschlitzöffnungen
- Kein Materialbruch beim Befüllen des Ringraumes, somit bleiben Filterschlitzöffnungen frei
- Harmonische Kugelform und einheitliche Kugelgröße verhindern Brückenbildung beim Befüllen des Ringraumes
- Klar- bzw. Entsandungspumpen nach dem Befüllen entfällt
- Höchstmöglicher Wasserdurchﬂuss auf Grund exakt gleicher Korngröße und Kugelform
- Eisen- und Manganverockerung reduziert sich um bis zu 40%, dadurch lassen sich
Kosten für Brunnenregenerierarbeiten einsparen
ert vom
Geförd
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h
c
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u
des De
stages
Bunde
25
| TECHNIK
die Anpassung der Korngröße der
Schüttung und die Entsandungsfähigkeit
des Brunnens verbessert und das passierfähige Korn aus dem Grundwasserleiter direkt bestimmbar. Hierzu werden
derzeit weitere Experimente im Labor-
maßstab durchgeführt. Abbildung 1
zeigt eine Versuchsanordnung zur quantitativen Bestimmung des passierfähigen
Korns aus dem Sediment über eine Glaskugelschüttung mit definiertem Kugeldurchmesser.
Mittlere Bruchlast in Abhängigkeit vom Filtertyp
Mittlere
Bruchlast [N]
100.000
11.398
10.000
3.442
2.549
455
1.000
1.620
1.417
788
763
266
96
60
100
10
Glaskugel Typ M (12 mm)
Art.Nr.: 5018-99-24 #855057-20
Filterkies Nr.5 (8-12 mm)
Glaskugel Typ S (5-6 mm)
Filterkies Nr.4 (5,6-8 mm)
Glaskugel Typ S (3.00 mm +-0.3)
Art.Nr.: 4511-A #820022
Glaskugel Typ S (2.85-3.45 mm)
Art.Nr.: 4511 #920032
Filterkies Nr.3 (2,0-3,15 mm)
Glaskugel Typ S (1.50 mm +-0.2)
Art.Nr.: 4505-A #820029-1
Filterkies Nr.2 (1-2 mm)
Glaskugel Typ S (1.25-1.65 mm)
Art.Nr.: 4505 #923033
Filterkies Nr.1 (1,4-2,2 mm)
1
Prüflos n=20;
Maschinentyp Inspekt Table 20kN (Hegewald & Peschke)
Testgeschwindigkeit: ab 0 s 50 mm/min
Bruchwertbestimmung: bei 90 % Kraftabfall Fmax.
Prüfdatum: 14.08.09
Prüfer: Michael Danhof
Abb. 2: Größen der Bruchlast von Filterkies und Glaskugeln verschiedener Körnungen
und Kugelgrößen und Gemischen bei statischer Lastaufnahme
Quelle: Autoren
Filtertyp
Vergleich Bruchcharakteristik Filterkies Nr. 4 (5,6-8 mm)/Glaskugel 4515R (5-6mm)
4.500
4.000
Kraft [N]
3.500
3.000
2.500
2.000
1.500
1.000
500
0
0,05
0,1
0,15
––––– Filterkies Nr. 4 (5,6-8 mm)
0,2
0,25
0,3
Weg [mm]
0,35
0,4
0,45
0,5
––––– Glaskugel 4515R #953059 (5-6 mm)
Abb. 3: Lastkurven für Filterkies (hier: 5,6 bis 8 mm) und Glaskugeln (hier: 5,6 bis 8
mm) in Funktion der Wegstrecke des Teststempels. Die Glaskugel kann im hier dargestellten Fall um 0,3 mm verformt werden, das gleich große Kieskorn nur 0,09 mm,
bevor es das erste Mal in kleinere Stücke zerbricht.
28
Quelle: Autoren
0
• Kenngröße Nr. 5: Die Bruchlast bei statischer Beanspruchung ergab für die Filterkiese eine Zunahme der Lastaufnahme
von ca. 60 N bis maximal 1.620 N parallel mit der Zunahme der Korngröße (Abb.
2). Glaskugeln zeigten eine analoge Zunahme der Lastaufnahme mit der Kugelgröße. Die Bruchlast steigt hier von 455
N auf > 11.000 N an.
• Kenngröße Nr. 6: Die Bruchcharakteristiken von Filterkies und Glaskugeln unterscheiden sich deutlich. Filterkies zerbricht
schon bei geringen Lasten in kleinere
Fraktionen, die dann bei weiterer Belastung in wiederum kleinere Stücke zerbrechen. Die Lastkurven für Filterkies (hier:
5,6 bis 8 mm) und Glaskugeln (hier: 5,6
bis 8 mm) in Funktion der Wegstrecke
des Teststempels (= Verformungslänge)
zeigt Abbildung 3. Die Kurve für den Filterkies zeigt Lastaufnahmen bis ca. 700
N. Das Korn zerbricht und die Last wird
auf mehrere Körner verteilt, bis diese wiederum nach Überschreitung der Bruchgrenze zerbersten. Dadurch entsteht eine
Sägezahnkurve der Lastaufnahme-Verformungslängen-Relation. Die Lastkurve
einer Glaskugel zeigt dagegen das Verhalten eines amorphen Körpers (Abb. 4),
der die Last bis zur Bruchgrenze (hier: ca.
4.800 N) aufnimmt und dann in feinste
Partikel zerbirst, die keine weiteren Lasten
aufnehmen können.
• Kenngröße Nr. 7: Die dynamische
Bruchcharakteristik wird zurzeit noch bestimmt. Ergebnisse liegen Ende 2009 vor.
• Kenngröße Nr. 8: Die Abriebfestigkeit wurde in einer Mühle mit Accelerator ermittelt.
Der Abrieb der Glaskugeln und Filterkieskörner < 0,2 mm wurde nach 9 Stunden
aus der Mühle geschwemmt. Dessen
Masse wurde danach der Masse der Testkörper gegenübergestellt. Die Glaskugeln
erlitten einen Abriebverlust (Massenverlust)
von ca. 0,5 Prozent je Stunde Mahldauer,
die Filterkiese um bis zu ca. 6 Prozent je
Stunde (Abb. 5). Insgesamt war der Massenverlust bei den Glaskugeln mit ca. 4
Prozent für den gesamten Testzeitraum
um den Faktor 13 geringer als beim Filterkies (bis zu 53 Prozent Massenverlust).
• Kenngrößen Nr. 9 und 10: Die Oberflächengestalt und das Oberflächenprofil
von Glaskugeln und Filterkies wurden
mittels Rasterelektronenmikroskop bestimmt (Abb. 4). Die Oberflächen unterscheiden sich erwartungsgemäß signifikant. Die Kieskornoberfläche weist eine
ausgesprochen unregelmäßige Struktur
mit Hochpunkten und Vertiefungen auf,
die in der Glaskugeloberfläche nur punktuell zu finden sind. Das Oberflächenprofil einer Glaskugel 1,5 mm +/- 0,2 mm
Tabelle 1: Methoden und Randbedingungen der Materialprüfungen an Glaskugeln und Filterkiesen unterschiedlicher
Korngrößen
Nr.
Kenngröße
Messmethode
1
Spezifisches
Gewicht
Verdrängungsmethode
2
Schüttgewicht
Volumenbezogene Gewichtsermittlung der Schüttung
Ein 1-dm3-Messbecher wird mit
dem Schüttgut befüllt und dann
die Gewichtszunahme ermittelt.
3
Rundheit
Vergleich der Breite b zur
Länge l
Rundheitsquotient = b/(l · 3); bei
einem Quotienten von 1 handelt
es sich um eine ideale Kugel
4
Kornverteilung
digitale Bildanalysen und Siebanalysen von realen Inlinerbohrproben glazio-fluviatiler Sedimente Süddeutschlands
Lockergesteine selektiert bis
10 mm Korngröße; Glaskugeln bis
12 mm Kugelgröße; Prüfmenge:
100 g
5
Bruchlast bei
statischer
Beanspruchung
6
Randbedingung
Anzahl der Tests je
Körnung/Material
Geräteeinsatz
n = 20
Pyknometer
n = 20
1-dm3-Messbecher
digitale Bildanalyse mittels
Camsizer®
n=1
digitale Bildanalyse
mittels
Camsizer®
Ermittlung der mittleren Bruchlast Ermittlung der mittleren Bruchlast
in Anhängigkeit vom Material und bei 90 % Kraftabfall; Testgeder Körnung/Kugeldurchmesser schwindigkeit 50 mm/min
n = 20
Inspekt Table
20 kN nach
Hegewald &
Heschke
Bruchverhalten
bei statischer
Beanspruchung
Vergleich der Bruchcharakteristi- Ermittlung der Bruchlast in
ken von Filterkies und Glaskugeln Funktion der Weglänge und
der Verformung
unterschiedlicher Durchmesser
n=1
Inspekt Table
20 kN nach
Hegewald &
Heschke
7
Bruchverhalten
bei dynamischer Beanspruchung
Beschuss einer Stahlplatte zur
Simulierung des Aufpralls der
Körner/Kugeln auf die Brunnenausbauverrohrung und auf Glaskugeln sowie Filterkies (unter
Bohrlochrandbedingungen)
8
Abriebfestigkeit
Simulation des Massenverlustes Bestimmung des Massenverlustes
durch Abrieb der Körner/Kugeln;
durch Abrieb bei der mechanische Regenerierung, z. B. bei Im- Prüfmenge 330 ml
pulsverfahren nach DVGW W 130
n=1
Willy A.
