6.2    Schlammabsetzbarkeit

Die Ergebnisse der Absetzversuche in Kappe und Zehdenick legen den Verdacht nahe, daß die bisherigen Vorstellungen bezüglich des Schlammabsetzverhaltens in SBR-Anlagen zu optimistisch ausgefallen sind.

Dies zeigt eine Betrachtung der Schlammvolumensinkgeschwindigkeit qSV als Produkt aus Vergleichsschlammvolumen und Sinkgeschwindigkeit des Schlammspiegels, die als charakteristische Größe für das Absetzverhalten eingeführt wurde (Abb. 6-1).

Abb. 6-1: Absetzgeschwindigkeit in der linearen Absetzphase und Schlammvolumen-sinkgeschwindigkeit in Kappe und Zehdenick

Danach ergeben sich in Kappe für Absetzgeschwindigkeiten zwischen 0,8 und 2 m/h qSV-Werte von 300 - 470 l/m2,h. Der Mittelwert liegt bei 391 l/m2,h. Dabei scheint qSV mit zunehmendem VSV tendenziell abzusinken. Dieser Zusammenhang ist allerdings als vage zu bezeichnen, da eine lineare Regression zwar zu einer Geradengleichung mit negativer Steigung führt, die Korrelation ist aber mit einem Bestimmtheitsmaß von r2 = 0,17 sehr gering. Weiter ist zu vermerken, daß der Schlammindex im Meßzeitraum leicht gesunken ist. Hätte dieser sich nicht verändert, wäre das VSV ab dem 19.11. etwas höher ausgefallen. Ein Absinken von qSV bei steigendem VSV wäre dann womöglich gar nicht mehr festzustellen gewesen.

In Zehdenick liegt vS mit Werten um 0,9 m/h im untersten Bereich der in Kappe gemessenen Absetzgeschwindigkeiten. Dagegen sinkt der Schlamm mit qSV-Werten von 460 - 540 l/m2,h bei einem Mittelwert von 491 l/m2,h im Vergleich zu Kappe schneller ab. Dies wird aufgrund der unterschiedlichen Schlammindices verständlich: Sinken bei zwei Schlämmen mit gleichem TS-Gehalt und unterschiedlichem VSV die Schlammspiegel gleich schnell ab, so bedeutet dies, daß sich bei dem Schlamm mit höherem VSV pro Zeit- und Flächeneinheit ein größeres Schlammvolumen nach unten bewegt als bei dem Vergleichsschlamm mit niedrigerem VSV.

Eine verbesserte Schlammabsetzbarkeit kann daraus jedoch keineswegs abgeleitet werden. Die sich absetzende Schlammenge ist in beiden Fällen hinsichtlich des Trockengewichts gleich. Ein Schlamm nimmt lediglich ein größeres Volumen ein als der andere. Für den Anlagenbetrieb ist dies eher von Nachteil.

Zum Vergleich des in Kappe und Zehdenick ermittelten Absetzverhaltens mit Literaturangaben sind in Abb. 6-1 Beispiele der Sinkgeschwindigkeit im Absetzversuch, der Flächenbeschickung im horizontal durchströmten Nachklärbecken und der Steiggeschwindigkeit im vertikal durchströmten Nachklärbecken eingefügt. Der Vergleich mit den in Abschnitt 2.2 beschriebenen Varianten zeigt, daß eine eindeutige Zuordnung nicht möglich ist. Gleichwohl können tendenzielle Aussagen getroffen werden.

