2.2.2     Sedimentation im horizontal durchströmten Nachklärbecken

Wie bereits theoretisch dargelegt wurde, ist für die Beschickung eines horizontal durchströmten Nachklärbeckens die Beckenoberfläche entscheidend. Um einen Austrag von Feststoffen aus dem Becken zu vermeiden, darf die Oberflächenbeschickung höchstens der Sinkgeschwindigkeit des Schlammspiegels entsprechen (Gleichung ( 7 )).

Dies wird bestätigt durch Untersuchungen von PFLANZ (1966), der für verschiedene horizontal durchströmte Nachklärbecken bei unterschiedlichen Belastungen Feststoffprofile erstellte. Dabei zeigte sich, daß die Isoklinen im ausgelasteten Becken nahezu horizontal verlaufen (Abb. 2-7). Lediglich in Sohlennähe fällt die Konzentration zum Beckenende hin aufgrund der Schlammräumung ab, während sie nahe der Überlaufkante infolge der von dort ausgehenden Sogwirkung leicht ansteigt.

Abb. 2-7: Feststoffverteilung im Rechteckbecken bei hoher Belastung; Isoklinen in mg/l (PFLANZ 1966, zitiert nach MERKEL 1971)

Die gleichmäßige Schlammverteilung im Beckenraum legt die Vermutung nahe, daß sich einerseits der Schlamm gleichmäßig über der Sohlenfläche absetzt und andererseits das durch den absinkenden Schlamm verdrängte Wasser ebenso gleichmäßig nach oben aufsteigt. Der Oberflächensatz erhält damit auch eine anschauliche Bestätigung.

Ein Vergleich der bei MERKEL (1971) im Absetzversuch ermittelten Sinkgeschwindigkeit vS mit im großtechnischen Maßstab gewonnenen Daten der maximal zulässigen Oberflächenbeschickung
qA (PFLANZ 1966) ist Abb. 2-8 zu entnehmen. Durch Umrechnung des Vergleichsschlammvolumens in den TS-Gehalt ergibt sich aus der Kurve nach Gleichung ( 9 ) eine Kurvenschar mit dem ISV als zusätzlichem Parameter. Die von PFLANZ angegebenen Werte der zulässigen Oberflächenbeschickung orientieren sich an einem Ablaufgrenzwert der Feststoffkonzentration von 30 mg/l.

Abb. 2-8: Sinkgeschwindigkeit des Schlammspiegels und zulässige Oberflächenbeschickung (nach MERKEL 1971)

Die Kurven machen deutlich, daß einerseits eine relativ gute Übereinstimmung zwischen vS und qA herrscht. Es fällt andererseits aber auf, daß die zulässige Oberflächenbeschickung nach PFLANZ bei sinkendem TS-Gehalt nicht in demselben Maße ansteigt wie die im Meßzylinder ermittelte Absetzgeschwindigkeit. MERKEL führt dies auf zwei Ursachen zurück:

  1. Mit steigender Beschickung erhöhen sich die Turbulenzen, die sich hemmend auf das Absetzverhalten auswirken.
  2. Die Eindickkapazität ist bereits erreicht.

Hinsichtlich der Ablaufqualität ist nach Abb. 2-8 zu schließen, daß bei gleichem Grenzwert die zulässige Oberflächenbeschickung je nach VSV relativ stark variiert. Umgekehrt ergaben von BILLMEIER (1978) durchgeführte Untersuchungen an drei Nachklärbecken bei variierendem Rücklaufverhältnis und gleicher Oberflächenbeschickung erhebliche Streuungen des Feststoffgehaltes im Ablauf.

Nach BILLMEIER muß qA um die Parameter VSV, RV und die Beckentiefe TNB ergänzt werden, um die Ablaufqualität mit hinreichender Genauigkeit definieren zu können. Aus den gewonnenen Daten leitete er empirisch eine nicht dimensionsreine Formel für die Errechnung des TS-Gehaltes im Ablauf her, die den gefundenen Abhängigkeiten Rechnung trägt:


 

Dabei ist die Schlammvolumenbeschickung qSV folgendermaßen definiert:


 

Der Term innerhalb der Klammer in Gleichung ( 12 ) wird als spezifische Raumbeschickung bezeichnet und drückt die auf das Beckenvolumen bezogene stündlich zugeführte Schlammenge aus.