Bachofen
„WAB
Multilab“
9
Oberflächengestalt
digitale Oberflächenaufnahmen
mit REM
n=1
Rasterelektronenmikroskop (REM)
10
Oberflächenprofil
Bestimmung des Oberflächenprofils über eine definierte
Taststrecke; Abtasten der Oberfläche von Kieskörnern und Glaskugeln zur Bestimmung des externen Reliefs
n=1
Tastschnittgerät
11
Rauheit
Bestimmung der Rauhtiefen als
Höhendifferenz auf einer Taststrecke von 0,5 mm
n=1
Pertometer
12
spezifische
Oberfläche
Bestimmung der Gesamtoberfläche (äußere Oberfläche +
Oberfläche der nach außen geöffneten Poren ) der Kugeln und
Kieskörner mittels Gasadsortion
n=1
BET
13
chemische
Beständigkeit
Analyse der gelösten Elemente
aus den Glaskugeln und Kieskörnern nach Einlage in
verschiedene pH-gesteuerte
Regeneriertestlösungen
n=1
ICP
Synthetische Testlösungen wurden
nach handelsüblichen Produkten
(Säuren) hergestellt, da diese durch
Spurenelemente verunreinigt waren.
Insgesamt 15 h Behandlungszeit;
Kugeln und Körner vollständig
eingetaucht bei T = 20 °C
Tests laufen
zurzeit
Quelle: Autoren
Geschwindigkeit von 66,2 km/h
(freier Fall) für Filterkies (12 mm)
und 64,3 km/h für Glaskugeln
(12 mm)
29
27
Abb. 4.1 und 4.2:
REM-Aufnahme einer
Glaskugel im Vergleich
zu einem Filterkieskorn
gleicher Korngröße. Die
„glatte“ Oberfläche der
Glaskugel verhindert
die Bildung von Zugspannungen bei Lastaufgabe und mindert
die Anlagerung von
Inkrustationen.
Quelle: Autoren
| TECHNIK
Abrieb [%/h]
Abrieb
[%/h]
5,86 %/h
6
5
4
2,74 %/h
3
2
0,46 %/h
1
Glaskugel Typ S (1.25-1.65mm)
Filterkies Nr. 2 (1-2mm)
Filterkies Nr. 1 ( 1,4-2,2mm)
Prüfpartikel
Abb. 5: Massenverlust durch mechanischen Abrieb von Glaskugeln (1,25 bis 1,65
mm) und von zwei ähnlich gestuften, handelsüblichen Filterkiesen (1 bis 2 mm und
1,4 bis 2,2 mm)
und eines Korns aus der Fraktion 1-2
mm zeigt die Abbildung 6.
• Kenngröße Nr. 11: Die Rauhtiefen, bestimmt als Höhendifferenz zwischen dem
höchsten und tiefsten Punkt auf einer Taststrecke von 0,5 mm, belaufen sich beim
Quarzkies auf bis zu 1,21 µm, bei den
Glaskugeln dagegen auf bis zu 0,58 µm.
• Kenngröße Nr. 12: Die spezifische Oberfläche einer Glaskugel mit einer Größe von
1,25 mm und 1,5 mm (+/- 0,2 mm) beträgt weniger als 0,01 m2/g Masse. Dagegen erreicht der Filterkies eine spezifische
Oberfläche von bis zu 0,95 m2/g Masse
(bei einer Körnung 1,4 bis 2,2 mm).
• Kenngröße Nr. 13: Die chemische Beständigkeit der Glaskugeln und des Filterkieses gegenüber pH-gesteuerten Regeneriermitteln wurde prinzipiell über die
in üblichen Mengen eingesetzten Testlösungen bestätigt. Es ergaben sich jedoch materialabhängige Unterschiede
bei der Lösung von Elementen aus den
Schüttgütern bei verschiedenen Säurekonzentrationen. Abbildung 7 zeigt beispielhaft die Elementkonzentrationen bei
einer 15-stündigen Behandlung mit einer
30
synthetisch hergestellten, elementfreien
Salzsäure (1:5 verdünnt).
Diskussion
Die Glaskugeln unterscheiden sich erwartungsgemäß von den Filterkiesen in den
bisher durchgeführten Materialtests in allen
untersuchten Kenngrößen. Gesteuert werden diese Unterschiede einerseits durch die
Festigkeitsunterschiede amorpher (Glas)
und kristalliner (Kieskorn) Strukturen und
andererseits durch das Vorhandensein von
Oberflächenspannungen und Anisotropien
im Materialaufbau. Daneben spielen die
stofflichen Eigenschaften erwartungsgemäß eine Rolle bei der Exposition der Materialien gegenüber Chemikalien. Im Einzelnen wurden folgende physikalischen und
chemischen Charakteristika festgestellt.
• Kenngröße Nr. 3 (Rundheit): Glaskugeln erreichen herstellungsbedingt nahezu die Idealform einer Kugel, während
Quarzfilterkies auf Grund ihrer Genese
meist ovale Formen aufweisen.
• Kenngröße 4 (Kornverteilung): Die nahezu ideale Rundheit von Glaskugeln ermög-
Quelle: Autoren
0
licht die Bildung der dichtesten Kugelpackung, deren tetraederförmigen Hohlräume ein definiertes Kennkorn aus dem
Grundwasserleiter passieren lassen. Dieses Kennkorn erster Ordnung ergibt sich
aus der Multiplikation des Wendepunktes
einer konventionellen Siebanalyse nach
DVGW-Arbeitsblatt W 113 multipliziert mit
dem Ungleichförmigkeitsfaktor. Es kann
aber auch durch das Kornspektrum in größerer Trennschärfe mittels digitaler Bildanalyse, z. B. in 10tel Millimeterkorngrößen,
bestimmt und die jeweilige Fraktion mit ihrer Masse quantifiziert werden. Die Wahl
des passierfähigen Korns, das entfernt
werden soll, kann auch durch die Division
eines vorab nach W 113 gewählten Glaskugeldurchmessers durch den Faktor 6,7
bestimmt werden. Im Vergleich dieser Berechnung mit dem sehr fein abstufbaren
Kornspektrum einer digitalen Bildanalyse
eines Lockersedimentes kann der Gewichtsanteil des entfernbaren Kornes bei
der Entsandung ermittelt werden und somit der Suffosion des Bodens in den Brunnen und einer dauerhaften Sandführung
im Brunnen vorgebeugt werden (Abb. 1).
• Kenngröße Nr. 5 (Bruchlast, statisch):
Je größer die Korngröße des Schüttgutes desto größer ist die Lastaufnahme
bei beiden Materialien. Jedoch steigt der
Unterschied der Bruchlasten zwischen
Glaskugel und Kieskorn gleicher Größe
mit der Korngröße exponentiell an. Je
größer die Glaskugel, desto größer ist die
Lastaufnahmedifferenz im Vergleich zur
gleichgroßen Kieskornfraktion (Abb. 2).
• Kenngröße Nr. 6 (Bruchverhalten, statisch): Glaskugeln können im Vergleich
zum Filterkies sehr große statische Lasten
> 4 kN bis zur Bruchgrenze aufnehmen,
bevor sie in feine Partikel zerbersten. Säurepolierte Glaskugeln sind im Vergleich zu
matten Kugeln statisch höher belastbar, da
die Festigkeit eines amorphen Feststoffes
von den Anisotropien an der Oberfläche
gesteuert wird. Diese in der Regel geringen
Anisotropien erzeugen Zugspannungen an
der Kugeloberfläche und werden bei den
polierten Kugeln weitestgehend entfernt
(Abb. 4.1 und 4.2), sodass Zugkräfte an
der Kugeloberfläche vermieden werden.
Diese Art von Glaskugeln ist für Einbausituationen mit besonders hohen Beanspruchungen günstig. Filterkies bildet dagegen
schon bei geringen Belastungen von ca.
