2.2.3     Sedimentation im vertikal durchströmten Nachklärbecken

MERKEL (1971) beschreibt das Prinzip eines Dortmundbrunnens: Dabei handelt es sich um ein rundes Trichterbecken, in welches das Abwasser-Schlamm-Gemisch über ein mittleres Einlaufbauwerk eingeleitet wird (Abb. 2-12). Das Wasser steigt zur Oberfläche auf, wo es über den Überlauf abgezogen wird. Innerhalb der Trennzone bildet sich oberhalb einer bestimmten Steiggeschwindigkeit eine Wirbelschicht aus Belebtschlammflocken, die für den eingeleiteten Schlamm als Filter wirkt. Während das Wasser nach oben steigt, werden die Schlammflocken im Filter aufgehalten, koagulieren und bilden schließlich Schlammpakete, deren Größe und Dichte ausreicht, um gegen die Strömung nach unten in den Eindickraum abzusinken. Auf diese Weise stellt sich in der Trennzone ein Gleichgewicht zwischen Steiggeschwindigkeit und Schlammkonzentration ein.

Abb. 2-12: Zonen und Tiefen von vertikal durchströmten Trichterbecken (nach ATV 1991)

Eine Wirbelschicht bildet sich nach RESCH (1985) im Zustand der sogenannten "Fluidisierung" aus. Dieser tritt ein, wenn die gegeneinander wirkenden Kräfte der Schwerkraft und des Strömungswiderstandes sich gerade ausgleichen, so daß die Flocken in Schwebe gehalten werden. Ihre gleichmäßige Verteilung bewirkt die Ausbildung eines horizontalen Schlammspiegels als obere Begrenzung der Wirbelschicht. Daraus ergibt sich im Vergleich zu horizontal durchströmten Becken ein bedeutender Vorteil. Ist dort mit zunehmender Belastung und steigendem Rücklaufverhältnis eine stetige Ablaufverschlechterung zu verzeichnen, so verharrt die Ablaufqualität im vertikal durchströmten Becken solange auf einem gleichbleibend niedrigen Niveau, wie die Oberfläche des Flockenfilters sich noch unterhalb der Überlaufkante befindet. RESCH nennt hier einen Wert von TSe < 15 mg/l. Erst, wenn der Schlammspiegel den Überlauf erreicht, steigt der TS-Gehalt im Ablauf sprunghaft an.

STOBBE (1964) fand heraus, daß in einem zylindrischen Gefäß, daß von unten mit Belebtschlamm beschickt wird, die Feststoffkonzentration nach oben hin abnimmt. Wird das gleiche Verfahren auf ein trichterförmiges Gefäß angewendet, tritt neben der horizontalen auch eine vertikale Vergleichmäßigung der Feststoffverteilung ein, so daß in der gesamten Wirbelschicht der gleiche TS-Gehalt gemessen wird.

Gleichzeitig kommt es nach MERKEL im Trichterbecken zu Entmischungsvorgängen: Mit zunehmender Höhe verringert sich die Steiggeschwindigkeit qA infolge der Vergrößerung der durchströmten Fläche. Die Flocken stellen sich in der Wirbelschicht dort ein, wo der Gleichgewichtszustand zwischen Schwerkraft und Strömungswiderstand erreicht ist. Das hat zur Folge, daß leichtere Flocken in den oberen Bereich transportiert werden, während größere und schwerere Flocken bis in den Einlaufbereich und bei weiterer Koagulation und Zusammenballung in die Eindickzone absinken.

Die Wirbelschicht und das behinderte Absetzen (Abb. 2-5) gehorchen nach STOBBE den gleichen Gesetzmäßigkeiten. Dieser Sachverhalt ist mit einer Betrachtung der Relativgeschwindigkeit vR bei körnigem Material zu veranschaulichen. Diese ist nicht wie die Sinkgeschwindigkeit vS auf einen Festpunkt bezogen, sondern auf den ruhenden oder aufsteigenden Wasserspiegel, und setzt sich in ruhendem Medium zusammen aus der Summe der Sinkgeschwindigkeit und der Steiggeschwindigkeit des verdrängten Wassers. Wird die Steiggeschwindigkeit durch Beschickung von unten erhöht, so verringert sich dadurch vS in demgleichen Maße; bei vR tritt keine Änderung ein. Dies läßt sich soweit fortsetzen, bis die Steiggeschwindigkeit vR erreicht hat und der Zustand der Wirbelschicht erreicht ist. Bis zu diesem Stadium hat sich neben der Relativgeschwindigkeit auch an der ihr zugeordneten Schlammkonzentration in der linearen Absetzphase nichts geändert. Die Wirbelschicht ist somit als Grenzfall der linearen Absetzphase zu betrachten, bei dem vS Null wird.

Mit einer weiteren Erhöhung der Steiggeschwindigkeit werden Relativgeschwindigkeit und Schlammkonzentration zu Veränderlichen: Als Folge der einsetzenden Ausdehnung der Wirbelschicht verringert sich die Schlammkonzentration, während vR sich entsprechend erhöht.

