Eisen im Trinkwasser

Eisen ist ein Metall, das in fast allen Böden und Gesteinen vorkommt. Die Löslichkeit von Eisen im Grundwasser wird vom hydrochemischen Milieu bestimmt.

Höhere Konzentrationen an gelöstem Eisen treten stets in sauerstoffarmen, reduzierten Wässern (Tiefengrundwasser) auf, da nur unter diesen Bedingungen die leicht wasserlöslichen Eisen(II)-Verbindungen im Gegensatz zu den Eisen(III)-Verbindungen stabil bleiben. Eisen stört die Trinkwassergewinnung durch seine färbenden Eigenschaften sowie durch die Fällung von schwer löslichen Eisenhydroxiden (Verockerung).

Für den Indikatorparameter Eisen legt die TrinkwV (2013) einen Grenzwert von 0,2 mg/l fest.

Wir erläutern Ihnen die Probleme, welche durch Eisen in der Trinkwasserversorgung entstehen und zeigen Ihnen, was Sie bei einer Grenzwertüberschreitung beachten sollten.

✔️Eisen ist ein essenzielles Element für alle Lebewesen

✔️Ein hoher Eisengehalt im Wasser kann den Geschmack beeinflussen, das Wasser trüben und verfärben

✔️Eisenablagerungen können zu einer Leistungsminderung des Brunnens führen

✔️Der Grenzwert nach Trinkwasserverordnung liegt bei 0,2 mg/L Eisen

Inhalt

Was ist zu tun bei einer Grenzwertüberschreitung von Eisen im Hausbrunnen?

❗Für den Parameter Eisen legt die TrinkwV (2013) einen Grenzwert von 0,2 mg/l fest. Ist dieser Wert in Ihrer überschritten, melden Sie den Befund dem zuständigen Gesundheitsamt

❗Inwieweit die erhöhte Konzentration eine Gesundheitsgefahr darstellt, ist im Einzelfall durch das Gesundheitsamt zu prüfen und zu entscheiden.

❗Ein erhöhter Gehalt an Eisen kann zu einer geschmacklichen und ästhetischen Beeinträchtigung (Trübung) des Trinkwassers führen. In seltenen Fällen kann es zu Nebenwirkungen wie Erbrechen, Bauchschmerzen und Müdigkeit kommen

❗Verwenden Sie Ihr Brunnenwasser nicht für die Zubereitung von Speisen und Getränken für Säuglinge und Kleinkinder bis zu 2 Jahren^1,2

Welche Probleme entstehen durch Eisen im Brunnenwasser?

Gesundheitliche Auswirkungen:

Eisen ist als essenzielles Spurenelement bekannt. Neben seiner zentralen Rolle als Bestandteil des Hämoglobins, dem roten Blutfarbstoff, ist Eisen auch im Muskelfarbstoff Myoglobin sowie in zahlreichen wichtigen Enzymen enthalten. Der tägliche Eisenbedarf liegt bei Männern zwischen 5 und 9 mg, bei Frauen zwischen 14 und 28 mg. Gesundheitsschädigende Effekte treten vor allem durch Überdosierung von Medikamenten bei Kleinkindern auf, jedoch nicht in den Mengen, die üblicherweise über Trinkwasser aufgenommen werden.

Technische Probleme:

In sauerstoffarmen Tiefenwässern liegt Eisen als gelöstes Ion Eisen(II) vor. Wird dem Wasser Sauerstoff zugeführt, bilden sich unlösliche Eisen(III)-Oxide. Diese führen zu rotbraunen Ablagerungen, die auch Wäsche verfärben können. Solche Ablagerungen verursachen Trübungen des Wassers und können Rohrleitungen verengen, insbesondere durch das Wachstum von Eisenbakterien, was zu einem unerwünschten Druckverlust im Leitungsnetz führen kann. Es können sich bräunliche Schlämme bilden, ein Phänomen, das als "biologische Brunnenverockerung" bekannt ist und zu Geruchsbelästigung sowie einer Leistungsverminderung der Brunnen führen kann.