0,5 bis 0,7 kN zahlreiche Bruchstücke, die
sich in den Porenraum des Schüttkörpers
drücken und dadurch die weitere Lastaufnahme des Kornverbandes erst ermöglichen. Es entstehen im Lastfall oberhalb der
Bruchgrenze der Körner ungleichkörnige
Gemische unterschiedlicher Korngröße.
10.6
[P_ISO Profil]
Filterkies Nr. 2 (1-2 mm)
-6.372
17.043
3.033 µm/cm, x3296.993
-6.3798
2.149
(a)
0.000
0.200
[mm] 0.400
0.077
0.172
0.249
0.024 mm/cm, x421.357
09-14043 Probe Nr. 2: Glaskugel Typ S (1,50 mm +/- 0,2) Art.Nr. 4505-A 1820029-1
[µm] 1.384
Profil = P_ISO-Bereich = [1]
-0.130
0.000
0.200
[mm] 0.400
0.024 mm/cm, x417.171
Abb. 6: Oberflächenprofil eines Korns aus der Fraktion 1-2 mm (a) und einer Glaskugel 1,5 mm +/- 0,2 mm (b)
• Kenngröße Nr. 8 (Abrieb): Der Massenverlust beim Vermahlen von Filterkies simuliert den Prozess des Schüttens mittels Schüttrohren in einen Brunnen. Dabei kann das einzelne Filterkieskorn um
die Hälfte an Masse verlieren und somit
weitere autochthone Unterkornanteile in
der Schüttung bilden.
• Kenngrößen Nr. 9 bis 11 (Oberflächengestalt, Oberflächenprofil, Rauhtiefen):
Glaskugeln weisen eine nur gering profilierte Oberfläche auf, was die Ergebnisse
zum Anlagerungsverhalten bei Treskatis et
a. (2009) bestätigt. Dagegen können in
den z. T. mehrerer Mikrometer großen Vertiefungen der Quarzkornoberflächen Ablagerungen dauerhaft anhaften und an
Schichtstärke zunehmen (Abb. 6.1 und
6.2: bis 17,04 µm Gesamthöhenunterschied im gemessenen Oberflächenprofil
Quelle: Autoren
-1.643
0.487 µm/cm, x20544.658
(b)
des Kieskorns im Vergleich zu 3,03 µm bei
Glaskorn; gemessene Profillänge: 0,4
mm). Dadurch werden diese Anhaftungen
bei der Regenerierung nur unzureichend
entfernbar und vererzen mit der Zeit.
• Kenngröße Nr. 12 (spezifische Oberfläche): Der Unterschied in der spezifischen Oberfläche einer Glaskugel mit
weniger als 0,01 m2/g im Vergleich zum
Filterkies (bis zu 0,95 m2/g) erklärt die in
der Praxis oft auftretende geringe Nachhaltigkeit von Brunnenregenerierungen in
Kiesschüttungsbrunnen. Je größer die
spezifische Oberfläche eines Schüttgutes, desto größer die potenzielle Anlagerungsfläche und Masse der Inkrustationsprodukte.
• Kenngröße 13 (Beständigkeit gegenüber pH-gesteuerten Regeneriermitteln): Die gelöste Menge und Art der Elemente hängt in erster Linie vom Primärmineralgehalt des Schüttgutes ab. Bei
Glaskugeln aus Kalk-Natronglas werden
die Elemente Ca, Na und Si gelöst (z. B.
bis zu 12 mg/kg Na, s. Abb. 7), während
bei Kies Al, Ca, und Si dominieren. Hinzu
kommen beim Kies Beimengungen von
Schwermetallen, wie z. B. Ba, Cu und
Pb, die sich aus den Nebenbeimengungen des Filterkieses und den Ablagerungen von Eisensulfiden, wie z. B. Pyrit, ergeben. Insgesamt ist die mittels pH-gesteuerten Regeneriermitteln generierte
Elementkonzentration in den Testlösungen beim Filterkies größer und vielfältiger
als bei den Glaskugeln.
Die bisherigen Materialtests zeigten, dass
die mineralisch amorphen Glaskugeln hydraulische Vorteile aufweisen und eine Minderung der Anlagerungen von Inkrustationen begünstigen, die bei den untersuchten
DIN-Filterkiesen aus genetischen Gründen
limitiert sind. Es deutet sich an, dass die für
die Kennkornfestlegung recht ungenaue
31
29
| TECHNIK
Herausgelöste
Elemente [mg/kg]
100
Pr. Nr. 5 Glaskugeln „M” 12 mm
Pr. Nr. 6 Filterkies Nr. 5 (8-12 mm)
12,5
12,489
7,44
5,49
3,96
2,389
1
0,44
0,326
0,515
0,268
0,219
0,153 0,167
0,164
0,114
0,1
0,01
2,22
1,8
1,16
0,058
0,05
0,05
0,052
0,163
0,098
0,05
0,05
0,05
0,05
Literatur:
Al
Ba
Ca
Cu
Co
Fe
K
Mg
Mn
Na
Pb
Si
Ti
Zn
Herausgelöste Elemente
Abb. 7: Verteilung der gelösten Elemente aus Glaskugeln und Kieskörnern nach 15 h
Behandlungszeit mit einer Lösung von synthetisch hergestellter Salzsäure 1:5
Trennschärfe der DIN-Siebanalysen bei feinkörnigen, gleichkörnigen Sedimenten bei
ungenauer Bestimmung der Schüttkugelgröße rasch zu Fehlbemessungen des
Brunnens führen kann. Hier werden weitere
Untersuchungen im Labormaßstab zurzeit
im Rahmen des F&E-Vorhabens ausgeführt.
Zusammenfassung
Die physikalischen Eigenschaften von Glaskugeln und Filterkiesen unterschiedlicher
Kornspektren und Provenienz wurden in
Labortests unter brunnentechnischen Einsatzaspekten systematisch untersucht. Dazu wurden Glaskugeln und handelsübliche
Filterkiese verschiedener Lagerstätten verglichen. Gravierende Unterschiede ergeben
sich in der mechanischen Festigkeit, in der
Morphologie der Korn-/Kugeloberfläche
und bei der Rundheit, die für das Anlagerungsverhalten von Inkrustationen verantwortlich sind. Bei Glaskugeln wurde bei nahezu idealer Rundheit eine sehr geringe
spezifische, innere Oberfläche bei geringen
Rauheiten und Rauhtiefen festgestellt. Filterkiese haben genetisch bedingt dagegen
stark strukturierte, raue Oberflächen mit
großem Anlagerungspotenzial. Daraus wird
abgeleitet, dass dadurch die Regenerierhäufigkeit und die Nachhaltigkeit von Regenerierungen beeinflusst werden.
Für die Ergiebigkeit und das Kolmationsverhalten sind vor allem die Bruchlasten
und die Bruchcharakteristik von Bedeutung. Beim Filterkies ist eine geringe
Bruchlast von weniger als 0,7 kN gegenüber mehr als 4 kN bei Glaskugeln zu erwarten. Unter den beim Brunnenbau zu erwartenden Einbaubedingungen sind Brüche von Glaskugeln und Splitterbildungen
32
nicht zu erwarten. Der Abrieb einer Glaskugel ist um den Faktor 13 geringer als bei
gleich großem Filterkies. Glaskugel tragen
somit nicht zur Bildung von Unterkorn oder
Kolmationspartikeln bei.
Mit Hilfe digitaler Bildanalysen konnte die
Kornverteilung natürlicher Sedimente beispielhaft in hoher Auflösung der Kornstufen
bestimmt werden. Dadurch soll im Rahmen
weiterer Tests die Kugelgröße genauer an
das mobilisierbare (Unter-)korn des Grundwasserleiters angepasst werden. Ziel ist eine Verbesserung der Entsandungs- und
Regenerierfähigkeit des Brunnens.
Filtersande und Filterkiese sind genetisch bedingt von verschiedenen Primärmineralien
verunreinigt und bestehen nicht nur aus reinem SiO2. Dadurch werden bei einer Exposition dieser Schüttgüter gegenüber Säuren
neben dem Quarzindikator Si als Hauptelement vor allem Al, Ba, Cu, Fe, Mn und Pb gelöst. Bei Glaskugeln werden keine toxikologisch bedenklichen Elementkonzentrationen
nachgewiesen, da primär Ca, Na und untergeordnet Si, Mg und K gelöst werden.
Glaskugeln haben mechanische und physikalische Vorteile gegenüber natürlichen
Filterkiesen und können bei geeigneten Lockersedimenten und Festgesteinen einen
wichtigen Beitrag zur Vermeidung von Kolmationen und zur Reduzierung von Inkrustationen und somit zu insgesamt geringeren Entsandungs- und Regenerieraufwendungen leisten.