So ordnen sich die in Kappe erhaltenen Absetzgeschwindigkeiten am ehesten in die für Absetzversuche in ruhendem Medium und für horizontal durchströmte Nachklärbecken gefundenen Literaturdaten ein. Sie liegen dabei in einem Bereich zwischen den von MERKEL (1971) und RESCH (1981) in Abhängigkeit vom VSV angegebenen Sinkgeschwindigkeitskurven (s. Abb. 2-6). Die Zehdenicker Werte machen den Einfluß des Schlammindex deutlich. Sie heben sich von den bei MERKEL und RESCH angeführten Kurven ab und geraten in einen von DAIGGER & ROPER (1985, zitiert nach BUWAL 1996) mit einem Schlammindex um 90 ml/g bezifferten Bereich. Gleichzeitig liegen sie damit knapp unterhalb der von MERKEL (1971) für vertikal durchströmte Nachklärbecken ermittelten Steiggeschwindigkeitskurve (s. Abb. 2-13). Für hohe Schlammvolumina gleichen sich die drei Methoden der Schlammabtrennung hinsichtlich ihrer Wirksamkeit einander an, so daß es dort zu Überschneidungen zwischen vS und qAS kommt.

Insgesamt fielen die ermittelten Sinkgeschwindigkeiten also überraschend gering aus. Damit scheint sich eine von MERKEL (1971) geäußerte Annahme zu bestätigen. Er erklärte, daß die im Meßzylinder herrschenden Wandeinflüsse sich in gleicher Weise auf das Vergleichsschlammvolumen wie auf die Absetzgeschwindigkeit auswirkten, so daß die im Absetzversuch gewonnenen Daten direkt auf großtechnische Maßstäbe übertragbar seien. Anschaulich bedeutet dies, daß ein Schlamm, der im Absetzversuch ohne Verdünnung nach 30 min beispielsweise ein VSV von 400 ml/l aufweist, in der linearen Absetzphase mit dergleichen Geschwindigkeit absinkt wie ein anderer Schlamm in einem Nachklärbecken, dessen VSV nach der Verdünnungsmethode ebenfalls 400 ml/l beträgt.

Vor diesem Hintergrund erscheint die in ATV - M 210 (1997) pauschal mit 650 l/m2,h angesetzte Schlammvolumensinkgeschwindigkeit in zweierlei Hinsicht als zu optimistisch gewählt: Einerseits wird dieser Wert weder in Kappe noch in Zehdenick auch nur annähernd erreicht. Er wird stattdessen in Kappe um 28 - 54 %, in Zehdenick um ca. 24 % unterschritten.

Andererseits bleibt bei der Vorgabe eines Pauschalwertes für qSV der Einfluß des Schlammindex unberücksichtigt. Dieser kann nach den Untersuchungen in Kappe und Zehdenick aber nicht als vernachlässigbar angesehen werden. Die Differenz der beiden Durchschnittswerte liegt hier bei 100 l/m2,h.

Sollte an einem Pauschalwert festgehalten werden, müßte sich dieser, um genügend Sicherheit zu bieten, an Mindestwerten orientieren und infolgedessen im Falle des M 210 um ca. die Hälfte gesenkt werden. Anderenfalls ist zu befürchten, daß durch eine Überschätzung der Absetzgeschwindigkeit die Dauer der Sedimentationsphase zu kurz gewählt und dadurch noch nicht abgesetzter Schlamm mit dem Klarwasser abgezogen wird.

Es wird jedoch als sinnvoller erachtet, die Maßgabe der größtmöglichen Vereinfachung aufzugeben, stattdessen in weiteren Meßreihen an SBR-Anlagen den Zusammenhang zwischen vS, VSV und ISV eingehend zu untersuchen und in die Vorgabe möglicherweise gestaffelter Standardwerte für qSV - z.B. für ISV = 100, 130, 150 ml/g - einfließen zu lassen.

