Durch optimierte Anlagentechnik sind Nachklärbecken gegenüber dem heutigen Stand der Technik in ihrer Leistung wesentlich steigerbar.
Für Nachklärbecken können wir belegbar nachweisen, dass sie gegenüber dem heute üblichen Stand der Technik in ihrer hydraulischen Leistungsfähigkeit wesentlich steigerbar sind. Dies wird erreicht, indem die tatsächlichen internen Belastungen dieser Becken, die aus strömungsmechanischen Gründen deutlich höher sind als die Belastungen, auf die wir heute noch dimensionieren, kontinuierlich minimiert werden. Auf Basis von hydrograv-Know-how kann dies anlagentechnisch so realisiert werden, dass gleichzeitig hydraulisch kritische Situationen bei den Lastwechseln Trockenwetter - Regenwetter - Trockenwetter vermieden werden und sich somit gegenüber dem Stand der Technik ein Betrieb ergibt, der stets viel näher am Optimum bzgl. der Ablaufqualität liegt.
Hintergrund:
Die beiden in Abb. 1 und 2 dargestellten Nachklärbecken werden mit exakt der gleichen Trockenwetterbelastung beschickt (rot dargestellt Schlammvolumenbeschickung, blau dargestellt Oberflächenbeschickung)
qSV = 290 l/(m2 h),
qa = 0,7 m/h).
Nach heutigen Bemessungsrichtlinien sind diese beiden Becken folglich absolut identisch zu bemessen. Auffällig ist aber, dass das Becken in Abb. 1 tatsächlich deutlich stärker mit Schlamm gefüllt ist als das zweite Becken, dessen Einlaufdesign mit hydrograv-Know-how auf das hydraulische Optimum eingestellt wurde. Statt nur 0,95 m Klarwasserüberstand (blaue Fläche) über dem Schlammbett (grüne bis rote Fläche) stehen dem optimierten Becken bei Trockenwetter daher ca. 1,91 m Schlammspeicherraum resp. fast 50 % mehr freies Volumen zur Verfügung.
Abb. 1: Nachklärbecken nach Stand der Technik bei schlechtem Einlaufdesign: hohe interne Belastungen
Grund: aus physikalischer Sicht ist im ersten Becken quasi eine “virtuelle Pumpe” eingebaut, die bereits abgesetzten Schlamm wieder aufwirbelt. Dieses hydraulische Phänomen nennt man in der Strömungsmechanik “Einmischung.” Das Diagramm unterhalb des abgebildeten Beckens macht dies deutlich: statt dass sich entlang des Fließweges der Schlamm kontinuierlich absetzt und die becken-interne Belastung stetig abnimmt (was grundlegende Annahme heutiger Bemessungsrichtlinien ist), steigt diese in Einlaufnähe zunächst drastisch an. Durch Einmischung (“virtuelle Wasserstrahlpumpe”) wird im Fall aus Abb. 1 so viel Schlamm wieder aufgewirbelt, dass die tatsächliche Beckenbelastung mehr als 3 mal so hoch ist wie die Bemessungsbelastung bei der selben Trockenwettersituation:
(qSV)int = 1040 l/(m2 h)
(qa)int = 2,3 m/h
Problem: Im Stand der Technik sind heute quasi in allen Nachklärbecken solche “virtuellen Wasserstrahlpumpen” mit sehr hoher Leistung eingebaut.
Lösung: Abb. 2 zeigt nun, wie sich die interne Belastungssituation verhält, nachdem der Einlauf auf eine Reduzierung dieses internen Pumpeneffekts optimiert ist:
Auch hier steigt die Belastung zunächst an (Eimischung ist ein Naturphänomen, das nicht vermieden, wohl aber minimiert werden kann). Die Zunahme fällt durch die hydrograv-Optimierungen hier deutlich geringer aus (wieder selbe Trockenwettersituation):
(qSV)int = 465 l/(m2 h)
(qa)int = 1,3 m/h
Bei derselben Beschickung ist die tatsächliche Belastung nun viel kleiner als im nicht optimierten Fall; das Becken ist folglich durch die Optimierung im Trockenwetterfall bei weitem nicht mehr so stark belastet. Durch kontinuierliche und behutsame Anpassung der Einlaufsituation kann deutlich Beckenvolumen eingespart werden. Dies gilt sowohl für Neubau als auch für Sanierung von Nachklärbecken. Diskontinuierliche Belastungswechsel hingegen verursachen Impulsstöße auf den dichtegeschichteten Flüssigkeitskörper. Diese führen zu beckeninternen Dichtewellen, die die Ablaufqualität bekanntermaßen deutlich negativ beeinflussen. Besonderer Wert wird bei hydrograv-Lösungen daher auf die Minimierung von Diskontinuitäten und starke Dämpfung von Impulsstößen gelegt.
Abb. 2: Nachklärbecken, Leistungssteigerung mit hydrograv-Ansätzen: drastisch reduzierte interne Belastungen führen zur Möglichkeit gesteigerter Beschickung
Urheberrechtshinweise:
Das Konzept der tatsächlichen Belastungen, das becken-interne Zustände durch geeignete Umrechnung in Bezug setzt zu heutigen Bemessungsgrößen und daraus abgeleiteten Größen - wie z. B. Schlammvolumenbeschickung oder Oberflächenbeschickung (jeweils in Unterscheidung/Vergleich intern/extern) - ist eine Entwicklung der Dissertation von Dr.-Ing. Martin Armbruster, Geschäftsführer der hydrograv GmbH. Dieses Konzept, abgeleitete Ansätze aus diesem Konzept und das Gedankenmodell “virtueller interner Pumpen” resp. “interner Wasserstrahlpumpen” und verwandter Modelle zur Beschreibung der Einmischungsvorgänge in Reaktoren der Abwassertechnik ist daher geistiges Eigentum von Dr.-Ing. Martin Armbruster und der hydrograv GmbH.
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Es wird explizit darauf hingewiesen, dass eine Optimierung auf interne Belastungen aus hydraulischer Sicht notwendig ist, um die Leistung von Nachklärbecken steigern zu können, dass dies alleine aber aus unserer Sicht als Fachleute für Hydraulik nicht hinreichend ist, um einen sicheren Betrieb unter deutlich erhöhter hydraulischer Last zu gewährleisten. Die Publikation weiterer hierzu notwendiger Maßnahmen ist in Vorbereitung.
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