2    Schlammabsetzbarkeit

Im Belebungsverfahren spielen nicht nur die Reinigungsprozesse - der Stoffumsatz der im Abwasser befindlichen Nährstoffe und Kohlenstoffverbindungen - eine Rolle. Von ebensolcher Bedeutung ist es, Bedingungen herzustellen, die eine gute Trennung des gereinigten Abwassers vom Belebtschlamm herbeiführen. Die Größe des Sedimentationsbeckens ist so zu wählen, daß die Gefahr eines übermäßigen Feststoffabtriebs mit dem gereinigten Abwasser ausgeschlossen werden kann.

Aufgrund dessen sollte neben der biologischen Reinigung auch dem Sedimentationsverhalten einige Aufmerksamkeit gewidmet werden. Das Volumen, das der Belebtschlamm am Ende der Sedimentationszeit einnimmt, und die Absetzgeschwindigkeit entscheiden darüber, wie groß das Volumen des Absetzbeckens zu wählen ist. Es ist daher lohnenswert, sich eine möglichst genaue Kenntnis über die Einflußmechanismen auf Reinigungs- und Absetzvorgänge zu verschaffen, um beides weitestgehend optimieren zu können.

2.1     Grundlagen der Sedimentation

HAHN (1987) gibt eine Übersicht über die bei der Sedimentation wirksamen physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Die interessierende Größe ist dabei die Sedimentationsgeschwindigkeit vS. Diese kann für kugelförmige Körper in ruhendem Medium bei laminarer Bewegung durch das Gesetz von Stokes beschrieben werden:


 

mit
g Erdbeschleunigung,
rF bzw. rFl spezifische Dichte Feststoff bzw. Flüssigkeit,
µ dynamische Viskosität,
d Teilchendurchmesser,
n kinematische Zähigkeit.

Für höhere Reynolds-Zahlen wird folgende Formel angegeben:


 

Daraus ist erkennbar, daß die Sedimentationsgeschwindigkeit in entscheidendem Maße von der Teilchengröße abhängt. Im laminaren Bereich ist dieser Einfluß besonders ausgeprägt, da der Teilchendurchmesser hier im Quadrat in die Formel eingeht.

In Abb. 2-1 sind typische Größenbereiche für Belebtschlammflocken dargestellt. Nach BILLMEIER (1979) sind Flocken mit einem Durchmesser ³ 100 µm stark bruchgefährdet. Aus diesem Grund herrschen im turbulenten Belebungsbecken Mikroflocken vor. Die möglichst weitgehende Koagulation der Mikroflocken zu absetzfähigen Makroflocken ist für die Nachklärung von entscheidender Bedeutung, da Flocken mit einem Durchmesser von durchschnittlich 2 µm im Vergleich zu Makroflocken theoretisch eine um das 350fache erhöhte Sedimentationszeit benötigen und damit praktisch nicht absetzfähig sind.

Abb. 2-1: Größenverteilung im Belebtschlamm befindlicher Flocken (nach BILLMEIER 1979)

Weiterhin ist aus dem Stokes-Gesetz ersichtlich, daß unter turbulenten Bedingungen mit der dynamischen Viskosität auch die Temperatur an Einfluß verliert. Eine Temperaturabhängigkeit macht sich dann nur noch im Dichteverhältnis von Feststoff und Flüssigkeit bemerkbar.

Wesentlich stärker aber wird die Feststoffdichte von dem Flockungsverhalten beeinflußt. Eine zunehmende Porösität bzw. ein zunehmender Einschluß von Wasser als Zwischenraum- oder Hydratwasser verringert das Dichteverhältnis von Feststoff und Wasser und damit die Absetzgeschwindigkeit.

Um zu einer Gleichung für die maximal zulässige Beschickung des Nachklärbeckens zu gelangen, verwendet HAHN (1987) für horizontal durchströmte Becken ein Modell, das für einen sedimentierenden Körper den ungünstigsten Fall darstellt. Es gelten folgende Randbedingungen:

  1. Abfluß und Zufluß erfolgen nur über die Oberkante des Beckens.
  2. Ein Teilchen gilt als entfernt, wenn es die Beckensohle erreicht hat. Damit hat es den längsten denkbaren Weg zurückzulegen. Die Grenzlinie für abgeschiedene und nicht abgeschiedene Teilchen wird somit durch die Diagonale von der Oberkante der Zulaufseite zur Unterkante der Ablaufseite gebildet (Abb. 2-2).

Abb. 2-2: Sedimentationsmodell für horizontal durchströmte Nachklärbecken (nach HAHN 1987)

Nach diesem Modell muß für eine erfolgreiche Entfernung der Feststoffe die Zeit, die ein Teilchen benötigt, um die Sohle zu erreichen, geringer sein als die Zeit für das horizontale Durchströmen des Beckens. Nach Umrechnung ergibt sich daraus folgende Formel:


 

mit
ANB Fläche Nachklärbecken [m2],
qA Flächenbeschickung [m/h].

Wegen des Bezugs auf die Beckenfläche wird diese Formel auch Oberflächensatz genannt.

Für die Praxis können die genannten Formeln allerdings nur Anhaltspunkte liefern, denn Oberflächensatz und Stokes-Beziehung gelten nur unter idealen Voraussetzungen, die in der Realität nicht gegeben sind. Dazu gehören die ideale Pfropfenströmung, die Kugelform der Partikel, die laminaren Strömungsbedingungen und davon abgeleitet der Weg der Einzelpartikel auf Geraden.

Weiterhin ist eine direkte Übertragung der für Einzelpartikel aufgestellten Gleichungen auf Suspensionen nur möglich, wenn Monodispersität vorliegt. Infolge ausgeprägter Flockungsvorgänge ist die Schlamm-Wasser-Suspension jedoch als ausgesprochen heterodispers zu bezeichnen. BILLMEIER (1978) beziffert den für eine erfolgreiche Feststoffabscheidung erforderlichen Flockendurchmesser auf mindestens 100-200 µm, fügt aber hinzu, daß eine Koagulation der Mikroflocken bis zu diesem Grenzwert niemals vollständig ablaufen wird, so daß immer ein gewisser Anteil nicht abgetrennter Feststoffe in den Ablauf des Nachklärbeckens gerät.

Als weitere vom Modell abweichende Einflußfaktoren auf den Abscheidevorgang nennt HAHN die Entstehung von undurchströmten Toträumen aufgrund ungünstiger Beckenkonstruktion und die Anordnung des Zulaufes an der Beckenunterseite z.B. durch Tauchwände. Letzterer wirkt sich durch die Verkürzung des Sinkweges auf den Abtrennungsprozeß begünstigend aus.



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