Ein weiteres Problemfeld liegt in der Berechnung der nach der Sedimentation auftretenden Schlammspiegelhöhe aus dem Vergleichsschlammvolumen. Die Schlammspiegelhöhe hS errechnet sich nach M 210 aus dem Produkt des Schlammvolumenanteils und der Höhe des Wasserspiegels hW:

(17)

Dies ist eine rein theoretische Größe, die auf reale Verhältnisse kaum anwendbar sein wird. In der Praxis richtet sich das Ende der Absetzphase und der Beginn des Klarwasserabzugs nicht danach, ob die Sedimentation abgeschlossen ist, sondern nach einem vorgegeben Zeittakt. In den wenigsten Fällen wird es sinnvoll sein, diesen so einzustellen, daß die Dekantierphase erst nach einem vollständigen Abschluß der Sedimentation beginnt. Die Sedimentation muß im Normalfall nicht einmal nach Beendigung des Klarwasserabzugs zu einem Abschluß gekommen sein. Vielmehr ist darauf zu achten, daß der Schlammspiegel sich während der gesamten Abzugsphase in angemessenem Abstand unterhalb der Abzugsvorrichtung befindet.

In Kappe war - wie Abb. 6-2 zeigt - der Absetzvorgang auch nach einstündiger Sedimentationsphase in keinem Fall abgeschlossen. Die Differenz zwischen dem nach einer Stunde gemessenen und dem nach dem VSV berechneten Schlammspiegel liegt zwischen 30 und 60 cm. In Zehdenick war - wie bereits erwähnt - auch nach 90-minütiger Sedimentationszeit die lineare Absetzphase noch nicht beendet. Hier fehlte nach einer Stunde bis zum Erreichen des nach dem VSV berechneten Schlammspiegels noch ca. 1 m.

Abb. 6-2: Schlammspiegel. Einer wurde nach einstündiger Sedimentation im SBR-Becken gemessen, der andere anhand des im halbstündigen Absetzversuch bestimmten VSV berechnet.

Demzufolge resultiert die Berechnung des Schlammspiegels nach Gleichung ( 17 ) in einer Überschätzung des maximalen Austauschverhältnisses fA,max, deren Ausmaß von der Füllhöhe, der Absetzgeschwindigkeit und der gewählten Sedimentationszeit abhängt. Das Risiko eines Schlammabzugs mit dem Klarwasser erhöht sich dabei mit zunehmender Ausschöpfung von
fA,max.

Der in Zehdenick mit ca. 1 m bezifferte und damit relativ große Unterschied zwischen berechnetem und tatsächlichem Schlammspiegel zieht in diesem Fall keine negativen Auswirkungen nach sich, da fA mit 8 % sehr gering ist und infolgedessen der Abstand zwischen Wasser- und Schlammspiegel auch nach Beendigung der Absetzphase mit über 0,5 m durchaus als ausreichend bezeichnet werden kann. Nichtsdestotrotz bleibt die mangelnde Eignung des nach Gleichung ( 17 ) berechneten Schlammspiegels als Bemessungsgröße bestehen.

Besonders bei stark ausgelasteten Anlagen, die darauf angewiesen sind, die Dauer der Sedimentations- und der Abzugsphase möglichst kurz zu halten, erscheint es daher angebracht, die zeitliche Dimension der Schlammspiegelhöhe nicht auszublenden. Eine Berechnung könnte sich für die Dauer der linearen Absetzphase an der Absetzgeschwindigkeit anstatt am VSV orientieren:

(18)
mit tSedSedimentationszeit [h]. 

In dieser Formel werden von der Sedimentationszeit 10 min abgerechnet. Dies ist der Zeitraum, der nach M 210 als Beruhigungs- und Flockungsphase zu Beginn des Absetzvorganges zu berücksichtigen ist. Die Bestimmung von vS erfolgt dabei wie in M 210 nach der Gleichung

(19)

wobei die Vorgabe für qSV den vorstehenden Ausführungen entsprechend zu korrigieren ist.

Hinsichtlich der für die Bemessung maßgeblichen minimalen Schlammspiegelhöhe erscheint es zweckmäßig, Gleichung ( 17 ) um einen Ausgleichsabstand zu erweitern. Dieser Abstand muß mit zunehmender Schlammkonzentration ansteigen, da sich gleichzeitig die Absetzgeschwindigkeit verringert, die lineare Absetzphase sich verkürzt und die Übergangsphase verlängert wird, so daß sich die Differenz zwischen dem nach dem VSV bestimmten und dem nach Beendigung der Sedimentationszeit tatsächlich vorliegenden Schlammspiegel vergrößert. Im Hinblick auf die in Kappe gefundenen Absetzdaten hat es sich als praktikabel erwiesen, einen Aufschlag von 1/10 des Feststoffgehaltes in m vorzusehen.