Wird Gleichung ( 12 ) nach qA aufgelöst, ergibt sich als zulässige Flächenbeschickung:


 

Einige Beispiele der nach dieser Formel berechneten Flächenbeschickung sind für eine Ablaufkonzentration TSe = 20 mg/l Abb. 2-9 zu entnehmen. Es zeigt sich, daß qA bei größeren Beckentiefen die im Absetzversuch ermittelten Sinkgeschwindigkeiten (Abb. 2-6) vor allem bei größerem VSV durchaus übersteigen kann. Das bedeutet, daß Daten für vS, die durch Messung der Sedimentation im 1 l-Meßzylinder gewonnenen wurden, nicht ohne weiteres auf Nachklärbecken zu übertragen sind. Die durch die Strömung verursachten ungünstigeren Verhältnisse für die Sedimentation im Nachklärbecken können für hohe Vergleichsschlammvolumina und kleine Rückführverhältnisse durch die wesentlich größere Füllhöhe offenbar kompensiert werden.

Abb. 2-9: Beispiele der Flächenbeschickung nach BILLMEIER (1978) für TSe = 20 mg/l und zulässige Flächenbeschickung nach A 131 (ATV 1991) für qSV max und RVmax

Die von BILLMEIER gefundene Gleichung ( 12 ) läßt sich auf die im Arbeitsblatt A 131 der ATV (1991) gegebenen Richtlinien zur Bemessung von Nachklärbecken anwenden. Dort sind folgende Vorgaben zu berücksichtigen:

  • Der ISV darf höchstens 180 ml/g betragen, das VSV höchstens 600 ml/l.
  • Das Rücklaufschlammverhältnis wird auf maximal 1,5 begrenzt.
  • Die Schlammvolumenbeschickung soll höchstens 450 l/(m2·h) betragen. Mit einer oberen Begrenzung der Flächenbeschickung auf 1,6 m/h ergibt sich der in Abb. 2-9 dargestellte Verlauf für qA. Die Festsetzung eines oberen Grenzwertes für die Flächenbeschickung erfolgt im Sinne einer Vermeidung zu hoher Turbulenzen, die den Absetzvorgang beeinträchtigen würden, und zur Gewährleistung der benötigten Flockungszeiten.
  • Die Beckentiefe TNB ist in 4 funktionale Teilbereiche eingeteilt (Abb. 2-10, h1 - h4), die einzeln für sich berechnet werden. Die Gesamttiefe h = TNB ergibt sich aus der Summe der einzelnen Teiltiefen. Für die Klarwasserzone wird generell ein Wert von h1 = 0,5 m angesetzt. Die vertikalen Abmessungen der übrigen Zonen hängen von RV, qA und VSV ab. Die Tiefe der Eindickzone wird zusätzlich von der Eindickzeit tE beeinflußt.

Abb. 2-10: Zonen und Tiefen von horizontal durchströmten Längsbecken (nach ATV 1991)

Unter den gegebenen Voraussetzungen soll nach A 131 ein Grenzwert von TSe = 20 mg/l einzuhalten sein. Diese These wird durch Gleichung ( 12 ) auch für den ungünstigsten Fall, der nach A 131 noch zulässig ist, bestätigt. Dieser entsteht bei den genannten Maximalwerten für RV und
qSV sowie bei minimaler Beckentiefe. TNB wird bei gegebenem RV und qSV für ein Vergleichsschlammvolumen von VSV = 500 ml/l mit 4,63 m am niedrigsten (Abb. 2-11). Der Peak bei VSV = 280 ml/l entsteht durch die Begrenzung der Flächenbeschickung qA auf 1,6 m/h. Ohne diese Begrenzung würde qA - und damit auch TNB - bei festgelegtem qSV und sinkendem VSV stetig ansteigen.

Abb. 2-11: Beckentiefe nach ATV A131 (1991) bei qSV = 450 l/m2,h und RV = 1,5

Damit ergibt sich für den rechnerischen maximalen Ablauf-TS-Gehalt:



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