Geruchs- und Geschmacksbeeinträchtigungen:

Hohe Konzentrationen von Eisen können das Wasser trüben und verfärben, was zu einer geringeren Akzeptanz bei den Verbrauchern führt. Eisengehalte über 0,3 mg/l verursachen einen unangenehmen metallischen Geschmack. Die Trinkwasserverordnung schreibt für die Wasserqualität vor, dass das Wasser für den Verbraucher einen akzeptablen Geruch ohne abnormale Veränderungen haben muss.

Hygienische Probleme: Ablagerungen im Leitungsnetz können das Wachstum von Eisenbakterien fördern. Obwohl diese Bakterien selbst nicht krankheitserregend sind, bieten sie einen Nährboden für andere Bakterien, die ins Leitungsnetz gelangen. Daher kann eine nachteilige mikrobiologische Beeinflussung nicht ausgeschlossen werden.³

💡 Wussten Sie …

Brunnenalterung bezeichnet alle Prozesse, die im Laufe der Betriebszeit zu einer Verringerung der Brunnenleistung führen und/oder die Standfestigkeit des Brunnens gefährden. In extremen Fällen kann dies sogar zum vollständigen Zusammenbruch des Brunnens führen.

Verockerung

Die Verockerung ist die häufigste Ursache für die Alterung von Brunnen. Sie wird durch Ablagerungen von Eisen- und Manganschlämmen verursacht, welche Filter zusetzen und zu Inkrustationen führen.

In Grundwasser gelöstes Eisen und Mangan wird durch Oxidation in Anwesenheit von Boden- oder Luftsauerstoff aus dem Wasser ausgeschieden. Mikroorganismen spielen dabei eine bedeutende Rolle, da sie den Prozess der Umwandlung von gelösten in ungelöste Verbindungen stark beeinflussen.

Verschleimung

Sie ist die biologische Alterung, auch als Verschleimung des Brunnens bekannt, tritt auf, wenn Mikroorganismen sich an Grenzflächen ansiedeln und wachsen, was zur Bildung von Biomasse führt. Diese Biofilme entstehen durch den Stoffwechsel bestimmter Bakterien, wie beispielsweise Schwefelbakterien, die Schwefelwasserstoff oxidieren. Biologische Verockerung entsteht durch das Zusammenwirken dieser Bakteriengemeinschaften, begünstigt durch anoxische, sulfatreiche Umgebungen und Sauerstoffzufuhr im Brunnenbetrieb. Ein möglicher Temperaturanstieg im Betrieb kann ebenfalls eine Rolle spielen, obwohl dieser Prozess über ein breites Temperaturspektrum auftritt.

Versinterung
Versinterungen bestehen typischerweise aus Calciumcarbonat, das aus dem Grundwasser ausgefällt wird. Diese Ablagerungen entstehen unter anderem durch das Ausgasen von Kohlenstoffdioxid aus dem Grundwasser. Dabei scheiden sich Mineralien aus dem Brunnenwasser ab und bilden Krusten. Auch Veränderungen des pH-Werts im Grundwasser können zur Versinterung eines Brunnens beitragen.

Inkrustation
Wenn feine mineralische Partikel im Wasser durch die Förderung des Grundwassers suspendiert und mobilisiert werden, entsteht eine Partikelaufladung. Dieses Phänomen tritt häufig in Lockergesteins-Grundwasserleitern auf und führt zur „äußeren Kolmation“. Dabei lagern sich die Partikel an der Bohrlochwand sowie im umgebenden Material (Filterkies, Grundwasserleiter) ab. Die mobilisierbare Partikelfracht hängt von der Geologie des Brunnens sowie von der Fördermenge ab.⁴

Welche Faktoren beeinflussen die Korrosionsvorgänge in Wasserleitungen?

Die folgende Abbildung zeigt das Korrosionspotenzial in Abhängigkeit von Sauerstoffgehalt und elektrischer Leitfähigkeit

👉Je höher die elektrische Leitfähigkeit (Salzgehalt) und der Sauerstoffgehalt, desto größer ist das Korrosionspotenzial.

👉Eine Faustregel für die elektrische Leitfähigkeit von Trinkwasser lautet: Wasserhärte multipliziert mit 30 ergibt etwa die Leitfähigkeit. Bei einer Wasserhärte von 20 °dH entspricht das etwa 600 µS/cm.

👉Bei einem Restsauerstoffgehalt von 0,1 mg/l befindet sich dieses Wasser z.B. im korrosionsgefährdeten Bereich.