Danksagung
Das F&E-Vorhaben wird gefördert vom
Bundesministerium für Wirtschaft und
Quelle: Autoren
10
Technologie auf Grund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages (Förderkennzeichen: KU2027701BN8: „Abstützung von Bohrlöchern zur Wassergewinnung – Glaskugeln als Verfüll-, Stütz- und
Filtermaterial für den modernen Brunnenbau; Untersuchung des Sandrückhalteverhaltens (Filterwirkung) der Glaskugeln
im Vergleich zu Kies, Verockerungsneigung der Glaskugeln in Brunnen und unter Laborbedingungen, Einbauverhalten
der Glaskugeln in gebohrten Brunnen“
vom 12.03.2009)
Übersicht Beständigkeit gegen Regeneriermittel: Lösung B (4/4)
(Glaskugeln Typ M 12 mm/Filterkies Nr. 5 [8-12 mm])
DeZwart, B.-R. (2007): Investigation of Clogging Process in Unconsolidated Aquifers near Water Supply
Wells. – 200 S., Dissertation TU Delft.
Herrmann, F & Stiegler, X. (2008): Einsatz von Glaskugeln als Ersatz für Filterkies in Brunnen. – in: bbr
05/2008: S. 48-53; Bonn (wvgw).
Houben, G. & Treskatis, C. (2003): Regenerierung
und Sanierung von Brunnen - 280 S., 111 Abb., 32
Tab., Anhang und CD-ROM; München (Oldenbourg)
(ISBN: 3-486-26545-8).
Treskatis, C. (2007): Partikelinduzierte Kolmation von
Brunnen – Identifikation und Lösungsansätze. In: Drebenstedt, C. & Struzina, M. (Hrsg.): Grundlagen und
Erfahrungen der Übertragbarkeit von Modellversuchen auf großindustrielle Anwendungen, S. 59 – 71,
Freiberg, ISBN 978-3-86012-330-0
Treskatis, C., Hein, C., Peiffer, S. & Herrmann, F.
(2009): Brunnenalterung: Sind Glaskugeln eine Alternative zum Filterkies nach DIN 4924?.- in: bbr
04/2009: S. 36-44; Bonn (wvgw).
Autoren:
Bieske und Partner
Im Pesch 79
53797 Lohmar
Tel.: 02246 9212-22
Fax: 02246 9212-99
Internet: www.bieske.de
Dipl.-Ing. Michael Danhof
Dipl.-Ing. Michael Dressler
Sigmund Lindner GmbH
Oberwarmensteinacher Str. 38
95485 Warmensteinach
Tel.: 09277 994-0
Fax: 09277 994-99
[email protected]
Internet: www.sigmund-lindner.de
Dipl.-Ing. Frank Herrmann
Ochs Brunnenbau
Schieräckerstr. 32
90431 Nürnberg
Tel.: 0911 32430-30
Fax: 0911 3143-52
Internet: www.ochs-bau.de
n
Deutsche Brunnenbauertage 2009
Brunnenalterung: Sind Glaskugeln eine
Alternative zum Filterkies nach DIN 4924?
Innovation im Brunnenbau ■ Natürlicher Filterkies nach der DIN 4924 enthält heute zunehmend Feinanteile (autochtoner „Staub“ und Quarzkornbruchstücke) und überwiegend
unregelmäßig gerundete, plattig oder linsenartig geformte Quarzkies- und Gesteinsbruchstücke. Hinzu kommt eine Neigung zum Bruch der Quarzkörner beim Einbau in den Brunnen. Für die Brunnenbaupraxis konnte bestätigt werden, dass bei der Verwendung von
Glaskugeln im Brunnenringraum sowohl mechanisch bedingte Feinkorn- und Bruchstückbildungen vermieden werden können als auch eine deutlich geringere Inkrustationsneigung zu erwarten ist. Für die biochemischen Prozesse in einem Brunnen im natürlichen
Untergrund sind aufgrund der Oberflächenaffinität der Inkrustationen analoge Ergebnisse
zu erwarten.
D
ie Brunnenalterung ist ein
häufig vorkommendes Problem bei der Gewinnung von
Grundwasser und für den Brunnenbetreiber mit einem zunehmenden
Leistungsverlust verbunden [1-4]. Bisher hat sich die Ursachenforschung zu
dieser Thematik hauptsächlich auf
(bio-)chemische und mineralogische
Prozesse im Brunnenfilter und Filterkies fokussiert. Die Ursachen und Folgen von reversiblen und irreversiblen
chemisch-biologischen Alterungsprozessen am Brunnenfilter und in der
Kiesschüttung sind durch zahlreiche
Arbeiten seit den sechziger Jahren
Eintrittswiderstände
heute gut bekannt und aktuell in [4]
zusammenfassend publiziert worden
(Abb. 1).
und deren nächstem Umfeld (Filterkies, Grundwasserleitermaterial) ab
(Abb. 1 (a)).
Bei Untersuchungen in den Niederlanden wurde die mechanische Partikelfiltration als ein weiterer wichtiger Steuerprozess der irreversiblen
Brunnenalterung erkannt [5]. Die
Forschungen ergaben, dass etwa ein
Drittel aller Brunnen in Lockergesteinsgrundwasserleitern dort von
der Problematik einer mechanisch verursachten „äußeren Kolmation“ betroffen sind. Die Partikel lagern sich
dabei besonders an der Bohrlochwand
Von Brunnenbauunternehmen wird
berichtet, dass nach einer Brunnenentsandung oft keine nennenswerte
Verbesserung der Brunnenleistung
im Vergleich zum konventionellen
„Klarpumpen“ erreicht wurde. Untersuchungen in Festgesteinsbrunnen in
Franken zeigten, dass in den Schlitzen
von Schlitz- und Schlitzbrückenfiltern
gebrochener Kies und Splitter von
Quarzkieskörnern den freien Durchlass irreversibel verengten (Abb. 2).
In einem ersten Anwendungsfall
wurden im Herbst 2007 daher Glaskugeln als mechanisch stabiles Stützmedium in einem Festgesteinsbrunnen eingebaut (s. „Murmeln für
den Brunnen“ – Experten-Idee soll
der Verstopfung der Filter vorbeugen. in: Fürther Nachrichten vom
07.09.2007).
Eintrittswiderstände
Quelle: DeZwart et al. (2006)
Die bisherigen Untersuchungsergebnisse veranlassten die Autoren, die
materialtechnischen Forschungen mit
den 2007 verwendeten Glaskugeln der
Fa. Sigmund Lindner (Warmensteinach) fortzuführen.
(a)
(b)
Abb. 1 Schematische Darstellung der Lage einer äußeren (a) und inneren Kolmation
(b) an Brunnen.
36
Aktuelle Problemstellungen
In der Praxis hat sich seit einiger Zeit
gezeigt, dass einerseits der auf die Baustelle gelieferte Filterkies zunehmend
04 / 2 0 31
09
Brunnenbau
• hydraulischer Effekt der Korngeometrie auf die Entsandung und Regenerierung von Brunnen,
• Anlagerungsverhalten von Inkrustationen an quasi glatten Glaskugeln
und an den unebenen Oberflächen
der Quarzkiesschüttgüter.
Die Entsandung von Brunnen mit
Doppelpackern und der 5-fachen Zielfördermenge nach dem DVGW Arbeitsblatt W 119 stößt nach den modelltechnischen Untersuchungen von Nillert (2008) [6] an hydraulische Grenzen,
die eine Neuorientierung in den Bemessungsvorgaben für die Entsandung
und die Filterkiesschüttung erfordern.
Aufgrund des großen Durchlässigkeitskontrastes zwischen dem Grundwasserleiter und dem Filterkies erreichen die heute gängigen Entwicklungs- und Regeneriertechniken nur
einen Teil der Kiespackung um den
Brunnenfilter. Ursachen sind die
geringe Schleppkraft des Wassers während des Abpumpvorganges und die
heterogene Geometrie der durchlassfähigen Porenkanäle in der Kiesschüttung. Beides verhindert eine vollständige Auswaschung von Feinkornanteilen (autochtone und allochtone)
und von Inkrustationen in der Kiesschüttung.
Die „innere Oberfläche“ natürlicher
Kieskörner ist nach den Ergebnissen
von Untersuchungen [3] in zahlreichen
Lockergesteinsbrunnen am Niederrhein für die Eisenanlagerung und die
katalytisch gesteuerte Wiederbelegung
von zuvor gereinigten Kornoberflächen und die damit einhergehenden,
irreversiblen Leistungsrückgänge mit
verantwortlich. Je größer die innere
04 / 2 0 09
Quelle: Ochs
Feinanteile (autochtoner „Staub“ und
Quarzkornbruchstücke) enthält und
andererseits überwiegend unregelmäßig gerundete, plattig oder linsenartig geformte Quarzkies- und Gesteinsbruchstücke vorgefunden werden. Beide Phänomene können im Zusammenhang mit der an Brunnen
unterschiedlich rasch und intensiv
ablaufenden Brunnenalterung stehen.