Auch MERKEL (1971) stellt fest, daß die Schlammvolumenkonzentration im Flockenfilter VSVF sich der jeweiligen Steiggeschwindigkeit in Schlammspiegelhöhe qAS durch Ausdehnung der Wirbelschicht anpaßt. Seinen Untersuchungen zufolge ergab sich folgender Zusammenhang:
 

mit    qAS = Q/AS

AS = Oberfläche in Schlammspiegelhöhe

Abb. 2-13 läßt erkennen, daß nach MERKELs Untersuchungen vertikal durchströmte Becken höher belastet werden können als horizontal durchströmte, da die Steiggeschwindigkeit bei gleichem VSV stets höher liegt als die Sinkgeschwindigkeit im Absetzversuch (s. Abb. 2-6). MERKEL führt dies auf die Bildung von kompakteren Flockenverbänden im vertikal durchströmten System infolge intensiverer Austauschvorgänge zurück.
 

Abb. 2-13: Steiggeschwindigkeit in Höhe des Schlammspiegels bei vertikaler Strömung und Sinkgeschwindigkeit im Absetzversuch

RESCH fand einen umgekehrt proportionalen Zusammenhang zwischen qAS und VSV:

Im Gegensatz zu MERKEL schneiden sich bei RESCH die Kurven für qAS und vS, so daß für VSV < 200 ml/l die Sinkgeschwindigkeit höher liegt als die Steiggeschwindigkeit. Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß die von RESCH gefundene Formel für vS für kleine Vergleichsschlammvolumina nicht gelten kann. Eine genauere Eingrenzung kann allerdings nicht vollzogen werden, da diesbezügliche Angaben fehlen.

Ein Vergleich der dargestellten Steiggeschwindigkeiten ergibt eine relativ gute Übereinstimmung der von den beiden Autoren gefundenen Werte für VSVF ³ 350 ml/l. Für kleinere Schlammkonzentrationen steigt die Differenz rasch an. qAS erreicht nach MERKEL (Gleichung
( 15 )) bereits bei einem VSVF von 250 ml/l einen mehr als doppelt so hohen Wert wie nach RESCH (Gleichung ( 16 )). Für die Auslegung von Nachklärbecken hat dieser Umstand allerdings nur eine geringe Bedeutung, da diese im allgemeinen nicht mit einem VSVF unter 350 ml/l betrieben werden.

Weiterhin stellte MERKEL fest, daß unterhalb eines VSVF von 400 ml/l - entsprechend einer Sinkgeschwindigkeit von 1,2 m/h - die gemessenen Sinkgeschwindigkeiten einer deutlich stärkeren Streuung unterlagen als in höherem Schlammkonzentrationsbereich.

Dieses Phänomen wurde bereits von STOBBE (1964) beobachtet. Zur Erklärung zieht er den Begriff der unvollkommenen Wirbelschicht heran: Im Gegensatz zum Verhalten gekörnten Materials ist eine Flockenwirbelschicht gekennzeichnet durch ständig ablaufende Flockenbildungs- und -zertrennungsvorgänge. In einer vollkommenen Wirbelschicht sind diese so gleichmäßig verteilt, daß Konzentration und Turbulenz im horizontalen Querschnitt örtlich und zeitlich gleich sind. Mit dem Übergang zu einer unvollkommenen Wirbelschicht beginnen Konzentration und Turbulenz zu schwanken. Die Flocken sind in ihrer Größe wesentlich stärkeren Veränderungen unterworfen, wodurch die Strömung immer wieder umgeleitet wird und ihre Gleichmäßigkeit verliert. Dieser Zustand ist durch eine starke Instabilität gekennzeichnet. Eine Vergleichbarkeit mit dem behinderten Absetzen ist nicht mehr gegeben.

Auf diese Weise ergibt sich eine deutlich geringere Korrelation zwischen qAS und VSVF. Es sollte folglich im Zustand der vollkommenen Wirbelschicht - also bei qAS > 1,2 m/h - eine wesentlich bessere Reproduzierbarkeit zu erwarten sein. Diese Erwartung bestätigt sich im Vergleich der beiden genannten Autoren nicht. Hier macht sich bemerkbar, daß hinsichtlich der Steiggeschwindigkeit die vereinfachende Reduzierung der Einflußgrößen auf einen Parameter mit Risiken behaftet ist.

Entsprechend stark differieren auch die zugehörigen Schlammvolumenbeschickungen als Produkt aus qAS und VSVF (s. Gleichung ( 13 )). Sie sind in Abb. 2-14 dargestellt. Bei RESCH ergibt sich qSV durch einfache Umformung von Gleichung ( 16 ) und nimmt den konstanten Wert 725 l/(m2·h) an. Die von MERKEL gefundenen Werte unterliegen konzentrationsabhängigen Veränderungen. Im Bereich der unvollkommenen Wirbelschicht schwanken sie hauptsächlich zwischen 400 und 600 l/(m2·h), in der vollkommenen Wirbelschicht steigen sie mit abnehmendem VSV rapide an.

Abb. 2-14: Schlammvolumenbeschickung bei vertikaler Durchströmung und Schlammvolumensinkge-
schwindigkeit im Absetzversuch

Im Arbeitsblatt A 131 (ATV 1991) wird für TSe £ 20 mg/l als oberer Grenzwert qSV = 600
l/(m2·h) angesetzt - ein geschlossener Flockenfilter und gut flockbarer Belebtschlamm vorausgesetzt. Dieser orientiert sich damit an den gefundenen Literaturwerten, wurde allerdings zusätzlich mit einem Sicherheitsabstand versehen. Der verbesserten Klärwirkung des vertikal durchströmten Beckens im Vergleich zum horizontal durchströmten wird also durch eine Erhöhung der zulässigen Schlammvolumenbeschickung um 150 l/(m2·h) Rechnung getragen.



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