💡 Wussten Sie …

Was passiert bei der Sauerstoffkorrosion?

Die Korrosion von Eisen, die sich durch die typische Rostbildung zeigt, entsteht durch die Bildung eines galvanischen Elements.

Dabei spielt der im Wasser gelöste Sauerstoff eine entscheidende Rolle bei der Zerstörung des Eisens:
Er oxidiert das unedle Eisen, wodurch Eisen(II)-Ionen gebildet werden.

Diese Eisen(II)-Ionen und die durch die Reduktion des Sauerstoffs entstehenden Hydroxid-Ionen reagieren miteinander und bilden einen Niederschlag aus Eisen(II)-Hydroxid.

Das entstandene Eisen(II)-hydroxid wird anschließend durch den Luftsauerstoff allmählich zu rotbraunem, gallertartigem Eisen(III)-oxid-hydroxid weiter oxidiert.

Die Rostschicht bietet keinen wirksamen Schutz gegen weitere Zerstörung des Eisens. Die Schicht ist porös und durchlässig für Wasser und Sauerstoff. Der Korrosionsprozess wird zusätzlich durch Verunreinigungen im Eisen beschleunigt.⁵

Auch der pH-Wert hat einen großen Einfluss auf Korrosionsvorgänge. Jeder Werkstoff hat einen entsprechenden pH-Wert-Bereich, in welchem er sich korrosionstechnisch passiv verhält, da die eigene Schutzschichtbildung nicht gestört wird.

👉Werkstoffe und pH-Wert:

Jeder Werkstoff hat einen spezifischen pH-Wert-Bereich, in dem er korrosionspassiv bleibt und seine Schutzschicht nicht gestört wird.

👉Säurekorrosion:

Tritt bei niedrigen pH-Werten auf und kann auch ohne Sauerstoff erfolgen.

👉Basenkorrosion:

Tritt bei hohen pH-Werten auf und kann auch ohne Sauerstoff erfolgen.

👉Erhöhter pH-Wert:

Ein Wert von > pH 8,2 ist nur in Anwesenheit von Stahlwerkstoffen erforderlich.

Anfänglich entstehende Eisenkarbonate wirken alkalisch und heben den pH-Wert innerhalb von 8 bis 12 Wochen zunächst an (Eigenalkalisierung).⁶

Was können Sie tun, um Korrosion zu vermeiden?

Ausführliche Informationen zu diesem Thema sind in der DVGW-Information „WASSER Nr. 112 Vermeidung von Schäden durch Korrosion oder Steinbildung in der Trinkwasser-Installation“ zu finden.

Wir haben den Leitfaden für Sie in einem übersichtlichen 10-Punkteplan zusammengefasst:

1) Wasserzusammensetzung und -temperatur:

Berücksichtigen Sie die Härte des Wassers (je niedriger, desto korrosionsanfälliger),
den pH-Wert (optimal über 7) und die Temperatur bei Warmwasser (nicht über 60 °C).

2) Spannungsreihe der Metalle:

Achten Sie auf die Metallkombinationen, um galvanische Elemente zu vermeiden. Das unedlere Metall sollte immer vor dem edleren Metall installiert werden.

3) Vermeidung von Kontaktkorrosion:

Setzen Sie Zwischenstücke ein, z.B. Buntmetall zwischen verzinkten und Edelstahlrohren

4) Natürliche Schutzschichten:

Auch unlösliche Kalk- oder Rostschichten auf der Rohrinnenseite können die Leitung vor weiterer Korrosion schützen.

5) Veredelte Metalle und Schutzschichten:

Verwenden Sie Zwischenstücke oder nicht leitende Beschichtungen (z.B. Emaille, Kunststoff) für Geräte und Speicher.

6) Einbau von Opferanoden:

Installieren Sie Magnesiumanoden in Speichern zur Korrosionsvermeidung.

7) Ummantelung von Rohren im Erdreich:

Schützen Sie Rohre durch werkseitige Beschichtung oder Umhüllung mit Polyethylen.

8) Schutz von Außenleitungen:

Verzinken Sie Stahlrohre oder schützen sie mit PVC-Korrosionsschutzband.

9) Schutz von Innenleitungen:

Verzinkte Stahlrohre bei freier Verlegung oder unter Putz.