Es ergeben sich zwei Themenkomplexe, die für die weiteren praxisnahen
Forschungsarbeiten von Bedeutung
sind:
Abb. 2 Teile eines Schlitzbrückenfilters mit eingeklemmten Kiesbruchstücken
und abgesplitterten Quarzkörnern in den Öffnungen
Oberfläche, d.h. die Unebenheit und
Rauheit der Kieskörner, desto größer
ist das „Wiederverockerungspotenzial“
und desto geringer ist die Nachhaltigkeit einer Brunnenregenerierung, d.h.
durch die Regenerierung wird der
Katalysator wieder aktiviert.
Ein einfaches Rechenbeispiel soll den
Einfluss der Oberfläche auf diesen Prozess verdeutlichen (s. [3]): Der Filterkies wird vereinfacht als Ansammlung
von Kugeln mit einer uniformen Korngröße von 2 mm angesehen. Aufgrund
der zu erwartenden lockeren Lagerung
sollen die Kugeln kubisch, d. h. in
lockerster Lagerung arrangiert sein.
Sie sind anfänglich von einer monomolekularen Schicht Eisenoxid von
vernachlässigbarer Dicke umgeben.
Ein Porenkanal von 1 mm Länge entspricht dann einer Oberfläche von
[4 · 0,25 · 2mm · π] = 6,28 mm2. Die
Verockerung wächst zunächst in die
Flaschenhälse der Pore hinein. Der dadurch entstehende röhrenförmige
Porenkanal mit einem Durchmesser
von 0,83 mm hat bei einer Länge von
1 mm eine Oberfläche von 2,60 mm2,
eine Verminderung um den Faktor ≈
2,4. Entfernt man nun die Inkrustation
aus den Flaschenhälsen der Poren,
so wird die katalytische Wirkung
der Eisenoxid-Oberfläche wieder um
diesen Faktor gesteigert. Auch die
Besiedlungsfläche für Eisenbakterien
wird um den gleichen Betrag erhöht.
Forschungsansatz
Auf der Fachmesse „geofora 2007“ in
Hof a. d. Saale wurde erstmals über den
Einsatz von Glaskugeln in Brunnen als
Alternative für Filterkies in besonders
inkrustationsgefährdeten Brunnen
Nordbayerns berichtet. Wesentliche
Grundlagen dieser Anwendung, der
Kugelgrößenbemessung und die Eigenschaften von Glaskugeln im Vergleich zum Filterkies während des Einbaus und bei der Brunnenentwicklung
wurden in [7] veröffentlicht.
Langfristige und wissenschaftlich belastbare Praxiserfahrungen mit diesem
Medium liegen noch nicht vor, werden
aber bei verschiedenen Anwendungen
von Brunnenbetreibern und Brunnenbauern z. Z. bei verschiedenen Projekten deutschlandweit gesammelt. Der
Zusammenhang zwischen der „Rauheit“ von Kieskörnern und der oft
raschen „Wiederverockerung“ von
Brunnen ist Ausgangspunkt für die
Frage, ob Brunnen mit glatten, nahezu
gleich großen Glaskugeln im Ringraum
ein geringeres oder vergleichbares
Anlagerungspotenzial von Fe-Oxiden
haben als Brunnen mit konventioneller
Kiesschüttung nach DIN 4924.
Im Nachfolgenden wird über die Ergebnisse grundlegender Forschungen an
der Universität Bayreuth berichtet, die
sich mit dem zweiten Themenkomplex
des Anlagerungsverhaltens von Eisen37
Quelle: Ochs
hydroxiden an glatten Glaskugeln und
konventionellem Filterkies im Labormaßstab beschäftigten.
Abb. 3a Filterkies mit unregelmäßig geformten Körnern und mit Fe- und Schichtsilikat-Ablagerungen in den Vertiefungen der Kornoberflächen
Standard und Anforderungen an
die Filterkiespackung in Brunnen
Die Filterkiespackung ist die wichtigste
Schnittstelle zwischen dem Grundwasserleiter und dem Brunnenfilter.
Bereits beim Bau eines Brunnens muss
die Versandung und die Kolmation verhindert und eine Regenerierung oder
Sanierung des Bauwerkes in die Bemessung der Filterkieskorngröße berücksichtigt werden. Dieser Grundsatz
ist nach grundlegenden Forschungsvorhaben (z.B. [8]) und Praxistests in
der Fachwelt als „Stand der Technik“
verankert und in die brunnenbaubezogenen Arbeitsblätter des DVGWRegelwerkes eingeflossen.
Quelle: Ochs
Seit den sechziger Jahren befassten sich
zahlreiche Autoren immer wieder mit
dem Thema „Versandung und Entsandung“ sowie mit den Themen
„Regenerierung und Sanierung“ von
Brunnen. Daraus lassen sich die
„Grundforderungen“ und „Leitparameter“ an die Bemessung von Brunnenfilterkiesen wie folgt ableiten:
Abb. 3b Silikat-Glaskugeln mit glatter Oberfläche in dichtester Lagerung
Eigenschaft des Materials
Qualitätsziele
Gewaschen und frei von
„Unterkorn“
Geringe Materialverluste frei von „Unterkorn“
und Kompaktion beim Entwickeln des Brunnens; Reduktion der Entwicklungszeit
Gut gerundete Kieskörner
Erhöhung der Porosität und hydraulischen
Durchlässigkeit gegenüber dem Grundwasserleiter; Reduktion der Absenkung und
Druckverluste; Verbesserung der Entwicklungsfähigkeit und Ergiebigkeit
Hoher Quarzanteil
Vermeidung von Volumenveränderungen
durch quellfähige oder zerbrochene
Mineralien
Glatte Oberfläche
Verringerung von Ablagerungen
Geringe Ungleichförmigkeit
Geringe Entmischung beim Schütten
Vermeidung von Druckverlusten durch
Kolmation
Tabelle 1 Allgemeine für den Brunnenbau vorteilhafte Materialeigenschaften
und Qualitätsziele für Kies (außerhalb der aktuell gültigen DIN 4924)
38
• Anpassung der Fördermenge an die
Leistungsfähigkeit des erschlossenen
Grundwasserleiters, Vermeidung einer zu „hohen Absenkung“ und dadurch ausgelöste Turbulenzen und
Eintrittsverluste (Leitparameter: spezifische Ergiebigkeit),
• Verfilterung nur eines hydraulisch
und hydrochemisch homogenen
Grundwasserleiters in einer Bohrung
zur Vermeidung von vertikalen Kurzschlüssen und einer beschleunigten
Brunnenalterung (Leitparameter:
Redoxverhältnisse und hydraulische
Durchlässigkeit der Schichtenfolge),
• möglichst großes, durchflussfähiges
Porenvolumen in der Filterkiespackung mit Abstimmung auf das
Kennkorn des Grundwasserleiters;
Anpassung des Filterschlitzes an das
Schüttkorn (Leitparameter, Kennkorn, Filterfaktor, Schlitzweiten nach
DVGW-Arbeitsblättern W 113 und
W 118).
In der Tabelle 1 sind die heute, unabhängig von DIN 4924, als Quali04 / 2 0 33
09
Brunnenbau
tätsziele definierten allgemeinen Anforderungen an den Filterkies im
Brunnenbau zusammengestellt.
Die oben genannten Materialeigenschaften wurden in der alten DIN
4924 Filtersande und Filterkiese für
Brunnenfilter, Ausgabe 1972/02 unter
dem Punkt Lieferbedingungen im
Einzelnen aufgeführt und verlangt.
U. a. legte die „alte“ DIN 4924 unter
dem Punkt „Lieferbedingungen“ folgende Materialeigenschaften fest:
• Es dürfen keine gequetschten oder gebrochenen Gesteinstrümmer geliefert
werden,
• die Form der einzelnen Körner soll
der Kugelform nahe kommen,
• die Oberfläche der Körner soll glatt
sein,
• Filtersand- und -kies soll aus reinem
Quarz (96 % SiO2) bestehen und
• Unter- und Überkornmassenanteil
dürfen maximal 10 % betragen.