Daraus ergibt sich die folgende nicht dimensionsreine empirische Formel als erster Ansatz:

(20)

Zwei Fälle leiten sich aus dieser Vorgehensweise ab, die durch die in Kappe und Zehdenick herrschenden Verhältnisse dokumentiert werden:

  1. Für Zehdenick ist Gleichung ( 20 ) irrelevant, da die minimale Schlammspiegelhöhe innerhalb der Absetzphase nicht erreicht wird. Das maximale Austauschverhältnis ist in Abhängigkeit von der gewählten Sedimentationszeit nach Gleichung ( 18 ) zu bestimmen.
  2. In Kappe ist wegen der wesentlich kürzeren linearen Absetzphase hS,min nach Gleichung
    ( 20 ) zur Bestimmung von fA,max heranzuziehen. Die gewählte Dauer der Sedimentationsphase läßt sich durch eine Auflösung von Gleichung ( 18 ) nach tSed überprüfen:

(21)

Der in M 210 vorgeschlagenen Berechnung von fA,max ist der empirisch gefundene Ansatz in Tabelle 6-5 gegenübergestellt. In den Formeln ist ein Sicherheitsabstand zwischen Wasser- und Schlammspiegel enthalten, der nach M 210 10 % der Höhe des Wasserspiegels, wenigstens aber 25 cm betragen soll.

Tabelle 6-5: Berechnung des maximalen Austauschverhältnisses

Aus der Tabelle geht hervor, daß die Berechnungsmethode in beiden Fällen diegleiche ist: Der einzige Unterschied besteht in der Wahl der Schlammspiegelhöhe. Wird hS nach Gleichung (17) berechnet, sind die Gleichungen (22) und (23) identisch. Im empirischen Ansatz jedoch erfolgt die Schlammspiegelberechnung je nach den herrschenden Verhältnissen nach Gleichung (18) oder (20).

Die Gleichungen (17) - (20) sind als vereinfachte Absetzmodelle zu verstehen, die in Ermangelung von Absetzkurven eine Berechnung des maximalen Austauschvolumens ermöglichen. Sie sind beispielhaft in Abb. 6-3 im Vergleich zu zwei in Kappe gemessenen Absetzlinien grafisch dargestellt.

Abb. 6-3: Vereinfachte Schlammabsetzmodelle zur Bemessung des maximalen Austauschvolumens. Die Absetzkurven wurden in Kappe am 3.12.98 (links) und am 10.12.98 (rechts) gemessen.

Da die nach ATV-M 210 bestimmte Sinkgeschwindigkeit des Schlammspiegels die tatsächliche übersteigt, schneidet die Absetzlinie des ATV-Modells die Absetzkurve trotz der eingeräumten 10-minütigen Flockungs- und Beruhigungsphase. Auf diese Weise liegt der reale Schlammspiegel ab einem Zeitpunkt von 20 - 30 min nach Sedimentationsbeginn oberhalb des berechneten. Dabei vergrößert sich die Differenz, bis nach dem Modell die minimale Schlammspiegelhöhe erreicht ist. Danach verringert sich der Abstand wieder; zu einer Vereinigung der beiden Kurven kommt es jedoch innerhalb der Sedimentationsphase nicht.

Das abgewandelte Modell orientiert sich nicht an der für vertikale Nachklärbecken gültigen Schlammvolumenbeschickung, wie das beim ATV-Modell der Fall ist, sondern an empirisch in SBR-Anlagen ermittelten Sinkgeschwindigkeiten. Dadurch sowie durch die Anhebung der maßgeblichen minimalen Schlammspiegelhöhe wird eine Überschätzung des maximalen Austauschverhältnisses verhindert.


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