10) Schutz in Feuchträumen:

Wickeln Sie verzinkte Stahlrohre mit PE-Band für zusätzlichen Schutz.^7,8

Wie gelangt Eisen ins Brunnenwasser?

Eisen ist nach Aluminium das zweithäufigste Metall in der Erdkruste und wahrscheinlich das häufigste Element auf der Erde. In der Natur kommt es überwiegend in seinen Oxidationsstufen +II und +III vor, hauptsächlich in Verbindungen.

Die Gewinnung von Eisen erfolgt hauptsächlich aus oxidischen Erzen wie Magnetit, Hämatit und Brauneisenerz, aber auch aus sulfidischen Erzen wie Pyrit und aus Eisenspat, einer Form von Eisencarbonat.

Sauerstoffhaltiges Grundwasser: Eisen liegt vorwiegend als dreiwertiges Eisen (Fe(III)) in schwer löslichen Verbindungen vor, was zu einer geringen Konzentration an gelöstem Eisen führt.
Sauerstofffreies Grundwasser: Hier kann lösliches zweiwertiges Eisen (Fe(II)) durch die Oxidation von Eisensulfiden mit Nitrat freigesetzt werden, ein Prozess, der als autotrophe Denitrifikation bekannt ist.
Weitere Reaktionspfade für die Freisetzung von Eisen(II): Dazu gehören die Reduktion von Eisen(III)-Verbindungen sowie die Oxidation von Eisensulfiden durch Luftsauerstoff, wie es zum Beispiel bei der Grundwasserabsenkung im Braunkohletagebau vorkommt.
pH-Wert unter 5: Bei niedrigen pH-Werten erhöht sich die Löslichkeit von dreiwertigem Eisen, wodurch gelöstes Eisen hier auch in größeren Mengen im Grundwasser vorkommen kann.
Oberflächennahe Grundwässer: Erhöhte Eisenkonzentrationen treten häufig in Wässern mit hohem Anteil an organischen Substanzen (wie Huminstoffen) auf, wobei das Eisen in löslichen Komplexen gebunden ist.

Oxidation in sauerstoffarmen Wässern: Gelöste Eisenverbindungen oxidieren durch Kontakt mit Luftsauerstoff zu schwer löslichem Eisen-III-Hydroxid, was eine rötlich-braune Färbung des Wassers und die Ausfällung von Eisenhydroxid (Verockerung) verursacht.

Korrosionsprodukt: Wenn Wasser in korrodierten Eisen- oder Stahlleitungen stagniert, kann Eisen(III)-oxid zu löslichem zweiwertigem Eisen reduziert werden. Dies beschleunigt die Korrosion und führt dazu, dass das Wasser nach dem Austritt aus dem Hahn eine braune Verfärbung aufweist.^9,10

Wie wird Eisen im Labor bestimmt?

Um Eisen zu bestimmen, sind spektroskopische Analyseverfahren möglich:

Eine der Methoden zur Elementanalyse ist die ICP-MS-Technik, die speziell für die Untersuchung anorganischer Elemente entwickelt wurde. Diese Methode kombiniert induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) mit Massenspektrometrie (MS). Das ICP erzeugt eine Hochtemperaturionenquelle, die die Probe zersetzt, zerstäubt und ionisiert. Anschließend trennt das Massenspektrometer die Elemente basierend auf ihrer Masse und Ladung und misst die Ionen gleichzeitig mit einem Massendetektor. Dadurch können Konzentrationen von niedrigen bis hohen ppm-Werten (parts per million) analysiert werden. Diese Methode ermöglicht die gleichzeitige Bestimmung von bis zu 60 Metallen und ist in der Trinkwasseranalytik weitverbreitet.

Elementanalyse mittels ICP-OES und ICP-MS

Die ICP-MS-Technik zeichnet sich durch ihre schnelle und kostengünstige Analyse aus.

Eine weitere verwandte Methode ist die ICP-OES-Technik, bei der induktiv gekoppeltes Plasma mit optischer Emissionsspektrometrie kombiniert wird. Hierbei wird die Probe durch Argonplasma angeregt. Diese Technik eignet sich besonders zur Bestimmung von Schwermetallen, insbesondere in Sedimenten, Gesteinen und industriellen Abfällen.⁹