Die Beibehaltung dieser, für den
Brunnenbau unabdingbaren Forderungen an die Materialeigenschaften
der Sande und Kiese, hätte zu einer
gravierenden Materialverknappung
geführt. Deshalb wurde die derzeit aktuelle DIN 4924 Ausgabe 1998-08 als
allgemein anerkannte Regel der Technik für Sande und Kiese für den
Brunnenbau entsprechend überarbei-
04 / 2 0 09
tet und die Anforderungen an das
Brunnenbaumaterial reduziert:
• Die zulässigen Massenanteile an
Unter- und Überkorn wurden für die
Korngruppen über 2,0 mm Durchmesser stark erhöht,
• die glatte Oberfläche der Körner
wurde nicht mehr gefordert und
• in den Korngruppen bis 5,6 mm
braucht die Form der einzelnen Körner nicht mehr rund, sondern nur
noch kantengerundet sein.
Filterkiesbeschaffenheit
als Alterungsfaktor
Als poröses Medium aus einem natürlichen Korngemisch ist die geschüttete
Filterkiespackung mit ihren Grenzflächen zum Brunnenfilter und zum
Grundwasserleiter der entscheidende
Reaktionsraum für Brunnenalterungsprozesse und die hydraulische Leistungsfähigkeit eines Brunnens. Folgende Eigenschaften des Filterkieses
und dessen Grenzmedien beeinflussen
auch die Brunnenalterung:
• Kornform (Abweichung von der
idealen Kugelform),
• innere Oberfläche der Körner (Rauigkeit),
• Bemessung des passierbaren Lückenvolumens und der aus der Kornform
und Lagerungsdichte resultierenden
Geometrie der Porenkanäle,
• suspendierter Feinstkornanteil im
Wasser aus dem Grundwasserleiter,
und untergeordnet aus dem Schüttgut, der sich in den Porenkanälen
entweder außerhalb der Reichweite
der Entsandungs- und Regeneriertechniken oder aufgrund der gerichteten Brunnenanströmung akkumulieren kann.
Die Anwesenheit von Partikeln und
Kolloiden im Grundwasser ist bereits
seit Längerem bekannt. Es handelt sich
dabei um suspendierte Feststoffe, die
aufgrund ihrer geringen Größe die im
Brunnenbau eingesetzten porösen
Medien in der Regel passieren können.
Eine Ablagerung der Feinpartikel im
Porenraum kann die Durchlässigkeit
dort stark vermindern, sodass die
Brunnenleistung reduziert wird. Das
Phänomen ist z. B. in Infiltrationsbrunnen bekannt, bei denen eine
erhöhte Feststoffkonzentration sehr
schnell zur Verstopfung des brunnennahen Porenraumes führt. Der Ablagerung der Partikel liegen verschiedene physikalische und physikochemische Prozesse zugrunde. In jüngster
Zeit wurden solche Filtrationsprozesse
auch als Ursache für den Leistungsrückgang von Förderbrunnen identifiziert [9,10].
Filterkies wird nach DIN 4924 in definierten Kornfraktionen und mit
39
Quelle: Hein (2008)
einem Quarzgehalt von meist > 96%
geliefert. Er besteht jedoch bei
genauerer Betrachtung je nach Lagerstätte aus kantengerundetem Quarzkies, Gesteinsbruchstücken wie Grauwacken oder Quarziten sowie aus
Splittern gebrochener Gangquarze
oder Quarze metamorpher oder
magmatischer Gesteine. Eigene Untersuchungen der Autoren belegen, dass
der Feinkornanteil < 5 μm in den auf
die Baustelle gelieferten Bigbags bis zu
10% des Gesamtgewichtes betragen
kann.
Quelle: Hein (2008)
Abb. 4a+b Versuchssäulen mit Filterkies und Glaskugeln vor Versuchsbeginn
Abb. 5a+b Versuchssäulen geöffnet mit Filterkies (links) und Glaskugeln (rechts)
nach Versuchsende
Durchmesser
der Kugeln
d [mm]
Volumen der
Kugelpackung
[mm3]
Anzahl der
Kugeln je m3
[-] · 106
Feststoffvolumen
[%]
Porenvolumen
2
4,189
125
52,4
47,6
5
65,45
8
52,4
47,6
10
523,60
1
52,4
47,6
[%]
Tabelle 2 Anzahl der Kugeln und Porenvolumnia bei einem Gemisch ideal runder,
gleichkörniger Kugeln in lockerster Lagerung
40
Bei der optischen Betrachtung verschiedener Materialproben von handelsüblichen Filterkiesen war eine z. T.
intensive gelb-bräunliche Färbung besonders auffällig. Sie rührt von einer
feinen oberflächlichen Belegung der
einzelnen Körner mit Eisenoxiden und
FeOOH her. Diese ist vor allem auf
Körnern zu beobachten, die aus verwitterten magmatischen oder metamorphen Quarzen bestehen. Eine
Belegung der Kornoberflächen mit
Tonmineralien wurde bei Quarzkiesen
aus Lagerstätten im Umfeld von
kaolinreichen Gesteinen beobachtet.
Ein Grund für die Erhöhung des genannten Feinkornanteils in den untersuchten Filterkiesproben ist mit der
mechanischer Beanspruchung und der
dadurch hervorgerufenen Ablösung
des „FeO/FeOOH-“ oder „TonmineralStaubes“ von den Einzelkörnern erklärbar. Eine mechanische Veränderung der Einzelkörner war in vielen
Proben erkennbar, die sich in der
Körnungsanalyse ohne eine signifikante Steigerung des Kleinkornanteils,
bzw. eine Abnahme des Großkornanteils manifestierte. Es wurden Quarzsplitter in den Feinkornanteilen optisch
erkannt, die aus der verwitterungsbedingten Zerlegung von Quarzen
beim Ablagerungs- und Umlagerungsprozess in der Lagerstätte stammen
können und beim Sieben und Waschen
nicht vollständig entfernt wurden. Entlang dieser Strukturen können die
Quarzkörner beim Einbau in den
Brunnen zerbrechen (Abb. 3a + 3b).
In den Proben verschiedener Lagerstätten wich die Kornform von der
Kugelform erheblich ab. Es wurden
überwiegend rhomboidale und lenti04 / 2 0 35
09
Brunnenbau
Die mechanische Brunnenalterung
durch Ablagerung von Partikeln im
Porenraum der Filterkiespackung steht
im engen Zusammenhang mit den Prozessen ihrer Mobilisierung und Filtration. Bei der Brunnenentwicklung
werden meist nur die Feinkornanteile,
die mit dem Kies eingebracht wurden
oder beim Einbau durch das Zerbrechen der Quarzkörner entstanden
sind, entfernt. Da die hydraulische
Reichweite der heute gängigen Entsandungsmethoden physikalisch limitiert ist, ist dieser Reinigungsprozess
in den meisten Brunnen nur unvollkommen und ein wesentlicher Auslöser
der mechanischen Brunnenalterung.
Die offensichtlichste Sperrschicht ist
die ehemalige Bohrlochwand, besonders wenn dort ein Filterkuchen aus
feinkörnigem Material der Bohrlochspülung verblieben ist. Hinter diesem
können im Lauf des Betriebes des
Brunnens weitere, aus dem Grundwasserleiter erodierte Partikel akkumuliert werden (Abb. 1 (a)). Aber auch
in gut entwickelten Brunnen kann eine
mechanische Filtration vorkommen,
die sich mit zunehmender Betriebsdauer aufbaut. Dabei sind die geologischen Gegebenheiten des Grundwasserleiters von entscheidender Bedeutung. Schlecht sortierte Grundwasserleiter mit hohem Feinkornanteil
liefern besonders viele Partikel, gering
durchlässige Leiter mit geringen Porenöffnungsweiten (Porositäten) sind besonders gute Filter, aber auch hydraulisch geringer durchlässig als grob
sortierte Sedimente [9].
Die Porosität eines Sedimentes wird
also durch dessen Ungleichförmigkeit
gesteuert, sodass die „äußere Kolmation“ häufig in Brunnen mit Filtern in
ungleichförmig sortierten, fluviatilen
Sedimenten angetroffen wird [2].
04 / 2 0 09
Eisengehalt
[μmol]
300
250
200
Säule A
Säule B
150
Säule C
100
Säule D
50
0
1
2
3
4
5
6
7
Horizonte 1 - 10 (à 5 cm)
8
Säule D
Säule C
Säule B
Säule A
9
Quelle: Hein (2008)
kulare Körner beobachtet. Der Anteil
an Feldspäten (z. B. brekziöse Gesteinsfragmente aus Feldspat und Glimmer
sowie von Quarz und Feldspat) und
Schichtsilikaten (Fe-Glimmer) ist in
den meisten untersuchten Proben
gering, ist aber durch deren besondere
Feinkörnigkeit sowie durch die starke
Belegung der Kornoberflächen mit Eisenoxiden und Eisenhydroxiden nicht
eindeutig bestimmbar.
