Wie gelangt Mangan ins Brunnenwasser?
- Mangan kommt in nennenswerten Mengen in fossilem organischem Material wie Steinkohle, Braunkohle und Torf vor
- Im Sediment bilden sich je nach hydrochemischem Milieu Mangansulfide, Manganoxide und Manganhydroxide durch Verwitterungsprozesse.
- Im aeroben, sauerstoffhaltigen Grundwasser liegt Mangan als vierwertiges Mangan(IV) in Form von schwerlöslichen Oxiden wie Mangandioxid (MnO2) vor.
- Im anaeroben, sauerstofffreien Grundwasser kann lösliches zweiwertiges Mangan (Mn(II)) freigesetzt werden, analog zur Freisetzung von Eisen. Im Gegensatz zu Eisen kann Mangan nicht weiter durch Nitrat zu Mangan(IV) oxidiert werden, was die Bildung schwerlöslicher Oxide verhindert.
- Mangan bleibt nach seiner Mobilisierung unter anaeroben Bedingungen mobil.
- Ein Wechsel von anaeroben zu aeroben Bedingungen, z.B. durch Grundwasserabsenkungen, kann zur Oxidation von Mangan(II)-Sulfiden durch Luftsauerstoff und zur Fällung als Mangan(IV)dioxid führen.
- Bei pH-Werten unter fünf erhöht sich die Löslichkeit von zweiwertigen Manganverbindungen. Bei Sauerstoffkonzentrationen von 10 mg/l kommt es somit zu nennenswerten Mangan Vorkommen im Grundwasser.1,2
Mangan – ein lebenswichtiges Spurenelement
In den „Guidelines For Drinking-water Quality“ der Weltgesundheitsorganisation (WHO) wird ausgeführt, dass Mangan ein essentielles Spurenelement mit einem Bedarf von 30 – 50 µg/kg Körpergewicht ist, der im Allgemeinen über die Nahrungsaufnahme abgedeckt wird.
In deutschen Studien wird festgestellt, dass Wässer mit einem Gehalt von mehr als
0,2 mg/l Mangan aus Gründen der gesundheitlichen Vorsorge für die Säuglingsernährung nicht geeignet sind.3
Welche Probleme entstehen durch Mangan im Brunnenwasser?
Technische Probleme:
- Mangan liegt in sauerstoffarmen Wässern, wie Tiefenwasser, in gelöster Form als Mangan(II)-Ionen im Grundwasser vor
- Bei der Zuführung von Sauerstoff, beispielsweise durch Belüftung, entstehen unlösliche Mangan(IV)-Oxide. Diese Oxide bilden schwarze (Mangan-) Niederschläge, die Verfärbungen an Wäsche verursachen können
- Die Niederschläge führen zu Färbungen und Trübungen des Wassers und können sich in Rohrleitungen ablagern, was zu Verengungen führt. Dieser Prozess wird oft durch Manganbakterien verstärkt, was zu einem unerwünschten Druckverlust im Leitungsnetz führen kann
- Auch bei niedrigen Eisen- und Mangangehalten kann sich bräunlicher Schlamm bilden, der als "biologische Brunnenverockerung" bekannt ist. Dies führt neben Geruchsbelästigung und Ablagerungen zu einer erheblichen Leistungsminderung von Brunnen
Geruchs- und Geschmacksbeeinträchtigungen:
- Erhöhte Konzentrationen von Mangan können das Wasser trüben und verfärben, was häufig die Akzeptanz der Verbraucher verringert. Mangankonzentrationen über 0,5 mg/l führen zu einem unangenehmen metallischen Geschmack
Hygienische Probleme:
- Ablagerungen von Mangan können das Wachstum von Bakterien begünstigen. Diese Bakterien sind in der Regel nicht krankheitserregend, können jedoch als Nährboden für andere, ins Leitungsnetz gelangende Krankheitserreger dienen, was eine mikrobiologische Beeinträchtigung nicht ausschließt.
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.6
Um Mangan im Wasser 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 weit verbreitet.
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.7
Wie kann ich eine Wasserprobe im Labor beauftragen?
Verweise
1Vgl.: Walter Kölle: Wasseranalysen – richtig beurteilt. Grundlagen, Parameter, Wassertypen, Inhaltsstoffe. 3., überarbeitete Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2010.
2Vgl.: Landesamt für Verbraucherschutz Sachsen-Anhalt: Mangan. Online verfügbar unter: https://verbraucherschutz.sachsen-anhalt.de/hygiene/trinkwasserqualitaet/untersuchungsergebnisse/mangan (Abgerufen am 12.02.2025).
3Vgl.: Land Oberösterreich: Eisen und Mangan im Trinkwasser. Online verfügbar unter: https://www.land-oberoesterreich.gv.at/Mediendateien/Formulare/Dokumente%20UWD%20Abt_WW/TWA%20Infoblatt_Eisen_und_Mangan.pdf(Abgerufen am 12.02.2025).
4Vgl.: Walter Kölle: Wasseranalysen – richtig beurteilt. Grundlagen, Parameter, Wassertypen, Inhaltsstoffe. 3., überarbeitete Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2010.
5Vgl.: Landesamt für Verbraucherschutz Sachsen-Anhalt: Mangan. Online verfügbar unter: https://verbraucherschutz.sachsen-anhalt.de/hygiene/trinkwasserqualitaet/untersuchungsergebnisse/mangan (Abgerufen am 12.02.2025).
6Vgl.: Land Oberösterreich: Eisen und Mangan im Trinkwasser. Online verfügbar unter: https://www.land-oberoesterreich.gv.at/Mediendateien/Formulare/Dokumente%20UWD%20Abt_WW/TWA%20Infoblatt_Eisen_und_Mangan.pdf (Abgerufen am 12.02.2025).
7Vgl.: EUROLAB: Element (ICP-OES und ICP-MS) Bestimmung. Online verfügbar unter: https://www.laboratuvar.com/element-icp-oes-ve-icp-ms-tayini (Abgerufen am 12.02.2025).
