top of page

What Causes Iron and Manganese in Surface Water?

  • zach9517
  • Mar 12
  • 1 min read

Understanding Metal Release in Lakes and Drinking Water Reservoirs


Iron and manganese are naturally occurring metals commonly found in lakes, reservoirs, and other surface water sources used for municipal drinking water supplies. While small amounts are normal, elevated concentrations can create significant challenges for drinking water treatment plants.

High levels of iron and manganese can cause:

  • Discolored water

  • Metallic taste

  • Black or brown staining

  • Increased chemical demand during treatment

  • Filter clogging in water treatment systems

Understanding why iron and manganese appear in surface water is the first step toward effectively managing these problems.




Natural Sources of Iron and  Manganese in Lakes


Iron and manganese are naturally present in many soils and rock formations. As rainwater moves through a watershed, these metals can dissolve and enter lakes and reservoirs.

Common natural sources include:

  • Weathering of rocks and minerals

  • Soil runoff during storms

  • Organic matter decomposition

  • Groundwater inflows containing dissolved metals

In many reservoirs, these metals accumulate in bottom sediments over time.

Under certain conditions, those sediments can begin releasing metals into the water column.


Oxygen Depletion in Deep Water


One of the most common causes of iron and manganese release in lakes is low dissolved oxygen near the lake bottom.

During warm months, lakes often develop thermal stratification, which separates surface water from deeper water layers.

The lake forms three distinct zones:

  1. Epilimnion – warm, oxygen-rich surface water

  2. Metalimnion – middle transition layer

  3. Hypolimnion – cold bottom water

Because the bottom layer becomes isolated from atmospheric oxygen, dissolved oxygen levels gradually decline.

When oxygen levels drop too low, sediments begin releasing iron and manganese into the surrounding water.


Sediment Release of Metals


Lake sediments naturally contain iron and manganese compounds. Under oxygen-rich conditions, these metals remain bound within the sediment.

However, when oxygen becomes depleted:

  • Iron and manganese are chemically reduced

  • Metals dissolve into the surrounding water

  • Concentrations increase in deep reservoir zones

This process is known as internal loading.

Once metals dissolve into the water column, they can migrate toward drinking water intakes.

Seasonal Lake Turnover


Seasonal turnover can also introduce iron and manganese into surface waters.

In many reservoirs, turnover occurs during:

  • Fall cooling

  • Spring warming

As temperature differences disappear, the lake mixes from top to bottom.

When this happens:

  • metal-rich bottom water mixes throughout the reservoir

  • iron and manganese concentrations increase in raw water supplies

Water treatment plants often experience sudden spikes in manganese during these periods.


Watershed Runoff and Storm Events


Stormwater runoff can also contribute to elevated iron and manganese levels.

Heavy rainfall may wash soil particles and organic material into lakes and reservoirs. These materials often contain trace metals.

Runoff can introduce:

  • iron-rich soil particles

  • dissolved manganese

  • organic compounds that influence metal chemistry

Watersheds with clay soils or mining history are especially susceptible to these inputs.


Groundwater Contributions


In some reservoirs, groundwater inflows can also introduce iron and manganese.

Groundwater often contains lower oxygen levels than surface water. Under these conditions, metals dissolve from underground mineral deposits.

When groundwater enters lakes or reservoirs, it may bring dissolved metals with it.


How Iron and Manganese Affect  Drinking Water Treatment


Elevated iron and manganese create several challenges for drinking water treatment facilities.

Common treatment problems include:

Water Discoloration

Manganese can cause black or dark brown water, while iron often produces reddish or orange staining.

Increased Chemical Demand

Water plants may need additional oxidants such as chlorine or potassium permanganate to remove dissolved metals.

Filter Fouling

Iron and manganese particles can accumulate in filters, reducing filtration efficiency.

Taste and Odor Problems

High metal concentrations can cause metallic taste and aesthetic issues in finished water.


Managing Iron and Manganese in  Reservoirs


Many drinking water utilities address metal problems by improving oxygen conditions in their reservoirs.

Maintaining dissolved oxygen near the lake bottom prevents sediments from releasing iron and manganese.

One of the most effective tools for this is deep water aeration.

Deep water aeration systems deliver oxygen directly to deeper reservoir layers, preventing oxygen depletion and stabilizing water quality.

These systems can significantly reduce metal concentrations entering drinking water intakes.

A municipal reservoir aeration project in Waldron, Arkansas demonstrated dramatic reductions in manganese levels after aeration was installed near the drinking water intake.


Signs a Reservoir May Have Iron or  Manganese Problems


Water utilities may suspect elevated metals in reservoirs if they observe:

  • Dark or discolored raw water

  • Seasonal manganese spikes

  • Increased oxidant demand

  • Poor filter performance

  • Taste or staining complaints

Monitoring dissolved oxygen and metal concentrations throughout the reservoir can help identify the underlying cause.


Improving Reservoir Water Quality


Managing iron and manganese in surface water sources requires a combination of monitoring, watershed management, and reservoir treatment strategies.

In many systems, maintaining adequate dissolved oxygen in deeper waters can dramatically improve raw water quality.

Aeration technologies are commonly used to stabilize reservoirs and prevent metal release from sediments.


Learn More About Reservoir Aeration


Advanced Treatment Technologies designs aeration systems that improve dissolved oxygen levels in lakes and drinking water reservoirs.

These systems help utilities:

  • Reduce iron and manganese levels

  • Improve dissolved oxygen profiles

  • Stabilize raw water quality

  • Reduce treatment costs

Learn more about reservoir aeration solutions here:

 
 
 

Comments


bottom of page