10
Abb. 6 Verteilung der Eisenmassen in den 10 Probennahmehorizonten der Versuchssäulen (Horizont 1 ist am Einlauf, Horizont 10 am Auslauf der Fe-Perkolationslösung)
Säulenbezeichnung
Filtermaterial
Korngröße
[mm]
Säule A
Säule B
Glaskugeln (GK)
Säule C
Säule D
Filterkies (FK)
3,8 - 4,4
6
3 - 5,6
5,6 - 8
Porenvolumen
[ml]
928,9
998,9
1006,1
1006,1
durchschnittliche Flussrate
[ml * min-1]
0,60*
0,61
0,65
0,59
*abgeschätzt
Tabelle 3 Filtermaterial, Korngrößen, Porenvolumen und Flussraten in den
4 Versuchssäulen (Hein 2008).
Kenngröße
Säule A
Säule B
Säule C
Säule D
Dispersionslänge DL
[cm2 * sec-1]
7,44E-05
8,67E-05
1,10E-04
8,98E-05
Abstandsgeschwindigkeit va
[m * h-1]
0,020
0,020
0,018
0,018
Dispersivität α [m]
0,0013
0,0015
0,0021
0,0018
38,5
41,4
41,7
41,7
Porenraum n [%]
Tabelle 4 Hydraulische Kenngrößen der vier Versuchsäulen. (Hein 2008)
Je größer die Porosität und je gleichförmiger die Lückenvolumina verteilt
sind, desto geringer ist die Kolmationsgefahr durch die Tiefenfiltration
der von außen eingeschleppten Feinpartikel. Gleichzeitig wird die Entsandungswirkung durch den leichtern Austrag des Unterkorns aus der
Kiespackung verbessert. Die größte
Porosität wird in einem porösen
Medium bei gleichgroßen Kugeln in
lockerer Lagerung erreicht [8]. Die
Kugelform beeinflusst dabei die Porosität, die Korngröße spielt dagegen
keine Rolle, wie die Beispiele in Tabelle 2 zeigen.
Bei gleichkörnigen, gerundeten Körnern entscheidet die Lagerungsdichte
über das Porenvolumen des porösen
Mediums. In der lockersten Lagerung
gleichgroßer Kugeln (Würfelanord41
Quelle: Hein (2008)
raum in Folge der Abweichungen der
Kieskörner von der idealen Kugelform“
Abb. 7 Optischer Vergleich des Ausgangsmaterials und des teilweise inkrustierten
Materials am Versuchsende nach der Probennahme
Säulenhorizonte (Ø 5cm)
Säule A
Säule B
Säule C
Säule D
10
19,7
19,5
45,3
26,1
9
23,9
17,8
52,8
40,1
8
26,3
21,7
35,8
48,2
7
31,9
22,0
43,0
42,8
6
31,0
28,4
73,3
42,4
5
40,7
33,9
60,7
64,7
4
41,4
42,3
104,8
71,8
3
59,9
64,0
84,6
63,7
2
67,3
76,4
105,8
151,6
1
268,8
275,1
294,9
253,6
3,7
3,7
14,4
14,7
610,9
601,2
901,1
805,0
1,6
100 %
49,9
33,9
Ø-Blindwerte
Summe
%-Abweichung von B (100 %)
Ø-Gehalt pro Säule (μmol)
Ø Glaskugeln: 606,1
Ø Filterkies: 853,0
Tabelle 5 Eisenmassenbilanz für die Entnahmehorizonte der 4 Versuchssäulen,
Werte in [μmol], (Hein 2008).
nung) besitzt ein Einheitskubus von
1 m3 die größte mögliche Porosität von
47,6 %. In der dichtesten Tetraederlagerung reduziert sich die Porosität
auf 25,9 % (Abb. 3b). In natürlichen
Schüttmedien treten diese beiden Extrema nicht auf, da im Brunnenringraum aufgrund der Unrundheit und
der inneren Reibung der Schüttgüter
nur die Übergänge zwischen der dich42
testen und lockersten Lagerung realisiert werden können. Die Porosität ist
somit eine Funktion der Anordnung
der Körner im Raum und somit abhängig von der Kornform.
These:
„Der Filterkies fördert die Brunnenalterung aufgrund seiner heterogenen
Porositätsverteilung im Brunnenring-
Anlagerungsversuche im Labor
Unter festgelegten Rahmenbedingungen wurde am Lehrstuhl für Hydrologie der Universität Bayreuth ein vereinfachter Vergleich der chemischen
Verockerungsneigung von Filtermaterialien und somit zur Untermauerung
der o. g. These durchgeführt. Zur Simulation unterschiedlicher Filtermaterialschüttungen wurden im Labor vier
Säulen mit je 50 cm Länge und 8 cm
Durchmesser mit zwei Materialtypen
in zwei Korngrößen befüllt. In der
Tabelle 3 sind die Befüllmaterialien
der vier Säulen charakterisiert worden.
Die Abbildungen 4a + 4b zeigen den
Versuchsaufbau mit den beiden Filtermaterialien.
Beim Einbau des natürlichen Filterkiesmaterials in die Säulen C und D
wurde festgestellt, dass die Filterkieskörner entlang vermutlich tektonisch
vorgezeichneter Bruchflächen zerbrachen und sich dadurch das Wasser
in der Säule stark trübte. Die Säulen
wurden vor Versuchsbeginn daher
mehrfach mit entgastem Wasser klargespült. Dieser Vorgang ist hinsichtlich
der autochtonen Materialentfernung
dem Entsandungsprozess im Brunnen
gleichzusetzen. Beim Einbau der
Glaskugeln in die Säulen A und B wurde
dieser Prozess des Zerbrechens erwartungsgemäß nicht beobachtet.
Um die vier Säulen hydraulisch vergleichen zu können, wurden die in
Tabelle 4 aufgeführten hydraulischen
Kenngrößen mittels Tracerversuche ermittelt.
Für die Anlagerungsversuche wurde
zur Simulation eines eisenhaltigen
Grundwassers das 1,5-fache Porenvolumen einer entgasten Perkolationslösung mit pH = 7 und einem Eisengehalt von 1 mmol/l von unten durch
die Säule geleitet. Zur Initiierung der
„Verockerung“ wurden die Säulen mit
1,5-fachen Porenvolumen destilliertem,
mit Luftsauerstoff gesättigtem Wasser
durchströmt. Die Flussrate betrug 0,6
bis 0,65 ml/min (ca. 2,3 l/h), was bei
der gewählten Versuchsgeometrie einer
Abstandsgeschwindigkeit von 0,5 m/d
04 / 2 0 37
09
Brunnenbau
Säule A
Säule B
Säule C
Säule D
Horizont 10 (Ausfluss)
19,7
19,5
45,3
26,1
Horizont 9
23,9
17,8
52,8
40,1
Horizont 8
26,3
21,7
35,8
48,2
Horizont 7
31,9
22
43
42,8
Horizont 6
31
28,4
73,3
42,4
Horizont 5
40,7
33,9
60,7
64,7
Horizont 4
41,4
42,3
104,8
71,8
Horizont 3
59,9
64
84,6
63,7
Horizont 2
67,3
76,4
105,8
151,6
Horizont 1 (Einlass)
268,8
275,1
294,9
253,6
Die Mittelwerte der Horizonte sind:
X
untereinander homogen
aber signifikant verschieden
von rot
nicht signifikant
verschieden
von rot oder grün
X
untereinander homogen
aber signifikant verschieden
von grün
X
Tabelle 6 Ergebnisse der statistischen Auswertung der Mittelwerte der Eisenmassen in den Probennahmehorizonten
der Versuchssäulen [X = nicht normalverteilt]. (Hein 2008).
(0,0000057 m/s) entsprach. Die Durchströmungsgeschwindigkeit liegt somit ca. drei Zehnerpotenzen unter
der maximalen Filterrohreintrittsgeschwindigkeit nach DVGW-Arbeitsblatt W 118. (vkrit = 0,002 bis 0,003 m/s).
Nach Versuchsende wurde das Säulenmaterial in 5 cm-Abschnitten entnommen und zur photometrischen
Eisengehaltsbestimmung mit Dithionit
reduziert. Abbildung 5 zeigt die geöffneten Säulen mit Filterkies (links)
und Glaskugeln (rechts) nach Versuchsende.
