2.2.1     Sedimentation in ruhendem Medium

Aufgrund der genannten Einwirkungen ist die tatsächliche Absetzgeschwindigkeit des belebten Schlammes immer niedriger als die berechnete der freien Einzelflocke. Sie wird üblicherweise durch den Absetzversuch im 1 l-Meßzylinder bestimmt. Dabei zeigt sich, daß der Schlamm beim Absinken im Gegensatz zum Einzelpartikel vier verschiedene Geschwindigkeitsstadien durchläuft (Abb. 2-5):

Abb. 2-5: Der Absetzvorgang im 1 l-Meßzylinder (nach MERKEL 1971)

In der anfänglichen Flockungsphase herrschen kurz nach dem Befüllen noch turbulente Bedingungen. Mit zunehmender Beruhigung des Schlammes vergrößern sich die Flocken durch Koagulation und beginnen, sich abzusetzen. Dabei bildet sich bei ausreichend hoher Konzentration bereits ein sichtbarer Schlammspiegel aus.

Mit Erreichen der maximalen Sedimentationsgeschwindigkeit geht die Flockungsphase in die Phase des behinderten Absetzens über. In diesem Bereich verläuft die Absetzkurve linear, d.h. der Schlammspiegel sinkt mit gleichbleibender Geschwindigkeit, ohne daß eine Änderung der Konzentration oder der Flockengröße eintritt. Es herrscht ein Gleichgewicht zwischen der Sinkbewegung der Flocken und der Steiggeschwindigkeit des verdrängten Wassers. Dabei entspricht nach MERKEL (1971) der Feststoffgehalt in der linearen Absetzphase ungefähr dem Feststoffgehalt des untersuchten Schlammes.

Währenddessen wächst vom Boden aufwärts eine Schicht sich verdichtenden Schlammes. Erreicht diese den Schlammspiegel, beginnt die Übergangsphase, in der die Absetzgeschwindigkeit infolge steigender Konzentration sinkt.

Es schließt sich die Kompressionsphase an, in welcher der Schlamm eindickt, das Porenwasser also durch die auflastenden Flocken aus der Schlammschicht herausgepreßt wird. In dieser Phase ist die Sedimentationsgeschwindigkeit nur noch sehr gering und tendiert gegen null.

Die Schlammvolumenkonzentration eines Abwasser-Schlamm-Gemisches wird üblicherweise mithilfe eines 30-minütigen Absetzversuches im 1 l-Meßzylinder bestimmt. Das Ergebnis ist das Vergleichsschlammvolumen VSV [ml/l]. Zusammen mit dem Feststoffgehalt TS errechnet sich daraus der Schlammvolumenindex ISV, der das spezifische Schlammvolumen bezogen auf 1 g TS beschreibt:


 

Diese Größen werden in der Literatur kritisch diskutiert. Aufgrund des unterschiedlichen Absetzverhaltens bei unterschiedlicher Konzentration erscheint die Wahl von 30 min zur Bestimmung des Vergleichsschlammvolumens relativ willkürlich. Während Schlämme geringerer Konzentration sich nach 30 min bereits in der Kompressionsphase befinden, haben hochkonzentrierte Schlämme zu diesem Zeitpunkt nicht einmal die lineare Absetzphase erreicht (vgl. Abb. 2-3). Die Wandeinflüsse des Meßgefäßes machen sich mit steigender Konzentration zunehmend bemerkbar. Dies führt dazu, daß sich bei demgleichen Schlamm mit zunehmender Konzentration fälschlicherweise höhere Schlammindices ergeben (STOBBE 1964, MERKEL 1971).

Indessen haben Messungen gezeigt, daß bei Vergleichsschlammvolumina < 250 ml/l der Schlammindex konstant ist, die Wandeinflüsse also vernachlässigbar sind (STOBBE 1964). Das führt Stobbe zu der Empfehlung, Suspensionen vor dem Absetzversuch zunächst auf ein VSV » 200 ml/l zu verdünnen, um vergleichbare, von Wandeinflüssen unabhängige Ergebnisse zu erzielen.

Aus diesem Grund wurden Bestimmungen des Vergleichsschlammvolumens in dieser Arbeit nach der von STOBBE vorgeschlagenen Verdünnungsmethode durchgeführt.

Zur mathematischen Beschreibung der Sedimentationsgeschwindigkeit wird zur Vereinfachung i.d.R. die Schlammkonzentration als einziger Parameter herangezogen. Es hat sich gezeigt, daß diese Reduzierung auf eine Einflußgröße in den jeweiligen Experimenten zu guten Übereinstimmungen mit den realen Verhältnissen geführt hat; ein Vergleich der Angaben unterschiedlicher Autoren macht jedoch deutlich, daß eine Verallgemeinerung nur unter Vorbehalten möglich ist und im Einzelfall zumindest einige Vergleichsmessungen zur Überprüfung angestellt werden sollten (Abb. 2-6). Es ist erkennbar, daß die Schlammkonzentration zwar die maßgebliche, aber nicht die einzige Einflußgröße auf die Absetzgeschwindigkeit darstellt.

Die den Kurven in Abb. 2-6 zugrundeliegenden Formeln lauten

MERKEL (1971):


für 100<VSV<480 ml/l


für 480<VSV<900 ml/l
 

RESCH (1981):
 

DAIGGER & ROPER (1985, zitiert nach BUWAL 1996):


 

Abb. 2-6: Absetzgeschwindigkeit von Belebtschlamm in Abhängigkeit vom Vergleichsschlammvolumen nach Regressionsrechnungen

RESCH und MERKEL gehen davon aus, daß vS und VSV gleichermaßen vom Schlammindex beeinflußt sind, so daß die Formeln vom ISV unabhängig erscheinen. Nach DAIGGER & ROPER dagegen wirkt sich der Schlammindex auf beide Größen verschieden aus, so daß sich für unterschiedliche Werte andere Kurven ergeben.

Aus den Kurven kann auch bei VSV = 0 ml/l die theoretische Sinkgeschwindigkeit der Einzelflocke abgelesen werden. Bei MERKEL liegt diese bei 11 m/h. DAIGGER & ROPER setzen diese bei ca. 8 m/h an. RESCHs Formel kann für kleine VSV nicht als gültig angesehen werden, da die Kurve die y-Achse nicht schneidet, sondern gegen ¥ tendiert. Die Sinkgeschwindigkeit eines Partikels kann aber nicht höher sein als die nach dem Stokes'schen Gesetz (Gleichung ( 5 ) und ( 6 )) berechnete.



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