Ergebnisse und Interpretation
der Laborversuche
Die Tracersuche in den vier Versuchssäulen zeigten ein ähnliches hydraulisches Verhalten, nachdem die Filterkiessäulen vom primärem und sekundärem „Unterkorn“ befreit wurden
(Tab. 3). Der sehr kleine Dispersionskoeffizient DL weist auf einen advektiven Transport des Wassers durch
die Versuchssäulen hin. Bei der Eisenbestimmung der Probennahmehorizonte fiel auf, dass schon kurz hinter
dem Einlauf, bei dem Glasfritten der
04 / 2 0 09
gleichmäßigen Verteilung der Perkolationslösung dienten, sich deutlich
sichtbare Inkrustationen entlang eines
„bevorzugten Fließweges“ in Form
eines „zentralen“ Kamines ausbildeten
(s. Abb. 5). Dieser Effekt ist aus Aufbereitungsfiltern bei der Enteisenung
im Wasserwerk bekannt.
Säule bei den Glaskugeln und ca. 850
μmol Fe/Säule beim Filterkies festgestellt. die Abbildung 6 zeigt die Verteilung der Eisenmassen in den vier
Säulen in den insgesamt 10 Probennahmehorizonten. im Filterkies wurden
im Vergleich zu den Glaskugeln ca.
40 % mehr Eisenmasse retardiert.
Die Eisenanlagerungen am Filtermaterial nahmen in allen vier Säulen mit
der Entfernung vom Einlauf stark ab,
sodass am Versuchsende die Säulen an
ihrem jeweiligen Auslauf frei von
visuell erkennbaren Inkrustationen
waren. Erst die Glasfritten am Auslauf
zeigten wieder Eisenablagerungen.
Ein Grund hierfür ist vermutlich die
größere Oberfläche und der Druckverlust mit höheren spezifischen Geschwindigkeiten in den Austritten. Somit ist zu schlussfolgern, dass die in
Tabelle 5 angegebenen Eisenmassen
an den Filterkieskörnern und an den
Glaskugeln primär durch die jeweilige
Oberflächengeometrie der Körner beeinflusst werden.
Generell lässt die vereinfachte Versuchsanordnung den in der Praxis
erwarteten Schluss zu, dass die glatten
Glaskugeln mit ihrer vergleichsweise
geringeren Oberfläche deutlich
weniger Eisen anlagerten, als der raue
und ungleichmäßig geformte Filterkies
(Abb. 7). Diese Feststellung gilt für die
rein chemisch bedingte Inkrustation
durch die Oxidation eines mit reduziertem Eisen befrachteten Grundwassers. Bei einer zusätzlich mikrobiologisch induzierten Inkrustation
sind nach diesen Versuchsergebnissen
ebenfalls Unterschiede im Anlagerungsverhalten zu erwarten.
In der Gesamtmassenbilanz wurden im
Verlauf des Versuchs ca. 600 μmol Fe/
In der Tabelle 6 sind die Ergebnisse
eines horizontbezogenen statistischen
Vergleichs der Messwerte mit SPSS 16
(Tucey HSD PostHoc test, Signifi-
43
kanzniveau 5 %) dargestellt. Betrachtet
man nur die normalverteilten Horizontergebnisse, sind die Eisengehalte
bzw. deren Mittelwerte aller Glaskugelhorizonte untereinander homogen und in vier von sieben Horizonten
sogar signifikant niedriger als die
Mittelwerte der Filterkieshorizonte.
Darüber werden die rein massenbezogenen Erkenntnisse zum Anlagerungsverhalten der beiden Materialtypen bestätigt.
Zusammenfassung und Ausblick
Natürlicher Filterkies nach der DIN
4924 enthält heute zunehmend Feinanteile (autochtoner „Staub“ und
Quarzkornbruchstücke) und überwiegend unregelmäßig gerundete,
plattig oder linsenartig geformte
Quarzkies- und Gesteinsbruchstücke.
Hinzu kommt eine Neigung zum
Bruch der Quarzkörner beim Einbau
in den Brunnen. Beide Phänomene
können die Brunnenentwicklung, die
Brunnenleistung und die Brunnenalterung negativ beeinflussen. Es ergeben sich für die Brunnenbaupraxis
zwei Themenkomplexe, die bereits in
den achtziger Jahren im Rahmen von
Forschungsarbeiten behandelt wurden.
Zum einen beeinflusst die Korngeometrie die effiziente Entsandung und
Regenerierung von Brunnen. Zum
anderen wird ein unterschiedliches Anlagerungsverhalten von Fe-Inkrustationen an glatten Glaskugeln und an
den unebenen Oberflächen der Quarzkiesschüttgüter erwartet.
Aus den Ergebnissen vereinfachter Anlagerungsversuche wurde die geringere
Anlagerungsneigung für chemisch
abgeschiedenes dreiwertiges Eisen aus
einem reduzierten Grundwasser für
Glaskugeln prinzipiell bestätigt. Daneben wurde beim Einbau der natürlichen Filterkiese festgestellt, dass die
verwendeten Kiesprodukte eine geringe
mechanische Stabilität aufwiesen. Dadurch werden Feinanteile und Bruchstücke beim Herstellprozess des
Brunnens zusätzlich „produziert“. Die
Entsandungs- und Regeneriereffizenz
wird so erheblich reduziert, da die
Bruchstücke in den Schlitzen der Filterrohren irreversible „Kolmationen“ erzeugen können. Diesem Kolmationstyp kann durch die höhere mechanische
44
Stabilität der Glaskugeln begegnet
werden, wodurch die zeitaufwendige
Entfernung authochtoner Feinkornanteile und Bruchstücke beim Brunnenbau vermieden werden kann.
Für die Brunnenbaupraxis konnte somit bestätigt werden, dass bei der Verwendung von Glaskugeln im Brunnenringraum sowohl mechanisch bedingte
Feinkorn- und Bruchstückbildungen
vermieden werden können als auch
eine deutlich geringere Inkrustationsneigung zu erwarten ist. Für die biochemischen Prozesse in einem Brunnen
im natürlichen Untergrund sind aufgrund der Oberflächenaffinität der Inkrustationen analoge Ergebnisse zu
erwarten.
Danksagung
Die Autoren danken der Fa. Sigmund
Lindner, Warmensteinach, für die
Unterstützung des F&E-Vorhabens
und die Bereitstellung von Materialproben und eigener Forschungsergebnisse zum mechanischen Verhalten von
Glaskugeln.
Literatur
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The clogging of shallow discharge wells in the
Netherlands river region.- Ground Water 18 (6):
578-586.
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und Brunnenregenerierung in den Niederlanden. - gwf Wasser/Abwasser 136 (3): S. 128-137.
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und Sanierung von Brunnen. - 280 S.; München
(Oldenbourg).
[4] Houben, G. & Treskatis, C. (2007): Water Well
Rehabilitation and Restoration. – 391 S.;
New York (Mac GrawHill).
[5] DeZwart, B.-R. (2007): Investigation of
Clogging Prozess in Unconsolidated Aquifers
near Water Supply Wells. – 200 S., Dissertation
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Brunnen. – in: bbr 5: S. 48-53 ff.; Bonn (wvgw).
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Wasser Nr. 11; Eschborn (ZfGW-Verlag).
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G. & Treskatis, C. (2006): Mechanische Partikelfiltration als Ursache der Brunnenalterung, Teil 1.
– bbr 7/8/2006: S. 42-49, 8 Abb.; Bonn (wvgw).
[10] Treskatis, C. (2007): Partikelinduzierte Kolmation von Brunnen – Identifikation und Lösungsansätze. In: Drebenstedt, C. & Struzina, M.
(Hrsg.): Grundlagen und Erfahrungen der Übertragbarkeit von Modellversuchen auf großindustrielle Anwendungen, S. 59-71, Freiberg.
[11] Hein, C. (2008): Untersuchung der Verockerungsintensität zweier Filtermaterialien der
Ringraumschüttung eines Trinkwasserbrunnens. – Arbeit zur Erlangung des Bachelor of
Science: 34 S.; Universität Bayreuth (Lehrstuhl
f. Hydrologie).
Autoren:
Bieske und Partner
Im Pesch 79
53797 Lohmar
Tel.: 02246 9212 22
Fax: 02246 9212-99
Internet: www.bieske.de
Christian Hein, B.Sc.
Dr. G. Pedall Ingenieurbüro GmbH
Flurstr. 24
95473 Haag/Bayreuth
Tel.: 09201 997-0
Fax: 09201 997-44
Internet: www.ibpedall.de
Prof. Dr. Stefan Peiffer
Lehrstuhl für Hydrologie
der Universität Bayreuth
Gebäude Geowissenschaften
95440 Bayreuth
Tel.: 0921 55-2253
Fax: 0921 55-2366
Internet: www.uni-bayreuth.de
Dipl.-Ing. Frank Herrmann
Fa. Ochs Brunnenbau
Schieräckerstr. 32
90431 Nürnberg
Tel.: 0911 3243-00
Fax: 0911 3143-02
Internet: www.ochs-bau.de
04 / 2 0 39
09
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